автореферат диссертации по транспорту, 05.22.01, диссертация на тему:Динамическая оптимизация величины и структуры парка подвижного состава для отгрузки готовой продукции металлургического комбината

На правах р/кописи

4

Котова Ирина Викторовна

ДИНАМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ВЕЛИЧИНЫ И СТРУКТУРЫ ПАРКА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ДЛЯ ОТГРУЗКИ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з т 2015

Липецк-2015

005568671

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ЛГТУ»)

Научный руководитель:

Попов Алексей Тимофеевич, технических наук, доцент

кандидат

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Рахмангулов Александр Нельевич, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Промышленный транспорт» ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова»

Телегина Вера Александровна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Технология транспортных процессов и логистика» ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», г. Хабаровск ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится 02 июня 2015 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.03 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 7-520.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке, на сайте ФГБОУ ВПО ПГУПС (www.pgups.ru) и на сайте Минобрнауки России (www.vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан 02 апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Колос Алексей Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Транспортные затраты серьезно отражаются на экономике предприятия, повышая себестоимость его продукции и снижая прибыль, и тем самым ухудшая его конкурентоспособность. Особенно высока доля транспортно-логистических издержек в себестоимости готовой продукции предприятий металлургической отрасли промышленности. Лидирующие предприятия для обеспечения собственных потребностей в перевозках предпочли создавать транспортные подразделения, выделяемые в самостоятельные структуры, повышая собственную безопасность от неблагоприятных макроэкономических факторов и рисков конъюнктурного характера. С момента появления дочерних транспортных компаний начал активно развиваться рынок частных железнодорожных перевозок.

В настоящее время остро стоит вопрос количественной достаточности подвижного состава и экономической оценки его использования. Особенно это касается парка подвижного состава для вывоза готовой продукции, состоящего из универсального и специализированного подвижного состава различной формы собственности. Широкий ассортимент готовой продукции требует расширения структуры данного парка. Зависимость размеров и структуры парка подвижного состава для отгрузки готовой продукции от структуры, объема заказов продукции и от продолжительности оборота вагонов по внешней сети железных дорог не изучена полностью.

Методической основой исследования явились труды С.А. Ашманова. В.М. Акулиничева, Г.С. Баландюка, И.В. Белова, А.Ф. Бородина, М.А. Гнедаша, Е.Г. Гольштейна, А.Б. Каплана, П.А. Козлова, Л.В. Канторовича, Б.А. Либермана, А.И. Малахова, А.Т. Попова, А.Н. Рахмангулова, К.Ю. Скалова, И.Б. Сотникова, O.A. Сусловой, А.К. Угрюмова, М.И. Шмулевича, Д.Б. Юдина и других отечественных и зарубежных ученых.

Цель работы — динамическая оптимизация размеров и структуры существующего парка подвижного состава для перевозки металлопродукции по критерию минимума суммарных расходов на доставку груза, учитывающая неравномерность подхода порожних вагонов и неритмичность производства видов продукции. При этом особую значимость приобретает технико-экономическая оценка замещения недостающих типов вагонов другими совместимыми видами подвижного состава.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать практический опыт перевозок готовой продукции металлургического комбината;

- определить критерий оценки правильности принимаемых решений при распределении подвижного состава под погрузку;

- построить математическую модель структуры парка вагонов для вывоза готовой продукции металлургического комбината для определения оптимального плана распределения вагонов под погрузку;

- определить соответствие существующих размеров и структуры парка вагонов требуемым объемам перевозки металлопродукции по плану;

выполнить расчеты на построенной модели с целью определения оптимальных размеров и структуры вагонного парка.

Объект исследований. Структура парка вагонов для вывоза готовой продукции металлургического комбината, железнодорожный подвижной состав для перевозки металлопродукции.

Предмет исследования. Технико-технологические и экономические процессы распределения и перераспределения парка подвижного состава, возникающие в ходе удовлетворения производственных цехов промышленного предприятия по отгрузке готовой продукции.

Методы исследования. Исследование основывается на применении методов математического моделирования, в частности, математического аппарата линейного программирования; метода статистических наблюдений; графоаналитического метода.

Научную новнзну работы составляет разработка теоретических положений стратегии динамической оптимизации величины и структуры парка подвижного состава с учетом взаимозаменяемости и неравномерностей прибытия и отгрузки вагонов, в основу которых положены:

• Методика расчета полной стоимости доставки груза в различных типах подвижного состава, используемого при перевозке готовой продукции металлургического комбината, выбранной в качестве критерия оптимальности плана распределения вагонов;

• Методика применения математического аппарата динамической транспортной задачи минимизации транспортных расходов для нахождения оптимального плана распределения подвижного состава (в условиях ограничения их запасов);

• Методика проведения вычислительного эксперимента на модели парка, позволяющего оптимизировать размеры и структуру существующего вагонного парка.

