Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ВЛАДИМИРСКАЯ ИРИНА ПЕТРОВНА
ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ТРАНСПОРТНЫХ И ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМАХ
Специальность 05.22.08 - Управление процессами перевозок
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Екатеринбург - 2011 г.
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС)
Научный консультант - лауреат государственной премии, доктор технических наук, профессор Козлов Петр Алексеевич
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук
Профессор Шмулевич Михаил Израилевич
(ЗАО ПромтрансНИИпроект)
Доктор технических наук
профессор Персианов Владимир Александрович
( Государственный университет управления)
Доктор экономических наук
профессор Ефименко Юрий Иванович
(Петербургский государственный университет путей
сообщения)
Ведущее предприятие Ц ОАО Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (ОАО НИИАС).
Защита состоится л8 февраля 2012 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.07 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: Москва, ул.Образцова, д.9, стр.9, аудитория 1112 .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.
Автореферат разослан л27 декабря 2011 г.
Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации (в двух экземплярах), просим направлять в адрес диссертационного совета по почте.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Горелик А.В.
В качестве объекта исследования выбраны транспортные и производственно-транспортные системы.
Предметом исследования являются процессы взаимодействия в этих системах.
Целью исследования являлось создание теоретических основ эффективного структурно-функционального взаимодействия для снижения потерь на технических и технологических стыках и, тем самым, существенного повышения эффективности работы транспортных систем, а также транспортного обслуживания рыночной экономики.
Актуальность проблемы. Взаимодействие на транспорте проявляется в самом разном виде - потока и структуры, различных видов транспорта, транспорта и производства, отдельных подпроцессов в логистике и т.п. Задача взаимодействия затрагивается в проблемах согласованного развития инфраструктуры различных видов транспорта и согласования их технологий (в связи с утвержденной Стратегией развития транспорта до 2030 г.), проблеме построения единой транспортной системы в рыночной экономике и транспортного обеспечения экономических связей, а также в задачах реформирования железнодорожного транспорта при выстраивании взаимоотношений между ОАО РЖД и дочерними компаниями.
Организация взаимодействия определяет, по сути, выходные параметры транспортных систем. Анализ показывает, что на практике с этим дело обстоит не вполне благополучно. Вагон в движении находится лишь чуть больше пятой части оборота. Остальное время он находится, в основном, в межоперационных простоях. Из-за недостатков взаимодействия производства и транспорта запасы сырья и готовой продукции на российских предприятиях в несколько раз выше, чем в странах с развитой рыночной экономикой. Перед морскими портами неделями стоят сотни составов.
Поэтому снижение потерь на разного рода технических и технологических стыках позволит существенно повысить эффективность работы транспорта и транспортного обеспечения экономического взаимодействия.
Научная новизна работы. Предложенная методология оптимального взаимодействия внутри систем и между системами является существенным вкладом в развитие фундаментальных исследований в области теории систем, теории управления и теории принятия решений. На основе исследования природы процессов взаимодействия и методологии оптимизации, реализованной для важнейших его типов в транспортных и производственно-транспортных системах, решена крупная научно-техническая проблема оптимизации работы транспорта и транспортного обеспечения экономики с существенным снижением стыковых потерь в динамической рыночной среде, что имеет важное народнохозяйственное значение. Было выполнено:
- исследование закономерностей взаимодействия потока и структуры, элементов структуры, операций в технологическом процессе и подсистем в системе;
- разработка методологии и выбор методов оптимизации различных типов взаимодействия;
- реализация разработанных подходов для важнейших типов взаимодействия различных видов транспорта, транспорта и производства в транспортно-логистических системах в условиях высокой динамики рыночной экономики, влияния случайных факторов и наличия многих собственников транспортных средств.
Методы исследования базируются на использовании аппарата оптимизации, теории случайных процессов, теории множеств, имитационного моделирования и теории принятия решений.
Практическая значимость. Разработанная методология рационального взаимодействия позволит выстраивать рациональные технологические процессы широкого класса транспортных систем, а также оптимизировать их структуру. Предложенная технология использования разнообразных моделей создает основу для построения оптимизирующих блоков в системах АСУ на транспорте. Созданы эффективные процедуры расчета согласованного подвода грузов к портам, управления вагонными парками частных собственников, взаимодействия в транспортных узлах, построения рациональных распределенных транспортно-складских систем.
Реализация результатов работы. Результаты научных исследований использовались при экспертизе проектов развития транспортного узла Усть-Луга, Свердловского узла, транспорта Новолипецкого металлургического комбината, при построения формализованной технологии для принятой в промышленную эксплуатацию автоматизированной системы управления работой основного полигона Свердловской дороги, при оценке результатов обоснования инвестиций в развитие Новороссийского транспортного узла, принято решение по их использованию в проекте Урал промышленный-Урал полярный. Технология снижения стыковых потерь и модели оптимизации используются в учебном процессе Уральского университета путей сообщения.
Апробация работы Основные положения и результаты диссертации обсуждались и были одобрены на:
- заседании кафедр Управление эксплуатационной работой УРГУПС и МГУПС (МИИТ);
- 3-й Международной научной конференции "Автоматизация в промышленности" (Москва, 2009);
- научно-практической конференции Наука и инновации на транспорте (Москва, 2009)
- третьей международной конференции Управление развитием крупномасштабных систем MLSDТ2009 , ИПУ РАН, (Москва, 2009)
- конференции Современные информационные технологии, (Пенза, 2009)
- международной научно-практической конференции Августовские чтения - 2009 (Магнитогорск, 2009)
- 4-й научно-практической конференции Имитационное моделирование. Теория и практика, СПб., 2009.
- конференции Информационные технологии на ж.д. транпорте, Инфотранс 2000, СПб, МПС РФ, 2000 и др.
