Организация работы транспортного узла в составе транспортного коридора

Актуальность темы

Европа практически достигла предела в насыщении своей продукцией внутреннего рынка, чем обусловила рост своих экспортных грузопотоков. Основным рынком для Европы является Азиатский регион. В тоже время глобализация мировой экономики и перевод промышленных предприятий в Азию, стремительно увеличивает грузопотоки из этого региона в направлении всех остальных стран [39]. Все более актуальным становится вопрос о развитии транспортных коридоров, с помощью которых обеспечивается налаженный и четко отрегулированный пропуск грузопотоков.

Транспорт России является неотъемлемой частью международного товарообмена и наряду с другими функциями обеспечивает реализацию мировых транспортно-экономических связей. Развитие рыночной экономики России привело к существенному изменению структуры и направления внешнеторговых грузопотоков. Значительно возросла доля экспортных перевозок. Особенно сильно данные изменения коснулись транспортных узлов включающих морские порты, которые являются ключевыми элементами транспортных коридоров, обеспечивают связь различных видов транспорта. В то же время происходит перераспределение грузопотоков между бассейнами — растет объем перевозок через южный и северо-западный.

Все это существенно меняет условия работы железнодорожного транспорта. Инфраструктура транспортных узлов не готова к такому резкому изменению структуры грузопотоков. Обострились нёдостатки технологического взаимодействия портов и стыковых железных дорог. Наглядным примером может служить Новороссийск.

За период 2000;2008 годы объем перегрузки грузов в 62-х портах страны увеличился в 2 раза, достигнув 421 млн. тонн, превысив суммарный показатель перегрузки грузов всех портов Советского Союза [109]. Министерство транспорта Российской Федерации считает приоритетными портами южного бассейна Новороссийск, Тамань, Кавказ. Развитие указанных портов должно обеспечить к 2015 году увеличение грузооборота до 230 млн. тонн.

Большую роль в мировом товарообмене играет также скорость доставки грузов. Транспортная система России в этом случае является связующим звеном, которое обеспечивает значительную часть сухопутного маршрута движения груза из Азиатского региона в Европейский. Известно, что скорость движения наземных видов транспорта значительно выше, чем у морского транспорта. Однако, обеспечение высокой скорости доставки грузов требует в том числе и четко организованной работы транспортных узлов и транспортных коридоров, особенно, обеспечивающих перевалку грузов в интермодальных сообщениях.

Проблемы организации транспортных коридоров на территории России четко проявились и обозначены на конференции «ПроЛОГ-2007. Рынок транспортной и складской логистики: от Европы до Китая». Российские экспедиторы приняли «Меморандум недовольных», обозначающий низкую пропускную способность погранпереходов, отсутствие необходимой законодательной базы, низкую эффективность взаимодействия железных дорог с портами, несогласованность действий различных участников перевозочного процесса, дефицит подвижного состава и пр. [43]. Важным инструментом управления и контроля сложного интермодального транспортного процесса является широкое использование информационных технологий [122].

Развитие транзитно роли транспортной сети России поставило ряд вопросов, касающихся оптимизации работы транспортной сети, обеспечивающей перевозку пассажиров и грузовпрогнозирования изменений грузопотоков и характера действий транспортных предприятий в изменившейся ситуации.

В значительной степени решение озвученных проблем лежит в области совершенствования формализованных методов, уточняющих и развивающих математические модели транспортной инфраструктуры, процессов продвижения грузов по сети, в том числе через морские порты, модели процедур принятия оптимальных решений.

Совершенствование работы ТУ видится в широком внедрении в технологию его работы формализованных методов анализа и управления. Адекватные модели технологических процессов, происходящих в пределах ТУ позволяют получить точный прогноз загрузки инфраструктуры и оборудования и обеспечить своевременное и эффективное управление ими. Однако в настоящее время отсутствуют: собственно АСУ ТУ и включенные в нее методики синтеза оптимальной структуры транспортного коридора, механизмы прогноза и оптимизации деятельности ТУ, эффективные логистические механизмы организации ТК.

Степень разработанности темы исследования.

Проблемы, сформулированные выше, отражены в многочисленных разработках отечественных и зарубежных исследователей. Материалы некоторых из них, относящиеся к разрабатываемой теме, кратко представлены и проанализированы в работе.

