автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Моделирование и программное обеспечение процессов управления портовыми перегрузочными машинами

На правах рукописи

к

I АНДРИАНОВ Владислав Евгеньевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ПОРТОВЫМИ ПЕРЕГРУЗОЧНЫМИ МАШИНАМИ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- Петербург 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сахаров В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузнецов С.Е. кандидат технических наук Бабурин Н.В.

Ведущая организация: ОАО «Канонерский судостроительно-судоремонтный завод»

Защита диссертации состоится «_» октября 2005г. в_ на

заседании диссертационного совета Д223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «_»_2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д223.009.03 доктор технических наук, профессор

Ю.М. Кулибанов

з <2 <РШ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Развитие технической базы портов и повышение уровня их эксплуатации открывают перспективы значительного снижения транспортных издержек. Время пребывания судна в портах под загрузкой, разгрузкой, техническим обслуживанием и в ожидании этих операций составляет до 50-60% времени его оборота, а доля стоимости портовых работ в общей себестоимости перевозок грузов достигает 40-50%.

Для транспорта и, в частности, для портов имеет первостепенное значение организация их работы в режимах, обеспечивающих существенное ускорение обработки судов и вагонов, снижение себестоимости перевозок, а также создание необходимых алгоритмов и аппаратных средств для совершенствования автоматизированного портового оборудования и технологических процессов.

В этой связи вопросы построения и совершенствования технологии работы порта в целом, его отдельных подразделений, технологических линий и перегрузочных комплексов с учетом современной информационной базы приобретают исключительно важное народнохозяйственное значение. Реализация новых информационных технологий и компьютерных систем при управлении портовым оборудованием позволит кардинально изменить перегрузочный процесс и организацию движения грузов в границах порта и за его пределами, существенно повысть уровень обслуживания и предоставления широкого спектра транспортных услуг. Наиболее важным этапом совершенс1вования режимов работы перегрузочных машин и технологических линий, терминалов, а также отдельных производственных процессов является как оптимизация, так и обоснование принятия решений при управлении. Системы информационной поддержки принятия решений при управлении технологическими операциями (механизмами), а также возможные оптимизационные процедуры являются исключительно наукоемкими и требуют для практической реализации применения, в основном, численных методов оптимизации.

В связи с вышеизложенным, задачи по разработке и созданию математического и про1раммного обеспечения процессов оптимизации параметров и технологии работы портовых перегрузочных машин являются актуальными для всех предприятий и объектов водного транспорта, независимо от форм собственности.

Цель диссевтаиионной работы, состоит в повышении эффективное™ технологических процессов в порту и оптимизации параметров портовых перегрузочных машин на основе использования современных информационных технологий.

рас. НАЦИОНАЛЬНАЯ { БИБЛИОТЕКА I С. Петербург Ы. л } РЭ Уф шяМЦ 4

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели и вычислительной процедуры для количественной оценки технологических и логистических процессов в порту с помощью производственных моделей, учитывающих специфику производственных грузовых операций и номенклатуры грузов.

2. Создание математического и программного обеспечения для анализа процессов обслуживания транспортных средств в порту, определение и идентификация основных технологических показателей: интенсивности грузовой обработки судов, коэффициента использования причала и элементов причального фронта, ритмичности работы, показателей стационарного режима работы и устойчивости управляемого технологического процесса.

3. Разработка математического и программного обеспечения процессов оптимизации параметров двухзвенных роботов-манипуляторов с использованием сплайнов для интерполяции траекторий движения; параметрическая оптимизация режимов работы портовых машин с силовым цилиндром и ползунково-кривошипным механизмом.

4. Разработка алгоритма и информационная поддержка оптимального составления расписания (критерий - минимальное время стоянки судна у причала под обработкой); имитационная модель и программное обеспечение моделирования работы причала специализированного порта (на примере п. Важины, р. Свирь; транспортируемый груз - гравийно-песчаная смесь для строительных организаций С.-Петербурга).

5. Математическая модель совершенствования организации и управления звеньями технологической системы в составе комплекса порта со сложной структурой; алгоритмическое и программное обеспечение оптимизации распределения ресурсов на этапе заключения и выполнения договорных обязательств по инвестированию и автоматизации процесса замены портового оборудования.

Объект исследования: математические модели и программное обеспечение процессов оптимизации параметров портовых перегрузочных машин, процессы совершенствования организации и управления звеньями хехнологической системы в составе комплекса порта, а также оптимизация распределения ресурсов на этапе инвестирования процедур замены портового оборудования.

Предмет исследования: математическое, алгоритмическое и программное обеспечение процессов оптимизации параметров портовых перегрузочных машин и режимов их работы, совершенствование

организации и управления работой порта, оптимизация распределения ресурсов при инвестировании процедур замены портового оборудования.

Методы исследований. Исследования проводятся на основе теории управления, численных методов оптимизации, структурной и параметрической идентификации, общей теории систем и системного анализа. В работе используются методы и модели исследования операций: модели распределения ресурсов и их методы решения, модели массового обслуживания (очередей и упорядочения), модели замен, управления операционными процессами.

Научная новизна: содержится в следующих основных результатах:

1. Математические модели процедур количественной оценки технологических и логистических процессов в порту на основе производственных моделей.

2. Математическое, информационное и программное обеспечение процессов параметрической оптимизации и выборе конструктивных решений в классе инверсных задач в приложении к двухзвенным роботам-манипуляторам, их позиционированию и управлению по заданным траекториям с помощью сплайн-аппроксимаций; алгоритмах и программах для численного решения минимаксной задачи параметрической оптимизации величины давления в силовом цилиндре ползунково-кривошипного механизма портовых погрузочных машин и других конструкций.

3. Структура алгоритма и программы обеспечения процесса составления расписания, обеспечивающего минимальное время стоянки судна под выгрузкой у причальной стенки порта.

4. Алгоритм и методическое обеспечение имитационной модели транспортного процесса в порту Важины (р.Свирь) при погрузке в суда гравийно-песчаной смеси, а также процедура использования модели в реальном масштабе времени для оценки показателей работы порта.

5. Методика решения задачи для инвестиционного процесса замены оборудования и портовой подъемно-транспортной техники, позволившее на основе теории оптимального управления получить вектор периодических выплат по процентам, обеспечивающий существенное сокращение общего объема выплат к концу периода завершения действия договора.

Практическая ценность: состоит в создании математического и программного обеспечения процессов параметрической оптимизации портовых перегрузочных машин и их элементов, развитии численных методов автоматизации технологических процессов в портах. К значимым с позиций практики следует отнести алгоритмы и программы для решения задачи имитационного моделирования технологии работы порта со специализированным причалом, оборудованным для загрузки судов

песчано-гравийной смесью (другими сыпучими материалами). Модель применима в порту Важины (р.Свирь), который является и основным поставщиком гравия для строительных организаций Санкт-Петербурга. Большое прикладное значение имеет алгоритм оптимизации инвестиционных процессов при строительстве портов и замене оборудования.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на Международной научно-практической конференции, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга «Безопасность водного транспорта», 10-11 сентября 2003 года, г.С.-Петербург, секция №7; на научно-технической конференции молодых научных работников, посвященной 195-летию транспортного образования в России, состоявшаяся в СПГУВК, 2004г., а также на постоянно действующих семинарах кафедр Автоматики, Вычислительных систем и информатики факультета Информационных технологий и на кафедрах факультета Портовой техники и электромеханики СПГУВК.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, перечень которых приведен в библиографическом списке, помещенном в автореферате.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 160 страниц, в том числе 18 рисунков, 3 таблицы и список использованной литературы из 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационных исследований, определены задачи и сформулирована цель исследований.

В первой главе проведен обобщенный анализ задач совершенствования технологических режимов работы портовых перегрузочных машин, обеспечения процедур количественного анализа технологических и логистических процессов в порту.

Порт рассматривается как эргатическая система, состоящая из коллектива людей, наделенных необходимой техникой, и подверженная влиянию внешних воздействий.

Информационная модель для проведения анализа разделена на блоки и подсистемы, каждая из которых представляется в виде отдельной локальной модели. Модель приведена па рис. 1.

R*

Рис. 1. Структурная схема модели производственного процесса

S - внешняя система, х - состояние процесса, G - закон функционирования процесса, F - закон формирования результатов, А -закон формирования целенаправленного управления; характеристики: и -управление, х - состояние, у - результаты, R* - производственные ограничения.

Блоки G, х, F с их внутренней структурой взаимосвязей моделируют производственный процесс С.

Модель функционирует по следующим законам:

x = G(x,u), y = F(x,y), у— ( Z,R ), F = ( H,D ),\

Z = H(x,u) opt, R = D(x,u) R*, u = A(x,y,R* ( ^

Оптимизационные модели позволяют получить наилучшие значения критерия в области допустимых значений R* и А.

Снижение времени грузовой обработки судна Тп при интенсивности / сокращает время стоянки судна у причала и увеличивает его пропускную способность-Р.