Основные результаты, представляемые на защиту:
- закономерности преобразования потока при взаимодействии с элементами структуры, элементов в структуре и подсистем в системе;
- природа процессов структурного, функционального и структурно-функционального взаимодействия и классификация их видов;
- методы анализа структурно-функционального взаимодействия;
- теоретические основы эффективного взаимодействия, методы его оптимизации и на этой базе:
- организация эффективного взаимодействия железнодорожного и морского транспорта;
- оптимальное управление вагонными парками частных собственников;
- построение эффективных распределенных транспортно-складских систем;
- оптимальное взаимодействие в системе поставщик-транспорт-потребитель с включением механизмов адаптации и при наличии случайных факторов;
- процедура оптимизации структурных параметров транспортных систем;
- методология оптимизации взаимодействия на имитационных моделях.
Общая характеристика работы.
Взаимодействие на транспорте проявляется в самом разном виде - потока и структуры, различных видов транспорта, транспорта и производства, отдельных подпроцессов в логистике и т.п. Задача взаимодействия затрагивается в проблемах согласованного развития инфраструктуры различных видов транспорта и согласования их технологий (в связи с утвержденной Стратегией развития транспорта до 2030 г.), и проблеме построения единой транспортной системы в рыночной экономике, и транспортного обеспечения экономических связей, и задачах реформирования железнодорожного транспорта при выстраивании взаимоотношений между ОАО РЖД и дочерними компаниями.
Организация взаимодействия определяет, по сути, выходные параметры транспортных систем. Анализ показывает, что на практике с этим дело обстоит не вполне благополучно. Вагон в движении находится лишь чуть больше пятой части оборота. Остальное время он находится, в основном, в межоперационных простоях. Из-за недостатков взаимодействия производства и транспорта запасы сырья и готовой продукции на российских предприятиях в несколько раз выше, чем в странах с развитой рыночной экономикой. Перед морскими портами стоят неделями сотни составов.
Роль транспорта в современной экономике существенно меняется. Если в предыдущие десятилетия его функция была перевозки, то теперь - обеспечение экономического взаимодействия транспортными связями. Это существенно другая функция и экономически, и технологически. Недостаточное внимание к ней приводит к разнообразным потерям на разного рода технических и технологических стыках. Поэтому необходимо разработать теоретические и методологические основы рационального взаимодействия для основных его видов и предложить эффективные процедуры его оптимизации. Это позволит развить далее теоретическую основу для построения рациональной структуры и технологии работы различных транспортных систем. Научному решению этой проблемы и посвящена диссертация.
В своих исследованиях автор опиралась в области технологии работы транспорта на труды ученых В.Н. Образцова, А.П. Петрова, А.К. Угрюмова, В.М. Акулиничева, В.И. Апатцева, А.Ф. Бородина, А.П. Батурина, Ю.В. Дьякова, Ю.И.Ефименко, П.А. Козлова, Крохина Л.С., В.А. Кудрявцева, П.В. Куренкова, В.Я. Негрея, А.Т. Осьминина, В.А. Персианова, Ю.О. Пазойского, Н.В.Правдина, С.М. Резера, И.Б.Сотникова, Е.А. Сотникова, Е.М. Тишкина, Н.С. Ускова, Н.Н. Шабалина, В.А. Шарова, М.И.Шмулевича, в области методов оптимизации - А.Э. Александрова, Н.П. Бусленко, В.Н. Буркова, О.В. Евсеева, Н.Н. Моисеева, Д.А. Поспелова, Л.Р. Форда, Д.Р. Фалкерсона, использовались разработки ведущих научных организаций отрасли.
Во введении дается обоснование актуальности проблемы, формулируется цель и задачи исследования.
Раздел I (главы 1,2) посвящен исследованию природы процессов взаимодействия.
В главе 1 исследованы существующие проблемы взаимодействия, которые особенно обострились в современных рыночных условиях, а также выполнен анализ теоретических работ в этой области.
Роль транспорта в современной экономике существенно меняется. Возросла роль экономических факторов, в условиях конкуренции необходимо оценивать полную транспортную составляющую, включая потери на стыке транспорт - производство. Но в естественной, рыночной экономике экономические связи и условия производства меняются. Значит, от транспорта требуется гибкая технология. Такая технология не разработана достаточно теоретически. В перевозках участвует подвижной состав многих собственников с индивидуальными требованиями. Анализ показал, что проблема взаимодействия затрагивалась в исследованиях лишь косвенно - в логистике, при оценке инвестиционных рисков, при расчёте транспортных систем. Целостная теория эффективного взаимодействия не разработана. Отсюда большие потери на стыках внутри систем и между системами. В диссертации исследуются основные виды взаимодействия в транспортных системах (рис.1) и предлагаются методы анализа (рис.2) и процедуры их оптимизации (рис.3).
Рис.1.Исследуемые виды взаимодействия
Рис.2. Методы анализа взаимодействия
Рис.3. Методы оптимизации взаимодействия
Глава 2 посвящена исследованию природы процессов взаимодействия и классификации его видов. Свойства транспортных систем определяются взаимодействием потока и структуры, элементов в структуре и подсистем. Элементами транспортной системы целесообразно принять канал и бункер. Канал осуществляет пропуск (переработку) потока, бункер осуществляет преобразование потока и согласование выходных и выходных ритмов, естественно, при этом возникает очередь.
Взаимодействие в транспортной системе можно подразделить на структурное, функциональное и структурно-функциональное. Структурное показывает степень согласованности стыкующихся элементов. Функциональное - характеризует взаимодействие операций в технологическом процессе и развитость управления потоками. Управление создает эффект резервов, появляются динамические резервы, которые по функции заменяют резервы статические, фактические. Структурно-функциональное - это особый вид взаимодействия, когда технологическими способами изменяют параметры структуры. Структура как бы адаптируется к сложившейся ситуации, что повышает эффективность работы системы. Каждый вид взаимодействия имеет свои задачи, критерии и методы оптимизации.
