CC BY
10УДК 656.615
Е.Е. Соловьева
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,
Владивосток, 690087 e-mail: pillers@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДХОДОВ В РАЗРАБОТКЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПОИСКА
И ВЫЕМКИ КОНТЕЙНЕРОВ
Рассматриваются предложенные в научной литературе варианты решения задачи разработки компьютеризированной системы складской грузопереработки для механизированного морского контейнерного терминала. Особое внимание уделено существующим алгоритмам поиска оптимальной стратегии перестановки блокирующих контейнеров для получения доступа к контейнерам, которые подлежат в данный момент времени обслуживанию.
Ключевые слова: контейнерный терминал, перегрузочное оборудование, контейнерный штабель, математическое моделирование.
E.E. Soloveva
Far Eastern State Technical Fisheries University, Vladivostok, 690087 e-mail: pillers@mail.ru
RESEARCH OF APPROACHES IN THE ALGORITHMS DEVELOPMENT FOR MANAGING AN AUTOMATED SYSTEM FOR ORGANIZING THE SEARCH
AND SEIZURE OF CONTAINERS
The options proposed in the scientific literature for solving the problem of developing a computerized warehouse cargo handling system for a mechanized sea container terminal are considered. Particular attention is paid to the existing algorithms for searching strategic permutations of blocking containers to access the maintained containers.
Key words: container terminal, handling equipment, container stack, mathematical simulation.
Конкурентоспособность морского контейнерного порта в значительной степени зависит от срока обслуживания судов, и, следовательно, минимизация времени их нахождения у причала является главным лимитирующим критерием в отношении терминальных операций.
Для сокращения временного показателя выгрузка с борта судна и штабелирование производятся без учета дальнейших действий с контейнерами (перевалка груза с одного вида транспорта на другой, хранение груза, обязательные таможенные операции с импортным грузом и т. п.). При такой организации погрузо-разгрузочных работ зона хранения служит буфером, где поступающие контейнеры складываются во временные штабеля, которые расформируются и переформируются в зависимости от дальнейших операций [1, 2], производимых с грузом (выдача грузополучателю, убытие другим видом транспорта, взвешивание, таможенный контроль и др.). При выполнении селективных операций поиска и выемки прямой доступ возможен только к самому верхнему контейнеру каждого стека штабеля. Если необходимо извлечь из штабеля контейнеры, расположенные в нижних ярусах стеков, то приходится выполнять непроизводительные операции снятия и перемещения контейнеров, хранящихся над ними (блокирующие контейнеры).
Из-за трудоемкости и частоты выполнения этих операций в мировой научной литературе имеется большое количество публикаций, в которых предложены различные способы внутренней перестановки контейнеров на терминалах порта [3-5]. Каждый из предложенных способов имеет свои достоинства и недостатки, поэтому можно сделать вывод, что задача оптимизации селективного поиска и выемки целевых контейнеров из штабеля так до конца не решена.
Одно из направлений, в рамках которого решается данная задача, - разработка различных систем или алгоритмов управления процессом перестановки контейнеров в рамках одного штабеля. Все научные работы этого направления условно можно разделить на две группы: определение местоположения контейнера в штабеле с применением различных систем кодирования (операция поиска без выемки контейнеров), непосредственный поиск целевых контейнеров в штабеле и их выемка с использованием оптимизационных алгоритмов.
Применение различных систем кодирования для определения местонахождения контейнера в грузопотоке начали широко обсуждать в научной литературе еще в 1982 г. [6]. В качестве инструмента кодирования в подобных системах используются штрих-коды и радиочастотные метки, которые нанесены на контейнер. В качестве примера использования машиносчитываемых штриховых кодов можно привести компьютерную систему управления портовым контейнерным терминалом [7]. Объектом приложения управляющих воздействий в данном случае является погрузчик (трейлер), который оснащен передающим устройством.
Сигнал с этого передающего устройства отправляется в диспетчерский пункт, оснащенный приемником GPS с антенной, предназначенной для приема навигационного сигнала, и передающей радиостанцией, предназначенной для передачи информации на погрузчик и трейлеры. Сигнал содержит в себе коды номера погрузчика (трейлера), его текущее состояние (занят, свободен) с информацией о его местоположении (привязка к местности). В свою очередь, обработав полученные сведения, с диспетчерского геодезического пункта на выбранный погрузчик и/или трейлер передается информация о номерах контейнеров, их местоположении на контейнерном терминале и порядке совершения действий с ними. Недостатком рассматриваемого способа является ограничение на использование штрихового кода, а именно - невозможно считывать закодированную информацию на удалении от контейнера, т. е. дистанционно. Этот недостаток снижает эффективность и функциональные возможности управления портовым контейнерным терминалом. Замена штрих-кода на радиочастотную метку позволяет уже дистанционно получать информацию о конкретном контейнере в штабеле. Такой вариант компьютерной системы управления портовым контейнерным терминалом предложен в работе [8].
