close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Основы совершенствования системы организации вагонопотоков на железнодорожном транспорте

код для вставкиСкачать
Книга посвящена проблемам совершенствования системы организации вагонопотоков на железнодорожном транспорте. В ней сформулированы и обоснованы наиболее перспективные направления развития системы в условиях рыночных отношений. Рассмотрена автоматизир
РОСЖЕЛДОР
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения»
(РГУПС)
В.Н. Скляров
ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВАГОНОПОТ
О
КОВ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРА
НСПО
Р
ТЕ
Учебное пособие
Часть I
Автоматизация процессов управления грузовыми п
е
ревозками
Ростов
-
на
-
Дону
2006
2
УДК 656.225(07)+06
Скляров, В.Н.
Основы совершенствования системы организации вагонопотоков на ж
е-
лезнодорожном транспорте
. Ч
. I
. Автома
тизация процессов управления груз
о-
выми перевозками
/
В.Н. Скляров
. Рост. гос. ун
-
т путей сообщения. –
Ро
с-
тов
н/Д, 2006. ­
100
с. : ил.
Рецензенты:
нач. службы перевозок С.Д. Числов (СКЖД);
канд. техн. наук, проф. А.И. Филоненков (РГУПС)
Книга посв
ящена проблемам
совершенствования системы организации вагонопотоков на железнодорожном
транспорте. В ней сформулированы
и обоснованы наиболее перспективные направления развития системы в услов
и-
ях рыночных отношений
. Р
ассмотрен
а а
в
томатизированная система у
правления вагонопотоками
, определена ее роль
в организации перевозочного процесса
. Отдельное
внимание уделено постановке актуальных теоретических и практ
и-
ческих задач автоматизации управления грузовыми перево
з
ками.
Книга р
екомендована в качестве учебног
о пособия для студентов очной и заочной форм обучения по специальности «Организация перевозок и управл
е-
ние на транспорте (железнодорожный транспорт)».
© Ростовский государственный университет
путей сообщения, 2006
3
СОДЕРЖАНИЕ
Предислови
е ……………
…………………………………………………………. 5
1
Анализ системы организации вагонопотоков на железнодорожном тран
с
порте
......................................................................
7
1.1 Основные при
нципы системного анализа ………………………………
7
1.2
Роль и назначен
ие си
стемы организации вагонопотоков …………….
11
1.3 Оценка качества работы системы
……………………………………...
14
1.4 Структура системы организации вагонопотоков
……………………..
21
1.4.1 Иерархическая структура управления
………………………...
21
1.4.2 Информационно
-
управляющая структ
ура
……………………
23
1.4.3 Функциональная структура управления
……………………...
26
1.5 Пути и перспективы повышения качества управления вагонопотоками
……………………………………………
28
Выводы по главе
…………………………………………………………….
3
3
Библиографический список ………………………………………………...
3
3
2 Автоматизация управления грузовыми перевозками
…………………….
3
4
2.1 История развития автоматизации управления вагонопото
ками
……..
34
2.2 Математическая модель управления вагонопотоками
……………….
38
2.2.1 Модель транспортной сети железных дорог
…………………
38
2.2.2 М
одель грузовых перевозок на транспортной сети
………….
40
2.2.3 Модель оптимального управления перевозками
……………..
41
2.3 Математические методы и алгоритмы управления вагонопотоками
…………………………………………...
4
5
2.3.1 Понятие вычислительной скор
о
сти алгоритма
…
…
………..
46
2.3.2 Понятие точности алгоритма
………………………………….
48
2.3.3 Методы планирования вагонопотоков
………………………..
50
2.3.4 Анализ устойчивости вариантов
………………………………
54
2.3.5
Оперативное управление
……………………………………...
60
2.4 Информационное обеспечение АСУВ
………
………………………...
66
2.4.1 Анализ тенде
н
ций развития
…………………………………...
66
4
2.4.2 Основные этапы проектирования
……………………………..
69
2.5 Обзор программных комплексов АСУВ
………………………………
7
4
2.5.1 Справочные автоматизированные системы
…………………..
75
2.5.2 Информационно
-
аналити
ческая система
……………………..
78
2.5.3 Информационно
-
управляющая система
……………………...
80
2.5.4 План
и
рующие системы
………………………………………...
8
1
2.6 Оценка эффективности автоматизации управления
………………….
84
В
ыводы
по главе
…………………………………………………………….
8
5
Библиографический спис
ок ………………………………………………...
87
Приложение
……………………………………………………………………….
88
5
Предисловие
Предлагаемое
учебное пособие
является изложением первой части курса ле
к
ций по дисциплине «Совершенствование технологии работы направлени
й и системы организации ваг
о
нопотоков».
Актуальность данной дисциплины обусловлена переходом деятельн
о
сти железнодорожной отрасли в сферу рыночных отношений, поэтому анализ раб
о-
ты транспорта и разработка стратегий дальнейшего функционирования и разв
и-
тия должны выполняться с точки зрения конкурентоспособности пр
о
изводимой продукции.
Как известно, основной продукцией железнодоро
ж
ного транспорта являются перевозки (грузовые и пассажирские), качество которых напрямую зависит от эффективности эксплуатацион
ной работы железнодорожных н
а-
правлений и системы организации вагонопотоков. Именно поэтому задача с
о-
вершенствования эксплуатационной работы транспорта была выделена в Фед
е-
ральной целевой программе реформирования отрасли в число наиболее ва
ж-
ных.
Сформулиро
ванная
задача определяет целевое назначение дисциплины как «описание и анализ методов и перспектив совершенствования работы н
а-
правл
е
ний и системы организации вагонопотоков». Следует учитывать
, что в условиях постоянно меняющихся требований к железнодорожны
м перевозкам процесс совершенствования можно охарактеризовать как бесконечный. Поэт
о-
му цель данного учебного пособия заключается не только в описании до
с-
тигнутых результатов, но и формулировании актуальных прикладных з
а-
дач, требу
ю
щих решения в ближайшей пе
рспективе
, а также указания
(по возможности) путей
их решения.
Исследование и развитие технологии работы направлений представляет масштабную задачу принятия решений, рассматриваемую на уровне Департ
а-
мента управления перевозками. Анализ задачи охватывает с
амые различные аспекты деятельности отрасли –
политические, макроэкономические, реги
о-
нальные, технологические и т.д. Поэтому, совершенствование технологии р
а-
боты направлений –
сложная оптимизационная задача, ее решение часто вкл
ю-
чает в себя прикладные реко
мендации директивного характера, которые не вс
е-
гда оч
е
видны
м образом согласуются со
сформулированным
и
целям
и
.
Задача совершенствования системы организации вагонопотоков реш
а
ется 6
на самых различных уровнях управления перевозочным процессом (станциях, дорог
ах, транспортной сети), ее решение носит более прикладной, доступный для восприятия характер. Поэтому
изложение курса лекций начинается с анализа перспектив
и методов развития системы организации вагоноп
о-
токов
. Автоматизация процессов управления перевозка
ми на транспорте не сл
у-
чайно представлена в данном
учебном пособии
как наиболее важный этап с
о-
вершенствования системы
на современном этапе
. Уровень развития информ
а-
ционно
-
управляющих комплексов на транспорте достаточно сильно влияет на ра
з
личные аспекты уп
равления перевозочным процессом, такие как технология с
о
ставообразования, иерархическая организационная структура аппарата управления перевозками, порядок сменно
-
суточного планирования эксплуат
а-
ци
онной работы
. В связи с этим
на современном этапе автоматиза
ция управления п
е
ревозками является наиболее приоритетным направлением развития системы орг
а
низации вагонопотоков
.
Анализ и решение проблемы автоматизации процессов управления пре
д-
полагает наличие достаточно глубокого знания основ дискре
т
ной математики, м
атематических методов оптимизации, типовой архитектуры автоматизирова
н-
ных и информационных систем. Поскольку курс лекций ориентирован н
а ст
у-
дентов специальности 190701
–
«Организация перевозок и управление на транспорте (железнодорожный транспорт)», стилю изложения материала по п
е-
речи
с
ленным разделам уделено большое внимание.
Практика показывает, что часто простые в своей основе исходные идеи при разработке математического метода или алгоритма, претендуя на универсальность, обрастают тяжелыми и трудными по
д
робностями. Однако
даже незначительное сужение класса ра
с-
сматриваемых задач принципиально упрощает восприятие материала. П
о-
скольку да
нное уче
б
ное пособие
ориентировано
на инженера
-
пра
ктика, в нем
принят «физический» уровень сложности
, т.е. такой, который д
остато
ч-
но строг с научной точки зр
е
ния (т.е. обеспечивает точную и однозначную трактовку определений
и описания методов
) и одновременно
является поня
т-
ным и наглядным при изуч
е
нии
материала
. 7
1
АНАЛИЗ С
ИСТЕМ
Ы ОРГАНИЗАЦИИ ВАГОНОПОТОКОВ
НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАН
С
ПОРТЕ
1.1 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА
В производственной практике постоянно возникают комплексные задачи принятия решений, требующие всест
о
роннего исследования. Их появление обус
ловлено ситуациями, которые характеризуются различием между необх
о-
димым (или желаемым) результатом и фактической данностью. Решение таких задач заключается в достижении минимальной разности между этими состо
я-
ниями. Практикой доказано, что эффективное решен
ие может быть получено лишь при использовании методологического подхода, устанавливающего опр
е-
деленные правила
и порядок исследований. Наибольшее распространение п
о-
лучили два подхода к решению практ
и
ческих задач: локальный и системный.
Локальный подход яв
ляется более простым, для целого класса прикла
д-
ных задач его применение эффективно и оправданно. Основная идея локальн
о-
го подхода сводится к перечислению составляющих элементов объекта иссл
е-
дов
а
ния, их изолированному детальному изучению, анализу взаимодейс
твий между эле
ментами. Однако
опыт исследования современных комплексных о
т-
раслевых з
а
дач показывает, что применение данного подхода в большинстве случаев не позволяет найти удовлетворительного реш
е
ния. В основе применения системного подхода заложено понят
ие «система». В настоящее время не существует единой строгой формулировки этого термина. Так
,
в монографии
В.Н.
Садовского
«
Основания общей теории с
истем»
ра
с-
смотрено
34 определения термина «система». Это связано, в частности, с тем, что данный подход унив
ерсален и используе
т
ся для решения задач в самых различных теоретических и практических о
б
ластях. Мы будем понимать под системой
единство взаимосвязанных и взаим
о-
влияющих элементов, расположенных в определенной закономерности в пр
о-
странстве и во времени, совместно действующих для достижения общей ц
е
ли. Связь между элементами системы реализуется через входные и выходные во
з-
действия (рис 1.1).
8
Рис. 1.1
.
Схема абстрактной системы
Рисунок 1.1 отражает одну важную особенность любой рассматрива
е
мой системы
: система не только состоит из элементов, но и сама является элеме
н-
том некоторой более общей сист
е
мы. Для описания основной идеи системного подхода представим систему множеством: .
(1.1)
Н
аиболее существенным признаком системы
является ее целостность
, которая определяет основную задачу системного подхода следующим образом: найти средства фиксации и исследования интегральных свойств системы, кот
о-
рые
не сводятся к сумме свойств ее элементов. Для этого
применяется совоку
п-
ность различных способов деко
м
позиции
системы на элементы. Каждый способ означает, что относительно любой системы мы будем иметь дело с н
е-
которым набором ее раз
личных описаний (морфологическим, функционал
ь-
ным, информационным и т.д.), между котор
ы
ми потом устанавливаются связи.
Каждое внутреннее описание системы
выполнятся по совокупности ее характеристик: свойств
системы, отн
о
шений
между элементами системы, связей
данной системы с другими системами, структуры
системы и ее иерархического строения
.
Для внешнего описания системы
методология системно
го подхода пред
у-
сматривает определение взаимоотношений системы со средой
, целей
сист
е-
мы и ее подсистем , описания поведения
системы , установление критериев оценки работы
системы и
управления
системой , основанного на циркул
и-
рующей в системе и окружающей ее среде инфо
р
мации
.
Представление системы (1.1) позволяет определить системный подход
Система Система S
-
1
Система S
-
2
Система S
-
3
Система S
-
4
Входное воздейс
т
вие
Выходное воздейс
т
вие
9
как совокупность директивных руководящих принципов, устанавливающих сп
о
собы и порядок исследования задачи.
Системный подход не дает готового
набора р
е
цептов решения проблем, а лишь формирует навыки исследования сложных комплексных задач
.
Прикладным методом системного подхода явл
я-
ется системный ан
а
лиз. С
ист
емный анализ ­
это совокупность определенных научных методов и практических приемов комплексного решения проблем на основе системного подхода и представления объекта исследования в виде системы.
В прикладном плане системный анализ вырабатывает рекомендации
по созданию новых си
с-
тем или усовершенствованию существующих
с целью максимального прибл
и-
жения фактических результатов исследования к необходимым (или желаемым).
Опираясь
на системн
ый
подход к решению задач, в системном анализе пр
и
нята следующая последова
тельность исследований
:
1
Анализ проблемы: определение ее сущности, оценка принципиальной разр
е-
шимости проблемы, выбор объекта исследования (т.е. сист
е
мы).
2
Внешнее описание системы: определение целей и задач функционир
о
вания системы , описание поведения системы , ее взаимоотношений с внешней средой , критериев оценки качества работы системы . Выполнение данн
о-
го этапа позволяет определить факторы, влияющие на работу сис
темы
,
тем самым перейти от сформулированной пр
о
блемы к совокупности прикладных задач, тр
е
бующих решения.
3
Внутреннее описание системы: формирование совокупности ра
з
личных представлений системы и описание каждого из них по следующим х
аракт
е-
ристикам: свойства
системы , отношения
, связи
, структура
сист
е
мы , иерархическое строение системы
. Реализация данного этапа дает пре
д
ставление о ресурсах системы, которые мы можем задействовать при решении задач.
4
Декомпозиция задач. Этот этап необходим, если сформулирова
н
ные на 2
-
м этапе задачи не могут быть решены при помощи существующих методов
и приемов. Приведем пример: допустим, бы
ла поставлена задача –
«автомат
и-
10
зировать процесс ведения
бухгалтерского учета на предприятии». Для реш
е-
ния этой задачи существуют готовые пр
о
граммные продукты (например
, «1С:Бухгалтерия», «Парус»), поэтому решение задачи сводится к их грамо
т-
ному пр
и
менению
. Если же поставлена задача «автоматизировать процесс управления перевозками», то для ее решения не существует готовых реце
п-
тов. П
о
этому, отвечая на ряд целенаправленных вопросов (таких как
:
«какие этапы управления пока не автоматизированы
?
», «в чем заключ
ается сло
ж-
ность автоматизации: не разработано программное обеспечение или не на
й-
ден точный алгоритм управления
?
» и т.д.) выполняется декомпозиция исхо
д-
ной задачи на более мелкие. Если и эти задачи не могут быть решены, д
е-
композиция повт
о
ряется.
5
Формировани
е альтернативных решений проблемы, их оценка, сравн
е
ние и выбор наилучшего.
6
Построение комплексной программы решения (т.е. формирование упра
в-
ляющих решений ): формулировка мероприятий проектов и программ, о
п-
ределение очередности и ме
роприятий по достижению целей, распредел
е
ние сфер деятельности, разработка плана мероприятий в условиях ограничений по ресурсам и времени, распределение ответственности между организаци
я-
ми руководителями и исполн
и
телями.
Реализация выбранного варианта реш
ения задачи в теории системного анализа рассматривается как процесс управления системой. Управление системой
–
процесс целенаправленного воздействия на р
е-
сурсы системы во времени, изменяющий порядок ее деятельности для дост
и-
жения оптимального режима ее р
аботы
. Поскольку э
ффективность деятельн
о-
сти
системы определяется ее выходным воздействием
(оцениваемым через кр
и-
терии качества работы)
, управлени
е
может быть представлено принципиальной схе
м
ой (рис. 1.2).
В зависимости от постановки проблемы, выделяют дв
е цели управляющ
е-
го воздействия на систему:
11
Рис
.
1.2
.
Принципиальная схема управления системой
1) поддержание системы в режиме функционирования. Данная цель означает, что управляющие решения должны обе
с
печивать деятельность системы на некотором зада
нном уровне (т.е. критерии качества работы системы не должны выходить за
пределы допустимого интервала);
2) развитие системы. Эта цель подразумевает улучшение деятельности системы по отношению к настоящему периоду.
Постановка проблемы совершенствования си
стемы организации вагон
о-
потоков ориентирует решение задачи на поиск управляющих решений
, обесп
е-
чивающ
их
развитие си
с
темы.
1
.2
РОЛЬ И НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВАГОНОПОТОКОВ
Железнодорожный транспорт –
классический пример большой системы, отличительн
ыми характеристиками кот
о
рой являются: 1
целенаправленность и управляемость системы, наличие у всей системы о
б-
щей цели
и назначения, задаваемых и корректируемых в системах более в
ы-
соких уровней; 2
сложная иерархическая структура организации системы, предусма
тр
и
вающая сочетание централизованного управления с автоно
м
ностью частей; 3
большой размер системы, то есть большое число частей и элементов, вх
о
дов и
выходов, разнообразие выполняемых функций; 4
целостность и сложность поведения. Сложные, переплетающиеся вза
имоо
т-
ношения между переменными, включая петли обратной связи, приводят к тому, что изменение одной влечет изменение многих других п
е
ременных. Система
Орган управления
Входное возде
й
ствие
Выходное возде
й
ствие
Команды управл
е
ния
Обратная
связь
12
При исследовании целей и задач деятельности железнодорожного тран
с-
порт
а
и всех его подсистем целесообразно
примен
ять так называемый принцип двойственного подхода
.
