автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Оптимизация непрерывного планирования работы флота

Мишстсроы» транспорта Российской Федерации Вольная государственная академия водного транспорта

На правах рукописи

УДК 658.012.011.56:656.624.3

ЛИСИН Александр Александрович

ОПТИМИЗАЦИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ РАБОТЫ ФЛОТА (на примере АО "Волготанкер")

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н. Новгород 1998

Диссертация выполнена на кафедре «Управление транспортом» Волжской государственной академии водного транспорта (г. Нижний Новгород).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Малышкнн Александр Георгиевич.

доктор технических наук, профессор И. П. Фадеев; кандидат технических наук, заместитель директора АООТ "Нижегородские Авналишш" М.Ф. Шкнрев.

Волжской государственной йхадгшиц водного транспорта ( 603003, г. Низший Новгород, ул. Нсгтерона, 5).

С диссертацией ыозето ознакомиться в библиотеке ажадгшга.

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие - ОАО «Волжское нефтеналивное пароходство Волготашер» (г. Самара).

Защита диссертации состоится «хУ » О-НЬ^-^-^ 199Ёг. в часов на заседании диссертационного совета Д. 116.03.01 в

в

Ученый секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент

.Гни ВГАВТа, 1998 г., зак. 41 , тир. 100, Лиц. ПДД

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

Актуальность исследований. Водный транспорт сохраняет положение важнейшего подразделения общегосударственного производственного комплекса. Состояние отрасли реально отражает уровень и направление развития хозяйственных связей в экономике страны.

Современное состояние перевозок грузов можно охарактеризовать наличием нерациональных перевозок, снижением производительности работы флота и повышением себестоимости транспортировки. Повысить эффективность использования флота в таких условиях возможно за счет внедрения новых методов планирования, позволяющих проводить поименное обоснование работы каждого судна в оперативных условиях.

Развивавшаяся долгие годы практика директивного планирования определила место оперативного плана как средства выполнения установленного госзаказа на перевозки. Сейчас подобные методические решения стали непригодными, и оперативное управление решает вопросы по использованию флота в постоянно меняющихся условиях. Причем планирование работы конкретно взятых судов может определять как условия договоров на перевилку, т^г. и саму возможность освоения заявленной партии груза. Изменение методов планирования вызвано также расширением международного сотрудничества и переходом к новым стандартам контроля и учета работы флота. Причем реальные предпосылки внедрения новых эффективных методов управления флотом создаются наличием полной экономической самостоятельности предприятий.

Быстрые изменения обстановки в транспортном процессе требуют новых информационных технологий в решении задач планирования и регулирования. К ним относятся автоматизация обработки оперативной информации и оптимизация планов использования флота.

При переходе к новым экономическим отношениям отечественные предприятия могли выбрать лишь один из двух путей: медленно умирать, оставаясь на техническом уровне 70 - 80х годов, либо жить и развивать си, нспильзуя современные информационные и компьютерные технологии Имей ограниченные ресурсы, российские транспортные предприятия

должны выходить на мировой рынок, использовать новые информационные технологии и иоаые подходы к применению автоматизированных систем управления (АСУ). А современный уровень вычислительной техники практически не ограничивает возможности обработки информации в реальном масштабе времени. Новыми принципами построения информационных систем являются экономический аспект управления и обеспечение руководства необходимой для принятия решений информацией.

Следует признать, что решение задач по оперативному планированию и регулированию на ЭВМ полностью не реализовано. Разработка и внедрение Новых оптимизационных моделей, которые детально к взаимосвязано рассматривают работу судов, позволит в итоге палучать обоснованное решение по эффективному использованию флота ;1а перевозках к быстро реагировать на изменения транспортного процесса.

Цель и задачи исследований. Конкретной целью диссертации является повышение эффективности использования флота в оперативных условиях. Это достигается путем разработки зканоикко-ма-тематической модели поименного планирования работы судов на методической основе непрерывного планирования работы флота; сазершенство-вания приемов моделирования транспортного процесса; внедрения опти-• иизационшлх моделей на практике. Предметом исследований явилась система оперативного планирования работы флота судоходной компании на примере акционерного общества (АО) "Пароходство Волготанкер".

Методы исследования. Для достижения цели и?следова-ний использовались идеи и методы имитационного моделирования, эконо-мико-математмческого моделирования сложных систем и теория автоматизированного управления транспортными процессами. Для решения конкретных задач использовались методы математической статистики и исследования операций, теория графов, линейное целочисленное программирование и методы постонтимального анализа.

