автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Методология проектирования региональных морских транспортных комплексов (На примере Дальневосточного бассейна)

санкт-пптпрпургскш"! государственный люрскоп технический университет

БУГАЕВ Виктор Григорьевич

На правах рукописи

Методология проектирования

региональных морских транспортных

комплексов (На примере Дальневосточного бассейна)

Специальность 05.08.03.—проектирование и конструкция судов

автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Дальневосточном ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте имени В. В. Куйбышева.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ГАЙКОВИЧ А. И.

лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор МИРОШНИЧЕНКО И. П.;

доктор технических наук, профессор РАКОВ А. И.

Ведущая организация—Дальневосточный научно-исследовательский институт морского флота.

Защита состоится 34. 43 1992 г. в ¿Ь час. в ауд.^^7 на заседании специализированного Совета ДО "53.23. 04 по присуждению ученой степени доктора технических наук при Санкт-Петербургском Государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета.

Автореферат разослан <20о^гп^Ър^ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат техн. наук, доцент В. Б. АМФИЛОХИЕВ

("{>'-• и ■ - ' ■•" ¿ЙэЛИО 11.:'. А

I. ОБЩАЯ ХАРАКГЕРИСТЖА ДИССЕРТЯДЮННОЯ РАБОТЫ

Актуальность теш. Флот Дальневосточного морского бассейна представляет собой слоквую региональную морскую транспортную систему, элемента которой рассредоточены на значительной территории и связаны менду собой и с внешней средой слохшм дшампеасими и стохастичосюми связями. Это выдвигает ряд первоочередных проблем, связанных с научно обоснованным развитием структуры система, исходя из стоящи перед ней задач.

Основным;! задачами морской транспортной системы являются: более полное удовлетворение возрастающей потребности народного хозяйства во внешнеторговых и каботакных перевозках;

улучшение доставки грузов в районы Крайнего Севера и Дальнего Востока;

повышение объема и эффективности транспортных услуг; ' высокая безопасность плавания и надекшсть функционирования. Процесс развитая системы предполагает сштез ее структуры -определение состава элементов системы, замену физичесга и морально устаревших элементов современными, аффективными. Под структурой слокной системы понимается логически строгая ее организация из отдельных элементов,взаимосвязанных кежду собой и с внешей средой и направленных на выполнение поставленной задачи.

Средством реализации этих вэ"2 шх народнохозяйственных вопросов является, во-первых. Солее эффективное использование имевдихся на Морском транспорте основных фондов и материальных ресурсов на основе рационального их применения, во-вторых, белее эффективное ' внедрение капитальных сложений на основе обоснованного, плзномерного развития всех звеньев систеш.

Анализ современного состояния планирования п управления морским транспортом показывает, что эти задачи решаится, как правило, Оэз детального учета особенностей его работы и взаимодействия. Поэтому одной из веишх проблем становится создание автоматизированных систем планирования л управления все»,и звеньшох морского транспорта с учетом динамики их развитая и взаимодействия.

Вследствие сложности структуры и взаимосвязей качество планирования и управления оценивается но по одному, а по целому ряду показателей таких, как приведенные затрата, прибыль, надежность, себестоимость перевозок и др.

Решение задач, связанных с определением структуры сложных региональных морских транспортных систем, требует создания методологических основ адекватного математического описания элементов л системы в целом, построения моделей и методов синтеза во структуры. Трудности практического использования традиционных моделей связаны превде всего с учетом динамики и надежности функционирования системы, с многокритериальным характером выбора варианта структуры, а ■ также с обеспечением полноты, точности и достоверности исходной информации.

Особое место в структуре региональной морской транспортной системы занимает арктический флот и береговая, инфраструктура арктических портопунктов как' специфический участник транспортного процесса, основной, задачей которого является ритмичная и,падежная доставка грузов в Артеку. Несоответствие транспортных судов и ледоколов ледовым у словит плавания, .а провозоспособности транспортных • судов' интенсивности грузопотоков приводит , к существенным неоправданным затратам '.и к возможным нарушениям процесса функционирования.- ' •

В силу сказанного, разработка и внедрение методологии проектирования региональных морских транспортных комплексов является актуальной научной и народнохозяйственной проблемой.

