Система поддержки принятия решений для управления железнодорожным грузовым фронтом в транспортном подразделении промышленного предприятия

Актуальность исследования. В современных условиях важное значение уделяется межтранспортному взаимодействию в рамках логистических центров, узлов и терминалов. Разрабатываются проекты строительства логистических терминалов в Самаре, Казани, Новосибирске и других городах с привлечением государственных и частных инвестиций. Понятно, что такие объекты должны функционировать максимально эффективно. Значительный вклад в эффективную обработку материального потока вносят железнодорожные коммуникации. Несмотря на положительный опыт, наработанный десятилетиями работы отечественных железных дорог, отраженный в существующих технологических процессах, эффективность работы подвижного состава и грузовых фронтов остается невысокой. Так, до 80% оборота вагона занимает стоянка, из которых 40% -это простой вагона на грузовом фронте под грузовыми операциями.

Такая ситуация создает предпосылки к дальнейшей передаче этой неэффективности по всему технологическому процессу работы станции, в результате повышается затратная составляющая в работе всего железнодорожного транспорта, которая впоследствии перекладывается на плечи потребителей через грузовые тарифы.

Эта сторона проблемы пока в большей степени затрагивает ОАО «РЖД». Но и создаваемые логистические терминалы, которые не находятся под прессом Тарифного руководства, должны заботиться о своей максимальной эффективности.

Схожие проблемы, только в масштабе выбранного промышленного предприятия, имеются и на промышленном железнодорожном транспорте, и в специальных транспортных (железнодорожных) подразделениях крупных промышленных предприятий, часто входящих в состав многоотраслевых холдингов. Известно, что длина путей необщего пользования в Российской Федерации превышает эксплуатационную длину магистральных железных дорог. Железнодорожная инфраструктура промышленных предприятий столь же разнообразна, как и магистральных железных дорог — это и соединительные пути, и перегоны, и промышленные станции, а также вспомогательные сортировочные станции. В качестве наиболее протяженной инфраструктуры транспортных подразделений промышленных предприятий в РФ можно назвать железные дороги полуострова Ямал, Ханты-Мансийского автономного округа, входящие в состав транспортных подразделений ОАО «Газпром», инфраструктуру Новолипецкого, Магнитогорского и иных металлургических комбинатов, ст. Алань в республике Татарстан, построенную инвесторами из нефтяной отрасли и пр.

Здесь следует особо остановиться на характере управления железнодорожными перевозками, который во многом базируется на директивных началах, осуществляется по технологическим процессам, не учитывающим системного характера работы любого транспортного терминала, станции.

Существующая на железнодорожном транспорте технология во многом опирается на математические и экономико-математические модели, характерные в большей степени для плановой экономики, многие алгоритмы управления различными этапами перевозочного процесса отличаются недостаточным уровнем гибкости и приспособляемости к условиям внешней среды.

На железнодорожном транспорте элементарной транспортной подсистемой является грузовой фронт — участок железнодорожного пути с необходимыми сооружениями и устройствами, предназначенный для проведения грузовых операций, на котором выполняются погрузочные и/или выгрузочные операции в вагоны и формируются первичные расходы и доходы перевозчика.

Объединение грузовых фронтов по какому-либо признаку в определенной части железнодорожной станции является грузовым районом, в свою очередь, грузовые районы входят в состав системы более высокого уровня — грузовой железнодорожной станции.

Проблема управления работой грузовых фронтов остается в числе актуальных не только с точки зрения улучшения качественных показателей использования подвижного состава, оптимального использования пропускной и перерабатывающей способности станции, но и с точки зрения потерь материальных, временных, финансовых ресурсов железнодорожного транспорта и его организаций, а также с позиций повышения качества транспортного обслуживания и конкурентоспособности железнодорожного транспорта на рынке транспортных услуг. Кроме того, оптимальная работа транспортных подразделений промышленных предприятий позволяет минимизировать долю транспортных издержек в отпускной цене продукции, а значит, снизить транспортную нагрузку на экономику страны.

В настоящее время, в условиях постоянного изменения технологических процессов на железнодорожном транспорте, необходимо изменить подход к построению систем управления работой станций, узлов и направлений, а также транспортной инфраструктуры промышленных предприятий. Сделать это грамотно, с достижением заданного уровня организационной и экономической эффективности возможно на основе качественной проработки аспектов управления элементарными транспортными системами.

