CC BY
49УДК 656.2:656.6
Антонова Елена Ивановна, доцент кафедры прикладной математики, механики, управления и программного обеспечения , к.т.н., доцент., e-mail: ant_vladivostok@mail.ru
Васильев Илья Александрович, инженер-программист, соискатель степени кандидата технических наук, ООО «Экстенсив Сервис», e-mail: vasyhin@list.ru,
Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ) 69000, Приморский край, Владивосток, ул. Суханова, 8
МОДЕЛЬ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ ГРУЗОВЫХ РАБОТ НА КОНТЕЙНЕРНОМ ТЕРМИНАЛЕ
Ключевые слова: транспорт, системы управления контейнерным терминалом, автоматизация планирования, грузовые процессы на контейнерных терминалах, эффективная организация перегрузочных процессов.
Аннотация. Статья обращается к проблемам организации грузовых работ на контейнерном терминале. Обозначены цели и основные проблемы в процессах планирования на терминале. Проанализированы существующие системы автоматизации работы контейнерных терминалов, определены недостающие возможности, препятствующие эффективной организации работы. Описаны методы формирования комплекта контейнеров для отгрузки на железнодорожный вагон, размещения железнодорожных вагонов на подъездных путях контейнерного терминала, формирования множества размещений КТК, выгруженных с вагонов. Приведены алгоритмы решения представленных задач. В статье описана архитектура информационной системы, автоматизирующей процессы планирования грузовых работ. Указана возможность интеграции системы с существующими программными решениями.
Введение
Транспортная система имеет большое значение в экономике Российской Федерации (РФ). Одним из ключевых направлений транспортировки грузов по железной дороге являются контейнерные грузоперевозки. В 2015 году Владивосток получил статус свободного порта - портовая зона, пользующаяся особыми режимами таможенного, налогового, инвестиционного и смежного регулирования. В связи с этим регион ожидает интенсивное развитие экономики, строительства, производства. Подъем экономики будет требовать новые возможности от транспортной отрасли. По мнению ведущих экспертов транспортной отрасли, в течение следующих 10 лет объемы перевозок могут увеличиться в 2-2,5 раза [1]. Контейнерные перевозки являются именно тем видом грузоперевозок, который сможет предоставить возможности для этого роста.
Главными транспортными узлами в цепи организации перевозок контейнеров являются контейнерные терминалы. Успешность развития контейнерного терминала и его перевалочных мощностей определяется эффективностью управления и грамотной организацией деятельности, а также оперативным контролем ее осуществления.
На сегодняшний день существует несколько автоматизированных систем управления контейнерными терминалами [2, 3]. Некоторые из этих систем имеют модули для автоматизации работы, происходящей на грузовых фронтах [4, 5]. Ввиду большого объема информации и количества различных факторов, которые влияют на ход погрузочно-разгрузочных работ, организация погрузки и выгрузки контейнеров зачастую неоптимальна, а сами грузовые работы происходят со сбоями, остановками или накладками. При обзоре возможностей существующих систем управления транс-
портным процессом, в частности, связанных с оптимизацией времени обработки контейнеров и повышением качества планирования грузовых операций, не было найдено разработок, которые позволяют в полной мере использовать возможности контейнерного терминала по обработке грузовых фронтов. Поэтому актуальной является разработка новых методов описания перегрузочных процессов при организации грузовых работ на контейнерном терминале, которые позволят автоматизировать и повысить качество планирования грузовых процессов, сократить время обработки контейнеров и уменьшить пробег погрузочной техники по терминалу [6, 7].
В результате анализа предметной области «Перегрузочные процессы в организации грузовых работ на морском контейнерном терминале» была построена ее концептуальная модель. Для формального описания модели предметной области использован язык прикладной логики (ЯПЛ). ЯПЛ - язык, логический язык, основанный на языке исчисления предикатов1 [8, 9]. Объекты предметной области «Перегрузочные процессы в организации грузовых работ на морском контейнерном терминале» классифицированы на 3 категории: информация о контейнерах, секциях хранения и грузовом транспорте. Структура разработанной модели представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структура модели предметной области
Разработанная модель позволяет сотрудникам контейнерного терминала самостоятельно описывать правила, используемые в процессе выгрузки и отгрузки контейнеров на грузовой транспорт [10].
