Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Динамика развития контейнерных перевозок и основы взаимодействия морских и других видов транпорта в узлах транспортной сети 20
1.1 Современные тенденции развития контейнерных перевозок в мировом судоходстве 20
1.2 Особенности развития контейнерных перевозок в России 24
1.3 Критерии конкурентноспособности и привлекательности морских портов, расположенных на пересечении магистральных направлений движения контейнеров, при перевозки их различными видами транспорта 27
1.4 Пути повышения конкурентноспособности и привлекательности портов Приморского края 31
Выводы по главе 1 37
ГЛАВА 2. Построение математической модели управления взаимодействием разных видов транспорта в общетранспортных узлах 40
2.1 Методологические основы разработки моделирующего алгоритма функционирования процесса взаимодействия различных видов транспорта 40
2.2. Разработка имитационной модели транспортной сети юга Приморского края, отображающей организацию обеспечения перевозочного процесса в узлах 47
2.3. Построение модели управления взаимодействием транспорта в узлах...52
Выводы по главе 2 63
ГЛАВА 3. Построение модели оптимального управления взаимодействием разных видов транспорта в узлах транспортной сети юга Приморского края 65
3.1. Анализ опыта работы всех видов транспорта в транспортных узлах юга приморского края, при перевозке контейнеров 65
3.2. Разработка имитационной модели транспортной сети юга Приморского края, отображающей организацию обеспечения перевозочного процесса в узлах 71
3.3 Определение и подготовка данных для моделирования процесса переработки контейнеров, с участием всех видов транспорта 83
3.4 Трансляция и оценка адекватности экспериментальной имитационной модели 104
3.5 Выбор оптимизационной модели функционирования всех видов транспорта в транспортных узлах юга Приморского края 114
Выводы по главе 3 134
Основные выводы и заключение 135
Список литературы 137
- Особенности развития контейнерных перевозок в России
- Критерии конкурентноспособности и привлекательности морских портов, расположенных на пересечении магистральных направлений движения контейнеров, при перевозки их различными видами транспорта
- Разработка имитационной модели транспортной сети юга Приморского края, отображающей организацию обеспечения перевозочного процесса в узлах
- Разработка имитационной модели транспортной сети юга Приморского края, отображающей организацию обеспечения перевозочного процесса в узлах
Введение к работе
Актуальность работы
Перед российским транспортом поставлена задача - обеспечить возможность обслуживания до 10 % евроазиатского транзита, обеспечить скоординированное развитие коммуникаций и транспортных узлов, транспортных технологий и информационных систем.
По данным Минтранса РФ до 2010 года Россия намерена вложить в развитие евроазиатских транспортных коридоров 15 миллиардов долларов. Следствием выполнения этих планов должно стать увеличение скорости сообщения по международным транспортным коридорам (МТК) на 20-30 % и утроение к 2020 году объемов перевозок, что в абсолютных показателях составит 60-70 млн тонн грузов в год. Планируется увеличить объем инвестиций в развитие портов и судоходства. Порты Приморского края имеют перспективы становления не только как фидерный сегмент крупных портов АТР, но и в качестве самостоятельного магистрального центра грузопереработки. Считается, что международные транспортные артерии, проходящие через Приморский край, уже в самое ближайшее время имеют все шансы превратиться в полноценные МТК.
Для достижения всех этих целей необходимо своевременное, параллельное развитие всех составляющих транспортной цепочки от отправителя к получателю. В противном случае сбой в каком-либо элементе транспортной цепочки, будь то портовые подъездные пути или работа таможни, приведет к снижению результата работы всей системы в целом и снизит эффективность функционирования системы, сделает ее не конкурентоспособной.
Для повышения эффективности мер, направленных на развитие транспортной системы в целом, необходимо разработать инструменты предварительного моделирования вариантов оптимизации системы, с целью проведения их анализ и прогнозирования эффект от их внедрения.
Транспортная сеть представляет собой сложную систему с большим набором изменяющихся параметров, случайных процессов и разнообразием вариантов функционирования. Кроме того, как правило, существует недостаток информации о системе, что усложняет работу с ней.
Математическое моделирование позволяет работать с такой сложной системой, в том числе в условиях недостатка информации.
Поэтому для прогнозирования реакции такой сложной системы, а так же для оптимизации ее работы, целесообразно использовать методы математического моделирования, в частности имитационного.
Вклад в развитие теории и практики автоматизации работы транспорта и перегрузочных центров, портов и железнодорожных станций, в вопросы транспортной логистики, а так же в исследование проблем мультимодальных, интермодальных перевозок и проблем взаимодействия различных видов транспорта внесли работы следующих авторов:
Адамович Н. В. [2], Артынов А. П. [4,6], Афанасьева А. Н. [7], Бирман И. В. [8], Борисова В. В. [9], Бучин Е. Д. [12], Величко В. И. [15,16], Ветренко Л. Д. [18], Винокур Л. Б. [19], Воронин В. С [26], Гаранин С. Н. [27], Громов Н. Н. [32], Деревич Л. О. [33], Деружинский В. Е. [34,35], Джонсон Д. [36], Долматов Б. М. [39], Зайцев А. М. [46], Иванченко В. Н. [57], Инютина К. В. [60], Казьмина О. А. [61], Карнаухов С. Б. [62], Козлов П. А. [64], Козлов Ю. Т. [65], Конталев В. А [67], Котляренко А. Ф. [69-72], Краснова Е. В. [73], Кузнецов А. П. [75], Куренков П. В. [76-77, 80-81], Лимонов Э. Л. [82], Мамедов Ф. Т. [86], Мануйлова М. Л. [87], Милославская С. В. [89], Миротин Л. Б. [90], Мозжерин Б. В. [91], Неруш Ю. М. [93], Никандров В. А. [94], Персианов В. А. [100], Плужников К. И. [105], Попов В. В. [110-112], Портная Н. О. [113], Постан М. Я. [114-115], Пьянков С. И. [130], Ратин А. С. [133], Резер С. М. [134-136], Родкина Т. А. [138], Семененко А. И. [142], Ситнов А. Н. [143], Смехов А. А. [145-147], Степанов А. Л. [149], Стрельникова И. А. [150], Ташпулатов Ш. Т. [152], Тихомиров Ю. А. [155], Тишкин Е. М. [157-158], Требухов С. Б. [160], Трифанов В! Н. [162], Уртминцев Ю. Н. [166-167], Филиппенко С. А. [172], Черткова С. А. [179]. Кроме того, следует упомянуть работы и других авторов (см. в списке литературы работы [44, 59, 83, 84, 131, 148, 154, 185-189, 191-197]).
