Моделирование и алгоритмы управления перегрузочными процессами морского порта

На правах рукописи

ЧАН ТХИ ХЫОНГ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕГРУЗОЧНЫМИ ПРОЦЕССАМИ МОРСКОГО ПОРТА

Специальность: 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность, информатика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Астрахань – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет».

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Шуршев Валерий Федорович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Литовка Юрий Владимирович кандидат технических наук, доцент Синельщиков Алексей Владимирович
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Защита состоится 24 ноября 2011 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 307.001.06 при Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, ауд. Г. 313.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, ученому секретарю диссертационного совета Д 307.001.06.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного технического университета.

Автореферат разослан 22 октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

А.А. Ханова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В 2010 г. на долю морского транспорта Вьетнама приходилось более 90% объема экспортно-импортных перевозок страны. Эффективность работы морского транспорта во многом зависит от работы морских портов, в связи с чем в настоящее время во Вьетнаме широко развертывается работа по строительству и развитию сети морских портов. Особое внимание уделяется внедрению новейших технологий, расширению и модернизации действующих портов, строительству глубоководных и перевалочных портов международного масштаба для обслуживания крупных судов.

В настоящее время требуется значительное ускорение транспортного процесса и снижение затрат на перевозки. Поэтому большое значение в решении стоящих перед морскими портами задач имеет совершенствование организации управления перегрузочным процессом, проводимое в портах по линии оптимизации режима работы. Такая постановка вопроса особенно актуальна для оперативного управления перегрузочными процессами, так как именно в этой области эксплуатационной работы имеются наибольшие возможности оптимизации плановых и управленческих решений, что обеспечивает повышение эффективности и пропускной способности портов. В решении этой задачи важная роль принадлежит проблеме оперативного управления по перевалке грузов с применением информационных технологий.

Большой вклад в решение вопросов совершенствования организации деятельности и перегрузочных процессов морских портов, повышения эффективности их работы внесли российские ученые В.З. Ананьина, Л.Д. Ветренко, А.С. Фролов, А.Р. Магамадов, Н.Ф. Лазарев, А.В. Степанец, Н.Е. Воевудский, Э.П. Громовой, М.М. Горбатый, А.А. Смехов и др. Важные исследования выполнены вьетнамскими учеными с целью развития системы морских портов и повышения уровня организации работы флота: Нгуен Чонга, Нгуен Као Тханг, Данг Ван Уи, Нгуен Нгок Хуэ и др. Вопросам совершенствования информационных систем управления деятельностью морского порта посвящены работы В.З.Ананьиной, Л.Д.Ветренко, Е.Н.Воевудского, А.Е.Суколенова, А.С.Фромова, Е.П. Громовой, А.Р.Магамадова, Данг Ван Уи, Нгуен Нгок Хуэ и др.

Вместе с тем, морские порты Вьетнама под руководством государственных предприятий используют устаревшие модели управления, которые не соответствуют сегодняшней тенденции развития. В портах существует проблема неэффективного управления перегрузочным процессом, который осуществляется без использования современных эффективных методик с применением информационных технологий. Коммунистическая партия Вьетнама уделяла и уделяет большое внимание задачам, поставленным перед морскими портами, и требует внедрения новейших технологий и новых методов управления, позволяющих повысить эффективность производственной деятельности.

Объектом исследования являются перегрузочные процессы морского порта.

Предмет исследования – методы, модели и алгоритмы обработки информации и правила принятия решений в управлении перегрузочными процессами морского порта.

Целью исследования является повышение эффективности управления перегрузочными процессами морского порта на взаимосвязанной системной, математической, алгоритмической и программной основе.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

Проведение системного анализа перегрузочных процессов морского порта для выявления структуры целей и функций системы управления перегрузочными процессами и значимых задач с точки зрения сокращения комплексных расходов перегрузочных процессов.
Формирование системы критериев, отображающих технические характеристики перегрузочных комплексов, позволяющей определить набор параметров, предназначенных для управления перегрузочными процессами.
Разработка семантической модели для формирования предметной области перегрузочных процессов в морском порте и представления его в виде граф-модели.
Разработка граф-модели перегрузочных процессов и модели управления перегрузочными процессами морского порта.
Разработка метода и алгоритма решения задачи управления перегрузочными процессами морского порта на основе генетических алгоритмов.
Создание и практическая реализация информационной системы управления перегрузочными процессами морского порта Вьетнама.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования, теории графов, теории вероятностей, оптимального управления, эволюционные методы.

