автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математическое и алгоритмическое обеспечение оперативного управления транспортно-логистическими комплексами

Па 1фавад^эукодщ:и

Соколов Сергей Сергеевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНО-ЛОГИСТИЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОЕЗ 2011

Санкт-Петербург 2011

4856221

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Нырков Анатолий Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зубарев Юрий Яковлевич кандидат технических наук Русинов Игорь Александрович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет

информационных технологий, механики и оптики

Защита диссертации состоится «24» февраля 2011 года в 16 00 в ауд. 235 на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

Автореферат разослан «21» января 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.009.03 кандидат технических наук, доцент

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Мировые тенденции перехода от промышленного общества к информационному и полной мере затронули и транспортную отрасль. Современные перспективы развития транспорта все чаще диктуют необходимость унификации, интеграции и объединения разнородных процессов в единую вертикально и горизонтально структурированную систему управления транспортом. Такой системой на данный момент является транс-поргно-логистический комплекс.

Большая часть проблем в транспортной сфере возникает из-за нехватки времени и ресурсов, что является результатом нерационального планирования. Многие аналитики отмечают, что грузопотоки, связывающие крупных промышленников с потребителями, часто никем не планируются и не управляются.

Основной панацеей современности несомненно являются информационные технологии, которые позволяют значительно ускорить и рационально реструктуризировать процессы с целью повышения их эффективности.

На данный момент в сфере программного обеспечения АСУ транспортных процессов появился ряд новых продуктов. По большая часть из них представляют собой переделанные АСУ из других отраслей народного хозяйства, абсолютно не учитывающие специфику транспорта. В частности, на данный момент не существует ни одного полностью удовлетворяющего требованиям времени программного обеспечения, позволяющего производить планирование и управление погрузочными процессами.

Основными участками транспортного процесса, которые в первую очередь нуждаются в автоматизации, являются механизмы складирования груза и связи между различными этапами грузоперевозок. В первом случае разработчики сталкиваются с нерешенной на данный момент научной проблемой, относящейся к классу МР-полных: карго-планирование для целей размещения трехмерных объектов. Эта проблема стоит для всей сферы складирования груза, однако, для транспортной отрасли она еще более актуальна с введением учета дополнительных измерений, таких, как масса, угол наклона и т.д. в случае складирования па транспортных объектах (суда различных видов плавания). Во втором же случае основным камнем преткновения являются принципиально различные и сложно совмещаемые для связного взаимодействия системы частичной автоматизации (поэтапно) процессов.

Цель работы и задами исследования.

Целью диссертационной работы является повышение эффекгивности работы транспортно-логистического комплекса путем разработки методологической, математической и алгоритмической обеспеченности управления транспортными процессами.

Объектом исследования является транспортно-логистический комплекс, рассматриваемый как совокупность обособленных транспортных узлов и связей между ними.

Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы построения эффективного пространства движения груза.

Для выполнения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Анализ текущего состояния транспортной отрасли и оценка эффективности логистических связей; состояния функционирования транспортно-логистических центров (ТЛЦ) и состояние развития ТЖ.

2. Построение инфо-коммуникационной модели АСУ ТЛК с интегрированными в нее механизмами защиты каналов связи.

3. Математическое и алгоритмическое обеспечение рационального размещения трехмерных объектов формы параллелепипеда в пространстве.

4. Построение эффективных алгоритмов размещения грузов в судовых грузовых отсеках, обеспечивающих безопасность эксплуатации судна при грузоперевозках, а также оперативное перемещение 1руза при чрезвычайных ситуациях.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, математический аппарат оптимизации, эвристические методы решения оптимизационных задач, в частности, генетические алгоритмы, теория автоматического и автоматизированного управления.

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

1. оценка существующего мирового и отечественного опыта по оперативному управлению транспортными процессами в рамках ТЛК;

2. комплексная модель многофункциональной вычислительной сети АСУ, решающей задачи управления транспортными процессами в рамках информационного пространства ТЛК;

3. математические модели размещения трехмерных объектов в заданном пространстве и размещения груза с учетом остойчивости судна;

4. математическая модель для определения местоположения груза по показаниям кренометра и дифферентометра;

5. алгоритмическое и программное обеспечение «Универсальный карго-планировщик» для получения рационального решения оптимизационной задачи на базе эффективного применения эвристических алгоритмов.

Практическая значимость исследований. Сформулированные выводы и рекомендации могут быть использованы при решении задач, изложенных в «Стратегии развития транспорта до 2030 года».

Реализация и внедрение результатов. Модели размещения грузов и программный комплекс внедрены: в учебном процессе кафедр «Прикладная математика» и «Транспортная логистика» Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций, в ОАО «Канонерский судоремонтный завод», ООО «ИНФОКОМ», ООО «ЛогисЛайн».

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на следующих конференциях:

1.ХП Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика-2010». 2010, Санкт-Петербург.

2. XI международная научная конференция, посвященная 70-летию профессора В.П. Дьяконова «Системы компьютерной математики и их приложения» -2010, Смоленск, СмолГУ.

3. Межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». 2010 год, Санкг-Петербург, ФГОУ Б ПО СПГУВК.

4. Международная научно-практическая конференция «Водный транспорт России: инновационный пун, развития». 2010 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

5. Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». 2009 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

6. Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути: строительство, эксплуатация, управление». 2009 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

7. 7 и 8 международные паучно-практические конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 2009 .Санкт-Петербург.

8. Научно-техническая конференция молодых научных сотрудников «Водные пути и гидротехнические сооружения, портовая техника и электромеханика, судостроение и судоремонт, гуманитарные вопросы, экономика и финансы, юриспруденция. 2007 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты опубликованы в 11 статьях, 7 тезисах докладов на научных конференциях и в 1 учебно-методическом пособии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 117 отечественных и зарубежных работ, трех приложений. Основное содержание работы изложено на 159 страницах, включая 40 рисунков, 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проанализирован отечественный и зарубежный опыт оперативного управления транспортными процессами в рамках ТЛК и методы повышения эффективности таких процессов.

Сегодня важнейшей задачей, стоящей перед логистическими компаниями, и перед транспортной системой России в целом, является успешная адаптация к новым, более высоким требованиям рынка к объему и, главное, качеству пре-

доставляемых услуг. Очевидно, что каждый из ныне существующих видов транспорта по отдельности не может обеспечить всеобъемлющее решение задач логистики. Поэтому необходим инструмент, который обеспечит поиск рациональных путей доставки грузов в пункты назначения с наименьшими транспортными расходами. Таким инструментом являются ТЛК, которые призваны решать различные задачи логистики: оперативные, стратегические и тактические.

