Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системный анализ контейнерного терминала как объекта управления 10
1.1. Проблема построения АСУ контейнерным терминалом 10
1.2. Контейнерный терминал как объект управления 19
1.3. Производственное, экономическое и информационное содержание погрузочно-разгрузочной услуги 24
1.4. Модели управления контейнерным терминалом
1.4.1. Анализ современных методов построения моделей 27
1.4.2. Анализ моделей современных систем
управления контейнерным терминалом 29
Выводы по гл. 1 34
Глава 2. Моделирование технологических процессов контейнерного терминала 35
2.1. Имитационная модель функционирования производственной и информационной структуры терминала 35
2.2. Обоснование критериев качества 40
2.3. Описание технологических процессов контейнерного терминала сетями Петри 46
2.3 Л. Синхронизация сетей Петри 56
2.3.2. Моделирование сетями Петри управления качеством погрузочно-разгрузочной услуги контейнерного терминала 62
2.4. Пропускная способность как функционал для оптимизации работы контейнерного терминала 68
Выводы по гл. 2 81
Глава 3. Оптимизационные модели в контуре автоматизированного управления контейнерным терминалом 82
3.1. Оптимизационные аспекты управления терминалом
3.2. Автоматизированное ситуационное управление перемещением контейнеров 85
3.3. Математико-статистические методы обеспечения надёжности функционирования контейнерного терминала 93
3.4. Техническая надёжность как фактор оптимизации экономической эффективности контейнерного терминала 103
Выводы по гл. 3 105
Глава 4. Информационные аспекты управления запасом надежности парка перегрузочной техники .
4.1. Математическая модель резерва надежности 106
4.2. Динамические аспекты задачи обеспечения работоспособности перегрузочной техники 114
4.3. Техническая диагностика перегрузочной техники 116
4.4. Формирование резерва перегрузочной техники 124
4.4.1. Обзор современных методов оптимального резервирования технических систем 124
4.4.2. Математическая модель оптимизационного резервирования перегрузочной техники контейнерного терминала 130
Выводы по гл. 4 134
Заключение 135
Список использованных источников
- Модели управления контейнерным терминалом
- Обоснование критериев качества
- Математико-статистические методы обеспечения надёжности функционирования контейнерного терминала
- Формирование резерва перегрузочной техники
Модели управления контейнерным терминалом
Актуальная задача стоящая перед терминальным оператором — рациональное использование площади терминала, снижение количества экономически не оправданных перемещений контейнеров, рациональное использование ПТ - Дальнейшее повышения эффективности управления технологическими процессами КТ связано с разработкой методов и средств его автоматизации и компьютеризации. Переход на автоматизированное управление позволит существенно повысить производительность труда, снизить себестоимость грузовых операций и сократить расходы на содержание ПТ.
Автоматизированные системы управления — это сложные человеко-машинные комплексы, включающие в себя подсистемы управления, информационные потоки, технические средства, специалистов для обработки информации, необходимой для принятия оптимального решения. Под подсистемой мы понимаем часть системы, которая обладает свойствами системы, способной выполнять независимые функции направленные на достижение общих целей. КТ как объект управления является большой системой; при отказе одного элемента (единицы ПТ), терминал не теряет работоспособности, а снижает характеристики эффективности работы.
Автоматизация терминала начинается с входного контроля контейнера. Объем автоматизации входного контроля на разных терминалах различный. В основном это просвечивание контейнера, сканирование кода помощью системы OCR (optical character recognition), регистрация их номера [157]. Эффективность оказания погрузочной услуги зависит от возможности в минимальные сроки определить местонахождение контейнера, срок прибытия к контейнеру перегружателя. При разгрузке транспортного средства докер-механизатор, управляющий ПТ, должен знать место, куда будет поставлен прибывший контейнер. При этом необходимо обеспечить, чтобы при выдаче данного контейнера или контейнера из его окружения были минимизированы технологически и/или экономически неоправданные перемещения.
В АСУ КТ объектом управления является технологический процесс, заключающийся в погрузке/выгрузке с/на транспортное средство контейнеров и их размещение и хранение в штабеле. Часто, контейнеры в штабеле размещены в произвольном порядке, при отгрузке нужного контейнера производятся лишние операции по перемещению контейнеров.