Основными процессами в предметной области «Перегрузочные процессы в организации грузовых работ на морском контейнерном терминале» являются:
1) Распределение грузового транспорта по грузовым фронтам контейнерного терминала.
2) Планирование адресов хранения на складе контейнерного терминала для контейнеров, которые выгружаются с грузового транспорта.
3) Распределение контейнеров, предназначенных для отгрузки, по транспортным единицам.
Критерий эффективности оптимизации рассматриваемого производственного процесса - уменьшение суммарного расстояния по перемещению контейнеров.
Сформулируем задачи, которые необходимо решить для успешной автоматизации исследуемой предметной области на примере железнодорожного грузового транспорта:
1 Первоначально язык был описан в работах Клещева А.С. и Артемьевой И.Л.
Задача 1. Формирование множества планов отгрузки КТК на ЖД [11].
Подзадача 1.1. Проверка совместимости КТК по весу и размеру для размещения на вагоне
Подзадача 1.2. Проверка совместимости вагона по станции назначения и собственнику вагона
Подзадача 1.3. Проверка пригодности позиции на вагоне для погрузки контейнера
Задача 2. Формирование множества разбиений списка ЖД вагонов для подачи на подъездные пути
Задача 3. Формирование множества размещений КТК, выгруженных с вагонов
Подзадача 3.1. Проверка совместимости назначения складской секции хранения и характеристик КТК
Задача 4. Определение оптимального разбиения списка ЖД вагонов для подачи на подъездные пути из множества возможных вариантов
Подзадача 4.1. Вычисление расстояния по перемещению КТК с/на ЖД вагон
Приведем описание методов размещения железнодорожных вагонов на подъездных путях контейнерного терминала, формирования комплекта контейнеров для отгрузки на железнодорожный вагон, формирования множества размещений КТК, выгруженных с вагонов.
Метод формирования комплекта контейнеров для отгрузки на железнодорожный вагон. Входные данные: список контейнеров, список вагонов, перечень контейнеров, находящихся на вагонах. Выходные данные: множество вариантов размещения контейнеров на вагонах.
Шаг 1. Определим множество контейнеров
C = {сь ..., (1)
и множество железнодорожных вагонов
Шаг 2. Для вагонов из множества R составим список свободных позиций
где /рj 1 <т < М,р еГГозщии КТК на вагоне.
Позиция считается свободной согласно следующему критерию:
Е РРоПозиция на вагоне свободна(я(/р01), л(/р,,2)) (3)
Позиция на вагоне, в которую планируется поставить контейнер, должна быть свободна. Если контейнер имеет размер 2 ТЕи (ТЕи - от англ. «двадцатифутовый эквивалент» - единица измерения размера контейнера), должна существовать и быть свободной следующая позиция. В предыдущей позиции (если она существует) не должно стоять контейнера размером 2 ТЕи, иначе эта позиция не будет считаться свободной.
Шаг 3. Обозначим допустимое размещение контейнеров на вагонах - множество
пар
таких, что для любого контейнера либо контейнер сформирован в пару, либо не существует вагона, чтобы сформировать пару, и пара {с,-,/р;) сформирована тогда и
только тогда, когда КТК пригоден для погрузки на вагон(*с,-, 1), п(/р}3 2 ) | т.е. {с,-, /р;) е Р■ФФКТК пригоден для погрузки на вагон ( с,..л(/р -, 1), 2) ] (5)
Необходимо сформировать множество допустимых размещений контейнеров на вагонах. Для этого следует последовательно проверить заданное множество контейнеров на возможность их помещения на железнодорожные вагоны.
Шаг 4. Обозначим к - количество контейнеров, которые необходимо отгрузить. Количество контейнеров К в множестве С не должно превышать количество свободных позиций N в множестве ЕР. Если это не так, размещены будут только к контейнеров, т.е.
