Методи оптимального розподілу засобів механізації у підсистемі "вантажний склад – повітряне судно"

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МЕТОДИ ОПТИМАЛЬНОГО РОЗПОДІЛУ ЗАСОБІВ МЕХАНІЗАЦІЇ У ПІДСИСТЕМІ «ВАНТАЖНИЙ СКЛАД - ПОВІТРЯНЕ СУДНО»

05.22.01 - транспортні системи

Гирич Вікторія Юріївна

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, заслужений працівник транспорту України Юн Геннадій Миколайович, Національний авіаційний університет, завідувач кафедри організації авіаційних перевезень

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бєлятинський Андрій Олександрович, Національний авіаційний університет, завідувач кафедри реконструкції аеропортів та автошляхів

доктор технічних наук, професор Пономаренко Леонід Анатолійович, Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН України і МОНМС України, головний науковий співробітник відділу економіко-соціальних систем та інформаційних технологій

Захист відбудеться 17 червня 2011 р. о 15⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.04 у Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус 2, ауд. 2-418.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус 8.

Автореферат розісланий 13 травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.062.04 П.О. Яновський

АНОТАЦІЯ

Гирич В.Ю. Методи оптимального розподілу засобів механізації у підсистемі «вантажний склад - повітряне судно». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.01 - транспортні системи. - Національний авіаційний університет, Київ, 2011.

Дисертаційна робота присвячена розв'язанню актуального наукового завдання з розробки методів оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» з урахуванням різноманітності вантажопотоків, частоти їх надходження та часу виконання операцій з обробки різних категорій вантажів різним технологічним обладнанням. Розроблені й чисельно реалізовані математична модель задачі розподілу засобів механізації на ділянці «вантажний склад - повітряне судно» та алгоритм для прийняття оптимальних рішень на її основі. Розроблено алгоритм прогнозування обсягів авіаційних вантажних перевезень за критерієм максимуму правдоподібності, за допомогою якого зроблено прогноз вантажообігу для аеропорту «Бориспіль» на період до 2020 року. Створено комп'ютерну програму для розв'язування задачі оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно», на основі якої проведені числові розрахунки та надані практичні рекомендації керівництву аеропорту стосовно оптимального складу парку механізмів на ділянці «вантажний склад - повітряне судно».

Ключові слова: авіаційні вантажні перевезення, вантажний комплекс аеропорту, підсистема «вантажний склад - повітряне судно», парк засобів механізації, оптимальний розподіл, методи, математичні моделі.

АННОТАЦИЯ

Гирич В.Ю. Методы оптимального распределения средств механизации в подсистеме «грузовой склад - воздушное судно». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.01 - транспортные системы. - Национальный авиационный университет, Киев, 2011.

Диссертационная работа посвящена разработке методов оптимального распределения средств механизации в подсистеме «грузовой склад - воздушное судно» с учетом частоты поступления грузопотоков, их разнообразия и времени выполнения технологических операций по обработке грузов различных категорий разным технологическим оборудованием с дальнейшим предоставлением практических рекомендаций относительно эффективности функционирования принятого состава парка механизмов на перспективу.

В результате критического анализа современного состояния и перспектив развития грузовых комплексов аэропортов установлено, что существующие методики расчета необходимого количества средств обслуживания основываются на средних характеристиках грузопотоков и построены с учетом только грузоподъемности технологического оборудования, что является достаточно условным и в ряде случаев ошибочным.

В работе разработана и численно реализована математическая модель задачи оптимального распределения средств механизации на участке «грузовой склад - воздушное судно», которая математически формулируется как задача целочисленного программирования с ограничениями распределительного типа.

Задача состоит в нахождении количества конвейерных линий с определенным набором оборудования разных типов для загрузки воздушного судна заданными объемами всех категорий грузов за установленное время таким образом, чтобы минимизировать суммарные затраты денежных средств, которые определяются как сумма капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с этими линиями. В процессе подготовки данной задачи к анализу ее модель сначала подавалась с использованием вспомогательной задачи, решением которой предварительно генерировалось определенное количество конвейерных линий. На базе полученной информации описывалась модель задачи распределения конвейерных линий путем выбора их оптимального количества среди спроектированных линий. Доказано, что задача оптимального распределения средств механизации принадлежит к классу сложных задач, что позволило разработать алгоритм нахождения ее оптимального решения с использованием метода ветвей и границ. Рассмотрены задачи загрузки и разгрузки воздушного судна специальными категориями грузов и разработаны алгоритмы градиентного типа для их решения. Показано, что путем размещения разных грузов в определенных местах складского помещения в установленном порядке можно повысить эффективность работы соответствующих средств механизации при выполнении погрузочно-разгрузочных работ.

Проанализировано характер распределения грузопотоков на примере аэропорта «Борисполь» и выявлены общие тенденции их развития. Установлено, что интенсивность грузопотоков аэропорта характеризуется значительной сезонной, суточной и часовой неравномерностью; наибольшую часть перевозок составляет технический груз; грузопотоки имеют явно выраженный серийный характер, при котором большую их часть составляют одиночные партии груза и перевозятся они в основном грузопассажирскими воздушными суднами. Разработан алгоритм прогнозирования объемов авиационных грузовых перевозок с использованием критерия максимума правдоподобия. На основании предложенного алгоритма сделан прогноз развития грузовых перевозок в аэропорту «Борисполь» до 2020 года, который был использован в качестве входного материала для оценки эффективности функционирования принятого парка механизмов на перспективу. Прогноз показывает, что систему ожидают циклы спада, стабилизации и роста с максимальным объемом грузопотока в 2019 году.

