Автоматизированная управляющая система согласованной доставки железорудного сырья к металлургическому комбинату

Введение

Новые условия работы отрасли на рынке перевозок заставляют по-новому взглянуть на задачи автоматизации. Функции управления резко усложнились. Сегодня требуется управлять не только перевозочным процессом в целом, но и конкретными грузопотоками. Необходимо осуществлять транспортное обслуживание клиентов по различным классам качества, обеспечивая надежные, эффективные и дешевые транспортные связи в экономике.

Транспортная связь представляет собой совокупность грузоперевозок, организованных специальным образом в интересах определенной группы поставщиков и потребителей продукции. Примером может служить доставка сырья на металлургический комбинат или подвоз углей к порту от различных поставщиков.

Несогласованность действий участников транспортных связей приводит к тому, что потребители создают резервы перерабатывающей способности грузовых фронтов, складов, содержат дополнительные пути, вагоны, локомотивы, штат. Из-за несвоевременного подвода порожних вагонов к грузоотправителям и грузов к грузополучателям простаивает оборудование. Значительное количество вагонов находится в ожидании выгрузки. Возникают большие стыковые потери.

Проблема может быть решена либо увеличением резервов транспорта, либо при помощи рационального управления. Именно последняя возможность рассматривается в данной статье. Ставится цель: за счет управления грузопотоками, ресурсами транспортной системы и ритмами отправления минимизировать полную транспортную составляющую в цене продукта.

Постановка задачи

Разработанная во ВНИИУП МПС России автоматизированная управляющая система согласованной доставки железорудного сырья кольцевыми маршрутами (далее по тексту — управляющая система) к Череповецкому металлургическому комбинату (АО «Северсталь») решает следующие задачи:

• минимизация стыковых потерь;

• оптимальное согласование ритмов работы поставщиков, потребителей и транспорта;

• обеспечение подачи погрузочных ресурсов отправителям и доставка грузов потребителям по согласованному графику.

АО «Северсталь» входит в тройку крупнейших металлургических комбинатов России. Его годовой объем потребления железорудного сырья составляет -11 млн.т, 90% этого сырья поставляется тремя горно-обогатительными комбинатами (ГОКами): Оленегорским, Ковдор-ским и Костомукшским по двум железным дорогам: Октябрьской и Северной. К металлургическому комбинату примыкают две станции: Череповец-2 и Кошта. Перевозки сырья на этом полигоне выполняются в глуходонных полувагонах прямыми отправительскими маршрутами установленной массы. После выгрузки сырья перевозочные средства, как правило, возвращаются в те же места погрузки.

Бизнес-логика работы производственно-транспортной системы основана на парном взаимодействии поставщиков железорудного сырья, железнодорожного транспорта, металлургического комбината. При этом отсутствует субъект, который мог бы согласовать и синхронизировать их действия. Поэтому взаимосогласованная работа всех трех участников перевозочного процесса в принципе затруднена.

На металлургических комбинатах, также как и на ГОКах, используется непрерывный производственный цикл. Для его обеспечения предпочтителен равномерный пропорциональный подвод как порожних вагонов под погрузку сырья, так и груженых маршрутов под выгрузку.

На практике картина совсем иная. Имеет место значительная неравномерность, как по отгрузке, так и по выгрузке. График движения практически не выполняется, поэтому в течение суток маршруты с сырьем поступают к грузополучателям — металлургическим комбинатам хаотично. Все это, в конечном итоге, приводит к перепростою вагонов и увеличению их оборота (см. таблицу), нерациональному использованию локомотивов и локомотивных бригад.

Простой и оборот вагонов в составе маршрутов, доставляющих железорудное сырье на Череповецкий металлургический комбинат

СтанцииПростой, чМаршруты следованияОборот, сут.
нормафакт+/- нормафакт+/-
Оленегорск1016,9+6,9Оленегорск—Череповец 24,966,85+1,89
Ковдор1518,7+3,7Ковдор — Череповец 25,257,00+1,75
Костомукша1325,7+ 12,7Костомукша — Кошта4,186,10+ 1,92
Череповец-21923,4+4,4

Причины столь серьезных нарушений состоят прежде всего в таких негативных явлениях, как сгущенный или, наоборот, разреженный подвод подвижного состава к местам погрузки/выгрузки, нерациональные заадресовки порожних маршрутов (рис. 1).

