Книги, научные публикации
На правах рукописи
Соболев Алексей Викторович ОРГАНИЗАЦИЯ АДАПТИВНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУНКТОВ МАССОВОЙ ПОГРУЗКИ И ВЫГРУЗКИ С ПОМОЩЬЮ ПОСТРУЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ ПОРОЖНЯКА 05.22.08 - Управление
процессами перевозок
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2005
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Значительная роль железнодорожного транс порта в экономике России определяется уникальными географическими пара метрами государства. Переход отраслей экономики на рыночные отношения требует соответствующей оптимизации работы железнодорожного транспорта.
Существующий механизм централизованного управления порожними вагонами опирается на техническое нормирование перевозочного процесса, в рамках ко торого разрабатывается месячный план передачи порожних вагонов между от делениями железных дорог. План рассчитывается ежемесячно в предположении стационарности величин регулировочных разрывов на дорогах и отделениях сети. В настоящее время даже в течение месяца колебания погрузки и выгрузки на сети имеют ярко выраженный характер, потоки порожних вагонов перестали быть стационарными. В отрасли произошел переход от месячного плана пере возок к заявкам на перевозку, объем которых каждый конкретный грузоотпра витель задает посуточно.
Перемены в стране повлекли за собой ряд изменений в принципах на правления вагонопотоков, осуществлен переход от эксплуатации единого ва гонного парка к парку, разделенному по видам собственности. Потоки порож них вагонов перестали быть однородными, возникла дифференциация стоимостей и требований к доставке вагонов различных типов и собственников.
Потоки в нынешних условиях стали многоструйными и существенно динами ческими.
Управление на сетевом уровне фактически ведется по усредненным пока зателям, а распределение и назначение конкретных порожних вагонов под заяв ки на перевозки ведется на нижестоящих уровнях управления, т.е. оперативная детальная информация о дислокации погрузочных ресурсов не является осно вополагающей. Местная работа по управлению порожними вагонами сильно затруднена:
- отсутствием информации о движении составов с гружеными и порож ними вагонами на других дорогах;
- отсутствием оперативного прогноза зарождения порожних вагонов.
Это приводит к тому, что на сети периодически возникают ситуации ост рой недостачи порожняка, большого количества вагонов, отставленных в ре зерв и т.д. Отсутствие на сетевом уровне номерного контроля позволяет доро гам распоряжаться порожними вагонами по своему усмотрению. Довольно большая часть порожних вагонов при движении на станцию погрузки не имеет определенной станции назначения, она определяется в процессе движения. Та кое обезличенное управление зачастую приводит к перепробегу вагонов в по рожнем состоянии.
В этих условиях приобретает особую важность задача организации адап тивного взаимодействия пунктов массовой погрузки и выгрузки с помощью по струйного управления потоками порожняка с применением моделей, способ ных производить оптимизацию потоков в динамике.
Стремительное развитие возможностей вычислительной техники, доступ ность устройств хранения больших объемов информации, высокий уровень развития систем сбора оперативных данных на железнодорожном транспорте - все это позволяет задавать параметры оптимизационных моделей, близких к ре альности, с помощью информационных хранилищ (ИХ).
Цель диссертационной работы состоит в разработке и реализации науч но-методических принципов организации адаптивного взаимодействия пунктов массовой погрузки и выгрузки с помощью поструйного управления потоками порожняка с применением моделей, способных производить оптимизацию по токов в условиях неравномерного образования и потребления порожняка.
Адаптивное взаимодействие пунктов массовой погрузки и выгрузки произво дится за счет:
- достаточно точного прогнозирования моментов образования порожня ка по данным о движении груженых потоков;
- согласования в динамике ритмов образования порожняка с ритмами его потребления в пунктах погрузки с учетом параметров транспортной сети.
Оперативное управление порожняком реализуется с помощью специально разработанной автоматизированной системы.
Методика диссертационного исследования основывается на:
- обобщении результатов теоретических исследований и практики орга низации вагонопотоков на отечественных и зарубежных железных дорогах;
- анализе использования существующих автоматизированных систем в вопросах организации и управления вагонопотоками;
- анализе математических методов, применявшихся ранее к задачам та кого рода;
- анализе отчетных и статистических данных о работе сети дорог, полу ченных, в том числе, и из информационных хранилищ.
При решении поставленных задач использовались методы математиче ской статистики, теории исследования операций, теории информационных хра нилищ, теории моделирования транспортных систем.
Научная новизна. Разработаны принципы и способы оптимизации адап тивного взаимодействия поставщиков, потребителей и транспорта в производ ственно-транспортной системе, где пункты массовой выгрузки и погрузки свя заны с многоструйными потоками порожняка. Впервые, применяемый для этой цели метод динамического согласования, позволяет рассчитать оптимальный динамический процесс функционирования всех подсистем в соответствии с их адаптивными свойствами. Разработана методология расчета многодневного прогноза зарождения порожняка в зависимости от характеристик прибываю щих груженых потоков и дислокации вагонов на момент расчета. Предложена методика использования для этого аппарата информационных хранилищ.