Научная новизна:

Выполнена систематизация перегрузочных процессов морского порта на основе метода дерева целей, позволяющая структурировать цели и функции системы управления перегрузочными процессами, и выявить наиболее значимые задачи с целью сокращения комплексных расходов на перевалку. Разработана система критериев, отображающих технические характеристики перегрузочных комплексов, позволяющая определить набор параметров перегрузочного процесса.
Созданы граф-модель перегрузочных процессов, позволяющая определить направления передвижения грузов внутри порта и изменение состояний системы управления, и модель для решения задачи управления перегрузочными процессами морского порта в виде многоиндексных транспортных задач, позволяющая осуществлять оперативное распределение грузопотоков между складскими, причальными и транспортными ресурсами порта.
Разработаны и реализованы модернизированный генетический и гибридный алгоритмы, отличающиеся тем, что представление хромосомы, процедура создания начальной популяции и генетические операторы выполняются над многоразмерными матрицами для управления перегрузочными процессами морского порта.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке информационной системы управления перегрузочными процессами порта Хайфон, позволяющей автоматизировано обрабатывать данные, оперативно планировать перевозку грузов, упростить процесс составления плана перевозок грузов и повысить эффективность управления перегрузочными процессами.

Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет».

Достоверность и обоснованность научных положений обусловлена корректным применением использованных в работе методов и подтверждена результатами экспериментальных исследований, показавших, что модернизированный генетический и гибридный алгоритмы позволяют реализовать поиск оптимального решения лучше, чем классические методы решения транспортных задач, проверкой адекватности разработанной модели на основе сравнения данных разработанной информационной системы и статистических данных морского порта Хайфон.

Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат формализация задачи, построение модели управления и методов, разработка алгоритмов, проектирование и реализация программного обеспечения.

Апробация научных результатов. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: конференции молодых ученых и инноваторов «Инно-Каспий (Астрахань, 2009)», Международных научных конференциях Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2009» и «АСТИНТЕХ-2010» (Астрахань, 2009, 2010), 7-й Всероссийской конференции по теоретическим основам проектирования и разработке распределенных информационных систем (Красноярск, 2009), II Всероссийской межвузовской научной конференции «Зворыкинские чтения» (Муром, 2010), XXIII Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 10 опубликованных научных работах, в том числе в 2 статьях в научно-технических изданиях, в которых ВАК рекомендует публикацию основных научных результатов диссертаций и 1 свидетельстве о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы. Основной объем работы – 123 страницы машинописного текста, который включает 37 рисунков, 8 таблиц, 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования.

В первой главе проведено исследование перегрузочных процессов в морских портах, дан обзор существующих моделей, методов, информационных систем для управления перегрузочными процессами и поставлена задача исследования.

Исследование перегрузочных процессов морских портов показало необходимость совершенствования организации и управления перегрузочными процессами. Анализ перегрузочных процессов морских портов Вьетнама отображает существенные недостатки организации перегрузочных работ, неэффективного управления перевалкой грузов и большие расходы перегрузочного процесса.

Рассмотрены существующие модели управления перегрузочными процессами морского порта. Эти модели не затрагивают вопросы повышения эффективности управления перегрузочным процессом. Рассмотрены модели классических, многоиндексных транспортных задач, предназначенные для управления перегрузочным процессом морского порта.

Анализ генетических алгоритмов для решения многоиндексных транспортных задач (МТЗ) показал, что генетические алгоритмы с вещественным кодированием позволяют эффективно решать класс МТЗ со сложными организациями.

Рассмотрены существующие информационные системы управления работой морского порта, в том числе системы АСУ «Морфлот», АСУ «Порт» и др., которые используются только для оперативного планирования работы флота и портов.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют модели и информационные системы, обеспечивающие повышение эффективности управления перегрузочными процессами морского порта.

Во второй главе произведен системный анализ перегрузочных процессов, разработана система критериев, отображающих технические характеристики перегрузочных комплексов и граф-модель, позволившая оценить изменения состояний системы управления перегрузочными процессами.

Разработана схема декомпозиции функционирования перегрузочных процессов в морских портах (рис. 1), позволяющая моделировать терминал морского порта и разделить его на погрузочно-разгрузочные пункты, такие как: причал, фронтальная площадка, склад, место обработки автотранспорта и железнодорожная станция.

Рис. 1. Схема декомпозиции функционирования перегрузочных процессов в морских портах

Рис. 2. Структура целей системы управления

перегрузочными процессами

Разработанная структура целей системы управления перегрузочными процессами (рис. 2) показывает, что глобальной целью системы управления является повышение эффективности управления перегрузочными процессами морского порта. Формирование глобальной цели состоит из трех составляющих целей . В соответствии с методикой Сагатовского каждую цель следует уточнять по типу конечного продукта . В качестве составляющих пространства инициирования целей включаются: . Таким образом, структура целей системы управления перегрузочными процессами уточнила значимые задачи, включающие оперативное распределение грузопотоков и минимум комплексных расходов перегрузочных процессов.