Целью работы является создание и практическая реализация методологии проектирования регионального морского транспортного комплекса (ДВ бассейна) и на ее основе-мэтодик функционирования и пополнения флота, оптимизации характеристик судов ледового плавания, а также разработка практических рекомендаций по использованию результатов • исследования. Для достижения поставленной цели:

выполнен анализ современного состояния перевозок в Арктике, состояния методологии проектирования и организации взаимодействия различных элементов региональных систем морского транспорта и на этой основе намечены методические аспекты совершенствования про-

цесса проектирования морского транспортного комплекса (МТК) ДВ бассейна;

разработана имитационная модель функционирования арктического флота и взаимодействия его с другим компонентами МТК бассейна с учетом динамических и стохастических факторов функционирования н моделирования организационных ситуаций;

разработана методика обоснования .арктического флота МТК бассейна с учетом возможности еэ применения для согласования решений в задачах по определению эффективного доиспользованпя части судов после окончания арктической навигации;

разработана методика системной оптимизации развития и пополнения флота МТК бассейна с учетом горизонтального согласования ропений на уровне пароходств и вертикального согласования решений с коордшшруюцкм центром;

разработана методика оптимизации характеристик . судов ледового плавания па основе параметрической надежности их функционирования;

выполнена проверка адекватности и работоспособности методик п моделей функционирования и пополнения флота НТК бассейна, развитая инфраструктуры портопунктов арктического, побережья и оптимизации основных характеристик судов ледового плавания.

Реализация методологии проектирования регионального морского транспортного комплекса в виде трехуровневой иерархической модели позволяот рошать как внешнюю, так и внутреннюю задачи проектирования.судов.

Объектом исследования в диссертационной.' работе является региональный-морской транспортный комплекс, включающий транспортный, технический и слукебно-вспокогательный флот, а такие береговую инфраструктуру, обеспечивающую эффективную его эксплуатации.

Предмет защиты - совокупность результатов научных исследований, включаэдпх практические методики, прикладные разработки, модели и алгоритмы для решения научно-технических проблем, имеющих вакноэ народнохозяйствешое значение.

Связь темы работа с отраслевыми планими> Представленная работа является обобщением исследований автора, выполненных в 1976-91 гг. по госбндкетной теме в ДВПИ, по хоздоговорны!/ темам с

ВБТРО "Дальрыбы" ¡1 ДВМП, по планам НИР ДНИШФ, а также по договорам о творческом содрукестве с ДВШ, ДШШй, Институтом машшюведения и металлургии и Институтом экономических и международных проблем освоения океана ДВО РАН. Таким образом, работа связана с планами НИР Министерства науки, высшой школы и технической политики Российской Федерации, организаций Минрыбхоза, Мкнморфлота и Российской академии наук.

Научная новизна работа заключается в создании: методологии обоснования структуры морского транспортного комплекса бассейна на основе моделирозаши организационных ситуаций и взаимодействия его элементов в процессе функционирования с учетом динамических и стохастических факторов и согласованной оптимизации различных его подсистем; методики •оптимизации характеристик судов ледового плавания на основе объективных требований к параметрической надежности их работы в ледовых условиях.

Решение проектных задач на основе оптш.мзационно-иштацион-шх процодур и оценки параметрической надежности .дао г возможность:

по новому смотреть на процесс, оптимизационного н надежностного проектирования региональных транспортных комплексов и судов, входящие в -их состав, рассматривать синтез структуры комплекса во взаимосвязи с .решением социально-экономических и экологических задач и с оптимизацией состава технического и слукебно-вспомогательного флота;

разработки новых подходов и моделей оптимизации характеристик судов на основе вероятности их безотказной работы в течение планового периода в заданной стохастической среде.

Результаты исследований позволяют внести существенный методологический вклад в теорию проектирования: региональных транспортных комплексов; арктического флота НТК бассейна; инфраструктуры поргопунктов арктического поберекья; судов ледового плавания.

В процессе исследования разработаны такке методические аспекты, позволившие получить алгоритмы и отдельные зависимости для совершенствования существующих проектных методик.

Практическая ценность исследований заключается в том, что использование разработанных рекомендаций позволяет учесть при обосновании структуры МТК бассейна и оптимизации характеристик судов, особенности работы флота и портопунктов, аварийные и организационные ситуации, а такг:е параметрическую надежность их функционирования. Практическая ценность работы состоит тек::з в том, что в ней доведены до инженерных методик и программ основные положения исследования, сформулирован ряд практических рекомендаций.