Артынов А. П. [4,6] рассматривает необходимость создания АСУ управления работы транспортной системой ДВ РФ. Рассматриваются особенности работы транспорта ДВ РФ. В работе предложен поблочный подход формализации функционирования транспортной системы. Им так же приводится методология системного анализа оперативного управления взаимодействием морского и железнодорожного транспорта в транспортном узле.
Винокур Л. Б. [19], Смехов А. А. [145-147], Деружинский В. Е. [34,35], Джонсон Д. [36], Инютина К. В. [60], Карнаухов С. Б. [62], Неруш Ю. М. [93], Семененко А. И. [142] подробно описывают и структурируют понятия логистики, в том числе логистики информационных потоков и складирования. Рассматривают понятие эффективности логистических систем, показатели эффективности, надежности.
Деревич Л. О. в работе [33] в частности изучает вопросы оптимизации систем непрерывного планирования работы морского транспортного узла. Решает задачи равномерного распределения ресурсов порта при обслуживании судна, нахождения оптимального числа причалов и их вооружения. В работе используются методы теории вероятности.
Воронин В. С [26], Долматов Б. М. [39], Козлов П. А. [64], Котляренко А. Ф. [69-72], Никандров В. А. [94], Филиппенко С. А. [172], занимаются вопросами информационных систем и АСУ на транспорте. В частности Козлов П. А. [64] выделяет ряд недостатков существующих информационных систем. Козлов Ю. Т. в работе [65] рассматривает преимущества автоматизации управления контейнерными перевозками в различных областях - автоматизация управления техническими средствами, информационным обеспечением, управлением контейнерными пунктами и процессом перевозок контейнеров. В работе Иванченко В. Н. [57] обоснована необходимость применения самоорганизующихся процедур для построения моделей объектов управления и принятия решений.
Казьмина О. А. [61] разрабатывает новый подход к формированию системы портовых сборов в морских торговых портах России, способствующих интересам государства и повышающим конкурентоспособность портов России.
Конталев В. А. [67] проводит анализ истории развития флота России и описывает перспективы дальнейшего развития, на основе имеющегося опыта. В работе используются методы математической статистики.
Куренков П. В. [76-77, 80-81] в своих работах исследует документооборот в системах «морской порт - железнодорожная станция» при внешнеторговых перевозках, занимается проблемами таможенного оформления экспортно-импортных грузов при прохождении через порты, проблемами логистики на стыке порта и железной дороги.
Портная Н. О. [ИЗ] разрабатывает организационный механизм управления конкурентоспособностью морского порта (применительно к порту Восточный). Применены методы математического моделирования.
Пьянков С. И. [130] описывает работу порта Зарубино и особенности его функционирования. Рассчитываются сценарии развития (механизации) порта.
Работы Попова В. В. [110-112] посвящены вопросам развития портов, проблемам управления портами.
Резер С. М. [134-136] разработал проблему управления перевозочным процессом в транспортных узлах
Стрельникова И. А. [150], Милославская С. В. [89], Миротин Л. Б. [90], Степанов А. Л. [149] занимаются вопросами интермодальных перевозок. Стрельникова И. А. [150] разработала структурную схему и предложила обобщенную математическую модель логистической транспортной системы. Вместе с тем, разработанная методика не предназначена для построения, моделирования и анализа транспортных систем.
Тишкин Е. М. [157-158] разработал алгоритмы группировки вагонов при заданном количестве свободных железнодорожных путей для минимизации времени маневровых работ.
Гаранин С. Н. [27], Краснова Е. В. [74], Мозжерин Б. В. [91], Уртминцев Ю. Н. [166-167] занимаются анализом простоев судов или вагонов в ожидании обработки. В работе применяются методы ТМО (теория массового обслуживания).
В работе Адамович Н. В. [2] и в отчете по НИР ИКТП [131] исследуются факторы, влияющие на время пребывания вагонов в пунктах перевалки груза с момента их поступления до подачи на погрузку и после окончания грузовых операций до момента выхода из пункта перевалки груза.
Зайцев А. М. [46], Требухов С. Б. [160] предлагают методические положения по обоснованию оптимального количества накопленных вагонов. В работе используются методы ТМО.
Мамедов Ф. Т. [86], Мануйлова М. Л. [87], Ратин А. С. [133], Ташпулатов Ш. Т. [152] рассматривают вопросы оптимизации маневровых работ на грузовых станциях. Использованы методы ТМО, графо-аналитический метод [86], метод динамического программирования [87,133], [152].
Вклад в развитие ТМО, статистики, теории систем, теории вероятности внесли работы следующих авторов:
Бусленко Н. П. [10], Вентцель, Е. С. [17], Гнеденко Б. В. [28-29], Гиг Дж. [30], Горяинов В. Б. [31], Долятовский В. А. [41], Евланов Л. Г. [42], Замков О. О. [47], Иванов П. М. [51], Иванченко В. Н. [54-56, 58], Колесников [66], Коршунов Ю. М. [68], Куренков П. В. [79], Назаров А. В. [92], Николаев В. И. [96], Острейковский В. А. [97], Поттгофф Г. [129], Рейнфельд Н. [137], Розенберг В. Я. [139], Тарасов В. Б. [151], Форд Л. Р. [174], Фомин Г. П. [175], Хинчин А. Я. [176-177], Черноруцкий И. Г. [178],
Следует упомянуть материалы, опубликованные в сборниках [37, 153]. Так Гнеденко Б. В. [28-29] рассматривает ряд задач теории массового обслуживания и законы распределения вероятности применимые при моделировании в различных случаях.