к < N (6)
Шаг 5. Сформируем размещения без повторений из N натуральных чисел от 1 до N по к - Ак . Один вариант размещения из N по к будет представлять один вариант размещения к контейнеров по N свободным позициям на вагонах. Порядковый номер / числа в размещении обозначает индекс контейнера в списке контейнеров С. Значение числа в размещении обозначает индекс свободной позиции на вагоне в списке ЕР.
Шаг 6. Сформируем Р - возможное размещение контейнеров на вагонах, которое не обязательно является допустимым.
(7)
Шаг 7. Последовательно проверим набор условий, определяющих возможность постановки контейнера на железнодорожный вагон, для каждой пары
Для принятия решения необходимо проверить выполнение следующих требований:
1) возможность отправить вагон на станцию назначения;
2) возможность собственника вагона обрабатывать необходимую станцию назначения;
3) контроль размера контейнера по вместимости вагона;
4) контроль веса контейнера по грузоподъемности вагона;
5) соблюдение правил размещения контейнера на вагоне.
Данный шаг алгоритма позволяет определить, является ли данное размещение А^ допустимым вариантом размещения контейнеров на вагонах. Рсчитается допустимым, тогда и только тогда, когда для любого контейнера с, нашлась пригодная для размещения позиция/pj, т.е.
Р' - допустимо <=> УЩ-. ) е Р, где 1 < I < К,1 < / < /V (8)
Шаг 8. Если Р - допустимо, добавим Р в выходное множество вариантов размещения контейнеров на вагонах.
Для уменьшения числа вариантов, подлежащих перебору и оптимизации работы алгоритма по времени, предлагается отказаться от обработки вариантов, одинаковых по составу позиций на вагоне, но отличающихся порядком их следования. Для этого необходимо использовать сочетания без повторений из N натуральных чисел от 1 до
N по к - См [12, 13]. Тогда количество вариантов размещения будет равно
аг:
К'.^-К):
(9)
Метод размещения железнодорожных вагонов на подъездных путях контейнерного терминала. Входные данные: список вагонов, список подъездных путей. Выходные данные: множество разбиений списка вагонов по подъездным путям [14].
Задача представляет собой задачу разбиения последовательности вагонов на подпоследовательности. Для перечисления всевозможных разбиений натурального числа на натуральные слагаемые воспользуемся алгоритмом из комбинаторики «О перечислении всевозможных разбиений натурального числа на натуральные слагаемые». 152
Шаг 1. Обозначим N - общее количество вагонов в начале маневровых работ.
Шаг 2. Общее количество подпоследовательностей не превышает число железнодорожных фронтов, на которые необходимо разместить вагоны. Разбиение вагонов на подпоследовательности представим в виде слагаемых, в сумме дающих исходное натуральное число V:
М < Р,
(11)
где Р - количество железнодорожных фронтов,
Х1 - количество последовательно стоящих вагонов в подпоследовательности вагонов, размещенных на железнодорожном фронте.
Шаг 3. Определим порядковые номера вагонов, размещенных на железнодорожный фронт. То есть на фронт номер /:
размещаются вагоны с
по =
(12)
(13)
(14)
Шаг 4. Ограничим количество вагонов в подпоследовательности длиной фронта таким образом, чтобы сумма длин вагонов в подпоследовательности не превышала длину фронта.
¡епдЬЦКайсаг^ < [епдЩРгоШ^}^. 1<$<Т
(15),
где 1епд№(Яайсаг1) - длина контейнера с номером ¿(1<1 < ]Ч), ЬепдЬН^РгопЬ^- длина фронта / (1 < Г < I1).
Существующий алгоритм из комбинаторики модифицирован автором для обеспечения учета длины железнодорожных фронтов.
Метод формирования множества размещений КТК, выгруженных с вагонов. Входные данные: список контейнеров, список секций хранения. Выходные данные: множество размещений КТК по секциям хранения.
Шаг 1. Определим множество подходящих секций хранения для каждого контейнера:
ЭА = .....ЗД, где Чк-.1<к<К, БСк = {5*.....