При этом коэффициент использования причала

р = Q/P= Tn/Ti, (2)

где Q - средняя интенсивность прибытия груза, т/сут;

Т: - период работы причала.

Фундаментальные условия устойчивости работы причала

р<1; ТЯ<П Q<P. (3)

Значения

1-р>0; Т[-Тп> 0; P-Q>0, (4)

характеризуют резерв причала, который влияет на ритм его работы. При нарушении ритма возникает очередь судов.

Рассмотрена математическая модель как система массового обслуживания судов в порту. Для этой системы установлено, что среднее число занятых причалов

я = е//=яр, (5)

где и - общее количество причалов на зоне обслуживания; р - коэффициент использования причала. Вероятность отказа фронта обслуживания

К = Р(п)/(1-р), (6)

где Р(п)~ вероятность отказа в обслуживании на я-ом причале.

Вероятность отказа в обслуживании т судов, стоящих на рейде, при общем количестве т+п

Ят=Ярт (7)

Среднее число судов, стоящих в очереди на обслуживание

ук=р2/(1-р). (8)

Среднее число судов у причалов для грузовой обработки

У« = пр. (9)

Проведен анализ возможности оптимизации производственных процессов в порту методами исследования операций.

В случае многомерной оптимизации, когда критерии и ограничения зависят от нескольких переменных состояния, применены градиентные методы оптимизации.

Во второй главе рассматриваются математические модели и оптимизация параметров робота-манипулятора и портовой погрузочной машины с ползунково-кривошипньгм механизмом. Традиционные методы расчета сложных конструкций машин и механизмов перегрузочных комплексов хорошо известны. Вместе с тем целый ряд задач выбора оптимальных параметров машин и механизмов может быть решен только с помощью численных методов оптимизации, на основе новых информационных технологий. При настройке параметров погрузочных машин с гидравлическими цилиндрами численные методы оптимизации позволяют получить условия, при которых пиковое (максимальное) значение давления в цилиндре будет минимальным.

Обоснованность постановки задачи определяется тем, что двухзвенная конструкция является самой простой и позволяет с высокой точностью осуществлять перемещение груза на плоскости по заданной траектории. Кроме того, такой механизм может нести существенно большие нагрузки, чем механизмы с другим количеством звеньев. <

Стоимость системы управления самая минимальная, а мощность приводных двигателей может быть наибольшей при минимальном весе.

Предложенная математическая модель получения траекторных процессов двухзвенного робота-манипулятора позволила привести задачу параметрического синтеза к решению системы уравнений в матричной форме и обеспечить выбор кинематических схем, максимально

адаптированных к заданным условиям работы, обладающих наименьшими габаритами и весом. Разработано программное обеспечение, позволяющее оптимизировать параметры конструкций перегрузочных машин, по обобщенным данным, представляемым в виде переопределенных систем уравнений. Для повышения точности параметрических оценок использованы функции нелинейного метода наименьших квадратов «/«уяоя//я» и «кдсип>е/И» среды Ма&АВ. В частности, для получения наилучших оценок размеров звеньев А\ и Аг двухзвенного манипулятора, обеспечивающих движение спредера по траектории

Хе =\ + С08г 0,1

У = 0, ]

где в - угол поворота 1-го звена вокруг неподвижной оси. Звенья А1 и Аг выбираются с учетом того, чтобы наилучшим образом обеспечить воспроизведение (10) с помощью нелинейных функций:

У = Ь{Ах,Аг,в\\ ( '

Координаты движения спредера определяются с помощью соотношений:

х = А1- сов в + ^А1-(А1- $мв)2,1 ^

^ = 0. ] На геометрические параметры Ах и А2 и угол в накладываются ограничения:

0.1 < А, < 10.0/ 0.1 <А2< 10.0,1

о (13>

0<в<90 . ]

Наилучшая аппроксимация параметров /Сх и А*2 обеспечивается с помощью интегрального кршерия качества

90°

/= \{Хв{0)-х{в)Уав. (14)

о

Для решения задачи параметрического синтеза численными методами выбран шаг дискретности для угла в, равный йеН. Угол в

представлен в виде вектора //1 = 0 \delt'. 90° и /, ={рИ 180)х/}1. В

результате (14) представлен в дискретной форме

90 Ней , >

*=1

что позволило использовать предложенные программные средства для оптимизации траекторного процесса по модели (11)--(15).

На рис. 2 приведены графики траектории движения и геометрические параметры Ах и А*г, обеспечивающие наилучшую аппроксимацию.

Рис. 2. К оптимальному выбору размеров звеньев манипулятора

Кроме линейной оценки, задача решена с помощью нелинейного метода наименьших квадратов. Нелинейный метод позволил получить наилучшую оценку искомых параметров. С этой целью использована функция Щсигуе/1г.

Оценка параметров манипулятора с помощью предложенных вычислительных алгоритмов позволила получить следующий результат: =0.7778, А*г =1.1555, погт{у- г) =0.2764. При линейном методе

наименьших квадратов: А^ - 0.7936, А\ = 1.1546.

Использование нелинейного метода наименьших квадратов позволяет уменьшить норму вектора погрешности. Однако при невысокой чувствительности процесса к введению нелинейностей можно использовать более простые процедуры, основанные на линейном МНК.

В настоящее время многие судовые краны, используемые для перегрузки контейнеров, конструктивно выполнены по схеме двухзвенного робота-манипулятора (фирмы «КОКЕ», «ЫЕВНЕШ1»). Поэтому весьма актуальной является задача о точности наведения спредера и установки контейнера на грузовое место.

В главе решена задача о позиционировании двухзвенного робота-манипулятора, обеспечиваемом с помощью двух двигателей, расположенных в базовом узле и узле сочленения звеньев, путем

поддержания значений углов в1 и вг в зависимости от положения «руки» (рис. 3). Алгоритм составлен в среде МаЛАВ с использованием символьных переменных состояния.

У

Рис. 3. Двухзвенный робот-манипулятор

Координаты «руки» робота-манипулятора рассчитываются с помощью следующих зависимостей:

x-L^ • cosdl + L2 • cos(0j + вг ), у = L2- sindy + ¿2 ■ sin(6X + &2 ).

При задании размеров звеньев (£,=3500 мм, L 2 =2800 мм) определяются значения углов вх и вг, которые обеспечивают позиционирование «руки» в точке с установленными координатами (х=4000 мм, _р=3000 мм). Решение системы (16) производится с помощью функции «solve», которая возвращает два решения, соответствующие

«нижнему» положению шарнирного соединения звеньев (0, =4.04" и 02 = 75.490) и «верхнему» положению шарнирного соединения

(0, =69.69" и вг= -75.49").

При перемещении спредера по прямой, параллельной оси у, и постоянном значении х задача синтеза траектории состоит в получении функций = /iOO и вг - f2(y), необходимых для реализации системы управления приводными двигателями с введением обратной связи. На рис.4 представлены графики углов в1 и в2 при движении спредера но заданной траектории (jc=4000 мм, 10005 у ¿4860 мм). Они являются

(16)

основой для выбора динамических режимов движения перегрузочных средств при перемещении тяжелых грузов.

5000

1000 1500 2000

4000 4500 5000

2500 3000 3500 у(в миллиметра« )

Рис. 4. Зависимость углов ву и вг от_у при *=4000

Повышение точности позиционирования элементов манипулятора при ограниченном объеме информации о входных данных управляемого процесса дает использование сплайн-аппроксимаций. Сплайн-аппроксимации позволяют получать «гладкие» интерполяционные функции, по которым могут бьгть оценены текущие значения координат положения спредера между узлами интерполяции.

Управление спредером двухзвенного манипулятора осуществляется путем измеггения углов а5 и а2 (на рис. 3 это углы 01 и 02) положения его звеньев. Траектории движения определяются исходя из конкретных требований, предъявляемых технологией перемещения грузов. Они задаются с помощью нескольких точек на плоскости, число которых выбирается с учетом ограничений и приемлемой погрешности интерполяции в промежутках между узлами.

Координаты спредера рассчитываются по формулам (16).

Для угла а! с текущими координатами (лу>) можно записать

'Я2-!*-¿Г

ОТ] = агЩ— + агссоъ х

ах = ат&%— - агссоз

2 V*

ч

21, Я

, при а2 < 0,

, при а2 ^ 0.

При задании траектории манипулятора в виде непрерывной аналитической функции у=/{х) для ее реализации находятся зависимости «1(лу) и аг(х,у).

Построение кубических сплайнов связано с введением переменной С на интервале £ * £ для которой характерно соблюдение условия размещения N узлов интерполяции. При управлении манипулятором в координатах (ду) строятся сплайны для двух экспериментально полученных множеств точек: дс,■=;/}(/,•) и уг/Л^д-

Построение сплайнов производится на равномерной сетке, которая в среде МаНАВ образуется с помощью функции "Ишрасе".

