Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и постановки задачи 7
1.1. Состояние проблемы 7
1.2. Постановка задачи 18
Глава 2. Анализ условий и особенностей работы буксиров в порту 24
2.1. Анализ факторов, определяющих потребность порта в буксирах 24
2.2. Анализ структуры и объемов работ буксиров-кантовщишв в порту 40
2.3. Исследование закономерностей заходов судов в отечественные порты . 58
2.4. Исследование практики буксирных операций 65
2.5. Исследование сил и моментов, действующих на буксируемый объект, и определение потребной тяги для его буксировки 74
Глава 3. Математические модем выбора оптимального количества и типов буксиров в порту 113
3.1. Математическая модель определения оптимального количества и типов буксиров с выбором рекомендуемого ордера 113
3.2. Математическая модель определения оптимального количества и тищш буксиров с выборам относительных частот применения допустимых ордеров 119
3.3. Математическая модель выбора дополнительного количества и типов буксиров с учетом обработки лихтеровозов 122
3.4. Формирование допустимого количества и типов буксиров для одной буксирной операции 127
3.5. Решение сформулированных задач методами дискретного программирования 132
3.6. Метод обработки исходной статистической информации, необходимой для решения сформулированных задач 141
Глава 4. Нормативно-информационное обеспечение, необходимое для решения задачи определения оптимального количества и типов буксиров 152
4.1. Эксплуатационные и экономические нормативы и показатели 152
4.2. Бюджет рабочего времени буксиров 155
4.3. Число операций с несамоходными баржами . 158
4.4. Длительность буксирных операций с транспортными судами 161
4.5. Длительность буксирных операций с несамоходными баржами 169
Глава 5. Результаты исследований 171
5.1. Численное решение задач выбора оптимального количества и типов буксиров 171
Выводы рекомендации . 194
Литература 198
Приложения 207
- Анализ структуры и объемов работ буксиров-кантовщишв в порту
- Исследование закономерностей заходов судов в отечественные порты
- Математическая модель определения оптимального количества и тищш буксиров с выборам относительных частот применения допустимых ордеров
- Длительность буксирных операций с несамоходными баржами
Введение к работе
Развитие морского транспорта осуществляется в соответствии
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до I99Q года, утвержденными съездом КПСС. За период X и первые годы XI пятилетки морской транспорт подучил развитие, обеспечившее независимость нашей внешней торговли от мирового фрахтового рынка.
В деятельности морского транспорта значительное место занимают порты, пропускная способность которых существенно влияет на организацию эксплуатации и экономику морского транспорта в целом. Не случайно только в X пятилетке на развитие материально-технической базы портов было выделено 1,6 млрд .рублей. В портах введены в действие перегрузочные комплексы мощностью 44.5 млн.т в год, протяженность причального фронта увеличилась на 8,4 км. Несмотря на огромные капиталовложения и на внимание, уделяемое развитию портов и организации работы в них, они ос-і таются узким местом в обширной деятельности морского транспорта.
Развитие работ в портах по непрерывному плану-графику транспортного узла (НПГГУ), опыт которых был одобрен и рекомендован к повсеместному распространению постановления ЦК КПСС, ! позволило преодолеть межведомственные перевозки и во многих портах значительно повысить эффективность работы.
В одиннадцатой пятилетке намечено поставить морскому транс і порту суда общим дедвейтом Э,2 млн.тонн. Мощность морских портов, благодаря техническому перевооружению, будет увеличена на 22 млн.тонн. Большой вклад в переоснащение и перевооружение причальных линий и судов портофлота в XI пятилетке предполагается ввести в порты Восточный, Владивосток, Магадан, Тикси, Новорос \ - 5 і сийск, Жданов, Ленинград.
Методы дискретного программирования позволили определить оптимальное количество и типы буксиров в конкретных отечественных портах на ближайшие годы и на перспективу. В частности, был произведен цикл исследований применительно к портам Ленинград, Калининград, Выборг, Одесса, Ильичевск, Южный, Таллин, /
Рига, Новороссийск, Владивосток. В результате проведенной работы доказана работоспособность методики и возможность внедрения ее в систему ММФ. Предметом защиты является разработка методики определения оптимального количества и типов буксиров, обеспечивающих выполнение существующего объема буксирных работ для каждого порта ММФ.
