Розробка автоматизованої технології управління вагонопотоками на основі системної оптимізації плану формування поїздів

Abstract

Прохоров В. М. Розробка автоматизованої технології управління вагонопотоками на основі системної оптимізації плану формування поїздів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.22.01 – «Транспортні системи» (275 – Транспортні технології). – Український державний університет залізничного транспорту, МОН України, Харків, 2017. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у вирішенні наукового завдання формування автоматизованої технології управління вагонопотоками, що базується на концепції системної оптимізації плану формування поїздів (ПФП), в умовах коливань обсягів перевезень. Вперше: - формалізовано технологію управління вагонопотоками на залізничній транспортній мережі, яка у вигляді оптимізаційної моделі вирішує задачу побудови ПФП як задачу стохастичної комбінаторної оптимізації, що на відміну від існуючих враховує параметри накопичення у якості стохастичних змінних та надає їм інтервальну оцінку; - розроблено метод автоматизованого розрахунку плану формування одногрупних поїздів, що на відміну від існуючих методів забезпечує можливість направлення вагонопотоків з відхиленням від найкоротшого маршруту з урахуванням обмежень на пропускну спроможность дільниць та пропускну і переробну спроможності станцій, використовуючи у якості механізму оптимізації математичний апарат генетичних алгоритмів, який забезпечує більш високу ступінь наближення до оптимуму; - формалізовано процедуру побудови оперативного плану роботи сортувальної станції як задачу теорії розкладу та розроблено метод його автоматизованої побудови, який дозволить на рівні оперативного планування забезпечувати виконання ПФП шляхом утримання параметрів накопичення в визначених межах, використовуючі у якості механізму оптимізації математичний апарат генетичних алгоритмів комбінаторного типу; Удосконалено: – структуру і комплекс задач АСК ВП УЗ-Є, щляхом інтеграції у її склад автоматизованої системи розрахунку і підтримки виконання плану формування поїздів, що дозволить комплексно вирішувати задачі розрахунку ПФП, оперативного і поточного планування та управління роботою сортувальних станцій, аналізу виконання планів та прийняття рішення щодо їх корегування, реалізуючи трирівневу структуру управління; Практичне значення отриманих результатів. Матеріали дисертаційної роботи використано при формуванні автоматизованої технології управління вагонопотоками. Впровадження такої технології надасть можливість автоматизувати процес розрахунку ПФП на стратегічному та тактичному рівнях планування роботи системи вантажних залізничних перевезень і забезпечити його виконання на рівні управління сортувальних станцій. Це надасть можливість раціонально розподілити роботу між сортувальними станціями, використати пропускну спроможність залізничних ліній, зменшити непродуктивні вагоногодини простою на станціях на 0,5–4% , зменшити час обігу вагона, що в свою чергу дозволить зменшити експлуатаційні витрати. Розроблена технологія та наведений комплекс моделей використовуються при удосконаленні організації роботи Харківської дирекції залізничних перевезень регіональної філії “Південна залізниця” та у навчальному процесі Навчальнонаукового інституту перепідготовки та підвищення кваліфікації кадрів Українського державного університету залізничного транспорту (УкрДУЗТ). Практичне впровадження результатів роботи підтверджується актами впровадження. За темою дисертації опубліковано 16 наукових праць, з яких 10 статей (одна без співавторів), що опубліковані у фахових наукових виданнях, затверджених МОН України, з яких дві статті включені до міжнародних наукометричних баз, 6 тез доповідей на наукових конференціях. Основний зміст роботи. У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дослідження, відображено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, методи дослідження, особистий внесок здобувача, відомості про публікації, структуру та обсяг дисертації. Перший розділ присвячено аналізу чинників, що негативно впливають на показники роботи підсистеми вантажних перевезень, аналізу вітчизняного та зарубіжного досвіду функціонування технологій організації вагонопотоків. Проведено аналіз основних кількісних і якісних показників роботи підсистеми вантажних перевезень і виявлено тенденцію до поступового погіршення якісних експлуатаційних показників. Виявлено, що практично відсутня кореляція між показниками «кількість навантажених вагонів» і «обіг вантажного вагона». У той же час визначено, що коефіцієнт кореляції таких величин як час обігу вагона і простій вагона на одній технічній станції становить 0.988, що свідчить про те, що основною причиною погіршення якісних показників є зниження ефективності існуючої технології організації вантажних перевезень. Проведено аналіз даних часового ряду середньомісячних обсягів залізних і марганцевих руд, як найбільш масового експортного вантажу, що були відправлені залізницею у період з 2013 по 2015 роки. Виявлені значні коливання, які між двома сусідніми місяцями можуть становити до 40%. Також виявлено низьку персистентність даного часового ряду, про що свідчить величина показника Херста, яка склала H=0,553. Цей факт відносить дані часового ряду до категорії «сірого шуму» і свідчить про його складнопрогнозованість. Проведено аналіз досвіду функціонування технологій організації вагонопотоків на залізницях країн світу. Зроблено висновки на користь збереження стратегічного рівня планування за умови подальшої автоматизації процесу управління вагонопотоками щляхом розроблення автоматизованої системи управління вагонопотоками, яка, зберігаючи концепцію ПФП та буде здатна адаптуватись до сучасних умов здійснення перевезень . Другий розділ присвячено формалізації процесу побудови плану формування одногрупних вантажних поїздів і розробці автоматизованого методу розрахунку плану формування поїздів (ПФП). В рамках системної оптимізації запропоновано враховувати можливість впливу на величину параметру накопичення на рівні планування оперативної роботи технічних станцій з метою відшукання і реалізації найбільш вигідного варіанту ПФП. З цією метою запропоновано при побудові моделі використати параметри накопичення у якості стохастичних змінних, що надасть можливість врахувати статистичні показники цього параметра. Сформульовано задачу розрахунку оптимального ПФП як задачу стохастичної комбінаторної оптимізації. Створено математичну модель, цільова функція якої враховує витрати на накопичення призначень, додаткову переробку вагонів, витрати на пересування поїздів в залежності від маршруту слідування вагонопотоків. Модель також включає систему обмежень, що обумовлюють неперевищення максимальних величин пропускних і переробних спроможностей станцій та пропускних спроможностей дільниць. Реалізація концепції системної оптимізації у рамках запропонованої технології управління вагонопотоками потребує наявності сучасного інструменту, який забезпечить високу точність розрахунку стратегічного плану. На основі запропонованої моделі розроблено новий метод автоматизованого розрахунку ПФП, який використовує у якості механізму оптимізації математичний апарат генетичних алгоритмів (ГА). З цією метою запропоновано оригінальний спосіб кодування рішення задачі розрахунку ПФП у вигляді хромосоми. Метод було реалізовано у вигляді програмного забезпечення у середовиці Matlab. За результатами моделювання запропонований метод розрахунку ПФП продемонстрував покращення плану приблизно на 3% в порівнянні із аналітичними методами за класичним критерієм сумарних вагоно-годин накопичення і додаткової переробки вагонів. Також було підтверджено можливості здійснення розрахунків для полігону, який налічує десятки технічних станцій і має розгалужену мережеву структуру, урахування обмежень по пропускній і переробній спроможності станцій, пропускній спроможності дільниць, направлення вагонопотоків за альтернативними маршрутами. Третій розділ присвячено розробленню моделі формування оперативного плану роботи сортувальної станції і розробленню на її основі автоматизованого методу побудови оперативного плану. Запропоновані у другому розділі підходи до підвищення якості розрахунку ПФП передбачають утримання параметрів накопичення у межах, які не перевищують певних значень, що були отримані в результаті розрахунку ПФП. Реалізація даних підходів створює умови для забезпечення системного ефекту при управлінні системою вантажних залізничних перевезень, але вона також потребує вирішення на новому якісному рівні і задачі оперативного планування роботи сортувальних станцій. Вирішення даної задачі передбачає не тільки розподіл виробничих ресурсів, визначення черговості виконання операцій, але й визначення терміну їх початку та закінчення, тому для її формалізації запропоноване використання спеціального розділу прикладної математики – теорії розкладів. З метою забезпечення інваріантності системи відносно коливань обсягів вагонопотоків запропоновано використовувати параметри накопичення у якості керуючих змінних при побудові моделі. Створена математична модель представляє собою цільову функцію, яка поєднує декілька критеріїв у суперкритерій за допомогою методу вагових коефіцієнтів. У якості механізму оптимізації запропоновано використати генетичний алгоритм комбінаторного типу. На основі запропонованої моделі було створено метод побудови оперативного плану роботи сортувальної станції і розроблене програмне забезпечення мовою Matlab. За результатими моделювання зменшення витрат вагоно-годин в підсистемі розформування-формування становило близько 20% і зменшення загальних вагоно-годин знаходження вагонів на сортувальній станції становило близько 15% в порівнянні з традиційною технологією обробки поїздів у порядку надходження до станції і відправлення в порядку їх формування. Четвертий розділ присвячено розробці вимог до впровадження і функціонування запропонованої технології, яка базується на комплексі взаємопов’язаних моделей, у вигляді додаткового комплексу задач автоматизованої системи керування. Запропоновано здійснити системну інтеграцію розроблених моделей до автоматизованої системи управління вагонопотоками, яку реалізовано на трирівневій архітектурі. Дана система зокрема дозволить здійснювати збір даних на лінійному рівні, аналіз даних і корегування регіональних ПФП на рівні регіональних центрів управління. Дані про виконання ПФП надходять до мережевого рівня, де після їх аналізу приймається рішення щодо необхідності перебудови мережевого ПФП і здійснюється перерахунок, що є реалізацією концепції стратегічного контролю. На рівні регіональних центрів управління за допомогою системної оптимізації планування роботи станцій забезпечується зменшення негативних наслідків коливань обсягів вагонопотоків і при необхідності проводиться оперативне корегування ПФП, на лінійному рівні здійснюється підтримка рішень оперативних керівників для якісного і своєчасного виконання оперативних планів. В роботі проведено економічне обґрунтування запропонованих заходів. За умови впровадженні запропонованої технології зменшення часу простою вагонів знаходитиметься в межах 0,5–4%, що призведе до зменшення часу обігу вагона в середньому на 1,25%. Економічний ефект за 10 років складе більше 106 млн. грн.