КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-79-00301

НазваниеРазработка моделей и алгоритмов решения нового класса нестационарных транспортно-логистических задач своевременной, высокоскоростной и безопасной доставки попутных грузов с использованием взаимосвязанной системы багажных отсеков разнотипных транспортных средств с ситуационно изменяющимися массогабаритными характеристиками

РуководительЗахаров Валерий Вячеславович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2024

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-602 - Моделирование технических систем

Ключевые словаКомплексное упреждающее моделирование, проактивное управление ,наземно-авиационной транспортно-логистической системы, транспортно-логистические системы, системно-кибернетический подход, информационные технологии, метод маршрутизации попутных грузов, багажные отсеки

Код ГРНТИ50.49.31

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Главными проблемами грузовых авиаперевозок в Российской Федерации являются: дезинтеграция участников доставки грузов вследствие отсутствия методов логистики (длительная доставка груза); малоэффективная загрузка багажных отсеков воздушных судов (высокая стоимость доставки груза); высокие риски невыполнения заказа (потеря груза, порча груза – причинение ущерба грузополучателю). При этом по данным Росавиации большая часть грузовых воздушных судов изношена на 80%. Основной объем грузовых авиаперевозок около 60% перевозится на грузовых воздушных судах, остальной - около 40% в грузовых отсеках пассажирских воздушных судов. Для повышения эффективности существующих технологий авиаперевозок в грузовых отсеках пассажирских воздушных судов в рамках проекта планируется: разработка методологии (концепции, принципов, подходов), методического обеспечения (моделей, методов, алгоритмов), прототипа программного модуля решения принципиально нового класса нестационарных транспортно-логистических задач своевременной, безопасной, высокоскоростной доставки, обработки и заполнения попутными грузами взаимосвязанной системы багажных отсеков разнотипных транспортных средств (наземных и воздушных), входящих в состав наземно-авиационной транспортно-логистической системы (НАТЛС) и имеющих ситуационно изменяющиеся массогабаритные характеристики. Анализ показывает, что решение данного класса задач предполагает синтез программ управления материальными и информационными процессами и потоками в рассматриваемой наземно-авиационной транспортно-логистической системе. С формальной точки зрения данный класс задач относится к многокритериальным задачам теории расписаний большой размерности, с нестационарным неоднородным входным потоком заявок (грузов), разнотипными обслуживающими приборами (транспортными средствами), с запретами на прерывание выполняемых частично-упорядоченных работ, а также с учетом специальных пространственно-временных, технических, технологических, организационных транспортно-логистических ограничений. В настоящее время на практике в большинстве случаев данные задачи решаются вручную, что приводит к выработке и реализации неоптимальных и несвоевременных управленческих решений. Анализ показывает, что использование традиционных подходов к автоматизации решения указанных задач, основанных на существующих методах, используемых в современной теории расписаний, приводит к существенным временным вычислительным затратам, вызванным большой размерностью и комбинаторным характером исследуемых транспортно-логистических процессов. Поэтому в проекте будет предложена новая системно-кибернетической интерпретация процессов функционирования НАТЛС, на основе которой будут построены оригинальные аналитико-имитационные логико-динамические модели управления движением, каналами, потоками, ресурсами, параметрами целевых, обеспечивающих и вспомогательных операций и структурами, входящими в исследуемую систему. Главное достоинство разрабатываемого полимодельного комплекса будет состоять в том, что с его помощью можно будет с единых методологических и методических позиций описать все основные функции управления материальными и информационными процессами в НАТЛС, обеспечив, тем самым, бесшовное их взаимодействие, что особенного важно при проведении комплексной автоматизации данных функций. В проекте планируется доказать, что при решении поставленных задач синтеза комплексных программ (планов) управления целесообразно использовать необходимые условия оптимальности, полученные на основе метода локальных сечений Болтянского В.Г. В этом случае, в отличие от ранее существовавших подходов, можно будет еще до процедуры оптимизации найти в явном виде множители Лагранжа, с помощью которых учитываются основные технические и технологические ограничения в моделях синтеза программ управления. В указанной ситуации, используя разработанные в проекте методы и алгоритмы, можно будет исходные задачи синтеза комплексных программ управления материальными и информационными процессами в НАТЛС, имеющие по своей «природе» сугубо дискретно-событийный характер, преобразовать в задачи неклассического вариационного исчисления, которые, в свою очередь, с помощью принципа максимума Понтрягина Л.