Организация эксплуатационной работы на транспорте и работа логистических систем, нашедшая свое отражение в диссертационном исследовании, рассмотрена в трудах A.C. Балалаева, Д. Дж. Бауэрсокса, В.В. Багино-вой, М. Вола, С. Ю. Елисеева, В. Н. Зубкова, В. В. Зырянова, И. Т. Козлова, Ф. П. Кочнева, А. П. Кузнецова, П. В. Куренкова, О. Б. Маликова, Э. А. Мамаева, Л. Б. Миротина, H.H. Мусиенко, С. М. Резера, В. Ф. Сиротского, A.A. Сме-хова, Е. М. Тишкина, В. А. Шарова и др.

Общие вопросы теории систем изложены и развиты в диссертации на основе трудов С. А. Валуева, В. Н. Волковой, О. В. Евсеева, О. Н. Жарикова, П. А. Козлова, В. Н. Лившица, М. Месарович, А. И. Мороза, В. Н. Спицнаделя и др.

Вопросы управления сложными организационно-технологическими объектами (ОТО) на транспорте и в экономике, поставлены и решались в трудах А. П. Артынова, H.H. Лябаха, А. И. Орлова и др.

Математические вопросы обеспечения оптимизации работы транспортных систем исследованы в трудах Г. И. Белявского, Л. С. Берштейна, Дж. Бокса, М. А. Бутаковой, А. Н. Гуды, Ю. А. Дубова, Л. Заде, Р. Л. Кини, С. М. Ковалева, Д. Ю. Левина, Г. Поттгоффа, Е. М. Ульяницкого, А.Н. Шабельнико-ва и др.

Вместе с тем, несмотря на большое количество работ, посвященных вопросам анализа и моделирования транспортной деятельности, в научной и методической литературе слабо отражены:

— методы определения оптимальной загруженности направлений транспортной сети в зависимости оп пропускной способности транспортного узла;

— системные исследования интегрированных взаимоотношений интересов прямых и косвенных участников перевозочного процесса;

— методы прогнозирования входящих грузопотоков ТУ в условиях сильной зашумленности и нестационарности их движения;

— проблемы создания АСУ ТУ.

Для решения сформулированного выше комплекса проблем, потребовалось сконцентрировать результаты отдельных исследований, в ряде случаев адаптировать известные используемые подходы и методы с учетом особенностей использования в механизмах совершенствования систем управлег ния, а также разработать новые подходы к решению нетрадиционных транспортных задач.

Цель и задачи диссертационного исследования.

Цель настоящего исследования — разработка и совершенствование принципов организации, методов моделирования и механизмов управления грузопотоками и работой ТУ и ТК.

В соответствии с данной целью были поставлены следующие теоретические и практические задачи исследования:

1. Обоснование роли ТУ в экономике страны и отрасли и определение условий его эффективного функционирования.

2. Разработка методов решения многокритериальных задач управления на основе применения экспертных процедур, обеспечивающих оптимизацию процесса управления грузопотоками.

3. Разработка методики распределения грузопотока ТК по видам транспорта.

4. Совершенствование-математических моделей и определение логистических аспектов их применения в задаче управления транспортными потоками.

5. Развитие принципов функционирования, механизмов и инструментария АСУ ТУ.

6. Применение результатов теоретических и экспериментальных исследований для решения отдельных практических задач.

Объектом исследования данной диссертационной работы выступают транспортный узел, прилегающая сеть железных дорог, включающая станции и транспортные узлы, обеспечивающие входящий грузопоток ТУ и обслуживающие исходящий.

Предметомисследования являются методы моделирования загрузки морского порта и транспортной сети, методы оптимизации работы ТУ, его складской деятельности, структура и функции АСУ ТУ, методы прогнозирования тенденций изменения грузопотоков, методы учета интересов взаимодействующих участников перевозочного процесса. В содержательном плане исследуемые вопросы отражают сущность следующих пунктов паспорта заявленной специальности:

05.22.01 — Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте:

— Транспортные системы и сети страны, их структура, технологии работы.

— Транспортная логистика.

— Технологии перевозок различными видами транспорта, мультимодальные перевозкимеждународные и транзитные перевозки.

