Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ теории и практики управления железнодорожными перевозками массовых грузов 8
1.1. Развитие принципов организации процесса перевозок массовых грузов 8
1.2. Организация планирования перевозок массовых грузов 19
1.3. Цель и задачи исследования 32
Выводы по 1 главе 35
2. Принципы построения систем «автодиспетчер» для оптимизации управления подводом масовых грузов 37
2.1. Принципиальная схема управляющей системы 37
2.2. Характеристика объекта управления 43
2.3. Технологическая модель объекта управления 47
2.4. Математическая модель объекта управления 50
2.5. Принципы построения прогнозного графика подвода массовых грузов на станции выгрузки 53
Выводы по 2 главе 62
3. Подсистема планирования системы «автодиспетчер» 65
3.1. Общие положения 65
3.2. Принципы разработки плана согласованной доставки маршрутных отправок 65
3.2.1. Постановка задачи 65
3.2.2. Формирование расчетной модели 70
3.2.3. Алгоритм расчета плана маршрутных отправок 74
3.2.4. Расчет минимально необходимого количества вертушек 79
3.3. Расчет реализуемости плана согласованной доставки грузов методом имитационного моделирования 84
3.3.1. Задачи и особенности имитационного моделирования 84
3.3.2. Структура имитационной модели 87
3.3.3. Вероятностные характеристики имитационной модели 89
3.3.4. Принципы тестирования плана согласованной доставки грузов на имитационной модели 97
Выводы по 3 главе 103
4. Подсистема оперативного управления системы «автодиспетчер» 107
4.1. Технологический мониторинг 107
4.2. Организация управляющих воздействий 111
Выводы по 4 главе 119
5. Эффективность автоматизированного управления подводом массовых грузов 122
5.1. Анализ процесса согласованной доставки сырья для Череповецкого комбината до внедрения управляющей системы 122
5.1.1. Результаты статистических исследований по Оленегорскому ГОКу 125
5.1.2. Результаты статистических исследований по Костомукшскому ГОКу 139
5.1.3. Результаты статистических исследований по Ковдорскому ГОКу 147
5.1.4. Результаты статистических исследований по Череповецкому комбинату 157
5.2. Результаты эксплуатации автоматизированои управляющей системы 161
Выводы по 5 главе 165
Заключение 167
Список использованных источников
- Организация планирования перевозок массовых грузов
- Технологическая модель объекта управления
- Расчет реализуемости плана согласованной доставки грузов методом имитационного моделирования
- Организация управляющих воздействий
Введение к работе
Современные требования к качеству транспортного обслуживания экономики не могут быть реализованы без разработки и внедрения специальных технологий и систем автоматизированного управления, призванных оптимизировать параметры взаимодействия владельцев железнодорожных инфраструктур общего и необщего пользования, перевозчиков и операторов подвижного состава, грузообразующей среды.
Переход от существующих АСУ, являющихся, по сути, информационными системами, к управляющим системам, основанным на математических моделях, позволит сделать технологические формы управления более гибкими. Только тогда технология перевозочного процесса на железных дорогах сможет обеспечить динамичные, рыночные экономические связи надежными и эффективными транспортными связями [1,2].
Географические особенности России определяют базовую роль железнодорожного транспорта в перевозках массовых грузов, к которым относятся железорудное сырье; каменный уголь; удобрения; нефть и нефтепродукты; лесные грузы; черные металлы; строительные грузы (песок, щебень, гравий); цемент; зерно. На долю этих родов груза приходится до 80% всего грузооборота железных дорог России.
Характерной особенностью железнодорожных перевозок массовых грузов, важной для целей данного исследования, является то, что большая часть таких грузов подводится к крупным потребителям, таким как металлургические комбинаты, морские порты, тепловые электростанции, предприятия стройиндустрии. Многоструйные потоки из десятков тысяч вагонов, отправляемых ежесуточно в адрес указанных потребителей, требуют эффективного управления, снижающего существующие потери на стыке производства и транспорта.
