автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Рациональная технология диспетчерского управления транспортной системой промышленного предприятия

005014847

Афонин Сергей Александрович

РАЦИОНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМОЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Специальность 05.22.08 - Управление процессами перевозок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 [/¡Д? ¿612

Москва-2011

005014847

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете путей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Эксплуатация железных дорог».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Биленко Геннадий Михайлович (МИИТ) Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения».

Защита диссертации состоится «14» марта 2012 года в 15 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.005.07 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д.9, строение 9, аудитория 1504.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного университета путей сообщения (МИ-

Автореферат разослан « 13 » февраля 2012 г. Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу диссертационного совета.

Ученый секретарь

Шмулевич Михаил Израилевич (ЗАО «ПРОМТРАНСНИИПРОЕКТ»)

кандидат технических наук, доцент Попов Алексей Тимофеевич (ЛГТУ)

ИТ).

диссертационного совета, д.т.н., профессор

А.В.Горелик

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные требования к качеству транспортного обслуживания экономики не могут быть реализованы без разработки и внедрения специальных технологий и систем автоматизированного управления, призванных повысить эффективность взаимодействия владельцев железнодорожных инфраструктур общего и необщего пользования, перевозчиков и операторов подвижного состава, грузообразующсй среды.

Переход от существующих автоматизированных систем управления, являющихся, по сути, информационными, к управляющим системам, построенным на основе адекватных математических моделей, позволит сделать технологические формы управления более гибкими. Только тогда технология перевозочного процесса железнодорожным транспортом, как-общего, так и необщего пользования, сможет обеспечить динамичные, рыночные экономические связи надежными и эффективными транспортными связями.

Цель диссертационной работы. Целью настоящего диссертационного исследования является разработка и реализация научно-методических принципов планирования и оперативного управления железнодорожными перевозками массовых грузов, осуществляемых при производстве железорудного сырья, на базе построения систем автоматизированного управления.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Созданы технологическая и математическая модели полигона промышленного предприятия, учитывающие топологию, технологические операции, выполняемые на полигоне, и события, возникающие при их выполнении.

3

2. Разработана методика построения подсистем оптимального планирования и прогнозирования, позволяющих осуществлять расчет плана эффективного использования подвижного состава в пределах рассматриваемого полигона.

3. Предложен метод построения автоматизированной системы управления железнодорожным транспортом промышленного предприятия.

Методы исследования. В работе использованы методы, основанные на системном анализе, теории множеств, теории графов, вычислительной математике, дискретной математике, математическом программировании. Для построения математических моделей объектов и процессов в работе использован метод динамического согласования.

Достоверность исследований и научных результатов работы обусловлена корректностью исходных математических положений, подтверждена результатами опытно-промышленной эксплуатации на рассматриваемом полигоне.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- построены технологическая и математическая модели управления технологическими перевозками для транспортной системы промышленного предприятия,

- разработана методика построения структуры диспетчерского управления производственным циклом перевозок массовых грузов на примере горно-обогатительного предприятия,

- предложена и обоснована технология создания системы автоматизации диспетчерского управления транспортной системой промышленного предприятия на примере горно-обогатительного комбината.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в исследовании результаты позволяют повысить качество транспортного обслуживания производственных циклов добычи и усреднения

4

железорудного сырья по качественным характеристикам за счет улучшения использования подвижного состава на промышленном предприятии.

Реализация работы. Полученные в исследовании результаты были использованы при создании автоматизированной системы управления движением поездов в ОАО «Михайловский ГОК», а также в учебном процессе на кафедре «Эксплуатация железных дорог» МИИТ.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на кафедре «Управление эксплуатационной работой» РГОТУПС в 2007-2008 гг. и «Эксплуатация железных дорог» МИИТ в 2009-2011 гг., на техническом совете предприятия ОАО «Михайловский ГОК» в 2010-2011 гг., 5-й международной научно-практической Интернет-конференции «Преподаватель высшей школы в XXI веке» (2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе три работы - в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации (без приложений), включая таблицы и рисунки, составляет 122 страницы. Рисунков в тексте 31, таблиц 29, приложений 2. Список использованной литературы составляет 95 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных в диссертации исследований, приведена краткая характеристика работы, сформулированы ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе диссертационной работы представлен обзор исследований в области управления процессом железнодорожных перевозок грузов на промышленных предприятиях.

Проанализированы труды отечественных и зарубежных ученых, посвященные разработке и внедрению специальных технологий и систем автоматизированного управления, призванных оптимизировать параметры взаимодействия владельцев железнодорожных инфраструктур общего и необщего пользования, перевозчиков и операторов подвижного состава, грузообразующей среды.

Характерной особенностью железнодорожных перевозок массовых грузов, важной для целей данного исследования, является то, что большая их часть порождается крупными предприятиями, такими, как горнообогатительные и металлургические комбинаты, предприятия стройиндустрии.

Столь мощные грузопотоки требуют эффективного управления, снижающего существующие потери, как в самом производстве, так и на стыке производства и транспорта.

