автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированного управления мультимодальными грузоперевозками в рамках международных транспортных коридоров



На правах рукописи

005536132

Ежгуров Василий Николаевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ МУЛЬТИМОДАЛЬНЫМИ ГРУЗОПЕРЕВОЗКАМИ В РАМКАХ МЕЖДУНАРОДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ КОРИДОРОВ

Специальность Автоматизация и управление технологическими

05.13.06 процессами и производствами (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ОКГ 2013

Санкт-Петербург 2013

005536132

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

Научный руководитель - кандидат технических наук,

Соколов Сергей Сергеевич

Официальные оппоненты: Зубарев Юрий Яковлевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

Профессор кафедры «Вычислительных систем и информатики»

Юрии Игорь Валентинович

кандидат военных наук, доцент ЗАО «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота» Заведующий отделом информационных технологий

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный

исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Защита диссертации состоится «21» ноября 2013 года в 16 00 в ауд. 235 на

заседании диссертационного совета Д 223.009.03 на базе ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке на базе ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова».

Автореферат разослан «21» октября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 223.009.03 кандидат технических наук, доценг

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Транспортная система всегда играла ключевую роль в жизни России. В виду огромных территорий и разобщенности производственных комплексов по территории России, транспортная сеть всегда являлась и является важнейшей частью производственной сферы. В связи с этим государство объявило развитие транспортной сети как одну из важнейших государственных задач на ближайшие десятилетия, зафиксировав задачу в транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года.

Также огромную роль в формировании транспортной системы России дает нахождение Российской Федерации на пересечении торговых путей между западом и востоком. Вступление России во Всемирную торговую организацию и Евразийское экономическое сообщество подталкивает Россию к развитию транспортной сети не только в материальном плане в пределах страны, но и налаживание партнерских отношений за ее пределами.

Для управления международными перевозками грузов, с применением мультимодальных технологий следует создавать транспортные коридоры. Актуальность диссертационного исследования обусловлена значимостью создания моделей управления грузопотоков мультимодальных перевозок в рамках международных транспортных коридоров.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности в управлении мультимодальными грузоперевозками в рамках международных транспортных коридоров, путем разработки математических моделей и алгоритмического обеспечения управления грузоперевозками.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

• Провести анализ транспортной структуры мультимодальных перевозок в международных транспортных коридорах.

• Провести построение алгоритмического обеспечения автоматизированного управления мультимодальными перевозками в международных транспортных коридорах.

• Сформировать многокомпонентную математическую модель процесса рационального размещения грузов на различных видах транспорта.

• Сформировать математическую модель процесса восстановления первоначального положения грузов на транспорте в результате нештатных ситуаций в процессе транспортировки.

• Провести построение информационного обеспечения для автоматизации сопровождения мультимодальных перевозок в международных транспортных коридорах.

Предметом исследования являются теоретические, практические и методические подходы по эффективному взаимодействию различных видов транспорта в рамках международных транспортных коридоров.

Объектом исследования являются совокупность 1рузов и видов транспорта, рассмотренные в рамках международных мультимодальных перевозок.

Теоретической и методологической основой исследования являются результаты научных исследований отечественных и зарубежных ученых в области мультимодальных перевозок, оценки эффективности управленческих решений, оценки факторов, влияющих на грузоперевозки.

В диссертации использованы законодательные, нормативные и методические документы, материалы научных конференций в транспортной отрасли.

Исследования базируются на методах корреляционного и кластерного анализа, анализа и синтеза данных, статистических группировок.

Информационная база исследования. Информационной основой исследования являются справочные, статистические и аналитические материалы, открытая финансовая отчетность организаций грузоперевозчиков.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Основными научными положениями диссертации являются:

• оценка отечественного и мирового опыта в области мультимодальных перевозок, оценка факторов риска мультимодальных перевозок в международных транспортных коридорах;

• алгоритмическое обеспечение и модели процесса формирования и автоматизированного управления мультимодальными перевозкам! в рамках международных транспортных коридоров, отличающиеся эффективным применением корреляционного и кластерного анализов;

• многокомпонентная математическая модель процесса рационального размещения грузов на различных видах транспорта, отличающаяся рассмотрением процессов как во всем трюме в единой системе координат, так и разбиением пространства трюма на системы координат и соответственно рассмотрение этих областей;

• математическая модель устранения последствий смещения грузов на транспорте в результате нештатных ситуаций, на основе углов Эйлера;

• алгоритмическое и программное обеспечение, представленное комплексом программ: «Оптимизация грузопотоков при мулътимодалыгых перевозках», «Управление экспедиторской деятельностью в рамках международных транспортных коридоров», «Автоматизированная система сопровождения автогрузовых перевозок в рамках мультимодального сообщения», - предназначенных для повышения эффективности работы и оптимизации действий при планировании и проведении международных мультимодальных грузоперевозок.

Практическая значимость диссертационного исследования заключается в том, что разработанные методические положения ориентированы на рост эффективности деятельности и повышения качества работы организаций грузоперевозчиков при мультимодальных перевозках, что позволит интегрировать полученные разработки в систему реализации положений

транспортной стратегии России до 2030 года. Программное обеспечение, разработанное в рамках диссертационного исследования, является важным для повышения эффективности и оперативности принятия решений к исполнению в рамках как интермодальных, так и мультимодальных грузоперевозок.