На основании ориентированной на выход оптимизационной методологии анализа среды функционирования построена функция оценки эффективности погрузочно-разгрузочного оборудования грузового комплекса аэропорта на перспективу, с помощью которой установлено, что количественная мера эффективности функционирования средств механизации относительно прогнозируемых объемов грузопотоков достигает своего максимального значения, если для каждой категории груза его прогнозируемый объем равняется среднему значению фактических объемов этой же категории груза.

Разработано программное обеспечение с использованием языка программирования С для решения задачи оптимального распределения средств механизации в грузовых комплексах аэропортов. По результатам численных исследований установлено оптимальную структуру парка механизмов на участке «грузовой склад - воздушное судно» для аэропорта «Борисполь». Показано, что парк технологического оборудования предложенной структуры будет эффективно функционировать в ближайшие 10 лет.

Ключевые слова: авиационные грузовые перевозки, грузовой комплекс аэропорта, подсистема «грузовой склад - воздушное судно», парк средств механизации, оптимальное распределение, методы, математические модели.

АBSTRACT

Gyrych V.Yu. Methods of optimal distribution of mechanized means in the subsystem «Air Cargo Terminal - Aircraft». - Manuscript.

The thesis for taking the scientific degree of Candidate of Technical Sciences in the speciality 05.22.01 - Transport Systems. - National Aviation University. - Kyiv, 2011.

The thesis is devoted to the solution of actual scientific task connected with development of methods of optimal mechanized means distribution on the segment “Air Cargo Terminal - Aircraft” taking into account variety of freight flows, frequency of their arrival and duration of technological operations connected with processing of goods of various categories by different mechanisms. The mathematical model of mechanized means distribution problem in the subsystem “Air Cargo Terminal - Aircraft” and algorithm for making optimal decisions on its base are developed and numerically realized. The algorithm of air cargo transportations volume forecast is developed using the criteria of maximal probability. On the bases of the algorithm the forecast of goods turnover in the Boryspil airport has been developed up to 2020. The software for solving problem of optimal mechanized means distribution in the subsystem “Air Cargo Terminal - Aircraft” has been created, on the bases of which the numerical calculations have been performed. The recommendations to airport authority due to the optimal structure of mechanized means stock on the segment “Air Cargo Terminal - Aircraft” have been formulated.

Key words: air cargo transportations, Air Cargo Terminals, subsystem “Air Cargo Terminal - Aircraft”, mechanized means stock, optimal distribution, method, mathematical models.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Авіаційний транспорт - одна з найважливіших галузей національної економіки, ефективне функціонування якої є необхідною умовою стабілізації, структурних перетворень, розвитку та провадження зовнішньоекономічної діяльності, задоволення потреби населення і суспільного виробництва в перевезеннях. Зі збільшенням обсягів авіаційних перевезень все більше уваги приділяється дослідженню роботи аеропортів та підвищенню ефективності використання повітряного транспорту.

У схваленій розпорядженням Уряду України № 506-р від 5 березня 2008 р. Концепції Державної цільової програми розвитку аеропортів на період до 2020 року приведення інфраструктури авіаційного транспорту у відповідність до міжнародних вимог, підвищення ефективності та якості роботи авіаційної транспортної системи визнано основною складовою стратегії нашої держави, спрямованої на забезпечення конкурентоспроможності України на світовому ринку. При цьому особлива увага приділяється авіаційним вантажним перевезенням, попит на які щорічно зростає у зв'язку з їх очевидними перевагами: великою швидкістю перевезення; широкою географією доставок; високою надійністю та безпекою доставки вантажів; постійним контролем за переміщенням вантажу. А однією з необхідних умов реалізації поставлених завдань у галузі вантажних перевезень повітряним транспортом є підвищення ефективності роботи вантажного комплексу. Велике значення в забезпеченні раціональної роботи вантажного комплексу аеропорту має ефективне функціонування завантажувально-розвантажувальних систем, що визначається оптимальною кількістю засобів механізації, зокрема тих, що працюють на ділянці «вантажний склад - повітряне судно». Існуючі методики розрахунку необхідної кількості одиниць засобів обслуговування ґрунтуються на середніх характеристиках вантажопотоків і побудовані з урахуванням лише вантажопідйомності технологічного обладнання окремо для різних типів механізмів без урахування їх комплексної роботи. Проте такий підхід є досить умовним і для ряду випадків може виявитися хибним. З практичної точки зору всі ці механізми взаємозалежні один від одного, працюють у єдиній системі, обслуговуючи вантажопотоки різної категорійності. Усе це вимагає розробки методів оптимального розподілу засобів механізації з використанням принципів системного підходу та багатоваріантного функціонального аналізу. Показниками визначення оптимальної кількості механізмів різних типів, які формують парк, має бути частота надходження вантажопотоків, їх різновиди й час виконання операцій з обробки різних категорій вантажів різними засобами механізації.

Звідси випливає, що докладне вивчення завантажувально-розвантажувальних процесів, що протікають у вантажних комплексах аеропортів на ділянках «вантажний склад - повітряне судно», та розробка методів оптимального розподілу засобів механізації, задіяних у цих процесах, з одночасним урахуванням інтенсивності вантажопотоків, їх категорійності й тривалості технологічних операцій з обробки різних категорій вантажів, є вельми актуальною та невирішеною проблемою.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до цілей і завдань, що поставлені Концепцією Державної цільової програми розвитку аеропортів на період до 2020 року, затвердженої розпорядженням Уряду України від 5 березня 2008 р. № 506-р та в рамках наукових досліджень кафедри організації авіаційних перевезень Національного авіаційного університету держбюджетною темою № 46/11.03.02 «Проблеми підвищення ефективності авіаційних перевезень».