Примеры сгущенного и разреженного подвода подвижного состава из ГИД

Рис. 1. Примеры сгущенного и разреженного подвода подвижного состава из ГИД

 

Бизнес-логика согласованной доставки

Для устранения причин неравномерности и оптимального согласования работы поставщиков железорудного сырья и транспорта с запросами металлургического комбината предлагается новый бизнес-процесс, включающий автоматизированную управляющую систему (рис.2).

Бизнес-процесс согласованной доставки железорудного сырья

Рис.2. Бизнес-процесс согласованной доставки железорудного сырья

Цикл управления согласованной доставкой железорудного сырья к металлургическому комбинату представляет собой последовательность следующих действий (рис.3):

1. Оформление грузополучателем запросов на доставку сырья с указанием желаемого ритма и объемов доставки от каждого грузоотправителя.

2. Формирование оптимального плана согласованной доставки, включая:

• планирование графика доставки на основе решения оптимизационной динамической транспортной задачи с задержками (ДТЗЗ);

• тестирование разработанного плана на имитационной мо дели.

3. Доведение плана согласованной доставки всем участникам логистической цепи: «грузоотправитель — перевозчик — грузополучатель» и для его исполнения.

4. Оперативное управление:

• слежение и контроль за исполнением плана;

• компенсация отклонений фактического движения вертушек от планового в условиях воздействия возмущений.

Планирование согласованной доставки

В действующей системе грузоперевозок железнодорожным транспортом приоритет отдан грузоотправителю. В то же время в рыночной экономике главную роль играет покупатель, т.е. грузополучатель. Именно на него ориентирована новая управляющая система.

Исходной информацией для такой системы являются запросы на доставку сырья от грузополучателя — металлургического комбината (рис. 4а), с указанием желаемого ритма и объемов доставки от каждого из поставщиков.

На основе полученных запросов выполняется оптимальное планирование согласованной доставки. Рассчитанный план позволяет грузоотправителям своевременно включить в заявки по ф. ГУ-12 согласованные объемы погрузки железорудного сырья и необходимое для этого количество погрузочных ресурсов.

В процессе разработки плана решаются две задачи:

1. Получение планового графика полного оборота вертушек на полигоне управления.

Схема управления согласованной доставки железорудного сырья к металлургическому комбинату

Рис.3. Схема управления согласованной доставки железорудного сырья к металлургическому комбинату

2. Оценка количества вертушек, необходимого для перевозки железорудного сырья в плановом периоде. При этом учитываются следующие ограничения:

• равномерный (в среднем) посуточный подвод как груженых, так и порожних вертушек;

• плановые «технологические окна» на участках движения и на погрузке/выгрузке;

• направление (заадресовка) порожних вертушек после выгрузки в любой из трех пунктов погрузки.

Разработка графика оборота вертушек

Для расчета плана перевозок на уровне управления грузопотоками используется класс динамических потоковых моделей под общим названием «Динамическая транспортная задача с задержками» (ДТЗЗ) и Метод динамического согласования производства и транспорта. Это продвинутые в динамическую область разработки Данцига и Канторовича в области линейного программирования. Исходной является транспортная задача в сетевой постановке. В нее внесена динамика, т.е. время. Задача позволяет рассчитать схему грузопотоков и вагонопотоков с минимальными затратами на перевозку с учетом:

• структуры сети;

• пропускной способности участков;

• стоимости доставки по направлениям;

• перерабатывающей способности станций;

• путевого развития станций и вместимости складов;

• ритмов работы отправителей и получателей;

• стоимости ущерба у получателя из-за задержки доставки груза или у отправителя из-за задержки подачи порожняка.

В результате рассчитывается наилучшая (в смысле минимума затрат) схема грузопотоков. Схема может быть рассчитана на несколько суток вперед, начиная с любого момента и с учетом того, что часть грузов уже находится в пути. Параметры задачи — пропускные способности, стоимостные характеристики — могут изменяться во времени.

Используемая математическая модель ДТЗЗ такова: транспортная сеть состоит из пунктов производства {i;i =1,n} и пунктов потребления {j; j=1,m}, соединенных направленными дугами {(i,j);i = 1in; j = 1,m}. В дискретные моменты t {0,l,...,T} времени в системе производится, перемещается и поглощается К видов продуктов (грузов) {r; r = 1,К).

