ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы: Решающая роль в стратегии развития ж.д. транспорта России в условиях: проводимых радикальных экономических реформ; принадлежит процессу информатизации, обеспечивающему необходимой и достоверной информацией; все сферы управления транспортными; системами и производством.. Для решения принципиальных научных, технических: и организационных проблем, возникающих в ходе этого процесса, разработаны Концепция и программа информатизации, которые утверждены, решением расширенной коллегии* МПС №5 от 28: февраля* 1996 года. Данными основополагающими документами установлено, что реализация процесса информатизации в новых условиях должна осуществляться с помощью информационных технологий, центральными и действительно сложными элементами которых являются модели, методы и алгоритмы, Hat основе которых принимаются управляющие решения. Поэтому успешную информатизацию, а следовательно и решение проблемы реформирования ж.д. транспорта, невозможно осуществить без создания * и совершенствования развитого наукоемкого комплекса формальных моделей, прикладных методов и эффективных алгоритмов управления транспортными системами, т производством;
В настоящее время в области' моделирования и i алгоритмизации систем управления на ж.д. транспорте имеются фундаментальные теоретические исследования, выполненные АЛ. Петровым, К.А.Бернгардом,. Б.А.Лёвиным, Л.А.Барановым, Е.М.Тишкиным, Л:П.Тулуповым, В.А.Шаровым; В.Г.Шубко, АЛ.Калиниченко, Е.А.Сотниковым, В^А.Буяновым, П.А.Козловым, Т.А.Тибиловым, Ю.В.Дьяковым,. В.В.Виноградовым,. А.А.Воробьевым, В.Ю.Гореликом, Е.В; Архангельским, А.В1Горским, В.И.Галаховым, А.Ф.Бородиным, Н.Д^Иловайским, В.П.Феоктистовым, В.И.Некрашевичем, М:М.Болотиным,СВ.Дуваляном; И.К.Лакиным, В.К.Буяновой; В.И.Ковалевым, А.Т.Осьмининым, А.А.Аветикяном, В.М.'Акулиничевым,, А.М:Макарочкиным^ Ф.П.Кочневым, Ф.СГоманковым; В.А.Кудрявцевым и многими другими.
6
Вместе с тем, анализ современных условий функционирования» ж.д. транспорта показывает, что возникает ряд новых проблем, для которых, разработанный- ранее методологический инструментарий оказался плохо приспособленным, и требуется;создание нового поколения моделей: и методов управления транспортными системами и производством. Очевидно, что реализация управляющих решений; принятых на основе неадекватных моделей и методов, может привести к тяжелым последствиям, а возникшую проблему управлениям нельзя решить, даже за счет большого количества информации, пока не будут разработаны- адекватная- модель^ ш метод. Сегодня на ж.д. транспорте наблюдается! значительный разрыв между громадными: возможностями имеющихся» компьютеров и» применяемыми машинными алгоритмами решения? прикладных задач управления. Поэтому Концепция информатизация ж.д. транспорта требует не только обеспечения;информацией существующих функциональных, задач управления, но и постоянную разработку принципиально новых более адекватных и эффективных моделей, методов и алгоритмов, позволяющих повысить обоснованность, качество ш своевременность принимаемых управляющих решений. При разработке моделей и методов нового поколения возникает ряд проблем, требующих первоочередного решения.
Центральной проблемой являются трудности: построения глобальной модели управления для такой крупномасштабной системы, какой является ж.д. транспорт. Эти трудности вызваны огромным размером такого моделирования, наличием большого числа противоречивых или плохо совместимых целей- и ограничений, отсутствием лаконичных и выразительных моделей и не могут быть разрешены на базе старых: подходов и методов, которые разобщенно рассматривают вопросы моделирования в устоявшихся; предметных областях управления с помощью традиционных видов математических моделей. Поэтому в условиях коренных, реформ необходимо создание: развитой» методологии* формирования органически целостного комплекса» взаимосвязанных и взаимодополняющих категорий моделей и методов
7
управления нового поколения, обеспечивающих адаптацию управляющей системы к изменившимся целям! функционирования ж.д. транспорта; Разнородность формируемых категорий \ требует создания > единого универсального языка описания знаний о различных моделях и методах управления.