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» з урахуванням частоти надходження вантажопотоків, їх категорійності й часу виконання технологічних операцій з обробки різних категорій вантажів різними механізмами, з подальшим наданням практичних рекомендацій щодо ефективності функціонування прийнятого складу парку засобів механізації на перспективу.

Для досягнення вказаної мети були поставлені та розв'язані такі завдання:

- проаналізувати стан, тенденції, перспективи розвитку вантажних комплексів аеропортів і визначити існуючі проблеми в цьому напрямку;

- дослідити технологічний процес обробки вантажів, структуру вантажного комплексу аеропорту та склад засобів механізації на ділянці «вантажний склад - повітряне судно»;

- розробити і чисельно реалізувати математичну модель задачі оптимального розподілу засобів механізації на ділянці «вантажний склад - повітряне судно» вантажного комплексу аеропорту та запропонувати алгоритм її розв'язання;

- розробити алгоритм прогнозування обсягів вантажів;

- побудувати функцію оцінки ефективності функціонування завантажувально-розвантажувального обладнання вантажного комплексу аеропорту на перспективу, використовуючи методологію аналізу середовища функціонування;

- розробити, використовуючи мову програмування С, комп'ютерну програму для розв'язання задачі оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» вантажного комплексу аеропорту на основі розроблених моделей та алгоритмів;

- провести числові дослідження розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» на основі розробленої комп'ютерної програми й надати практичні рекомендації керівництву аеропорту щодо оптимального складу парку механізмів.

Об'єкт дослідження - завантажувально-розвантажувальні процеси на ділянці «вантажний склад - повітряне судно» вантажного комплексу аеропорту.

Предмет дослідження - закономірності методів оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» вантажного комплексу аеропорту з урахуванням частоти надходження вантажів, їх категорійності та часу виконання технологічних операцій з обробки вантажопотоків різних категорій різними механізмами.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених завдань у роботі були використані методи математичної статистики, лінійного, нелінійного та дискретного програмування, методологія аналізу середовища функціонування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розробці методів оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» вантажного комплексу аеропорту, які враховують частоту надходження вантажопотоків, їх категорійність і тривалість технологічних операцій з обробки різних категорій вантажів. У роботі:

вперше:

- розроблена й чисельно реалізована математична модель задачі оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» вантажного комплексу аеропорту, яка враховує різноманітність вантажопотоку, частоту надходження вантажів, тривалість технологічних операцій з обробки вантажів різних категорій, та запропоновано алгоритм для прийняття оптимальних рішень за цією моделлю;

- створена комп'ютерна програма для розв'язання задачі оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» вантажного комплексу, що дозволяє керівництву аеропорту за лічені хвилини визначати оптимальний склад парку механізмів.

набули подальшого розвитку:

- методи прогнозування обсягів авіаційних вантажних перевезень з використанням критерію максимуму правдоподібності, що підвищує точність прогнозів і як наслідок - ефективність спланованої на перспективу структури парку механізмів;

- методи дослідження питань щодо розміщення вантажів у складських приміщеннях з метою підвищення ефективності роботи технологічного обладнання.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі кафедри організації авіаційних перевезень Інституту економіки і менеджменту Національного авіаційного університету за спеціальностями «Організація перевезень і управління на транспорті (повітряному)» та «Транспортні системи» при викладанні курсів «Вантажознавство», «Вантажні перевезення», «Перевезення спеціальних вантажів» (Акт впровадження результатів науково-дослідної роботи від 01.03.2011 р.), а також кафедрою комп'ютерних технологій будівництва Інституту аеропортів Національного авіаційного університету при викладанні дисципліни «Інженерні основи аеропортобудування», а саме модуля №2 «Пасажирські та вантажні комплекси аеропортів» (Акт впровадження результатів науково-дослідної роботи від 04.04.2011р.). Розроблена в дисертації комп'ютерна програма розрахунку оптимального складу парку засобів механізації на ділянці «вантажний склад - повітряне судно» використовується в практичній діяльності вантажного комплексу основного аеропорту України «Бориспіль» (Акт впровадження результатів науково-дослідної роботи від 06.04.2011 р.).

Застосування моделей задач та алгоритмів їх розв'язання, розроблених у дисертаційній роботі, забезпечить формування ефективної, близької до оптимальної структури парку механізмів в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» і раціональну організацію авіаційних вантажних перевезень.

Особистий внесок здобувача. Робота виконана автором одноосібно. Основні наукові та практичні результати отримані автором самостійно. У статтях, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належить: [2] - алгоритм розв'язання задачі оптимального розподілу засобів механізації при виконанні завантажувально-розвантажувальних процесів у вантажних комплексах аеропортів на ділянці «вантажний склад - повітряне судно»; [3] - математична модель задачі оптимального розподілу засобів механізації та вантажів в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно»; [7] - математична модель задачі максимального завантаження повітряного судна вантажами, які швидко псуються.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення й результати дисертаційної роботи обговорювалися на засіданнях методологічних семінарів кафедр організації авіаційних перевезень та комп'ютерних технологій будівництва Національного авіаційного університету в 2008-2011 рр. і знайшли застосування при викладанні окремих дисциплін викладачами кафедр Інституту економіки та менеджменту й Інституту аеропортів Національного авіаційного університету. Основні наукові положення і висновки дисертації оприлюднювалися й одержали позитивну оцінку на: IX міжнародній науково-технічній конференції студентів та молодих учених «Політ. Сучасні проблеми науки» (Київ, 2009 р.), IX міжнародній науково-технічній конференції «Авіа» (Київ, 2009 р.), міжнародній науково-практичній конференції «Аеропорти -- вікно в майбутнє» (Київ, 2009 р.), X міжнародній науково-технічній конференції студентів та молодих учених «Політ. Сучасні проблеми науки» (Київ, 2010 р.), 13-й конференції молодих учених Литви «Наука - майбутнє Литви» (Вільнюс, 2010 р.), ІІ міжнародній науково-практичній конференції «Аеропорти -- вікно в майбутнє» (Київ, 2010 р.), міжнародному науково-практичному семінарі «Просторова організація аеропортових комплексів» (Київ, 2010 р.), XІ міжнародній науково-технічній конференції студентів та молодих учених «Політ. Сучасні проблеми науки» (Київ, 2011 р.), X міжнародній науково-технічній конференції «Авіа» (Київ, 2011 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційного дослідження опубліковано у 12 наукових працях, з них 7 статей у фахових виданнях, зареєстрованих ВАК України, та 5 - у матеріалах і тезах доповідей на конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації - 243 сторінки у тому числі 136 сторінок основного тексту, список використаної літератури, який містить 195 найменувань на 19 сторінках і 7 додатків на 88 сторінках. Основний текст роботи ілюструється 29 рисунками та 27 таблицями (17 з яких займають площу сторінки).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено загальну характеристику роботи: обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано її мету й завдання, визначено об'єкт і предмет дослідження, наведено перелік використаних методів, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача, наведено інформацію про апробацію та публікації результатів досліджень, структуру і обсяг дисертації.

