1. В мире существуют системы
2. Системное описание истинно
3. Системы взаимодействуют друг с другом, а, следовательно, всё в этом мире взаимосвязано
4. Следовательно мир — это тоже система
Системный подход — это подход, при котором любая система (объект) рассматривается как совокупность взаимосвязанных элементов (компонентов), имеющая выход (цель), вход (ресурсы), связь с внешней средой, обратную связь. Это наиболее сложный подход. Системный подход представляет собой форму приложения теории познания и диалектики к исследованию процессов, происходящих в природе, обществе, мышлении. Его сущность состоит в реализации требований общей теории систем, согласно которой каждый объект в процессе его исследования должен рассматриваться как большая и сложная система и, одновременно, как элемент более общей системы.
Развернутое определение системного подхода включает также обязательность изучения и практического использования следующих восьми его аспектов:
1. системно-элементного или системно-комплексного, состоящего в выявлении элементов, составляющих данную систему. Во всех социальных системах можно обнаружить вещные компоненты (средства производства и предметы потребления), процессы (экономические, социальные, политические, духовные и т. д.) и идеи, научно-осознанные интересы людей и их общностей;
2. системно-структурного, заключающегося в выяснении внутренних связей и зависимостей между элементами данной системы и позволяющего получить представление о внутренней организации (строении) исследуемой системы;
3. системно-функционального, предполагающего выявление функций, для выполнения которых созданы и существуют соответствующие системы;
4. системно-целевого, означающего необходимость научного определения целей и подцелей системы, их взаимной увязки между собой;
5. системно-ресурсного, заключающегося в тщательном выявлении ресурсов, требующихся для функционирования системы, для решения системой той или иной проблемы;
6. системно-интеграционного, состоящего в определении совокупности качественных свойств системы, обеспечивающих её целостность и особенность;
7. системно-коммуникационного, означающего необходимость выявления внешних связей данной системы с другими, то есть, её связей с окружающей средой;
8. системно-исторического, позволяющего выяснить условия во времени возникновения исследуемой системы, пройденные ею этапы, современное состояние, а также возможные перспективы развития.
Практически все современные науки построены по системному принципу. Важным аспектом системного подхода является выработка нового принципа его использования — создание нового, единого и более оптимального подхода (общей методологии) к познанию, для применения его к любому познаваемому материалу, с гарантированной целью получить наиполное и целостное представление об этом материале.
Системный анализ — научный метод познания, представляющий собой последовательность действий по установлению структурных связей между переменными или элементами исследуемой системы. Опирается на комплекс общенаучных, экспериментальных, естественнонаучных, статистических, математических методов.
Системный анализ возник в эпоху разработки компьютерной техники. Успех его применения при решении сложных задач во многом определяется современными возможностями информационных технологий. Н.Н. Моисеев приводит, по его выражению, довольно узкое определение системного анализа: «Системный анализ — это совокупность методов, основанных на использовании ЭВМ и ориентированных на исследование сложных систем — технических, экономических, экологических и т.д. Результатом системных исследований является, как правило, выбор вполне определенной альтернативы: плана развития региона, параметров конструкции и т.д. Поэтому истоки системного анализа, его методические концепции лежат в тех дисциплинах, которые занимаются проблемами принятия решений: исследование операций и общая теория управления».
Ценность системного подхода состоит в том, что рассмотрение категорий системного анализа создает основу для логического и последовательного подхода к проблеме принятия решений. Эффективность решения проблем с помощью системного анализа определяется структурой решаемых проблем.
Согласно классификации, все проблемы подразделяются на три класса:
· хорошо структурированные (well-structured), или количественно сформулированные проблемы, в которых существенные зависимости выяснены очень хорошо;
· неструктурированные (unstructured), или качественно выраженные проблемы, содержащие лишь описание важнейших ресурсов, признаков и характеристик, количественные зависимости между которыми совершенно неизвестны;
· слабо структурированные (ill-structured), или смешанные проблемы, которые содержат как качественные элементы, так и малоизвестные, неопределенные стороны, которые имеют тенденцию доминировать.
Для решения хорошо структурированных количественно выражаемых проблем используется известная методология исследования операций, которая состоит в построении адекватной математической модели (например, задачи линейного, нелинейного, динамического программирования, задачи теории массового обслуживания, теории игр и др.) и применении методов для отыскания оптимальной стратегии управления целенаправленными действиями.
Системный анализ предоставляет к использованию в различных науках, системах следующие системные методы и процедуры:
· абстрагирование и конкретизация
· анализ и синтез, индукция и дедукция
· формализация и конкретизация
· композиция и декомпозиция
· линеаризация и выделение нелинейных составляющих
· структурирование и ре структурирование
· макетирование
· ре инженеринг
· алгоритмизация
· моделирование и эксперимент
· программное управление и регулирование
· распознавание и идентификация
· кластеризация и классификация
· экспертное оценивание и тестирование
· верификация
и другие методы и процедуры.
Для решения слабо структурированных проблем используется методология системного анализа, системы поддержки принятия решений (СППР). Рассмотрим технологию применения системного анализа к решению сложных задач.
Процедура принятия решений согласно [2] включает следующие основные этапы:
1. формулировка проблемной ситуации;
2. определение целей;
3. определение критериев достижения целей;
4. построение моделей для обоснования решений;
5. поиск оптимального (допустимого) варианта решения;
6. согласование решения;
7. подготовка решения к реализации;
8. утверждение решения;
9. управление ходом реализации решения;
10. проверка эффективности решения.
Для многофакторного анализа, алгоритм можно описать и точнее:
1. описание условий (факторов) существования проблем, И, ИЛИ и НЕ связывание между условиями;
2. отрицание условий, нахождение любых технически возможных путей. Для решения нужен хотя бы один единственный путь. Все И меняются на ИЛИ, ИЛИ меняются на И, а НЕ меняются на подтверждение, подтверждение меняется на НЕ-связывание;
3. рекурсивный анализ вытекающих проблем из найденных путей, т.е. п.1 и п.2 заново для каждой подпроблемы;
4. оценка всех найденных путей решений по критериям исходящих подпроблем, сведенным к материальной или иной общей стоимости.
Тема 2. Транспортные системы
1. Транспорт в современном мире.
2. Место понятия системы при исследовании транспортных объектов. Особенности транспортных систем.
3. Транспортные сети.
4. Транспортные процессы.