Хинчин А. Я. [176-177] и Розенберг В. Я. [139], Фомин Г. П. [175] в своих работах описывают общие подходы к решению задач СМО (системы массового обслуживания), типы задач и отличительные особенности подходов к их решению.
В материалах конференции [37] рассматривается большое количество моделей сложных систем и способы их построения. Представленные модели имеют применение в технике, физике, компьютерных сетях, моделировании социально-экономических процессов.
Рейнфельд Н. [137] уделяет больше внимания применению математического моделирования, в том числе на транспорте. Им описаны некоторые подходы при решении транспортных задач в СМО.
Поттгофф Г. [129] приводит большое количество примеров применения СМО, которые подробно рассмотрены и описаны. Все его примеры основаны на реальных экспериментах и позволяют использовать их результаты как экспериментально апробированные данные.
Бусленко Н. П. [10], Гиг Дж. [30], Иванов П. М. [51], Иванченко В. Н. [54-56, 58], Колесников [66], Коршунов Ю. М. [68], Назаров А. В. [92], Острейковский В. А. [97], Тарасов В. Б. [151] занимаются проблемами сложных систем. Ими предложены схемы описания, оптимизации и методологии моделирования сложных систем. Бусленко Н. П. [10], а так же Бусленко В. Н. исследуют и системы имитационного моделирования, автоматизации моделировния. В частности описываются нейросетевые алгоритмы оптимизации систем.
Вклад в исследование вопросов моделирования на транспорте внесли работы следующих ученых:
Артынов А. П. [5], Вайсблат Б. И. [13,14], Воевудский Е. Н. [20-25], Зильдман В. Я. [48-50], Иванченко В. Н. [52-53], Куренков П. В. [76], Никифорова Г. И. [95], Петухов В. С. [103], Пешков А. М. [104], Поддубный Г. В. [106-107], Поплавский Г. В. [109], Постан М. Я. [116-128], Райя С. [132], Синицына А. С. [144], Трифанов В. Н. [161, 163-165], Фадеев И. П. [168-170], Щелканов А.Г. [183].
Следует назвать также материалы, изложенные в работах [88, 188].
Воевудский Е. Н. и Постан М. Я. в работах [20-25, 116-128] исследуют систему управления на морском транспорте и рассматривают ряд методов проведения обследования этой системы, а так же методов построения модели управляющей системы. Предлагаемые ими модели построены по принципам системного подхода и состоят из модулей, связей между ними и описывают общие особенности управляющей системы на морском транспорте. Воевудский Е. Н. так же исследует статистические модели и вопросы приложения корреляционных моделей на морском транспорте при расчете длительности обслуживания судна в порту. Им предложен ряд укрупненных алгоритмов моделирования стояночного времени судна. Постан М. Я. обосновывает возможность применения аналитико-вероятностного моделирования для оптимизации работы пунктов перевалки грузов (11111). Им разработаны ряд критериев эффективности работы 11111". Разработаны модели взаимодействия встречных транспортных потоков, работы склада перевалки груза. Постан М. Я. в работе [127] упоминает имитационное моделирование как недостаточно унифицированный и неудобный вид моделирования.
Петухов В. С. [103] описывает общие особенности математического моделирования работы транспорта.
Синицына А. С. [144] предлагает аналитическую модель определения оптимальных технологических параметров контейнерного терминала, учитывающую ряд критериев оптимальности.
Никифорова Г. И. [95] рассматривает математическую, программно реализованную модель взаимодействия железнодорожного и морского транспорта. В результате моделирования ею получены зависимости емкости контейнерного терминала от вместимости судна и интенсивности подхода судов..
Фадеев И. П. [168-170] исследует подход и обработку судна в порту (подход, разгрузка судна), а так же складские работы. В работах используется метод ситуационного управления. Разработанная модель основана на представлении грузопотока в виде ориентированного графа в соответствии с направлениями движения груза, вершины - нахождение груза в определенном состоянии, дуги — технологические переходы из одного состояния в другое. На дугах задается интенсивность грузопотока, в вершинах — пропускные способности. Кроме того создана система управления процессом обработки судна. Недостатком модели является то, что в ней не учитываются качества транспортных средств.
Chien-Chang Chou, Giae Тео, Dong-Wook Song, Hui-huang Tai, Cherng-chwan Hwang, Masahiko Furaichi [188, pp.608-616] в своих исследованиях рассматривают методы оптимизации работы портов и прилегающих территорий с точки зрения конкурентоспособности. Этими авторами разработан ряд критериев оценки эффективности функционирования транспортной системы, а так же предложены стохастические модели и модели на основе нечеткой логики, позволяющие оценить эффективность работы транспортной системы.
Hong-En Lin, Rocco Zito, Michael A P Taylor [188, pp. 1433-1448] в своей работе предлагают методы прогнозирования времени в пути транспортного средства в городе. Ими предложен ряд алгоритмов расчета и прогнозирования маршрутов доставки груза, а так же времени затрачиваемого на его доставку.
Cheng-Min Feng, Chih-Hong Tsao [188, pp.1778-1791] рассматривают возможности снижения рисков при перевозке контейнеров морем. Применены методы математической статистики.
Zijian Guo, Xiangqun Song, Peng Zhang [188, pp.581-591] рассматривают несколько алгоритмов оптимизации контейнерных сетей в режиме адаптивного управления в пределах морского порта. Разработанный авторами алгоритм позволяет эффективно идентифицировать оптимальные маршруты внутри транспортной сети.
В работах Hiroshi Ueda, Koichi Miyake, Hiromi Kado, Hiromichi Nagano [188, pp.617-630] доказано существование корреляции между контейнерооборотом страны и ее населением и введен коэффициент этой зависимости. А в работах Liqiang Ma, Takashi Kadono, Hitoshi Ieda, Ryuichi Shibasaki, Tomoki Ishikura [188, pp.617-630] предложена методика прогнозирования контейнерооборота порта. Результаты этих работ позволяют давать приближенный прогноз контейнерооборота портов. В работах примененены методы математической статичстики.
