Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ теории и практики управления железнодорожными перевозками грузов 6
1.1 Развитие принципов организации процесса перевозок грузов 6
1.2 Организация управления перевозками грузов железнодорожным транспортом 17
1.3 Цель и задачи исследования 26
Выводы по 1 главе 28
2 Принципы построения систем для оптимизации управления подводом массовых грузов 30
2.1 Принципиальная схема управляющей системы 30
2.2 Характеристика объекта управления 35
2.3 Технологическая модель объекта управления 39
2.4 Математическая модель объекта управления 43
Выводы по 2 главе 44
3 Подсистема оптимального планирования 46
3.1 Исходные положения 46
3.2 Построение транспортной сети 46
3.3 Структура ограничений 48
3.4 Структура целевой функции 52
3.5 Отображение в потоковой модели взаимодействия производства и транспорта 53
3.6 Отображение в потоковой модели различных аспектов работы транспорта 56
3.7 Метод решения задачи оптимального планирования 70
Выводы по 3 главе 73
4 Подсистема оперативного прогнозирования 74
4.1 Исходные положения 74
4.2 Построение прогноза 74
4.3 Оценка точности прогноза 77
4.4 Алгоритмы прогнозирования 82
Выводы по 4 главе
Технология автоматизированного управления движением поездов на рудном ходу 88
5.1 Технологические аспекты функционирования системы управления..88
5.2 Порядок работы с системой 90
5.3 Результаты эксплуатации автоматизированной системы управления 101
Выводы по 5 главе 105
Заключение 106
Список использованных источников
- Организация управления перевозками грузов железнодорожным транспортом
- Технологическая модель объекта управления
- Отображение в потоковой модели взаимодействия производства и транспорта
- Оценка точности прогноза
Введение к работе
Актуальность работы. Современные требования к качеству транспортного обслуживания экономики не могут быть реализованы без разработки и внедрения специальных технологий и систем автоматизированного управления, призванных повысить эффективность взаимодействия владельцев железнодорожных инфраструктур общего и необщего пользования, перевозчиков и операторов подвижного состава, грузообразующей среды.
Переход от существующих автоматизированных систем управления, являющихся, по сути, информационными, к управляющим системам, построенным на основе адекватных математических моделей, позволит сделать технологические формы управления более гибкими. Только тогда технология перевозочного процесса железнодорожным транспортом, как общего, так и необщего пользования, сможет обеспечить динамичные, рыночные экономические связи надежными и эффективными транспортными связями.
Цель диссертационной работы. Целью настоящего диссертационного исследования является разработка и реализация научно-методических принципов планирования и оперативного управления железнодорожными перевозками массовых грузов, осуществляемых при производстве железорудного сырья, на базе построения систем автоматизированного управления.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Созданы технологическая и математическая модели полигона промышленного предприятия, учитывающие топологию, технологические операции, выполняемые на полигоне, и события, возникающие при их выполнении.
-
Разработана методика построения подсистем оптимального планирования и прогнозирования, позволяющих осуществлять расчет плана эффективного использования подвижного состава в пределах рассматриваемого полигона.
-
Предложен метод построения автоматизированной системы управления железнодорожным транспортом промышленного предприятия.
Методы исследования. В работе использованы методы, основанные на системном анализе, теории множеств, теории графов, вычислительной математике, дискретной математике, математическом программировании. Для построения математических моделей объектов и процессов в работе использован метод динамического согласования.
Достоверность исследований и научных результатов работы обусловлена корректностью исходных математических положений, подтверждена результатами опытно-промышленной эксплуатации на рассматриваемом полигоне.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- построены технологическая и математическая модели управления технологическими перевозками для транспортной системы промышленного предприятия,
- разработана методика построения структуры диспетчерского управления производственным циклом перевозок массовых грузов на примере горно-обогатительного предприятия,
- предложена и обоснована технология создания системы автоматизации диспетчерского управления транспортной системой промышленного предприятия на примере горно-обогатительного комбината.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в исследовании результаты позволяют повысить качество транспортного обслуживания производственных циклов добычи и усреднения железорудного сырья по качественным характеристикам за счет улучшения использования подвижного состава на промышленном предприятии.