Тра́нспорт (от лат. trans — «через» и portare — «нести») — совокупность средств, предназначенных для перемещения людей, грузов из одного места в другое. Нередко под термином «транспорт» подразумевают всю совокупность инфраструктуры, управления, транспортных средств и транспортных предприятий, составляющие транспортную систему, либо отрасль экономики.
Транспорт делится на три категории: транспорт общего пользования, транспорт специального пользования и личный или индивидуальный транспорт. Транспорт общего пользования не следует путать с общественным транспортом (общественный транспорт является подкатегорией транспорта общего пользования). Транспорт общего пользования обслуживает торговлю (перевозит товары) и население (пассажирские перевозки). Транспорт специального пользования — внутрипроизводственный и внутриведомственный транспорт. Наконец, личный транспорт — это легковые автомобили, велосипеды, яхты, частные самолёты.
В экономике транспортная отрасль занимает специфическое положение, относясь к экономической инфраструктуре.
Транспорт представляет собой отрасль производства, которая обеспечивает жизненно необходимую потребность общества в перевозке грузов и пассажиров.
Транспорт входит в состав инфраструктуры производства, обслуживает основные отрасли экономики: добывающую, перерабатывающую промышленность и сельское хозяйство. Инфраструктура включает в себя также связь, энергетику, систему материально-технического снабжения.
Транспорт как отрасль производства представляет собой совокупность средств и путей сообщения, нормальную деятельность которых обеспечивают различные технические устройства и сооружения.
В системе единого народнохозяйственного комплекса транспорт является важной отраслью, предназначенной для перевозки грузов и пассажиров. Значение его исключительно велико. Без мощного развития всех видов транспорта, широко разветвленной сети путей сообщения не могут быть обеспечены растущие масштабы общественного производства, расширение сфер промышленного использования природных ресурсов, развитие экономических и культурных связей, требования к обороноспособности страны.
Транспорт выполняет роль материальной основы разделения труда в обществе и осуществляет разнообразные связи между производством и потреблением, промышленностью и сельским хозяйством, между отдельными экономическими районами. Он влияет на развитие и размещение общественного производства на создание и развитие новых территориально-производственных комплексов.
Транспорт представляет собой совокупность следующих основных его составляющих:
- Перевозочные средства, к которым относится подвижной состав (автомобили, прицепы, полуприцепы, транспортные тракторы, локомотивы, вагоны, суда, самолеты, вертолеты), трубопроводы, контейнеры, поддоны и тара.
- Пути сообщения, включающие автомобильные дороги, железнодорожные и водные пути, воздушные линии, монорельсовые и канатные дороги, трубопроводы, специально приспособлены для движения подвижного состава с целью перемещения грузов и пассажиров;
- Механические устройства и механизмы, погрузочно-разгрузочные механизмы, конвейеры, бункеры;
- Сооружения: гаражи, стоянки, депо, станции технического обслуживания, ремонтные мастерские и заводы, доки, склады, погрузочно-разгрузочные пункты, терминалы, грузовые и пассажирские станции, вокзалы, аэропорты, пристани, компрессорные и насосные станции.
Продукция транспорта имеет следующие особенности:
· Материальный характер транспортной продукции заключается в изменении пространственного положения перевозимых товаров;
· На транспорте процесс производства и процесс потребления продукции не разделены во времени, продукция транспорта потребляется как полезный эффект, а не вещь;
· Транспортную продукцию нельзя накопить впрок, повышение спроса на перевозки требует использования дополнительных провозных возможностей
· В процессе работы транспорта не создается новой продукции, а наоборот процесс сопровождается потерей физических объемов грузов;
· Транспортная продукция вызывает дополнительные затраты в производящих отраслях, что влечет несовпадение интересов экономики в целом и транспортной отрасли.
В существующих сегодня условиях глобализированной экономики профессиональный автомобильный транспорт более не представляет собой лишь один из видов транспорта, а является важнейшим средством производства, предоставляющим любому предприятию и компании доступ на все мировые рынки и обеспечивающим надежное и доступное средство передвижения для всех участников. Роль автомобильного транспорта постоянно растет, что определенно участием в производственном процессе каждого предприятия и необходимостью в удовлетворении личных потребностей граждан в передвижениях.
Мировая транспортная система состоит из нескольких региональных транспортных систем и имеет неоднородную структуру. Так, густота транспортной сети в большинстве развитых стран составляет 50—60 км на 100 км² территории, в то время как в развивающихся — 5 — 10 км. Участие различных видов транспорта в мировом обороте также не одинаково: в грузообороте преобладает морской транспорт, в пассажирообороте — автомобильный.
Рисунок 2.1- Участие различных видов транспорта в мировом обороте
Общая длина транспортной сети мира без морских путей превышает 37 млн км: протяжённость автомобильных дорог — 24 млн км, железнодорожных путей — 1,25 млн км, трубопроводов — 1,9 млн км, воздушных путей — 9,5 млн км, речных — 0,55 млн км. Длина транспортных сетей развитых стран составляет 78% общей длины мировой транспортной сети и на них приходится 74 % мирового грузооборота.
Таблица 2.1 - Характеристика транспортных сетей стран Европы
Показатель | Украина | Польша | Франция |
Общая площадь, тис. км2 | |||
Численность населения, млн чел. | 46,5 | ||
Общая протяженность автомобильных дорог, тис. км | 169,1 | ||
Плотность автомобильных дорог, км/км2 | 0,28 | 1,15 | 1,65 |
Мировая транспортная система сформировалась в XX веке.
Огромное значение для развития мировой транспортной системы имело изобретение контейнера, что повлекло за собой появление новых транспортных средств — контейнеровозов и строительство перегрузочных терминалов. Сегодня в контейнерах осуществляется свыше 90 % объёма перевозок штучного груза в мире.
На современном этапе мировая транспортная система характеризуется большой зависимостью от информационных технологий и развивается по следующим направлениям:
· увеличение пропускной способности транспортных путей,
· повышение безопасности движения,
· появление принципиально новых транспортных средств,
· увеличение вместимости и грузоподъёмности транспортных средств,
· увеличение скорости передвижения.
Автомобильный транспорт - это одна из самых весомых составляющих транспортной системы Украины.
Автотранспортом перевозится 22% грузов и 88% пассажиров.
В этой сфере работает более 1,5 млн. рабочих, потребляется 33% горючего.
