Разработка распределенных систем мониторинга грузовых авиаперевозок

Борьба авиапредприятий за привлечение большего объема грузовых операций, осуществляемых гражданами и предприятиями, растущая конкуренция как со стороны новых, так и традиционных средств транспорта заставляют международных авиаперевозчиков искать альтернативные источники дохода, верифицировать свою деятельность.

Работа в новых условиях невозможна без кардинального изменения систем управления грузовыми авиаперевозками.

Особое внимание следует уделять факторам, которые вызывают необходимость создания таких систем. Задачи, которые возникают и решаются в настоящее время в создающейся системе международных грузовых авиаперевозок, касаются, прежде всего, оптимизации магистральных перевозок грузов.

В публикациях на данную тематику особое внимание уделяется будущей интеграции этого вида перевозок в рамках Единой Европы. Обсуждаются проблемы конкуренции с перевозкой грузов традиционными видами транспорта. Считается, что новая стратегия грузовых авиаперевозок заключается в изменении форм и способов доставки авиагрузов. Стратегия базируется на укреплении материальной базы доставочной службы, модернизации ее технических средств, расширении гаммы предоставляемых услуг.

Большое внимание за рубежом уделяется опережающим научно-исследовательским работам в области управления грузовыми авиаперевозками. Основанием для них являются планы и приоритетные направления развития рынка грузовых авиаперевозок.

В направлении развития грузовых операторов выделяются новые услуги, которые приобретают статус «универсальные службы», «зарезервированные службы» и тому подобные.

Новые услуги базируются на скорости перевозки грузов, где им придается «экспресс», приоритетный" и «экономический» статус. Вводится планирование предоставляемых услуг. Среди этих услуг разработана новая концепция службы авиаперевозок, близкая к концепции мобильной почты. Проводятся локальные эксперименты по организации выделенной доставки грузовых отправлений в строго определенные сроки. Новый, более высокий уровень обеспечивается локальными и национальными информационными системами.

Интегрированные компьютерные системы обеспечивают обработку информации с целью контроля и управления производственными процессами обработки и пересылки грузовых отправлений на местном уровне и в масштабах страны.

В развитых странах одновременно сосуществуют различные виды грузовых перевозчиков. В основном это негосударственные компании, часть которых носит транснациональный характер. Филиалы и отделения международных компаний делают настойчивые попытки укорениться и в нашей стране. Особой, почти свободной от конкуренции нишей предоставления транспортных услуг стало расширение функций службы «заказа авиадоставки товаров». Так, например, в Дубае (ОАЭ) предусматривается работа авиатранспортных компаний при крупных торговых центрах.

Большое количество клиентов экспресс перевозок заставляет обратиться к опыту, накопленному Федеральной почтовой службы России.

Проблемам перевозки авиагрузов давно уделялось большое внимание ведомственными научными коллективами.

Первыми среди работ, посвященных моделям и методам решения оптимизационных задач в отрасли почтовой связи, были работы В. А. Барсука [3,4,5]. В них использовались разные экономико-математические методы в применении к задачам обработки грузовых отправлений.

В.В.Добролюбовым [6,7] был применен алгоритм кратчайших путей с максимальной пропускной способностью и с минимальным числом транзитных путей для решения задачи распределения потоков грузовых отправлений. Для этого были разработаны оптимизационные модели магистральной сети перевозки грузов без учета пропускных возможностей элементов сети. Удачно использован метод релаксации ограничений в совокупности с методом компактного обращения матриц.

В работах В. А. Князютенкова [8,9] исследовалась возможность применения алгоритмов построения дерева кратчайших путей Дейкстры для решения задачи построения планов перевозки по магистралям.

В работе В. А. Педяша [10] аналогичная задача решалась двухкритериальным методом.

Исходными данными для всех этих задач являются потоки грузовых отправлений. В части работ [11,12] разработаны их вероятностные модели.

Вероятностные модели применялись для разработки планов перевозки грузов при централизованном и децентрализованном методах ее обработки.

В своих работах В. Н. Семенов предложил математические модели задач маршрутизации перевозок в крупных городах. Эти модели были необходимы для решения ряда задач методом ветвей и границ с использованием матрицы аффинностей и матрицы функций выигрышей.

Характеризуя в целом перечисленные работы, можно утверждать, что до настоящего времени рассматривались статические задачи большой размерности для построения маршрутов развозки грузов. Построенные планы перевозки предполагалось использовать длительное время, вплоть до момента возникновения изменений во внешней среде.

Единственным динамичным фактором была неравномерность во времени потоков грузов и связанная с этим возможность перегрузки транспортных средств. Данные условия, если и выдвигали требования к производительности алгоритмов и компьютеров, то они были связаны в первую очередь с размерностью задачи, а отнюдь не с необходимостью работы в режиме реального времени.

