Повышение эффективности работы систем водного транспорта с помощью динамического имитационного моделирования

Повышение эффективности работы систем водного транспорта с помощью динамического имитационного моделирования

А. А. Бахарев,

ведущий инженер сектора проектирования морских систем освоения шельфа

А. В. Косоротов,

ведущий инженер СПМСОШ КГНЦ

А. Б. Крестьянцев,

начальник СПМСОШ КГНЦ

Представлен анализ основных факторов, влияющих на эффективность морских транспортно-технологических систем при освоении береговых и оффшорных месторождений. Описан новый подход к исследованию и проектированию таких систем и оптимизации их состава: суда представляются самостоятельными объектами, движущимися и взаимодействующими в геоинформационной среде под управлением логических блоков динамической имитационной модели.

О. В. Таровик,

научный сотрудник СПМСОШ КГНЦ

А. Г. Топаж,

д-р техн. наук,

ведущий научный сотрудник

СПМСОШ КГНЦ

Ни один этап освоения береговых и оффшорных месторождений не обходится без использования систем водного транспорта, повышение эффективности которых является одной из важных и широко исследуемых задач. Особенно актуальна эта задача при реализации арктических проектов в условиях слаборазвитой железнодорожной инфраструктуры, когда доставка большинства грузов возможна только водным транспортом.

Транспортное обеспечение месторождений включает в себя такие операции, как доставка персонала, вывоз отходов, завоз грузов снабжения, транспортировка добытой продукции и другие. Эти операции выполняются на всех этапах развития проекта (рис. 1). Степень использования водного транспорта может быть различна в зависимости от типа и расположения месторождения, а эффектность транспортной системы определяют различные особенности проекта. Однако во всех случаях эффективность и надежность транспортной системы существенно (порой определя-юще) влияет на эффективность проекта в целом.

Для повышения эффективности работы морских транспортно-технологи-ческих систем (МТС) необходим полноценный учет и снижение рисков, опре-

Рис. 1. Основные этапы освоения месторождения

деляющих своевременность и качество поставок. Приведем основные технические и коммерческие риски:

1) срыв и нарушение сроков поставок вследствие нерациональной организации отгрузки, транспортировки или хранения;

2) срыв и нарушение сроков поставок вследствие неблагоприятных гидрометеоусловий;

3) низкая эффективность транспортной системы вследствие выбора неоптимальных параметров технических средств, обеспечивающих обустройство месторождения.

Работа с рисками таких типов ведется в ходе детального проектирования системы водного транспорта и усложняется множеством объектов, входящих в систему и взаимодействующих друг с другом (рис. 2).

При проектировании МТС решаются следующие основные задачи: планирование движения транспортных судов и судов флота обеспечения; определение динамики количества груза в хранилищах портов погрузки и выгрузки; создание рационального графика поставок грузов, определение оптимального числа звеньев МТС (наличие или отсутствие перевалочных баз), анализ экономичности работы МТС, сохранности перевозимых грузов (что особенно актуально, например, для сжиженных газов) и другие. При этом, как правило, по экономическим критериям сравниваются альтернативные варианты МТС и выявляется оптимальный из них.

Береговая

Традиционно в области водного транспорта для решения этих задач использовались методы математического программирования, базирующиеся на понятии провозоспособности судна на линии. Главный недостаток такого подхода для детального анализа транспортной системы - сложность учета факторов, зависящих от времени, и невозможность учета логики движения и взаимодействия судов [1]. В некоторых случаях традиционный подход не обеспечивает учета ряда критически важных факторов, к которым относятся [2, 3]:

1) нестационарность внешних условий и внутренних характеристик объектов транспортной системы (например, динамика ввода судов в эксплуатацию; изменение интенсивности грузопотока; обрастание корпуса судна, приводящее к ухудшению ходовых качеств);

2) пространственная неоднородность условий (ледовых, ветро-волно-вых, глубины), т. е. связь между логикой движения судна и свойствами регионов, в которые оно попадает;

3) взаимодействие между грузовыми судами и судами обеспечения, а также между судами и береговыми объектами (возможности использования ледокольной проводки и формирования караванов, ограниченные емкость хранилищ и эффективность причального и грузового оборудования; возможность ускорения или замедления хода судов);

4) возникновение экстремальных обстоятельств, аварийных и внештатных ситуаций, что приводит к необходимости оценивать не только усредненные показатели эффективности системы, но и вероятность ее выхода за рамки устойчивого функционирования.

В последние годы стало активно развиваться направление динамического имитационного моделирования систем, которое позволяет учитывать все указанные факторы при описании работы МТС. С использованием современного агентного имитационного моделирования в 2012-2014 гг. во ФГУП «Крылов-ский государственный научный центр» был создан программный комплекс (ПК) «МТС-модель», предназначенный для решения задач проектирования и анализа работы морских транспортных систем, работающих в том числе в ледовых условиях.