В последнее время началось активное развитие терминально-складской инфраструктуры и контейнерных перевозок. Но это лишь один из элементов столь востребованной логистики. Специалисты утверждают, что главное в логистике -это как раз бесперебойное движение товара, а не его хранение, даже временное. Все аналитики сходятся на том, что провайдеров уровня ЗРЬ в России практически нет. Технология ЗРЬ — означает предоставление комплекса логистических услуг от доставки и адресного хранения до управления заказами и отслеживания движения товаров. В функции ЗРЬ-провайдера входит организация и управление перевозками, учет и управление запасами, подготовка импортно-экспортной и фрахтовой документации, складское хранение, обработка груза, доставка конечному потребителю. Механизм функционирования провайдера уровня ЗРЬ очень сложный: в нем необходимо учитывать не только разграничение фузопотоков и обеспечение поставок, но и оптимальное размещение груза в условиях неопределенности. Помимо этого важно использовать механизм стратегического планирования (среднесрочного), с учетом изменений экономических показателей различных отраслей промышленности и народного хозяйства.

Во второй главе представлена комплексная модель многофункциональной вычислительной сети АСУ, решающей задачи управления транспортными процессами в рамках информационного пространства ТЖ.

В основном каждый транспортно-логистический центр решает задачу распределения груза, используя различные программные средства, которые в свою очередь должны входить в автоматизированную систему управления работой транспортио-логистического комплекса (АСУ ТЛК).

При рассмотрении и описании типовой структуры АСУ ТЛК под уровнем будем понимать глубину детализации. Инфо-логическая структура 1-го уровня АСУ ТЛК представлена на рис.1.

Рис. 1. Типовая структура 1-го уровня АСУ ТЛК

ТЛК объединяет различные виды транспорта и дорожное хозяйство, транспортную и терминально-складскую инфраструктуру, участников транспортно-логистической деятельности, взаимодействующих при оказании транспортных, логистических, складских, дистрибутивных и других услуг. Основными элементами АСУ ТЛК можно считать ТЛЦ и контрольно-диспетчерские пункты (КДП). Связующей областью является центральное серверное пространство (ДСП).

Эффективное функционирование и развитие ТЛК с весьма сложной структурой может быть обеспечено только при условии организации четкого взаимодействия всех его компонентов и единой системой информационного взаимодействия, которой и является АСУ ТЖ.

АСУ ТЛК должна быть основана на технологиях ведущих мировых систем АСУ, иметь прямой доступ в глобальную сеть. Только тогда наша страна и составляющие ее компоненты (города, порты и др.) смогут стать конкурентными на международном рынке транспортно-логистических услуг.

АСУ ТЛК должна иметь четко выраженный модульный принцип, а каждый модуль должен иметь возможность функционировать не только как часть единой системы, но и как обособленная информационная система с четко определенными входящими и исходящими данными, а также операциями над ними. Это необходимо, прежде всего, для обеспечения бесперебойной работы системы, но также и для расширения возможностей инторации новых компонентов и налаживания взаимодействия с АСУ, как на внутреннем, так и на внешнем рынках.

В структуру 2-го уровня, а именно ТЛЦ (Рис.2) входит контейнерный терминал - пункт приема/выдачи контейнеров отправителю/получателю, а также перегрузка контейнеров с одного вида транспорта на другой. Основное значение в грузоперевозках контейнеров принадлежит морскому транспорту, который интегрируется с железнодорожным и автомобильным транспортом.

Модуль «Грузовой контейнерный терминал» основан в первую очередь на двух операциях:

1. Рациональное расходование площадей при соблюдении условий хранения и требований к перегрузочным операциям.

Рис.2. Типовая структура 2-го уровня АСУ ТЛК - ТЛЦ Подмодуль «Размещение груза» (Рис.3), обеспечивающий рациональное размещение груза с учетом набора критериальных показателей эффективности, является наиболее важным в перегрузочных процессах.

Подмодуль «Параметры и настройки» (Рис.4) позволяет редактировать настройки для всей системы, формировать шаблоны выходных форм и т.п.

В качестве линий информационного взаимодействия удаленных компонентов и модулей АСУ ТЖ предлагается использовать VPN.

Учет paoo-iero Рнчмсшс III« ГрУЗ! 11|чгем фуw ня »ременное храпение

т.

Orrpyi.a Комплекта! и«« грузе

Параметры и »зарой«н

Рис. 3. Типовая структура 2-го уровня АСУ TJTK - КДП

V__У

Рис. 4. Типовая структура 3-го уровня АСУ ТЛК - ДП - Параметры и настройки

Модуль ввода начальных данных X граничных парамег- Модуль генерации начальнцниопуляции Модуль скрещивания особей

Механизм мутации

N

Зацикливание процессов получения потомства до момента вхождени« в граничные условия

Оыбор наилучших особей (схем размещения)

Рис. 5. Типовая структура 3-го уровня АСУ ТЖ - ДП - Размещение груза- ПО «Универсальный карго-планировщик»

Третья глава посвящена построению математических моделей: размещения трехмерных объектов в заданном пространстве, размещения груза с учетом остойчивости судна и модели, позволяющей определить участок изменения местоположения груза по показаниям кренометра и дифферентометра.

Представленная далее математическая модель задачи размещения груза в трехмерном пространстве основана на двумерной модели, разработанной А.П. 11ырковым. Добавление массы в качестве дополнительного требования эффективности (с учетом остойчивости судна) превращает трехмерную модель в четырехмерную модель комплектовки груза на судне.

Для решения задачи размещения множества грузов в трюмах судна 5 введем следующие обозначения и допущения:

• Ось Ох расположена горизонтально, положительное направление определено на ней слева направо.

• Ось Оу расположена вертикально, и положительное направление на ней -сверху вниз.

• Ось Ог ортогональна осям Ох и Оу и положительное направление на ней в сторону наблюдателя.

Т.е. начало координат находится в левом верхнем дальнем от наблюдателя углу (северо-западный дальний угол).

• С = множество объектов (грузов) формы параллелепипеда с линейными размерами а1,Ьпс1 (в частности - стопки контейнеров). Количество размещаемых грузов равно I.

• А1,В1,Н1 - длина, ширина, высота /-го трюма по оси Ох, Оу, и Ог, соответственно.

• 2-{< иу; V.; q¡; ; ; т] >} - совокупность зон трюмов, запретных для размещения грузов.

• линейные размеры, а - координаты северо-западною

дальнего углау'-ой запретной зоны по оси Ох, Оу и Ог, соответственно. Количество запретных для размещения грузов мест равно 3.

• А - зазор между соседними грузовыми объектами, обусловленный применяемыми типами внутри складских машин малой механизации, правилами противопожарной безопасности и др.

• <х1;у1;г1>- координаты центра /-го грузового объекта, имеющего форму параллелепипеда.

• г. - переменная, принимающая значение 1, если соответствующий груз имеет заданную ориентацию по оси Ох, т.е. линейный размер а, параллелен оси Ох, иначе т, равно 0.

• Переменная у. - принимает значение 1, если соответствующий груз имеет заданную ориентацию по оси Оу.

