CC BY
23
Бурмистрова Ольга Николаевна - заведующий кафедрой технологий и машин лесозаготовок Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет», доктор технических наук, профессор, г. Ухта, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
Сушков Сергей Иванович - заведующий кафедрой промышленного транспорта, строительства и геодезии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», доктор технических наук, профессор, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected]
Кручинин Игорь Николаевич - доцент кафедры транспорта и дорожного строительства Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Уральский государственный лесотехнический университет», кандидат технических наук, доцент, г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: [email protected]
Information about the authors
Burgonutdinov Albert Masugutovich - Associate Professor of roads and bridges, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Perm National Research Polytechnic University», PhD in Engineering, Associate Professor, Perm, Russian Federation; e-mail: [email protected]
Burmisrtova Olga Nikolaevna - Head of the Department of Industrial Transport, Technology and machines of timber cuttings, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Ukhta State Technical University», DSc in Engineering, Professor, Ukhta, Russian Federation; e-mail: [email protected]
Sushkov Sergey Ivanovich - Head of the Department of Industrial Transport, Road Construction and Geodesy, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected]
Kruchinin Igor Nikolaevich - Associate Professor of transport and road construction, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Ural State Forestry Engineering University», Phd in Engineering, Associate Professor, Ekaterinburg, Russian Federation; e-mail: [email protected].
DOI: 12737/21682 УДК 656*4
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПЛАНИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛЕСОВОЗНОГО
ТРАНСПОРТА ПО СЕТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
кандидат технических наук Ю. Н. Пильник1 доктор технических наук, профессор С. И. Сушков2 доктор технических наук, профессор О. Н. Бурмистрова1 1 - ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта, Российская Федерация 2 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»,
г. Воронеж, Российская Федерация
Основные фазы лесопромышленного производства, их транспортно-технологические потоки, число и характер этих процессов, место, очередность и средства выполнения, а также виды используемого в каждом случае сырья и получаемой продукции остаются сложной фундаментальной задачей, решение которой невозможно без совершенствования методов, моделей и алгоритмов для решения задач управления в многоуровневых транспортно-производственных системах лесного комплекса. Актуальность исследуемой проблемы развития транспорта и повышения экономической эффективности использования имеющихся его ресурсов обусловлена тем, что возможности сложившейся транспортной системы используются ещё не полностью (большое количество нерациональных перевозок лесоматериалов, недостаточ-
но обоснованное распределение объемов перевозок по видам транспорта, использования подвижного состава и т. д.), что вызывает увеличение транспортных расходов. Исследования проводились в направлении разработки методических подходов к построению комплексов взаимосвязанных моделей анализа развития и функционирования транспорта. Рассмотрение транспорта как элемента народного хозяйства и анализ взаимосвязей этой отрасли с другими отраслями материального производства базируются на изучении пропорций между объёмами и структурой лесопродукции и продукции всех других отраслей. Весьма острыми и слабо освещенными в литературе по специальностям лесного комплекса являются вопросы управления многоуровневыми транспортно-производственными системами. Основные фазы лесопромышленного производства, их производственные участки и технологические потоки включают последовательно или параллельно выполняемые производственные операции. Число и характер этих процессов, место, очередность и средства выполнения, а также виды используемого в каждом случае лесоматериала определяются технологическим процессом. Анализ в этой части предлагается проводить на основе математических моделей межотраслевых балансов, для анализа количественных взаимосвязей процесса производства, оценки влияния различных факторов на динамику показателей развития экономики анализировать перспективы их развития. Методы и модели распределения работы между видами транспорта базируются на анализе сетевых моделей. Указанные модели испытывались на условной информации и поэтому нуждаются в дальнейших исследованиях на конкретной практической информации.
Ключевые слова: система, транспорт, лесоматериалы, потоки, структура, перспективное планирование, моделирование, алгоритм, метод, производство, технологическая операция, оптимизация, управление.