Особой проблемой, связанной с адаптацией управляющей системы к изменившимся условиям \ и, требующей i обязательного решения при. разработке нового поколения моделей и методов; управления, являются вопросы совершенствования структуры этой системы. Выбор оптимальных структур управления транспортными системами и производством является сложной научной задачей, для которой в настоящее время* отсутствуют адекватные модели и методы решения. Эффективным подходом? к ее решению, позволяющим лучше адаптироваться к конъюнктуре перевозок, является разработка многоуровневых иерархических структур управления, путем оптимальной: декомпозиции транспортной сети на полигоны. С проблемой совершенствования структур управлениям тесно связана' проблема; создания-структурно-ориентированных методов оптимизации управляющих решений.
Принципиально новой проблемой при- формировании более адекватного поколения моделей^ и методов является отсутствие методологического инструментария компактного и наглядного макроуровневого моделирования, позволяющего давать единое описание и представление интегральных характеристик всей- системы управления потоками? на транспортной или производственной сети: Особую значимость разработка такой макромодели имеет для целей аналитического исследования системы организации вагонопотоков, обладающей слабыми: возможностями по анализу, из-за сложного комбинаторного характера и огромной размерности решаемых задач,
которая оценивается « 2 допустимых вариантов решения.
Исключительно важной проблемой; возникающей в условиях экономических реформ, является резкое повышение роли субъективного фактора в процессе принятия управляющих решений. В этих условиях многие
8
актуальные задачи '¦ управления возникают в сложных контекстах социальных, экономических ш технических явлений, относятся к слабо формализуемым и могут быть реализованы только с помощью интеллектуального вмешательства человека. Необходимость учета; человеческого фактора с его уникальными возможностями классифицировать ситуации, вырабатывать цели, стратегии и методы их достижения в условиях неопределенности, оперировать неполной; и неоднозначной информацией существенно усложняет математическое описание задач управления транспортными: системами? и производством; Поэтому в ситуациях; носящих субъективный! характер и трудно; поддающихся формализации с помощью традиционных методов? исследования операций, на передний план выдвигается разработка моделей и методов поддержки принятия управляющих решений. Такие ситуации; возникают при выборе маршрутов следования в условиях, когда только учет слабоформализуемых факторов i позволяет выбрать маршруты следования транспортных потоков, удовлетворяющие всем требованиям лица, принимающего решения (ЛПР). Роль человеческого фактора особенно велика в системах оперативного диспетчерского управления, задачах распределения; и перераспределения погрузочных ресурсов и многих др. задачах управления. Разработанные в данной работе модели> и алгоритмы поддержки принятия решений основаны на методах теории полезности, штрафных и барьерных функций, распознавания*и прогнозирования ситуаций; и сцен и др. теориях; их отличает большая интеллектуальная составляющая, предполагающая непосредственное участие ЛПР в процессе выработки управляющих решений.