Разработан способ расчета оперативного плана передислокации порожня ка на сети железных дорог для центра управления перевозками (ЦУП) ОАО РЖД с использованием динамических потоковых моделей. Разработан метод автоматизации принятия управленческих решений диспетчера ЦУП ОАО РЖД по выбору режимов суточного отправления порожняка железными дорогами и отделениями дорог при рациональном взаимодействии пунктов массовой вы грузки и погрузки.
Практическая ценность работы заключается в том, что она направлена на совершенствование процессов оперативного управления потоками порожня ка на железных дорогах России в целом. При обеспечении рационального взаи модействия пунктов массовой выгрузки и погрузки управление потоками по рожняка как многоструйными позволит добиться согласования ритмов погрузки и выгрузки в условиях наличия на сети железных дорог подвижного состава различных типов, собственников, а также разных ритмов работы пред приятий. В случае непредсказуемых всплесков запросов на порожняк, проблема нехватки перевозочных ресурсов будет решена до их отрицательного воздейст вия на пункты массовой погрузки.
Реализация и апробация работы. Результаты исследований, получен ные в диссертации, использовались при разработке Автоматизированной сис темы регулирования порожними контейнерами на основе динамических про гнозов, сданной в опытную эксплуатацию в Центре по перевозке грузов в контейнерах ТрансКонтейнер, филиале ОАО РЖД, в 2004 году. В основу данной системы были положены алгоритмы и методики вычисления много дневного прогноза и оптимального плана передислокации порожних вагонов, адаптированные для потоков контейнеров.
Основные положения диссертации докладывались на:
- четвертой Международной конференции Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций (CASCТ2004), г. Москва, 2004 г.;
- четвертой Международной конференции Идентификация систем и задачи управления (SICPROТ2005), Москва, 2005 г.;
- второй Международной конференции Параллельные вычисления и задачи управления (PACOТ2004), Москва, 2004 г.;
- девятой и десятой Международных открытых научных конференциях УСовременные проблемы информатизации в технике и технологияхФ, 2004 и 2005 г.г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опублико ваны в 6 печатных работах, в т.ч. в 2 - без соавторства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (62 наименования), пяти приложений. Ра бота содержит 119 с. основного текста, три таблицы, 38 рисунков, 22 с. прило жений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении кратко обоснована актуальность темы исследования.
Первая глава Анализ теории и практики управления потоками порожних вагонов содержит анализ принципов управления потоками порожних вагонов в России и за рубежом. Приводится анализ развития методов оптимизации управления порожними вагонами, освещается состояние вопроса прогнозиро вания вагонопотоков, излагается цель и ставятся задачи диссертации.
В настоящее время оперативная работа по регулированию парка порож них вагонов ведется по принципу обязательного выполнения утвержденных на текущий месяц технических норм. Они рассчитываются ежемесячно, в некото рых случаях определяются с подразделением по декадам. Процедура выработки технического плана состоит из нескольких этапов расчетов и согласований на дорожном и сетевом уровнях управления. Вычисление вариантов технического плана производится по критерию минимизации среднего порожнего пробега с учетом технологических ограничений. Оптимизационная модель базируется на транспортной задаче в статической постановке. Фактор времени в модели не присутствует, так как она разрабатывалась в предположении, что на протяже нии месячного периода планирования объемы погрузки и выгрузки, а также ин тенсивность перевозок неизменны. Проведенный анализ работ, посвященных проблемам оперативного управления вагонопотоками, показал, что такой под ход достаточно оправдал себя только в условиях плановой экономики и относи тельно стационарных и однородных транспортных потоков.
Однако с переходом к рыночным отношениям, эффективность управления потоками порожняка существенно снизилась. Потоки перестали быть однород ными в силу появления многих собственников на вагоны, соответственно воз никла дифференциация стоимостей и требований к доставке вагонов. Это тре бует перехода к поструйному управлению потоками порожняка с применением моделей, способных производить оптимизацию потоков в динамике, что позво лит организовать адаптивное взаимодействие пунктов массовой погрузки и вы грузки. К таким моделям относятся динамическая транспортная задача с за держками (ДТЗЗ) и ее дальнейшее развитие - метод динамического согласования производства и транспорта (МДС), разработанные профессором П.А. Козловым.
Необходимо отметить, что для оптимизации потоков порожних вагонов в масштабе сети железных дорог России метод динамического согласования ра нее не применялся.
Теоретическим базисом исследования послужили труды докторов техни ческих наук А.А. Аветикяна, В.М. Акулиничева, В.И. Апатцева, Е.В. Архан гельского, К.А. Бернгарда, Н.Е. Борового, А.Ф. Бородина, В.А. Буянова, П.С.
Грунтова, Ю.В. Дьякова, Н.Д. Иловайского, В.С. Климанова, И.Т. Козлова, П.А.
Козлова, В.И. Некрашевича, В.Т. Осипова, А.Т. Осьминина, А.П. Петрова, Е.А.
Сотникова, И.Б. Сотникова, Е.М. Тишкина, Л.П. Тулупова, В.А. Шарова, В.Г.