Основные понятия
Поток Ц совокупность движущихся единиц.
Его характеризует: средний поток ; дезорганизация ; расчетный поток
(1)
Здесь дезорганизация потока, которая затрудняет или делает невозможным дальнейшее его продвижение.
Структурное взаимодействие.
Взаимодействие структуры с потоком. Канал в общем случае повышает дезорганизацию потока на величину , то есть имеет собственный шум (заявки обслуживаются неравномерно).
Отсюда расчетный поток
То есть , где u- средний поток.
Или
Слагаемое можно отбросить ввиду незначительного влияния и для упрощения рассуждений.
Тогда (2)
Взаимодействие канал - канал.
В этом случае параметр является аналогом коэффициента вариации , так как потоки случайные.
Рис.3. Схема взаимодействия канал-канал
Запишем соотношения
, ;
, ;
(3)
Соотношение (3) показывает сущность взаимодействия в цепочке канал - канал. Согласуются, по сути, технические параметры стыкующихся элементов. При этом формула (3) не является расчетной, она говорит лишь о том, что в такой цепочке пропускная способность последующего канала должна быть больше и объясняет природу этого увеличения.
Взаимодействие канал - бункер - канал. Параметр означает, по сути, какая дополнительная очередь возникает к очереди, создаваемой собственно каналом. Действительно, даже при равномерном потоке () возникает очередь. Её создает канал. При появляется дополнительная очередь (рис.4). При дополнительная очередь имеет знак минус, то есть управление уменьшает очередь, создаваемую каналом.
Взаимодействие заключается в согласовании каналов с разными параметрами за счет преобразования потока в бункере.
Рис. 4. Схема влияния на очередь случайного () и управляемого () потока
Содержательно параметр близок к коэффициенту вариации случайного потока. Однако, в исследованиях зачастую допущение случайности является ошибочным. Преобразование потока в бункере приводит к тому, что уменьшается случайная составляющая колебаний и возрастает управляемая (рис.5).
Рис.5. Изменение характера колебаний потока при возрастании загрузки канала
Функциональное взаимодействие.
Взаимодействие подсистем. Подсистемы в отличие от элементов обладают динамическими резервами. И задача взаимодействия ставится как максимизация суммарных динамических резервов
(4)
где , - динамические резервы, соответственно, первой и второй подсистемы при обособленной работе;
- коэффициенты, учитывающие уровень взаимодействия, т.е. насколько увеличиваются резервы подсистем при объединении их в систему.
Таким образом, следует выделять два типа взаимодействия транспортных объектов - на уровне элементов и на уровне подсистем. В первом случае согласуются параметры устройств (каналов и бункеров) двух систем, во втором - согласуется управление в них (цели и критерии). В диссертации приводится весь набор типов взаимодействия от использования только статических резервов до возрастания адаптации за счет все большего использования динамических. Некоторые его типы.
Пассивное взаимодействие.
Взаимодействие заключается в согласовании несовпадающих ритмов прибытия и потребления за счет статических резервов.
Взаимодействие типа лактивный транспорт.
В этом случае в транспортной подсистеме включается различного рода активное управление потоками, возникают динамические резервы и снижаются статические (рис.6). Если используется только управление однородными потоками, то возникают динамические резервы I рода (рис.6-а), если ускорение и замедление струй - динамические резервы II рода (рис.6-б), если гибкая структурная технология - .
Взаимодействие заключается в согласовании ритмов производства, транспорта и потребления за счет динамических резервов I и II рода совместно со статическими резервами .
Взаимодействие типа лактивный транспорт - активное производство.
Здесь ритмы производства подстраиваются под ритмы потребления, возникают .
Взаимодействие заключается в согласовании ритмов в логической цепочке поставщик - транспорт - потребитель за счет резервов , и совместно со статическими .
Рис.6. Взаимодействие с активным транспортом
Взаимодействие с предельной активностью.
Здесь включается дополнительно гибкая структурная технология. То есть взаимодействие обеспечивают все виды динамических резервов совместно с небольшими статическими.
Раздел II (главы 3,4) посвящен анализу и оптимизации процессов взаимодействия.
В главе 3 дается методология оптимизации взаимодействия в соответствии с его типами.
На уровне элементов оптимальным образом согласуются параметры каналов и бункеров. Очевидно, что емкость бункера и резерв пропускной способности последующего канала являются относительно взаимозаменяемыми величинами. Поэтому можно записать соотношение для цепочки бункер - канал:
, (5)
где - средний поток,
- увеличение пропускной способности канала, выраженной в долях к среднему потоку.
Если задать стоимостные параметры, то можно сформулировать строгую модель для оптимизации взаимодействия на уровне элементов. Однако, в реальности добавление, скажем, пути меняет горловину из десятков стрелок. Поэтому для оптимизации следует использовать системы подробного моделирования.
Оптимизация структурного взаимодействия. Оптимизация означает согласование параметров стыкующихся элементов. Предлагается метод построения оптимальной структуры транспортной сети с использованием банка пропускных способностей и банка емкостей.
Метод позволяет выстроить структуру потоковой сети, оптимальной в смысле принятого критерия. Критерий может варьироваться, но чаще всего - это суммарные затраты на пропуск и накопление потоков и стоимость корректировки структурных параметров. Увеличение пропускной способности канала происходит тогда, когда не выполняется ограничение
, (8)
здесь потока ; канала .
Если рассматривать конструкцию бункер-канал, то зависимость приобретает вид
(9)
При появлении связей адаптации из банков и ограничение (9) становится более гибким
(10)
Но изменение структуры связано с затратами. Оптимумом будем считать минимум суммарных затрат на пропуск потоков и содержание транспортной сети
(11)
Здесь - стоимость преобразования единицы потока в бункере (включая затраты на содержание бункера и простой транспортных средств); - стоимость содержания единицы пропускной способности канала.