Анализ структуры и объемов работ буксиров-кантовщишв в порту
Работы, выполняемые буксирами-кантовщиками в порту, не равноценны по своему значению. Главным условием обслуживания буксирами судов в порту является обеспечение безопасности транспортного средства и перевозимого груза.
В связи с высокой стоимостью простоя морских транспортных судов, особенностью обслуживания линейного судоходства и возрастающей взаимосвязью порта с транспортными и промышленными контрагентами необходимо добиваться, чтобы время предоставления буксирных услуг было минимальным.
Цроцесс обслуживания судов буксирами в порту характеризуется использованием известного множества буксиров, которое следует рассматривать как ограниченное. Ограничения на это множество будут рассмотрены в п.2.4. При этом буксирная операция характеризуется используемой мощностью буксиров и своей продолжительностью. Последняя зависит от размеров судна, от условий его постановки к причалу, от маневренных качеств судна и буксиров, местоположения судна в зоне акватории порта и от других факторов.
Для удобства анализа все вводимые в порт суда классифицированы по назначению и дедвейту. В основу классификации грузовых транспортных судов положена разбивка на группы по дедвейту, принятая в настоящее время в работах НИР ММФ, согласно нормативам "Союзморниипроекта", при определении судооборота порта. Однако она доработана в части большей детализации, что необходимо для корректного решения поставленной задачи и обеспечивается возможностями ЭВМ. Для пассажирских судов разбивка на группы выполнена по брутто-регистровой вместимости, так как величина дедвейта для этих судов не характеризует из размеры и типы. Для несамоходных барж и плавкранов разбивка на группы произведена на основании имеющихся в ММФ реальных барж. Учитывая существенные расхождения в надводном архитектурном силуэте у сухогрузных судов, внутри каждой группы по дедвейту произведена дополнительная разбивка на 4 подгруппы по архитектурному типу.
В каждой группе судов выбрано наиболее типичное судно, технические характеристики которого приняты в качестве базовых при [ определении потребности в буксирах для кантовочной операции с объектом данной ГРУППЫ (СМ.Табдицы 2.6 2.9). проделывает с я сложная и многообразная работа. Для определения оптимального парка буксиров требуется провести анализ этой работы, разложив ее на элементы, и разработать методы, позволяющие количественно учитывать каждый элемент работы.
Естественно, что основную долю рабочего времени буксиры заняты обработкой транспортных судов. Это их основное, но не единственное назначение в порту. Помимо транспортных судов, буксиры обслуживают несамоходные баржи, которые заняты внутрипор-товыми перевозками, а также плавкраны, водолазные станции, водолеи, бункеровщики и другие несамоходные средства портофлота. Кроме того, буксиры заняты на дополнительных работах. Пример номенклатуры этих работ приведен в таблице 2.4. Среди дополнительных работ можно выделить портовые работы и аренду буксиров сторонними организациями. Следует отметить, что при обосновании потребности буксиров учету подлежат лишь такие работы, как подача пара, ошлка льда и т.п., т.е. сугубо портовые работы буксиров. Аренда буксиров-кантовщиков сторонними организациями не должна оказывать влияния на расчет требуемого числа буксиров для морского порта, а может выполняться в свободное от основной работы время, что должно быть предусмотрено в расчетах. При аренде буксиров сторонними организациями сглаживается неравномерность загрузки и сокращаются простои буксиров, что повышает экономическую эффективность работы буксиров в порту.
Таким образом, анализ работы отечественных портов показал, что в дальнейшем, в отличие от классификации, представленной в таблице 2.5, следует ориентироваться на следующую классификацию буксирных операций: - обслуживание транспортных судов; - внутрипортовая транспортировка несамоходных барж, лихте ров; - обслуживание средств портофлота; і - прочие работы.