Расчеты по разработанной программе выполнены при следующих исходных данных: 11=4.0 м; 12=3.0 м; (*0,.уо)=(6.5,О); (зд)=(0,6.5). Число интерполяционных узлов п выбрано равным 3. Число узлов передвижения спредера по прямой л=43, с учетом левой и правой границ - 45. Для обеспечения программного движения спредера по заданной траектории введено время Определен временной интервал 0 <(< 2с. Построение положения звеньев выполнено с помощью двух матриц - X и У, содержащих координаты шарнирного соединения и спредера в каждом интерполяционном узле.

На рис. 5 изображены траектории движения «руки» манипулятора по

Рис. 5. Траектория манипулятора, «рука» которого движется по прямой из положения "1" в положение "45"

В главе рассматривается задача параметрической оптимизации погрузочной машины с ползунково-кривошипным механизмом, широко

применяемым в конструкциях портовых машин, а также машин с подъемом кузова, в системах приводов ворот шлюзов и др. Основным и самым дорогим элементом механизма является силовой цилиндр, обеспечивающий возвратно-поступательные движения. Проектирование цилиндра включает процедуру выбора оптимальных геометрических параметров, обеспечивающих надежную работу механизма при любом положении его частей. Под режимом высокой надежности имеются ввиду такие значения параметров, при которых минимизируется максимальное усилие в цилиндре во всем диапазоне перемещений механизма.

На рис. 6 приведена кинематическая схема механизма с введенными обозначениями размеров и углов расположения элементов конструкции.

Задача оптимизации заключается в минимизации максимального (пикового усилия) Т в заданном диапазоне значений угла <рт\п<<р <<ртг% . Решение производится путем вариации параметров и использования численной процедуры нахождения минимаксного результата.

Вариациям подлежат независимые геометрические базовые величины а, Ь и угол наклона гидроцилиндра /? относительно базового звена а, приведенные на рис. 6.

Сначала составляются уравнения, устанавливающие зависимость усилия в рабочем цилиндре от варьируемых параметров. Вводится соотношение

-$1=-(аг+Ь1)+гаЬсоа{рг<р), (18)

которое с использованием коэффициентов К\=2аЬ, К2=аг+Ь2 принимает вид

Усилие Т в гидроцилиндре, направленное вдоль линии 5, находится из условия равновесия моментов относительно корня стрелы

Т = , (19)

где Р - вес поднимаемого груза;

Ь - длина стрелы;

А - плечо силы Т относительно корня стрелы.

Вес поднимаемого груза Р и длина стрелы Ь являются заданными величинами.

Величина Л в результате геометрических преобразований представляется в виде

аЬ-МР + 9)

п = . ' . (20)

д/в2 + б2 - ЪаЬ ■ со&{/} + <р)

На основании (18), (19) и (20) рассчитывается усилие в цилиндре: Кхат(р + <р)

Затем определяются граничные значения параметров 51 и <р и рассчитываются К/ и К2 как функции переменной Д

С2 — £ _ _ ______^тах "/яи»

(22)

1 С0${Р + <рЫп ) - + <ртах)'

К2 = ^тах + + <Ртах )■

Согласно (21), усилие Г является функцией варьируемой переменной р в заданном диапазоне изменения угла <р, т.е. Т(р,<р) = /(р,<р), а для

фиксированных Р - только угла поворота <р.

Наконец, из установленных значений К} и К2 системы (22) определяются геометрические параметры

2 о

Теперь, варьируя угол <р в заданных пределах, мы можем найти с помощью оператора максимизации среды Ма1ЬЛВ пиковое усилие Г. Операция выполняется для всех значений Д,|„ й р ^ . В результате формируется матрица Г(^)т„ = /{а,Ь,р,<р) и с помощью функции минимизации выбирается наименьшее из всех максимальных Т значение с соответствующими конструктивными параметрами. В работе представлено программное обеспечение для решения данной минимаксной задачи.

На рис. 7 представлена зависимость максимального усилия Т в цилиндре от угла Д

Рзгамйс ор1№аЙж

- 73 — "30

„ , , _______. - «аЗ ' »

Рис. 7. Зависимость максимального усилия в цилиндре от угла р

Расчет произведен при весе поднимаемого груза Р=1200, длине стрелы £=2.8 м, минимальном размере гидроцилиндра 1.0 м (^=-20") и максимальном размере гидроцилиндра 5„ик=1.8 м (р=80°).

Из графика видно, что минимум максимального усилия Тт1„ „а^Рпип теи)=5043.6, при оптимальном угле наклона цилиндра рор{=ЫАа с конструктивными параметрами а=0.69 м и ¿=1.33 м.

Решенные задачи имеют исключительно важное прикладное значение, поскольку без изменения конструкций появляется возможность с помощью процедур параметрической оптимизации уменьшить нагрузки на наиболее дорогостоящие детали и увеличить время эксплуатации портовых машин.

В третьей главе рассматриваются и решаются задачи по моделированию и оптимизации технологии обработки судна в порту.

В общем балансе рабочего времени непосредственно от принятой технологии перегрузочных работ зависит время обслуживания рабочего места и подготовительно-заключительных операций. Наиболее продолжительными из подготовительно-заключительных операций обычно бывают работы по зачистке судна от остатков груза, нередко требующие затрат времени, соизмеримых с затратами на основные перегрузочные работы.

Продолжительность стоянки судна под грузовой обработкой определяется зависимостью

_С/

(гр - Е 77" + 'м + 'игр + 'отд » (23)

1=1 "I

где п - общее число этапов, на которые подразделяется перегрузочный процесс;

- количество груза, перегружаемое на / -м этапе с постоянной суммарной производительностью Щ *п-з " время подготовительно-заключительных работ; 1пер^отд~ время технологических перерывов и отдыха рабочих.

Пропускная способность причала по загрузке и разгрузке судна характеризуется количеством обрабатываемых судов средней грузоподъемности или количеством груза, перегружаемого в единицу времени, а интенсивность обработки - средней нормой грузовой обработки Аопределяемой по формуле

= (24)

где <7 - количество груза в судне; ¡гр - полное время грузовой обработки судна, определяемое формулой (23).

Средние значения объемов грузовой обработки Л^

устанавливаются как средневзвешенные значения по отдельным вариантам работы.

Развитие причального фронта, т. е. увеличение числа причалов п и их пропускной способности 1/^, экономически целесообразно при

условии минимизации общих приведенных затрат

Е = Бп+8фп^тт, (25)

где Бп и - приведенные расходы на содержание неработающих причалов и флота на стоянке.

Сокращение стоянки судов под грузовыми операциями может быть достигнуто за счет проведения комплекса организационно-технических мероприятий и интенсификации погрузо-разгрузочных работ.

В главе рассматривается задача составления оптимального расписания обработки судна в такой последовательности, при которой минимизируется суммарное время нахождения судна у причальной стенки. Прибывшее судно имеет N трюмов с различной грузовместимостью

Ст1 = С'т1 + Ст1 > (26)

где Ст1 - количество груза, выгружаемого основными техническими средствами из /-го трюма;

Ст1 - количество груза, выгружаемого зачистными техническими средствами из /-го трюма.

Обработка судна осуществляется двумя бригадами: первая бригада выполняет операцию основной выгрузки с производительностью грузовых работ Пи, а вторая - зачистку трюмов с производительностью грузовых работ Пц.

Для выгрузки 1-го трюма необходимо время

и, (27)

а для его зачистки

Т1=С"т,/П21. (28)

Операция зачистки 1-го трюма выполняется только после завершения выгрузки. Поэтому в начальный момент вторая бригада простаивает. Простои второй бригады зависят от выбранной очередности обработки трюмов, осуществляемой первой бригадой. Время обработки судна изменяется в зависимости от выбранной перестановки.

Если XI - время простоя второй бригады перед тем, как будет завершена работа первой бригады по выгрузке /-го трюма, то для минимизации простоев второй бригады находится минимум из всех максимальных значений, определенных рекуррентными соотношениями:

IV

х*, =тахКп,

/=1 1<,П<;лг . . .

где „ „-, > <29)

/=1 1=1

Для реализации (29) разработан алгоритм и программные средства в среде МаЛАВ.

В разделе имитационного моделирования технологических процессов в порту рассматривается задача работы порта с одним причалом.

Приняв допущение, что порт с одним причалом, предназначенным для выполнения грузовых операций, представляет собой однолинейную систему массового обслуживания. Выполнено моделирование технологического процесса. В результате моделирования работы причала определена доля времени простоя оборудования грузового района, вследствие отсутствия судов под погрузкой; время ожидания судов в очереди начала грузовых операций; среднее время, которое судно находится в порту. Задача решена для технологического процесса, когда промежутки времени между последовательными прибытиями судов распределяются равномерно в интервале [а1,Ы]. Время, необходимое для обслуживания каждого судна, распределяется также равномерно в интервале [а2,Ь2]. Для моделирования системы проведен машинный эксперимент, отражающий условия работы погрузочного комплекса порта. Имитация вектора х1, содержащего время после прибытия в порт предыдущего судна, выполняется с помощью функции

«rand» в среде MatLAB, предназначенной для генерирования случайных чисел с равномерным распределением в интервале [0,1].

