автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка распределенных систем мониторинга грузовых авиаперевозок

ДУБРОВИН Михаил Александрович

РАЗРАБОТКА РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГ А ГРУЗОВЫХ АВИАПЕРЕВОЗОК Г Б О Л

1 3 НОЯ 7ПП1

Специальность 05.! 3.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученей степени кандидата технических наук

Москва -2000

Работа выполнена на кафедре "Прикладная математика" Московского государственного технического университета гражданской авиации.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Балдин A.B. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Николаев А.Б, кандидат технических наук, доцент Ревунков Г.И.

Ведущая организация: ГВЦ ГА

Защита диссертации состоится «__» июня 2000 года в__часов

на заседании диссертационного совета__в Московском государственном

техническом университете гражданской авиации (адрес: 125838. Москва. Кронштадтский бульвар, 20).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА

Автореферат разослан "_" мая 2000 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Л.Г'. Романов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Борьба авиапредприятнй за привлечение большего объема грузовых операций, осуществляемых гражданами и предприятиями, растущая конкуренция как со стороны новых, так и традиционных средств транспорта заставляют международных авиаперевозчиков искать альтернативные источники дохода, верифицировать свою деятельность.

Работа в новых условиях невозможна без кардинального изменения систем контроля за грузовыми авиаперевозками.

Особое внимание следует уделять факторам. которые вызывают необходимость создания таких систем. Задачи, которые возникают и решаются в настоящее время в создающейся системе международных грузовых авиаперевозок, касаются, прежс -всего, оптимизации магистральных перевозок грузов.

В публикациях на данную тематику особое внимание уделяется будущей интеграции этого вида перевозок в рамках Единой Европы. Обсуждаются проблемы конкуренции с перевозкой грузов традиционными видами транспорта. Считается, что новая стратегия грузовых авиаперевозок заключается в изменении форм и способов доставки авиагрузов. Стратегия базируется на укреплении материальной базы доставочной службы, модернизации ее технических средств, расширении гаммы предоставляемых услуг.

Большое внимание за рубежом уделяется опережающим научно-исследовательским работам в области управления грузовыми авиаперевозками. Основанием для них являются планы и приоритетные направления развития рынка грузовых авиаперевозок.

Новые услуги базируются на скорости перевозки грузов, гле им придается "экспресс", "приоритетный" и "экономический" статус. Вводится планирование предоставляемых услуг. Среди этих услуг разработана новая концепция службы авиаперевозок, близкая к концепции мобильной почты. Проводятся локальные эксперименты по организации выделенной доставки грузовых отправлений в строго определенные сроки. Новый, более высокий уровень обеспечивается локальными и национальными информационными

системами. Интегрированные компьютерные системы обеспечивают обработку информации с целью контроля и управления производственными процессами обработки и пересылки грузовых отправлений на местном уровне и в масштабах страны.

В развитых странах одновременно сосуществуют различные виды грузовых перевозчиков. В основном это негосударственные компании, часть которых носит транснациональный характер. Филиалы и отделения международных компаний делают настойчивые попытки укорениться и в нашей стране. Особой, почти свободной ст конкуренции нишей предоставления транспортных услуг стало расширение функций службы "заказа авиадос1авки товаров".

Подход к задаче мониторинга грузовых авиаперевозок в современных условиях отличен от традиционного подхода. Это связано с революцией в системах передачи данных. Если раньше только крупные транспортные узлы оснащались системами пакетной обработки и передачи информации, то теперь даже маленький аэропорт провинциального городка имеет неограниченный доступ к сети Интернет и в состоянии приобрести необходимое оборудование для автоматизированной идентификации грузовых отправлений и использовать, например, штриховое кодирование грузов или радиокодирование.

Задача мониторинга грузовых перевозок легко накладывался на уже подготовленные транснациональные структуры обмена информацией Интернет. Резко снижены требования к оснащению пунктов сбора и обработки информации,- Возможно использование "тонких клиентов". Автоматически сняты вопросы по обновлению программною обеспечения за счет его исполнения на центральном сервере системы. Пропускная способность каналов связи в структуре передаваемых данных не является сдерживающим фактором развития подобных систем. Требования к предварительной подготовке персонала заметно снижены.

Опережающее развитие теоретических методов необходимо при проектировании наукоемких управленческих технологий, к которым можно отнести и мониторинг грузовых авиаперевозок. Проблемы, которые при этом решаются в литературных источниках, относят к интеллектуальным автоматизированным управпяющим системам.

В авиаперевозках, вместо построения маршрута по точкам, не имеющим логической сиячи между собой, необходимо строить маршрут, имея в качестве элемента - "атома" пару пунктов с определенной последовательности обслуживания для них.

Реализация проекта системы мониторинга грузовых авиаперевозок в одной, отдельно взятой транспортной компании, позволяет построить прообраз распределенной системы слежения за грузовыми отправлениями, которая впоследствии может быть использована в условиях Гражданской Авиации.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка эффективных методов автоматизированного управления грузовыми звиаперевозками авиакомпании на основе анализа специфических задач и построения соответствующих алгоритмов, способных действовать в режиме реального времени, а также повышения эффективности использования авиа и автотранспорта предприятий путем разработки и внедрения математического эбеспечения и технических средств автоматического определения местоположения подвижных единиц при управлении транспортно-гехнологическими системами.

Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих

(адач:

1. произвести обзор и анализ существующих способов автоматизации при управлении транспортом. Оценить значимость автоматического определения местоположения подвижных единиц в автоматизированных системах управления;

2. исследовать модели и алгоритмы определения местоположения подвижных единиц на множестве траекторий для различных типов задач, выбрать универсальный алгоритм;

3. разработать структуру технических средств системы определения местоположения транспортных средств и алгоритмы взаимодействия элементов системы между собой;

4. разработать программное обеспечение для вычислительного комплекса системы контроля, обеспечивающее определение местоположения подвижных элементов грузовых отправлений;

-ь-

5. осуществить внедрение и опытную эксплуатацию разработанной системы;

6. произвести оценку работоспособности и эффективности предложенной системы.