Обе представленные системы автоматизации процесса управления портовым контейнерным терминалом касаются только определения местоположения контейнера на терминале с применением различных систем кодирования, но не обеспечивают автоматизацию селективного поиска контейнера в штабеле с применением системы кодирования.
В работах [9, 10] рассмотрены системы организации слежения за импортными грузопотоками, оформляемыми по технологии предварительного информирования [11], в процессе их выгрузки с судна и опасными грузами в процессе погрузки на борт. Эти работы объединены тем, что система идентификации (поиска) целевых контейнеров в грузопотоке, выгружаемом с борта судна (загружаемом на борт), организована на основе применения специальных QR-кодов. В процессе погрузо-разгрузочных работ основной QR-код на крыше контейнера сканируется считывающим устройством (СУ), установленным в нижней части тележки козлового крана. В случае нахождения контейнера на терминале с помощью переносного СУ сканируются вспомогательные QR-коды, расположенные на боковых стенках и дверях контейнера. Преимуществом QR-кода (в отличие от штрих-кода) является то, что он несет в себе не просто текстовую информацию, а гиперссылки. Получив уникальную гиперссылку, устройство автоматически отсылает ее в базу данных таможенного органа порта прибытия. Далее с помощью специальной программы выполняется автоматический переход по данной ссылке и открывается доступ к информации о принятом в отношении каждого конкретного контейнера решении, в частности, о необходимости проведения процедуры таможенного досмотра груза внутри контейнера [12]. Контейнеры, попавшие под таможенные процедуры, отделяют от общего грузопотока и размещают в отдельном штабеле, тем самым устраняя в дальнейшем необходимость селективного поиска их в общей массе контейнеров, размещенных в зоне хранения терминала.
С системами управления контейнерными терминалами на основе оптимизационных алгоритмов можно ознакомиться в работах [13-15]. В отличие от публикаций, представленных выше, здесь акцент в автоматизации смещен в направлении поиска оптимальной стратегии выемки целевых контейнеров. Так, в работе [13] рассмотрен процесс обработки железнодорожного подвижного состава на тыловом грузовом фронте морского контейнерного терминала. Отмечено, что наиболее трудоемкой операцией процесса является выемка из штабелей контейнеров (целевые),
составляющих грузовую партию для погрузки на конкретный железнодорожный состав. Выемка из штабеля даже одного целевого контейнера в общем случае требует дополнительных перемещений контейнеров, блокирующих доступ к нему («непроизводительные движения перегружателя»). Поиск оптимальной стратегии выемки целевых контейнеров выполняется с использованием двух критериев оптимальности. Первый - показатель отношения числа производительных движений к общему их числу, т. е. сумме производительных и непроизводительных движений (показатель селективности). Чем ближе показатель селективности к единице, тем больше целевых контейнеров в штабеле находятся в прямом доступе, а стремление селективности к нулю характеризует большое количество блокирующих контейнеров в штабеле, т. е. повышение трудоемкости выемки за счет увеличения непроизводительных операций. Второй - оценка минимальной длительности интервала обработки состава при фиксированной численности технологического оборудования.
В рамках поставленной задачи авторы рассматривают три альтернативных решения (стратегии обработки штабеля в зоне хранения):
- формирование вспомогательного штабеля из целевых контейнеров (т. е. принадлежащих к вывозимой железнодорожной партии) в свободный промежуток между обработкой на тыловом грузовом фронте железнодорожных подач (престакинг со вспомогательным штабелем);
- для ускорения обработки железнодорожного подвижного состава на тыловом грузовом фронте временно прекращаются все другие операции, не связанные с этой обработкой и использующие то же технологическое оборудование (временное усиление одной технологической операции за счет перераспределения погрузчиков);
- роль вспомогательного штабеля выполняют несколько секций склада с высокой ярусно-стью штабелирования, таким образом, нет необходимости формировать вспомогательный штабель в непосредственной близости от тылового грузового фронта (престакинг с повышенной ярусностью отдельных секций).