Указанные требования положены в основу разработанной в настоящей диссертации системы автоматизированного управления подводом массовых грузов в производственном цикле горнообогатительного комбината. Теоретической основой исследования послужили труды докторов технических наук A.A. Аветикяна, В.М. Акулиничева, В.И.Апатцева, К.А. Бернгарда, Н.Е. Борового, А.Ф. Бородина, В.А. Буянова, U.C. Грунтова, Ю.В. Дьякова, Н.Д. Иловайского, B.C. Климанова, И.Т. Козлова, П.А. Козлова, В.И. Некрашевича, В.Т.

6

Осииова, Л.Т.Осьмииина, А.П. Петрова, A.M. Пешкова, Е.А. Сотникова, И.Б. Сотникова, Е.М. Тишкнна. Л.П. Тулупова, В.А. Шарова, М.И. Шмулевича, кандидатов технических наук М.А. Александрова, В.П. Амелина, В.И. Бодюла, A.B. Бугаева, В.К. Буяновой, Ю.В.Былинского, Ф.С. Гоманкова, В.Ф Григорюка, O.A. Жабровой, С.Г. Журавина, Ю.Е. Лукьянова, Н.Г. Мищенко, ЮЛ. Негомедзянова, И.П. Новиковой, П.А. Пилипчеико, В.Б. Положишникова. A.A. Поплавского, А.Т.Попова, C.B. Трофимова, А.Д. Чершогова, O.A. Шумской и других исследователей.

Для горно-обогатительных и металлургических комбинатов, а также других предприятий с непрерывным производственным циклом, наиболее благоприятным является равномерный подвод грузов к объектам инфрастуктуры. Именно поэтому здесь грузы доставляют кольцевыми маршрутами. Однако и такой способ транспортного обслуживания на практике характеризуется существенными колебаниями основных параметров. Неравномерность, которой характеризуется взаимодействие основных элементов системы перевозок кольцевыми маршрутами (поставщиков, потребителей, транспорта), является в целом неуправляемым, дезорганизующим фактором. В этих условиях особую актуальность приобретает задача построения систем диспетчерского управления транспортными системами.

Во второй главе разработаны принципы построения систем оптимизации перевозочного процесса. Раскрыты особенности рассматриваемого полигона.Целью создания автоматизированной системы управления движением поездов на рудном ходу (АСУ ДП) является повышение эффективности управления перевозками железной руды и скальной вскрыши путем оптимальной заадресовки образующихся на полигоне обращения порожних локомотивосоставов (поездов). В процессе достижения данной цели решаются следующие задачи:

1. Обеспечение бесперебойного функционирования потребителей сырья согласно установленному графику поставки.

2. Снижение непланируемых простоев локомотивосоставов в ожидании погрузки и выгрузки и оптимизация скорости их движения.

3. Снижение общего количества используемых в работе локомотивосоставов за счет установления режима их оптимального использования.

Для решения поставленных задач необходима полная исходная плановая и нормативная информация, касающаяся всех участников процесса, их дислокации, плана и графиков работы, сменных заданий, времени производственных циклов и т.д.

Для обеспечения информационной составляющей была разработана логическая структура АСУ ДП. Ее базовым компонентом является модель процессов перевозки грузов на заданном полигоне. В ней содержатся нормативные данные:

- о топологии полигона как совокупности выделенных грузовых и технических станций и участков следования, их связывающих;

- о технологических операциях, выполняемых на заданном полигоне, и событиях, возникающих при их выполнении;

- о грузоотправителях и грузополучателях, между которыми осуществляются перевозки на заданном полигоне;

- о потоках грузов, предназначенных к перевозкам;

- о подвижном составе, которым эти грузы перевозятся;

- о маршрутах следования вагонов с грузами в составе поездов. Сообщения об операциях с локомотивосоставами (ЛС),

кодификаторы пунктов, операций и грузов необходимы для установления дислокации локомотивосоставов на полигоне управления, а НСИ о маршрутах и временах движения - для определения выполняемых

маршрутов и построения прогнозов выполнения технологических операций.

В технологической модели объекта управления описаны процессы, влияющие на перевозку грузов на полигоне, представлен набор технологических операций и определены контрольные точки, ограничивающие начало или конец операции.

Железная руда на Михайловском ГОКе добывается открытым способом. Добытая руда затем транспортируется собственным железнодорожным транспортом в места ее последующей переработки в готовую продукцию. Аналогичным образом перевозится и пустая порода в виде скальной и рыхлой вскрыши.

Для перевозки на полигоне «Рудный ход» бедной и богатой руды, а также скальной вскрыши, используется общий парк локомотивосоставов. Это означает, что после выгрузки любой локомотивосостав может получить назначение (быть заадресован) на погрузку любого из трех вышеназванных грузов.