Для оси Ог свойство параллельности обеспечивается из свойств ортогональности ребер прямоугольного параллелепипеда.

Для рационального размещения грузов С в трюме 5 необходимо найти такие значения переменных <х1;у.-г1',т1,,у1 >, которые обеспечивают наиболее плотное заполнение по оси Ох и Оу. Для этого размещение грузов по оси Ог производится без ограничений до ближней границы В, а правая граница заполненного грузами участка склада - А и нижняя граница - У, считаются искомыми переменными, значения которых надо минимизировать:

Р(А,У) -» шш. (1)

При размещении грузов внутри трюма центр /-го груза его должен находится не ближе половины его линейного размера от соответствующей границы рассматриваемой под погрузку области. Для левой границы должно выполняться: х, - 0.5 f¡ > 0. Здесь /, = + (1 ~ г, )Ь, + (1 - т. )с, - линейный размер /-го груза вдоль оси Ох. Для верхней границы должно выполняться: 8, ~ У А + (1 ~~ /¡)а1 + (1"" У/)с, - линейный размер /-го груза вдоль оси Оу.

Следовательно, должны выполняться ограничения: Для правой границы - А:

X, + 0.5у,г,а, +0.5(1 -г,)Ь, 4-0.5(1 - у,)с, £ А (2)

После проведения подобных членов получим:

х, +0.50-,г,-а,. -у,с,)< ^-0.5(6, +с,) (3)

Для ближней границы - В:

+ 0.5/, г,с, + 0.5(1 - г, )а, + 0.5(1 - у, )Ь, < В (4)

После проведения подобных членов получим:

2, +0.5{/,г,с-,. -г,а, В-0.5(6, +с,) (5)

Для нижней границы - У:

у, + 0.5у,т,Ь, + 0.5(1 - т,)а, + 0.5(1 - у, )с, < У (6)

После проведения подобных членов получим:

у, +0.5(у,т,Ь, -т,а, -7/с,)<Г-0.5(а, +с,.) (7)

Далее под термином «груз» будем подразумевать стопку контейнеров

ранжированных по видам (т.е. в стопку могут быть составлены контейнеры только одного вида). Каждая стопка величиной не более допустимой границы.

Для того чтобы каждый груз находился в отдельной области трюма, т.е. не «пересекался» с другими 1рузами, должны выполняться ограничения, обеспечивающие расположение центров двух любых грузов хотя бы по одной из координатных осей на расстоянии не ближе допустимого. По оси Ох ограничения на взаимное расположение грузов состоят из совокупности двух неравенств:

-х> 0.5е, + 0.5 г + А;

(8)

х,-х, >0.5е,+0.5г,+Д.

Для краткости обозначим допустимое расстояние между центрами, т.е. правые части неравенств, через Д к = 0.5е, + 0.5гк + Д.

Для того чтобы обеспечить выполнение не более одного из двух неравенств, необходимо ввести переменные ял, принимающие значение 0, если ;-ый объект находится левее к-го. В этом случае должно выполняться первое неравенство, а второе - не удовлетворяться. В ином случае, n¡k принимает значение 1 и первое неравенство не удовлетворяется, а второе неравенство может иметь место (при я"/Л.=0). Причем одновременно переменные лл и nk¡ нулю равняться не могут. Теперь можно совокупность из двух альтернативных неравенств свести к системе из трех ограничений для любых индексов i<k\

(Л + Л) > Л,*; ■ хг-хк+х1,{Л + А)>А1к; (9)

Klk+nt¡>l.

Действительно, при ^=0, первое неравенство превращается в xt -х > А1к, т.е. к-ый груз должен отстоять на Дд правее г'-го груза. Из третьего следует, что nk¡ = 1. Тогда второе неравенство примет вид: xk-x¡ < А + Д - A(í, что обеспечивает нахождение обоих фузов внутри трюма.

Объединяя неравенства 3,5,7 и систему 9, проводя необходимые упрощения и приведение подобных получим:

-х.+хк + (А+Д)л-Л + 0.5г, (с, +Ь,. - а,) + 0.5г, (с, + bt - ак) > 0.5(6, + с,) ■+ 0.5(6, + с,) + Д„, х-, + (Л+Д)/Г(, +0.5ф, +6, -й.НО^гДс, +6, -а,)>0.5(6, + с,)+ 0.5(6, +ct) + A,í,

+ л;( >1.

В том случае, когда первое и второе неравенства не обеспечивают «пе пересечение» грузов по оси Ох (это возможно лишь при условии лл = 7ikl = 1), должно выполняться одно из двух соответствующих неравенств по оси Оу. Для получения таких ограничений вводим переменные 0¡k, принимающие значение 0, если ный объект находится выше к-го. После аналогичных преобразований получим неравенства

~У, i-yt +(В<-Щк +0.5г,(с, + а,-Ь,) + 0.5гк(ч +at -hk)> 0.5(а, +с,) + 0.5(о4 +с,) + Д,4, X -у, + (Д + Д)04, + 0.5г,(с, + «, -6,) + 0.5г<(с, + я, -6,) >0.5(а, + c,) + 0.5(at +ct) + А,„

Приведенная математическая модель универсальна с точки зрения пространственного использования (необходимым условием является лишь ограниченность пространства прямыми углами). Однако, если рассматривать задачу размещения 1руза на судне необходимо также учитывать остойчивость судна.

Построим проекции судна для определения основных точек направленного воздействия сил в процессе эксплуатации. Основные координатные плоскости судна:

• диаметральная плоскость (ДП) - плоскость, рассекающая судно

вдоль, ДП - является продольной плоскостью симметрии; • • плоскость мидель-шпангоута (ПМШ) - рассекает судно поперек, перпендикулярно ДП на середине расчетной длины судна;

• основная плоскость (ОП) - плоскость, перпендикулярная ДП и ПМШ, проходящая через тоску пересечения этих плоскостей с теоретической поверхностью судна в днищевой части (рис.7.)

Сечения поверхности судна, параллельные ДП - батоксы, параллельные ПМШ - шпангоуты, параллельные ОП - ватерлинии.

Основные величины, характеризующие судно и используемые в расчетах:

Ь - длина между перпендикулярами - расстояние между точками пересечения 1рузовой ватерлинии (ГВЛ - уровень воды по отношению к судну при штиле и полной загрузке);

В - наибольшая ширина судна - расстояние по ширине между плоскостями, параллельными ДП и касательными к корпусу судна в крайних его точках; обычно наиболее широким является мидель-шпангоут, но бывает и смещение наиболее широкого шпангоута в сторону кормы;

Н - высо та борта - расстояние между ОП и линией палубы в ПМШ;

Т - средняя осадка судна - величина углубления судна, определяется как

Рис. 7. Основные координатные плоскости судна

T¡ - углубление судна, измеряется на мидель-шпангоуте; при осадке судна на ровный киль T = T¡ ;

F - высота надводного борта - F = H -T¡ ;

D - масса судна.