Значительной; проблемой является: разработка адекватных моделей и методов дискретной комбинаторной* оптимизации, поскольку в; условияхг экономических реформ повышается роль именно дискретных задач управления транспортными системами и производством. Важность данной? проблемы объясняется усилением требований к качеству и оперативности решения тех многочисленных задач управления, которым? в наибольшей степени» соответствует математика дискретных множеств или множеств, изменяющихся:
9
в дискретные моменты времени. Среди дискретных задач управления, рассматриваемых в. данной работе, следует отметить задачи; выбора и оперативной корректировки плана формирования,, концентрации и перераспределения сортировочной работы, динамического управления вагонопотоками, выбора маршрутов следования вагоно-и поездопотоков и др. Сложность решения указанных задач: связана с тем, что многие из них относятся к «универсальным переборным задачам», для которых в настоящее время: отсутствуют эффективные методы и алгоритмы решения. Основная проблемаs решения; дискретных задач управления усугубляется четырьмя: дополнительными проблемами. Во-первых, многие рассматриваемые задачи являются многокритериальными, что существенно? усложняет поиск оптимального решения, т.к. требуется определить некоторый компромиссный результат, который в общем случае не является оптимальным ни по •> одному критерию. Во-вторых, необходимо принимать во внимание существенно нелинейный характер ряда параметров решаемых задач управления, что позволит построить адекватные модели и методы, учитывающие реальные возможности различных элементов транспортной сети по пропуску ш переработке вагоно- и? поездопотоков. В-третьих, переменные условия функционирования ж.д. сети потребовали разработки адекватных динамических моделей; учитывающих нестационарный; характер решаемых дискретных задач управления. В-четвертых, сложность настоящего этапа реформирования ж.д; транспорта,, трудность идентификации основных параметров новых задач управления и др. причины приводят к необходимости выработки управляющих решений на основе неточных, приблизительных и так называемых «нечетких» исходных данных, для которых достаточно лишь указать их возможные значения относительно некоторого интервала достоверности.
Большая практическая значимость изложенных выше проблем обусловливает высокую актуальность выбранной темы и позволяет сформировать цель исследования..
10
Цель исследования: Основной целью настоящего исследования является создание и реализация • методологии и \ соответствующего методологического инструментария разработки; нового поколения моделей и методов, которым предназначено обеспечить решение проблем: управления, возникающих в условиях коренного реформирования и широкой информатизации ж.д. транспорта: Для достижения основной щели в диссертации также установлены подцели исследования, связанные с определением функциональных требований к управлению, выбором наиболее актуальных и принципиально новых функциональных задач управления, формированием и разработкой сложных и наукоемких категорий моделей и методов решения выбранных задач, а также их алгоритмической и программной > реализацией на к единой интегрированной информационной основе.
Методика исследования: Общий методический подход к достижению цели исследования заключается в использовании структурного анализа больших систем. В зависимости от конкретных подцелей и задач исследования также использовался следующий методологический инструментарий: моделирование и алгоритмизация транспортных систем и производств; математическое моделирование с помощью графов и? сетей; дискретная комбинаторная оптимизация; методы представления и обработки знаний; теория вероятностей; теория нечетких множеств; методы адаптации, обучения; распознавания и прогнозирования ситуаций; многокритериальная оптимизация; теория; многоуровневых иерархических систем ? управления; методы регуляризации; линейное и нелинейное программирование; автоматическая» классификация; методы, распределения ресурсов;: теория баз данных; методы поддержки принятия решений и др.
Научная новизна: В диссертации исследован теоретический! подход к разработке нового поколения моделей,, методов и алгоритмов решения функциональных задач управления 'гранспортными системами и производством, содержащий следующие впервые полученные научные результаты:
11
I. Двухуровневую архитектуру Концепции информатизации ж.д. транспорта России, которая включает в; рассмотрение обеспечивающий! уровень, состоящий» из информационной среды и* инфраструктуры информатизации, и прикладной уровень информационных технологий. Центральными и действительно сложными элементами этих технологий являются модели, методы и алгоритмы решения функциональных задач управления.
П' Оистемологический подход к разработке функциональных задач управления для- крупномасштабных транспортных систем; и производству базирующийся; на архитектурной концепции, двухмерной параллельной системе классификации используемого методологического инструментария; формировании категорий моделей и методов и универсальной фреймовой структуре для описания и использования знаний о модельных представлениях и: методах работы с ними. Принципиальная новизна данного подхода заключается в том, что в качестве объекта исследования выступают не отдельные конкретные модели, а соответствующие классы — категории, которые могут интегрировать большое количество моделей с противоречивыми; нечеткими или плохо совместимыми требованиями и ограничениями, а также учитывать современные тенденции в развитии; «традиционных моделей».