Залежи бедной руды на Михайловском месторождении значительно отличаются по ряду технологических параметров (процентному содержанию железа, посторонних примесей, твердости пород и т.д.) Это вынуждает комбинат заниматься шихтовкой бедной руды, то есть смешиванием в определенных весовых пропорциях этой руды, добытой из разных мест природного залегания. Для этого на комбинате используется оригинальная технология шихтовки бедной руды путем задания очередности подачи локомотивосоставов под выгрузку в виде так называемого Графика шихтовки (ГШ). С этой целью все места залегания бедной руды распределены по зонам перегрузки на железнодорожный транспорт так, чтобы в' пределах одной зоны находился только тот продукт, у которого содержание железа с заданной точностью было бы определенным. В ГШ, в свою очередь, указывается, сколько груженых

9

локомотивосоставов, из каких зон и в какой последовательности должно поступать на выгрузку в течение заданного времени (часа, смены).

Процесс перевозки железной руды и вскрыши кольцевыми маршрутами целесообразно представить в виде-набора технологических операций, выполняемых в определенной последовательности. Причем завершение каждой операции фиксируется соответствующей контрольной точкой. Каждая такая контрольная точка имеет название события, которое возникает в результате выполнения той или иной операции и название места возникновения этого события. В результате в процессе перевозки железной и руды и вскрыши было выделено пять видов технологических операций и пять видов контрольных точек, представленных в таблице 1.

Таблица 1

Сведения о контрольных точках и операциях процесса перевозки железной

руды и вскрыши

№ п.п. Контрольная точка Окончание технологической операции Начало технологической операции

Событие Место события

Порожнее плечо рейса

1 Уборка порожнего ЛС с пути выгрузки Место выгрузки Выгрузка груза Обработка ЛС по отправлению

1 Отправление порожнего ЛС Станция выгрузки Обработка ЛС по отправлению Проследование порожнего ЛС по участку

3 Прибытие порожнего Л С Техническая станция Проследование порожнего ЛС по участку следования Проследование порожнего ЛС через станцию

4 Отправление порожнего ЛС Техническая •станция Проследование порожнего ЛС через станцию Проследование порожнего ЛС ' по участку следования

1 2 3 4 5

5 Прибытие порожнего ЛС Станция погрузки Проследование порожнего ЛС по участку следования Погрузка груза

Груженое плечо рейса

6 Уборка порожнего ЛС с пути погрузки Место погрузки Погрузка груза Обработка ЛС по отправлению

7 Отправление груженого ЛС Станция погрузки Обработка ЛС по отправлению Проследование груженого ЛС по участку следования

8 Прибытие груженого ЛС Техническая станция Проследование груженого ЛС но участку следования Проследование груженого ЛС через станцию

9 Отправление груженого ЛС Техническая станция Проследование груженого ЛС через станцию Проследование груженого ЛС по участку

10 Прибытие груженого ЛС Станция выгрузки Проследование груженого ЛС но участку следования Обработка ЛС по прибытию

11 Подача груженых вагонов на пути выгрузки Место выгрузки Обработка ЛС по прибытию Выгрузка груза

Оперативное управление процессом перевозки железной руды и вскрыши осуществляется в форме диспетчирования. Управленческий цикл диспетчера состоит из мониторинга перевозочного процесса, анализа возникающих отклонений и нештатных ситуаций, регулирования движения и ведения графика исполненного движения

. локомотивосоставов.

В математической модели объекта управления описаны отклонения, которые могут возникать в ходе выполнения операций, рассчитываются

действительные времена выполнения операций, рейса и цикла работы локомотивосостава.

Поскольку в качестве объекта управления определен технологический процесс перевозки массовых грузов кольцевыми маршрутами, то с позиций теории управления выполнение каждого рейса

50С], / ~ 1,3 («/- общее количество рейсов СДС КМ) можно

рассматривать как вполне определённую цепочку = {ОО¡2 —> ,.0]г —> ..О} технологических операций

= с известной нормативной длительностью I -г выполнения

каждой, где К^ общее количество операций в ]-м рейсе - SDGJ. Спланированное время начала нормативные длительности tjr

операций О г и спланированное время завершения связаны выражением

В третьей главе определены методы построения подсистемы оптимального планирования, предназначенной для формирования программной составляющей управляющих воздействий на этапе составления календарного плана.

Для расчета оптимального плана заадресовок порожних локомотиво-составов используется класс динамических потоковых моделей под общим названием «Динамическая транспортная задача с задержками» (ДТЗЗ). Это продвинутые в динамическую область разработки Данцига и Конторовича по линейному программированию (ЛП). Исходной является транспортная задача в сетевой постановке. В нее внесена динамика, то есть расчетное время движения с учетом особенностей полигона.

л,-

(1)

Отличительной особенностью динамической транспортной задачи от классической транспортной задачи линейного программирования является рассмотрение перевозочного процесса во времени. Время вводится путем «размножения транспортной сети во времени». Для этого весь интервал планирования разбивается на набор равных «тактов». Операции, выполняемые за один такт, считаются атомарными. Следовательно, каждому узлу транспортной сети можно поставить в соответствие набор узлов размноженной во времени транспортной сети (РТС). Узлы РТС описывают интегральные состояния узлов транспортной сети на протяжении соответствующих тактов моделирования. Подобно узлам, операция размножения во времени применяется и к дугам исходной транспортной сети. В результате дуга РТС рассматривается как перевозка грузов в пространстве (за исключением «виртуальных» дуг запасов и корректировок) и времени.