Оптимальный вариант из возможных решений выбирается на основе рационального сравнения, которое предполагает выполнение на первом этапе аналитических расчетов. На втором этапе аналитические расчеты подтверждаются имитационным моделированием каждого из предложенных вариантов.
В статье [14] подробно показано, как на основе рационального сравнения выбирать оптимальный вариант из возможных стратегий с использованием критерия минимизации количества непроизводительных операций. С помощью методов классической теории вероятности случайным образом задается местоположение целевого контейнера и определяются все возможные варианты выборки его из штабеля. По каждому из вариантов определяется число непроизводительных операций. Выборка осуществляется за одно движение, когда в верхнем ярусе находится хотя бы один целевой контейнер из списка (число непроизводительных операций равно нулю). Максимальное количество движений потребуется в случае, если все целевые контейнеры расположены в нижнем ярусе (число непроизводительных операций равно количеству перемещений блокирующих контейнеров). С ростом числа целевых контейнеров необходимое для выемки число непроизводительных перемещений значительно уменьшается.
В работе [15] рассмотрен вариант работы имитационной модели выемки целевых контейнеров с перестановкой блокирующих контейнеров на свободные места в рядах штабеля в рамках одной секции с использованием специализированного складского перегружателя (RTG или RMG). Целью проведения исследования на модели является выявление зависимости между числом движений крана при выборке контейнеров из штабеля и занятостью склада. На первом этапе работы модели генерируется конфигурация штабеля, в которой случайным образом распределяются частично заполненные и полностью заполненные ярусы. На втором этапе случайным образом задается количество целевых контейнеров с их конкретным местом положения в штабеле. На третьем этапе осуществляется поиск вариантов перестановок блокирующих контейнеров в ряды с частично заполненными ярусами в рамках секции, в которой находится целевой контейнер. Если частично заполненных рядов в рамках секции больше нет, то RTG будет вынужден временно поставить следующий по порядку выемки блокирующий контейнер в ряд с полностью заполненным ярусом. После того как целевой контейнер будет удален из штабеля, необходимо вернуть временно размещенные блокирующие контейнеры из полностью заполненных рядов на их прежнее место, т. е. в ряд, где ранее находился целевой контейнер.
Следует отметить, что в случае перемещения блокирующих контейнеров в полностью заполненные ряды количество непроизводительных движений RTG увеличивается в два раза по сравнению с операциями по перемещению в ряды с частично заполненными ярусами.
В статье [16] рассмотрен вариант поиска и выемки контейнеров из штабеля с применением в качестве управляющей системы детерминированного конечного автомата (ДКА). Эта работа является примером использования в системе управления как элементов кодирования, так и автоматизации поиска с применением математического моделирования.
Объектом управления в системе является последовательность действий ричстакера при выполнении операции выемки целевого контейнера из штабеля. Последовательность действий задается строкой входных символов a1, a2, ..., an, в которой каждый символ является кодом одного действия погрузчика. Например, действие «снять верхний контейнер в стеке» кодируется символом х. Любая логическая последовательность выполняемых операций по разблокированию и выемке целевых контейнеров (строка входных символов) генерируется с помощью диаграммы переходов ДКА (конечно-автоматного графа функционирования складирующего оборудования).
Рассмотрев предложенные в научной литературе технические решения отдельных подзадач (определение местоположения оборудования и контейнеров [7, 8], поиск оптимальной стратегии выемки контейнеров [13-15], автоматизация последовательности выемки целевого контейнера [6]), можно сделать однозначный вывод о возможности создания компьютеризированной системы складской грузопереработки для механизированного морского контейнерного терминала путем объединения перечисленных выше разработок в единый комплекс. Например, вариант компьютеризированной системы складской грузопереработки импортного грузопотока может содержать в своей оболочке следующие технические решения: идентификация (поиска) целевых контейнеров в грузопотоке, выгружаемом с борта судна на основе применения специальных QR-кодов [10], поиск оптимальной стратегии перестановки блокирующих контейнеров по критерию минимизации показателя селективности [14], автоматизация процесса действий перегружателя при выполнении операции выемки целевых контейнеров [16].
Литература
1. Маликова Т.Е. Организация таможенного контроля на контейнерных терминалах в морских пунктах пропуска // Проблемы транспорта Дальнего Востока: FERBAT-13: Материалы юбилейной Десятой междунар. науч.-практ. конф., посвященной 200-летию адмирала Г.И. Невельского. Владивосток, 02-04 октября 2013 года. - Владивосток: Российская академия транспорта, Дальневосточное отделение, 2013. - С. 81-83.