Т.е. с одной стороны –
это относительно обособленная сложная динамическая система, развивающаяся по определенным закономе
р-
ностям, а с другой –
неотъемлемая часть народного хозяйства, ее инфрастру
к-
турная под
система, подчиняющаяся в своей работе требованиям взаимодейс
т-
вующих с ней отра
с
лей.
Важнейшими элементами железнодорожной транспортной системы я
в-
ляются станции и прилегающие к ним уч
а
стки, а основным связующим звеном –
корреспондирующие вагонопотоки и пасс
ажиропотоки, объединяемые в п
о-
езда различных катег
о
рий и назначений. Выработка управляющих решений по объединению исходных вагоноп
о-
токов в поезда возложена на систему организации вагонопотоков (СОВ) осно
в-
ная роль
которой заключается в обеспечении оптималь
ного (т.е. в соответствии с целями функционирования железнодорожной отрасли) режима работы эл
е-
ментов транспортной сети (участков и ста
н
ций)
. В соответствии с принципом двойственности
, требования к системе орг
а-
низации вагонопотоков, определяющие цели ее фу
нкционирования, делятся на потребительские и эксплуатацио
н
ные.
К
наиболее главным
потребительским требованиям
клиентуры железн
о-
дорожного транспорта к системе орган
и
зации вагонопотоков на сегодняшний день относятся:
1
)
о
беспечение перевозок в полном объеме;
2)
минимальные сроки
доставки груза;
3)
снижение тарифных ставок
за грузовые перевозки;
4)
предоставление детальной информации о продвижении груза.
К эксплуатационным требованиям
следует
отнести:
1)
проследование вагонопотоков по экономически выгодным маршрутам и сн
и
жение затрат накопления и переработки вагонопотоков
(для обеспечения минимальных эксплуатационных расходов и снижения себестоимости
пер
е-
13
возок)
;
2)
рациональное распределение технических ресурсов сети (для осущест
в
ления максимальных объемов перевозок).
Анализ
перечисленных требований позволяет сгруппировать их по вр
е-
менному и стоимостному признакам. П
о
этому главная цель
функционирования системы организации вагонопотоков в условиях рыночных отношений форм
у-
лируется следующим образом: достижение минимальных экспл
уатационных расходов и временных затрат на выполн
е
ние заданного объема перевозок за счет принятия оптимальных управляющих решений по организации вагоноп
о-
токов. Исходя из главной цели, основное функциональное назначение
системы организации вагонопотоков оп
ределяется как выбор оптимального вариа
н
та управления перевозочным процессом
. Приведем пример. На рисунке 1.3 показана схема участка с зарожда
ю-
щимися на его станциях вагонопотоками и
з
вестной суточной мощности (где ­
переменная величина, указывающая на номер вагонопотока)
. Ни
же приведены
три варианта организации вагонопотоков в поезда. Полная совоку
п-
ность возможных решений для данной схемы уч
а
стка состоит из 10 вариантов, для десяти расчетных станций линейного
направления –
вариантов. Среднее количество расчетных станций транспортного полигона дороги с
о-
ставляет 20
-
30, а для сети железных дорог –
более ста. На всем множестве д
о-
пустимых решений СОВ должна обеспечить выбор единственного вар
ианта, который максимально удовлетворит всю совокупность требований, предъя
в-
ляемых к организации перевозок. Такой вариант и будет называться оптимал
ь-
ным.
Решение задачи усложняют изменения мощности и назначений заро
ж-
дающихся вагонопотоков во времени. П
о
это
му выбор оптимального варианта до
л
жен осуществляться при каждом таком изменении, т.е. быть динамическим
.
Процедура выбора основана на сравнении показателей качества альтерн
а-
тивных вариантов.
14
Приведенные затраты поездообразования
N1+N4+N6
N1+N2+
N4+N5
N1+N2+N3
Вариант№3
N6
N2+N5
N4
N2+N3
N1
Вариант №2
N4+N5
N3
N1+N6+N4
N1+N2
Вариант №1
N6
N5
N4
N3
N2
N1
Исходные вагонопотоки
A
B
C
D
Схема участка
Рис
.
1.3
.
Варианты поездообраз
ования на транспорт
ном полигоне:
­
суточная
мощность
-
го вагоноп
отока (ваг.)
1
.3
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА РАБОТЫ СИСТЕМЫ
Качество работы любой системы характеризуется ее продукцией. Пр
о-
дукция системы
­
результат процесса ее функциониро
вания (т.е. выходное возде
й
ствие системы), обладающий полезными свойствами. Результат может быть овеществленным (сырье, материалы, химические продукты, технические устройства и т.д.) и не овеществленным (эне
р
гия, информация, управляющие воздействия). Исход
я из функционального назначения системы организации в
а-
гонопотоков, ее продукция определяется как совокупность управляющих реш
е-
ний, устанавливающих порядок
организации
грузовых перевозок на транспор
т-
ной с
е
ти
. Продукция системы, согласно определению, выража
ется через ее свойс
т-
15
ва. Свойство продукции
­
объективная особенность продукции, ко
торая может проявляться при ее создании, эксплуатации или потреблении. Для описания п
е-
ревозок могут применяться такие свойства, как скорость доставки, точность доставки (по времени и по месту), сохра
н
ность груза, стоимость перевозки и др. Н
а
бор свойств для любой продукции практически бесконечен, однако
,
целевое назначение работы системы (которое может со временем изменяться) позволяет объединить часть свойств в группу, о
п
реде
ляющую качество продукции.
Качество продукции
­
совокупность свойств продукции, обус
-
ловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соо
т-
ветствии с ее назначен
и
ем. С переходом на рыночные отношения состав и структура требований к качес
тву управления перевозками значительно изменились. Сегодня основн
ы-
ми свойствами, характеризующими качество управления, являются:
-
время доставки груза ;
-
себестоимость перевозок .
Важным этапом исследования с
истемы организации вагонопотоков явл
я-
ется анализ изменения качества ее работы во времени, который выполняется путем сравнения показателей качества. Показатель качества продукции
­
к
о-
личественная характеристика одного или нескольких свойств продукции, вх
о-
дя
щих в ее качество. При анализе качества пр
о
дукции выделяют единичный, комплексный, определяющий и инт
е
гральный показатели качества.
В настоящее время железнодорожный транспорт обладает достаточно развитой системой показателей (количественных и качественн
ых), позволя
ю-
щей разносторонне оценить эффекти
вность его работы
.
Время доставки груза опр
е
деляется через показатели: груженый рейс (среднее расстояние пробега вагона в груженом состоянии, (км)) и среднесуточный пробег вагона в груж
е-
ном состоянии (среднесуточная скорость с учетом всех остановок на ста
н-
циях, (км/сутки)):
16
(1.2)
где: ­
среднее время, затраченное на погрузочно
-
выгрузочные операции, (ч
).
Показатель косвенно зависит от качества работы СОВ, поскольку о
б-
ласть его изменения ограничивается топологической схемой транспортной с
е-
ти, а основную роль в значении показателя играют назначения заявок на пер
е-
возку грузов. Знач
ение среднесуточного пробега вагона в груженом состоянии напрямую определяется эффективностью управляющих решений, формиру
е-
мых в СОВ, и зависит как от установленного варианта плана формирования п
о-
ездов, так и от оперативных решений диспетчерского персонала
. Поэтому в дальне
й
шем для оценки качества работы СОВ мы будем использовать систему показателей . Среднесетевая динамика изменения приведена на р
и-
сун
ке
1.4
.
Рис.
1.4
.
Динамика из
менения среднесуточного пробега грузового ваг
о
на
Оценить и проанализировать динамику изменения себестоимости перев
о-
зок
(с позиций эффективности управления)
путем сравнения абсолютных зн
а-
чений, полученных за рассматриваемый период, невозможно
без одноврем
е
н-
ного анализа ряда других показателей
(
таких как
динамик
а
роста цен на п
о-
требляемые железнодорожным транспортом энергоресурсы
, степень износа т
я-
гового и подвижного состава
). Это связано с применяемой в настоящее время 17
методикой расчета показателя себестои
м
о
сти.
Себестоимость перевозок определяется делением фактических эк
с-
плуатационных расходов на объем выполненных перевозок (измеряемый в то
н-
но
-
километрах, пассажиро
-
километрах, приведенных тонно
-
километрах). При оценке качества раб
оты системы организации вагонопотоков калькуляция себ
е-
стоимости выполняется по движенческим опер
а
циям перевозочного процесса
,
в которые включена большая группа расходов отраслевых хозяйств: локомоти
в-
ного, в
а
гонного, пути, СЦБ и связи, хозяйства перевозок, электрификации и электроснабжения, расходы по содержанию аппар
а
та управления.
Учет всех затрат и расчет себестоимости перевозок на организацию и в
ы-
полнению перевозочного процесса –
до
с
таточно сложная и трудоемкая задача, которая решается в рамках анализа качества работы системы организации ваг
о-
н
о
потоков за достаточно длительный период. При этом определяются доли расходов по различным статьям, предлагаются мероприятия для их сниж
е
ния. При оперативной оценке эффективности работы системы (например
,
за месяч
ный период) качество управления грузовыми перевозками по свойству себестоимости определяют через систему качественных и количественных п
о-
каз
а
телей работы. В настоящее время разработаны специальные расчетные методы, позв
о-
ляющие определять себестоимость дл
я конкретных условий перевозок. Они о
с-
нованы на выявлении зависимости расходов железных дорог от различных и
з-
мерителей и показателей работы или времени, затрачиваемого на выполнение отдельных операций перевозочного процесса. Для расчета себестоимости пер
е-
в
озок основными являются: метод расчета себестоимости по отдельным стат
ь-
ям номенклатуры расходов, метод расходных ставок, метод коэффициентов и
з-
менения среднедорожной себестоимости перевозок, метод удельных весов ра
с-
ходов, метод коэффициентов вли
я
ния. Наиб
олее полные и точные результаты расчета получают при использ
о-
вании первых двух методов. В этом случае система калькуляционных измер
и-
телей отражает все элементы перевозочного процесса: пробег вагонов, локом
о-
18
тивов, поездов по видам движения и тяги; время зат
раченное на выполнение работы, простои подвижного состава; работу бригад по обслуживанию локом
о-
тивов, пое
з
дов; прием и отправление грузов.
К таким калькуляционным измерителям, зависящим от качества управл
е-
ния, относятся:
1
)
вагонно
-
километры (
): ; где ­
процент пробега порожних вагонов к груженым, ­
д
и
намическая нагрузка груженого вагона;
2)
вагонно
-
часы (
): ; где ­
участковая скорость движения поездов, ­
средняя дальность перевозки одной тонны гр
у-
за, ­
время, затрачиваемое на начально
-
конечную операцию, ­
вагонное плечо или с
реднее расстояние между техническими станциями, ­
среднее время простоя вагона на одной технич
е
ской станции.
3)
локомотиво
-
километры (
): ; где ­
вагонные тонно
-
ки
лометры брутто, приходящиеся на 100 т*км рассматриваемых перев
о-
зок, ­
масса поезда брутто, ­
коэффициент, учитывающий долю всп
о-
мог
а
тельного пробега поездных локомотивов по отношению к пробегу их во главе поез
дов.
4)
локомотиво
-
часы (
): ; где: ­
доля вспомогательного линейного пробега п
о
ездных локомотивов по отношению к пробегу их во главе поездов, ­
среднесуточный про
бег локомотива;
5)
бригадо
-
часы локомотивных бригад (
):
; где: ­
средневзвешенная участковая скорость движения локомотивов, ­
коэффициент, учитывающий дополнительн
ое время, затрачиваемое л
о-
комоти
в
ной бригадой в основном депо и пунктах оборота;
19
6)
маневровые локомотиво
-
часы, приходящиеся на 1000 эксплуатацио
н-
ных тонно
-
километров (
): ; где: ­
к
о
личе
ство вагонов, поданных под погрузку
-
выгрузку.
На основании проведенных технико
-
экономических исследований из приведенных формул были выделены следующие качественные показатели, з
а-
висящие от управляющих решений по организации вагонопотоков, изменение кото
рых оказывает наибольшее влияние на себ
е
стоимость перевозок:
-
­
масса поезда брутто поезда,
-
­
участковая скорость движения поезда,
-
­
процент пробега порожних вагонов к груженым,
-
­
коэффициент, учитывающий долю вспомогательного пробега п
о-
ездных локомотивов по отношению к пр
о
бегу их во главе поездов.
При этом, показатели , связаны с себестоимостью обратно пропо
р-
ц
иональной зависимостью:
,
(1.3)
а показатели , ­
прямо пропорциональной зависимостью: (1.4)
где: ­
велич
ина себестоимости, состоящая из не зависящих и условно
-
постоянных расходов, не изменяющихся при изменении показателя; ­
величина себестоимости, состоящая из зависящих расходов, меня
ю-
щихся обратнопропорционально (прямопропорционально
) к изменению пок
а-
зателя; ­
показ
а
тель, связанный с себестоимостью перевозок. Динамика изменения среднесетевых значений показателей , прив
е-
дена на рисунках 1.5
­
1.6
.
При анализе рабо
ты с позиции функционирования основной задачей я
в-
ляется поддержание работы системы в у
с
тойчивом режиме. Для этого в рамках оптимизирующей подсистемы СОВ выполняется расчет нормативных (план
и-
руемых) значений количественных и качественных показателей, а анал
из кач
е-
20
ства работы СОВ в течение планового пери
о
да направлен на максимальное прибл
и
жение зависящих показателей к нормативным. В этом случае качество работы системы организации вагонопотоков оценивается совокупностью пок
а-
зат
е
лей .
Рис. 1.5. Динамика изменения участковой скорости
Рис. 1.6. Динамика изменения среднего веса брутто грузового поезда
Анализ направлений и методов
развития системы предполагает улучш
е-
ние качества ее работы по отношению к предыдущим плановым п
ериодам. В системе организации вагонопотоков данная задача возложена на аналитич
е-
скую подсистему и в этом случае оценивать эффективность работы СОВ цел
е-
сообразно через систему показателей . Для выявления ресурсов, спосо
б-
ных улучшить данные показатели качества работы системы, необходимо оп
и-
сать и выпо
л
нить анализ ее структуры.
21
1.4
. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВАГОНОПОТОКОВ
1.4.1 Иерархическая структура управления
Управление перевозочным про
цессом реализуется в рамках следующих террит
ориальных объединений: сеть ж
е
лезных дорог РФ, регион сети железных дорог РФ, линейный район
(район местной работы)
. Деление сети железных дорог на регионы и линейные районы осуществляется по технологическому при
н
ципу:
-
в регион включаются железные дороги
или их части, в рамках которых прео
б-
ладает завершенный цикл перевозок гр
у
зов (более 70
-
80
%). В регион входят ц
е
ликом участки ДНЦ, гарантийные участки, участки работы локомотивных бригад. В основном
в рамках регионов замыкаются участки работы локом
о-
тивов и зоны обращения кольцевых ма
р
шрутов;
-
в район местной работы входят станции
, связанные единой технологией орг
а-
низации местной работы и потоками местных поездов. Опорная станция обе
с
печивает развоз местных и порожних вагонов на прикрепленные станции и сбо
р погруженных (выгруженных) ваг
о
нов.
Органами управления перевозочным процессом являются центр управл
е-
ния
перевозками (ЦУП), дорожный
цент
р
диспетчерского управления (Д
Ц
У
П
)
,
це
нтр управления (ЦУМР) (рис. 1.
7
).
ЦУП обеспечивает управление перевозочным проце
ссом в пределах сети железных дорог РФ. Основными его задач
а
ми являются:
-
управление вагонопотоками и грузопотоками по принципу зарождения и п
о-
гашения их во взаимосвязи с ДЦУП и ЦУМР;
-
взаимосвязь с представительствами всех видов транспорта РФ;
-
взаимос
вязь с крупными клиентами, операторскими компаниями, портами, пограничными станциями, зарубежными потребителями транспортных у
с
луг;
-
взаимосвязь с ЦФТО по планированию и выполнению перевозок, а также по информационному обеспечению пользователей о месте ди
слокации и ожида
е-
мом прибытии перевозимых грузов.
22
Рис. 1.7
.
Иерархическая структура управления перевозками
Д
ЦУ
П
обеспечивают управление перевозочным процессом в пределах дороги
. К его осно
в
ным задачам относятся:
-
организация движения гр
узовых, пассажирских и пригородных поездов по у
с-
тановленному графику;
-
исполнение оперативных плановых заданий диспетчеров ЦУП по общесет
е-
вым грузовым перевозкам;
-
организация грузовых перевозок по заявкам ДЦФТО;
-
планирование, предоставление и организа
ция «окон» для работы техн
и
ческих служб;
-
организация развоза м
естного груза
;
-
выполнение технических нормативов работы дороги.
ПЕРЕВОЗОЧНЫЙ ПР
О
ЦЕСС
Центр управления пер
е
возками (ЦУП)
Дорожные центры ди
с
петчерского
упра
в
ления (ДЦУП)
Центры управл
е
ния местной работой (ЦУМР)
АРМы работников
­
исполн
и-
телей
технологических опер
а-
ций и ус
т
ройства
железнод
орожной автом
а
тики
23
ЦУМР руководит перевозочным процессом в пределах отделения дороги
. Его основные задачи:
-
взаимодействие с отправителями (полу
чателями) грузов на территории отд
е-
ления дороги
, планирование и обеспечение выполнения планов грузовой р
а-
боты ста
н
ций;
-
управление местной работой (развоз местного груза и порожних вагонов под погрузку, сбор погруженных и выгруже
н
ных вагонов);
-
управлени
е сортировкой вагонов и контейнерами и мелкими отправками, р
а-
бота с клиентурой на местах общего пол
ь
зования;
-
переработка транзитного вагонопотока, обеспечение смены локомотивов и локомотивных бригад;
-
взаимодействие с вагонными депо и его подразделениям
и по неисправным в
а-
гонам, организация п
одготовки вагонов под погрузку;
-
взаимодействие с локомотивными депо по обеспечению поездными локом
о-
тивами для своевременного отправления поездов со станций.