Научная новизна работы. Научная конизна нсследона ним состоит в том, что предложены новые научно-методические разработки но оперативному планированию работы флота в условиях рыночных

2

отношений. Среди них:

экснопихо-математнческая модель (ЭММ) порейсового планироаа-ния использования флота, позволяющая проводить поименное согласованное назначение судов с учетом ситуаций ожидания в пунктах обработки;

ЭММ краткосрочного планирования использования флота с учетом оперативно возникающих грузопотоков;

методические решения по автоматизации расчета плана работы судов в краткосрочном период*; времени;

алгоритмы автоматизированного назначения свободного от обязательств судна и решения задачи оптимизации использования флота;

методика анализа устойчивости получаемого оптимального решения и практические рекомендации по применению методой целочисленного программирования для решения задач оперативного планирования.

Практическая значимость и реализация результатов. Практическая значимость проведенных исследований подтверждается внедрением основных положении диссертации в автоматизированной подсистеме «Оперативное планирование и регулирование использования нефтеналивного флота АО «Пароходство Волготанкер». В составе программного обеспечения подсистемы были внедрены п эксплуатацию следующие задачи:

1. Контроль и корректировка дислокации флота на ПЭВМ.

2. Прогноз окончания рейсов судна по дислокации флота.

3. Формирование возможных вариантов назначения свободных от обязательств судов.

4. Формирование исходной план-матрицы для ЭММ краткосрочного планирования.

5. Решение задачи линейной оптимизации симплекс-метолом.

Комплекс программ, разработанных но заданию АО «Пароходство

Волготанкер», позволяет проводить автоматн шронлнный расчет оптимального плана использования судов в заданном краткосрочно« гн'рипдо времени.

Практическую ценность имеют приемы моделирования условий отправлений партии груза и заданные сроки, плановой перевалки груза, кратности загрузки судна и объема перевозимого груза и регулирования затрат флота, переходящих па следующий период. Ценность имеют результаты вычислительных экспериментов и рекомендации автора по использованию методой целочисленного линейного программирования.

Апробации • работы. Основные результаты исследовании докладывались на заседаниях оперативно-технических групп в управлении «Волготанкср» и научно-технических конференциях ВГАВТа, посвященных 150-летию Волжского пароходства (1994 г.) и ЗОО-лстшо Российского Флота (1996 г.).

Публикации. Основные положения диссертаций опубликованы в пяти работах автора.

Структура и объем Д и с с с р т а ц и и . Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (148 страниц текста, включая 14 рисунков и 16 таблиц), библиографических ссылок из 110 наименований и 10 приложений.

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖИ ШЯ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность исследования, проблемы в изучаемой области, сформулированы цели и задачи работы.

Первая глава содержит анализ современного состояния теории и практики оперативного планирования на водном транспорте, обобщение опыта разработки и* внедрения моделей оптимизации оперативного планирования. Отмечается м« ото оперативного планирования работы флога в системе современного управления, и намечаются пути совершен-сгновеншя системы планирования, подкрепленные анализом работы флота при современных формах организации перевозок.

Теория и практика оперативного управления на водиом транспорте развивалась с самого зарождения науки об организации работы флота. Первые постановки зьдач по оперативному планированию работы флота,

4

направленные на автоматизацию обработки диспетчерской информации, рассматривались в работах Л.П. Ирхина, J1.M. Рыжова, В.И. Савина, A.A. Союзова. Дальнейшее свое продолжение теория оперативного управления получила в трудах A.C. Бутова, Б.И. Вайсблата, В.Н. Захарова, В.П. Зачесова, В.В. Золотовз, В.И. Кожухаря, В.В. Исполина, Ю.И. Платова, Е.В. Ширяева. На морском транспорте методы оперативного планирования разработаны в трудах A.A. Володина, В.Д. Лепого, Ю.К. Лехана, П.Я. Панарина и других ученых.

В условиях централизованной государственной экономики задачей транспортного предприятия являлось выполнение плана перевозок, при этом любое плановое решение должно было наилучшим образом подтверждать показатели вышестоящего плана. По сейчас перед судоходными компаниями стоят другие цели - поиск грузопотоков, снижение себестоимости и повышение конкурентоспособности перевозок. Основным элементом планирования работы судна становится завершенный цикл перевозки - рейс. В этих условиях бывшие формы технического, декадного и суточного плана не могут отвечать требованиям эксплуатационной практики.

Понятие плана становится более гибким, то же касается и временных сроков планирования. Так, термин "оперативное планирование" может заменяться более общим термином "краткосрочное планирование". Не меняя существа вопроса, под краткосрочным планированием будем понимать процесс выработки управленческих решении на основе данных текущего состояния транспортного процесса. Период планирования не ограничивается декадой или сутками, а может меняться в зависимости от продолжительности технологического цикла перевозки, а также достаточности исходных данных.