Идея создания данного комплекса заключается в интеграции в рамках единого программного обеспечения

Рис. 2. Объекты, учитываемые при исследовании МТС

методов и подходов из различных предметных областей, имеющих отношение к исследованию МТС и оптимизационному проектированию судов. В программном комплексе интегрированы следующие направления [2]:

1) судостроительные дисциплины;

2) геоинформационные среды (ГИС);

3) динамические имитационные модели (ДИМ).

Применение объектно ориентированного подхода позволило реализовать в программе следующий принцип исследования МТС: суда представляются как самостоятельные объекты, движущиеся и взаимодействующие в геоинформационной среде под управлением логических блоков динамической имитационной модели. Это дало качественно новый инструмент исследования, отличающийся как широтой спектра решаемых задач, так и числом натурных факторов, учитываемых при выполнении исследований.

При создании ПК «МТС-модель» выделены три основных направления использования судостроительных дисциплин:

1) расчет ходовых качеств судов во всех эксплуатационных условиях - определение параметров движения судна, включая движение по тихой воде, при ветре и волнении, самостоятельное движение во льдах, движение в караване за ледоколом, в смерзающемся ледовом канале и других; при этом учитывается принудительное снижение скорости судна на волнении, обрастание корпуса, влияние ограниченной глубины, ледовая прочность корпуса и другие натурные факторы;

2) определение основных характеристик судов различных типов (тан-

керов, газовозов LNG и LPG, многоцелевых контейнерных судов, рудовозов и т. п.) на основе ограниченного числа входных параметров (грузовместимости, ледового класса, скорости хода, ледопроходимости и других);

3) технико-экономический анализ -определение строительной стоимости судов с учетом особенностей верфи-строителя, фрахтовой ставки, портовых сборов, а также интегральных экономических показателей МТС с учетом береговой инфраструктуры, различных схем владения флотом, кредитования строительства судов и т. п.

При использовании геоинформационных технологий уменьшаются затраты времени на подготовку исходных данных о природных условиях. Кроме того, становится возможной реализация логики движения и взаимодействия судов, которая неразрывно связана с геоинформационным пространством. Геоинформационная среда, в которой моделируется движение судов МТС, содержит данные трех типов:

1) слои, формирующие географическое пространство для навигации: береговая черта, батиметрические условия, фарватеры и др.;

2) слои и базы данных природных условий, необходимые для расчета параметров движения: вероятностные данные о ветре и волнах, условия видимости, параметры льда и ледовых сжатий;

3) зоны с особыми экономическими условиями или логическими ограничениями: обеспечивают учет различных налогов и сборов в зависимости от характеристик судна, времени года и параметров груза, а также позволяют

Рис. 3. Принципиальная структура ПК «МТС-модель» и типовая последовательность расчетов

Рис. 4. Интерфейс «Конструктора сценариев» ПК «МТС-модель»

моделировать зоны ледокольного дежурства.

Логика динамической имитационной модели ПК «МТС-модель», реализованной в среде AnyLogic, позволяет моделировать линейные перевозки различных грузов по прямой и перевалочной схемам, работу буровых, рыболовных, исследовательских и других судов. Основная сложность реализации собственно имитационного эксперимента состоит в необходимости оптимального планирования перевозок и назначения судов на рейсы, т. е. в решении задачи автоматического оперативного управ-

ления работой флота. Принятые в ПК «МТС-модель» подходы для решения этих задач описаны в [2, 3].

Помимо стохастических факторов (например, ветра или волнения) имитационное моделирование дает возможность учитывать влияние моделируемых объектов друг на друга. Например, в реализованной модели зарастания ледового канала в припае параметры канала зависят от характеристик прошедших судов, общего числа проходов по каналу, интервала движения, температуры воздуха и других параметров, которые могут быть описаны только в

Рис. 5. Внешний вид мелкосидящего ледокола проекта 22740

рамках вычислительного эксперимента со всей динамической моделью.

На рис. 3 показана принципиальная структура [2] ПК «МТС-модель» с типовой последовательностью расчетов. Модуль «Конструктор сценариев» (рис. 4) осуществляет управление последовательностью расчетов и заданием различных статических и динамических сущностей рассматриваемой МТС. Каждый функциональный модуль (см. рис. 2) предназначен для решения отдельного класса задач:

1) «Маршрутные затраты» — для определения усредненных параметров движения МТС (времени рейса, затрат на топливо, сборов, времени ледокольного сопровождения), необходимых для решения задачи управления движением МТС;

2) «Оптимизационный блок» — для определения и оптимизации основных параметров и числа судов, действующих в составе МТС, на основании упрощенных моделей эксплуатации;

3) «Имитационная модель» — для выполнения полного имитационного эксперимента с исследуемой МТС.

В блоке «Вариант МТС» с помощью указанных расчетных модулей собирается информация о конфигурации исследуемой МТС. Вариант МТС содержит однозначное описание таких объектов системы, как характеристики и число судов, параметры портов и др., и может быть в дальнейшем исследован методами имитационного моделирования.