Разработана система критериев (рис. 3), отображающих технические характеристики перегрузочных комплексов, которая состоит из двух групп: обеспечивающих и технологических элементов.

На основе системы критериев разработана семантическая модель перегрузочного процесса, описывающая предметную область объекта управления в виде кортежа:

где O – множество обеспечивающих элементов; – множество причалов, , – длина причала, – глубина причала; – множество транспортных средств,– тип и – грузоподъемность транспортного средства;– множество складов, , – емкость, – площадь, – вид склада; – множество перегрузочного оборудования; – множество грузопотоков, , тип и название грузопотока , объем , судно , время прибытия в порт . Кортеж PP позволяет сформировать перегрузочный процесс в морском порте и представить его в виде граф-модели.

Разработана модель управления перегрузочными процессами:

MPP = {TP, ITP, OTP, FTP, AL}.

В данной модели под объектом моделирования TP рассматриваются перегрузочный процесс морского порта и перегрузочные комплексы, непосредственно осуществляющие их деятельность. ITP – входные параметры, включают параметры элементов семантической модели перегрузочных процессов и данные для расчета затрат перегрузочных процессов.

Рис. 3. Система критериев, отображающих технические

характеристики перегрузочных комплексов

OTP – выходные параметры (оптимальный план перевозок грузов, целевая функция, минимизирующая комплексные расходы), FTP – функция перевода (алгоритмы поиска плана перевозок по заданным значениям критериев выбора), AL– правила вывода включают систему ограничений предпочтения лица, принимающего решения.

Разработанная граф-модель перегрузочных процессов (рис. 4) показывает, что в порте существуют такие подсистемы, как причал, железнодорожная станция, фронтальная площадка, место обработки автомобилей и склад. Такие подсистемы в транспортном узле порта являются погрузочно-разгрузочными пунктами. Эти пункты на рис. 4 представлены вершинами графа V (K, E) и составляют множество K = {K₁, K₂,…, K_N}, (N = 1..5) и множество дуг E = {E₁₂ , E₂₁ , …, E₁₅ , E₅₁}– направление (вариант) перевозки грузов внутри порта.

Под состоянием системы управления перегрузочными процессами будем понимать пребывание грузопотока в одной из вершин графа. Перемещение грузопотока из одного пункта в другой представляет собой изменение системы, т.е. на графе – это перемещение грузов из K_i в K_j. Граф-модель позволяет отображать направления передвижения (маршрут) грузов и моделировать процесс перевозок грузов внутри порта, определить

Рис. 4. Граф-модель перегрузочных процессов в морском порте

изменение состояния системы управления перегрузочным процессом.

Разработана схема анализа факторов, влияющих на перегрузочные процессы морских портов Вьетнама, позволяющая определять направления повышения их эффективности.

В третьей главе поставлена и решена задача, разработаны модель управления перегрузочными процессами морского порта, модернизированный генетический алгоритм (МГА) и гибридный алгоритм (ГГА) для решения поставленной задачи, программа тестирования разработанных алгоритмов с использованием ЭВМ.

Постановка задачи оптимального управления перегрузочными процессами формируется следующим образом. В порту имеются системы причалов и складов, транспортные средства, предназначенные для освоения некоторого количества грузопотоков. Необходимо распределить грузопотоки на разном транспорте между причалами и складами, чтобы обеспечить минимум комплексных расходов по порту и судну.

Обозначим параметры перегрузочных комплексов для постановки задачи:

по причалам: n – количество причалов, i – номер причала, , каждый причал имеет плановый бюджет времени T_i,
по складам: s – количество складов, j – номер склада, , каждый склад имеет полезную площадь W_j,
по транспортным средствам: l – количество типов транспортного средства и h – его номер, , каждый тип транспортного средства имеет ограничение по возможности перевозки D_h,
по грузопотокам: g – количество грузопотоков, k – номер грузопотока, , каждый грузопоток имеет величину Q_k.

