Формування системи залізничного доставлення контейнерів на основі поєднання концепцій PSR, регулярної експреслогістики та цифрових двійників

Abstract

UA: У статті розроблено концепцію системи залізничного доставлення контейнерів для ефективної конкуренції з автотранспортом на коротких і середніх відстанях. Запропоновано поєднання принципів PSR, регулярної експрес-логістики та цифрових двійників. На основі теорії графів сформовано математичну модель багатокритеріальної оптимізації (критерії: балансування навантаження, кількість поїздів, час доставлення, кількість хабів, рівномірність власної центральності станцій). Для оптимізації адаптовано алгоритм NSGA-II. Експериментально підтверджено ефективність підходу: отримано конфігурації мережі з високою структурною стійкістю. Наукова новизна — використання власних векторів центральності як критерію оптимізації. Практична цінність — створення конкурентоспроможних залізничних систем доставлення.

EN: This article develops a comprehensive concept for a rail container delivery system designed to effectively compete with road transport over short and medium distances. The core innovation lies in the synergistic combination of Precision Scheduled Railroading (PSR) principles, regular express logistics, and digital twin technologies to create a highly efficient transportation network featuring a scientifically substantiated topology. The proposed methodology addresses the critical need for rail systems to overcome inherent infrastructural rigidities and adapt to dynamic market demands by leveraging advanced optimization and simulation techniques. To model the network, a mathematical framework grounded in graph theory was formulated. This framework enables multi-criteria optimization that simultaneously considers five key performance indicators: balancing train load factors, minimizing the total number of trains, reducing delivery time, optimizing the number of hub stations, and ensuring the uniformity of eigenvector centrality across stations. The inclusion of eigenvector centrality as a distinct optimization criterion represents a novel contribution, as it allows for the quantification and enhancement of each station's strategic importance within the overall network, promoting a more resilient and evenly utilized infrastructure. To solve this complex optimization challenge, the NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) was adapted to the specific context of transportation networks. The adaptation incorporates unique mechanisms such as the collapsing of transit stations to simplify network complexity and the enforcement of constraints on the graph's algebraic connectivity to maintain structural integrity and robustness. Experimental validation of the approach confirmed its effectiveness, yielding network configurations characterized by high structural stability, a uniform distribution of segment lengths, and acceptable values for network diameter and average inter-station distance. These resulting topologies provide a balanced foundation that is both operationally efficient and physically realizable. Furthermore, the study proposes a three-tier architecture for a transportation system digital twin, wherein the optimized network topology serves as the structural core. This core acts as the foundational layer for subsequent simulation modeling of freight flows, enabling real-time operational analysis, predictive insights, and robust decision support for managing disruptions and optimizing resource allocation. The integration of optimization results directly into the digital twin concept bridges the gap between strategic network design and tactical operational management. The scientific novelty of this research is twofold: it pioneers the use of eigenvector centrality as a direct criterion for transport network topology optimization, and it establishes a clear pathway for integrating these optimization outcomes into a functional digital twin architecture. The practical value lies in providing a viable blueprint for creating competitive rail container systems capable of delivering fast, economically efficient, and reliable service on short and medium hauls, thereby enhancing the modal share of railways in the freight transportation market.