Для каждого узла РТС вводится набор ограничений. Ограничения можно условно разделить на «смысловые» и «служебные». Основным смысловым ограничением является балансовое ограничение, которое вытекает из принципа сохранения материальных потоков.

Балансировка Д'ГЗЗ производится путем введения виртуальных «перемещений» из узлов РТС п фиктивный узел-потребитель. Таким образом, различие между корректировкой плана производства и потребления и балансировкой задачи заключается в том, что при корректировке производится «разделение» акта производства (потребления) на две части, разнесенные во времени (при корректировке производства «дочерний» акт выполняется ранее исходного в пределах глубины корректировки, для потребления - после). При балансировке же производится уменьшение объема производимого (потребляемого) ресурса для данного акта.

Технология обслуживания мест погрузки и выгрузки накладывает определенные ограничения на количество локомотивосоставов, подаваемых со станции. Такими ограничениями являются: возможность одновре-

13

менной подачи локомотивосоставов на несколько мест погрузки/выгрузки, обслуживаемых одной станцией; количество локомотивосоставов для подачи на место погрузки/выгрузки в конкретный момент времени; возможность самой подачи локомотивосоставов на место погрузки/выгрузки в какой-либо момент времени. Поэтому отображение обслуживания мест погрузки/выгрузки в оптимизационной модели позволяет полнее учесть особенности технологии транспортного взаимодействия между станцией и обслуживаемыми ею местами погрузки/выгрузки.

Технологические операции, которые производятся с локомотивосо-ставом, в модели характеризуют дуги между узлами. Это может быть время хода между станциями полигона. Также в дуге могут отображаться дополнительные операции, которые проходит локомотивосостав в соответствии с технологическим процессом работы (например, подачу, уборку, прохождение ТО и др.). На рис. 1 продемонстрированы составляющие оборота локомотивосостава.

5,- поставщик; 5*2- потребитель; (Т) - узел в момент времени 1; I

] - момент производства груза у поставщика;

^ - момент потребления груза у потребителя;

^ ч - погрузка груза; ^—л - выгрузка груза;

—-транспортировка груженого маршрута; —^ _ транспортировка порожнего маршрута.

Рис. 1. Элементы оборота локомотивосостава

Укрупненно полигон в модели можно представить как совокупность дуг между узлом, моделирующим станцию обслуживания мест погрузки/выгрузки, и узлами, отображающими сами эти места.

Для описания технологических особенностей оборота локомотивосо-ставов в потоковой модели графически отображаются следующие аспекты работы транспорта:

- ограничения пропускной способности дуг погрузки и выгрузки;

- ограничения по объемам хранения груза в узле;

- ограничения по объемам хранения груженых и порожних локомотивосоставов в узле;

- ограничение пропускной способности дуги перевозки;

- ограничение на суммарную пропускную способность дуг перевозок у поставщика;

- моделирование необходимых начальных запасов.

Метод решения основан на сведении прикладной динамической задачи транспортного типа с задержками (ДТЗЗ) к статической задаче в сетевой постановке. Такое сведение осуществляется при помощи разложения динамического потока в статический, и укрупненно состоит из следующих частей:

- разложение динамического потока в статический;

- решение статической задачи;

- преобразование решения статической задачи в решение задачи ДТЗЗ в кольцевой постановке.

В результате решения ДТЗЗ получено оптимальное расписание рейсов порожних локомотивосоставов на исследуемом полигоне, обеспечивающее минимальный простой подвижного состава.

В четвертой главе разработана подсистема оптимального прогнозирования заадресовки локомотивосоставов.

Функцию прогнозирования в цикле управления процессом перевозки железной руды и скальной вскрыши на полигоне предлагается трактовать как средство снятия неопределенности относительно возможного поведения в будущем перевозочного процесса как объекта управления и внешней

16

среды, в котором он находится. При прогнозировании основываются на одном из двух предположений о поведении объекта:

- на сохранении в будущем обнаруженных его закономерностей;

- на предстоящих качественных его изменениях.

Применительно к рассматриваемому процессу интерес представляют оба варианта.

Будем считать, что целями прогнозирования как этапа (функции) управленческого цикла перевозочного процесса, являются:

• замедление процесса «старения» принимаемых решений;

• предупреждение неблагоприятных ситуаций, в которых может оказаться объект прогнозирования.

Такое целеполагание в обоих случаях означает, что управленческое решение, основанное на прогнозе с требуемой точности, не потребуется изменять в ближайшем будущем.

Для перевозочного процесса можно задать различные объекты прогнозирования, в данном случае таковыми предлагается считать локомоти-восоставы. Исходя из такого контекста, прогнозирование перевозочного процесса предлагается трактовать как средство снятия неопределенности относительно возможного места и времени нахождения в будущем названных выше объектов прогнозирования на рассматриваемом полигоне.