Добавление ёмкости бункера имитируется увеличением его способности погашать неуправляемую неравномерность с помощью . Операция включается, когда предельная возможность погашения недостаточна, то есть , полученное из уравнения ограничения, больше .
Оптимизация динамической структуры потоков.
Задача оптимизации (ДТЗЗ) ставится как задача минимизации суммарных транспортных расходов и расходов на хранение:
(12)
при ограничениях динамического баланса
(13)
и по параметрам структуры. Задача решается сведением к статической размножением во времени. В диссертации приводятся процедуры оптимизации для многоструйных потоков, с ускорением и замедлением отдельных струй и др. ДТЗЗ позволяет делать перерасчет в любой момент, плавно согласовывая предыдущую и последующую схему потоков.
Оптимизация процесса обращения вагонов разных собственников (ДТЗЗ+).
Наличие многих собственников существенно усложняет процессы транспортного обслуживания экономики. Может быть задано ограничение по времени оборота вагонов и маршрутам следования. Модель оптимизации здесь существенно меняется, ибо возникают процессы перехода вагонов из порожнего состояния в груженое и наоборот.
Пусть на -ю станцию погрузки прибывает поток порожних вагонов . На станции существует погрузка . Процесс погрузки отображается дугой с временем . На схеме (рис.7) показана динамика груза на складе , оставшихся не погруженных порожних и не отправленных груженых .
Рис.7. Схема соединения и разъединения груза и подвижного состава
На станции выгрузки показан процесс выгрузки дугой , - время выгрузки, процесс потребления груза , динамика не выгруженных вагонов , непотребленного груза , не отправленных порожних , а также поток отправленных груженых .
Запишем балансные уравнения.
Баланс груза.
На станции погрузки
, (14)
на станции выгрузки
, (15)
Баланс порожних вагонов.
на станции погрузки
, (16)
на станции выгрузки
. (17)
Баланс груженых вагонов.
На станции погрузки
(18)
на станции выгрузки
. (19)
Составные части функционала.
Затраты на погрузку , (20)
затраты на выгрузку , (21)
затраты на хранение груза , (22)
затраты на простои груженых
, (23)
затраты на простои порожних
, (24)
затраты на перевозку , (25)
затраты на пробег порожних . (26)
Функционал
. (27)
Естественны ограничения по положительности переменных, пропускной способности дуг (в том числе, дуг погрузки, выгрузки и хранения).
Естественно, в ДТЗЗ+ можно учитывать различные типы вагонов (тогда вводится дополнительно индекс , ), а также стохастичность процессов движения, погрузки и выгрузки.
Таким образом, в размноженной во времени расчетной сети возникают параллельно потоки и . Комбинируя ограничения, можно отобразить различные условия использования частных вагонов.
Пример. Разомкнутый цикл с разделяемыми потоками.
Если собственник допускает раздельное использование групп вагонов, но к конечному пункту (стоку) они все должны вернуться, в ДТЗЗ+ включаются другие механизмы (рис.8).
Рис.8. Разомкнутый цикл использования вагонов с разделяемыми потоками
В данном случае ограничение типа
(29)
обеспечит возврат к пункту стока все отправленные вагоны за период .
Стохастическую постановку ДТЗЗ будем формулировать следующим образом - найти оптимальную по минимуму суммарных затрат на перемещение и простои динамическую структуру потоков с учетом ущерба от недопоставок при случайном разбросе в потреблении. Разброс во времени хода включим в разброс в потреблении. То есть функционал примет вид
(30)
где - транспортные расходы,
- затраты на хранение запасов.
Пусть плотность вероятности распределения моментов потребления . Если груз прибыл в момент и момент потребления должен был произойти раньше , то возникает ущерб от недопоставки , а если, то появляется дополнительные затраты на хранение .
Пусть - единичный ущерб от недопоставки, - единичные затраты на хранение грузов, тогда ущерб от недопоставки равен
(31)
А затраты на хранение
(32)
Дифференцированием и преобразованием находим точку минимума суммарных затрат
. (33)
Показано, что в этой точке затраты слева (на простой оборудования) и справа (на простои вагонов) равны. Для практического выбора точки можно использовать гистограмму распределения затрат, эмпирически смещая точку прибытия до примерного их равенства.
В стохастической ДТЗЗ точка меняется на . Дополнительный ущерб в динамике отражается введением лобратной переменной (рис.9).
Рис.9. Отражение в стохастической ДТЗЗ эффекта недопоставки
Функциональное взаимодействие в производственно-транспортных системах подразумевает не только управление потоками в транспортной подсистеме, но и согласование ритмов работы транспорта и производства, а также производителей и получателей между собой. Если рассогласованность ритмов поставщиков и потребителей слишком велика и транспорт, используя все возможности перераспределения, ускорения и замедления потоков, все же не может их увязать, то ДТЗЗ не имеет решения. Возникает новая задача - согласовать ритмы поставщиков и потребителей таким образом, чтобы это соответствовало возможностям транспорта. Для решения этой задачи можно использовать метод динамического согласования производства и транспорта (МДС). Вводятся корректирующие переменные в пунктах производства , означающие уменьшение объема производства и соответственно увеличение на величину с производственными расходами .
Таким образом, при исчерпании адаптивных возможностей транспорта необходимо уменьшить рассогласование ритмов производства и потребления. Метод МДС позволяет рассчитать минимально необходимую корректировку.
Оптимизация структурно-функционального взаимодействия. Модель предназначена для расчёта оптимальной структуры транспортной системы с адаптивной структурной технологией. Такого рода технология активизирует динамические резервы третьего рода. Теоретической основой для построения модели МОДУС является аппарат ДТЗЗ. Однако здесь вводятся связи структурной адаптации. Предполагается что пропускная способность каналов и емкость бункеров (емкостей) могут меняться во времени. Возможны связи типа канал-канал, бункер-бункер, бункер-канал и канал-бункер. Связи адаптации вступают в силу только, когда ДТЗЗ не имеет решения. Они осуществляются технологическими способами (переброска локомотива или бригады, приоритет или изменение режима выполнения операции и др.).