1.4.2 Информационно
-
управляющая структура
Управление пере
возочным процессом строится по принципу сквозных информационно
-
управляющих технологий, направленных от ЦУП к рабочим местам работников линейных районов и устройств железнодорожной автомат
и-
ки. В настоящее время на железнодорожном транспорте на различных уро
внях иерархии управления функционирует ряд а
в
томати
зированных комплексов (рис. 1.8
), выполняющих информационные, управляющие, контролирующие и аналит
и
ческие задачи организации перевозок.
Основным функциональным назначением этих комплексов являе
т
ся:
АСОУП –
автоматизированная система оперативного управления пер
е-
возками реализует технологии оперативного управления, обеспечивает взаим
о-
действие линейного и дорожного уровней, связь на уровне железных дорог. К основным функциональным задачам АСОУП относятся 1) эл
ектронизация д
о
-
24
ЦУП МПС
Анализ показат
е-
лей
Выработка регул
и-
ровочных мер
о-
приятий
Прогноз
Планирование
ЕК ИОДВ
Авторизация
Тех
нологический акцепт, расчет пр
о-
возной платы
Логический ко
н
троль
Аналитические приложения
Многомерная а
р-
хивная ЕМПП
КИХ
Грузоотправители
АКС ФТО
Прием и обработка заявок
ЭТРАН
Оформление пер
е-
возочных докуме
н-
тов
АСО УП
ДИСПАРК
ДИСКОН
ДИ
С
ЛОК
Авторизация
Сервер БД ЕМПП
Модель состояния перевозочного процесса
Плановые нормы и показатели
Модел
ь поведения
ДЦУП
Ситуационное управление
ЦУМР
Управление мес
т-
ными поездопот
о-
ками и вагоноп
о-
токами
Рис. 1.8. Информационно
управляющая структура системы организации вагонопотоков
24
25
кументооборота по натурным листам (на базе создания поездных моделей
д
о-
рог), 2) оперативный
пономерной контроль за погрузкой
-
выгрузкой вагонов (ведение модели погрузки
-
выгрузки), 3) операт
ивный контроль за дислок
а
цией и работой лок
о
мотивов и локомотивных бригах 4) автоматизированное ведение банка данных парка вагонов и контейнеров 5) автоматизация информационной системы электронной дорожной ведомости (технология безбумажного офор
м-
ления доку
ме
н
тов на перевозку грузов.
ДИСКО
Н ­
Автоматизированная система управления контейнерными п
е-
ревозками в качестве информационной основы имеет размещенные на всех уровнях управления
взаимоувязанные базы данных о каждом контейнере по его номеру.
Система предн
азначена для сбора и
обработки данных об использов
а-
нии контейнерного парка, оперативного управления контейнерными перево
з-
ками.
ДИСПАРК –
Автоматизированная система пономерного учета, контроля дислокации, анализа использования и регулирования вагонного пар
ка на ж
е-
лезных дорогах России. Основная цель функционирования системы –
повыш
е-
ние эффе
к
тивности регулирования вагонного парка на дорожном и сетевом уровнях и распределения ответственности между железными дорогами за кач
е-
ство использования транспортных сред
ств, обеспечение своевременного и по
л-
ного удовлетв
о
рения заявок клиентов СФТО, оздоровление вагонного парка на сети дорог. В системе решены следующие задачи прикладного характера: 1)
взаиморасчеты между государствами за пользование вагонами, 2) разделение управл
е
ния парками своих и «чужих» вагонов 3) контроль за использованием собственных в
а
гонов.
АКС ФТО –
автоматизированная комплексная система фирменного транспортного обслуживания предназначена для обеспечения взаимосвязи
м
е-
жду грузовладельцем и перевозч
иком (железнодорожным транспортом), а та
к-
же друг
и
ми участниками перевозочного процесса.
КИХ –
Корпоративное информационное хранилище ­
это предметно
-
ориентированная, интегрированная, неко
р
ректируемая, зависимая от времени 26
информационная среда, предназначе
нная для поддержки принятия управленч
е-
ских решений. Информационное хранилище ГВЦ предназначено объединять, анализировать и хранить как единое целое информацию, из разрозненных оп
е-
ративных баз данных. Информационное хранилище содержит данные о перев
о-
зочной работе станций, отделений, дорог, административных районов, гос
у-
дарств ближнего и дальнего зарубежья. В состав анализируемых показателей входят: объемы перевозок грузов по отправлению и назначению, провозная плата в ру
б
лях и валюте, тарифы, используемые пр
и начислении провозной платы, орган
и
зации ­
плательщики (экспедиторы) и многие другие. На основе данных информационного хранилища разработаны аналитические приложения для оценки стру
к
туры грузопотоков, тенденций изменения объема и структуры перевозок, пров
о
димой тарифной политики, потерь доходов при перевозках, деятельности экспедито
р
ских фирм.
1.4.3 Функциональная структура управления
Целью создания приведенной информационно
-
управляющей структуры орга
низации вагонопотоков (рис. 1.8
) является автоматизация
процесса упра
в-
ления перевозками на всех этапах: начиная от перспективного планирования организации вагонопотоков и рас
чета технологических нормативов ­
и зака
н-
чивая формированием управляющих операти
в
ных решений и оценки качества работы сист
е
мы. Повышение
уровня требований к качеству управления перевозками в у
с-
ловиях рыночной экономики, увеличение неравномерности перевозок в п
о-
следние десятилетия привели к изменениям функциональной структуры техн
о-
логич
е
ского процесса управления грузовыми перевозками (рис. 1.
9
).
Помимо расчета нормативного плана формирования поездов на этапе г
о-
дового планирования, возникла необход
и
мость анализа его устойчивости к прогнозируемым колебаниям и расчета альтернативных (запасных) вариантов, позволяющих компенсировать дополнительны
е затраты на выполнение перев
о
-
27
Рис. 1.9. Функциональная структура управления перевозками
Плановые объ
е-
мы перевозок
Базовая модель упра
в-
ления вагонопотоками
Множество альте
р-
нативных моделей управления
Нормативная модель управл
е-
ния вагонопотоками, вариа
н-
ты ситуационного управления
Комплект упра
в-
ляющих решений
Статистическая м
о-
дель грузовых пер
е-
возок
Внешние во
з-
мущ
е
ния
Ситуационное управление перевозк
а
ми
Анализ усто
й-
чивости базовой модели
Формирование
модели управл
е
ния вагонопот
о
ками
Формирование
нормативной мод
е
ли и вариантов корректиро
в
ки
Расчет графика движения поездов и технологических нормативов работы эл
е-
ментов транспортной сети
График движения пое
з-
дов, эксплуатационные норм
ативы
27
28
зок, вызванные различными видами колебаний (месячными, сезонными) заро
ж-
дающихся вагонопотоков.
Анализ представленных структур позволяет сформулировать следующие пути решения проблемы совершенствования системы организации вагонопот
о-
ков:
-
автоматизация управления организацией вагонопотоков;
-
совершенствование технологии перевозочного процесса;
-
совершенствование организ
ационно
-
управляющей структуры.
Уточнению и анализу сформулированных направлений посвящен
сл
е-
дующий
параграф.
1.5
. ПУТИ И ПЕРСП
ЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА УПРАВЛЕНИЯ В
А
ГОНОПОТОКАМИ
Признаком повышения качества работы системы организации вагоноп
о-
токов являе
тся улучшение показателей ее функционирования, т.е. уменьшения фактического времени перевозки грузов за счет увеличения суточного проб
е
га вагонов в груженом состоянии и
снижения доли себестоимости грузовых пер
е-
возок, зависящей от качества управления в
а
гоно
потоками. Анализ вр
емени оборота вагонам (рис. 1.10
) показал, что наибольшее влияние на величину показателя оказывает доля простоя вагонов на техн
и-
ческих станциях (примерно 2/5 от общего времени)
,
которая во многом зависит от эффек
тивности планирования и оперативного управления организацией в
а-
гонопотоков. Поэтому, определив среднесуточный пробег вагона по фо
р
муле ,
(1.5)
где: ­
средняя ходовая скорость движения вагонов в составе поездов (без учета простоев на станциях), ­
суммарное среднесуточное время пр
о-
стоя вагонов на технических ста
н
циях,
выделим как критерий
оптимизации
, зависящий от управляющих р
е-
шений СОВ. 29
Рис. 1.10
.
Распределение времени нахождения вагона под операциями перевозо
ч
ного процесса
Причин столь неэффективного управления перевозочным процессом мн
о
жество, однако
,
результаты исследований показали, что одной из главных является технология формирования управляющих решений в СОВ. Дело в том, что задачи планирования и оперативного управления организацией вагонопот
о-
ков относятся к классу задач высокой вычислительной сложности,
характер
и-
зующихся большой размерностью исходных данных и наличием стохастич
е-
ских входных параметров. Одновременно с этим в настоящее время не в полной мере разработано и внедрено математическое и программное обеспечение, п
о-
зволяющее автоматически в режиме реального времени формировать опт
и-
мальные упра
в
ляющие реш
ения. Так, например, в последние годы наметилась тенденция к укрупнению диспетчерских участков (по сути к увеличению ра
з-
мерности реша
е
мой задачи оперативного управления перевозками), хотя работа функционирующих АСУ сводится лишь к информационному описанию дин
а-
мической поездной модели и ее ан
ализу, а управляющие реш
е
ния по
-
прежнему формируются ди
с
петчерским персоналом «вручную». Поэтому, интеллектуализация процессов планирования, оперативного управления и анализа работы СОВ на осн
о
ве современных информацион
ных 2000 2001 2002 2003 2004 2005 30
технологий
является одним из основных направлений совершенствования си
с-
темы.
К наиболее очевидным мерам по уменьшению себестоимости перевозок
(для этого достаточно проанализир
о
вать формулы расчета калькуляционных измерителей)
от
носятся внедрение новых технологических решений в перев
о-
зочный процесс
–
увеличение массы поезда и участковой скорости, уменьш
е-
ние порожнего пробега вагонов и т.д. Однако их эффективное применение н
е-
возможно без тщательного теоретического обоснования
. Прив
едем простой пр
и
мер.
Допустим, при разработке плана формирования поездов рассматривается вопрос об увеличении нормативной длины поезда на некотором участке. Нео
б-
ходимо экономически обосновать данное технологическое изменение и оценить его эффект.
Расходы н
а простой одного вагона под накоплением зависят от длины с
о-
става поезда и определяются по формуле:
,
(1.6) где ­
параметр зависимости вагонно
-
часов под накоплением от состава поезда; ­
состав поезда назначением на данную станцию; ­
расходная ста
в
ка на 1вагоно
-
час простоя под накоплением.
Расходы на передвижение одного грузового вагона по участку в завис
и-
мости от состава поезда определяются по форм
уле:
,
(1.7)
где ­
параметры уравнения зависимости.
Тогда при определении оптимального количества вагонов в составе пое
з-
да необходимо исследовать функцию:
.
(1.8)
На рисунке 1.11
приведены примеры зависимостей общих затрат от кол
и-
чества вагонов в составе поезда при ра
з
личных значениях коэффициентов . Эти зависимости наглядно показывают, что 1) на каждом участке сущ
е-
31
ствует оптимальное к
оличество вагонов в составе поезда
,
при котором дост
и-
гаются минимальные затраты на его накопление и передвижение, 2) значение опт
и
мального количества вагонов в составе поезда завис
и
т от характеристик участка, прилегающих станций и структ
у
ры зарождающегося вагонопотока.
Рис. 1.11
.
Зависимости общих затрат на выполнение перевозок от колич
е
ства вагонов в составе поезда
Еще одним направлением совершенствования работы СОВ является о
п-
тимизация организационной структуры системы управл
ения перевозочным пр
о
цессом
,
направленная на сокращение численности аппарата управления
. В основе этого направления заложены следу
ю
щие предпосылки:
-
доля затрат на оплату труда в структуре эксплуатационных расходов железн
о-
дорожного транспорта составляет 2
3,2
% (рис. 1.12
), причем по хозяйству п
е-
рев
о
зок отчисления на заработную плату составляют 64,3
%;
-
внедрение автоматических и автоматизированных систем в управление пер
е-
возочным процессом сыграло главную роль в увеличении производительн
о-
сти труда (рис. 1
.13), поэтому дальнейшее эффективное внедрение средств автоматизации позволит разработать мероприятия по сокращению численн
о-
сти аппар
а
та управления.
В заключение отметим, что разделение приведенных направлений в
ы-
полнено по принципу прозрачности, т.е. п
о
каз
аны прямые, наиболее очевидные связи между улучшением показателей качества работы СОВ и мерами ее с
о-
вершенствования. На самом деле, методы реализации каждого направления 32
воздействуют одновременно на многие сферы перевозочного процесса. Поэт
о-
му полную оценк
у экономической эффективности от их реализации необход
и-
мо выполнять комплек
с
но.
Рис
. 1.
12
.
Эксплуатационные расходы на грузовые перевозки (тыс. руб.) –
вс
е
го затрат / в том числе ФОТ
Рис
. 1.13
.
Динамика среднесетевой производительности труда (тыс. пр
и-
веденных ткм. на 1 работника
,
занятого в эксплуатации)
447699/181206
380049/152754
452195/203579
382969/101647
209915/43913
4117869/651529
2075346/298631
3046483/660404
470701/302586
368202/174784
33
Выводы по главе
1
О
сновное назначение системы организации вагонопотоков –
выбор опт
и-
мального варианта уп
равления перевозочным процессом
.
2
К
ритерием выбора оптимального варианта в современных условиях являются время доставки гр
у
за и себестоимость перевозки
.
3
К основным актуальным направлениям
совершенствования системы орган
и-
зации ва
гонопотоков относятся
:
·
интеллектуализация процессов планиров
ания, оперативного упра
в-
ления и анализа работы СОВ на основе современных информац
и-
онных технол
о
гий; ·
внедрение новых технологических решений в перевозочный пр
о-
цесс;
·
оптимизация организационной структуры системы управления п
е-
ревозочным пр
о
цессом.
БИБЛИОГРА
ФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1
Голубков, Е.В.
Системный анализ как методологическая основа прин
я
тия решений
/
Е.П. Голубков //
Электронная версия журнала «Менеджмент в Ро
с
сии и за рубежом»
. ­
2003. ­
№4
http
://
dis
.
ru
/
manag
/
arhiv
/
2003/4/8.
html
2
Программа структурной реформы на железнодорожном транспорте с ко
м-
ментариями /
Составители и авторы ко
м
ментариев А.С. Мишарин, А.В. Шаронов, Б.М. Лапидус, П.К. Чичагов, Н.М. Бурносов, Д.А. Мач
е
рет. –
М.
:
МЦФЭР,
2001. –
240 с.
3
Себестоимо
сть железнодорожных перевозок: у
чебник для вузов ж.
-
д. транспорта / Н.Г. Смехова, А.И. Купоров, Ю.Н. Кожевников [
и др
]
;
п
од ред. Н.Г. Смеховой и А.И. Купорова. –
М.
: Маршрут. 2003
.
–
494 с.
4
Шапкин, И.Н.
Технология и управление перевозками на железнодоро
ж
ном т
ранспорте (опыт, теория и практика переходного периода) И.Н. / Ша
п
кин, А.И. Щелоков –
М.
: Желдориздат, 2003 –
523 с.
34
2 Автоматизация управления грузовыми перевозками
на
ж
елезнодорожном тран
с
порте
Термины и определения
Автоматизация
­
применение технических средств, экономико
-
математических методов и систем управления, освобождающих человека ча
с-
тично или полн
о
стью от неп
осредственного участия в процессах получения, преобразо
вания, передачи и использования
материалов или информации. К процессам, подверга
ю
щимся автоматизации
,
относятся:
-
технологические, транспортные и др. производственные пр
о
цессы;
-
организация, планиров
ание и управление отраслью;
-
учет и обработка статистических данных
.
Цель автоматизации
­
повышение производительности и эффективности труда, улучшение качества продукции, оптимизация управления.
Управление
­
элемент, функция организованных систем различн
ой пр
и-
р
о
ды (биологических, социальных, технических), обеспечивающая сохранение их определенной структуры, поддержание режима деятельности, реализацию их пр
о
грамм.
Автоматизированная система управления
(АСУ) ­
совокупность 1)
математических методов, 2) техн
ических средств и 3) организационных ко
м-
плексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом (пр
о-
це
с
сом) в соответствии с заданной целью. 2.
1
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ВАГОНОП
О
ТОКАМИ
Автоматизация управления
грузовыми перевоз
ками –
одна из важнейших и сложнейших проблем в работе железных дорог. Эта проблема постоянно пр
и-
влекает к себе внимание научных и практических работников железнодорожн
о-
го транспорта. Основные фундаментальные работы в этой области были в
ы-
35
полнены К.А. Бернг
ардом, А.Ф. Бородиным, И.И. Васильевым, А.С. Гершвал
ь-
дом, С.В. Дуваляном, П.А. Козловым, А.В. Кутыркиным, А.П. Кузнецовым, А.Т. Осьмин
и
ным, В.А. Покавкиным, А.П. Петровым, Е.М. Тишкиным.