Апробация выводов и результатов исследования. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на следующих конференциях:

1. III Межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (2012 г.);

2. ХШ Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика (РИ-2012)» (2012 г.);

3. III Международная конференция по развитию портов и судоходства: круглый стол (2012 г.);

4. Научно-исследовательская конференция « IT: вчера, сегодня, завтра -2013» (2013 г.);

5. VIII-ой Санкт-Петербургская межрегиональная конференция «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2013)»

6. IV межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (2013 г.).

Реализация и внедрение результатов. Многокомпонентные Модели размещения грузов и программный комплекс внедрены: в учебном процессе кафедр «Прикладная математика» и «Транспортная логистика» ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова», в ЗАО «Си Лоджистикс» (Sea Logistics Ltd.). На три программных продукта получены Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ: №2013613868, №2013618025, №2013618026.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получены Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ: №2013613868, №2013618025, №2013618026.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Содержание диссертационного исследования изложено на 158 стр., 47 рис. и 20 табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе была рассмотрена система организации транспортных операций на территории России. Рассмотрены аспекты взаимодействия России со Всемирной торговой организацией. Выявлено постепенное проникновение иностранных транспортно-логистических компаний на рынок транспортных услуг России. Что влечет за собой рост числа мультимодальных грузоперевозок

в рамках международных транспортных коридоров, созданных для управления грузопотоками

Проанализировав различные виды транспорта, в зависимости от видов грузов и путей их доставки выявили, что ключевым процессом является погрузоразгрузочные операции. Выявлено большое число многокомпонентных факторов, влияющих на организацию и проведение транспортных операций.

Для учета этих факторов следует проводить последовательную автоматизацию всех процессов в транспортной отрасли. Итогом, которой должна стать единая автоматизированная система, поддерживающая весь процесс перевозки груза при мультимодальной перевозке в разрезе международных

транспортных коридоров.

Во второй главе были построены алгоритмическое обеспечение и модель процесса автоматизации доставки грузов в мультимодальных перевозках в международных транспортных коридорах, повышающая эффективность выполняемых работ и оптимизирующая действия при грузоперевозках. Для создания модели используются методы корреляционного и кластерного анализов. Одной из отличительных особенностей модели является ее масштабируемость - модель отражает операции, происходящие как на стратегическом уровне управления грузоперевозками, так и на оперативном. Модель формируется в несколько этапов:

1. выделяется большая часть, влияющих на перевозку факторов, после чего модель изучается, и если упущены какие-либо факторы, то их добавляют и снова проверяют модель на наличие неучтенных факторов;

2. проводится градация влияния факторов на модель, затем исключаются факторы, влияние которых незначительно, либо которыми можно пренебречь для упрощения расчетов;

3. вычисляется новая величина влияния фактора на модель на основании критериев, после чего проводят усреднение модели по новым значениям фактора - формируя кластеры допустимого разброса значений, получая усредненные варианты действий при мультимодальной перевозке.

Для выявления факторов и уровня их значимости используется корреляционный анализ (Рис. 1). После чего для формирования вариантов действий используется кластерный анализ (Рис. 2).

На стратегическом уровне формирование модели проводится один раз -перед принятием решения по осуществлению транспортной операции. После того, как на основании модели сформированы варианты действий, модель переходит на оперативный уровень.

После того, как вариант действий выбран, модель перестраивается каждый раз в ключевых точках следования грузов по маршрутам. Это позволяет учитывать как пройденный путь, так и изменения в условиях окружающей среды, воздействующих на выбранный вариант действий, что в конечном итоге позволяет отслеживать насколько операция грузоперевозки следует выбранному плану и как можно избежать нарушений плана.

Рис. 1. - Этап корреляционного анализа

Собрать исходные данные по факторам

Построить таблицу вариантов действия

Создать интервалы действий по ¡-ому фактору

Объединить резко выделяющиеся факт< >ры с ближайшими

интервалами

Да

Интерпретировать полученные результаты факторы с ближайшими интервалами

Рис. 2. - Этап кластерного анализа На рисунке 3 представлены этапы формирования модели грузоперевозок. Рисунок отражает формирование оперативной модели грузоперевозок. Как видно из рисунка, модель, формируемая для оперативного уровня, в отличие от модели стратегического уровня, динамическая Если модель грузоперевозок стратегического уровня формируется один раз на всю операцию, и является

пианом действий, то модель оперативного уровня меняется в зависимости от времени и пройденного отрезка пути.

Нет

Рнс. 3. - Этапы формирования модели грузоперевозок Модель оперативного уровня является иерархической моделью, формируемой на основе данных, полученных из контрольных точек пути н разнесенные во времени.

Третья глава посвящена созданию математических моделей операций с грузами. В ее рамках решены две задачи

1) Построение многокомпонентной математической модели процесса рационального размещения грузов на различных видах транспорта.

2) Построение математической модели процесса восстановления первоначального положения системы грузов на транспорте в результате нештатных ситуаций в процессе транспортировки.

В диссертационном исследовании решены задачи двух типов: размещение грузов на различных видах транспорта (за исключением водного), размещение грузов на водном транспорте (контейнеры в трюмах). Это связано с тем, что, учитывая необходимость соблюдения остойчивости судна, необходимо проводить размещение груза от центра; в тоже время на других видах транспорта применим традиционный метод северо-западного угла.