Автомобильный парк Украины насчитывает более 7 млн. единиц автомобилей, из них - 15,5% грузовые автомобилей.
Таким образом, транспорт является одной из крупнейших системообразующих отраслей, имеющих тесные связи со всеми элементами экономики и социальной сферы. По мере дальнейшего развития страны, расширения ее внутренних и внешних транспортно-экономических связей, роста объемов производства и повышения уровня жизни населения значение транспорта и его роль как системообразующего фактора будут только возрастать.
Транспортная система в наиболее общем случае - это образующая связанное целое совокупность работников, транспортных средств и оборудования, элементов транспортной инфраструктуры и инфраструктуры субъектов перевозки, включая систему управления, направленная на эффективное перемещение грузов и пассажиров.
Инфраструктура - это физические компоненты транспортной системы, которые занимают фиксированное положение в пространстве и создают транспортную сеть, включающую связи (сегменты автомобильных и железных дорог, трубопроводов и т. п.) и узлы (пересечения сегментов дорог, терминалы различного назначения и т. д.).
Важной задачей инженера соответствующего профиля является обеспечение требуемой пропускной способности связей и узлов, их технологическое соответствие обслуживаемым потокам грузов и пассажиров для своевременного обеспечения потребностей экономики и населения.
Перемещение транспортных средств по транспортной сети образует транспортные потоки. Транспортные средства имеют широкий диапазон характеристик, которые необходимо учитывать при проектировании транспортных сетей. В зависимости от используемых транспортных средств, будь то велосипед или карьерный самосвал, трамвай или железнодорожный состав, будут меняться не только характеристики транспортного потока, но и требования к геометрическим и техническим параметрам транспортных сетей. В узлах транспортных сетей грузы и пассажиры, следующие до этого на транспортных средствах, перемещаясь на другие транспортные средства, склады и т. д., образуют самостоятельные потоки, которые также должны быть своевременно обслужены.
Система управления включает систему управления транспортными потоками и систему управления работой транспортных средств. Система управления работой транспортных средств определяется выбранной технологией перевозок и, как правило, является частью транспортной инфраструктуры. Из этой системы управления не следует выделять водителя, который непосредственно реализует целевые указания. В случае индивидуального транспорта водитель оказывается единственным субъектом этой системы управления. Присутствие водителя в системе управления определяет необходимость учета человеческого фактора. Система управления транспортными потоками выполняет необходимые действия по упорядочению движения транспортных средств и исключению конфликтов между ними. Эта система оперирует знаками, дорожной разметкой и сигналами в соответствии с определенными правилами.
Эффективность транспортной системы не может рассматриваться только в рамках достижения оптимальности выполнения соответствующих процессов внутри системы. Основными задачами транспортной системы являются удовлетворение потребности экономики в перевозке грузов и обеспечение мобильности населения. В связи с этим эффективность транспортной системы всегда будет определяться неким балансом между противоречивыми требованиями экономики и общества. Ярким примером является желание пассажира, чтобы транспорт подъехал к остановке, как только пассажир подошел к ней, и желание перевозчика установить такой интервал движения, чтобы транспортные средства всегда были заполнены полностью и приносили, максимальный доход. Таким образом, для построения эффективной транспортной системы необходимо познания в области транспорта сочетать с экономикой, градостроительством, географией, экологией, социологией и психологией.
Реальная транспортная система - это относительно ограниченные экономико-технические объекты, выполняющие определенные транспортные функции. Например: железнодорожный, водный, воздушный, городской транспорт. 2 признака выделения: - региональный; - место передвижения (вода, воздух, поверхность земли).Для приближения материала курса к специальности в дальнейшем, говоря о транспортных системах, будем, как правило, подразумевать автотранспортные системы. В автотранспортной системе в качестве транспортных средств используются автомобили. Классификация автотранспортных систем может быть выполнена по разным признакам. Относительно объекта перевозки они могут быть грузовые, пассажирские или грузопассажирские, относительно сферы применения - общего пользования или внутрипроизводственные и т. д. Классификация автотранспортных систем относительно уровня сложности приведена на рис. 2.2.
При выполнении автомобильных перевозок можно выделить несколько типичных вариантов организации транспортного процесса:
1) однократная или многократная перевозка груза одним автомобилем от одного и того же отправителя к одному и тому же потребителю (микросистема). Это простейший вариант организации транспортного процесса. При этом варианте обратный пробег от потребителя к отправителю автомобиль выполняет без груза. На различных комбинациях микросистем основаны все остальные варианты организации транспортного процесса;
2) однократная или многократная перевозка груза одним автомобилем от одного и того же отправителя к одному и тому же потребителю с доставкой груза в обратном направлении до отправителя или любого промежуточного пункта (особо малая система). Следует обратить внимание, что в этом случае вид и количество груза, перевозимого в прямом и обратном направлениях, как правило, различны;
3) организация транспортного процесса в первом или втором вариантах с использованием нескольких автомобилей, обслуживающих
отправителя или потребителя грузов (малая система с челночным движением автомобилей). Для этого варианта сложность и требования к организации транспортного процесса существенно выше, так как требуется увязка работы нескольких автомобилей, составление графиков загрузки погрузочно-разгрузочных пунктов и т. д.
Во всех трех рассмотренных вариантах автомобиль перемещается от пункта к пункту по одному и тому же маршруту в прямом и обратном направлениях (рис. 2.3, а);
4) однократная или многократная перевозка груза от нескольких отправителей к нескольким потребителям, при которой один или несколько автомобилей периодически возвращаются в пункт первой загрузки (малая система с кольцевым движением подвижного состава). При этом варианте автомобиль за один оборот делает несколько остановок у отправителей и потребителей грузов (рис. 2.3, б). Обязательным требованием к данному варианту организации транспортного процесса является необходимость составления графика движения подвижного состава. Это связано с тем, что длина оборота при кольцевом движении, как правило, существенно больше, чем при челночном;
развоз или сбор груза от одного отправителя или к одному потребителю (малая система с развозом или сбором груза). Схема перемещения автомобиля аналогична варианту 4, но за оборот происходит только одна загрузка автомобиля и постепенная его разгрузка в нескольких пунктах при развозе груза. Одновременно могут выполняться постепенная многократная загрузка и однократная разгрузка при сбор груза. Схема этого варианта организации транспортного процесса приведена на рис. 2.3, в;
6)обслуживание определенной производственной структуры (предприятие, склад, терминал и т. д.), что требует использования нескольких малых систем, работа которых будет подчинена одной цели -обслуживанию одного потребителя {средняя система). Пример данного варианта организации транспортного процесса представлен на рис. 2.3, г;
7) интегрированная транспортная система. Она может обслуживать несколько производственных структур или определенный географический регион (большая система). В данном случае процессы перемещения грузов будут происходить между несколькими производственными предприятиями, складами или терминалами со сбором или развозкой груза отправителям и потребителям. Пример данного варианта организации транспортного процесса представлен на рис. 2.3, д;
8) особо большая система. В ней для транспортного обслуживания задействованы несколько перевозчиков или операторов и могут использоваться несколько видов транспорта. В этом случае конкретный клиент может обслуживаться транспортными средствами различных владельцев.