Пусть на судне некоторый груз Р массой m перенесен так, что центр тяжести (ЦТ) этого груза переместился из точки А0{х0,у0,20} в точку A¡{x¡,yt,zl}. Тогда масса всего судна не изменится, но изменится положение его ЦТ. 1Х = х, -х0,1 =_у, ~у0,1г = z, -20, - результат разложения перемещения груза на три взаимно ортогональных.

При достаточно малых углах наклона sin(//■«(//; cosí// а: 1; s¡né?«0; cos#«l В результате перемещения образуется дифферентующий и кренящий моменты, которые согласно условиям равновесия равны соответственно:

ЗМдиф=Р(1х+1у1г)А

8Мкр = Р{1,. +Щ.

Рис. 8. Перемещение груза внутри судна Построим продольную и поперечную метаценгрические высоты (рис. 9, 10): Ъ, -поперечная метацентрическая высота; На -продольная метацентрическая высота.

Рис. 9. Определение поперечной мета- 10. Определение продольной метацен-центрической высоты трической высоты

В результате преобразования формул для восстанавливающих моментов получим формулы для нахождения:

угла дифферента: ц/ = Р1х: О\Н0-^1г ), (13)

£

и угола крена: в = Р1у : £>|

(14)

Учитывая, что для большинства судов продольная высота много больше поперечной, можно предположить, что Н, « Я0:

14х . Р1

ОНп

Рассмотрим возможные варианты переноса груза на судне. Если имеем перемещение груза в носовую часть, то

л, >-х0, 1х>0,ц/>0, (16)

значит, судно получает дифферент в нос. Если же груз переносится в корму, то

х, Чх0,1х<0,у/<0, (17)

т.е. судно дифферентует на корму.

Если перенос груза осуществляется на правый борт, то

(18)

Если имеем перенос груза на левый борт, то

У]<Уа,1у< 0,в>0. (19)

Если груз переносится вниз, то

г, <z0, l. <Q,Sh>0, (20)

т.е. начальная остойчивость увеличится. Если груз переносится вниз, то

0, (21)

т.е. начальная остойчивость снижается.

Пусть vk - масса к-го контейнера. Тогда для массы переносимого груза /

и продольного перемещения 1х должны выполняться условия:

к-1

lx min,

ь

(22)

Л

4-1

На практике часто требуется решить обратную задачу: определить участок возможного перемещения груза, зная углы крена и дифферента.

Расположим начало координат в ЦВ (в случае динамического функционирования - ЦБР) судна. Любое перемещение груза можно разложить по осям ОХ, ОУ, СЙ. Начальные координаты груза на судне: {х0,_у(|,20|, конечные -

{*гГР^-

Определим длину перемещения груза в пространственных координатах:

¿ = >/(*.-*о )2+(У1-Уо)г+(^-^У (23)

На практике отклонение по оси ОХ (т.е. отклонение от заданного курса), имеет небольшое по величине значение, поэтому им можно пренебречь, и основными по-прежнему остаются значения крена и дифферента.

При перемещении груза заданная пространственная система координат поворачивается относительно всех трех осей и сам груз изменяет свое положение. Точку ЦВ (ЦВР) обозначим - О, а центр новой системы координат - О . Первая система координат будет определяться базисными векторами: ¡,],к, а вторая -(рис. 11). я,Ь,с - смещения координат центра второй системы относи-

тельно первой. Тогда

OÓ = ai + bj + ck .

(24)

Рис. 11. Смещение системы координат при перемещении судна Выразим местоположение груза (до перемещения) во второй системе координат, беря за точку центр тяжести груза - Т. Следовательно:

OT = x0i + y0j + z0k (25)

OlT = xlil + y¡j¡+z]kí. (26)

Переходя от одной системы координат к другой, любой вектор можно разложить по базису i,j,k, т.е. найдутся а,1П(а = \,2,3;т = 1,2,3) таких, что выполняются соотношения:

i¡ = aui + a¡2j + апк

- a2¡i+ a22j + аик>. (27)

k¡ - ani + ctjJ + a}3k Рассматриваемые углы отклонения судна от положения равновесия - углы Эйлера, их значения могут быть использованы при нахождении коэффициентов формулы (27). Углом отклонения судна от курса, из-за его небольшой величины можно пренебречь, т.е. sinp «¡ (р,соя<р » 1, тогда из системы (27) получаем: «и = cos у/- (0 sin ^ eos 0,aí2 = sin у + q> cosacos O, an =<ps\nO, a2] =-<pcosty/-sinocos в,а22 = -q> sin ц/ + cosacos 0, a23 =siné>,> (28) a3l = ipsiní?, an = -sin0,a:33 =-cos0 В итоге, зная углы отклонения судна от положения равновесия, координаты возможного перемещения груза находим из соотношений:

х{ = а + (cosy/ -(ps'my/cosO)xl +(-<pcosy/-siny/cosO)yl + (z, +lx) y¡ = ¿> + (sin(//, + (pcosy/cos#);cl + -t-í-cos^sinOíz, +/ • (29)

z, = с + (tp sin в)х1 + (sin в) y, + (eos 0)z] + /. Полученные зависимости могут быть использованы на практике для прогнозирования, предупреждения, оперативного реагирования и ликвидации по-

следствий внештатных аварийных ситуаций, связанных с перемещением груза.

В четвертой главе рассмотрено создание специального алгоритмического, а на его основе и программного обеспечения «Универсальный карго-планировщик» на базе эффективного применения эвристических алгоритмов для получения рационального решения оптимизационной задачи.

Точные методы не охватывают полноту представления аналогичных задач или требуют для реализации больших мощностей и временных затрат, поэтому большое внимание в современной науке уделяется методам метаэвристики.

Генетические алгоритмы (ГА) как один из эвристических методов представляют собой новое направление в алгоритмике. Они способны не только решать и сокращать перебор в сложных задачах, но и легко адаптироваться к изменению проблемы.

Практическое применение рассмотренных выше математических моделей стало возможным именно с использованием Г'А. Программный комплекс «Универсальный карго-планировщик» позволяет находить карго-план размещения контейнеров в бункерах судна, учитывая остойчивость судна.

ГА работают с совокупностью «особей» - популяцией. Каждая особь представляет собой возможное решение данной проблемы, а именно вариант загрузки контейнеров в бункеры - их порядок в очереди на погрузку. Каждая из таких уникальных «особей» имеет свою меру «приспособленности». В качестве этой меры была выбрана остойчивость судна как одна из наиболее важных технических характеристик принимаемых во внимание в перегрузочных процессах. Эта «приспособленность» является эффективным показателем того, насколько хорошо данное решение удовлетворяет требованиям задачи, а также является лидирующим фактором эволюционного процесса при поиске решения. При «перекрестном скрещивании» вариантов загрузки, с точки зрения эволюционного процесса, качество загрузки «потомков» должно возрастать. Увеличения этого показателя можно достичь с помощью внедрения мутационных процессов и спонтанных изменений в генах «особей».