Внедрение разработанной методологии позволяет повысить качество принимаемых ресений, эффективность проектируемых судов и работы флота в целом. Основные положения методологии были использованы при обосновании пополнения транспортного флота ДВШ, планировании развития инфраструктуры портопунктов арктического поберезья Чукотки, при исследовании гранспоргао-технологических систем Дальневосточного региона и определении эксплуатационной надежности судов, что позволило сократить сроки исследований и получить реальный экономический эффект.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований были 'использованы:

в ВБТРВ "ДальрыСы" Минрыбхоза при разработке темы "Исследование вопросов эксплуатационной надегяоста судов ВБТРО Приморрыбпрома", связанной с разработкой проектов модернизации транспортных рефрижераторов, рыбопромысловых и технических судов (годовой экономический эффект - сто пятьдесят пэсть тыс. руб.);

з ДНШШе Минморфлота при плашфовании •■ инфраструктуры портопунктов.арктического побэрекья Чукотки;

в ДВШ Минморфлота при обосновании пополнения транспортного флота в Х1-Х11 пятилетках;

в Институте экономических и международных проблем освоения океана ДВО РАН при разработке модели развития и анализе результатов исследований транспортко-технологических систем Дальневосточного региона, при экспертной оценке проектируемых и угя существу-

кцих элементов в составе системы;

в Институте машиноведения и металлургии ДВО РАН при ншол-

нении НИР "Повышение надежности и эффективности транспортных средств" (инв. }} РИ-5-Э1), связанной с разработкой и внедрением методов оптимизации судов с малой площадью ватерлинии в условиях неопределенности к стохастических воздействий.

Основные положения диссертации нашли такно применение в учебном процессе в ДВПИ, ДВВШ", КпАШ.

Апробация работ. Основные положения и результаты диссертационной работы догладывались и обсуздались на научно-технических конференциях Ленинградского кораблестроительного института (г.Ленинград, 1930, 1982 гг.), Николаевского кораблестроительного института (г. Николаев, IS8I, 1982 гг.), Дальневосточного политехнического института (г. Владивосток, 1986, 1933 гг.), на научно-технической кон£еронцпп "СовериенстЕовашю методов проектирования в судостроении" (г. Севастополь, IS8I г.), на Все сошной научно-технической конференции "Проблемы модульного судостроения" (г. Ленинград, 1982 г.), im IY Всесоюзной конференции "Проблеш научных исследований в области изучения и освоения Мирового океазш" (г. Владивосток, I9B3 г.), на ХХУ научно-технической конференции Приморского правления ЕГО им. акад. А.Н. Крылова (г. Владивосток, 1978 г.), на VII, VIII, 33, К Дальневосточных научно-технических конференциях "Учет особенностей ДВ бассейна при проектировании и модернизации судов" (г. Владивосток, 1283-89 гг.).

В полном объеме диссертационная работа рассмотрена и рекомендована к защите на засодании кафедры проектирования судов Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета.

Публика!пта. Основные материалы диссертации опубликованы в 24 работах автора, из которых 16 являются личными публикациями, о 8 выполнены в соавторстве. Две публикации являются пособиями, а остальные опубликованы в отраслевых сборниках "Кибернетика на морском транспорте", в сборниках Трудов HÜI, КТО им. акад. Л.И. Крылова и других, в виде отчетов по IE1P.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, .шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 270 страниц основного текста, 18 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 271 наименования.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Методологической основой диссертационной работы являются ;:ссл9Доваш1я:

в области теории проектирования судов - В.Л. Поздкпина, Л.П. Яогида, B.D. Аыика, A.B. Бронникова, И.П. Миропгаченко, З.М. Зашила, A.IÎ. Ракова, Б.Л. Царева, И.В. Челпанова;

в области проэктироважл транспортних судов ледового плавания - Л.К. Арикайнена, A.B. Бронникова, А.Д. Зпгяша, В.П. Каштеляна, Д.Д Максутова, И.П. ?&рсш1ппгенко, А.1С. ?.йцевич, Л.Н. 'Лучюпса. И.И. Позняка, D.H. Попова, Е.П. Роннова, А.Я. Рывлпна, D.Ä. Симонова, Ю.П. Слобоканинова, О.В. Фаддеева, Д.Е. Хайсинз,

В.В. Христолюбова, Л.Г. Цоя и др.;

в области математического моделирования и применения ЭЕ" -А.Г. Аганбегяна, Л.Б. -Бреслава, А.Н. Вакедченко, А.И. Гайксшча, Ци. Данцига, B.C. Дорина, И.Г. Захарова, В.М. Папина, А.П. Parana, S.U. Семенова, Л.Ю. Худякова, П.А. Шауба, А.Г. И'злканова и др.