При моделировании транспортного процесса на различные периоды времени происходит неизбежный разрыв методик. Рассматривается либо провозная способность флота, либо каждое судно пгшчгнно, что нылилио

5

объективными причинами, так как планировать работу отдельного судна на длительный период невозможно из-за большой ненадежности результатов. При централизованной системе связь методических положений осуществлялась через последовательное уточнение планов высшего уровня. Объединение двух различных подходов было впервые предложено в научно-методических основах непрерывного планировании работы морского флота.

Идея непрерывного планирован»« сейчас может найти новое воплощение. Оно должно быть инструментом, объединившим планирование о краткосрочном периоде времени, прогнозирование к регулирование транспортного процесса. Что кр.састся навигационного планирование, оно должно выполнять аналитическую роль и оценивать нсполь.-.ойанне рег сурсов флота при различны;: условник работи. Приоритет смещается в сторону краткосрочного планирования и на этапе расчета плановых показателей использования судов. Практика показывает, насколько важно нмечь точные плановые показатели расходов по судну га рейс ¡:мсето средней за навигацию себестоимости содержания флота. То же самое относится к нормативным значенном времени следования и грузовой обработки. Иначе обоснование плана работы судов, выпшшенноз с учетом сложных законоз поведение транспортной системы, окажется недостоверным из-за усредненных экономических показателей.

С появлением ЭВМ развивались новыа методики решения задач оперативного планирования через имитационное моделирование и применение методов оптимизации. Алгоритмы, имитирующие транспортный процесс, позволяют учитывать нею специфику транспортной системы. Однако необходимость индивидуального подхода при проектировании каждой задачи и зависимость результатов от квалификации и опыта специалиста могут дать преимущества строгим математическим методам. Теоретически любая задача оперативного планирования может быть решена метлами линейною или целочисленного программировании.

(.

При хгртссрпсгнкс предложенных поделен самым вз,\чним, по мнению автора, ,-шляется возможность успемион реа^нгзцт: разработок. Среди основных трудностей внедрения отмечались: бодмиие гягрпты времени па сбор и обработку информации; недостаточные возможности вычислительной техники; неполна:! адекватность модели меняющейся транспортной ситуации. Современный уровень компьютеризации позволяет с оптимизмом смотреть на новые разработки.

С этой целью рассматривается вопрос практического применения ЭММ для планирования работы судов на ближайшие рейсы. Рукопс.чя-щим принципом в решении этих вопросов является идея непрерывного планирования. За счет постоянного уточнения, прогнозирования и опережающей корректировки транспортных ситуаций «на шаг вперед» мажет быть достигнута эффективная работа флота.

Решение этих вопросов составляет содержание диссертации.

Вторая глава посвящена разработке моделей оптимизации использования флота для краткосрочного планирования.

Обоснование меттдоп краткосрочного планирования использования флота выявило сснознце требования, выдвигаемые к модели оптимизации. Они обусловлены наличием возмущений со стороны внешних сил, т. е. факторов транспортного процесса. Существует основная группа факторов, влияние которых может быть смоделировано. Этого нельзя сказать про факторы субъективного характера или взаимозависимые параметры транспортной системы.

Формулировка основных принципов построения модели отмечает необходимость динамической модели транспортного процесса. Это означает не только обязательный учет дислокации, но и оценку влияния, например, назначения судна на последующий период времени его работы Неучтенные последствия могут ухудшить все сиюминутные выгоды. Известно, что чем больше период прогнозирования, тем рациональнее управленческие решения. Однако существует и обратная зависим«*:!!,

7

чем больше ¡к риод, тем меньше достоверность прогноза. Цель моделирования сводится к построению схемы работы каждого судна в виде связанной последовательности груженых и порожних рейсов. В такой постановке задача плгнирозания усложняется многовариантностью решений.

Большинство анализированных моделей используют набор вариантов плановой работы судоз, когда для каждого судна "проигрываются" все возможные пути его следования с момента начала до момента окончания периода планирования. Однако в целях включения дополнительных ограничений, повышения гибкости модели и удобства корректировки исходных данных в качестве дискретного элемента модели рекомендуется рассматривать рейс судна.

Дли отого автором совместно с В.В.Золотовым била разработана экономим) математическая модель (ЭММ) порейсового оперативного планирования работы флота. Модель позволяет определить оптимальный план использования каждого судна ил основе его дислокации и согласовывать работу судов в пунктах грузовой обработки (например, в случае занятости причала).

