Rationalization of port infrastructure management during Ice navigation

УДК 656.61.08

Б01: 10.15587/2312-8372.2019.160522

РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОРТОВОЙ ИНФРАСТРУКТУРОЙ В ПЕРИОД ЛЕДОВОЙ НАВИГАЦИИ

Лысый А. А., Котенко В. В., Яковцев С.С.

1. Введение

Управление, организация и планирование круглогодичных морских перевозок в значительной мере зависит от влияния внешних факторов, в частности от условий зимнего периода навигации. Рациональное управление портовой инфраструктурой способствует наращиванию грузооборота вне зависимости от сезонных колебаний. Под портовой инфраструктурой понимается совокупность имеющихся путей сообщения, транспортных терминалов и транспортных средств, которые выполняют перевозки или обеспечивают их выполнение. Одним из составных элементов портовой инфраструктуры являются ледоколы. Во всем мире остро стоит вопрос поддержания грузопотоков в ледовый период. В целом, в течение ледового периода мировые грузопотоки снижаются более чем в 5 раз по сравнению с летне-осенним периодом плавания, что негативно сказывается на показателях работы портов. Проводка судов по магистральным каналам в ледовых условиях характеризуется не только ограниченностью ширины свободного прохода каравана судов, но также и высоким уровнем изменчивости внешней среды и окружающей обстановки. В таких сложных условиях процесс управления судоходством усложняется применением соответствующих нормативных документов по режимам проводки судов и требует оперативного реагирования на внешние факторы. Исследования условий плавания в период ледовой обстановки показывают, что актуальными являются методы и расчеты, учитывающие как природные, так и производственные аспекты транспортного процесса, которые оказывают существенное влияние на управление и планирование работы портов.

2. Объект исследования и его технологический аудит

Объект исследования - управление морской портовой инфраструктурой в период ледовой навигации.

Управление портовой инфраструктурой в период ледовой навигации всегда связано с дополнительными трудностями и рисками для судна, груза и экипажа. Дополнительные риски и затраты не способствуют привлечению судовладельцев в порты, так как отсутствие конкретных сроков по обработке судов значительно усложняют дальнейшее рейсовое планирование конкретного судна. Следование в караване или без него требует от судоводителей готовности к непредвиденным ситуациям, оценки возможностей и состояния судна, гидрометеорологических условий, состояния и характеристики льда.

Транспортировка грузов является неотъемлемой частью управления товаропотоками и включает два взаимосвязанных процесса:

1) производство (непосредственно процесс транспортировки);

2) обращение (коммерческая и финансовая эксплуатация судов).

Эти процессы объединены законом рынка, согласно которому финансовая эффективность перевозки морским транспортом определяется величиной фрахтовой ставки на перевозку за вычетом общей стоимости транспортной услуги.

В процессе производства участвуют три основных элемента: людской труд, предметы труда (перевозимые: груз или/и пассажиры) и средства труда (суда). При этом стоимость груза увеличивается в зависимости от оценки стоимости труда моряков и эксплуатационных затрат.

Неверная оценка ситуации и отсутствие квалифицированного управления отдельными элементами портовой инфраструктурой может стать причиной повреждения корпуса судна или сковывания его во льду. Это, в свою очередь, может нести угрозу судну и экипажу, а также вызвать дополнительные расходы, связанные с задержкой судна, загрязнением окружающей среды, несвоевременной доставкой груза или его повреждением.

Рационализация управления портовой инфраструктурой в период ледовой навигации связана с необходимостью повышения безопасности судоходства и требует решения задач оптимизации элементов транспортного процесса, повышения точности определения места судна. А также умения экипажа успешно действовать в различных условиях плавания. Все эти и другие аспекты судоходства требуют системного подхода с использованием метода дедукции при решении важной транспортной проблемы - морской перевозки в ледовый период.

3. Цель и задачи исследования

Целью работы является изучение проблемы увеличения грузооборота и повышение качества грузовых перевозок в период ледовой навигации путем рационализации управления морской портовой инфраструктурой.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить понятие «фактор сезонности».

2. Разработать подход к формированию информационной базы, учитывающий различные формы производственной деятельности порта в условиях ледовой обстановки, удовлетворяющей требованиям непрерывного планирования и регулирования работы порта.