A PLANNING MODEL FOR OPTIMUM USE OF TIMBER TRANSPORT ON THE ROAD NETWORK
PhD in Engineering Yu. N. Pilnik1 DSc in Engineering, Professor S. I. Sushkov2 DSc in Engineering, Professor O. N. Burmistrova1
1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Ukhta State Technical Univer-
sity», Ukhta, Russian Federation
2 - Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and
Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation
Abstract
The main phases of timber production, transport and process streams, the number and nature of these processes, place, order and means of implementation, and the types used in each case, raw materials and derived products are a difficult fundamental problem whose solution is impossible without the improvement of methods, models and algorithms for solving problems of governing in multi-level transport and production systems in forest sector. The relevance of the research problem in transport development and increase of economic efficiency of available resources use is really important because the existing transport systems are not exploited to the full (a large number of inefficient transport for timber, not enough reasonable distribution of traffic volumes by mode of transport, rolling stock, etc.) that results into increase in transport costs. The research was carried in the field of development of methodological approaches to the construction of complexes of interrelated models of analysis of the transport development and its functioning. If transport is an element of the national economy then the analysis of the links in this sector with other sectors of material production is based on the study of the proportions between the volumes and structure of forest products and the products of all other industries. The problem of multi-level management of transportation and production systems is very vital but poorly covered in the literature on the forest complex specialties. The main phases of timber production, their production sites and technological streams include sequential or concurrent operations. The number and nature of these processes, place, order and means of implementation, and the types used in each case are determined by the timber production process. The analysis in this part is suggested to do on the basis of mathematical models of inter - sectoral balances, in particular, for the analysis of quantitative relationships of the production process, assess the impact of various factors on the dynamics of economic development, to analyze the prospects of their development. Methods and models of work distribution between modes of transport are based on the analysis of network models. These models were tested on conditional data, so they need further studies on specific practical information.
Keywords: system, transportation, timber, streams, structure, forward planning, modeling, algorithm, method, production, process operation, optimization, management.
Теоретический анализ Целью данного исследования является моделирование условий использования максимальной грузоподьемности транспортных средств при минимизации затрат на погрузочно-разгрузочные операции лесоматериалов:
n m
L = E E—О - Xjj) ^ min
i=i j =i cj
n m n
E E<ev, ,
i=l j=1 i=l
n m
E E xj = в
i=1 J=1
x.. > 0, i = 1, n , j = 1,m,
5.8
2.9
Xj <
n m m
2,7; EE Ex j <E^
2,2 i=1 j =1 j =1 7,8
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
где Ху - объем лесоматериала от /'-го поставщика
к потребителю ¡-м транспортным средством,
м3;
S/ - дальность от /-го поставщика до предприятия, км;
С - средняя скорость передвижения транспорта ¡-го вида, км/ч;
Wj - грузоподъемность ¡-й машины, м3;
VI - объем лесоматериалов у /-го поставщи-
3
ка, м ;
В - потребность в лесоматериалах, м3;
К - количество машин ¡-го типа (т. е. данной грузоподъемности).
Критерием оптимизации будет служить минимизация порожних пробегов. Ограничение (3) показывает необходимость вывоза всего сырья у поставщика.
Методика
Алгоритм решения задачи.
Сбор данных для решения задачи. В одной строке Si, / = 1, п , в следующей - V., / = 1, п ; в
tj = 2S / c7
В углу табл. 1 на пересечении /-го столбца и ¡-й строки вставляют величину согласно следующему выражению:
Таблица 1
Матрица перевозок
1 2 i n
S1 S2 S S n
V1 V2 V. 1 V n
1 K a1 T11 T12 Tu Tn
P11 P12 P Pn
2 K 2 a2 T21 T 22 T2i Tn
P21 P 122 P2 i P2n
j K aj T1 T 2 Ti Tn
pj1 P 2 Pi j
m K m 0) m Tm1 T 1 m 2 T . mi T mn
Pm1 Pm 2 P . mi P mn
Pj =
cojE
v Ч J
V
1, если р^ > 1, если p.. < 1,
(7)
где р у - коэффициент, показывающий, какую
часть лесоматериала у -го поставщика может завезти транспортное средство ¡-го типа при скорости су за период в .
Каждая клетка содержит число, которое определяется:
^¡Е (в /^ ), если р у < 1
(8)
, если р у >1,
T =
t„E
fV. ^ +1
v aj
столбцах, - Ку У = 1, т, в следующем - , У = 1, т .
Требуется найти величину Ц (в ч), вычисляемую по формуле
где T. - время, необходимое на перевозку лесоматериала от i-го поставщика до предприятия на транспорте j-го типа.
После заполнения таблицы приступают к решению задачи.
Второй этап алгоритма.
1. Выбор максимального значения объема лесоматериала по поставщикам, т. е. определяют maxV.
2. В столбце с номером io выбирается клетка, где имеется max p¡o.
3. Шаг проводится, если píoJo < 1, тогда определяется такое соj и целое число a, чтобы
С = minja С ^ 1 - Pojo |. (9)
4.Находится
max \Туо < в - Troja } (10)
После
вычисления Tiojo, в том случае если опять Tíojo + Tñjo < в , то процедура повторяется: находится max ^Tjjo < в- Tiojo - Ta j1 J , т. е. пока больше не будет максимального значения.
5. Затем, когда io -й поставщик обеспечен, то рассмотренный столбец вычеркивается из таблицы, Kjo снижается на a. И так - пока не аннулируются
все столбцы.