в области статистического п имитационного моделировать - A.A. Бакаева, II.П. Еусленко, A.C. Бутова, А.Л. ЛВДзица, И.В. Иакспквл,

Э.А. Мальца, Кейлора, Л. Пркцкера, А.Д. Изиркунз, Р. Шеннона и др. ;

в области наде:ягастн систем - Г.С. Лнтушсва, Б.В. Гнедекко, Ii.П. Норенковз,-A.C. Прошипсов"., А.Л. Райкина и др.

Во введен™ обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи исследования, определяются предает заищты, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе анализ1фуегся современное состояние методологии проектирования морских транспортных снсгом, формули-руется постановка задачи исследования, рассматривается методологические аспекты совершенствования процесса прооктзфовапня морских транспортных комплексов.

Проведенный анализ позволяет выделить основные полегания

современного подхода к проектированию сложных систем:

основой моделирования социально-экономических систеи являзгся системный подход. Системный подход предполагает учет внутренних и внешних связей система и декомпозиционные принципы построения моделей синтеза ее структуры:

заметное положение в математическом аппарате проектирования систем занимают статические модели математического программирования, которые позволяют принимать решения в четко определенных условиях;

стохастические и динамические процессы, протекекедо в системах, учитываются с пошцью имитационного и статистического моделирования в итеративных оптимнзацтощга-кьмтационвых процедурах;

нахождение компромиссных репений осуществляется с помощью методов многокритериальной оптимизации;

переход к вероятностным методам позволяет повысить адекватность математических моделей 'проектирования систем и подучить более информативные вероятностные критерии для принятия решения.

Непрерывный процесс развития UTK предполагает синтез его структуры - определение состава элементов системы , замену физически и морально устаревших элементов современными и эффективными; Социально-экономическая эффективность и надежность .функционирования МТК обеспечивается соответствующим проектированием ледокольно-транспортного флота и обслудивавщих его работу систем, а также проведением социально-экологических мероприятий.

Математическая интерпретация задачи исследования заключается в следующем.

Рассматриваемая система S находится в некотором начальном

состоянии -SqC S0 и является управляемой. Под воздействием осуществляемого управления X система S переходит из

первоначального состояния SQ в конечное состояние SKeSK по

некоторой траектории SteSt, где SK и - область допустимых конечных состояний и множество состояний, характеризующих траектории движения. Эффективность управления X определяется функцией

При этом каждой точно Б^еЗ^. траектории соответствует свое значение функции У(Х).

На нам взгляд, наиболее целесообразной является следующая

постановка задачи параметрического синтеза МП£ бассейна. Найти

* *

такую реализацию управления X (т.е. траекторию движения Б. ) из

* с

множества X . при которой параметрический функционал У(Х ), отражающий социально-эхономичеслую направленность системы, достэтаег экстремального значения при заданных условиях Функционирования и параметрической надежности.

Эффективность и надежность функционирования !ЛК бассейна как слояюй социально-экономической систем невозможно оценить с помощью одного единственного критерия. Существует целое множество

У(Х)=[ У1(Х),У2(Х).....Ут(Х)1

критериев, каждый из которых характеризует отдельное качество функционирования. Доказано, что точная оптимизация векторного функционала в большинстве случаев недостижима. Поэтому ренекие задач;! векторной оптимизации - проблема принятия компромиссного решения.

. йгокество допустимых решений задачи определяется областью (хеИП | У3(Х)—» еггг, 3=1,и }

ила

п

где ХеП - вектор характеристик системы и ее элементов (реализация управления);

а^ -требования к качествам системы и ее элементов.

Критерии заданы аналитически 3=1,га,

а область допустимых решений Х=Лх определяется ограничениями

Л^, заданными аналитически Ауг^ -[хеН I Г1(Х) 5 0,1=1.П ]■ ) и алгоритмически

лх(/Ьг{ХенП I fi(X) s

В состав ограничений (возможно критериев) входит оценка параметрической надежности работа флота и подсистем

Pp(T)=p|íi(X(t)) s О, i=n,k , VteíO.nj .

Py(T)=P^yj(X<t)) 2: а., , J=1 ,m . VtetO.T)} ,

записанная в виде вероятности обеспечения условий работоспособности.

Решением поставленной задачи является область Парою в пространстве критериев Y(X), которая характеризуется тем, что любое принадлежащее ей решение нельзя улучшить одновременно по всем критериям.