Практическую значимость представляют: Полученные в результате эксперимента рекомендации по оптимизации размеров и структуры вагонного парка, а так же возможность применения результатов при принятии оперативных решений по использованию существующего вагонного парка. На защиту выносятся: 1) Методика нахождения оптимального плана распределения подвижного состава (в условиях ограничения их запасов) и выявления степени соответствия существующих размеров и структуры парка вагонов

требуемым объемам перевозки металлопродукции по плану.

2) Методика проведения эксперимента на экономико-математической модели парка, позволяющая определить пределы наращивания вагонного парка и выбрать тип подвижного состава, наиболее эффективный при реализации плана по расширению или изменению структуры парка.

3) Методика расчета полной стоимости доставки груза в различных типах подвижного состава, выбранной в качестве критерия оптимальности плана распределения вагонов.

Апробация. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: Научной конференции студентов и аспирантов ЛГТУ (Липецк, 2009г); Международной конференции «Модернизация процессов перевозки систем автоматизации и телекоммуникации на транспорте» (Хабаровск, 2010г); Областной научно-практической конференции «Молодежь - Наука -Производство» (Липецк, апрель 2013г); Областной научно-практической конференции по проблемам технических наук (Липецк, октябрь 2013г); 1-й международной интернет - конференции молодых ученых и аспирантов «Проблемы развития транспортных систем в Евразийском регионе» (Луганск, 2013г).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 2 в рецензируемых научных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 185 страниц машинописного текста, в том числе 40 рисунков, 16 таблиц, списка используемых источников из 125 наименований и 2 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность проблемы, сформулированы основные положения исследований, дана оценка научной и практической значимости работы.

В первой главе диссертации выполнен анализ основных тенденций развития транспортного обслуживания металлургических комбинатов по вывозу готовой продукции, а так же произведен обзор теоретических подходов в области оптимизации транспортных процессов. В настоящий момент в практике перевозок прослеживается отсутствие комплексного системного подхода к оценке обеспеченности металлургических компаний вагонами ятя отгрузки готовой продукции. При анализе теоретических подходов выявлено, что на сегодняшний день не существует четкой методики определения объективно необходимых размеров и структуры парка вагонов для вывоза готовой продукции металлургического комбината. Решение поставленной задачи не может быть представлено строгой аналитической формулой, для этой проблемы больше подходят методы имитационного моделирования и линейного программирования в качестве оптимизационного аппарата.

Во второй главе диссертации приводится краткое описание технологии производства и классификация готовой продукции металлургического комбината. Рассмотрены основные схемы размещения и крепления стального проката в различных типах подвижного состава (согласно Техническим условиям размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах). Произведен анализ прибытия подвижного состава с внешней сети и отправления в соответствии с планом погрузки, что является исходным моментом при постановке проблемы оценки эффективности обеспечения отгрузки готовой продукции.

В третьей главе предложена методика применения математического аппарата динамической транспортной задачи минимизации транспортных

расходов для нахождения оптимального плана распределения подвижного состава (в условиях ограничения их запасов) с целью выявления степени рассогласованности производственной программы отгрузки готовой продукции и плана поступления порожних вагонов. В качестве критерия оценки оптимальности предлагается использовать полную стоимость доставки груза в различных типах подвижного состава, используемого при перевозке готовой продукции металлургического комбината, методика расчета которой так же представлена в третьей главе.

Через А; (1 = 1, 2, ..., т) обозначим систему поставщиков погрузочных ресурсов (вагонов) различного типа, через В] (] = 1, 2, ..., п) систему потребителей-цехов. Задача заключается в составлении плана распределения, удовлетворяющего потребности всех пунктов по каждой группе взаимозаменяемых вагонов за счет возможностей А; при минимальных затратах.

Объемы подхода вагонов с внешней сети и объемы их потребления цехами меняются во времени и соответственно равны

а1(1) = а1(11),аги1),а^,),...,а,(Т), (1)

ь) (!) = г», (<,), Й2 (/,), ь3 з),..., ь} (Г). (2)

Уравнение запаса вагонов на станциях комбината:

/.1

где Х,(0 - объем вагонов ¡-го поставщика невостребованный в предыдущий момент времени, а^) — подход вагонов с внешней сети, ид(0 — основная переменная, партия вагонов, распределяемая от ¡-го поставщика в .¡-ый цех в момент времени I.