В терминах среды MatLAB вектор xl формируется следующим образом:

х1 = [0х_1/, (30)

где х_1 - вектор-строка для (N-1) чисел, N - число судов, последовательно прибывающих в порт.

xj = 0.1 ■ floor(((M - al) ■ rand(l,N -1) + al) ■ 10). (31)

Вектор случайных чисел, элементы которого генерируют время грузовой обработки каждого судна (i=l,2,...,N), задается аналогично:

х2 = /0 х_2]. (32)

После формирования векторов xl и х2 получаются временные ряды, представляющие собой промежутки времени между последовательными прибытиями судов в порт и соответствующие им времена обслуживания.

Текущее модельное время ti в моменты прибытия судов определяется кумулятивной суммой элементов xl

ti = cumsumfxl). (33)

Вычисляется момент окончания загрузки первого судна как сумма первого элемента tl(l) и первого элемента вектора х2

t3(l) = tl(l) + x2(l). (34)

Формируется вектор t2, содержащий элементы, соответствующие моментам начала процесса обслуживания судов с соответствующими индексами. t2(l)=0 означает, что первое судно всегда загружается в момент прибытия. Второе судно ставится под погрузку при 11(2)¿13(1), т.е. если завершено обслуживание первого судна. Если ti(2) <13(1), то второе судно должно ожидать завершения грузовых операций по первому судну. Тогда

t2(2) = t3(l), 1

t3(2) = t2(2) + x2(2).\ 4 '

Аналогично решается задача по формированию других элементов векторов t2 - моментов начала обслуживания и t3 - окончания обслуживания i-ro судна.

Для имитационного моделирования составлена программа в среде MatLAB. Логические операции в ней по соотношениям (30)^(35) реализуются с помощью операторов if, else, end. В результате расчетов выводятся на печать значения: ti - время прибытия судов; t2 - время начала обслуживания судов; t3 - время конца обслуживания судов.

Кроме использования равномерного распределения, для генерирования векторов xl и х2, в файле могут быть использованы другие распределения, а также решаться детерминированные задачи.

В четвертой главе рассматриваются вопросы совершенствования организации и управления технологическими процессами в порту, анализируются основные критерии эффективности.

В качестве критериев принимаются: объемные показатели (грузооборот V, судо(вагоно)оборот /V, объем перегрузочных работ У$); ресурсы порта, затрата времени, экономические показатели, показатели интенсивности производственного процесса.

Технический и технологический уровень производства определяются качеством и эффективностью технологии обслуживания транспорта и груза в порту, широким спектром оказываемых услуг.

Уровень управления оценивается степенью механизации и автоматизации производственных процессов. К укрупненным показателям этой группы относятся: уровень механизации перегрузочных работ, автоматизации технических комплексов; технологические, информационные и управленческие решения, кардинально изменяющие процессы автоматизации производства.

Порт оказывает множество услуг при обслуживании разнородных транспортных средств и перегрузке грузов. В этих условиях целевой функцией векторных аргументов следует считать скалярную функцию, представленную в терминах финансового состояния порта как предприятия. Распространенными являются два способа построения такой функции - в виде взвешенной суммы и в виде взвешенного произведения отдельных показателей в денежном выражении. Каждый показатель входит в результирующий со своим весом, характеризующим его значимость.

Кх = £Ркхк = А* 1 + - + Рпхп = Ркхк /

* „ „ (36)

Кх - х[' ...Хрп", к = 1, п.

к

Здесь Кх - обобщенный показатель эффективности работы порта;

хк - частные показатели с весами рк.

Обобщенный критерий эффективности работы может представляется в виде взвешенной показательной функции

К* = П9Хкк = Чх -Чп , к = (37)

к

где <7* - весовой показатель.

Проведенные исследования показывают, что процесс управления работой порта по изложенным критериям является исключительно важной комплексной проблемой, решение которой практически невозможно формализовать, либо аналитически описать системой уравнений в замкнутой форме. Причина состоит в специфике технологии работы

портов и большом разнообразии моделей, которые требуется применять при попытке анализа процессов «по частям».

При совершенствовании организации управления работой порта приходится иметь дело с задачами «балансировки», являющимися смежными с проблемой упорядочения. Например, при управлении контейнерными терминалами требуется решать целую группу задач упорядочения для обеспечения высокой производительности, минимизации времени нахождения каждого контейнера в порту. Это достигается за счет «балансировки» процессов погрузки и выгрузки контейнеров с процессами их ввоза и вывоза, временного размещения на складских площадках контейнерного терминала, при соответствующем информационном обеспечении составления расписания работы портового перегрузочного оборудования и транспортных средств порта, клиентуры.

Особо актуальным классом задач в настоящее время становятся задачи замен. Модели замен основываются на прогнозах затрат, связанных с обновлением оборудования и получением наиболее приемлемой стратегии замен.

Для реализации процедур замены портового оборудования разработан алгоритм оптимизации разовых выплат по взятым кредитным обязательствам, производимых с учетом получаемых доходов в порту и имеющимися финансовыми возможностями совета директоров. При этом сумма разовых выплат не может быть меньше текущего процента по кредитному соглашению и больше суммы дохода, получаемого портом за определенный период в результате использования приобретенных по кредиту обновленных технических средств. Алгоритм основан на процедуре оптимизации дискретной динамической системы с квадратичным критерием качества, эквивалентным «энергетическим потерям» на управления, которые минимизируются посредством вектора ежемесячных выплат.

В основе построения алгоритма лежит модель дискретной системы (рис. 8)

+

А

Рис. 8. Модель дискретной системы х(к +1)=Ах(к)+ Ви{к), к = 0,1,..., N, (38)

которой необходимо управлять при заданных значениях х(о) и -*(ЛГ), где дс(о) - вектор начального состояния, л:(Лг) - вектор переменных состояния на /У-ом шаге решения.

Для полностью управляемой и наблюдаемой системы (36) можно установить однозначную связь между начальным и конечным состояниями с помощью формулы

*(Л0 = А" • *(0)+2) ■ [и(о) и(1) ... и^ -1)/, (39)

где

0 = В А*2 В...А-В в\ - прямоугольная матрица полного ранга. Отличительная особенность (37) состоит в том, что для системы с одним входом может быть найдена оценка вектора управления

и = [и(0) и(1) ... н(уУ-1)]. (40)

Если Л^и, где (ихи) - размерность матрицы состояния, то 2> является квадратной матрицей и, следовательно, путем ее инверсии, согласно принципу Заде, может быть получен вектор V, обеспечивающий максимальное быстродействие или минимальное время перехода из заданного начального в принятое конечное состояние.

С учетом (38)-(40), оценка и может быть получена с помощью квадратичных методов оптимизации.

Если оценить 1Т с помощью формулы

и = 2)')"1 ■ I> ■ 1*(Л0-Л" ■ *(0)], (41)

то (41) обеспечит минимизацию критерия качества

•Г = \и>-иЛ^иЩ, (42)

1 1 1=1

что соответствует минимальным энергетическим затратам на управление.

В работе предложена программа, составленная в среде Ма£ЬАВ, позволяющая обоснованно и объективно устанавливать разовые ежемесячные выплаты и изменения суммарных выплат при каждой процентной ставке. Расчеты производятся в соответствии с зависимостями (39), (41), (42). В качестве примера приведен расчет инвестиционной модели замены оборудования в порту на сумму 18 ООО ООО долларов СШЛ, с временем выплаты 5 лет и 10 месяцев, при процентных ставках годовых: 5%, 6%, 7%, 8% и 9%. Рис. 9 показывает, что оптимальный режим характеризуется изменениями от шага к шагу размера ежемесячных платежей за счет чего достигается снижение объема выплат в оптимальном режиме.

Рис.14. Уменьшение объема выплат в зависимости от годовой ставки процента при оптимальном управлении

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Выполненные диссертационные исследования содержат результаты решения научно-технических задач автоматизации и оптимизации технологических процессов в портах и технологических режимов портовых перегрузочных машин.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана вычислительная процедура количественной оценки технологических и логистических процессов в порту с помощью производственных моделей, учитывающих специфику работы порта как транспортного узла. Применительно к предложенной математической модели, определяющей направления материальных и информационных потоков в системе управления портом, предложены процедуры оптимизации, базирующиеся на методах исследования операций. Наряду с линейным программированием, рассмотрены особенности использования динамического программирования, составления рекуррентных соотношений в многошаговых процессах распределения.