3. Разработать словесный алгоритм прогноза состояния ледового покрова для формирования караванов с целью статистического прогнозирования, включая все стадии обработки динамических рядов.

4. Исследование существующих решений проблемы

Исследование данных мировых портов показало значительное снижение грузооборота в ледовый период [1]. Снижение грузооборота в зимний период

связано с пропускной способностью морских путей из-за постоянной замерзаемости мелководных морей и простоя судов в ожидании ледокольной проводки. Существует очень высокий процент повреждения корпусов в результате подвижек и ледовых сжатий [2]. На основании работы выявлен высокий уровень аварийности судов в ледовый период, что обуславливается судоводительскими ошибками и составляет 38,7 %. Это, в свою очередь, указывает на неправильную оценку экипажами возможностей судов при ледовой обстановке. Суровые климатические условия и толщина льда, местами достигающая до полутора метров как минимум приводит к простою судна. Это влечет к дополнительным затратам судовладельцев и нежеланию ими эксплуатировать судно в столь суровых условиях, а также может повлечь за собой катастрофическое загрязнение окружающей среды и человеческие жертвы.

Приоритетной стратегией развития портов в условиях глобализации стало повышение конкурентности морского транспорта путем эффективного управления служебно-вспомогательным флотом. Одной из проблем управления эффективной работы портов в течение года является нехватка ледоколов и судов ледового класса, что приводит к ожиданию и простою судов. Эту проблему помогает решить алгоритм ритмичных, беспрерывных проводок караванов судов под проводкой двух ледоколов. Строительство многоцелевого судна для ледовой проводки судов с более высоким стандартом прочности, мощным двигателем и повышенными характеристиками проходимости, по мнению специалистов, должно решить проблему [3].

В работе [4] достаточно подробно рассмотрены проблемы навигации и аварийности во время ледового периода в Балтийском море. Однако, конкретных предложений по снижению рисков ледовой навигации не было предложено.

В работе [5] затронуты важные вопросы навигации с ледоколом, но не до конца раскрыт метод повышение безопасности. Авторами работы [6] был проведен значительный анализ ледовитости Азовского моря, хотя вопрос систематизации данных для повышения безопасности мореплавания в данном районе остается открытым. Частично вопрос сезонности был рассмотрен в работе [7]. Однако, вопрос влияния его на порты Азовского моря и навигацию не раскрыт. Исследования [8] были посвящены вопросу эффективности работы портов, но работа порта во время ледовой обстановки не была рассмотрена.

Авторами работы [9] показана важность и необходимость повышения эффективности ледовой проводки. Однако, вопрос влияния системного анализа сезонности рассмотрен не был. Авторами работы [10] подчеркивается важность и необходимость в эффективном использовании ледокола в Азовском море, но конкретного анализа ледовой обстановки не было проведено.

Потребность решения проблемы в более сжатые сроки, а также финансовые и временные затраты предложенных идей сподвигло авторов на углубленный анализ ситуации, а также выработку рационального алгоритма, который может решить эту проблему. Для составления алгоритма были использованы данные

имеющегося опыта ледовых проводок караванов судов, а также данные о состоянии ледового покрова и сроках наступления ледовых явлений. Предложенная идея может быть использована для планирования ледовых операций и стабилизации грузопотока в ледовый период, а также обеспечения навигационной безопасности при формировании каравана судов.

5. Методы исследования

Для решения поставленных задач и достижения цели в работе были использованы следующие методы:

- теоретического обобщения - при исследовании информационной базы изучаемого вопроса;

- статистического анализа - при изучении динамики грузооборотов;

- графический метод - для наглядного предоставления информации;

- математический метод - для проведения расчетов и анализа данных;

- системного подхода - при комплексном изучении вопросов пропускной способности ледовой навигации.

6. Результаты исследования

Внешняя природная среда определяет навигационные особенности судоходства, которые в значительной мере влияют на регулярность грузооборота портов и технико-эксплуатационные характеристики транспортных средств, используемых в определенном районе плавания. Правильное планирование предстоящего перехода во льдах, учёт и анализ всех факторов, способствует нивелированию неоправданных рисков, повреждений судна и задержки груза.

