Математическое и программное обеспечение автоматизированного управления контейнерными терминалами порта

Повышение эффективности работы транспортных предприятий основывается на совершенствовании организации управления на различных уровнях иерархии. Данная задача является сложной и может быть успешно решена на основе автоматизации управленческих работ с применением математического программирования и систем сбора, переработки, передачи и представления информации.

В процессе выработки решений об управлении транспортным процессом неизбежно решается ряд обязательных задач, в частности:

— создание базы данных,.

— разработка комплекса математических моделей и технологии моделирования,.

— выбор технических средств для получения, переработки, передачи и представления информации,.

— решения вопросов защиты информации от несанкционированного доступа.

Среди перечисленных задач особое внимание уделяется математическим моделям и технологии моделирования. Транспортное предприятие является большой системой. Исследование подобных систем наиболее эффективно можно осуществить с помощью математического моделирования, что позволяет объективно принимать решения об управлении в соответствии с поставленной целью.

Различным аспектам указанной проблемы посвящены работы А. И. Анчишкина, Н. А. Бобылева, М. А. Галахова, Д. В. Гаскарова, А. А. Горчакова, Ю. П. Иванилова, Г. Б. Клейнера, Н. Е. Кобринского, В. П. Морозова, В. И. Николаева, С. А. Саркисяна, Б. Я. Советова, Л. Л. Терехова, И. М. Чангли, Е. М. Четыркина, С. А. Попова, Г. Е. Эдельгауза и многих других ученых.

Значительный вклад в развитие АСУ на водном транспорте внесли работы В. Л. Бондаренко, А. А. Булова, А. С. Бутова, Э. П. Громового, А. Г. Китова, Г. С. Махуренко, В. С. Михалечева, В. В. Сахарова.

Несмотря на значительный объем исследований, посвященных задачам автоматизированного управления, многие вопросы, связанные с проектированием, эксплуатацией и модернизацией АСУ, пока полностью не решены.

Современные условия хозяйствования, научно-технический прогресс, автоматизация производственных процессов постоянно ставят новые вопросы, требующие научного исследования.

Существенное прикладное значение имеют вопросы, связанные с повышением адекватности применяемых математических методов и моделей. Не полностью решены проблемы обеспечения точности результатов моделирования, связанные с методами построения моделей и их информационным обеспечением.

Основной целью данной диссертации является разработка математических моделей, алгоритмов и программ, автоматизирующих некоторые процессы управления на транспортном предприятии (в морском или речном порту) и, в частности, на контейнерных терминалах.

Системы автоматизированного управления контейнерными терминалами позволяют:

1. уменьшить время обработки судна и время пребывания контейнеров на контейнерных терминалах (КТ),.

2. снизить число перестановок контейнеров во время хранения,.

3. сократить время на обработку автотранспорта на КТ,.

4. исключить случаи хищения контейнеров,.

5. снизить коммерческий брак при оформлении документов,.

6. обеспечить предоставление информации по наличию и движению контейнеров другим подразделениям порта и сторонним пользователям.

Существует несколько категорий систем автоматизации управления предприятием. В литературе выделяют системы автоматизации управления технологическими процессами, информационные и контролирующие системы, системы комплексной автоматизации [9, 39, 40]. В данной работе основное внимание уделено, так называемым системам поддержки принятия управленческих решений, как наиболее динамично развивающемуся в настоящее время классу задач. Подобного рода системы строятся на основе моделей производственных отношений и направлены на повышение уровня управляемости производственных систем.