У першому розділі - «Аналіз сучасного стану та перспективи розвитку вантажних комплексів аеропортів» - проаналізовано тенденції розвитку ринку вантажних авіаперевезень, існуючі дослідження за темою дисертаційної роботи, розглянуто технологічний процес обробки вантажів, структуру вантажного комплексу аеропорту та склад парку механізмів на ділянці «вантажний склад - повітряне судно». Досліджено методи розв'язання задач розподілу-розміщення й методи оцінки діяльності складних систем.

Вантажні перевезення на повітряних суднах, як досить масове і регулярне явище на повітряному транспорті, стали реалізуватися, починаючи з 20-х років минулого століття. Сучасний етап розвитку авіаційних вантажних перевезень характеризується тим, що вони здійснюються не лише пасажирськими, але й суто вантажними літаками, а вантажі при цьому перевозяться не лише поштучно, але і в спеціалізованих контейнерах. Дослідження роботи вантажного комплексу дало змогу встановити, що обробка контейнеризованого вантажу й вантажу, який перевозиться поштучно, на ділянці «вантажний склад - повітряне судно» здійснюється за різними технологічними схемами з використанням різних засобів перонної механізації. Для обробки контейнеризованого вантажу використовуються навантажувачі, тягачі з возиками та перенавантажувачі авіаційних контейнерів і палет, а при обробці вантажу, що перевозиться поштучно, - навантажувачі й автомобілі з підіймальним кузовом.

Проаналізовано прогнози Міжнародної організації цивільної авіації (IКАО) та провідних авіакомпаній Boeing та Airbus, згідно з якими до 2020 року загальний попит на повітряні перевезення в середньому щороку зростатиме на 4,5 відсотка, а обсяги вантажоперевезень повітряним транспортом будуть збільшуватися приблизно на 6% на рік. У цих умовах особливо актуальною стає проблема оптимізації завантажувально-розвантажувальних процесів вантажних комплексів аеропортів на науковій основі, з метою розробки відповідних рекомендацій щодо підвищення ефективності функціонування цих систем у поточний період і на перспективу.

Проблемами підвищення ефективності роботи авіаційного транспорту займалося багато вітчизняних та іноземних учених, зокрема І.А. Бєлінський, А. О. Бєлятинський, В. І. Блохін, А. П. Виноградов, Т. Ю. Габріелова, К. В. Єрохіна, В. В. Загорулько, В. Н. Кузьменко, Ю. Ф. Кулаєв, А. Л. Павлов, А. А. Пашков, Л. Д. Рожнов, І. Я. Русинов, А. А. Соколов, Ф. Я. Спаський, В. І. Черников, Н.Н. Федоров, Г. М. Юн, Ю. А. Юркін, А. Бюссе, К. Вікерс, В. Гриєра, А. Лі, П. Лонгтон, Н. Моріссон, Л. Райз, С. Райт, А. Рей, З. Ху, Р. Чінн, Г.Чуенг Хунг та інші. Безпосередньо питання проектування, будівництва та експлуатації вантажних комплексів аеропортів розглядалися Б.С.Балашовим, В.І. Верьовкіним, Н.Н. Вороніним, В.А. Подшипковим, А.Н. Родкіним, А.Р.Яшкіним. Ці дослідження вивчали питання механізації та автоматизації процесів обробки вантажів у складах, економіки вантажних перевезень повітряним транспортом, удосконалення технологічних рішень вантажних складів і т.д. Проте слід сказати про недостатню глибину цих досліджень та відсутність комплексних методів оптимального розподілу парку механізмів на ділянці «вантажний склад - повітряне судно», де враховується категорійність вантажів, частота їх надходження і тривалість виконання операцій з обробки вантажопотоків різних категорій. На основі аналізу й узагальнення літературних джерел за темою дисертації обґрунтовано ціль та сформульовано основні завдання дослідження. Розв'язання задачі оптимізації роботи вантажного комплексу аеропорту для досягнення ефективності та надійності функціонування авіаційної транспортної системи забезпечується використанням принципів системного підходу та багатоваріантного функціонального аналізу з використанням модельних та програмних засобів.

У другому розділі - «Оптимізація розподілу засобів механізації у підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» - розроблена математична модель та алгоритм розв'язання задачі оптимального розподілу механізмів при виконанні завантажувально-розвантажувальних робіт на ділянці «вантажний склад - повітряне судно» з урахуванням частоти надходження вантажопотоків, їх кількісних та якісних характеристик, часу виконання технологічних операцій з обробки окремих категорій вантажів різними механізмами.