экранная форма для оформления запроса на согласованную доставку

а — экранная форма для оформления запроса на согласованную доставку;

экранная форма планового графика оборота вертушек

б — экранная форма планового графика оборота вертушек

графики зависимости выполнения плана от величины динамического резерва

в — графики зависимости выполнения плана от величины динамического резерва;

экранная форма графика выполнения согласованной доставки

г — экранная форма графика выполнения согласованной доставки

экранные формы графиков заадресовки вертушек в плановые рейсы и доступности динамического резерва

д — экранные формы графиков заадресовки вертушек в плановые рейсы и доступности динамического резерва;

экранные формы для оформления рекомендаций и приказов

е — экранные формы для оформления рекомендаций и приказов

Рис. 4. Экранные формы управляющей системы:

В качестве критерия оптимальности используется сумма транспортных расходов J1 расходов J2 на хранение и затрат J3 на перестройку производственных программ, которую надо минимизировать:

где:

Здесь: Urij(t) — искомые объемы поставок r-го вида продукции из i-го пункта в j-й;

crij(t) — расходы на транспортировку единицы продукции r-го вида;

cri (t) crj(t) — расходы на хранение единицы продукции r-го вида у производителя и у получателя;

xri (t) xrj(t) — искомые запасы r-го вида продукции у производителя и у получателя;

cAri (t) cBrj(t) — затраты на корректировку программ производства и потребления;

wri (t) wrj(t) — искомые корректировки программ производства и потребления;

Ti = mintlij — время без поставок из-за транспортных запаздываний;

Т0 — начальный момент времени.

Ограничения:

а) на динамику запасов у производителей:

б) на динамику запасов у потребителей:

в) в начальный и конечный момент времени:

г) на неотрицательность запасов, поставок и корректирующих переменных:

Здесь ari(t),brj(t) —программы производства и потребления;

д) на пропускные способности дуг dij(t) и емкости складов у производителя di(t) и у получателя dj(t):

Описание согласованной доставки в терминах ДТЗЗ позволяет учитывать:

• выделенные для перевозки сырья сквозные нитки нормативного графика движения на заданном полигоне (точнее: наличие любых заранее проложенных сквозных ниток на протяжении всего планового периода);

• существующую разницу в величине времени хода по разным ниткам одного направления перевозки.

Плановый график оборота вертушек на полигоне управления строится следующим образом. По собранным запросам от грузополучателя автоматически создается текст описания задачи для ДТЗЗ. Планирование перевозок выполняется непосредственно в отправительских маршрутах. Плановый период согласованной доставки делится на такты по 30 мин. Суммарно на полигоне за месячный период выполняется доставка, примерно, 360 маршрутов.

Месячный период планирования представляется совокупностью 1500 тактов планировщика. Из решения ДТЗЗ получаем расписание отправления маршрутов со станций погрузки по выделенным сквозным ниткам нормативного графика.

Затем к каждому из моментов отправления груженых маршрутов со станции примыкания к ГОКу добавляются «плечо» подвода порожней вертушки и нормативные времена местной работы на станции примыкания и погрузки сырья на ГОКе. К каждому из моментов прибытия груженых вертушек на станцию примыкания к металлургическому комбинату добавляются нормативные времена местной работы на станции примыкания и выгрузки сырья на самом комбинате. В результате получаем график рейсов вертушек.

Полный оборот вертушек строится по принципу FIFO «первый пришел, первый ушел». Момент окончания текущего рейса связывается с началом следующего ближайшего по времени рейса (см. рис.4б). Такой способ заадресовки минимизирует время оборота вертушки.

После получения планового графика оборота кольцевых маршрутов автоматизированная управляющая система позволяет рассчитать величину минимального количества вертушек, необходимого для перевозки заданного объема железорудного сырья в соответствии с плановым графиком, а также определить основные показатели движения.

Тестирование плана согласованной доставки на имитационной модели

Плановый график оборота вертушек тестируется на имитационной модели полигона управления. Модель разработана с помощью интеллектуальной системы моделирования ReThink в среде G2 (Gensym Со). В результате тестирования оценивается выполнимость графика в условиях воздействия внешних возмущений на рейсы, а также определяется величина резервного количества вертушек, которое следует добавить к ранее полученному минимальному количеству для успешного выполнения плана.

Внешние воздействия задаются на имитационной модели в виде распределений случайных величин отклонения продолжительности технологических операций с вертушками от нормативных. Выполнив заданное количество прогонов графика оборота вертушек на выбранном полигоне, имитационная модель выдает статистическую оценку зависимости процента выполнения перевозки заданного объема железорудного сырья от резервного количества вертушек (см. рис.4в). Этот резерв позволяет обеспечить выполнение планового графика оборота в условиях воздействия внешних возмущений на рейсы вертушек.