Lie-Chien Lin, Lih-An Tseng [188, pp.592-607] сравнивают два алгоритма расчета эффективности работы портов (аналитический и стохастический). В работе описаны преимущества этих алгоритмов и сферы их применения.
Xu Zhao, Zan Yang, Zhongzhen Yang, Yu Feng [188, pp.16-31] провели исследования по выбору вида транспорта для транспортировки контейнеров. Разработана стохастическая модель выбора вида транспортировки в зависимости от вида груза и ряда параметров.
You-heng Huang, Ling-yun Zhou, Dong-wen Zhou [188, pp.32-45] разработали модель, основанную на принципах нечеткой логики для выбора схемы доставки груза. Введены 4 критерия эффективности функционирования транспортной схемы: стоимость, время, безопасность и надежность.
Kenetsu Uchida, Agachai Sumalee, David P. Watling, Seiichi Kagaya [188, pp.2441-2453] проанализировали стохастические модели мультимодальных транспортных сетей.
Воевудский К К [20-25], Вайсблат Б. И. [13,14], Зильдман В. Я. [48-50], Поддубный Г. В. [106-107], Постан М. Я. [116-128], Райя С. [132], Трифанов В. Н. [161, 163-165], Щелканов А. Г. [183] приводят модели взаимодействия встречных транспортных потоков. Воевудский Е. Н. [20-25], Постан М. Я. [116-128], Райя С. [132] работают со стохастическими моделями на основах Марковских процессов. Зильдман В. Я. [48-50], Поддубный Г. В. [106-107] построили модели с использованием теории массового обслуживания точки зрения общей теории систем.
Общими вопросами имитационного моделирования занимались: Лоу Аверилл М. [1], Адрианов В. В. [3], Долятовский В. А. [40], Емельянов А. А. [43], Загидуллин Р. Р. [45], Кирюхин [63], Кудрявцев Е. М. [74], Рыжиков Ю. И. [140], Томашевский В. Н. [159], Шеннон Р. [180], Шмидт Б. [181], Шрайбер Т. Дж. [182], Яковенко О. Ю. [184].
Емельянов А. А. [43], Лоу Аверилл М. [1], Адрианов В. В. [3], Кирюхин [63], Рыжиков Ю. И. [140] и др. подробно рассматривают принципы имитационного моделирования, дают ряд определений, предлагают принципы построения моделей, показывают, что стохастические законы применимы при имитационном моделировании, разрабатали правила планирования и проведения экспериментов, верификации модели. Лоу Аверилл М.. [1] так же проводит сравнительный анализ ряда средств моделирования и множество практических примеров применения имитационного моделирования. Авторы представленных работ, за исключением [1], как правило, опираются на систему моделирования GPSS. Данная система предназначена для построения имитационных моделей и проведения моделирования. Однако имеет ряд недостатков: не дает возможности наглядного, графического представления модели, т.к. модель создается в виде программного кода. Доступные версии этой программы являются неполными (демонстрационными версиями).
Вопросами имитационного моделирования на транспорте занимались: Бутов А. С. [11], Ломаш Д. А. [85], Очеретов Д. В. [99], Персианов В. А. [102], Полянский В. М. [108], Тихонова Н. А. [156].
Тихонова Н. А. [156] затрагивает общие вопросы теории СМО, сетей Петри и общие вопросы имитационного моделирования применительно к транспорту. Основной упор в работе сделан на методы работы в системе GPSS.
Бутов А. С. [11] описывает принципы построения моделей транспортных систем (работы судов на линии, буксировки и швартовки судна, постановки к причалу и др.). Данное исследование основывается на технической базе 80-х годов и не отвечает современным реалиям. При построении имитационным моделей уделено много внимания ограничениям по машинным ресурсам.
Ломаш Д. А. [85] разработал имитационную модель функционирования транспортного узла и провел ряд экспериментов с моделью. Автор так же разработал ПО оптимизации подвоза груза к припортовой станции методом мультиагентной оптимизации. Данная модель разработана для порта Новороссийск и рассматривает движение груза с припортовой железнодорожной станции на судно. В ходе моделирования ставилась задача оптимизации подвоза грузов в порт.
Очеретов Д. В. [99] в имитационной модели движения городских потоков транспорта применил модульный принцип построения. Основное внимание уделено выбору маршрутов движения. В работе не рассматриваются вопросы взаимодействия видов транспорта, перемещения груза.
Имитационную модель работы порта с определенными элементами, заданным количеством и расположением этих элементов представил в своей работе Персианов В. А. [102]. В качестве основных параметров автор выбрал - время обработки под каждой операцией и пропускную способность причалов. Результатом работы модели являются данные о продолжительности загрузки элементов и задержках (очередях). Однако автор при разработке своей имитационной модели не предусмотрел наличие запаса груза на складе. Кроме того, исходными данными должен быть график или очередность подхода судов к порту, что не всегда удобно. Не рассматривается возможность одновременного подхода нескольких судов. Полянский В. М. [108] рассматривает общие принципы построения имитационных моделей. В работе транспортные системы представляются как циклические. Подробно описывается работа с пакетом GPSS и QSB.
Выводы
Вопросами моделирования на транспорте уделено достаточно много внимания, как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Разработан ряд моделей транспортных систем. Однако автором данной диссертации не найдено работ, посвященных комплексному моделированию транспортных сетей как единого транспортного объекта, включающих в себя взаимодействие железнодорожного, автомобильного, авиационного и морского транспорта.
Имитационное моделирование достаточно эффективный и современный инструмент, позволяющий провести оптимизацию работы транспорта [85, 102]. Однако эта тема чрезвычайно мало исследована на современном уровне, а ряд исследований 80-х годов уже устарел. Комплексно вопросами построения имитационных моделей на транспорте занимались Ломаш Д. А. [85] и Персианов В. А. [102]. Построенные этими авторами модели решают задачу моделирования конкретного отрезка транспортного процесса.