Задача оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» полягає у знаходженні необхідного числа конвеєрних ліній з певною кількістю технологічного обладнання всіх типів для завантаження повітряного судна заданими обсягами всіх категорій вантажів за встановлений час таким чином, щоб мінімізувати сумарні витрати коштів, які визначаються як сума капітальних та експлуатаційних витрат, пов'язаних із цими лініями.

У процесі підготовки цієї задачі до аналізу її модель спочатку подається з використанням допоміжної задачі, розв'язком якої попередньо генеруються чисел конвеєрних ліній. Математична модель останньої задачі формулюється таким чином:

знайти:

, (1)

при обмеженнях:

, (2)

- ціле число для всіх

та (3)

де, - категорії вантажу; - типи засобів механізації; - продуктивність -го типу технологічного обладнання для -ї категорії вантажу; - максимальна кількість одиниць -го типу обладнання, яка може розміститися на кожній конвеєрній лінії; - питома вартість простою кожного -го типу засобу механізації; - вартість одиниці -го типу механізму.

Кожна згенерована конвеєрна лінія має «вузьке місце» відносно вантажу категорії , яке визначається з умови:



де - невідоме число -го типу обладнання на -й конвеєрній лінії. Відмітимо, що тут число конвеєрних ліній невідоме і його потрібно знайти. Зрозуміло, що для кожної категорії вантажу може бути спроектована окрема лінія, яка має мінімальний час сумарного простою. Тому невідоме число поточних ліній можна обмежити зверху умовою . Іншими словами, за допомогою розв'язування цієї задачі відносно кожної -ї категорії вантажу генерується найкращий варіант конвеєрної лінії. Таким чином, їх число , і для кожної конвеєрної лінії визначається склад та потрібна кількість засобів механізації. Розв'язок цієї задачі визначається за допомогою простого перебору (рис. 2).

Опис моделі задачі оптимального розподілу конвеєрних ліній шляхом вибору серед згенерованих таких ліній, а також визначення обсягів різних категорій вантажів, які обробляються кожною із задіяних ліній, здійснюється на базі інформації, отриманої після розв'язання задачі (1) - (3).

З метою формулювання математичної моделі задачі оптимального розподілу механізмів спочатку визначаються наступні коефіцієнти: - вузьке місце під час функціонування -ї конвеєрної лінії при доставці -ї категорії вантажу; - вартість сумарного простою -ї конвеєрної лінії при доставці -ї категорії вантажу; - вартість -ї конвеєрної лінії.

Для того, щоб побудувати математичну модель задачі, введемо керовані змінні та , де - невідома кількість -ї категорії вантажу, закріпленого за -ю конвеєрною лінією, і , якщо поточна лінія , яка генерується, буде задіяна в процесі завантаження та/чи розвантаження і - в іншому випадку.

У прийнятій системі позначень математична модель задачі оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» має такий вигляд:

знайти:

+ (4)

при обмеженнях:

, (5)

=, , (6)

, ; , (7)

, (8)

де = для всіх .

Ця задача належить до класу - складних задач. Тому для її розв'язання використовуються методи типу гілок та границь, які на практиці зарекомендували себе найкраще для розв'язування подібних задач.



Рис. 2. Блок-схема алгоритму проектування конвеєрних ліній

Оптимальний розв'язок задачі (4) - (8) повинен задовольняти або обмеженню , або обмеженню , де - будь-яка змінна. Припустимо, що обмеження цілочисельності (8) не враховується, і знайдемо оптимальний розв'язок задачі (4) - (8) з додатковим обмеженням:

(9)

для всіх , тобто визначимо оптимальний розв'язок задачі лінійного програмування (4) - (7), (9), що є лінійною релаксацією основної задачі (4) - (8). Якщо в результаті розв'язання задачі (4) - (7), (9) всі змінні чи 0, то знайдений розв'язок є оптимальним розв'язком задачі (4) - (7).

На кожній ітерації цього методу є нижня межа, скажімо, для оптимального значення цільової функції задачі (4) - (8). У роботі запропонований ефективний алгоритм для визначення , яким знаходиться оптимальне значення цільової функції задачі, двоїстої до задач (4) - (7), (9).

Зіставимо двоїсті змінні , та обмеження (5), (6), (7) і (9) задачі, отриманої після лінійної релаксації задачі (4)-(8). У термінах цих змінних двоїста задача має такий вигляд:

знайти:

(10)

при обмеженнях:

 , (11)

(12)

, (13)

де

У цьому розділі також розглядаються окремі випадки задачі (4) - (8), а саме задачі завантаження повітряного судна, алгоритмами розв'язання яких одночасно визначаються варіанти розміщення вантажів у складських приміщеннях, котрі забезпечують підвищення ефективності здійснення процесу завантаження.

Третій розділ - «Оцінка ефективності функціонування завантажувально-розвантажувального обладнання та алгоритм прогнозування обсягів вантажів» - присвячено розробці алгоритму прогнозування обсягів авіаційних вантажних перевезень та побудові функції оцінки ефективності функціонування завантажувально-розвантажувального обладнання вантажного комплексу аеропорту на перспективу з використанням орієнтованої на вихід оптимізаційної методології аналізу середовища функціонування.