Необходимо максимально развивать структурную технологию, то есть когда за счёт адаптивности гибко меняются параметры устройств. Введем связи между элементами структуры, по которым как бы передается пропускная способность или, соответственно, емкость . Наличие такого рода связи означает, что в момент уменьшается пропускная способность дуги и через некоторое время увеличится соответствующий параметр дуги на величину, коэффициентом замещения.
Оптимизация транспортно-складской системы, таким образом, ставится как задача расчета в динамике оптимальных транспортных потоков, динамики остатков грузов на складах и построения оптимальной динамической структуры при минимуме суммарных затрат. По сути, это динамическая задача структурной технологии.
В главе 4 приводится сравнительный анализ методов расчета транспортных систем.
Аналитические методы - то есть расчет по детерминированным формулам и как систем массового обслуживания плохо описывают сложную структуру и здесь могут возникнуть большие ошибки. Применение детерминированных формул и планов-графиков с фиксированными параметрами в элементарных операциях чревато большими ошибками. Основным достоинством имитационного моделирования является то, что здесь могут отображаться объекты, не поддающиеся строгой формализации. Снизить трудоемкость построения имитационных моделей можно применением подсистем автоматизированного проектирования и применением двухуровневых систем оптимизации.
Наиболее развитой в настоящее время является имитационная система ИСТРА. Подсистема САПР берет на себя подготовку свыше 90% исходной информации. Избежать полного перебора вариантов позволяет метод ускорения процесса оптимизации, так называемый лимитационный спуск.
Транспортная система обладает динамическими резервами, которые необходимо корректно отображать при проведении расчетов. Динамические резервы создаются управлением. Поэтому все управляемые связи должны быть внутри объекта. Если провести границы объекта проектирования по сильноуправляемым связям, можно лишиться динамических резервов, которые для обеспечения надежности функционирования придется заменить статическими резервами. Возникает риск несовпадения инвестиционного и расчетного объектов.
В разделе III (главы 5-8) приводятся способы реализации принципов оптимального взаимодействия.
Глава 5 посвящена анализу методов прогнозирования транспортных потоков, что играет большую роль при выборе параметров структуры. В процессе формирования потоков действуют сложные, нелинейные соотношения, которые существенно усложняют процесс прогнозирования. Снизить неопределенность прогноза можно методом глубокого моделирования транспортноЦхозяйственных связей.
В главе 6 рассматривается структурно-функциональное взаимодействие двух видов транспорта (рис.10).
Рис.10. Структура зон взаимодействия
В логистике пространство взаимодействия рассматривается обычно без разделения на составляющие. Анализ показал, что их надо структурировать, так как отдельные части существенно отличаются по характеру и задачам взаимодействия. Зоны дальнего, среднего и ближнего взаимодействия имеют свои особенности, хотя все они должны функционировать как подсистемы одной системы.
Критерий взаимодействия в ближней зоне следует формулировать как минимум приведенных суммарных задержек в грузовых и технологических операциях
(34)
где - задержка при выполнении технологической операции -го типа, начавшейся в момент ;
- затраты, связанные с единой задержкой операции -го типа;
- задержка при выполнении грузовой операции -го типа, начавшейся в момент ;
- затраты, связанные с единичной задержкой операции -го типа.
К зонам среднего взаимодействия относятся с морской стороны суда в акватории порта, а с железнодорожной - составы на станциях в зоне ожидания. Задачей взаимодействия является управляемый подвод судов и составов. Критерием - минимум отклонений от заданного ритма прибытия составов на припортовую станцию и судов к причалам.
(35)
где - задержка в подводе состава -го типа, операция подвода началась в момент ; - затраты, связанные с единой задержкой состава -го типа; - задержка в подаче судна -го типа к причалу, операция началась в момент ; - затраты, связанные с единичной задержкой -го судна. Методом оптимизации взаимодействия является имитационный метод динамического согласования И-МДС на укрупненной модели.
В дальней зоне критерием для управления грузопотоками является минимум отклонения от оптимальной границы линии относительного заполнения буферной зоны
(36)
где - оптимальный запас груза -го типа в буферной зоне.
Таким образом, три зоны взаимодействия работают как подсистемы в системах взаимодействия. При этом зоны имеют отличие в задачах взаимодействия, критериях и методах оптимизации.
Имитационный метод динамического согласования И-МДС. Метод строгой динамической оптимизации МДС применим для больших полигонов, где можно абстрагироваться от детального описания структуры и технологии. Требуется построить имитационный аналог МДС - имитационный метод динамического согласования И-МДС. Технологический процесс задается в виде элементарных технологических операций, логически объединенных специальным оператором в технологический процесс. Заявки с приоритетом переносятся вверх очереди, если время заявки попадает в зону действия глубины приоритета.
Заявки по индексным операциям задаются ритмом погрузки. Эти заявки идут с приоритетом. Глубина приоритета равна продолжительности технологической цепочки. Как только индексная заявка попадает в глубину действия приоритета, она переносится вверх очереди и обслуживается первой. Если условия выполняются, то включается заявка начальной операции соответствующей технологической цепочки с временем, сдвинутым назад на время продолжительности цепочки .
Алгоритм работы метода И-МДС. Метод И-МДС работает следующим образом. Пусть задан ритм погрузки судна моментами и т. д. (рис.11), линия будет показывать потребность в грузе с накоплением. Линии и показывают наличие груза в трех местах, например, на складе , в вагонах на станции и в составах на станции отстоя . Пусть продолжительность подачи груза из накопителя будет , из накопителя и, соответственно, .