Очевидно, что в таком прогнозе присутствуют две компоненты: пространственная и временная. Пространственная компонента задается маршрутами следования локомотивосоставов, следовательно, для нее прогноз строить не надо. Что же касается временной компоненты, то здесь целесообразно интерпретировать перевозочный процесс как технологический, в котором перечисленные выше объекты прогнозирования проходят через соответствующие последовательности технологических операций,' следуя по заданному маршруту. Тогда именно посредством определения возможного в будущем времени начала или завершения этих операций с объекта-

17

ми прогнозирования и должен строиться прогноз. Очевидно, что и то, и другое время однозначно определяется длительностью выполнения операции с объектом прогнозирования, которая, по сути, и является главной и единственной его характеристикой (показателем). При этом как начало, так и завершение любой операции всегда обозначается событием, которое, в свою очередь, должно фиксироваться соответствующим информационным сообщением.

Исходные данные для решения ДТЗЗ представлены схемами общего алгоритма прогнозирования и оптимизации заадресовок локомотивососта-вов на полигоне, алгоритма построения нормативного прогноза образования порожних локомотивосоставов в пунктах их выгрузки (прогноз потребления порожних локомотивосоставов в пунктах их погрузки аналогичен и поэтому не приводится) и алгоритмами подготовки плана производства порожних локомотивосоставов и плана потребления порожних локомотивосоставов.

В пятой главе описаны технологические аспекты работы автоматизированной системы управления. Приведена информация о практическом внедрении результатов диссертационной работы и их экономической оценке. Полученные в исследовании результаты были использованы при создании автоматизированной системы управления движением поездов ОАО «Михайловский ГОК», которая в период опытной эксплуатации позволила получить годовую экономию в размере 6,5 млн. рублей.

Указанная экономия получена за счет снижения простоев локомотивосоставов в ожидании погрузки/выгрузки путем согласования движения с работой погрузочно-разгрузочных фронтов предприятия, в результате чего повышается эффективность использования подвижного состава и сокращается время рейса.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ теоретических исследований и практического опыта перевозок массовых грузов па промышленных предприятиях показал неэффективность существующей системы диспетчерского управления, не решающей важных оптимизационных задач. Поэтому актуальна разработка современных методов, моделей и алгоритмов для построения современных управляющих систем.

2. В настоящем исследовании разработаны научно-методические принципы построения системы автоматизированного управления подводом массовых грузов в производственном цикле на примере горнообогатительного комбината.

3. Предложен метод решения динамической транспортной задачи с задержками, в которой учитывается динамика производства и потребления, динамика запасов и наличие грузов в пути. В работе используется метод динамического согласования в качестве аппарата для построения модели управления кольцевыми маршрутами, выполняющими перевозки массовых грузов на заданном полигоне.

4. В работе обоснована функциональная схема автоматизированной системы диспетчерского управления транспортной системой промышленного предприятия, содержащая следующие функциональные элементы: подсистемы ведения НСИ, оперативного прогноза, оптимального планирования, мониторинга и аиачитическую подсистему; все они на основании данных о топологии полигона и технологических операциях, выполняемых на данном полигоне, позволяют составить рациональный план работы с локомотивосоставами.

5. На основе предложенной в работе модели процессов доставки, а также сведений о заявленных к перевозке объемах грузов и временных ограничений на выполнение технологических операций, разработан технологический алгоритм реализации цикла доставки грузов на заданном полигоне на примере горно-обогатительного комбината.

6. Наряду с циклом планирования, в работе разработана подсистема мониторинга процессов доставки грузов на заданном полигоне, при использовании которой проводится регистрация и последующий анализ временных отклонений в фактическом выполнении процессов доставки от запланированного и нештатных ситуаций, возникших из-за различного рода нарушений процессов доставки. Кроме того, управляющей системой осуществляется прогнозирование дальнейшего хода выполнения процессов перевозки грузов.

Реализация аналитической компоненты основана на построении специализированного информационного хранилища, содержащего историю технологических операций и позволяющего вычислять статистические оценки времён выполнения технологических операций. Данные оценки необходимы для последующего прогнозирования и оптимизации.

7. На основе полученных в диссертации результатов разработана и внедрена автоматизированная система управления движением поездов в ОАО «Михайловский ГОК». Ее применение позволяет повысить качество транспортного обслуживания производственных циклов добычи и усреднения железорудного сырья по качественным характеристикам за счет улучшения использования подвижного состава на промышленном предприятии.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: I. Издания, входящие е перечень рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов кандидатских диссертаций:

1. И.И. Щепаков, A.B. Козуб, С.А. Афонин, Л.Н. Коробков. Развитие транспортной системы комбината/7 Горный журнал. - 2006. - №7.

2. С.А. Афонин. Об одном подходе к автоматизации управления железнодорожным промышленным транспортом на горно-обогатительном комбинате// Вестник ВНИИЖТ. - 2009. - №3.

3. Г.М. Биленко, С.А. Афонин. Об одном из методов отображения взаимодействия производства и транспорта в потоковой модели. // Наука и техника транспорта. - 2011. - № 4.

II. Межвузовские сборники научных трудов, сборники ВИНИТИ, сборники научных статей, труды научно-практических конференций:

4. С.А. Афонин. Организация технологических перевозок ГОК (Оптимизация диспетчерского планирования)// Научная жизнь. - 2009. - №9.