Для цього було проведено аналіз показників вантажних авіаперевезень у головному аеропорту України «Бориспіль», з використанням ретроспективних даних у період з 2005 по 2009 рр. (рис. 3). Проведеним аналізом установлено, що особливістю експлуатації вантажного терміналу є дуже нерівномірні вантажопотоки, які зазнають впливу сезонності. Виявлено, що обсяги вантажних перевезень досягають свого максимуму у грудні (у середньому 2 250 тонн), а мінімуму - у січні (у середньому 1 480 тонн). Причому з року в рік піковий характер перевезень вантажів повторюється. Обсяг перевезень у грудні перевищує цей показник у січні більше ніж у два рази. Максимум у грудні досягає 22022 кг/год. Встановлено, що 72% всіх перевезень складають імпортні відправлення, а 23% - експортні. Характерно, що обсяг імпортного вантажу перевищує обсяг експортного, більше ніж у 3 рази. Вантажообіг досягає свого максимального значення за імпортом та експортом усередині місяця. У межах одного місяця незалежно від пори року інтенсивність вантажопотоків протягом дня має досить нестійкий характер.

Найменший потік вантажів відмічається з 0 до 6 год., а найбільший припадає на 13 -17 год. (у середньому 20 т). В інший період доби обсяги перевезень перебувають приблизно на одному і тому ж рівні.

Коливання вантажних перевезень пояснюється, в основному, погодними факторами, а також нерівномірною кількістю рейсів за днями тижня.

вантажний склад перевезення аеропорт

Обсяг вантажопотоку, т

Рис. 3. Динаміка зміни вантажопотоку аеропорту «Бориспіль» у період з 2005 по 2009 р.р.

Суттєвий вплив на вибір парку засобів механізації для обробки вантажів мають їх склад та характер. Установлено, що найбільшу частину перевезень - більше 70% від загального обсягу - складає технічний вантаж (обладнання, запчастини, меблі, одяг і т.п.), а найменшу - живі тварини (менше ніж 0,5%).

При цьому аналіз вантажопотоків виявив явно серійний характер відправлень. Виявлено, що найбільше перевозиться одиночних партій вантажу (приблизно 62% від загального обсягу перевезених вантажів), а найменше - великих негабаритних вантажів (приблизно 3% від загального обсягу перевезених вантажів).

На основі проведеного аналізу кількісних та якісних показників вантажопотоків у період з 2005 по 2009 р.р. розроблено алгоритм прогнозування обсягів авіаційних вантажних перевезень. Для цього використаний метод максимуму правдоподібності, який дає змогу отримувати більш точні прогнози, ніж ті, що формуються за допомогою методу найменших квадратів. Блок-схема алгоритму наведена на рис. 4, де - обсяг вантажу -ої категорії, який надходить у момент часу r в рік спостереження t.

За розробленим алгоритмом при визначенні обсягів кожної категорії вантажу використовуються спостережені дискретні значення функції апостеріорного розподілу статистичної частоти цих обсягів за моментами надходження r на кожен рік спостереження t. Розроблений алгоритм краще застосовувати для визначення величини вантажопотоку на один плановий рік. Після цього плановий рік розглядається як рік спостереження, і цей процес продовжується на наступний період. За допомогою запропонованого алгоритму були знайдені прогнозовані обсяги всіх категорій вантажів для основного аеропорту України «Бориспіль» на період до 2020 року, які були використані як вхідний матеріал для оцінки ефективності функціонування прийнятого складу парку механізмів на перспективу.

Прогнозована динаміка зміни обсягів вантажних перевезень через аеропорт «Бориспіль» подана на рис. 5. На основі зробленого прогнозу виявлено, що показники обсягів вантажних перевезень коливаються з року в рік, але в цілому спостерігається загальна тенденція до їх збільшення, приблизно на 4%, що потрібно враховувати при визначенні необхідної кількості засобів механізації з метою забезпечення їх ефективного функціонування на перспективу.

Обсяг вантажопотоку, т

Рис. 5. Прогноз вантажних перевезень аеропорту «Бориспіль» на період до 2020 року

При оцінці ефективності функціонування завантажувально-розвантажувального обладнання на перспективу використовувалася методологія аналізу середовища функціонування (АСФ), засновниками якої є відомі американські фахівці А. Чарнес та В. Купер. Для побудови моделі завантажувально-розвантажувального процесу, який розвивається у вантажному комплексі аеропорту, останній ототожнюється з об'єктом із двома вхідними та двома вихідними параметрами, де - обсяги імпортних вантажів; - обсяги експортних вантажів; , (рис. 6).

Міра ефективності завантажувально- розвантажувальних процесів вантажного комплексу буде найкращою, якщо в результаті розв'язання задачі

при обмеженнях:

, (15)

, (16)

, (17)

(18)

де - ефективність завантажувально-розвантажувальних процесів, - кількість об'єктів у середовищі функціонування; та - значення векторів та , які спостерігаються для .

Рис. 6. Опис діяльності об'єкта на основі методології АСФ

Так як у завантажувально-розвантажувальних процесах тип вантажу (експортний чи імпортний) не має значення, можна припустити, що отримані значення обсягів експортних та імпортних вантажів дорівнюють один одному, тобто . У цьому випадку з умови (16) отримуємо, що при . Враховуючи те, що функціонування досліджуваної системи вважається ефективним при , із рівності та з умови випливає, що . Тому відносно до об'єкта, який розглядається в дисертації, умова (16) має наступний вигляд:

(19)

при . Враховуючи те, що відносно орієнтованої на вихід моделі при повинна виконуватися умова , для справедливою є наступна рівність:

(20)

У зв'язку з тим, що , і для всіх , то значення змінних можна трактувати як ймовірності розподілу значень фактичних обсягів вантажу певної категорії за період спостереження. Тоді - середнє значення фактичних обсягів вантажу в період спостереження.

Отже, відповідно до умови (20) кількісна міра ефективності функціонування засобів механізації в завантажувально-розвантажувальних процесах відносно планових обсягів вантажопотоків досягає свого максимального значення, якщо для кожної категорії вантажу його прогнозований обсяг дорівнює середньому значенню фактичних обсягів цієї ж категорії вантажу.

