автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Совершенствование организации перевозочного процесса автомобилями

На правах рукописи

ЖЕСТКОВА Светлана Анатольевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ ПЕРЕВОЗОЧНОГО ПРОЦЕССА АВТОМОБИЛЯМИ (НА ПРИМЕРЕ ДОСТАВКИ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА АВТОЗАПРАВОЧНЫЕ СТАНЦИИ)

05.22.10-Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г о н:сн 2013

005062023

Оренбург -

2013

005062023

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Домке Эдуард Райнгольдович

Официальные оппоненты - Якунин Николай Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», заведующий кафедрой автомобильного транспорта;

Маняшин Александр Владимирович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», доцент кафедры эксплуатации автомобильного транспорта

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Липецкий государствен-

ный технический университет»

Защита состоится 4 июля 2013 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.181.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд.6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»

Автореферат разослан 1 июня 2013 г.

Ученый секретарь

"Ч

диссертационного совета л В.И. Рассоха

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В России парк автомобилей ежегодно увеличивается примерно на 10%. Следствием этого является постоянное увеличение количества автозаправочных станций (АЗС), на которые нефтепродукты доставляются автомобилями-бензовозами с нефтебаз.

Распределение автомобилей по маршрутам производится, как правило, диспетчерскими службами нефтебаз исходя из опыта и ситуации, что нередко приводит к принятию неоптимальных управленческих и организационных решений. Нерациональный выбор маршрутов движения приводит к перепробегу автомобилей, увеличению транспортной работы и стоимости перевозок. С увеличением транспортной работы наблюдается значительный рост эколого-экономического ущерба от выброса в атмосферу вредных веществ с отработанными газами автомобилей.

В настоящее время отсутствуют теоретические положения и математические модели, адекватно отражающие функционирование процессов перевозки нефтепродуктов. В связи с этим, научные исследования в данной области являются актуальными, их научная и практическая значимость предопределяет выбор темы диссертационной работы, которая направлена на решение важной научно-практической задачи повышения эффективности доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС.

Цель работы - совершенствование организации доставки нефтепродуктов автомобилями на автозаправочные станции на основе созданного научно-методического, математического и программного обеспечения.

Задачи исследования:

- произвести анализ существующих методов организации доставки нефтепродуктов на АЗС;

- экспериментальным путем получить технические характеристики транспортного процесса доставки нефтепродуктов;

- решить задачи маршрутизации транспорта по доставке нефтепродуктов на АЗС с однойнефтебазы, по кольцевым и маятниковым маршрутам, путем усовершенствования классического метода «ветвей и границ»;

- разработать математическую модель интегрированной схемы доставки нефтепродуктов автомобилями па АЗС с нескольких нефтебаз;

- определить экономическую эффективность от внедрения разработанных организационно-технических мероприятий.

Объект исследования - процесс доставки нефтепродуктов с грузообра-зующих до грузопотребляющих пунктов.

Предмет исследования - зависимости показателей транспортного процесса от схемы доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС.

Методы исследования - методы вычислительной математики, математической статистики, теории графов, линейного и динамического программирования.

Научная новизна исследования заключается в уточнении теоретических положений и методов повышения эффективности перевозок, которые выносятся на защиту:

- усовершенствованный метод «ветвей и границ» применительно к условиям перевозки нефтепродуктов;

- математическая модель для определения оптимальных маршрутов доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС с нефтебаз;

- интегрированная схема доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС, обеспечивающая доставку с нескольких нефтебаз.

Практическая значимость работы заключается в разработке математических моделей и программных средств для оптимизации планирования и доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на:

- IV международной научно-производственной конференции «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса» (Пенза, 2011 г.);

- международной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы» (Тамбов, 2012 г.);

- VII международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза, 2012 г.);

- расширенном заседании кафедры «Организация и безопасность движения» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (Пенза,2013г.).

Результаты диссертационной работы внедрены в виде методик расчета при моделировании, принятии и выборе наиболее эффективных управленческих решений распределения автотранспортных потоков при развозке нефтепродуктов на АЗС в ООО «Пенза-Терминал» (Пензенская область), ООО «КрайсНефть» (Иркутская область), ООО «Юкон» (Самарская область); использованы в проектировании логистических схем поставки нефтепродуктов на автозаправочные станции ООО «Автоматика плюс» (Пензенская область); внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Пензенский университет архитектуры и строительства».

Публикации. Основные теоретические положения и результаты диссертации изложены в 17 печатных работах, в том числе 5 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 150 наименований и приложения. Диссертация изложена на 167 страницах, включает 98 рисунков, 64 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость работы, объект и предмет исследований, представлены сведения об апробации результатов работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния теории и практики доставки партионных грузов, к которым можно отнести и нефтепродукты

при их доставке автомобилями на АЗС с нефтебаз.

Вопросами оптимизации перевозок таких грузов занимались многие отечественные и зарубежные ученые: И.Е. Агуреев, Р. Беллман, А.И. Воркут, А.В. Вельможин, Е.Е. Витвицкий, В.А. Гудков, В.А. Житков, Л.С. Зарецкий, Л.В. Конторович, В.А. Корчагин, С.А. Кащеев, А.П. Кожин, С.Р. Лейдерман, Дж. Литтл, С.А. Ляпин, Л.Б. Миротин, С.М. Мочалин, В.И. Николин, С.А. Панов, М.С. Пожидаев, С.Н. Просов, И.Х. Сигал, Э.Д. Тейлард, П.М.Томсон, А. Аткинсон, Ж. Кларк, М.Л. Фишер, С.Е. Миллер и др.

Проведённый анализ показал, что в настоящее время для описания процессов функционирования автомобильных перевозок используются две модели -классическая (детерминированная) и дискретная.

Первая модель базируется на представлении выработки транспортной продукции в виде непрерывной функции от времени в наряде. Несоответствие рассчитанных по этой модели и фактических показателей работы по перевозке грузов достигает до 30%. Вторая модель отражает действительный характер транспортной работы, связанный с остановками для погрузочпо-разгрузочных работ и оформлением документов. Учитывая особенности транспортного процесса доставки нефтепродуктов на АЗС с нефтебаз, для его математического описания следует использовать дискретную модель.

Перевозка нефтепродуктов на АЗС может производиться помашинной и партионной доставкой с одной или нескольких нефтебаз. Теоретические положения и математические модели, точно отражающие практику таких перевозок, в настоящее время отсутствуют.

Для решения задачи маршрутизации транспорта при доставке нефтепродуктов необходимо использовать точные методы расчета, так как нефтепродукты являются опасным грузом и к их транспортировке предъявляются повышенные требования к определению оптимальных маршрутов и времени их прохождения.

Во второй главе приведены методика и результаты исследования процесса доставки нефтепродуктов на АЗС с нефтебаз на примере компании «РОСНЕФТЬ-Пенза».

Установлено, что АЗС компании «РОСНЕФТЬ-Пенза» в пределах Пензенской области разбиты на две зоны обслуживания - Пензенскую и Каменскую. Каждая зона имеет свою нефтебазу и работает автономно. По сложившейся практике Каменская нефтебаза (г. Каменка Пензенской области) обслуживает 16 АЗС, а Пензенская - 34 АЗС.

Нефтебазы и грузовые терминалы работают круглосуточно в 2 смены (по 12 часов в смену). Каждая нефтебаза имеет свою диспетчерскую службу, осуществляющую планирование доставки нефтепродуктов на АЗС по комбинированной схеме - помашинно и партионно. Диспетчерские службы при планирование перевозок работают по «опыту от достигнутого».

В результате исследований определены виды технологических операций в процессе развозки нефтепродуктов. Затраты времен 1-ого автомобиля на/ом маршруте перевозки нефтепродуктов складываются из пяти составляющих:

где - время движения на маршруте; - соответственно время по-

грузки и разгрузки нефтепродукта; 1уЗП, (¡/' - соответственно время заезда бензовоза на погрузку и разгрузку.

Функциональная схема операций по перевозке нефтепродуктов представлена на (рис. 1).

Схема перевозки нефтепродуктов в отличие от перевозок других видов грузов отличается тем, что в перевозке нефтепродуктов значительную часть времени работы бензовоза на маршруте занимает время заезда на погрузку-разгрузку и ряд дополнительных операций, которые выполняются при перевозке опасных грузов.

Для определения закона распределения времени погрузки и разгрузки нефтепродуктов, заезда бензовозов на погрузку и разгрузку, а также скорости движения бензовозов в населенных пунктах и вне населенных пунктов были проведены натурные исследования на десяти реальных маршрутах доставки нефтепродуктов на АЗС.

Характеристики транспортного процесса сравнивали с законом нормального распределения. Сравнение показало, что указанные характеристики распределены по нормальному закону распределения (использовался критерий Пирсона от 3,48 до 9,16).

С целью установления основных показателей транспортного процесса поставки нефтепродуктов на АЗС были проведены натурные исследования восьми смен работы каждой нефтебазы.

При исследовании устанавливались:

{Эу - масса нефтепродуктов, перевезенных 1-ым бензовозом по /-ому мар-

шруту;

t..- время нахождения г'-го бензовоза на/-ом маршруте;

-суммарная длина грузовых звеньев па/-ом маршруте; ^/у - суммарная длина холостых пробегов на/-ом маршруте; /у-длина/-го маршрута;

q - масса нефтепродукта доставляемого в /-ом маршруте на каждую АЗС; t'y " - время простоя бензовоза.

По этим экспериментальным данным были определены:

1. Транспортная работа, выполненная на £-ом грузовом звене /-го маршру-

та:

(2)

I/Ь"

гдеи- количество грузовых звеньев нау-ом маршруте; - длина грузового звена /-ого маршрута; М^] — масса нефтепродуктов в бензовозе на Е, -ом грузо-

вом звенеу'-го маршрута.

2. Выработка /-го бензовоза нау'-ом маршруте:

а) и..=О..Ь..,П'ш--. (3)

1 и V

б) IV.. =Р../1..,т-КМ/час, (4) ; У У и

3. Коэффициент грузового пробега нау-ом маршруте:

/? = £/;*//,. (5)

Основные показатели одной из исследованных смен работы компании «РОСНЕФТЬ-Пенза» по доставке нефтепродуктов на АЗС приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Основные показатели работы компании «РОСНЕФТЬ-Пенза» по _доставке нефтепродуктов на АЗС за смену_

Масса перевезенных нефтепродуктов

432,3

Общий пробег автомобиля I, км

2513

Время бензовозов в наряде t,ч

90,3

Время простоев бензовозов

(ПРО ч

3,6

Холостой пробег /*, км

1202

Грузовой пробег /ге,км

¡311

Коэффициент грузового пробега

Р

0Д2

Транспортная работа Р,т- км

31375

Средняя выработка бензовозов

и,

т/ч 4.78

V!, ткм

348

Недостаток нефтепродуктов на Пензенской нефтебазе ежедневно восполняется доставкой бензовозами с Сызранской нефтебазы.

В результате проведенных исследований установлено:

- планирование перевозок нефтепродуктов на АЗС с нефтебаз осуществляется на основе интуиции;

- нефтебазы работают автономно, обслуживая АЗС своей зоны;

- осуществляется неэффективная доставка нефтепродуктов бензовозами из Сызрани в Пензу;

- не эффективно используются бензовозы на Каменской нефтебазе;

- средняя выработка бензовозов составляет 4,78т/ч и 348 т ■ км /ч.

Для повышения эффективности доставки нефтепродуктов на АЗС необходимо теоретически обосновать методику расчета, разработать алгоритм и программное обеспечение для определения оптимальных маршрутов доставки нефтепродуктов на АЗС.

Третья глава посвящена теоретическому обоснованию и разработке модели маршрутизации транспорта при доставке нефтепродуктов на АЗС с нефтебаз.

Наиболее адекватно действительный процесс доставки нефтепродуктов с нефтебаз на АЗС отражает классический метод «ветвей и границ», предложенный Дж. Литлом, К. Мурти, К. Керолом и Д. Суини, поэтому он был принят за основу разработки оптимальных моделей доставки нефтепродуктов на АЗС по кольцевым и маятниковым маршрутам.

В литературе метод «ветвей и границ» считается одним из точных методов решения задачи маршрутизации транспорта по кольцевым маршрутам.

ОФОРМЛЕНИЕ ПУТЕВКИ 00-01-0 б

1

ПРОВЕРКА* /БЕНЗОВОЗА НД4

,_У НАЛИЧИЕ Хч_пусгои

\ НЕФТЕПРОДУКТОВ /

ОПЛОМБИРОВАНИЕ БЕНЗОВОЗА ПРИ ВЪЕЩЕ НА НБ 00-01-08

МАНЕВРИРОВАНИЕ ПОНБ 00-01-00

ПОГРУЗКА БЕНЗОВОЗА 01-25-02

МАНЕВРИРОВАНИЕ ПОНБ 00-00-11

..-ПРОВЕРКА УРОВНЯ^_ _

НАЛИВА доли/)

ОФОРМЛЕНИЕ ДОКУМЕНТОВ ПРИ ВЫЕЗДЕ С НБ_

ОПЛОМБИРОВАНИЕ БЕНЗОВОЗА

......................+......................

ЗАПОЛНЕНИЕ ПУТЕВОГО ЛИСТА ВОДИТЕЛЕМ ПО ВЫЕЗДУ С НБ

1

МАНЕВРИРОВАНИЕ ПОНБ

1

СЛИВ НЕФТЕПРОДУКТОВ С БЕНЗОВОЗА В РЕЗЕРВУАРАЗС 00-11-12

1

ПРОВЕРКА УРОВНЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ В РЕЗЕРВУАРЕ АЗС 00-05-34

ЗАБОР ПРОБ НЕФТЕПРОДУКТОВ ИЗ БЕНЗОВОЗА НА ХРАНЕНИЕ 00-04-57

ПРОВЕРКА ПЛОТНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НЕФТЕПРОДУКТОВ В БЕНЗОВОЗЕ

ПРОВЕРКА УРОВНЯ НАЛИВА БЕНЗОВОЗА

00-05-29

ПЕРЕДАЧА ДОКУМЕНТОВ НА АЗС 00-02-43

ЗАПОЛНЕНИЕ ПУТЕВОГО ЛИСТА ВОДИТЕЛЕМ ПО ПРИЕЗДУ НА АЗС 00-01-14

МАНЕВРИРОВАНИЕ ПО АЗС 00-00-59

ТРАНСПОРТЕРОВКА НЕФТЕПРОДУКТОВ НА АЗС 00-25-46

ПРОВЕРКА УРОВНЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ В РЕЗЕРВУАРЕ ПОСЛЕ СЛИВА БЕНЗОВОЗА 00-02-41

ОФОРМЛЕНИЕ ДОКУМЕНТОВ ПО

ПРИЕМКЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ 00-06-53

ЗАПОЛНЕНИЕ ПУТЕВОГО ЛИСТА ВОДИТЕЛЕМ ПО ВЫЕЗДУ С АЗС 00-02-52

МАНЕВРИРОВАНИЕ ПО АЗС 00-00-36

гДА-

ПУТЕВКА \ ОФОРМЛЕНА НА У Ч ч 2веАЗС /

V

НЕТ

ХОЛОСТОЙ ПРОБЕГ БЕНЗОВОЗА С АЗС НА НБ 00-26-21

ЗАПОЛНЕНИЕ ПУТЕВОГО ЛИСТА ВОДИТЕЛЕМ ПО ПРИЕЗДУ НА НБ

КОНЕЦ

Рис.1 — Функциональная схема операций при перевозке нефтепродуктов

Для решения таких задач составляется исходная матрица весов-расстояний между пунктами исследуемой транспортной сети ац (табл. 2).

Таблица 2-Исходная матрица весов тра

№ 1 2 3 a,-i a/

1 ai2 aU

2 а21 а23 a2,j-l a2.i

3 а31 а32 аз,/-1 a3,i

ai-i «(-1,1 at-1,2 al-1,3 al-l,/-l at-i.J

at ац ai2 ai3 aU-1

юпортнои сети

Затем в каждой строке исходной матрицы находится минимальный элемент hi, который вычитается из всех остальных элементов расположенных в рассматриваемой строке:

ау = аи - А,. , / = 1,2,3,L , п. (6)

Составляется новая матрица. В полученной матрице находится минимальный элемент в каждом столбце hj, который вычитается из всех остальных элементов a'ij, расположенных в рассматриваемом столбце:

a"j = a'ij ~ }h• J = 1.2,3,L ,m. (7)

На основе полученной матрицы составляется оценочная матрица. Для этого устанавливается оценка каждого элемента a[j по формуле:

А = min а-к + min asj, (8)

где а"к, a'ij - наименьшие элементы соответственно в строке i и столбце j; к у, 5 i)k,s = 1,2,3,..., п.

В полученной матрице находится пара к — s с максимальной оценкой:

Аь = maxА0, /J = 1,2,3,L ,п. (9)

В оценочной матрице вычеркивается строка к и столбец s с наибольшей оценкой. Блокируется ячейка на пересечении строки s и столбца к, а также ветвь, ведущая к зацикливанию цепи со звеном к — s. Составляется новая матрица и т.д.

Таким образом, путем последовательных преобразований исходной матрицы устанавливается оптимальный маршрут развозки грузов.

Однако проведенные автором исследования показали, что изложенная методика решения задачи маршрутизации транспорта не всегда дает ее решение, хотя замкнутый контур существует. Причиной такого вырождения является гипотеза, принятая для оценки ветви, которую необходимо вычеркнуть из матрицы весов. Она утверждает, что в маршрут включается нулевой элемент матрицы ац, для которого сумма минимальных элементов в ;'-ой строке и j-ом столбце будет максимальной. При этом за аксиому принимается второе утверждение, что множество гамильтоновых контуров делятся на два подмножества, имею-

щие также гамильтоновые контуры. На основе этого делается вывод о возможности получения в процессе итерации конечного цикла точного решения задачи.

На рассмотренных автором примерах показано, что при решении задачи маршрутизации транспорта методом «ветвей и границ» может произойти зависание узлов транспортного графа, что приводит к вырождению решения.

Чтобы исключить зависание узла, требуется изменить алгоритм решения задачи и внести в него дополнительное условие.

Оно заключается в следующем. После определения номера зависшего узла возвращаемся назад и находим таблицу, в которой он был вычеркнут. На следующем шаге вычеркиваем не ячейку с максимальной оценкой, а ветвь, содержащую номер зависшего узла. Поскольку ветвей с зависающим узлом может быть несколько, то оптимизирующая ветвь установлена перебором вариантов. Тогда в узле будет вход и выход.

Усовершенствованный алгоритм решения задачи маршрутизации транспорта по кольцевым и маятниковым маршрутам выглядит следующим образом.

1.Создается приведенная матрица [Р]пр. Для этого в каждой строке матрицы весов [Р] находим минимальный элемент Л£ и вычитаем его из всех остальных элементов ац, расположенных в рассматриваемой строке:

' ¿=1.2,3,Ь,и. (10)

Затем в полученной матрице находится минимальный элемент в каждом столбце И] и вычитается из всех остальных элементов а'ц, расположенных в рассматриваемом столбце:

а"у = а'у - /¡,, у = 1,2,3,Ь ,т. (11)

2. Определяется оценочная матрица [Р]°. Определяется для каждого нулевого элемента а'ц = 0 в [Р]пр оценка по формуле:

у1 = шта^+ш1па1у., (12)

где а"к- наименьший элемент в /-ой строке; а "у- наименьший элемент ву'-ом

столбце; к Ф ), 5 Ф /, к, б = 1,2,3, ••• ,п.

Находим пару к — 5 с максимальной оценкой

Аь =шахДу,/,у = 1,2,3,Ь ,п. (13)

3.Осуществляется переход к новой матрице [1](. Для этого в оценочной матрице [Р]° вычеркивается строка к и столбец 5 с наибольшей оценкой. Блокируется ячейка на пересечении строки 5 и столбца к, а также любая ветвь, ведущая к зацикливанию цепи со звеном к — б.

4. При вырождении решения устанавливается номер зависшего узла

5. Устанавливается дуга ( — ы с зависшей вершиной, которая не была заблокирована или использована.

6. Определяется оценочная матрица, в которой ветвь в — со с узлом была вычеркнута первый раз.

7. На следующем шаге вычеркивается дуга £ — ы, а не ячейка с максимальной оценкой. При этом £ — о) и в — ш должен образовывать склейку (цепь).

8. Создается фиктивная матрица [Ф]к и [Ф]5 путем введения в оценочную матрицу [Р]° фиктивных узлов к и s.

9. Над матрицами [L](, [Ф]ь, [Ф]5 выполняются операции приведения и оценки по пунктам 1 - 7 до тех пор, пока не останется матрица 2x2 и вычеркиваемая ветвь не станет очевидна.

10. Оптимальный маршрут устанавливается путем сравнения полученных вариантов.

Расчет по разработанному алгоритму производится по специально разработанной программе, которая позволяет осуществить перебор всех возможных вариантов маршрутов в соответствии с разработанным алгоритмом. Если в процессе расчета получается несколько маршрутов, имеющих одинаковое минимальное значение целевой функции (длина маршрута), то она выбирает оптимальный маршрут по наименьшей транспортной работе (рис. 2). Все модули программы реализованы на языке программы Java, в среде программирования Netbeans.

В четвертой главе приведена разработка модели интегрированной схемы развозки нефтепродуктов на АЗС с нескольких нефтебаз.

Интегрированная схема развозки нефтепродуктов представляет собой совокупность нескольких нефтебаз и множества обслуживаемых ими АЗС, соединенных между собой и нефтебазами маятниковыми и кольцевыми ветвями, перевозка нефтепродуктов по которым осуществляется помашинной и партионной отправками.

При развозке нефтепродуктов с нескольких нефтебаз необходимо, чтобы учитывались следующие особенности:

- маршрут осуществляется по специально разработанной схеме, учитывающей особенности перемещения опасного груза, который не всегда совпадает с кратчайшими расстояниями между АЗС и нефтебазой;

- для перевозки нефтепродуктов, применяются автомобили большой грузоподъёмности. Свободного объема ёмкостей на АЗС нередко оказывается недостаточном для организации маятникового маршрута и нефтепродукты развозятся на несколько АЗС.

Математическая модель задачи маршрутизации транспорта при развозке нефтепродуктов из нескольких баз можно записать следующим образом:

оо аа а13 ■•-а,„ ■••alv

а2\ 20 а13 '"а2ц "а2.\'

L =

(14)

аХЧаХ2а.\Ч "аУг7 " °°

где авес дуги (расстояние, время) между пунктами транспортной сети. Требуется минимизировать целевую функцию в виде суммарного пробега

= ™п, (15)

Рис.2 - Функциональная схема программы

при ограничениях:

»' = 2Х> (16)

(п)

I

т п

(18)

7=1 г=1

где «-количество нефтебаз; Л^-количество АЗС; К, - количество посещаемых нефтебаз; т - число маршрутов; ^ - количество нефтепродуктов в у'-ой АЗС; ц- грузоподъемность бензовоза; Ог - количество нефтепродуктов на п-ой

т

нефтебазе; Q- объём завозимого нефтепродукта на всех маршрутах.

М

Условие (16) выражает равенство числа маршрутов количеству посещений нефтебаз. Зависимость (17) обеспечивает последовательность посещения двух пунктов разгрузки на кластерном маршруте и отсутствие превышения объема завозимого нефтепродукта грузоподъемности бензовоза. Равенство (18) выражает соответствие объемов завозимого нефтепродукта на всех маршрутах его объему, вывозимому из всех нефтебаз.

Время нахождения /-го автомобиля нау-ом маршруте:

^^♦¿'М+'Г+'Г. (19)

где V- скорость бензовоза км/ч; Ы- количество нефтебаз.

Резерв времени после решения задачи маршрутизации для /-го автомобиля:

д т^ТГ-Ьц. (20)

I

где Т"'"' - плановое время нахождения /-го автомобиля на линии; п- количество маршрутов обслуживаемых 1-ым автомобилем.

Найденный остаток времени сравнивается с временем других маршрутово-ставшихся АЗС:

Д7;>6(^). (21)

Если условие (17) выполняется, то полученный маршрут включается в новый план развозки. Представленная процедура должна выполняться для всех автомобилей до тех пор, пока не будет выполнено условие (17).

Алгоритм определения оптимальных маршрутов по разработанной модели заключается в следующем:

- определяются исходные данные;

- решается задача маршрутизации транспорта при отдельном и совместном обслуживании зон, принадлежащим разным нефтебазам;

- рассчитывается время работы /-го транспортного средства на линии;

- определяется резерв времени /-го автомобиля;

- проектируются дополнительные ездки и новые маршруты с учетом по-

лученного резерва времени;

- решается новая задача маршрутизации транспорта;

- выбираются оптимальные решения;

- определяются технические показатели транспортного процесса за смену. В пятой главе приведен сравнительный анализ основных показателей работы нефтяной компании (на примере компании «РОСНЕФТЬ-Пенза») по существующей (табл. 1) и рекомендуемой (табл. 3, рис. 3) схемам планирования и организации доставки нефтепродуктов на АЗС.

Время простоя бензовозов за смену определялось по формуле:

= (/" + +сГ.ч, (22)

где /м-количество маршрутов; с-количество АЗС; 1П^- принимались по табл. 1; масса перевозимого за смену нефтепродукта.

Таблица 3 - Показатели сменной работы компании «РОСНЕФТЬ-Пенза» при

<2,т (,км £про,Ч Iх, км /ге,км Р Р, т • км и, т/ч т•км/ч

432,3 2326 84,52 42,74 1201 1121 0,48 22481 5,11 293

Каменская зона

.. 100

/

Пензенская зона

(з9)^Чз) (Гз) \ Г мо,«

\28 \ I

• 0'зХ' \\ / /*}"■>

^'¿Ни^"1'.................... Г'' -(103)

(15Г" 12 Л

(17

^.......V1® .

Рис.3 - Схема маршрутов при интегрированной схеме развозки грузов с Пензенской, Каменской и Сызранской нефтебаз

Сравнение показателей, приведенных в табл. 1 и табл. 3, позволяет сделать следующие выводы:

- общая длина маршрутов и время нахождения на них бензовозов сокращается соответственно на 7,6 и 6,4 %;

- увеличивается выработка (т/ч) на 6,9%;

- сокращается необходимое количество бензовозов;

- сокращается время простоя бензовозов на 18,4 %.

Оценка экономической эффективности предложенных решений произве-

дена по двум показателям: затратам на организацию маршрутов в сменуЗм и величине эколого-экономического ущерба Зу от работы бензовозов за смену.

Результаты расчетов, выполненные для одной смены работы компании «РОСНЕФТЬ-Пенза»:

- при существующей схеме организации работ:

Зм = 2604899 руб., Зу= 8834 усл.ед;

- при внедрении предложенной схемы:

Зм= 2388557 руб., Зу= 8074 усл.ед.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Решена важная научно-практическая задача повышения эффективности доставки нефтепродуктов автомобилями с нефтебаз на автозаправочные станции за счет разработки и обоснования технологических мероприятий и математических моделей, определения наиболее рациональных маршрутов доставки нефтепродуктов на АЗС.

2. Экспериментально установлено, что планирование перевозок нефтепродуктов с нефтебаз на АЗС осуществляется на основе интуиции «от достигнутого», что, как правило, не является оптимальным и снижает эффективность перевозочного процесса.

3. Решена задача маршрутизации транспорта по доставке нефтепродуктов на АЗС с одной нефтебазы по кольцевым и маятниковым маршрутам на основе усовершенствованного классического метода «ветвей и границ».

4. Разработаны математические модели и программное обеспечение для определения оптимальных маршрутов доставки нефтепродуктов на АЗС с одной и нескольких нефтебаз, расчеты по которым позволяют использовать эффект от их совместной работы и повысить эффективность транспортного процесса за счет повышения точности планирования доставки нефтепродуктов на АЗС. Установлено, что в результате применения предложенных решений компанией «РОСНЕФТЬ-Пенза» общий пробег автомобилей по доставке нефтепродуктов сократился на 7,4% и время простоев автомобилей - на 18,4%, увеличилась часовая выработка автомобилей на 6,4%.

5. Внедрение разработанной модели доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС позволило снизить затраты на организацию маршрута на 9% и величину эколого-экономического ущерба от работы бензовозов на 8,6%.

6. Научная, практическая и экономическая значимость полученных результатов подтверждается практикой их использования в ООО «Пенза-Терминал» (Пензенская область), ООО «КрайсНефть» (Иркутская область), ООО «Юкон» (Самарская область) в виде методик расчета при моделировании, принятии и выборе наиболее эффективных управленческих решений распределения автотранспортных потоков при развозке нефтепродуктов на АЗС; использованием в проектировании логистических схем поставки нефтепродуктов на автозаправочные станции ООО «Автоматика плюс» (Пензенская область); внедрением в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Пензенский университет архитектуры и строительства».

Основные публикации по теме диссертации:

В изданиях из «Перечня ...» ВАК:

1. Жесткова, С.А Особенности решения задачи маршрутизации транспорта методом ветвей и границ / Э.Р. Домке, С.А. Жесткова, В.Ю. Акимова // Вестник Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета). - 2012. - № 2. - С. 76-79.

2. Жесткова, С.А. Использование фиктивных узлов для определения оптимальной комбинации маршрутов с совместным центром / К.С. Подшивалова, Э.Р. Домке, С.А. Жесткова, С.Ф. Подшивалов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2011. -№ 2 -С. 81-92.

3. Жесткова, С.А. Использование метода «ветвей и границ» при решении задач маршрутизации транспорта / С.А. Жесткова // Мир транспорта и технологических машин- 2012. - № 1.- С. 94-101.

4. Жесткова, С.А. Повышение эффективности развозки нефтепродуктов автомобильным транспортом / Э.Р. Домке, С.А.Жесткова, С.Ф. Подшивалов // Вестник Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета). - 2012. -№ 3. - С. 70-74.

5. Жесткова, С.А. Особенности модели функционирования интегрированной системы развозки грузов / Э.Р. Домке, С.А. Жесткова // Мир транспорта и технологических машин. -2012. -№3. - С. 94-99.

В прочих изданиях:

6. Жесткова, С.А. Системный подход к моделированию процесса управления транспортировкой нефтепродуктов в смешанных перевозках / Э.Р. Домке, С.А.Жесткова // Перспективные направления развития автотранспортного комплекса: материалы IV международной научно-производственной конференции. -Пенза: ПГСХА, 2011. - С. 58-62.

7. Жесткова, С.А. Организация доставки нефтепродуктов с использованием логистического подхода / С.А. Жесткова // Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств: материалы VII международной научно-технической конференции. - Пенза: ПГУАС, 2012. - С.37-41.

8. Жесткова, С.А. Модель функционирования развозки грузов при дискретном характере транспортной работы / Э.Р. Домке, С.А. Жесткова, К.С. Подшивалова, С.Ф. Подшивалов // Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств: материалы VII международной научно-технической конференции. - Пенза: ПГУАС, 2012. - С.61-66.

Подписано в печать 31.05.13 Печать оперативная. Формат 60x84 1/16. Бумага типографическая.

Заказ 35 от 31.05.13 г. Тираж 110 экз.

Отпечатано в типографии ООО «Константа» 460024, г. Оренбург, ул. Туркестанская,18,тел.: (3532) 53-24-25

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

На правах рукописи

04201359520

ЖЕСТКОВА СВЕТЛАНА АНАТОЛЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ ПЕРЕВОЗОЧНОГО ПРОЦЕССА АВТОМОБИЛЯМИ (НА ПРИМЕРЕ ДОСТАВКИ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА АВТОЗАПРАВОЧНЫЕ СТАНЦИИ)

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд. техн. наук, профессор Э.Р. Домке

Пенза-2013

и

I >

I

!

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава 1. Анализ современного состояния теории и практики перевозок мелкопартионных грузов автомобильным транспортом......7

1.1. Анализ существующих моделей функционирования автомобильных перевозок...............................................................7

1.2. Анализ методов решения задачи маршрутизации транспорта.............16

1.3. Цель, задачи и общая методика исследования...............................36

Глава 2. Экспериментальное исследование процесса перевозки нефтепродуктов на АЗС на примере компании «РОСНЕФТЬ-

Пенза»......................................................................................38

2.1. Методика проведения экспериментальных исследований процесса перевозки нефтепродуктов............................................................38

2.2. Определение основных показателей транспортного процесса

поставки нефтепродуктов на АЗС...................................................43

Глава 3. Теоретическое обоснование и разработка модели маршрутизации при развозке нефтепродуктов на АЗС с одной

нефтебазы................................................................................51

3.1. Теоретическое обоснование, разработка алгоритма и программы решения задачи маршрутизации транспорта методом «ветвей и

границ» (ВиГ)............................................................................51

Глава 4. Теоретическое обоснование и разработка математической модели интегрированной схемы развозки нефтепродуктов автомобилями на АЗС с нескольких нефтебаз.................................74

4.1. Анализ применяемых схем передвижения грузов...........................74

4.2. Разработка модели функционирования интегрированной схемы развозки нефтепродуктов..............................................................80

Глава 5. Оценка эффективности разработанных моделей доставки

нефтепродуктов на АЗС............................................................106

5.1. Разработка интегрированной схемы развозки нефтепродуктов на

АЗС с Пензенской, Каменской и Сызранской нефтебаз......................106

5.2. Оценка экономической эффективности разработанных моделей.....119

Основные результаты и выводы................................................124

Список литературы.................................................................125

Акты внедрения......................................................................140

Приложение............................................................................145

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В России парк автомобилей ежегодно возрастает примерно на 10%. Следствием этого является постоянное увеличение количества автозаправочных станций (АЗС), на которые нефтепродукты доставляются автомобилями-бензовозами с нефтебаз.

Распределение автомобилей по маршрутам производится, как правило, диспетчерскими службами нефтебаз исходя из опыта и ситуации, что нередко способствует к принятию неоптимальных управленческих и организационных решений, из-за нерационального выбора маршрута движения приводит к перепробегу автомобилей, возрастают транспортная работа и стоимость перевозок. С увеличением транспортной работы наблюдается значительный рост эколого-экономического ущерба от выброса в атмосферу вредных веществ с отработанными газами автомобилей.

В настоящее время отсутствуют теоретические положения и математические модели, адекватно отражающие функционирование процессов перевозки нефтепродуктов. В связи с этим научные исследования в данной области являются актуальными, их научная и практическая значимость предопределяет выбор темы диссертационной работы, которая направлена на решение важной научно-практической задачи повышения эффективности доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС.

Цель работы - совершенствование организации доставки нефтепродуктов автомобилями на автозаправочные станции на основе созданного научно-методического, математического и программного обеспечения.

Задачи исследования:

- произвести анализ существующих методов организации доставки нефтепродуктов на АЗС;

- экспериментальным путем получить технические характеристики транспортного процесса доставки нефтепродуктов;

- решить задачи маршрутизации транспорта по доставке нефтепродуктов на АЗС с одной нефтебазы, осуществляемой по кольцевым и мая никовым маршрутам, путем усовершенствования классического метода «ветвей и границ»;

- разработать математическую модель интегрированной схемы доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС с нескольких нефтебаз;

- определить экономическую эффективность от внедрения разработанных организационно-технических мероприятий.

Объект исследования - процесс доставки нефтепродуктов с грузообразующих до грузопотребляющих пунктов.

Предмет исследования - зависимости показателей транспортного процесса от схемы доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС.

Методы исследования: методы вычислительной математики, математической статистики, теории графов, линейного и динамического программирования.

Научная новизна исследования заключается в уточнении теоретических положений и методов повышения эффективности перевозок, которые выносятся на защиту:

- усовершенствованный метод «ветвей и границ» применительно к условиям перевозки нефтепродуктов;

- математическая модель для определения оптимальных маршрутов доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС с нефтебаз;

- интегрированная схема доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС, обеспечивающая доставку с нескольких нефтебаз.

Практическая значимость работы заключается в разработке математических моделей и программных средств для оптимизации планирования и доставки нефтепродуктов автомобилями на АЗС.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на:

- IV международной научно-производственной конференции

«Перспективные направления развития автотранспортного комплекса» (Пенза, 2011 г.);

- международной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы» (Тамбов, 2012 г.);

- VII международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза, 2012 г.);

- расширенном заседании кафедры «Организация и безопасность движения» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (Пенза, 2013 г.).

Результаты диссертационной работы внедрены в виде методик расчета при моделировании, принятии и выборе наиболее эффективных управленческих решений по распределению автотранспортных потоков при развозке нефтепродуктов на АЗС в ООО «Пенза-Терминал» (Пензенская область), ООО «КрайсНефть» (Иркутская область), ООО «Юкон» (Самарская область); использованы в проектировании логистических схем поставки нефтепродуктов на автозаправочные станции ООО «Автоматика плюс» (Пензенская область); внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Публикации. Основные теоретические положения и результаты диссертации изложены в 17 печатных работах, в том числе 5 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 150 наименований и приложения. Диссертация изложена на 154 страницах (из них 110 страниц основного текста), включает 98 рисунков, 64 таблицы.

Глава 1

Анализ современного состояния теории и практики перевозок мелкопартионных грузов автомобильным транспортом

1.1 Обзор моделей функционирования автомобильных перевозок

Автомобильный транспорт (АТ) является неотъемлемой частью производительных сил общества и является важным фактором развития экономики страны. В настоящее время подавляющая часть грузов потребителям доставляется АТ. Основная сфера деятельности автомобильного грузового транспорта заключается в доставке продукции мелкими отправками в городах, а также подвоз или вывоз грузов на железнодорожных станциях, аэровокзалах и портах.

Транспортная продукция носит материальный характер и представляет собой перемещение груза произведенного другими производителями. В результате она вызывает дополнительные прямые затраты и повышает стоимость товара. С увеличением транспортной работы в нашей стране значительно возрастает эколого-экономический ущерб [35]. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств увеличиваются в год на 3,1 % [97]. Рациональная организация маршрутов движения приводит к снижению выбросов на 7-30 %. Согласно ноосферологическому подходу, в оплату транспортных услуг также должны входить внешние общественные затраты на борьбу с вредными последствиями эксплуатации транспорта (загрязнение окружающей среды, парниковый эффект, шум и ДТП); расходы на инфраструктуру и заправки.

По данным [18], доля автотранспортных издержек в стоимости продукции отдельных секторов экономики составляет: промышленность -15 %, строительство - 30 %, сельского хозяйства и торговли - 40 %. Высокий уровень издержек связан с первую очередь с низкой производительностью перевозок. Она в России в 3 раза ниже по сравнению с

западными высокоразвитыми странами [22]. Скорость движения высокоценной продукции снизилась в 2 раза по сравнению с дореформенным периодом [89]. Вследствие этого требуется увеличение оборотных средств; происходит удорожание продукции и снижение ее конкурентоспособности. Все это свидетельствует о важности повышения эффективности работы автомобильного транспорта.

Наблюдения, проведенные в компании «РОСНЕФТЬ-Пенза», показали, что принятие решений по выбору АЗС для пополнения топлива производится диспетчерской службой на основе интуиции и «прошлого опыта». Это указывает на актуальность настоящего исследования в интересах практики и теории перевозок.

Отсутствие теоретических положений, адекватно отражающих практику перевозки нефтепродуктов, является тормозом дальнейшего технического прогресса в этой области.

Анализ состояния теорий грузовых автомобильных перевозок показал, что в настоящее время используются две модели для их описания: функциональная и дискретная.

Функциональная модель базируется на классических формулах производительности автомобилей, когда транспортная работа описывается с позиции непрерывности протекания процесса перевозки. Ее основы были разработаны в 30-х годах прошлого века Лейдерманом С.Р. [61] и развивались другими учеными [5, 8, 15, 17,45, 60, 96].

Классическая формула часовой производительности автомобиля [9, 10, 11, 18] выглядит следующим образом:

и_ ЧГУтР

где и - часовая производительность, т/ч; # - номинальная грузоподъемность, т;

^-статический коэффициент использования грузоподъемности;

^т - техническая скорость, км/ч;

коэффициент использования пробега;

рге

X - длина ездки с грузом, км;

- время простоя автомобиля под погрузкой и разгрузкой, ч.

Величина транспортной работы, выполняемой транспортным средством в час, записывается в виде:

Vе + гщ'Утр' п-2»

где 7д - динамический коэффициент грузоподъемности;

УУ ~ часовая производительность подвижного состава, т.км/ч.

Качественные теоретические зависимости влияния технико-эксплуатационных показателей (ТЭП) на производительность подвижного состава, согласно формуле (1.2), показаны на рисунке 1.1.

Рис. 1.1- Влияние ТЭП на производительность

Зависимости (1.1) и (1.2) созданы для моделирования процессов перевозки помашинных отправок грузов, когда один автомобиль в течение времени указанного в наряде, перемещает товар от одного грузоотправителя к одному грузополучателю. После разгрузки он возвращается холостым пробегом к исходному грузоотправителю. При этом транспортное средство не взаимодействует с другими автомобилями. Разработанное теоретическое положение применяется в руководящих документах по анализу, управлению и планированию перевозок, а таюке в методике, определяющей экономическую эффективность использования транспорта. Целью такого метода, представляющего собой классический детерминированный подход метода точных наук, является выявление тренда изучаемого явления и получение возможности предсказать результат опыта по заданной модели.

На практике производительность подвижного состава не может развиваться монотонно. Она изменяется скачкообразно, когда автомобиль выполняет дополнительную ездку с грузом. Следовательно, прирост производительности можно определить только в пункте разгрузки после выгрузки товара. Выработка транспортной продукции в нем прекращается.

Несоответствие рассчитанных по функциональной модели и фактических ТЭП работы автотранспорта при помашинной доставке продукции достигает, по данным [52] около, 30 %.

Для правильной оценки влияния изменений эксплуатационных факторов на эффективность процесса перевозок необходимо учитывать дискретность транспортного процесса [13, 51, 69, 70, 72]. Графически это представлено на рисунке 1.2.

С момента времени от 11 до выработки, т ■ км, нет. В этот период транспортное средство выезжает на линию и начинается погрузка. Транспортная работа производится, когда автомобиль движется с момента времени до момента с которого начинается выгрузка груза потребителю. Выработка в тоннах происходит в интервале от Х4 до Х5. В момент окончания

разгрузки 15 грузополучателю за одну ездку доставлено количество груза ql. Затем транспортное средство перемещается к грузоотправителю за следующей партией груза, и никакой транспортной работы и выгрузки в тоннах не производится. Погрузка груза начинается в момент времени Х6 и заканчивается в Х1. Далее цикл транспортного процесса повторяется. В момент времени і9 у потребителя оказалось количество груза (Чі+Яг)-

и,т|

\Л/,т. км

<*2

П І2 ІЗ

ІЛ І5

;6 и

18 І9 1,час

Рис. 1.2 - Изменение транспортной продукции во времени

Как следует из представленных графиков (см. рисунок 1.2), фазы выработки в тоннах и тонно-километрах не совпадают по времени. Зависимости и = /(/) и IV = /(0 не являются монотонно изменяющимися функциями, а соответствуют разрывным линейным зависимостям.

Дискретная модель функционирования транспортного процесса [69] применена для описания средних систем доставки грузов (ССДГ). На рисунке 1.3 в квадратами указаны базы погрузки товара, а кругами обозначены пункты его разгрузки.

Рис. 1.3 - Схема средних систем доставки грузов

В ССДГ используются помашинные отправки по маятниковым или кольцевым ветвям из одного центрального пункта, на рисунке 1.3, 1 и 2 -маятниковые схемы передвижения с обратным холостым и груженым пробегом соответственно; 3 - кольцевая схема передвижения с дополнительной погрузкой груза. Штриховой линией обозначен холостой пробег.

Исследование мелкопартионной развозки грузов из одного центра с учетом дискретного характера транспортной работы рассматривается в работе [3]. Автор выделяет три типа грузовых перевозок развозочно-сборочной транспортной системы (РСТС) по кольцевому маршруту:

развозочная с центральным пунктом погрузки (^рц сборная с центральным

пунктом разгрузки (развозочно-сборная с центральным пунктом

О г/

погрузки-разгрузки (°р-с). В качестве примера на рисунке 1.4 показана

схема $Рц ; здесь в квадрате расположена база погрузки, а в кружках

обозначены пункты разгрузки груза, штриховой линией показана дуга холостого пробега. Характерными особенностями такой системы развозки являются присутствие на любой ветви только одного автомобиля и исключение очереди в центральном пункте погрузки. Влияние автомобилей

друг на друга устанавливается на стадии формирования обслуживаемой транспортной ветви и построения графика работы автомобилей.

О

\

4

О

о

Сг

6

Рис. 1.4 - Развозочно-сборная транспортная система

В отличие от метода, рассмотренного в [69], в [13] применен метод прямого счета для определения объема фактически выполненных работ: ■ выработка в тоннах:

N

где Чу - величина груза, доставленного в /-й пункт груза нау-й ветви;

И- количество пунктов разгрузки. ■ транспортная работа в тонно-километрах:

N

где ~ длина груженой ездки между пунктами г и у.

Перевозка мелких партий груза является дорогостоящим процессом. В работе [24] авторы показали, что на перевозку массовых грузов транспортные затраты значительно ниже, чем на доставку мелких партий грузов. Согласно исследованиям, мелкопартионные перевозки составляют около 3 % от общей транспортной работы. Однако транспортные затраты на

(1.3)

(1.4)

эти п