Рассмотрим и проанализируем влияния ледовой навигации на изменение грузооборота на примере Мариу льского и Бердянского портов (Украина), основываясь на данных грузооборота в период ледовой кампании (январь-март) и последующие три месяца, начиная с 2014 г. (табл. 1). По представленным данным отмечается, что в порту Мариуполь в 2014 г. снижение грузооборота составило примерно 33 % (1332 тыс. т), а в порту Бердянск понизилась на 17 % (73 тыс. т). За 2015 г., в Мариуполе с января по март наблюдалось снижение грузооборота на 43 % (2035 тыс. т), а в Бердянске - на 18 % (85 тыс. т). В 2016 г., снижение в Мариуполе составило 6 % (129 тыс. т), в Бердянске - 27 % (338 тыс. т). За 2017 г., во время ледовой обстановки, грузооборот Мариуполя упал на 39 % (773 тыс. т), а в Бердянске - 51 % (552 тыс. т). В 2018 г., снижение составило 40 % (807 тыс. т) в Мариуполе и 60 % (457 тыс. т) в Бердянске (табл. 1).

Рассмотрим определение вида, величины и характера взаимодействия судов ледового класса (табл. 2) в неарктических южных морях. В процессе проводки суда ледового каравана взаимодействуют с битым льдом в канале за ледоколом, соударяясь с отдельными льдинами; в процессе колки льда и проводки каравана ледокол должен эффективно преодолевать ледовые поля различной интенсивности [11].

Таблица 1

Динамика грузооборота в период ледовой и неледовой навигации _в период 2014-2018 гг._

Период Порт Ледовый период (январь-март) Неледовый период (апрель-июнь) Снижение г рузооборота

тыс. т %

2014 Мариуполь 2725,8 4058 1332 33

Бердянск 370 443,2 73,2 17

2015 Мариуполь 2647 4683 2036 43

Бердянск 398,7 484 85,3 18

2016 Мариуполь 2185 2315 130 6

Бердянск 909,9 1248,8 338,9 2

2017 Мариуполь 1204,27 1977,92 //3,65 39

Бердянск 530,2 1082,1 551,9 51

2018 Мариуполь 1207,27 2014,57 807,3 40

Бердянск 300,7 758,61 457,91 60

Примечание: составлено авторами на основе данных [1]

Таблица 2

Ледовые классы судов крупнейших классификационных сообществ_

Классификационное общество тедовый класс

Финско-шведские правила для ледового класса IA Super Ia IB IC Category II

Российский Морской Регистр Arc 5 Arc 4 Ice 3 Ice 2 Ice 1

Американское Судоходное Бюро Ia. 'A IB IC D0

Бюро Veritas IA SUPEr IA IB IC ID

Det Norske Veritas TCE-1A* ICE-1A ICE-1B ICE-1С ICE-C

Germanischer Lloyd Е4 Е3 E2 E1 E

Морской Регистр Lloyd 1AS 1A 1B 1C 1D

Nippon Kaiji Kyokai IA Super IA IB IC ID

Итальянский Морской Регистр TAS IA IB IC ID

Толщина ровного льда - Более 50 см 3050 см 15-30 см 10-15 см

Ввиду динамичности льдообразования и ледовых полей анализу были подвергнуты данные метеопрогнозов за более чем полувековой период (с 1950 по 2018 годы), которые обрабатывались методами статистики и обобщались в графической, табличной и аналитической формах. Характер взаимодействия битого льда с корпусом судна, кроме дрейфа ледяных полей и льдин, а также их способности создавать ледовые перемычки в виде торосов, зависит от возраста ледового канала, проложенного ледоколом [2]. Важным вопросом является установление характера

экстремальных ледовых нагрузок на рассматриваемом участке водного пути для последующего выбора энергетических характеристик ледоколов.

По методическим соображениям участок водного пути в условиях ледового судоходства в неарктических морях по ледовым условиям можно разделить на три типа:

1) припай;

2) разреженный лед;

3) свободная вода.

Положение кромки льда и его распространение зависит от суровости зимы и носит сложный системный характер. Так, все зимы можно разделить на три типа:

1) суровые;

2) умеренные;

3) мягкие.

