Совершенствование методов и средств управления грузовыми операциями в аэропортовых складах и воздушных судах

Комплексное решение задач управления, механизации и автоматизации производственных процессов на транспорте является одной из основных составляющих интенсивности развития экономики. Особое значение придается комплексной автоматизации в сфере погрузочно-разгрузочных, складских и транспортных операций, в которой заняты многие миллионы людей и в первую очередь это относится к складским операциям. Новый импульс совершенствования технологий складских операций связан с революционными достижениями в микропроцессорной технике, внедрением концепций логистики. Одно из стратегических направлений такого совершенствования — комплексные решения по созданию и внедрению новых технологий в погрузочно-разгрузочных операциях на всех звеньях процесса загрузки-разгрузки воздушных судов (ВС)1 в аэропортах.

Отметим, что это не только оптимизация транспортных операций, хотя в настоящее время широко применяются методы, связанные с оптимизацией систем автоматического управления и транспортировки, в частности, методы оптимальных регуляторов полученные в работах Л. С. Понтрягина, В. Г. Болтянского, Р. В. Гамкрелидзе, А. А. Фельдбаума, В. И. Зубова, А. М. Летова, а в дальнейшем развитые в работах В. АЛкубовича, Р. Габасова, Ф. М. Кирилловой, В. А. Олейникова, Ю. П. Петрова, И. Я. Русинова и др.

В диссертационной работе автор предлагает комплексное решение задач рационального управления подъемно — транспортным оборудованием на основных звеньях переработки грузов аэропортового комплекса, включая грузовые отсеки воздушных судов, грузовые склады, механизмы по транспортировке грузов между ВС и грузовыми складами аэропортов (см. рис. 1.1). Радикальным решением, на взгляд автора, является оснащение ВС и грузовых складов аэропортов автоматизированными информационными системами и механизмами, в частности, мостовыми и стеллажными кранами-штабелерами и их автоматическими модификациями — стеллажными роботами (СР), что позволит улучшить организацию и качество погрузочно-разгрузочных операций на воздушном транспорте.

1 См. также — Приложение. Перечень условных обозначений.

Актуальность работы.

Безопасность полетов является одним из первостепенных показателей качества перевозок на воздушном транспорте. На безопасность полетов влияет ряд факторов, в том числе, — качество центровки воздушных судов и качество выполнения погрузочно-разгрузочных операций. Кроме того, актуальна проблема сокращения времени выполнения предполетной подготовки. Для радикального решения указанных задач автор предлагает ряд мер связанных с использованием современных средств автоматизации и вычислительной техники на всех участках производства погрузочно-разгрузочных операций в аэропортовых предприятиях.

Внедрение предлагаемых средств позволит позитивно влиять на регулярность и безопасность воздушного движения за счет:

• сокращения задержек рейсов;

• повышения качества загрузки ВС и увеличения объема перевозок посредством рационального размещения грузов, как в грузовых складах аэропортов, так и в грузовых отсеках ВС в результате использования предлагаемого автором доменного метода размещения грузов в зонах складирования;

• повышения качества центровки ВС посредством автоматизации процесса загрузки ВС по разработанным автором алгоритмам центровки с учетом размеров грузовых отсеков и типов грузовых судов.

Анализ организации работ и технического оснащения оборудованием по переработке грузов на воздушных судах и в аэропортовых комплексах показывает, что в настоящем большинство производственных служб аэропортов, включая и службы, осуществляющие грузовые операции, локально используют современные средства вычислительной техники для выполнения учетных операций и оформления сопроводительной документации. Это способствует повышению оперативности выполнения работ. Однако этого нельзя сказать о погрузочно-разгрузочных работах, которые выполняются по устаревшим технологиям. Учитывая возрастающую конкуренцию авиапредприятий на рынке грузовых перевозок, как международных, так и в России считаю, что назрела необходимость решать стратегические задачи по радикальному изменению ситуации в этой области в направлении оснащения всех звеньев участвующих в выполнении погрузочно-разгрузочных операций современным автоматизированным подъемно-транспортным оборудованием вкупе со средствами вычислительной техники верхнего информационного уровня. Это особенно важно, так как позволит объединить в единую транспортную систему подсистему информационного учета и обработки грузов и подсистему управления исполнительными механизмами, осуществляющими транспортные операции в ТСК аэропортов.