Шубко, кандидатов технических наук А.Э. Александрова, М.А. Александрова, В.П. Амелина, В.И. Бодюла, А.В. Бугаева, В.К. Буяновой, Ф.С. Гоманкова, В.Ф.
Григорюка, С.Г. Журавина, Н.Г. Мищенко, Ю.А. Негомедзянова, И.П. Новико вой, П.А. Пилипченко, В.Б. Положишникова, А.А. Поплавского, А.Т. Попова, Т.И. Рыбаковой, С.В. Трофимова, А.Д. Чернюгова, О.А. Шумской и других ис следователей.
В главе определены основные направления исследования, обоснованы цель и структура работы.
Во второй главе Математические модели оптимизации потоков порож них вагонов в динамике представлено описание динамических оптимизацион ных моделей, предназначенных для организации адаптивного взаимодействия пунктов массовой погрузки и выгрузки, а также обоснование их технологиче ской применимости.
При помощи ДТЗЗ производится оптимизация потоков с учетом динами ки образования и погрузки порожняка, динамики запасов и наличия порожняка в пути. Метод динамического согласования применен для согласования в дина мике ритмов образования порожних вагонов с ритмами потребления (погрузки) порожняка в масштабе сети железных дорог России, что позволяет максималь но задействовать имеющиеся динамические резервы за счет корректировки программы образования порожняка. Такое согласование производится по струйно, то есть с учетом вида порожняка. Под видом порожняка подразумева ется сочетание признаков собственности и типа подвижного состава.
Рассматривается транспортная сеть, состоящая из пунктов массовой по грузки и выгрузки. В роли таких пунктов выступают железнодорожные станции массовой погрузки или выгрузки, а также отдельные предприятия.
Образование порожних вагонов в пункте складывается за счет:
а) прибытия порожних вагонов;
б) прибытия и выгрузки груженых вагонов;
в) выгрузки груженых вагонов, находящихся в наличии в соответствую щих пунктах.
Программа образования порожняка определяется путем прогнозирования, исходя из данных о движении груженых вагонов. При прогнозировании учиты ваются вагоны в движении и выгрузочные способности пункта. Методика про гнозирования описана в третьей главе.
План погрузки для всех пунктов известен из заявок на перевозки. Транс портные связи характеризуются пропускными способностями и временем хода вагонов.
Необходимо организовать подвод порожняка таким образом, чтобы на всем периоде планирования обеспечить удовлетворение потребностей пунктов погрузки сети в порожних вагонах, сократив при этом их простои, затраты на передислокацию, а также затраты на перестройку программы образования по рожних вагонов. С помощью перестройки этой программы осуществляется адаптивное согласование ритмов образования и потребления порожняка.
В качестве ресурса рассматриваются порожние вагоны, готовые к пере дислокации. Груженые, а также порожние вагоны, уже имеющие назначение, не являются объектом управления, но информация о них учитывается при прогно зировании образования порожняка.
Пусть транспортная сеть состоит из P = {p1, p2,..., pN } пунктов, соединен ных направленными путями ( p, p ), i j, p, p P.
i j i j Рассмотрим временной период планирования [0,T ], который выбирается исходя из максимально возможного времени хода порожних вагонов на сети.
Для каждого момента времени t Z0, t [0,T ] на множестве P пунктов сети определена функция производства qik (t) и потребления qk (t) порожних вагонов j k -го вида k = 1, K.
Функция производства и функция потребления вычисляется единообразно следующим образом k k k q (t) = a (t) - G (t), (1) i i i где aik (t) - прогноз образования порожняка вида k в пункте i на такте t ;
Gik (t) - план погрузки порожних вагонов вида k в пункте i на такте t.
Для пункта pi массовой выгрузки функция производства будет положи k тельна q (t) > 0, для пункта p массовой погрузки функция потребления будет i j отрицательна q (t) < 0, для транзитных пунктов q (t) = 0. В качестве транзит j i ных пунктов, в частности, могут выступать сортировочные станции.
Каждый путь ( p, p ) характеризуется пропускной способностью i j d (t) 0, i j, ограничивающей пропуск суммарного потока по всем видам ij порожняка. Величиной dii (t) задается емкость пункта pi. Длительность пере возки или время хода при движении по пути ( p, p ) обозначим величиной t, i j ij k t Z. Назовем перевозкой uij (t) группу порожних вагонов вида k, отправлен ij ных из пункта pi в момент времени t и прибывающих в пункт pj в момент времени t + tij. Соответствующие стоимости передислокации порожняка обо k значим cij (t). Если путь ( pi, p ) отсутствует или t + tij > T, то полагаем j k uij (t) = 0.
k Для пункта образования порожних вагонов pi задан запас uii (t), а также k расходы cii (t) на хранение единицы запаса вида k порожних вагонов на такте t. Для пункта потребления pj аналогично задан запас uk (t) и расходы на хра jj нение ck (t).
jj k Введем корректирующие переменные (t) в пунктах образования по i рожняка pi, означающие уменьшение объема образования порожних вагонов qik (t) и, соответственно, увеличение qik (t -1) на величину ik (t) с производст венными расходами cik (t) (рис. 1).
qik (t) k (t ) i t - 1 t t 1 Рис. 1. Корректировка программы образования порожняка при помощи МДС Такой перенос объемов образования порожняка на более ранние такты может быть осуществлен через:
- согласование ритмов работы пунктов массовой выгрузки с ритмами погрузки за счет форсирования процесса выгрузки вагонов определенного вида;
- ускорения процесса образования порожняка определенного вида в пунктах массовой выгрузки за счет сокращения времени движения порожняка по струе.