Для решения задачи размещения множества грузов в трюмах судна ¿У, начиная от центра, использовали два подхода: в первом подходе используем единую систему координат для всего трюма; во втором - четыре системы координат (для четырех областей, получающихся в результате разбиения). Эти подходы имеют принципиальное различие при разработке алгоритмического обеспечения процесса загрузки судна: в первом случае происходит обработка процессов, происходящих во всем трюме, во втором - в кала ой отдельно взятой области.

Рис. 4. Условное обозначение границ трюма и направляющих осей

И в первом и во втором случае проведем условное разделение трюма судна двумя перпендикулярными плоскостями, которые параллельны стенкам трюма (за исключением верхней и нижней стенок) и проходят через середину нижней стенки. Определение осей системы координат трюма аналопгчно определению осей системы координат грузового отсека.

Для рационального размещения грузов <3 = {а ; Ц; с|} в трюме Я" в

первом случае необходимо найти такие значения переменных < х, ;>;; г{, г, ; % > , которые обеспечивают наиболее плотное заполнение по оси Ох и Оу. Ближняя граница В', правая граница заполненного грузами участка -А' и нижняя граница У, считаются искомыми переменными, значения которых надо минимизиров ать:

Р(А\В\У)-> тт. (1)

Определяем координаты системы координат ¿-го трюма {х^у^г^ через координаты областей, последовательно с первой по четвертую :

х = — - х4;

! 2 4

(2)

Определяем ограничения на границы трюма, при размещении груза в первой области:

- для границы-4':

А-л, + ОХгт -Ф, -ГЛ) <Л'~0.5(Й +С) (3)

для границы В':

{

+ - Щ - уА) ^В'- 0.5(А + С,.) (4)

для фаннцы У".

~-Уч+ - ^ - < У0.5(а; + с,.) (5)

Рнс. 5. Условное обозначение границ областей трюма, в отношении которых будет происходить оптимизация размещения груза Для рационального размещения грузов, размещенных в первой, второй, третей и четвертой областях с линейными размерами, О* = { {а£; с*}, {а^*; . {^Ь^}, К* А>;,}} соответственно: {о*; ^; с,*}, {о*; ^; с2*,}, {я*; ; с3*}, К; 6 *.; } в трюме 5" во втором случае необходимо наши такие значения переменных < х^;у^; >, которые

обеспечивают наиболее плотное заполнение по оси Ох и Оу. Введем обозначения границ областей, которые будут являться искомыми переменными при оценке плотности загрузки:

{т^.; х21.; х2{; х4;} - переменные, характеризующие ориентацию относительно оси ОХ ¡-го грузового объекта в 1, 2, 3 или 4 области соответственно.

{у1,;у2].;у3;.;у4(} - перемешаю, характеризующие ориентацию относительно оси ОУ ¡-го грузового объекта в 1, 2, 3 или 4 области соотв етств енно.

Определим ограничения на трюм и область для 1, 2, 3 и 4 области по следовательно:

Для границы А'

х, + 0.50^,0,, - ги4 -уиси) <А-0.5+ с,,) (б) Д ля границы В:

2,, + 0.5(уитьси - г, А - уфи )<В- 0.5<&, + с,,) (7)

Д ня границы С.

уи + 0.5(ги гА - ЬРи ~ ПА,) * У- 0-5Ц, + ) (8)

Также в третьей главе рассмотрено формирование математической модели процесса восстановления первоначального положения грузов на транспорте в результате нештатных ситуаций в процессе транспортировки на основании показаний судовых приборов: кренометра и дифферентометра.

В случае возникновения внештатных ситуаций, связанных с изменением местоположения поликомпонентной (возможно разнородной с точки зрения линейных размеров и других технико-эксплуатационных характеристик) системы грузовых объектов в результате взаимосвязанного (системного) во времени и/или пространстве сдвига, актуальной становится задача минимизации времени устранения последствий. Однй из сторон достижения этой цели является определение начальных мест размещения компонентов системы, подвергшейся сдвигу. Таким образом, на практике, для обеспечения безопасного судоходства и оперативного реагирования на чрезвычайные ситуации требуется решшъ обратную задачу к задаче размещения груза: восстановление начального положения В диссертационном исследовании задача рассмотрена на примере морского транспорта.

Расположим начало координат в центре вращения судна. Перемещение груза разложим по осям по осям ОХ, ОУ, 02.

Начальные координаты системы грузов, которые претерпевают перемещение на судне: ^{^,>'1,^};2;{х2,у2,г2};...;Г1{д:и,уи>гя} Конечные

При перемещении грузов заданная пространственная система координат поворачивается относительно всех трех осей. Начало координат до перемещения

грузов - О, после перемещения - О. Первая система координат будет

определяться базисными векторами: а вторая -(рис. 7).

