Содержание к диссертации
Введение
1. Идентификация процесса интермодальных перевозок как объекта управления 15
1.1. Характеристика объекта исследования 15
1.2. Причинно-следственный анализ проблем организации интермодальных перевозок 24
1.3. Анализ методов моделирования процессов интермодальных перевозок 28
1.4. Методы оптимизации транспортных задач 31
1.5. Выводы 34
2. Модели и алгоритмы автоматизации процессов интермодальных перевозок 36
2.1. Формирование системы критериев оптимизации подвода экспортных грузов к припортовой станции 36
2.2. Формальная постановка задачи оптимального подвода грузов к припортовой станции 40
2.3. Разработка алгоритма автоматизации подвода грузов к припортовой станции транспортного узла 45
2.4. Разработка процедуры учета мнений экспертов 54
2.5. Алгоритм мультиагентной оптимизации с учетом предпочтений экспертов Expert Ant Colony System 65
2.6. Выводы 68
3. Система имитационного моделирования процессов в транспортном узле: разработка и анализ 69
3.1. Исходные замечания: методология имитационного моделирования 69
3.2. Структура имитационной модели 70
3.3. Проверка гипотез о законах распределения основных потоков транспортного узла 78
3.4. Методика выбора инструментария имитационного моделирования мультимодальных процессов в транспортных узлах 88
3.5. Проверка достоверности и адекватности модели 96
3.6. Организация имитационного эксперимента и анализ результатов исследования 97
3.7. Выводы 110
4. Комплекс программ автоматизации подвода грузов в транспортный узел 111
4.1. Объектно-ориентированный подход к разработке алгоритма 111
4.2. Разработка диаграммы прецедентов 117
4.3. Разработка диаграммы классов 119
4.4. Применение паттернов проектирования 122
4.5. Выводы 127
Заключение 129
Список литературы 132
Приложения 148
- Причинно-следственный анализ проблем организации интермодальных перевозок
- Формирование системы критериев оптимизации подвода экспортных грузов к припортовой станции
- Проверка гипотез о законах распределения основных потоков транспортного узла
- Объектно-ориентированный подход к разработке алгоритма
Введение к работе
Актуальность работы. После перехода России к новым экономическим условиям хозяйствования существенно изменились принципы и технологии управления транспортом. Последние десять лет российский транспорт развивается согласно нескольким федеральным программам. В их числе: «Дороги России», «Внутренние водные пути», «Возрождение торгового флота России». В задачу этих программ входит изменение принципов функционирования транспортного комплекса для работы в новых экономических, политических и социальных условиях.
Рынок транспортных услуг (РТУ) характеризуется значительным количеством субъектов, которые могут влиять на осуществление перевозок. К субъектам РТУ относятся: операторы перевозки, экспедиторские фирмы, таможенные брокеры, агенты в морских портах, трейдеры, таможенные органы, органы государственной инспекции, стивидорские и сюрвейерские компании.
В условиях рыночной экономики клиенты выбирают тот способ перевозки, который не только дешевле, но и гарантирует быстроту, своевременность доставки, сохранность груза, прозрачность расчетов и удобство оформления документов.
Клиентам необходимо, чтобы вагоны доставлялись в удобное для работы с ними время, строго по расписанию, разгружались с минимальными затратами рабочего времени, а грузы без задержек, перевалки и складирования включались в производственный процесс.
В связи с вышеперечисленным необходимы новые подходы в организации движения и, особенно, в организации взаимодействия с партнерами (грузоотправителями, экспедиторами, органами таможни, пунктами перевалки) по осуществлению грузоперевозок.
В рамках Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 гг.)» реализуется подпрограмма «Информатизация», которая подразумевает создание [138]:
- систем сбора и обработки статистической информации по транспортному комплексу;
- логистических центров и систем информационного сопровождения перевозок в международных транспортных коридорах;
- систем информационного и технологического взаимодействия отдельных видов транспорта в едином транспортном комплексе страны.
Формирование грузопотоков в период становления рыночных отношений в отличие от плановой экономики характеризуется высокой степенью неравномерности. С учетом этого необходимо пересмотреть ряд показателей эффективности работы железнодорожного транспорта, которые основываются на средних величинах.
В транспортной отрасли создаются единое информационное пространст-во и автоматизированная система управления перевозками, построенные на логистических принципах оптимизации транспортировки грузов [72, 111] и работы подвижного состава [19].
В связи с этим приоритетными задачами обеспечения надежности и эффективности транспортных связей при интермодальных перевозках являются [4]:
- сокращение времени нахождения вагона на припортовых станциях;
- сокращение временных затрат при передаче груза с одного вида транспорта на другой в транспортных узлах;
- оптимальное согласование ритмов работы поставщиков, потребителей и транспорта.