Резерв имеет динамический характер по двум причинам. Во-первых, вертушки, находящиеся в нем, не простаивают на какой-то из станций полигона, а практически все время находятся в движении, поддерживая плановый график оборота и ритм отправления порожних вертушек. Во-вторых, резерв постоянно обновляется, т.к. в процессе выполнения согласованной доставки через него проходят и те вертушки, которые первоначально были назначены в плановые рейсы.

Оперативное управление согласованной доставкой

План согласованной доставки доводится до всех исполнителей, после чего наступает этап оперативного управления (см. рис.3). Целью оперативного управления является обеспечение перевозки запланированных объемов железорудного сырья выделенным парком вертушек в соответствии с заданным суточным ритмом. Объектом управления служат специализированные погрузочные ресурсы — вертушки с замкнутым циклом обращения на выбранном полигоне.

Слежение и контроль

Слежение за рейсами вертушек осуществляет подсистема мониторинга, которая отображает состояние процесса согласованной доставки на основе сообщений из АСОУП и ДИСПАРК. При этом контролируются:

• порядок обращения вертушек на полигоне;

• целостность закрепленного за полигоном парка подвижного со става;

• время выполнения выделенных технологических операций;

• заадресовка (отправление) порожних вертушек в следующие плановые рейсы;

• состояние динамического резерва.

Слежение и контроль над продвижением вертушек осуществляется с помощью графика выполнения согласованной доставки железорудного сырья (см. рис.4г). Каждый рейс на нем отображается в виде фактической траектории и прогнозной. Прогноз для вертушки, находящейся в рейсе, строится относительно момента ее отправления в следующий плановый рейс.

Зоны диспетчерского управления

Рис. 5. Зоны диспетчерского управления

Для оценки величины отклонения прогнозной траектории от плановой в подсистеме мониторинга используются четыре зоны диспетчерского управления с цветовой индикацией (рис.5):

1. Функциональная зона. Пока прогноз готовности порожней вер тушки к отправлению в следующий рейс — контрольная точка (КТ) находится в этой зоне, текущий рейс идет по плану. Прогноз на графике окрашен в зеленый цвет.

2. Граничная зона. Попадание прогнозной КТ в эту зону означает, что вертушка, выполняющая текущий рейс, из-за отклонений начинает не успевать к отправлению в свой следующий плановый рейс. Прогноз окрашен в желтый цвет.

3. Предельная зона. Переход прогнозной КТ в эту зону свидетельствует о том, что отставание данного рейса от планового графика оборота приняло угрожающий характер. Вертушка уже явно не успевает к отправлению в следующий плановый рейс. Прогноз окрашен в красный цвет.

4. Аварийная зона. Нахождение прогнозной КТ в этой зоне означает, что вертушка безнадежно опоздала в свой следующий плановый рейс. Прогноз окрашен в белый цвет.

Компенсация отклонений

Задачей диспетчера согласованной доставки является обеспечение отправления порожних вертушек в очередные рейсы после их выгрузки на металлургическом комбинате в соответствии с ритмом, заданным в плановом графике оборота. Такая постановка задачи диктуется двумя обстоятельствами — замкнутым циклом обращения вертушек на полигоне и значительным превышением емкости погрузочных фронтов на ГОКах размера разовой маршрутной отправки.

Поскольку согласованная доставка, состоящая из определенной последовательности технологических операций, протекает в условиях воздействия внешних возмущений, для поддержания заданного ритма отправления порожних вертушек в рейсы существуют только две возможности: либо вертушка своевременно возвращается из очередного рейса, чтобы отправиться в свой следующий плановый рейс, либо, если это не происходит, вместо нее в следующий рейс уходит другая вертушка. Реализация первой возможности сводится к изменению длительности операций. Для реализации второй возможности в управляющей системе используется динамический резерв, о котором говорилось выше.

Управляющие воздействия, направленные на поддержание заданного ритма отправления порожних вертушек в рейсы, выполняются по следующим правилам. Если вертушка хотя и отклонилась от планового графика оборота, но еще успевает в свой следующий рейс (граничная зона диспетчерского управления), ее маршрутная скорость может быть увеличена. Если вертушка отклонилась от планового графика оборота настолько, что уже, несмотря на попытки увеличить ее маршрутную скорость, не может успеть в свой следующий рейс (предельная зона), она с этого рейса снимается и отправляется в динамический резерв, а вместо нее в рейс из резерва отправляется другая вертушка. Для управления заадресовкой вертушек в плановые рейсы и контроля над состоянием динамического резерва используется специальные графики (см. рис.4д).