Нецелочисленность получается при решении многих конкретных задач методами ЛП, и необходимо получение решений с целочисленными значениями переменных, особенно в тех случаях, когда условия задачи обязательно требуют соблюдения целочисленности переменных и полученные результаты в силу этого могут оказаться неоптимальными.
Целочисленность решения можно получить с помощью нескольких специальных методов. Алгоритм одного из них рассмотрим на предыдущем примере по транспортировке лесоматериалов. Создадим такой план перевозок, в котором за каждым транспортным средством был бы закреплен только один поставщик. План должен иметь такое распределение объема перевозок между ними, которое обеспечивает минимальную сумму издержек. Решение задачи выполняется в определенной последовательности.
1. Составляется матрица издержек по каждому транспортному средству для всех поставщиков (табл. 2). Просматривая столбцы матрицы, определяем минимальный элемент в каждом столбце и записываем его в нижней строке.
2. Вычитаем из каждого элемента каждого
Таблица 2
Матрица перевозок
Трансп.средство Поставщики
П П 2 П 3 П 4
М! 13 12 14 13
М 2 12 11 13 15
М 3 14 - 15 16
М 4 11 - 14 14
Минимальный элемент 11 11 13 13
столбца матрицы величину минимального элемента. Имеем матрицу, содержащую хоть одну клетку - 0 (табл. 3).
Таблица 3 Видоизмененная матрица перевозок
Трансп. Поставщики Минимальный
средство П П 2 П 3 П 4 элемент в строке
М, 2 1 1 0 0
М 2 1 0 0 2 0
М 3 3 - 2 3 2
М 4 0 - 1 1 0
3. Проводим анализ табл. 4. В строке М 2 имеются 2 пустые (0) клетки, в М 3они отсутствуют. Поэтому за транспортным средством М 2 мы можем закрепить поставщиков П 2 и П3, оставив свободным транспортное средство М 3. Такой вариант неприемлем, поскольку будет нарушено основное требование - каждая единица должна быть закреплена за конкретным поставщиком.
Таблица 4 Видоизмененная матрица перевозок
Трансп. средство Поставщики
П2 П3 П4
М! 2 1 1 0
М 2 1 0 0 2
М 3 1 - 0 3
М 4 0 - 1 1
4. Определяем max значения по строкам (табл. 4).
5. По табл. 4 ищется оптимальное распределение транспортных средств по поставщикам. Вначале заполняется целым числом, обычно равным 1, нулевая клетка. Произвольно заполнив данные ячейки, найдем
оптимальное распределение (табл. 2).
Вывод: Такие задачи заключаются в том, чтобы определить каждое транспортное средство на одну транспортную операцию таким образом, чтобы целевая функция стремилась к оптимальной.
Библиографический список
1. Сушков, С. И. Принципы решения задач управления в многоуровневых транспортно-производственных системах лесного комплекса [Текст] / С. И. Сушков, О. Н. Бурмистрова, Ю. Н. Пильник // Фундаментальные исследования. - 2015. - № 11. - Ч. 2. - С. 317-321.
2. Сушков, С. И. Методика формирования и управления транспортными связями лесных предприятий [Электронный ресурс] / С. И. Сушков, Ю. Н. Пильник, А. Ю. Арутюнян // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 2, ч. 2. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/129-22663; http://www.science-education.ru/pdf/2015/2-2/577.pdf.
3. Hare, W. A mixed-integer linear programming model to optimize the vertical alignment considering blocks and side-slopes in road construction [ГеЛ] / W. Hare, Y. Lucet, F. Rahman // European journal of operational research. - 2015. -Vol. 241. - Issue 3. - Pp. 631-641.
4. Santos, J. A life cycle assessment model for pavement management: methodology and computational framework [Теxt] / J. Santos, A. Ferreira, G. Flintsch // International journal of pavement engineering. - 2015. -Vol. 16. - Issue 3. - Pp. 268-286.
5. Liyanage, C. Measuring Success of PPP Transport Projects: A Cross-Case Analysis of Toll Roads [Теxt] / C. Liyanage, F. Villalba-Romero // Transport reviews. - 2015. - Vol. 35. - Issue 2. - Special Issue: SI. - Pp. 140-161.
6. Setinc, M. Optimization of a highway project planning using a modified genetic algorithm [ГеЛ] / M. Setinc, M. Gradisar, L. Tomat // Optimization. - 2015. - Vol. 64. - Issue 3. - Pp. 687-707.
7. Burdett, R. Block models for improved earthwork allocation planning in linear infrastructure construction [Тей] / R. Burdett, E. Kozan, R. Kenley // Engineering optimization. - 2015. - Vol. 47. - Issue 3. - Pp. 347-369.
