Использование моделей дискретной оптимизации для решения задач загрузки грузового транспорта и контейнеров ООО «Петро»
|
Введение 5
Глава 1. Описание компании и постановка задачи 8
§ 1.1. Общая характеристика Japan Tobacco Inc 8
§ 1.2. Japan Tobacco International в России 9
§ 1.3. Логистические бизнес-процессы ООО «Петро» 10
§ 1.4. Поставленная ООО «Петро» задача 12
§ 1.4.1. Математическая постановка оптимизационной задачи 15
§ 1.5. Обзор существующих решений 17
Глава 2. Решение задачи о загрузке транспортного средства 20
§ 2.1. Физические особенности решаемой задачи 20
§ 2.1.1 Необходимые исходные параметры для расчета 27
§ 2.2. Рассматриваемые транспортные средства и контейнеры 28
§ 2.2.1. Транспортные средства 29
§ 2.2.2. Контейнеры 32
§ 2.2.3. Выбор оптимального транспортного средства 33
§ 2.3. Принятые допущения и ограничения 35
§ 2.3.1. Специфические ограничения 35
§ 2.3.2. Общие допущения 36
§ 2.4. Математическая постановка задачи 37
Глава 3. Особенности программной реализации разработанного решения задачи 39
§ 3.1. Описание Solver Add-in 39
§ 3.1.1. Целевая функция для Solver 41
§ 3.1.2. Указание переменных для Solver 42
§ 3.1.3. Указание ограничений для Solver 43
§ 3.2. Задаваемые и рассчитываемые данные для модели 45
§ 3.2.1. Задаваемые параметры транспортного средства 45
§ 3.2.2. Задаваемые параметры грузов 47
§ 3.2.3. Задаваемые ограничения по нагрузкам на оси 48
§ 3.2.4. Задаваемые ограничения по количеству загружаемых коробов 50
§ 3.2.5. Расчет количества загруженных коробов 51
§ 3.2.6. Расчет массы и объема 52
§ 3.2.7. Расчет параметра α 54
§ 3.2.8. Расчет нагрузок на оси 56
§ 3.3. Принцип работы калькулятора Solver 56
§ 3.3.1. Ввод исходных данных 57
§ 3.3.2. Выбор транспортного средства 59
§ 3.3.3. Обработка расчитанного плана погрузки 60
§ 3.4. Тестирование разработанного калькулятора Solver 60
§ 3.4.1. Сравнение результатов Solver c результатами калькулятора VDNK 61
§ 3.5. Преимущества от калькулятора Solver для ООО «Петро» 65
Заключение 67
Список использованной литературы 69
Приложение 1. Допустимые осевые нагрузки транспортных средств 72
Приложение 2. Размеры штрафов за превышение допустимой массы или нагрузки на ось, руб. 73
Приложение 3. 3D-модель плана погрузки в программе Packer3d 74
Приложение 4. 3D-модель плана погрузки в программе Truckloader 75
Приложение 5. Диалоговое окно Solver при полном заполнении 76
Глава 1. Описание компании и постановка задачи 8
§ 1.1. Общая характеристика Japan Tobacco Inc 8
§ 1.2. Japan Tobacco International в России 9
§ 1.3. Логистические бизнес-процессы ООО «Петро» 10
§ 1.4. Поставленная ООО «Петро» задача 12
§ 1.4.1. Математическая постановка оптимизационной задачи 15
§ 1.5. Обзор существующих решений 17
Глава 2. Решение задачи о загрузке транспортного средства 20
§ 2.1. Физические особенности решаемой задачи 20
§ 2.1.1 Необходимые исходные параметры для расчета 27
§ 2.2. Рассматриваемые транспортные средства и контейнеры 28
§ 2.2.1. Транспортные средства 29
§ 2.2.2. Контейнеры 32
§ 2.2.3. Выбор оптимального транспортного средства 33
§ 2.3. Принятые допущения и ограничения 35
§ 2.3.1. Специфические ограничения 35
§ 2.3.2. Общие допущения 36
§ 2.4. Математическая постановка задачи 37
Глава 3. Особенности программной реализации разработанного решения задачи 39
§ 3.1. Описание Solver Add-in 39
§ 3.1.1. Целевая функция для Solver 41
§ 3.1.2. Указание переменных для Solver 42
§ 3.1.3. Указание ограничений для Solver 43
§ 3.2. Задаваемые и рассчитываемые данные для модели 45
§ 3.2.1. Задаваемые параметры транспортного средства 45
§ 3.2.2. Задаваемые параметры грузов 47
§ 3.2.3. Задаваемые ограничения по нагрузкам на оси 48