Основное внимание в исследованиях последнего времени по тематике АСУ уделено терминалам, где основной единицей ПТ является RTG. Терминалы, ориентированные на использование ричстакеров, характеризуются возникновением качественно новых проблем, связанных с многовариантностью перестановки контейнеров. Задача размещения и перемещения контейнеров слабо структурирована и не формализована. Отсутствие формализованного описания технологического процесса обуславливает особенности алгоритмов управления, заключающиеся в сочетании математических и эмпирических методов и затрудняет принятие диспетчером управляющих решений. Эти решения носят ситуационно-корректирующий характер; они связаны со степенью и интенсивностью заполнения терминала контейнерами, количеством работающих единиц ПТ и их текущей дислокацией.
Современные терминалы оборудуются системами автоматизации для определения местоположения контейнера APDS (automatic position determination system). Выбор системы APDS определяется такими факторами, как географическое расположение терминала, соотношение между размерами терминала и количеством контейнеров на нем, тип используемой ПТ.
Эти системы используются на небольших терминалах, где применяются RTG (козловой кран на пневмоходу) и RMG (козловой кран на рельсовом ходу). Спутниковые системы DGPS (differential global positioning system) используются на крупных терминалах с большим количеством ПТ-Дополнительно с системой DGPS применяют модулированную информационную систему местоположения контейнера — G-PIS (container position information system). Автоматизированная система управления состоит из датчиков, размещенных по плрщади терминала и регистрирующих устройств на колесах перегружателей, которые снабжены компьютерами, соединенными с центральным диспетчерским пунктом.
По сигналам с диспетчерского пункта перегружатель подводится к месту грузовой операции. Докер-механизатор (оператор) включается в управление только при опускании или подъеме контейнера [155].
В настоящее время компанией «SOLVO» разработана АСУ, которая состоит из подсистемы управления, подсистемы позиционирования (GPS) и подсистемы идентификации. Система решает задачи управления и контроля, поддерживая диалоговый режим между системой и персоналом, получает оперативную информацию о выполнении задания, принимает оперативные решения по устранению проблем, контролирует время выполнения операций, следит за перемещением контейнеров и погрузчиков по терминалу.
Последовательность событий принято называть потоком, следовательно, можно говорить о входном потоке контейнеров. Поток может быть регулярным, когда контейнеры поступают через равные промежутки времени и случайным, когда интервалы являются случайной величиной. Несмотря на различие в типе контейнера они требуют реализации одинаковых операций, и с этой точки зрения поток является однородным. В случайном однородном потоке интервалы между поступлением контейнеров — случайные величины; они характеризуются функцией плотности распределения по экспоненциальному закону с плотностью вероятности p{t\ — ve vl , где v интенсивность обслуживания. При
Обоснование критериев качества
Безопасность является частным случаем ограниченности, и не является обязательным требованием. В работе [ПО] вводится понятие к- безопасности, смысл которой заключается в том, что позиция не может содержать более к фишек. Если позиция А: безопасна, то она ограничена. Сеть Петри ограничена, если все позиции ограничены. На практике важным является число фишек в позиции ограниченным или нет, а не конкретное значение границы.
Сеть Петри называется живой, если все её переходы живы. Переход п в сети Петри называется живым, если он является потенциально живым при любой достижимой разметке. Под потенциально живым переходом понимается переход сети Петри, который может сработать, если существует достижимая от (р разметка р [71, ПО]. Под достижимостью мы понимаем - последовательность срабатываний переходов сети, ведущих от о (нулевой разметки) к каждой достижимой в сети разметки [71]. Способ анализа достижимости маркировки состоит в следующем. Структура сети Петри представляется в виде двух матриц инциденций /)+и ТУ, с числом строк, равным числу переходов в сети, и числом столбцов равным числу позиций. ТУ - матрица входов и содержит 1 на пересечении J -й строки и і -го столбца, если Ї -я позиция является входной для J -го перехода и 0 в противном случае. D+- матрица выходов и содержит 1 на пересечении і-и строки и J -го столбца, если позиция является выходной для і -го перехода.