Актуальность работы вытекает из непосредственной ее связи и с проблемами сокращения времени и повышения качества выполнения погрузочно-разгрузочных операций при размещении грузов на борту воздушного судна (ВС) и на грузовых складах аэропортов, а также качества информационного сопровождения грузов. В частности, решение этой проблемы для вновь создаваемых ВС и современных грузовых складов (транспортно-складских комплексовГСК) аэропортов должно учитывать специфику тенденциозного подхода к автоматизации процессов складирования на воздушном транспорте, свести к минимуму возможность простоев, связанных с выходом из строя элементов сис-гемы управления СР.

Функциональное назначение рассматриваемых в диссертации объектов несет в себе отметку субъективности социального запроса в виде усеченного множества признаков {пр/р}. Большинство остальных признаков {щ и //} как бы вторичны — они в цепи следствия [1]. Высокая размерность решаемой задачи [щя сложных производственно-технических систем (СПТС) мешает на стадии проектирования в нюансах увидеть и формализовать все признаки объекта. Сложившаяся практика создания промышленных и транспортных предприятий ПТП), рекомендует сложный объект проектирования исследовать в две стадии: цо и после реализации на практике. При этом осуществляется последователь-яость: проект => реализация ^ дополнительное исследование => откорректированный проект.

Эту ситуацию не следует отождествлять с последовательностью: опыт-чая промышленная эксплуатация, где в проекте изначально занесены параметры настройки объекта в период его опытной эксплуатации.

Таким образом, идентифицируется слабое место научного обеспечения проектирования, а именно, если практика опережает теорию, то технический эбъект реализуется с частью непредсказуемых свойств.

Практика развития технической реальности показывает, что работы по автоматизации промышленных объектов отстают от первичной реализации его делового функционального назначения — автоматизируются уже действующие объекты в режимах их капитального ремонта или реконструкции. Поэтому некоторые недоработки нужного обеспечения идентифицируются в процессе автоматизации объекта, где характерен высокий уровень формализации элементов описания.

Здесь, объект исследования — это реальная система, описываемая некоторой совокупностью признаков п и /}- при этом в технике, как и в физике, цействует запрет Паули: не может существовать двух объектов, обладающих эдинаковой совокупностью признаков. Вместо слова «признак» корректнее применить более емкий термин «элемент описания» — это свойство, показатель, параметр, атрибут, модель.

Часть признаков через субъективное восприятие общества формирует функциональное назначение объекта пр с {/р}, причем число этих признаков в системе точного набора обычно мало, а остальные признаки {щ и //} объективно существуют.

В рыночных условиях современная сфера транспортных услуг базируется на концепциях логистики, основным принципом которой является доставка грузов заказчику «точно в срок». В будущем, как считают специалисты, на этом принципе будет решаться транспортная задача — выполнение заявок по потребности. Сложные логистические системы, как правило, в одном или нескольких звеньях должны иметь буферные зоны, позволяющие адаптироваться к динамике поведения системы, то-есть решать задачи организации рационального рас-тределения грузов в таких сложных системах с учетом возможных сбоев в ра-эоте отдельных ее элементов. Такими буферными зонами являются современные грузовые или транспортно-складские комплексы (ТСК), распределительные и дистрибьюционные центры. На их долю приходится от 40 до 70% транс-гортных операций с использованием различного подъемно-транспортного обо-эудования. Именно здесь за счет большого объема подготовительных операций гратится значительное время, которое увеличивает общее время транспорти-зовки грузов и, в частности, в рассматриваемой тематике — время предполетной юдготовки при перевозке грузов воздушным транспортом.

Анализ причин связанных с потерями времени при выполнении транс-юртно-складских работ на борту ВС и на грузовых складах аэропортов позво-шет найти пути для сокращения времени предполетной подготовки. Один из эффективных цутей сокращения предполетной подготовки при грузовых перевозках — создание высокой организации работ на базе автоматизированных комплексов погрузочно-разгрузочных работ с использованием автоматизированного оборудования и транспортных роботов.

Повысить производительность системы на рассматриваемом этапе за счет сокращения времени загрузки-разгрузки ВС и переработки грузов в грузовых складах аэропортов, обеспечить целостность и сохранность грузов можно, если использовать автоматизированное подъемно-транспортное складское оборудование и, в частности, автоматизированные транспортные системы с мостовыми и стеллажными кранами-штабелерами.