Vт: 1 < ш < Мк КТК возможно разместить в секции хранения {Ск,Б^}
(16)
Шаг 2. Введем множество целочисленных последовательностей. Значение каждого элемента в последовательности не превышает числа подходящих секций для соответствующего контейнера.
Х5 = 0^, где Уп: 1 < п < ЛГ, Хп = {X... ХЩ при этом УкЛ<к< К,Х£ < Мк
(17)
Каждая последовательность Хп представляет собой вариант размещения контейнеров по секциям хранения:
¥л: 1 < п < N У к-. 1 < к < К ^ =
(18)
Шаг 3. Обозначим порядковый номер контейнера во множестве С равным порядковому номеру элемента в последовательности Хп.
Шаг 4. Обозначим порядковый номер секции во множестве SCk равным значению элемента в последовательности Хп.
Число таких последовательностей равно произведению чисел подходящих секций для каждого контейнера, то есть
= (19)
С ипользованием разработанной модели сформулирована концепция программного комплекса, реализующего вышеописанные модели и методы. На рисунке 2 представлена архитектурно-контекстная диаграмма системы. Программный комплекс состоит из подсистем ввода и вывода информации, подсистем формирования планов отгрузки и выгрузки контейнеров и расстановки грузового транспорта по грузовым фронтам контейнерного терминала совместно с соответствующими редакторами знаний и подсистемы поиска оптимального решения [15].
Исходная информация и результаты работы программного средства формируются в стандартном формате XML. Благодаря этому разработанная система может быть сопряжена с существующими системами управления контейнерным терминалом для автоматизированного ввода начальных данных и дальнейшего использования полученных результатов.
Программный комплекс содержит редакторы для описания правил размещения контейнеров на вагонах и правил размещения контейнеров в складских секциях хранения.
Подсистема поиска оптимального решения использует результаты работы подсистем, вычисляющих возможные варианты формирования планов погрузки и выгрузки, и определяет наилучший вариант размещения вагонов по подъездным путям.
В результате проведенных исследований были получены следующие результаты:
1. Исследованы существующие решения для управления технологическими процессами на грузовых фронтах контейнерных терминалов. Изучен практический опыт организации грузовых работ по погрузке и выгрузке контейнеров на примере реального контейнерного терминала. Выделены основные проблемы, препятствующие эффективной организации перегрузочных процессов на грузовом транспорте контейнерного терминала.
2. Проанализированы технологические процессы формирования комплекта контейнеров для отгрузки на грузовой транспорт, размещения грузового транспорта по грузовым фронтам контейнерного терминала, планирования адресов хранения для выгружаемых контейнеров. На языке прикладной логики разработана формальная модель предметной области «Перегрузочные процессы в организации грузовых работ на морском контейнерном терминале».
3. Разработаны методы формирования планов отгрузки КТК на грузовой транспорт, размещения грузового транспорта по грузовым фронтам, планирования адресов складских секций для хранения КТК, выгруженных с грузового транспорта.
4. Разработана система планирования перегрузочных процессов при организации грузовых работ на контейнерном терминале, которая определяет наилучший вариант размещения грузового транспорта по грузовым фронтам, минимизируя суммарное расстояние по перемещению контейнеров, и предлагает решение лицу, принимающему решение.
Ча й
Рис. 2. Архитектурно-контекстная диаграмма системы
а »
-г
а
Ой О й/ К
0
8
1 к
э
■а
о
й/ Ьэ
^
К г>
а з а
а а
о> *
® Ьп
2 •О
й 5
3
о ® 3 а 5 >3
О) О
Г* И
3 42 §
Список литературы:
[1] Объемы железнодорожных контейнерных перевозок по России // Электронный журнал «Эксперт». [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://expert.ru/expert/2012/23/soobrazili-na-dvoih/media/145174/
[2] Cost Consequences of a Port-Related Supply Chain Disruption. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2092521215000504
[3] Диалог ИТ. Клиенты компании. Компания «Контейнершипс-СПб». [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://www.dialogit.ru/about/clients/737/
[4] Solvo.CTMS Real-Time Control. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.solvosys. com/en/products/solvo-ctms/
[5] Portrade Container Terminal Management system. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.ant-tech.ru/eng/solutions/container/
[6] Бодюл В.И. Технологические принципы совершенствования управления перевозочным процессом в современных условиях. // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта, М. : 1996. - Тр. МИИТ - с.26
[7] Ломаш Д.А. Автоматизация взаимодействия железной дороги и морского порта на основе мультиагентной оптимизации и имитационного моделирования: дис. ... канд. техн. наук. - Ростов-на-Дону, 2004 - 187 с.