З
адача оптимального управления вагонопотоками характеризуется дв
у
мя о
собенностями, относящих ее к классу задач высокой вычислительной сложн
о-
сти:
1)
большая размерность исходных данных –
на этапе планирования организ
а-
ции вагонопотоков на сетевом уровне к расчету прин
и
маются более ста станций, каждая из которых связана с большин
ством остальных станций плано
выми корреспонденциями. Поэтому
задача оптимального объедин
е-
ния вагонопотоков в поезда различных категорий и назначений относится к числу многовариан
т
ных
;
2)
недетерминированный характер зарождения вагонопотоков на станциях еще бо
лее усложняет выбор оптимального варианта организации вагон
о-
потоков и формулирует основную цель опт
и
мального управления
,
как формирование управляющих решений в условиях неопределенн
о
сти
.
Первоначально процесс управления организацией перевозок включал два э
тапа: планирование и оперативное управление.
Декретом «О ликвидации частных железных дорог» было положено нач
а-
ло плановой работе железнодорожного транспорта. В практике работы появ
и-
лась необходимость во взаимодействии станций, специализации грузовых пое
з-
до
в и максимальном использовании резервов. Специализация впервые была введена на Октябрьской дороге для станции Ленинград
-
Сортировочный, кот
о-
рая стала формировать поезда на девять специализированных назначений, а в случае отсутствия груза на одно из них –
гр
упповые п
о
езда. Идея формирования специализированных и групповых поездов была пр
а-
вильная, но не подкрепленная необходимыми расчетами и организационными мероприятиями, специализация иногда не давала должного эффекта, особенно групповая маршрутизация. Групп
ы подбирались произвольно, без постоянного веса и назначения вагонов, и поэтому поезда простаивали на попутных станц
и-
36
ях из
-
за частой переработки. В последующие годы специализацией поездов з
а-
н
и
мались созываемые маршрутные съезды. На одном из них в 1931 г., кроме схемы специализации поездов, были даны определения:
-
маршрутам прямого назначения;
-
маршрутам местного назначения;
-
сквозным специализированным поездам.
Несмотря на имевшиеся необходимые данные для установления эффе
к-
тивности назначения специализированны
х поездов, определить полный экон
о-
мический эффект от них не представлялось возможным, так как схемы специ
а-
лизации разрабатывались только на основе отчетных данных. Первые попытки разработать план формирования грузовых поездов на сети, описывающий но
р-
мативн
ую модель поездообразования, были сделаны в 1935
–
1936 гг. Лучший в
а
риант его определяли поструйно с помощью аналитических расчетов.
В послевоенный период ряд работ был посвящен передовым приемам расформирования и формирования поездов, организованному подво
ду групп ваг
о
нов к станции и др. Были выполнены теоретические разработки, связанные с с
о
вершенствованием системы управления вагонопотоками. Все это позволяло со
з
дать основу для совершенствования методики расчета плана формирования п
о
ездов.
Второй этап разв
ития теории организации вагонопотоков связан с созд
а-
н
и
ем ЭВМ. Возникла необходимость в разработке эффективных алгоритмов и средств автоматизированного расчета плана формирования. В 1960 г
о
ду были предприняты первые попытки автоматизации расчетов на сети же
ле
з
ных дорог. Сначала это делалось по программе ХабИИЖТа и ЦНИИ. В 1965 году все ра
с-
четные направления были просчитаны по программе МИИТа, к
о
торая имела ряд преимуществ перед ранее применявшимися. В период с 1960 по 1985 годы было создано более десятка ме
тодов и а
л-
горитмов расчета плана формирования и его оперативной корректировки. О
д-
нако различие между ними состояло лишь в выборе алгоритма решения иссл
е-
дуемой задачи и не затрагивало основополагающих принципов расчета. К на
и-
37
более известным методам расчета того времени следует отнести метод совм
е-
щенных аналитических сопоставлений, предложенный К.А. Бернгардом, метод послед
о
вательного приближения В.А. Покавкина, метод ХабИИЖТа, алгоритм метода «ветвей и границ» А.В. Кутырк
и
на.
Конец XX
столетия характеризуетс
я некоторым застоем в решении пр
о-
блемы оптимального управления вагонопотоками. Отчасти это связано с резким спадом производства, неблагоприятными экономическими и политическими событиями в жизни страны. Переход к новой модели системы управления перевозочн
ым процессом, осуществляемый в рамках Программы информатизации железнодорожного транспорта, вновь привлек внимание специалистов к проблеме автоматизации планирования. В настоящее время наибольшие успехи в этой области достигн
у-
ты А.Т. Осьминиым, А.П. Батури
ным и А.Ф. Бородиным.
Что касается процесса оперативного управления перевозками, то вопрос о его автоматизации приобрел актуальность только в середине 90
-
х годов ХХ
-
го столетия с появлением высокоскоростных ЭВМ и средств связи. Однако, име
н-
но этот период р
аботы отрасли характеризуется максимальным спадом объемов перевозок и большой неравномерностью зарождающихся вагонопотоков. П
о-
этому в свое время эта задача не получила должного развития. В настоящее время практические достижения в области автоматизации опе
ративного упра
в-
ления сводятся к решению задач информационного, контролирующего и анал
и-
тич
е
ского характера.
В заключение
необходимо отметить еще один этап исторического разв
и-
тия АСУ вагонопотоками. Последние 5
-
8 лет развития информационных техн
о-
логий и сред
ств автоматизации характеризуются 1) появлением информацио
н-
ных носителей большой емкости 2) стремительным развитием корпорати
в
ных баз данных и интеллектуальных программных комплексов. Это предоставило широкие возможности автоматизации еще одного технологич
еского элемента управления –
статистического учета и анализа информации о выполненных п
е-
ревозках. Применяемая ранее документальная форма отчетности делала эту з
а-
38
дачу очень трудоемкой даже на уровне отдельной дороги. В настоящее время появилась (и уже реали
зована) возможность выявлять закономерности и уто
ч-
нять прогнозы объемов и характера перевозок, что в свою очередь пов
ы
шает точность планирования.
2.
2
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ВАГОНОПОТОКАМИ
Термины и определения
Модель
–
это объект или описание об
ъекта для замещения одной системы (оригинала) другой системой с целью
изучения оригинала или воспроизвед
е
ния его каких
-
либо свойств.
Математические методы и модели управления вагон
о-
потоками являются основой при проектировании и разработке автоматизир
о-
ванны
х систем. В общем случае, для математического описания процессов, связа
н
ных с грузовыми перевозками, необходимо формализовать следующие комп
о
ненты:
1)
топологию транспортной сети;
2)
грузопотоки на транспортной сети;
3)
целевую функцию модели управления перевозкам
и.
2.2.1 Модель транспортной сети железных дорог
Транспортная сеть представляет собой множество станций и коммуник
а-
ционных связей (железнодорожных участков) между ними. Математически да
н
ный объект можно представить в виде графа (р
ис. 2.1).
Если на всем полигоне транспортной сети существует хотя бы один уч
а-
сток, эксплуатируемый только в одном направлении, граф называется ориент
и-
рованным
. Разрешенное направление
показывается на ребре графа стрелкой с
о-
ответствующего направления. Если все участки сети имеют двунаправленную ориентацию –
граф неориентированный
.
39
Рис. 2.1
.
Граф полигона транспортной сети. –
вершины графа (ста
н
ции); –
ребра графа (участки)
,
соединяющие станции S
(
i
)
и S
(
j
)
Математически граф описывается следующим образом. Если на рассма
т-
риваемом нами полигоне имеется станций , то топология графа может быть представлена квадратной матрицей инцидентности размерности элементы которой равны 1 в том случае, если станция напрямую соединяется участком со станцией . Все остальные элементы матрицы ра
в
ны
0:
(2.1)
Построенная по указанным правилам матрица имеет следующие особе
н-
н
о
сти:
-
значения элементов главной диагонали матрицы равны 0: ;
-
если рассматриваемый граф неориентированный (д
вижение по всем учас
т-
кам разрешено в обоих направлениях), то матрица симметрична: ;
-
узел транспортной сети является конечным, если существует единс
т-
венное тако
е, что .
Каждый участок транспортной сети характеризуется различными свойс
т-
вами –
протяженностью, средней участковой скоростью, себестоимостью пер
е-
t(3,5)
S1
S2
S3
S5
S4
S8
S6
S7
S9
S10
t(1,2)
t(2,3)
t(2,7)
t(2,5)
t(3,4)
t(4,8)
t(5,6)
t(6,9)
t(6,7)
t(7,9)
t(9,10)
40
в
озки грузов по участку. Поэтому
часто при решении оптимизационных задач на транспортн
ой сети на матрицу инцидентности накладывают значение одного из свойств .
Тогда элементы матрицы определяются следующим образом:
(2.2)
Путь между станциями транспортной сет
и определяется уп
о-
рядоченным множеством ,
где ­
тра
н
зитные станции
,
для которых должно выполняться условие 2.2.2 Модель грузовых перевозок на транспортной сети.
В основу математического описания грузовых перевозок на транспортной сети могут быть положены два основных принципа:
-
интегральный;
-
дифференциальный.
При интегральном подходе основой описания являются количественные меры перевозимых грузов за определен
ный период времени между конкретн
ы-
ми станциями (т.е. от станции погрузки до станции выгрузки). В случае дифф
е-
ренциального подхода основой описания являются грузопотоки через рассма
т-
риваемые станции, т.е. количественная мера груза, перевезенного за единицу вр
е
мени через конкретную станцию. При формализации процесса управления пер
е
возками бо
лее подходит интегральный принцип
.
Наиболее полная информация о единичном акте перевозки груза включ
а-
ет в себя следующие характеристики:
-
станция отправления груза ;
-
станция назначения груза ;
-
вид груза (согласно номенклатуре перевозимых грузов) ;
-
вес груза ;
-
тип вагона ;
-
дата и время отправления гру
за ;
41
-
дата и время прибытия груза .
Таким образом, совокупность характеристик полн
о-
стью описывает единичную перевозку груза. Данная информация в настоящее время содержится в интегрирова
нных базах данных грузовыми перевозками и в задачах управления и организации вагонопотоков считается исходной.
Для определения количества груза -
го вида, перевезенного от станции до станции в вагоне типа в течение
временного интервала применяется формула:
,
(2.3
)
где ­
единичная перевозка из всего множества рассматриваемых пер
е-
возо
к;
­
индикаторная перевозка вида:
(2.4)
Для формального представления грузовых перевозок на рассматриваемой
транспортной сети используется множество наз
ы-
ваемое динамической транспор
тной картой
.
2.2.3 Модель оптимального управления перевозками.
Как было сказано в пункте 1.3, оценка качества работы СОВ в
ыполняется по двум показателям ­
время доставки груза и себестоимость перевозок . Поэт
ому
,
именно эти показатели определяют
критери
и
оптимизации
задачи
и вид целев
ой
функ
ции
модели оптимального управления перевозк
а
ми.
В соответствии с рыночными принципами формирования тарифов, сфо
р-
мулированными в классификаторе тарифных схем, дифференцирова
ние всех перевозок должно выполнят
ь
ся по характеристикам:
-
расстояние перевозки,
-
вид груза,
42
-
тип используемого подвижного состава.
Поэтому значение себестоимости грузовых перевозок рассчитывается также с учетом приведенных факторов. Тогда целевая функц
ия эксплуатацио
н-
ных расходов
имеет вид:
(руб.)
,
(2.5
)
где ­
себестоимость перевозки одной тонны груза в вагоне типа от станции до станции .
При формировании целевой функции, минимизирующей время доста
в
ки, также выполняется дифференцирование перевозимых грузов, основанное на тран
с
портной составляющей стоимости груза в зависимости от
его вида. Так, наприм
ер
,
в 2004 году транспортная составляющая себестоимости угля
сост
а-
вила 23
%
. Исходя из сказанного, целевая функция транспортных издержек
от себестоимости перевозимых грузов определяется сл
е
дующим образом:
(руб
.
)
,
(2.6
)
где ­
количество груза -
го вида;
­
транспортная составляющая стоимости груза ;
­
время начала и окончания перевозок.
Таким образом, рассма
триваемая задача является двухкритериальной и сводится к минимизации функций (2.3), (2.4), а оптимизационная модель
имеет вид:
(2.7
)
В настоящее время задача оптимального управления перевозками в п
о-
ста
новке (2.7
) не
реш
ена, поскольку неизвестен вид области допустимых реш
е-
ний. Здесь главной проблемой является нахождение функциональной завис
и-
мости и ее аналитическое описание (оператор устанавлив
а-
ет хара
к
тер зависимости и выбирается из множества ). От решения этой задачи зависит, какой вид пр
имет область допустимых 43
решений
и какие методы поиска оптимума будут наиболее эффективны:
1) Если функциональной зависимости не существует (или связи настолько слож
ны и многочисленны, что не поддаются формализ
а-
ции), то область допустимых решений определяется некоторой функцией , а поиск решения осуществляется на некоторой поверхно
сти (рис.
2.2
)
Рис
.
2.2
.
Пример области допустимых р
ешений в случае функционал
ь
ной независимости критериев оптимизации
Если зависимость все
-
таки существует, большое значение имеет ее вид: 1) зав
и
симость может быть прямо пропорциональной (мероприятия по снижению себестоимости перевозок уменьшают также и вре
мя доставки груза) и 2) обра
т-
но пропорциональной. Если в результате исследования зависимости будет пр
и-
нят первый вариант, то задача сводится к однокритериальной и направлена на минимизацию функции . Однако наиболее вероятен второй ва
риант, п
о-
скольку такие те
х
нологические мероприятия, как
,
например, повышение массы поезда за счет увеличения количества вагонов в составе
,
снижают себесто
и-
мость перевозок и одновременно увеличивают простой вагонов под накоплен
и-
ем. В этом случае область доп
устимых решений з
а
висит от вида оператора.
Область изменения исходных значений
Область допустимых
решений
44
2) В случае, если функциональная зависимость известна и определена ч
е-
рез неравенство, поиск оптимального значения вы
полняется на плоскости (рис. 2.4
)
Рис
.
2.3
.
Пример области допустимых решений в случае функционал
ь
ной зависимости вида «неравенство»
3) В случае, если функциональная зависимость определяется через раве
н-
ство, область допустимых решений представляет собой некоторую кривую на плоскости.
Рис. 2.4
.
Пример области допустимых решений в слу
чае функционал
ь
ной зависимости вида «равенство»
Существующие в настоящее время методы управления перевозками на железнодорожном транспорте ориентированы на оптимизацию лишь одного из критер
и
ев. Большинство известных методов используют следующий подход.
Область изменения исходных
зн
а
чений
Область допуст
и
мых решений
Область изменения исходных знач
е
ний
Область допуст
и
мых решений
45
Рас
чет затрат на реализацию планового объема перевозок выполняется по формуле:
,
(руб.)
,
(2.8)
где: ­
планируемый объем перевозок (ваг.)
;
­
средний простой 1 вагона на станции по
д накоплением
;
­
среднее время нахождение 1 вагона в движении
;
­
среднее время простоя вагона на транзитной станции
;
­
затраты на накопление, передвижение и переработку 1 ваг
о
на. Затр
аты определяются на основе расчета соответствующих расходных ставок (на 1 вагоно
-
час, локомотиво
-
час, поездо
-
час и т.д.) и в процессе всего расчета остаются неизменными. Поэтому процесс оптимизации по существу св
о
дится к достижению минимальных сроков доста
вки груза.
Реализация другого подхода к решению задачи управления перевозками стала возможна благодаря широкому применению на транспорте вычислител
ь-
ной техники. Появилась возможность внедрения электронной карты транспор
т-
ной сети, содержащей различные харак
теристики технических объектов, в том числе и динамику эксплуатационных и экономических показателей от объема выполняемой работы. Современные методы основаны на оптимизации упра
в-
ления по критерию эксплуатационных расходов
(функция ).
При этом уч
и-
тывается изменение с
е
бестоимости перевозки от уровня загрузки технических средств.
2
.
3
. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВАГ
О
НОПОТОКАМИ
Термины и определения
Метод
­
способ достижения какой
-
либо цели, решения конкретной зад
а-
чи; совокупность приемов или операций практического или теоретического о
с-
46
воения (познания) дейс
т
вительности. Алгоритм
–
формально описанная вычислительная процедура, пол
у-
чающая на «вход» исходные данные и выдающая на «выходе» результат в
ы-
числ
е
ний.
Эвристическ
ий алгоритм
–
вычислительная процедура, основанная на
опытном и
интуитивном восприятии трудно формализуемых задач.
Поскольку система организации вагонопотоков функционирует в режиме реального времени, то одним из главных требований к алгоритмам формиров
а-
н
ия управляющих решений является их вычислительная скорость
. Другим вполне естественным требованием является точность
применяемых алгори
т-
мов: управляющие решения должны обеспечить минимальные (или близкие к ним) эксплуатационные расходы на выполнение грузов
ых перевозок.