Указанные эволюционные принципы являются основными в про1раммном решении. При достаточно небольшой начальной «популяции», после получения 2-3 поколений можно прийти к достаточно точному решению исходной задачи. Программный комплекс «Универсальный карго-планировщик» включает в себя:

1. Загрузка данных для объектного решения.

2. Создание исходной популяции.

В программы предусмотрен ввод данных о допустимом для судна крене и дифференте. В процессе расчета «особи», дифферент которых больше допустимого автоматически, удаляются из исходной популяции. Затем варианты загрузки упорядочиваются по возрастанию величины дифферента. Исходная популяция готова. В ней все варианты загрузки применимы и удовлетворяют требованиям по дифференту. Чтобы сделать процесс эволюции более наглядным в интерфейсе программы рядом с колонкой значений дифферента предусмотрена шкапа загруженности (полноты использования площади трюма).

3. Получение потомства. Следующий шаг эволюции предусматривает получение потомства от исходной популяции. При наличии в исходной популяции п «особей» необходимо получить 2п потомков. Потомки получаются путем попарного «скрещивания» двух случайных «особей» из списка исходной популяции. При помощи генератора случайных чисел находится точка перекрещивания генов «особи». В ней из пары «родителей» получается два потомка.

Для каждого «потомка» так же как и для исходной популяции рассчитываются показатели «приспособленности» - дифферент и наполненность трюма. Затем они сортируются по показателю дифферента и неудовлетворяющие дифференту уходят из рассмотрения. При проведении цикла «исходная популяция —> получение потомства» несколько раз можно наблюдать тенденцию к увеличению показателя дифферента. Постепенно вариант оптимальной загрузки «всплывает». Такого вида алгоритм позволяет сэкономить время расчетов.

Программный комплекс «Универсальный карго-планировщик», позволяет находить наиболее рациональные схемы размещения груза в четырехмерном пространстве параметров: длина, ширина, высота, остойчивость.

Основные результаты работы

Настоящая диссертационная работа посвящена важному аспекту актуальной научной задачи повышения эффективности транспортных процессов - разработке и внедрению автоматизированного оперативного управления ТЛК

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Произведена оценка существующего отечественного и зарубежного опыта по оперативному управлению транспортными процессами в рамках ТЛК. Выполнен анализ инструментария, призванного обеспечить поиск рациональных путей доставки грузов в пункты назначения с наименьшими транспортными расходами. Рассмотрены и исследованы механизмы построения районных ТЛЦ и межрегиональных ТЛК, которые решают задачи различных уровней: оперативные, стратегические и тактические. Оценены возможности расширения зон охвата транспортных процессов едиными вертикально и горизонтально интегрированными транспортными комплексами. Рассмотрены принципиально новые, недавно появившиеся на рынке транспортных услуг провайдеры ЗРЬ-уровня. Приведена аналитика использования контейнерных перевозок, как универсального средства распределения груза в рамках грузопотоков.

2. Построена комплексная модель многофункциональной вычислительной сети АСУ, решающей задачи управления транспортными процессами в рамках информационного пространства ТЛК. Модель представляет собой совокупность схем, отражающих информационную и коммуникационную необходимость обмена данными с целью принятия как общекомплексных (ТЛК) объективных, так и локальных (в рамках отдельно взятого участка-группы участков) управленческих решений. Впервые приведена инфокоммуникационная классификация транспортных объектов, нуждающихся в управлении. Схемы являются многофакторными и учитывают такие параметры функционирования ТЖ, как: распределение и учет транспортных потоков, управление персоналом, ведение и

подготовка готовой документации и многое другое. В структуре модели в качестве обособленного модуля выделен «Параметры и настройка», являющийся единым для всех участков АСУ. Рассмотрены и представлены наиболее эффективные механизмы защиты информации и объектов вычислительной сети, с учетом различных вариантов представления каналов связи (проводные/беспроводные). Защитные функции модели построены исходя из принципов рациональной целесообразности, минимального вмешательства в основные процессы и представляют отдельную структуру гармонично агрегированную в целостную модель АСУ. Все методы и механизмы защиты были выбраны и структурированы с учетом анализа возможных угроз и факторов, влияющих на конфиденциальность, целостность и доступность данных АСУ. Даны рекомендации по программно-аппаратной реализации вычислительной сети АСУ ТЖ на базе представленной комплексной модели.

3. Впервые построены математические модели:

> размещения трехмерных объектов в заданном пространстве (на примере контейнеров на судне), учитывающая различные формы трехмерного пространства. Модель является универсальной и может быть использована не только в рамках транспортной, но и в рамках других отраслей народного хозяйства. На основе данной модели построено алгоритмическое обеспечение перегрузочных процессов;

> размещения грузов с учетом остойчивости различных типов судов с возможностью адаптации в статике и в динамике эксплуатации судна;

у определения нового местоположение груза по показаниям кренометра и дифферентометра (для оперативного реагирования в чрезвычайных ситуациях при существенном изменении судном остойчивости). Особой научной ценностью модели является учет изменения пространственных координат судна при изменении положения груза.

4. Создано специальное алгоритмическое обеспечение, на основе которого создан программный комплекс (ПК), состоящий из трех программ: «Карго-план», «Карго-план-2», «Универсальный карго-планировщик» - на базе эффективного применения эвристических алгоритмов для получения рационального решения оптимизационной задачи. Универсальность указанного ПК заключается в возможности использования его для размещения груза не только в рамках судна, но и в рамках любой другой области, имеющей форму параллелепипеда. Базовым алгоритмом ПК является генетический алгоритм, в котором в качестве особи используется схема расстановки контейнеров.

Инструмент импорта и экспорта информации в ПО позволяет использовать его даже на персональных компьютерах, имеющих небольшую мощность, а также удобен при проведеггии анализа полученных данных. Управленческая функция ПК заключается в особом свойстве обратной связи генетических алгоритмов, позволяющих делать выводы и ограничивать особи (схемы расстановки), которые примут участие в следующей генерации. Как показали эксперименты, возможность так называемого «вырождения потомства» для данной задачи в рамках указанных критериев минимальна.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Соколов С.С, Нырков А.П., В.И. Караваев, Н.Г. Багаева, Е.Д. Караваева. Алгоритмы автоматизированного управления технологическими процессами мультимодальных перевозок // Журнал Университета водных коммуникаций, № 8,2010. - (Издание, рекомендованное ВАК).

2. Соколов С.С, Нырков А.П., Дмитриева Т. Методы повышения эффективности работы портов в рамках международных транспортных коридоров // Ж. «Речной транспорт (XXI век)». - №6 (2009), с. 75-77. (Издание, рекомендованное ВАК).