Рис.11. Схема работы и метода И-МДС
Вводим индексные операции типа с заявками и , которые все имеют наивысший приоритет и глубину действия приоритета, соответственно, и . Каждая из них может запускать технологическую цепочку подвода груза с временем опережения , равным времени подачи (то есть, . Алгоритм включения технологической операции в момент будет
(37)
Расчеты для Новороссийского узла показали, что метод И-МДС является весьма эффективным (рис.12).
Рис.12. Уменьшение задержек в транспортном узле при применении оптимизирующих процедур
В главе 7 исследуется взаимодействие в транспортно-складской системе. Это с теоретической точки зрения множество бункеров, соединенных сетью каналов. Эффективная работа всей системы, как распределенного демпфера, может быть только при рационально организованном функциональном и структурно-функциональном взаимодействии. Управление здесь заменяют избыточные складские емкости или резервы вагонов в ожидании выгрузки (назовем их статическими резервами), то есть по каждой сквозной струе потока суммированные резервы (величина буфера) будет равна:
, где (38)
- суммированный эффективный резерв по струе грузопотока;
- эффективный резерв по струе в распределительном складе;
- эффективный резерв в -м складе у потребителя;
- динамические резервы по струе.
Таким образом, суммарная эффективная емкость транспортно-складской системы, то есть ее возможность поглощать и порождать всплески потоков, включает в себя эффективные емкости распределительного и конечных складов, а также динамические резервы (рис.13). Гармошка динамических резервов может как бы растягиваться и сжиматься, в зависимости от эффективности управления потоками и организации работы всей системы.
Рис.13. Суммарная эффективная емкость транспортно-складской системы при управляемых потоках
При логистическом управлении взаимодействием складов уменьшается требуемая их емкость без потери надежности работы (по сути, это и будет величина динамических резервов). При логистическом управлении взаимодействием складов уменьшается требуемая их емкость без потери надежности работы (по сути, это и будет величина динамических резервов) (рис.14).
Рис.14. Зависимость требуемой емкости складов от управления
Глава 8 посвящена исследованию вияния управляемого взаимодействия на расчет параметров структуры. Здесь показана эффективность гибкого взаимодействия укрупненных каналов и бункеров для транспортной и производственно-транспортной систем. Станция Лужская-Южная (рис.15) имеет много терминальных тупиков, для которых нужно формировать многогруппные передачи. Если происходит совпадение подформирования на все тупики, станция не справляется с работой (табл.1). Было бы не рационально рассчитывать станцию на максимальную работу.
Рис.15. Схема ст. Южная-Лужская
Здесь предлагается применить гибкое взаимодействие каналов станций Лужская - сортировочная и Южная - Лужская (рис.16).
Рис.16. Схема гибкого взаимодействия каналов
То есть передать временно работу по формированию на сортировочную станцию. Тогда пропускная способность канала формирования на первой станции увеличивается, а на второй уменьшается. Происходит как бы переброска параметров. Расчеты показали, что при гибком взаимодействии ст. Южная - Лужская с работой справляется (табл.2). При этом существенно уменьшаются межоперационные простои (табл.3, табл.4). На сортировочной станции средний простой увеличивается всего на 0,15 часа.
Таблица 1.
Показатели работы ст. Южная-Лужская без управляемого взаимодействия
Таблица 2.
Показатели работы ст. Южная - Лужская при управляемом взаимодействии
Таблица 3.
Задержки на ст. Южная - Лужская без управляемого взаимодействия
Таблица 4.
Показатели работы ст. Южная - Лужская при управляемом взаимодействии
Таблица 5.
Структурные задержки на ст. Южная - Лужская при управляемом взаимодействии
Гибкое взаимодействие бункеров продемонстрировано на промышленной станции Южная Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК) (рис.17).
Рис. 17.Схема ст.Южная НЛМК
Станция обеспечивает выгрузку сырья для доменного цеха, парки приема находятся слева и справа от фронтов выгрузки. Поезда прибывают и с одной, и с другой стороны. Нормативная технология предполагает прибытие с каждого направления в свой попутный парк. Однако время от времени возникает ситуация, когда в попутном парке нет свободных путей, а на подходе нужный груз. Гибкое взаимодействие предполагает прием в неспециализированные парки. Возможности станции возрастают, повышается маневренность, снижаются задержки (табл.5, табл.6).
Таким образом, управляемое взаимодействие каналов и бункеров реализует структурную технологию, при которой динамические резервы замещают излишние статические.
Таблица 6.
Уровень задержек при жесткой специализации
Таблица 7.
Уровень задержек при гибком взаимодействии парков
Заключение.
В результате исследования разработаны теоретические и методологические основы эффективного взаимодействия в транспортных и производственно-транспортных системах. Это создает основу для существенного улучшения технологии работы и структуры разнообразных транспортных систем и повышения эффективности транспортного обслуживания экономического взаимодействия в динамичной рыночной среде, в особенности при использовании подвижного состава разных собственников. В том числе получены следующие результаты.
- Исследована природа и сформулированы принципы эффективного структурного, функционального и структурно-функционального взаимодействия.
- Выведены закономерности преобразования свойств потока при взаимодействии с элементами структуры. Предложены принципы рационального взаимодействия элементов в структуре, что означает рациональное согласование их параметров в потоковых цепочках.
- Разработаны принципы эффективного взаимодействия подсистем и транспортных систем. Показано, что задачей оптимизации в этом случае является максимизация динамических резервов. Предложены процедуры оптимизации для каждого типа взаимодействия.
- Разработаны теоретические основы и методы оптимизации взаимодействия в транспортных и производственно-транспортных системах. Разработаны эффективные процедуры оптимизации для каждого типа взаимодействия. Предложены подходы к оптимизации взаимодействия при существенном влиянии случайных факторов.
- Разработана методология оптимального управления подвижным составом многих владельцев с учетом различных индивидуальных требований. Произведена необходимая для этого корректировка динамических потоковых моделей.
