Введение к работе
Актуальность темы. В современных условиях, характеризующихся интенсивными темпами развития международной торговли, транспорт является одним из главных системообразующих факторов, определяющих темпы экономического роста страны. С участием морского транспорта сейчас осуществляется около 60% внешнеторгового грузооборота России. При этом наиболее важной и сложной проблемой является оптимизация процессов переработки контейнерных грузов.
Для решения указанной проблемы оптимального использования ресурсов необходимо разработать математические модели, адекватно описывающие процессы переработки грузов на контейнерных терминалах. В настоящее время для описания процессов в большинстве случаев используют детерминированные модели, основанные на предположении, что суда приходят в порт по жесткому графику. Однако в реальных условиях, процесс поступления судов к причалам, носит случайный характер. Поэтому применение детерминированных моделей, для описания процессов переработки грузов, вносит существенные погрешности, что не позволяет использовать их для решения проблемы оптимизации указанных процессов. Еще в работах Б.В. Гнеденко было показано, что для решения задач определения оптимального числа причалов целесообразно использовать вероятностные модели.
Для упрощения расчетов показателей качества процессов на специализированных терминалах, в особенности в динамических режимах, и для решения ряда оптимизационных задач возникает необходимость в активной идентификации показателей качества указанных процессов в классе полиномиальных моделей, на основе оптимальных планов вычислительного эксперимента. Однако при этом необходимо учитывать, что указанные планы должны определяться как непрерывными (коэффициент загрузки терминала), так и целочисленными (число причалов, число судов в очереди) факторами.
В настоящее время отсутствуют публикации, связанные с синтезом оптимальных планов, зависящих от указанных двух групп факторов. Поэтому при выполнении настоящей работы возникла необходимость в развитии теории оптимального планирования вычислительного эксперимента для учета целочисленности отдельных факторов.
При решении задач оптимального планирования работы специализированного терминала и оптимального распределения ресурсов сталкиваются с определенными затруднениями, среди которых необходимо отметить отсутствие точной априорной информации об экономических показателях процесса переработки грузов, многокритериальность, связанная с большим количеством разнообразных требований, и высокая размерность задач оптимального распределения ресурсов.
Вышеизложенные особенности процессов переработки грузов на специализированных терминалах показывают, что применение классических методов оптимизации для решения указанных задач не представляется возможным. Указанная проблематика определила актуальность основного направления настоящей работы.
Целью диссертационного исследования является повышение эффективности функционирования специализированных терминалов путем решения проблем идентификации и оптимизации процессов переработки контейнерных грузов, на основе разработанных автором вероятностных моделей. В соответствии с целью в работе сформулированы, обоснованы и решены следующие задачи:
-
Анализ существующих методов идентификации и оптимизации сложных систем и разработка новой методологии формализации, идентификации и оптимизации процессов переработки контейнерных грузов, основанной на сочетании методов массового обслуживания, планирования вычислительного эксперимента и математического программирования.
-
Развитие теории и методов массового обслуживания для формализации процессов переработки контейнерных грузов.
-
Развитие теории и методов планирования вычислительного эксперимента для решения задач оптимальной идентификации процессов переработки грузов в классе полиномиальных моделей с учетом целочисленности отдельных факторов.
-
Оптимизация процессов переработки контейнерных грузов на основе различных критериев оптимальности и оптимальное распределение дополнительных ресурсов на специализированных терминалах.
Объектом исследования в работе являются процессы переработки контейнерных грузов на специализированных терминалах, математическое описание которых основано на вероятностных методах.
Методы исследования. Методической основой и общей формальной базой исследования служат теория массового обслуживания, теория планирования эксперимента, теория вероятностей, а также отдельные разделы математического программирования.
Предметом исследования являются вероятностные модели процессов переработки контейнерных грузов и полиномиальные модели, полученные на основе указанных вероятностных моделей, а также методы оптимизации.
Научная новизна работы состоит в создании методологии формализации, идентификации и оптимизации процессов переработки грузов, основу которой составляют научные результаты, полученные автором при развитии теории массового обслуживания и теории планирования вычислительного эксперимента применительно к специфическим особенностям рассматриваемых процессов. Наиболее значительными научными результатами, впервые полученными автором, являются:
-
Сформулирован и теоретически обоснован новый научный подход к решению проблемы формализации, идентификации и оптимизации процессов переработки контейнерных грузов.
-
Предложена и реализована формализация централизованной системы массового обслуживания, позволяющая более адекватно описать реальные процессы переработки грузов на контейнерных терминалах. В отличие от традиционных моделей (системы без взаимопомощи и системы с частичной и полной взаимопомощью), предлагается модель, при которой результирующая интенсивность обработки в каждом состоянии зависит от принятой стратегии
обработки судов. Разработанная модель обладает большей потенциальной адекватностью и позволяет исследовать следующие нестандартные ситуации:
Произвольное распределение ресурсов на терминале и решение задачи их оптимального распределения.