3. Соколов С.С., Нырков А.П., Башмаков А.П. Некрипто1рафические методы защиты информации в беспроводных сетях/ЛКурнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы». - СПГПУ, № 3, 2010. (Издание, рекомендованное ВАК)

4. Соколов С.С., Нырков А.П., Башмаков А.П. Методика проектирования безопасных информационных систем на транспсрте//Журнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы». - СПГПУ, № 3, 2010. (Издание, рекомендованное ВАК)

5. Соколов С.С., Нырков А.П., Голоскоков Д.П., Кныш Т.П., Васин A.B., Карда-ков A.A. Математические модели прикладных NP-полных задач. // Тр. российской летней школы «Математическое моделирование фундаментальных объектов и явлений в системах компьютерной математики». Казань: Изд-во «Фолиангь», 2010 г. с.20-26.

6. Соколов С.С. Программные средства автоматизации складских процессов. // Сб. н. тр. седьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. 23-27

7. Соколов С.С. Критериальные показатели перегрузочных процессов при комплектовке транспортных объектов. // Сб. н. тр. международной научно-практической конференции, посвященной 200-летшо подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». СПб.: СПГУВК 2009 г. с. 214-216.

8. Соколов С.С. Трехмерная модель рационального размещения грузов на складских площадях. // Сб. н. тр. «Математика и её приложения» Выпуск 2 -СПб.: СПГУВК, 2009 г. с. 164-172.

9. Соколов С.С. Модель угроз информационной безопасности организации. // Журнал университета водных коммуникаций. СПб.: СПГУВК 2009 г. (Вып.2) с. 176-180.

10. Соколов С.С. Понятие эффективности в задачах комплектовки. // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». Книга II. 1-2 октября 2009 года. -СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009.

11. Соколов С.С. Алгоритм шифрования PGP. II Сб. н. тр. научно-технической конференции молодых научных сотрудников «Водные пути и гидротехнические сооружения, портовая техника и электромеханика, судостроение и судоремонт, гуманитарные вопросы, экономика и финансы, юриспруденция». СПб.: СПГУВК 2007 г., 119-123.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОСОБИЯ

12. Соколов С.С., Волкова Т.А. Эвристические алгоритмы в решении оптимизационных задач. СПб.:СПГУВК, 2010 г.

ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ

13. Соколов С.С. Математическое моделирование перегрузочных процессов. // Материалы XI международной научной конференции, посвященной 70-лстию профессора В.П. Дьяконова «Системы компьютерной математики и их приложения». Смоленск: Изд-во СмолГУ, 2010-Вып. 11. с. 155-157.

14. Соколов С.С., Вайгандг Н.Ю. Универсальный карго-планировщик. // Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». - СПб.:СПГУВК,2010 г. с. 179-183.

15. Соколов С.С., Нырков А.П., Соколова М.А., Вайгандт Н.Ю. Генетические алгоритмы в математическом моделировании перегрузочных процессов. // Сб. н. тр. восьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. с. 57-60.

16. Соколов С.С., Нырков А.П. Автоматизация управления транспортным комплексом. // Материалы XII СПб международной конференции «Региональная информатика (РИ-2010)». СПб, 2010. с. 215.

17. Соколов С.С., Соколова М.А. Экономико-математическая модель повышения прибыльности грузоперевозок. // Материалы XII СПб международной конференции «Региональная информатика (РИ-2010)». СПб, 2010. с. 216.

18. Соколов С.С. Использование генетических алгоритмов в задачах комплектования грузов. // Материалы XII СПб международной конференции «Региональная информатика (РИ-2010)». СПб, 2010. с. 217.

19. Соколов С.С. Оперативное управление транспортко-логистическим центром. // Материалы XII СПб международной конференции «Региональная информатика (РИ-2010)». СПб, 2010. с. 217-218.

Подписано в печать 18.01.11 Сдано в производство 18.01.11 Формат 60*84 1/16 Усл.-печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1. __Тираж 70 экз._Заказ № 3_

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

ВВЕДЕНИЕ

1. ТРАНСПОРТНО-ЛОГИСТИЧЕСКИЕ ЦЕНТРЫ: СТРУКТУРА, МЕХАНИЗМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ, ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ

1.1. Современное состояние транспортно-логистических центров

1.2. Совершенствование технологий контейнерных перевозок, как путь развития транспортно-логистических центров 22 Выводы по первой главе

2. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНО-ЛОГИСТИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ

2.1. Типовая структура автоматизированной системы управления транспортно-логистическим комплексом

2.2. Модуль «Транспортно-логистический центр»

2.3. Модуль «Контрольно-диспетчерский пункт»

2.4. Центральное серверное пространство

2.5. Методы и механизмы обеспечения информационной защищенности АСУ ТЛК 68 Выводы по второй главе

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАЧ РАЗМЕЩЕНИЯ ГРУЗА

3.1. Модели рационального размещения грузов на складских площадях

3.2. Перегрузочные процессы при эксплуатации судна

3.2.1. Обеспечение остойчивости судна при перемещении груза

3.2.2. Решение прямой и обратной задачи определения перемещений по величинам отклонений

Выводы по третьей главе

4. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАЧ РАЗМЕЩЕНИЯ ГРУЗА 97 4.1. Постановка задачи рационального размещения груза

4.2. Критерий эффективности (КЭ) в оптимизационных и рационализаторских задачах раскроя и компоновки

4.3. Декомпозиция задачи, определение множества путей и методов решения

4.4. Генетические алгоритмы

4.4.1. Определение генетических алгоритмов

4.4.2. Блок-структуры размещения контейнеров

4.4.3. Оценка эффективности, сложность, достоинства и недостатки генетического алгоритма

4.5. Поиск с запретами

4.6. Имитация отжига

4.7. Муравьиный алгоритм

4.8. Объединение алгоритмов метаэвристики

4.9. Программные средства автоматизации складских процессов

4.10. Программное обеспечение «Универсальный карго-планировщик» 129 Выводы по четвертой главе

Мировые тенденции перехода от промышленного общества к информационному в полной мере затронули и транспортную отрасль. Подтверждением тому служит «Стратегия развития транспорта до 2030 года»: «Совершенствование рынка транспортных услуг, обеспечение их доступности, объема и качества связаны с развитием транспортной техники, технологий и информационного обеспечения транспортных услуг». Современные перспективы развития транспорта все чаще диктуют необходимость унификации, интеграции и объединения разнородных процессов в единую вертикально и горизонтально структурированную систему управления транспортом. Такой системой на данный момент является транспортно-логистический комплекс.

Все основные проблемы в транспортной сфере зачастую возникают из-за нехватки времени и ресурсов. В свою очередь нехватка возникает из-за нерационального планирования. «Грузопотоки, связывающие крупных промышленников с потребителями, фактически никем не планируются и не управляются» - неоднократно заявлялось на различных уровнях власти.