В задачах, применительно к грузовым авиаперевозкам, на первое место выдвигаются требования своевременности получения решения, а размерность задач маршрутизации не накладывает серьезных ограничений на современные персональные электронные вычислительные машины (ПЭВМ).

Подход к задаче мониторинга грузовых авиаперевозок в современных условиях отличен от традиционного подхода. Это связано с революцией в системах передачи данных. Если раньше только крупные транспортные узлы оснащались системами пакетной обработки и передачи информации, то теперь даже маленький аэропорт провинциального городка имеет неограниченный доступ к сети Интернет и в состоянии приобрести необходимое оборудование для автоматизированной идентификации грузовых отправлений, например, штриховое кодирование грузов или радиокодирование.

Задача мониторинга грузовых перевозок легко накладывается на уже подготовленные, условно бесплатные транснациональные структуры обмена информацией — Интернет. Резко снижены требования к оснащению пунктов сбора и обработки информации. Возможно использование «тонких клиентов». Автоматически сняты вопросы по обновлению программного обеспечения за счет его исполнения на центральном сервере системы. Пропускная способность каналов связи с учетом известной доли консерватизма в структуре передаваемых данных не является сдерживающим фактором развития подобных систем. Требования к предварительной подготовке персонала заметно снижены.

Опережающее развитие теоретических методов необходимо при проектировании наукоемких управленческих технологий, к которым можно отнести и мониторинг грузовых авиаперевозок. Проблемы, которые при этом решаются в литературных источниках, относят к интеллектуальным автоматизированным управляющим системам.

Комплексная задача автоматизации управления грузовыми авиаперевозками решается на стыке нескольких научных направлений:

1. Модели коллективов вычислителей, с ориентацией на использование технологий распределенной обработки данных.

2. Построение параллельных алгоритмов известных решений задач мониторинга.

3. Разработка новых методов декомпозиции.

Следовательно, необходимо выработать совершенно новый подход к решению традиционных задач. В авиаперевозках одно и то же транспортное средство получает и выдает груз, следовательно, вместо построения маршрута по точкам, не имеющим логической связи между собой, необходимо строить маршрут, имея в качестве элемента — «атома» пару пунктов, да еще и с определенной последовательностью обслуживания для них.

Остро встал вопрос, который обычно опускается при рассмотрении проблемы в научной литературе по маршрутизации транспортных средств — это построение матрицы кратчайших расстояний между пунктами. Если ранее при закрепленных на местности пунктах обмена грузами такая задача часто решалась чисто экспериментально, посылая воздушное судно, то по одному, то по другому маршруту, в авиаперевозках, в которых число возможных пунктов обмена грузами равно количеству аэропортов, необходимо искать другие методы.

Одним из методов решения задачи маршрутизации авиаперевозок является использование географических информационных системы (ГИС), представляющих пространственные базы данных с поддержкой топологии, что позволяет отслеживать и использовать такие свойства картографических объектов, как направление линий, направление обхода контуров и их замкнутость, связность объектов, их соседство и прилегание. Реальные ГИС используют эти свойства для определения кратчайших маршрутов между объектами с учетом всевозможных ограничений и др.

Реализация проекта системы мониторинга грузовых авиаперевозок в одной, отдельно взятой транспортной компании, позволит построить прообраз распределенной системы слежения за грузовыми отправлениями, которая впоследствии может быть использована в условиях гражданской авиации.

Цель и задачи исследования

Целью диссертации является разработка методов автоматизированного управления грузовыми перевозками авиатранспортной компании на основе анализа специфических задач грузоперевозки, построения распределенной вычислительной сети и алгоритмов ее работы в режиме реального времени, для повышения эффективности использования авиа и автотранспорта предприятий за счет автоматического определения местоположения подвижных единиц при управлении транспортно-технологическими системами.

Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих задач:

1. Произвести обзор и анализ существующих способов автоматизации при управлении транспортом.

Оценить значимость автоматического определения местоположения подвижных единиц в автоматизированных системах управления.

2. Исследовать модели и алгоритмы определения местоположения подвижных единиц на множестве траекторий для различных типов задач, выбрать оптимальный алгоритм по критериям быстродействия и универсальности.

3. Разработать структуру и выбрать технические средства системы определения местоположения транспортных средств и алгоритмы взаимодействия элементов системы между собой.

4. Разработать структуру и алгоритмы вычислительного комплекса системы контроля, обеспечивающее автоматическое определение местоположения подвижных элементов.

5. Осуществить внедрение и опытную эксплуатацию разработанной системы. Произвести оценку работоспособности и эффективности предложенной системы.

Методы исследования. В работе использованы методы исследований теории автоматического управления и системного анализа, математического моделирования информационно-управляющих систем, элементов автоматики и вычислительной техники, теории множеств, теории графов.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Разработан метод определения местоположения грузовых отправлений по координатам контрольных точек.