2. Для анализа процессов обслуживания транспортных средств в порту предложена математическая модель, позволяющая оценить основные технологические показатели: интенсивность грузовой обработки судна, коэффициент использования причала и время его работы и др. Установлены условия устойчивости работы причального фронта и резервы нагрузки на причал. Введено понятие ритма работы элементов

причального фронта, позволяющее оценить технологию возникновения очереди судов в ожидании начала грузовых операций. Составлена модель массового обслуживания судов в порту, рассмотрен стационарный режим обмена потоками в к-ом состоянии этой модели.

3. Предложена математическая модель и программное обеспечение процедуры оптимизации параметров двухзвенного манипулятора, исходя из условий прохождения траектории движения «руки» через систему точек и наилучшего приближения к заданному закону изменения положения «руки» в функции угла поворота первого звена. Показано, что при наличии трех точек на плоскости решение может быть получено точно; в других случаях - процедура оптимизации может обеспечить наименьшую суммарную квадратичную ошибку. Для повышения точности расчетов создано программное обеспечение, основанное на использовании нелинейного метода наименьших квадратов и, в частности, функции ЬцсигуеШ среды Ма&АВ.

4. Разработана модель и программа для решения задачи позиционирования робота-манипулятора с помощью двух двигателей, расположенных в базовом узле и узле сочленения звеньев. Вычислительный алгоритм обеспечивает нахождение текущих значений двух углов поворота звеньев механизма для управления приводными двигателями с обратной связью. Решение нелинейной задачи выполнено в пакете символьной математики с последующим переходом к получению численных результатов и графическим построением векторов управления как функций текущих координат управляемого объекта.

5. Предложено математическое и программное обеспечение для управления манипулятором, основанное на использовании сплайн-аппроксимаций. Применение сплайнов, точно проходящих через заданные точки как узлы интерполяции, позволило получить управление с введением ограничений на ускорения робота-манипулятора на отдельных участках траектории в процессе перемещения груза.

6. Разработано математическое и программное обеспечение для решения минимаксной задачи оценки параметров портовой погрузочной машины с ползунково-кривошипным механизмом. В результате параметрической оптимизации получено минимальное пиковое (максимальное) давление рабочей жидкости в силовом цилиндре, совершающем возвратно-поступательные движения механизма. Силовой цилиндр является самой дорогостоящей дегалью погрузочной машины, и снижение пикового давления способствует повышению надежности и увеличению срока службы механизма.

7. Составлена математическая модель и алгоритм оптимального расписания обработки судна в порту. Критерий оптимальности - минимум времени стоянки судна под обработкой при условии выгрузки грузов из трюмов различной вместимости. Процесс выгрузки - непрерывный,

осуществляемый первой бригадой; процесс зачистки трюмов реализуется второй бригадой, приступающей к работе в соответствующем трюме после завершения работы первой бригады. Сокращение сроков стоянки судна в порту достигается путем составления расписания последовательности обработки трюмов, при котором суммарное время простоев второй бригады в ожидании выполнения всех работ по зачистке трюмов будет минимальным.

8. Составлена имитационная модель работы причала с одним местом швартовки, что характерно для специализированных портов, оборудованных под погрузку гравийно-песчаных смесей и других сыпучих материалов. Примером такого порта является специализированный причал в п.Важины на р.Свирь с лотковым способом подачи смеси в трюмы судов. Имитационная модель реализуется с помощью программного обеспечения, которое позволяет моделировать процессы как при фиксированных параметрах потока требований, так и в других ситуациях, определяющих время и порядок прибытия судов под погрузку, а также порядок и производительность конвейерной линии, по которой подается гравийно-песчаная смесь в трюмы судна. Модель может использоваться для анализа технологического процесса в реальном масштабе времени, если вместо «стохастического процесса» на вход будет подаваться информация о реально протекающих событиях.

9. Разработаны машинные программы для совершенствования организации и управления звеньями технологической системы в составе комплекса со сложной структурой. Создана модель инвестиций при замене оборудования и перегрузочных машин в порту. Модель основана на использовании «с!еа<1-Ьеа1» управления в дискретных системах. Процесс ежемесячных платежей по процентам приведен к дискретной динамической модели, которая позволила определить связь между объемом инвестиций, продолжительностью выплат по займу (в месяцах), годовой процентной ставкой и объемом ежемесячных платежей, обеспечивающих полный объем выплат (с нулевым остатком) по окончании срока действия займа по договору. В отличие от постоянных ежемесячных платежей, использование процедуры оптимизации по критерию «минимума эвклидовой нормы» вектора ежемесячных платежей (эквивалент энергетического критерия оптимальности) позволило получить «мягкую» систему выплат инвестору при снижении общей суммы на момент завершения договора (в сравнении с другими сценариями финансирования). Например, при объеме инвестиций, равном 18 млн.долл.США, продолжительности действия договора п=70 мес. (5 лет, 10 мес.) и годовой ставке 5% размер суммарных выплат при оптимальном управлении уменьшается на 145505.92 долл., а при процентной ставке 9% - на 514774.8 долл., что составляет 2.86% от суммы инвестиций.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Андрианов В.Е., Сахаров В.В. Оптимизация параметров ползунково-кривошипного механизма погрузочной машины. СПб.: СПГУВК, Межвузовский сборник научных трудов, вып.З, 2002, с.139-144.

2. Андрианов В.Е., Иванов E.H., Севрюков A.C. Применение сплайнов для управления двухзвенным манипулятором. «Информационные технологии на транспорте»: Сборник научных трудов / Под ред. Ю.М.Кулибанова. - СПб.: СПГУВК, 2003, с.23-30.

3. Андрианов В.Е., Куликов H.A., Ставинский А.Е. О позиционировании робота-манипулятора. СПб.: СПГУВК, Труды международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта», том.4, 2003, с.234-237.

4. Андрианов В.Е., Лутков С.А.. Применение метода наименьших квадратов для выбора геометрических параметров двухзвенного манипулятора. «Математическое и информационное обеспечение автоматизированных систем». СПб.: СПГУВК, Сборник научных трудов, вып. 12,2004, с. 1-6.

5. Андрианов В.Е., Куликов H.A., Лутков С.А. Программная поддержка системы оптимального управления осцилятором. СПб.: СПГУВК, Труды научно-практической конференции студентов и аспирантов, 2003, с.175-180.

6. Андрианов В.Е., Ставинский А.Г. Алгоритм оптимального расписания обработки судна в порту. «Методы прикладной математики в транспортных системах». СПб.: СПГУВК, Сборник научных трудов, вып.7,2002, с.3-6.

7. Андрианов В.Б. Имитационное моделирование работы порта с одним причалом. «Прикладная математика». Сборник научных трудов СПГУВК / Под ред. Ю.М. Кулибанова. - СПб.: Судостроение, 2004, с.3-10.

Подписано в печать 07.09.05. Сдано в производство 07.09.05.

Лицензия № 000283 от 19.10.98. Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. 1,46. Уч.-изд.л. 1,76. Тираж 60 экз. Заказ № 317

Отпечатано в ИПЦ Ф ГОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

РНБ Русский фонд

2006-4 14836

Ввсдсппе.

Глава 1. Системный анализ процессов управления технологическими средствами порта

1.1. Анализ способов совершенствования технологических режимов портовых перегрузочных машин на базе информационных технологий.

1.2. Количественный анализ технологических и логистических процессов в порту на основе производственных моделей.

1.3. Модели оптимизации технологических режимов работы портовых перегрузочных машин.

1.4. Пути и способы совершенствования технологических процессов в порту.

1.5. Выводы по главе 1.

Глава 2. Математические модели типовых технических средств портовой техники.

2.1. Математическая модель робота-манипулятора с двумя степенями свободы.

2.2. Позиционирование робота - манипулятора перегрузочных машин на основе информационных технологий.

2.3. Реализация аналитических методов совершенствования конструкций и процессов управления портовых перегрузочных машин

2.4. Математическая модель портовой погрузочной машины с ползунково-кривошнпным механизмом.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Моделирование процессов планировании и технологии Щ' обработки судна в порту

3.1. Особенности организации обработки судна в порту.

3.2. Оценка продолжительности стоянки судна под грузовой обработкой.

3.3. Алгоритмическое и программное обеспечение планирования расписания обработки судна в порту.

3.4. Имитационное моделирование технологических процессов в порту.

3.5. Выводы по главе

Глава 4. Совершенствование организации п управлении технологическими процессами в порту

4.1. Транспортный узел (порт) - единый технологический процесс.

4.2. Критерии качества и эффективности производственных процессов в порту.

4.3. Обобщенные показатели эффективности производственных процессов.

4.4. Особенности инвестиций при замене оборудования в порту.

4.5. Выводы по главе 4.

Анализ процессов управления портовыми перегрузочными машинами и задачи исследований

Развитие технической базы портов и повышение уровня их эксплуатации открывают перспективы весьма значительного снижения транспортных издержек.

Время пребывания судна в портах под загрузкой, разгрузкой, техническим обслуживанием и в ожидании этих операций составляет до 50-60% времени его оборота, а доля стоимости портовых работ в общей себестоимости перевозок грузов достигает 40-50%.