При описании ЭММ используются следующие обозначение:

( - индекс планового грузопотока;

/' - индекс судна (состава);

к, I - индексы груженого и порожнего рейса;

п - индекс "искусственного" флота;

р - индекс узлового пункта нахождения ]то судна (пункт снятия дислокации, погрузки, выгрузк!:);

г - индекс ситуации ожидания погрузки (выгрузки); Ну - подмножество груженых рейсов /то судна на освоении ¡то грузопотока;

Ау - подмножество порожних рейсов ^го судна; X^ - подмножество рейсов назначения ]-го судна в пункт р; V¡¡¡- подмножество рейсов отправления ]то судна из пункта р;

8

7.р- подмножество последовательности рейсов, приводящих ]-ое судно в р-ый пункт;

С/^ - объем перевозок на ¡-ом грузопотоке, тыс. т;

Оцк - загрузка j-гo судна на к-ом рейсе при освоении 1-го грузопотока, тыс.т;

Qn- загрузка п-го "искусственного" флота, тыс.т;

Тг ресурс времени )-го судна в плановом периоде, ч;

/д - продолжительность к-го груженого рейса ]-го судна, ч,

/у - продолжительность 1-го порожнего рейса ]-го судна, ч.

Ту - время занятости причала ^м судном в пункте погрузки ¡-го грузопотока, ч;

Ту - время занятости причала ^м судном в пункте выгрузки ¡-го грузопотока, ч;

С;1(/) - значение критерия эффективности за один к-ый груженый или 1-ый порожний рейс ^го судна;

Су - значение потерь за 1 ч стоянки ^го судна;

С„ - критерий эффективности использования "искусственного флота";

Х^.Х^р- число отправлений )-го судна из р-го пункта на к-ом груженом или 1-ом порожнем рейсе, ед.;

Хп- число отправлений п-го "искусственного" флота, ед.;

«у* - время ожидания ]-ым судном начала погрузки на к-ом груженом рейсе, ч;

- время ожидания ¡-ым судном начала выгрузки на к-ом груженом рейсе, ч;

М - большое число ("запретительная" оценка);

Хг - дополнительная единичная переменная для г ой ситуации ожидания погрузки (выгрузки) груза.

Требуется определить вариант назначений судов, соответетную щий оптимальному критерию эффективности (в качестве критерия омти

9

нн.идцин могут быть выбраны прибыль, расходы па перевозках, затраты флота и другие):

ЕЕ Ес^+Еад (1)

J=llcl.¡ /=1

при следующих ограничениях:

1. Заданный оСл.с:,; перевозок по каждому грузопотоку должен быть освяен:

Е = ! 1,2,..Л (2)

2. Суммарные затраты времени Д';к каждого судна не должны

превышать его ресурса ирсменн в плановом периоде: /

Е +<а )+ Е'А * 'О , / /,2,...(3)

/-1 Ас />,. /е/7-

3. Из множества возможных рейсов передислокации из пункта р каждое )-ое судно можег быть назначено только на один рейс:

Дл + А л рр >- у 1,2.....1 (4)

4. Количество отправлений /-го судна из каждого пункта р не должно превышать количества его прибытий в этот пункт:

к&№ /аУ^

1'Р (5)

5. Время стоянки одного из каждой рассматриваемой пары судов ¡^ и /'/, прибывающих в пункт обработки р с интервалом менее чем продолжительность обработки первого но очередности судна, увеличивается на время ожидания освобождения причала:

10

ксХ,гг к<3.Пр !с7.Пр

X Ъ, ('Лр

к(7.1Хр кьс.

+ Х ¡21р + А'г = 1

№

б Цслочисленность и неотрицательность переменных:

- - Я

А'„>0

(7)

,п .в

1 )к»']к ~ нелые числа.

При моделировании вариантов назначения судов прогнозируются моменты прибытия судов в пункты погрузки (выгрузки) и ситуации ожидания начала грузовой обработки из-за занятости причала. Модель позволяет сравнивать интервалы прибытия двух судов и определять затраты времени ни ожидзни<!, зависящие от назначения того или иного судна в каждой рассматриваемой паре. Дополнительные простои флота влияют на оценку эффективности рейса и ограничения на ресурс времени работы судна. Пропускная способность причала не может запретить назначение судна, а влияет только на продолжительность стоянки и связанные с ней расходы за рейс.

На назначение того или иного судна на груженый рейс могут влиять дополнительные условия отправления груза: "точно в срок", "не ранее" или " не позднее" указанной даты.

Для условия отправления "не ранее" указанной даты ограничение выглядит следующим образом:

Х'А + ЪА хГ.р * <;» * С А' . (Я)

кI - индекс рейса с пунктом погрузки р.

Для условия отправления "не позднее" указанной даты в ограничении изменится знак. В этом случае никакого ожидания быть не может.

Задача поименного планирования, в которой рассматривается каждое конкретное судно, тесно связана с имитационным моделированием. Если при имитации достоверность и соответствие реальным ситуациям достигается через логические выражения, то получить адекватность ЭММ можно с помощью специальных приемов. Многие приемы моделирования могли быть использованы благодаря целочисленному или двоичному характеру искомых переменных.