Задачу оптимизации элементов МТК бассейна можно сформулировать следующим образом. Определить вектор X характеристик, при которых достигается наивысшая эффективность элемента в составе МТК бассейна в области функциональных ограничений при заданной параметрической надежности

FjfX.t) -► min (max) .leí ;

р[у^(ХД) г aj j=t.m , V t e(0,Tl] г P.

n

где ХеН - вектор характеристик элемента; FjtX.t) - векторный критерий эффективности; 7j(X,t) - функции, определяющие качества'элемента; öj - требования к качествам элемента.

Рассматриваемые задачи могут быть реализован^ с помощью имитационного моделирования, теории игр, методов многокритериальной оптимизации к математического программирования . с системных дозйций.Решение задач' в рамках единой модели невозмокно, а принятие решения на ее основе вряд ли-целесообразно. ■

Учет внутренних связей и внешних условий в системе находит отражение в создании комплекса моделей, имеющего многоуровневую (иерархическую) структуру и состоящего из согласованных мевду • собой в горизонтальном и вертикальном направлениях координирующей и локальных моделей.

В этом понимании существенно слокная система НТК распадается на несколько более простых систем, автономно функционирующих и, следовательно, максимально приспособленных к самостоятельному автоматизированному проектированию.

В качестве основного инструментария построения иерархической модели использованы функциональная иерархия по организационной структуре МТК и временная иерархия по периодам планирования и функционирования. В соответствии с этим уровни проектирования и управления заполнены соответствующими комплексами функциональных задач и процедурами взаимодействия меаду ними.

Рассматриваемую иерархическую систему мокно представить в виде трехуровневой модели (У1.У2.УЗ), на каждом уровне которой осуществляется агрегирование информации и дезагрегирование решений по координатам и времени (рис. I).

Рис. 1. Иерархическая структура модели проектирования ЭТК бассейна

В связи с наличием сложных взаимосвязей в структуре НТК объективно возникла необходимость в • координирующем центре (У1), обоспэчкващем соединение основных элементов транспортного процесса и среда функционирования в единое целое на основе общей информационной базы.

Модель I координирующего центра предусматривает использование имитационной модели (КМ1) определения вероятности выполнения МТК бассейна своих функций, качества социально-экономических и экологических мероприятий, а также :v¿активности функционирования обслуживающих МТК систем в составе оптимизационной модели (0М1) или их итератизное использование.

Функциональные процессы на уровне У2 реализованы в виде комплексов математических моделей и алгоритмов многокритериального линейного программирования с учетом материальных ресурсов, фондов времени работы судов, финансовых ресурсов и других видов ограничений. Временная иерархия по периодам планирования реализована с использованием математической модели на основе динамического линейного программирования и имитационного моделирования.

Модели II и III представляют собой оптимизационно-имитационные процедуры, позволяющие рассматривать задачи оптимизационного (OMj, 3) и надежностного (ИМ2 ^ ) 'проектирования составляющих ЫТК бассейна с единых системных позиций.

На уровне УЗ оптимизации характеристик судов использована итерационная процедура IV на основе нелинейного программирования (0М4) и динамической имитационной (ИМ^) . модели с внутренним статистическим моделированием (метод Ьйнте-Карло) в разрезе сезона года.

Описанный подход к структуризации и проектированию ШК обеспечивает, с. одной стороны, целостность отдельных элементов, а с другой стороны - сохранение концепции НТК как единого целого, одновременно с этим обеспечивает оптимальность стратегических и тактических траекторий при проектировании и эволюции системы.

Во второй главе рассматриваются методические аспекта имитационного моделирования функционирования и развития арктического флота бассейна.

В обвдм случае исследуемая система содержит ряд элементов, обладающих некоторой неопределенностью, поскольку их поведете не может бить полностью предсказано заранее. Больпая часть исходной информации и переменных состояний в силу пр;гродных и организационных закономерностей относится к вероятностным. Поэтому требуется описание элементов, случайных событий и величин в терминах теории вероятностей.

Процесс функционирования арктического флота можно рассмет-р:шать как последовательную смену событий во времени и пространстве, приводящих к изменению вектора переменных состояний системы г^Ш,...,2^,(1;)) в с -мерном фазовом пространстве. Состояния системы в любой момент времени геСго,Р] определяются с помощью векторного уравнения

где 20 - вектор начальных условий, ,22к(Х0),...,

X - вектор входных воздействий, Х=(Х1

1 - вектор воздействий внешней среды, 1=(11 < 1;),12<г),... Дп (Ю); 1г - вектор внутретгах параметров, (г),112(г),... )).