Теоретической и методологической базой явились: стратегия развития отрасли, опубликованная в средствах массовой и периодической информации, нормативные документы, регламентирующие функционирование транспортных компаний, научные труды отечественных, и зарубежных ученых по указанным, проблемам, инженеров, технологов, математиков и специалистов по управлению организационными системами.

Теоретические исследования проводились с использованием теории системного, структурно-функционального и сравнительного анализов, статистических методов, экспертных процедур, имитационного моделирования, теории массового обслуживания. В работе использовалась методология системного анализа, формализованные процедуры моделирования и принятия решений.

Информационной базой исследования явились экспертные и экспериментально-статистические данные работы ТУ (г. Новороссийск, г. Туапсе), загрузки российских участков интермодального транспортного коридора № 9 (подходы к г. Новороссийску), интернет-материалы.

Положения, выносимые на защиту:

1. Технологии совершенствования работы ТК по территории России, являющихся связующим звеном субъектов российской экономики и обеспечивающих самостоятельный экономический эффект функционирования, и ТУ на основе внедрения специализированных АСУ и систем поддержки принятия решения.

2. Перечень организационно-производственных и научно-технических проблем ТУ: нестационарность функционирования, зашумленность, высокая степень неопределенности. Технология оптимизации деятельности порта на основе разработки специального математического аппарата. Показатели оптимальной загрузки порта и показатели транспортных потоков: уровень загрузки транспортного коридора, коэффициент стабильности транспортного потока и др.

3. Методика распределения загрузки ТК между составляющими его видами транспорта, основанная на экспертной оценке значений заданных критериев.

4. Механизм исследования взаимосвязей между различными элементами транспортного процесса, основанный на методах морфологического анализа и технология многокритериальной оптимизации их взаимодействия.

5. Анализ существующих подходов к прогнозированию загруженности ТК и ТУ, определяющий условия применения методов наивного прогноза, прогнозов по средней, экспоненциального сглаживания, и включающий авторский механизм идентификации тенденции изменения грузопотока.

6. Механизм демпфирования нестабильности грузопотоков с использованием складов «и системный подход к исследованию складской деятельности порта. Методы оптимизации ТУ в целом и складской деятельности, в частности, учитывающие многокритериальность задач, неопределенность и зашумленность исходных данных моделирования, основанные на принципах адаптации и механизмах организации технологических процессов на складе.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— Предложено усовершенствование АСУ ТУ, включающее базу данных (БД), содержащую данные наблюдения загруженности ТК за различные периоды времени и базу знаний (БЗ), обеспечивающую интеллектуальный анализ данных, содержащихся в БД. Интеллектуальный анализ представлен процедурами определения оптимальной модели для построения, прогнозов, исследования тенденций изменения загруженности ТК и т. д.

— Обоснованы условия адекватного применения многокритериальных методов принятия решений в задаче согласования интересов участников перевозочного процесса.

— Введено понятие базовых элементов структуры транспортной сети и предложен механизм идентификации произвольной сети на основе ее аппроксимации или синтеза с использованием базовых элементов.

— Построена морфологическая модель ТУ, обеспечивающая оптимизацию его работы на основе использования сценарного подхода к планированию деятельности.

— Предложен механизм прогнозирования тенденций изменения грузопотока, обеспечивающий оперативность изменения управляющих воздействий.

— Сформированы логистические цепи, определяющие движение грузопотоков через ТУ и схемы технологических процессов работы его складского хозяйства.

Теоретическая значимость диссертационного исследования состоит в том, что его основные методологические и методические выводы, инструментарий можно использовать для теоретического анализа сложных технологических процессов, осуществляемых в рамках задач управления ТУ, и соответствующих процедур принятия решений. Разрабатываемые подходы универсальны и легко адаптируются для исследования иных аналогичных транспортных и других комплексов.

Практическая ценность диссертации состоит в возможности использования полученных результатов исследования в деятельности руководителей и организаторов работы ТК и ТУ, в выработке практических рекомендаций по совершенствованию технологии и организации работы ТУ, а также оптимизации технологического процесса и процедур принятия решений в задаче управления ТК и ТУ.

Апробация работы. Научные результаты работы докладывались на семинарах кафедры «Информатика» РГУПС, международной конференции «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические», Ростов-на-Дону, 2004; Четвертой Международной научно-практической конференции «ТелеКомТранс-2006», Сочи, 2006; Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007», Ростов-на-Дону, 2007; Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-21». Саратов 2008; Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-22». Псков 2009; Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство». Ростов-на-Дону, 2009.