Рис. 7. Смещение системы координат при перемещении судна Обозначим через а,Ь,С смещение координат центра второй системы

относительно первой, тогда: _

СЮ = са + Ь] +ск ф)

Выразим местоположение ¡-го груза (до перемещения) во второй системе координат:

ОТ1 = х{ + у1]+2хк ОТ2 = х^ + у2] + г2к

(Ю)

ОТ„ = хп1 + уп] + гак

0%= хпк+ УиЛ+^К

О'^^зА+ЛЛ+^А

(11)

0% = х„4х +уп +гйк1 При переходе от одной системы координат к другой, так как любой вектор

можно разложил. по базису ук, то найдется девять чисел а!т (р —1,2,3,т=1,2,3) такнх> что выполняются соотношения:

+0,2.7 + 0,3* 1

у, = о21/ + а22у + о23А:1 к1 = а311 + а^ + а23к) В силу правила треугольника сложения векторов:

Щ=оо'+о,т1

(12)

от2=оо,+ о,т2

0Тя=00,+ 0'Тя 12

Подставляя в равенства системы (13) выражения, определяемые формулами (11),(12), учитывая (13) и группируя относительно г,],к получим:

Ч + У и + = + аЛ1хп + а21уп + )г + +(р + ВД1 + «аУн + «32211 )^ +

Ч + У2] + ^ = (а + «11*2 + «иЛ1 + ^ )'+

+(6 + «12*21 + «22^21 + а32221)/ +

<

V = + «1Л1 + «Н-Уй )*+

+(с+аАЗхл + «23_у„1 + ) ¿т (14)

В силу единственности разложения вектора по базису из системы равенств (14) получим искомые формулы преобразования координат: 'л, = а + + сг21уц +а31ги

у^Ь+а^и + ^Уи + Оц^

г1 = с + слзхп + а23уп + а33гп х2 = а + апх21 + а21у21 + а31г21

у2=Ь + а12хя + аа^! + а32г21 (15)

<

г2=с + а13х21 + а23у21 + а33х2Х

Хп ~ а+а\\Хп\ +а21Уц\ + й312л1

Л = ь + апхл + «22Л1 + а122т Л = с + «1Л + «23Л1 +

Рассматриваемые углы отклонения судна от положения равновесия в аналитической геометрии называются углами Эйлера, их значения могут быть использованы при нахождении коэффициентов формулы (15) alm(i =1,2,3;ж = 1,2,3) углом отклонения судна от курса, в силу его небольшой величины можно пренебречь, таким образом, sin <р~<р, COS (р~\, получим: c^j = cosy/- gpsin y/cosí?, = sin if/+ (pcosi/zcosd, = ÍOsin в, a2l = -<pcosy/~ sinycosí?,

CL22 ~ ^Psin if/ + cosy/COSOy

a23 = sin в, Оц = q)sm в, a,52 = -sin0, c^j- -cos в.

В результате, формулы для расчета координат возможного перемещения системы грузовых объектов при известных углах отклонения судна от положения равновесия с учетом задержек во времени н в различных направлениях движения грузовых объектов с поправки по осям имеют вид:

= а + (cos Veos <Р- sin Ц/cos é?sin <I>)*11 + (- cos Vsin <p- sin VCOS в cos (p)yn +(sin 0>sin e)zu y¡ = ¿ + (sin veos (В+eos vcos 5 sin (sJiii + HialCsin 95+cos vcos3cos9>)i>'11 + (- cos <psinff)zn z¡ = с + (sin ¿?sin 9>)хц + (sin Seos tp)yn +(- eos 0)гп

=a +(cos veos q>— sin veos в sin <p)x2i + (- eos vsin <p— sin veos^cos v).y2i + (s'n psin&)z¡i y3 = ¿ + (sin veos<z>+ eos veos 8 sin + (— sin Vsin <5+eos veos 5cos<p)y21 + (— eos <psin¿?)z3] z3 = c + (sin 8s'm <®)*2i + (sin 9cosq>)yn + (— eos ¿?)zal

xt = u + (cos veos (P-sin vc®s5sin<p)x,, +(- eos vsin <p-sin vcos0cos<p)^,1 + (sin ^fsmff^^ y, = ¿ + (sin veos <B+eos vces 0sin <¡5)1,! +(- sin vsin <p+ eos ij/cos 9tos <р)ул + (-cos<s>sin

«ki

z, ~c + (sin в sin í»)*,! +(sin é?cos tp)yü + (— eos8)гж1

Рис. 9. Углы Эйлера системы координат судна

Полученные зависимости могут быть использованы на практике для прогнозирования, предупреждения, оперативного реагирования и ликвидации последствий внештатных аварийных ситуаций, связанных со сдвигом системы грузовых объектов на судне.

В четвертой главе представлено созданное информационное обеспечение, предназначенное для повышения эффективности работы и оптимизации действий при планировании и проведении международных мультимодальных грузоперевозок.

Программа «Оптимизация грузопотоков при мультимодальных перевозках» фиксирует факторы, направленные на грузопотоки. Функция оптимизации реализована в программе в виде многокомпонентного анализа ключевых показателей процессов перевозки грузов и основываются на ранжировании их значений. Выработки формальных предложений по оптимизации грузопотока основаны на месте показателей в ранжированном виде и их весе в общей совокупности.

Программа реализована на языке Visual Basic for Application (VBA). На программу получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Программа «Управление экспедиторской деятельностью в рамках международных транспортных коридоров» создавалась для помощи ввиду требований по отслеживанию большего объема информации в области перевозок.

Данное программное обеспечение позволяет упростить работу организации экспедитора, снизив факторы неопределенности в формировании и использовании как маршрутов движения грузовых потоков, так и выявив влияющие на них факторы окружающей среды. Данное программное средство позволит строить варианты маршрутов движения грузовых потоков, исходя из накопленного опыта как базой, так и операторов-специалистов. На данную программу получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

«Автоматизированная система сопровождения автогрузовых перевозок в рамках мультимодального сообщения» позволяет упростить работу при отслеживании больших грузовых потоков, при множестве объектов наблюдения.