[8] Артемьева И.Л. Интеллектуальные системы для сложно-структурированных предметных областей // Научно-технические ведомости СПБГТУ. - 2008. - №2. - С. 108-114.
[9] Гаврилова, Т.А. Базы знаний интеллектуальных систем Текст. / Т.А. Гаврилова, В.Ф. Хорошевский. СПб.: Питер, 2001. - 384 е.: ил. ISBN 5272-00071-4.
[10] Антонова Е.И., Васильев И.А. Задачи планирования в работе железнодорожного транспорта на контейнерном терминале. Описание методов решения // Информационные технологии в науке, образовании и управлении: труды международной конференции IT+S&E'15 (Гурзуф, 22 мая-01 июня 2015г) / под. ред. проф. Е.Л.Глориозова. - М.:ИНИТ, 2015, Весенняя сессия. - С. 108-113.
[11] Антонова Е.И., Васильев И.А. Задача формирования комплекта контейнеров для отгрузки на железнодорожный вагон. Метод поиска решений. // Технологии разработки информационных систем: сборник статей международной научно-практической конференции. - Таганрог: Издательство ЮФУ, 2015. - С. 101-106.
[12] A. Kostogryzov, A. Nistratov, G. Nistratov. Some applicable methods то analyze and optimize system processes in quality management // InTech, 2012, ISBN979-953-307-778-8, 2012, pp. 127-196
[13] Grigoriev L., Kostogryzov A., Krylov V., Nistratov A., Nistratov G. Prediction and optimization of system quality and risks on the base of modelling processes. American Journal of Operation Researches, Special Issue, Volume 1, 2013, pp. 217-244.
[14] Антонова Е.И., Васильев И.А. Метод автоматического размещения железнодорожных вагонов по подъездным путям контейнерного терминала // XIII всероссийская конференция «Проблемы информатизации региона» ПИР-2013, Сборник материалов конференции. - Красноярск, 2013. - С.95-97.
[15] Антонова Е.И., Васильев И.А. Архитектура системы автоматизации планирования грузовых процессов на железной дороге контейнерного терминала // Проблемы информатизации региона. ПИР-2015: Материалы XIV Всероссийской научно-практической конференции / Под ред. Л.Ф. Ноженковой; отв. за вып. А.А. Евсюков. - Красноярск: ИВМ СО РАН, 2015. - С. 12-19.
CARGO SHIPPING PROCESS MODELING FOR CARGO PLANNING ACTIVITIES ON CONTAINER TERMINAL
Antonova Elena I., associate professor at the department of applied mathematics, mechanics, management and software, candidate of engineering sciences, docent. Far Eastern Federal University (FEFU) 8, Sukhanov st, Vladivostok, 690000
Vasilev Ilya A., software engineer, applicant for candidate of engineering sciences,
Xtensive Service Ltd.,
6, Nikonov st, Ekateringburg, 620027
Keywords: transport, container terminal management systems, planning automation, cargo processes on container terminals, efficient transshipment organization.
Annotation. The article covers problem of container terminal railway operating planning. The authors define goals and main issues discovered in planning processes taking place on container terminals. Existing container terminal management systems are listed and major blockers which prevent efficient management on planning activities are defined. The article contains definition of method forming a container set to ship on a railway car, the method of placing railway cars on the sidings at container terminal, the method of dislocation of containers unloaded from the railway cars. The algorithms to solve specified tasks are presented in this article. The article describes the architecture of computer system automating planning processes for cargo shipping activities. The possibility of integration with existing software is declared.