8. Janssen, Thomas. Design and conctruction in existing contexts: Replacement of the first High Bridge Levensau [ГеЛ] / Janssen, Thomas // Janssen Thomasstahlbau. - 2015. - Vol. 84. - Issue 3. - pp. 182-194.
9. Liu, Chang; Lu, Ming Optimizing Earthmoving Job Planning Based on Evaluation of Temporary Haul Road Networks Design for Mass Earthworks [ГеЛ] / Liu, Chang; Lu, Ming // Journal of construction engineering and management. - 2015. - Vol. 141. - Issue 3.
10. Chart-asa, Chidsanuphong; Gibson, Jacqueline MacDonald Health impact assessment of traffic-related air pollution at the urban project scale: Influence of variability and uncertainty [Тей] / Chart-asa, Chidsanuphong; Gibson, Jacqueline MacDonald // Science of the total environment. - 2015. - Vol. 506. - pp. 409-421.
References
1. Sushkov S. I., Burmistrova O. N., Pilnik Y. N. Principy reshenija zadach upravlenija v mnogourovnevyh transportno-proizvodstvennyh sistemah lesnogo kompleksa [Principles of management tasks in a multitier transport and production systems forest complex]. Fundamental'nye issledovanija [Fundamental research]. 2015, no. 11, Part 2, pp. 317-321. (In Russian).
2. Sushkov S.I., Pilnik Y. N., Arutyunyan A. Y. Metodika formirovanija i upravlenija transportnymi svjazjami lesnyh predprijatij [Methods of formation and management of transport links forest enterprises] Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Modern problems of science and education]. 2015, no. 2, Part 2, Available at: http://www.science-education.ru/129-22663. (In Russian).
3. Hare, Warren; Lucet, Yves; Rahman, Faisal A mixed-integer linear programming model to optimize the
vertical alignment considering blocks and side-slopes in road construction. European journal of operational research, 2015, Vol. 241, Issue 3, pp. 631-641.
4. Santos, Joao; Ferreira, Adelino; Flintsch, Gerardo A life cycle assessment model for pavement management: methodology and computational framework. International journal of pavement engineering, 2015, Vol. 16, Issue 3, pp. 268-286.
5. Liyanage, Champika; Villalba-Romero, Felix Measuring Success of PPP Transport Projects: A Cross-Case Analysis of Toll Roads. Transport reviews, 2015, Vol. 35, Issue 2, Special Issue: SI, pp. 140-161.
6. Setinc, Marko; Gradisar, Mirko; Tomat, Luka Optimization of a highway project planning using a modified genetic algorithm. Optimization, 2015, Vol. 64, Issue 3, pp. 687-707.
7. Burdett R.; Kozan E.; Kenley R. Block models for improved earthwork allocation planning in linear infrastructure construction. Engineering optimization, 2015, Vol. 47, Issue 3, pp. 347-369.
8. Janssen, Thomas Design and conctruction in existing contexts: Replacement of the first High Bridge Levensau. Janssen Thomasstahlbau, 2015, Vol. 84, Issue 3, pp. 182-194.
9. Liu, Chang; Lu, Ming Optimizing Earthmoving Job Planning Based on Evaluation of Temporary Haul Road Networks Design for Mass Earthworks Projects. Journal of construction engineering and management, 2015, Vol. 141, Issue 3..
10. Chart-asa, Chidsanuphong; Gibson, Jacqueline MacDonald Health impact assessment of traffic-related air pollution at the urban project scale: Influence of variability and uncertainty. Science of the total environment, 2015, Vol. 506, pp. 409-421.
Сведения об авторах
Пильник Юлия Николаевна - старший преподаватель ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», кандидат технических наук, г. Ухта, Российская Федерация, e-mail: [email protected].
Сушков Сергей Иванович - заведующий кафедрой промышленного транспорта, строительства и геодезии ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова», доктор технических наук, профессор, г. Воронеж, Российская Федерация, e-mail: [email protected].
Бурмистрова Ольга Николаевна - заведующий кафедрой технологий и машин лесозаготовок ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», доктор технических наук, профессор, г. Ухта, Российская Федерация, e-mail: [email protected].
Information about the authors
Pilnik Yulia Nikolaevna - Senior Lecturer, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Ukhta State Technical University», PhD in Engineering, Ukhta, Russian Federation, e-mail: [email protected].
Sushkov Sergey Ivanovich - Head of the Department of Industrial Transport, Civil Engineering and Geodesy, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected].
Burmistrova Olga Nikolaevna - Head of technology and machines harvesting and engineering geodesy, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Ukhta State Technical University», DSc in Engineering, Professor, Ukhta, Russian Federation, e-mail: [email protected].