Указанные требования положены в основу разработанной в настоящей диссертации системы автоматизированного управления подводом массовых грузов крупным потребителям. Теоретическим базисом исследования послужили труды докторов технических наук А.А. Аветикяна, В.М. Акулиничева, В.И.Апатцева, К.А. Бернгарда, Н.Е. Борового, А.Ф. Бородина, В.А. Буянова, П.С. Ґрунтова, Ю.В. Дьякова, Н.Д. Иловайского, B.C. Климанова, И.Т. Козлова, П.А. Козлова, В.И. Некрашевича, В.Т. Осипова, А.Т.Осьминина, А.П. Петрова, A.M. Пешкова, Е.А. Сотникова, И.Б. Сотникова, Е.М. Тишкина, Л.П. Тулупова, В.А. Шарова, кандидатов технических наук А.Э. Александрова, М.А. Александрова, В.П. Амелина, В.И. Бодюла, А.В. Бугаева, В.К. Буяновой, Ю.В.Былинского, Ф.С. Гоманкова, В.Ф Григорюка, О.А. Жабровой, С.Г. Журавина, Ю.Е. Лукьянова, Н.Г. Мищенко, Ю.А. Негомедзянова, И.П. Новиковой, П.А. Пилипченко, В.Б. Положишникова, А.А. Поплавского, А.Т.Попова, СВ. Трофимова, А.Д. Чернюгова, О.А. Шумской и других исследователей.
Целью настоящего диссертационного исследования является разработка и реализация научно-методических принципов планирования и оперативного управления железнодорожными перевозками массовых грузов в адрес крупных потребителей на базе построения систем автоматизированного управления, основанных на комбинации оптимизационной и имитационной моделей.
На защиту выносятся следующие основные результаты исследования:
1) принципы построения двухуровневой системы планирования работы кольцевых маршрутов в пределах полигона их обращения, состоящей из решающей и проверяющей частей;
2) методика расчета планов работы кольцевых маршрутов, включающая оптимизационную и имитационную модели, адаптированные к специфике задачи, с расчетом резервов на имитационной модели для заданной степени надежности системы;
3) технология выполнения плана работы кольцевых маршрутов, реализующая переход от абстрактного слежения к технологическому мониторингу и поддержке принятия решений.
На основе указанных результатов разработана и внедрена автоматизированная управляющая система согласованной доставки железорудного сырья на Череповецкий металлургический комбинат (ОАО «СеверСталь»). Ее применение позволяет повысить качество внешнего транспортного обслуживания металлургического производства, улучшить использование подвижного состава, повысить эксплуатационную надежность работы железнодорожных направлений и узлов.
Организация планирования перевозок массовых грузов
Любое управление осуществляется во времени и имеет собственную структуру [43]. В первом случае говорят о процессе управления, а во втором о системе управления. То же самое относится и к объекту управления. Во временной проекции он отображается как управляемый процесс, а структурно как управляемая система.
В свою очередь процесс управления осуществляется в виде потока работ, который представляет собой реализации функций управления в отдельные дискретные моменты времени. Согласно теории управления выделим пять основных функций управления, представленных на рис. 1.2:
Планирование - это задание поведения объекта управления в виде программного закона описывающего плановую детерминированную «траекторию» вектора параметров его деятельности - ni\J) на определенном интервале времени Уо ь который принято называть плановым периодом. Мониторинг (слежение) - это сбор информации о фактическом состоянии объекта управления по заданному вектору параметров его деятельности - X. ytj. Контроль (диагностика) - это определение отклонений между запланированным и фактическим состоянием объекта управления &x(t) = x„(t)-xt{t). Регулирование - это оценка выявленных отклонений и выработка управляющего воздействия U[AX(t)\, направленного на обеспечение функционирования объекта управления в рамках запланированных параметров.
Анализ - это подведение итогов осуществления управляемого процесса за плановый период выявление факторов, повлиявших на степень достижения запланированных результатов.
Существует еще одна функция управления — прогнозирование. Прогнозирование - это определение на будущее вероятностных характеристик управляемого процесса. В зависимости от целей исследования функция прогнозирования рассматривается как самостоятельная или объединяется с функцией планирования.
Для получения предсказуемых результатов управления заданными параметрами деятельности X\t) и накопления полезных, добытых опытным путем, знаний управляющие воздействия часто представляют в виде двух составляющих [44]:
1. Программные управляющие воздействия, заданные заранее и зависящие только от времени;
2. Корректирующие управляющие воздействия, формируемые по принципу обратной связи, т.е. зависящие от рассогласований между текущими значениями контролируемых параметров и плановыми.
Формирование программной составляющей управляющих воздействий выполняется на этапе календарного планирования, а формирование корректирующих воздействий - на этапе оперативного управления. В этом случае задача системы управления формулируется как обеспечение приближения действительного состояния объекта управления к требуемому.
Рассмотрим особенности реализации вышеперечисленных функций управления применительно к существующей системе управления перевозками массовых грузов. Причем сразу отметим, что определяющая доля этих грузов в общем объеме всех перевозок определяет и систему управления грузоперевозками: ее структуру, цели и задачи.