Роль порта в транспортном процессе определяется основными видами выполняемых работ:

• перевалка грузов с одного вида транспорта на другой; в соответствии с планом перевозок;

• обеспечение заданного грузооборота по отправлению грузов;

• загрузка, разгрузка судов;

• организация движения в границах порта, комплексное обслуживание флота и подвижного состава сухопутного транспорта с обеспечением выполнения графиков движения судов и вагонов:

• хранение и в необходимых случаях сортировка и комплектация грузов;

• обслуживание пассажиров;

• организация местных перевозок грузов и пассажиров флотом, принадлежащим порту;

• транспортно - экспедиционная и коммерческая работа;

• обслуживание клиентуры водного транспорта и организация перегрузочных работ средствами порта на причалах промышленных предприятий;

• добыча из подводных карьеров, перевозка, сортировка и перегрузка минерально-строительных грузов;

• вспомогательные операции, обеспечивающие нормальную эксплуатацию порта и флота (ремонт технических средств, энергоснабжение, материально - техническое снабжение, хозяйственное и культурное обслуживание и т.п.).

Организация этих работ в порту опирается в первую очередь на комплексную механизацию и автоматизацию производства, быстрое развитие и внедрение новой техники. Развитие средств комплексной механизации и автоматизации, позволяя резко снизить потребность в рабочей силе, повышает в*месте с те*м требования к квалификации рабочих, построению технологического процесса работы порта и развитию методов управления им на базе современных информационных технологий.

Для транспорта и, в частности, для портов имеет первостепенное значение организация их работы в оптимальных режимах, обеспечивающих существенное ускорение обработки судов и вагонов, общее снижение себестоимости перевозок, а также создание необходимых условий и осуществление перехода на автоматизированные системы управления в условиях непрерывного планирования.

В этой связи вопросы построения и совершенствования технологии работы порта в целом, его отдельных подразделений, технологических линий и перегрузочных комплексов на современной информационной базе приобретают исключительно важное народнохозяйственное значение. Именно на новых информационных технологиях и компьютерных системах высокой производительности возможно кардинально изменить перегрузочный процесс и организацию движения грузов в границах порта и за его пределами, существенно повысить уровень обслуживания и предоставления транспортных услуг. Наиболее важным этапом автоматизации режимов работы перегрузочных машин и технологических линий, терминалов, а также отдельных производственных процессов является их оптимизация. Оптимизационные технологии позволяют решать проблемы управления на качественно новом уровне. Вместе с тем, они являются исключительно наукоемкими и требуют для практической реализации применения, в основном, численных методов оптимизации.

В связи с вышеизложенным, диссертация посвящена исследованиям, направленным на создание математического и программного обеспечения процессов оптимизации параметров и технологии работы портовых перегрузочных машин, которые составляют фундамент развития и совершенствования автоматизированных систем портов и других предприятий водного транспорта, независимо от форм собственности.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели и вычислительной процедуры для количественной оценки технологических и логистических процессов в порту с помощью производственных моделей, учитывающих специфику производственных грузовых операций и номенклатуру грузов.

2. Создание математического и программного обеспечения для анализа процессов обслуживания транспортных средств в порту, определение и идентификация основных технологических показателей: интенсивности грузовой обработки судов, коэффициента использования причала и элементов причального фронта, ритмичности работы, показателей стационарного режима работы и устойчивости технологического процесса.

3. Разработка математических моделей и программного обеспечения процессов оптимизации параметров и выбора конструктивных элементов портовых перегрузочных машин:

- двухзвенного робота-манипулятора;

- решения задачи позиционирования манипулятора с помощью двух двигателей, расположенных в базовом узле и узле сочленения звеньев; для управления манипулятором по заданным узлам интерполяции (точек интерполяции) на основе сплайнов; оптимальная сборка узлов машин, обеспечивающая минимальную стоимость.

4. Математическое и программное обеспечение для решения минимальной задачи параметрической оптимизации режимов работы портовых машин. Цель исследований - минимизация пикового (максимального) давления в силовом цилиндре ползунково-кривошипного механизма портовой погрузочной машины, что обеспечивает повышение надежности и увеличивает сроки эксплуатации наиболее дорогостоящих элементов конструкций.

5. Для совершенствования процесса обработки судов у причала -разработка алгоритма и информационная поддержка оптимального составления расписания (критерий - минимальное время стоянки судна у причала под обработкой).

6. Имитационная модель и программное обеспечение моделирования работы причала специализированного порта (на примере п. Важины, р. Свирь; транспортируемый груз - гравийно-песчаная смесь для строительных организаций С.-Петербурга). Получение рабочих характеристик порта, как системы массового обслуживания в реальном масштабе времени.

7. Математическая модель совершенствования организации и управления звеньями технологической системы в составе комплекса порта со сложной структурой.

8. Алгоритмическое и программное обеспечение оптимизации финансовых операций на этапе заключения и выполнения договорных обязательств по инвестированию процесса замены оборудования и портовой подъемно-транспортной техники; получение сценариев периодических выплат по процентам, с учетом интересов инвесторов.

Методы исследовании. Исследования проводятся на основе теории автоматического управления, численных методов оптимизации, структурной и параметрической идентификации, общей теории систем и системного анализа. В работе используются методы и модели исследования операций: модели распределения ресурсов и их методы решения, модели массового обслуживания (очередей и упорядочения), модели замен, управления операционными процессами. Вопросы параметрической оптимизации решаются на основе теории конструкций механизмов и деталей подъемно-транспортных машин, методов алгоритмизации и программирования, а также на основе использования методов организации и проведения машинного эксперимента.

Научная новизна результатов:

1. Математическое и программное обеспечение процедур количественной оценки технологических и логистических процессов в порту па основе производственных моделей.

2. Математическое, информационное и программное обеспечение процессов параметрической оптимизации и выборе конструктивных решений в классе инверсных задач в приложении к двухзвенным роботам-манипуляторам, их позиционированию и управлению по заданным траекториям с помощью сплайн-аппроксимаций.

3. Алгоритмы и программы для численного решения минимальной задачи параметрической оптимизации величины давления в силовом цилиндре ползунково-кривошипного механизма портовых погрузочных машин и других конструкций.

4. Алгоритмическое и программное обеспечение процесса составления расписания, обеспечивающего минимальное время стоянки судна под выгрузкой у причальной стенки порта.

5. Алгоритм и программное обеспечение имитационной модели транспортного процесса в порту Важины (р.Свирь) при погрузке в суда гравийно-песчаной смеси, а также процедура использования модели в реальном масштабе времени для оценки показателей работы порта.

6. Алгоритмическое и программное обеспечение инвестиционного процесса замены оборудования и портовой подъемно-транспортной техники, позволившее на основе теории оптимального управления получить вектор периодических выплат по процентам, обеспечивающий существенное сокращение общего объема выплат к концу периода завершения действия договора.

Практическая значимость исследований состоит в создании математического и программного обеспечения процессов параметрической оптимизации портовых перегрузочных машин и их элементов, развитии численных методов автоматизации технологических процессов в портах. Практическая значимость работы определяется новыми техническими решениями и алгоритмами реализации траекторных процессов манипуляторов, параметрической оптимизацией режимов работы портовых машин, содержащих ползунково-кривошипные конструкции с силовым цилиндром. Безусловно, к значимым с позиций практики следует отнести алгоритм и программу для решения задачи имитационного моделирования технологии работы порта со специализированным причалом, оборудованным для загрузки судов песчано-гравийной смесыо (другими сыпучими материалами). Модель применима, в частности, в порту Важины (р.Свирь) - основному поставщику гравия для строительных организаций Санкт-Петербурга. Большое прикладное значение имеет алгоритм оптимизации инвестиционных процессов при строительстве портов и замене оборудования, а также программное обеспечение для выбора сценариев инвестиций при составлении договора между портом и инвестором.

Апробацпя работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на Международной научно-практической конференции, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга «Безопасность водного транспорта», 10-11 сентября 2003 года, г.С.-Петербург, секция №7; на научно-технической конференции молодых научных работников, посвященной 195-летию транспортного образования в России, С.Петербург, СПГУВК,2004г., а также на постоянно действующих семинарах кафедр Автоматики, Вычислительных систем и информатики факультета Информационных технологий, а также на кафедрах факультета Портовой техники и электромеханики СПГУВК.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, перечень которых приведен в библиографическом списке, помещенном в конце диссертации.