References:
[1] Ob"emy zheleznodorozhnykh konteynernykh perevozok po Rossii // Elektronnyy zhurnal «Ekspert», Available at: http://expert.ru/expert/2012/23/soobrazili-na-dvoih/media/145174/ (accessed 31 March 2019)
[2] Cost Consequences of a Port-Related Supply Chain Disruption, Available at: https://www.science direct.com /science/article/pii/S2092521215000504 (accessed 31 March 2019)
[3] Dialog IT. Klienty kompanii. Kompaniya «Konteynerships-SPb», Available at: http://www.dialogit.ru /about/clients/737/
[4] Solvo.CTMS Real-Time Control, Available at: http://www.solvosys.com/en/products/solvo-ctms/ (accessed 31 March 2019)
[5] Portrade Container Terminal Management system, Available at: https://www.ant-tech.ru/eng/ solutions/container/ (accessed 31 March 2019)
[6] Bodyul V.I. Tekhnologicheskie printsipy sovershenstvovaniya upravleniya perevozochnym protsessom v sovremennykh usloviyakh. Aktual'nye problemy razvitiya zheleznodorozhnogo transporta, M. : 1996. Tr. MIIT, p.26
[7] Lomash D.A. Avtomatizatsiya vzaimodeystviya zheleznoy dorogi i morskogo porta na osnove mul'tiagentnoy optimizatsii i imitatsionnogo modelirovaniya: dis. kand. tekhn. nauk, Rostov-na-Donu, 2004, 187 p.
[8] Artem'eva I.L. Intellektual'nye sistemy dlya slozhno-strukturirovannykh predmetnykh oblastey. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPBGTU. 2008, №2 .pp.108-114.
[9] Gavrilova, T.A. Bazy znaniy intellektual'nykh sistem Tekst. T.A. Gavrilova, V.F. Khoroshevskiy. SPb.: Piter, 2001. 384 e.: il. ISBN 5272-00071-4.
[10] Antonova E.I., Vasil'ev I.A. Zadachi planirovaniya v rabote zheleznodorozhnogo transporta na konteynernom terminale. Opisanie metodov resheniya. Informatsionnye tekhnologii v nauke, obrazovanii i upravlenii: trudy mezhdunarodnoy konferentsii IT+S&E'15 (Gurzuf, 22 maya-01 iyunya 2015g), pod. red. prof. E.L.Gloriozova. M.:INIT, 2015, Vesennyaya sessiya. p. 108-113.
[11] Antonova E.I., Vasil'ev I.A. Zadacha formirovaniya komplekta konteynerov dlya otgruzki na zheleznodorozhnyy vagon. Metod poiska resheniy. Tekhnologii razrabotki informatsionnykh sistem: sbornik statey mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Taganrog: Izdatel'stvo YuFU, 2015, pp. 101-106.
[12] A. Kostogryzov, A. Nistratov, G. Nistratov Some applicable methods то analyze and optimize system processes in quality management. InTech, 2012, ISBN979-953-307-778-8, 2012, pp. 127-196
[13] Grigoriev L., Kostogryzov A., Krylov V., Nistratov A., Nistratov G. Prediction and optimization of system quality and risks on the base of modelling processes. American Journal of Operation Researches, Special Issue, Volume 1, 2013, pp. 217-244.
[14] Antonova E.I., Vasil'ev I.A. Metod avtomaticheskogo razmeshcheniya zheleznodorozhnykh vago-nov po pod"ezdnym putyam konteynernogo terminala. XIII vserossiyskaya konferentsiya «Problemy informatizatsii regiona» PIR-2013, Sbornik materialov konferentsii. Krasnoyarsk, 2013, pp. 95-97.
[15] Antonova E.I., Vasil'ev I.A. Arkhitektura sistemy avtomatizatsii planirovaniya gruzovykh protsessov na zheleznoy doroge konteynernogo terminala. Problemy informatizatsii regiona. PIR-2015: Materialy XIV Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Pod red. L.F. Nozhenkovoy; otv. za vyp. A.A. Evsyukov. Krasnoyarsk: IVM SO RAN, 2015, pp. 12-19.
Статья поступила в редакцию 07.04.2019 г.