При этом сокращение времени переработки грузов в зоне хранения (штабельного или стеллажного) возможно за счет использования совершенных, надежных и отказоустойчивых систем управления транспортными механизмами, систем поиска требуемого адреса и точного позиционирования грузозахватов гранспортных роботов. В результате не только сокращается время выполнения эпераций, но, как подтверждает практика, увеличивается ресурс работы используемых механизмов.

Создание условий для достижения высокой интенсивности переработки грузов в ТСК, особенно в пиковые периоды, кроме высокой организации работ зависит от оптимального режима работы оборудования ТСК, использования контейнерных перевозок, которые значительно сокращают, как время перера-эотки, так и потребность в складской площади [2]. Как показали исследования внедрение контейнеров, в том числе и авиационных, во внутренние и международные перевозки очень эффективно. В них может перевозиться очень широкая номенклатура грузов, но в первую очередь генеральные грузы — наиболее трудоемкие и дорогостоящие при перевозке и перевалке. В интермодальных перевозках, как правило, используются контейнеры международного стандарта ЛСО. Уже в 1982 году мировой парк таких контейнеров составил 3,5 мил. ЦФЭ.3.

Как следствие, при этом создаются условия для повышения производи-гельности ТСК и планирования транспортных операций.

Международная организация по стандартизации.

Международная статистика ддя упрощения ведения учета как по производству, так и по перевозкам контен-геров пользуется методом пересчета фактического количества контейнеров в так называемый 20- футовый зк-гавалент — Т’Е и {в русской транскрипции ДФЭ). Так 40-футовьш контейнер обозначается как 2ДФЭ, 30-[>уговый- 1,5 ДФЭ, 10-футовый — 0,5 ДФЭ.

Цель диссертационной работы.

Повышение работоспособности системы «ТСК — транспортное спецсредство — ВС», и обеспечение высокого качества работ во всех звеньях системы за счет автоматизации погрузочно-разгрузочных операций и качества цен-гровки грузовых ВС .

При постановке задачи составлен план реализации цели, в который включены:

1. Разработка экономико-математической модели работы современного ТСК аэропорта.

2. Разработка теоретического обоснования доменного размещения грузов в стеллажах для оптимальной организации и управления транспортно-складскими операциями на грузовых складах аэропортов.

3. Разработка теоретического обоснования по автоматическому расчету и составлению графика центровки воздушных судов.

Теоретическое обоснование и разработка методики комплексного использования новых высокоэффективных, высококачественных технологий переработки тарно-штучных грузов, разработка структурных и принципиальных схем оптимального управления транспортными стеллажными роботами (автоматизированными мостовыми и стеллажными кранами-штабелерами) на борту воздушного судна и на грузовых складах аэропорта. 5. Разработка рациональной системы автоматического управления (САУ) транспортным оборудованием на борту ВС и на грузовых складах авиапредприятия.

5. Разработка технически живучей подсистемы поиска адреса (места перегрузки) в зоне хранения тарно-штучных грузов. 1. Создание методик отладки систем автоматизированного управления транспортными механизмами складирования.

Создание учебно-исследовательских экспертных систем (ЭС) для отладки вновь разрабатываемых или модернизируемых САУ и локализации их неисправностей.

Подготовка компьютерных обучающих программ и учебных пособий для студентов и слушателей курсов переподготовки специалистов.

Для выполнения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Разработан алгоритм и прикладная программа доменного размещения грузов в зоне стеллажного хранения с использованием ЭВМ.

• Разработаны теория расчета и алгоритм автоматического составления графика центровки грузовых воздушных судов с использованием несимметричных матриц.

• Разработаны и апробированы структурные и принципиальные схемы управления мостовыми (МКШ) и стеллажными (СКШ) кранами-штабелерами.

• Разработано устройство точного позиционирования грузозахвата при поиске адреса перегрузки.

• Проведены экспериментальные исследования рационального использования счетно-решающего метода поиска адреса места перегрузки для мостовых и стеллажных кранов-штабелеров.

• Разработан, изготовлен и апробирован стенд-имитатор МКШ и СКШ и, взаимодействующих с ними, перегрузочных устройств.

• Разработан алгоритм адаптации системы точного позиционирования грузозахвата при поиске адреса перегрузки.

• Разработаны рекомендации по созданию устойчивых к сбоям промышленных систем автоматизации МКШ и СКШ.

• Разработаны рекомендации по применению счетно-решающих методов поиска ячеек для МКШ и СКШ.

• Разработана методика отладки систем управления МКШ и СКШ на промышленных объектах.