III. Нижеперечисленные сложные и наукоемкие категории? моделей, методов и алгоритмов (с детализацией их научной новизны):
1. Выбора оптимальной структуры управления (модель, основанная на декомпозиции, исходной* транспортной сети на непересекающиеся; подсети меньшей размерности; приближенный алгоритм декомпозиции, требующий для > своей реализации построения минимального остовного дерева; теоретически обоснованный* эффективный алгоритм декомпозиции, использующий) понятие окрестности вершины графа и потоковые преобразования; теоремы агрегирования, носящие конструктивный характер и позволяющие существенно понизить размерность исходной задачи выбора* оптимальной- структуры, а также построить эффективный алгоритм поиска максимального потока в сети).
12
2. Регулярных макромоделей и методов управления (способ компактного и наглядного представления комбинаторных транспортных задач большой размерности с помощью методов; регуляризации решетками исходной транспортной или производственной сети; «алгоритм половинной нумерации», обеспечивающий свойство строгого упорядочения=номеров опорных элементов в определенных направлениях сети; макромодель системы организации вагонопотоков; приближенное выражение целевой функции, задачи выбора оптимального плана формирования, в котором отсутствуют трудности комбинаторного характера, что обеспечивает проведение: ряда аналитических исследований).
3. Выбора маршрутов следования корреспонденции транспортных потоков (необходимое условие локализации различных частей корреспонденции* на одном маршруте; модели и алгоритмы, учитывающие с помощью инструмента штрафных и барьерных функций дополнительные субъективные ограничения ЛПР, а также технологические ограничения на загрузку элементов сети; как при условии обязательного сосредоточения одной корреспонденции на одном маршруте, так и без него).
4. Распределения ресурсов в иерархических транспортных системах (двухуровневая иерархическая модель задачи? распределения погрузочных ресурсов и декомпозиционный! алгоритм ее решения; многокритериальная модель задачи комплексного регулирования погрузочными ресурсами и эффективный алгоритм ее оптимизации, который* представляет собой некоторую?комбинацию «метода ограничений» и «метода свертки»; модели и алгоритмы перераспределения погрузочного ресурса в условиях его дефицита и при множестве слабоформализованных целей и критериев).
5. Выбора* оптимального? плана формирования; (модель выбора оптимального плана формирования с учетом ограничений на число путей и перерабатывающие способности: станций, которая представляет собой двойственную к классическим подходам: задачу оптимизации нелинейной целевой функции на дискретном множестве решений комбинаторного типа;
13
общий алгоритм оптимизации, основанный на методе ветвей и границ и построении верхних т нижних границ целевой функции и* ограничений, который обеспечивает плану «устойчивость в малом»; частные алгоритмы, позволяющие улучшить временную ш емкостную сложность вычислений; обобщение разработанных моделей и алгоритмов на случай нечеткой информации).
6. Оптимизации структуры сортировочной работы (многокритериальная модель и универсальный алгоритм оперативной t корректировки плана формирования, основанные на выделении потокозависимых станций и эквивалентных потоковых преобразованиях; алгоритм распознавания ситуаций, требующих оперативной корректировки; модели и алгоритмы \ оперативной корректировки специального вида, предназначенные для выделения сверхдальних магистральных назначений и снижения уровня «угловых потоков»; модель концентрации и перераспределения сортировочной работы, представленная как трехэтапная задача оптимизации, и алгоритм ее решения). Уу 7. Динамических моделей и методов управления транспортными потоками
(динамическая модель, управления с лексикографически упорядоченными критериями оптимизации и весами, заданными с помощью вектор-функций; эффективные алгоритмы оптимизации, основанные на топологическом свойстве ацикличности «расширенной во времени» исходной сети; понятие «эффекта от учета динамики», определяемого с помощью двухкомпонентного вектора; и его анализ; частные модели и алгоритмы для перспективных областей применения динамического потока на ж.д. транспорте).