Поэтому первыми статистическими методами определяются участки трассы, которые предоставляют серьезные затруднения для плавания по водному пути и характеризуются протяженностью ледовых трасс. Рассмотрим маршрут Мариуполь-Керчь, в среднем расстояние морского пути составляет 115 морских миль. В суровую зиму ледовая трасса в припае будет занимать 110+-5 морских миль, в умеренную - в припае 22+-2 морских миль, в плавучем льду - порядка 82 морских миль и в свободной воде - лишь 10+-4 морских миль. В мягкую зиму ситуация иная - в припае 5+-1 морских миль, в плавучем льду 10+-5 морских миль и по свободной воде - порядка 100 морских миль.

Рассмотрим маршрут Керчь-Бердянск, который в среднем составляет 95 морских миль. В суровую зиму навигация в припае может занимать порядка 92+-3 морских миль. В умеренную зиму, в плавучем льду, судам необходимо двигаться 25 морских миль, а по свободной воде - 70 морских миль. Если зима мягкая, то трасса Керчь-Бердянск будет полностью проходить по свободной воде.

Поэтому в суровую зиму протяженность пути Мариуполь-Керчь в припае составляет 100 %, в умеренную - 10 % в припае, 60 % в плавучем льду и 30 % по свободной воде, а в мягкую - 5 % в припае, 15 % в плавучем льду и 80 % по свободной воде.

Проходимость по ледовым полям к Мариуполю и Бердянску сильно изменчива по месяцам, это связано с погодными условиями, а в частности с силой и направлением ветра, температурой воздуха и воды. Наибольшие изменения можно отметить с декабря по январь, со смещением к югу, и с февраля по март, со смещением изохрон к северу.

Также необходимо учитывать толщину льда, которая в разных районах Азовского моря, в зависимости от типа зимы, может существенно отличаться.

В северной части Азовского моря продолжительность ледового периода занимает 100+-12 дней и в мягкую зиму толщина льда находится на отметки 0,5 м. В суровую зиму толщина увеличивается до 0,8-1,0 м. В западной части в мягкую зиму толщина льда колеблется от 0,1-0,3 м, а в суровую зиму от 0,6-0,8 м. Восточная часть имеет такой же ледяной период, 100+-15 суток, но толщина льда в мягкую зиму составляет 0,1-0,3 м, а в суровую - 0,6-0,8 м. Центральная часть имеет ледовый период порядка 90 дней, и толщину льда в мягкие зимы 0,2 м, а в

суровые 0,6 м. Керченский пролив имеет ледовый период порядка 55+-5 дней. Толщина льда в мягкие зимы составляет порядка 0,42 м, как и в суровые.

Линейные эмпирические зависимости с определением коэффициентов уравнений прямых сроков наступления ледовых явлений и характеристик ледяного покрова в зависимости от географической широты местонахождения или предстоящего местонахождения судна были предложены в работе [12]. Данные уравнения направлены на рационализацию работы порта во время ледовой обстановки и, в частности, для планирования ледовых операций.

В результате анализа выработан алгоритм прогноза состояния ледового покрова с целью формирования караванов и выбора ледокола:

1. Необходимо определить маршрут проводки каравана, район плавания и тип зимы.

2. В зависимости от типа зимы определить протяженность пути во льдах.

3. Методом интерполирования устанавливаются промежуточные изохроны. Определяется долгота и широта припая в начале и конце маршрута.

4. Выбирается основной ледокол в зависимости от толщины льда в северной части местонахождение каравана.

5. Определяется толщина ледового покрова на всем участке пути, в зависимости от района плавания и типа зимы.

6. Для каждого из портов Азовского моря в зависимости от его расположения определяются среднестатистические характеристики ледовой операции.

Авторами сделана оценка эффективности пропускной способности водных путей Азовского моря в период ледовой обстановки. При расчете предложено внедрить коэффициент пропускной способности (1), который позволит определить возможность увеличения пропускной способности портов, сократить время и затраты на организацию обеспечения доставки грузов в порт/из порта.

где Фс - количественная оценка фактически обработанных судов в ледовый период; Тс -количественная оценка теоретически обработанных судов в ледовый период.

Составные части ледовой компании влияют на пропускную способность портов Азовского моря, условия безопасной навигации, загрязнения окружающей среды. Используя фактор сезонности с учётом предложенного алгоритма, рассмотрим возможность обеспечения непрерывного грузооборота на примере сухогрузного судна дедвейтом около 30000 т.