2.3.1 Понятие вычислительной скорости алгоритма
Говоря о вычислительной скорости алгоритма, т.е. времени , затрач
и-
ваемому на получение результата
, следует учитывать, что:
-
время работы алгоритма напрямую зависит от об
ъема исходной инфо
р
мации, подаваемой на «вход» (чем больше информации, тем дольше алгоритм б
у-
дет ее обрабатывать);
-
структура исходных данных также сильно влияет на время . Да
н
ные могут быть «хорошо» структурированы (тогда время раб
оты алгоритма будет м
и-
нимальным при фиксированном объеме данных) и иметь «плохую» стру
к-
туру, что обеспечит максимальное время работы алгоритма. В качестве примера вспомним последовательность расчета
плана формирования одн
о-
группных поездов. Каждое назначени
е, начиная с самого дальнего, провер
я-
ется на общее достаточное условие (ОДУ), а если не удовлетворяет ему, то на необходимое (НУ) и достаточное (ДУ). Так вот, если все исходные ваг
о-
нопотоки будут удовлетворять ОДУ, то проверка на остальные условия не 47
осуще
ствляется, а значит время работы алгоритма для данного объема да
н-
ных будет м
и
нимальным.
Для сравнительной оценки эффективности алгоритмов вводится понятие скорости роста
времени работы алгоритма от размера вхо
д
ных данных , где ­
элементарная единица входных данных. Чем меньше скорость роста, тем алгоритм эффективнее. На рисунке 2.5
приведены
графики
функций
,
н
а-
глядно отражающие скоро
сть
роста для различных зависимостей .
(для сохр
а-
нения на
глядности шкала приведена в логарифмическом в
и
де)
.
Рис
.
2.5
.
Графики функций скорости
роста времени работы алгоритма
Для того, чтобы хотя бы приблизительно классифицировать известные алгоритмы н
а «практические», имеющие относительно невысокую скорость роста и алгоритмы, имеющие больше теоретический интерес, был выделен класс алгоритмов
,
работающих за полиномиальное время , где ­
полож
и-
тельное чи
с
ло.
Если на этапе анализа задачи удается доказать, что она может быть реш
е-
на при помощи алгоритма
,
имеющего полиномиальную скорость роста (или б
о-
48
лее медленную, например
,
), то такая задача считается алгоритм
и-
чески «легкой». Если же рассм
атриваемую задачу не удается решить при п
о-
мощи известных полиномиальных алгоритмов, но и не доказано, что таких а
л-
горитмов не существует, задача называется NP
-
полной
и считается труднора
з-
решимой. Одним из наиболее простых методов доказательства NP
-
полноты
новой задачи является метод сужения, который заключается в установлении того, что задача включает в качестве частного случая известную NP
-
полную задачу. В н
а
стоящее время существует достаточно много задач, NP
-
полнота для которых д
о
казана, например:
-
опре
деление кратчайшего пути на графе, имеющий вес не более и длину не более , где ­
целые положительные числа;
-
задачи о потоках в сети с ограничениями и потоке к минимальной ребе
р
ной сто
имости.
Основная цель исследования задачи на NP
-
полноту –
выбор эффективн
о-
го метода и алгоритма ее решения. Если для некоторой задачи удается доказать ее NP
-
полноту, есть основания считать ее практически неразрешимой. В этом случае, как правило, прибег
а
ют к приближенным алгоритмам.
Несомненно, задача оптимального управления грузовыми перевозками относится к числу трудноразрешимых, однако, в настоящее вр
е
мя ее NP
-
полнота не доказана
.
2.3.2 Понятие точности алгоритма
Под точностью алгоритма
мы будем понимать
его способность нах
о-
дить оптимальное решение, т.е.
такое,
при котором достигаются наилучшие зн
а
чения критериев оптимизации. Оптимальные решения бывают двух видов: локальные
и глобальные
. Нахождение глобального оптимума означает, что найдены экстремальны
е значения (минимум или максимум) критериев оптимизации на
всей
области д
о-
пустимых решений. Локальный оптимум обеспечивает экстремум критериев 49
лишь на некотором множестве
области допустимых решений. На рисунке 2.6
то
ч
ки являются точ
ками локального минимума, а точка ­
глобального.
Рис
.
2.6
.
Пример глобального и локальных экстремумов функции
Такая классификация вызвана тем, что на практике часто встречаются з
а-
дачи, которые
,
с одной стороны
,
характериз
уются NP
-
полнотой, т.е. в общем сл
у
чае для их решения (нахождения глобального оптимума) потребуются большие временные затраты или решение может быть не найдено вовсе, а с другой стороны
,
достаточными являются приближенные решения, которые
,
возможно
,
и не я
вляются оптимальными, но точно лучше некоторого множес
т-
ва других допустимых решений. Как правило, для подобных задач применяют алгоритмы локаль
ного поиска, позволяющи
е
сократить временные затраты на п
о
иск приемлемого решения.
Алгоритмы локального поиска ос
нованы на едином методе, идея котор
о-
го следующая: начать следует с ряда произвольных решений, применяя к ка
ж-
дому из них локальные преобразования до тех пор, пока не будет получено л
о-
кально оптимальное решение, т.е. такое, которое не сможет улучшить ни одно
преобр
а
зование.
Как показано на рисунке 2
.7
,
на основе большинства (или даже всех) пр
о-
извольных начальных решений мы нередко будем получать разные локально
-
Область допуст
и
мых решений
Множества локального поиска
50
оптимальные решения, и лишь случайно одно из них окажется глобально
-
оптимальным. Однако на практике
такое решение может быть не найдено.
Разница между применяемыми алгоритмами заключается в применении различных видов локальных преобразований.
Рис
.
2.7
. Стратегия поиска локального экстремума
2.3.3 Методы планирования вагонопотоков
При разработке алг
оритмов планирования организации вагонопотоков выбор метода решения осуществляется с учетом следующих факторов:
-
задача нахождения оптимального варианта плана формирования поездов на планируемый период является многовариантной (см. главу 1), поэтому, х
о-
тя
ее NP
-
полнота и не доказана, она относится к числу трудноразрешимых;
-
неравномерность зарождающихся вагонопотоков в течение планового п
е-
риода приводит к отклонению фактических показателей качества СОВ от опт
и
мальных, что требует оперативной корректировки
принятого варианта организ
а
ции перевозок. Поэтому на этапе планирования достаточно найти О
бласть допуст
и
мых р
е
шений
51
некоторый базовый вариант, обеспечивающий оптимальные значения п
о-
казателей качества с учетом некоторой погрешности.
Приведенные факторы определяют стратегию направлен
ного перебора
вариантов как наиболее эффективную при поиске оптимального решения. Это св
я
зано с тем, что методы и алгоритмы, использующие направленный перебор, позволяют за относительно короткое время находить локал
ь
ный оптимум.
Данная стратегия реализуетс
я на основе «дерева решений» (рис
. 2.8
)
, принцип построения которого сводится к последовательному исключению из рассмотрения множества допустимых вариантов , подмножества вариантов , которые заведомо не будут являться оптимальными.
В теории множеств в
ы-
ражение означает, что из множества исключено подмножество его эл
е-
ме
н
тов .
Рис.
2.8
. Пример «дерева решений»
Процедура иск
лючения продолжается до тех пор, пока не останется один или несколько вариантов, из которых путем сравнения выбирается наилучший.
Применительно к задаче поиска оптимального варианта организации в
а-
гонопотоков, процесс исключения заведомо невыгодных варианто
в заключае
т-
ся в последовательном выявлении неконкурентоспособных назначений (таких, которые при заданных исходных условиях никогда не будут включены в опт
и-
мал
ь
ный вариант). Тогда все возможные варианты организации вагонопотоков, содержащие хотя бы одно так
ое назначение, автоматически исключаются из ………………………………
52
ра
с
смотрения.
При выборе метода решения, реализующего стратегию направленного перебора, необходимо иметь в
виду одну важную особенность, которая сущес
т-
ве
н
но повышает сложность рассматриваемой задачи
: затраты на о
рганизацию перев
о
зок по каждому назначению зависят от мощности этого назначения
. Это значит, что анализ каждого назначения на конкурентоспособность необх
о-
димо выполнять с
учетом мощности «неперспективных» назначений, искл
ю-
ченных на предыдущих этапах. То ес
ть необходимо учитывать предысторию
процесса перебора. Это приводит к многократному пересчету затрат на орган
и-
зацию перевозок и как следствие –
к увеличению сложности и времени расч
е-
тов.
Другой
не менее важной особенностью рассматриваемой задачи является в
ыбор критерия, определяющего порядок анализа исходных назначений. В ра
з-
личных а
л
горитмах в качестве таких критериев выступают:
1) дальность перевозок (сначала рассматриваются более дальние назнач
е-
ния);
2) мощность назначений (от более мощных к менее мо
щ
ны
м).
В зависимости от того, какой критерий мы примем, решение задачи при одинаковых исходных дан
ны
х может быть различным (рис. 2.9
)
.
Поэтому в дальнейшем мы будем считать, что выбор критерия, опред
е-
ляющего порядок анализа назначений, есть эвристическая
про
цедура алгори
т-
мов оптимизации, а сами алгоритмы позволяют найти лишь локальный
оптимум решаемой з
а
дачи.
Общий порядок исключения «неперспективных» вариантов следующий:
1)
из множества рассматриваемых назначений выбирается то, кот
о
рое будет рассматриваться в п
ервую очередь (порядок рассмотрения определяется установле
н
ным критерием);
2)
выполняется оценка затрат по пропуску одноименного вагонопот
о
ка по различным маршрутам. Затраты рассчитываются с учетом мощности н
а-
значений
,
рассмотренных ранее;
53
3)
маршрут с минимальн
ыми затратами запоминается как перспективный, о
с-
тальные маршруты данного назначения исключаются из дальнейшего ра
с-
смотр
е
ния как неконкурентоспособные;
4)
текущее назначение исключается из множества рассматриваемых;
5)
повторение шагов 1
­
4 выполняется до тех пор,
пока не будут ра
с
смотрены все назначения.
Рис
.
2.9
.
Результаты
расчета оптимального варианта плана формиров
а
ния поездов
Из выделенных перспективных маршрутов формируется множество вар
и-
антов организации исходных вагонопотоков. Количество таки
х вариантов н
е-
измеримо меньше общего числа допустимых решений задачи. Для каждого в
а-
р
и
анта выполняется прикрепление исходных вагонопотоков и рассчитываются общие затраты. Вариант с наименьшими затратами принимается как оптимал
ь-
ный. Приведенная последовате
льность исключения «неперспективных» вар
и-
антов решений основана на вычислении и сопоставительном анализе нижних оц
е
нок (границ) на каждом этапе ветвления «дерева решений». Поэтому метод ИСХОДНЫЕ ВАГО
Н
ОПОТ
О
КИ
Затраты на накопление
(в/ч)
900
Экономия от прослед
о
вания станци
и без переработки, (ч)
5
4
А
Б
В
Г
4
97
Мощность вагонопот
о
ков, (ваг
.
)
ОПТИМАЛЬНЫЙ ВАРИАНТ № 1
97+4
4
ОПТИМАЛЬНЫЙ ВАРИАНТ № 2
97+4
97+4
97+4
54
оптимизации, определяющий данную последовательность
,
носит название м
е-
тод «ветвей и границ»
.
Хотя данный метод и считается одним из наиболее быстрых методов п
о-
иска оптимальных решений для задач большой размерности, скорость вычи
с-
лительных алгоритмов, построенных на его основе, существенно зависит от к
о-
л
и
чества и быстродейств
ия итеративных процедур. При разработке и анализе алг
о
ритмов следует помнить, что 60
­
80
% от общего времени работы занимают итерации –
многократное выполнение одной и той же последовательности оп
е-
раций. Поэтому
,
если для выполнения итераций применяются неэ
ффе
к
тивные (с точки зрения временной скости) алгоритмы, то эффект от применения метода «ветвей и границ» будет снижен.
В задаче поиска оптимального варианта организации вагонопотоков т
а-
кой итерацией является выбор минимального (по критерию длины, стоимос
т-
н
ым затратам, временным и т.д.) маршрута следования вагонопотока. В н
а-
стоящее вр
е
мя разработано множество алгоритмов решения этой задачи. Одним из наиболее эффективных (при условии, что все значения критериев полож
и-
тельны) является алгоритм Дейкстры. Его вр
еменная скорость определяе
т
ся как .
2.3.4
Анализ устойчивости вариантов
Поиск оптимального варианта организации вагонопотоков на этапе пл
а-
нирования выполняется с учетом среднесуточных объемов перевозок. Однако различные виды колебан
ий зарождающихся вагонопотоков (сезонные, меся
ч-
ные) часто приводят к увеличению затрат по организации перевозок в соотве
т-
ствии с принятым планом. В результате
для сокращения этих затрат возникает необх
о
димость корректировки плана, которая сопряжена с опред
еленными трудностями технологич
е
ского характера.
Поэтому
перед окончательным утверждением варианта организации в
а-
гонопотоков
выполняется анализ устойчивости найденного оптимального пл
а-
55
на. Целью анализа является формирование директивных (рекомендательных) р
ешений для достижения минимальной чувствительности варианта к разли
ч-
ным колебаниям в течение планового периода. Директивные решения, как пр
а-
вило, содержат предложения по корректировке найденного оптимального вар
и-
анта, которая
обеспечит общ
ие минимальные за
траты в течение
планового п
е-
риода.
При выборе метода анализа устойчивости оптимального варианта нео
б-
ходимо учитывать специфические особенности исследуемой системы:
1) задача поиска оптимального варианта обладает большой размерностью входных данных, что опр
еделяет ее вычислительную сложность;
2) существует тесная связь между размерами исходных вагонопотоков и з
а-
тратами, приходящимися на единицу выполненной работы. Поэтому при изменении размера и характера вагонопотоков необходимо учитывать и соответс
т
вующее изменение затрат.
В настоящее время наиболее эффективным методом анализа устойчив
о-
сти плана организации вагонопотоков является метод имитационного модел
и-
рования
, реализ
о
ванный на базе современных компьютерных систем.
Моделирование
–
исследование каких
-
либо
явлений, процессов или си
с-
тем объектов путем построения и изучения их моделей
. Имитационное мод
е-
лирование
–
воспроизведение
процессов, происходящих в системе, с искусс
т-
венной имитацией случайных величин, от которых зависят эти процессы.
Применительно к з
адаче анализа устойчивости варианта организации в
а-
гонопотоков, суть метода сводится к имитации структуры и размеров исходных вагонопотоков и последующего расчета качественных показателей рассматр
и-
ваемого варианта. На основании полученных результатов разраб
атываются м
е-
роприятия по повышению его устойчивости. Зная правила, по которым выполняются изменения исходных вагоноп
о-
токов в течение интервала планирования, мы сможем определить (т.е. выпо
л-
нить имитацию) их значения и структуру для любого момента времени.
Выпо
л-
няя этот процесс многократно, мы сможем рассчитать оптимальный вариант 56
для каждого изменения вагонопотоков в течение планового периода. Получив некоторое конечное множество наилучших вариантов, мы принимаем к реал
и-
зации наиболее устойчивый, внося кор
ректировку в исходный оптимальный в
а-
риант.
Такова общая последовательность анализа оптимального варианта и формирования директивных решений по повышению его устойчивости.
Однако
в настоящее время анализ устойчивости вариантов организации вагонопотоков при помощи метода имитационного моделирования не позвол
я-
ет однозначно определить наилучший вариант. Причина этого в том, что мы не обладаем знаниями о случайных факторах (потому они и случайные), влия
ю-
щих на размеры исходных вагонопотоков, которые из
-
за этого также являются для нас сл
у
чайной величиной. Эту проблему позволяет частично решить статистический метод
и
с-
следования случайных величин. При помощи его удается определить средние значения грузопотоков на планируемый период и установить наиболее вероя
т-
ные и
нтервалы его отклонения. Используя эти характеристики, в процессе им
и-
тации работы СОВ с некоторой степенью точности выполняется моделиров
а-
ние исходных вагонопотоков. Поэтому и полученный нами в результате расч
е-
тов вариант можно считать наиб
о
лее устойчивым с некоторой погрешностью.
Основными факторами, влияющими на величину погрешности, являются:
-
выбор способа моделирования исходных вагонопотоков;
-
выбор стратегии принятия решение о выборе наиболее устойчивого вариа
н
та.
Моделирование исходных вагонопотоко
в
Точность моделируемых величин напрямую зависит от выбора закона распределения исследуемой случайной величины. Изучению неравномерности зарождающихся вагонопотоков посвящено большое количество работ отечес
т-
ве
н
ных ученых. Однако до сих пор не существует ед
иного мнения о характере распределения размера вагонопотока как случайной величины
. Тем не менее на
и
более часто исследователи, опираясь н
а закон больших чисел
, применяют в ра
с
четах нормальный характер распределения.
57
В настоящее время существуют различные способы моделирования сл
у-
чайных величин с нормальным законом распределения. В качестве примера, приведем один из наиболее простых и наглядных способов.
Значение моделируемого вагонопотока определяется по формулам (
2.9, 2.10
) (обосно
вание формул приведено книге [3
]
):
,
(2.9)
,
(2.10)
где: ­
оценка математического ожидания и среднего квадратич
е-
ск
о
го отклонения моделируемой случайной вели
чины;
­
значение случайной величины , равномерно распределенной на инте
р
вале на -
м шаге ее моделирования;
­
количество шагов моделирования
случайной
величины .
Таким образом, перед вычислением значения нам необходимо раз смоделировать случайную величину , равномерно распределенную на инте
р-
вале , а затем
применить формулу (2.10)
. Чем больше шагов моделирования случайной величины мы будем использовать в расчетах, тем точнее будет моделируемое значение . Для большинства практических з
адач требуемая точность достигается при . Т
о
гда:
,
(2.11)
а формула (
2.9
) принимает вид:
.
(2.12)
Необходимо заметить, что точность моделируемой величины данным способом цел
иком зависит от точности расчета параметров распредел
е
ния .
