автореферат диссертации по транспорту, 05.22.20, диссертация на тему:Технология составления и оптимизация суточных планов-графиков при разработке единых технологических процессов работы подъездных путей и станций примыкания и оперативном планировании с помощью комплекса компьютерных программ

КОРОТАЕВ

Валерий Валентинович

На правах рукописи

рге од

ТЕХНОЛОГИЯ СОСТАВЛЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ СУТОЧНЫХ ПЛАНОВ-ГРАФИКОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЕДИНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РАБОТЫ ПОДЪЕЗДНЫХ ПУТЕЙ И СТАНЦИЙ ПРИМЫКАНИЯ И ОПЕРАТИВНОМ ПЛАНИРОВАНИИ С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСА КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ

Специальность 05.22.20 — Транспортные системы городов и промышленных центров

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор ¡"БЕРЕЗОВСКИЙ М. В.|;

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор ЯКОВЛЕВ В. Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор МАЛИКОВ О. Б.; кандидат технических наук, профессор ШАУЛЬСКИЙ Б. Ф.

Ведущее предприятие — СЗГП «Промжелдортранс» Октябрьской ж. д.

Защита состоится 29 июня 2000 г. в /.*< . часов на заседании диссертационного совета К 114.03.08 в Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 7-404.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «г^-У.-» мая 2000 г.

Ж

Ученый секретарь диссертационного совета

к. т. н., доцент Ю. Г. ПАРАСКЕВОПУЛО

0^02?>. I, V

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При разработке единых технологических процессов работы подъездных путей и станций примыкания (ЕТП) составляют суточные планы-графики транспортно-перегрузочного процесса. Расчет параметров технологического процесса и построение чертежа суточного плана-графика является задачей инженера-технолога, занимающегося разработкой ЕТП. Разрабатывают ЕТП в службах грузовой и коммерческой работы управлений железных дорог МПС в дор-техлабораториях, а на подъездных путях промышленных предприятий в желдорцехах и УЖДТ. На транспортных предприятиях, где нет возможности содержать достаточное количество таких специалистов, заказывают разработку ЕТП в различных организациях. Разработка ЕТП, составление оптимального (а в случае «ручного» составления можно говорить только лишь о «хорошей» или «плохой» его реализации) достаточно трудоемкий процесс, требующий большого количества исходной и промежуточной информации. Кроме того, полученный результат - нормы времени оборота вагонов, как правило, являются предметом спора между представителями железных дорог МПС с одной стороны и подъездных путей промышленных предприятий с другой. Поэтому, высокий уровень объективности, которая обеспечивается многовариантностью и оптимизацией проводимых расчетов , можно по праву считать весьма актуальной задачей. При этом, обработать огромное количество информации можно только при применении компьютерной техники, а точнее комплекса компьютерных программ. На основе проведенных в данной работе исследований и созданы алгоритмы явившиеся основой для разработки такого комплекса компьютерных программ (САПР-ЕТП ).

При оперативном планировании (суточном или сменно-суточном) на

1

подъездных путях промышленных предприятий или предприятиях промышленного железнодорожного транспорта строятся оперативные планы-графики проведения транспортно-перегрузочного процесса. Руководитель работ или маневровый диспетчер вводит информацию о прибытии вагонов на станцию примыкания, которую получает от работников станции МПС, или ожидаемом прибытии вагонов и грузов, которая поступает из информационно-вычислительного центра (ИВЦ) дороги по специальному запросу «Прогноз прибытия грузов».

Компьютерные программы производят обработку этих данных и на их основе составляется план-график работы подвижного состава и средств погрузки-выгрузки вагонов на смену или сутки. Оптимизация такого процесса является актуальной задачей.

Цель исследования. Создание и реализация системы расчетов основных параметров ЕТП с оптимизацией составления суточных планов-графиков работы подъездных путей и станций примыкания и объединение их в единую систему автоматизированного проектирования САПР-ЕТП.

Разработать оптимизационные алгоритмы для автоматизации процесса составления оперативных планов-графиков работы подвижного состава и средств погрузки-выгрузки на подъездных путях промышленных предприятий ( или ППЖТ ).

Методика исследования. Теоретическими и методологическими основами являются принципы системного анализа, моделирование транспортных систем, теория расписания, теория графов, метод динамического программирования, технологические процессы работы подъездных путей промышленных предприятий и станций МПС.

2

Для решения поставленных задач были использованы результаты анализа технологических процессов работы подъездного пути завода ЗИЛ и станции примыкания Кожухово в г. Москва, станции Обловка Юго-Восточной ж.д. и примыкающего к ней подьездного пути Уваровского химзавода, а также подьездных путей примыкающих к станции Асса (бывшей Алма-Атинской ж.д.).

Исследование оперативной работы диспетчера одного из маневровых районов предприятия промышленного железнодорожного транспорта производилось на СЗГП «Промжелдортранс» Октябрьской ж.д. на станции Нева и в ЛОЖТХ на станции Рига-Пречу2 (бывшей Прибалтийской ж.д.).

В диссертационной работе приняты методы представления алгоритмов как в виде описаний, так и в виде графических блок-схем, имеющих высокую степень наглядности. Реализация разработанных алгоритмов предусматривается в виде компьютерных программ.

Научная новизна. Впервые в качестве метода оптимизации суточных планов-графиков применен метод динамического программирования. В диссертационной работе приведен процесс выбора метода оптимизации, а также описаны преимущества и недостатки выбранного метода. Работа содержит постановку задачи и математическую модель оптимизации суточных планов-графиков, в том числе и в терминах динамического программирования.

Для составления и оптимизации сменно-суточных планов-графиков применена, так называемая, "шаговая" оптимизационная модель.