У четвертому розділі - «Програмна реалізація алгоритму розв'язування задачі оптимального розподілу механізмів у підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» - з використанням мови програмування С розроблена комп'ютерна програма для розв'язування задачі оптимального розподілу засобів механізації на ділянці «вантажний склад - повітряне судно», на основі якої проведені числові розрахунки та визначена оптимальна структура парку механізмів у підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» для вантажного комплексу аеропорту «Бориспіль».

Вихідними даними для розробки програми були: категорії вантажів та їх обсяги в характерні періоди роботи аеропорту (максимальний і мінімальний місячний обсяг у період спостереження (2005-2009 рр.); максимальний та мінімальний добовий обсяг у період спостереження (2005-2009 рр.); максимальний і мінімальний прогнозований місячний обсяг на найближчі 10 років); основні засоби механізації, які працюють на сформованих віртуальних конвеєрних лініях «вантажний склад - повітряне судно», їх продуктивність, вартість та умовна оціночна вартість збитку на одну годину простою обладнання; час виконання технологічних операцій з обробки різних категорій вантажів протягом пікового місяця, дня; максимальна кількість одиниць кожного типу обладнання, які можуть одночасно працювати на ділянці «вантажний склад - повітряне судно».

З огляду на те, що сьогодні у світі спостерігається загальна тенденція до повного переходу на контейнеризований спосіб перевезення вантажу та відмова від перевезень вантажів поштучно, то в дисертаційній роботі розглядається й оптимізується перший тип «конвеєрної лінії» у складі трьох одиниць технологічного обладнання: навантажувачі (дизельні, електричні), тягачі з возиками, перенавантажувачі авіаційних контейнерів/палет. Зведені результати проведених числових розрахунків подані в табл. 1.

Таблиця 1. Результати розрахунку оптимальної структури парку механізмів у підсистемі «вантажний склад - повітряне судно»

Номер варіанта складу парку	Оптимальний склад парку
	електричний навантажувач	дизельний наванта-жувач	дизельний тягач із 2 возиками	дизельний тягач із 3 возиками	перенавантажувач авіаційних контейнерів/палет
№1	7	-	1	-	2
№2	-	3	1	-	2
№3	-	3	-	1	2
№4	7	-	-	1	2

Найкращим з економічної точки зору є другий варіант структури парку механізмів, сумарна вартість якого складає приблизно 6 180 тис. грн.

Для встановлення економічного ефекту від упровадження нової оптимальної структури парку було проаналізовано існуючий парк засобів механізації вантажного комплексу аеропорту «Бориспіль» на ділянці «вантажний склад - повітряне судно».

Порівняльний аналіз кількісного складу існуючого та оптимального парку механізмів в аеропорту «Бориспіль» наведено в табл. 2.

Таблиця 2. Порівняльний аналіз існуючого та оптимального складу парку механізмів аеропорту «Бориспіль» на ділянці «вантажний склад - повітряне судно»

Тип механізму	Існуючий склад парку	Оптимальний склад парку
1.Дизельний вилочний навантажувач	4	3
2. Дизельний тягач із двома возиками	5	1
3. Перенавантажувач авіаційних контейнерів/палет	4	2

Таким чином, для досліджуваного аеропорту, у вантажному комплексі якого на ділянці «вантажний склад - повітряне судно» протягом однієї зміни працює 4 дизельні вилочні навантажувачі, 5 дизельних тягачів із двома возиками кожен та 4 перенавантажувачі авіаційних контейнерів/палет, економія коштів від упровадження нової раціональної структури парку механізмів у складі 3-х дизельних вилочних навантажувачів, 1-го дизельного тягача із двома возиками кожен та 2-х перенавантажувачів авіаційних контейнерів/палет буде дорівнювати 7 222 тис. грн.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове розв'язання важливого науково-практичного завдання розробки методів оптимального розподілу засобів механізації у вантажному комплексі аеропорту на ділянці «вантажний склад - повітряне судно» та надані практичні рекомендації щодо ефективності функціонування прийнятого складу парку механізмів на перспективу. При цьому отримані такі основні результати:

1. Проведений аналіз сучасного стану й перспектив розвитку вантажних комплексів аеропортів показав, що існуючі методики розрахунку необхідного числа засобів обслуговування ґрунтуються на середніх характеристиках вантажопотоків і побудовані з урахуванням лише вантажопідйомності механізмів без урахування частоти надходження вантажопотоків, їх різновидів та тривалості виконання операцій з обробки окремих категорій вантажів різним технологічним обладнанням, що несе в собі методологічну погрішність.

2. За результатами дослідження структури вантажного комплексу аеропорту встановлено, що для обробки контейнеризованого вантажу використовуються навантажувачі, тягачі з возиками та перенавантажувачі авіаційних контейнерів і палет, а для обробки вантажу, який перевозиться поштучно - навантажувачі і автомобілі з підіймальним кузовом. Сукупність цих механізмів можна представити у вигляді віртуальних конвеєрних ліній «вантажний склад - повітряне судно», оптимальний розподіл яких повинен проводитися комплексно, з використанням розроблених у дисертаційній роботі математичних моделей та алгоритмів їх розв'язання.

3. Розроблена й чисельно реалізована математична модель задачі оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» та алгоритм її розв'язання. Задача полягає у знаходженні необхідної кількості конвеєрних ліній з певним набором технологічного обладнання всіх типів для завантаження повітряного судна заданими обсягами всіх категорій вантажів за встановлений час таким чином, щоб мінімізувати сумарні витрати коштів, які визначаються як сума капітальних та експлуатаційних витрат, пов'язаних із цими лініями.