Выходные параметры, определяющие качество ' функционирования системы в функции вектора состояний 2 , находятся с помощью векторного уравнения вида

. Элементы векторов входных воздействия х^еГ, 1=1Тп^, воздействий внешней среды ,7=17^, внутренних параметров

Ъ^еИ, У.=17пк и выходных параметров у^су, ;}=17Пу являются элементам! непересеконцахся подмножеств и могут носить как дэтермя-

нировашый, гак и стохастический характер, а в некоторых случаях и характер неопределенности.

Особенность рассматриваемой системы такова, что в качестве алгоритма ее функционирования целесообразно использовать систему массового обслукивания с непрерывным временем, т.е. О - схему. В состав элементов структуры 0 - схемы входят (см. рис. 2): К - источники; Н - накопители; К- каналы обслукивания.

Рис.2.'Структура многофазной многоканальной

системы обслукивания

0 - схему можно считать заданной, если -определены: входящие потоки заявок; потоки обслуживании для кавдого Н и К ; структура моделируемой системы (характеризующаяся, количеством фаз Ьф, числом каналов обслукивания числом накопителей Ь11 и связями между И, Ни К); особенности функционирования (характеризующиеся дисциплиной ожидания заявок в Н и выбора на обслуживание К); правила ухода заявок из Н и К.

Перед .началом моделирования должны быть заданы векторы начальных условий в момент времени Ъ=1;0 и внутренних параметров.

В приведенной структуре (см. рис. 2) системы выделены подсистемы обслуживания в порту отправления (П01) и порту назначения (П02), а также ледокольного обслуживания в прямом

(Л01) и обратном (Л02) направлениях. С точки зрения терминологии теории массового обслуживания рассматриваемая система - 4- фазная замкнутая система (Г фаза - П01, 2 фаза - Л01, 3 фаза - П02, 4 фаза - Л02). При этом каналы К обслуживания 2 и 4 фаз (Л0) совпадаит технически и осуществляют обслуживание заявок (судов), соответственно, в прямом и обратном направлениях. Движение заявок в прямом направлении показано двойной, в обратном - одной сплошной линией.

Управления связи блокировок каналов регулируют особенности их взаимодействия с обслуживаемой заявкой. Блокировка канала по входу предполагает отключение канала от входящего потока, блокировка - по выходу предполагает, что уже обслуженная заявка остается в канале до момента снятия блокировки. Канал (причал, ледокол) блокируется, если суда (и ледокол) не могут выйти после окончания арктической навигации и остаются в порту назначения у причала (во льдах). Канал не принимает суда на обслузатание до открытия арктической навигации.

Моделирование любой из подсистем обслуживания предполагает выполнение следующих подопераций:

формирование входящего потока судов на обслуживание (в подсистемах ЛО - под проводку, в подсистемах ПО - под рэзгрузку-погрузку ) и постановка их в очередь. Источником входящего потока является выходящий поток обслуагенных в предыдущей фазе заявок;

выбор судов на обслуживание в соответствии с приоритетом, моментом поступления, типом и готовностью обслуживающих каналов;

непосредственное обслуживание судов . ' соответствующими каналами (ледоколами, причалами, фидерными судами); формирование выходящего потока судов; частная обработка результатов моделирования. У каждой из подсистем есть свои особенности, но есть и общие черты, характерные для систем в целом:

эксплуатация судов различных типов, сильно отличающихся друг от друга грузоподъемностью, скоростью, ледопроходимостыо и другими качествами. Это приводит к необходимости фиксировать признак принадлежности и параметры обслуживания для каждого из них в отдельности;

наличие приоритетов при выборе судов на обслуживание; в целях поддержания технического состояния флота на высоком уровне в соответствии с требованиями нормативных документов периодически выполняются техническое обслуживание и ремонт судов и каналов;

для оценки уровня надежности судов, степени их морального износа, а следовательно, возможности участия в экспортно-импортных и каботаашых перевозках, необходимо фиксировать возраст транспортного флога;

выход судов и каналов обслуживания из строя и их восстановление. Для фиксации этих событий должны быть предусмотрены генераторы отказов и восстановлений;

шток судов в процессе функционирования обновляется, вследствие вывода из эксплуатации физически и морально устаревших судов и замены их новыми, современными;

