Колісник Аліна Володимирівна Формування автоматизованої технології транспортування контейнерів залізницею на основі теорії випадкових потоків

Короткий опис

Колісник Аліна Володимирівна, інспектор деканату факультету інформаційно-керуючих систем та технологій, Український державний університет залізничного транспорту. Назва дисертації: «Формування автоматизованої технології транспортування контейнерів залізницею на основі теорії випадкових потоків». Шифр та назва спеціальності 05.22.01 транспортні системи. Спецрада Д 64.820.04 Українського державного університету залізничного транспорту

Український державний університет залізничного транспорту Міністерство освіти і науки України
Український державний університет залізничного транспорту Міністерство освіти і науки України
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
КОЛІСНИК АЛІНА ВОЛОДИМИРІВНА
УДК 656.073.235:004
ДИСЕРТАЦІЯ ФОРМУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ТРАНСПОРТУВАННЯ КОНТЕЙНЕРІВ ЗАЛІЗНИЦЕЮ НА ОСНОВІ ТЕОРІЇ ВИПАДКОВИХ ПОТОКІВ
05.22.1 - транспортні системи
27-Транспорт
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
А. В. Колісник

Науковий керівник БУТЬКО Тетяна Василівна,
доктор технічних наук, професор
Харків - 2020

ЗМІСТ
18
ВСТУП
РОЗДІЛ 1 ОБГРУНТУВАННЯ РОЗВИТКУ ТА СТАНУ ДОСЛІДЖЕННЯ В
ОБЛАСТІ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ІНТЕРМОДАЛЬНИХ
ПЕРЕВЕЗЕНЬ
1.1 Аналіз стану вантажних перевезень в Україні
1.2 Аналіз розвитку контейнерних перевезень в Україні і за кордоном
1.3 Аналіз стану наукових досліджень в області інтермодальних
перевезень в Україні та за кордоном
1.4 Висновки до розділу 1
РОЗДІЛ 2 ФОРМАЛІЗАЦІЯ ПРОЦЕСУ УПРАВЛІННЯ ЗАЛІЗНИЧНИМИ
КОНТЕЙНЕРНИМИ ПЕРЕВЕЗЕННЯМИ В РАМКАХ СИСТЕМИ
ІНТЕРМОДАЛЬНИХ ПЕРЕВЕЗЕНЬ
2.1 Передумови формалізації процесу управління залізничними
контейнерними перевезеннями та аналіз факторів, що впливають
на вибір стратегії доставки контейнерів до порту
2.2 Вибір математичного апарату для формалізації процесу прибуття
контейнерів до термінальних станцій
2.3 Дослідження процесу накопичення контейнерів на термінальних
залізничних станціях за допомогою математичного апарату випадкових
потоків
2.4 Формування моделей оцінювання імовірнісних характеристик
контейнеропотоків на термінальних залізничних станціях
2.5 Формалізація процесу управління залізничними контейнерними
перевезеннями у вигляді задачі стохастичного програмування
2.6 Формування математичної моделі
21
29
29
33
50
60
62
62
66
68
80
88
90

19
2.7 Висновки до розділу 2 95
РОЗДІЛ 3 ФОРМУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ОРГАНІЗАЦІЇ ТРАНСПОРТУВАННЯ КОНТЕЙНЕРІВ ЗАЛІЗНИЦЕЮ В УМОВАХ ІНТЕРМОДАЛЬНИХ ПЕРЕВЕЗЕНЬ 99
3.1 Аналіз вихідних даних та методів прогнозування часових рядів 99
3.2 Принципи застосування моделей глибинного навчання для прогнозування часових параметрів та метод кодування
даних функцій інтенсивності контейнеропотоків 102
3.3 Принципи функціонування прогнозної моделі із використанням нейронних мереж на основі архітектури довгої короткострокової пам’яті 107
3.4 Проведення моделювання та аналіз отриманого прогнозу 112
3.5 Обробка вихідних даних оптимізаційної моделі та моделювання параметрів потоків надходження контейнерів 119
3.6 Вибір методу оптимізації моделі 125
3.7 Оптимізація моделі 129
3.8 Висновки до розділу 3 134
РОЗДІЛ 4 УДОСКОНАЛЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНО-КЕРУЮЧОЇ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ ВПРОВАДЖЕННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОСУВАННЯ КОНТЕЙНЕРІВ ТА ОЦІНКА ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ЇЇ ВПРОВАДЖЕННЯ 137
4.1 Передумови розробки автоматизованої технології формування і просування потоків контейнерів 137
4.2 Розробка вимог до системи підтримки прийняття рішень
в межах автоматизованої системи формування та просування потоків контейнерів 139

20
4.3 Удосконалення структури і комплексу задач АСК ВП УЗ -Є
в умовах перевезення потоків контейнерів 144
4.4 Визначення економічної доцільності запропонованої технології 147
4.5 Висновки до розділу 4 154
ВИСНОВКИ 155
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 159
Додаток А Статистичні дані щодо обсягів контейнерних
перевезень на станції Харків-Ліски 174
Додаток Б Статистичні дані щодо перевалки
контейнерів у портах України 177
Додаток В Фрагмент програми мовою Matlab для оптимізації математичної моделі управління процесом транспортування контейнерів залізницею в рамках системи інтермодальних перевезень 179
Додаток Г Список публікацій здобувача за темою дисертації