Впоследствии, система должна претерпеть изменения и стать системой поддержки принятия решений (СППР). Она должна не просто накапливать данные, а анализировать их и строить выводы на основании этих данных. Такой подход и огромные массивы данных должны позволить СППР строить несколько вариантов развития доставки груза, в зависимости от заданных условий. На программу получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Основные результаты работы:

1. Проведен анализ транспортной структуры мультимодальных перевозок в международных транспортных коридорах и получены данные для создания алгоритмических и математических моделей.

2. Построено алгоритмическое обеспечение мультимодальных перевозок в международных транспортных коридорах, которое позволило сформировать модель перевозок на основе итерационной и масштабируемой модели, на базе корреляционного и кластерного анализа.

3. Построена многокомпонентная математическая модель рационального размещения грузов на различных видах транспорта в целом, и рационального размещения грузов на водном транспорте с учетом специфики в виде необходимости соблюдения требований остойчивости в частности.

4. Построена математическая модель, повышающая эффективность устранения последствий нештатных ситуаций в процессе транспортировки грузов.

5. Построено информационное обеспечение мультимодальных перевозок в международных транспортных коридорах, которое направлено на оптимизацию работ на транспорте при организации грузоперевозок, а также сопряженных с операциями перевозки процессов. На три программных продукта получены Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. В.Н. Ежгуров. Построение модели автоматизированной системы планирования размещения транспортно-логистических центров для мультимодальных перевозок / С.С. Соколов, H.A. Беляева, В.Н. Ежгуров // «Речной транспорт (XXI век)». 2012, вып. 1(55), ISSN: 1729-4258 стр. 75-78 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

2. В.Н. Ежгуров. Автоматизация управления мультимодальными перевозками / А. П. Нырков, С. С. Соколов, В. Н. Ежгуров, В. А. Мальцев// Журнал Университета водных коммуникаций, 2013, вып. 2(18), ISSN: 2073-6169 стр. 74-78 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

3. В.Н. Ежгуров. Моделирование процесса устранения последствий системного поли-компоненгаош сдвига грузовых объектов на основе данных судовых приборов / С.С. Соколов, В.Н. Ежгуров // «Речной транспорт (XXI век)». 2013, вып. 3(62), ISSN: 1729-4258 стр. 70-72 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

4. В.Н. Ежгуров. Основные принципы построения защищенных информационных систем автоматизированного управления транспортно-логистическим комплексом / В.Н. Ежгуров, Ю.Ф. Каторин, А.П. Нырков, С.С. Соколов // Журнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы», 2013, вып. 2, ISSN: 2071-8217 стр. 54-58 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

5. В.Н. Ежгуров Программные средства автоматизации мультимодальных грузоперевозок в рамках международных транспортных коридоров // Вестник «Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова», 2013, вып. 1, ISSN: 2309-5180 стр. 73-76 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

6. В.Н. Ежгуров. Сравнительный анализ программных средств управления мультимодальными перевозками / С.С. Соколов, H.A. Беляева, В.Н. Ежгуров // Материалы III межвузовской научно-практической конференции студентов

и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России», 15-1 б мая 2012 года. - СПб.: СПГУВК, 2012.-453с.

7. В.Н. Ежгуров. Оптимизация грузопотоков при мультимодальном сообщении /С.С. Соколов, В.Н. Ежгуров // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2013». - Выпуск 4. Том 13. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2013 ISSN 2224-0187.

8. В.Н. Ежгуров. Эффективные информационные модели транспортных процессов / А.П. Нырков, В.Н. Ежгуров, В.А. Мальцев // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образова1пш'2012». - Выпуск 4. Том 13. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2012 - 103 с. ISSN 2224-0187.

9. Ezhgurov V.N. Cargo flows optimization of multimodal traffic / Sokolov S.S., Ezhgurov V.N. // Modem scientific research and their practical application Published by: Kupriyenko SV on Project SWorld ISSN 2227-6920.

10. Ezhgurov V.N. Effective information models of transport's process / Nyrkov A.P., Sokolov S.S., Ezhgurov V.N., Malcev V.A. // Modern scientific research and their practical application Published by: Kupriyenko SV on Project SWorld ISSN 22276920.

11.B.H. Ежгуров. Математические модели поиска мест эффективного размещения транспортных объектов для различных видов транспорта / С.С. Соколов, В.А. Мальцев, В.Н. Ежгуров // Развитие судоходства по внутренним водным путям России: П1 Международная конференция по развитию портов и судоходства: круглый стол, 3 октября 2012 г. - СПб.: ФБОУ ВПО «СПГУВК», 2012. -112 с.

12. В.Н. Ежгуров. Автоматизированная система сопровождения автогрузовых перевозок в рамках мультимодалыюго сообщения / С.С. Соколов,

B.Н. Ежгуров // научно-исследовательская конференция « IT: вчера, сегодня, завтра - 2013», СПб.: Изд-во ГУМРФ им. Адмирала С.О. Макарова, 2013, ISSN: 978-5-9509-088-4 стр. 73-79.

13. В.Н. Ежгуров. Управление экспедиторской деятельностью в рамках международных транспортных коридоров / С.С. Соколов, В.Н. Ежгуров // Материалы IV межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России», 15-16 мая 2012 года. - СПб.: ГУМРФ имени адмирала

C.О. Макарова, 2013, ISSN: 978-5-88789-390-7 стр. 395-404.