Уравнение запаса продукции (в вагонах) в цехе у потребителя:

Л', (/ +1) = Х] (О +Ь. (О (4)

где Х/О - недостающий объем вагонов в ^м цеху в предыдущий момент времени, 1у(0 - потребность цеха в ресурсах в момент времени ^

Тогда уравнение баланса потребных наличных ресурсов выглядит следующим образом:

iz«.('>=iSZ*M'>=iZM'), (5)

(-1 1-1 >-1 >-1 j=l 1=1 у.1

при условиях естественной не отрицательности поставок и запасов:

Uij (t) > 0, Xi(t) > 0, Xj(t) > 0. (6)

Требуется найти оптимальный в динамике план распределения погрузочных ресурсов с min функционала затрат следующего вида:

F = Z Z Zи:Л'Ух С:А') ■+ Z ZXJ (О:* C,(t) + £ £X, (/):X CJ(i) => min,

t-1 1=1 y=i r=l ¿«1 ,=1 y=l

(7)

где Cij(t) - стоимость распределения вагонов с учетом их дальнейшего использования в транспортном процессе, C',(t) — стоимость ущерба из-за отгрузки продукции с опозданием, C"j(t) - стоимость потерь от вынужденного простоя подвижного состава.

Общая формула затрат на доставку груза в вагоне железнодорожным транспортом (стоимость распределения погрузочных ресурсов с учетом их дальнейшего использования в транспортном процессе) выглядит следующим образом, руб.:

С = Г +П + А + С +а + С , , (8)

гр пол пог/выг v '

где Тгр - тариф на перевозку груза железнодорожным транспортом, руб., П

— затраты связанные с возвратом порожнего вагона (для собственных и

арендованных вагонов) и/или возвратом многооборотной тары, руб., А —

стоимость аренды вагона на время осуществления перевозки, руб., Спол -

плата за пользование вагоном за время их нахождения под

погрузкой/выгрузкой (только для вагонов общего парка), руб., а —

амортизационные отчисления на вагон и/или на переоборудование

подвижного состава (для собственных вагонов или для собственного

оборудования), руб., Спог/выг - стоимость погрузки/выгрузки груза в данный

род подвижного состава, руб.

Решением задачи является оптимальный план-матрица распределения погрузочных ресурсов. Данные плана-матрицы сводятся в таблицу оптимального плана распределения подвижного состава, фрагмент которой представлен в таблице 1 (на примере расчета), итоговые результаты сводятся в таблицу 2. В случае рассогласования плана отгрузки продукции и плана поставки вагонов возникают дополнительные затраты, связанные либо с несвоевременной доставкой продукции, либо с непроизводительным простоем подвижного состава.

Таким образом, решение задачи позволяет получить: оптимальный план распределения вагонов, выявить моменты рассогласования программы по отгрузке готовой продукции и поступлению порожних вагонов, определить степень их рассогласованности, а также принять решение по коррекции производственной программы.

Для более детального анализа результатов оптимального плана построены диаграммы динамической потребности и избытка подвижного состава по каждому типу вагонов (пример для одного из типов вагонов представлен на рисунке 1). На основе их результатов построена общая диаграмма, что позволяет проанализировать связь избытка/дефицита одного типа с избытком/дефицитом других типов вагонов. На основе оптимального плана и диаграмм составлена матрица результатов исследования рассогласованности потребности и наличия погрузочных ресурсов всего по парку и по каждому типу вагонов.

На примере расчета, представленного в диссертации, по результатам оптимального плана выявлено 65 моментов рассогласования, из которых 40 связанны с дефицитом вагонов в определенные моменты времени и 25 с простоем подвижного состава. Дополнительные расходы из-за нехватки подвижного состава составили 45 412 580 руб., из-за непроизводительного простоя вагонов - 512 366 руб. в расчетный период времени.

5264 Общий объем перевозок, ваг.

и Ц1 Общее время опоздания, ваг/сут.

00 Общее время простоя, ваг/сут.

452185952 Суммарная стоимость перевозки, р.

45412580 Суммарные затраты от опоздания, р.

512366 Суммарные затраты от простоя, р.

498110944 Суммарная общая стоимость, р.

Поставщик

а

а

ы

Потребитель

Объём перевозки

Время отправления

Время прибытия

Транспортная задержка

Время*

Время*

Стоимость перевозки

Общая стоимость

По результатам исследования доказано, что при среднестатистическом избытке некоторых типов вагонов он (избыток) не всегда покрывает общий дефицит подвижного состава, и существующие размеры и структура вагонного парка в таком случае не оптимальны.