С увеличением номера варианта организации транспортного процесса последовательно возрастает сложность согласования работы его субъектов. Одновременно увеличиваются число субъектов и значимость согласования работы этих субъектов в общей эффективности транспортного процесса.
В вариантах организации транспортного процесса, отображаемых на рис. 2.3, а, можно выделить три субъекта: грузоотправитель, грузополучатель и перевозчик. В большой системе (см. рис. 2.3, д) таких субъектов уже десятки. Невозможность согласования кем-либо из грузоотправителей, грузополучателей или перевозчиков всех элементов транспортного процесса в средних и главным образом больших системах вызывает появление дополнительных субъектов: экспедитора и оператора.
Приведенная на рис. 2.3 классификация позволяет, в частности, выявить наиболее заинтересованного в повышении эффективности функционирования системы субъекта - организатора той или иной транспортной системы. Очевидно, что организатором малых и средних систем будет в большей степени грузоотправитель, а больших -экспедитор или оператор.
Согласование интересов всех субъектов для достижения синергетического эффекта возможно при объединении транспортных систем различных уровней сложности, например средних и больших, в особо большие.
Транспортно-логистические системы (ЛС) охватывают не только процесс перевозки. Они в целом решают процесс доставки грузов или пассажиров независимо от используемых видов транспорта, но с учетом необходимых объемов, сроков и качественных показателей доставки. Таким образом, ЛС используют принципы построения многоуровневых систем, обеспечивающих возможность управления материальными потоками на различных уровнях операционного управления с выходом на единые критерии эффективности ЛС. При этом в ЛС существенное значение имеют информационные управляющие системы, так как только с их помощью можно обеспечить координацию управления в едином информационном пространстве множества субъектов. В целом предметную область Л С можно представить в виде обобщенной схемы, приведенной на рис. 2.4.
Специальные транспортные системы предназначены для решения конкретных задач, которые возникают при необходимости перевозки особых грузов или организации транспортного сообщения в особых условиях. Примерами таких систем могут быть контейнерная транспортная система, система доставки пассажиров в аэропорт и т. п.
Функциональная структура транспортной системы представлена на рис. 2.5. В общем случае на первом уровне выделяют производственную и управляющую системы. В производственной системе выделяются следующие подсистемы:
• технологическая — обеспечивает выполнение основных функций транспортной системы;
• обеспечивающая - выполняет функции, сопровождающие транспортные процессы;
• восстанавливающая — выполняет функции по поддержанию элементов системы в работоспособном состоянии.
Вспомогательная подсистема обеспечивает выполнение функций, связанных с общей работой системы (кадровая работа, учетные функции и т. п.).
В целом подсистемы обеспечивают выполнение процессов для достижения цели функционирования системы. Управляемость системы поддерживается за счет наличия обратных связей, передающих информацию о соответствии цели результатам выполнения процессов и функционирования подсистем.
Характерной особенностью функционирования транспортных систем является циклический характер их работы. Начальной точкой рабочего цикла транспортной системы является подача порожнего подвижного состава для выполнения перевозок. При перевозках грузов - это подача подвижного состава под погрузку, на пассажирских перевозках - выезд автобуса с конечного пункта на маршрут. В зависимости от технологии выполнения перевозок и организации движения в процессе транспортного цикла могут выполняться различные транспортные процессы, связанные с погрузкой или разгрузкой грузов, посадкой или высадкой пассажиров. Транспортный цикл заканчивается в момент прибытия порожнего подвижного состава для погрузки или в момент начала выполнения маршрута пассажирским автобусом.
В реальных условиях на выполнение транспортного цикла влияет существенное количество различных возмущающих воздействий, большинство из которых имеет случайный характер, поэтому основные характеристики транспортного цикла, например его продолжительность, как правило, весьма нестабильны. С целью их стабилизации необходимо предпринимать меры для снижения числа возмущающих воздействий. Это, например, организация выделенной полосы движения и приоритетного светофорного регулирования для городского общественного транспорта.
Совокупность элементов и связей, образующих транспортную систему, не является постоянной величиной, а зависит от объекта управления и других факторов. Обычно состав системы определяется позицией «наблюдателя» - обобщающее название исследователя, проектировщика, конструктора, лица, принимающего решения и других аналогичных субъектов, изучающих, создающих систему или управляющих ею. Например, для экспедитора объектом управления является процесс доставки груза, и, с его точки зрения, в транспортную систему войдут грузовладелец, перевозчик, график доставки и т. д.
С точки зрения перевозчика, заключившего с экспедитором договор на перевозки, в транспортную систему войдут водитель, транспортное средство, груз, средства технического обеспечения и т. д. Для перевозчика объектом управления является транспортное средство, поэтому все элементы предметной области, на которые он не может воздействовать, относятся к среде.
Сложность определения границ транспортной системы возрастает при увеличении степени ее взаимодействия с другими системами, например, в крупных городах. На рис. 2.6 схематично показано взаимодействие транспортной системы крупного города с другими системами. При решении определенных задач управления результат может быть достигнут только при комплексном рассмотрении нескольких систем и их постоянной координации. Так, транспортная система города не сможет успешно развиваться, если в план развития города не будут заложены соответствующие территориальные ресурсы. Сокращение среднего времени поездки пассажиров общественного транспорта невозможно без выделения полос для обособленного движения наземного транспорта, строительства транспортно-пересадочных узлов на станциях скоростного транспорта и т. п.
Таким образом, городская транспортная система может успешно функционировать только в условиях тесной координации с другими городскими системами. В реальности эта координация усложняется выбором критериев работы отдельных систем, которые слабо увязаны с результатами функционирования смежных систем.