При обслуживании транспортных судов производится ввод в порт, вывод из него, перешвартовки и перетяжки внутри порта, изменения места якорных стоянок и пр. Эти операции, согласно обязательным постановлениям по отечественным портам, производятся только с буксирами. Следовательно, является ошибочным утверждение о том, что потребность порта в буксирах зависит непосредственно только от числа судозаходов. Каждый порт характеризуется собственной номенклатурой буксирных операций, зависящей от его индивидуальных особенностей. Наиболее характерными операциями с . транспортными судами являются следующие: а) проводка транспортных судов с внешнего рейда на внутренний и обратно; б) перемещение судов с внутреннего рейда к причалу и швартовка, а также обратная операция - отшвартовка и перемещение судов от причала к внутреннему рейду; в) перешвартовка судов от одного причала к другому;г) изменение места якорной стоянки.
Для определения числа операций с транспортными судами на базе комплексного изучения работы различных портов вводятся следующие положения.
Исследование закономерностей заходов судов в отечественные порты
При решении практических и научно-исследовательских задач, связанных с учетом заходов судов в порт, как правило, принимали, что судозаходн носят случайный характер, и их вероятности подчиняются распределению Пуассона.
Как известно, случайная величина X распределена по закону Пуассона, если вероятности того, что она примет определенное значение /7 выражается формулой где СС - некая положительная величина, называемая параметром Пуассона.
Распределение Пуассона возникает там, где элементы занимают случайное положение независимо друг от друга, и подсчигывает-ся количество этих точек, попадающих в некоторую область /ГО/. В нашем случае элементами являются судоходы, а областью - расчетный период времени, месяц.
Принципиальное изменение характера судоходства за последнее десятилетие поставило под сомнение указанное положение ранее предложенных моделей. Для корректного выбора математической модели работы порта потребовалось проверить гипотезу о том, что заходы судов в порт распределены по закону Пуассона. Проверка гипотезы производилась для трех портов: Выборг, Калининград, Одесса. При этом все суда, заходящие в порт, классифицировались по типам и размерам. Были проанализированы судозаходы за І980-І98І годы для каждой группы судов в отдельности и для порта в целом.
Одним из характерных свойств распределения Пуассона является равенство математического ожидания ( ОС ) и дисперсии ( О ).
Это свойство является необходимым для подтверждения проверяемой гипотезы о подчинении судозаходов распределению Пуассона.
Результаты расчетов выборочных математических ожиданий и дисперсий для различных групп судов приведены в таблицах 2.124 2.14. Данные выбирались из "Журналов заявок на лоцманское обслуживание" соответствующих портов, исходя из требования, что все заходящие в порт суда пользовались буксирным обслуживанием. Из указанных таблиц следует, что математическое ожидание отличается от среднеквадратичного для подавляющего большинства судов. Однако для корректности доказательства о ложности гипотезы следует проверить, вызваны ли эти расхождения случайными обстоятельствами, связанными с ограниченным числом наблюдений, или они являются существенными и связаны с тем, что распределение Пуассона плохо отражает данное статистическое распределение. Проверку нельзя осуществлять, используя эмпирическую Іункцию распределения с применением критерия 1L , так как объем выборки мал.
Критерий Колмогорова-Смирнова также не может быть применен, так как его использование подразумевает непрерывность теоретического распределения.
При проверке гипотезы о Пуассоновском характере эмпирических распределений используем тот факт, что с ростом математического ожидания закон Пуассона приближается к нормальному, и для Ct /O можно пользоваться свойствами нормального распределения. Отметим, что доля тех групп судов, для которых & /0 , в общем объеме трудозатрат буксиров незначительна.
Известно, что если случайная величина рС имеет распределение Пуассона, то для CL& 10 случайная величина j , построенная по правилу имеет нормальное распределение.
Причем для выборки из /Z элементов то это означает, расхождение математического ожидания и среднего квадратичного случайно. В таком случае следует полагать, что объем выборки мал для доказательства или опровержения выбранной гипотезы. Если же одно из положений а) или б) не выполняется, то можно сделать вывод, что расхождение не случайно, и данное распределение плохо описывается законом Пуассона.
Для проверки утверждения а) воспользуемся статистикой Стьюдента. Если /с/ L І-СС " квантиль распределения Стьюдента, то распределено в соответствии с законом Пуассона.
Для Tl f Н степеней свободы при оС » 0,05, т.е. с достоверностью 0,95 /. 2,2. То есть, если /с/ 2,2, то распределение не Пуассоновское.
Исследования показали, что для всех групп судов неравенство выполняется. Следовательно, распределение / симметрично.
Необходимо проверить условие б), что является более жестким критерием. Для его проверки воспользуемся критерием pi Тогда, если выполняется условие то распределение Пуассоновское.
Математическая модель определения оптимального количества и тищш буксиров с выборам относительных частот применения допустимых ордеров
В п.3.1 сформулирована математическая модель, основанная на предположении, что для буксирной операции с каждым объектом из множества технически допустимых выбирается один, рекомендуемый для данного порта, ордер. Это допущение приводит к резерву буксиров, который может быть обоснованно сокращен. В действительности, на практике используются различные технически допустимые ордера для буксировки одних и тех же объектов. Однако эти ордера не равнозначны по своим эксплуатационным характеристикам, и поэтому должны применяться с различной частотой. Обозначим РІК - вероятность (относительную частоту) выбора схемы К из совокупности допустимых схем буксировки судна типа С . С учетом этого оптимизационная модель, описанная в п.3.1, трансформируется следующим образом. Из математического понятия вероятности вытекает, что г к -неотрицательные числа меньшие I. Исходя из постановки задачи число буксиров в порту должно быть достаточно для обслуживания судна типа L . Это означает, что судно будет обслужено одной из К схем. Этот факт в свою очередь означает, что события, заключающиеся в обслуживании судна типа L по схемам Л составляют полное множество альтернатив. Таким образом, суммарная вероятность равна I. Математическое ожидание времени занятости буксиров типа / для обслуживания судна типа і определяется по формуле Из этого следует, что ходовое время буксиров типа / равно Искомое число буксиров ft должно выполнять требуемый объем работ в порту. Математическое ожидание объема работ для буксиров типа / при обслуживании транспортных судов определяется следующим образом: С учетом выполнения внутрипортовых перевозок и дополнительных работ требование о выполнении заданного объема работ формулируется следующим образом: Если вероятность применения какой-либо схемы отлична от О, то число буксиров типа / , участвующих в данной схеме, должно быть не меньше числа буксиров в порту, т.е. Из изложенного вытекает, что задача может быть сформулирована на языке математического программирования в следующем виде. Определить число буксиров типа j \j и вероятности применения схемы К для буксировки объекта L Р к , приводящие к минимуму показатель приведенных затрат. где На минимизируемую функцию накладываются следующие ограничения: 1. Заданный объем буксирных работ должен быть выполнен: 2. Каждый объект должен быть обслужен: 3. Если схема К буксировки объекта С находит свое применение в порту, то число буксиров Yj соответствующего ти па должно быть не меньше, чем требуется по схеме К : Эта задача является задачей частично-целочисленного программирования. Минимизируемая функция и ограничения, кроме последнего, являются линейными. В сформулированной математической модели помимо определения оптимального состава буксирного парка в порту одновременно решается вопрос о наилучшей относительной частоте применения различных допустимых схем буксировки в условиях данного порта.
Длительность буксирных операций с несамоходными баржами
Длительность одной буксирной операции с несамоходными баржами отождествляется с длительностью кругового рейса буксира на каждом из заданных направлений перевозок грузов. Средняя продолжительность вспомогательных элементов буксирной операции с несамоходными баржами, определяющих длительность Сгз » представлена в таблице 4.6. В основу таблицы положены осред-ненные хронометражные наблюдения / 86 /, выполненные в объеме настоящей работы. Средняя продолжительность основных элементов буксирной операции складывается из времени движения буксира с груженым возом -у\/г » времени движения буксиров с порожним возом А/я и вРемени свободного хода буксиров Z- А/ в обе стороны). Общая продолжительность занятости буксира на буксировке несамоходных барж за рейс можно представить в следующей форме: где Lg - расчетное расстояние буксировки, миля. В отличие от определения составляющих времени вида /\/т » при проводке транспортных судов, где средняя величина скорости Vj принята постоянной, а корректировка времени занятости буксиров по группам обслуживаемых судов учитывается коэффициентом О. (см.п.4.4), в данном случае V и Vs определяются в ре зультате совместного решения уравнений буксировки (2.37)-(2.54) при сохранении условия ограниченной скорости движения на аква-тории порта Vg- Vp и V$=Vp. Для скорости свободного хода буксиров Vm сохранено значение Vm = 8,0 узлов, но при условии Vm Vp. 1. Произведено обобщение эксплуатационных и экономических нормативов и показателей, необходимых для решения задачи определения оптимального количества и типов буксиров. 2. Установлено, что бюджет рабочего времени буксира не является постоянным, а зависит от продолжительности периода навигации порта, от мощности буксиров и других факторов. 3. Разработана модель буксирных операций, характеризующая длительность перемещения объекта в порту с учетом географических и навигационных особенностей порта. На базе этой модели возможно определение длительности элементов буксирных операций применительно к специфике каждого порта. 4. Аналогично п.З, решена задача определения длительности буксирных операций с несамоходными баржами. По предложенной методике в соответствии с техническими заданиями Балтийского (БМП) и Черноморского (ЧМП) морских паро-ходств были произведены расчеты оптимального количества и типов буксиров в портах Ленинград, Калининград, Выборг, Одесса, Ильи-чевск и Южный. Помимо этого по заданию Главфлота ММФ в рамках настоящей работы аналогичные расчеты были произведены для портов Новороссийск, Рига, Таллин, Владивосток. Для портов БМП и ЧМП сбор исходных данных и их обработка осуществлялись нами в полном объеме в соответствии с изложенными выше методами.
Для остальных портов расчеты осуществлялись по данным, представленным Союзморниипроектом и его филиалами на бассейнах. Эти данные не полностью отвечали требованиям настоящей работы. Результаты расчетов потребностей в буксирах различных типов для выборочных расчетных лет приведены в таблицах 5.1-5.16. При этом для иллюстрации возможностей метода для порта Калиниград приведены результаты вычислений применительно к разным условиям организации работы буксиров на Сороковом пикете. Пример результирующей таблицы прогноза потребности портов в буксирах-нантов-щиках на 1985 год, определенного по разработанному методу и принятого для учета Главфлотом ММФ, приведен в таблице 5.17. В этой таблице под наименованием порта указан прогноз общего числа су-дозаходов. При этом для портов Новороссийск, Владивосток, Рига и Таллин эти данные получены от Союзморниипроекта без учета дополнительных работ и, соответственно, для этих портов коэффициенты неравномерности судозаходов и коэффициенты перешвартовок выбирались экспертным порядком. Для каждого порта в таблице 5.17 содержится результат расчетов по разработанной методике в форме оптимальных типов и количества потребных буксиров. Помимо этого для решения практических вопросов пополнения парка портовые буксиров здесь же приведены данные о существующем парке буксиров и рекомендации по списанию буксиров, выработавших свой ресурс к расчетному 1985 году. По этому вопросу уместно сделать следующие пояснения.
Имеется существенная разница в определениях "расчетный год" и "момент выполнения расчетов". Под расчетным годом понимается год, для которого заданы объемы буксирных работ и имеются данные для определения оптимального количества буксиров, т.е. данные по которым производится расчет. Момент выполнения расчега - это тот момент времени, в который ведется заполнение массива данных по порту, необходимых для выполнения расчетов, и, в частности, данных об имеющихся в порту буксирах. Списание буксиров осуществляется согласно планируемым срокам службы. Срок службы портовых буксиров является обратной величиной показателя отчислений на полное восстановление и назначается в зависимости от мощности буксиров и рассчитывается согласно действующим нормативам /52/.