При планировании вариантов перевозки, в котором осуществляется фиксирование k-го грузопотока на определенном причале, связанном с ним s-го склада на транспорте h-го типа. В соответствии с этими данными представлены известные показатели удельных комплексных расходов по данному маршруту перевозки грузов C_kijh , удельных расходов бюджета времени причала

, удельных расходов полезной площади склада

. Необходимо минимизировать

. (1)

При ограничениях:

; (2)

; (3)

(4)

; (5)

.(6)

Ограничение (2) обозначает, что количество перевозимых грузов одного грузопотока по маршрутам одного варианта равно объему обязательного освоения. Ограничение (3) показывает, что потребность площади склада для сохранения количества всех перевозимых грузов по маршрутам не должно превышать ее полезную площадь. Ограничение (4) показывает использование причала в пределах планового бюджета времени. Ограничение (5) определяет, что транспортное средство не может перемещать количество грузов больше, чем позволяет его возможность перевозки.

Задача (1) – (6) является четырехиндексной транспортной задачей. Набор {X_kihj} удовлетворяет условиям (2) – (6) и является допустимым планом, причем каждому плану соответствует определенное значение целевой функции (1).

Рис. 5. Схема изображения хромосомы в виде

четырехразмерной матрицы

Решения данной задачи в генетическом алгоритме представляются в виде матричной хромосомы R = {x_kijh}. Каждая хромосома представляет собой матрицу перевозок (в которой указано откуда и куда доставляется груз и его объем), при g = 2, n = 3, s = 4, l = 5 R представлена в виде четырехразмерной матрицы (рис. 5).

Разработана процедура инициализации начальной популяции, создаваемая с помощью метода построения опорного плана транспортных задач. Для данной задачи метод построения опорного плана является методом последовательного распределения на основе метода северно-западного угла (классические методы решения транспортных задач – КТЗ). Разработан алгоритм создания начальной популяции (рис. 6).

Рис. 6. Алгоритм создания начальной популяции

Генетический алгоритм для решения задачи управления перегрузочными процессами включает в себе процедуры создания начальной популяции, скрещивания, мутации и селекции. Предложены процедуры скрещивания и процедуры мутации, которые выполняются над многоразмерными матрицами. В операторах мутации при изменении генов выбранной хромосомы создание новых генов подключится с процедурой создания начальной популяции.

Предложены процедуры скрещивания (типа обмена генами и арифметического типа) и процедуры мутации, которые выполняются над многоразмерными матрицами. В операторах мутации при изменении генов выбранной хромосомы создание новых генов подключится с процедурой создания начальной популяции.

Использован оператор селекции для формирования новой популяции, при этом в результате выполнения селекции размер популяции нового поколения вновь становится равным исходной популяции.

Предложен гибридный генетический алгоритм для решения разработанной модели управления перегрузочными процессами, в котором используется метод локального минимума – «минимального элемента матрицы» при формировании начальной популяции.

Разработана программа для проведения эксперимента разработанных алгоритмов на языке программирования С# в среде Visual Studio 2008.

Результаты эксперимента показали, что модернизированный генетический и гибридный алгоритмы позволяют реализовать поиск оптимального решения лучше, чем классические методы решения транспортных задач в среднем на 10 – 23%. Гибридный алгоритм позволяет осуществить поиск наилучшего решения лучше, чем модернизированный генетический алгоритм, однако это зависит от размерности задачи и механизмов скрещивания, мутации.

В четвертой главе описана созданная информационная система управления перегрузочными процессами (ИСУПП) на примере порта Хайфон Вьетнама.

Сформирована архитектура ИСУПП, позволяющая автоматизировать процесс принятия управленческих решений перегрузочных процессов на основе использования разработанной модели управления и предложенного генетического алгоритма (рис. 7).

Проверка адекватности разработанной модели на основе сравнения данных системы и статистических данных морского порта Хайфон показала, что отклонение между ними не превышает 15%. Проверена эффективность ИСУПП, результаты сравнения разных планов перевозок показали, что применение ИСУПП позволяет повысить эффективность перегрузочных процессов от 8 до 12,6%.

Настройка параметров алгоритма

Администратор

Рис. 7. Архитектура ИСУПП морского порта

В приложениях приведены входные данные ИСУПП, данные работы порта Хайфон, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и акт о внедрении результатов научной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены аналитические исследования по управлению перегрузочными процессами морского порта, которые показали, что на данный момент не существует единого решения, позволяющего эффективно управлять перегрузочными процессами морского порта.

2. Реализован системный анализ перегрузочных процессов. Создана структура дерева целей на основе пирамиды Сагатовского, отображающая цели и функции системы управления перегрузочными процессами, выявлено множество значимых задач с целью сокращения комплексных расходов.

3. На основании анализа перегрузочных процессов в морском порту установлена система критериев, отражающих технические характеристики перегрузочных комплексов, позволяющая определить набор параметров перегрузочных процессов.