объем перевозок, структура грузопотоков, интенсивность входящего потока, длительность.обслуживанияi количество каналов и другие параметры подсистем изменяются в течение года и интервала моделирования. . •

Моделирование организационных ситуаций (таких, как формиро-вакке каравана при вывода судов из - арктических портопунктов, формирование каравана .у кромки льда, определение степени повреждения и целесообразности восстановления, выбор судна на обслуживание и' т.п.) придает имитационной модели характер интеллектуальной системы. •

Результвтом_ моделирования системы являются выходные параметры Y"(t), которые используются для определения (либо являются элементами) векторов критерия и ограничений оценки качества функционирования системы.

r(t)=(f1(t)....,ln(t)). Выходные параметры Y(t), а следовательно, критерий и ограничения оценки качества f(t) являются случайными функциями и подлежат статистическому анализу при интерпретации результатов моделирования.

Имитационная модель позволяет решать широкий круг задач

структурного синтеза арктического флота, анализировать эффективность различных стратегия управления, а такие может быть использована в составе оптимизационно-имитационных процедур развития арктического комплекса в целом и отдельных его подсистем.

В третьей главе рассматриваются вопроси оптимизации развитая и оценки надежности арктической транспортной системы бассейна.

Процесс оптимизации арктической транспортной систем! и входящих в пае элементов состоит из ряда последовательных-итераций с использованием математических моделей, построенных на основе современных методов исследования (схема решения задачи приведена на рис. 3).

Математическая модель оптимизации ■арктического флота формулируется в виде задачи целочисленного ' линейного программирования с булевыми переменными. Она .решается после разработки (с 'помощью имитационной модели)- совокупности 'взаимозаменяемых вариантов развития ■ арктического флота, удовлетворяющих ограничительным и функциональным требовага!ям, и сводится к выбору комбинации вариантов . дающих наибольший экономический аффект Е

при выполнешш условий

•Е Е_* ТЯ х. —. nin (шах), V сес (I)

JeJ тот. •> J a J

' SJn=I. V JeJa; , . (2)

гаега^ °

Е £_« Ь^х, s а V Ыс*; ' (3)

I^OVI, V JeJa, neiñj. (4)

где Г- критерий эффективности по m-му варианту освоения грузопотоков на J-м направлении; х., - интенсивность включения в план ш-го варианта на J-м направлении; - объем k-го вида дефзщитшх ресурсов, используемых по m-му варианту на J-м исправлетш; а^.- допустимый продел к-го вида ресурсов; с*, J&, R , ñj - множества критериев, арктических направлений, дефицитных ресурсов и вариантов освоения грузопотоков на j-m направлении.

Ввод исходной информации 1

Модель оптимизации арктического флота

I— >им ' . .а;-—п

. I—К0Р<-АН<—!

I

ИПГ

X

Оптимизационно -имит ационная модель развития и оценки, •надежности арктической транспортной системы.

С.

(ОМ с Ш)

КОР<-Ай

1

~тг

Динамическая модель' развития арктической транспортной системы

_2(Х,Р№))_

I лЬ 1

1 _

Уточнение и детализация решения с помощью ИМ

Выводы результатов расчетов

Рис. 3. Схема решения задачи развития и оценки наден-ности арктической транспортной системы

В итеративном процессе оптимизационных вычислений варианты планов, -полученные на промежуточных итерациях, подвергаются экономико-математическому анализу с целью изучения га оптимальности и определения направлегай развития всей системы. В основу анализа положено использование двойственных оценок оптимального плана. С помощью оценок выявляются варианты из числа первоначальных, не включенные в оптимальный план, но способные улучшить его на следующей итерации, а также изучается целесообразность введения новых вариантов освоения грузопотоков, разработанных с учетом координируицих параметров. -

Конкретное проявление неопределенности информации можно рассматривать как возмущающее воздействие на систему. Априорный анализ плановых решений должен в первую очередь касаться оценки надежности плана, его адаптивных свойств, а также способов компенсации неблагоприятных возмущающих воздействий. ■ .

Например, условия выполнения плановых заданий по перевозкам грузов по аналогии с показателями надежности технических систем мозжо хштерпретировать, как условия работоспособности

где а. - требования предъявляемые к 3-му выходному параметру.