4. Розглянуто задачі завантаження та розвантаження повітряного судна спеціальними категоріями вантажів (швидкопсувними, небезпечними та ін.) та розроблено алгоритми градієнтного типу для їх розв'язання. Показано, що шляхом розміщення різноманітних вантажів у певних місцях складського приміщення в установленому порядку можна підвищити ефективність роботи відповідних засобів механізації при виконанні процесу завантаження (розвантаження).

5. На основі ретроспективних даних розроблено алгоритм прогнозування авіаційних вантажних перевезень з використанням критерію максимуму правдоподібності. За запропонованим алгоритмом, виконано прогноз розвитку вантажних перевезень аеропорту «Бориспіль» на період до 2020 року, який був використаний як вхідний матеріал для оцінки ефективності функціонування прийнятого парку механізмів на перспективу. Прогноз показує, що систему очікують цикли спаду, стабілізації та росту з максимальним обсягом вантажопотоку у 2019 році (26 200 тонн). Порівняння прогнозованого обсягу вантажів на 2010 рік та фактичного розподілу вантажопотоків у цей період показало, що розходження показників складає приблизно 5%, що доводить більшу достовірність та ефективність використання розробленого алгоритму, якщо порівнювати з існуючими.

6. На основі орієнтованої на вихід оптимізаційної методології АСФ побудовано функцію оцінки ефективності функціонування завантажувально-розвантажувального обладнання вантажного комплексу аеропорту на перспективу, за допомогою якої встановлено, що кількісна міра ефективності функціонування засобів механізації відносно планових обсягів вантажопотоків досягає свого максимального значення, якщо для кожної категорії вантажу його прогнозований обсяг буде дорівнювати середньому значенню фактичних обсягів цієї ж категорії вантажу.

7. На основі запропонованих алгоритмів розроблено комп'ютерну програму з використанням мови програмування С для розв'язання задачі оптимального розподілу засобів механізації у вантажних комплексах аеропортів. За результатами числових досліджень установлено оптимальну структуру парку механізмів у підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» для основного аеропорту України «Бориспіль». Показано, що парк механізмів запропонованої структури буде ефективно працювати у найближчі 10 років.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті в наукових фахових виданнях

1. Гирич В. Ю. Аналіз досвіду проектування вантажних комплексів аеропортів СНД / В. Ю. Гирич // Будівництво України. - 2008. - № 8. - С. 15-18.

2. Юн Г. М. Алгоритми рішення задачі оптимального розподілу механізмів при виконанні завантажувально-розвантажувальних процесів в аеропортах / Г. М. Юн, В. Ю. Гирич // Збірник наукових праць Державного економіко-технологічного університету транспорту Міністерства транспорту та зв'язку України: Серія «Транспортні системи і технології». - 2010. - № 17. - С. 129-135.

3. Юн Г. М. Моделі оптимального розподілу механізмів при виконанні завантажувально-розвантажувальних процесів в аеропортах / Г. М. Юн, В. Ю. Гирич // Вісник інженерної академії України. - 2011. - № 1. - С. 188-191.

4. Гирич В. Ю. Алгоритм прогнозування авіаційних вантажних перевезень / В. Ю. Гирич // Проблеми системного підходу в економіці. - 2011. - № 36. - С. 198-204.

5. Гирич В. Ю. Оцінка ефективності завантажувально-розвантажувального процесу вантажного комплексу аеропорту на перспективу / В. Ю. Гирич // Збірник наукових праць Державного економіко-технологічного університету транспорту Міністерства транспорту та зв'язку України: Серія «Транспортні системи і технології». - 2011. - №18. - С. 19-23.

6. Гирич В. Ю. Програмна реалізація алгоритму оптимального розподілу засобів механізації в підсистемі «вантажний склад - повітряне судно» / В. Ю. Гирич // Проблеми системного підходу в економіці. - 2011. - № 37. - С. 14-19.

7. Yun G. Problems of optimal goods stowage in air cargo terminals / G. Yun, V. Gyrych // Proceeding on the National Aviation University. - 2011. - № 3. - С. 138-141.

Тези доповідей та статті в інших виданнях

8. Гирич В. Ю. Особливості проектування систем зберігання вантажу вантажних комплексів аеропортів / В. Ю. Гирич // Авіа - 2009: IX міжнародна наук.-техн. конф. студ. та молод. учених, 21-23 вересня 2009 р. - К., 2009. - Том 3. - С. 19.12-19.15.

9. Gyrych V. Yu. Investigation of modern tendencies in designing of air cargo terminals in Ukrainians' airports / V. Yu. Gyrych // Політ - 2009. Сучасні проблеми науки: IХ міжнародна наук.-техн. конф. студ. та молод. учених, 8-10 квітня 2009 р. : тези доп. - К., 2009. - С. 327.

10. Gyrych V. Yu. Technological and mathematical decisions of Air Cargo Terminals functioning / V. Yu. Gyrych // Політ - 2010. Сучасні проблеми науки: Х міжнародна наук.-техн. конф. студ. та молод. учених, 7-9 квітня 2010 р. : тези доп. - К., 2010. - С. 460.

11. Gyrych V. Yu. Еconomic and mathematical fundamentals of Air Cargo Terminals parametrization / V. Yu. Gyrych // Аеропорти -- вікно в майбутнє - 2010: ІІ міжнародна наук.-практ. конф., 27-28травня 2010 р. : тези доп. - К., 2010. - С. 11.

12. Гирич В. Ю. Виходоорієнтована модель аналізу ефективності функціонування засобів механізації вантажного комплексу аеропорту / В. Ю. Гирич // Авіа - 2011: X міжнародна наук.-техн. конф. студ. та молод. учених, 19-21 квітня 2011 р. - К., 2011. - Том 3. - С.24.5-24.8.

Размещено на Allbest.ru

...