Математическое и алгоритмическое обеспечение оперативного управления транспортно-логистическими комплексами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Соколов, Сергей Сергеевич

• Соколов, Сергей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соколов, Сергей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ТРАНСПОРТНО-ЛОГИСТИЧЕСКИЕ ЦЕНТРЫ: СТРУКТУРА, МЕХАНИЗМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ, ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ

1.1. Современное состояние транспортно-логистических центров

1.2. Совершенствование технологий контейнерных перевозок, как путь развития транспортно-логистических центров 22 Выводы по первой главе

2. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНО-ЛОГИСТИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ

2.1. Типовая структура автоматизированной системы управления транспортно-логистическим комплексом

2.2. Модуль «Транспортно-логистический центр»

2.3. Модуль «Контрольно-диспетчерский пункт»

2.4. Центральное серверное пространство

2.5. Методы и механизмы обеспечения информационной защищенности АСУ ТЛК 68 Выводы по второй главе

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАЧ РАЗМЕЩЕНИЯ ГРУЗА

3.1. Модели рационального размещения грузов на складских площадях

3.2. Перегрузочные процессы при эксплуатации судна

3.2.1. Обеспечение остойчивости судна при перемещении груза

3.2.2. Решение прямой и обратной задачи определения перемещений по величинам отклонений

Выводы по третьей главе

4. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАЧ РАЗМЕЩЕНИЯ ГРУЗА 97 4.1. Постановка задачи рационального размещения груза

4.2. Критерий эффективности (КЭ) в оптимизационных и рационализаторских задачах раскроя и компоновки

4.3. Декомпозиция задачи, определение множества путей и методов решения

4.4. Генетические алгоритмы

4.4.1. Определение генетических алгоритмов

4.4.2. Блок-структуры размещения контейнеров

4.4.3. Оценка эффективности, сложность, достоинства и недостатки генетического алгоритма

4.5. Поиск с запретами

4.6. Имитация отжига

4.7. Муравьиный алгоритм

4.8. Объединение алгоритмов метаэвристики

4.9. Программные средства автоматизации складских процессов

4.10. Программное обеспечение «Универсальный карго-планировщик» 129 Выводы по четвертой главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое и алгоритмическое обеспечение оперативного управления транспортно-логистическими комплексами»

Мировые тенденции перехода от промышленного общества к информационному в полной мере затронули и транспортную отрасль. Подтверждением тому служит «Стратегия развития транспорта до 2030 года»: «Совершенствование рынка транспортных услуг, обеспечение их доступности, объема и качества связаны с развитием транспортной техники, технологий и информационного обеспечения транспортных услуг». Современные перспективы развития транспорта все чаще диктуют необходимость унификации, интеграции и объединения разнородных процессов в единую вертикально и горизонтально структурированную систему управления транспортом. Такой системой на данный момент является транспортно-логистический комплекс.

Все основные проблемы в транспортной сфере зачастую возникают из-за нехватки времени и ресурсов. В свою очередь нехватка возникает из-за нерационального планирования. «Грузопотоки, связывающие крупных промышленников с потребителями, фактически никем не планируются и не управляются» - неоднократно заявлялось на различных уровнях власти.

Основной панацеей современности несомненно являются информационные технологии, которые позволяют значительно ускорить и рационально реструктуризировать процессы с целью повышения их эффективности.

На данный момент на рынке программного обеспечения автоматизированных систем управления транспортным комплексом РФ достаточно сложно найти качественный продукт, в лучшем случае имеются программные продукты представляющие собой переделанные подсистемы АСУ из других отраслей народного хозяйства, которые абсолютно не учитывают специфику отрасли. Таким образом, на данный момент не существует ни одного полностью удовлетворяющего требованиям времени программного обеспечения, позволяющего производить планирование и управление погрузочными процессами.

Основными участками транспортного процесса, которые в первую очередь нуждаются в автоматизации, являются механизмы складирования груза и связи между различными этапами грузоперевозок. В первом случае разработчики сталкиваются с нерешенной на данный момент научной проблемой, относящейся к классу ЫР-полных: карго-планирование для целей размещения трехмерных объектов. Эта проблема стоит для всей сферы складирования груза, однако, для транспортной отрасли она более актуальна с введением учета дополнительных измерений, таких, как масса, угол наклона и т.д. в случае складирования на транспортных объектах (суда различных видов плавания). Во втором же случае основным камнем преткновения являются принципиально различные и сложно совмещаемые для связного взаимодействия системы частичной автоматизации (поэтапно) процессов.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности работы транспортно-логистического комплекса, состоящей в разработке методологической, математической и алгоритмической обеспеченности управления транспортными процессами.