Далее рассмотрим дополнительные условия:

1. Для ситуации плановой перевалки груза из судна на борт другого судна недопустимо разбивать грузопоток на дно отдельные части: до пункта перевалки и после. Баланс между количеством доставленного и отправленного груза достигается условием:

■> ■> / 1,2,...I (У)

/\mtcic V' П(1С.1С ^ V / V д<>

Ь Уф Х ]кр Ь (¿У Л ]Ч>

З.чссь, , \>цк * соответственно загрузка судов, выполняющих рейс до пункта перевалки и после перевалки.

2 Кратность суммарной загрузки судна и обьема перевозок при условии целочисленное™ числа отправлений.

Ограничение (2) модели нельзя рассматривать со знаком условия больше или равно ">", т.к. это нарушит достоверность. Знак типа ранен ство "=" при соблюдении условия целочисленности переменных .чапанит пойти в решение так называемый "искусственный" флот, который показывает неосвоенный обьем перевозок. Пго можно сбалансировать дополни тельными переменными, показывающими превышение суммарных перено-

12

зок над плановым значением объема: 3

Ш ТиОцкХ^к + Хп - Х'п'" - в, (10)

Переменные Хп и должны иметь рапные соответствующие

значения коэффициентов функции цели, заведомо неэффективные, по-

V \rdon

этому переменные л„ и Дл одновременно входить в оптимальное решение не будут. Коэффициенты функции цели дополнительных переменных должны удовлетворять следующему условию:

Если суммарное количество отправленного груза для ¡-го грузопотока отличается от планового объема более чем на 0.5 загрузки судна

- £ 2. Ъцк х]к > 0.5Сиди х„ > 0Жк, (И)

к(Ни

то дли варианта неполного освоения грузопотока (Хп / 0 и

_ у ^ зна11С,|1ИС фуШ;иии цС1Гт должно быть хуже, нежели для варианта "переоспоеии:1." объемов перевозки на величину Х^'п (Хп-0 и Х'*"' -/■ 0). Коэффициенты функции цели дополнительных переменных определяются (функция цели максимальна):

II ад, 1с>а> +(.>„ х]Ш + ад:"л(12)

/ / Ач'Яу ] ' киву

3. Регулирование переходящих затрат флота.

В плановый период входит лишь часть рейса и момент отправления, поэтому в ограничении (3) такой рейс участвовать не должен (продолжительность рейса <ух=0). Значение коэффициентов функции цели переходящих рейсов должно учитывать затраты последующего порожнего рейса. Без этого наиболее длительные рейсы будут выбраны как переходящие, т.к. экономится ресурс времени и достигается хороший результат по прибыли. Однако большие пере*. ,ищие затраты флота снизят эксплуатационные показатели работы флота и плохо повлияют на после-

13

дующий план.

При создании любой модели транспортного процесса неизменно сталкиваются два стремления: наиболее полно учитывать влияние факторов к, с другой стороны, получать приемлемое решение в реальном масштабе времени и, по возможности, с минимальной трудоемкостью. Ставя во глазу угла практическое внедрение оптимизационных расчетов, рассмотрим требования к математическим моделям.

Если решение представляет собой целое число отправлений судна на круговых рейсах или на каждом отдельном рейсе, то плановая схема использования судна получена. Но другая лэдача взаимосвязанной работы судов и причалов в пунктах обработки не решается, т.к. для этого очень важна последовательность рейсов каждого судна и прогноз его возможного прибытия в пункты грузовой обработки. Необходимость отслеживания очередности рейсов возникает при следующих условиях:

отправление партий грузов в конкретные календарные даты; определение простоев судов из-за занятости причалов в пунктах погрузки (выгрузки) и простоев в пути следования;

согласование работы тяги и несамоходного тоннажа в случае непостоянного закрепления тяги за тоннажем и я пунктах перевалки.

Дополнительные условия приводят к увеличению размеров задачи. Поэтому, если такие условия не заданы или ими можно пренебречь при расчете плана, то в качестве искомых переменных рекомендуется выбирать количество отправлений на рейсе или обороте.