Материалы диссертации использовались автором при его участии в выполнении НИР РГУПС и других работах.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования используются в.

— работе логистической группы на ст. Новороссийск СКЖД;

— научных разработках Ростовского филиала ОАО «НИИАС»;

— учебном процессе Ростовского государственного университета путей сообщения.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах, общим объемом 2,7 п.л., из них лично автору принадлежит 2,2 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Основной текст изложен на 156 страницах и содержит 19 таблиц, 50 рисунков, 2 приложения. Библиографический список содержит 154 наименования.

Заключение

.

Благодаря географическому положению России по ее территории проходит значительная часть сухопутного пути ЕвроАзиатских транспортных коридоров. Важнейшими звеньями этих транспортных коридоров являются Российские морские порты в составе ТУ, обеспечивающих перевалку грузопотоков между различными видами транспорта.

За период 2000;2008 годы объем перегрузки грузов в 62-х портах страны увеличился в 2 раза, достигнув 421 млн. тонн, превысив суммарный показатель перегрузки грузов всех портов Советского Союза.

Инфраструктура российских ТУ не готова к такому резкому росту грузопотоков. Обострились недостатки технологического взаимодействия портов и стыковых железных дорог. В связи с этим четко обрисовался ряд вопросов, касающихся оптимизации работы транспортной сети, обеспечивающей перевозкупрогнозирования изменений грузопотоков и характера действий транспортных предприятий в изменившейся ситуации. Роль важного инструмента управления и контроля сложного интермодального транспортного процесса стало играть широкое использование информационных технологий.

В результате проведенного в диссертации исследования были получены следующие конкретные результаты:

1. Выявлены роль и место ТК в экономике России. Сформулирован и проанализирован спектр проблем развития ТК. С. 14−20.

2. Идентифицированы и систематизированы проблемы, развития трансъевропейских коридоров (табл. 1.1) и определены основные, направления их совершенствования. С. 22−28.

3. Проанализированы намеченные правительством РФ и транспортной отраслью перспективы развития ТК, включающие совершенствование инфраструктуры, логистики, инвестиционных потоков, техникотехнологического обеспечения. Отмечено недостаточное внимание системе управления ТК, а именно, отсутствует концепция развития систем поддержки принятия решений при управлении ТК. С. 29−33.

4. Проведен анализ традиционно используемых формальных методов при управлении ТК и ТУ, и показана необходимость усовершенствования процесса исследования на основе введения доформальных методов когнитивного и морфологического моделирования. Подробно освещена и развита (для решения проблем управления ТК и ТУ) сущность метода морфологического анализа. С. 34−40.

5. Осуществлена многокритериальная постановка процесса совершенствования работы ТУ. Описаны механизмы оценки значений критериев деятельности ТУ. Математической основойпринятия решений предлагается использовать методы минимизации риска или композиции нечетких множеств. Выбор метода определяется качеством исходной информации. Если она носит характер вероятностно-статистической, то целесообразно использовать первый подход. Если данные получены от экспертов, то — второй. С. 37−39.

6. Уточнено представление о ТК как о логистической системе, что позволяет применить для его исследования хорошо теоретически разработанный и программно поддержанный аппарат логистики. С. 41−47.

7. Сформулирован комплекс научно-технических и методических вопросов, перспективных для дальнейшего исследования, и нашедших свое отражение в работе. С. 47−49.

8. Обоснованы необходимость и основные принципы, создания" АСУ ТУ (сформулированы преимущества системы управления, построеннойна базе АСУ), прописаны основные элементы и этапы построения. С.50−55.

9. Акцентирована двойственность отношений (конкуренция и сотрудничество) субъектов АСУ ТУ и прописана роль положительной и отрицательной обратной связи ее элементов, обеспечивающих с одной стороны развитие системы, и ее стабильное функционирование — с другой. С. 55−57.

10. Приведена общая структурная схема АСУ ТУ и краткая характеристика ее нетрадиционных блоков, в частности — БЗ, ИД. С. 57−58.