Методы исследования. В работе использованы следующие метлы исследований теории автоматического управления и системного анализа, дискретной математики, теории графов, теории множеств, математического моделирования информационно-управляющих систем.

Научная новизна полученных результатов.

1. Разработан метод определения местоположения грузовых отравлений по координатам контрольных точек.

2. Предложена система параметров идентификации местоположения грузов по координатам контрольных точек

3. Разработан алгоритм системы конфоля прохождения обьекими конт рольных точек на траектории движения.

4. Разработана многоуровневая структура программно-технических средств, обеспечивающая определение местоположения подвижных объектов в составе системы управления транспортно-технологическими комплексами.

5. Разработана методика отладки математического обеспечения систем управления объектами в реальном времени, основанная на принципе полунагурного моделирования.

Практическая значимость.

1. Разработано математическое обеспечение для управляющего комплекса системы, позволяющее определять местоположение грузовых объектов на транспортной сети.

2. Разработана структура программно-технических средств, позволяющая при эксплуатации системы управления создавать базу данных для

анализа работы транспортно-технологических систем в режиме реального времени. 3. Разработана техническая документация для внедрения системы мониторинга грузовых авиаперевозок.

Реализация результатов работы. Система мониторинга грузовых авиаперевозок внедрена в эксплуатацию в ЗЛО "Олл Старз"(Россия, Домодедово). Экономический зффек! выражается в юм, чю при с>щес|в>юшсм парке транспортных средств пропускная способность авиатранспортной :истемы увеличилась на 15%. Эффект получен за счет оперативного управления авиатранспортом, сокращения времени простоя при задержках в обработке руза, сокращения расходов по поиску утерянного груза. Фрагменты системы шедреиы в компании «База-Строй», аэропорт «Домодедово», компании «Глобач !>рейт» и в компании Аль Сабайя (Дубай, ОАЭ).

\пробация работы. Основные положения диссертационной работы (окладывапись и обсуждались на:

1. Международной научно-технической конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации". МГТУГА 1996

■ год.

2. Заседании кафедры ВМК.СС МГТУГА.

3. Заседании кафедры "Прикладная математика" МГТУГА.

4. Совете директоров группы компаний "Олл Старз".

[убликации. По теме диссертации опубликовано 4 работы: Структура работы. Диссертация изложена на 112 страницах машинописного ексга, содержит 15 рисунков, приложение и состоит из введения, четырех глав, ыводов и библиографического списка.

СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы. Формулирую]с: цели и задачи исследований, приводится перечень основных результатов выносимых на защиту.

В первой главе "Анализ состояния проблемы мониторинга грузовы; авиаперевозок" проанализированы современное состояние и перспективь развития систем мониторинга грузовых авиаперевозок, рассмогрень существующие методы мониторинга и выявлены их недостатки, выбран; модель принятия решения.

Типичный вариант обработки авиагруза представлен на рисунке.

СЧ!

(X

сИ

о и

авто

тгег

Установлено, что в отличие от существующих систем мониторинга

перевоюк, система. необходимая для авиакомпании должна пеню п. ряд

специфических задач:

!. сбор исчерпывающей информации о перевозимом грузе и его владельце:

2. обеспечение 100% доставки груза к получателю;

3. получение информации о структуре грузового потока (количество мест груза в грузовой партии, грузовых партий в рейсе, количестве пунктов транзитной обработки, необходимости спецобработки);

4. разработка локальных версий программного обеспечения согласно требованиям страны пребывания;

5. контроль за обеспечением безопасности полета;

6. выполнение технологических операций в строго отведенные промежутки времени.

Для решения этих задач предложен вариант системы мониторинга грузовых авиаперевозок, основанный на маркировке каждого элемента грузовой партии биркой, приспособленной для автоматической или полуавтоматической обработки и способах определения местоположения объектов на транспортов сети.

Предложенная система должна решать следующие задачи:

1. определения местонахождения элемента грузового отправления в любой момент времени;

2. определения соответствия движения грузового элемента установленному графику и маршруту;

3 передачи дополнительной информации по специальным грузам;

4. выработки и передачи на контрольные точки необходимых управляющих воздействий.

Из возможных вариантов перевозки авиагрузов анализу подверглись три основные варианта работы авиакомпании:

Работа по фиксированной схеме. Авиакомпания обладает на отдельном направлении всем необходимым набором перевалочных пунктов. Груз проходит через контрольные точки в одном, и только одном направлении и в строгой последовательности. Единственным параметром, подлежащим контролю, является время прохождения контрольных точек;

Работа по известному ма{зшр\ гу движения. На нескольких направлениях (подчас взаимопересекающихся) известны траектории движения определенных грузов, то есть груз вышедший из одной точки по общей сети перемещения груза попадет в другую, тоже заранее известную;

Работа в режиме слежения за грузами. Груз может попасть из любой точки транспортной сети в любую другую.

Проведенный анализ состояния проблемы мониторинга грузовых авиаперевозок показал актуальность построения автоматизированной системы, определил перечень решаемых задач. С учетом сферы использования системы выдвинуты дополнительные требования, связанные с особенностями технологических процессов, типами используемых воздушных судов, характером перевозимого груза и формами документооборота.

Вторая глава "Разработка моделей и алгоритмов определсни местоположения подвижных объектов на множестве траекторий" посвящен разработке методики построения моделей функционирования транспорте«.! сетей и мониторингу подвижных объектов на них.

Предложены следующие принципы решения задачи:

• комплексный подход к задачам оперативного управления, включающш согласованность организационных, технических и математических решений

• использование принципа декомпозиции вычислительной системы на основ модели распределенной вычислительной сети;

• последовательное применение принципов распараллеливани. вычислительных процессов.

Предлагаемый способ определения местоположения подвижны; объектов (элементов грузового отправления) обуславливает использовать электронной системы, в основе которой лежит принцип фиксирования пути П( контрольным точкам транспортной сети.

Для однозначного определения местоположения объекта н: транспортной сети предложена собственная система координсп. Он: основывается на фиксировании технологической операции, ко юра: производится над объектом. Положение X определяется парой параметров -кодом контрольной точки Р и виртуальной координатой технологически! операции (?.

Предложена многоуровневая структура построения систсмь мониторинга грузовых авиаперевозок, которая включает в себя;

!. контрольные точки - пункты контроля, снабженные сканерам» штриховых кодов, которые устанавливают на линиях движенш объектов;

2. аппаратура регионального центра сбора информации с пунктов контроля которая по запросу производит передачу этой информации н; центральный диспетчерский пункт (ЦЦП);

3. аппаратура ЦЦП, реализующая алгоритмы запроса, функции прием; информации и алгоритм определения местоположения объектов Аппаратура ЦЦП является синхронизирующим устройством все» системы.

ПОРЯДОК ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ

Базовым алгоритмом этой системы является алгоритм работы систем! сбора информации - циклический опрос всех объектов и получение от ни: информации контрольных точек.

Для успешного функционирования предлагаемого способа необходим; правильная установка контрольных точек и введение собственной системь координат. Система координат базируется на возможности однозначной определения положения контрольной точки на основе ее кода.

Транспортная сеть представляется в виде графа. Граф С задаете множеством контрольных точек, соответствующих вершинам графа XI,Х2, ... * (которое обозначим через X) и множеством траекторий движения груза П,П, .. Г|п (которое обозначим через К), соединяющих между собой все или част контрольных точек. Таким образом, граф С полностью задается ( обозначается) парой (Х,Р).

Ребра пей ориентированы. Направления стрелок совпадают направлением передвижения груза по транспортной сети.

Каждый элемент грузовой партии проделывает по транспортной ссп некоторый путь, который соответствует ориентированному маршруту на графе в котором конечная вершина всякой дуга, отличной от последней, являете начальной вершиной следующей. Траектория (обозначим его Щ) определяете последовательностью точек и дуг. Перекрестки сети можно рассматривать ка: точки пересечения траекторий Хк = и Нь Так как в точках пересечены: объекты могут переходить с одной траектории на дру| >ю. го для однозначное п определения местоположения необходимо знать в какой точке ■ рафа находию: объект и как он там оказался.

Для удобства обработки модели используем матричную форму записи графа. Матрица смежности полностью определяет структуру графа. С ее помощью определяются полустепени исхода и захода каждой вершины, а также наличие и длина пути между вершинами.

На транспортной сети можно выделить траекторию Я;, проходящую через ряд точек. В модели ей соответствует ориентированная цепь, то есть каждая дуга используется не более одного раза. Более того, эта ориентированная цепь является простой, так как в нашей модели каждая вершина графа

используется только один раз. Для реализации алюритма по определению местоположения, необходимо построить информационную модель траектории.

При движении по Rj подвижный объект пересекает зоны контрольных точек в последовательности, которую можно записать в виде множества 1' кодов этих датчиков-.

Pj=<P,b>, где Р - множество кодов контрольных точек-

b - упорядоченность

Виртуальная координата контрольной точки q! - есть описание технологической операции, произведенной над объектом в точке контроля. Для траектории Rj множество виртуальных координат будет выглядеть:

Q = {Q1

Взаимооднозначные множества Р и Q являются информационной моделью траектории движения из множества R. В общем виде информационная модель W одной траектории представляет собой совокупность линейных массивов Р и Q. ,

W =М }

р =<Р,'РИ......р,' PJ

Q =ч-Чг<.....ч......qJ

В работе показано, что решение залами tro определению честпоюжения объекта - есть вычисление его абсолютного положения L .

Значение виртуальной координаты q. coorBeicmjcr коду контрольной точки из множества Р, поступившему на ЦДЛ. Область определения L не включает отрицательные числа, поэтому условие L < 0 можно рассматривать как признак того, что местоположение объекта не определено.

Полная математическая запись вычисления L с учетом условий представляет собой следующую систему уравнений:

I:

X - Г (Р.) Ъ Ч,.

при ¡с|1,к|.

гле X - контрольная точка, определяемая Р посредством функционального преобразования Г: Р

Согласно выше приведенной системе уравнений, Ь будет иметь значение, удовлет воряющее области определения [0,Г<|, только в той случае, если код контрольной точки, полученный от объекта, принадлежит множеству Р.

В общем случае, принцип определения местоположения объекта на транспортной, сети заключается в фиксации на 1ДДП двух смежных контрольных точек, зону которых по мере движения пересекает объект. Виртуальная координата от начала траектории последней в паре точки укажут на точное местоположение объекта, а пара точек определит ориентированное пебро графа, то есть укажет направление движения объекта.

Фиксация двух смежных контрольных ючек основывается на юм, ч ю три циклическом поступлении информации на ЦДП будут иметь мест две ;межные координаты от одного объекта с разными кодами контрольных точек . Эту ситуацию можно записать так:

■де р ир - коды контрольных точек, поступившие от объекта в цикле

Определение осуществляется согласно следующей системе уравнений:

После определения его начальной позиции, вычисление Ь в юследующих циклах с учетом того, что текущий индекс I на множестве Р и О [звестен из вычислений в предыдущем цикле. Два варианта вычисления

Р. "Р..,

с и цикле с+1 соответственно.

Р,*Р„.

при I е ¡1, к|

текущей позиции объекта на траектории обуславливается тем. что может поступить кодограмма с тем же кодом контрольной тачки, что и в предыдущем цикле, а может быть с кодом следующего.

Так как у нас имеется Ь - координата объекта в предыдущем цикле. 7о даже при коде двухсторонней контрольной точки не требуется смежная.

Разработан алгоритм, обеспечивающий определение местоположения объектов при движении по одной траектории, информационной моделью которой являются множества {Р} и ¡0).

Показано, что задачи по определению местоположения объектов на множестве траекторий могут быть трех тиноп:

1. объекты движутся по заранее известным траекториям (организация перевозок по замкнутому циклу с известными напралепиями движения );

2. каждый объект движется по любой из известных траекторий. Переход с одной траектории на другую невозможен (организация перевозок по замкнутому циклу, направление движения объекта выбирается из множества возможных направлений);

3. объекты движутся по любым возможным траекториям на транспортной сети (организация перевозок по открытому циклу).

Для решения задачи первого типа достаточно дополнить таблицу соответствий идентификаторов объектов с траекторией их движения. Заданные траектории движения описываются аналогично траектории

В общем виде для транспортной сети с множеством траекторий информационная модель будет иметь вид:

В первом случае:

Во втором-

где Ь с-,1 е ч к ¡.

и

р„ р,г

рг, р21

м-

р„ р„

р„, Р-,

ч„

ч2, ч*

ч„ ч„

Ч- Ч„г

р.,

р,

Рт) %

ч, ч„

!

Р..-». Р|(Ы|

Р т{Ьл>)

Чци) Чг(к!)

Ч„м

Чт(кт |

*де к) - количество кодов контрольных точек а последовательности для ^-ой траектории; ш - число заданных траекторий на транспортной сети.

Так как по идентификатору обьекта однозначно определяется И) раектория, по которой он движется, то формулы определения Ь будут налогичны формулам для одной траектории.

X =Р <р„>

при )е|1,ЦВ)1

в случае определения местоположения по двум смежным контрольным

при ¡<Н1,к<П)1

Вычисление текущей позиции объекта на транспортной сети будет .тглядеть следующим образом:

х,„=х,

и для смены контрольной точки:

х..=х. и.

где 6 |ЬС.Ч1|.

Задачи по определению местоположения второго типа отличаются от задач первого типа тем. что отсутствует информация, по какой из заданных траекторий движется объект. Таким образом, эта задача сводится к идентификации траектории движения, а затем к определению местоположения объекта но способу для задачи первого типа. Если проанализировав информационную модель для множества траекторий (Й) можно установить, что существуют контрольные точки, принадлежащие только множеству, описывающему одну определенную траекторию траектории. Значит, если информация, пришедшая на ЦДП. будет содержа п. код контрольной шчкн. принадлежащей только одной траектории, идентификатор траектории будет найден.

Траектория движения объекта будет определена только тогда, когда на ЦДП зафиксируется комбинация смежных контрольных точек, которая принадлежит одной и только одной траектории из числа заданных.

Однако, если траектория не является контрольной, то в ряде случаев, используя принцип вычисления Ь по одной контрольной точке или двум смежным, можно определить местонахождение объекта до того, как будет определена траектория, по которой объект движется .

При этом, К| будет соответствовать траектории, на участке которой находится объект в данный момент времени

В этой системе уравнений И] присваивается значение первой траектории, на которой присутствует код контрольной точки, равный коду поступившею на

при И 6 [1, т|, где ¥г: Р->1*

ЦДП.

При не соответствующей области определения Ъ, значение Ь - не

определяется.

Если участок, на котором определено местоположение объекта, принадлежит нескольким траекториям, то Ь будет иметь несколько значений, соответствующих этим траекториям. При дальнейшей обработке параметров Ь и эти значения дадут одно положение на транспортной сети. Поэтому для определения местоположения достаточно одного значения 1> для соответствующей 1?) траектории. Таким образом, хотя (?) может не быть истинной траекторией движения объекта, местоположение его определяется однозначно.

При смене контрольной точки местоположение объекта Ь определяется лишь в том случае, если новый код удовлетворяет траектории И) Поэтому для смены кола контрольной точки получим систему уравнений:

■Х.„ = Р<р,н>

Если при начальном определении местоположения объекта будет »ответствовать истинной траектории движения объекта, то и в дальнейшем контроль над объектом будет производиться подобным образом.

Таким образом, во второй главе показаны способы определения местоположения объектов на транспортной сети. Предложены методы ,'скорения обработки поступающей информации с помощью определения :раектории движения объекта.

В третьей главе сформулированы требования и предложены подходы к >азработке программного обеспечения системы мониторинга грузовых щиаперевозок. Учитывая, что система должна работать в режиме реального |ремени и быть устойчивой к разнородным сетям передачи данных ^гарантированного качества проведена структуризация и выделены уровни |ерзрхии.

На первом (высшем) уровне иерархии находится центральный шспетчерский пункт (ЦДП). Он выполняет общее управление системой,

iü

поддерживает целостность базы данных, решстрируст и аннулируе! учль следующей системы иерархии. Также на этом уровне исполняются наиболее важные процессы системы, например системное время, поддержка имен пользователей, права доступа, синхронизация и репликация данных.

Па втором уровне (уровне региональных представительств) производится сбор информации от элементов третьего уровня иерархии, производится ее локальная обработка. Информация, необходимая для функционирования 1ЩП передается по каналам связи.

Третий уровень иерархии полностью совпадает с сетью контрольных точек. На этом уровне собирается вся информация об идентификаторах грузов времени их контроля.

Предложена структура и алгоритмы управляющих программ системы мониторинга грузовых авиаперевозок и методика разработки управляющих программ. Произведена оценка максимально возможного времени принятия решения системой мониторинга грузовых авиаперевозок. Описан порядок работы программного обеспечения.

В работе показан способ построения системы реального времени на основе квантования времени отдельных операций. Определены кванты времени, необходимые для обслуживания средствами системы всех технологических операций над грузом на основе требований к быстротействию и струкпрс алгоритмов ■ систем реального времени. Предложены парамефы посфоення многофункциональной многоуровневой системы с учетом использования разнородных сетей передачи данных.

Программное обеспечение системы мониторинга грузовых авиаперевозок реализовано на основе программных продуктов компании Microsoft. В качестве операционной системы рабочих станций использовались системы Microsoft Windows 95 и 98. Проведено тестирование программного обеспечения системы MS Windows 2000. В качестве программного обеспечения сервера использовалась система MS Windows NT 4.0. Обработка собранной информации на уровне региональных центров проводилась программным обеспечением, реализованным на Microsoft Access 2.0. Специальная обработка проводилась процедурами написанными на Access Basic.

Введение

Глава 1. Анализ состояния проблемы автоматизации мониторинга грузовых авиаперевозок.

1.1. Характеристика объекта управления

1. 2 . Обзор существующих систем автоматизации 19 мониторинга перевозок

1. 3 . Классификация способов и средств определения местоположения транспортных единиц

Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка моделей и алгоритмов системы мониторинга грузовых авиаперевозок.

2.1. Основные принципы решения задачи 33 мониторинга грузовых авиаперевозок.

2.2. Разработка принципов решения задачи 34 мониторинга грузовых авиаперевозок

2.3. Создание сети контрольных точек. 3 б

2.4. Алгоритм нахождения подвижного объекта на 47 транспортной сети

Выводы по главе 2.

Глава 3. Реализация системы мониторинга 52 грузовых авиаперевозок

3.1. Структура системы мониторинга грузовых 52 авиаперевозок

3.2. Требования к системе мониторинга грузовых 64 авиаперевозок

3.3 Выбор операционной системы

3.4.Выбор аппаратного обеспечения

3.5.Полунатурное моделирование системы 74 мониторинга грузовых авиаперевозок

3.6.Описание функционирования системы 80 мониторинга грузовых авиаперевозок

Выводы по главе

Глава 4. Опытная эксплуатация системы мониторинга грузовых авиаперевозок и оценка ее эффективности

4.1.Описание реализованной системы мониторинга грузовых авиаперевозок 4.2.Оценка результатов опытной эксплуатации системы

4.3. Результаты внедрения системы мониторинга

Борьба авиапредприятий за привлечение большего объема грузовых операций, осуществляемых гражданами и предприятиями, растущая конкуренция как со стороны новых, так и традиционных средств транспорта заставляют международных авиаперевозчиков искать альтернативные источники дохода, верифицировать свою деятельность.

Работа в новых условиях невозможна без кардинального изменения систем управления грузовыми авиаперевозками.

Особое внимание следует уделять факторам, которые вызывают необходимость создания таких систем. Задачи, которые возникают и решаются в настоящее время в создающейся системе международных грузовых авиаперевозок, касаются, прежде всего, оптимизации магистральных перевозок грузов.

В публикациях на данную тематику особое внимание уделяется будущей интеграции этого вида перевозок в рамках Единой Европы. Обсуждаются проблемы конкуренции с перевозкой грузов традиционными видами транспорта. Считается, что новая стратегия грузовых авиаперевозок заключается в изменении форм и способов доставки авиагрузов. Стратегия базируется на укреплении материальной базы доставочной службы, модернизации ее технических средств, расширении гаммы предоставляемых услуг.

Большое внимание за рубежом уделяется опережающим научно-исследовательским работам в области управления грузовыми авиаперевозками. Основанием для них являются планы и приоритетные направления развития рынка грузовых авиаперевозок.

В направлении развития грузовых операторов выделяются новые услуги, которые приобретают статус "универсальные службы", "зарезервированные службы" и тому подобные.

Новые услуги базируются на скорости перевозки грузов, где им придается "экспресс", приоритетный" и "экономический" статус. Вводится планирование предоставляемых услуг. Среди этих услуг разработана новая концепция службы авиаперевозок, близкая к концепции мобильной почты. Проводятся локальные эксперименты по организации выделенной доставки грузовых отправлений в строго определенные сроки. Новый, более высокий уровень обеспечивается локальными и национальными информационными системами.

Интегрированные компьютерные системы обеспечивают обработку информации с целью контроля и управления производственными процессами обработки и пересылки грузовых отправлений на местном уровне и в масштабах страны.

В развитых странах одновременно сосуществуют различные виды грузовых перевозчиков. В основном это негосударственные компании, часть которых носит транснациональный характер. Филиалы и отделения международных компаний делают настойчивые попытки укорениться и в нашей стране. Особой, почти свободной от конкуренции нишей предоставления транспортных услуг стало расширение функций службы "заказа авиадоставки товаров". Так, например, в Дубае (ОАЭ) предусматривается работа авиатранспортных компаний при крупных торговых центрах.

Большое количество клиентов экспресс перевозок заставляет обратиться к опыту, накопленному Федеральной почтовой службы России.

Проблемам перевозки авиагрузов давно уделялось большое внимание ведомственными научными коллективами.

Первыми среди работ, посвященных моделям и методам решения оптимизационных задач в отрасли почтовой связи, были работы В.А.Барсука [3,4,5]. В них использовались разные экономико-математические методы в применении к задачам обработки грузовых отправлений.

В.В.Добролюбовым [6,7] был применен алгоритм кратчайших путей с максимальной пропускной способностью и с минимальным числом транзитных путей для решения задачи распределения потоков грузовых отправлений. Для этого были разработаны оптимизационные модели магистральной сети перевозки грузов без учета пропускных возможностей элементов сети. Удачно использован метод релаксации ограничений в совокупности с методом компактного обращения матриц.

В работах В.А.Князютенкова [8,9] исследовалась возможность применения алгоритмов построения дерева кратчайших путей Дейкстры для решения задачи построения планов перевозки по магистралям.

В работе В.А.Педяша [10] аналогичная задача решалась двухкритериальным методом.

Исходными данными для всех этих задач являются потоки грузовых отправлений. В части работ [11,12] разработаны их вероятностные модели.

Вероятностные модели применялись для разработки планов перевозки грузов при централизованном и децентрализованном методах ее обработки.

В своих работах В.Н.Семенов предложил математические модели задач маршрутизации перевозок в крупных городах. Эти модели были необходимы для решения ряда задач методом ветвей и границ с использованием матрицы аффинностей и матрицы функций выигрышей.

Характеризуя в целом перечисленные работы, можно утверждать, что до настоящего времени рассматривались статические задачи большой размерности для построения маршрутов развозки грузов. Построенные планы перевозки предполагалось использовать длительное время, вплоть до момента возникновения изменений во внешней среде.

Единственным динамичным фактором была неравномерность во времени потоков грузов и связанная с этим возможность перегрузки транспортных средств. Данные условия, если и выдвигали требования к производительности алгоритмов и компьютеров, то они были связаны в первую очередь с размерностью задачи, а отнюдь не с необходимостью работы в режиме реального времени.

В задачах, применительно к грузовым авиаперевозкам, на первое место выдвигаются требования своевременности получения решения, а размерность задач маршрутизации не накладывает серьезных ограничений на современные персональные электронные вычислительные машины (ПЭВМ).

Подход к задаче мониторинга грузовых авиаперевозок в современных условиях отличен от традиционного подхода. Это связано с революцией в системах передачи данных. Если раньше только крупные транспортные узлы оснащались системами пакетной обработки и передачи информации, то теперь даже маленький аэропорт провинциального городка имеет неограниченный доступ к сети Интернет и в состоянии приобрести необходимое оборудование для автоматизированной идентификации грузовых отправлений, например, штриховое кодирование грузов или радиокодирование.

Задача мониторинга грузовых перевозок легко накладывается на уже подготовленные, условно бесплатные транснациональные структуры обмена информацией - Интернет. Резко снижены требования к оснащению пунктов сбора и обработки информации. Возможно использование "тонких клиентов". Автоматически сняты вопросы по обновлению программного обеспечения за счет его исполнения на центральном сервере системы. Пропускная способность каналов связи с учетом известной доли консерватизма в структуре передаваемых данных не является сдерживающим фактором развития подобных систем. Требования к предварительной подготовке персонала заметно снижены.

Опережающее развитие теоретических методов необходимо при проектировании наукоемких управленческих технологий, к которым можно отнести и мониторинг грузовых авиаперевозок. Проблемы, которые при этом решаются в литературных источниках, относят к интеллектуальным автоматизированным управляющим системам.

Комплексная задача автоматизации управления грузовыми авиаперевозками решается на стыке нескольких научных направлений:

1. Модели коллективов вычислителей, с ориентацией на использование технологий распределенной обработки данных.

2. Построение параллельных алгоритмов известных решений задач мониторинга.

3. Разработка новых методов декомпозиции.

Следовательно, необходимо выработать совершенно новый подход к решению традиционных задач. В авиаперевозках одно и то же транспортное средство получает и выдает груз, следовательно, вместо построения маршрута по точкам, не имеющим логической связи между собой, необходимо строить маршрут, имея в качестве элемента - "атома" пару пунктов, да еще и с определенной последовательностью обслуживания для них.

Остро встал вопрос, который обычно опускается при рассмотрении проблемы в научной литературе по маршрутизации транспортных средств - это построение матрицы кратчайших расстояний между пунктами. Если ранее при закрепленных на местности пунктах обмена грузами такая задача часто решалась чисто экспериментально, посылая воздушное судно, то по одному, то по другому маршруту, в авиаперевозках, в которых число возможных пунктов обмена грузами равно количеству аэропортов, необходимо искать другие методы.

Одним из методов решения задачи маршрутизации авиаперевозок является использование географических информационных системы (ГИС), представляющих пространственные базы данных с поддержкой топологии, что позволяет отслеживать и использовать такие свойства картографических объектов, как направление линий, направление обхода контуров и их замкнутость, связность объектов, их соседство и прилегание. Реальные ГИС используют эти свойства для определения кратчайших маршрутов между объектами с учетом всевозможных ограничений и др.

Реализация проекта системы мониторинга грузовых авиаперевозок в одной, отдельно взятой транспортной компании, позволит построить прообраз распределенной системы слежения за грузовыми отправлениями, которая впоследствии может быть использована в условиях гражданской авиации.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методов автоматизированного управления грузовыми перевозками авиатранспортной компании на основе анализа специфических задач грузоперевозки, построения распределенной вычислительной сети и алгоритмов ее работы в режиме реального времени, для повышения эффективности использования авиа и автотранспорта предприятий за счет автоматического определения местоположения подвижных единиц при управлении транспортно-технологическими системами.

Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих задач:

1. Произвести обзор и анализ существующих способов автоматизации при управлении транспортом.

Оценить значимость автоматического определения местоположения подвижных единиц в автоматизированных системах управления.

2. Исследовать модели и алгоритмы определения местоположения подвижных единиц на множестве траекторий для различных типов задач, выбрать оптимальный алгоритм по критериям быстродействия и универсальности.

3. Разработать структуру и выбрать технические средства системы определения местоположения транспортных средств и алгоритмы взаимодействия элементов системы между собой.

4. Разработать структуру и алгоритмы вычислительного комплекса системы контроля, обеспечивающее автоматическое определение местоположения подвижных элементов.

5. Осуществить внедрение и опытную эксплуатацию разработанной системы. Произвести оценку работоспособности и эффективности предложенной системы.

Методы исследования. В работе использованы методы исследований теории автоматического управления и системного анализа, математического моделирования информационно-управляющих систем, элементов автоматики и вычислительной техники, теории множеств, теории графов.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Разработан метод определения местоположения грузовых отправлений по координатам контрольных точек.

2. Предложена система параметров идентификации местоположения грузов по координатам контрольных точек.

3. Разработан алгоритм системы контроля прохождения объектами контрольных точек на траектории движения.

4. Разработаны многоуровневая структура программно-технических средств, обеспечивающих автоматическое определение местоположения подвижных объектов в составе системы управления транспортно-технологическими комплексами в режиме реального времени.

5. Предложена методика отладки программного обеспечения систем управления объектами в реальном времени, основанная на принципе полунатурного моделирования.

Практическая значимость:

1.Разработано программное обеспечение для управляющего комплекса системы, обеспечивающее определение местоположения объектов в режиме реального времени

2.Разработана структура программно-технических средств, позволяющих при эксплуатации системы управления создавать базу данных для анализа работы транспортно-технологических систем в режиме реального времени.

3.Разработано программное обеспечение для терминалов сбора данных Ы1рропс1епзо ВНТ 4000.

4. Разработана техническая документация для внедрения системы мониторинга.

5.Разработана и внедрена в опытную эксплуатацию распределенная система мониторинга грузовых авиаперевозок.

Реализация результатов работы. Внедрена в эксплуатацию разработанная распределенная система мониторинга грузовых авиаперевозок в ЗАО "Олл Старз". Экономический эффект выражается в том, что при существующем парке транспортных средств пропускная способность системы увеличилась на 15%. Эффект получен за счет оперативного управления транспортом и сокращения времени простоя при задержках в обработке груза, уменьшения накладных расходов при ошибочной обработки груза, его потери при авиаперевозки. Система внедрена также в ЗАО «База - Строй» при автоматизации складского учета при перевозках груза между складами на территории аэропорта «Домодедово».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Разработана методика построения информационной модели транспортной сети авиапредприятия по опорным точкам, в основе которой лежат принцип установки точек контроля и принцип представления транспортной сети в виде графа.

2.Предложены параметры, однозначно определяющие местоположение подвижного объекта на множестве траекторий движения.

3.Предложен математический аппарат, вычисляющий местоположение подвижного объекта на транспортной сети, представленной в виде информационной модели.

4.Разработаны и исследованы алгоритмы определения местоположения подвижных объектов для различных способов организации перевозочного процесса.

5.Разработана структура и алгоритмы программ многоуровневой системы мониторинга грузовых авиаперевозок с распределением функций по уровням иерархии.

6.Разработанная на основе изложенных в работе методов и способов система мониторинга грузовых авиаперевозок прошла пробную эксплуатацию в ЗАО "Олл Старз". Эффект от работы системы выражается в увеличении на 15% скорости обработки грузов на всех этапах при неизменном количестве персонала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы над диссертацией произведен анализ функционирования системы грузовых авиаперевозок на различных этапах обработки авиагрузов, в результате, которого определен объект управления и выявлены его параметры, необходимые для создания системы мониторинга грузовых авиаперевозок.

Проведена классификация существующих систем контроля и способов определения местоположения подвижных объектов. Выявлены принципы построения подсистем мониторинга грузовых авиаперевозок в режиме оперативного управления.

В диссертационной работе сформулированы основные задачи создания автоматизированной системы мониторинга грузовых авиаперевозок. Предложено несколько типов моделей определения местоположения транспортных объектов по способу организации перевозок. Разработаны соответствующие этим моделям алгоритмы.

Выявлены основные параметры, определяющие местоположение объекта на транспортной сети. Предложены принципы установки контрольных точек на транспортной сети. Разработан алгоритм, вычисляющий местоположение объекта по информации, поступающей на центральный диспетчерский пункт, и формирования базы данных в режиме реального времени. Предложена структуризация управляющих программ, определены особенности функционирования управляющих программ в реальном времени и требования, предъявляемые к ним. Разработана методика отладки управляющих программ по принципу полунатурного моделирования, и осуществлена отладка математического обеспечения системы управления грузовыми потоками в реальном времени.

Разработано программное обеспечение системы управления, реализующее алгоритм определения местоположения подвижных объектов.

Предложена многоуровневая структура технических средств и проведено распределение задачи мониторинга по уровням иерархии. Обоснован выбор типов технических средств и системного программного обеспечения для реализации системы мониторинга грузовых авиаперевозок.

Проведена опытная эксплуатация системы мониторинга грузовых авиаперевозок в ЗАО «Олл Старз». Опытная эксплуатация показала работоспособность и объективнность системы мониторинга грузовых авиаперевозок. По результатам опытной эксплуатации системы экономический эффект от ее использования составил 15%. Эффект оссновывается на более рациональном использовании парка воздушных судов, вспомогательного наземного транспорта и персонала. Дальнейшее внедрение фрагментов системы на других направлениях позволит еще больше повысить эффективность работы компании

1. Балдин A.B., Дубровин М.А. Подходы к построению систем мониторинга грузовых авиаперевозок. Сборник статей МГТУГА. М., 1999. - С.70

2. Балдин A.B., Дубровин М.А. Разработка системы мониторинга грузовых авиаперевозок. Сборник работ Международной научно-технической конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации". М., 1996. С.70

3. Барсук В.А. Математические методы планирования перевозок посылок. М.: Связь, 1964. - 360 с.

4. Барсук В. А. Методы выбора оптимальных решений при организации доставки почтовых отправлений. -М. : Связь, 1976. 64 с.

5. Барсук В.А. Применение экономико-математических методов в организации доставки почтовых отправлений. М.: Связь , 1976. - 20 с.

6. Бердюк A.JI. Единая система управления наземным пассажирским транспортом. Автомобильный транспорт. 1993, №11,12.

7. Берж К. Теория графов и ее применения, ИЛ, М., 1962

8. Витер Г.Ф., Викутин Э.И. Опыт эксплуатации системы контроля движения трамваев. Пути совершенствования организации движения городского электротранспорта на основе внедрения технических средств: Тез.докл. Всесоюз. науч.-техн. сем.1. Воронеж, 1985.

9. Гриценко В.И., Панченко A.A., Лапа А.П. Проблемно-ориентированное моделирование производственно-транспортных систем. Киев. Наук. Думка, 1987. 160с.

10. Добролюбов В.В. Оптимизационные задачи распределения потоков почты на магистральной сети почтовой связи . Диссертация на соискание ученой степени канд. Техн. Наук. М.: МЭИС, 1983. - 186 с.

11. Добролюбов В.В., Педяш В. А. Сетевой алгоритм построения путей с минимальным числом транзитных узлов с максимальной пропускной способностью. В кн. Вычислительные средства в технике и системах связи. Выпуск 4. М.: Связь, 1979, - с. 129 -132 .

12. Елизаров В.А., Львин М.Е., Сахаров В. П. Автоматизированные системы управления на автомобильном транспорте. М.: Транспорт, 1983. -142с.

13. Князютенков В. А. Вопросы автоматизированного составления планов перевозки почты по магистралям. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МЭИС, 1974. - 159 с.

14. Князютенков В. А. Моделирование потоков в транспортной сети. М. : Деп. В ЦНТИ Информсвязь, 1973 . - 17 с.

15. Кожухов Е.А., Плаксин Д.О., Подвальный С. Л.

16. Применение полунатурного моделирования при создании матобеспечения для АСУ. VI республ. Научн. техн. Конф. Тез.докл. - Рязань. 1993.

17. Корольков М.М., Ефимов В.В., Воскресенский

18. A.Л. Использование метода имитационного моделирования при построении процессов обработки и транспортирования контейнеров. В кн. Тезисы докл. Всес. науч. - техн. совещания по автоматизации почтовой связи. - М. : Связь, 1980. - с.27 - 30.

19. Кэннон Р. Транспорт, автоматизация и социальная культура. В сб. "Наземный транспорт 8 0-х годов" под ред. Р. Торнтона. Пер. с англ. М. : Мир, 1974, с.11-21

20. Мельников Ю.Н. Достоверность информации в сложных системах. М.: Сов.радио.- 1973. - 192 с.

21. Оперативное управление междугородними перевозками грузов. Автомобильный транспорт. 1990. №1.

22. Определение местоположения подвижных объектов на множестве траекторий. Кожухов Е.А., Люханов

23. B.М., Плаксин Д.О., Подвальный С. Л. Проблемы информатизации и управления. Межвуз. Сборник науч. тр. Воронеж, 1996. с.4-12.

24. Педяш В. А. Модели и алгоритмы оптимального распределения потоков посылок на магистралях. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М. : МЭИС, 1976. - 201 с.

25. Семенов В.Н. Алгоритмы маршрутизации перевозки почты по городской сети. В кн. Сборник научных трудов учебных институтов связи. JI. : ВЗЭИС, 1990. с. 28 - 34.

26. Семенов В.Н. Математическая модель и алгоритм перевозки почты по стеи городской почтовой связи.- М.: Деп. в ЦНТИ Информсвязь № 1445,1988. -17 с.

27. Система управления транспортом. Бюллетень иностранной научно-технической информации. 1976.- №13.

28. Устройство для определения местоположения. Патент США №4885433, МКИ G08 С21/09. Изобретения стран мира. 1991. №№ 1-2.

29. Форд JI., Фалкерсон Д., Потоки в сетях, «Мир», М. , 1966

30. Arabeyre J.P., Fearnley J., Streiger F.С., Teather W., The airline crew scheduling problem: A survey, Transp.Sci., 3,p.l40

31. Balinski M. L., Integer programming: uses, methods computations, Man. Sei., 12, p. 253, 1965

32. Beale E. M. L., An algorithm for solving thetransportation problem when the shipping cost over each route is convex, Nav. Res. Log. Quart., 6, p.43, 1959

33. Chen Y.C., Wing 0., Connectivity of directed graphs, Proc. Of Allerton Conference on Circuit and System Theory, Univ. Of Illinois. 1964

34. Christofides N., Viola P., The optimum location of multi-centers on a graph, Opl.Res.Quart., 22, p.45, 1971

35. Edmonds J., Johnson E. L., Matching: A well solved class of integer linear programs, Proc. Calgary Intl. Conf. On Combinatorial Structures and their Appl., Gordon and Breach, New York, p.8 9

36. Edmonds J., Karp R. M., Theoretical improvements in algorithmic efficiencies for network flows problem, J. of ACM, 19, p. 248, 1972

37. Frank H., Frisch I.T., Communication, transmission and transportation networks, Addison Wesley, Reading, Massachusetts.

38. Garphinkel R.S., Nemhauser G.L., Integer Programming, Wiley, New York, 1972

39. Harrary F., Norman R.Z., Cartwright D., Structural models: An introduction to the theory of directed graphs, Wiley, New York, 1965

40. Hu T.C., Minimum cost flow in convex cost networks, Nav. Res. Log. Quart., 13, p.l, 1966

41. Kuhn H.W., Variants of the Hungarian method for the assignment problem, Nav. Res. Log.1. Quart.,3, p.253, 1955

42. Potts R.B., Oliver R. M., Flows in transportation networks, Academic Press, New York, 1972

43. Ramamoorthy C.V., Analysis of graphs by connectivity considerations, J. Of ACM, 13, p.211, 1966

44. Rubin J., A technique for the solution of massive set covering problems, with application to airline crew scheduling, IBM Philadelphia Scientific Center Technical Report, No 320-3004,1971

45. Steiger F., Neiderer M. Scheduling air crews by integer programming, presented at IFIP Congress 68, Edinburgh

46. Steiger F., Optimization of Swiss Air's crew scheduling by an integer linear programming model, Swissair Report O.R.SDK 3.3.911., 1965

47. Szwarc W., The transportation paradox, Report 199, Carnegie Mellon University, Pittsburg, Pennsylvania, 1970

48. Thacker B.G., Matching in weighted graphs, M.Sc.Thesis, Imperial College, London university,1972

49. Tomlin J.A., Minimum cost multi commodity network flows, Ops.Res., 14, p.45, 1967

50. Toregas C., Swain R., Revelle C., Bergman L., The location of emergency service facilities,1. Акто внедрении ре диссертационной работ

51. Коммеймеедеий директор ЗАШлЭил^Огарз»1. С.А. Чухнов \Л 1999 г.

52. Разработка распределенных систем мониторинга грузовыхавиаперевозок», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук.

53. Эффект от внедрения системы мониторинга грузовых авиаперевозок составил 15 процентов и выразился в увеличении пропускной способности авиатранспортной системы в целом и более эффективном использовании транспорта и персонала.

54. Разработанные в диссертационной работе Дубровина М.А. средства мониторинга грузовых авиаперевозок, реализованные на уровне алгоритмов и программ позволяют однозначно определять местоположение объекта контроля на транспортной сети.

55. В ЗАО «Глобал Фрейт» используется система автоматизированного складского учета на основе штрихового кодирования грузов.

56. Практические результаты диссертационной работы Дубровина М.А. учтены при подготовке материалов и рекомендаций для внедрения системы слежения за грузами, обрабатываемыми компании на этапе от разгрузки ВС до выдачи груза клиенту.

57. Начальник ТОД ЗАО «Глобал Фрейт»1. А.О. Терешкино внедрении результатов диссертационной работы Дубровина М.А. «Разработка распределенных систем мониторинга грузовых авиаперевозок», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук.

58. Автор разрабатывает систему мониторинга грузовых авиаперевозок, включая создание методологии и методов внедрения системы.