Цели и задачи работы
Целью данной диссертационной работы является разработка методических основ совершенствования управления взаимодействием смежных видов транспорта в транспортных узлах на основе современных логистических подходов.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
• анализ производственных процессов взаимодействия смежных видов транспорта в узлах транспортной сети региона;
• анализ современных тенденций развития контейнерных перевозок в мире, России, Приморском крае и АТР;
• систематизация составляющих элементов транспортной сети как системы и анализа процессов ее функционирования;
• формирование программных алгоритмов моделирования транспортной сети на основе анализа существующих методов моделирования и осуществления выбора адекватного метода моделирования;
• разработка методологии построения имитационной целостной модели транспортной системы, включающей комплекс взаимосвязанных узлов;
• создание информационной базы о работе транспортной сети юга Приморского края (морской, железнодорожный, автомобильный, авиационный транспорт) в формате, необходимом для построения имитационной модели транспортной сети юга Приморского края;
• реализация имитационной модели управления движением транспортной сети юга Приморского края, применительно к импорту и транзиту контейнеров через порты юга Приморья разными видами транспорта;
• разработка мероприятий по преобразованию существующей транспортной сети Приморского края в транспортную систему.
Объектами исследования диссертационной работы являются транспортные узлы и смежные с ними транспортные сети.
Предметом исследования являются процессы, протекающие в транспортных узлах и прилегающих к ним участках транспортной сети.
Разработанный подход был применен на транспортной сети юга Приморского края.
Теоретические основы исследования
Теоретическую основу исследований составили работы отечественных и зарубежных авторов в области оптимизации взаимодействия различных видов транспорта, работы порта, логистике, а так же работы по математическому моделированию, в том числе имитационному.
Основополагающими работами в исследовании стали труды Адрианова В. В., Ломаша Д. А. и Рыжикова Ю. И. [3, 85, 140]. Методы исследования
Для достижения поставленной цели использовались методы системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания и графов, теории принятия решений, методы имитационного моделирования и методы многокритериальной оптимизации.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Работа выполнена в рамках паспорта специальности 05.22.19 -«Эксплуатация водного транспорта, судовождение». Содержание специальности: «Разработка научных проблем эффективного функционирования и развития водного транспорта». Область исследования в части п.2 паспорта специальности: «Организация морских и речных сообщений и системы управления транспортным процессом, транспортная логистика на водном транспорте».
На защиту выносятся следующие результаты работы:
? способ формализации процессов, происходящих в транспортных узлах, основанный на системном подходе со стохастическими параметрами функциональных элементов и потоков;
? принципы разработки имитационной модели транспортной сети региона, применительно к импорту контейнеров через порты юга Приморского края.
? схемы функционирования транспортной сети юга Приморского края с анализом их преимуществ и недостатков по результатам моделирования их работы.
Научная новизна
Научная новизна работы состоит в следующем:
выполнена формализация процессов, происходящих в транспортных узлах, позволяющая построить модель с необходимой степенью приближенности к прототипу; ? разработан набор стандартных функциональных блоков и связей между ними, описывающих отдельные процессы, происходящие в транспортных узлах и прилегающих к ним участках транспортной сети;
? создана имитационная модель транспортной сети, позволяющая прогнозировать и выполнять оценку эффективности работы различных видов транспорта в транспортных узлах;
? разработаны подходы к построению регионального распределительного центра.
Теоретическая значимость исследования
Представленная работа развивает теоретические основы и методологию моделирования и оптимизации процессов, протекающих в транспортных узлах. Интерес представляет предложенный подход к формализации транспортных узлов и метод построения модели.
Практическая значимость исследования
Предложенный в работе метод построения модели транспортных узлов позволяет оперативно осуществлять сборку модели любой конфигурации из базовых компонентов.
Разработанная имитационная модель позволяет исследовать чувствительность системы к различным изменениям внешней среды.
Применение результатов исследования на этапе организации работы транспортных узлов будет способствовать повышению эффективности их работы с учетом параметров времени, стоимости и надежности.
Экономический эффект от применения результатов моделирования по предложенному методу может быть получен за счет оптимизации процессов протекающих в транспортной системе и повышения эффективности ее функционирования.
Обеспечивается возможность реализации модели регионального распределительного центра в транспортной сети Приморского края. Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов исследования подтверждается сравнением проведенных экспериментов на базе имитационной модели с фактическими показателями работы тронспортной сети.
Апробация работы
Основные положения и научные результаты работы докладывались на международной конференции по проблемам паромного сообщения между Россией и.Японией в Аомори (Япония), на международной конференции по проблемам морского транспорта в Мальме (Швеция), на международных конференциях FEBRAT - 05, 2005г., FEBRAT - 07, 2007г.
Публикации
По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 7 печатных работ, одна в электронном виде, одна публикация в рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК.
1. Алексеев, И. В. Некоторые результаты моделирования транспортной системы [Текст] /И. В. Алексеев // Транспортное дело России. Специализированный вып., ч. IV. - М.: ИПК «Московская правда», 2006. -С. 26 - 29. 0,3 п.л.
2. Алексеев, И. В. Транспортный ХАБ как современный элемент транспортной системы [Текст] / И. В. Алексеев // Проблемы транспорта Дальнего Востока: Мат-лы шестой междунар. научно-практич. конф. -Владивосток: Изд-во ДВО Российской Академии транспорта, 2005. - С. 227 -229. 0,2 п. л.
3. Алексеев, И. В. Особенности имитационного моделирования транспортных процессов [Текст] / И. В. Алексеев // Сб. мат-лов четвертой научно-практич. конф. — Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2006. — С. 3 — 7. 0,3 п. л.
4. Алексеев, И. В. Привлекательность и конкурентноспособность южных портов Приморья [Текст] / И. В. Алексеев // Сб. мат-лов четвертой научно-практич. конф. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2006. - С. 7 - 18. 0,8 п. л. 5. Алексеев, И. В. Моделирование транспортной системы [Текст] / И. В. Алексеев // Молодежь - наука - инновации. Мат-лы 54-ой региональной научно-техн. конф. творческой молодежи Дальнего Востока. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2006. - С. 656 - 659. 0,3 п. л.