Это объясняет особую значимость настоящего исследования для транспортного комплекса и промышленности.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью данного исследования является разработка модели функционирования грузовых фронтов, синтез многокритериального оптимального управления и построение алгоритма системы поддержки принятия решений для управления работой грузовых фронтов на объектах промышленного железнодорожного транспорта.

Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1.Анализ отечественных и зарубежных исследований и моделей 6 поведения транспортно-грузовых систем.

2.Анализ грузового фронта и его функционирования как элементарной управляемой транспортной системы во взаимосвязи с положением грузового фронта в иерархии транспортно-грузовых систем.

3.Моделирование функционирования грузового фронта.

4.Синтез системы управления грузовым фронтом как объектом с переменной структурой.

5.Построение общего и частных алгоритмов управления грузовыми системами по технологическим и экономическим критериям.

Объект исследования. Объектом исследования является процесс управления функционированием грузовой системы транспортного подразделения предприятия как единого производственно-технического комплекса, который выступает в качестве преобразователя материального потока в транспортной системе.

Предмет исследования. Предметом данного диссертационного исследования является создание методов рационального вариативного управления оперативной работой грузовых систем.

Методологической базой исследования послужили фундаментальные монографии и прикладные разработки ученых в области математического моделирования, теории оптимального управления, теории нейронных сетей, логистики, экономики железнодорожного транспорта, системного анализа. В частности были использованы работы: Дж. Клира, Р. Беллмана, С. Хайкина, Р. Дорфа, Р. Бишопа, А. С. Бортаковского, Е. А. Бесекерского, А. М. Гаджинского, В. Г. Галабурды, А. Т. Дерибаса, С. М. Крылова, М. И. Дли, Б. Г. Иванова, А. Н. Колмогорова, В. Б. Колмановского, В. В. Круглова, Л. Б. Миротина, А. П. Михайлова, А. В. Пантелеева, Л. С. Понтрягина, Ю. И. Рыжикова, А. А. Самарского, В. Н. Садовского, С. А. Сафронова, Ы. Э. Ташбаева.

Методика исследования. В настоящем диссертационном исследовании применялись методы теории автоматического управления, динамического программирования, нейронных сетей и искусственного интеллекта, анализа и синтеза, изложенные в упоминаемых выше трудах отечественных и зарубежных исследователей.

Грузовой фронт как элементарное управляемое звено в транспортной системе исследован с позиций теории оптимального управления, а также в рамках программно-целевого подхода.

Научная новизна работы. Научная новизна данного диссертационного исследования заключается в следующем:

1 .Построена математическая модель и структурная схема функционирования промышленной железнодорожной станции как динамической системы, увязывающая воедино все этапы технологического процесса в транспортных системах различного уровня: от грузового фронта до магистральной линии.

2.Создана модель грузовой площадки как элемента грузового фронта, отражающая возможность выполнения погрузочно-разгрузочных работ с учетом подбора механизмов по критерию максимально достижимой производительности, учитывающий, в отличие от существующих, ограничения по перерабатывающей способности грузового фронта.

3.Построены локальные алгоритмы управления грузовыми фронтами, которые, в отличие от традиционных, предусматривают возможность управления как каждым элементом, так и грузовым фронтом в целомс введением управления по экономическим и технологическим критериям.

4.Поставлена и решена задача управления грузовым фронтом как динамической системой с переменной структурой. Отличительной чертой выступает возможность выбора нескольких режимов управления, которые вводятся в действие на основании диагноза специализированной нейронной сети в соответствии с деревом целей конкретной железнодорожной транспортной грузовой системы.

5.Разработана система управления грузовым фронтом как элементарной логистической подсистемой, которая отличается возможностью достройки необходимого количества сценариев работы в зависимости от задаваемых пользователем критериев экономической и технологической эффективности функционирования данной системы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 .Математическая модель функционирования промышленной грузовой станции и процесса обработки грузовых (передаточных) поездов;

2.Набор локальных и объединяющий их общий алгоритмы управления грузовыми фронтами как логистическими системами;

3.Комплекс математических моделей управления грузовыми фронтами в соответствии с ранжированными критериями оптимальности;

4.Способ управления грузовыми транспортными системами, при котором обеспечивается вариативность управления в зависимости от состояния мезосреды, в соответствии с построенными алгоритмами;

5. Алгоритмы управления комплексом погрузочно-разгрузочных механизмов для типовых грузов при обработке групп вагонов с рациональным подбором необходимых механизмов.