• Разработаны рекомендации по кинематической схеме моста МКШ и конструкции позиционных меток (шунтов).

Применение разработанных алгоритмов, аппаратных и программных средств управления основным оборудованием ТСК аэропортов, в частности, стеллажными и мостовыми кранами-штабелерами (стеллажными роботами) позволит выполнить поставленные в работе задачи.

Методика исследования.

Автором были проведены многочисленные исследования по предварительно разработанной методике. Проведены статические и динамические испытания работы мостовых и стеллажных кранов-штабелеров в реальных условиях, «няты осциллограммы работы мостового крана-штабелера (МКШ) в режимах разгона, крейсерской (номинальной) скорости, торможения и движения на пре-достановочной скорости. Исследован характер динамики работы МКШ в переходных процессах с использованием системы массового обслуживания. Разработана методика комплексного испытания работы СР в промышленных условиях по оптимизированным циклограммам (рис. 7.2, 7.3).

Научная новизна.

В диссертационной работе впервые научно обоснована эффективность применения автоматизированных МКШ для аэропортовых грузовых комплексов (складов), даны рекомендации по использованию автоматизированных ШСШ на воздушных судах. Разработана теория и алгоритм расчета складских доменов в складах стеллажного хранения, теория и алгоритм автоматического расчета центровочного графика загрузки ВС с помощью ЭВМ. Разработаны методы и средства по повышению безопасности полетов, а именно: подсистема автоматизации процесса центровки ВС на базе несимметричных матриц, методика расчета ширины маркера (шунта) позиционирования, устройства точного зозиционирования, метод доменной комплектации грузов на этапе их поступ-тения в грузовой склад и подготовки грузов к отправке на ВС. Разработаны структурные, функциональные и принципиальные схемы автоматизации МКШ я СКШ, обеспечивающие техническую живучесть системы управления, алгоритм адаптации грузозахватов к изменению динамики механизмов, кинемати-теская схема моста МКШ, позволяющая обеспечить высокие динамические характеристики механизма в автоматизированном режиме, повысить точность по-шционирования и повысить ресурс безотказной работы. Доказывается эффек-гивностъ применения предлагаемых систем автоматизации МКШ и СКШ в аэ-эопортовых комплексах.

Практическая ценность.

Разработанные устройства, алгоритмы и методики использованы на ряде объектов (см. Приложение 1). Созданные автором стенды-имитаторы успешно^{пользовались} как для отладки систем управления, так и для локализации неисправностей, а также могут эффективно использоваться в учебном процессе.

Внедрение автоматизированных МКШ и СКШ с использованием ориги-зальных систем поиска и точного позиционирования, адаптации и оптимизации размещения грузов в грузовых отсеках ВС и в зонах стеллажного хранения ТСК аэропортов позволит: сократить время наземной переработки и транспортировки грузов в аэропортовых комплексахповысить производительность труда и гехнику безопасностиобеспечить сохранность грузов от повреждения и хищения.

Диссертационная работа содержит материалы комплексного подхода к решению ряда взаимосвязанных задач по проблемам оптимизации перемещения рабочего органа транспортного механизма (стеллажного робота) в зоне его действия. Решение поставленных задач базируется на использовании теории массового обслуживания, функционального анализа, вычислительной математики и метода синтеза оптимальных регуляторов, с учетом технических требований, предъявляемых к САУ.

Достоверность теоретических исследований подтверждена эмпирически путем применения предлагаемых решений (устройств, проблемно-ориентированного прикладного программного обеспечения и методик) на действующих в ТСК аэропортов и аналогичных объектах, использующих автома-гизированные МКШ и СКШ.