2. Предложена система параметров идентификации местоположения грузов по координатам контрольных точек.

3. Разработан алгоритм системы контроля прохождения объектами контрольных точек на траектории движения.

4. Разработаны многоуровневая структура программно-технических средств, обеспечивающих автоматическое определение местоположения подвижных объектов в составе системы управления транспортно-технологическими комплексами в режиме реального времени.

5. Предложена методика отладки программного обеспечения систем управления объектами в реальном времени, основанная на принципе полунатурного моделирования.

Практическая значимость:

1.Разработано программное обеспечение для управляющего комплекса системы, обеспечивающее определение местоположения объектов в режиме реального времени.

2.Разработана структура программно-технических средств, позволяющих при эксплуатации системы управления создавать базу данных для анализа работы транспортно-технологических систем в режиме реального времени.

3.Разработано программное обеспечение для терминалов сбора данных Ы1рропс1епзо ВНТ 4000.

4. Разработана техническая документация для внедрения системы мониторинга.

5.Разработана и внедрена в опытную эксплуатацию распределенная система мониторинга грузовых авиаперевозок.

Реализация результатов работы. Внедрена в эксплуатацию разработанная распределенная система мониторинга грузовых авиаперевозок в ЗАО «Олл Старз». Экономический эффект выражается в том, что при существующем парке транспортных средств пропускная способность системы увеличилась на 15%. Эффект получен за счет оперативного управления транспортом и сокращения времени простоя при задержках в обработке груза, уменьшения накладных расходов при ошибочной обработки груза, его потери при авиаперевозки. Система внедрена также в ЗАО «База — Строй» при автоматизации складского учета при перевозках груза между складами на территории аэропорта «Домодедово».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1.Разработана методика построения информационной модели транспортной сети авиапредприятия по опорным точкам, в основе которой лежат принцип установки точек контроля и принцип представления транспортной сети в виде графа.

2.Предложены параметры, однозначно определяющие местоположение подвижного объекта на множестве траекторий движения.

3.Предложен математический аппарат, вычисляющий местоположение подвижного объекта на транспортной сети, представленной в виде информационной модели.

4.Разработаны и исследованы алгоритмы определения местоположения подвижных объектов для различных способов организации перевозочного процесса.

5.Разработана структура и алгоритмы программ многоуровневой системы мониторинга грузовых авиаперевозок с распределением функций по уровням иерархии.

6.Разработанная на основе изложенных в работе методов и способов система мониторинга грузовых авиаперевозок прошла пробную эксплуатацию в ЗАО «Олл Старз». Эффект от работы системы выражается в увеличении на 15% скорости обработки грузов на всех этапах при неизменном количестве персонала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе работы над диссертацией произведен анализ функционирования системы грузовых авиаперевозок на различных этапах обработки авиагрузов, в результате, которого определен объект управления и выявлены его параметры, необходимые для создания системы мониторинга грузовых авиаперевозок.

Проведена классификация существующих систем контроля и способов определения местоположения подвижных объектов. Выявлены принципы построения подсистем мониторинга грузовых авиаперевозок в режиме оперативного управления.

В диссертационной работе сформулированы основные задачи создания автоматизированной системы мониторинга грузовых авиаперевозок. Предложено несколько типов моделей определения местоположения транспортных объектов по способу организации перевозок. Разработаны соответствующие этим моделям алгоритмы.

Выявлены основные параметры, определяющие местоположение объекта на транспортной сети. Предложены принципы установки контрольных точек на транспортной сети. Разработан алгоритм, вычисляющий местоположение объекта по информации, поступающей на центральный диспетчерский пункт, и формирования базы данных в режиме реального времени. Предложена структуризация управляющих программ, определены особенности функционирования управляющих программ в реальном времени и требования, предъявляемые к ним. Разработана методика отладки управляющих программ по принципу полунатурного моделирования, и осуществлена отладка математического обеспечения системы управления грузовыми потоками в реальном времени.

Разработано программное обеспечение системы управления, реализующее алгоритм определения местоположения подвижных объектов.

Предложена многоуровневая структура технических средств и проведено распределение задачи мониторинга по уровням иерархии. Обоснован выбор типов технических средств и системного программного обеспечения для реализации системы мониторинга грузовых авиаперевозок.

Проведена опытная эксплуатация системы мониторинга грузовых авиаперевозок в ЗАО «Олл Старз». Опытная эксплуатация показала работоспособность и объективнность системы мониторинга грузовых авиаперевозок. По результатам опытной эксплуатации системы экономический эффект от ее использования составил 15%. Эффект оссновывается на более рациональном использовании парка воздушных судов, вспомогательного наземного транспорта и персонала. Дальнейшее внедрение фрагментов системы на других направлениях позволит еще больше повысить эффективность работы компании.