Указанные причины обусловливают необходимость разработки и применения новых алгоритмов автоматизации согласованного подвода груза к транспортным узлам с использованием единого информационного пространства.
Степень разработанности проблемы. Большой вклад в развитие теории и практики автоматизации технологических процессов и моделирования сложных систем внесли ученые отечественной школы: В.М. Акулиничев, Г.И. Белявский, Н.П. Бусленко, А.Н. Гуда, Е.Г. Жданова,
В.Н. Иванченко, В.А. Кудрявцев, Н.Н. Лябах, Ю.И. Рыжиков, Б.Я. Советов, В.Н. Томашевский, Е.М. Ульяницкий, П.А. Шульженко, С.А. Яковлев и др. Среди иностранных исследователей отметим Дж. Форрестера, Р. Шеннона, Б. Шмидта, Т.Дж. Шрайбера и др.
Большой вклад в исследование проблем оптимизации взаимодействия различных видов транспорта при интермодальных перевозках внесли труды В.Н. Зубкова, П.А. Козлова, А.Ф. Котляренко, АЛ Кузнецова, П.В. Куренкова, СВ. Милославской, А.Т. Осьминина, К.И. Плужникова, СМ. Резера, А.А. Сме-хова, Е.М. Тишкина и др.
Цель и задачи работы. Целью данной диссертационной работы является разработка алгоритмов автоматизации и совершенствование методов математического моделирования логистичеких процессов, протекающих в сложных организационно-технологических объектах (ОТО). Ввиду того, что только аналитическое представление объекта исследования затруднительно, необходимо разработать имитационную модель функционирования транспортного узла, что позволит оценить процесс взаимодействия различных видов транспорта при изменяющихся параметрах входных потоков. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- идентификация объекта исследования путем причинно-следственного анализа проблем организации интермодальных перевозок;
- формирование системы критериев оптимизации подвода экспортных грузов к припортовой станции;
- формализация задачи оптимизации подвода грузов к припортовой станции;
- разработка процедуры учета мнений экспертов;
- разработка алгоритма автоматизации распределения нитей подвода груза методом мультиагентной оптимизации с учетом предпочтений экспертов;
- разработка структуры имитационной модели;
- проверка гипотез о законах распределения основных потоков транспортного узла;
- разработка имитационной модели и анализ результатов исследования;
- программная реализация алгоритмов автоматизации подвода грузов к транспортному узлу.
Объектом исследования диссертационной работы являются процессы в сложных организационно-технологических объектах, отличающихся:
- недостаточной формализуемостью;
- сложной структурой связей и отношений;
- наличием неизвестных и трудноучитываемых факторов;
- многокритериальностью функционирования;
- нестационарностью процессов, происходящих в системе.
Примерами объектов, соответствующих вышеуказанным условиям, являются процессы, протекающие в транспортных узлах при интермодальных перевозках, процессы в системе доставки сырья промышленным предприятиям.
Предмет исследования — моделирование и автоматизация процессов, протекающих в логистических системах.
Теоретико-методологическая основа исследования. Теоретическую основу диссертационной работы составили фундаментальные исследования отечественных и зарубежных авторов в области оптимизации взаимодействия различных видов транспорта в транспортных узлах, а также имитационного моделирования транспортных процессов и их автоматизации.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания (ТМО), теории графов, теории принятия решений, методы имитационного моделирования, методы многокритериальной оптимизации, методы анализа иерархий.
В качестве инструментарно-методического аппарата были использованы прикладные программные средства хранения, обработки и анализа информации: AHFusion Process Modeler 4.1, Microsoft Excel XP, Statistica 5.5,
Pacestar UML Diagramer 4.14. При разработке имитационных моделей использованы специализированные среды, такие как Extend Suite 4 и CACI SimProcess Release 3. В качестве объектно-ориентированного языка программирования использовался Sun JAVA (JSDK 1.4.1), а также среда визуального программирования IBM Eclipse 3.0.
Информационно-эмпирическая база исследования. При проведении диссертационного исследования автором использованы сведения и данные из монографий и статей отечественных и зарубежных исследователей, материалов научно-практических конференций по проблемам математического обеспечения взаимодействия различных видов транспорта, а также данные информационно-аналитических и управляющих автоматизированных систем, функционирующих в транспортных узлах, материалы докладов технических советов дороги за 2000-2004 гг., информационные ресурсы Интранет ОАО «РЖД» и Интернет.