2. Маликова Т.Е., Янченко А.А. Системный анализ взаимодействия участников транспортного рынка при оформлении грузов в морском порту // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2015. - № 4. - С. 25-29.
3. Daganzo С.¥. Fundamentals of transportation and traffic operations. - New-York: Elsevier Science inc., 1997.
4. Козан Э., Престон П. (2007). Математическое моделирование перегрузок и мест хранения контейнеров на терминалах морских портов [Электронный ресурс] // Контейнерные терминалы и грузовые системы / К.Х. Ким, Х.О. Гюнтер (ред.). - Шпрингер: Берлин - Гейдельберг. -URL: https://doi.org/10.1007/978-3-540-49550-5_5.
5. Kim K.H. Evaluation of the number of re-handles in container yards [Электронный ресурс] // Computers and Industrial Engineering. - 1997. - 32 (4). - P. 701-711. - DOI 10.1016/S0360-8352(97)00024-7.
6. Майоров. Н.Н., Таратун В.Е. Исследование и практическая реализация модели идентификации объектов систем учета материального потока на основе стандартов CCSDS [Электронный ресурс] // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2022. - № 1. - С. 72-80. - DOI 10.24143/2073-5529-2022-1-72-80.
7. Патент № 2172524 C1 Российская Федерация, МПК G08G 1/123. Компьютерная система управления портовым контейнерным терминалом: № 2000108786/09: заявл. 04.04.2000: опубл. 20.08.2001 / Л.В. Рыбкин, А.В. Ильин, Е.С. Майсон [и др.]; заявитель Закрытое акционерное общество «Сателлит-СПб».
8. Патент № 2435228 С1 Российская Федерация, МПК G08G 1/123, G01S 1/02, G01S 5/02. Компьютерная система управления портовым контейнерным терминалом: № 2010115740/11: за-явл. 20.04.2010: опубл. 27.11.2011 / В.И. Дикарев, В.А. Шубарев, В.А. Мельников [и др.]; заявитель Открытое акционерное общество «Авангард».
9. Филиппова А.И., Тарбеев К.А., Радочинская А.Ж. Разработка системы слежения за опасными грузами в условиях морских контейнерных перевозок // Молодежь. Наука. Инновации: Материалы 64-й Междунар. молодеж. науч.-техн. конф. - Владивосток. - 2016. - С. 20-23.
10.Маликова Т.Е., Филиппова А.И. Разработка системы слежения за импортными грузопотоками, оформляемыми по технологии предварительного информирования в морском пункте пропуска // Морские интеллектуальные технологии. - 2016. - № 4-2 (34). - С. 32-36.
11. Разработка инфологической модели базы данных предварительного информирования таможенных органов для судоходной компании / А.И. Азовцев, Т.Е. Маликова, А.И. Филиппова, А.А. Янченко // Морские интеллектуальные технологии. - 2016. - № 3-1 (33). - С. 327-332.
12.Янченко А.А., Маликова Т.Е., Кузьмин А.В. Алгоритм оформления судна в порту по технологии предварительного информирования таможенных органов в условиях свободного порта Владивосток // Территории опережающего социально-экономического развития в Российской Федерации и свободный порт Владивосток: Сборник научных трудов X Регион. науч. конф., посвященной 25-летию ФТС России. Владивосток, 05-06 октября 2016 года. - Владивосток: Владивостокский филиал Российской таможенной академии, 2016. - С. 25-262.
13. Кузнецов А.Л., Кириченко А.В., Семенов А.Д. Планирование работы тыловых грузовых фронтов морских контейнерных терминалов методами имитационного моделирования // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. -2019. - Т. 11, № 2. - С. 243-253. - Б01 10.21821/2309-5180-2019-11-2-243-253.
14. Кузнецов А.Л., Семенов А.Д., Боревич А.З. Анализ оптимизационных стратегий складирования контейнеров // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - 2019. - Т. 11, № 5. - С. 803-812. - Б01 10.21821/2309-5180-2019-11-5803-812.
15. Кузнецов А.Л., Семенов А.Д., Левченко В.П. Влияние технических ограничений перегрузочного оборудования на производительность операций // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - 2019. - Т. 11, № 3. - С. 417-429. -Б01 10.21821/2309-5180-2019-11-3-417-429.
16. Радочинская А.Ж., Маликова Т.Е. Модель формирования для таможенных целей вспомогательного штабеля контейнеров на языке конечных автоматов // Эксплуатация морского транспорта. - 2021. - № 2 (99). - С. 59-66. - БОТ 10.34046/аиш8иош199/10.