В качестве критерия оптимальности примем экономический критерий минимума транспортных расходов на передислокацию порожняка, расходов на хранение порожних вагонов и затрат на перестройку программы образования J + J + J min, (2) 1 2 K T k k где J1 = c (t) uij (t) - транспортные расходы на передислокацию по ij k =1 t=0 pi, p P j i j рожняка;
K T k k J2 = c (t) uii (t) - затраты на хранение запасов порожняка;
ii k =1 t=0 piP K T k J3 = c (t) ik (t) - затраты на корректировку программы образования i k =1 t=0 piP порожняка, при ограничениях, задаваемых:
а) уравнениями динамики изменения запасов в пунктах образования по рожняка k k k uii (t +1) = uii (t) + qik (t) - (t) + ik (t +1) - ik (t) ;
(3) u ij p P j б) уравнениями динамики изменения запасов в пунктах погрузки k k k k u (t +1) = u (t) + (t - t ) + q (t) ;
(4) u jj jj ij ij j piP в) начальными и конечными условиями k k k k u (0) = u0, u (T ) = 0, (T ) = 0;
(5) ii ii jj i г) условиями неотрицательности переменных запасов, поставок и коррек тирующих переменных k k u (t) 0, i j, i = j;
(t) 0;
(6) ij i д) пропускными способностями путей и емкостями пунктов K k (7) u (t) d (t), i j, i = j.
ij ij k = Метод решения сводится к разложению динамического потока в статиче ский, решению статической транспортной задачи на сети и обратному преобра зованию, но уже с известными значениями потоков.
Третья глава диссертации Автоматизация прогноза образования порож них вагонов посвящена разработанной модели оперативного прогноза, с по мощью которой определяется прогноз образования порожняка на станциях aik (t), необходимый для вычисления функции производства и потребления k q (t).
i К наиболее значимым особенностям модели можно отнести следующее:
- обеспечивается вычисление многодневного прогноза, исходной ин формацией для которого являются данные действующих оперативных систем о дислокации груженых и порожних вагонов;
- производится прогнозирование образования порожних вагонов на станциях сети, а также объемов передачи через дорожные стыковые пункты;
- параметры модели вычислены статистическими методами по данным информационных хранилищ (ИХ);
- модель способна отслеживать суточную динамику потоков порожняка.
Информация о дислокации вагонов доступна в автоматизированной сис теме ДИСПАРК. По каждому вагону с уникальным номером n имеется инфор ~ мация о состоянии, станции дислокации, станции назначения, времени n последней операции на момент считывания данных о дислокации. Прогнозиро вание ведется отдельно по каждому виду порожняка. Порожняк, двигающийся в кольцевых маршрутах, не рассматривается.
Модель прогноза базируется на межстанционных временах хода t, кото ~ рые вычисляются в зависимости от ситуации прогнозирования на основе анали за ретроспективных данных в ИХ. Виды ситуаций прогнозирования могут быть следующими:
- прибытие груженого вагона на станцию назначения и выгрузка;
- прибытие порожнего вагона на станцию погрузки;
- передача порожнего вагона через дорожный стыковой пункт (дорож ный стык).
Рассмотрим прогноз образования порожних вагонов из груженых. Про гнозный момент образования порожнего вагона с номером n вычисляется по формуле ~ ~) ( = ( ) + t, (8) ~ n n где в данном случае t - усредненное время хода груженых вагонов от станции дислокации ~ ~ ~ до станции с учетом времени их освобождения на станции.
Прогноз прибытия порожних вагонов на станцию погрузки вычисляется аналогично, при этом в качестве t берется усредненное время хода порожних ~ ~ вагонов между станциями и.
k Тогда общий прогноз образования a (t) порожних вагонов вида k на ~ ~ станции вычисляется по формуле k k k ~) ~) a (t) = a (t, + a (t,, (9) ~ гр рег k ~) где aгр (t, - прогнозное количество порожних вагонов вида k, образую ~ щихся на станции в интервале времени t из вагонов, кото рые на момент запроса информации о дислокации находились в груженом состоянии;
~) ak (t, - прогнозное количество порожних вагонов вида k, прибываю рег ~ щих в интервале времени t на станцию.
При вычислении прогноза учитываются выгрузочные способности стан ций за счет количественного ограничения образующихся после выгрузки ваго нов и переноса лизлишков на следующие сутки.