8. Поддержки, принятия решений* при управлении транспортными>¦ системами (методологический подход к «интеллектуализации» информационных технологий на ж.д. транспорте; имитационная модель поддержки принятия, решений, основанная на методах адаптации и= обучения, распознавания ситуаций и выборе информативных признаков; анализ влияния и способы компенсации «неидеальности» реального учителя на процесс обучения имитационной модели; алгоритм распознавания ситуаций, основанный на
14
ортогональной структуре решающих правил и понятии «информационной точки»; подход к выбору наиболее информативных признаков для распознавания ситуаций; использующий понятие «ценности информации»).
Практическая ценность исследования состоит в создании научно обоснованного подхода к разработке нового поколения моделей и методов управления транспортными системами в современных условиях реформирования и широкой;¦ информатизации: ж.д. транспорта. Его реализация позволяет построить более адекватные и принципиально новые модели и; высокоэффективные: методы и алгоритмы, являющиеся органической, составной частью перспективных информационных технологий управления. Практическое использование предложенного подхода обеспечивает: создание новых информационных технологий, удовлетворяющих условиям открытости, гибкости и адаптируемости к изменяющимся условиям функционирования транспортных систем; высокую скорость разработки и развития комплекса моделей и методов; интеграцию существующих и вновь разрабатываемых моделей и методов управления в соответствующих категориях, что позволяет осуществить важнейший принцип проектирования информационных технологий, заключающийся в однократности любой разработки; и многократности и многоаспектное™ ее использованиям Внедрение исследования позволяет: существенно улучшить эффективность использования ресурсов, участвующих в транспортном процессе,, путем повышения транзитное™ вагонопотоков и уменьшения числа нерациональных их переработок, сокращения? порожнего пробега и ускорения доставки грузов, усиления ритмичности, снабжения грузами получателей и погрузочными! ресурсами грузоотправителей»и, как следствие такого улучшения, высвободить, часть ресурсов для дополнительных перевозок; повысить качество управления транспортными системами за счет детальности, точности: и оперативности выработки управляющих решений; обеспечить принятие мер упреждающего управления для ликвидации прогнозируемых затруднений в работе транспортных систем. Практическую значимость выполненного исследованиям
15
усиливает универсальность ряда разработанных категорий моделей и методов, позволяющая их использовать при создании систем управления производством. Реализация работы: Результаты исследования использовались при разработке ряда документов государственного и отраслевого значения, {* важнейшими из которых являются следующие: «Общегосударственная Концепция и программа: информатизации общества (раздел ж.д. транспорт)»; «Программа создания новых интеллектуальных информационных технологий на: ж.д. транспорте», выполненная; по заданию ГКВТИ (№ ЦША-2/176 от 20.08.90 г.); «Концепция и программа информатизации ж.д. транспорта России», утвержденные решением расширенной Коллегии МПС 28.02.96 г. Указанные документы явились основой' для реализации процесса информатизации на ж.д. транспорте, а годовой экономический эффект от их внедрения оценивается в Г.93-2.25 млрд. руб. Разработанные в диссертации методические положения и; архитектурные решения вошли также в утвержденные МПС методики, ТЗ и ТП, в числе которых следует отметить:
vv-^ «Системный проект информационной системы ж.д. транспорта» (10.00.76/95.00.00. № 29 от 29.01.96 г.); ТЗ и ТП «Автоматизированная система^ для управлениям грузовыми перевозками с распределенным банком данных о поездах, вагонах и грузах»; ТЗ и ТП «Информационная среда для обеспечения функционирования новых информационных технологий» (04704353.19300.001 ТЗ и П6); «Технические требования к ГИС ж.д. транспорта» и др.