Практическая значимость исследования. Разработана математическая модель функционирования грузовых фронтов как объектов с переменной структурой, система управления грузовыми фронтами, схема и программный код искусственной нейронной сети, а также общий и локальные алгоритмы управления грузовыми фронтами, которые реализованы в системах математического моделирования «МаШСАБ» и «МаЛАВ» и составляют основу системы поддержки принятия решений.

Элементы разработанной системы поддержки принятия решений внедрены в учебный процесс в ГОУ ВПО Самарский государственный университет путей сообщения (дисциплина «Производственный менеджмент в хозяйствах железнодорожного транспорта»).

Практическая значимость также выражается в экономическом эффекте, общая величина которого составляет в среднем 20,0 млн руб. в базовых ценах 2002 года.

Элементы созданной автором системы поддержки принятия решений были внедрены в работу службы грузовой и коммерческой работы в сфере грузовых перевозок — структурного подразделения Куйбышевской дирекции управления движением — структурного подразделения Куйбышевской железной дороги1, а также в хозяйственную деятельность ООО «Кирово-Чепецкие пестициды».

Апробация работы. Основные положения диссертации апробированы в работе Куйбышевской железной дороги — филиала ОАО «РЖД», в хозяйственных договорах № 15−63/юр от 15.10.2004 г. и 208/ДЦФТО от 20.07.2004, объединенных под общей тематикой «Автоматизированная система обработки электронного паспорта грузовых фронтов», грантовом исследовании РФФИ по зоне «Поволжье» «Проблема оптимизации контейнеропотоков как фактор экономического развития Самарского региона», в учебном процессе и на следующих научных конференциях: «Научная сессия МИФИ -2006», «Молодежь и экономика: новые взгляды и решения, ВолгГТУ, 2006», «Современный финансовый рынок в России, Пермь, 2006», «Надежность и качестов-2007 г. Пенза», 3-я Международная конференция «Автоматизация в промышленности» (ИПУ РАН, Москва, июнь 2009), международная конференция «Информационные, измерительные и управляющие системы» (Самара, 2010) и др.

Непосредственно по тематике исследования подготовлено 17 публикаций.

Диссертационная работа выполнена на 189 листах, включает в себя введение, четыре основных главы, заключение, список использованных источников, 2 приложенияв работе содержится 9 3 формулы, 37 иллюстраций, 8 таблиц.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1 .Выполненный анализ задач управления транспортным комплексом, существующих вариантов технологического процесса на железнодорожном транспорте позволил рассматривать грузовой фронт как элементарный функциональный компонент железнодорожных транспортных систем управления.

2.С использованием аппарата теории управления системами автором разработаны общий и локальные алгоритмы управления грузовым фронтом, позволяющие получить различные сценарии управления в зависимости от сложившейся ситуации.

3.Построен комплекс математических моделей управления грузовыми фронтами, основанный на объединении математического аппарата дифференциальных уравнений с методами поиска решений и конструкциями искусственных нейронных сетей, на основании которых целесообразно создавать системы поддержки принятия решений. Для выбранных условий грузового фронта ст. Самара грузопоток при наличии ограничения по.

166 перерабатывающей способности грузового фронта в момент окончания модельного времени 12=1000 единиц сокращен в 2,314 раза по сравнению с традиционным управлением.

4.Разработан способ адаптивного управления грузовыми транспортно-логистическими системами, учитывающий изменение внешней и внутренней среды грузового фронта как системы, позволяющий минимизировать затраты на управление грузовым фронтом и получить максимальную удельную прибыль с единицы перерабатываемого грузопотока при различных видах закона распределения размера партии. Автором показано, что в условиях однородного по технико-экономическим характеристикам грузопотока максимум удельной прибыли на единицу грузопотока на выбранном грузовом фронте ст. Самара, достигается при нормальном законе распределения размера партии.

Разработанный способ при безусловном соблюдении технологии работы, обеспечивает отклонение качественных показателей экономической эффективности на момент окончания управления на 1,3% от расчетного экономического оптимума.

5.В качестве частного случая синтезирована система управления грузовым фронтом как разомкнутой системой, которая учитывает скорость входящего грузопотока, состояние буфера грузового фронта и осуществляет рациональный подбор механизмов по критерию наиболее эффективного использования их производительности.