В четвертой главе представлена методика проведения вычислительного эксперимента на экономико-математической модели парка, построенной нами ранее для нахождения оптимального плана распределения погрузочных ресурсов. Сущность эксперимента заключается в пошаговом увеличении или уменьшении суточных запасов погрузочных ресурсов (подхода), тем самым меняется объем и одновременно структура вагонного парка, и отслеживании изменений функционала F при нахождении оптимального плана распределения вагонов. Эксперимент проводится отдельно по каждому типу подвижного состава входящего в парк. Подробный план эксперимента приведен в диссертационной работе, на его основе проведено 7 исследований для каждого вида подвижного состава, входящего в расчетный парк вагонов, которые включили в себя 214 оптимизационных расчета, для каждого из которых было необходимо найти оптимальный план для матрицы размерностью 90x120, что требовало проведения до 150 итераций. Основные экономические параметры оптимальных планов распределения погрузочных ресурсов при проведении каждого исследования были занесены в итоговую таблицу результатов эксперимента. На основании таблицы строится диаграмма оценки влияния ежесуточного изменения величины запасов собственных полувагонов на полную стоимость перевозок (пример для одного из типов вагонов представлен на рисунке 2).

При проведении эксперимента по увеличению запаса погрузочных ресурсов различных типов подвижного состава установлены пределы насыщения вагонного парка, по достижению которых суммарные общие затраты на обеспечение вывоза готовой продукции начинают возрастать.

Суммарный недостаток в подвижном составе в дальнейшем удовлетворенный "тяжелыми" платформами, ваг.

Избыток "тяжелых" платформ, ваг

Для различных типов вагонов (за исключением арендованных полувагонов) этот предел варьируется от 13 до 18 дополнительно введенных вагонов ежесуточно, что с учетом средневзвешенного оборота вагонов требует дополнительного привлечения от 143 до 198 единиц подвижного состава (= 11-14 % размера существующего спецпарка) и позволяет сокращать суммарную общую стоимость (ожидаемый экономический эффект) на 35 182 912 - 46 125 696 руб. 7-10 %).

В ходе эксперимента было установлено, что при увеличении ежесуточного запаса до достижения предела, затраты связанные с непроизводительным простоем подвижного состава постепенно возрастают, несмотря на то, что общие затраты на перевозку продукции постепенно уменьшаются. Этот простой приходится в большей степени на такие вагоны, у которых по исходным условиям задачи минимальные значения потерь от вынужденного простоя по сравнению с другими типами подвижного состава.

Результаты эксперимента позволяют определить самый эффективный тип вагонов для наращивания парка, а так же наилучший вариант замещения одних вагонов другими. При наращивании объемов вагонного парка происходит возрастание непроизводительного простоя вагонов в определенные моменты времени (своеобразный резерв для компенсации всплесков отгрузки в другие моменты), но данный простой является экономически оправданным только в том случае, когда дополнительные затраты на отгрузку 1 вагона с опозданием значительно превышают затраты на непроизводительный простой 1 вагона в сутки (С'>С")-

Приводятся основные ограничения для достижения максимального эффекта по снижению общей стоимости перевозок, с которыми возможно столкнуться при реализации полученных в ходе эксперимента параметров вагонного парка.

520000000

500000000

480000000

450000000

м - <т> г- ......ГО ..... ш гН •з- ---------

ак. СП ю о со о гч

о гч о 3

СП о тЧ т-1

СП

СО 1Л со

Г\| го со со о 1Л го со \ \

г^ го сЧ СП од (Л СП яг \ у

\ ип о ГО

СП со 00 Но со

. го 4 2 \ ** ...о,,..... » г?

; \ «Л о.. £ 5 " Я ___2- о со р э 1- со г*-со г. 2 СП

- ч 3 Я 2 А 3 1 гч т Ег «1 0 СО 1Л к 2 .....-.• _______" 1Л ЯГ

.................... - ———3 г-- -*— —Иг"- ——& --г,

-30 -20 -10 0 10 20 30 40

Ежесуточное увеличение/сокращение наличия вагонов в погрузочном ресурсе собственных

собственные полувагоны НОЛувагОНОЬ, ваг. ■ с замещением правдинскими

50

" с замещением экспериментальными " с замещением штырьевыми * с замещением полувагонами общего парка"

• сзамещениемтяжелыми " с замещением арендованными полувагономи

Рисунок 2 - Оценка влияния ежесуточного изменения величины запасов собственных полувагонов на полную

стоимость перевозок

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе произведен анализ практического опыта перевозок готовой продукции металлургического комбината, который показал отсутствие комплексного системного подхода к оценки обеспеченности предприятий вагонами для отгрузки металлопродукции.