Основные результаты работы

Выполненные диссертационные исследования содержат результаты решения научно-технических задач автоматизации и оптимизации технологических процессов в портах и технологических режимов портовых перегрузочных машин. Порт является транспортным узлом со сложной структурой взаимодействия всей совокупности подъемно-транспортных машин, применяемых для грузообработкн судов, вагонов и транспортных операций с грузами на территории порта, с учетом специфики. Высокий уровень пропускной способности портов может быть обеспечен только при наличии автоматизированных систем, построенных на новых информационных технологиях, позволяющих кардинально совершенствовать процессы организации и управления на организационном и технологическом уровнях. В новых условиях хозяйствования, когда по форме собственности порты могут представлять собой не только государственные, но и муниципальные, частные предприятия, акционерные общества и др., существенно усложняются задачи финансовых и договорных отношений, материально-технического снабжения, взаимодействия водного с другими видами транспорта, взаимоотношений портов с судовладельцами при решении вопросов обработки флота и предоставлении услуг по комплексному обслуживанию судов и т.д. Рыночные отношения превратились в жесткую систему, устанавливающую условия конкурентоспособности отечественных портов в общей системе транспортного процесса. В условиях дефицита финансовых и материальных средств наиболее эффективным путем повышения эффективности и качества работы порта следует считать совершенствование информационной системы, использование новых информационных технологий для оптимизации организационных и технологических процессов, повышения производительности портовых ^ перегрузочных машин. В этой связи в диссертации исследованы вопросы оптимизации параметров и технологических режимов работы портовых перегрузочных машин, разработано математическое и программное обеспечение для практической реализации новых совершенных технологий.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана вычислительная процедура количественной оценки технологических и логистических процессов в порту с помощью производственных моделей, учитывающих специфику работы порта как транспортного узла. Применительно к предложенной математической модели, определяющей направления материальных и информационных потоков в системе управления портом, предложены процедуры оптимизации, базирующиеся на методах исследования операций. Наряду с линейным программированием, рассмотрены особенности использования динамического программирования, составления рекуррентных соотношений в многошаговых процессах распределения.

2. Для анализа процессов обслуживания транспортных средств в порту предложена математическая модель, позволяющая оценить основные технологические показатели: интенсивность грузовой обработки судна, коэффициент использования причала и время его работы и др. Установлены условия устойчивости работы причального фронта и резервы нагрузки на причал. Введено понятие ритма работы элементов причального фронта, позволяющее оценить технологию возникновения очереди судов в ожидании начала грузовых операций. Составлена модель массового обслуживания судов в порту, рассмотрен стационарный режим обмена потоками в А:-ом состоянии этой модели.

3. Предложена математическая модель и программное обеспечение ^ процедуры оптимизации параметров двухзвенного манипулятора, исходя из условий прохождения траектории движения «руки» через систему точек и наилучшего приближения к заданному закону изменения положения «руки» в функции угла поворота первого звена. Показано, что при наличии трех точек на плоскости решение может быть получено точно; в других случаях - процедура оптимизации может обеспечить наименьшую суммарную квадратичную ошибку. Для повышения точности расчетов создано программное обеспечение, основанное на использовании нелинейного метода наименьших квадратов и, в частности, функции lsqcurvefit среды MatLAB.

4. Разработана модель и программа для решения задачи позиционирования спредера робота-манипулятора с помощью двух двигателей, расположенных в базовом узле и узле сочленения звеньев. Вычислительный алгоритм обеспечивает нахождение текущих значений

4} двух углов поворота звеньев механизма для управления приводными двигателями с обратной связью. Решение нелинейной задачи выполнено в пакете символьной математики с последующим переходом к получению численных результатов и графическим построением векторов управления как функций текущих координат спредера.

5. Во многих практических случаях траектория движения задается с помощью нескольких точек на плоскости (обычно число их составляет 6-ИО), что обеспечивает значительное уменьшение времени ввода информации. В работе предложено математическое и программное обеспечение для управления манипулятором, основанное на использовании сплайн-аппроксимаций. Применение сплайнов, точно проходящих через заданные точки как узлы интерполяции, позволяет получить плавное управление с введением ограничений на ускорения спредера на отдельных участках траектории в процессе перемещения груза. Решение научно-технической задачи выполнено на основе функций spline, interpl, linspace, содержащихся в среде MatLAB. В результате получены непрерывные траектории, обладающие свойствами наименьшей кривизны и равенством первых производных слева и справа от узлов интерполяции.

6. Разработано математическое и программное обеспечение для решения минимаксной задачи оценки параметров портовой погрузочной машины с ползунково-кривошипным механизмом. В результате параметрической оптимизации получено минимальное пиковое (максимальное) давление рабочей жидкости в силовом цилиндре, совершающем возвратно-поступательные движения механизма. Силовой цилиндр является самой дорогостоящей деталью погрузочной машины, и снижение пикового давления способствует повышению надежности и увеличению срока службы механизма. Кинематическая схема механизма с силовым цилиндром, кроме портовых перегрузочных машин, используется на объектах автомобильного транспорта (автомобилях-самосвалах), на шлюзах со створчатыми воротами и других объектах, где могут быть также использованы основные выводы, положения диссертации и программное обеспечение, предназначенные для решения практических задач в данной предложенной области.

7. Составлена математическая модель и алгоритм оптимального расписания обработки судна в порту. Критерий оптимальности - минимум времени стоянки судна под обработкой при условии выгрузки грузов из трюмов различной вместимости. Процесс выгрузки - непрерывный, осуществляемый первой бригадой; процесс зачистки трюмов реализуется второй бригадой, приступающей к работе в соответствующем трюме после завершения работы первой бригады. Сокращение сроков стоянки судна в порту достигается путем составления расписания последовательности обработки трюмов, при котором суммарное время простоев второй бригады в ожидании выполнения всех работ по зачистке трюмов будет минимальным.

8. Составлена имитационная модель работы причала с одним местом швартовки, что характерно для специализированных портов, оборудованных под погрузку гравиГшо-песчаных смесей и других сыпучих материалов. Примером такого порта является специализированный причал в п.Важины на р.Свирь с лотковым способом подачи смеси в трюмы судов. Имитационная модель реализуется с помощью программного обеспечения, которое позволяет моделировать процессы как при фиксированных параметрах потока требований, так и в других ситуациях, определяющих время и порядок прибытия судов под погрузку н порядок и производительность конвейерной линии, по которой подается гравийно-песчаная смесь в трюмы судна. Модель может использоваться для анализа технологического процесса в реальном масштабе времени, если вместо «стохастического процесса» на вход будет подаваться информация о реально протекающих событиях.

9. Разработаны машинные программы для совершенствования организации и управления звеньями технологической системы в составе комплекса со сложной структурой. Создана модель инвестиций при замене оборудования и перегрузочных машин в порту. Модель основана на использовании «dead-beat» управления в дискретных системах. Процесс ежемесячных платежей по процентам приведен к дискретной динамической модели, которая позволила определить связь между объемом инвестиций, продолжительностью выплат по займу (в месяцах), годовой процентной ставкой и объемом ежемесячных платежей, обеспечивающих полный объем выплат (с нулевым остатком) по окончанию срока действия займа по договору. В отличие от постоянных ежемесячных платежей, использование процедуры оптимизации по критерию «минимума эвклидовой нормы» вектора ежемесячных платежей эквивалент энергетического критерия оптимальности) позволило получить «мягкую» систему выплат инвестору, при снижении общей суммы на момент завершения договора (в сравнении с другими сценариями финансирования). Например, при объеме инвестиций равном 18 млн.долл.США, продолжительности действия договора п=10 мес. (5 лет, 10 мес.) и годовой ставке 5% размер суммарных выплат при оптимальном управлении уменьшается на 145505.92 долл., а при процентной ставке 9% - на 514774.8 долл., что составляет 2.86% от суммы инвестиций.

Заключение

1. Андрианов В.Е., Сахаров В.В. Оптимизация параметров ползунково-кривошипного механизма погрузочной машины. СПб.: СПГУВК, Межвузовский сборник научных трудов, вып.З, 2002, с. 139-144.

2. Андрианов В.Е., Иванов Е.Н., Севрюков А.С. Применение сплайнов для управления двухзвенным манипулятором. «Информационные технологии на транспорте»: Сборник научных трудов / Под ред. Ю.М.Кулибанова. СПб.: СПГУВК, 2003, с.23-30.

3. Андрианов В.Е., Куликов Н.А., Ставинский А.Е. О позиционировании робота-манипулятора. СПб.: СПГУВК, Труды международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта», том.4, 2003, с.234-237.

4. Андрианов В.Е., Куликов Н.А., Лутков С.А. Программная поддержка системы оптимального управления осцилятором. СПб.: СПГУВК, Труды научно-практической конференции студентов и аспирантов, 2003, с.175-180.

5. Андрианов В.Е., Ставинский А.Г. Алгоритм оптимального расписания обработки судна в порту. «Методы прикладной математики в транспортных системах». СПб.: СПГУВК, Сборник научных трудов, вып.7, 2002, с.3-6.

6. Андрианов В.Е. Имитационное моделирование работы порта с одним причалом. «Прикладная математика». Сборник научных трудов

7. СПГУВК / Под ред. Ю.М. Кулибанова. СПб.: Судостроение, 2004,с.3-10.