14. В.Н. Ежгуров. Основные задачи автоматизации перевозок на различных видах транспорта / С.С. Соколов, В.Н. Ежгуров // Региональная информатика (РИ-2012). Юбилейная ХП1 Санкт-Петербургская международная конференция «региональная информатика (РИ-2012)». Санкт-Петербург, 2426 октября 2012 г.: Материалы конференции. \СПОИСУ. - СПб, 2012. - 40 с.

15. В.Н. Ежгуров. Автоматизированная информационная система управления мультимодальными перевозками / С.С. Соколов, В.Н. Ежгуров // Региональная информатика (РИ-2012). Юбилейная ХШ Санкт-Петербургская

международная конференция «региональная информатика (РИ-2012)». Санкт-Петербург, 24-26 октября 2012 г.: Материалы конференции. \СПОИСУ. - СПб, 2012. - 40 с.

16. В.Н. Ежгуров. Уязвимости в системах управления мультимодальными перевозками на примере СУБД ERP-класса / С.С. Соколов, В.Н. Ежгуров // VIII Санкт-Петербургская межрегиональная конференция «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2013)», Санкт-Петербург, 23-25 октября 2013 г.: Материалы конференции. \СПОИСУ. - СПб, 2013. -40 с.

17. В.Н. Ежгуров. Ситуационная модель нарушителя в информационных системах на транспорте / С.С. Соколов, В.Н. Ежгуров // VIII Санкт-Петербургская межрегиональная конференция «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2013)», Санкт-Петербург, 23-25 октября 2013 г.: Материалы конференции. ХСПОИСУ. - СПб, 2013. - 40 с.

СВИДЕТЕЛЬСТВА

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013613868 «Оптимизация грузопотоков при мультимодальном сообщении» / Соколов С.С., Ежгуров В.Н., Нырков А.П. // 2013.

19. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013618026 «Управление экспедиторской деятельностью в рамках международных транспортных коридоров» / Соколов С.С., Ежгуров В.Н., Нырков АП.// 2013.

20. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013618025 «Автоматизированная система сопровождения автогрузовых перевозок в рамках мультимодального сообщения» / Соколов С.С., Ежгуров В.Н., Нырков А.П. // 2013.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О.МАКАРОВА»

На правах рукописи

04201450673

Ежгуров Василий Николаевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ МУЛЬТИМОДАЛЬНЫМИ ГРУЗОПЕРЕВОЗКАМИ В РАМКАХ МЕЖДУНАРОДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ КОРИДОРОВ

Специальность Автоматизация и управление технологическими

05.13.06 процессами и производствами (технические системы)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук Соколов Сергей Сергеевич

Санкт-Петербург 2013

L

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ 2

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ 6

1 .АНАЛИЗ ТРАНСПОРТНОЙ ОТРАСЛИ 11

1.1. Всемирная торговая организация и международные транспортные коридоры 11

1.2. ЕврАзЭС и международные транспортные коридоры 15

1.3. Связь различных транспортных путей 16

1.4. Мультимодальная перевозка груза 19

1.5. Технологии мультимодальных перевозок 22

1.6. Перегрузочные работы 24

1.7. Особенности видов транспорта 27

1.7.1. Речной транспорт 28

1.7.2. Морской транспорт 30

1.7.3. Автомобильный транспорт 31

1.7.4. Железнодорожный транспорт 33

1.7.5. Трубопроводный транспорт 35

1.8. Классификация видов и особенностей транспортной тары 36

1.9. Автоматизированное управление мультимодальными перевозками в международных транспортных коридорах 39

1.10. Выводы по первой главе 46 2.АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ МУЛЬТИМОДАЛЬНЫМИ ПЕРЕВОЗКАМИ 48

2.1. Основные принципы построения автоматизированных систем мультимодальных перевозок в международных транспортных коридорах 4 8

2.2. Обзор программных средств 51

2.3. Модели доставки груза в мультимодальных перевозках, в разрезе международных транспортных коридоров 55

2.3.1. Формирование модели доставки груза 58

2.3.2. Формирование модели доставки груза силами сторонней организацией 69

2.3.3. Корреляционный анализ 75

2.3.4. Кластерный анализ коррелированных данных 81 2.4. Выводы по второй главе 86

3 .МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГРУЗОПЕРЕВОЗОК ПРИ МУЛЬТИМОДАЛЬНОМ СООБЩЕНИИ 88

3.1. Математические модели размещения груза на различных видах транспорта 88

3.2. Размещение груза на водном транспорте 90

3.2.1. Оптимизация размещения груза с использованием единой системы координат для всего трюма 91

3.2.2. Оптимизация размещения груза с использованием четырех систем координат 96

3.3. Моделирование процесса устранения последствий системного поликомпонентного сдвига грузовых объектов по данным судовых приборов 99

3.4. Вывод по третьей главе 108 4.АВТОМАТИЗАЦИЯ МУЛЬТИМОДАЛЬНЫХ ГРУЗОПЕРЕВОЗОК В РАМКАХ МЕЖДУНАРОДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ КОРРИДОРОВ 109

4.1. Оптимизация грузопотоков при мультимодальном сообщении 109

4.1.1. Функциональные характеристики 110

4.1.2. Разработка информационно-логической модели комплекса задач 113

4.1.3. Описание справочников программы 114

4.1.4. Даталогическое проектирование базы данных 116

4.2. Управление экспедиторской деятельностью в рамках международных транспортных коридоров 118