Рассмотрим особенности транспортной системы как объекта управления. Элементы транспортной системы функционируют в рамках определенной организации транспортных процессов, которая предопределяет возможность движения в системе за счет установления в системе связей между ее элементами, определения правил и условий взаимодействия элементов при ее функционировании (например, ПДД при движении автомобилей, договора между участниками транспортного процесса и т. п.). Форма организации транспортных процессов определяется их содержанием: технологией и ролью тех или иных процессов в транспортной системе.
Наличие такого элемента транспортной сети, как люди, относит транспортную систему к разряду человеко-машинных, или организационных систем. Активный элемент системы - человек, он обладает способностью к целенаправленному поведению в быстро меняющейся ситуации, адаптации к новым условиям функционирования системы. Наличие в системе множества людей приводит к формированию коллективного поведения ее участников, которое складывается как результат достаточно независимого поведения отдельных индивидуумов, стремящихся к достижению собственных целей. Присутствие в объекте управления активных элементов приводит к формированию устойчивых режимов функционирования транспортной системы, поскольку всякое внешнее для объекта возмущение компенсируется на уровне индивидуальных решений субъектов системы.
Транспортная система является уникальным примером системы с коллективным поведением ее субъектов. В связи с этим коллективное поведение является мощным фактором, формирующим закономерности функционирования транспортной системы. Причем процессы самоорганизации приводят к образованию нескольких уровней устойчивого функционирования системы, образующих иерархическую структуру коллективной адаптации с различной временной стабильностью. В этом плане можно выделить три следующих структурных уровня:
• распределение мест формирования, обработки и потребления грузов, расселение населения;
• организацию транспортных процессов в сети;
• формирование транспортных потоков на участках сети.
На рис. 2.7 приведены соответствующие уровни временной стабильности и соответствующие им объекты управления транспортной системы.
В результате размещения мест приложения труда, жилых районов и объектов транспортного притяжения в городе устанавливаются определенные транспортные связи, которым соответствуют корреспонденции населения и грузов.
Корреспонденция - вещественный обмен, происходящий от элемента i к элементу у транспортной системы в полном цикле законченного процесса перемещения. Таким образом, корреспонденция характеризуется вектором, имеющим координаты начальной и конечной точек величину нагрузки в количестве пассажиров или объема груза. При наложении на транспортную сеть корреспонденция получает еще одну характеристику - протяженность.
Достаточно медленные изменения во времени размещения объектов предопределяют формирование устойчивых корреспонденции. Перераспределение корреспонденции происходит при смене мест работы и жительства, вводе в строй новых транспортных связей и объектов притяжения. Выбор той или иной корреспонденции происходит под действием разнообразных причин экономического и социального характера, важнейшими из которых является время и комфорт поездки. С другой стороны, высокая стабильность корреспонденции оказывает сильное влияние на пути развития транспортной системы.
Транспортные процессы организуют, чтобы установить функциональные связи для всех видов движения в системе. Вероятностный характер функционирования транспортной системы (заторы, простои и т. п.) приводит к необходимости адаптации участников движения, которая осуществляется за счет корректировки корреспонденции, внесения изменений в графики выполнения работ. Адаптация повышает надежность функционирования всех элементов системы, т. е. способствует живучести организации транспортных процессов.
Корреспонденции представляются на отрезках сети в форме грузовых, пассажирских, транспортных или пешеходных потоков. Экономическая деятельность приводит к образованию устойчивого движения потоков, которое характеризуется определенными вероятностными изменениями в виде закономерностей изменения грузопотоков, интенсивности движения и т. п. С увеличением загрузки элементов транспортной системы общие закономерности становятся более детерминированными, что является следствием большего влияния ограниченной пропускной способности на процессы адаптации. На каждом из выделенных уровней самоорганизации транспортная система характеризуется собственным набором существенных параметров, по которым происходит адаптация субъектов системы.
Описанная структура, разделяющая процессы адаптации по временной стабильности, оказывается весьма существенной при исследовании транспортных систем. Целесообразность такого разделения диктуется резким различием в инерционности процессов на разных уровнях.
Выделение некоторого множества параметров, с достаточной полнотой определяющих объект управления на каждом уровне, задает пространство состояний, в котором может пребывать система. Точка в пространстве состояний, заданная числовыми значениями своих параметров, определяет состояние системы.
С позиции управления рационально все пространство состояний разбить на определенные классы состояний системы, каждому из которых будет соответствовать определенный вид управления.
Множество состояний транспортной системы, когда спрос приближается к пропускной способности, есть область переходного, не устойчивого состояния системы. Если негативную тенденцию переломить не удалось, то система переходит в новое состояние - отказа функционирования. Особенностью процесса возникновения отказа функционирования системы является высокая скорость приближения к исчерпанию пропускной способности и длительность восстановления равновесия между спросом и производительностью, например, процесс возникновения заторов на дорожной сети, в пунктах погрузки-разгрузки и т. п.
Пространственная структура транспортных систем определяется транспортными сетями. Транспортной сетью называется совокупность транспортных связей, по которым осуществляются пассажирские и грузовые перевозки.
Классификация транспортных сетей может быть произведена по разным признакам. Классификация относительно используемых видов транспорта приведена на рис. 2.8. В соответствии с этой классификацией укрупненно транспортные сети можно разбить на три группы. По кратчайшим направлениям между пунктами перемещения могут перемещаться лишь немногие виды транспорта. Причем реальные пути их перемещения практически всегда отклоняются от прямолинейных вследствие необходимости обхода запретных районов, суверенных территорий, природных особенностей и т. п. Например, для воздушного транспорта в целях разумного ограничения пролета над иностранной территорией, облета воздушного пространства городов, повышения безопасности прокладываются воздушные коридоры, которые используются для прокладки различных маршрутов.
Естественные пути для перемещения являются наиболее древними транспортными сетями. Главным образом это реки и пригодные для перемещения внедорожных транспортных средств участки земной поверхности.
Основное количество грузов и пассажиров перемещается по дорогам. Дороги по особенностям перемещения делятся на рельсовые и безрельсовые. Из рельсовых дорог несколько особняком стоят монорельсовые дороги не только потому, что они используют один рельс, но и по причине особенностей привода используемых на них транспортных средств, расположения их над или под рельсом и т. п.