Работа выполнена в рамках паспортов специальности 05.13.06. - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (на транспорте)» и специальности 05.22.01 - «Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте» по следующим областям исследования:
- теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация;
- теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения;
- организация и технология транспортного производства. Управление транспортным производством. Оптимизация размещения транспортных предприятий и производств.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
У
1. Система критериев оптимизации подвода грузов к припортовой станции, разработанная на базе нормативных показателей субъектов рынка транспортных услуг, участвующих в процессах интермодальных перевозок, позволяющая учитывать цели, как работников железной дороги, так и морского порта.
2. Формальная модель оптимального управления подводом грузов к припортовой станции, представленная в виде квадратической задачи о назначениях и позволяющая адекватно ситуации подводить грузы к транспортному узлу с учетом сформированной системы критериев.
3. Методика формирования экспертной комиссии и проведения опроса экспертов при оптимизации подвода грузов к припортовой станции с учетом конфликтующих целей.
4. Модернизированный метод мультиагентной оптимизации, позволяющий учесть при принятии репіений агентами знания экспертов при конфликтующих целях последних, позволяющий повысить вычислительную эффективность процесса оптимизации подвода груза к припортовой станции.
5. Имитационная модель интермодальных процессов транспортного узла, использующая объектно-ориентированную парадигму и предоставляющая возможность прогнозирования и оценки показателей эффективности перевалки грузов.
6. Программный комплекс автоматизации подвода экспортных грузов к припортовой станции, обеспечивающий диспетчерский аппарат оперативной (в режиме реального времени), статистической (на основе реляционных баз данных) и прогнозной информацией, необходимой для подвода грузов и принятия управляющих решений.
Научная новизна работы состоит в следующем: - на базе нормативных показателей субъектов рынка транспортных услуг, участвующих в процессах интермодальных перевозок, сформиро вана система критериев оптимизации подвода грузов к припортовой станции;
- определены законы распределения транспортных потоков транспортного узла в условиях изменившихся экономических отношений между субъектами рынка транспортных услуг;
- формализована задача оптимального управления подводом грузов к припортовой станции в виде квадратической задачи о назначениях, позволяющая адекватно ситуации подводить груз к транспортному узлу с учетом сформированной системы критериев;
- на основе метода мультиагентной оптимизации разработан алгоритм автоматизации подвода грузов к припортовой станции при интермодальных перевозках, с помощью которого лицо, принимающее решение, может в режиме реального времени выполнить оценку альтернатив и принять взвешенное решение;
- разработан модернизированный метод мультиагентной оптимизации, позволяющий учесть при принятии решений агентами знания экспертов при конфликтующих целях последних, и повышающий вычислительную эффективность процесса оптимизации подвода груза к припортовой станции;
- разработана имитационная модель процессов интермодальных перевозок в транспортном узле, позволяющая прогнозировать и выполнять оценку основных показателей эффективности взаимодействия видов транспорта. Модель легко настраивается в соответствии с технологией работы и техническим развитием конкретного транспортного узла, легка для понимания, облегчает процесс коммуникации между разработчиками модели, экспертами и лицами, принимающими решение.
Теоретическая значимость диссертационного исследования. Научные положения, выдвинутые в работе, развивают теоретические основы и методологию оптимизации транспортных процессов интермодальных перевозок в транспортных узлах.
В диссертационном исследовании:
- выполнен причинно-следственный анализ проблем организации интермодальных перевозок в условиях конкуренции различных видов транспорта и субъектов рынка транспортных услуг;
- сформирована система критериев оптимизации подвода экспортных грузов к припортовой станции, позволяющая учитывать цели, как работников железной дороги, так и морского порта;
- разработан алгоритм поиска оптимального решения методом мультиагентной оптимизации с учетом предпочтений экспертов при конфликтующих целях;
- разработана структура имитационной модели транспортного узла в виде ЯЖР-моделей.
Практическая значимость исследования. Применение результатов диссертационного исследования будет способствовать сокращению времени перевалки груза с одного вида транспорта на другой при интермодальных перевозках. Разработанная в диссертации новая имитационная модель и модифицированный метод мультиагентной оптимизации подвода груза к припортовой станции позволяют эффективно управлять процессами интермодальных перевозок.