Автором предлагается ЗММ планирования работы флота в краткосрочном периоде времени. В модели рассматривается число отправлений по каждому обороту судна на основе его дислокации, а также груженые рейсы, переходящие на следующий период планирования. По получаемому решению формируется связанная последовательность груженых и порожних рейсов для каждого судна. Для описания вводятся следующие обозначения:

14

i - индекс планового грузопотока; / - индекс судна {состава); k - индекс оборота судна (состава);

/ ^индекс варианта назначения судна с предлалового периода (вариант передислокации);

г - индекс груженого рейса, переводящего на послспламовый период;

п - индекс "искусственного" флота; s - индекс пункта ¡¡огрузх.ч; / - множество плановых грузопотоков; I ■ множее гяо плановых судов и ссстгвпа;

множество зариаитов назначения /-го судна с предпланового периода ч í-uk пункт погрузки;

í'í,- - множество оборотов )-го судна для з-ro пунг.тг пг.гругпм; Уj¡- множества оборотов 1-го судна, имеющих s-ый пун;'? следующей погпузкн;

- иножестпо грухекьгн 'репсов j-ro судна из s-ro пункта

погрузки;

Sj - множество пуиктоа пггрузхи j-ro судна; ü¡ - объем перевозок из i-as; грузопоток», тыс. т; Q,)k - загрузка j-ro судна из fc-ом рейсг при освоении i-ro грузопотока, тыс. т;

Q,j¡ , Q¡JZ - загрузка j-ro судна на ¡-ом грузопотоке при назначении на 1-ый рейс передислокации и г-ый груженый переходящий рейс, тыс. т;

Q¡ - загрузка "искусственного" флота на i-ом грузопотоке, тыс. т;

7¡ - ресурс времени j-ro судна в плановом периоде, ч; tjk • продолжительность k-ro оборот. j-ro судна, ч;

15

'у; - продолжительность 1-го рейса ¿-го судна, переходящего с предпланового периода, ч;

Сд - значение критерия эффективности ¿-го судна на к-ом обороте;

Су/', Ср - значение критерия эффективности назначения на I-ый рейс передислокации и г-ый переходящий груженый рейс ¿-го судна;

с/ - критерий эффективности использования "искусственного флота";

X)к - число отправлений ¿-го судна на к-ом обороте, сд.;

Xчисло назначений ¿-го судна на 1-ом рейс с предпланового периода, ед.;

Xр - число отправлений ¿-го судна на г-ом переходящем груженом рейсе, ед.;

Х{ - число отправлений "искусственного" флота на ¡-ом грузопотоке, ед.;

Требуется определить число отправлений на плановых оборотах и рейсах, переходящих на послеплановый период, при которых значение выбранного критерия эффективности перевозок оптимально:

J

XX

к с!\

гсКй

при следующих ограничениях:

1. Плановый объем перевозок должен быть освоен:

J

XX

X ал+ X &А+ Х&А

+ 0,/х[=с;1> (14]

2. Суммарные затраты времени по каждом судну при отправлении не должны превышать ресурса времени в плановом периоде:

16

Е у=Л2,... 7 (15)

3. Судно может быть назначено на один из возможных рейсов с редпланового периода:

ЕЕ^Чми об)

4. Число страмоний из каждого пункта не должно превышать пела прибытий а этот пункт. Число прибытий судна в пункт с учетом ергходящих груженых рейсов должно быть строго больше числа отправ-2пий:

Е Е А'/г* Е Е^д- .

к.--), ,теЯ/г /с.'... ксУр

к и),

5. Целочисленнссть и неотрицательность переменных.

={о, йО.Хд-цглсг, х[ >0 (13)

Исходная матрицу строится на сснозе схемы возможных оболов судов и имеет конечные размеры, что облегчает азтоматизи-званное формирование матрицы и расшифровку результатов. Раз-еры матрицы не меняются при изменении объемов перевозок и земени планирования, будь то 3 или 30 суток. Это позволяет гибко спользовать модель при любых изменениях входной информации, а иже анализировать варианты назначения флота при отличающихся гходмых данных и различных критериях оптимизации.

Главная задача, которую решает ЭММ краткосрочного плами-эиания, заключается в обосновании noc.ii, лкпельных назначений /дна на рейсы и определении целесообразной передислокации ^дна. Таким образом, модель помогает заменить ранее плаиируе-

17

мое отправление отправлением другого судна (т. н. субститут).

Дли сценки ркзмера исходной матрицы ограничении длк различных моделей введем понятно секции, которая представляет собой матрицу злементез ограничений по одному судну. Размер секции определяет набор элементов моделирования (рейсов, сборотос, круговых рзйсоз или отдельных плано;; работы судна). Количество сером и столбцов секции ограничении достаточно для описания вариантов назначений судна между двумя подачами под погрузку.

Введем следующие обозначения:

Nif¡ - число груженых рейсов судна;

N„ - число пункте» погрузки одного судна;

N„ - число пунктов пьггрузки одного судна.

Количество столбцов и строк секции дли рейсового моделировании работы судна (1-7) равно соответственно:

ХС = Мгр + Nfí х Л',. , ><; = N„ + N, + N„ (10)

Для ЭММ, в основе которой положены обороти, количество столбцов и строк равно:

Хс = Л'„ х Ne , Ус = 2 х Д/„ (20)

В ЭММ порейсового планирования использования флота (13)-Í18) общий размер исходной матрицы увеличивается пропорционально периоду планирования. Общее число строк в стандартной постановке задачи будет равно

N

(2!)