Диссертационное исследование также реализовано в многочисленных прикладных разработках и приложениях, из которых перечислим только наиболее значимые. Во-первых,, модели и методы поддержки принятия решений, выбора структуры; управления и распределения ресурсов получили; применение при создании управляющего режима диалоговой системы контроля
(*rf и управления работой сети ж.д. (ДИСКОР), внедренной в промышленную эксплуатацию (приказ МПС № А-20528, годовой экономический: эффект от внедрения составляет около 13.9 млн. руб.). Во-вторых, результаты исследования, связанные с выбором маршрутов следования, оптимизацией
16
структуры сортировочной работы и выбором плана формирования использовались при реализации комплексной программы перспективного развития и размещения сети сортировочных станций (целевая программа № П-23302); проведении по заданию МПС и- ряда дорог расчетов, связанных с оперативной корректировкой плана формирования и маршрутов следования вагонопотоков; выборе сверхдальних магистральных назначений; снижению уровня «угловых потоков», концентрации и перераспределению сортировочной работы в условиях сильного спада объема перевозок (годовой экономический эффект от реализации только одного локального варианта концентрации и перераспределения составляет несколько i сотен тысяч рублей). В-третьих, разработанные модели и алгоритмы интегрированы в рамках геоинформационной системы «Электронная карта», которая отражает состояние сети ж.д. России, стран СНГ и Балтии (свыше 9 тыс. раздельных пунктов)*и в настоящее время используется в нескольких департаментах и диспетчерском; центре МПС, установлена у руководства МПС (всего 37 рабочих мест), эксплуатируется в рамках КИВС МПС и ПКБ ГПУ МПС, а в сфере производства нашла применение в ERP-проекте МПС для управления материальными, финансовыми, трудовыми и, др.. видами ресурсов; (годовой экономический эффект оценивается в 27 млн: руб.)..
Апробация; работы: Материалы исследования и результаты работы докладывались, рассматривались и; получили одобрение на следующих конференциях, заседаниях и совещаниях: Всесоюзной научно-технической конференции «Опыт создания и внедрения i О АСУ,. АСУП и АСУТП на видах транспорта и перспективы развития АСУ для обеспечения; координированной работы транспорта» (Ленинград, 1976 г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре «Пути* повышения надежности АСУ» (МДНТП, 1980 г.); V—ом [*rf совместном; цикле расширенных заседаний научно-исследовательских семинаров по дискретной математике (ЮНЦ АН УССР) и по графам и гиперграфам (АН МССР КГУ) под преде. проф.А.А. Зыкова (Одесса, 1981 г.); Всесоюзной научно-технической•-. конференции «Проблемы автоматизации
17
управления перевозочным процессом» (Харьков, 1982 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Пути совершенствования перевозочного процесса и управления транспортом» (Гомель, 1985г.); П-ой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития ж.д. транспорта» (Москва, 1996 г.); заседаниях Коллегии МПС РФ (№6 от 22.03.95 г. и расширенном заседании 28.02.1996 г., посвященном проблеме информатизации ж.д. транспорта); совместном заседании комиссий по вычислительной технике и автоматизации: и эксплуатации НТС МПС под преде, проф. К.А. Бернгарда (протокол от 20.10.81г.); совместном заседании секций «Управление перевозочным процессом» и «Автоматика, связь и вычислительная техника» НТС МПС (протокол от 29.04.86 г.); сетевом совещании по организации вагонопотоков (Москва, 1983 г.); научно-технических советах отделений «Вычислительной техники», «Управления перевозочным процессом», «Общесетевых вопросов» (ВНИИЖТ, 1980-1987 г.г.) и «Автоматизированных систем управления» (ВНИИЖА, 1988-1995 г.г.); заседаниях кафедры АСУ
v{> МИИТа (1974 г. — н. вр.); сетевых научно-технических совещаниях начальников и главных инженеров служб перевозок (Голицино, 1996-1999 г.г.). Интегрированная система «Электронная карта» представлялась на выставках «ЭкспоТранс 99», «ЭкспоЖд», «Корпоративные сети и системы > связи 2000», «Международная транспортная 2000» и была удостоена золотой медали Всероссийского выставочного центра (ВВЦ), а диссертант — присвоения звания «Лауреат ВВЦ».
Работа квалифицируется как теоретическое обобщение и решение крупной научно-технической проблемы создания нового поколения моделей и; алгоритмов функциональных задач управления транспортными системами и производством, имеющей важное хозяйственное значение для развития ж.д.
Ц транспорта страны.

Получить работу