6.Внедрение элементов комплекса моделей в опытную эксплуатацию на Куйбышевской железной дороге — филиале ОАО «РЖД» и в текущей деятельности ООО «Кирово-Чепецкие пестициды» позволило:

— обеспечить оптимальный уровень загрузки грузовых фронтов за счет эффективного планирования и переключения входящего грузопотока;

— организовать мониторинг входящего и выходящего грузопотока с грузовых фронтов для целей оптимального управления;

— повысить эффективность переработки грузопотока и снизить транспортную составляющую в цене продукции.

Преобразования системы управления грузовыми фронтами можно рассматривать как своеобразный инвестиционный проект на железнодорожном транспорте, с применением некоторых стандартных и иных показателей оценки экономической эффективности.

Рекомендации по применению указанных основных положений предложенных способов управления возможно сформулировать только после изучения технологического процесса и особенностей работы каждой логистической системы, однако перспективные направления продолжения настоящего исследования связаны с анализом внутренней структуры грузового фронта и построением моделей переходных функций, а также учетом импульсных и сопряженных переходных функций.

Заключение

.

Вопросы целевого управления грузовыми и логистическими системами в современных условиях приобретают все большую актуальность. Современное развитие транспорта происходит в условиях радикального изменения законодательства, трансформации транспортного рынка, формирования единой сети логистических центров, и именно в этих условиях важным оказывается применение нового подхода, учитывающего не только технические, технологические критерии качества, но и экономические критерии.

В качестве дополнительных факторов, применяемых при подобной оценке работы логистических систем, необходимо учитывать быстроту адаптации грузовой системы к работе в новых условиях.

Отечественные и зарубежные исследования в области логистики и управления эксплуатационной работой только начинают ориентироваться на изменяющиеся требования к конструированию систем управления логистическими системами. Результатом этого выступает технологическое отставание в развитии современных способов управления, причем это отставание проявляется в большей степени в инерционных, крупных по масштабу системах.

В связи с этим целесообразно начинать постепенную модернизацию существующих подходов к построению систем управления транспортными комплексами как объектами с переменной структурой (а впоследствии — к полностью адаптивным системам), разрабатывая последовательные каскады математических моделей и алгоритмов с программными кодами. При этом уровень исследования должен возрастать от элементарных, малых объектов управления к крупным, таким как транспортный узел, участок линии, регион, иное структурное подразделение транспортной организации.

Начальным звеном любой логистической системы является элементарное звено, в качестве которого в настоящем исследовании выступает грузовой фронт — источник как доходов, так и затрат для логистической системы.

Работа как магистральных, так и промышленных железных дорог основывается на едином, сквозном графике движения поездов. В связи с этим в настоящем исследовании автором сделана попытка математического моделирования и конструирования структурной схемы процесса обработки грузовых поездов на станции. Это является первым шагом на пути перехода к системам управления объектами железнодорожного транспорта как динамическими комплексами, с возможностью реальной оптимизации работы железных дорог по процессному, а не территориальному подходу. Однако это требует включения новых, подчас нелинейных динамических звеньев в модели работы станций, депо и иных подразделений транспортного комплекса. Так, в настоящей работе выявлены сложности, связанные с работой локомотивного хозяйства, и не позволяющие в полной мере спроектировать и реализовать новый алгоритм сортировки и подборки вагонов по грузовым фронтам. Эта задача является поисковой.

В работе автором сформулировано определенное «дерево целей», иначе говоря, ранжированная система критериев оптимальности функционирования, которой руководствуется каждый грузовой фронт в своем развитии и функционировании именно в качестве производственно-экономической и логистической системы. Система перерабатывает материальный и образует информационные и финансовые потоки, поэтому является логистической, с приоритетом технических и технологических критериев, что позволяет построить общий алгоритм моделирования управляемого развития, а также непосредственно способы управления работой грузового фронта.

Созданный автором общий алгоритм управления учитывает четыре кардинально отличающихся друг от друга сценария (локальных алгоритма), которые реализуются при возникновении определенного рода совокупностей внешних и внутренних условий. Классификация этих возникающих внешних ситуаций возлагается на ключевое «интеллектуальное» звено моделируемой системы — двухслойную нейронную сеть, учитывающую основные параметры эксплуатационной работы как самого грузового фронта, так и прилегающей железнодорожной станции.

При моделировании работы логистической системы автором применен наиболее общий подход к построению логистических систем управленияподход к оценке параметров работы грузовых фронтов в терминах непрерывных величин, полагая, что, в случае необходимости, можно легко перейти от непрерывных величин к дискретным.