Прогноз передачи порожних вагонов через дорожные стыковые пункты базируется на временах хода порожних вагонов t от станции дислокации ~m до дорожного стыкового пункта. Соответствующие времена вычислены в за висимости от последовательности m дорожных стыковых пунктов, которые ~ проходил поток при движении от станции дислокации до станции. Для этого были исследованы варианты движения порожних вагонов через дорож ные стыковые пункты и определены доли потоков R, 0 1 каждого ~m ~m варианта от общего потока вагонов между этими станциями (рис. 2).
m1 ~ m Рис. 2. Схема потоков порожних вагонов через дорожные стыковые пункты Прогнозное количество порожних вагонов, проходящих дорожный сты ковой пункт в интервале времени t будет равно целой части от величины a (t), вычисляемой по формуле a (t) = n (t), (10) ~ ~ m m ~ m где n (t) - количество порожних вагонов на станции, имеющих станцию ~m ~ назначения, прогнозное время прибытия которых на дорожный стыковой пункт попадает в интервал t при движении способом m.
Ввиду ограниченности доступной информации для построения сложных моделей прогнозирования, в данной работе вычисление времен хода проводи лось несколькими методами обработки совокупности наблюдений о движении вагонов. Все рассмотренные методы дают разные результаты в зависимости от ситуации прогнозирования и вида порожняка.
Были рассмотрены следующие методы:
1. Метод вычисления среднего времени хода t на всей совокупности ~ наблюдений. Среднее значение вычисляется как математическое ожидание.
mod e 2. Метод вычисления наиболее вероятного времени хода t на всей со ~ вокупности наблюдений. Исходные времена хода округлены до 1 часа для вре мен, не превышающих 24 часа, остальные округлены до 10 часов.
med 3. Метод вычисления медианы t на всей совокупности наблюдений. В ~ качестве медианы используется такое значение времени хода, при котором ко личество наблюдений с меньшими медианы временами хода равно количеству наблюдений с большими временами хода.
norm 4. Метод вычисления времени хода, соответствующего медиане t на ~ модифицированной совокупности наблюдений. Модификация совокупности наблюдений заключается в принудительном сближении величин медианы и ма тематического ожидания посредством усечения множества наблюдений. С этой ~ целью для тех пар станций,, для которых разность медианы и среднего превышает 6 часов, из исходного множества удаляются наблюдения, для кото рых выполняется условие t () > 2 max(med(t ),t ), (11) ~ ~ ~ где t () - время хода для наблюдения ;
~ med(t ) - значение медианы;
~ t - значение среднего.
~ Этот метод в данной работе называется методом сведения распределения к псевдо-нормальному виду.
Разработана методика проверки модели прогноза, основанная на количе ственном сопоставлении прогнозных и фактических величин для разных глу бин прогнозирования.
На примере порожних полувагонов инвентарного парка ОАО РЖД прове дена проверка прогноза образования порожних полувагонов из груженых. На рис. 3 показано фактическое и прогнозное образование порожняка на всех станциях России для глубины прогнозирования 0 суток. Анализ отклонений прогнозных значений от фактических показал наилучшую достоверность про гноза, основанного на методе вычисления наиболее вероятного времени хода.
Другие рассмотренные методы обладают линертностью, что приводит к суще ственным ошибкам прогнозирования, особенно для глубин прогнозирования и 1 сутки.
04.02.04 09.02.04 14.02.04 19.02.04 24.02. Дата освобождения Фактическое освобождение Метод вычисления среднего времени хода Метод вычисления медианы Метод сведения распределения к "псевдо-нормальному" виду Метод вычисления наиболее вероятного времени хода Рис. 3. Сравнение различных методов вычисления времен хода при прогно зировании образования порожних вагонов из груженых Также проведена проверка прогнозирования передачи порожняка через дорожные стыковые пункты. На рис. 4 представлен график фактической и про гнозной передачи порожних крупнотоннажных контейнеров собственности ОАО РЖД по дорожному стыку Кошта. При прогнозировании использовался метод вычисления наиболее вероятного времени хода. Проведенные исследова Количество освобождений ния показали, что этот метод обеспечивает различную точность прогнозирова ния в зависимости от наличия на пути следования порожняка сортировочных станций и станций смены локомотива. Так, при прогнозировании передачи по рожних контейнеров через дорожный стык Черусти, существенное влияние на точность прогнозирования оказывают задержки, связанные со сменой локомо тивов на станции Вековка.
07.09.05 14.09.05 21.09.05 28.09. Отчетные сутки Фактическое количество Прогноз, глубина 0 суток Прогноз, глубина 1 сутки Прогноз, глубина 2 суток Рис. 4. Результат прогнозирования передачи по дорожному стыку Кошта порожних контейнеров методом наиболее вероятного значения Проверка продемонстрировала способность модели к отслеживанию ди намики потоков порожняка.
Четвертая глава диссертации Исследование принципов адаптивного взаимодействия пунктов массовой погрузки и выгрузки посвящена реализации научно-методических принципов организации адаптивного взаимодействия пунктов массовой погрузки и выгрузки с помощью поструйного управления потоками порожняка.
Сформулированы следующие основные принципы управления порожня ком в условиях неравномерности потоков:
1. Потоки порожняка рассматриваются как многоструйные. Формирова ние плана передислокации порожняка ведется отдельно по каждому виду по рожняка.
2. Оптимизация производится на сетевом уровне в оперативном режиме минимум один раз в сутки.