Переход Я"/ в маркировке V разрешён, если # е[/]) 5 а результат запуска записывается так: S((p,7Ti) = (p + e[i]D (2.4) Для определения сохранения сети Петри, необходимо найти (ненулевой) вектор взвешивания — СО - вектор-столбец, для которого взвешенная сумма по всем достижимым маркировкам постоянна. Необходимо чтобы ср со — (р СО . Поскольку ср достижима, существует последовательность запусков переходов &, которая переводит сеть из ср в ср . Поэтому /{crjDco = 0. Поскольку это верно для всех f (сг J, то имеем Deo = 0 (2.5) Сеть Петри является сохраняющейся, если существует положительный вектор при котором верно равенство (2.5), что обеспечивает алгоритм проверки сохранения, а также позволяет получить вектор взвешивания [ПО]. Основной задачей модели конвейерной системы является проверка моделируемого ею процесса. В конвейерной системе каждый запуск должен быть обязательно завершён, и запуск новой операции не может быть разрешён до момента окончания предыдущей операции [120].
Ряд специфических особенностей КТ делает целесообразным использование имитационного моделирования при оптимизации информационных технологий управления: - в структуре КТ выделяются подсистемы с обратными связями; - изолированная оптимизация отдельных подсистем может приводить к конфликтным ситуациям и не обеспечивает системную оптимизацию; - транспортные потоки и процесс обслуживания заявок стохастичны; - системная оптимизация работы КТ не может быть реализована в рамках одной задачи математического программирования. Вначале рассмотрим КТ как одноканальную систему массового обслуживания с одним прибором, т.е. обслуживается одной единицей перегрузочной техники. Структурно-логическая схема ее функционирования представлена сетью на рис. 2.1. Рассмотрим эту сеть на наличие свойств безопасности, живости и достижимости. TTj - «переход с охраной» (по терминологии [87]). Охрана имеет значение П, п 1 и выражает количество ТС (переход сработает лишь при наличии по крайней мере одного ТС ). Позиция Pi содержит фишку, которая может запустить один из переходов
Данная ситуация является конфликтной. Этот конфликт разрешается посредством ситуационного управления.
Будем различать два типа ситуационного управления. В одном случае — назовем его модульным управлением, - входной поток не пополняется по мере обслуживания входящих в него заявок вплоть до полного его исчерпания; после этого принимается к реализации новый входной поток того же объема: 7Г( = 7Г = const, Другой возможностью является рекуррентное управление, при котором обслуженная заявка замещается по дисциплине fifa [70], следующей заявкой. При запуске перехода к1 работа сети, с точки зрения следственно-логической связи, но без учёта времени, будет продолжена. В сети, имеющий системное время, работа будет остановлена на время ремонта TIT. Для того, чтобы сеть обладала реальностью вводим событие р9 и переход 7Гд, а для перехода Я"8 введением охрану, выраженную неравенством р — а, которое означает, что если за время а не будет восстановлена работоспособность TIT 5 то сработает переход, и в эксплуатацию будет введена резервная техника. В свою очередь переменную а можно рассматривать как параметр оптимизации работы КТ. При оптимальных значениях а на каждом канале обслуживания не требуется держать резерв TIT 5 в таком случае одна единица резервной TIT будет одна на несколько каналов.
Математико-статистические методы обеспечения надёжности функционирования контейнерного терминала
В число основных параметров КТ, определяющих его техническую и экономическую эффективность, наряду с геометрическими размерами входит тип используемой перегрузочной техники, который существенно влияет на техническую и экономическую эффективность КТ, от типа техники также зависит технологическая схема работы КТ.
Традиционно на небольших КТ используются: RS - перегружатели (ричстакеры) с телескопической стрелой на пневмоходу; RTG — козловые краны на пневмоходу; RMG — козловые специализированные краны. В то время как при функционировании КТ на основе RTG/RMG технологий сопутствующие информационные процессы в основном автоматизированы [156, 160], в случае RS -технологий отсутствует соответствующее программное обеспечение. Важно отметить, что для всех указанных перегрузочных технологий отсутствуют необходимые информационные технологии ситуационного управления [16, 68], повышающие эффективность работы терминалов и автоматизирующие процессы принятия решений.
Дерево вариантов схем перегрузочных операций при удалении контейнеров из штабеля существенным образом зависит от количества учитываемых заявок в динамическом входном потоке последних. Приведем в качестве примера перечень учитываемых ситуаций и соответствующих схем, минимизирующих количество операций и общее время обслуживания для одной, двух и трех учитываемых заявок.