С помощью ПК «МТС-модель» в 2014-2015 гг. был выполнен ряд практических работ. Во-первых, создана модель работы мелкосидящих ледоколов пр. 22740 (рис. 5) в Азово-Черноморском и Каспийском бассейнах (по заказу Федерального агентства морского и речного транспорта). Выполнены расчеты времени движения каравана судов под проводкой ледокола в средних и тяжелых ледовых условиях; определены требуемое число ледоколов и расходы топлива для перспективных грузопотоков. На основании полученных резуль-

Рис. 6. Динамика значений технико-экономических показателей МТС проекта «Новый порт» в зависимости от типа ледовых условий

татов принято решение о снижении требований к автономности ледоколов по топливу, что существенно уменьшило капитальные затраты по судам и эксплуатационные издержки системы в целом.

Во-вторых, выполнена оценка характеристик транспортной системы, обеспечивающей вывоз углеводородов из Ванкорского региона (Карское море) в западном и восточном направлениях, включая круглогодичное движение по трассам Северного морского пути (по заказу ООО «РН-КрасноярскНИПИ-нефть»). Определены характеристики нефтяных танкеров, газовозов LNG и LPG различных ледовых классов, рассчитано время рейса судов из Карского моря до стран Европы и Азиатско-Тихоокеанского региона в ледовых условиях различной степени тяжести.

В-третьих, разработана имитационная модель движения крупнотоннажных танкеров из района мыса Каменный (Обская губа) до порта Мурманск в условиях смерзающегося ледового канала в припае (по заказу ООО «Газпром нефть Новый Порт»). Определено необходимое число ледовых каналов в припае и ориентировочные даты их прокладки, обоснована вместимость берегового резерву-арного парка арктического терминала с учетом возможных задержек судов (рис. 6), определены объем и сроки необходимой ледокольной поддержки танкеров в тяжелых и экстремально тяжелых условиях, показатели работы транспортной системы по временной схеме, технико-экономические показатели всего жизненного цикла МТС [4]. Было выявлено значительное влияние протяженного ледового канала на показатели МТС, что позволило сделать вывод о необходимости обеспечения максимально возможной регулярности перевозок, так как в этом случае параметры ледового канала будут наиболее благоприятными. Сформулированы условия, при которых возникает риск переполнения хранилища.

В-четвертых, разработана модель эксплуатации атомного ледокола-лидера мощностью 110-130 МВт (по заказу Минпромторга РФ). Определена продолжительность работы ледокола на одной загрузке ядерного топлива при проводке судов различного класса в восточном секторе Арктики в ледовых условиях различной степени тяжести.

Проанализированы грузопотоки, обеспечиваемые одним и двумя ледоколами-лидерами.

В-пятых, выполнен анализ логистической схемы работы челночных танкеров на МЛСП «Приразломная» (по заказу ООО «Газпром нефть шельф»). Проведен численный имитационной эксперимент по оценке скорости гру-зообработки на основании натурной статистики по подходам-отходам судов, а также определены окна погоды для выполнения грузовых операций по допустимым направлениям ветра и дрейфа льда.

Примеры выполненных работ подтверждают широкие возможности агентного имитационного подхода в области исследования систем водного транспорта. Такой подход позволяет учитывать значительное число натурных факторов, моделировать множество логических аспектов работы систем, что невозможно при традиционных «статических» подходах, а также оптимизировать характеристики судов в составе транспортной системы с учетом логики ее работы. Агентная имитационная модель также позволяет учитывать все факторы, определяющие риски проекта освоения: от технических до экономических, включая моделирование аварийных и внештатных ситуаций.

Программный комплекс «МТС-модель», синтезирующий на базе объектно-ориентированного подхода такие направления, как динамические имитационные модели, геоинформационные системы и судостроительные дисциплины, предназначен для решения

задач исследования и оптимизации МТС, находящихся на стыке проектирования и эксплуатации. Результаты исследования параметров МТС служат основой для принятия решений на всех стадиях жизненного цикла систем: от первых этапов разработки проектов судов и объектов береговой инфраструктуры до решения эксплуатационных задач. П

Литература

1. Таровик О. В., Косьмин М. С. Имитационное моделирование морских транспортных систем, работающих в ледовых условиях с соблюдением графика поставок // Судостроение. 2014. № 1. С. 9-14.

2. Таровик О. В., Бахарев А. А., Топаж А. Г. и др. Имитационная модель работы флота как инструмент анализа эксплуатационных параметров судов и обоснования проектных решений // Науч.-техн. сб. Российского морского регистра судоходства. № 38/39. С. 46-52.

3. Топаж А. Г., Таровик О. В., Косоро-тов А. В., Бахарев А. А. Программный комплекс имитационного моделирования для проектирования и анализа морских транспортных систем. // Тр. 3-й междунар. науч.-практич. конф. «Имитационное и комплексное моделирование морской техники и морских транспортных систем (ИКМ МТМТС 2015)». СПб., 2015. С. 143-147.

4. Крестьянцев А. Б., Луцкевич А. М., Таровик О. В. Морские перевозки СПГ: современное состояние и пути оптимизации транспортных систем // Neftegas.ru 2015. № 5. С. 32-37.