Формула (2.12
) позволяет нам перейти от задачи моделирования но
р-
58
мально распределенной случайной величины к задаче моделирования случа
й-
ной величины равномерно распределенной на интервале . В настоящее вр
е-
мя сущ
е
ствует несколько методов
,
решающих данную задачу (метод обратного преобразования, метод таблиц, метод сверток). Однако уровень развития пр
о-
граммного обеспечения привел к тому, что при решении прик
ладных задач изучение данных методов имеет больше теоретический и познавательный инт
е-
рес, нежели практический. Это связано с тем, что и существующие пользов
а-
тельские прил
о
жения (например, Exel
)
, и языки программирования (С++, Pascal
) имеют встроенные функц
ии для генерации случайных величин, равн
о-
мерно распределенных на заданном интервале.
Выбор стратегии принятия решения
В результате имитации работы СОВ с учетом моделируемых значений мы получим некоторое конечное множество вариантов организации вагоноп
о
токо
в (
множество решений
)
, из которых нам необходимо выбрать наилу
ч-
ший. Каждый вариант характеризуется затратами на организацию вагонопот
о-
ков в течение планового периода . Очевидно, что наилучшим будет вар
и-
ант, об
еспечивающий минимальные затраты в течение всего планового п
е
риода .
Однако следует учитывать, что расчет вариантов организации вагоноп
о-
токов выполняется на основе моделирования случайной величины
размеров в
а-
гонопотоков. Поэтому множ
ество , среди элементов которого выполняется выбор наилучшего варианта, также является случайным (как по значениям эл
е-
ментов, так и по их количеству) и является одним из возможных исходов имитационного моделир
ования. Здесь ­
количество вариантов организации ваг
о
нопотоков на исследуемой транспортной сети.
Например, если для
схемы
,
приведенной на рисунке 2.10
, имеется три в
а-
рианта организации вагонопотока А
-
Г в составе различных сквозных н
азнач
е-
ний (
=3), то в результате имитационного моделирования мы можем получить 59
одно из семи
различных множеств р
е
шений
: {1}, {2}, {3}, {1,2}, {1,3}, {2,3}, {1,2,3}
.
Рис
.
2.10
. Варианты ор
ганизации вагонопотока А
-
Г
Чем больше возможных вариантов включает множество решений, тем точнее будет наш выбор. Количество вариантов выбора в свою очередь завис
и
т от того, насколько полно мы учли динамику исходных вагонопотоков, т.е. я
в-
ляется ли достаточ
ным число прогонов нашей имитационной модели.
Так, если для решен
ия задачи, приведенной на рисунке 2.9
,
выполнить всего два прогона имитационной модели, то как минимум один не будет вкл
ю-
чен в мн
о
жество решений (а, возможно, именно он является наилучшим).
Именно поэтому при построении имитационной модели важен вопрос о минимально допустимом количестве прогонов . Однако
для имитационной модели, анализирующей чувствительность оптимальных вариантов к измен
е-
нию исх
одных вагонопотоков, методика расчета не найдена
. Сложность з
а-
ключ
а
ется в следующем.
Каждый возможный вариант организации вагонопотоков на произвол
ь-
ной транспортной сети можно пронумеровать одним из целых чисел инте
р-
вала (где ­
количество возможных вариантов). Тогда при некоторых случайных з
начениях исходных вагонопотоков
мы получаем случайный опт
и-
мальный вариант из множества допустимых решений и, как следствие, реал
и-
зацию сл
у
чайной величины . Если бы мы знали характер распределения , то могли бы сравнить результаты обработки случайной выборки с предпол
а-
гаемым теор
е
тическим распределением. Если в результате сравнения окажется, что между п
а
раметрами теоретического распределения и их статистическими оценками достигнута требуемая точность, то имитация работы СОВ прекращ
а-
ется, а выбор наилучшего решения выполняется на множестве . Подробная А
Б
В
Г
ВАРИАНТ № 1
ВАРИАНТ № 2
ВАРИАНТ № 3
60
информация о последовательности расчета статистических характеристик сл
у-
чайной величины и методах их сравнения с теоретическими параметрами пр
и-
ведена в [5
]
.
Однако суть проблемы состоит в том, что мы не имеем представления о характере распреде
ления случайной величины , а значит и не можем ничего сказать о точности ее статистических характеристик.
Тем не менее указанная проблема не является принципиальной при ра
з-
работке имитационной модели анализа устойчивости оптимальных вариантов, поскольку данная задача носит аналитический характер (т.е. допустимая пр
о-
должительность ее решения практически неограниченна), а время одного пр
о-
гона модели на современных ЭВМ не будет превышать нескольких минут (в з
а-
висимости от скорости конкре
тной ЭВМ, размерности исходных данных и а
л-
гори
т
мической реализации). Поэтому число прогонов имитационной модели определяется эк
с
пертным методом и может принимать достаточно большие значения.
2.3.5
Оперативное управление
Анализ технологического процесса оператив
ного управления
В настоящее время процесс оперативного управления грузовыми пер
е-
возками на железнодорожном транспорте в
ы
полняется в несколько этапов:
1 Техническое нормирование эксплуатационной работы
.
Определяются количественные и качественные нормативны
е показатели и вариант технол
о-
гии, обе
с
печивающей их выполнение.
2 Сменно
-
суточное планирование поездной и грузовой работы
. Провер
я-
ется возможность вывоза планируемого вагонопотока по ниткам твердого гр
а-
фика
,
и при необходимости назначаются дополнительные
поезда.
3 Регулирование работы локомотивов на участках их обращения
. На да
н-
ном этапе выполняется работа по обеспечению локомотивами поездов, сл
е-
дующих по твердым ниткам графика
,
и пониточное (пономерное) регулиров
а-
ние работы о
с
тальных локомотивов.
61
4 Тек
ущее планирование поездной работы
. Выполняется совместный ра
с-
чет планов поездообразования для группы взаимодействующих станций при вар
и
антном плане формирования поездов.
5 Диспетчерское руководство движением на участках и расформиров
а-
ние
­
формирование поез
дов на станциях
. Выполняется регулирование, напра
в-
ленное на обеспечение подготовки назначенных грузовых поездов на ни
т
ки графика, пропуска поездов по расписанию.
Наиболее важной практической задачей является автоматизация четве
р-
того этапа оперативного упр
авления. Причин несколько:
-
текущее планирование поездной работы –
сложная оптимизационная зад
а
ча, которая характеризуется большим объемом вычислений;
-
современные
информационные технологии, применяемые на транспорте, обеспечивают возможность а
втоматичес
кого построения
прогнозных моделей, оп
и
сывающих динамику зарождающихся вагонопотоков в течение интервала пл
а
нирования;
-
автоматизация текущего планирования уменьшит роль человека на пятом эт
а-
пе оперативного управления, повысив тем самым общую точность про
цесса.
Задача текущего планирования решается в два этапа:
1) построение прогнозной модели перевозок согласно установленного графика движения и плана формирования поездов;
2) формирование набора корректирующих решений исходного варианта плана формировани
я поездов для обеспечения минимальных затрат на орган
и-
зацию перевозок в течение всего интервала оперативного планирования.
На первом этапе важной задачей является нахождение
оптимального с
о-
отношения между глубиной интервала планирования и точностью прогно
зных моделей. Природа корректирующих решен
ий исходного варианта плана т
а
к
ова, что эффект от их реализации
достигается лишь через некоторое время. Поэт
о-
му, с одной стороны, глубина интервала планирования должна обеспечивать эффект от выполненной корректиров
ки. Но чем больше интервал, тем менее точна прогнозная модель. А поскольку процесс планирования и реализации 62
плана в
ы
полняется по схеме 2.11
, критерий точности является определяющим при постро
е
нии прогнозных моделей.
Рис.
2.11
.
Функциональная схема оперативной корректировки
В настоящее время на базе автоматизированных систем АСУ СС и ГИД УРАЛ разработана модель и реализован алгоритм, позволяющие в автомати
ч
е-
ском режиме решать задачи
: -
прогнозировать процесс поездообразования на станциях; -
прогнозировать пропуск поездов по дороге с учетом планируемых огран
и-
чений по скорости движения;
-
определять альтернативные варианты пропуска поездов;
-
формировать выходные формы
прогноза в виде сокращенных и полных прогнозных графиков дви
жения.
Результатом работы алгоритма является набор альтернативных графиков организации перевозо
к согласно установленных графиком движения и планом
фо
р
мирования поездов. Таким образом
,
прогнозная часть оперативного планирования в насто
я-
щее время автоматизи
рована. Процесс принятия управляющих решений по в
ы-
бору оптимального графика организации перевозок реализуется диспетчерским персоналом вру
ч
ную.
Нормирование эксплуатацио
н-
ных показателей
Прогноз заявок на выполнени
е перевозок
Нормативный план формир
о-
вания и график движения пое
з-
дов
Прогнозиров
а-
ние поездного положения на интервале опер
а-
тивного план
и-
рования
Поиск оптимал
ь-
ных коррект
и-
рующих реш
е-
ний на интервале планирования
Рег
улирование перевозочным процессом с уч
е-
том нормати
в-
ных эксплуат
а-
ционных показ
а-
телей
Корректировка эксплуатацио
н-
ных показателей
63
Методика расчета оптимальной корректировки плана формирования поездов
Целью оперативного управления является об
еспечение минимальных з
а-
трат на организацию перевозок в течение временного интервала планирования. Внутрисуточная неравномерность зарождающихся вагонопотоков, при усл
о
вии выполнения нормативного плана , приводит к отклонению фактичес
ких з
а-
трат от оптимальных . Уменьшение отклонения достигается за счет изменений, вносимых в нормати
в
ный план (в результате получаем план ) и называемых оперативной корректировкой.
Целева
я функция оперативной ко
р
ректировки имеет вид:
.
(
2.13
)
По своей природе функция затрат аддитивна во времени, т.е. на всем пр
о-
тяжении интервала планирования значение функции постоянно возрастает. П
оэтому для оценки эффективности вариантов оперативной корректировки до
с
таточно вычислить разницу фактических и оптимальных затрат в верхней гран
и
це
интервала . Тогда целевую функцию (2.13) можно представить как:
(2.14)
В этом случае, оба откорректированных плана, графики затрат на орг
а-
низацию перевозок по которым приведены на рисунке 2.12, равнозначны, п
о-
скольку их значения затрат на конец интервала планирования один
а
ковы.
Другой особенностью рассматр
иваемой задачи является возможность в
ы-
полнять ограниченное число корректировок на интервале . Это связано в ч
а-
стн
о
сти со снижением эффективности оперативной корректировки в случае очере
д
ного изменения плана формирования для поездов, находящихся в пути след
о
вания. Данная особенность определяет задачу оперативной корректировки как дискретную многошаговую задачу оптимизации
.
Цель задачи –
найти о
п-
тимальную последовательность перехода к различным вариантам плана , к
аждый из которых характеризуе
т-
ся структурой , обеспечивающей минимальные затраты организации 64
з
а
рождающихся вагонопотоков на временном отрезке . Рис
.
2.12
.
Геометрическая постановка задачи оперативно
й корректиро
в
ки
Одним
из наиболее эффективных методов решения задач данного класса является метод динамического программирования
в основе которого залож
е
н принцип оптимальности, сформулированный Р. Беллманом: любой участок о
п-
тимальной траектории развития процесса является оптимальной тр
а
екторией. Данный принцип определяет стратегию вычислений –
какова бы не была последовательность перехода к текущему плану , последующие р
е-
шения должны обеспечивать минимальные затраты на временном о
т-
резке :
,
(2.15)
где: ­
затраты от реализации текущего плана . Вычисляются в момент непосредственно
перед переходом к последующему -
му пл
а
ну;
­
последующие затраты от реализации планов на временном отрезке . Очевидно, что при реализации последнего -
го вариа
н
та .
Выражение (2.15)
является основной реккурентной формулой динамич
е-
ского программирования (реккурентной называется формула, позволяющая в
ы-
65
числить все члены последовательности ,
е
сли известны ее первые чл
е-
нов
применительно к формуле (2.15)
)
,
и определяет общую последов
а-
тельность поиска опт
и
мальных решений:
1 Определяется временной интервал , в течение которого с
труктура плана будет обеспечивать минимальные затраты (для этого надо определить структуру и выполнить анализ ее устойчивости к неравноме
р-
ности вагонопотоков внутри интервала ). В результате на данном ш
а-
ге будет получен план .
2 Применяя реккурентное соотношение, выполняется поиск оптимальной структуры , которая бы обеспечила минимальные затраты на инте
р
вале . Полученный на данном шаге план должен удовлетворять обязательному условию –
обеспечивать возможность перехода от структуры плана к структуре в мо
мент времени . В
ы-
полнение данного условия достигается
путем ввода дополнительных огран
и-
чений на изменение структуры и минимальной длины интервала . Данные условия определяют область допустимых решений
,
на котор
ой и осуществляе
т
ся поиск оптимального варианта плана.
3 Аналогично шагу 2 выполняется поиск оптимальных вариантов плана до тех пор, пока не будет достигнута точка начала интервала планирования .
Переход от последовательности планов
, полученной в результате раб
о-
ты алгоритма
,
к последовательности корректирующих решений выполняется по формуле:
.
(2.16)
Задача автоматизации формирования оптимальных ко
рректирующих р
е-
шений в настоящее время не решена
. Таким образом
,
решение задач управл
е-
ния перевозками в настоящее время автоматизировано не в полной мере. Их
решение является одним из основных направлений совершенствования системы орган
и
зации вагонопотоков
. 66
2.4
И
НФОРМАЦИОННО
Е ОБЕСПЕЧЕНИЕ
АСУВ
2.4.1 Анализ тенденций развития
До недавнего времени автоматизированная система управления вагон
о-
потоками представляла собой совокупность автономно функционирующих пр
о-
граммных комплексов, решающих отдельные задачи уп
равления вагонопот
о-
ками и соединенных каналами связи для обмена информацией. При подобной организации архитектуры приходилось многократно дублировать информ
а
цию о перевозочном процессе, что обусл
о
вливало ряд существенных недостатков си
с
темы:
-
нарушение це
лостности информации
.
Основной принцип организации и
н-
формации в автоматизированных системах состоит в однократном вводе данных. Любое дублирование повышает сложность контроля за обновлением информации (т.е. ее достоверностью). А с учетом того, что хранение
инфо
р-
мации о перевозках в пределах дороги (и, тем более, сети дорог) осуществл
я-
ется в больших, постоянно обновляемых массивах данных, процесс дублир
о-
вания (полного или частичного) неизбежно приводит к нарушению целос
т-
ности и
н
формации;
-
снижение уровня бе
зопасности
.
При хранении коммерческой информации о
д-
новременно в несколь
ких местах сложнее обеспечить ее
защищенность от несанкционированного
доступа. Чем больше таких мест
и чем чаще инфо
р-
мация передается по каналам связи, тем ни
же уровень безопасности сис
темы;
-
увеличение стоимостных затрат на внедрение и сопровождение системы. Хр
а-
нение большого количества информации и обеспечение быстрого доступа к ней возможны лишь при условии применения мощного аппаратного, комм
у-
никационного и программного обеспечения,
которое является весьма дорог
о-
стоящим. Поэтому создание одновременно нескольких подобных мест хр
а-
нения информации существенно увеличит затраты на внедрение и сопрово
ж-
дение сист
е
мы.
67
Эти недостатки привели к идее модернизации АСУВ на основе интегр
а-
ции
суще
ствующих программных комплексов. Поэтому
один из важных этапов с
о
вершенствования СОВ состоит в создании единой АСУВ путем интеграции существующих систем и ее дальнейшее развитие с целью максимальной авт
о-
матизации пр
о
цесса управления перевозками
.
Следует з
аметить, что процесс интеграции программных комплексов не сводится к созданию единой физической модели данных о перевозках. Инте
г-
рированная АСУ
В
предполагает
согласованное и координированное решение задач с учетом временной и уровневой иерархии за счет раз
деления общей з
а-
дачи управления по фазам планирования, оперативного управления
, контроля и
ан
а
лиза
.
Максимальная автоматизация процесса управления перевозками является основной целью разработки и внедрения АСУВ. Однако, помимо этого
,
система должна также удовлетворять набору требований, которые к ней предъявляют 1) заказчик (т.е. ОАО «РЖД»); 2) конечный пользователь системы (руководящий и диспетчерский персонал, задействованный в организации перевозок); 3) пе
р-
сонал технической поддержки и сопровождения сис
темы.
В настоящее время можно выделить следующие основные требования, предъявляемые к АСУВ:
1
Требования заказчика:
-
обеспечение возможности постоянного увеличения количества пользов
а-
телей системы и объема информации, обрабатываемой каждым польз
о-
вателем ­
сво
й
ство масштабируемости системы;
-
обеспечение замены части оборудования (при возникновении поломок, модернизации оборудования) бе
з длительной остановки системы ­
свойство модульн
о
сти;
-
обеспечение надежности при возможных отказах аппаратуры и устойч
и-
вости к несанкционированному доступу ­
свойство безопасности;
-
обеспечение возможности внесения изменений в систему (например
,
при изменении технологического процесса управления перевозками) –
сво
й-
68
ство разв
и
ваемости;
-
минимальные ценовые затраты на внедр
ение и сопровождение системы.
2
Требования пользователей системы
:
-
обеспечение максимальной точности, скорости и уровня автоматизации при формировании упра
вляющих решений и предоставлении
аналитич
е-
ской информации;
-
обеспечение максимальной детализации но
рмативно
-
справочной инфо
р-
мации;
-
визуализация и прозрачность представляемой информации;
-
интуитивно понятный интерфейс пользователя.