Среди безрельсовых дорог можно выделить транспортные сети с направляющим устройством (механическим или бесконтактным), которые получают в последнее время все большее распространение не только в пределах производственных помещений, но и для городского транспорта (например, системы типа Translohr, которые используют трамваи на обычных автомобильных колесах с одним направляющим рельсом).
Необходимо отметить, что транспортная сеть никогда не соответствует дорожной сети. В зависимости от габаритов и массы груза, параметров используемых транспортных средств транспортная сеть будет тем или иным фрагментом дорожной сети. Например, не по всем улицам города разрешено движение грузовых автомобилей, и в транспортной сети для них эти улицы будут исключены. Не все железнодорожные пути электрифицированы, причем на некоторых направлениях может использоваться постоянный, а на некоторых - переменный ток и т. д. Таким образом, можно сказать, что отдельные дуги транспортной сети специализируются на пропуске потоков отдельного вида, что приводит к формированию определенных структурных свойств сети.
При проведении исследований из транспортной сети выделяют подсеть, предназначенную для движения определенного вида транспорта. Например, при исследовании пассажирских перевозок в городе выделяют подсети скоростного транспорта, электрического транспорта, пешеходного движения и т. п.
Важнейшей особенностью транспортных сетей является то, что они в общем случае, кроме промышленного транспорта, не входят в транспортную систему, а являются для нее внешней средой. При этом транспортные сети во многом определяют количественные и качественные характеристики работы транспортных систем. В то же время, если мы рассматриваем вопросы, связанные с движением транспортных средств, то транспортные сети включаются в исследуемую транспортную систему.
Городскую транспортную сеть образует совокупность улиц и транспортных проездов, а также подземные, надземные или наземные транспортные линии, которые могут быть не связаны с уличной сетью, например линии метрополитена, эстакадные или обособленные участки трамвайных линий и т. п. Определяющей особенностью городских транспортных сетей является их неразрывная связь с обслуживаемым городом, характеристиками расселения, особенностью застройки, рельефом местности, климатическими особенностями и т. д. Тесная связь между характеристиками транспортной сети и обслуживаемого города определяет присущую городским транспортным сетям индивидуальность, которая влияет на организацию работы транспорта, условия его работы, эффективность и т. п. Это объясняет невозможность избежать индивидуального изучения и оптимизации транспортной сети для конкретного города.
Много особенностей транспортных сетей связано с историей их развития. В исторических городах характеристики транспортных сетей определялись совершенно другими требованиями и достались нам в наследство из предыдущих эпох. Естественно, не всегда есть возможность и рационально модернизировать их под современные требования.
Транспортные сети новых городов планируют так, чтобы создать наиболее эффективные транспортные связи между различными районами и внешним транспортом и обеспечить их пропускную способность на перспективу. В соответствии с этим Строительные Нормы и Правила (СНиП) предусматривают районирование городов и четкую классификацию транспортных связей по назначению и характеристикам.
Основные свойства транспортных сетей определяются их морфологическими характеристиками (характеристики формы и строения сети). Для определения морфологических характеристик транспортная сеть представляется в виде графа. Простые конфигурационные части сети называются структурными элементами, а сложные -структурными компонентами. Структурные элементы включают замкнутые контуры - циклы и линейные элементы - ветки. Структурные компоненты слагаются из этих элементов. В зависимости от наличия в сети структурных элементов сети делятся на три типа:
• древовидные, состоящие только из веток (рис. 2.9, а);
• циклические, включающие и циклы, и ветки (рис. 2.9, б);
• ячеистые, состоящие только из циклов (рис. 2.9, в).
Совокупность циклов, в которой у каждого цикла есть хотя бы
одно общее ребро с другим циклом, представляет собой циклический остов. Древовидная (незамкнутая) структурная компонента называется дендритом. Дендриты в зависимости от своего положения относительно циклических компонентов делятся на соединительные, внутренние и внешние. Вершина, общая для дендрита и циклического компонента, называется корнем дендрита. От корня ведется отсчет значений топологического радиуса дендрита и выделяются топологические ярусы разветвления.
Сложность сети характеризуется числом топологических ярусов -замкнутых колец циклов. Ярусы выделяются, начиная с внешней границы остова. Первый ярус выделяется путем кругового обхода всех циклов, примыкающих к внешней границе остова и имеющих хотя бы одну общую вершину с внешней границей. Совокупность циклов в этом внешнем кольце образует первый топологический ярус. Следующий ярус выделяется путем кругового обхода внутренней границы первого яруса и отнесением к нему тех циклов, которые имеют с этой границей хотя бы одну общую вершину.
Наибольшей надежностью отличаются сети с большим количеством циклов, так как в этом случае всегда имеется возможность использовать следующий элемент сети вместо элемента, вышедшего из строя.
Кардинальным методом повышения надежности транспортной сети является строительство участков для образования циклов.
Модель транспортной сети может быть представлена в виде графа. Граф - это фигура, состоящая из точек (вершин) и соединяющих их отрезков (звеньев). Вершины графа - это точки на сети, наиболее важные для определения расстояний или маршрутов движения. Звенья графа - это отрезки транспортной сети, характеризующие наличие дорожной связи между соседними вершинами. Звенья графа характеризуются числами, которые могут иметь различный физический смысл. Чаще всего это расстояние, но может использоваться, например, и время движения. Ориентированные по направлению звенья графа называются дугами. Фактически всякое неориентированное звено графа включает в себя две равноценные, но противоположно направленные дуги. В зависимости от того, все или часть звеньев имеют направление, граф является ориентированным или смешанным.
Граф, каждая вершина которого может быть соединена некоторой последовательностью звеньев с любой его другой вершиной, называется связанным графом. Иначе говоря, каждая вершина связанного графа должна иметь как минимум одну входящую и одну выходящую дугу. Граф, моделирующий транспортную сеть, обязательно должен быть связанным, чтобы всегда был путь из любой вершины в любую другую вершину. Числа, характеризующие звенья такого графа, обычно выражают протяженность пути, время или стоимость проезда.
Для моделирования транспортной сети необходимо иметь:
• картографический материал; обычно это карты крупного масштаба, так как они позволяют с большой точностью делать замеры расстояний между пунктами;
• сведения о размещении основных объектов транспортной системы и ее среды (в зависимости от решаемой задачи: грузообразующие и грузопоглощающие предприятия, жилые массивы, места приложения труда и т. п.);
• дополнительные сведения из коммунальных и дорожных организаций в виде перечня улиц с характеристикой их проезжей части;
• сведения по организации дорожного движения, т. е. схемы организации движения на перекрестках, площадях и транспортных развязках, а также сведения о различных ограничениях движения, связанных с установленными дорожными знаками.
Основной проблемой при моделировании транспортной сети является выбор уровня детализации. Здесь приходится искать компромисс между точностью и затратами на исследования. Вероятно, 100 %-ная точность будет обеспечена, если мы учтем индивидуально маршруты поездок всех пользователей в течение всех дней в году. В то же время очевидна излишняя детализация такого подхода, так как во многих случаях будут совпадать точки отправления (остановочные пункты, гаражи, склады), точки прибытия и маршруты следования. В аспекте времени тоже будет проявляться общность поведения пользователей. Для преодоления этих противоречий используется транспортное зонирование.
Транспортное зонирование - это способ агрегирования индивидуальных потребностей пользователей в использовании транспортной сети для целей моделирования. Транспортное зонирование имеет две взаимосвязанные характеристики: количество зон, описывающих сеть, и их размер. Чем больше зон, тем соответственно меньше размер транспортных зон, которыми будет описываться транспортная сеть. Как правило, для решения разных задач используется транспортное зонирование с различным количеством зон. При решении стратегических задач транспортного планирования используется меньшее количество зон, каждая зона покрывает достаточно большую площадь, например несколько жилых кварталов. При анализе конкретных транспортных проблем используют большое количество небольших по размеру зон для детализации ситуации на сети.
Участки транспортной сети, не относящиеся к изучаемому региону, делят на внешние транспортные зоны. Их необходимость определяется наличием внешних транспортных связей с изучаемым регионом. Размер внешней зоны принимают в зависимости от расположения в ней основных объектов тяготения для транспорта, выезжающего или въезжающего в изучаемый регион. Например, это может быть станция метро, вокзал, крупный терминал и т. п.
Изучаемый регион делится на внутренние транспортные зоны, размер и количество которых зависят от многих факторов. Например, для стратегических транспортных исследований Лондона его территория площадью 1700 км2 с населением 7,6 млн человек была разбита на 1 тыс. зон, а затем в процессе исследований они были объединены в 52 зоны (при исследовании перемещений на уровне 33 административных округов). При переходе на уровень исследования внутрирайонных связей на уровне города, наоборот, количество зон увеличилось до 2252 и в дальнейшем в свою очередь эти зоны делились на подзоны для детализации ситуации с дорожным движением.
Для удобства исследований зоны обычно разделяют на селитебные, в которых в основном проживает население, и промышленные, которые покрывают территории с производственными объектами.
Все атрибуты зоны условно привязывают к одной точке, которую называют центром зоны и которая не имеет физического аналога на местности. Центр зоны имеет с транспортной сетью условную связь, которая представляет средние затраты времени или среднее расстояние для прибывающих или выезжающих из зоны автомобилей (жителей) относительно узла транспортной сети, к которому эта условная связь «привязывает» центр зоны.
При выполнении транспортного зонирования следует придерживаться следующих правил:
1. Внутри зоны должна обеспечиваться транспортная и пешеходная доступность территории.
2. При начертании границ зон необходимо использовать естественные препятствия в виде рек, железных дорог и т. п. Если есть возможность, границы зон удобно совмещать с какими-либо административными границами, например границами муниципальных образований, выборных участков и т. д. Это облегчает использование статистической информации. Границы зон не могут проходить по автомобильным дорогам и проводятся по возможности перпендикулярно им.
3. Зона должна включать (по возможности) территорию одного назначения: жилую, промышленную, рекреационную и т. п.
4. Площадь зон, как правило, коррелирует со скоростью перемещения. Чем выше скорость, тем больше площадь зоны и наоборот.
Имея эти данные, моделирование транспортной сети начинают с размещения вершин графа. За вершины графа принимают объекты транспортной системы, центры крупных жилых кварталов или небольших обособленных жилых пунктов и пересечения улиц. Каждой вершине присваивается порядковый номер или другое условное обозначение. После размещения вершин их связывают дугами или звеньями, образуя направленный граф.
При построении модели транспортной сети особое внимание следует уделить максимально возможному уменьшению числа вершин. В противном случае транспортная сеть будет излишне сложна и определение кратчайших расстояний потребует длительного времени. С целью снижения размерности и ускорения расчетов для транспортных сетей больших городов используется микро- и макрорайонирование.
Микрорайонирование транспортной сети заключается в использовании в качестве вершин не пересечений дорожной сети (перекрестков), а центров транспортных микрорайонов.
Макрорайонирование (агрегирование) транспортной сети заключается в разбиении ее на отдельные подсети, расчеты по которым могут выполняться отдельно, а затем объединяться для получения общего результата. Этот способ особенно эффективен при пересчете расстояний из-за изменения дорожной обстановки, так как требуется пересчет только той подсети, в которой изменились транспортные связи.
Уровень обслуживания определенного района транспортной сетью характеризуется таким показателем, как плотность. Плотность транспортной сети определяют отношением ее протяженности к площади обслуживаемого района:
Если речь идет о пассажирском транспорте, то в качестве площади района берется только селитебная площадь (площадь жилой застройки).
Функционирование транспортной системы реализуется посредством выполнения транспортных процессов. Выполняя те или иные транспортные процессы, система достигает своей цели. При этом необходимо учитывать, что транспортные процессы всегда реализуются в рамках выделенных ресурсов и в системе ограничений, связанных с пропускной способностью транспортной сети, пропускной способностью транспортных узлов, мощностью перегрузочных устройств и пересадочных или остановочных пунктов, емкостью складов.
Транспортный процесс – это совокупность действий взаимоувязанных технических средств и живого труда, в результате которых происходит изменение пространственного состояния грузов и пассажиро в.
Транспортные процессы могут быть скалярными и векторными (потоковыми). Это зависит от того, изменяет ли данный процесс состояние системы. Естественно, в разных системах один и тот же процесс может присутствовать в двух формах. Например, в системе управления перевозками процесс укрупнения грузовой единицы на складе является скалярным, так как груз остается на складе, с точки зрения перевозочной системы груз находится в процессе подготовки к перевозке и никак не изменяет состояние системы. Процесс выполняется в скалярной форме. В системе управления складом процесс укрупнения грузовой единицы вызывает перемещение отдельных грузовых мест, изменяется количество груза в ячейках хранения или они вообще освобождаются - структура (состояние) системы меняется. Процесс выполняется в векторной форме.
Процессы в векторной форме (потоковые) имеют пространственно-временную информацию о перемещении материальных потоков. С точки зрения цели функционирования транспортной системы такие процессы имеют ключевое значение, однако на практике груз в процессе перемещения находится всего лишь 20 % от общего времени доставки. Остальное время занимают скалярные относительно перемещения груза процессы.
В качестве основных субъектов транспортной системы можно выделить грузоотправителя, грузополучателя, экспедитора, оператора и перевозчика. Транспортные процессы в транспортной системе на самом верхнем (наиболее общем) уровне представляются процессами планирования, управления, доставки, слежения (vehicle tracking) и трассирования (vehicle tracing) транспортных средств. Процессы верхнего уровня включают коллекции процессов, реализующих более детальные функции. Каждый субъект реализует определенный набор процессов, соответствующих цели его деятельности.
В качестве основных процессов, составляющих процесс доставки, можно выделить цепочку: отправка груза у отправителя - перевозка - перегрузка - перевозка - сдача груза получателю. Комбинируя транспортные и перегрузочные процессы, можно определить возможное количество цепочек поставок. Переходы между подпроцессами будут показывать точки перехода ответственности за груз.
Процесс доставки и процесс управления тесно связаны между собой и используют одни и те же компоненты. В то же время процесс управления доставкой грузов дополняет компоненты в управлении цепочкой поставок.
Процессы планирования, слежения и трассирования относятся к деятельности перевозчика или экспедитора и оператора, ответственного за функционирование всей цепочки поставок.
Материальные и информационные потоки делятся между двумя процессами. Материальный поток существует в пределах процесса доставки и перемещается по цепочке поставок от одного субъекта к другому. Информационный поток достигает субъектов транспортной системы в рамках процесса управления.
Процессы управления, планирования, слежения и трассирования являются иерархическими, так как распределяются между субъектами, ответственными за всю цепочку поставок, и субъектами, ответственными за выполнение отдельных операций и функций. Это деление помогает различить операторов, заинтересованных в оптимизации выполнения отдельных функций, и операторов, заинтересованных в оптимизации всей транспортной системы.
Целесообразно потоки данных разделять между процессами в соответствии с их семантикой (содержанием) на следующие группы:
• потоки данных с заказами и материалами контрактов на перевозки. Основной объем этих данных циркулирует вне пределов процессов по перевозке грузов;
• потоки данных с информацией о заказе транспортных средств;
• потоки данных с накладными (коносаментами) и грузовой сопроводительной документацией;
• потоки данных с управленческой информацией. Основной объем этих данных циркулирует внутри объектов или субъектов транспортной системы;
• потоки данных, относящихся к сопровождению транспортных средств и грузов;
• потоки данных с прочей информацией.
Иерархию процессов формируют подпроцессы. Подпроцесс самого нижнего уровня обеспечивает выполнение элементарного действия в рамках данного процесса. Подпроцессы верхних уровней содержат коллекцию подпроцессов нижнего уровня. Таким образом, процесс - это группа подпроцессов, образующая единую логическую сущность. Каждый процесс имеет начальную и конечную точки, а также входной и выходной потоки. Компонент процесса - это общее условие выполнения процесса или подпроцесса.
Количественно выполнение транспортных процессов характеризуется соответствующими измерителями. Основные из них:
• транспортная масса - объем перевозок в тоннах или количество перевезенных пассажиров Q;
• транспортный путь - фактическое расстояние перевозки L, км;
• транспортное время - промежуток времени Т, необходимый для выполнения перевозки. Может измеряться в минутах, часах или сутках.
Тема 3.
Порядок исследования транспортных систем
1. Выбор цели функционирования и формирования критерия эффективности системы.
2. Формирование границ системы.
Общие положения системного подхода и системного анализа транспортных систем позволили сформировать достаточно четкий порядок исследования или принятия управленческих решений при рассмотрении транспортных объектов.
Выполнение этих этапов позволяет в значительной степени формализовать процесс исследования транспортных объектов.
В данном разделе мы будем знакомится лишь с основными аспектами выполнения каждого из этапа. Более подробно особенности выполнения некоторых этапов будут рассмотрены в следующих разделах курса.
1-й этап. Определение цели функционирования системы и формирование критерия эффективности системы.
2-й этап. Определение границ системы (пределы региона, расстояние, объект перевозок).
3-й этап. Определение структуры внешней среды и характера взаимоотношений с исследуемой системой.
4-й этап. Изучение внутренней структуры транспортной системы и определение составляющих ее элементов.
5-й этап. Нахождения зависимостей, характеризующих взаимосвязи между элементами, если их поведение известно, и изучение поведения системы путем дальнейшей ее структуризации, если оно неизвестно.
6-й этап. Создание математической (физической) модели поведения системы.
7-й этап. Поиск с помощью полученной модели оптимального (заданного) состояния системы.
8-й этап. Выработка управляющих решений, направленных на достижение оптимального состояния системы.
Постановка цели функционирования транспортной системы является отправной точкой для проектирования процесса управления и определяет критерии функционирования объекта. При отсутствии определенной заранее цели, проектирование процесса управления не имеет смысла.
Важность правильного выполнения этого неоспорима. В тоже время он является одним из наиболее сложных, поскольку не является до конца формализованным и требует для своего выполнения определенных творческих усилий и навыков. Чаще всего здесь выделяются два вопроса – вербальное описание цели как общего направления исследования и формализация цели, т.е. представление в виде критерия эффективности
В концепции «управления по целям» (objective management Управление по целям (англ. Management by Objectives, MBO) - это процесс согласования целей внутри организации, таким образом, что руководство компании и сотрудники разделяют цели и понимают, что они означают для организации.) для достижения эффективности при постановке цель проверяется по критериям акронима SMART:
· Specific — конкретная, определённая. Цель «быстро доставить пассажира в пункт назначения» не является чёткой, альтернативой будет «доставить пассажира в пункт назначения не более чем за 20 мин.».
· Measurable — измеримая. Цель должна подразумевать количественную измеримость результата.
· Achievable — достижимая. Цель должна быть выполнимой для конкретного исполнителя.
· Relevant — соответствующая контексту. Достижение цели должно быть обеспечено ресурсами.
· Timed/Time-bounded — Привязанная к точке/интервалу времени. С указанием сроков исполнения.