В работе получены следующие практические результаты:
- разработан комплекс программ автоматизации подвода экспортных грузов в транспортный узел, использующий алгоритм мультиагентной оптимизации и учитывающий предпочтения экспертов;
- разработанная имитационная модель функционирования транспортного узла, позволяющая выполнить оценку статистических характеристик и законов распределения времени выполнения технологических операций при интермодальных перевозках, а также прогнозировать статистические характеристики показателей качества транспортных процессов (например, простой вагона на припортовой станции) в условиях неопределенности, может быть использована в практической дея тельности работниками транспортного узла, так как экспериментально подтверждена ее адекватность исследуемым реальным процессам; - приведенная методика выбора системы имитационного моделирования методом анализа иерархий может быть использована в учебном процессе при чтении курсов и подготовке учебно-методических пособий по проблемам теории принятия решений и имитационного моделирования для студентов и аспирантов технических и экономико-математических специальностей вузов. Достоверность полученных результатов исследования подтверждается имитационным моделированием, верификацией и валидацией разработанных моделей, апробацией на научных семинарах и конференциях, результатами внедрения научных исследований и рядом публикаций.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались на 8-й Международной научно-практической конференции «Информационные технологии на железнодорожном транспорте Ин-фотранс 2003» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.), XII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным системам (г. Владимир, 2003 г.), на 5-й Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (г. Новочеркасск, 2002 г.), на III Международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (г. Новочеркасск, 2002 г.), на VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2002 г.), на Второй Международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (г. Ростов-на-Дону, 2000 г.)э на научно-теоретических конференциях профессорско-преподавательского состава «Транспорт 2004», «Транспорт 2003», «Транспорт 2002», «Транспорт 2001» (г. Ростов-на-Дону, 2004, 2003, 2002, 2001 гг.).
Публикации. По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 19 печатных работ.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационного исследования были использованы при разработке методов автоматизации подвода груза к транспортным узлам на полигоне С.-К. ж.д., при оптимизации подвода грузов в работе ОАО «Ростовский порт», при оптимизации распределения задач между локомотивами на предприятии ООО «Комбайновый завод «Ростсельмаш», а также в учебном процессе при создании методических и учебных пособий. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника и автоматизированные системы управления» (заведующий кафедры - д.т.н., профессор Е.М. Ульяницкий) в период с 2000 по 2004 гг.
Идея данной диссертационной работы, ее тема и цели предложены и сформулированы лично автором работы и соответствуют «Перечню актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта для разработки их докторантами, аспирантами и сотрудниками отрасли в 2001-2002 гг.», утвержденному Указанием МПС России от 17 ноября 2000 г. № М-2775у. Программный комплекс, а также реализованные в нем методы и алгоритмы оптимального подвода груза к транспортному узлу, разработаны автором лично. Анализ и обобщение полученных данных, формулировка выводов по результатам исследований, а также оформление графического материала выполнены автором диссертации.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю Е.М. Ульяницкому, а также сотрудникам кафедр «ВТ и АСУ» и «Информатика» РГУПС за сотрудничество и помощь в работе. Автор благодарит зав. кафедрой «УЭР» РГУПС В.Н. Зубкова за оказание консультативной помощи в процессе исследования.
Автор выражает благодарность за предоставление практического материала, ценные замечания и предложения сотрудникам С.-К. ж.д.: зам. главного инженера С.-К. ж.д. Э.В. Тучкову, начальнику отдела по работе с портами М.В. Кочеткову, зам. начальника станции Новороссийск по оперативной работе А.А. Саносяну.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертационной работы - 186 страниц, основного текста - 147 страниц. Кроме того, диссертация содержит 28 рисунков, 14 таблиц, а также 38 страниц приложений. Список литературы содержит 167 наименований библиографических источников.