Стоимость судозахода в порты Украины рассчитывается исходя из тоннажа судна. Согласно новым тарифным ставкам [13] средняя стоимость судозахода для сухогрузного судна валовой вместимостью 30000 регистровых тонн составляет 24000 дол. США. При использовании ледокола стоимость судозахода как минимум увеличивается на 8000 дол. США и составляет 32000 дол. США. Среднее количество

судов, которые ледокол способен провести за 1 выход, с учётом прогнозируемых внешних факторов, может составлять 10 судов, то есть экономия может составлять более 90 %. При этом расходы по содержанию ледокола составляют приблизительно 6500 дол. США в сутки, не учитывая расходы на топливо.

Путем рационализации управления портовой инфраструктурой предполагается, что, используя разработанный алгоритм прогноза состояния ледового покрова для формирования караванов ледокол вместо 10-15 выходов в рейс для проводки судов может сократить их количество до 4-5. При этом проводя максимально возможное количество судов приблизительно одного тоннажа, чем существенно снизит расходы порта и увеличит его прибыль, а также привлекательность портов для иностранных судовладельцев.

Оптимизация управления портовой инфраструктурой в период ледовой навигации приведет к существенной экономии средств судовладельцам (табл. 3). Это положительно скажется на конкурентной позиции порта и будет способствовать привлечению грузопотоков в течение всего календарного периода вне зависимости от наличия ледяного покрова.

Таблица 3

Финансовые показатели работы судна в период ледовой и неледовой навигации

Финансовые показатели Ледовый период Неледовый период

Коэффициент пропускной способности 0,6 0,9

Сумма затрат, дол. США:

- топливо 22050 20009

- портовые сборы 204189 174179

Общие затраты, дол. США 226239 194188

Прибыль, дол. США Ь 87812 200771

Уменьшение затрат на содержание и эксплуатацию ледоколов за счет сокращения их выхода в море так же сократит портовые расходы.

7. SWOT-анализ результатов исследований

Strengths. При помощи сформулированного понятия фактора сезонности и прогнозирования ледообразования, на основе разработанного словесного алгоритма, можно достичь уменьшения затрат на использование ледокола во время ледовой навигации. Предполагается, что снижение выходов ледокола в рейс может быть снижено с 10-15 до 4-5. Это, в свою очередь, значительно снизит затраты портов на содержание ледокола и повысит производительность портов во время ледовой навигации.

Weaknesses. Данный метод требует апробации. Данные, которые были подвергнуты анализу, составляют более чем полувековой период. Необходимо в дальнейшем продолжать вести анализ и сбор данных касательно ледовой обстановки и влияния её на эффективность работы портов. Изменение климата может способствовать тому, что данные и алгоритмы необходимо будет

пересмотреть под изменяющуюся ситуацию. Применение данных алгоритмов для других морей и портов потребует провести анализ ледовой ситуации и влияния её на эффективность работы конкретных портов в строго отведенный период.

Opportunities. Дальнейшее исследования эффективности работы портов во время ледовой навигации может дать возможность более эффективно планировать логистику морских грузоперевозок как портом, так и грузоотправителем и судовладельцем. При повышении и оптимизации эффективности работы порта, могут быть обнаружены ранее невыявленные проблемы в эффективности работы морских портов.

Threats. Апробация данного метода может занять достаточно времени и ресурсов как самого ледокола, так и порта. Неправильное использование, трактование данного алгоритма может привести к негативным последствия как для судна, так и порта и окружающей среды. Данные, которые подвергаются анализу, должны постоянно обновляется и учитывать общую климатическую ситуацию и тенденцию.

8. Выводы

1. Для повышения эффективности грузооборота портов во время ледовой навигации было сформулировано понятие сезонности. Анализ суровости зимы дал возможность разделить её на три типа, для дальнейшего использования в анализе.

2. В результате анализа методов определения главных размерений судов для плавания на каналах, фарватерах и зонах маневрирования в табличной форме создан метод расчета максимальных и безопасных значений главных размерений судна. Данный метод комплексно учитывает основные процессы в элементах системы «судно - водный путь - погода - маневры» для повышения пропускной способности водных путей. А также отличается тем, что в нем используются апробированные методы расчета, которые в совокупности за счет повышения информативности системы позволяют учесть как природные, так и производственные аспекты транспортного процесса, а не только осадку судна как фактор безопасного судовождения. Эффективная и безопасная ледовая проводка повысит не только непосредственно безопасность мореплавания в ледовый период, но и повысит эффективность работы портов. Так же планируется снижение расходов судовладельцами и самим портами за счёт более экономичного и безопасного использования ледокола.

3. В результате статистического анализа и обработки данных за период с 1950 по 2018 годы разработан метод в виде словесного алгоритма. Данный метод позволяет не только качественно, но и количественно устанавливать виды и характер ледовых нагрузок на суда по труднопроходимым участкам морского пути. При этом учитываются ледовые явления и суровости зимы для безопасной проводки судов в период зимней навигации на примере Азовского моря. В результате было доказано существенное уменьшение грузооборота портов в период ледовой обстановки и предложены способы повышения пропускной способности водных путей в ледовый период.

Благодарность

Авторы благодарны за помощь и предоставленную информацию коллективу Администрации морских портов Украины, а также ГП «Мариупольский морской торговый порт» (Украина).

Литература

1. Показатели работы // Администрация морских портов Украины. URL: http://www.uspa.gov.ua/ru/pokazateli-raboty

2. Лобанов В. А. Моделирование взаимодействия льда с конструкциями // Вестник научно-технического развития. 2011. № 10 (50). С. 31-39.

3. Голиков В. В., Лысый А. А. Расчет максимально допустимых проходных характеристик судна в портовых водах // Забезпечення безаваршного плавання суден: матер. наук.-метод. конф. ОНМА, 1617.11.2011. Одеса: Видав1нформ ОНМА, 2012. С. 67-69.

4. Winter navigation at the Baltic Sea: An analysis of accidents occurred during winters 2002-2003 & 2009-2013 / Valdez Banda O. A. et. al. // Safety and Reliability: Methodology and Applications. Wroclaw, 2014. P. 83-92. doi: http://doi.org/10.1201/b17399-14

5. Bostrom M., Osterman C. Improving operational safety during icebreaker operations // WMU Journal of Maritime Affairs. 2016. Vol. 16, Issue 1. P. 73-88. doi: http://doi.org/10.1007/s13437-016-0105-9

6. Дашкевич Л. В., Немцева Л. Д., Бердников С. В. Оценка ледовитости Азовского моря в XXI веке по спутниковым снимкам Terra/Aqua MODIS и результатам математического моделирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13, № 5. С. 91-100.

7. Замерзание Азовского т оря и кма в начале XXI века / Матишов Г. Г., Матишов Д. Г., Гаргопа Ю. М., Дашкевич Л. В. // Вестник Южного научного центра РАН. 2010. Т. 6, № 1. С. 33-40.

8. Baran J., Gorecka A. Seaport efficiency and productivity based on Data Envelopment Analysis and Malmquist Productivity Index // Logistics & Sustainable Transport. 2015. Vol. 6, Issue 1. P. 25-33. doi: http://doi.org/10.1515/jlst-2015-0008

9. Definition of Efficiency and Safety Criteria for Icebreaker in Ice Management Operations / Karulin E. et. al. // Volume 8: Polar and Arctic Sciences and Technology; Petroleum Technology. 2018. doi: http://doi.org/10.1115/omae2018-77404

10. Dergausov M.,Justification of the choice of an icebreaker for winter navigation in the Azov Sea // Shipbuilding and Marine Infrastructure. 2018. Issue 1 (9). P. 108-114.

11. Правила льодового проведення суден: Наказ Мшютерства шфраструктури Украши № 14 вщ 12.03.2011 р., зареестровано Мшютерством юстицп Украши вщ 04.04.2011 р. за № 447(19185). 15 с.

12. Zinchenko S. G., Yanchetskyi O. V. Analysis of ice conditions of winter navigation in the Azov sea for the substantiation of the icebreaker selection // Collection of Scientific Publications NUS. 2018. Issue 1-2. doi: http://doi.org/10.15589/jnn20180102

13. Про зниження ставок портових зборiв: Наказ Мшютерства шфраструктури Украши № 474 вщ 27.12.2017. URL: http://zakon.rada. gov.ua/laws/show/z0046-18