где N - число судов, М - число плановых грузопотоков.

Общее число переменных матрицы, необходимых для сквозного моделирования работы судна с предпланового на послеплановый период, включает кроме столбцов секции ограничений варианты передислокации судна и груженые рейсы, переходящие на последующий период.

18

Кроме основных переменных модель может включать дополнительные переменные, описанные в предыдущих приемах моделирования.

В третьей главе разработаны методические решения по автоматизации расчета плана использования флота АО «Пароходство Вол-готаикер» в краткосрочном периоде времени при непрерывном планировании.

Методика непрерывного планирования предполагает постсяш-еи ведение плановой последовательности рейсов каждого судна (непрерывный график работы флота - ПГРФ). В терминах оперативного управления траектория транегюртнеге процесса судка с момента его зеода в эксплуатацию представляет собой график исполненного движения. Решение гадзчн оптимизации краткосрочного планирования призвано уточнять и н?ра-щнвать схему плановых р?йссз судна (график планового дзкжзнка судна).

При проектировании автоматизированной системы был:-! изложены принципы информационной совместимости с другими подсистемами, а также использования общих информационно-справочных данных » общих пакетов прикладных программ по нормированию продолжительности операций, статей регходоа и дз.-.сдоз за рейс.

Модульность системы позволяет при необходимости заменить различные стандартные процедуры (прогноз прибытия судна, определение расходов за райе) более точными методиками. Возможность внедрения подсистемы непрерывного планирования в составе общей автоматизированной системы планирования работы флота АО "Волготанкер" получена, благодаря единой связующей основе. I?i,."op в качестве такой основы оборота судна позволяет увязать провозную способность -флота (уровень навигационного планирования) и последовательность назначений судна на груженый (порожний) рейс.

Методика назначения судна, свободного от обязательств, на плановые грузопотоки и формирование схемы возможных оборотов является основой для задачи оптимизации. На первом этапе для каждого судна моделируются варианты его деятельности, причем изолированно от использования остальных судоп. На втором этапе производится согласование назначения судов посредством методов математического моделирования. В автоматизированной методике максимально учтены тс факторы, которые однозначно влияют на выбор варианта. В дальнейшем возможна их корректировки вручную, точнее через диалоговые системы обработки данных.

Методика формирования исходной матрицы ограничений позволяет упростить решение задачи методами линейной оптимизации. Несмотря на неограниченные вычислительные возможности современных компьютеров, вопрос сокращения времени расчетов свою важность не потерял. Наибольшую методическую трудность в практических расчетах может иметь применение оптимизационных методов целочисленного линейного программирования (ЦЛП). Вычислительные эксперименты автора подтвердили важность предварительного исследования вида исходной матрицы ограничений для выработки стратегии решения задачи оптимизации. При использовании методов отсечения в практических расчетах можно выделить следующие закономерности:

1. Количество итераций возрастает с увеличением числа переменных и ограничений задачи, причем увеличение числа переменных влияет более существенно.

2. Количество итераций возрастает с увеличением порядка коэффициентов матрицы.

3. Количество итераций возрастает при использовании ограничения типа " ■ ".

Приведенные выводы кажутся очевидными, но следует, отметить "непредсказуемость" и "нерегулярность" поведения методов отсечения.

Для ряда задач ЦЛП не удавалось подучить оптимальное решение после многих тысяч итераций, другие же подобного размера решены за несколько десятков шагов. Опыт реализации показывает, что поведение комбинаторных методов (метод "ветвей и границ") отличается меньшей "непредсказуемостью".

Важным преимуществом методов линейной оптимизации является возможность исследования устойчивости полученного решения, оценки -использования того или иного ресурса, а также анализа поведения задачи при изменении параметров. Проводимый постоптимальный анализ решения позволит заранее выявить "слабые места" планируемой схемы использования флота, чтобы затем предпринять регулировочные воздсйст-;шя.

Все причины, вызывающие отклонение от плана, можно разделить на две группы. Первая группа охватывает так называемы» форс-мажорные обстоятельства, т. е. события, которые нельзя предугадать и которым нельзя противостоять. Другая группа причин объединяет факторы, влияние которых не происходит «вдруг», а накапливается.

Для задачи линейной оптимизации возможна постановка двойственной задачи, решение которой позволяет дать оценку ресурсов и относительную оценку переменных. Экономическая интерпретация двойственных переменных позволяет исследовать изменение коэффициентов целевой функции, компонентов вектора ограничений (т.е. ресурсы) и коэффициентов матрицы ограничений. При оценке устойчивости оптимального решения пас интересует изменение коэффициентов целевой функции.