Список літератури

ВИСНОВКИ
155
У дисертаційній роботі вирішено наукове завдання з формування автоматизованої технології транспортування контейнерів залізницею при здійсненні інтермодальних перевезень з використанням теорії випадкових потоків.
1. Детальний аналіз технології транспортування контейнерів залізницею до порту показав складність, що обумовлена стохастичністю цього процесу, починаючи з надходження контейнерних потоків від вантажовідправників до термінальних станцій, закінчуючи просуванням та обробкою поїздів на шляху прямування. Статистичні дослідження на АТ «Укрзалізниця» довели, що часові показники обробки контейнера на станції відправлення підпорядковуються нормальному закону розподілення з такими параметрами: математичне
очікування ц = 181.77 год, середньоквадратичне відхилення <у = 63,98год, дисперсія D = 4093год, коефіцієнт нерівномірності ^н = 1,97. Значний час витрачається на накопичення контейнерів для відправлення їх маршрутним прямим поїздом (приблизно 2-3 доби), а також на переробку поїзда на сортувальних станціях при перевезенні контейнерів у складі інших поїздів. Як довели дослідження, часи перебування контейнерів на припортовій станції підпорядковуються закону Ерланга 3-го порядку і мають такі параметри: інтенсивність х = 0,005415, коефіцієнт Ерланга ке = 3. Отже, за рахунок непродуктивних простоїв, значно збільшується час просування контейнерів у складі інтермодальних перевезень.
2. На основі проведеного аналізу закордонних і вітчизняних наукових робіт виявлено, що задачі транспортування контейнерів до порту залізничним транспортом у складі інтермодальних перевезень з урахуванням імовірнісної природи ключових складових цього процесу і з використанням системного підходу вирішено не в повній мірі.

156
3. На основі аналізу підходів і методів різних наукових теорій, що пов’язані з дослідженням та представленням стохастичних процесів, було встановлено, що інструментом, який є найбільш придатним для формалізації процесів надходження контейнерів до термінальних залізничних станцій та накопичення контейнерних партій з метою формування і відправлення контейнерних поїздів є математичний апарат теорії випадкових потоків або часових точкових процесів.
4. Було доведено, що найбільш простим способом формалізації нестаціонарного неординарного потоку, що представляють собою контейнерні партії, які надходять до термінальної станції, є його представлення у вигляді суперпозиції потоків, кожен з яких представляє множину подій однакової кратності. На основі реальних даних процесу надходження контейнерів на основі методу максимізації логарифмічної функції правдоподібності було отримано аналітичний вигляд умовної функції інтенсивності нестаціонарного неординарного потоку та функції інтенсивності складових потоків, що відрізняються за параметром кратності.
5. Із урахуванням отриманих залежностей процес планування організації транспортування контейнерних партій залізницею до морських портів у складі системи інтермодальних перевезень був сформульований у вигляді оптимізаційної моделі стохастичного програмування, основа якої була представлена оптимізаційною моделлю з цільовою функцією у вигляді експлуатаційних сумарних витрат на просування контейнерів сухопутною частиною шляху та системою обмежень, що відтворює технологічні параметри процесу. В результаті оптимізації даної моделі можуть бути визначені моменти закінчення накопичення та спосіб транспортування контейнерних партій одночасно по всіх термінальних станціях полігону (системний ефект). Дана модель є основою для побудови оперативного плану транспортування контейнерних партій.
6. Для визначення вихідних даних для побудови оперативного плану було розроблено модель прогнозування інтенсивності потоку надходження

157
контейнерів на основі рекурентних нейронних мереж глибинного навчання та реалізовано у вигляді програмного продукту у середовищі Matlab.
У результаті проведеного на реальних даних моделювання було встановлено, що похибка прогнозу знаходиться у межах 6%, що дозволяє віднести розроблену прогнозну модель до класу високоточних моделей. Даний результат обумовлений застосуванням у складі архітектури розробленої моделі шару з елементів довгої короткострокової пам’яті, які забезпечують можливість знаходження прихованих залежностей та зв’язків між субструктурами даних навіть якщо вони віддалені часовими інтервалами значної тривалості.
7. Здійснено оптимізацію моделі стохастичного програмування за допомогою алгоритму імітації відпалу. В ході оптимізації моделі було побудовано поверхню відгуку цільової функції та отримано її глобальний мінімум, який відповідає мінімуму питомих експлуатаційних витрат на транспортування контейнерних партій в бік порту для завантаження на судно. Наявність мінімуму цільової функції моделі, що знаходиться в межах планового періоду, та його величина, яка узгоджується із даними про собівартість транспортування контейнерів, свідчать про адекватність розробленої моделі. Також в ході моделювання було доведено, що результати оптимізації дозволяють визначити ключові елементи оперативного плану роботи термінальних залізничних станцій, а саме: моменти часу закінчення накопичення контейнерних партій на термінальних станціях та спосіб їх транспортування до морського порту (у складі прямого повносоставного або неповносоставного маршрутного поїзда або у складі попутних вантажних поїздів із можливим подальшим переформуванням на сортувальних станціях).
8. З метою підвищення якості залізничних перевезень та збільшення обсягів вантажних перевезень, зокрема при перевезенні контейнерів, запропоновано впровадити новий модуль до АСК ВП УЗ-Є шляхом його інтегрування на АРМи оперативних працівників зокрема ДНЦ, ДСП, ДНЦОВ, ДСЦ, що будуть містити у собі СППР, також на АРМ оператора інтермодальних перевезень. Це дозволить за допомогою системного підходу

158
узгодити роботу портів та залізничних термінальних станцій, що призведе до зменшення простоїв контейнерів на залізничних станціях та в портах, отже зменшаться загальні експлуатаційні витрати на перевезення контейнерів.
9. Впровадження розробленої автоматизованої технології надасть можливість для зменшення на 10 % експлуатаційних витрат на залізничні перевезення контейнерів. Інтегральний економічний ефект з наростаючим підсумком, який складається з економічного ефекту отриманого для вантажовідправника та залізниці з урахуванням поточних та капітальних витрат від використання запропонованої автоматизованої технології протягом 5 років становитиме 393,35 млн. грн.