Основной панацеей современности несомненно являются информационные технологии, которые позволяют значительно ускорить и рационально реструктуризировать процессы с целью повышения их эффективности.

На данный момент на рынке программного обеспечения автоматизированных систем управления транспортным комплексом РФ достаточно сложно найти качественный продукт, в лучшем случае имеются программные продукты представляющие собой переделанные подсистемы АСУ из других отраслей народного хозяйства, которые абсолютно не учитывают специфику отрасли. Таким образом, на данный момент не существует ни одного полностью удовлетворяющего требованиям времени программного обеспечения, позволяющего производить планирование и управление погрузочными процессами.

Основными участками транспортного процесса, которые в первую очередь нуждаются в автоматизации, являются механизмы складирования груза и связи между различными этапами грузоперевозок. В первом случае разработчики сталкиваются с нерешенной на данный момент научной проблемой, относящейся к классу ЫР-полных: карго-планирование для целей размещения трехмерных объектов. Эта проблема стоит для всей сферы складирования груза, однако, для транспортной отрасли она более актуальна с введением учета дополнительных измерений, таких, как масса, угол наклона и т.д. в случае складирования на транспортных объектах (суда различных видов плавания). Во втором же случае основным камнем преткновения являются принципиально различные и сложно совмещаемые для связного взаимодействия системы частичной автоматизации (поэтапно) процессов.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности работы транспортно-логистического комплекса, состоящей в разработке методологической, математической и алгоритмической обеспеченности управления транспортными процессами.

Объектом исследования является транспортно-логистический комплекс, рассматриваемый как совокупность его обособленных элементов и связей между ними.

Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы построения эффективного пространства движения груза.

Для выполнения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Рассмотрение и анализ текущего состояния транспортной отрасли: оценка эффективности логистических связей; состояния функционирования транспортно-логистических центров (ТЛЦ) и состояние развития ТЛК.

2. Построение типовой модели ТЛЦ с учетом внешних связей с ТЛК.

3. Анализ механизма контейнерных перевозок с целью оценки его 5 функционирования, как фактора повышающего эффективность функционирования ТЛК в целом.

4. Построение инфо-коммуникационной модели АСУ ТЛК.

5. Определение механизмов защиты каналов связи в АСУ ТЛК.

6. Рациональное размещение трехмерных объектов формы параллелепипеда в пространстве.

7. Обеспечение безопасной эксплуатации судна при грузоперевозках.

8. Определение локального участка изменения местоположения груза при связанных с этим чрезвычайных ситуациях на судне.

9. Построение эффективного алгоритма размещения груза в ограниченном пространстве.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, математический аппарат оптимизации, эвристические методы решения оптимизационных задач, в частности, генетические алгоритмы, теория автоматического и автоматизированного управления.

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

1. оценка существующего мирового и отечественного опыта по оперативному управлению транспортными процессами в рамках ТЛК и повышению эффективности и целесообразности таких процессов;

2. построение комплексной модели многофункциональной вычислительной сети АСУ, решающей задачи управления транспортными процессами в рамках информационного пространства ТЛК;

3. построение математической модели размещения трехмерных объектов в заданном пространстве, в том числе с учетом остойчивости судна, а также математической модели, позволяющей определить участок изменения местоположения груза по показаниям кренометра и дифферентометра;

4. создание специального алгоритмического обеспечения для получения рационального решения оптимизационной задачи.

Практическая значимость исследований. На основе алгоритмического обеспечения, разработано программное обеспечение «Карго-план» (трехмерное размещение в выделенном пространстве), «Карго-план-2» (трехмерное размещение в совокупности пространств), «Универсальный карго-планировщик» (трехмерное размещение в совокупности пространств - трюмов судна - с учетом требований остойчивости).

Сформулированные выводы и рекомендации могут быть использованы при решении задач, изложенных в «Стратегии развития транспорта до 2030 года».

Реализация и внедрение результатов. Модели размещения грузов и программный комплекс внедрены: в учебном процессе кафедр «Прикладная математика» и «Транспортная логистика» Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций, в ОАО «Канонерский судоремонтный завод», ООО «ИНФОКОМ», ООО «ЛогисЛайн».

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на следующих конференциях:

1. XII Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика-2010». 2010, Санкт-Петербург.

2. XI международная научная конференция, посвященная 70-летию профессора В.П. Дьяконова «Системы компьютерной математики и их приложения» - 2010, Смоленск, СмолГУ.

3. Межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». 2010 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

4. Международная научно-практическая конференция «Водный транспорт России: инновационный путь развития». 2010 год, Санкт7

Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

5. Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». 2009 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

6. Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути: строительство, эксплуатация, управление». 2009 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

7. 7 и 8 международные научно-практические конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 2009 .Санкт-Петербург.

8. Научно-техническая конференция молодых научных сотрудников «Водные пути и гидротехнические сооружения, портовая техника и электромеханика, судостроение и судоремонт, гуманитарные вопросы, экономика и финансы, юриспруденция. 2007 год, Санкт-Петербург, ФГОУ ВПО СПГУВК.

Выводы по четвертой главе

В четвертой главе более подробно проанализированы варианты прикладного решения рациональной задачи размещения груза на судне.

1. В главе приведена классификация алгоритмов, позволяющих решать поставленную рациональную задачу.

2. Рассмотрены возможные варианты постановки требований критерия эффективности.

3. Приведены примеры математических моделей метаэвристических алгоритмов решения поставленной задачи, как наиболее быстрых и эффективных. Алгоритмы рассмотрены и проанализированы, применительно к задаче. Показаны их сильные и слабые стороны.

4. Приведена формульно-словесная схема обобщенного алгоритма, представляющего собой последовательное выполнение всех представленных метаэвристических алгоритмов с учетом временных затрат и возможностью пересмотра требований КЭ, благодаря множеству решений.

Все рассмотренные алгоритмы выбраны с учетом уже доказанной и рассмотренной в ряде работ эффективности, быстроте и адаптивности под конкретные условия задачи. Рассмотренный механизм применения генетического алгоритма требует несколько больших временных затрат, но за счет этого повышается эффективность применения обобщенного алгоритма и предлагает выбор вариантов размещения с возможностью ввода дополнительных ограничений и правил комплектовки.

Следует отметить, что приведенный в главе обобщенный алгоритм может применяться в широком спектре задач. Также алгоритм может быть доработан и усовершенствован на любом этапе реализации без внесения существенных изменений в другие его составляющие. Дальнейшее развитие видно в усовершенствовании математических и вероятностных методов, применяемых в генетических алгоритмах, в частности - другие виды декодеров.