6. Алексеев, И. В. Построение имитационной модели транспортной системы / И. В. Алексеев // Журнал « Современные технологии автоматизации». http://www.cta.ru/online_progr-rnodel.htm. - Загл. с экрана. 0,6 п. л.
7. Алексеев, И. В. Об основных характеристиках бимодальной системы перевозок грузов в специальных транспортных средствах [Текст] / А. Д. Москаленко, И. В. Алексеев // Проблемы транспорта Дальнего Востока: Мат-лы седьмой международной научно-практич. конф. - Владивосток: Изд-во ДВО Российской Академии транспорта, 2007. - С. 38 - 39. 0,1 п. л.
Реализация результатов работы
Некоторые положения выполненной работы включались в разработки проектных организаций при исследованиях вариантов развития контейнерных перевозок.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Объем диисертационной работы - 158 стр., основного текста - 136 страниц. Кроме того, диссертация содержит 51 рисунок и 20 таблиц. Список литературы содержит 197 наименований библиографических источников.
Особенности развития контейнерных перевозок в России
Изначально контейнерные перевозки в России использовались для военных целей. Активное развитие торговых контейнерных перевозок в России пришлось на начало 80-х годов прошлого века. К середине 80-х годов в морском транспортном флоте СССР уже насчитывалось свыше 40 контейнеровозов [67]. Российский контейнерный оборот в 2005 году составил порядка 2,5 млн ДФЭ. Рост оборота контейнеров по сравнению с 2004г. составил 25 %, что в несколько раз превышает общемировые показатели - 8-10 %. Рост морских контейнерных перевозок осуществился за счёт увеличения перевалки контейнеров через Санкт-Петербург - +34 %, Новороссийск - +23 %, Восточный - +30 %, Владивосток - +13 % [101, 195].
По железной дороге в международном сообщении перевезено 0,726 млн ДФЭ, рост составил 9,2 % [195]. Наиболее существенный рост объемов перевозок зафиксирован по нефтепродуктам (в 5,4 раза), строительным материалам (в 2,8 раза), бумаге (в 2,5 раза), промышленным товарам (в 2,2 раза), продукции химической отрасли (в 2 раза), лесным грузам (+70 %), продуктовым грузам (+58 %), черным (+57 %) и цветным металлам (+86 %), оборудованию (+95 %). Максимальное снижение объемов зафиксиовано по перевозке в контейнерах удобрений (-47 %) (рис. 1.2) [150]. Основными торговыми партнерами России являются страны Европы(44 %), на втором месте АТР (34 %), США (12 %), Южная, Центральная Америка (8 %), Африка и Австралия (включая Н.Зеландию и Океанию) по 1 % [150]. По сравнению с другими видами транспорта, на долю морского транспорта приходится больший объем перевозок контейнеров. В 2000г. на морской транспорт приходилось 58 % всех контейнерных перевозок России в международном сообщении, в 2001г. - 65 %, 2002г. - 71 % этот показатель продолжал расти в 2004-2005 гг. [193, 195]. переработанные на терминалах Невской губы, Прибалтики, Финляндии [193, 195].
На Дальнем Востоке РФ автотранспортом перевозится значительно меньшее количества груза. Это связано, прежде всего, с неразвитостью дорожной инфраструктуры в регионе. Большая часть контейнеров в этом регионе перевозится железной дорогой [193]. Распределение контейнеропотока по бассейнам РФ представлено на рис. 1.3. Основная доля контейнерооборота приходится на Балтийский бассейн.
Несмотря на то, что АТР является самым быстроразвивающимся контейнерным рынком мира, доля портов ДВ РФ в общем контейнерообороте страны крайне мала - импорт через порты ДВ РФ в 4,4 раза меньше импорта через Балтийские порты [101, 150, 186, 187, 192]. По прогнозам «ДНИИМФ» для выхода России на контейнерный рынок АТР в качестве заметного участника, необходимо увеличить объем перевалки контейнеров через порты ДВ РФ до 7 млн ДФЭ, что составит порядка 5 % от контейнерооборота АТР [101].
Согласно прогнозу немецкой консалтинговой компании Trans Care, общий объем контейнерных перевозок в России может составить в 2012 году, по крайней мере, 7 млн ДФЭ против объема порядка 2,5 млн ДФЭ в 2005 году. Из прогнозируемых 7 млн около 5 млн ДФЭ, по оценке экспертов, придется на порты. При этом объемы контейнерного грузопотока через дальний Восток России прогнозируется на уровне 1-1,2 млн ДФЭ против 0,388 млн ДФЭ в 2005 году, через Черноморские и Каспийские порты - 1 млн ДФЭ, через российские порты на Балтике - 3,2 млн ДФЭ [150].
Дальнейший рост контейнерных грузопотоков на Балтике осложнен серьезными экологическими ограничениями, на Черноморском и Каспийском недостаточно свободных территорий, пригодных для развития портовых мощностей и ограничены пропускные возможностями пролива Босфор. Подобные ограничения отсутствуют на Дальнем Востоке России. Для роста объемов обработки контейнеров на Дальнем Востоке необходимо развивать транспортную инфраструктуру и оптимизировать взаимодействия различных видов транспорта [101, 193].
Дальнейшее наращивание контейнеропотоков должно происходить за счет развития транспортной системы ДВ РФ и особенно Приморского края, как наиболее выгодно географически расположенного региона.
Конкурентоспособность какой либо части транспортной сети, маршрута зависит от всех ее составляющих. Большая часть оборота контейнеров приходится на порты, поэтому порты являются самым важным звеном в конкурентной борьбе на контейнерном рынке.
В прошлом не существовало конкуренции между портами. При выборе порта грузоотправители в первую очередь руководствовались его расположением по отношению к месту назначения груза. Количество предоставляемых портом услуг было ограничено, и они отличались несущественно. И сегодня существуют порты-монополисты, которые являются единственно возможным связующим звеном в какой-либо транспортной сети. Работу таких портов можно контролировать только императивно.