Публикаций. Материалы по работе докладывались и получили одобрение на семинарах в Ленинградском доме научно-технической пропаганды [ЛДНТП) и Московском ДНТП. По теме диссертации опубликовано одиннадцать печатных работ и получено два авторских свидетельства (см. Список тарных трудов и изобретений, Приложение 2).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка использованных литературных источников, содержащего 116 наименований, и приложений. Объем диссертации составляет 204 страницы текста, включает 41 рисунков, 18 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В работе представлены предложения по комплексному решению задач, вязанных с проблемами выполнения погрузочно-разгрузочных операций в аэ-юпортовых комплексах на этапах подготовки, временного хранения и ком-шектадии грузов направляемых на ВС, а также по автоматизации операций •асчета центровки и загрузки ВС. Проведенные иследования, теоретические [аучные разработки и предложенные на их основе методы и средства помогут оздать современные аэропортовые грузовые комплексы. В качестве основного лемента складирования в аэропортовых логистических системах по обработке арно-штучных грузов предлагается использовать стеллажный робот, способный надежно взаимодействовать с транспортным оборудованием аэропортово-о комплекса. Полученные результаты позволяют сделать определенные выводы по работе, установить ее сущность и полезность, а именно: 1. Разработана методика комплексного решения задач системного проектирования и внедрения логистических систем по обработке тарно-штучных грузов в аэропортовых комплексах, учитывающая коэффициенты производительности и технической живучести, которые отсутствовали до настоящего время. Рассмотрена методика разработки и реализации технически живучих и высоконадежных вышеназванных систем. Использован системный подход для обеспечения требуемой точности взаимодействия механизмов в автоматизированных и автоматических транспортно-складских системах при изменении динамических характеристик механизмов под влиянием внешних воздействий.

I. Разработано теоретическое обоснование доменного размещения грузов в стеллажах для оптимальной организации и управления транспорто-складскими операциями на грузовых складах аэропортов. 5. Разработано теоретическое обоснование формирования графика центровки воздушных судов с использованием несимметричных матриц. I. Стеллажные роботы, используемые для транспортировки тарно-штучных грузов, рекомендуется оснащать устройствами адаптации, позволяющими обеспечивать высокую точность и техническую живучесть, как отдельных складских механизмов, так и системы в целом.

5. Разработанный комплекс мероприятий по реализации задачи обеспечения высокой технической живучести и работоспособности транспорто-складских комплексов аэропортовых комплексов, которые могут рассматриваться в качестве звеньев современных логистических систем. Применение их позволяет качественно повысить функции системы в целом, и в особенности на тех уровнях, где используются современные склады с большим грузооборотом или склады, работающие в экстремальных пиковых режимах.

5. В работе выявлены основные факторы, влияющие на работоспособность и техническую живучесть складов по обработке тарно-штучных грузов используемых в логистических системах, а именно: электропривод, система управления электроприводом, система поиска заданной позиции, система точного позиционирования. Предложены меры, которые могут эффективно использоваться при создании и промышленной эксплуатации подъемно-транспортного оборудования на современных транспортно-складских комплексах аэропортов. Эти же рекомендации могут быть использованы при создании распределительных и дистрибьюционных центров в логистических системах. Особенно внимание уделено основным и наиболее сложным механизмам современных складов и дистрибьюционных центров — стеллажным роботам.

7. Разработан алгоритм адаптации системы управления электроприводом перемещения стеллажного робота к изменениям внешних воздействий влияющих на изменения его динамических и статистических характеристик.

3. В качестве базового критерия технической живучести систем, использующих стеллажные роботы, взят критерий сохранения функций управления электроприводами роботов при выходе из строя отдельных элементов рассматриваемой системы управления.

В работе представлены материалы по разработке и практическому использованию имитатора стеллажного робота и взаимодействующих с ним транспортных механизмов. Дано обоснование целесообразности использования имитаторов такого класса для лабораторной, локальной и комплексной отладки системы управления транспортно-складским комплексом непосредственно на объекте.

10. Для обеспечения высокой точности позиционирования стеллажного робота предложена универсальная и высоконадежная система точного позициони.

189 рования, которая позволяет стеллажному роботу взаимодействовать со стеллажами имеющими значительные отклонения по точности установки.

11. Разработана компьютерная программа управления стеллажным роботом на базе трансманипулятора болгарской фирмы «Балканкар», позволившая провести опытные испытания теоретических исследований представленных в данной работе.

12. Разработанные алгоритмы, методика и рекомендации по разработке и отладки систем, локализации неисправностей в процессе промышленной эксплуатации предназначены для использования в проектных и научно — исследовательских организациях, на предприятиях занимающихся, соответственно, проектированием и эксплуатацией логистических систем в аэропортовых комплексах.

13. Использование рекомендаций при создании и эксплуатации транспортно-складских комплексов позволит повысить качество обслуживания грузовых перевозок с высокой гарантией сохранности и защиты грузов от хищения на грузовых дворах аэропортов.

14. В зависимости от класса (категории) аэропорта целесообразно применять для классов 3, 4, 5, 6 — стеллажные роботы мостового типа, а для классов 1,2 — стеллажные роботы стеллажного типа.