§ 3.2.4. Задаваемые ограничения по количеству загружаемых коробов 50
§ 3.2.5. Расчет количества загруженных коробов 51
§ 3.2.6. Расчет массы и объема 52
§ 3.2.7. Расчет параметра α 54
§ 3.2.8. Расчет нагрузок на оси 56
§ 3.3. Принцип работы калькулятора Solver 56
§ 3.3.1. Ввод исходных данных 57
§ 3.3.2. Выбор транспортного средства 59
§ 3.3.3. Обработка расчитанного плана погрузки 60
§ 3.4. Тестирование разработанного калькулятора Solver 60
§ 3.4.1. Сравнение результатов Solver c результатами калькулятора VDNK 61
§ 3.5. Преимущества от калькулятора Solver для ООО «Петро» 65
Заключение 67
Список использованной литературы 69
Приложение 1. Допустимые осевые нагрузки транспортных средств 72
Приложение 2. Размеры штрафов за превышение допустимой массы или нагрузки на ось, руб. 73
Приложение 3. 3D-модель плана погрузки в программе Packer3d 74
Приложение 4. 3D-модель плана погрузки в программе Truckloader 75
Приложение 5. Диалоговое окно Solver при полном заполнении 76
Практика внедрения ограничений допустимых масс транспортных средств является распространенной как в России, так и в других развитых странах. Связаны данные ограничения с тем, что дорожные покрытия имеют свойство приходить в негодность и их необходимо обслуживать и ремонтировать. Данные ограничения позволяют минимизировать вред дорогам от транспортных средств и штрафовать тех, кто не соблюдает установленные ограничения и таким образом получать средства на ремонт и обслуживание дорог.
В России основной документ, регулирующий автомобильные перевозки грузов – это Постановление Правительства РФ N 272 в редакции от 22.12.2016 «Об утверждении Правил перевозок грузов автомобильным транспортом» . Оно, помимо прочего, устанавливает допустимые массы транспортных средств и допустимые осевые нагрузки транспортных средств (см. Приложение 1). Именно эти два ограничения будут более подробно рассмотрены в данной работе. При этом если ограничения общей массы транспортируемых грузов выполняется в большинстве случаев, ограничения по нагрузкам на оси выполняются редко в связи с тем, что это предполагает более ответственный и трудоемкий подход к процессу загрузки.
В связи с этим, многим компаниям, осуществляющим перевозки грузов автомобильным транспортом, зачастую приходится решать следующую дилемму: загрузить больше и превысить допустимые ограничения или же остаться в рамках ограничений, но снизить объем загрузки. Как известно, наиболее экономически выгодный способ использования автомобильного транспорта (в частности, грузовых автомобилей) – это так называемый FullTruckLoad (FTL), когда транспортное средство загружается до полной вместимости. На первый взгляд, данный способ транспортировки обладает очевидным преимуществом – он позволяет снизить общие издержки на перевозку и получить максимальную прибыль. Однако не все компании осознают, сколько им придется заплатить за невыполнение существующих транспортных ограничений.
На самом же деле, штрафы за превышение общей допустимой массы или осевых нагрузок являются достаточно высокими. Усугубляет ситуацию еще и то, что данные штрафы накладываются как на перевозчика-экспедитора, так и на компанию-владельца груза. В общей сложности сумма штрафа может достигать пятиста тысяч рублей за единоразовое превышение, при этом данная сумма возрастает при повторных правонарушениях (более подробная таблица штрафов представлена в Приложении 2 ). В связи с этим, некоторые компании задумываются о том, чтобы выстроить процесс автомобильной перевозки грузов таким образом, чтобы перевозить максимально возможное количество груза и при это оставаться в рамках транспортного законодательства.
Не стала исключением и компания ООО «Петро» - один из крупнейших производственных комплексов компании JapanTobaccoInternational. Компания очень ответственно подходит к выполнению требований Российского законодательства, в связи с чем приняла решение реализовать соответствующий проект по совершенствованию процесса загрузки грузового транспорта и контейнеров. Таким образом, объектом данной работы выступает компания ООО «Петро», а предметом работы является процесс загрузки грузового транспорта и контейнеров продукцией компании.
Цель данной выпускной квалификационной работы заключается в нахождении подходящего под требования компании решения по улучшению процесса загрузки грузового транспорта и контейнеров с учетом требований российского транспортного законодательства в рамках допустимых нагрузок на оси. Для того, чтобы реализовать поставленную цель, было обозначено несколько задач, выполнение которых позволит достигнуть данную цель. Среди задач можно выделить следующие:
• Изучить текущие законодательные ограничения нагрузок на оси транспортных средств;
• Провести анализ текущего процесса загрузки транспортных средств в ООО «Петро»;
• Изучить существующие модификации транспортных средств и контейнеров;
• Изучить физические особенности распределения нагрузок на оси транспортных средств;
• Провести анализ существующих решений на рынке;
• Разработать собственное решение и внедрить его в компании.
Для решения поставленных задач были использованы различные источники информации. Во-первых, для полного погружения в работу над проектом был изучен официальный сайт компании JapanTobaccoInternational, статистика по перевозкам от представителей ООО «Петро» и результаты опросов менеджеров ООО «Петро». Во-вторых, в работе активно используются теоретические наработки транспортной компании VDNK по расчету нагрузок на оси транспортных средств. В-третьих, была использована литература по дискретному программированию таких авторов как В.В. Псиола и М.М. Ковалев.
Структура работы представляет собой три главы различной смысловой направленности, каждая из которой, не считая первую, является логическим продолжением предыдущей. В первой главе представлено краткое описание компании и общее описание поставленной задачи, а также проведен анализ существующих готовых решений данной задачи. Вторая глава посвящена методологии исследования и включает в себя вывод формул для расчета нагрузок на оси, обзор существующих транспортных средств и контейнеров, а также формальную математическую постановку задачи. Наконец, третья глава полностью посвящена практическим особенностям создания собственного решения и его внедрения в компании, а также оценку данного решения с точки зрения ООО «Петро».
В России основной документ, регулирующий автомобильные перевозки грузов – это Постановление Правительства РФ N 272 в редакции от 22.12.2016 «Об утверждении Правил перевозок грузов автомобильным транспортом» . Оно, помимо прочего, устанавливает допустимые массы транспортных средств и допустимые осевые нагрузки транспортных средств (см. Приложение 1). Именно эти два ограничения будут более подробно рассмотрены в данной работе. При этом если ограничения общей массы транспортируемых грузов выполняется в большинстве случаев, ограничения по нагрузкам на оси выполняются редко в связи с тем, что это предполагает более ответственный и трудоемкий подход к процессу загрузки.
В связи с этим, многим компаниям, осуществляющим перевозки грузов автомобильным транспортом, зачастую приходится решать следующую дилемму: загрузить больше и превысить допустимые ограничения или же остаться в рамках ограничений, но снизить объем загрузки. Как известно, наиболее экономически выгодный способ использования автомобильного транспорта (в частности, грузовых автомобилей) – это так называемый FullTruckLoad (FTL), когда транспортное средство загружается до полной вместимости. На первый взгляд, данный способ транспортировки обладает очевидным преимуществом – он позволяет снизить общие издержки на перевозку и получить максимальную прибыль. Однако не все компании осознают, сколько им придется заплатить за невыполнение существующих транспортных ограничений.
На самом же деле, штрафы за превышение общей допустимой массы или осевых нагрузок являются достаточно высокими. Усугубляет ситуацию еще и то, что данные штрафы накладываются как на перевозчика-экспедитора, так и на компанию-владельца груза. В общей сложности сумма штрафа может достигать пятиста тысяч рублей за единоразовое превышение, при этом данная сумма возрастает при повторных правонарушениях (более подробная таблица штрафов представлена в Приложении 2 ). В связи с этим, некоторые компании задумываются о том, чтобы выстроить процесс автомобильной перевозки грузов таким образом, чтобы перевозить максимально возможное количество груза и при это оставаться в рамках транспортного законодательства.
Не стала исключением и компания ООО «Петро» - один из крупнейших производственных комплексов компании JapanTobaccoInternational. Компания очень ответственно подходит к выполнению требований Российского законодательства, в связи с чем приняла решение реализовать соответствующий проект по совершенствованию процесса загрузки грузового транспорта и контейнеров. Таким образом, объектом данной работы выступает компания ООО «Петро», а предметом работы является процесс загрузки грузового транспорта и контейнеров продукцией компании.
Цель данной выпускной квалификационной работы заключается в нахождении подходящего под требования компании решения по улучшению процесса загрузки грузового транспорта и контейнеров с учетом требований российского транспортного законодательства в рамках допустимых нагрузок на оси. Для того, чтобы реализовать поставленную цель, было обозначено несколько задач, выполнение которых позволит достигнуть данную цель. Среди задач можно выделить следующие:
• Изучить текущие законодательные ограничения нагрузок на оси транспортных средств;
• Провести анализ текущего процесса загрузки транспортных средств в ООО «Петро»;
• Изучить существующие модификации транспортных средств и контейнеров;
• Изучить физические особенности распределения нагрузок на оси транспортных средств;
• Провести анализ существующих решений на рынке;
• Разработать собственное решение и внедрить его в компании.
Для решения поставленных задач были использованы различные источники информации. Во-первых, для полного погружения в работу над проектом был изучен официальный сайт компании JapanTobaccoInternational, статистика по перевозкам от представителей ООО «Петро» и результаты опросов менеджеров ООО «Петро». Во-вторых, в работе активно используются теоретические наработки транспортной компании VDNK по расчету нагрузок на оси транспортных средств. В-третьих, была использована литература по дискретному программированию таких авторов как В.В. Псиола и М.М. Ковалев.
Структура работы представляет собой три главы различной смысловой направленности, каждая из которой, не считая первую, является логическим продолжением предыдущей. В первой главе представлено краткое описание компании и общее описание поставленной задачи, а также проведен анализ существующих готовых решений данной задачи. Вторая глава посвящена методологии исследования и включает в себя вывод формул для расчета нагрузок на оси, обзор существующих транспортных средств и контейнеров, а также формальную математическую постановку задачи. Наконец, третья глава полностью посвящена практическим особенностям создания собственного решения и его внедрения в компании, а также оценку данного решения с точки зрения ООО «Петро».
Настоящая выпускная квалификационная работа была посвящена работе над проектом для компании ООО «Петро», связанным с совершенствованием процесса загрузки грузового транспорта и контейнеров. Данный проект предполагал нахождение правильного инструментария, который бы позволил компании легко учитывать текущие законодательные ограничения по нагрузкам на оси транспортных средств при составлении планов погрузки. Реализация подобного проекта предполагает определенный выбор: использование уже существующих на рынке решений или разработку собственного инструмента. По результатам проведенного анализа было выявлено, что существующие решения не соответствуют требованиям компании и в итоге выбор пал на первый вариант – разработка простого в использовании инструмента, который компания могла бы использовать самостоятельно в любых условиях.
Результатом проделанной работы стал калькулятор, основанный на SolverAdd-in к MicrosoftExcel, который полностью соответствует требованиям компании и позволяет избегать штрафов за превышение допустимых нагрузок на оси. Для компании данный калькулятор представляет простой и очень действенный способ для расчета планов погрузки, которые будут учитывать текущие законодательные ограничения. Более того, данный калькулятор не требует никаких изменений текущего процесса погрузки в компании, так как был разработан под специфические особенности погрузки, принятые в ООО «Петро».
Однако по итогам совместной работы с ООО «Петро» над целевым проектом можно сделать еще несколько значимых выводов. Данные выводы затрагивают, в первую очередь, практические особенности использования разработанного инструмента, а также особенности применения дискретных моделей в логистике. Также в качестве выводов будут представлены общие особенности реализации логистических проектов на крупных производственных фабриках.
Во-первых, следует отметить, что разработанный инструмент был высоко оценен в компании ООО «Петро» и в ходе проведенного тестирования было принято решения использовать данный инструмент на постоянной основе. Также, в рамках тестирования стало понятно, что калькулятор Solverпольностью соответствует требованию простоты в использовании, что отметили ключевые пользователи. Более того, была расширена первоначальная задача и было принято решение внедрить данный инструмент и на других фабриках компании, в частности, на фабрике в Ельце. Это говорит о том, что поставленная в рамках проекта управленческая задача была реализована в полном объеме.
Во-вторых, необходимо отметить, что реализация поставленной задачи через такой действенный инструмент не была бы возможна без правильной математической модели. В данном случае было принято правильное решение свести поставленную задачу к задаче дискретной оптимизации (так называемой «задаче о рюкзаке»), что позволило свести ее к задаче дискретного программирования и применить для решений SolverAdd-in.Успех такого подхода говорит о том, что иногда сложные математические задачи (коей, несомненно, является «задача о ранце») можно значительным образом упростить для того, чтобы они могли быть применимы для решения практических задач.
Наконец, в-третьих, стоит отметить ценность в логистических проектах такого вида для крупных производственных комплексов, коим является фабрика «Петро». Данный проект является важным не только с точки зрения логистики, но и с точки зрения оптимизации процессов в компании. Это обусловлено тем, что совершенствование процесса укладки грузов, с одной стороны, снижает риск штрафов для компании, но с другой стороны обязывает компанию возить меньший объем грузов нежели при полной загрузке. В итоге, экономическая целесообразность данного проекта не всегда очевидна (тем не менее, она присутствует), однако избегая штрафов компания также поддерживает свою репутацию и может справедливо называться социально ответственной. Таким образом, компания обеспечивает себе долгосрочную выгоду за счет осведомленного подхода к выполнению требований транспортного законодательства и желанием всегда находить лучшие решения.
Результатом проделанной работы стал калькулятор, основанный на SolverAdd-in к MicrosoftExcel, который полностью соответствует требованиям компании и позволяет избегать штрафов за превышение допустимых нагрузок на оси. Для компании данный калькулятор представляет простой и очень действенный способ для расчета планов погрузки, которые будут учитывать текущие законодательные ограничения. Более того, данный калькулятор не требует никаких изменений текущего процесса погрузки в компании, так как был разработан под специфические особенности погрузки, принятые в ООО «Петро».
Однако по итогам совместной работы с ООО «Петро» над целевым проектом можно сделать еще несколько значимых выводов. Данные выводы затрагивают, в первую очередь, практические особенности использования разработанного инструмента, а также особенности применения дискретных моделей в логистике. Также в качестве выводов будут представлены общие особенности реализации логистических проектов на крупных производственных фабриках.
Во-первых, следует отметить, что разработанный инструмент был высоко оценен в компании ООО «Петро» и в ходе проведенного тестирования было принято решения использовать данный инструмент на постоянной основе. Также, в рамках тестирования стало понятно, что калькулятор Solverпольностью соответствует требованию простоты в использовании, что отметили ключевые пользователи. Более того, была расширена первоначальная задача и было принято решение внедрить данный инструмент и на других фабриках компании, в частности, на фабрике в Ельце. Это говорит о том, что поставленная в рамках проекта управленческая задача была реализована в полном объеме.
Во-вторых, необходимо отметить, что реализация поставленной задачи через такой действенный инструмент не была бы возможна без правильной математической модели. В данном случае было принято правильное решение свести поставленную задачу к задаче дискретной оптимизации (так называемой «задаче о рюкзаке»), что позволило свести ее к задаче дискретного программирования и применить для решений SolverAdd-in.Успех такого подхода говорит о том, что иногда сложные математические задачи (коей, несомненно, является «задача о ранце») можно значительным образом упростить для того, чтобы они могли быть применимы для решения практических задач.
Наконец, в-третьих, стоит отметить ценность в логистических проектах такого вида для крупных производственных комплексов, коим является фабрика «Петро». Данный проект является важным не только с точки зрения логистики, но и с точки зрения оптимизации процессов в компании. Это обусловлено тем, что совершенствование процесса укладки грузов, с одной стороны, снижает риск штрафов для компании, но с другой стороны обязывает компанию возить меньший объем грузов нежели при полной загрузке. В итоге, экономическая целесообразность данного проекта не всегда очевидна (тем не менее, она присутствует), однако избегая штрафов компания также поддерживает свою репутацию и может справедливо называться социально ответственной. Таким образом, компания обеспечивает себе долгосрочную выгоду за счет осведомленного подхода к выполнению требований транспортного законодательства и желанием всегда находить лучшие решения.