Приведем формализованное описание производственной ситуации КТ. Пусть T = (i,j.k) - трехмерные координаты контейнера в штабеле, где: J = 1,2,2,...,n _стек в котором находится контейнер (см. Приложение 1,рис.П.1.1-П.1.7); / = 1,2,3,4,5,6 - ряд в глубину штабеля в котором находится контейнер (в зависимости от схемы может принимать значения 4 и 5 ); к = 1,2,3,4,5- ярус по высоте штабеля в котором находится контейнер. 9Т - окружение контейнера, т.е. совокупность {? } тех номеров, которые могут перемещаться при обслуживании заявки т. Моменты дискретного времени = 0,1,2,... соответствуют перемещениям отдельных контейнеров в штабеле.
Штабель 2/ в момент t это совокупность входящих в него контейнеров после перемещения в момент t — l. тіt — {Т\,...,тп} - учитываемый входной поток заявок. Производственная ситуация St в момент t описывается парой объектов: St = \7it, Qt\.
Будем различать два типа ситуационного управления. В одном случае -назовем его модульным управлением, — входной поток не пополняется по мере обслуживания входящих в него заявок вплоть до полного его исчерпания; после этого принимается к реализации новый входной поток того же объема: 7lt = 7Г — const, Другой возможностью является рекуррентное управление [132], при котором обслуженная заявка замещается по дисциплине fifa [70], следующей заявкой. Теперь ситуационное управление формализуется как последовательность производственных ситуаций: при модульном управлении; при рекуррентном управлении.
Переходы St —»St+] должны обеспечивать минимум перемещений в штабеле и описываются (программируются) в терминах координат окружения очередной заявки . К случайным процессам перемещения контейнеров, реализуемым на контейнерном терминале, нельзя применить теорию Марковских процессов, поскольку изменение конфигурации штабеля в очередной момент дискретного времени влияет на перемещение не только в очередной момент, но (в зависимости от входного потока заявок) и на ряд следующих моментов [28].
Алгоритм формирования переходов существенно зависит от принятой геометрии штабеля и сопутствующих ей ограничений. За единицу формирования штабеля контейнеров выберем штабель длиной в 4 TEU. ярусность штабеля тах = , ограничена техническими возможностями перегрузочной техники, количество рядов (глубина штабеля) теоретически может иметь любое значение, но с увеличением числа рядов увеличивается число экономически неоправданных операций. Возможны следующие варианты складирования в зависимости от используемой ПТ : а) штабеля обслуживаемые RTG с параметрами у = 4;/= 6;А: = 5 (См. Приложение 1, рис. П. 1.1) является сплошным, такая геометрия штабели применяется редко, в основном при перегрузке терминала или формировании грузовой партии. Возможны варианты: в первом и шестом рядах контейнера стоят в 3 яруса, во втором и пятом ряду контейнера стоят в 4 яруса, в третьем и четвертом ряду контейнера стоят в 5 ярусов (см. Приложение 1, рис.П.1.2, П.1.3); б) штабеля с постановкой контейнеров в 5 рядов (см. Приложение 1, рис. П. 1.4, П. 1.5) могут обслуживаться как RTG , таки RS. в) штабеля с глубиной постановки контейнера в 4 ряда (см. Приложение 1, рис. П. 1.6, П. 1.7) в основном обслуживаются RS. Возможны другие варианты расположения контейнеров в штабеле, каждый вариант изменяет как ёмкость штабеля и терминала целом, так и число операций.
Формирование резерва перегрузочной техники
От беспрерывной работы ПТ, правильной организации её использования и ремонта зависит качество перегрузочных работ. Оптимальная структура парка ПТ минимизирует затраты на производство перегрузочных работ. В настоящее время парк ПТ формируется эвристическим способом и не зависимо от ожидаемого грузопотока.
В современных экономических условиях терминальный оператор заинтересован в минимизации парка ПТ, за счёт оптимизации использования имеющегося парка ПТ. Это реализуется следующими способами: повышением коэффициента использования ПТ; оптимизацией технологической схемы работы [48, 50, 51]; согласованием вывода ПТ на техническое обслуживание и планово-предупредительный ремонт с прогнозом потока заявок на проведение перегрузочных работ. Эти мероприятия дают экономический эффект, но не следует забывать, что минимизация парка ПТ повышает вероятность ее отказов и, как следствие, увеличивает штрафные санкции со стороны грузовладельцев.