Причинно-следственный анализ проблем организации интермодальных перевозок
Комплекс технических средств станции Новороссийск характеризуется следующим: - недостаточным путевым развитием; - ограниченной емкостью путей и парков; - наличием устаревшего комплекса станционных технических средств; - устаревшим весовым хозяйством. В таких условиях помимо реконструкции путевого хозяйства, имеет большое значение разработка методов автоматизации логистических процессов, позволяющих эффективно использовать существующее путевое развитие и осуществлять сбалансированную загрузку всех элементов транспортного узла. Несмотря на увеличение объемов перевозок экспортных грузов, за счет внедрения технологии работы по прямому варианту с организацией накопления судовых партий на дороге, необходимо обеспечивать взаимодействие дороги, портов и экспедиторов в части выполнения своевременной подачи морских судов под вывоз экспортных грузов. В целях осуществления непрерывности передачи экспортных грузов с железнодорожного транспорта на морской и последующей отгрузки экспортных грузов, в соответствии с выделенными ОАО «РЖД» планами, по графику согласованному с портами, С.-К. ж.д. и экспедиторами, требует совершенствования система планирования перевозок экспортных грузов с учетом состояния внешнеторговых рынков, графика подачи морских судов к грузовым фронтам. Определенные во введении цели данного исследования позволили провести декомпозицию изучаемого объекта. На верхнем уровне обобщения можно выделить следующие подсистемы: припортовая станция и морской порт. Результатом их взаимодействия являются грузопотоки с определенными параметрами. Параметры потоков формируются на основе управляющих воздействий со стороны вышеуказанных подсистем, а также множества случайных факторов. Общеизвестно, что такие сложные системы, как припортовая станция и морской порт, характеризуются большим количеством подсистем и элементов, каждый из которых имеет сложный закон функционирования, обусловленный многомерностью внешних и внутренних управляющих воздействий и возмущений, часть из которых носит стохастический характер. Для исследования подобных систем целесообразно использование методологии имитационного моделирования. Разработка имитационной модели анализа функционирования объекта исследования включает в себя: - программно-математический аппарат определения типов потоков элементов системы; - математические модели функционирования элементов; - блок изменения параметров и структуры системы; - блок расчета значений критериев и оценки качества функционирования в соответствии заданными и уже согласованными критериями для данной структуры. 1.2. Причинно-следственный анализ проблем организации интермодальных перевозок Качество интермодальных перевозок обеспечивается на следующих этапах [69, 76, 79]: - в процессе самой перевозки; - на станциях отправления и станциях назначения; - в транспортных узлах, где осуществляется перевалка груза. Качество интермодальных перевозок является результатом действия со вокупности факторов и причин, проявляющихся в процессе их выполнения. Первичными факторами, влияющими на организацию интермодальных перевозок, являются: - развитость информационной структуры транспортного узла; - взаимодействие и координация всех видов транспорта, участвующих в перевозке; - эффективность взаимодействия работников транспорта с остальными субъектами РТУ; - климатические условия работы транспортного узла. В [62] отмечается, что отсутствие оперативной координации в деятельности транспортных ведомств приводит к замедлению доставки грузов, нерациональному использованию рабочей силы, порче грузов из-за дополнительных погрузочно-разгрузочных работ. В связи со скоплением грузов сверх установленных нормативов на подходах к портам простаивают морские и речные суда, тысячи вагонов, что приводит к необходимости ввода конвенционных запрещений и ограничений на отправку грузов в данные направления и нередко - к нарушению нормальной работы целых полигонов, а также дисгармонизации функционирования всей транспортной сети. П.А. Козлов в [51] в качестве недостатков развития информационной среды отмечает следующие: - неразвитая сеть передачи данных; - недостаточная техническая оснащенность информационно вычислительных центров; - большое разнообразие информационных систем; - устаревшее программное обеспечение; - недостаточная типизация решений; - недостаточное число аналитических приложений; - ручной ввод информации. Внешними факторами, оказывающими существенное влияние на качество интермодальных перевозок и, следовательно, требующими учета при выработке управляющих воздействий, являются климатические условия, а именно [83, 84]: - характерной особенностью климата Новороссийска являются сильные северо-восточные ветры, носящие название «бора». Эти ветры достигают скорости 50 м/с и наносят большой ущерб хозяйству города и порта. В районе Новороссийской бухты бывает около 5 дней с метелями, чаще в январе-феврале; - по наблюдениям Новороссийской гидрометеорологической станции в течение года отмечается около 36 дней с туманом; - характерной особенностью района является возможность гроз в любом из зимних месяцев. В среднем за год в районе Новороссийской бухты отмечается до 24 дней с грозой. Максимум гроз приходится на июнь-август; - осадки в районе Новороссийской бухты отличаются большой неравномерностью распределения по месяцам, сезонам, годам. Грозы в отдельных случаях сопровождаются выпадением града. В году около 120 дней с осадками, из них в среднем около 15 дней со снегом. На рис. 1.3 представлена причинно-следственная диаграмма качества интермодальных перевозок. На основе ее анализа можно сделать следующие выводы: - из четырех базовых факторов, влияющих на качество интермодальных перевозок, фактор «работа с субъектами рынка транспортных услуг» выходит за рамки предметной области данного диссертационного исследования; - фактор «климатические условия работы транспортного узла» является внешним по отношению к системе и практически неуправляем. Но он должен быть учтен при выработке управляющих воздействий; - актуальным для данной диссертационной работы является выработка методов решения задачи снижения влияния таких факторов, как «взаимодействие видов транспорта в транспортном узле» и «информационные системы» на показатели качества интермодальных перевозок через составляющие их элементы.