В настоящее время большинство портов работают в условиях непрерывной конкуренции. Это обусловлено тем, что они функционируют в связке с транспортной сетью, которая их окружает. Сеть дает возможность грузоотправителю использовать различные маршруты для достижения конечной точки, использовать различные альтернативные порты. Порты, как узлы транспортной сети, вынуждены бороться за грузоотправителя, за грузы. Внутри транспортной сети появляется конкурентная среда, которая в свою очередь требует от каждого конкретного порта повышения его привлекательности для грузоотправителя.
Критерии конкурентноспособности и привлекательности морских портов, расположенных на пересечении магистральных направлений движения контейнеров, при перевозки их различными видами транспорта
Наращивание контейнерных перевозок на Дальнем Востоке России связано в первую очередь с развитием портов Приморского края.
Выход Приморского края на контейнерный рынок АТР может произойти только в условиях конкуренции с уже существующими игроками (Япония, Ю. Корея, Китай и др.). Поэтому для того, чтобы говорить о возможности интеграции Приморского края в контейнерный рынок АТР, необходимо говорить, прежде всего, о конкурентноспособности Приморского края на этом рынке.
Поскольку российские дальневосточные порты в основном заняты обслуживанием российских грузопотоков, транзитные возможности Дальнего Востока не реализуются. Преждевременно говорить о том, что российские порты являются участниками международной конкурентной среды. Здесь правильнее говорить о том, что порты обслуживают участие российских экспортеров в международных товарно-сырьевых рынках. Часть российских портов не вовлечена в конкуренцию вообще, часть портов являются активными игроками российских сегментов рынка, и только некоторые из них начинают предпринимать шаги для выхода на международный рынок. Как определить масштабы конкуренции того или иного порта? Ответ можно найти как в масштабах портовой транспортной инфраструктуры, т.е. в степени интеграции порта с транспортной сетью, так и в перечне клиентов порта, в их количестве, их происхождении и т.д. Именно грузоотправители оценивают привлекательность порта и выбирают маршруты и параметры перевозок.
На фоне текущего развития и оптимизации транспортной сети АТР, привлекательной представляется идея создания новых перегрузочных центров, способных принять на себя значительную долю грузопотока стран АТР. По этому поводу был проведен ряд исследований ЭСКАТО, ERINA, КОТ1иДНИИМФ[187].
В результате этих исследований были сформированы предложения по созданию транспортных коридоров, проходящих через территорию Приморского края России, а так преобразования транспортной сети Приморского края в транспортную систему.
В рамках долгосрочной стратегии развития транспортного комплекса ДВ бассейна данная идея базируется на трех моделях работы транспорта [101]:
Первая модель: обеспечение внутренних перевозок + долгосрочная стратегия экспорта топливно-сырьевых товаров.
Вторая модель: первая модель + участие в международных транспортных коридорах. Третья модель: вторая модель + формирование собственных международных и региональных транспортных узлов и деловых транспортных центров.
Сегодня порты ДВ бассейна, в частности и юга Приморья, работают в рамках первой из указанных моделей. Если говорить о международном рынке, то их «не видно» и они окружены мощными конкурентами: Китай, Япония, Южная Корея, которые занимают 42 % всего рынка контейнерных перевозок АТР [189, 191]. Эти страны сегодня формируют структуру международных перевозок в регионе, предлагают маршруты движения грузов и определяют тарифную политику и в конечном итоге формируют транспортную сеть.
Поэтому, для развития в таких условиях, портам юга Приморья необходима конкурентная стратегия выхода на международный рынок перевозок.
Из приведенных выше критериев привлекательности порта (см. параграф 1.3.2), наибольший интерес представляет критерий «степень связности порта», который можно разделить на 3 основных составляющих: близость центров грузообразования, грузопотребления, магистральных направлений движения грузов; техническая связность, соответствие современным техническим требованиям (глубины, оборудование); эффективность окружающей транспортной сети (скорость, стоимость, качество перераспределения грузов).
Разработка имитационной модели транспортной сети юга Приморского края, отображающей организацию обеспечения перевозочного процесса в узлах
Этапы построения имитационной модели системы описаны в работах Ломаш Д.А. и Рыжикова Ю.И. [85, 140]. На основе анализа этих работ сформулируем следующие этапы построения имитационный модели, применимые для исследуемой системы: определение системы; формализация описания системы; подготовка данных; трансляция модели; оценка адекватности; планирование эксперимента; планирование прогонов; проведение эксперимента; анализ результатов; принятие решения о необходимость возврата к какому-либо из пунктов; интерпретация; реализация; документирование.
По Рыжкову Ю.И. [140] имитационная модель выполняет две основные задачи: ? описывает траекторию каждого процесса; ? описывает взаимозависимость между отдельными процессами. Определение системы включает уточнение ее границ с внешней средой; характеристики среды и внешних воздействий; изучение состава, назначения, внешних и внутренних связей; выявление ограничений и выбор показателей эффективности; постановку задачи на исследование. Описание представляется в виде схем, текстов, формул, таблиц экспериментальных данных [140].
На этапе формализации описания системы формулируется и строится формальная схема модели - осуществляется переход от содержательного описания объекта к его математической модели [43, 140].
Наиболее рационально строить модель функционирования системы по блочному принципу, где каждый блок функционирует согласно своей математической модели (совокупность соотношений, определяющих характеристики процесса функционирования системы в зависимости от структуры системы, алгоритмов поведения, параметров системы, воздействий внешней среды, начальных условий и времени) [1, 3, 43].
Моделирующий алгоритм должен адекватно отражать процесс функционирования системы и в то же время не создавать трудностей при машинной реализации модели.
Существует два основных принципа построения моделирующего алгоритма: "принцип At" (алгоритм с детерминированным шагом) и "принцип 5z" (алгоритм со случайным шагом). Для построения адекватной модели по "принцип At" необходимо определить минимальный интервал времени между соседними событиями и принять, что шаг моделирования равен At . В моделирующих алгоритмах, построенных по "принципу 8z", элементы модели просматриваются при моделировании только в моменты особых состояний. При этом длительность шага At=var и зависит как от особенностей самой системы, так и от воздействий внешней среды [1, 3, 43, 63].