Периодичность вывода ПТ на текущий и капитальный ремонт определяется рекомендациями завода-изготовителя или нормативными документами (например РД 31.1.02-04 [113]).
Вывод ПТ на ремонт занимает продолжительный период. В ходе дефектации выявляются детали, имеющие предельный износ и требующие замены. Поскольку ПТ применяемая на кт импортного производства, то поставка требуемых деталей займет определённое время. На период вывода одной единицы ПТ из эксплуатации нагрузка будет распределена на ПТ находящуюся в эксплуатации, что снижает интенсивность погрузочно-разгрузочных работ и увеличивает очередь ТС.
Замена ПТ может производиться в следующих случаях: полного физического износа; при смене технологической схемы работы; при достижении определенного наработка моточасов (если в организации принят такой регламент).
Одним из факторов, указывающих на необходимость замены ПТ, является интенсивность роста отказов с увеличением наработка. Количество отказов, стоимость ремонта и сроки проведения ремонтных работ, являются факторами, определяющими действия терминального оператора по списанию ПТ, ремонт которых экономически не выгоден, и заказу резервной техники.
Приобретение резерва ПТ предполагает дополнительные инвестиции, но уменьшает вероятность нарушения договорных сроков обслуживания и математическое ожидание суммарного штрафа. Как показывает анализ методов западной школы логистики [88], в основном практикуются два альтернативных подхода формирования резерва: 1. Резерв (страховой запас) ориентирован на обеспечение заданного уровня вероятности отсутствия дефицита. 2. Резерв (страховой запас) ориентирован на обеспечение максимально допустимого дефицита ПТ. Существенным недостатком обоих подходов является отсутствие экономической составляющей у критерия оптимизации страхового запаса. Представляется, что его основой должны быть экономические потери терминального оператора от дефицита ПТ.
Далее, вызывает сомнения навязчивое стремление интерпретировать без предварительного обоснования случайные величины, используемые в стохастических моделях, как нормально распределенные. По-видимому это связано с возможностью проведения некоторых аналитических выкладок и использования соответствующих формул для моментов (математического ожидания, среднего квадратического отклонения и т.д.). Современные программные средства позволяют без труда оценивать необходимые характеристики случайных величин по эмпирическим функциям распределения, а в динамическом случае - по временным рядам [140].
Повышение надёжности оказания погрузочно-разгрузочной услуги осуществляется двумя способами резервирования: 1. Резервирование ПТ. 2. Резервирование запчастей и агрегатов для имеющегося парка ПТ. При первом способе, резервная ПТ вводится в эксплуатацию, только после вывода единицы ПТ из эксплуатации на ремонт, техническое обслуживание или при отказе. Ввод в эксплуатацию резервной ПТ производиться при количестве заявок на обслуживание превышающих производительность ПТ находящейся в эксплуатации, т.к. прибытие ТС на терминал имеет стохастический характер.
Второй способ резервирования дополняет первый. При отсутствии резерва ПТ на восстановление отказавшей единицы ПТ будет затрачено п -ое количество времени. Во время проведения восстановительных работ ТС обслуживаться не будут. Затраты на резервирование — стоимость единицы ПТ. При наличии резерва, не отпадает необходимость в резервировании элементов системы. При выходе из строя единицы ПТ в эксплуатацию вводится резерв. ПТ как и любая другая техника подвержена физическому и моральному износу. ПТ при физическом износе, больше времени может находиться в ремонте чем в эксплуатации, а затраты на ремонт превосходить приносимую ПТ прибыль.
Владелец ПТ принимает регламент, где определено, в каких случаях производят замену ПТ. Основные причины замены ПТ: - изменение технологии работ, если для новых технологий имеющаяся ПТ не подходит или морально устарела; - физический износ; - наработка установленных регламентом моточасов. При установке такого параметра как наработок, позволяет терминальному оператору не производить капитальных ремонтов, что снижает финансовые потери.
Переход к работе по новой технологии будет иметь некий финансовый результат, который является разностью между планируемой прибылью затратами на реализацию новой технологии. Разность между доходами и затратами является критерием эффективности.