3. Основные параметры транспортных потоков на сети вычисляются с ис пользованием статистических методов на основе хранилищ данных.
Количество контейнеров 4. Управление потоками порожних вагонов производится при следующем порядке взаимодействия с оперативными системами:
- чтение данных о дислокации груженых и порожних вагонов из систе мы ДИСПАРК;
- чтение информации о заявках на перевозки из автоматизированной системы подготовки и оформления перевозочных документов ЭТРАН;
- контроль исполнения оперативного плана путем передачи данных о закреплении порожних вагонов в систему ДИСПАРК.
5. Адресное управление порожняком. Вычисляемый оперативный план передислокации содержит данные о пунктах отправления и назначения порож них вагонов. Порожние вагоны получают назначение.
6. Управление ведется в диалоговом режиме. Регулирование приоритетов в обеспечении заявок порожними вагонами осуществляется путем влияния на стоимостные параметры оптимизационной модели. Параметры модели варьи руются отдельно для каждой струи потока (каждого вида порожняка).
Разработана технология централизованного оперативного управления по рожняком, включающая следующие пять основных этапов.
На первом этапе, на сетевом уровне в ЦУП вычисляется прогноз образо вания порожняка по информации о текущей дислокации погрузочных ресурсов.
Привлечение данных о текущих заявках на перевозки позволяет оценивать обеспечение заявок сразу для всех важнейших пунктов сети.
На втором этапе в ЦУП производится вычисление оперативного плана передислокации порожняка при помощи МДС. Производится оценка обеспече ния пунктов погрузки порожними вагонами после проведения оптимизации. В случае необходимости проводится корректировка параметров оптимизацион ной модели и перерасчет оперативного плана передислокации. При этом регу лируются стоимости передислокации, стоимости хранения, а также параметры корректировки программы образования порожняка.
Третий этап начинается после выработки варианта плана передислокации, который в наибольшей степени отвечает всем требованиям. Далее план согла совывается в ЦУП и передается в службы движения дорог в качестве рекомен дательного для расчета сменного плана работы по отдельным направлениям дороги.
На четвертом этапе, на основании текущих заявок на перевозку и полу ченного из ЦУП плана передислокации порожняка, службы движения дорог вырабатывают детальный план работы с порожними вагонами с указанием станций отправления и назначения. Код станции назначения для этих вагонов отражается в системе ДИСПАРК. Для дальнейшего контроля исполнения плана передислокации в системе ДИСПАРК задействуется специальный признак за крепления.
На пятом этапе осуществляется контроль исполнения выработанного пла на передислокации порожняка средствами системы ДИСПАРК. Контроль за ключается в запрете расформирования составов с закрепленными вагонами не на станции назначения.
В следующем цикле планирования новый план передислокации будет вы числяться только для вагонов, которые не закреплены за ранее согласованными планами передислокации. Вагоны, которые движутся в соответствии с ранее согласованными планами, продолжают двигаться на станции своего назначения (принцип адресного управления). Таким образом, при непрерывном планирова нии, управляющее воздействие оказывается только на незакрепленные вагоны.
Данная технология централизованного оперативного управления порож ними вагонами обеспечит решение следующих задач:
1. Переход на оперативное централизованное управление порожняком в условиях суточных колебаний погрузки и выгрузки.
2. Обеспечение диспетчеров всех уровней оперативным прогнозом обра зования порожняка.
3. Повышение качества обслуживания предприятий в части обеспечения порожними вагонами. Повышение надежности доставки порожняка под по грузку за счет динамического согласования ритмов погрузки и выгрузки, сис темного контроля доставки порожняка.
4. Одновременное планирование доставки порожнего подвижного состава различных типов, собственников.
5. Повышение эффективности использования порожняка.
В разработанной технологии объемы сдачи по дорожным стыковым пунк там не являются объектом управления, они необходимы только для мониторин га, что приведет к отходу от ведения управления через регулирование объемов передачи вагонов по стыковым пунктам дорог и отделений.
Получаемые оперативные планы передислокации будут в целом адекват ны перевозочному процессу, так как параметры моделей получены на основе ретроспективной информации о перевозочном процессе.
В соответствии с вышеописанными принципами осуществлена практиче ская реализация Автоматизированной системы регулирования порожними контейнерами на основе динамических прогнозов. Система находится в опыт ной эксплуатации в Центре по перевозке грузов в контейнерах ТрансКонтей нер, филиале ОАО РЖД. Система позволяет проводить вычисление оптималь ного (в смысле минимизации порожнего пробега) посуточного плана передислокации порожних крупнотоннажных контейнеров с учетом заявок на перевозки и складывающейся обстановки на сети дорог. Прогноз образования порожняка и оптимальный план передислокации вычисляется с детализацией до станций. В оптимизационной модели присутствует 512 станций, имеющих контейнерные пункты. Данные по наличию, подходу порожняка и заявкам на перевозки в контейнерах отображаются в удобном для восприятия виде на схе ме дорог России, а также в виде различных гистограмм и таблиц.