Практическая ценность. В диссертации представлены алгоритмы, позволившие создать компьютерные программы расчета параметров ЕТП и автоматизировать процесс составления и оптимизации суточных планов-графиков. В результате получена система автоматизированного проектирования ЕТП, с помощью которой можно произвести расчеты многих вариантов технологических процессов и создать целый архив суточных планов-графиков по каждому подъездному пути.

На основе разработанных алгоритмов по автоматизации составления и оптимизации сменно-суточных планов-графиков оперативного планирования создана компьютерная программа, которая дает возможность производить транспорно-перегрузочный процесс оптимальным образом.

Апробация работы : Основные положения исследования были доложены на заседании кафедры «Промышленный транспорт и автоматизация производственных процессов» ЛИИЖТа ( Санкт-Петербург, 1990 г.), в Главном управлении контейнерных перевозок и коммерческой работы МПС (Москва, 1991 г.), в СЗГП «Промжелдортранс» ( Санкт-Петербург, 1998 год).

Реализация работы : На основе проведенных исследований и реализации разработанных алгоритмов создана система автоматизированного проектирования единых технологических процессов работы подъездных путей и станций примыкания ( САПР-ЕТП ). САПР-ЕТП - это программный пакет состоящий из пяти основных функциональных блоков : «Информационная база», «Статистическая обработка грузовых и вагонных потоков», «Операции с вагонами», «Грузовые фронты», «Расчет оборота

вагонов». В САПР-ЕТП реализованы как аналитический, так и графический метод расчета времени оборота вагонов.

Первая версия программного пакета САПР-ЕТП принята в эксплуатацию комиссией МПС ( Главное управление контейнерных перевозок и коммерческой работы ) в 1992 году. В 1995 году вышла вторая версия этой системы. В конце 1999 года программный пакет САПР-ЕТП был доработан с целью снятия проблемы 2000 года. Готовится выпуск САПР-ЕТП версии 3.1.

Публикации. Результаты исследований отражены в семи статьях и методических указаниях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Работа содержит 94 страницы машинописного текста, 45 таблиц, 28 рисунков и библиографию.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении рассматриваются актуальность, цель, научная новизна, практическая ценность.

В первой главе представлены основные методические положения по составлению суточных планов-графиков и разработке ЕТП по автоматизированной технологии.

Во второй главе изложены принципы формирования информационного обеспечения необходимого для расчета параметров ЕТП и составления суточных планов-графиков работы подъездных путей и станций примыкания, а также представлены структура данных, используемых для составления планов-графиков оперативного планирования.

5

Информация по САПР-ЕТП приведена в виде классификаторов и справочников, содержащих данные, характеризующие подъездной путь и станции примыкания.

Таких документов, которые составляются и кодируются пользователями системы САПР-ЕТП, всего 16.

1. Классификатор станций примыкания .

2. Классификатор подъездных путей .

3. Классификатор промышленных станций, маневровых районов .

4. Классификатор грузовых фронтов .

5. Классификатор локомотивов.

6. Классификатор родов вагонов .

7. Классификатор родов грузов .

8. Характеристика путей между фронтами, станцией примыкания и подъездным путем.

9. Характеристика весовых, дозировочных устройств.

10. Характеристика погрузочно-разгрузочных механизмов.

11. Характеристика грузовых фронтов .

12. Дополнительные характеристики промышленных станций.

13. Справочник спецификации путей .

14. Характеристика горловин промышленных станций.

15. Годовой грузооборот подъездного пути .

16. Массив натурных листов.

База данных формируется в виде файлов базы данных, имеющих формат DBF. В качестве системы управления базой данных применена СУБД CLIPPER. В САПР-ЕТП имеется защита данных парольным кодом.

Базу данных сформированную по конкретному подьездному пути можно записать на магнитнитный носитель (дискету) и , таким образом, получить возможность содержать архив , информации по разным

6

подъездным путям.

В третьей главе представлены алгоритмы статистической обработки грузовых и вагонных потоков, оценки неравномерности поступления грузов, расчета среднесуточных грузовых и вагонных потоков с учетом полученной неравномерности, баланса подвижного состава и вычисления среднесуточного количества и состава передач (разложение передач). В данной главе приводится информация о разработке алгоритмов расчета норм времени оборота вагонов и его элементов аналитическим и графическим способом, с 1-ой, 2-мя грузовыми операциями, маршрутизированных, арендованных и собственных, специализированных..

В этой главе приводится технология автоматизированного расчета времени оборота вагонов и его элементов.

Весь цикл операций с вагонами на подъездном пути промышленного предприятия можно изобразить в виде графа представленного на рнс.1. После операции приемки-сдачи (элемент оборота вагонов - ПС) вагоны, поступают на подъездной путь в составе передаточного поезда, подлежащего расформированию (элемент оборота вагонов - РФ). Затем, после некоторого возможного времени ожидания (элемент оборота вагонов - ОП), вагоны подаются на грузовые фронты (элемент оборота вагонов - ПФ), где производятся грузовые операции ( элемент оборота вагонов -ГО). Некоторые вагоны после выгрузки могут быть поданы под погрузку, т.е. имеют место сдвоенные операции (элемент оборота вагонов - СО). После некоторого возможного времени ожидания (элемент оборота вагонов -ОУ) вагоны убираются с грузовых фронтов ( элемент оборота вагонов -УВ). После формирования состава передаточного поезда (элемент оборота вагонов - ФР) вагоны возвращаются на станцию примыкания. Однако, это не полная модель ( для наглядности она упрощена ). Существуют 15 элементов оборота вагонов:

Граф обработки вагонов на подъездном пути

Условные обозначения:

ПС -прием-сдача вагонов РФ - расформирование составов ОП - ожидание подачи ПВ - подача вагонов на груз.фронт

ГО - грузовая операция СО - сдвоенная операция ОУ - ожидание уборки УВ - уборка вагонов ФР — формирование поездов

Рис.1

1. Приемо-сдаточные операции.

