Mathematical model for a comprehensive assessment of the economic impact of operating innovative vehicles across their life cycle

Abstract

EN: The article presents the results of a scientific study aimed at developing a comprehensive methodology for assessing the economic efficiency of operating innovative freight cars on the railway infrastructure of Ukraine. The relevance is due to the critical wear of the freight car fleet and the need to implement tariff mechanisms that consider the interests of both rolling stock owners and the infrastructure owner. Existing approaches focus mainly on operator benefits, ignoring the significant impact of car technical characteristics on infrastructure costs (train traction, track wear). The proposed methodology is based on a comparative analysis of an innovative car and an analog car. A key feature is the determination of two fundamental coefficients based on field tests: the change in the basic specific resistance to movement (kw) and the change in the impact on the track (kt). A mathematical apparatus has been developed to calculate the annual change in infrastructure owner costs, covering expenses on fuel and energy resources, track maintenance, locomotive maintenance, and en-route car maintenance. The practical value lies in the possibility of using the results to justify differentiated tariffs. The procedure for calculating the specific economic effect (Cud) and the innovative reduction coefficient to the base tariff ( inv ) tar k is proposed, creating an economic incentive for operators to purchase more advanced rolling stock. The approbation of the methodology on the example of an innovative gondola car demonstrated a net economic effect of about +5,000 UAH per technological cycle due to increased productivity, reduced downtime, and higher speed. /// UA: У статті представлено результати наукового дослідження, спрямованого на розробку комплексної математичной моделі оцінювання економічної ефективності експлуатації інноваційних вантажних вагонів на залізничній інфраструктурі України. Актуальність роботи зумовлена критичним зносом парку вантажних вагонів та необхідністю впровадження тарифних механізмів, які враховують інтереси як власників рухомого складу, так і власника інфраструктури – АТ «Укрзалізниця». Існуючі підходи зосереджуються переважно на вигодах для оператора, ігноруючи суттєвий вплив технічних характеристик вагона на інфраструктурні витрати (тяга поїздів, зношування колії). Запропонована методика базується на порівняльному аналізі пари «інноваційний вагон – вагон-аналог». Ключовою особливістю є визначення за результатами натурних випробувань двох фундаментальних коефіцієнтів: зміни основного питомого опору руху (kw) та зміни впливу на колію (kt). Розроблено математичний апарат для розрахунку річної зміни витрат власника інфраструктури, який охоплює витрати на паливно-енергетичні ресурси, утримання колії, утримання локомотивів та технічне обслуговування вагонів у дорозі. Модель враховує мультиплікативний ефект впливу технічних характеристик вагонів на продуктивність тягового рухомого складу, швидкість руху, тривалість простоїв та витрати на утримання інфраструктури. Практична цінність полягає у можливості використання результатів для обґрунтування диференційованих тарифів. Запропоновано порядок розрахунку питомого економічного ефекту (Cуд) та інноваційного понижуючого коефіцієнта до базового тарифу ( інв ), тар k що створює економічний стимул для операторів придбавати більш досконалий рухомий склад. Апробацію математичной моделі виконано на прикладі інноваційного напіввагону, що дозволило кількісно оцінити чистий економічний ефект. Результати моделювання демонструють, що використання інноваційних вагонів забезпечує сукупний мультиплікативний ефект збільшення продуктивності рухомого складу за рахунок підвищення маси поїзда, збільшення середньодобового пробігу локомотива, скорочення простоїв та покращення дільничної швидкості при незначному зростанні витрат на утримання інфраструктури. Розроблена математична модель є універсальним інструментом для оцінювання ефективності інноваційних транспортних засобів на всіх етапах життєвого циклу. Застосування цієї моделі на прикладі інноваційного напіввагона продемонструвало чистий економічний ефект у розмірі близько +5 000 грн на один вагон за технологічний цикл завдяки підвищенню продуктивності, скороченню простоїв та збільшенню швидкості.