3
Требования технической поддержки
:
-
минимальные временные затраты и простота инсталляции (установки) системы и ее обслу
живания;
-
применение типовых пр
ограммных и аппаратных платформ.
Удовлетворение перечисленных требований возложено на различные с
о-
ставляющие автоматизированной системы, объединенные одним названием –
информационное обеспечение системы. В состав информацио
нного обеспеч
е-
ния
входит информационная среда, аппаратная инфраструктуру, программная и
н
фраструктуру.
Информационная среда
–
совокупность систематизированных и орган
и-
зованных специальным образом данных и знаний. Инфраструктура (пр
о-
граммная и аппаратная)
–
совокупность программных (технических) средств, обеспеч
и
вающих получение, хранение, передачу, обработку и предоставление информ
а
ции.
Практика создания систем
,
сравнимых по масштабам с АСУВ
,
уже насч
и-
тывает несколько десятилетий. На основании предшествующ
его опыта созданы и постоянно совершенствуются методы и средства разработки информационн
о-
го обеспечения таких систем. В следующем параграфе приведен обзор осно
в-
ных этапов проектиров
а
ния и применяемых средств разработки АСУВ.
69
2.4.2 Основные этапы проект
ирования
Процесс проектирования и разработки корпоративных автоматизирова
н-
ных систем –
сложная экспертная задача. Попытки упорядочить основные эт
а-
пы решения этой задачи привели к созданию различных методик, формул
и-
рующих рекомендательную последовательност
ь действий.
Один из примеров такой методики, использующей «водопадную» схему, приведен на рису
н-
ке
2.13
.
Выбор методики проектирования автоматизированной системы зависит не только от специфических особенностей решаемой задачи, но и индивид
у-
альных предпочте
ний группы разработчиков. Поэтому в данном параграфе при описании основных этапов проектирования и разработки АС мы не будем пр
и-
держиваться какой
-
либо методики, а приведем лишь их общую последовател
ь-
ность.
Рис
.
2.13
.
Схема «водопадного» проектирова
ния автоматизированных си
с
тем
1 А
нализ требований к автоматизированной системе
Сформулированные в предыдущем параграфе требования, предъявляемые к АСУВ
,
являются абстрактными и не позволяют даже приближенно описать разрабатываемую систему. Поэтому на данн
ом этапе выполняется детализация требований в процессе которой устанавливаются информационные потоки в си
с
теме, оценивается объем хранимой обрабатываемой информации.
Анализ
выполняется по отношению к двум объектам:
-
функции
­
информация о событиях и проц
ессах, которые происходят при управлении перевозками
; Этап 1
Этап 2
Этап 3
……………………
70
-
сущности
­
информация об объектах управления
.
Результаты анализа требований сводятся в три основные диаграммы:
·
диаграммы «сущность ­
связ
ь»
(Entity
-
Relationship Diagrams, ERD), кот
о-
рые служат для фор
мализации информации о сущностях и их отношен
и-
ях
. Данный вид диаграмм является основой для проектирования логич
е-
ской схемы базы данных для хранения необходимой информации
; ·
диаграммы потоков данных (Data Flow Diagrams, DFD), которые служат для формализации
представл
е
ния функций системы; ·
диаграммы переходов состояний (State Transition Diagrams, STD), кот
о-
рые отражают поведение системы, зависящее от времени. 2
В
ыбор архитектуры системы
Данный этап включает в себя:
-
выбор способа организации доступа к данн
ым. В настоящее время су
ществует два наиболее известных
способа организации доступа к данным реализова
н
ных на «файл
-
серверной» и «кл
и
ент
-
серверной» архитектурах. В «файл
-
серверной» архитектуре компоненты информационной системы, в
ы
полняемые на разных комп
ьютерах
, взаимодействуют только за счет наличия общего хранилища файлов, расположенного
на файл
-
сервере
. Основное пр
е-
имущество данной архитекту
ры заключается в том, что при опоре на файл
-
серверную архитектуру сохраняется автономность прикладного (и большей
части системного) программного обеспечения, р
а
ботающего на каждой рабочей станции
.
Под «
клиент
-
серверн
ой»
архитектурой понимается
систем
а
, основанн
ая
на использовании серве
ров баз данных. Основные принципы функциониров
а-
ния автоматизированной системы на б
азе данной архитектуры заключаются в сл
е
дующем:
-
н
а сторон
е клиента выполняется приложение
, в котор
ое
входят компоне
н
ты, поддерживающие связь
с конечным пользователем
,
-
к
лиентская часть приложения взаимодействует с клиентской частью пр
о-
71
граммного обеспе
чения уп
равления базами данных, которая фактически
явл
я-
ется инд
и
видуальным представителем СУБД для приложения.
В настоящее время «клиент
-
серверная» технология признана наиболее эффективным решением при проектировании АСУВ.
-
выбор способа обработки запрос
ов данных. Реализация способов основана на использовании двух принципиальных схемах клие
нт
-
серверной архитектуры (рис
.
2.14
, 2.15
)
Рис
.
2.14
.
Двухзвездная архитектура
Рис
.
2.15
.
Т
рехзвездная архитектура
Основное отличие приведенных схем состоит в том, что при двухзвез
д-
ной архитектуре формирование и обработка запроса выполняется на клиен
т-
ских р
а
бочих местах. Это значит, что при больших объемах информаци
и для эффе
к
тивной работы системы рабочие места пользователей должны обладать достаточной мощностью для выполнения запросов. При трехзвездной архите
к-
т
у
ре эта задача возложена на сервер приложений.
-
выб
ор способа хранения информации ­
централизованный или р
аспределе
н-
ный. Распределенный способ предполагает хранение на различных серверах автономных или логически связанных разделов данных
(рис. 2.16
)
. В после
д-
нем случае возникают определенные сложности с организацией целостности информ
а
ции.
-
выбор программных и аппаратных платформ, способных эффективно реал
и-
72
зовать спроектированную архитектуру. На данном этапе выбираются техн
и-
ческая и программная инфраструктуры автоматизированной системы, сре
д-
ства разр
а
ботки, поддержки и хранения базы данных. Рис.
2.16
.
Схема распределенного способа хранения данных
с логически неа
в
тономными разделами
Данный этап сопровождается тщательным тестированием построенной архитектуры
, в ходе ко
торого оцениваю
тся свойства автоматизированной си
с-
темы –
производительность, надежность, развиваемость и т.д. Если в процессе тестир
о
вания окажется, что некоторое свойство не удовлетворяет
заданным требованиям, ра
з
рабатываются предложения по модификации ар
хитектуры.
3 В
ыбор средств разработки пользовательских приложений
На данном этапе прежде всего следует тщательно исследовать набор функций автоматизированной системы, который в конечном итоге определяет ее назначение. Если все функции обработки информации
сводятся к вводу, ко
р-
ректировке, преобразованию данных, формированию отчетов и т.д., то для ра
з-
р
а
ботки пользовательских приложений данной системы вполне подойдет один из языков 4
GL
.
Если же требуе
тся более сложная обработка
данных, которая сопрово
ж-
73
дается
сложными вычислительными процедурами, то для разработки прилож
е-
ний потребуется один из языков программирования (например Pascal
или С++). Здесь, помня о пользовательских требованиях визуализации интерфейса и о простоте его интуитивного восприятия
,
целесоо
бразно использовать одну из визуальных сред п
рограммирования, ориентированную
на создание графич
е-
ского интерфейса (н
а
пример
,
Delphi
или CBuilder
)
.
Анализируя современное состояние развития АСУВ с учетом перечи
с-
ленных этапов проектирования и разработки
,
мы можем сделать вывод, что к н
а
стоящему времени полностью завершены первый и второй этапы, результаты которых воплощены в системе АСОУП
-
2. Архитектура данной система опред
е-
ляет логическую и физическую модели хранения информации о перевозках в базах данных, и
нструментарные средства разработки и сопровождения БД, сп
о-
соб хранения информации, аппаратные и программные платформы.
На сег
о-
дняшний день информационная среда АСОУП
-
2 включает в себя
:
аппаратную
платф
орму
­
вычислительные комплек
сы на мэйнфрэймах IBM
9672
, zSeries
под управлением OS
/390, z
/
OS
, ПК платформы Wintel
на рабочих местах;
св
я
зующее ПО фирмы IBM
­
систему
управления базой данных (СУБД) DB
2 UDB
, сервер прилож
е
ний WebSphere
Application
Server
.
Что же касается ПК на рабочих местах, то бол
ь
шая их част
ь работает под управлением ОС Wi
n-
dows
различ
ных версий фирмы Microsoft
, в стандартной поставке кот
о
рых присутствует Web
-
браузер –
«то
н
кий клиент»
.
Частично также реализован третий этап, в результате которого разработ
а-
ны отдельные прикладные программные ко
мплексы, решающие отдельные з
а-
дачи управлен
ия перевозками. С основными из них мы познакомимся в сл
е-
дующем разделе. Тем не менее процесс интеграции функционирующих систем нельзя сч
и-
тать завершенным. Во
-
первых
,
в рамках системы реализованы не все ее фун
к-
ци
ональные задачи. Например, не автоматизированы задачи анализа устойч
и-
вости вариантов организации вагонопотоков и оперативного управления пер
е-
возками
. Во
-
вторых
,
реализованные в существующих системах задачи слабо 74
согласованы между собой. Например, применяем
ая система ОСКАР
-
М не пр
е-
доставляет информацию об объектах транспортной сети, эту функцию реализ
у-
ет др
у
гое приложение –
единая электронная схема железных дорог.
Это дает нам право утверждать, что создание единой АСУВ в настоящее время не завершено
.
В зак
лючение
отметим, что эффективно реализовать перечисленные в
ы-
ше этапы проектирования и разработки корпоративных автоматизированных систем без поддержки информационных технологий просто невозможно. П
о-
этому на рынке программного обеспечения интенсивно разраба
тываются и с
о-
вершенс
т
вуются программно
-
технологические средства специального класса ­
CASE
-
средств, реализующих CASE
-
технологию создания и сопровождения а
в-
томатизированных систем CASE
(
Computer
Aided
Software
Engineering
). Факт
и-
чески, под термином CASE
-
сре
дства понимаются программные средства, по
д-
держивающие процессы создания и сопровождения АС, включая анализ и фо
р-
мул
и
ровку требований, проектирование прикладных приложений и баз данных, генерацию кода, тестирование, документирование, обеспечение качества, к
о
н-
фигурационное управление и управление проектом, а также другие проце
с
сы. CASE
-
средства вместе с системным программным обеспечением и техническ
и-
ми средствами образуют полную среду разработки корпоративных автоматиз
и-
рованных си
с
тем.
2.5
ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ
КОМПЛЕКСОВ АСУВ
Сегодня на транспорте функционирует множество различных програм
м-
ных комплексов и приложений, решающих отдельные задачи управления гр
у-
зовыми перевозками на разных уровнях. Цель данного раздела не состоит в опис
а
нии всех этих систем и прогр
аммных приложений. Ниже рассмотрены функци
о
нальные возможности программных комплексов, которые
являются основой для создания единой автоматизированной систем
ы
управления вагон
о-
75
потоками. Приведенная в разделе классификация систем на справочные, и
н-
формационн
о
-
аналитические, информационно
-
управляющие и планирующие выполнена с уч
е
том доминирующих функциональных задач, реализованных в системах, и не является стр
о
гой. 2.5.1
Справочные автоматизированные системы
Эффективное управление грузовыми перевозками (осо
бенно на этапе долгосрочного планирования) невозможно без точной и детальной информации о входных параметрах задачи управления: 1) объектах транспортной сети (станциях и уч
а
стках) 2) объемах и структуре грузопотоков. Информаци
я об объектах транспортной се
ти
В настоящее время наиболее полная информация об объектах транспор
т-
ной сети содержится в базе единой электронной схемы железных дорог (ЕЭСЖД) России, СНГ и стран Балтии. Данный программный комплекс пре
д-
ставляет географическую информационную систему, кот
орая имеет интуити
в-
но
-
воспринимаемый графический интерфейс и предназначена для работы в операционной си
с
теме Windows
. В ЕЭСЖД реализовано множество функций для получения различной справо
ч
ной информации, однако мы опишем только те, которые необходимы при ф
ормировании управляющих решений по организации вагонопот
о
ков.
1 Получение информации по объектам транспортной сети
ЕЭСЖД предоставляет информацию об объекта
х двух типов станций (рис
унок 1
­
1)
и участков (рис
унок
1
­
2
)
.
2
Построение маршрута
В системе пр
едусмотрено построение кратчайшего маршрута при выд
е-
лении пользователем на карте начальной и конечной станций.
3
Работа с легендами Инструмент «
Легенда
»
позволяет настроить единую схему железных д
о-
рог на отображение информации, привязанной к объектам схе
мы (раздельным 76
пун
к
там и перегонам). Отображение информации осуществляется следующим стандартным способом: раздельные пункты в случае «привязки»
к ним данных от
о
бражаются кругом с цветными секторами, а перегоны ­
цветными линиями. Легенда имеет заголовок, список пунктов легенды. С каждым пунктом л
е
генды может быть связан цвет раскраски и файлы данных, в которых хранится пр
и-
вязка к схеме железных дорог. Пользуясь инструментами выделения, постро
е-
ния маршрута и экспорта
-
импорта объектов схемы и окном настройки
л
е
генды, пользователь может быстро создать нужную легенду. В приложении существ
у-
ет возможность просмотра у
же имеющейся легенды (рис.
1 ­
3
).
Кроме приведенных функций
,
в ЕЭСЖД реализованы возможности со
з-
дания и предоставления информации аналитического ха
рактера, необходимой при долгосрочном планировании и развитии отрасли. К таким возможностям отн
о
сятся создание и просмотр пользовательских слоев и цифровых карт.
Пользовательские слои предназначены для хранения геоинформационных данных, имеющих определенн
ый стиль отображения и атрибутивную инфо
р-
мацию. Для работы с пользовательскими слоями в среде единой электронной схемы железных дорог предусмотрен интерфейс, позволяющий создавать, р
е-
дактировать, сохранять слои и проекты, совершать другие операции над объе
к-
тами. Цифровые топографичесие карты позволяют получить информацию о рельефе местности, растительности, гидрографии, населнных пунктах, автод
о-
рогах, железных дорогах, аэропортах и др. По карте можно определить взаи
м-
ное расположение объектов, расстояние между ними. В ЕЭСЖД осуществлн и
н
терфейс к электронным цифровым картам масштабов 1:1000000 и 1:100000. Информация о грузовых перевозках
Информация об объемах и структуре грузовых перевозок подразделяется на оперативную и статистическую. Хранение и предо
ставление этих видов и
н-
формации осуществляют несколько различных систем.
Текущее состояние перевозочного процесса отражает оперативная сист
е-
ма контроля и анализа эксплуатационной
работы (ОСКАР, ОСКАР
-
М) и сист
е-
77
ма автоматического построения графика исполне
нного движения ГИД
-
Урал. В настоящее время эти системы являются основными программными прилож
е-
ниями, используемыми диспетчерским и руководящим персоналом дорог, а их совмес
т
ное использование в едино
й клиентской оболочке (рис. 2.
17
) является примером интегр
ации пр
о
граммных комплексов в единую систему.
Рис
.
2.
17
.
Главное меню клиентской оболочки АС ОСКАР
-
М
Информацию, предоставляемую автоматизированной системой ОСКАР
-
М условно можно разбить на три вида: отчетную, контролирующую и аналит
и-
ч
е
скую. Отчетная информация позволяет количественно оценить выполненную работу с различной степенью детализации –
дорога, отделение, станция (н
а-
пример, поезда, сформированные на стан
ции за указанный период (
рис 2
­
1
)
)
или зафиксировать текущее состояние перевозочного про
цесса по отдельным позициям (например
,
наличие брошенных поездов с разложением по родам гр
у-
зов или н
а
личие порожних ва
гонов на станциях дороги (рис 2
­
2
)).
Большие возможности в получении дополнительной информации предо
с-
тавляет модуль связи с АСОУП, имею
щий специальные шаблоны для форм
и-
рования информационных сообщений.
Контролирующая информация отвечает на вопрос –
насколько качестве
н-
но была выполнена работа за отчетный период. В основе предоставления этой и
н
формации заложено сравнение фактических и план
овых показателей работы дороги и ее объектов. Так, например, на рис 2
­
3
приведен контроль выполн
е-
ния пл
а
на погрузки по дорогам.
И, наконец, аналитическая информация позволяет отследить динамику изменения показателей работы с учетом предыдущих периодов. Н
апример, на рис
унке 2 ­
4
приведена информация о динамике среднесуточной погрузки по Северо
-
Кавказской железной дороге. Несмотря на наличие аналитической и
н-
78
форм
а
ции
,
ОСКАР
-
М нельзя отнести к аналитическим системам, поскольку в ней не в полной мере предусмо
трены функции анализа и прогноза данных. П
о-
это
му
ОСКАР
-
М характеризуется как справочная отчетно
-
контролирующая система организации п
е
ревозочного процесса.
Автоматизированная система ГИД
-
Урал ориентирована на предоставл
е-
ние
в режиме реального времени инфор
мации о поездном положении на учас
т-
ках дороги (рис 3 ­
1
), полной информации о с
формированных поездах (рис. 3
­
2
) и ра
з
личной отчетной и аналитической информации (рис 3 ­
3
-
а, б
)
.