С. можно будет свести к нелинейной краевой задаче. Другими словами, в проекте будет предложен новый подход по преобразованию (редукции) задач выбора в дискретных пространствах к задачам выбора в конечномерных пространствах (провести динамическую декомпозицию исходных задач синтеза), что существенно упрощает в дальнейшем процедуры поиска оптимальных решений, по сравнению с традиционными подходами, используемыми при решении такого рода задач. Важно отметить, что в проекте будут разработаны комбинированные методы и алгоритмы, позволяющие не только решать непосредственно задачи синтеза программ управления материальными и информационными процессами в НАТЛС, но и, во-первых, проводить анализ возможностей получения такого решения на основе построения и аппроксимации областей достижимости обобщенных динамических систем в пространстве их системотехнических параметров, во-вторых, оценивать робастность и устойчивость синтезированных управляющих воздействий по отношению к стохастическим и интервально заданным возмущающим воздействиям. В проекте будут разработаны алгоритмы, позволяющие вычислять динамические приоритеты выполняемых в НАТЛС целевых, обеспечивающих и вспомогательных операций, определяющих возможные варианты технологии доставки, обработки и заполнения попутными грузами взаимосвязанной системы багажных отсеков разнотипных транспортных средств (наземных и воздушных) с ситуационно изменяющимися массогабаритными характеристиками. Указанные динамические приоритеты существенно отличаются от приоритетов, вычисляемых стандартными методами теории расписаний тем, что в них дополнительно в явном виде учитываются не только синтезируемая структура технологии управления перечисленными транспортно-логистическими операциями, но и параметры, используемые в моделях программного управления каналами, потоками, ресурсами, движением, структурной динамикой НАТЛС, в моделях ликвидации прерываний операций, отношения предпочтения, задаваемые соответствующими показателями качества управления.

Ожидаемые результаты
Результат №1 Полимодельное логико-динамического описания и постановка задачи проактиного планирования интермодальных перевозок попутных грузов в НАТЛС как задачи программного управления динамическими объектами со смешанными ограничениями Результат №1. Позволяет. Разрабатываемый полимодельный комплекс позволит перейти от изолированного описания подсистем НАТЛС к их представлению как целостной самодостаточной системы, состоящей из совокупность совместно действующих, находящихся в определенных отношениях друг с другом элементов (подсистемами) и образующих функциональное целостное единство в материальном и информационном пространстве. Это означает, что будет учтено системное взаимодействие внутренних, внешних и естественных связей, что в дальнейшем приведёт к возникновению синергетического эффекта от согласования и скоординированного использования логико-динамических подхода к комплексному моделированию материальных и информационных процессов в НАТЛС. Другими словами, разрабатываемый полимодельный комплекс позволит выполнить корректную интегративно-управленческую интерпретацию взаимосвязанных материальных и информационных операций в целях повышения функциональной устойчивости синтезируемых управляющих воздействий. Результат №1. Отличия. Результаты научного проекта будут отличаться отсутствием методические ошибки в результатах решения задач проактивного планирования интермодальных перевозок в НАТЛС по сравнению с традиционными подходами. В настоящее время в рамках традиционных подходов, разрабатываемых в исследовании операций и комбинаторике, проводится независимое решение задач синтеза программ функционирования НАТЛС на основе той или иной эвристической декомпозиции. Предлагаемый в проекте переход к новому модельному обеспечению создаст реальный фундамент для перехода к принципам комплексного моделирования и практического использования фундаментальных результатов, полученных в современной теории проактивного управления структурной динамикой сложных организационно-технических объектов (СОТО) для решения задач планирования в НАТЛС. Другими словами, на единой модельно-алгоритмической основе будут формализованы и решены задачи синтеза упреждающих скоординированных программ управлениями взаимосвязанными гетерогенными операциями на материальном и информационном уровнях. Более того, данный результат в дальнейшем откроет возможность проведения оценивания функциональной устойчивости планов, что не удавалось сделать ранее в рамках традиционных подходов, о которых говорилось ранее. Результат №1. Научная значимость. Научная значимость состоит в разработке взаимосвязанного комплекса аналитико-имитационных моделей, используемого для автоматизации решения принципиально нового класса задач теории расписаний большой размерности в условиях нестационарного входного потока, а также многокритериального оценивания соответствующих результатов. Важно отметить, что своей глубинной сути с формальной точки зрения они также позволяют описать более общий класс задач многокритериального динамического структурно-функционального синтеза СОТО, которыми являются НАТЛС. При этом заметим, что планируемые результаты объективно внесут конструктивный вклад в реализацию на практике системно-кибернетического подхода к управлению НАТЛС. Результат №1. Общественная значимость. Развитие прикладных подходов интермодальных перевозок НАТЛС на основе отечественного модельно-алгоритмического и программно-математического обеспечения систем в условиях настоящего времени обеспечит возможность не только повысить транспортно-логистическую связность регионов Российском Федерации, и но и реализовать эффективный ответа российского общества на большие практические вызовы с учетом взаимодействия человека и природы, человека и технологий на современном этапе глобального развития, которые связано на практике с широким внедрением информационных технологий и наличием различных внутренних и внешних возмущающих воздействий. Результат №1. Мировой уровень исследований. Мировой уровень исследований подтверждается соответствием заявленной цели проекта основным направлениям развития современных систем управления НАТЛС. Результат №1. Возможность практического использования. Практическая значимость состоит в том, что полученные результаты будут использованы для разработки новых технологий повышения оперативности функционально-устойчивого проактивного планирования интермодальных перевозок попутных грузов в НАТЛС на материальном и информационном уровнях, равно как и их обоснованности, что в дальнейшем станет основой для повышения их производительности. Результат №2. Комбинированный алгоритм и методика решения задачи планирования интермодальных перевозок попутных грузов в НАТЛС, построенные на основе использования методов теории оптимального управления и многокритериального оценивания. Результат №2. Позволяет. Предлагаемые в проекте новые комбинированный алгоритм и методика проактивного планирования интермодальных перевозок попутных грузов в НАТЛС позволит свести исходную большеразмерную дискретно-событийную нестационарную задачу теории расписаний и многокритериального оценивания полученных планов с помощью метода локальных сечений Болтянского В.Г. преобразовать в множество взаимосвязанных динамических двухточечнных краевых задач ГОРАЗДО меньшей размерности, которые можно решать эффективными методами математического программирования в заданные моменты времени, а также провести анализ их робастности и устойчивости. Результат №2. Отличается. Результаты научного проекта будут отличаться как согласованностью решения совместных многокритериальных решений задач синтеза комплексных планов проактивного управления материальными и информационными операциями в НАТЛС, так и опорой на принципы системно-кибернетического и сервис-ориентированного подходов. В свою очередь это позволит выполнить нелинейное преобразование исходных технических и технологических ограничений, описывающих исследуемую предметную область, и оставаясь в классе кусочно-непрерывных управляющих воздействий, получать во времени их целочисленные значения, определяющие конкретный оптимальный порядок выполнения разномасштабных взаимосвязанных операций и распределения разнотипных ресурсов (материальных и информационных) в НАТЛС в процессе ее функционирования При этом в отличие от существующих подходов, основанных на тех или иных методиках прямого эвристического назначения весовых коэффициентов в свертке частных показателей качества, в рамках проекта будет разработана методика, на основе которой удастся данные коэффициенты сформировать автоматически на основе предварительной обработки и анализа знаний экспертов об исследуемой предметной области, задаваемых в нечетко-продукционном виде и обрабатываемых методами теории планирования экспериментов, а также путем соответствующих дополнительных преобразований разработанных логико-динамических моделей проактивного планирования Результат №2. Научная значимость. Разработанные по результатам проекта методика и комбинированный алгоритм проактивного планирования интермодальных перевозок попутных грузов в НАТЛС, построенные на основе использования методов теории оптимального управления и многокритериального оценивания, расширят теоретический базис, связанный, во-первых, с конструктивной интеграцией, экспертных знаний в оптимизационные математические модели, во-вторых, с оцениванием функциональной устойчивости проактивных планов своевременной, высокоскоростной и безопасной доставки попутных грузов с использованием взаимосвязанной системы багажных отсеков разнотипных транспортных средств с ситуационно изменяющимися массогабаритными характеристиками, в т.ч. на основе применения сервис-ориентированного и системно-кибернетического подходов. Результат №2. Общественная значимость. Для тех многочисленных организационно-технических задач, рассматриваемых в представленном проекте, которые до последнего времени на практике решались эвристически, будет разработано модельно алгоритмическое обеспечение, позволяющее каждый раз при принятии решений оценивать их эффективность с точки зрения соответствующих эталонных решений, полученных в рамках современной прикладной теории проактивного управления структурной динамикой СОТО. Данное модельно-алгоритмическое обеспечение станет опорой для формирования научно-технического задела, который будет иметь долгосрочные перспективы для обеспечения функциональной устойчивости отечественных НАТЛС, что имеет беспрецедентную важность в современных условиях. Результат №2. Мировой уровень исследований. Полученные в рамках гранта результаты будут соответствовать мировому уровню, т.к. на модельно-алгоритмическом уровне до текущего момента не удавалось использовать сервисы и системно-кибернетические принципы при формальном логико-динамическом описании задач проактивного планирования интермодальных перевозок в НАТЛС на материальном и информационном уровнях. Результат №2. Возможность практического использования. Практическая значимость состоит в том, что полученные результаты возможно использовать для повышения оперативности, обоснованности, функциональной-устойчивости планирования интермодальных перевозок попутных грузов НАТЛС. Помимо этого, синтезируемые программы управления (планы) будет зависеть от различных характеристик, решаемых стратегических и оперативных задач. Описание подобных связей с помощью существующего методического и методологического обеспечения ранее было невозможно. Результат №3 Прототип экспериментального программного модуля планирования интермодальных перевозок попутных грузов в наземно-авиационной транспортно-логистической системе, базирующего на сервис и событийно-ориентированной архитектуре. Результат №3. Позволяет. Модуль сделает возможным оперативный синтез функционально-устойчивых программ перевозок интермодальных перевозок попутных грузов в НАТЛС на материальном и информационном уровнях на базе разработанных ранее оригинальных алгоритма и методики проактивного планирования. Результат №3. Отличается. Будет предложен новый способ формального логико-динамического описания процессов функционирования НАТЛС в сущностях нотации и моделях бизнес-процессов (BPMN, Business Process Model and Notation), предполагающий использование только стандартных механизмов её расширения. Результат №3. Научная значимость. Существующий стандарт BPMN (Business Process Model and Notation, нотация и модель бизнес-процессов) будет расширен новыми сущностями, соответствующими предложенным в проекте вариантам формального логико-динамического описания процессов функционирования НАТЛС на материальном и информационных уровнях. Значимость результата №3 подтверждается тем, что до настоящего момента времени не были предложено программного-математическое обеспечение, а также средства его конструктивного согласования. Результат №3. Общественная значимость. Развитие подходов к реализации программно-математического обеспечения проактивного планирования интермодальных перевозок в НАТЛС позволит повысить качество планирования в существующих и перспективных системах. Это в дальнейшем приведет к снижение удельных логистических издержек в стоимости товаров народного потребления, которые сегодня составляют до 20% от ВВП Российской Федерации. Результат №3. Мировой уровень исследований. В проекте на программном уровне будет реализовано принципиально новое модельно-алгоритмическое обеспечение решения задач проактивного планирования интермодальных перевозок попутных грузов в НАТЛС на материальном и информационном уровнях. Данный процесс будет автоматизирован. Аналогов в мире к настоящему времени в мире нет. Результат №3. Возможность практического использования. Предлагаемая в рамках проекта модельно-алгоритмическом и программная декомпозиции обеспечивают возможность беспрепятственной работы пользователей различных уровней – от технологов и аналитиков до технических специалистов и разработчиков с разрабатываемым вариантом экспериментально программного модуля синтеза функционально-устойчивых планов интермодальных перевозок попутных грузов в НАТЛС. Результат №4. Результаты решения и исследования конкретных прикладных транспортно-логистических задач и получение новых результатов и эффектов. Результат №4. Позволяет. Предполагается, что реализованные в виде соответствующего прототипа программного модуля решения позволят повысить показатели оперативности и достоверности решения задач проактивного функционального-устойчивого планирования, многокритериального оценивания, комплексного анализа, равно как и выработки соответствующих рекомендаций, обеспечивающих повышение качества принимаемых управленческих решений в различных условиях обстановки. Результат №4. Отличается. Рекомендации, полученные по результатам применения разработанного модуля для решения прикладных задач проактивного планирования, высокоскоростной и безопасной доставки попутных грузов с использованием взаимосвязанной системы багажных отсеков разнотипных транспортных средств с ситуационно изменяющимися массогабаритными характеристиками, будут носить ярко выраженный прикладной характер. На практике будут согласованы транспортно-логистические потоки, которые исполняются судами гражданской и транспортной авиации в реальном масштабе времени, а также выявлены взаимосвязи между материальными и информационными потоками, что не удавалось сделать ранее. Результат №4. Научная значимость. В рамках проекта буду найдены условия использования на практике разработанного модельно-алгоритмического и экспериментального программного модуля решения перечисленных синтеза функционально устойчивых проакивных планов своевременной, высокоскоростной и безопасной доставки попутных грузов с использованием взаимосвязанной системы багажных отсеков разнотипных транспортных средств с ситуационно изменяющимися массогабаритными характеристиками в НАТЛС. Результаты выявят и научно обоснуют наиболее эффективные пути функционирования и развития существующих и перспективных НАТЛС. Дополнительно будут определены перспективы дальнейших исследований. Результат №4. Общественная значимость. Выявленные закономерности как результаты применения разработанного экспериментального программного модуля внесут заметный вклад в решение проблемы поиска путей эффективного ответа российского общества на большие вызовы с учетом взаимодействия человека и природы, человека и технологий, а также повысит связность субъектов Российской Федерации. Разработка и внедрение отечественного программного продукта на практике создаст новые возможности по реализации структурно-функционального и транспортно-логистического потенциала национальных НАТЛС. Результат №4. Мировой уровень исследований. Следует заметить, что до последнего времени вопросы применения судов гражданской авиации для осуществления интермодальных перевозок НАТЛС на заявленном в проекте уровне не рассматривались, т.к. существующие подходы оптимизационные модели планирования сталкивались с задачами преодоления большой размерности, нелинейности, нестационарности, многокритериальности. В то же время опора на научно-технические подходы, представленные отечественными и зарубежными научными школами, обеспечат создание качественно новых результатов, которые не удавалось достичь ранее. Результат №4. Возможность практического использования. Практическая значимость состоит в разработке рекомендаций по совершенствованию методов планирования функционирования существующих и перспективных НАТЛС на макро, мезо и микроуровнях материальных и информационных потоков, а также разработке соответствующего экспериментального программного модуля, который в дальнейшем может быть использован в различных предметных областях. Результатами решения различных прикладных задач станет повышение: скорости обработки и доставки грузов получателям, повышение экономической эффективности деятельности организаций-участников интермодальных перевозок попутных грузов в НАТЛС за счет использования новых информационных технологий; уровня интеграции и устойчивости функционирования участников транспортно-логистической системы, в частности проактивного планирования и перепланирования в режиме реального времени, что ранее на практическом уровне реализовано не было. Дополнительным огромным преимуществом получаемых результатов в части проактивного планирования интермодальных перевозок попутных грузов в НАТЛС и управления ресурсами будет являться: • планирование ресурсов при обработке рейсов; • назначение ресурсов на выполнение работ; • анализ плана работ на предмет наличия узких мест. Первое достоинство предлагаемого в проекте комплексного решения вышеперечисленных задач будет заключаться в опоре на фундаментальные и прикладные результаты, полученные к настоящему моменту времени в междисциплинарной отрасли системных знаний, что обеспечит их полноту, замкнутость и непротиворечивость. Второе достоинство предложенного комбинированного подхода состоит в том, что как при итеративном поиске параметров управления с использованием стохастических моделей и методов глобальной оптимизации, так и при формировании собственно плана функционирования НАТЛС с учётом факторов неопределённости, будет обеспечена монотонная сходимость итеративных процессов за счёт интерактивной гибкой настройки программного обеспечения, реализующего разработанные методы на ЭВМ, на основе использования заранее введённой параметрической и структурной избыточности в соответствующие численные алгоритмы оптимизации. Резюмируя все сказанное выше, значимость результатов проекта будет заключаться в разработке и широкой практической реализации комбинированного подхода к решению задач многокритериального функционально-устойчивого проактивного планирования своевременной, высокоскоростной и безопасной доставки попутных грузов с использованием взаимосвязанной системы багажных отсеков разнотипных транспортных средств с ситуационно изменяющимися массогабаритными характеристиками в НАТЛС при конструктивной опоре на современную теорию проактивного управления структурной динамикой СОТО, что позволит учесть многоцелевой аспект их применения на микро, мезо и макроуровнях, как на материальном, так и информационных стратах, что не удавалось сделать ранее.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---