Планирование перевозок массовых грузов. До 2002 года на железнодорожном транспорте выполнялось только месячное планирование грузоперевозок на основе месячных заявок от грузоотправителей на перевозку грузов. Поскольку действующий с 2002 года Устав железных дорог России предусматривает непрерывный прием заявок, традиционное месячное планирование было дополнено еще и оперативным. Месячный план перевозок составляется на каждые календарные сутки в целом и с разбивкой по номенклатуре грузов, дорогам назначения, родам вагонов. Оперативное планирование основано на сборе текущих заявок от клиентов — грузоотправителей в плановом месяце.
Процедура месячного планирования состоит в следующем (рис. 1.3). Дороги формируют месячный план погрузки грузов на основе заявок, поступивших к моменту начала планирования, а также прогнозов и особых заданий. Утверждённый начальником дороги проект плана перевозок представляют в ЦФТО не позднее 10 дней до начала планируемого месяца.
ЦФТО разрабатывает проект сводного плана с разбивкой по дорогам отправления и номенклатуре грузов и согласует проект с причастными департаментами ОАО «РЖД». Президент ОАО «РЖД» утверждает месячный план перевозок грузов. Департамент управления перевозками разрабатывает месячные технические нормы эксплуатационной работы на основе утверждённого месячного плана.
План объявляют начальникам дорог не позднее 4-х дней до начала планируемого месяца. Начальники дорог утверждают месячные планы перевозок для станций и объявляют их начальникам отделений, а те в свою очередь объявляют их начальникам станций.
Технологическая модель объекта управления
Процесс согласованной доставки сырья кольцевыми маршрутами (СДКМ) целесообразно представить в виде набора технологических операций, выполняемых в определенной последовательности. Причем завершение каждой операции фиксируется соответствующей контрольной точкой (КТ). Каждая такая контрольная точка имеет название события, которое возникает в результате выполнения той или иной операции, и название места возникновения этого события.
При определении перечня технологических операций, задействованных в процессе согласованной доставки, учитывались следующие обстоятельства:
1. После выгрузки сырья порожние вагоны возвращаются под погрузку на ГОКи в составе маршрутных поездов.
2. Маршрутные поезда как груженые, так и порожние проходят промежуточные станции полигона обращения без переработки.
3. Единственным источником оперативной информации о процессе перевозки сырья для Череповецкого МК является автоматизированная система оперативного управления перевозками (АСОУП).
4. Данные об операциях погрузки на ГОКах и выгрузки на МК в АСОУП не поступают.
В результате, в процесс согласованной доставки сырья, было включено шесть видов технологических операций и шесть видов ко нтрольных точек, представленных в табл. 2.3 и на рис. 2.4.
Поскольку в качестве объекта управления мы определили технологический процесс перевозки массовых грузов кольцевыми маршрутами, то с позиций теории управления выполнение каждого рейса SDG,j = 1,J (J общее количество рейсов СДС КМ) можно рассматривать как вполне определённую цепочку SDG = {Oj, —» Oj2 — ..Оjr — ..OjR } технологиче У ских операций Оjr,r = 1,Rj с известной нормативной длительностью t выполнения каждой, где R- общее количество операций в у -м рейсе -SDG,. Спланированное время Т, начала SDG-, нормативные длительности операций О г и спланированное время завершения связаны выражением TjK=Tjn+2ltjr (2.1)
Кроме погрузки отправителем и выгрузки получателем, остальные операции выполняются железной дорогой (хотя, с точки зрения клиента, дорога выполняет тоже только одну операцию - перевозку). Впрочем, любая услуга (или продукт), выглядящая как одно целое для клиента, для исполнителя разбиваются всегда в цепочку операций, каждая из которых для конкретного исполнителя разбивается на ещё более мелкие и т.д.
Время выполнения технологических операций в процессе выполнения рейсов может отклоняться от нормативного. Выделим следующие три вида отклонений:
1. Ожидание начала очередной операции из - за отсутствия нужных ресурсов (свободных технологических линий, тягово - графиковых ресурсов и др.).
2. Запоздание в окончании текущей операции по причине несоблюдения исполнителями технологической дисциплины, хотя есть все ресурсы, нужные для выполнения операции.
3. Опережение текущей операции, есть все ресурсы, нужные для выполнения операции.
Таким образом, действительное время t? выполнения операции Ojr складывается из времени / ожидания нужных ресурсов, нормативного времени tJr выполнения операции и случайного отклонения , . , имеющего заданный по статистике закон распределения в некотором интервале Отклонение % . может принимать положительные и отрицательные значения. Действительное время Тjx завершения рейса Наличие слагаемых 2_. S ,r в выражении для T д приводит к тому, г=1 что Tjx становится случайной величиной (можно считать, что случайные величины Sr независимые). А наличие слагаемых / t ,г приводит к необ г=/ ходимости имитационного моделирования для расчёта значения Т . Причём, поскольку однократное моделирование для расчёта значения одной реализации случайной величины некорректно, необходимо проведение статистических испытаний на имитационной модели с элементами адаптации. Ре зультатом будет вычисление оценок математического ожидания Е Т% = Е Т и среднеквадратического отклонения .IE (TJK — ETj% J = rTj% времени выполнения рейса доставки.
Одной из важных функций управления сложным процессом перевозки массовых грузов является прогнозирование. Это понятие в зависимости от используемого контекста может иметь различные смысловые оттенки. В данном случае под прогнозированием имеется ввиду определение на будущее вероятностных характеристик управляемого процесса [58].
Как показывает богатая практика железнодорожных перевозок массовых грузов, к наиболее значимым вероятностным характеристикам, безусловно, следует отнести время прибытия грузовых отправок в составе поездов на станцию выгрузки. Эта характеристика во многом определяет качество транспортного обслуживания, задает ритм работы припортовых станций и пограничных переходов [32].
Расчет реализуемости плана согласованной доставки грузов методом имитационного моделирования
Имитационное моделирование является формой расчёта значений показателей некоторого объекта, зависящих от его динамических (меняющихся во времени) характеристик, через воспроизведение на математической (алгоритмической) модели поведения этого объекта в предлагаемых обстоятельствах. При этом, так или иначе, математическая модель объекта сводится к некоторому рекуррентному соотношению вида [60] 1+1 / + 1 ( I I I Л — " »" /--5 TQ\ Y t где 10 -начальный момент времени, нулевой по счёту (нулевой отсчёт времени); Y0 = Y ( 10 ) -заданное начальное состояние объекта (нулевое по счёту) в начальный момент времени; / = 0,1,... -нумерация моментов времени, на которые приходятся изменения состояния объекта; /, -текущий момент времени, /-и по счёту (/-й отсчёт времени); Y, = Y ( t, ) -известное текущее состояние объекта в /-й отсчёт; X , = X ( 11 ) -внешнее воздействие на объект в /-и отсчёт; Ylyl = Y ( tl+1 ) -следующее по счёту за текущим будущее (искомое) состояние; F1+1 ( ) -алгоритмизуемое правило формирования будущего состояния как функции внешнего воздействия, текущего состояния и текущего момента времени; Ti+i ( ) -алгоритмизуемое правило вычисления момента наступления будущего состояния как функции внешнего воздействия, текущего состояния и текущего момента времени.
Возможность применения имитационного моделирования обусловлена, как правило, наличием следующих предпосылок [61]: - дискретизация времени через введение отсчётов; - выделение состояний объекта в отсчёты времени; - пересчёт текущего состояния в будущее.
Основная причина применения имитационного моделирования - это невозможность получения для значений динамических характеристик объекта «быстро» вычисляемой (аналитической) формулы, как функции значений параметров, обуславливающих существование объекта.
К типичным примерам такого рода можно отнести объекты, состоящие из большого количества контактирующих друг с другом элементов с ясными правилами «локальных» взаимодействий, с ситуационно зависимыми исходами. Когда интересуются характеристиками поведения совокупности элементов на таком интервале времени, в течение которого может произойти множество локальных взаимодействий, результаты которых могут зависеть от исходов предыдущих контактов. В частности, это объект с неразделяемыми ресур 86 сами (и/или не всегда - время от времени - доступными ресурсами) для обслуживания некоторых требований по известным правилам, когда надо проверить качество некоторого алгоритма или некоторой программы управления ресурсами объекта. Здесь возможно образование очередей из незанятых ресурсов и/или не обслуженных требований.
Другую группу образуют объекты с непрерывным временем / и обратной связью, в том смысле, что выход Y объекта одномоментно (для того же самого момента /) влияет на поведение объекта через цепь обратной связи. Это соответствует математической модели в виде некоторого уравнения, в котором искомое Y присутствует как в правой, так и в левой частях уравнения [62] Y = F(X ,Y,t) , (3.31) причём зависимость является «вычислимой». Если бы уравнение можно было разрешить относительно искомой реакции Y = F ( X ,Y ,t) = Y = G( X ,t ) , (3.32) в виде некоторой вычислимой функции G , то тем самым можно было бы напрямую получить реакцию по входному воздействию (без всякого моделирования). Когда разрешить уравнение (3.31) нельзя, тогда можно, считая Кв правой части (3.31) «прошлым» известным значением реакции, а в левой -«будущим» неизвестным значением, перейти к рекуррентной схеме (3.30).
Железнодорожная сеть, рассматриваемая с позиций обслуживания потока заказов на перевозки, как раз состоит из большого количества контактирующих агентов, занимающих и высвобождающих ресурсы (погрузочные мощности, пути раздельных пунктов, перегоны, нитки графика движения, вагоны, локомотивы, локомотивные бригады, обслуживающий персонал и пр.), нужные для выполнения перевозок. Мобильные ресурсы (вагоны, локомотивы, бригады) имеют различные циклограммы и полигоны обращения: вагоны могут обращаться в пределах всей сети; локомотивы и бригады - в пределах своих участков. Приём заявок на перевозки грузов происходит непрерывно и асинхронно в разных узлах сети, параметры заявок случайные.
Случайный поток заявок на перевозки порождает случайные (как по направлениям, так и по объёмам) потоки маршрутов и поездов на сети. Маршрутные отправки в составе поездов, перевозимые от границ одного участка обращения локомотивов и бригад к границам другого, постепенно, с ожиданиями локомотивов, бригад, свободных ниток, перемещаются от станции отправления к станции назначения. Вагоны с немаршрутными отправками перерабатываются на сортировочных станциях, дожидаясь накопления на полный «попутный» состав (всякий раз новый).
Организация управляющих воздействий
Задачей диспетчера согласованной доставки является обеспечение отправления порожних вертушек в очередные рейсы после их выгрузки на металлургическом комбинате в соответствии с ритмом, заданным в плановом графике оборота. Такая постановка задачи диктуется двумя обстоятельствами - замкнутым циклом обращения вертушек на полигоне и значительным превышением емкости погрузочных фронтов на ГОКах над размерами разовой маршрутной отправки.
Поскольку согласованная доставка, состоящая из определенной последовательности технологических операций, протекает в условиях воздействия внешних возмущений, для поддержания заданного ритма отправления порожних вертушек в рейсы существуют только две возможности: либо вертушка своевременно возвращается из очередного рейса, чтобы отправиться в свой следующий плановый рейс, либо, если это не происходит, вместо нее в следующий рейс уходит другая вертушка. Реализация первой возможности сводится к изменению длительности операций. Для реализации второй возможности в управляющей системе используется динамический резерв, о котором говорилось выше.
Управляющие воздействия, направленные на поддержание заданного ритма отправления порожних вертушек в рейсы, выполняются по следующим правилам. Если вертушка отклонилась от планового графика оборота, но еще успевает в свой следующий рейс (граничная зона диспетчерского управления), ее маршрутная скорость может быть увеличена. Если вертушка отклонилась от планового графика оборота настолько, что, несмотря на попытки увеличить ее маршрутную скорость, она не может успеть в свой следующий рейс (предельная зона), она с этого рейса снимается и отправляется в динамический резерв, а вместо нее в рейс из резерва отправляется другая вертушка.
Для автоматизации управления заадресовкой порожних вертушек в плановые рейсы была разработана мнемосхема (рис. 4.3) на основе синтезированного графа состояний рейса (рис. 4.4). Описание состояний представлено в табл. 4.1, а условий переходов из одних состояний в другие -в табл. 4.2.
На мнемосхеме все возможные состояния текущих рейсов вертушек относительно плановой КТ «Отправление порожней вертушки» в следующий рейс отображаются набором графических символов, расположенных на оси времени для каждого из трех маршрутов следования. Для удобства работы диспетчера на мнемосхеме также имеется несколько вертикальных линий (рис 4.5). Среди них базовая - линия текущего времени I . Справа от линии текущего времени на расстоянии — а, равном нормативной продолжительности технологической операции «Обработка порожней вертушки по отправлению на станции примыкания», расположена первая « пунктирная линия . Совмещение этой линии с любой из плановых КТ «Отправление порожней вертушки» в рейс сигнализирует диспетчеру о том, что с этого момента должна начаться подготовка порожней вертушки к отправлению.
Крайняя слева пунктирная линия - линия запрета на отправление вертушки в рейс - отстоит от линии текущего времени на расстояние — Ь, равное нормативной продолжительности предельной зоны диспетчерского управления. Справа от линии запрета на расстоянии - а, равном нормативной продолжительности технологической операции «Обработка порожней вертушки по отправлению на станции примыкания», находится еще одна пунктирная линия . Между этими двумя пунктирными линиями расположена зона, окрашенная в красный цвет. Если к моменту перехода КТ «Отправление порожней вертушки» в эту зону окажется, что подготовка вертушки к отправлению в рейс еще не началась, эту вертушку уже нельзя отправлять в рейс. В этом случае рейс будет считаться сорванным.