4.2.1. Характеристики экспедиторской деятельности 118

4.2.2. Функциональные схемы программы «Управление экспедиторской деятельностью в рамках международных транспортных коридоров» 123

4.2.3. Разработка информационно-логической модели комплекса задач 126

4.2.4. Описание справочников программы 127

4.2.5. Даталогическое проектирование базы данных 129

4.3. Автоматизированная система сопровождения автогрузовых перевозок в рамках мультимодального сообщения 130

4.3.1. Модели процессов автоматизации 132

4.3.2. Функциональные схемы программы «Автоматизированная система сопровождения автогрузовых перевозок в рамках мультимодального сообщения» 133

4.3.3. Разработка информационно-логической модели комплекса задач 136

4.3.4. Описание справочников программы 137

4.3.5. Даталогическое проектирование базы данных 139

4.4. Центр обработки документов автоматизированной системы управления мультимодальными перевозками в рамках международных транспортных коридоров 140

4.5. Выводы по четвертой главе 143 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 146

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ЦОД - центр обработки данных

АРМ - автоматизированное рабочее место

ПО - программное обеспечение

ДПС - дорожно-постовая служба

СШ1Р - система поддержки принятия решений

ИС1111Р - интеллектуальная система поддержки принятия решений

GPS - глобальная навигационная система

ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система

АСУ - автоматизированная система управления

ЕврАзЭС - Евразийское экономическое сообщество

ВТО - Всемирная торговая организация

МТК - Международные транспортные коридоры

пдк - предельно допустимая концентрация

дкм - допустимые количества миграции

ОБУВ - ориентировочные безопасные уровни воздействия

VBA - Visual Basic for Application

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Транспортная система всегда играла ключевую роль в жизни России. В виду огромных территорий и разобщенности производственных комплексов по территории России, транспортная сеть всегда являлась и является важнейшей частью производственной сферы. В связи с этим государство объявило развитие транспортной сети как одну из важнейших государственных задач на ближайшие десятилетия, зафиксировав задачу в транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года.

Также огромную роль в формировании транспортной системы России дает нахождение Российской Федерации на пересечении торговых путей между западом и востоком. Вступление России во Всемирную торговую организацию и Евразийское экономическое сообщество подталкивает Россию к развитию транспортной сети не только в материальном плане в пределах страны, но и налаживание партнерских отношений за ее пределами.

Для управления международными перевозками грузов, с применением муль-тимодальных технологий следует создавать транспортные коридоры. Актуальность диссертационного исследования обусловлена значимостью создания моделей управления грузопотоков мультимодальных перевозок в рамках международных транспортных коридоров.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности в управлении мультимодальными грузоперевозками в рамках международных транспортных коридоров, путем разработки математических моделей и алгоритмического обеспечения управления грузоперевозками. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: • Провести анализ транспортной структуры мультимодальных перевозок в международных транспортных коридорах.

• Провести построение алгоритмического обеспечения автоматизированного управления мультимодальными перевозками в международных транспортных коридорах.

• Сформировать многокомпонентную математическую модель процесса рационального размещения грузов на различных видах транспорта.

• Сформировать математическую модель процесса восстановления первоначального положения грузов на транспорте в результате нештатных ситуаций в процессе транспортировки.

• Провести построение информационного обеспечения для автоматизации сопровождения мультимодальных перевозок в международных транспортных коридорах.

Предметом исследования являются теоретические, практические и методические подходы по эффективному взаимодействию различных видов транспорта в рамках международных транспортных коридоров.

Объектом исследования являются совокупность грузов и видов транспорта, рассмотренные в рамках международных мультимодальных перевозок.

Теоретической и методологической основой исследования являются результаты научных исследований отечественных и зарубежных ученых в области мультимодальных перевозок, оценки эффективности управленческих решений, оценки факторов, влияющих на грузоперевозки.

В диссертации использованы законодательные, нормативные и методические документы, материалы научных конференций в транспортной отрасли.

Исследования базируются на методах корреляционного и кластерного анализа, анализа и синтеза данных, статистических группировок.

Информационная база исследования. Информационной основой исследования являются справочные, статистические и аналитические материалы, открытая финансовая отчетность организаций грузоперевозчиков.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Основными научными положениями диссертации являются:

• оценка отечественного и мирового опыта в области мультимодальных перевозок, оценка факторов риска мультимодальных перевозок в международных транспортных коридорах;

• алгоритмическое обеспечение и модели процесса формирования и автоматизированного управления мультимодальными перевозками в рамках международных транспортных коридоров, отличающиеся эффективным применением корреляционного и кластерного анализов;

• многокомпонентная математическая модель процесса рационального размещения грузов на различных видах транспорта, отличающаяся рассмотрением процессов как во всем трюме в единой системе координат, так и разбиением пространства трюма на системы координат и соответственно рассмотрение этих областей;

• математическая модель устранения последствий смещения грузов на транспорте в результате нештатных ситуаций, на основе углов Эйлера;

• алгоритмическое и программное обеспечение, представленное комплексом программ: «Оптимизация грузопотоков при мультимодальных перевозках», «Управление экспедиторской деятельностью в рамках международных транспортных коридоров», «Автоматизированная система сопровождения автогрузовых перевозок в рамках мультимодального сообщения», - предназначенных для повышения эффективности работы и оптимизации действий при планировании и проведении международных мультимодальных грузоперевозок.