Статистическая информация о выполненных перевозках содержится в корпорати
вном информационном хранилище (КИХ). Основным
назн
а
чением этой системы является не просто хранение и предоставление информации о в
ы-
по
л
ненных перевозках, а выполнение задач аналитического характера. 2.5.2 Информационно
-
аналитическая система
На сегодняшни
й день Корпоративное информационное хранилище да
н-
ных
(
КИХ)
поддерживает основные бизнес
-
процессы ОАО «РЖД»: внутрико
р-
поративную отчетность, взаимодействие с клиентами, внутренние производс
т-
венные процессы, стратегическое развитие отрасли.
Понятие «корпора
тивность» информационного хранилища включает в себя два основных аспекта. Первый –
все уровни управления корпорации и
с-
пользуют для анализа и принятия решений единый информационный ресурс. Второй аспект –
само хранилище содержит выверенную и согласованную и
н-
формацию обо всех сторонах деятельности корпорации. К настоящему времени в КИХ реализованы данные четырех предметных областей:
-
грузовые перевозки;
-
вагонные парки;
-
пассажирские перевозки;
-
локомотивные парки.
79
Предметная область «грузовые перевозк
и» содержит данные, которые я
в-
ляется информационной основой для решения следующих задач:
-
оперативного управления
перевозками;
-
среднесрочного планирования перевозок;
-
долгосрочного планирования и прогнозирования;
-
аналитического управления.
Основой д
ля данных предметной области является информация автомат
и-
зированного комплекса «Электронная транспортная накладная» (ЭТРАН).
В качестве наиболее важных можно выделить следующие функционал
ь-
ные задачи, решаемые в рамках информационного хранилища:
-
отображе
ние основных стадий прохождения грузовой заявки на доро
ж-
ном и сетевом уровне, начиная с ее регистрации и заканчивая закрыт
и-
ем учетной карточки при выполнении заявки. Эти данные являются о
с-
новой для суточного пл
а
нирования перевозок грузов;
-
расчет и анализ
количественных, качественных и экономических пок
а-
зателей, таких как: объем перевозок грузов в тоннах, вагонах и конте
й-
нерах, грузооборот, средняя дальность перевозок, провозная плата в рублях и валюте, доходная ста
в
ка;
-
автоматический прогноз объема пере
возок и провозных платежей
(рис
.
4
­
1
)
;
-
анализ сроков доставки грузов
по критериям продолжительности и ск
о-
рости доставки. Данные предоставля
ются в виде справки формы
ЦО
-
31.
Для реализации функций анализа в информационном хранилище досту
п-
на
информа
ция о грузовых перевозках
с 1996 года. Данные о суточных отпра
в-
ках
обновляютс
я раз в календарные сутки (рис
.
4
­
2
). Это позволяет выполнять оперативный контроль текущей ситуации на дорогах, прогнозировать выполн
е-
ние м
е
сячного плана. 80
2.5.3 Информационно
-
у
правляющая система
Важным этапом создания единой АСУВ стала разработка Сетевой Инте
г-
рированной Российской Информационно
-
Управляющей Системы («СИРИУС»).
18 декаб
ря 2003 года комиссия компании «
Российские же
лезные дороги» пр
и
няла первую очередь системы СИРИУ
С в опытную эксплуатацию на всей се
ти, а 29 августа 2004 года ­
в промышленную эксплуатацию.
В настоящее время эта система активно внедряется на всей сети железных дорог. Целью со
з
дания этой системы является объединение и расширение функциональных з
а
дач уп
равления перевозками, реализуемых альтернат
ивными программными комплексами
на базе единого унифицированного пользовательского инте
р-
фейса.
СИРИ
УС содержит планирующие
и прогнозирующие модели
, имеет це
н-
т
рализованную базу данных по всем показателям работы сет
и, до
рог, отделений и т.д., выдает экономические оценки эффективнос
ти перевозочного процесса.
В основу планирования и регулирова
ния грузопотоков положен метод ситуацио
н-
ного м
о
делирования вза
имосвязанных объектов
.
Основными функциями управления перевозками,
реализованными в си
с-
теме СИРИУС, являю
т
ся:
-
планирование
перевозок на основе бизнес
-
прогнозов по объемам и в
и-
дам перевозок и принятых от клиентов заявок на перевозку грузов
. Задача системы СИРИУС ­
минимизировать
(в своей зоне ответственности) расх
о
ды.
-
оперативное управление
перевозками железных дорог, отделений, станций и сети в целом, направлен
ное
на безусловное обеспечение принятых заявок о
т-
правителей на погрузку, планов продвижения и передислокации подвижного со
става с минимизацией эксплуата
ционных затрат на перевозку.
Комплекс оп
е-
ра
ти
в
ного управления системы включает в себя диспетчерское руководство движением поездов и местной работой, сменно
-
суточ
ное и текущее планиров
а-
ние эк
с
плуатационной работы, контроль и анализ выполненных перевозок
.
-
прогнози
рование
допустимых отклонений от нормативных режимов р
а-
боты объектов транспортной сети, не приводящих к уменьшению маневренн
о-
81
сти перевозок.
-
экономическая оце
нка
хода перевозочного процесса, использования в
а-
гонов националь
ного парка, стран СНГ, Балтии и прочих собс
т
венников как на дорогах России
,
так и других госу
дарств ­
участников Соглаш
е
ния.
-
факторный анализ
использовани
я
вагонов грузового парка любых адм
и-
нистраций и компаний операторов, собственников и арендаторов вагонов по любым параметрам, вплоть
до расчлененного простоя вагонов, реализован мн
о-
г
о
факторный анализ оборота вагонов не только рабочего парка, но и от общего нал
и
чия
(рис. 5
­
1
)
.
В ближайшее время разработчики системы планируют реализовать т
а-
кие функции управления, как:
-
контрол
ь
и ана
ли
з показателей эксплуатационной работы сети
д
о
рог, их отделений с детализацией вплоть до линейных объектов управления с элеме
н-
та
ми экономической оценки;
-
управлени
е
грузо
потоками в транспортных кори
дорах;
-
автоматизация распределения погру
зочных ресурсо
в на сетевом уровне.
Информационной платформой АС СИРИУС является база данных АСОУП
-
2.
По состав
у решаемых функциональных задач
СИРИУС отн
о
сится к оперативным информационно
-
управляющим системам. Задачи долгосро
ч-
ного и перспективного планирования перевозк
ами в настоящее время р
е-
шаются двумя альтернативными а
в
томатизированными системами.
2.5.4 Планирующие системы
1 А
втоматизированная система по расчету плана формирования пое
з
дов
(АС
РПФП)
предназначена для:
-
расчета вариантов плана формирования поездов
(на сетевом и дорожном уровнях)
на основе данных о вагонопотоках, получаемых из действующих на 82
сети ж.д. автоматизированных си
с
тем
АСОУП и ЕК ИОДВ;
-
в
ыбор
а
оптимального варианта плана формирования поездов на о
с
нове
многокритериальной оптимизации.
В систе
ме реализован алгоритм расчета вариантов ПФП методом совм
е-
щенных аналитических сопоставлений с учетом ряда дополнительных огран
и-
чений, таких как принудительные кружности следования вагонопотоков, запрет на формирование определенных назначений.
Выбор оптима
льного варианта ПФП выполняется по методу Парето
-
оптимизации с учетом следующих критериев:
количество поездов, вагонокил
о-
метры, вагоночасы. Весовые коэффициенты каждого критерия задаются вру
ч-
ную.
Помимо основных функций, АС РПФП
обеспечивает выполнение ряд
а дополнительных функциональных задач:
·
автоматизированная обработка и хранение входных данных
по мес
т
ным и транзитным вагонопотокам с переработкой и без переработки;
·
автоматизированное формирование участковой модели полигона
на осн
о-
ве нормативно
-
справочной
информации из программного комплекса «В
е-
дение сетевой книги по плану формирования п
о
ездов»;
·
формирование справок
:
об объектах данного полигона;
о среднесуточной погрузке и выгрузке на отдельных станциях и уч
а-
стках данного полигона; о величине среднесуточ
ных вагонопотоков на участках данного пол
и-
гона;
о сформированных на станциях поездах;
о поступающих по с
тыковым пунктам поездах и других данных
.
Схема потоков нормативно
-
справочной информации в АС РПФП прив
е-
де
на на рисунке 2.18.
Система обладает удобным гр
афическим интерфейсом, обеспечивающим наглядное представление транспортного полигона, с наложением исходных в
а-
83
гонопотоков (рис. 6 ­
1) и назначений плана формирования поездов (дейс
т-
вующего и ра
с
четного).
Рис
.
2.18
.
Информационные потоки АС РПФП
Программн
ое обеспечение АС РПФП разработано на основе
«кл
и
ент
-
сервер
ной
»
архитектуры
.
Серверная часть системы работает на базе операц
и-
онной системы Windows
NT
, а клиентские приложения ­
на операционной си
с-
теме Windows
’98 и выше.
2 Автоматизированная система расчета
сетевого плана формирования поездов
(АС РСПФП)
О
сновными отличительными особенностями данной си
с
темы от ранее существующих является реализация методики и алгоритмов, п
о
зволяющих:
-
одновременно оптимизировать выбор направлений следования и станции п
е-
рера
ботки вагонопотоков на сети;
-
в качестве критерия оптимизации использ
овать
минимальные затраты, св
я-
занные с накоплением, переработкой и транзитным пропуском вагонопотоков на те
х
нических станциях, с перемещением поездов по участкам сети;
84
-
учитыва
ть
завис
имость затрат и времени нахождения на станциях и учас
т
ках от мощности вагонопотока.
Расчет оптимального варианта плана формирования поездов в АС РСПФП
выполняется в несколько этапов. Сначала рассчитывается базовый в
а-
риант, п
о
сле этого выполняется его пров
ерка на систему
ограничений. На третьем этапе в
автоматическом режиме формируется множество потенциал
ь-
ных «удлиненных» назначений, выделение которых в оптимальный вариант осуществляется техн
о
логом экспертным путем на основании предоставляемой системой инфо
рмации.
АРМ пользователя системы содержит набор средств послеоптимизацио
н-
ного анализа и корректировки рассчитанного плана.
В 2004 году АС РСПФП принята в опытную эксплуатацию
, а результаты расчетов использованы департаментом при разработке плана формиров
ания п
о-
ездов на 2005 ­
2006 гг.
2.6 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ
УПРАВЛЕНИЯ
При оценке эффективности автоматизации управления применяется два ра
з
личных подхода.
Первый заключается в том, что автоматизация рассматривается как инн
о-
вационный проект
(т.е. внедрение в производственный процесс новшества, п
о-
лученного в результате научных исследований и разработок). Применение да
н-
ного подхода предусматривает технико
-
экономическое обоснование проекта
,
в рамках которого выполняется расчет показателей, отраж
ающих соотношение затрат и результатов в трех основных областях: народнохозяйственн
ой
, ко
м-
мерческ
ой и
бюджетн
ой
.
Достаточно подробно ре
а
лизация данн
ого
подход
а
описан
а
в [8]
.
Другой подход опирается на основные положения системного анализа и ориентирован на оценку функциональной эффективности автоматизации 85
управления перевозками.
Его основная идея заключается в аналитическом сравнении показателей качества работы системы организации вагонопотоков (напомним, что такими показателями являются себестоимость
пер
евозок и
вр
е-
м
я
доста
в
ки груза
)
до и после внедрения АСУВ. Однако
в
настоящее время практическая реализация данного подхода сопряжена с рядом трудностей сл
е-
дующего хара
к
тера:
1
П
араллельно с внедрением АСУВ на железнодорожном транспорте
вн
е-
дря
ются
и другие ин
новационные проекты
(
н
апример, системы железн
о-
дорожной автоматики и диспетчерской централизации
)
, также влияющие на значение себестоимости перевозки и врем
я
доставки грузов
. При этом выделить и оценить влияние каждого отдельного инноваци
о
нного прое
к-
та до
с
т
аточно сложно.
2
П
роцесс внедрения АСУВ является поэтапным
, распределенным в теч
е-
ние длительного
временно
го
интервал
а
, который характеризуется сущ
е-
стве
н
ным
измене
нием
структуры и размеров перевозок
,
что также влияет на значение исследуемых показат
е
лей
.
В св
язи с этим
в настоящее время
мы можем лишь оценивать эффекти
в-
ность внедрения отдельных подсистем АСУВ. Однако при этом следует уч
и-
тывать, что общая, ин
тегральная эффективность системы не сводится к су
м-
м
е
эффектов ее подсистем.
Поэтому
развитие методики оце
нки функци
о-
нальной эффективности внедрения АСУВ является важной практической з
а-
дачей на ближайшую перспективу.
Выводы по главе
1
Решение задачи оптимального управления перевозками с учетом сформул
и-
рованных критериев сводится к одновременной минимизации двух
показ
а-
телей –
эксплуатационных расходов и транспортных издержек при перево
з-
ке грузов. В приведенной постановке задача в настоящее время не решена. Применяемые методы и алгоритмы управления вагонопотоками направлены 86
на минимизацию одного показателя –
экспл
уатационных расходов.
2
Задача интеллектуализации управления грузовыми перевозками в насто
я-
щее время решается посредством создания и внедрения единой автоматиз
и-
рованной системы управления в
а
гонопотоками (АСУВ). В последние годы ведется активная разработка пр
икладных программных приложений на о
с-
нове информационной среды АСОУП
-
2. Главной актуальной проблемой я
в-
ляется локальный характер решаемых различными программными компле
к-
сами з
а
дач управления. Поэтому по
-
прежнему актуальна задача реализации в рамках функцио
нирования АСУВ полного цикла процесса управления п
е-
ревозками (от процедуры планирования ­
до анализа выпо
л
ненной работы).
87
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
Кузнецов, А.П.
Методологические основы управления грузовыми пер
е-
возками в тран
с
портны
х системах
/ А.П. Кузнецов. –
М. : ВИНИТИ РАН, 2002. –
276 с.
2.
Моисеев, Н.Н.
Методы оптимизации
/ Н.Н. Моисеев, Ю.П. Иванилов, Е.М. Ст
о
лярова.
–
М. : Наука
, 1978. –
352 с.
3.
Вентцель, Е.С
.
Исследование операций
/ Е.С. Вентцель
. М. : Советское радио
, 1972. –
552 с.
4.
Графы в программировании: обработка, визуализация и примен
е
ние.
–
СПб.: БХВ
-
Петербург, 2003.
–
1104 с.
5.
Горяинов, В.Б.
Математическая статистика / В.Б. Горяинов
,
Г.М. Цветк
о-
ва [
и др
.
]
.
–
М.
: МГТУ им. Баумана, 2001. –
424 с.
6.
Рыжов, В.С.
Некоторые асп
екты проектирования архитектуры крупных информационных систем / В.С. Рыжов.
2003
. ­
22 с.
,
http://www.iis.nsk.su/preprints/
pdf
/106.
pdf
7.
Кузнецов, С.Д.
Проектирование и разработка корпорати
вных информац
и-
онных си
с
тем
/ С.Д. Кузнецов. –
1998,
http://citforum.ru/cfin/prcorpsys/index.shtml
8.
Внученков, С.М
. Управление инновационными процессами на железн
о-
дорожном транспорте
: уче
б. пособие /
С.М. Внученков, Л.В. Шкурина
.
–
М
.
:
РГ
О
ТУПС, 2002.
–
61 с.
88
ПРИЛОЖЕНИЕ
1. Единая электронная схема железных дорог России, СНГ и стран Ба
л
тии
Рис. 1
-
1. Вид окна "Информация" для выделенной станции
Рис. 1
-
2. Вид окна "Информация" для выделенного перег
о
на
90
Рис. 1
-
3. Пример постро
е
ния пользовательской легенды.
89
91
2. О
перативная система контроля и анализа эксплуатационной
работы
Рис 2
-
1
. Информация о поездах, сформированных на станции
90
92
Рис. 2
-
2. Наличие порожних вагонов на станциях дороги
91
93
Рис. 2
-
3. Контроль выполнения плана погрузки по дорогам
92
94
Рис. 2
-
4. Динамика выполнения среднесуточной погрузки на СКЖД
93
95
3. Автома
тизированная система ГИД
-
Урал
Рис. 3
-
1. Поездное положение на участках
94
96
Рис.
3
-
2.
Информация о сформированных поездах
Рис. 3
-
3 а) Функциональные задачи ГИД
-
Урал
95
97
Рис. 3
-
3 б) Функциональные задачи ГИД
-
Урал
4. Корпоративное информаци
онное хранилище
Рис. 4
-
1. Прогноз объема перевозок
96
96
Рис. 4
-
2. Оперативная информация о выполненных перевозках
97
98
5. Сетевая интегрированная Российская информационно
-
управляющая сист
е
ма
Рис. 5
-
1. Многофакторный анализ оборота в
агона
98
99
6. Автоматизированная система по расчету плана формирования поездов
Рис. 6
-
1
.
Транспортная сеть с наложением исходных вагонопотоков
99
98
Учебное издание
Скляров Вадим Николаевич
Основы совершенствования системы организации вагонопотоков на железн
о-
дорожном транспорте
Часть I
Автоматизация процессов управления грузовыми перевозками
Редактор А.И. Гончаров
Техническое редактирование и корректура А.И. Гончаров
Подписано в печать 27.03.2006. Формат 60х84/16.
Бумага офсетна
я. Ризография. Усл. печ. л. 5
,81
.
Уч.
-
изд. л. 5,54. Тираж 100 экз. Изд. № 49. Заказ №
Ростовский государственный университет путей сообщения.
Ризография
РГУПС
____________________________________________________________________
Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. Ростовско
го Стрелкового Полка Народного Ополчения,2.
Автор
Z
Z3   документа Отправить письмо
Документ
Категория
Другое
Просмотров
4 326
Размер файла
3 351 Кб
Теги
Железнодорожный транспорт
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа