Имитационная модель угольного балкерного терминала

Обзор

Ванинский балкерный терминал «Дальтрансуголь» расположен в глубоководной бухте Мучке. Это важнейший перевалочный пункт на пути к рынкам Азиатско-Тихоокеанского региона. Он находится в крайней точке Байкало-Амурской магистрали. Это один из самых новых и современных угольных терминалов в России.

Терминал оснащен автоматизированной системой разгрузки вагонов и угольным складом объемом до 1,2 млн тонн. Текущий пирс способен принимать и обрабатывать суда типа Сapesize. По итогам 2020 года грузооборот составил 23 млн тонн угля. Длина автоматизированной конвейерной сети — более 4 км. Протяженность железнодорожных путей необщего пользования — более 50 км.

Проблема

Для Ванинского балкерного терминала требовалось увеличить мощность перевалки до 40 млн. тонн угля в год. Cпециалисты IT-компании «Дилибриум» провели исследование терминала «Дальтрансуголь».

Они уточнили параметры сквозного технологического процесса, произвели натурные замеры отдельных технологических операций, провели интервью с разными специалистами и службами терминала, собрали и проанализировали исторические данные о работе терминала, в результате чего нашли статистические закономерности. Впоследствии инженеры использовали их для построения модели.

В модели точкой входа было прибытие груженых вагонов в парк приема терминала. Точкой выхода — отправка порожних вагонов из парка сортировки терминала и отход погруженных судов из акватории.

Моделируемые процессы включали:

• формирование заявок на поставку грузов на терминал по железной дороге и заявок на отгрузку угля балкерами;
• движение поездов у прилегающей станции и внутреннюю логистику грузовых перевозок: прибытие, сортировку, распиловку/разморозку груза, подачу на разгрузку;
• разгрузку вагонов посредством автоматической системы вагоноопрокидывателей с учетом особенностей процесса в разное время года и погодный условий;
• транспортировку грузов по конвейерной сети, особенно в части моделирования работы виртуального диспетчера для разметки склада под выгрузку угля и построение маршрутов, в которых учитывались приоритет грузов, марки угля, время года, погода, загруженность и степень наработки основного технологического оборудования;
• погрузку угля на суда с учетов их дедвейтов и ограничений отдельных причалов по приему судов; приоритетов очереди, а также типов судов, для которых погрузка должна идти с разным контролем качества и скоростью и т.д.;
• движение порожних вагонов по внутренней железнодорожной сети, включая сортировку, отбраковку вагонов и отправку их на ремонт, формирование составов на отправку по железной дороге.

Решение

Для решения поставленной задачи «Дилибриум» использовала моделирование в среде AnyLogic. Процесс разработки имитационной модели включал следующие этапы:

1. Проектирование модели

На этом этапе специалисты «Дилибриум» обобщили информацию об объекте моделирования и сформировали документ-концепцию имитационной модели, в котором уточнили цели и задачи моделирования; определили границы моделирования; структуру и технико-технологическую архитектуру имитационной модели. Кроме того, они описали основной набор возможностей, которые реализует имитационная модель и результаты моделирования.

2. Разработка модели «как есть» (AS IS)

Разработчики модели решили в первую очередь разработать имитационную модель терминала в существующей схеме развития «как есть». На построенной детализированной модели нужно было установить точные значения параметров отдельных агентов и алгоритмов, чтобы верифицировать модель в соответствии с историческими данными. В результате верификации имитационной модели терминала удалось достигнуть высокой достоверности в сравнении с историческими данными за 2019-2020 гг.

Такой результат стал возможен благодаря высокой степени детализации технологических процессов в имитационной модели.

Для моделирования технологических процессов и изменения состояния или поведения объектов модели были применены следующие подходы:

• метод агентного моделирования для реализации поведения отдельных агентов;
• метод дискретно-событийного моделирования для моделирования технологических процессов работы терминала.

3. Доработка модели сценариями «как должно быть» (TO BE)

Для проверки гипотез по расчету максимальной пропускной способности терминала к верифицированной имитационной модели «как есть» с отлаженными процессами и параметрами разработчики провели несколько экспериментов. Они изменяли пространственное планирование терминала, обновляли расстановку и добавляли новые типы основного технологического оборудования. Инженеры реализовали в модели 5 различных вариантов конфигурации складов и наборов основного технологического оборудования, соответствующих различным вариантам перспективного развития терминала.

С помощью Железнодорожной библиотеки AnyLogic была смоделирована вся внутренняя ж/д логистика с достаточно обширной системой путей и технологических процессов. Конвейерная сеть была разработана на базе Библиотеки моделирования потоков. Дополнительные технологические процессы были смоделированы с помощью программного кода на языке Java.



Моделирование внутренней логистики (нажмите, чтобы увеличить)

Помимо моделирования железнодорожной и конвейерной логистики стояла сложная задача разработать алгоритм маршрутизации груза с учетом планирования склада. Он выполнял функцию временного хранения, если были невозможны прямые маршруты с вагонов на судно. Для выбора и построения маршрута необходимо было учитывать большое количество взаимосвязанных условий и параметров, а именно:

• выбранный перед моделированием этап модернизации;
• погодные условия (моделировались как по историческим данным, так и с задаваемыми коэффициентами отклонений);
• сезон (время года);
• доступность каждого ключевого узла (более 80 ед. оборудования): занятость на линии, поломка;
• текущий заказ от диспетчера на выгрузку или погрузку;
• объем и марки груза в вагонах на терминале и на подходе;
• объем и марки груза на складе;
• текущую разметку находящегося на складе угля, в определенных штабелях;
• приоритет операции (выгрузка/погрузка);
• дедвейт балкера в очереди на погрузку.



Алгоритм, разработанный с помощью диаграммы состояний в AnyLogic (нажмите, чтобы увеличить)

Период моделирования учитывал полный календарный год, включая сезонность и погодные условия. В течение данного периода собирались операционные данные в режиме виртуального времени и статистика в разрезе год/месяц/сутки для всех основных процессов и единиц оборудования. По окончании моделирования выходные данные выгружались в отдельный файл Excel для дальнейшего анализа результатов проведенных экспериментов.

В модели учитывалась cтохастичность. Например, случайные отклонения от статистических данных по поломкам, погодным условиям, или коэффициент ошибок. Также несостыковки при подаче на терминал поездов и судов по причине человеческого фактора, внеплановых изменений в расписании РЖД или изменений со стороны заказчика груза. Условно на пирс могло прийти судно, для которого не весь объем нужных марок угля находился на складе, и оставшаяся часть еще задерживалась в пути на терминал.

Результат

Имитационная модель была верифицирована через этап «как есть» (AS IS). С помощью множественных экспериментов по каждому варианту этапа модернизации специалисты «Дилибриум» получили обширную статистику как максимальной производительности терминала «Дальтрансуголь», так и показателей каждого узла оборудования (ТОиР, наработки, КТГ, КПИ и пр.). Также с помощью проведенных экспериментов инженеры определили узкие места в моделируемых процессах благодаря использованию AnyLogic.