- Разработана методология оптимизации взаимодействия на основе имитационного моделирования. Показана реализация этого на основе конкретной имитационной системы.
- Показана реализация теоретических основ при исследовании функционального взаимодействия двух важнейших видов транспорта - железнодорожного и морского. Предложен оригинальный метод оптимизации взаимодействия, встроенный в имитационную модель. Разработана реализация оптимизированного взаимодействия в реальных условиях, в том числе информационное сопровождение и организационное обеспечение.
- С использованием теоретической основы предложена методология оптимизации структурно-функционального взаимодействия в распределенных транспортно-складских системах, которые составляют основу многих логистических центров. Осуществлена реализация этого для конкретной развитой транспортно-складской системы и показана ее эффективность.
Показана реализация адаптивной структурной технологии для проектируемого транспортного узла и существующей производственно-транспортной системы. Гибкое взаимодействие типа "канал-канал" и "бункер-бункер" позволяет перерабатывать всплески потока без дополнительных структурных резервов.
Внедрение научных результатов.
Предложенные в диссертации методы, подходы и алгоритмы были использованы при экспертизе проектов развития транспортного узла Усть-Луга, Свердловского узла, Забайкальской ж.д., транспорта Новолипецкого металлургического комбината, при создании эффективной технологии оборота вагонных парков Первой грузовой компании, при построения формализованной технологии для принятой в промышленную эксплуатацию автоматизированной системы управления работой основного полигона Свердловской дороги, при оценке результатов обоснования инвестиций в развитие Новороссийского транспортного узла, принято решение по их использованию в проекте Урал промышленный-Урал полярный. Это подтверждается соответствующими документами, представленными департаментом технической политики ОАО РЖД, департаментом информационных технологий Первой грузовой компании, транспортным управлением Новолипецкого металлургического комбината и др. Технология снижения стыковых потерь и модели оптимизации используются в учебном процессе Уральского государственного университета путей сообщения.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях
В изданиях, предусмотренных перечнем ВАК
- Владимирская И.П., Козлов П.А. Метод оптимизации структуры транспортной системы. М., МИИТ, Мир транспорта , 2009, №2 с.64-87
- Владимирская И.П., Козлов П.А. Пути повышения обоснованности технологических решений. М., Интекст, Вестник ВНИИЖТ, №3, 2009, с.8-12
- Владимирская И.П., Козлов П.А. Оптимизация взаимодействия поставщиков и потребителей при случайном разбросе в потреблении и времени доставки. Р.-н.-Д., Вестник РГУПС, №2, 2009, с.66-70
- Владимирская И.П. Оптимизация работы транспортных систем с помощью структурной технологии. Р.-н.-Д., Вестник РГУПС, №3, 2009, с. 80-83
- Владимирская И.П. Прогнозирование транспортных потоков в рыночной экономике. Научный вестник МГТУ ГА, М., 2009. - №147(10), с. 161-166
- Владимирская И.П. Взаимодействие отправителей и получателей грузов при случайном разбросе в доставке и потреблении. Научный вестник МГТУ ГА, М., 2009. - №147(10), с. 166-169
- Владимирская И.П., Козлов П.А. Взаимодействие потока и элементов транспортной структуры. Научный вестник МГТУ ГА, М., 2009.
- Владимирская И.П., Козлов П.А. Построение систем автоматизированного управления потоками вагонов разных собственников. Интекст, Вестник ВНИИЖТ, №6, М., 2009
- Владимирская И.П. Организация взаимодействия поставщиков и потребителей с помощью потоков вагонов разных собственников. ВИНИТИ Транспорт: наука, техника, управление
- Владимирская И.П., Совершенствование методов расчета инфраструктуры в инвестиционных транспортных проектах. Наука и техника транспорта № 3, М., 2010 - с.15-18
- Владимирская И.П., Козлов П.А. Теоретические основы оптимизацииа структуры транспортных систем. Наука и техника транспорта № 4, М., 2010 - с.15-18
- Владимирская И.П., Козлов П.А. Построение систем автоматизированного управления потоками вагонов разных собственников. Интекст, Вестник ВНИИЖТ, №6, 2009, с.8-11
- Владимирская И.П. Имитационное моделирование как метод оптимизации расчета инфраструктуры в инвестиционных транспортных проектах. Автоматизация в промышленности №1, 2010, с.52-54
- Владимирская И.П., Козлов П.А., Тушин Н.А. Модель оптимизации управления парками вагонов разных собственников, Журнал Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения № 3 (39) 2010, Ростов-на-Дону с. 93-98.
- Владимирская И.П., Козлов П.А., Осокин О.В. Закономерности структурного взаимодействия в транспортных системах, Транспорт Урала , №3 (26) 2010, Екатеринбург с.25-29.
- Владимирская И.П., Козлов П.А. , Осокин О.В., Иванов И.В. Имитационная экспертиза проекта развития транспортного узла Усть-Луга. СПб., Т-Пресса, Транспорт Российской Федерации №6(25) 2009 - с.18-21.
- Владимирская И.П., Козлов П.А., Козлова В.П. Экономико-технологические риски в проектах развития транспортной инфраструктуры. СПб., Т-Пресса, Транспорт Российской Федерации, №2, 2009 с. 24-27.
- Владимирская И.П., Козлов П.А. Метод оптимизации взаимодействия железнодорожного и морского транспорта. СПб., Т-Пресса, Транспорт Российской Федерации, №1, 2009 с.53-55.