8. Артыиов А.П., Скалецкий В.В. Автоматизация процессов планирования и управления транспортными системами. М.: Наука, 1981.-280 с.

9. Анисимов-Спиридонов Д.Д. Методы и модели больших систем оптимального планирования и управления. М.: Наука, 1969. -426 с.

10. Ю.Артоболевский И.И., Левитский Н.И., Черкудинов С.А. Синтез плоских механизмов. М.: Физматгиз, 1959. 1084 с.

11. П.Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1971. -280 с.

12. Бабурин В.А. Управление грузовыми перевозками на водном транспорте. Учебное пособие. СПб.: СПГУВК, 1997. 246 с.

13. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. Пер.с англ. М.: Наука, 1968. -460 с.

14. Безель Б.П., Краснова Е.В. Моделирование работы перевалочных пунктов. М.: Труды института комплексных транспортных проблем, вып.24, 1971.- 150 с.

15. Бек Н.Н., Голенко Д.И. Статистические методы оптимизации в экономических исследованиях. М.: Статистика, 1971. 135 с.

16. Бигель Д. Управление производством. Количественный подход. Пер.с англ. М.: Мир, 1973. 304 с.

17. П.Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления.1. М.: Наука, 1969.-408 с.

18. Бреслав Jl.Б. Экономические модели в судостроительном производстве. Л.: Судостроение, 1984. 286 с.

19. Бурков В.Н., Кондратьев В.В. Механизмы функционирования организационных систем. М.: Наука, 1981. -383 с.

20. Бурков В.Н., Ириков В.А. Модели и методы управления организационными системами. М.: Наука, 1994.-482 с.

21. Бурштейн И.М. Динамическое программирование в планировании. М.: Экономика, 1968. 128 с.

22. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1968. -355 с.

23. Бутов А.С., Гаскаров Д.В., Егоров А.И., Крупеннна Н.В. Транспортные системы. Моделирование и управление. СПб.: Судостроение, 2001. 552 с.

24. Вихров Н.М., Нырков А.П. Модели технологических процессов на транспорте / Под ред. Д.В. Гаскарова. СПб.: Судостроение, 2002. -422 с.

25. Волькович В.Л., Войналович В.М. Человеко-машинные процедуры поиска и решения в задачах многокритериальной оптимизации. М.: Управляющие системы и машины, 1979, №5, с.32-44.

26. Вопросы автоматизации режима работы порта. / Под ред. В.М. Страхова. М.: Труды ЦНИИЭ и ЭВТ, вып. 112, 1974. 205 с.

27. Гермейстер Ю.Б. Введение в теорию исследования операций. М.: Наука, 1971.-383 с.

28. Горбатый М.М. Теория и практика оптимизации производственных мощностей морских портов. М.: Транспорт, 1981. 167 с.

29. Горбунов А.В., Каменецкий В.А. Робастная стабилизация в целом двухзвенного робота-манипулятора обратной связью с насыщением. «Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана». Серия «Приборостроение», 3(48), 2002, с.110-119.

30. Глущенко В.В., Сахаров В.В., Сумеркин Ю.В. Моделирование динамических систем и электрических цепей в среде MatLAB. Учебное пособие. СПб.: СПГУВК, 1998. 297 с.

31. Данциг Дж. Линейное программирование, его применение и обобщение. М.: Прогресс, 1966. 600 с.

32. Дудорин В.И. Моделирование в задачах управления производством. М.: Статистика, 1980. -254 с.

33. Давыденко В.А. Определение параметров четырехзвенного механизма с качающимся ползуном по заданным параметрам цилиндра. М.: Труды ЦНИИМЭ, вып. 136, 1975, с. 46-48.

34. Дьяконов В.П. Система MathCAD. Справочник. М.: Радио и связь, 1993.- 128 с.

35. Жавпер B.JL, Крамской З.И. Погрузочные манипуляторы. JI.: Машиностроение, 1975. 158 с.

36. Жимерин Д.Г., Мясников В.А. Автоматизированные и автоматические системы управления. М.: Энергия, 1979, 591 с.

37. Заде JT. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятия решений. М.: Знание, 1971. 184 с.

38. Казаков А.П., Фадеев И.П. Организация и планирование работы речных портов. М.: Транспорт, 1989. -415 с.

39. Канторович JI.B., Горстко А.Б. Оптимальные решения в экономике. М.: Наука, 1972.-226 с.

40. Костеллани К. Автоматизация решения задач управления. Пер. с франц. М.: Мир, 1982. 585 с.

41. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. Пер. с англ. М.: Мир, 1979.-600 с.

42. Клейнрок J1. Теория массового обслуживания. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1979. -432 с.

43. Клиланд Д., Кинг В. Системный анализ и целевое управление. Пер. с аигл. М.: Советское радио, 1974. 592 с.

44. Ланге О. Оптимальные решения. М.: Прогресс, 1967. 284 с.

45. Ланкастер К. Математическая экономика. М.: Советское радио, 1972. -464 с.

46. Лившиц В.Н. Выбор оптимальных решений в технико-экономических расчетах. М.: Экономика, 1971. 254 с.

47. Лотоцкий В.А., Мандель А.С. Модели и методы управления запасами. М.: Экономика, 1991. 368 с.

48. Лэсдон Л.С. Оптимизация больших систем. М.: Физматгиз, 1975. -476 с.

49. Логистика. / Под ред. Б.А. Аникина. М.: ИНФА-М., 2001. 352 с.

50. Милославская С.В., Плужников К.И. Мультимодальные и интермодальные перевозки. М.: Росконсульт, 2001. 368 с.

51. Моррис У. Наука об управлении. М.: Мир, 1971. 304 с.

52. Пейсах Э.Е., Нестеров В.А. Система проектирования плоских рычажных механизмов. М.: Машиностроение, 1988. -231 с.

53. Пьяных С.М. Элементы оптимизации управления работой флота. Горький, ГИИВТ, 1970. 151 с.

54. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. 192 с.

55. Рыжиков Ю.И. Управление запасами. М.: Наука, 1969. 343 с.

56. Саламандра Б.Л. и др. Манипуляционные системы роботов. М.: Машиностроение, 1989. 672 с.

57. Савин В.И. Математические методы оптимального планирования работы флота и портов. М.: Транспорт, 1969. 168 с.

58. Сахаров В.В. Расчет оптимальных регуляторов судовых автоматических систе*м. Теория и приложения. Л.: Судостроение, 1983.-168 с.

59. Сахаров В.В., Шарыкин А.Д. Расчет переходных процессов в электрических цепях: Учеб.пособие. СПб.: СПГУВК, 1995. 120 с.

60. Сиротский В.Ф., Трифанов В.Н. Эксплуатация портов. М.: Транспорт, 1984. 279 с.

61. Страхов В.М., Протасов Л.П. Автоматизация и механизация портовых перегрузочных работ. М.: Транспорт, 1981.-221 с.

62. Суколенов А.Е. Методика обоснования на ЭВМ оптимальной механовооруженности причалов. М.: Транспорт. Труды ЦНИИЭиЭВТ, вып. 85, 1972. 195 с.

63. Терехов О.А., Тюрин В.И. Совершенствование организации управления морскими портами. М.: Транспорт, 1981. 152 с.

64. Теория прогнозирования и принятия решений. / Под ред. С.А. Саркисяна. М.: Высшая школа, 1977. 338 с.

65. Фадеев И.П. Автоматизация оперативного управления обработкой флота в порту. Горький, ГИИВТ, 1976. 53 с.

66. Фролов А.С., Кузьмин П.В., Степанец А.В. Организация, планирование и технология перегрузочных работ в морских портах. М.: Транспорт, 1979.-408 с.

67. Честнат Г. Техника больших систем (средства системотехники). Пер. с англ. М.: Энергия, 1969. 656 с.

68. Четыркин Е.М. Теория массового обслуживания и ее применение в экономике. М.: Статистика, 1971. 101 с.

69. Шахинпур М. Курс робототехники. М.: Мир, 1990. 527 с.

70. Шерле З.П., Гнояной А.А. Организация и механизация перегрузочных работ в речных портах. М.: Транспорт, 1976. -232 с.

71. Шепетов В.Н. Принципы расчета норм времени обслуживания судов в портах. М.: Транспорт, 1978. 136 с.

72. Щедрин Н.И., Кархов А.Н. Математические методы программирования в экономике. М.: Статистика, 1974. 140 с.

73. Ясин Е.Г. Теория информации и экономические исследования. М.: Статистика, 1970. 109 с.74.01ас N., Zhou Sh. Minimum Fnergy Rath for Optimal Oscillatory movements ofPUMPA Arm. "Journal of Robotics Systems", Vol.5, no.4, April 1988, pp.385-408.

74. De La Rosa Bocanega, Yoshida K. Motion Control of Flexible Manipulator Possessing Unactuated Joints. "JSME International Journal. Mechanical Systems, Machine Elements and Manifacturing". Vol.45, no.3, Sept. 2002, pp.741-748.