Реализация работы. Полученные в исследовании результаты были использованы при создании автоматизированной системы управления движением поездов в ОАО «Михайловский ГОК», а также в учебном процессе на кафедре «Эксплуатация железных дорог» МИИТ.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на кафедре «Управление эксплуатационной работой» РГОТУПС в 2007-2008 гг. и «Эксплуатация железных дорог» МИИТ в 2009-2011 гг., на техническом совете предприятия ОАО «Михайловский ГОК» в 2010-2011 гг., 5-й международной научно-практической Интернет-конференции «Преподаватель высшей школы в XXI веке» (2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе три работы - в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации (без приложений), включая таблицы и рисунки, составляет 122 страницы. Рисунков в тексте 31, таблиц 29, приложений 2. Список использованной литературы составляет 95 наименований.
Организация управления перевозками грузов железнодорожным транспортом
Рассмотрим особенности реализации вышеперечисленных функций управления применительно к существующей системе управления железнодорожными грузоперевозками на полигоне Михайловского ГОКа.
Планирование в ОАО Михайловский ГОК (в том числе и планирование внутренних железнодорожных перевозок) производится согласно стандарту организации СТО 03.01-2006, который предусматривает годовое, квартальное и месячное составление производственных Программ.
Под годовой производственной Программой понимается документ, определяющий направление развития горных работ, объемы добычи полезных ископаемых, их качественных характеристик, объемы вскрыши и других работ, предусмотренных условиями лицензии на пользование недрами.
Квартальная и месячная Программа составляется на основе годовой Программы и обеспечивает своевременное и равномерное производство продукции в течение планируемого периода. Квартальная и месячная Программа состоит из двух основных направлений производственной деятельности комбината: - программа горных работ; - программа работ по перерабатывающему комплексу. Формирование Программы осуществляется под руководством заместителя главного инженера - начальника технического отдела комбината. Расчеты объемов квартальных и месячных Программ производства выполняются на основе справки, выдаваемой коммерческим директором комбината в технический отдел по объемам отгрузки товарной железорудной продукции на планируемый период. Рассмотрение Программы производится под руководством главного инженера комбината. Дата рассмотрения Программ утверждается главным инженером комбината по предложению начальника технического отдела не менее чем за 10 суток до начала планируемого периода.
Основополагающим документом, определяющим производственно-технические показатели на планируемый период, является «Протокол технического совещания у главного инженера по рассмотрению производственной программы на планируемый период».
Протокол технического совещания является основным документом для планово-экономического отдела при составлении бизнес-плана и для производственного отдела комбината при составлении плана-графика вскрышных работ, добычи и переработки руды.
В течение двух суток после рассмотрения Программы утвержденный протокол по электронной почте рассылается цехам комбината. Не менее чем за сутки до начала планируемого периода производственный отдел комбината рассылает цехам План-график производства вскрышных работ добычи и переработки руды. На основании этого плана-графика производственный отдел УЖДТ составляет План-график перевозок горной массы по УЖДТ.
После получения утвержденного Протокола планово-экономическое бюро УЖДТ расписывает «Технологию грузоперевозок железнодорожным транспортом» на планируемый период и передает в технический отдел УЖДТ. Технический отдел УЖДТ производит расчет производительности локомотивосоставов по каждому виду перевозок и расчет оборудования на все виды перевозок, которые утверждает начальник УЖДТ.
В течение месяца плановые объемы перевозок корректируются Недельно-суточными графиками.
Ежесменно в электронном виде Рудоуправление выдает план добычи и отгрузки богатой руды, план добычи и отгрузки бедной руды (приложение 9), и устно (по телефону) информацию о работе вскрышных экскаваторов.