Подготовка данных заключается в сборе и обработке результатов наблюдений за моделируемой системой. Как правило, строятся функции распределения случайных величин или вычисляются параметры распределений [140]. Трансляция модели - запись сформированной ранее математической модели на выбранном языке программирования.
В ходе трансляции модели может выявиться диспропорция между требуемой точностью и фактической сложностью модели. Эта диспропорция может быть устранена загрубением низшего уровня детализации. Возможными вариантами такого загрубения являются [140]: укрупнение состояний и фаз процессов; аппроксимация выявленных зависимостей; усреднение характеристик процессов по их аргументам; снижение требований к точности интеграции; замораживание медленно меняющихся параметров; пренебрежение взаимно зависимыми переменными; замена нескольких обслуживающих устройств одним с суммарной производительностью; сведение детальных описаний многокомпонентного процесса к главной составляющей с поправочными коэффициентами.
Оценка адекватности модели заключается в проверке [140]: 1 - полноты учета основных факторов и ограничений, влияющих на работу системы; 2 - соответствия исходных данных модели реальным; 3 - наличия в модели всех данных, необходимых для получения результатов; 4 - синтаксической корректности программы моделирования; 5 - правильности преобразования исходных данных в конечные результаты; 6 - осмысленности результатов при нормальных условиях. Планирование эксперимента определяет совокупность исследуемых вариантов и стратегию их перебора [140].
При планировании эксперимента значение имеет [1, 3, 43, 140]: правильность постановки цели (анализ или оптимизация); степень достоверности исходных данных (при малой достоверности необходимы дополнительные исследования чувствительности модели к вариациям параметров); ресурсы календарного и машинного времени.
Разработка имитационной модели транспортной сети юга Приморского края, отображающей организацию обеспечения перевозочного процесса в узлах
Среднее время нахождения контейнера на складе в ВМТП в ожидании ЖД платформ составляет 4-5 суток (рис. 3.23). Как показано на рис. 3.24 небольшая часть контейнеров вышла из порта в первые, вторые сутки, а часть пролежала на складе порядка 2-х недель. Полученные данные соответствуют реальным.
Как показана на рис. 3.25 и 3.26 большая часть контейнеров пролежала на складе ВМТП в ожидании тягача 6-8 часов, некоторые пролежали до 15 часов. Полученные данные соответствуют реальным.
Модельное время прохождения погранпереходов соответствует реальному (рис. 3.27 -г- 3. 30). Для автоперехода Гродеково - порядка 2-х часов и более, для ЖД перехода - 15 минут и более.
По результатам эксперимента можно сделать вывод, что временные характеристики модели близки к временным характеристикам реальной транспортной сети.
Эксперимент 3
По информации от экпедиторов весной 2006 года стоимость обработки контейнера в порту Владивосток (включая погрузку на ЖД платформу, хранение и аренду ЖД платформы) составляла около 19000 руб (3000 руб/судно - санитарный, пограничный досмотр, 15000 руб/ДФЭ - оплата услуг контейнерного терминала, экспедитора и пр., 1800 руб. - перегрузка контейнера на ЖД платформу, 250 руб/сут средняя стоимость хранения контейнера на складе в порту, 12,25 руб/ч аренда ЖД платформы).
По результатам моделирования средняя стоимость обработки контейнера в течении 3-х месец составила 18998 руб, что соответствует реальным данным.
Как было показано выше (см. гл. 1) для увеличения привлекательности транспортной сети Приморья необходимо позиционировать ее как единую траснспортную систему с единым координационным центром.
Целью дальнейших экспериментальных исследований является поиск лучшего (оптимального из разработанных) варианта функционирования системы по показателям время, стоимость и надежность в условиях увеличения импортного и транзитного контейнеропотока.
Увеличение пропускной способности каналов транспортной системы (наращивание перегрузочных мощностей порта, увеличение числа подъездных путей, ускорение работы контролирующих органов и пр.) позволит увеличить пропускные способности всей системы. Эти меры необходимы, однако на практике их реализация сталкивается с рядом трудностей финансового, нормативного, администраитвного характера. В диссертационной работе автор попытался сформулировать возможные варианты организационной перестройки системы, включающей в себя создания единого координационного центра и некоторых структурных усовершенствований. Эффективность таких организационных изменений функционирования системы была оценена ниже с помощью разработанной модели.
Недостающая информация о работе реальной транспортной сети Приморья заменена наиболее вероятной (по результатам проведенных предварительных прогонов модели). Такое приближение является допустимым т.к. оценка эффективности функционирования альтернативных систем будет производиться на основании качественного сравнения параметров с исходной моделью - на основании сравнения изменения параметров (время, стоимость, надежность) различных вариантов систем можно выявить предпочтительные.
Ниже представлены параметры системы (система 0) по результатам её моделирования (таблица 3.10).
Предварительные исследования показали, что модель чувствительна к производительности ЭВМ, что обясняется её сложностью. В среднем 1 год модельного времени равен 3 часам реального. Конфигурация используемой ЭВМ: Pentium 4, 3000 Кгц частота процессора, 1Гб оперативной памяти. Для моделирования был выбрал интервал времени - 6 месяцев.
Для достижения поставленных в диссертации целей были увеличен импортный, транзитный контейнеропоток Приморского края до 1 млн ДФЭ в год, и уменьшена доля импорта Приморского края в контейнерообороте (Система 1).
Результаты моделирования представлены в таблицах 3.11 и 3.12.
За пол года в систему поступило 138 тыс. контейнеров ДФЭ, что близко к реальным данным. Были переработаны все поступившие суда. Результаты моделирования соответствуют реальным параметрам работы системы. В системе не наблюдалось постоянно нарастающих очередей (т.е. очередей, которые со временем увеличиваются). Представленные в таблице ЗЛО характеристики системы (время обработки в узле, стоимость обработки в узле, брак) будем считать идеальными — к таким параметрам должна стремиться разрабатываемая система.