Формирование системы критериев оптимизации подвода экспортных грузов к припортовой станции
В условиях рыночной экономики значительно изменилась динамика грузооборота, на рынке транспортных услуг появились множество субъектов, оказывающих влияние на качественную сторону перевозки. Примерами таких субъектов могут быть экспедиторские фирмы, агенты в морских портах. Попытки постановки задач оптимизации процессов интермодальных перевозок и описания объекта управления предпринимались современными учеными в течение последних лет [51,60, 61, 64, 65, 78]. Формальную модель [41] интермодальных процессов в транспортном узле можно представить в виде: S = {T9P9e9E9K9F}9 где Г = {tt), tx є R Q - дискретная модель времени, Р - множество классов процессов (технологические операции с грузов на припортовой станции и в порту), е - множество классов событий (прибытие транспортного средства; окончание технологической операции и т.п.), Е - множество алгоритмов классов событий (подготовительных дискретных действий при переходе к новому поведению системы), " = [{г#,е(),/Л - календарь планирования событий, в который записываются отметки о событиях отдельными объектами и с помощью которого описывается динамика системы. Планирование события подразумевает явное задание момента его наступления или задание условия L его наступления через предикат (планирование события по условию), F - список уравнений, характеризующих локальные поведения процессов во временных интервалах между событиями. Структура процесса и его поведение описывается следующей математической моделью: P = {X,Y,Vs,Vd,B,R], где X - множество значений входных воздействий (качество и количество входящего грузопотока), Y - множество значений выходных величин (характеристики обработанного грузопотока), Vs - множество статических переменных процесса, которые задаются алгебраическими выражениями и могут меняться только при исполнении алгоритмов событий, Vd — множество «переменных-функций» - динамических переменных, которые задаются уравнениями из множества F, В — тело процесса, содержащее описания его всевозможных поведений, R = { } множество ресурсов, необходимых для обеспечения процесса. В качестве основных требований, предъявляемых к имитационным моделям логистических процессов взаимодействия различных видов транспорта, можно выявить [35, 153]: - адекватность модели; - компактность описания; - интерпретируемость описания неспециалистом; - возможность представления всего множества дискретных состояний системы; - масштабируемость; - расширяемость; - максимальную приближенность алгоритмов к методологии объектного программирования. Использование в имитационном моделировании сетей Петри, как универсального и часто встречающегося метода формализации имитационных моделей, в большинстве случаев, ограничено построением несложных циклических моделей с небольшим количеством состояний системы. Модель строится для достижения конкретной цели, и ее адекватность, или обоснованность, оценивается в терминах этой цели. Необходимо строить модель таким образом, чтобы она обладала характеристиками, близкими к характеристикам изучаемой реальной системы. Оценить качество означает оценить уровень уверенности в том, что выводы, сделанные с помощью модели, применимы к реальной системе. Такие методы расчета чрезвычайно полезны при принятии управляющих решений на транспорте: вместо дорогостоящего (а иногда просто неосуществимого) эксперимента в натуре обеспечивается возможность экспериментировать на ЭВМ, моделируя разные варианты организации работы или использования технических средств.
Этап определения границ системы и формулирования ее модели является, несомненно, одной из наиболее трудных и ответственных частей любого имитационного исследования. Успех или неудача на последующих его этапах в значительной степени будет определяться тем, насколько хорошо удалось определить задачу, установить цели исследования, определить границы системы, определить существенные компоненты и переменные, выработать гипотезы и абстракции (относящиеся к взаимосвязям между компонентами и переменными системы), оценить значения соответствующих параметров [149].
В процессе анализа объекта было выявлено, что рассмотрение его в целом как системы практически невозможно из-за его сложности. Поэтому необходимо расчленить объект на конечное число подсистем, учитывая связи между подсистемами, характеризующие их взаимодействия [8].
Процедуру расчленения подсистем необходимо продолжать до получения подсистем, которые в условиях данной задачи будут достаточно простыми и удобными. Такие подсистемы, не подлежащие дальнейшему расчленению, являются элементами сложной системы. В общем случае сложная система представляется как многоуровневая конструкция из взаимодействующих элементов, объединяемых в подсистемы различных уровней.
На этапе структурного анализа логистической системы взаимодействия морского и железнодорожного транспорта использовались модели IDEF3 [146]. Между имитационными и /DEFi-моделями системы существует довольно теснал взаимосвязь: IDEF3-MOJ\RYL могут с незначительными изменениями использоваться в качестве основы имитационной модели. Построение IDEF3-модели на этапе анализа объекта и проектирования значительно улучшает понимание механизма функционирования системы в целом (рис. 3.2). Место разработки /ОЕ/ З-моделей можно определить как промежуточное звено между реальным объектом и создаваемой имитационной моделью.