134

Также разработан программный комплекс «Универсальный карго-планировщик», который позволяет находить наиболее рациональные схемы размещения груза в четырехмерном пространстве накладываемых ограничений: длина, ширина, высота, остойчивость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа посвящена важному аспекту актуальной научной задачи повышения эффективности транспортных процессов - разработке и внедрению автоматизированного оперативного управления ТЛК.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Произведена оценка существующего мирового и отечественного опыта по оперативному управлению транспортными процессами в рамках ТЛК и повышению эффективности и целесообразности таких процессов. Выполнен анализ инструментария, который призван обеспечить поиск рациональных путей доставки грузов в пункты назначения с наименьшими транспортными расходами. Рассмотрены и исследованы механизмы построения районных ТЛЦ и межрегиональных ТЛК, которые решают задачи различных уровней: оперативные, стратегические и тактические. Оценены возможности расширения зон охвата транспортных процессов едиными вертикально и горизонтально интегрированными транспортными комплексами. Рассмотрены принципиально новые, недавно появившиеся на рынке транспортных услуг провайдеры ЗРЬ-уровня. Приведена аналитика использования контейнерных перевозок, как универсального средства распределения груза в рамках грузопотоков.

2. Построена комплексная модель многофункциональной вычислительной сети АСУ, решающей задачи управления транспортными процессами в рамках информационного пространства ТЛК. Модель представляет собой совокупность схем, отражающих информационную и коммуникационную необходимость обмена данными с целью принятия как общекомплексных (ТЛК) объективных, так и локальных (в рамках отдельно взятого участка-группы участков) управленческих решений. Впервые приведена инфокоммуникационная классификация транспортных объектов, нуждающихся в управлении. Схемы являются многофакторными и учитывают такие параметры функционирования ТЛК, как: распределение и учет транспортных потоков, управление персоналом, ведение и подготовка готовой документации и многое другое. В комплексной модели в качестве обособленного модуля выделен «Параметры и настройка», являющийся единым для всех участков АСУ. Рассмотрены и представлены наиболее эффективные механизмы защиты информации и объектов вычислительной сети, с учетом различных вариантов представления каналов связи (проводные/беспроводные). Защитные функции модели построены исходя из принципов рациональной целесообразности, минимального вмешательства в основные процессы и представляют отдельную структуру гармонично агрегированную в целостную модель АСУ. Все методы и механизмы защиты были выбраны и структурированы с учетом анализа возможных угроз и факторов, влияющих на конфиденциальность, целостность и доступность данных АСУ.

Также в работе имеются рекомендации по программно-аппаратной реализации вычислительной сети АСУ ТЛК на базе представленной комплексной модели.

Учтена многогранность процессов ТЛК, таким образом, получили отражение следующие стороны: производственная, управленческая, экономическая, информационная.

3. Впервые построена математическая модель размещения трехмерных объектов в заданном пространстве (на примере контейнеров на судне). При построении модели были учтены различные формы трехмерного пространства. Модель является универсальной и может быть использована не только в рамках транспортной, но и в рамках других отраслей народного хозяйства.

На основе данной модели построено алгоритмическое обеспечение перегрузочных процессов.

4. Построена математическая модель размещения груза с учетом остойчивости судна. Модель построена на базе типового схематичного изображения судна, благодаря чему универсальна и применима к различным типам судов. Она также может быть рассмотрена в качестве дополнительного

137 набора физико-математических ограничений, накладываемых на модель, изложенную в п.З. Одним из новшеств представленной модели является возможность адаптации- ее не только в статике, но и в динамике эксплуатации судна (при переносе центра величины в центр вращения судна).

5. Впервые построена математическая модель, позволяющая определить участок изменения местоположения груза по показаниям кренометра и дифферентометра (для оперативного реагирования в чрезвычайных ситуациях при существенном изменении судном остойчивости). Особой научной ценностью данной модели можно считать тот факт, что в ней при изменении пространственных координат груза (например, в чрезвычайной ситуации) таюке учтено и изменение пространственных координат судна. Таким образом данная модель учитывает изменение области пространства при изменении точек отсчета измерений пространства.

6. Создано специальное алгоритмическое, а на его основе и программное обеспечение (ПО) «Универсальный карго-планировщик» на базе эффективного применения, эвристических алгоритмов, для получения рационального решения оптимизационной задачи: Универсальность указанного ПО: заключается, в возможности использования его,для размещения груза не только в рамках судна, но и в рамках любой другой области, имеющей форму параллелепипеда. Базовым алгоритмом ПО является генетический алгоритм, в котором в качестве особи используется схема расстановки контейнеров:

Инструмент импорта и экспорта информации в ПО позволяет использовать его даже на персональных компьютерах, имеющих небольшую мощность, а также удобен при проведении анализа полученных данных. Управленческая функция ПО «Универсальный карго-планировщик» заключается в особом свойстве обратной связи генетических алгоритмов, которые позволяют, анализируя результаты предыдущей итерации, делать выводы и ограничивать особи (схемы расстановки), которые примут участие в следующей. Также, эмпирические эксперименты показали, что возможность так называемого вырождения потомства» для данной задачи, в рамках указанных критериев минимальна. Дальнейшее совершенствование ПО планируется путем увеличения количества и качества граничных условий, учитывая специфические свойства конкретной поставленной задачи.

1. Электронный ресурс. Режим jocTvna:http://math.nsc.m/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. русский, последнее обращение 15 января 2010 года.17 . Справочный ресурс для программиста Электронный ресурс.

2. Лесная промышленность 1982. 288 с.45 . Вьюков И.Е., Зорин И.Ф., Петров В.П. АСОДУ предприятием ЦБП.

3. Оптимизация раскроя бревен на пиломатериалы и ее реализация на ЭВМ / Ю.М. Ельдештейн // Изв. вузов. Лесной журнал. 1999, №5 С. 62-66.56 . Еремин И.И. Двойственность в линейной оптимизации.

4. Гудков В.А. М.:Экзамен ,2002 - 511 с.117 . Трофилькин А., компания «Инкотек» Е. Сагизлы, фирма1. НИДЭКС»1. СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

5. АРМ автоматизированное рабочее место

6. АСУ ТЖ автоматизированная система управления транспортно-логистическим комплексом1. ВТ водный транспорт

7. ВТО всемирная торговая организация1. ДП диспетчерский пункт1. ГА генетический алгоритмгвл грузовая ватерлиния

8. КДП -контрольно-диспетчерский пункт

9. КЭ -критерий эффективности1. ПС программные средства

10. РИС расчетно-информационный комплекс

11. СЗ ФО Северо-Западный Федеральный округтлц транспортно-логистический центртле транспортно-логистическая систематтлц типовой транспортно-логистический центртсс транспортно-складская системавл ватерлиния

12. ДП диаметральная плоскостьпмш плоскость мидель-шпангоутаоп основная плоскость1. ЦТ центр тяжести1. ЦВ центр величины1. ЦВР центр вращенияцеп центральное серверное пространство

13. ЭЦП электронно-цифровая подпись

14. VPN Virtual Private Network (виртуальные частные сети)