Афонин Сергей Александрович

Рациональная технология диспетчерского управления транспортной системой промышленного предприятия

Специальность 05.22.08 - Управление процессами перевозок

Подписано в печать Ябр^ИО/А- Заказ № ЗВь Формат 60x90/16 Тираж 80 экз. Усл.- печ.л. -1,5

127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИТ

61 -2-5/1665

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» (МИИТ)

На правах рукописи

РАЦИОНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМОЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

05.22.08 - Управление процессами перевозок

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Биленко Г. М.

Москва-2011

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение..............................................................................4

1 Анализ теории и практики управления железнодорожными перевозками грузов....................................................................................6

1.1 Развитие принципов организации процесса перевозок грузов.........6

1.2 Организация управления перевозками грузов железнодорожным транспортом..................................................................................17

1.3 Цель и задачи исследования....................................................26

Выводы по 1 главе................................................................28

2 Принципы построения систем для оптимизации управления подводом массовых грузов.............................................................30

2.1 Принципиальная схема управляющей системы..........................30

2.2 Характеристика объекта управления............................................35

2.3 Технологическая модель объекта управления.............................39

2.4 Математическая модель объекта управления..............................43

Выводы по 2 главе.................................................................44

3 Подсистема оптимального планирования............................46

3.1 Исходные положения...........................................................46

3.2 Построение транспортной сети...............................................46

3.3 Структура ограничений.......................................................48

3.4 Структура целевой функции..................................................52

3.5 Отображение в потоковой модели взаимодействия производства и транспорта......................................................................................53

3.6 Отображение в потоковой модели различных аспектов работы транспорта......................................................................................56

3.7 Метод решения задачи оптимального планирования.....................70

Выводы по 3 главе ...............................................................73

4 Подсистема оперативного прогнозирования........................74

4.1 Исходные положения .............................................................74

4.2 Построение прогноза............................................................74

4.3 Оценка точности прогноза.....................................................77

4.4 Алгоритмы прогнозирования...................................................82

Выводы по 4 главе................................................................87

5 Технология автоматизированного управления движением

поездов на рудном ходу..........................................................................88

5.1 Технологические аспекты функционирования системы управления..88

5.2 Порядок работы с системой....................................................90

5.3 Результаты эксплуатации автоматизированной системы управления....................................................................................101

Выводы по 5 главе...............................................................105

Заключение..........................................................................106

Список использованных источников......................................108

Приложение 1 .....................................................................118

Приложение 2.....................................................................126

Приложение 3.....................................................................158

Введение

Современные требования к качеству транспортного обслуживания экономики не могут быть реализованы без разработки и внедрения специальных технологий и систем автоматизированного управления, призванных оптимизировать параметры взаимодействия владельцев железнодорожных инфраструктур общего и необщего пользования, перевозчиков и операторов подвижного состава, грузообразующей среды.

Переход от существующих АСУ, являющихся, по сути, информационными системами, к управляющим системам, основанным на математических моделях, позволит сделать технологические формы управления более гибкими. Только тогда технология перевозочного процесса железнодорожным транспортом как общего, так и необщего использования сможет обеспечить динамичные, рыночные экономические связи надежными и эффективными транспортными связями [2,58].

Характерной особенностью железнодорожных перевозок массовых грузов, важной для целей данного исследования, является то, что большая часть таких порождается крупными предприятиями, такими как горнообогатительные и металлургические комбинаты, предприятия стройиндустрии. Причем, как правило, эти перевозки осуществляются железнодорожным транспортом как промышленным, так и общего назначения. Такие мощные потоки требуют эффективного управления, снижающего существующие потери как в самом производстве, так и на стыке производства и транспорта.

Указанные требования положены в основу разработанной в настоящей диссертации системы автоматизированного управления подводом массовых грузов в производственном цикле горно-обогатительного комбината. Теоретической основой исследования послужили труды докторов технических наук A.A. Аветикяна, В.М. Акулиничева, В.И.Апатцева, К.А. Бернгарда, Н.Е. Борового, А.Ф. Бородина, В.А. Буянова, П.С. Грунтова, Ю.В. Дьякова, Н.Д. Иловайского, B.C. Климанова, И.Т. Козлова, П.А. Козлова, В.И. Некрашевича,

В.Т. Осипова, А.Т.Осьминина, А.П. Петрова, A.M. Пешкова, Е.А. Сотникова, И.Б. Сотникова, Е.М. Тишкина, Л.П. Тулупова, В.А. Шарова, М.И. Шмулевича, кандидатов технических наук А.Э. Александрова, М.А. Александрова, В.П. Амелина, В.И. Бодюла, A.B. Бугаева, В.К. Буяновой, Ю.В.Былинского, Ф.С. Гоманкова, В.Ф Григорюка, O.A. Жабровой, С.Г. Журавина, Ю.Е. Лукьянова, Н.Г. Мищенко, Ю.А. Негомедзянова, И.П. Новиковой, П.А. Пилипченко, В.Б. Положишникова, A.A. Поплавского, А.Т.Попова, C.B. Трофимова, А.Д. Чернюгова, O.A. Шумской и других исследователей.

Целью настоящего диссертационного исследования является разработка и реализация научно-методических принципов планирования и оперативного управления железнодорожными перевозками массовых грузов осуществляемых при производстве железорудного сырья на базе построения систем автоматизированного управления, основанных на оптимизационной модели.

На защиту выносятся следующие основные результаты исследования:

- принципы построения двухуровневой системы планирования работы кольцевых маршрутов в пределах полигона их обращения, состоящей из решающей и проверяющей частей;

- методика расчета планов работы локомотивосотавов, включающая оптимизационную модель, адаптированную к специфике задачи;

- технология выполнения плана работы локомотивосоставов, реализующая переход от абстрактного слежения к технологическому мониторингу и поддержке принятия решений.

На основе указанных результатов разработана и внедрена автоматизированная система управления движением поездов Управления Железнодорожного Транспорта ОАО «Михайловский ГОК» (АСУ ПД). Ее применение позволяет повысить качество транспортного обслуживания производственного цикла добычи, усреднения по качественным характеристикам и расстановки по пунктам выгрузки железорудного сырья, улучшить использование подвижного состава, повысить эксплуатационную надежность работы полигона обращения кольцевых маршрутов.

1 Анализ теории и практики управления железнодорожными перевозками массовых грузов

1.1 Развитие принципов организации процесса перевозок массовых грузов

Основным способом организации перевозок массовых грузов железнодорожным транспортом общего и необщего пользования является их маршрутизация, когда в пунктах погрузки из вагонов формируются поезда, проходящие попутные технические станции без переработки. В результате ускоряется доставка груза, сокращается потребность в вагонах, снижается себестоимость перевозок [65].

Одной из форм маршрутизации является организация перевозок кольцевыми маршрутами. Перевозка массовых грузов замкнутыми кольцевыми маршрутами способствует более устойчивому обеспечению мест погрузки подвижным составом, значительно повышает сохранность перевозимых грузов, сокращает время на маневровую работу и подготовку вагонов к погрузке. Эффективность организации кольцевых маршрутов достигается, прежде всего, за счет сокращения времени обработки на станции погрузки от прибытия до подачи под погрузку, включая стоимость подготовки вагонов к погрузке. Внедрение кольцевых маршрутов - один из путей решения актуальной задачи по обеспечению погрузочными ресурсами.

Динамика уровней охвата погрузки массовых грузов маршрутизацией (рис. 1.1) показывает, что в современных экономических условиях достаточно высокими остаются уровни маршрутизации перевозок железной руды (более 80%), цветной руды, каменного угля и химических удобрений (более 50%).

Система маршрутизации перевозок грузов с мест погрузки на отечественных железных дорогах базируется на работах [15, 75, 83]. В монографии проф. Н.Е. Борового детально исследованы важнейшие теоретические аспекты: типы маршрутообразования, модели маршрутообразования в процессе погрузки, расчет эффективности маршрутов в

пути следования и на станциях погрузки и выгрузки, планирование и организация маршрутов на участках. Наибольший интерес в данной работе представляют математические модели и методы расчета оптимального плана маршрутизации на основе развернутых планов перевозок формы ГУ-12.

В практике работы железных дорог выработан ряд прогрессивных методов организации маршрутных перевозок [15, 56, 26, 57]. В 1970-80-е гг. получили известность Белорусская система маршрутизации, опыт Прибалтийской и Северной дорог и др. Наиболее известным является Белорусский метод маршрутизации, в основу которого легли следующие положения [ 2]:

- грузоотправители передают дороге право заадресовки вагонов в каждые конкретные сутки тем или иным грузополучателям в соответствии с заявками на отправление грузов. Для этого в товарную контору станции на плановый период передаются перевозочные документы, в которых не проставлены только номер вагона, вес груза и дата отправления (образуется "Банк накладных");

- несколько погрузочных станций объединяют в единый погрузочный комплекс, управляемый одним начальником станции с объединенной товарно-технической конторой;

- группа маршрутизаторов товарно-технической конторы планирует отправление маршрутов с комплекса станций, разрабатывая план маршрутизации и календарный план маршрутной погрузки, обеспечивающие максимально возможное число маршрутов с наибольшей дальностью следования с учетом периодичности отправления грузов и выгрузочных способностей грузополучателей.

1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Период рассмотрения, год

-♦— Каменный уголь -Ш- Руда железная Руда цветная —X— Химические удобрения

-ЭК- Промышленное сырье —•— Цемент —■— Строительные грузы В целом по сети

Рисунок 1.1- Динамика изменения уровней маршрутизации по родам грузов по годам

На современном этапе идеология Белорусского метода маршрутизации получила развитие в узловых центрах управления и транспортного обслуживания (ЦУТО), призванных обеспечить логистическое управление транспортными потоками с применением современных информационных технологий. На Северной дороге было осуществлено согласование подвода маршрутов под выгрузку на одну станцию с разных погрузочных пунктов (для угольных маршрутов). Исходя из общего плана погрузки станций Воркута, Мульда и Инта-2 ежемесячно составлялся календарный план погрузки с таким расчетом, чтобы на станцию выгрузки прибывало не более среднесуточной нормы выгрузки. При этом учитывалось, что уголь на всех трех станциях по своим маркам грузится одним и тем же получателям, расположенным на разных станциях дороги. В технологических процессах станций, отделений и дороги были определены сроки, интервалы подвода порожняка на станции погрузки, время и оптимальные интервалы отправления погруженных маршрутов на одну и ту же станцию выгрузки с тем, чтобы маршруты прибывали на нее равномерно.