Моделирование деятельности производственной системы подразумевает формализацию моделируемого процесса, определение минимально достаточных входных и выходных параметров, построение математической модели, выбор методики интерпретации результатов [48, 22, 33, 56]. Необходимо заметить, что в любом случае, результаты моделирования будут отличаться от реально существующих. Такое отклонение показывает величину адекватности (точности отображения) модели и является основной качественной характеристикой моделирования. Часто этот показатель может быть определен только с помощью экспериментальной или пробной модели. В настоящее время большой популярностью пользуются методы имитационного моделирования, позволяющие добиться высокой степени адекватности при относительно низких затратах на формализованное описание и реализацию самой модели [17, 37]. В этом случае описываются все процессы, происходящие в объекте моделирования, и в соответствии с ними выводятся зависимости поведения объекта при изменении некоторых входных параметров системы. При этом сами параметры определяются либо случайным образом, либо непосредственно задаются оператором. В отличие от имитационных, оптимизационные модели управления основаны на строгих формализованных зависимостях входных параметров и результата. Результатами такого моделирования являются четкие, основанные на математических формулах оптимальные рекомендации, при принятии которых можно добиться наилучшего значения целевого показателя, заложенного в модель. Основными недостатками оптимизационных моделей является невозможность учета достаточного количества факторов изменения внешней среды, что ведет к снижению показателя адекватности модели, а также требует больших затрат на алгоритмическую и программную реализацию модели.

В диссертации можно выделить несколько задач, решение которых обеспечит создание эффективной автоматизированной системы управления контейнерными терминалами.

В первую очередь требуется определить и описать область автоматизации. Современные принципы управления требуют применения системного анализа на всех этапах построения автоматизированной системы, от момента возникновения проблемы, до программной реализации. Для этого, во-первых, необходимо описать производственную систему с позиций системного подхода, выделить основные составляющие элементы, определить связи и зависимости между подсистемами. Во-вторых, требуется сформулировать доступные для моделирования процессы, функциональная автоматизация которых может помочь в управлении контейнерными терминалами. Кроме того, необходимо подвести теоретическую базу, на основе которой можно оценить качество моделей управления и результаты их функционирования. В данной работе методически рассмотрены следующие вопросы:

— классификация моделей управления,.

— оценка эффективности управления,.

— технология поэтапного моделирования,.

— особенности моделирования производственных систем,.

— адекватность моделей.

Для построения эффективных моделей управления требуется выделить общие и специфические условия процесса производства, разбить систему на составляющие, обозначить характер взаимодействия между этими элементами системы. Необходимо произвести декомпозицию предприятия до уровня подсистем, повышение уровня управляемости которых может наилучшим образом сказаться на эффективности деятельности всей системы.

На основе теоретического описания производственной системы ставится задача моделирования конкретных процессов управления. Оценивая рынок современных программных разработок в области информатизации и управления предприятием, можно сказать, что имеется множество нерешенных задач в такой важной области, как планирование производства. Подавляющее большинство программных продуктов ориентировано на задачи учета и автоматизации документооборота. Специфика задач планирования заключается в индивидуальности подходов к данной проблеме на каждом конкретном производстве. Соответственно, такие задачи практически невозможно алгоритмизировать и реализовать в универсальной программе. Тем более ценной является тема описания математических методов в планировании и разработке соответствующих оптимизационных и имитационных моделей. В данной работе рассматриваются следующие математические модели:

1. управление запасами и перемещением грузов,.

2. планирование грузовых операций,.

3. распределение ресурсов при календарном планировании,.

4. маршрутизация перевозок,.

5. управление финансовыми потоками.

К другому классу проблемпри разработке автоматизированной системы управления относится вопрос организации хранения и передачи данных. Существует несколько вариантов реализации моделей обработки и хранения информации [50, 57]. В настоящее время большинство малых и средних автоматизированных комплексов используют программы, основанные на технологии «клиент-сервер», которая не лишена недостатков. Большие автоматизированные комплексыуже используют другие современные способы организации хранилищ данных, многоуровневые объектно-ориентированные базы данных, мультимедийные геоинформационные системы и т. п. [55].

Проблема в данном случае заключается в стандартизации методов доступа и возможности переносимости программного обеспечения для работы с различными системами хранения информации. Так, практическистандартом стал язык доступа к данным SQL (структурный язык запросов), появилось универсальное средство к базам данных — ODBC и т. п. Наконец, это привело к появлению концепции так называемых открытых систем, которые позволяют использовать различные языковые средства программирования, структурные средства проектирования моделей, форматы хранения данных [9, 27].