2. Подача вагонов на подъездной путь.

3. Расформирование передаточного поезда.

4. Подача вагонов на грузовые фрокгы.

5. Выгрузка вагонов.

6. Перестановка вагонов из-под выгрузки пд погрузку.

7. Погрузка вагонов.

8. Подача вагонов на фронты взвешивания, дозировки грузов.

9. Взвешивание, дозировка грузов.

10.Уборка вагонов с грузовых фронтов.

11.Накопление вагонов на состав передаточного поезда.

^.Формирование состава.

13.Возврат вагонов на станцию примыкания.

14.Ожидание подачи вагонов

15.Ожидание уборки вагонов.

В САПР-ЕТП реализованы алгоритмы расчета норм времени оборота вагонов по каждому из перечисленных 15 элементов, как при аналитическом, так и при графическом способе расчетов.

В четвертой главе представлена постановка задачи и математическая модель составления и оптимизации суточного плана-графика.

В наиболее общей постановке задача оптимизации суточного плана-графика формулируется следующим образом: необходимо найти вектор Х*=(Х*1,Х*г,...,Х*в), обеспечивающий минимум целевой функции ( оборот вагонов на подъездном пути):

Т=Т(Х)

(1.1) (1.2)

при ограничениях Х»<Хк<Хм, к= 1,2,.,.,В

¿X, = N

к-1

(1.3)

Задача (1.1)-(1.3) не является задачей линейного программирования, поскольку целевая функция не может быть выражена в линейной форме. Более того, целевую функцию нельзя представить в явном виде. Ее значения определяются с помощью имитационной модели. Таким образом, отпадает возможность использования аппарата выпуклого нелинейного программирования , так как вопрос унимодальности задачи не имеет однозначного решения.

В задачах невыпуклого нелинейного программирования экстремум достигается в нескольких точках (многоэкстремальные задачи). Поскольку искомые переменные X] физически выражают количество вагонов в передаче Подьездной путь - Станция примыкания , то на них накладывается условие целочисленности. Использовать метод множителей Лагранжа и градиентные методы оптимизации в этом случае нельзя.

Все перечисленные обстоятельства приводят к тому, что применение известных одношаговых методов оптимизации к поставленной задаче оказывается неэффективным. Попытки преодолеть указанные трудности по частям чрезмерно усложняют задачу и возникают дополнительные трудности по увязке отдельных решений.

В таких условиях можно использовать, так называемую, динамическую модель оптимизации и математический аппарат -динамическое программирование.

Метод динамического прогаммирования позволяет решать подобные задачи даже при разрывных функциях и наличии нескольких экстремумов.

Сущность метода динамического программирования состоит в замене одной задачи со многими переменными множеством последовательно решаемых задач с существенно уменьшенным числом переменных (в пределе - с одной переменной). Оптимизация многошагового процесса осуществляется с использованием принципа оптимальности Р. Беллмана.

Сущность принципа в том, что планирование многошагового процесса без обратной связи производится таким образом, чтобы решения на каждом шаге принимались по суммарной выгоде ( в нашей задаче по минимальному обороту вагонов ), получаемой по окончанию этого шага.

При применении метода динамического программирования не имеет значения, протекает ли оптимизируемый процесс во времени или в пространстве или, вообще, представляет собой некоторую формальную процедуру. Важно лишь соблюдение следующих условий:

оптимизируемый процесс должен расчленяться на шаги и быть марковским процессом;

критерий оптимальности решаемой задачи должен быть аддитивным относительно искомых переменных.

Переходя от общей постановки задачи оптимизации суточных планов - графиков к ее точной формулировке , исследуем вопрос соблюдения указанных двух условий применимости метода динамического программирования.

Целевая направленность задачи состоит в минимизации функционала:

N м

Т = (1/М)ЕЕТи(Х0 . (ы)

¡=1 1=1 и

Х[ - количество вагонов, возвращаемых на станцию примыкания с ьой передачей;

N - количество вагонов прибывших за сутки ; М - количество элементов оборота вагонов ; Т - оборот вагонов (простой) на подъездном пути; Ту - время .¡-го элемента оборота ¿-го вагона .

При наличии собственных и арендованных вагонов функционал приобретает вид:

ь м р м ям

ЕI Т,(Х0+2 Е £ Т8(Х0

¡=1 1=1 М 1=1 г=1 ¡=1

Т= (1.5)

Ь + Р + Б1

где Р - количество собственных вагонов, обрабатываемых за сутки; К - количество арендованных вагонов, обрабатываемых за сутки ; Ь - количество прочих вагонов, обрабатываемых за сутки.

Решение должны удовлетворять следующим ограничениям:

Т„1 < Т < Тм] , 1 = 1,2,; j = 1,2,...,М (1.6) Хо<Хи<Хм, (1.7)

ЁХк=К, (1.8)

к=1

где То] - минимальное время .¡-го элемента оборота; ТМ! - максимальное время .¡-го элемента оборота;

Хо - минимальное количество вагонов в передаточном поезде ;

Хм - максимальное количество вагонов в передаточном поезде ;

Многошаговая структура процесса оптимизации в нашей задаче представлена следующим образом. Весь период времени плана-графика (сутки) разбивается на В частей. Каждая часть представляет собой период времени от одной передачи вагонов с подъездного пути на станцию примыкания до другой. Если организовать моделирование транспортно -перегрузочного процесса таким образом, что изменение рассматриваемой нами физической системы, начиная с некоторого состояния Б] должно зависеть только от этого состояния и последующих управлений и не зависеть от предшествующих ( то есть от того , как система пришла в состояние 8] ), то указанному процессу будут приданы марковские свойства. Таким образом, соблюдается первое условие метода динамического программирования. Поскольку, критерий оптимальности ( оборот вагонов ) можно представить суммой частных значений его, рассматриваемых на отдельных шагах (от передачи до передачи ) многошагового процесса, то соблюдается и второе условие рассматриваемого метода оптимизации.