Проверка гипотез о законах распределения основных потоков транспортного узла
Имитационное моделирование является одним из наиболее мощных средств моделирования поведения сложных систем в условиях неопределенности. В процессе развития науки и практики имитационного моделирования (ИМ) сформировано два основных подхода к процессу создания имитационных моделей в зависимости от особенностей исследуемого объекта.
Первый подразумевает представление моделируемой системы в виде непрерывной цепочки изменяемых состояний. В таких системах используются механизмы фиксированных приращений временных интервалов. С их помощью описываются системы, в которых моделируемые потоки являются непрерывными, а элементы не единичные, а агрегированные. Например, модели финансовых потоков между регионами, экологическая модель загрязнения окружающей среды выбросами вредных производств.
Модели второго вида находят применение тогда, когда исследуется поведение отдельных элементов в системе. Подобные модели являются дискретными или моделями с дискретным изменением состояний, В них используется метод отсчета времени до следующего события. Примерами таких систем могут служить модели систем массового обслуживания (СМО) [105, 119].
На мировом рынке программных средств ИМ представлено значительное количество (более 60) современных инструментов. Каждый из них разработан для решения определенного класса задач и ориентирован на один из представленных выше подходов, т.е. дискретный или непрерывный. Некоторые продукты реализуют обе парадигмы, но при этом сохраняется приоритет одной из них. Ввиду того, что стоимость подобных продуктов достаточно высока, а также построение имитационных моделей является высоко бюджетным процессом, то необходимо разработать методику выбора инструмента, адекватного поставленной задаче. Можно выделить следующие ключевые особенности моделирования мультимодальных процессов транспортных узлов: - заявки поступают в систему более чем с одного источника (например, со стороны железной дороги, с морского порта, с автомобильного терминала); - необходимо определить четкую границу в системе между обслуживающими устройствами и необходимыми для технологических операций ресурсами; - на показатели функционирования системы оказывает влияние определенная внешняя система (например, имитирующая погодные условия). Для эффективного построения имитационной модели транспортного узла необходимо выбрать компьютерную систему имитационного моделирования (СИМ). С этой целью определены следующие задачи: - сформировать вектор критериев, по которым будет проводиться отбор программных средств; - определить перечень оцениваемых СИМ; - провести оценку СИМ и выбрать из них наиболее подходящее. Для принятия эффективного решения относительно выбора средства имитационного моделирования в условиях большого количества альтернатив и критериев отбора предлагается использовать метод анализа иерархий (МАИ) [7, 108, 119]. Метод состоит в декомпозиции проблемы на более простые составляющие части и дальнейшей обработке последовательности суждений лица, принимающего решение (ЛИР), по парным сравнениям. МАИ включает процедуры синтеза множественных суждений, получения приоритетности критериев и нахождения альтернативных решений [7, 109]. Дерево иерархий традиционно состоит из следующих подуровней: цели (фокуса), критериев отбора и альтернатив. Одной из существенных подзадач МАИ является определение исчерпывающего перечня критериев, по которым будет производиться выбор. На первом этапе составляется матрица для сравнения относительной важности критериев по отношению к общей цели. Приоритетность критериев определяется особенностями объекта моделирования и содержательной стороной задачи. Так, для моделирования мультимодальных процессов транспортных узлов наиболее значимым критерием представляется наличие и качество встроенных средств моделирования и расширения моделей, таких как, например, развитые языки высокого уровня. Второй этап заключается в том, что для каждого критерия составляется матрица парных сравнений альтернатив (А), и определяются весовые коэффициенты, которые составляют вектор приоритетов. Следующим этапом определяется степень согласованности каждой матрицы сравнений. Индекс согласованности (ИС) дает информацию о степени нарушения численной (кардинальной, ауа -а1к) и транзитивной (порядковой) согласованности. Для определения индекса согласованности используется формула (3.12). Чтобы получить Лтак необходимо суммировать каждый столбец суждений, затем сумму первого столбца умножить на величину первой компоненты нормализованного вектора приоритетов, сумму второго столбца - на вторую компоненту и т.д., полученные значения сложить. В случае недостаточной согласованности необходимо пересмотреть данные, использованные при построении шкалы. Поскольку достижение совершенной согласованности на практике маловероятно, то необходимо иметь эталонный уровень согласованности, при котором решение можно считать достаточно надежным и статистически значимым. Для этого используется отношение согласованности (ОС), вычисляемое по формуле (3.14):
Объектно-ориентированный подход к разработке алгоритма
Описанная в разделах 2.3 - 2.5 методика является основой для создания программного обеспечения оптимизации подвода груза к припортовой станции методом мультиагентной оптимизации Ant Colony System.
В настоящей работе для разработки программной реализации алгоритма оптимизации подвода экспортных грузов применялся объектно-ориентированный подход. Это обусловлено тем, что объектно-ориентированный анализ и проектирование принципиально отличаются от традиционных подходов структурного проектирования информационных систем: по-другому представляется процесс декомпозиции, а архитектура получающегося программного продукта в значительной степени выходит за рамки представлений, традиционных для структурного программирования [49].
Как известно [9], сложность при разработке современного программного обеспечения вызывается четырьмя основными причинами: - сложностью реальной предметной области, из которой исходит заказ на разработку; - трудностью управления процессом разработки; - необходимостью обеспечить достаточную гибкость программы; - отсутствием удобных способов описания поведения больших систем. Согласно [167] существует три основных группы методов: - метод структурного проектирования; - метод потоков данных; - метод объектно-ориентированного программирования. Недостатком структурного подхода является невозможность выделить абстракции и ограничить доступ к данным, а также такой подход не предоставляет достаточных механизмов для организации параллелизма. Несомненно, что структурное программирование давало выдающиеся результаты, но, как оказалось, эти принципы программирования становятся несостоятельными, когда программа достигает определенной длины. При использовании метода потоков данных информационная система рассматривается как преобразователь входных потоков в выходные. Данный метод применяется в системах, не требующих особого внимания к быстродействию. В настоящее время, при разработке современных информационных систем широкое распространение получил объектно-ориентированный подход. Данный подход имеет несколько чрезвычайно важных преимуществ перед алгоритмическим, а именно: - уменьшает размер информационных систем за счет повторного использования общих механизмов; - полученные системы более гибки и проще эволюционируют со временем; - возможность эффективного абстрагирования от сущностей предметной области; - обеспечение возможности повторного использования отдельных компонентов программного обеспечения; - обеспечение возможности модификации отдельных компонентов программного обеспечения без изменения остальных его компонентов; - уменьшение сложности программного обеспечения; - повышение надежности программного обеспечения. Процесс объектно-ориентированного создания информационных систем состоит из следующих этапов [9]: - объектно-ориентированный анализ, включающий в себя изучение системы, с точки зрения будущих классов и объектов, на основе сло варя предметной области. Анализ состоит из следующих шагов [49]: 1.) определение объектов (классов), в результате строится словарь данных, содержащий спецификации всех компонентов проекта; 2.) определение атрибутов и поведения объектов для уточнения словаря данных и спецификаций каждого объекта путем объявления методов каждого объекта-класса; 3.) определение связей между объектами (классами) наследование, агрегация, использование, ассоциация; - объектно-ориентированное проектирование, включающее описание процесса объектно-ориентированной декомпозиции и объектно-ориентированную нотацию для описания различных моделей системы (логической и физической, статической и динамической); - объектно-ориентированное программирование в основе которого лежит идея представления программной системы в виде набора взаимодействующих объектов, каждый из которых является экземпляром некоторого класса, а классы объединены в иерархию наследования. На этапе проектирования программного комплекса оптимального подвода грузов к припортовой станции был выполнен анализ комплекта нормативных документов, определяющих совокупность требований к программному обеспечению, входящих в состав корпоративной транспортной информационной системы, и выделены следующие требования к разрабатываемому программному комплексу: - требования к структурным характеристикам и режимам функционирования комплекса; - требования к качеству данных; - требования по стандартизации и унификации; - требования к показателям назначения; - требования к развитию системы. Требования к структурным характеристикам и режимам функционирования комплекса включают следующее: - функциональный состав подсистем. Перечень основных функций, реализуемых каждой из подсистем, входящих в комплекс; - объектная структура комплекса. Число уровней иерархии, основные объектные подсистемы на каждом уровне. Дескриптивная модель взаимодействия объектов разрабатываемого комплекса; - требования к средствам и способам обмена информацией между объектными подсистемами в случае их территориальной разобщенно-сти. Разработка схемы взаимодействия («клиент-сервер», «файл-сервер»), протоколов взаимодействия удаленных систем; - требования к режимам функционирования системы. Определяющие режим взаимодействия с пользователем и другими комплексными, например пакетный или интерактивный. Качество данных характеризуется совокупностью свойств, важнейшими из которых являются: - достоверность данных. Свойство данных не содержать скрытых ошибок; - целостность данных. Свойство данных сохранять свое информационное содержание и однозначность интерпретации в условиях случайных воздействий. Целостность данных считается не нарушенной, если данные не искажены и не разрушены; - безопасность данных. Под безопасностью понимается защищенность данных от несанкционированного доступа к ним, осуществляемого с целью раскрытия, изменения или разрушения данных.