Обычно, решение задач, связанных с управлением производством, не требует срочного внедрения дорогостоящей комплексной информационной системы. Возникающие задачи быстрее и лучше могут быть решены собственным отделом АСУ порта, либо с привлечением одного-двух специалистов-разработчиков, что доступно даже для малого бизнеса. В процессе использования таких разработок управленческий персонал предприятия лучше вникает в суть поставленных задач, так как разработка ведется при непосредственном участии пользователя. В итоге специалисты предприятия повышают свою квалификацию как в своей непосредственной работе, так и в области информационных технологий, что положительно скажется на эффективности внедрения в будущем комплексной автоматизированной системы.

На основе взаимодействия систем хранения данных и моделей управления можно разработать комплексную автоматизированную систему. Программная реализация такой АСУ на первоначальном этапе не потребует значительных расходов. Тем не менее, на основе подобной системы можно оценить эффективность использования методов комплексной автоматизации. При разработке комплексной системы автоматизации необходимо учитывать возможность ее развития и адаптации к изменяющимся условиям. Для этого используются принципы, положенные в основу методологии открытых систем: модульность, ориентация на объекты, распределенный доступ к данным, использование универсальных форматов хранения информации.

Открытость системы для доработок позволит существенно продлить срок ее полезного функционирования.

Цели и задачи исследований данной диссертации состоят в:

— исследовании закономерностей, лежащих в основе управления крупными транспортными предприятиями,.

— создании комплексных критериальных оценок управления большой системой на примере Санкт-петербургского морского порта,.

— разработке процедур формализации процессов управления перемещением контейнеров на территории порта и между грузоотправителем и грузополучателем,.

— в создании комплексов программ для планирования работы транспортных предприятий и для имитационного моделирования процессов грузоперевозки в порту,.

— в разработке основ управления, планирования документооборота и технологии завоза контейнеров в морской порт,.

— в получении алгоритмов, программ, критериальных оценок, процедур актов принятия решений, технологий рационального перемещения грузов и форм документооборота, направленных на повышение эффективности работы морского порта как крупного транспортного узла.

На защиту выносятся следующие научные положения:

— закономерности, лежащие в основе управления крупными транспортными предприятиями,.

— комплексные критериальные оценки управления,.

— процедуры формализации процессов управления и функционирования транспортных предприятий,.

— комплексы программ для планирования перевозки грузов, имитационного моделирования процессов перемещения контейнеров,.

— технологии проектирования баз данных,.

— методика имитационного моделирования грузоперевозок.

Результаты диссертационной работы докладывались: на научно-методической конференции СПГУВК в 1999 году, на научно-производственных советах в Ленморниипроекте в 1998;1999 годах, на межкафедральных семинарах по тематике «Автоматизация и управление в организационных системах» в 1999;2001 годах.

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях в сборниках научных трудов.

Заключение

.

На основе теоретических исследований задач математичес*-программного обеспечения автоматизированного управления контейнерными терминалами порта, анализа экспериментальных данных, математического моделирования и оценки существующих технологий транспортных перевозок между грузоотправителем и грузополучателем, а также перемещением грузов внутри транспортного узла получены следующие научные результаты: 1. На основе системного подхода при анализе функционирования крупно г: транспортного узла на примере Санкт-Петербургского морского псгт^ сформулирована и обоснована необходимость функционального, морфологического и информационного описания для решения зад—, связанных с решением вопросов управления. Произведена управления производственной деятельностью транспортных предприятий, который" «позволил' эффективно ~етиать задали управления запасами, стратегического и оперативного планирования, оптимизации перевозок, имитационного моделирования.

3, 1 Разработан способ обработки, хранения л представления данным, состоящий из технологии проектирования баз данных, из систем управления доступом к данным и методики обеспечения надежности защиты информации.

4. Предложена методика имитационного моделирования процесса перемещения контейнеров между причалом и транспортными средствами для доставки их грузополучателю, что позволяет обоснованно выбрать количество автомобильных контейнерных перегружателей с учетом их ссеинеп занятости по времени.

5. Результаты исследований внедрены в организациях Министерства транспорта РФ и, в частности, в Санкт-Петербургском морском порту, могут быть использованы в учебном процессе и при проектировании новых контейнерных терминалов в портах Северо-Запада России.