Оперативное управление железнодорожными перевозками на полигоне Михайловского ГОКа осуществляется диспетчерским аппаратом. Режим работы диспетчерского аппарата - 12-ти часовой рабочий день по скользящему графику. С 7.15 до 7.30, (19.15-19.30) - проверка явок дежурных по станциям; выдача наряда сигналистам; анализ прошлой смены.
С 7.35, (19.35) - ознакомление с поездным положением, с наличием фронтов погрузки и выгрузки, состоянием ж.д. путей и контактной сети, расположением подвижного состава на приемо-отправочных путях станций, плановыми заданиями на смену. 8 - начало смены.
Исходные данные для диспетчирования: - недельно-суточное задание на смену и график очередности подачи шихты на ДОК предоставляет диспетчер комбината; - поездное положение участка, состояние ж.д. путей, контактной сети, расположение подвижного состава предоставляют поездной диспетчер предыдущей смены, ДСП станций участка; - наличие фронтов погрузки и выгрузки предоставляют диспетчеры ДОК, ДСФ, Рудоуправления; - объемы и направления внутрицеховых перевозок и маневровой работы предоставляет начальник смены УЖДТ.
Исходные данные поступают в форме нерегистрируемых телефонограмм, кроме графика очередности подачи шихты (регистрируется в специальном журнале). Работой диспетчерского аппарата руководит производственный отдел УЖДТ, который распределяет подвижной состав и отвечает за обеспечение подвижным составом смежников согласно заявкам на перевозку грузов и выполнение хозяйственных работ.
Технологическая модель объекта управления
Комбинат построен на базе Михайловского месторождения, расположенного в 100 километрах севернее города Курска и входящего в структуру круп-ного массива железистых кварцитов площадью 6,5 х 2,5 км . Объем разведанных запасов руды составляет более 11 млрд, тонн, что является достаточным для работы предприятия на введенных мощностях на протяжении 300 лет. МГОК производит около 20 % отечественного железорудного сырья, на его долю приходится 25 % общероссийского производства окатышей.
Активно осваивая богатую сырьевую базу, Михайловский ГОК ежегодно увеличивает инвестиции в модернизацию действующих и строительство новых производственных мощностей, разработку и внедрение новых энергосберегающих технологий, что дает предприятию возможность расширять ассортимент и улучшать качество производимой продукции. Комбинат производит следующие виды железорудного еырья:
Основные потребители продукции комбината на внутреннем рынке: Ко-согорский металлургический завод, комбинаты «Уральская Сталь» и «Тулачер-мет», Западно-Сибирский, Магнитогорский, Челябинский металлургические комбинаты, заводы «Северсталь», «Петросталь», «Ижсталь», «Свободный Сокол». Зарубежными партнерами комбината являются металлургические предприятия Чехии, Словакии, Венгрии, Польши, Румынии, Украины. Железоруд ная продукция комбината также отгружается в Казахстан, Исландию, и Китай. География рынка сбыта железорудного сырья на экспорт постоянно расширяется за счет увеличения объемов продаж и включения в число потребителей новых партнеров.
Железная руда на Михайловском ГОКе добывается открытым способом (рис. 2.2). Добытая руда затем транспортируется собственным железнодорожным транспортом в места ее последующей переработки в готовую продук-цию[15]. Аналогичным образом перевозится и пустая порода в виде скальной и рыхлой вскрыши.
В соответствии с топологией полигона Рудный ход включает в себя 9 станций (Карьерная, Кварцитная, Медовая, Нулевая, Разгрузочная, Рудничная, Траншейная, Усредсклад, Центральная). Погрузка руды осуществляется экскаваторами на 6 станциях рудного хода (Медовая, Нулевая, Рудничная, Траншейная, Усредсклад, Центральная) в 15 местах (тупиках и путях) погрузки. Выгрузка руды производится на станциях Разгрузочная и Верхний парк. Перевозки руды и вскрыши на ГОКе выполняются локомотивосоставами, состоящими, как правило, из 10-12 думпкаров. :?;
Процесс перевозки железной руды и вскрыши (рис. 2.3) осуществляется кольцевыми маршрутами и включает в себя погрузку, следование груженых ло-комотивосоставов к местам выгрузки, выгрузку и следование порожних локо-мотивосоставов (ЛС) к местам погрузки.
В технологии производства железорудного сырья Михайловского ГОКа железная руда в зависимости от процентного содержания в ней железа делится на бедную и богатую, а вскрыша в зависимости от процентного содержания в ней гранитных фракций - на скальную и рыхлую. Для перевозки на полигоне «Рудный ход» бедной и богатой руды, а также скальной вскрыши, используется общий парк локомотивосоставов. Это означает, что после выгрузки любой ло-комотивосостав может получить назначение (быть заадресован) на погрузку любого из трех вышеназванных грузов.
Залежи бедной руды на Михайловском месторождении сильно отличаются по ряду технологических параметров (процентному содержанию железа, посторонних примесей, твердости пород и т.д.) Это вынуждает комбинат заниматься шихтовкой бедной руды, то есть смешиванием в определенных весовых пропорциях этой руды, добытой из разных мест природного залегания. Для этого на комбинате используется оригинальная технология шихтовки бедной руды путем задания очередности подачи локомотивосоставов под выгрузку в виде так называемого Графика шихтовки (ГШ). С этой целью все места залегания бедной руды распределены по зонам перегрузки на железнодорожный транспорт так, чтобы в пределах одной зоны находился только тот продукт, у которого содержание железа с заданной точностью было бы определенным. В ГШ, в свою очередь, указывается, сколько груженых локомотивосоставов, из каких зон и в какой последовательности должно поступать на выгрузку в течение заданного времени (часа, смены). процесс перевозки железной руды и вскрыши кольцевыми маршрутами 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. В результате в процесс перевозки железной и руды и вскрыши было включено пять видов технологических операций и пять видов контрольных точек, представленных в табл. 2.4.
Отображение в потоковой модели взаимодействия производства и транспорта
Каждая станция обладает ограниченной вместимостью, определяющей максимальное количество подвижного состава, которое может находиться на станции или месте погрузки/выгрузки. В модели вместимость определяется пропускной способностью дуг хранения запасов у поставщиков и потребителей. Под пропускной способностью таких дуг в задаче понимается предельное количество подвижного состава или груза, которое реально может находиться в отображаемый дугой период времени на станции. На рис.3.8 узел «поставщик» S1 связан дугами транспортировки с узлом «потребитель» S2. Вместимость узла поставщика ограничивает количество груза, которое может храниться у поставщика. В соответствии с условиями, принятыми в примере ат (1) d (t) , обслуживание потребителя проводится за два такта. Рассмотрим пример, в котором вместимость узла ограничена количеством хранящихся у него порожних и груженых локомотивосоставов (рис. 3.9). В узлах одновременно присутствуют ограничения для груза, груженных и порожних маршрутов. Условия хранения в узле определяются стоимостью хранения груженого и порожнего подвижного состава. По нахождению порожних локомотивосоставов после выгрузки приоритет отдавался станциям погрузки, поскольку в этом случае станции погрузки не испытывают недостатка в погрузочных ресурсах, а на станциях выгрузки существуют резервы пропускной способности поездов. В начальный момент времени в узле «поставщик» Sy присутствует порожний локомотивосостав, который ожидает момента начала погрузки в такт 3. Вместимость узла «поставщик» Sx dxs(t) ограничивает общее количество груженых и порожних локомотивосоставов, которые могут храниться у поставщика. В результате при условии, принятом в примере в (1) dx(f), прибытие порожнего локомотивосостава из узла «потребитель» S2 происходит к третьему такту. (i) (0
Ограничения по объемам хранения груженых и порожних локо мотивосоставов в узле 3.6.4 Отображение перевозок груженых и порожних локолотивосоставов между поставщиками и потребителями
На каждой станции одновременно может находиться ограниченное число локомотивосоставов с учетом соответствия технических возможностей конкретной станции.
Ограничение пропускной способности по величине перевозки между одним поставщиком и одним потребителем накладывается на дугу, отображаю щую перевозку между поставщиком 1 и потребителем 2 (рис. 3Л0). С технологической точки зрения такого рода ограничение характеризует количество отправляемых из узла поездов в единицу времени.
Пусть узел Sx отображает станцию-поставщика, связанную со станцией-потребителем 2. Каждая дуга транспортировки характеризуется пропускной способностью. Пропускная способность d c, отображает количество груженых локомотивосоставов, которые могут быть отправлены от поставщика Sr Ggi рода груза к потребителю .Пропускная способность - d, отображает количество порожних локомотивосоставов, которые могут быть отправлены от потребителя 5j 0g2 рода груза к поставщику S2.
Ограничение, накладываемое на общую пропускную способность по дугам транспортировки у станции-поставщика 5,, выразим следующим образом:
Ограничение пропускной способности дуги перевозки Поскольку на выбранном для данного исследования полигоне взаимодействие между поставщиками и потребителями применительно к бедной руде происходит на основе графика шихтовки, существует необходимость наложения ограничений пропускной способности по суммарной величине перевозок от нескольких поставщиков к одному потребителю. Такого рода ограничение задается с целью предотвращения одновременного отправления нескольких поездов со станции или одновременного прибытия к потребителю поездов от нескольких поставщиков.
На рис.3.11 представлен пример подобного ограничения - когда от поставщика в любой момент времени можно отправить груз в адрес только одного потребителя. Станция-поставщик Sx связана дугами транспортировки со станциями-потребителями S2,S3. Каждой из дуг соответствует пропускная способность dss (t), dss (г), отображающая максимальное количество локомотивососта-вов, отправляемых в единицу времени со станции Sx на станции выгрузки S2,S3. При наличии груза у поставщика Sx в первый такт времени для удовлетворения заявки потребителя S3, ограничение (О по общей пропускной способности станции в момент времени t не позволит осуществить одновременно поставки в адрес разных потребителей. Соотношение, описывающее ограничение на общую пропускную способность станции S , примет следующий вид: (U io+u io+u i0+u w diit), (3.1б) где Ufsc(t), U"sc(t) - количество груженых и порожних локомотивососта-вов, соответственно, отправленных от поставщика Sx к потребителю S2 в такт t\ Uspc(t\ U"c(t) “ количество груженых и порожних локомотивосоставов, соответственно, отправленных от поставщика Sx к потребителю S3 в такт t. agSi(l) d;(t) - момент производства груза у поставщика; - момент потребления груза у потребителя; s— - погрузка груза; /-—Ч - выгрузка груза; ," ч - хранение груза у поставщика: ,-- Ч - хранение груза у потребителя; — - транспортировка груженого маршрута; — - транспортировка порожнего маршрута; - вариант решения.
Пункты графика шихтовки, которые не могут быть обслужены по условиям задачи перевозками от поставщиков, могут удовлетворяться из начального запаса (см. рис. 3.12). Однако, если не существует начального запаса, способного в необходимых объемах удовлетворить потребление, к моменту которого ни одна перевозка не успевает, то задача считается «несбалансированной» и не решается обычными методами.
Заявки потребителей, которые не могут быть обслужены по условиям задачи, удовлетворяются в необходимых объемах специально вводимыми в задачу «фиктивными» переменными. А суммарная величина значений «фиктивных» переменных, отображающих неудовлетворенное потребление, и будет моделировать минимально необходимый начальный запас груза на станциях или фронтах. Подобная ситуация представлена на рис. 3.13 - поскольку к заявкам потребителей перевозки не успевают, то потребление в объемах bgh(2) и й№(1) удовлетворяется с помощью «фиктивных» перевозок. Следовательно, у потребителя S2 необходим начальный запас груза в объеме bgSi(2), а у потребителя S, - в объеме А (1) .
Оценка точности прогноза
В колонке «ЭКГ Ожид. Заадресовка» отображаются (по порядку); - номера экскаваторов, расположенных на местах погрузки, на которые производится заадресовка локомотивосоставов согласно плану шихтовки; - вычисленное значение времени «ожидания» погрузки в минутах как времени между планируемым прибытием локомотивосостава на место погрузки и планируемым началом погрузки; определяемые автоматизированной системой данные о месте погрузки согласно плану шихтовки, как прогнозные - для груженого локомотивосостава (точнее, для локомотивосостава, не прошедшего ТТ), так и окончательные - по факту прохождения локомотивосоставом ТТ. Данные о заадресовке отображаются в виде номера пути (тупика) и названия станции погрузки.
Для окраски ячеек данной колонки используются два цвета - один для груженых локомотивосоставов, другой - для выгруженных. Левую и правую части центральной области главного диалогового окна разделяет ось текущего времени.
В левой части центральной области главного диалогового окна отображается график выполнения операций с локомотивосоставами. На графике отображаются операции погрузки (треугольник влево), движения с грузом (прямоугольник), операции выгрузки (треугольник вправо) и движения ТТГїН О Ж"1-Г Я" КОЛІ (прямоугольник). Цвет заливки фигур (треугольников прямоугольников) определяется предустановленными цветами для загруженных различными видами грузов, порожних и прочих локомотиво-РОРТЯ "ROR Кроме этого на прямоугольниках (операциях) движения локомотивосоставов с грузом предустановленными цветами (в данном случае и на красным и зеленым) отображаются отклонения (отставание и опережение) каждой из этих операций.
В правой части центральной области главного диалогового окна отображается в графическом виде прогноз движения до ТТ относительно момента времени окончания последней на текущий момент операции с локомотивосоставом.
В правой части главного диалогового окна для груженых локомотиво-отображаются суммарные отклонения времени движения по маршруту следования от норматива (опоздания -, или опережения +), образовавшиеся на момент времени окончания последней операции с локомотивосоставами. В нижней правой части главного диалогового окна отображаются текущие дата и время, получаемые как дата и время последнего из событий, произошедших с локомотивосоставами, гружеными рудой или скалой.
При поступлении из ИС МГОК шихтовочных пакетов системой решается задача оптимальной заадресовки порожних локомотивосоставов под погрузку бедной рудой. Первый раз задача запускается пользователем. Все последующие решения производятся автоматически в цикле, длительность которого задается таймером, если только пользователь не пожелает пересчитать задачу заново. В этом случае цикл решения по таймеру прерывается, выполняется решение задачи, после чего опять запускается цикл решения по таймеру. Каждый раз результат решения задачи оптимальной заадресовки отображается в виде плана погрузки в нижней части главного диалогового окна (рис. 5.4 а, б, в, г). План погрузки развернут на шкале времени в виде ттпс ПР довательности пиктограмм (символ экскаватора) различного цвета, шсположенных по временам начала погрузки. Зеленый цвет пиктограммы означает, что для обеспечения данного пункта плана погрузки в ТТ зафиксировано появление порожнего локомотивосостава; желтый цвет - для обеспечения данного пункта плана погрузки прогнозируется появление в ТТ порожнего локомотивосостава; серый цвет - данный пункт плана погрузки в настоящий момент времени не обеспечен.
Пользователю предоставлена возможность активно влиять на подготовку данных для решения задачи оптимальной заадресовки, на моменты запуска задачи и на результаты полученного решения. Для этого он в любой момент времени может осуществлять в системе следующие манипуляции с локомотивосоставом: - переводить локомотивосостав из множества «наши» во множество «не наши» (а); - менять «нашим» локомотивосоставам до прохождения ими КТ род груза и/или место погрузки в следующем порожнем рейсе, а после прохождения КТ - в текущем порожнем рейсе (Ь); переводить локомотивосостав из множества «не наши» во множество «наши» (с).