Учет влияния ограниченного фронта работ при частичной взаимопомощи на результирующую интенсивность обработки судов.
Возможность увеличения результирующей интенсивности обработки судов, при нежелательных состояниях процесса за счет дополнительных ресурсов терминала. Указанная формализация произведена, как для процессов с неограниченным ожиданием, так для процессов со смешанным ожиданием, в частности, с ограничениями времени ожидания судна или на длину очереди судов.
-
Разработан метод результирующих средних, основанный на допущении, что результирующее среднее время ожидания различных групп судов не зависит от дисциплины очереди, т.е. от наличия или отсутствия у этих групп приоритетов. На основе указанного метода получены выражения для среднего времени отдельных групп судов, обладающих абсолютными и относительными приоритетами для многоканальных (многопричальных) терминалов с учетом и без учета взаимопомощи.
-
Определены условия оптимальной идентификации процессов переработки грузов. Произведен синтез оптимальных планов вычислительного эксперимента для определения полиномиальных моделей этих процессов с учетом целочисленности отдельных факторов.
-
Разработаны и реализованы аналитические и вычислительные методы оптимизации процессов переработки грузов, исходя из следующих критериев:
минимальных приведенных затрат и максимизации прибыли
максимизация аддитивной и неаддитивной функций предпочтения процессов переработки грузов.
-
Сформулирована и решена обратная задача оптимизации, когда на основе предельно допустимых значений показателей качества процессов переработки грузов и числа причалов определялось Парето-оптимальное значение коэффициента загрузки терминала ср.
-
Сформулирована, решена задача оптимального распределения дополнительных ресурсов с учетом и без учета ограничений на величину этих ресурсов.
-
На основе разработанных оптимальных планов вычислительного эксперимента, получены следующие полиномиальные модели:
показателей качества процессов переработки грузов (среднего числа судов в
очереди, среднего числа судов на терминале, среднего времени ожидания судов в
очереди, среднего времени пребывания судов на терминале) от коэффициента
загрузки терминала <р и числа причалов S с учетом и без учета взаимопомощи.
Парето-оптимальных значений коэффициентов загрузки терминалов <р от
предельно допустимых значений показателей качества процессов переработки
грузов и числа причалов.
Практическая ценность. В результате проведенных исследований доказана целесообразность и эффективность разработанной автором методологии
для решения конкретных задач обеспечения оптимального функционирования специализированных контейнерных терминалов при различных дисциплинах обслуживания с учетом и без учета приоритетов. Разработанные автором вычислительные и полиномиальные вероятностные модели, а также алгоритмы многокритериальной оптимизации и оптимального распределения ресурсов позволяют повысить эффективность функционирования специализированных терминалов, как на стадии их проектирования, так и при их эксплуатации с учетом противоречивых требований, предъявляемых к качеству переработки контейнерных грузов.
Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены в рамках выполнения ФЦП Модернизация транспортной системы России (2002-20 Югг). Полученные результаты доведены до алгоритмов и программного обеспечения. Результаты использовалось при:
оптимальном распределении ресурсов в ЗАО «Первый Контейнерный Терминал»
определении показателей качества процессов переработки контейнерных грузов ЗАО Инжиниринговая компания «Современные морские системы»
разработке методик расчета в проектном институте ЗАО «ГТ Морстрой»
строительстве нового морского терминала ОАО «Роснефть - Приморский НПЗ» в районе Мыса Елизарова, Приморский край
реконструкции перегрузочного терминала ОАО ГМК «Норильский Никель» в морском порту Мурманск
строительстве нового контейнерного терминала в ОАО «Морской торговый порт Санкт-Петербург».
Предложенные модели и алгоритмы апробированы и внедрены в учебном процессе Санкт-Петербургского Государственного Университета Водных Коммуникаций. Апробация работы.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы были представлены и одобрены на отечественных и международных конференциях и семинарах, в том числе: научно-практических конференциях «Логистика: современные тенденции развития» СПб, СПбГИЭУ (2003/10), научно-методических конференциях НМК-2004/05/06 СПб, СПГУВК, (2004/06), международной конференции «Транспорт. Инвестиции. Логистика» СПб (2007), международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2009» Калининград (2009), научно-практической конференции «Материалы докладов» Апатиты (2009), международной конференции «Порты России и СНГ» СПб (2009), международной конференции «Транспорт и логистика на Северо-Западе России» СПб (2009), научно-практических конференциях «Актуальные вопросы современной науки» Новосибирск (2009/10), научно-технических конференциях ППС ГМА имени адмирала С.О.Макарова СПб (2001/05/10).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 научных статей, в том числе 8 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 3 монографии.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Текст работы составляет 301 страницы. Список литературы состоит из 117 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