С помощью данной системы проведены вычисления оперативных планов передислокации порожних контейнеров, которые содержат следующий набор показателей:
- вид порожняка;
- станция дислокации порожняка;
- станция погрузки;
- количество единиц порожняка данного вида для передислокации со станции дислокации на станцию погрузки;
- момент времени начала передислокации.
Анализ решений показывает увеличение потенциального обеспечения заявок на перевозки в результате оптимизации потоков порожних крупнотон нажных контейнеров собственности ОАО РЖД на сети станций России (рис. 5).
Прирост обеспечения заявок в результате оптимизации:
3043 контейнера 21.04.2005 22.04.2005 23.04.2005 24.04.2005 25.04.2005 26.04. Отчетные сутки Прогноз образования порожних контейнеров на всех станциях Обеспечение заявок образующимися порожними контейнерами Обеспечение заявок в результате оптимизации потоков Заявки на перевозку Рис. 5. Прирост обеспечения заявок на перевозки на ж.д. станциях погрузки контейнеров в результате оптимизации Как видно из гистограммы, обеспечение заявок на нулевом такте до и по сле оптимизации изменяется незначительно. Это связано с тем, что большое количество порожних контейнеров на момент оптимизации располагались на значительном удалении от станций погрузки, а для передислокации требова лось существенное (более суток) время.
Отметим, что проблема слабого обеспечения заявок на ранних тактах уст раняется путем введения механизма закрепления порожняка за вычисленным планом, который описан выше. В этом случае каждый новый расчет оптималь Количество контейнеров ного плана передислокации будет зависеть от результатов предыдущей оптими зации потоков.
Исследовано влияние периода планирования на структуру получаемых оптимальных планов передислокации при оптимизации потоков порожняка. С увеличением периода планирования задействуются все более удаленные стан ции - поставщики порожняка (таблица 1), происходит перераспределение пото ков. В таблице отражены фрагменты планов передислокации порожних круп нотоннажных контейнеров собственности ОАО РЖД в адрес Московской дороги, вычисленных для даты планирования 25.04.2005 г.
Таблица Структура потоков порожних контейнеров в адрес станций погрузки Московской ж.д.
Период планирования, сут.
Дорога отправления 6 10 15 Октябрьская 0 0 0 Калининградская 0 0 0 Московская 346 317 317 Горьковская 6 17 17 Северная 0 0 0 Северо-Кавказская 0 0 0 Юго-Восточная 1 0 0 Приволжская 0 0 0 Куйбышевская 7 1 1 Свердловская 101 87 98 Южно-Уральская 10 19 36 Западно-Сибирская 0 76 76 Красноярская 0 129 129 Восточно-Сибирская 0 7 9 Забайкальская 0 0 0 Дальневосточная 0 0 0 Сахалинская 0 0 0 Время вычисления плана передислокации сильно зависит от периода пла нирования. Время вычисления одного варианта плана передислокации на рас сматриваемой сети из 512 станций варьируется от 1 минуты до 15 минут при периоде планирования 10 и 20 суток соответственно. Данные приведены для компьютера на базе процессора Pentium 4 с тактовой частотой 2,4 ГГц.
Также разработан прототип автоматизированной системы управления по рожними полувагонами инвентарного парка ОАО РЖД. Вычисления ведутся на сети отделений ж.д. России (около 70).
План передислокации может вычисляться с временным тактом, меньшим периода определения информации по заявкам на перевозки, что особенно акту ально для пунктов массовой погрузки порожняка. Эта возможность реализована с помощью модифицированного МДС, в котором обеспечивается корректиров ка программы потребления порожняка на глубину 1 сутки. Таким образом, дос тигается более подробная детализация обеспечения заявок внутри суток и од новременно вычисляется оптимальный план передислокации порожняка.
На рис. 6 показаны результаты вычисления оперативного плана передис локации для порожних полувагонов инвентарного парка ОАО РЖД. Анализ решения показывает возможность обеспечения суточных заявок на перевозки при реализации вычисленного плана передислокации. Темные столбцы на дан ном графике обозначают детализированную до двух часов потребность Кузбас ского отделения Западно-Сибирской ж.д. в порожних полувагонах. Расчеты проводились с периодом планирования пять суток, в одних сутках 12 тактов, нулевой такт соответствует началу отчетных суток 26.11.2003.
Произведена оценка эффекта от внедрения разработанных моделей в масштабе России на примере порожних полувагонов инвентарного парка ОАО РЖД. Управление по критерию минимизации времени движения вагонов в по рожнем состоянии позволит сократить порожний пробег не менее чем на 5%.
Эта величина получена на основе сопоставления фактического порожнего про бега полувагонов и возможного кратчайшего порожнего пробега за одинаковый период времени. Расчеты проводились по данным информационного хранили ща вагонной модели.
Время (такты) Рис. 6. Динамика удовлетворения суточных заявок на перевозки в полувагонах Процент удовлетворения суточных заявок на такте Накопительный процент удовлетворения суточной заявки ) (% к о в я за е ени ор в т е л в о д У ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенные исследования позволили разработать методологию рацио нального адаптивного взаимодействия пунктов массовой выгрузки и погрузки при оптимальном управлении многоструйными потоками порожняка. Это даст возможность снизить потери производства и транспортные затраты. При этом получены следующие результаты.