И. Предложена методика синтеза транспортной структуры ТК для снижения нагрузки конкретных видов транспорта и перераспределения ее между другими, использующая экспертную информацию и специальные технологии ее обработки. В ряде моментов осуществлено развитие метода, учитывающее особенности решаемой задачи. С. 58−67.

12. Разработан механизм определения оптимальной с точки зрения минимизации затрат технической оснащенности ТУ, основанный на ведении статистических наблюдений за издержками морского порта касающимися его основной деятельности, определении их зависимостей и суммарного минимума. С. 67−70.

13. Введены показатели, характеризующие динамику грузопотока, проходящего через СМО (морской порт, ж.д. станцию и т. п.): оптимальная за- -грузка канала х0- средний уровень загрузки коридора — коэффициент загрузки канала ккоэффициент стабильности загрузки ТК — Sкоэффициент несоответствия оптимальной загрузке, базирующиеся на оценке рассогласования реального грузопотока со средним и оптимальным. Развиты методики формирования обучающейся последовательности данных в условиях дефицита информации и расчета введенных показателей. С. 70−76.

14. Представлен механизм расчета периодов максимальной загрузки' СМО, требующих дополнительных ресурсов для успешной переработки потоков грузов, и минимальной — допускающей проведение регламентных работ в системе. Приведен практический пример. С. 76−78.

15. Введено понятие базовых элементов развития сети СМО, позволяющего методами аппроксимации и синтеза моделировать транспортную сеть любой сложности. С. 78−80.

16. Получено соотношение для оценки коэффициента загрузки входов СМО, дающего возможность рассчитывать оптимальную загрузку транспортного коридора по всем направлениям транспортной сети в зависимости от пропускной способности «узкого» места. С. 80- 84.

17. Разработана морфологическая модель ТУ, позволившая сформировать и поэтапно исследовать с помощью соответствующих сетевых графиков три сценария развития процесса взаимодействия железнодорожной станции и морского порта. С. 84−92.

18. Обоснована необходимость использования новых информационных технологий в АСУ ТУ, включающих совокупность интеллектуальных методов контроля, расчета и анализа параметров работы транспортного узла и питающей его транспортной сети. Учет взаимодействия интересов многочисленных прямых и косвенных участников перевозочного процесса осуществ- - ляется путем постановки и решения многокритериальной задачи оптимизации. В работе проанализированы наиболее распространенные подходы к оптимизации: свертки, метод Парето, метод алгоритмической надежности, методы, основанные на применении теории нечетких множеств. С. 92−99.

19. Разработана математическая модель оптимизации распределения нагрузки по параллельным путям СМО с учетом потерь от перегрузки и недогрузки направлений. С. 99−102.

20. Исследован математический аппарат прогнозирования загрузки СМО и ее элементов по стационарным временным рядам прошлых наблюдений. В частности определены условия применения наивного прогноза, прогноза по средним (простое среднее, скользящее, взвешенное), экспоненциального сглаживания. С. 102−108.

21. Введено понятие прогнозируемой и непрогнозируемой нестационарности. Показана возможность сведения нестационарных рядов наблюдений к стационарным: исключение полиномиального тренда и сезонностей. С. 108−111.

22. Разработан метод прогнозирования тенденции изменения грузопотока, основанный на применении теории распознавания образов и обеспечивающий более высокую адекватность прогнозирования в условиях сильной зашумленности и нестационарности прогнозируемого грузопотока. С. 111 117.

23. Построена схема логистической сети, описывающей движение грузопотоков через морской порт, позволяющая выявить структуру движения грузопотоков и определить места приложения управляющих воздействий на транспортный процесс для оптимизации работы транспортного коридора и транспортного узла. С. 118−122.

24. Построены технологические схемы работы перевалочного склада в морском порту, помогающие определить технологию работы складского хозяйства и разработать меры для ее оптимизации. С. 122−125.

25. Предложено использование системы статусов нахождения груза на складе, обеспечивающую повышение эффективности работы складского хозяйства и улучшение контроля над сохранностью грузов и участками с низкой эффективностью работы. С. 125−129.

26. Проанализирована работа Логистического центра СКЖД. Даны предложения по ее совершенствованию. С. 129−136.

27. Приведена статистика, характеризующая объекты диссертационного исследования. Рассчитаны их числовые характеристики. С. 136−142.