Объектом исследования является транспортно-логистический комплекс, рассматриваемый как совокупность его обособленных элементов и связей между ними.

Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы построения эффективного пространства движения груза.

Для выполнения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Рассмотрение и анализ текущего состояния транспортной отрасли: оценка эффективности логистических связей; состояния функционирования транспортно-логистических центров (ТЛЦ) и состояние развития ТЛК.

2. Построение типовой модели ТЛЦ с учетом внешних связей с ТЛК.

3. Анализ механизма контейнерных перевозок с целью оценки его 5 функционирования, как фактора повышающего эффективность функционирования ТЛК в целом.

4. Построение инфо-коммуникационной модели АСУ ТЛК.

5. Определение механизмов защиты каналов связи в АСУ ТЛК.

6. Рациональное размещение трехмерных объектов формы параллелепипеда в пространстве.

7. Обеспечение безопасной эксплуатации судна при грузоперевозках.

8. Определение локального участка изменения местоположения груза при связанных с этим чрезвычайных ситуациях на судне.

9. Построение эффективного алгоритма размещения груза в ограниченном пространстве.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, математический аппарат оптимизации, эвристические методы решения оптимизационных задач, в частности, генетические алгоритмы, теория автоматического и автоматизированного управления.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Основными научными положениями диссертации являются:

1. оценка существующего мирового и отечественного опыта по оперативному управлению транспортными процессами в рамках ТЛК и повышению эффективности и целесообразности таких процессов;

2. построение комплексной модели многофункциональной вычислительной сети АСУ, решающей задачи управления транспортными процессами в рамках информационного пространства ТЛК;

3. построение математической модели размещения трехмерных объектов в заданном пространстве, в том числе с учетом остойчивости судна, а также математической модели, позволяющей определить участок изменения местоположения груза по показаниям кренометра и дифферентометра;

4. создание специального алгоритмического обеспечения для получения рационального решения оптимизационной задачи.

Практическая значимость исследований. На основе алгоритмического обеспечения, разработано программное обеспечение «Карго-план» (трехмерное размещение в выделенном пространстве), «Карго-план-2» (трехмерное размещение в совокупности пространств), «Универсальный карго-планировщик» (трехмерное размещение в совокупности пространств - трюмов судна - с учетом требований остойчивости).

Сформулированные выводы и рекомендации могут быть использованы при решении задач, изложенных в «Стратегии развития транспорта до 2030 года».

Реализация и внедрение результатов. Модели размещения грузов и программный комплекс внедрены: в учебном процессе кафедр «Прикладная математика» и «Транспортная логистика» Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций, в ОАО «Канонерский судоремонтный завод», ООО «ИНФОКОМ», ООО «ЛогисЛайн».

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на следующих конференциях:

1. XII Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика-2010». 2010, Санкт-Петербург.

2. XI международная научная конференция, посвященная 70-летию профессора В.П. Дьяконова «Системы компьютерной математики и их приложения» - 2010, Смоленск, СмолГУ.

3. Межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». 2010 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

4. Международная научно-практическая конференция «Водный транспорт России: инновационный путь развития». 2010 год, Санкт7

Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

5. Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». 2009 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

6. Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути: строительство, эксплуатация, управление». 2009 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

7. 7 и 8 международные научно-практические конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 2009 .Санкт-Петербург.

8. Научно-техническая конференция молодых научных сотрудников «Водные пути и гидротехнические сооружения, портовая техника и электромеханика, судостроение и судоремонт, гуманитарные вопросы, экономика и финансы, юриспруденция. 2007 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Соколов, Сергей Сергеевич

Выводы по четвертой главе

В четвертой главе более подробно проанализированы варианты прикладного решения рациональной задачи размещения груза на судне.

1. В главе приведена классификация алгоритмов, позволяющих решать поставленную рациональную задачу.

2. Рассмотрены возможные варианты постановки требований критерия эффективности.

3. Приведены примеры математических моделей метаэвристических алгоритмов решения поставленной задачи, как наиболее быстрых и эффективных. Алгоритмы рассмотрены и проанализированы, применительно к задаче. Показаны их сильные и слабые стороны.

4. Приведена формульно-словесная схема обобщенного алгоритма, представляющего собой последовательное выполнение всех представленных метаэвристических алгоритмов с учетом временных затрат и возможностью пересмотра требований КЭ, благодаря множеству решений.

Все рассмотренные алгоритмы выбраны с учетом уже доказанной и рассмотренной в ряде работ эффективности, быстроте и адаптивности под конкретные условия задачи. Рассмотренный механизм применения генетического алгоритма требует несколько больших временных затрат, но за счет этого повышается эффективность применения обобщенного алгоритма и предлагает выбор вариантов размещения с возможностью ввода дополнительных ограничений и правил комплектовки.

Следует отметить, что приведенный в главе обобщенный алгоритм может применяться в широком спектре задач. Также алгоритм может быть доработан и усовершенствован на любом этапе реализации без внесения существенных изменений в другие его составляющие. Дальнейшее развитие видно в усовершенствовании математических и вероятностных методов, применяемых в генетических алгоритмах, в частности - другие виды декодеров.

134

Также разработан программный комплекс «Универсальный карго-планировщик», который позволяет находить наиболее рациональные схемы размещения груза в четырехмерном пространстве накладываемых ограничений: длина, ширина, высота, остойчивость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа посвящена важному аспекту актуальной научной задачи повышения эффективности транспортных процессов - разработке и внедрению автоматизированного оперативного управления ТЛК.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Произведена оценка существующего мирового и отечественного опыта по оперативному управлению транспортными процессами в рамках ТЛК и повышению эффективности и целесообразности таких процессов. Выполнен анализ инструментария, который призван обеспечить поиск рациональных путей доставки грузов в пункты назначения с наименьшими транспортными расходами. Рассмотрены и исследованы механизмы построения районных ТЛЦ и межрегиональных ТЛК, которые решают задачи различных уровней: оперативные, стратегические и тактические. Оценены возможности расширения зон охвата транспортных процессов едиными вертикально и горизонтально интегрированными транспортными комплексами. Рассмотрены принципиально новые, недавно появившиеся на рынке транспортных услуг провайдеры ЗРЬ-уровня. Приведена аналитика использования контейнерных перевозок, как универсального средства распределения груза в рамках грузопотоков.

2. Построена комплексная модель многофункциональной вычислительной сети АСУ, решающей задачи управления транспортными процессами в рамках информационного пространства ТЛК. Модель представляет собой совокупность схем, отражающих информационную и коммуникационную необходимость обмена данными с целью принятия как общекомплексных (ТЛК) объективных, так и локальных (в рамках отдельно взятого участка-группы участков) управленческих решений. Впервые приведена инфокоммуникационная классификация транспортных объектов, нуждающихся в управлении. Схемы являются многофакторными и учитывают такие параметры функционирования ТЛК, как: распределение и учет транспортных потоков, управление персоналом, ведение и подготовка готовой документации и многое другое. В комплексной модели в качестве обособленного модуля выделен «Параметры и настройка», являющийся единым для всех участков АСУ. Рассмотрены и представлены наиболее эффективные механизмы защиты информации и объектов вычислительной сети, с учетом различных вариантов представления каналов связи (проводные/беспроводные). Защитные функции модели построены исходя из принципов рациональной целесообразности, минимального вмешательства в основные процессы и представляют отдельную структуру гармонично агрегированную в целостную модель АСУ. Все методы и механизмы защиты были выбраны и структурированы с учетом анализа возможных угроз и факторов, влияющих на конфиденциальность, целостность и доступность данных АСУ.

Также в работе имеются рекомендации по программно-аппаратной реализации вычислительной сети АСУ ТЛК на базе представленной комплексной модели.

Учтена многогранность процессов ТЛК, таким образом, получили отражение следующие стороны: производственная, управленческая, экономическая, информационная.

3. Впервые построена математическая модель размещения трехмерных объектов в заданном пространстве (на примере контейнеров на судне). При построении модели были учтены различные формы трехмерного пространства. Модель является универсальной и может быть использована не только в рамках транспортной, но и в рамках других отраслей народного хозяйства.

На основе данной модели построено алгоритмическое обеспечение перегрузочных процессов.

4. Построена математическая модель размещения груза с учетом остойчивости судна. Модель построена на базе типового схематичного изображения судна, благодаря чему универсальна и применима к различным типам судов. Она также может быть рассмотрена в качестве дополнительного

137 набора физико-математических ограничений, накладываемых на модель, изложенную в п.З. Одним из новшеств представленной модели является возможность адаптации- ее не только в статике, но и в динамике эксплуатации судна (при переносе центра величины в центр вращения судна).

5. Впервые построена математическая модель, позволяющая определить участок изменения местоположения груза по показаниям кренометра и дифферентометра (для оперативного реагирования в чрезвычайных ситуациях при существенном изменении судном остойчивости). Особой научной ценностью данной модели можно считать тот факт, что в ней при изменении пространственных координат груза (например, в чрезвычайной ситуации) таюке учтено и изменение пространственных координат судна. Таким образом данная модель учитывает изменение области пространства при изменении точек отсчета измерений пространства.

6. Создано специальное алгоритмическое, а на его основе и программное обеспечение (ПО) «Универсальный карго-планировщик» на базе эффективного применения, эвристических алгоритмов, для получения рационального решения оптимизационной задачи: Универсальность указанного ПО: заключается, в возможности использования его,для размещения груза не только в рамках судна, но и в рамках любой другой области, имеющей форму параллелепипеда. Базовым алгоритмом ПО является генетический алгоритм, в котором в качестве особи используется схема расстановки контейнеров:

Инструмент импорта и экспорта информации в ПО позволяет использовать его даже на персональных компьютерах, имеющих небольшую мощность, а также удобен при проведении анализа полученных данных. Управленческая функция ПО «Универсальный карго-планировщик» заключается в особом свойстве обратной связи генетических алгоритмов, которые позволяют, анализируя результаты предыдущей итерации, делать выводы и ограничивать особи (схемы расстановки), которые примут участие в следующей. Также, эмпирические эксперименты показали, что возможность так называемого вырождения потомства» для данной задачи, в рамках указанных критериев минимальна. Дальнейшее совершенствование ПО планируется путем увеличения количества и качества граничных условий, учитывая специфические свойства конкретной поставленной задачи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соколов, Сергей Сергеевич, 2010 год

1. Электронный ресурс. Режим jocTvna:http://math.nsc.m/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. русский, последнее обращение 15 января 2010 года.17 . Справочный ресурс для программиста Электронный ресурс.

2. Лесная промышленность 1982. 288 с.45 . Вьюков И.Е., Зорин И.Ф., Петров В.П. АСОДУ предприятием ЦБП.

3. Оптимизация раскроя бревен на пиломатериалы и ее реализация на ЭВМ / Ю.М. Ельдештейн // Изв. вузов. Лесной журнал. 1999, №5 С. 62-66.56 . Еремин И.И. Двойственность в линейной оптимизации.

4. Гудков В.А. М.:Экзамен ,2002 - 511 с.117 . Трофилькин А., компания «Инкотек» Е. Сагизлы, фирма1. НИДЭКС»1. СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

5. АРМ автоматизированное рабочее место

6. АСУ ТЖ автоматизированная система управления транспортно-логистическим комплексом1. ВТ водный транспорт

7. ВТО всемирная торговая организация1. ДП диспетчерский пункт1. ГА генетический алгоритмгвл грузовая ватерлиния

8. КДП -контрольно-диспетчерский пункт

9. КЭ -критерий эффективности1. ПС программные средства

10. РИС расчетно-информационный комплекс

11. СЗ ФО Северо-Западный Федеральный округтлц транспортно-логистический центртле транспортно-логистическая систематтлц типовой транспортно-логистический центртсс транспортно-складская системавл ватерлиния

12. ДП диаметральная плоскостьпмш плоскость мидель-шпангоутаоп основная плоскость1. ЦТ центр тяжести1. ЦВ центр величины1. ЦВР центр вращенияцеп центральное серверное пространство

13. ЭЦП электронно-цифровая подпись

14. VPN Virtual Private Network (виртуальные частные сети)