В других изданиях
- Владимирская И.П. Возможности и особенности методов расчета транспортных систем. Актуальные проблемы управления перевозочным процессом: Сб. науч. тр. вып. 9. - СПб.: ПГУПС, 2009 - с. 90-97
- Владимирская И.П. Расчет рационального ритма подвода грузов при наличии случайных факторов. Актуальные проблемы управления перевозочным процессом: Сб. науч. тр. вып. 9. - СПб.: ПГУПС, 2009 - с. 97-103
- Владимирская И.П. Оптимизация взаимодействия поставщиков и потребителей при нестабильном потреблении. Актуальные проблемы управления перевозочным процессом: Сб. науч. тр. вып. 10. - СПб.: ПГУПС, 2010
- Владимирская И.П. Активизация динамических резервов транспортно-складских систем. Актуальные проблемы управления перевозочным процессом: Сб.науч.тр. вып. 10. - СПб.: ПГУПС, 2010
- Владимирская И.П. Проблемы прогнозирования транспортных потоков в рыночной экономике. М., Стройиздат, Ведомственные Корпоративные Сети Системы № 5-6, 2008, с.158-163
- Владимирская И.П. Методы расчета инфраструктуры в инвестиционных транспортных проектах. Материалы 3-й Международной научной конференции "Автоматизация в промышленности", М., ИПУ РАН, 2009, с.82-83
- Владимирская И.П. Оптимизация взаимодействия поставщиков и потребителей в случайной среде. Материалы конференции Современные информационные технологии, Пенза, 2009, выпуск 9, с.19-21
- Владимирская И.П. , Козлов П.А., Козлова В.П. Повышение надежности обоснования инвестиций в инфраструктурных транспортных проектах. М., материалы третьей международной конференции Управление развитием крупномасштабных систем MLSDТ2009 , ИПУ РАН, 2009, Т.1 , с.171-172
- И.П. Владимирская, Козлов П.А. Метод оптимизации взаимодействия в производственно-транспортных системах. М., ИД Академия естествознания, 2009, №6, часть 2, с.17-18
- Владимирская И.П., Структурно-функциональное взаимодействие в транспортных системах. Сб.науч.тр. Екатеринбург: УрГУПС, 2009. - Вып. 73 (156) с.31-36
- Владимирская И.П., Сравнительный анализ методов расчета транспортных систем. Сб.науч.тр. Екатеринбург: УрГУПС, 2009. - Вып. 73 (156) с. 37-44
- Владимирская И.П., Козлова В.П. Прогнозирование транспортных потоков и его влияние на выбор параметров инфраструктуры. Сб.науч.тр. Екатеринбург: УрГУПС, 2009. - Вып. 73 (156) с.45-54
- Владимирская И.П. , Козлов П.А. Теоретическая модель транспортной системы как аппарат повышения обоснованности инвестиций в инфраструктурные проекты. Сб.науч.тр. международной научно-практической конференции Августовские чтения - 2009, Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2009. - с.122-129
- Владимирская И.П. , Козлов П.А., Тушин Н.А., Системная интеграция на транспорте. Сб.науч.тр. международной научно-практической конференции Августовские чтения - 2009, Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2009. - с.227-232
- Владимирская И.П., Эффективная организация распределенных транспортно-складских систем. Сб.науч.тр. международной научно-практической конференции Августовские чтения - 2009, Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2009. - с.156-166
- Владимирская И.П., Методы расчета инфраструктуры в инвестиционных транспортных проектах. Научно-информационный журнал Вестник ТИСБИ, Казань, Академия Управления ТИСБИ, 2009. - №3, с. 4-6
- Владимирская И.П., Метод оптимизации подвода грузов потребителю при наличии случайных факторов. Вестник УрГУПС, №2, 2009г. стр. 16-20
- Владимирская И.П., Оптимизация структурно-функционального взаимодействия в транспортных системах на базе интеллектуальной информационной среды. Научно-практическая конференция Наука и инновации на транспорте. М., 2009
- Владимирская И.П. Расчет рациональной технической структуры и технологии транспортных систем методом имитационного моделирования. Материалы 4-й научно-практической конференции Имитационное моделирование. Теория и практика 21-23 окт 2009. СПб., ОАО ЦТСС, Том 1,с.229-233
- Новикова (Владимирская) И.П., Козлов П.А. Построение АСУ транспортом крупных предприятий. Сб. Новая техника и технология на промышленном и городском транспорте. М., Министерство транспорта РФ, 2000, с.52-54
- Новикова (Владимирская) И.П. Принципы построения управляющей подсистемы АСУ транспортом крупного промышленного предприятия. Материалы конференции Информационные технологии на ж.д. транспорте, Инфотранс 2000, СПб, МПС РФ, 2000. С.112-118
- Владимирская И.П. Возможности и особенности методов расчёта транспортных систем // Актуальные проблемы управления перевозочным процессом. Сб. научн. Трудов, посвящённых 80-летию факультета Управление процессами перевозок, - вып. 9.- СПб.: ПГУПС, 2009.- С.90-96
- Владимирская И.П. Расчёт рационального ритма подвода грузов при наличии случайных факторов (сборник тот же, С.97-103)
- Владимирская И.П., Осокин О.В. Технологическая оценка транспортных проектов на примере ст. Новолипецк. Сб. науч. тр. межд. науч.-практ. конф. Социально-экономическое развитие хозяйственных систем в современных условиях: Опыт, проблемы, перспективы: Т. 1 / Под общ. ред. С.Г. Журавина. - Москва-Магнитогорск ,2010.- С.90-100
- Владимирская И.П. ,Козлов П.А., Тушин Н.А. Системная интеграция на транспорте. Сб. науч. тр. межд. науч.-практ. конф. Социально-экономическое развитие хозяйственных систем в современных условиях: Опыт, проблемы, перспективы: Т. 1 / Под общ. ред. С.Г. Журавина. - Москва-Магнитогорск, 2010.- С.378-383
- Владимирская И.П., Новиков П.А. Согласованное взаимодействие железнодорожного и морского транспорта в припортовых транспортных узлах. Сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт России: проблемы и перспективы - 2008", 21-23 октября. - М., 2008.- С. 43Ц42.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям