Расчет и оптимизация транспортных систем с использованием моделей (теоретические основы, методология) (2008, AVT0015)

Александров Александр Эрнстович. Расчет и оптимизация транспортных систем с использованием моделей : теоретические основы, методология : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.22.08 / Александров Александр Эрнстович; [Место защиты: Ур. гос. ун-т путей сообщ.]. - Екатеринбург, 2008. - 49 с. 

Обеспечение эффективного  взаимодействия предприятий в рыночной экономике требует масштабного развития транспортной инфраструктуры и рационального управления потоками. Поэтому особое значение приобретают методы расчета и оптимизации транспортных систем.

Эти  системы - железнодорожные станции, транспортные узлы и т.п.- имеют сильную структурную и функциональную связность и трудно поддаются расчету. За последние несколько десятилетий накопился определенный опыт применения тех или иных методологических подходов и моделей для расчета и оптимизации транспортных систем. Строгий анализ показывает, что зачастую методы использовались некорректно. Существовали разные научные школы, которые могли придерживаться различных, а то и противоположных взглядов. Например, сложные транспортные узлы пытались рассчитывать как системы массового обслуживания, хотя в узлах большую роль играет управление, а этот метод такое свойство, практически, не отображает. До сих пор в инструкциях по расчету необходимого числа путей на станциях основу составляют детерминированные формулы, хотя они не могут описать качественные особенности горловин (от этого напрямую зависит степень полезного использования путей) и влияние случайных процессов. До сих пор норму оборота вагонов в промышленных узлах (а, значит, и технологию взаимодействия магистрального и промышленного транспорта и их экономические взаимоотношения) определяют по суточному плану-графику, хотя этот метод не отображает случайные процессы, а они существенно влияют на величину межоперационных простоев. Ошибки при таких применениях методов достигают тридцати - пятидесяти и более процентов.

В настоящее время важность корректного применения методов расчета существенно возрастает.

В диссертации обобщен опыт расчета и оптимизации транспортных объектов разной природы, разработаны  теоретические и методологические основы построения систем моделирования и выбора моделей в зависимости от свойств моделируемой системы и поставленной задачи.

В своих исследованиях автор опирался на труды отечественных и зарубежных ученых, в том числе В.Н. Образцова, А.П. Петрова, В.М. Акулиничева, Г.Л. Аккермана, Е.А. Сотникова, Ю.В. Дьякова, Е.М. Тишкина, Л.П. Тулупова,  В.Г. Шубко, В.А. Персианова, Н.С. Ускова, И.Т. Козлова, П.А. Козлова, В.А. Шарова, А.Ф. Бородина, А.П. Батурина, П.В.Куренкова, А.Т. Осьминина, Л.А. Баранова, Э.К. Лецкого, Г.В. Дружинина, В.Г. Галабурды, М.Ф. Трихункова, Н.П. Терешиной, а также Н.Н. Моисеева, Н.П. Бусленко, Д.А. Поспелова, Л.Р. Форда, Д.Р. Фалкерсона, О.В. Евсеева, В.Н. Буркова, В.Л. Ирикова, использовались разработки ведущих научных организаций отрасли.

В качестве объекта исследования выбрана система математических компьютерных моделей и систем моделирования, используемых для расчета, оптимизации и исследования структуры и технологии работы сложных систем железнодорожного транспорта.

Целью исследования является разработка методологии выбора, построения и применения математических компьютерных моделей в зависимости от свойств моделируемой системы, поставленной задачи и характера использования модели для расчета и оптимизации сложных транспортных систем.

Основными задачами исследования были:

• разработать классификацию основных свойств транспортных систем, определяющих выбор метода расчета;
• сформулировать классы транспортных объектов с позиций выбора метода моделирования;
• выполнить классификацию методов расчета и оптимизации транспортных систем, показать их сильные и слабые стороны, сформулировать сферы их применения;
• разработать подходы к построению теоретической модели обобщенной транспортной системы, которые  отображали бы  ее основные черты и характер взаимодействия в ней, создавали бы  основу для корректной разработки метода моделирования и давали возможность корректной трактовки результатов моделирования;
• разработать методологию использования различных моделей для расчета и оптимизации транспортных систем, включая использование моделей строгой оптимизации, оптимизацию на имитационных моделях и использование двухуровневых систем оптимизации;
• разработать принципы автоматизированного построения имитационных и оптимизационных моделей;
• разработать принципы информационного обеспечения моделей при решении различных задач;
• разработать подход для расчета функциональной надежности информационных систем, влияющих на достоверность результатов расчета.

Методы исследования базируются на использовании теории множеств, теории графов, аппарата методов оптимизации и имитационного моделирования, теории принятия решений и теории надежности.

Научная новизна работы. Предложенный подход к выбору метода расчета и моделирования сложных транспортных  систем на основе классификации свойств объектов, методов и возможностей моделей является весомым вкладом в развитие фундаментальных исследований в области теории принятия решений и теории управления. Он позволит корректно выбирать метод расчета и моделирования и повысит качество решений, принимаемых человеком в сложных, проблемных областях.

На основе разработанной методологии использования различных моделей для расчета и оптимизации, принципов автоматизации построения моделей и принципов информационного обеспечения моделей  решена крупная научно-техническая проблема автоматизации расчета и оптимизации транспортных систем, имеющая важное народнохозяйственное значение. Выполненные исследования и разработанные подходы формируют качественно новый уровень для оценки проектных решений по развитию станций и узлов, оптимизации технологических процессов транспорта.

Основные научные результаты работы, представляемые на защиту:

• теоретическая модель сложной транспортной системы, описывающая главные ее закономерности, задающая принципы построения конкретных моделей и помогающая корректно трактовать результаты моделирования;
• классификация главных свойств транспортных систем, определяющих выбор моделей;
• классификация транспортных систем с позиций моделирования;
• принципы выбора вида  расчетной модели в зависимости от доминирующих системных свойств объекта исследования;
• принципы построения универсальной абстрактной  модели, необходимой для построения различных систем имитационного моделирования;
• процедура направленного процесса  оптимизации, которую можно реализовать в имитационных системах;
• методология расчета оптимального управления многоструйными потоками с приоритетами на основе динамических оптимизационных моделей;
• методология  использования двухуровневых систем моделирования для расчета и оптимизации транспортных систем;
• методология  автоматизированного построения оптимизационных и имитационных моделей.

Практическая значимость результатов заключается в создании теоретической и технологической основы для построения разнообразных систем автоматизированного расчета технической структуры и технологии работы объектов железнодорожного транспорта, функционирующих в развитом информационном пространстве. Использование предложенных подходов позволяет существенно повысить эффективность решений в инвестиционных проектах на транспорте, повысить качество транспортного обслуживания крупных предприятий, организовать согласованный подвод грузов к портам и пограничным переходам, улучшить использование подвижного состава.

Реализация результатов работы. Предложенные в диссертации методы, подходы и алгоритмы были использованы в   создании автоматизированных управляющих систем подвода кольцевых маршрутов с углем Нерюнгринского месторождения к порту Восточный, согласованной доставки железорудного сырья на Череповецкий металлургический комбинат (ОАО «СеверСталь»), согласованной доставки строительных материалов кольцевыми маршрутами на Свердловской железной дороге. На основе результатов исследования разработан комплекс задач «Расчет прогноза поездообразования и построения графика исполненной работы станции», который является составной частью отраслевой АСУ станции, создана система автоматизированного построения имитационных моделей на базе системы ИСТРА.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов диссертации подтверждается расчетами на оптимизационных и имитационных моделях, анализом с использованием данных из информационного хранилища данных о различных параметрах перевозок, а также результатами практических расчетов. Ожидаемый годовой эффект от внедрения автоматизированных систем расчета составляет сотни миллионов рублей.

Апробация работы. Результаты исследований, составляющих основное содержание работы, докладывались и обсуждались на: научно-практической конференции «Инженерные имитационные игры» (МИИТ, г. Москва, 1989г.),     I-ом всесоюзном семинаре «Прикладные проблемы моделирования и оптимизации» (АН СССР, АН УССР, Львовская обл., п.г.т. Славское, 1991 г.), всесоюзной конференции «Моделирование систем и процессов управления на транспорте» (АН СССР, г. Москва, 1991 г.), всероссийской научной конференции «Разработка и внедрение новых технологий на транспорте» (РАН, г. Москва 1993 г.), межгосударственной научно-технической конференции «Состояние и перспектива развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона» (МГМИ, г. Магнитогорск, 1994 г.), межгосударственной научно-технической конференции «Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала» (МГМА, г. Магнитогорск, май 1995 г.),  научно-технических конференциях «Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту» (УрГАПС, УрГУПС г.  Екатеринбург, 1995, 1996, 1998, 2001, 2003, 2006 гг..),  конференции «Математическое программирование и приложения» ассоциации математического программирования (УрО РАН, Екатеринбург, 1999 г.),  шестой международной конференции  ИНФОТРАНС-2001 (РГУПС, 2001 г.), юбилейной международной конференции «Совершенствование эксплуатационной работы железных дорог» (ПГУПС, МПС РФ, Санкт-Петербург 1999 г.), международной научно-практической конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров» (Пенза, 2002), восьмой международной научно-практической конференции ИНФОТРАНС-2003 (Санкт-Петербург, 2003 г.),   Международном научном семинаре «Устойчивость, управление и моделирование динамических систем», посвященного 75-летию со дня рождения профессора И.Я. Каца (УрГУПС, ИММ УрО РАН, УрГУ, 2006 г.), международной конференции «Риск-менеджмент и страхование в промышленности – 2007 (августовские чтения)».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 10 глав, списка литературы. Общий объем текста включает 285 страниц, 92 рисунка и 7 таблиц. Список литературы состоит из 175 наименований.

Заключение

В результате проведенного исследования разработана методология выбора метода моделирования в зависимости от свойств моделируемого объекта и поставленной задачи, создания и использования конкретных моделей для расчета и оптимизации различных транспортных систем. Это позволит точнее рассчитывать рациональные структурные параметры и технологию железнодорожных станций, полигонов, транспортных узлов, а также более обоснованно оценивать эффективность инвестиций в инфраструктурные проекты.

В том числе, получены следующие результаты.

1. Предложена классификация основных аспектов функционирования (свойств) транспортных систем, определяющих выбор метода расчета. К ним относятся:

• качественные особенности внутренней структуры;
• технология;
• взаимодействие случайных процессов;
• управление.

2. Сформулированы классы транспортных объектов с позиций выбора метода моделирования.

3. Сделана классификация методов расчета и оптимизации транспортных систем, показаны их сильные и слабые стороны, сформулированы сферы их применения.

4. Предложен подход к построению теоретической модели транспортной системы, которая отображает ее основные черты и характер взаимодействия в ней. Теоретическая модель создает основу для корректной разработки метода моделирования и помогает трактовать результаты моделирования.

5. Предложена методология использования различных моделей для расчета и оптимизации транспортных систем, включая использование моделей строгой оптимизации, оптимизацию на имитационных моделях и использование двухуровневых систем оптимизации.

6. Предложены принципы автоматизации построения моделей, показана их реализация для различных классов моделей, в том числе, содержание электронного справочника.

7. Сформулированы основные предложения информационного обеспечения моделей при решении различных задач. Параметры структуры и технологии следует брать из информационного хранилища, состояние системы и планируемые ритмы производства и потребления – из оперативных баз данных.

8. Предложен подход для расчета функциональной надежности информационных систем, влияющих на достоверность результатов расчета.

9. Приведены примеры конкретного применения разных моделей для расчета и оптимизации различных транспортных систем.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Александров А.Э., Козлов П.А. Автоматизированный программный комплекс расчета, регистрации и отображения работы сортировочной станции //Железнодорожный транспорт, 2003 - №9. – С65-67.
2. Александров А.Э., Якушев Н.В. Стохастическая постановка динамической транспортной задачи с задержками с учетом случайного разброса времени доставки и времени потребления /Управление большими системами: Выпуск 12-13. – М.-:ИПУ РАН, 2006. – С.5-14.
3. Александров А.Э. Математическая модель в автоматизированной системе управления согласованной доставкой грузов //Транспорт. Наука, техника, управление, 2006. - №11. – С.37-39.
4. Козлов П.А., Александров А.Э., Козлова В.П. Сравнение методов расчета транспортных систем при оценке эффективности инвестиций //Транспорт. Наука, техника, управление, 2006. - №11. – С.18-21.
5. Александров А.Э., Ковалев И.А. Построение Автоматизированного процесса управления обращением кольцевых маршрутов //Транспорт Урала, 2007. - №1(12). – С.41-47.
6. Александров А.Э., Новиков П.А. Принципы и модели оптимизации взаимодействия железнодорожного и морского транспорта. //Транспорт. Наука, техника, управление, 2008. - №9. – С.14-16.
7. Александров А.Э. Использование моделей при расчете и оптимизации систем железнодорожного транспорта. // Наука и техника транспорта, 2008, № 2 – С.54-56.
8. А.Э. Александров, П.А. Новиков. Применение системы имитационного моделирования для расчета рациональной технической структуры и технологии промышленных транспортных систем. // Вестник РГУПС, 2008, № 3 – С.76-80.
9. Александров А.Э. Планирование поездообразования в системе АСУ станции. //Транспорт Урала, 2008. - №2 – С.47-51.
10. Козлов П.А., Александров А.Э. Оценка инфраструктурных транспортных проектов методом моделирования //Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, экономике, практике, 2006. - №5. – С.43-44.
11. Александров А.Э., Смородинцева Е.Е. Расчет и оперативная корректировка схемы обращения кольцевых маршрутов на дороге с помощью ДТЗЗ /Гибкая технология работы железнодорожного транспорта в условиях интенсификации перевозочного процесса. – Екатеринбург: УЭМИИТ, МПС СССР, выпуск 81, 1989. – С.102-108.
12. Александров А.Э., Козлов П.А. Оптимизация оперативного планирования внутридорожных перевозок кольцевыми маршрутами //Разработка и внедрение новых технологий на транспорте: Тез. докл. науч. конф. – М. – : РАН, 1993. – С.5-6.
13. Александров А.Э., Козлов П.А., Осокин О.В., Тушин Н.А. Планирование подвода сырьевых маршрутов к металлургическим комбинатам. Состояние и перспектива развития технического потенциала Южно-Уральского региона /Межгосударственная научно-техническая конференция. – Магнитогорск: МГМИ, 1994. – С.134-135.
14. Александров А.Э., Козлов П.А., Осокин О.В. Гибкая технология управления кольцевыми маршрутами на полигоне дороги /Транспортные проблемы и развитие технологических процессов: Сб. науч. статей, ч.1. – Липецк: ЛГТУ, 1995. – С.98-110.
15. Александров А.Э., Пермикин В.Ю. Гибкая технология перевозок внутридорожных массовых грузов. //Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту, ч.1. – Екатеринбург: УрГАПС, 1995. – С.206-207.
16. Александров А.Э., Пермикин В.Ю. Адаптивная технология перевозок внутридорожных массовых грузов на базе метода динамического согласования //Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала /Межгосударственная научно-техническая конференция 16-20 мая 1995. – Магнитогорск: МГМА, 1995. – С.225-227.
17. Александров А.Э., Пермикин В.Ю., Фрейберг А.Ю. Расчет параметров блок «сетевой бункер» в системе «МОДУС» . //Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту-96, ч.1. – Екатеринбург: УрГАПС, 1996. – С.78-79
18. Александров А.Э., Пермикин В.Ю. Некоторые алгоритмы автоматизации построения моделей крупных железнодорожных станций //Железнодорожный транспорт сегодня и завтра: Тез. докл. научно-техн. конф. ч.1. – Екатеринбург: УрГАПС, 1996. – С.119-121.
19. Александров А.Э., Новикова И.П. Управление порожними вагонопотоками в железнодорожном узле //Железнодорожный транспорт сегодня и завтра: Тез. докл. научно-техн. конф. ч.1. – Екатеринбург: УрГАПС, 1998. – С.121-122.
20. Александров А.Э. Управление потоками порожняка в промышленном узле /Вопросы научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте. – Самара: СамИИТ, 1998. – С.10-11.
21. Александров А.Э., Пермикин В.Ю., Новикова И.П. Автоматизированное представление информационных процессов на станции в имитационной модели /Совершенствование информационных систем на железнодорожном транспорте: Сб. науч. тр. – Екатеринбург: УрГАПС, 1999. – С.238-246.
22. Александров А.Э., Семенов Е.М., Тушин Н.А. Организация подвода судовых партий металла в порт /Совершенствование эксплуатационной работы железных дорог в современных условиях: Межвузовск. сб. науч. тр. По материалам междунар. конф., посвященной 190-л.Университета, 70-л. фак. «УПП», 75-л. каф. «УЭР». – СПб: МПС РФ, ПГУПС, 1999. – С.55-56.
23. Александров А.Э., Шавзис С.С. Модель расчета оптимальной укрупненной структуры узла /Математическое программирование и приложения (тезисы докладов): Инф.бюллетень №8. Конференция, Ассоциация мат.программирования. – Екатеринбург, 1999. – С.16-17.
24. Александров А.Э., Пермикин В.Ю., Новикова И.П. Отображение информационных процессов в имитационной модели промышленной станции //Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту/Молодые ученые - транспорту: Тр. научно-техн. конф. – Екатеринбург: УрГАПС, 2000. – С.10-11.
25. Александров А.Э., Пермикин В.Ю., Новикова И.П. Построение имитационной модели промышленной станции //Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту-2001/Молодые ученые - транспорту: Тр. научно-техн. конф. – Екатеринбург: УрГАПС, 2000. – С.33-41.
26. Александров А.Э., Ковалев И.А. Оптимизация диспетчерского управления перевозочным процессом на железнодорожном полигоне //Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту-2001/Молодые ученые - транспорту: Тр. научно-техн. конф. – Екатеринбург: УрГАПС, 2001. – С.77-80.
27. Александров А.Э., Ковалев И.А., Пермикин В.Ю. Выбор рационального варианта работы железнодорожной станции на базе автоматизированных имитационных моделей //Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту-2001/Молодые ученые - транспорту: Тр. научно-техн. конф. – Екатеринбург: УрГАПС, 2001. – С.81-86.
28. Александров А.Э., Пермикин В.Ю., Шавзис С.С. Автоматизированная система прогнозирования поездообразования на сортировочной станции /Информационные технологии на железнодорожном транспорте. - Сочи: РГУПС, 2001. – С.5-6.
29. Александров А.Э., Ковалев И.А., Пермикин В.Ю. Прогнозирование поездообразования на сортировочной станции с применением имитационного моделирования /Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров: Междунар. научно-практ. конф. – Пенза: ПДЗ, 2002. – С.59-65.
30. Александров А.Э., Пермикин В.Ю. Применение имитационной модели для автоматизированного расчета поездообразования на сортировочной станции /Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: материалы Всероссийской научно-практ. конф. – Екатеринбург: УрГУПС. – Том.2 – 2003. – С26-31.
31. Александров А.Э., Ковалев И.А. Влияние согласованного подвода поездов на работу припортовой станции //Молодые ученые – транспорту: Труды IV научно-техн. конф. – Екатеринбург: УрГУПС, 2003. – С.345-350.
32. Александров А.Э., Козлова В.П. Модели оптимизации по минимуму производственно-транспортных расходов //Устойчивость, управление и моделирование динамических систем: Сб. научн.тр./под ред. Г.А. Тимофеевой. – Екатеринбург: УрГУПС., 2006. - №54(137). – С.24.