Итак, можно для оптимизации поставленной задачи использовать метод динамического программирования, ценность аппарата которого заключается в принципиально другом подходе к решению оптимизационных задач.Основное достоинство метода в том, что он позволяет решать задачи в ситуациях, когда многие другие методы просто неприемлемы , а имен-

13

но : неединственность экстремума, недифференцируемость целевой функции, дискретное изменение переменных, многошаговый характер решения.

Другим важным свойством, имеющим большое значение для составления суточных планов-графиков транспортно - перегрузочного процесса, является возможность многовариантного решения задач. Аппарат динамического программирования дает универсальные методы решения как детерминированных, так и стохастических задач. Использование указанного метода позволяет резко уменьшить обьем комбинаторных задач. Так, число вариантов суточных планов - графиков

( К в.п. (]Ч, В) ) различным рапределением суточного количества убывающих вагонов N по В передачам Подъездной путь - Станция примыкания равно количеству размещений из N элементов по В :

Кв.п. (14,В) = Ак = N (14 -1) ... (ГЧ - В + 1) = N1 / (N-6)!

Например, число вариантов суточных планов - графиков при суточном количестве убывающих вагонов 15, распределенным по 5 передачам, равно:

Кв.п. (15,5) = А15= 15! /10! = 360360

При использовании метода динамического программирования, число комбинаций равно:

Х0-1

Кв.„. (15,5) = (14 - Хо) В = 14 * 5 = 70

При большем значении суточного количества убывающих вагонов и числе передач Подъездной путь - Станция примыкания, эффект существенно возрастает. Причина столь значительного эффекта в том, что для каждого планируемого процесса рассматриваются лишь их оптималь-

14

ные продолжения. Недостаток метода - большой обьем накапливаемой информации. Однако, применение современных компьютеров с большим размером дисковой памяти, имеющих высокую скорость доступа и обработки данных практически снимает это ограничение.

Сформулируем задачу в терминах динамического программирования.

Наша задача - распределить количество убывающих за сутки вагонов между отдельными передачами Подъездной путь - Станция примыкания таким образом, чтобы значение оборота вагонов в целом за сутки было минимальным.

Обозначим через X) - количество вагонов, убывающих .¡-ой передачей, а через Е] - время оборота вагонов, убывающих ,]'-ой передачей.

При распределении убывающих вагонов между передачами общей скорости вагонов Т составит :

Т = Т (XI, Х2,..., Хв) = Е1 (Х1)+ Ег (Х2)+ ... + Ев (Хв)

Если обозначить через X количество убывающих за сутки вагонов, Х = Х1+ Х2+ ... + Хв, то математическая формулировка будет такой :

найти такие переменные Х*1, Х*г,..., Х*в, которые доставляют минимум целевой функции (1.4) или (1.5) с учетом ограничений (1.6)-(1.8).

Ниже представлена динамическая таблица огтпшальных стратегий.

Динамическая таблица оптимальных стратегий

X Р1(Х) Хг(Х) Р2(Х) Х2(Х) Рв(Х) ХВ(Х)

1 х,(1) р2(1) Х2(1) Рв(1) Хв(1)

2 р!(2) Х1(2) Ы2) Х2(2) Рв(2) Хв(2)

• • • • • • « • • • • « • • • • • • • •

N Х1(Ы) ъсы) ХвСЫ)

Эта таблица фомируется для того, чтобы затем с помощью специального алгоритма ( алгоритм «обратного хода») найти оптимальные стратегии поведения.

Ниже будет подробно изложен алгоритм, позволяющий формировать строки таблицы, а затем отыскивать оптимальное решение.

Поскольку в нашей задаче X] это убывающие с подъездного пути вагоны , то все X] будут принимать целые значения.

На, так называемом , «прямом ходе» алгоритма рассматривается последовательность функций:

ВД) = ш!п [ЕНХ0 + Рн(Х-Х;)1 .

ХжХнХм

Здесь для каждого значения X минимум находится путем расчета выражения из квадратной скобки для всех допустимых значений Хь Процесс оптимизации в динамическом программировании начинается со второго шага (рекуррентное соотношение Беллмана). Для первого шага : Р1(Х) = Е1(Х). Физически это означает, что первый шаг сам по себе приносит минимальный оборот вагонов. Затем процесс развивается

16

в прямом направлении ("прямой ход"). К первому шагу пристраивается второй, таким образом, чтобы результат от этих двух шагов был оптимальным. На последнем шаге, когда в рассмотрение включены все переменные X], будем иметь функцию, минимум которой и составит оптимальное решение задачи:

Fb(X) = min [Ев(Хв) + Fb-1 (X-Хв)]

Хо<Хв<Хм

Так осуществляется поэтапное планирование многошагового процесса. При выборе управления на отдельном шаге нельзя забывать обо всех последующих. Это означает, что на j-ом шаге оптимизации должны быть просмотрены все значения переменной, поскольку на данном этапе еще не известно какое из них окажется оптимальным по интегральному критерию :

в

Т = m i n [ Е Ej (Xj) ] .

Х1....ДВ J-l

Для каждого решения, полученного на предыдущем шаге, следует выбрать переменную (управление) текущего шага таким образом, чтобы на последнем шаге мы имели оптимальное решение задачи. Такие управления, выбранные по условиям оптимальности процесса по истечении его текущего шага, называются условно - оптимальными.

Итак, на каждом шаге, начиная со второго , необходимо минимизировать значение функции двух переменных Xj и Xj-i.

Этот процесс осуществляется для каждого значения Xj в отдельности

17

с использованием простого перебора вариантов.

Таким образом, рассчитываются и заполняются строки динамической таблицы парами чисел - значениями функций ^ (X) и Хд (X).

Оптимальные стратегии поведения или компоненты вектора X* находятся на обратном ходе алгоритма динамического программирования. Эта процедура выполняется еще достаточно быстро, так как оптимизационных расчетов здесь нет, а лишь используются условно -оптимальные управления X] (X), полученные на прямом ходе.

Оптимальное значение последней переменной Х*в можно определить с помощью зависимости Хв (X), как Х*в = Хв (№). Зная Х*в можно определить Х*в следующим образом :

X = N - Х*в , Х*в-1 = Х*в-1 (X) .

Продолжая разворачивать этот процесс от конца к началу, аналогично определяем и переменные Х*в-2, Х*м,..., Х*1 .

Структуру основных циклов прямого хода алгоритма схематично можно представить следующим образом :

цикл по числу передач (к= 1,2,...,В) - цикл по возможным значениям X отыскание и фиксация Xj (X) и ^ (X)

В пятой главе приводятся особенности составления и оптимизации суточных планов-графиков оперативного планирования работы подъездных путей промышленных предприятий. На рис.2 изображена схема получения

18

Ввод и входной

контроль

данных

Н11\У

оа\у

HDW

ОР\У

Рис. 2

Вывод чертежа

суточного

плана-графика

Ввод и контроль начальных данных

Расчет оборота вагонов и его элементов

-4л

Расчет суточного плана-графика

Прием и расформиров ание передач

Накопление и формирование передач

Формирование прямого потока

Формирование

обратного потока

Вычисление

функций

полезности

гр.фронтов

Вычисление функций полезности гр. пунктов

Выбор пунктов на обслуживание

Определение последоват. работ в гр. пункте

Формирование файла данных для гр. фронтов

Формирование файла данных для локомотивов

Объединен ие работ по груз, фронтам

Составление маршрутов

Формирование файла данных для передач

суточного плана-графика от ввода необходимых данных до получения чертежа плана-графика. После ввода исходной информации (справочники и классификаторы SRW, SNW, SPW, SOW, SLW, SFW, SUW, SDW, SVX, SSW, SVW, SWW, SCW, STW) и начальных данных (справочники HRW, DRW, HDW, OPW) включаются в работу компьютерные программы расчета параметров суточного плана-графика:

"Прием и расформирование передач". В этой программе реализован алгоритм расчета времени на операции приема и расформирование прибывающих передач . Основная информация для программы - «Прогноз прибытия грузов».

"Вычисление функций полезности грузовых фронтов". Данная компьютерная программа производит расчет функций полезности грузовых фронтов по формуле:

п п

G (X) = X (Н i ( X i )) , причем 2 X i — X ,

t=i t=i

где G (X) — функции полезности грузового пункта;

X - время обслуживания грузового пункта;

Н i ( X i ) - функции полезности i- го грузового фронта, входящего в данный грузовой пункт .Таким образом, функция полезности груз.фронта есть ни что иное, как величина обратная количеству локомотиво-минут приходящихся на один вагон. Чем больше значение функции, тем более предпочтительней для обслуживания грузовой фронт, поскольку обслуживаться будет больше вагонов за меньшее время.

"Вычисление функций полезности грузовых пунктов". Группа грузовых фронтов, которые находятся недалеко друг от друга и обслуживаются одним локомотивом, объединяются в грузовые пункты. Данная программа производит расчет функциД полезности грузовых

20

пунктов, исходя из функций полезности грузовых фронтов, составляющих грузовые пункты..

"Выбор грузовых пунктов на обслуживание". Эта программа выбирает на обслуживание тот грузовой пункт, функция полезности которого минимальна

"Определение последовательности работ в грузовом пункте" . Эта программа определяет последовательность работ в уже выбранном предыдущей программой грузовом пункте.

Обьедииение работ по грузовым фронтам" . Программа производит выделение полного перечня работ по каждому грузовому фронту выбранного грузового пункта.

"Формирование прямого потока". "Формирование обратного потока". Для оптимизации суточного плана - графика методом динамического программирования необходимо сформировать прямой и обратный суточный поток вагонов и грузов. Такие потоки и формируют две данные компьютерные программы.

"Накопление и формирование передач". В этой программе производится расчет времени накопления вагонов на состав передаточных поездов и формирования передаточных поездов.

"Составление маршрутов". Эта программа разбивает путевую схему на части и просчитывает (моделирует) движение составов с вагонами таким образом, чтобы на одном участке пути не оказалось двух составов в один момент времени.

В результате работы программ расчета суточного плана -графика формируются пять файлов данных для расчета оборота вагонов и вывода чертежа плана-графика на принтер или графопостроитель (плоттер).

В приложении представлены суточные планы-графики составленные с

21

помощью созданного в результате проведенных в исследований программного пакета САПР-ЕТП, а также приведен расчет параметров ЕТП по автоматизированной технологии.

ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования позволили создать алгоритмы автоматизации процессов расчета параметров ЕТП, составления и оптимизации суточных планов-графиков работы подъездных путей промышленных предприятий и станций примыкания МПС.

2. Разработанные алгоритмы были реализованы в компьютерные программы, которые удалось объединить в единую систему - программный пакет САПР-ЕТП, предоставляющего возможность производить расчеты параметров ЕТП, составлять и оптимизировать планы-графики по автоматизированной технологии.

3. В результате исследований созданы алгоритмы составления и оптимизации планов-графиков оперативного планирования работы подвижного состава и средств погрузки - выгрузки вагонов на подъездных путях промышленных предприятий или предприятий промышленного железнодорожного траспорта (ППЖТ).

4. На основе разработанных алгоритмов создана компьютерная программа "Составление и оптимизация планов-графиков оперативного сменно-суточного планирования работы подъездных путей промышленных предприятий".

5. Произведена математическая постановка задачи и разработана математическая модель задачи оптимизации суточных планов-графиков методом динамического программирования.

6. Сделана постановка задачи в терминах динамического программирования.

7. Разработанный в результате проведенных исследований программный пакет САПР-ЕТП принят МПС РФ в промышленную эксплуатацию для использования по всей сети железных дорог, а также на подъездных путях промышленных предприятий.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах :

1 .Тезисы докладов отраслевого научно-технического совещания молодых ученых и специалистов. Москва, ВНИИЖТ, 1985 год .

2. Коротаев В.В.. Один подход к проблеме оптимизации суточных планов-графиков работы подвижного состава на промтранспорте. Межвузовский сборник под редакцией проф. В.Ф. Яковлева, Ленинград, ЛИИЖТ, 1988 год.

3. Хаустов Г.Г., Коротаев В.В., Корнилов А.К.. Задача автоматизации построения суточных планов-графиков работы подъездных путей и станций примыкания. Межвузовский сборник под редакцией проф. В. Ф. Яковлева, Ленинград, ЛИИЖТ, 1988 год.

4. Коротаев В.В., Хаустов Г.Г. Выбор метода оптимизации задачи составления суточных планов-графиков. Депонированная рукопись . Библиографический указатель ВИНИТИ "Депонированные научные работы", №11, стр.161 ,Москва, 1989год.

5. Гниломедов В. В., Хаустов Г. Г., Коротаев В. В., Воробьев В. Г.. Информационная база САПР единых технологических процессов работы подъездных путей и станций примыкания. Методические указания. ПГУПС .Санкт-Петербург, 1998 год .

6. Денисов В. И., Коротаев В. В.. Совершенствование САПР-ЕТП для промышленных железных дорог. «Инженер путей сообщения». Периодический журнал ПГУПС, №1 за 1998 год .

23

7. Никеров Н. С., Хаустов Г. Г., Коротаев В. В., Гниломедов В.В. . Аналитический расчет времени оборота вагонов на подъездном пути. Методические указания. ПГУПС, Санкт-Петербург, 1999 год .

х

Подписано к печати 23 .05.2000 г. Усл.п.л.-1,5 Печать офсетная Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз.3аказ№ _

Тип. ПГУПС, 190031, С-Петербург, Московский пр., 9

Введение (актуальность, цель,научная новизна, практическая ценность ).

1. Основные методические положения по составлению суточных планов - графиков и расчету параметров ЕТП по автоматизированной технологии

1.1 Методические положения по автоматизированной технологии расчета параметров ЕТП.

1.2 Методические положения по автоматизированной технологии расчета суточных планов-графиков^^работы станции МПС и подъездного пути.

1.3 Методические положения по автоматизированной технологии расчета суточных планов-графиков оперативного планирования.

2. Принципы формирования информационного обеспечения. База данных. Система управления базой данных ( СУБД ).

2.1 Анализ форм первичной учетной документации по хозяйствам движения, грузовой и коммерческой работы подъездных путей промышленных предприятий и станций МПС, используемых в информационном обеспечении.

2.2 Состав информационной базы САПР-ЕТП.

2.3 Структура формирования информации для составления планов-графиков оперативного планирования.

3. Статистическая обработка грузовых и вагонных потоков. Расчет времени оборота вагонов и его элементов автоматизированным способом. Поиск «узких мест» в процессе оборота вагонов.

3.1 Статистическая обработка грузовых и вагонных потоков.

3.2 Расчет времени оборота вагонов и его элементов автоматизированным способом.

3.3 Получение результата расчетов оборота вагонов с 1-ой, 2 -мя грузо выми операциями, маршрутов, арендованных и собственных вагонов, специализированных вагонов.

3.4 Поиск «узких мест» в процессе обработки вагонов.

4. Постановка задачи математическая модель составления и оптимизации суточных планов-графиков.

5. Особенности составления и оптимизации суточных планов - графиков оперативного планирования работы подъездных путей промышленных предприятий.

5.1 Шаговая оптимизационная модель.

5.2 Программно-технологическое обеспечение задачи составления планов-графиков оперативного планирования.

Актуальность проблемы. При разработке единых технологических процессов работы подъездных путей и станций примыкания (ЕТП) составляют суточные планы-графики транспортно-перегрузочного процесса. Расчет параметров технологического процесса и построение чертежа суточного плана-графика является задачей инженера-технолога, занимающегося разработкой ЕТП. Разрабатывают ЕТП в службах грузовой и коммерческой работы управлений железных дорог МПС в дортехлабораториях, а на подъездных путях промышленных предприятий в желдорцехах и УЖДТ. На транспортных предприятиях, где нет возможности содержать достаточное количество таких специалистов, заказывают разработку ЕТП в различных организациях. Разработка ЕТП, составление оптимального ( а в случае «ручного» составления можно говорить только лишь о «хорошей» или «плохой» его реализации) достаточно трудоемкий процесс, требующий большого количества исходной и промежуточной информации. Кроме того, полученный результат - нормы времени оборота вагонов, как правило, являются предметом спора между представителями железных дорог МПС с одной стороны и подъездных путей промышленных предприятий с другой. Поэтому, высокий уровень объективности , которая обеспечивается многовариантностью и оптимизацией проводимых расчетов, можно по праву считать весьма актуальной задачей. При этом, обработать огромное количество информации можно только при применении компьютерной техники, а точнее комплекса компьютерных программ. На основе проведенных в данной работе исследований и созданы алгоритмы явившиеся основой для разработки такого комплекса компьютерных программ (САПР-ЕТП ).

При оперативном планировании (суточном или сменно-суточном) на подъездных путях промышленных предприятий или предприятиях промышленного железнодорожного транспорта строятся оперативные планы-графики проведения транспортно-перегрузочного процесса. Руководитель работ или маневровый диспетчер вводит информацию о прибытии вагонов на станцию примыкания, которую получает от работников станции МПС, или ожидаемом прибытии вагонов и грузов, которая поступает из информационно-вычислительного центра (ИВЦ) дороги по специальному запросу «Прогноз прибытия грузов».

Компьютерные программы производят обработку этих данных и на их основе составляется план-график работы подвижного состава и средств погрузки-выгрузки вагонов на смену или сутки. Оптимизация такого процесса является актуальной задачей.

Цель исследования. Разработать алгоритмы и компьютерные программы для реализации процессов расчетов параметров ЕТП с оптимизацией составления суточных планов-графиков работы подъездных путей и станций примыкания и объединить их в единую систему автоматизированного проектирования САПР-ЕТП.

Разработать оптимизационные алгоритмы для автоматизации процесса составления оперативных планов-графиков работы подвижного состава и средств погрузки-выгрузки на подъездных путях промышленных предприятий (или ППЖТ).

Методика исследования. Теоретическими и методологическими основами являются принципы системного анализа, моделирование транспортных систем, теория расписаний, теория графов, метод динамического программирования, технологические процессы работы подъездных путей промышленных предприятий и станций МПС.

Для решения поставленных задач были использованы результаты анализа технологических процессов работы подъездного пути завода ЗИЛ и станции примыкания Кожухово в г. Москва, станции Обловка Юго-Восточной ж. д. и примыкающего к ней подъездного пути Уваровского химзавода, а также подъездных путей примыкающих к станции Асса ( бывшей Алма-Атинской ж. д.)

Исследование оперативной работы диспетчера одного из маневровых районов предприятия промышленного железнодорожного транспорта производилось на СЗГП «Промжелдортранс» Октябрьской ж.д. на станции Нева И ЛОЖТХ на станции Рига-Пречу2 (бывшей Прибалтийской ж.д.).

В диссертационной работе приняты методы представления алгоритмов как в виде описаний, так и в виде графических блок-схем, имеющих высокую степень наглядности. Реализация разработанных алгоритмов предусматривается в виде компьютерных программ.

Научная новизна. Впервые в качестве метода оптимизации суточных планов-графиков применен метод динамического програмирования. В данной диссертационной работе приведен процесс выбора метода оптимизации, а также описаны преимущества и недостатки выбранного метода. Работа содержит постановку задачи и математическую модель оптимизации суточных планов-графиков, в том числе и в терминах динамического программирования.

Для составления и оптимизации сменно-суточных планов- графиков оперативного планирования создана новая "шаговая" модель.

Практическая ценность. В диссертации представлены алгоритмы, позволившие, создать компьютерные программы расчета параметров ЕТП и автоматизировать процесс составления и оптимизации суточных планов-графиков. В результате получена система автоматизированного проектирования ЕТП, с помощью которой можно произвести расчеты многих вариантов технологических процессов и создать целый архив суточных планов-графиков по каждому подъездному пути.

На основе разработанных алгоритмов по автоматизации составления и оптимизации сменно-суточных планов-графиков оперативного планирования создана компьютерная программа, которая дает возможность производить транспорно-перегрузочный процесс оптимальным образом.

Апробация работы. Основные положения исследования были доложены на заседании кафедры «Промышленный транспорт и автоматизация производственных процессов» ЛИИЖТа (Санкт-Петербург, 1990 г.), в Главном упра-лении контейнерных перевозок и коммерческой работы МПС (Москва, 1991 г.), в СЗГП «Промжелдортранс» ( Санкт-Петербург, 1998 год) .

Реализация работы. На основе проведенных исследований и реализации разработанных алгоритмов создана система автоматизированного проектирования единых технологических процессов работы подъездных путей и станций примыкания ( САПР-ЕТП ). САПР-ЕТП - это программный пакет состоящий из пяти основных функциональных блоков : «Информационная база», «Статистическая обработка грузовых и вагонных потоков», «Операции с вагонами», «Грузовые фронты», «Расчет оборота вагонов». В САПР-ЕТП реализованы как аналитический, так и графический метод расчета времени оборота вагонов.

На рис.1 представлено «Главное меню» САПР-ЕТП, основные функциональные блоки и состав их программного обеспечения.

Первая версия программного пакета САПР-ЕТП принята в эксплуатацию комиссией МПС ( Главное управление контейнерных перевозок и коммерческой работы ) в 1992 году. В 1995 году вышла вторая версия этой системы. В конце 1999 года программный пакет САПР-ЕТП был доработан с целью снятия проблемы 2000 года. Готовится выпуск САПР-ЕТП версии 3.1.

ГЛАВНОЕ МЕНЮ САПР-ЕТП

Информационная база

МАССИВЫ ИНФОРМАЦИОН

НОЙ БАЗЫ Классификаторы:

-станций примыкания; -подъездных путей; -промышленных станций и маневровых районов; -грузовых фронтов; -локомотивов; -родов вагонов; -родов грузов.

Характеристики:

-путей между фронтами, станцией примыкания и подъездным путем; -весовых и дозировочных устройств;

-погрузочно-разгрузгрузоч, механизмов; -грузовых фронтов; -дополните.!, промстанций; -спецификации путей; -горловин промстанций; -годового грузооборота; -натурных листов.

Статистическая обработка грузовых и вагонных потоков

ПРОГРАММЫ БЛОКА

-неравномерность поступления грузов, вычисление коэффициента неравномерности; -среднесуточный грузооборот с учетом неравномерности; -баланс подвижного состава по каждому грузовому фронту и в целом по п/пути; -среднесуточный вагонооборот; -разложение передач по прибытию и отправлению;

Операции с вагонами

Рис. 1 I

ПРОГРАММЫ БЛОКА -приемо-сдаточные операции;

-подача вагонов п/путь; -расформирование передаточного поезда; -подача вагонов на грузовые фронты; -выгрузка вагонов; -перестановка из-под выгрузки под погрузку; -погрузка вагонов; подача вагонов на фронты взвешивания; -взвешивание грузов; -уборка вагонов с грузовых фронтов; -накопление на состав передаточного поезда; -формирование состава; -возврат вагонов на станцию примыкания; -ожидание подачи; -ожидание уборки.

Грузовые фронты

ПРОГРАММЫ БЛОКА

-информация о грузовых фронтах;

-вычисление максимальной среднесуточной перерабатывающей способности грузовых фронтов, фронтов взвешивания, дозировки грузов.

Расчет среднесуточного оборота вагонов

ПРОГРАММЫ БЛОКА

-рачет среднесуточного оборота вагонов аналитическим и графическим способом; с 1-ой, 2-мя грузовыми операциями, маршрутизированных, арендованных и собственных, специализированных вагонов;

-расчет дифференциальных норм оборота вагонов на летний и зимний период; расчет минимальных интервалов прибытия вагонов на п/путь; -поиск «узких» мест в процессе обработки вагонов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

1. Проведенные исследования позволили создать алгоритмы автоматизации процессов расчета параметров ЕТП, составления и оптимизации суточных планов-графиков работы подъездных путей промышленных предприятий и станций примыкания МПС.

2. Разработанные алгоритмы были реализованы в компьютерные программы, которые удалось объединить в единую систему - программный пакет САПР-ЕТП, предоставляющего возможность производить расчеты параметров ЕТП, составлять и оптимизировать планы-графики по автоматизированной технологии.

3. В результате исследований созданы алгоритмы составления и оптимизации планов-графиков оперативного планирования работы подвижного состава и средств погрузки - выгрузки вагонов на подъездных путях промышленных предприятий или предприятий промышленного железнодорожного траспорта (ППЖТ).

4. На основе разработанных алгоритмов создана компьютерная программа "Составление и оптимизация планов-графиков оперативного сменно-суточного планирования работы подъездных путей промышленных предприятий".

5. Произведена математическая постановка задачи и разработана математическая модель задачи оптимизации суточных планов-графиков методом динамического программирования.

6. Сделана постановка задачи в терминах динамического программирования.

7. Разработанный в результате проведенных исследований программный пакет САПР-ЕТП принят МПС РФ в промышленную эксплуатацию Одля использования по всей сети железных дорог, а также на подъездных путях промышленных предприятий.

1. Временные указания по разработке единых технологических процессов работы подъездных путей и станций примыкания. М.: Транспорт, 1985.

2. Р. Беллман. Динамическое программирование. Пер.с англ.- М.: Мир,1960.

3. Р. Беллман, С.Дрейфус. Прикладные задачи динамического программирования. Пер. с англ. М.: Мир, 1965.

4. В.Танаев , В. Шкурба. Введение в теорию расписаний. М.: Мир, 1975.

5. В, Акулиничев. Организация перевозок на промтранспорте. М., 1975.6 .С.Лабадин, М. Шмулевич. Организация перевозок и управление ж.д. транспортом металлургических заводов. М.: Транспорт, 1975.

6. В. Дегтяренко. Транспортные узлы промышленных районов. М.: Транспорт, 1981.

7. М. Шмулевич, Е. Юшкевич. Информационное взаимодействие ж.д. транспорта и предприятий. М.: Транспорт, 1976.

8. М. Шмулевич. АСУ промышленного транспорта. М.: Транспорт, 1976.

9. М. Шмулевич, В. Зиненко. Информационные системы на промтранспорте. М.: Транспорт, 1977.

10. Н. Дэниэл. Применение статистики в промышленном эксперименте. М.: Мир, 1979.

11. В.Ф. Григорюк. Оптимизация взаимодействия пунктов погрузки и выгрузки вагонов. М.: Транспорт, 1986.

12. В.И. Лукьянов, Промышленные районы городов. М.: Стройиздат, 1972.

13. М. В. Паньков, В.А. Рыгалов. Промышленные узлы. М.: Стройиздат, 1974.

14. В.А. Дмитриев, В.И. Зеленков, В.В. Клисман, А.Д. Шишков. Экономика промышленного железнодорожного транспорта. М.: Транспорт, 1981.

15. Ежи Лещинский. Имитационное моделирование на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1977.

16. К.Ю. Рихтер. Транспортная эконометрия. М.: Транспорт, 1981.

17. О.Б. Маликов. Проектирование автоматизированных складов штучных грузов. М.: Машиностроение, 1981.