Дмя ЭММ порейсового планирования (1) - (7) н краткосрочного планирования (13) - (18) н качестве них выбраны показатели плановой прибыли И^ у-го судна за А-ый рейс.

Для условия максимизации целевой функции диапазон изменения коэффициентов переменных А'^ выглядит следующим образом.

21

(24)

Для сошедших в оптимальное решение рейсов интервал устойчивости не ограничен «сверху», поэтому здесь нас интересует минимальная граница изменения прибыли за рейс. Для нсбазисных переменных интервал устойчивости решения поможет провести анализ выгодности назначений судна по сравнению с другими альтернативными вариантами. Диапазон допустимого изменения прибыли есть не что иное, как допустимое увеличение расходов, зависящих от выполняемого рейса. Сравнению подлежат лишь те статьи расходоа, которыми можно управлять (выплаты экипажу, топливо, смазка и прочие прямые расходы). Если получение информации о возникших перерасходах становится затруднительно, дать оценку выполняемого рейса можно по отклонению времени транспортных операций.

Четвертая глава диссертации содержит результаты внедрения задачи непрерывного планирования работы нефтеналивного флота и опыт эксплуатации подсистемы "Оперативное планирование и регулирование использования флота АООТ "Пароходство Волготанкер".

Созданное при участии автора математическое обеспечение подсистемы позволяет выполнять:

ведение дислокации и прогноз окончания рейсов судов; определение вариантов назначения для судов, освободившихся от обязательств, вариантов передислокации порожнего тоннажа и вариантов формирования составов;

оптимизацию рейсовой схемы работы флота с помощью ЭММ краткосрочного планирования.

Апробация проходила на примере задачи оптимизации работы нефтеналивного флота АО «Пароходство Волготанкер» на май-июнь навигации 1997 года (период 30 сут). Задача рассматривала использование 48

танкеров на 15 грузопотоках. Подготовленные данные использовались в формировании матрицы линейных ограничений (362 переменные, из них 318 целочисленные, и 295 строк). Задача решалась на условие'максииума прибыли с помощью пакета прикладных программ (ППП) линейного программирования методом "ветвей н границ". Целочисленное решение было найдено за 25,5 минут.

В конце главы была обоснована эффективность автоматизации непрерывного планирования, оговариваясь, что качественные улучшения системы управления практически невозможно представить з денежном выражении.

В з а к л ю ч с н и и диссертации были обобщены результаты исследований.

Основными результатами выполненных исследований являются следующие:

5. На основа анализа современного состояния методов оперативного планирования намечены оснозньгэ пути улучшения использования судоз в краткосрочной периоде.

2. Исследована нодтгерйсдешгость навигационной расстановки флота её фактической реализацией з графика исполненного движения флота.

3. Разработана ЗММ порейсозого планирования, позволяющая учитывать ситуации сжвдгкнл, отправления в указанную дату.

4. Разработана ЭММ краткосрочного планирования использования флота, позволяющая проводить обоснование вариантов передислокации к замены одного судна другим.

5. Разработана методика и алгоритмы комплексного обоснования схемы использования судов в краткосрочном периоде времени, позволяющая а автоматизированном режиме:

проводить выбор вариантов назначения судов, освободившихся

от обязательств предыдущего рейса;

оценивать целесообразность пзг- '*освязанного назначения судов на груженые и порожние рейсы;

обосновывать и согласовывать работу флота в пунктах пере-23 '

валки, погрузки и выгрузки;

наращивать непрерывный график работы флота..

6. Разработаны практические методы реализации оптимизационных моделей краткосрочного планирования.

7. Разработана технологическая схема проведения расчетов плана порейсового использования нефтеналивного флота АО "Волготанкер".

Результаты исследований вошли в состав автоматизированной подсистемы "Оперативное планирование и регулирование работы нефтеналивного флота АО "Пароходство Волготанкер".

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

¡.Оптимизация оперативного планирования использования нефтеналивного флота в судоходных компаниях (тезисы доклада). Материалы научно-технической конференции, посвященной 150-летию Волжского пароходства. - Н. Новгород, 1994. с. 40-41. ( в соавторстве с В.В.Золотовым).

2.3кошшико-математическая модель обоснования плана подачи тоннажа под погрузку. - Труды ВГАВТа, 1994, вып. 270, с. 3-8 (в соавторстве с В.В.Золотовым).

З.Оценка эффективности методов целочисленного программирования в задачах оптимизации транспортного процесса. - Труды ВГАВТа, 1995, вып. 272, с. 12-18.

4.0 некоторых приемах экономико-математического моделирования работы флота. -Труды ВГАВТа, 1997, вып. 276, с. 112 - 116.

5.Краткосрочнос планирование работы нефтеналивного флота АО «Волготанкер». - Труды ВГАВТа, 1997, вып. 276, с.101-111.

24