4. Создана семантическая модель, позволяющая сформировать предметную область перегрузочных процессов в морском порте и представить ее в виде граф-модели перегрузочных процессов, определяющей направления передвижения грузов внутри порта и изменение состояний системы управления перегрузочными процессами.

5. Создана модель управления перегрузочными процессами морского порта в виде многоиндексных транспортных задач, позволяющая осуществлять оптимальное планирование перевозок грузов внутри порта.

6. Разработаны модернизированный генетический алгоритм и гибридный алгоритм для решения поставленной задачи, а также программа на ЭВМ для проведения эксперимента разработанных алгоритмов. Результаты эксперимента показали, что модернизированный генетический и гибридный алгоритмы позволяют реализовать поиск оптимального решения лучше, чем методы решения классических транспортных задач в среднем на 10 – 23%.

7. Создана информационная система управления перегрузочными процессами порта Хайфон, позволяющая автоматизировано обрабатывать данные, оперативно планировать перевозки грузов, упростить процесс составления плана перевозок грузов и повысить эффективность управления перегрузочными процессами.

8. Проверка адекватности разработанной модели показала, что в целом выходные данные модели совпадают со статическими данными порта Хайфон. Проведена оценка эффективности разработанной ИСУПП порта Хайфон. Показано, что применение ИСУПП позволяет повысить эффективность перегрузочного процесса от 8 до 12,6%.

9. Результаты работы использованы при подготовке студентов в ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в периодических изданиях, включенных в список ВАК РФ

1. Чан Т.Х., Информационная система управления перегрузочными процессами морского порта / Чан Т.Х., Шуршев В.Ф. // Вестник АГТУ. Сер. Морская техника и технология. – 2009. – № 2. – С. 57– 60.

2. Чан Т.Х., Разработка математической модели для решения задачи оптимизации управления перегрузочными процессами морского порта / Чан Т.Х., Шуршев В.Ф. // Вестник АГТУ. Управление и моделирование технологических процессов и технических систем. – 2011. – № 1. – С. 83-87.

Статьи в межвузовских научных сборниках, сборниках трудов меж-дународных, всероссийских конференций

3. Чан Т.Х. Мониторинг качества перегрузочных процессов морского порта / Чан Т.Х. // Конференции молодых ученых и инноваторов «Инно-Каспий». Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», – 2009. – № 1. – С. 37 – 40.

4. Чан Т.Х. Система управления перегрузочным процессом морского порта / Чан Т.Х. // Международная научная конференция инновационных технологией в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2009». Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет» – 2009. – С. 206 .

5. Чан Т.Х. Проектирование информационной системы управления перегрузочным процессом морского порта / Чан Т.Х. // «ПРИС-2009» VII Всероссийская конференция по теоретическим основам проектирования и разработке распределенных информационных систем (Красноярск, 10 декабря 2009 г.). – 2009. – С. 75–77.

6. Чан Т.Х. Применение информационной технологии для управления перегрузочным процессом морского порта / Чан Т.Х. // II Всероссийская межвузовская научная конференция "Зворыкинские чтения " (Муром, 5 февраля 2010 г.). Муром: Изд. полиграфический центр МИ ВлГУ, – 2010. – С. 164–166.

7. Чан Т.Х. Системные исследования процессом управления грузоперевалкой морского порта (на примере С.Р. Вьетнам) / Чан Т.Х. //II Всероссийская межвузовская научная конференция "Зворыкинские чтения " (Муром, 5 февраля 2010 г.). Муром: Изд. полиграфический центр МИ ВлГУ, – 2010. – С. 166–167.

8. Чан Т. Х. Моделирование системы оперативного управления перегрузочными процессами морского порта / Чан Т.Х. // Международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ – 2010», Издательский дом « Астраханский университет», – 2010. – Т. 1. – С. 189–191.

9. Чан Т. Х. Разработка модели информационной системы управления перегрузочным процессом морского порта/ Чан Т.Х. // XXIII Междунар. науч. конф.: в 12т. Т. 11. секция 12, 13 / под общ. ред. В. С. Балакирева. – Саратов: гос. техн. ун-т, – 2010. – С. 144–146.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

10. Информационная система управления перегрузочными процессами морского порта. Св. о гос. рег. прогр. для ЭВМ № 2011615150. / Чан Хыонг Тхи Зарег. 30.06.2011.

____________________________________________________________

Подписано в печать ______________. Формат 60х90/16. Гарнитура Times New Roman.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №________

Отпечатано в типографии издательства ФГБОУ ВПО «АГТУ».

414025, Астрахань, Татищева, 16.