В работе [7] подчеркивается, что ранее, когда не проводилась увязка маршрутов по моменту прибытия на станцию, часто на один и тот же выгрузочный фронт прибывала одновременно 2-3-х суточная норма выгрузки грузов, в результате чего маршруты простаивали сутками в ожидании выгрузки. Грузополучатели и станции выгрузки перед наступлением месяца получали копии календарных планов отгрузки в их адрес и обеспечивали своевременную выгрузку маршрутов. Однако согласование подвода маршрутов под выгрузку осуществлялось вручную, без применения средств контроля и оперативного управления.

В практических условиях эффективной формой организации перевозок массовых грузов является кольцевая маршрутизация. Накоплен большой опыт организации кольцевых маршрутов в районах с устойчивыми экономическими связями отправителей и получателей массовых грузов -каменного угля, руды, строительных грузов, нефтегрузов. Ряд работ [29, 53,

54, 78, 66] освещает проблемы организации перевозок грузов кольцевыми маршрутами.

В работе [17] отмечены преимущества кольцевых маршрутов, обращающихся в одном и том же составе между определенными пунктами погрузки и выгрузки:

- создаются благоприятные условия для устойчивого снабжения сырьем мест его переработки;

- обеспечивается постоянное питание пунктов погрузки порожними вагонами необходимого типа;

- сокращается число и продолжительность операций по подготовке вагонов к погрузке и связанные с этим простои вагонов;

- уменьшаются размеры маневровой работы по расформированию и формированию поездов;

- уменьшается загрузка технических станций, связанная с организацией данного вагонопотока.

Кольцевые маршруты являются формой организации вагонопотоков, которую относительно несложно охватить единым контуром оперативно-диспетчерского управления. Это обеспечивает их более высокую сохранность в пути следования.

Необходима увязка перевозки грузов кольцевыми маршрутами с единым технологическим процессом работы станций и подъездных путей, для чего следует составлять графики оборота замкнутых маршрутов, в которых с учетом технологии работы предприятий устанавливают время подачи порожних вагонов под погрузку, продолжительность их загрузки, время прибытия маршрута на предприятие и продолжительность его выгрузки. Обращение кольцевых маршрутов по единому комплексному графику, как показал опыт ряда дорог, можно организовать не только внутри дороги, но и между несколькими дорогами. Однако жесткие графиковые формы организации работы недостаточно учитывают меняющиеся ритмы промышленного производства и неравномерность транспортных процессов.

Исследованию неравномерности функционирования транспортных систем посвящено множество работ [51, 13,19, 42, 20 и др.]. Неуправляемая неравномерность грузопотоков между поставщиками и потребителями влечет за собой значительные экономические потери. Особенно велики они на стыке транспорта и производства.

Для горно-обогатительных и металлургических комбинатов, а также других предприятий с непрерывным производственным циклом, наиболее благоприятным является равномерный подвод грузов. Именно поэтому здесь грузы доставляют кольцевыми маршрутами. Однако и такой способ транспортного обслуживания на практике характеризуется существенными колебаниями основных параметров. Неравномерность, которой характеризуется взаимодействие основных элементов системы перевозок кольцевыми маршрутами (поставщиков, потребителей, транспорта), является в целом неуправляемым, дезорганизующим фактором.

В теории и на практике неоднократно предпринимались попытки снизить негативное воздействие указанного фактора. Получила известность технология «Ритм», хорошо зарекомендовавшая себя на полигоне Южной и Юго-Восточной железных дорог при перевозке руды со Стойленского и Лебединского горно-обогатительных на Новолипецкий металлургический комбинат[17].

Технология «Ритм» предполагает организацию перевозки массовых грузов технологическими маршрутами, то есть целыми составами по расписанию, согласованному с отправителем и получателем (т.е. обеспечивающему работу «по прямому варианту» без промежуточного складирования, что сохраняет, к примеру, до 25% кокса, который в процессе перегрузки частично становится непригодным для производства металла). Для металлургов Липецка система ритмичных поставок являлась естественной необходимостью, поскольку многие производственные процессы выплавки чугуна были рассчитаны на прогрессивную технологию использования сырьевой продукции непосредственно «с колес». Именно

поэтому в проекте НЛМК у доменных печей не предусматривалось иметь складское хозяйство, рудные дворы. Отсутствие «твердых ниток» у железнодорожников заставляло металлургов развивать складское хозяйство, хотя еще в 1978 году МПС СССР принципиально согласовал разработанную НЛМК программу подвоза окатышей, аглору