Управляющие воздействия в системе оформляются двумя типами электронных документов: приказ и рекомендация (см. рис.4е). Рекомендация является документом непрямого действия и предназначена для информирования оперативного дежурного по дороге службы движения о внесении необходимых изменений в порядок предстоящего проследования опаздывающей вертушки. В управляющей системе имеется возможность оформить два вида рекомендаций: о нагоне порожней вертушки и о сокращении опоздания груженой вертушки. Приказ является документом прямого действия. С его помощью выполняется направление вертушек в динамический резерв и заадресовка порожних вертушек из резерва.

Предполагается, что в следующих версиях системы исторические данные о всех рейсах согласованной доставки и сопутствующих им процессах (включая процессы управления) будут накапливаться в информационном хранилище и использоваться для анализа качества управления и выработки соответствующих корректирующих воздействий. Тем самым создаются предпосылки для придания управляющей системе свойств адаптивности. В новой вертикали управления перевозками управляющие системы должны стать основным элементом транспортного обслуживания на технологическом уровне (рис.6).

Эффективность управляющей системы

Функционирование управляющей системы на полигоне позволяет сократить время нахождения вертушек в движении на 15-20% — как в груженом, так и в порожнем направлении. Например, сейчас среднее графиковое время от Ковдора до Череповца — 46 ч, а среднее фактическое — 64 ч. Управляющая система позволяет сократить это время до 53 ч.

Место управляющих систем в новой вертикали управления

Рис.6. Место управляющих систем в новой вертикали управления

Экономия при закупке вагонов могла бы составить порядка 360 млн.руб. Но более реальна другая оценка. Высвободившимся парком полувагонов можно обеспечить перевозку 1 млн.т грузов. Это даст отрасли дополнительные доходы на сумму порядка 180 млн.руб.

Внедрение автоматизированной управляющей системы — это переход на новый класс транспортного обслуживания клиентов — не только грузоотправителей, но и грузополучателей, что принципиально ново для железнодорожного транспорта. В этих условиях можно рассмотреть возможность установления надбавки за более качественное транспортное обслуживание (вопрос ЦФТО). Это позволит в будущем получить дополнительный эффект.

Дальнейшее развитие системы планируется по следующим направлениям. Включение в Череповецкий полигон помимо доставки железорудного сырья и доставку коксующихся углей из Печерского бассейна. Тиражирование управляющей системы согласованной доставки сырья кольцевыми маршрутами к другим металлургическим комбинатам, а также к портам (в частности к порту Восточный). Переход к доставке «точно в срок» технологическими маршрутами.

Ликвидируется накопление вертушек в пунктах погрузки-выгрузки и их простои в ожидании подачи под грузовые операции. За счет оперативного управления порожние вертушки будут уходить в следующий рейс на ближайшую нитку (практически сразу). Жесткий график оборота вертушек на полигоне улучшит их обеспечение локомотивами и бригадами. Все это значительно ускорит движение вертушек. При сегодняшнем факте оборота маршрутов на полигоне 6-7 сут. можно будет уложиться в норму 5-5,5 сут.

Точная информация о прибытии повысит готовность ГОКов и металлургического комбината к выполнению грузовых операций, и тем самым позволит выполнить их более оперативно. Металлургический комбинат за счет более точной доставки и снижения страховых запасов сырья (~на 20%) высвободит дополнительные оборотные средства примерно на 300 млн. рублей.

Экономия вагонов также дает свой эффект. На полигоне сейчас работает 55-60 вертушек. Эксперименты на имитационной модели показывают, что заданный объем перевозок за счет автоматизированного управления можно обеспечить парком в 48-53 вертушки. Таким образом, сокращается порядка 7 вертушек. А это 400 полувагонов рабочего парка.










Системы передачи данных

 


Комплексные проектные решения

 


Управление распределенными системами

 


Автоматизированные рабочие места

 


Системы и средства обеспечения безопасности движения

 


Цифровые сети технологической связи

 


Информационные системы управления движением

 


Автоматизированное управление разработками проектов

 






 



Copyright (c) 2008, Infotest, Inc.