2. В качестве критерия оценки оптимальности распределения погрузочных ресурсов предложена полная стоимость доставки груза в различных типах вагонов, которая позволяет максимально учесть все затраты.

3. Разработана методика нахождения оптимального плана распределения подвижного состава (в условиях ограничения их запасов) при помощи математического аппарата динамической транспортной задачи минимизации транспортных расходов, которая позволяет значительно сократить затраты на перевозку. Произведен анализ результатов оптимального плана распределения подвижного состава, который позволяет выявить все моменты рассогласования производственной программы по отгрузке готовой продукции и поступлению порожнего подвижного состава, а так же определить степень их рассогласованности;

4. На основе оптимального плана распределения подвижного состава и выявленных моментов рассогласования произведена оценка соответствия размеров и структуры существующего расчетного вагонного парка требуемым объемам перевозок металлопродукции. По результатам исследования доказано, что при среднестатистическом избытке некоторых типов вагонов, он (избыток) не всегда покрывает общий дефицит подвижного состава, и существующие размеры и структура вагонного парка в таком случае не являются оптимальными.

5. Для определения оптимальных размеров и структуры вагонного парка разработана методика проведения вычислительного эксперимента на экономико-математической модели парка, заключающегося в пошаговом

увеличении или уменьшении суточных запасов вагонов и анализе изменения функционала при нахождении оптимального плана распределения вагонов. Результаты эксперимента позволяют определить: предел наращивания вагонного парка, при достижении которого максимально снижаются дополнительные затраты, вызванные дефицитом вагонов; выявить тип вагонов, который более эффективно использовать при реализации плана по расширению размеров существующего вагонного парка; определить варианты наилучшего замещения одних вагонов другими в случае коррекции структуры существующего вагонного парка с целью получения максимального экономического эффекта.

Ожидаемый экономический эффект составил 7-10% от существующей суммарной общей стоимости перевозок (35 182 912 46 125 696 руб.).

Публикации в рецензируемых научных изданиях:

1.A.Т. Попов, И.В. Котова Оптимизация структуры парка для металлургов / Мир транспорта - 2010.- №3 - с. 114-120.

2. В.А. Четвериков, А.Т. Попов, И.В. Котова Пределы арендной платы за вагон / Мир транспорта — 2011.— №2 - с.88 -92.

Другие публикации:

3. А.Т. Попов, И.В. Котова Динамическая оптимизация структуры парка подвижного состава для отгрузки готовой продукции металлургического комбината / Сб. тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов ЛГТУ. - Липецк: ЛГТУ, 2009. -с. 219.

4. А.Т. Попов, И.В. Котова Методика определения оптимальных размеров структуры парка подвижного состава для вывоза готовой продукции металлургического предприятия с помощью линейного

программирования / Модернизация процессов перевозок, систем автоматизации и телекоммуникации на транспорте. Материалы международной науч.-прак. конференции, Том.1 - Хабаровск, 2010. — 51 с.

5. А.Т. Попов, И.В. Котова Оптимизация структуры парка подвижного состава для отгрузки металлопродукции в условиях динамики производства и оборота вагонов по внешней сети / Современные проблемы транспортного комплекса России — Магнитогорск, 2011. -№3 - с.75-82.

6. А.Т. Попов, И.В. Котова Достоинства и недостатки специализированного подвижного состава / Современные проблемы транспортного комплекса России - Магнитогорск, 2013. —№3 - с.179-185.

7. А.Т. Попов, И.В. Котова Методика определения несоответствия фактических погрузочных ресурсов месячному плану погрузки металлопродукции/ Сб. тр. областной науч.-прак. конференции по проблемам тех. наук - Липецк: ЛГТУ, 2013. - с. 198-204.

8. А.Т. Попов, И.В. Котова Оценка рациональности размеров вагонного парка для вывоза готовой металлопродукции / Материалы областной научно-практической конференции по проблемам технических наук -Липецк: ЛГТУ, 2013. - с.66 - 72.

Подписано к печати Печать - ризография Тираж 100 экз.

31.03.2015

Бумага для множит, апп. Заказ № 324.

Формат 60x84 1/16 Печ.л,- 1,0

Тип. ПГУПС 190031, С.-Петербург, Московский пр., д. 9.