Практическая значимость диссертационного исследования заключается в том, что разработанные методические положения ориентированы на рост эффективности деятельности и повышения качества работы организаций грузоперевоз-чиков при мультимодальных перевозках, что позволит интегрировать полученные разработки в систему реализации положений транспортной стратегии России до 2030 года. Программное обеспечение, разработанное в рамках диссертационного исследования, является важным для повышения эффективности и оперативности

принятия решений к исполнению в рамках как интермодальных, так и мультимо-дальных грузоперевозок.

Апробация выводов и результатов исследования. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на следующих конференциях:

1. III Межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (2012 г.);

2. XIII Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика (РИ-2012)» (2012 г.);

3. III Международная конференция по развитию портов и судоходства: круглый стол (2012 г.);

4. Научно-исследовательская конференция « IT: вчера, сегодня, завтра — 2013» (2013 г.);

5. VIII-ой Санкт-Петербургская межрегиональная конференция «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2013)»

6. IV межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (2013 г.).

Реализация и внедрение результатов. Многокомпонентные Модели размещения грузов и программный комплекс внедрены: в учебном процессе кафедр «Прикладная математика» и «Транспортная логистика» ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова», в ЗАО «Си Лоджистикс» (Sea Logistics Ltd.). На три программных продукта получены Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ: №2013613868, №2013618025, №2013618026.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получены Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ: №2013613868, №2013618025, №2013618026.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Содержание диссертационного исследования изложено на 158 стр. 47 рисунков и 20 таблиц.

1. АНАЛИЗ ТРАНСПОРТНОЙ ОТРАСЛИ

1.1. Всемирная торговая организация и международные транспортные коридоры

Министерская конференция Всемирной торговой организации (ВТО) на заседании в Женеве 16 декабря 2011 года одобрила решение о вступлении России в ВТО. После вступления России в ВТО эта организация будет охватывать 154 страны, обеспечивающих в совокупности 97% мировой торговли.

Вступление в ВТО будет стимулировать рост внешней торговли России, что повысит спрос на транспортно-логистические услуги. Наибольшие темпы роста объемов перевозок прогнозируются на морском, автомобильном и воздушном видах транспорта, а также в секторе логистических и терминально-складских услуг. Вступление России в ВТО будет стимулировать увеличение транзитных потоков грузов и пассажиров, что позволит расширить возможности выхода отечественных поставщиков транспортных и логистических услуг на зарубежные рынки. Россия будет постепенно открывать доступ иностранным компаниям на свой рынок транс-портно-логистических услуг.

Для обеспечения конкурентоспособности России уровень развития транспорта и транспортной инфраструктуры в стране по своим техническим, экономическим и экологическим показателям должен соответствовать уровню экономически развитых государств мира.

Учитывая наибольшую в мире площадь территории России и значительные расстояния грузовых перевозок (в среднем 700-800 км), по суммарной транспортной работе наша страна входит в тройку лидеров в мире (вместе с Китаем и США).

С учетом значительных объемов внешнеторговых и внутрироссийских перевозок, многие зарубежные компании пытаются выйти на российский рынок транс-портно-логистических услуг. После вступления России в ВТО эти тенденции только усилятся, поэтому стратегически важно обеспечить лидерство национальных компаний на рынке перевозок российских грузов.

В связи с этим первостепенная задача после вступления России в ВТО связана с принятием мер по повышению конкурентоспособности транспортного комплекса страны и обеспечения круглогодичной транспортной доступности регионов Российской Федерации.

Для решения этого необходимо:

1. Повысить конкурентоспособность транспортной и терминально-складской инфраструктуры России, в первую очередь, по направлениям международных транспортных коридоров, где концентрируются наибольшие объемы международных перевозок.

2. Повысить конкурентоспособность российских транспортно-логистических компаний.

3.Повысить конкурентоспособность российских промышленных предприятий, выпускающих транспортные средства, оборудование и материалы для транспортного комплекса страны.

Из всех вариантов снижения зависимости российской экономики от цен на энергоресурсы самый привлекательный - обслуживание транзитного моста Европа - Азия. Глобализация производственных схем, перемещение производств из Европы в Азию и доставка продукции обратно к европейским потребителям превращают транспортировку в одну из функций производственного процесса. Транспортный комплекс Российской Федерации может стать составляющей глобальной системы производства за счет выгодного географического положения страны для обслуживания грузовых потоков между странами Европейского Союза и Азиатско-Тихоокеанского региона, Америки и Евразии и наличия транспортной инфраструктуры - морских портов в Балтийском, Азово-Черноморском, Каспийском, Северном и Дальневосточном бассейнах, Транссибирской и Байкало-Амурской железнодорожных магистралей, развитой сети внутренних водных путей, автомобильных и железных дорог.

В настоящее время, несмотря на географические преимущества, Россия по экспорту транспортных услуг находится лишь во второй десятке стран, предоставляющих эти услуги. Поэтому второй по важности задачей для транспортного ком-

плекса страны после вступления России в ВТО является обеспечение развития транспортной и логистической инфраструктуры в составе международных транспортных коридоров.

В настоящее время в РФ отсутствуют единые требования к объектам транспортной инфраструктуры, входящим в состав МТК, что не позволяет сформировать план действий по их модернизации и развитию. Отсутствуют и комплексные исследования, позволяющие оценить существующие и перспективные грузо- и пассажиропотоки по направлениям МТК, обосновать оптимальные тарифные ставки, разработать предложения по привлечению дополнительных грузов и повышению доходов от функци