1. Анализ показал, что в современных условиях потоки порожних вагонов следует рассматривать как многоструйные и динамические. Изучение основных черт и особенностей функционирования относительно замкнутой системы, со стоящей из пунктов массовой выгрузки, погрузки и связанных многоструйными потоками порожних вагонов, показало, что эффективная работа данной систе мы может быть достигнута через организацию адаптивного взаимодействия пунктов массовой выгрузки и погрузки.
2. Для формализованного описания адаптивного взаимодействия приме нен метод динамического согласования (МДС). Это позволило построить опти мизационную модель динамического согласования ритмов образования порож них вагонов с ритмами потребления (погрузки) порожняка в масштабе сети железных дорог России. Адаптивное управление позволяет в случае непредска зуемых всплесков запросов на порожние вагоны решить проблему нехватки пе ревозочных ресурсов или же полностью устранить причины ее появления.
3. Разработана модель оперативного прогноза образования порожняка по данным о груженых потоках и дислокации подвижного состава. Применяется несколько методов вычисления времен хода: метод вычисления среднего по всей совокупности наблюдений, метод вычисления наиболее вероятного, метод вычисления медианы, специальный метод сведения распределения к псевдо нормальному виду. Проведена проверка точности прогнозирования на приме ре полувагонов и крупнотоннажных контейнеров инвентарного парка ОАО РЖД. Проверка продемонстрировала способность модели к отслеживанию ди намики потоков порожняка. Лучшую точность прогнозирования продемонст рировал метод вычисления наиболее вероятного времени хода.
4. Текущее состояние инфраструктуры информатизации железных дорог позволяет широко использовать ретроспективные данные информационных хранилищ для анализа потоков и вычисления параметров моделей. В данной работе параметры оптимизационной и прогнозной моделей вычисляются стати стическими методами по данным информационного хранилища.
5. Получение оперативного плана передислокации порожних вагонов предлагается производить на сетевом уровне управления в диалоговом режиме.
Разработана технология централизованного оперативного управления порож няком. Технология включает в себя следующие основные этапы: вычисление прогноза образования порожняка, процесс оптимизации потоков, корректиров ка оперативного плана, передача плана на нижестоящие уровни управления, контроль исполнения плана.
6. Осуществлена практическая реализация автоматизированной системы управления порожними контейнерами и прототипа автоматизированной систе мы управления порожними полувагонами. Проведены вычисления оперативно го плана передислокации порожних контейнеров и полувагонов на территории России. Анализ решений показывает увеличение обеспечения заявок на пере возки в результате оптимизации потоков порожняка. Исследовано влияние пе риода планирования на структуру получаемых оптимальных планов передисло кации при оптимизации потоков порожняка.
7. Произведена оценка эффекта от внедрения разработанных моделей в масштабе России. Управление потоками порожних полувагонов инвентарного парка ОАО РЖД в динамике по критерию минимизации времени движения ва гонов в порожнем состоянии позволит сократить порожний пробег не менее чем на 5%.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих издани ях.
1. Соболев А.В. Разработка модели оперативного управления порожними вагонами на территории России // Труды II Международной конференции Парал лельные вычисления и задачи управления PACO С2004. Институт проблем управ ления им. В.А. Трапезникова РАН. М.: Институт проблем управления им. В.А.
Трапезникова РАН, 2004. - С.272-283.
2. Соболев А.В. Разработка комплекса поддержки принятия решений в управлении контейнерными перевозками // Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций (CASC'2004). Труды 4-й Международной конференции в 2 х томах. Том 2 / Под ред. В.И. Максимова. М.: Институт проблем управления РАН. - 2004. - C.160-162.
3. Соболев А.В., Положишников В.Б. Автоматизированная управляющая система оперативного регулирования парка порожних вагонов на базе динами ческих моделей // Современные проблемы информатизации в технике и техно логиях: Сб. трудов. Вып. 9/ Под ред. д.т.н., проф. О.Я.Кравца - Воронеж: Изда тельство Научная книга, 2004. - C.248-249.
4. Соболев А.В., Корюхина Т.Н., Положишников В.Б., Чивикова О.М.
Разработка модели оперативного прогноза образования порожних вагонов на сети железных дорог России // Труды IV Международной конференции Иден тификация систем и задачи управления SICPRO '05. Москва, 25-28 января 2005 г. Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. М.: Инсти тут проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2005. - С.1543-1552.
5. Корюхина Т.Н., Положишников В.Б., Соболев А.В. Применение дина мических прогнозов в задаче оперативного управления парком порожних ваго нов // Управление большими системами / Сборник трудов. Выпуск 10. Общая редакция - Д.А. Новиков. М.: ИПУ РАН, 2005. - С.81-86.
6. Положишников В.Б., Соболев А.В. Внутреннее регулирование в сис теме управления парком порожних вагонов // Современные проблемы инфор матизации в технике и технологиях: Сб. трудов. Вып. 10/ Под ред. д.т.н., проф.
О.Я.Кравца- Воронеж: Издательство УНаучная книгаФ, 2005. - С.167-168.