Область пространства параметров ХеПп , в которой выполняются эти условия, называется областью работоспособности

Надежность выполнения плана перевозок в сложные по ледовым условиям годы . мо:хно оценить • с помощью вероятности безотказной работы, записашюй в виде

Рь(Х,1/)'=Р{у^(Х>'7(1) 1еГ1т,1,]},

где у^(Х,7(1)) - случайное значение 3-го выходного параметра; 7(1) - векторный случайный процесс .изменения внутренних переменных система вследствие отклонения ледовой обстановки 1 от среднемноголетней.

Вероятность безотказной работы Р^Х.У) определяется с помощью имитационной модели при фиксированной структуре флота на каждом направлении Зе<7а. но при изменении ледовых условий в пределах С1га,Ы по формуле

<D

PL(X,V>= Ф íY)dy,

где - совместная плотность распределения случайных велич!Ш

Y; a^j - ограничения на выходные параметры, заданные условиями ■yjtXJaaj.

Подобный подход предполагает включение имитациошюй модели для проверки надежности выполнения плана перевозок в сложных ледовых условиях в состав оптимизационной модели, т.е. использование оптаг ¡зационно-имитациошшх процедур вида (ОН сШ) * АН КОР. Т__!

. Необходимость в использовании оптимизационно-имитационных процедур возникает такав при опредолешш вероятности выполнения системой в целом своих функций в условиях неблагоприятных воздействий, при решении социально-экономических и экологических задач, при выборе для заданной структуры ледокольно-транспортной составляющей сосгага технического . и служебно-вспомогатольного флота и т.п.

Поэтому целесообразно введение в модель (I) - (4) алгоритмически заданных ограничений ХеА(Х) и сведение ее к виду F(X) rain', • ■ . Xdt(X)nWX), ' где Ш) - множество вариантов структуры, допустимых по аналитически 'заданны,! ограничениям; MX) • -. множество вариантов структуры, допустимых по алгоритмически заданным ограничениям.

С учетом сказанного, модель (I)-(4) дополняется алгоритмически заданными ограничениями

Р1(ХД)г Рдо11. (5)

Vх- ГИ' Пш' Sm>* V <б>

и преобразуется в модель развития и оценки надешхости арктической транспортной системы, где v, v" - индекс и множество социально-экономических и экологических мероприятий, обслукиЕавдос систем; Ч'^ДХ, ги, П1п, Sm)-.функция качества мероприятия или функционирования обслукивахцей системы; X - вариант функциональной структуры; Гт - входной поток заявок на обслуживание; - программа обслуживания потока заявок;S - структура обслушшаицей системы.

Проверка ограничений (5) н (6) осуществляется с помочью имитационных моделей, позволяющих получить Р^Х.У) для различных 'вариантов структуры, а ^(Х, Г , П^, Б ) для различных величин интенсивности к законов распределений выхода из строя элементов системы, поступления заявок на обслуживание и т.п., а такте для различных уровней воздействия системы на окружающую среду. В результате моделирования определяются параметры, характеризующие качество и экономическую эффективность береговой инфраструктуры, технического и слукебно-вспомогательного флота, социально-экономических и экологических мероприятий.

К имитационным моделям, реализующим алгоритмически заданные ограпичония, предъявляется ряд требований, среда которых следует особо выделять:

минимальное время моделирования, соизмеримое со временем решения оптимизационной задачи;

высокая адекватность и надежность, соизмеримая с основной имитационной моделью;

информационная совместимость с осноеной имитационной и оптимизационной моделями.

йатациопшо модели, входящие в оптюгазационно-имитацконнуп процедуру, имеет и самостоятельное значение. Онн позволяют решать различные задач!! анализа и синтеза обслуживающих систем, а такта -задачи детальной проработки выбранной структуры.

Для генерации вариантов структуры, допустимых по аналитически заданным ограничениям, могут быть использованы алгоритм Балаша или алгоритм, построенный по схеме "ветвей и границ". Если полученное решение не удовлетворяет алгоритмически заданным ограничениям, то в координирующем блоке информация определенным образом корректируется и используется на следующем шаге оптимизации при генерации нового варианта.

Динагапеская постановка задачи оптимизации структуры позволяет детализировать процесс развития системы по этапам ее эксплуатационного цикла и оценить влияние научно-технического прогресса на изменения соцаалыю-эконаягаеских показателей.

Используя имитационную модель функционирования флота на арктических направлениях, мокно уточнить и детализировать

решение, полученное с помощью динамической модели, поскольку в последнюю внесен ряд допущений существенно упрощающих процесс функционирования.

• В четвертой главе излагаются методические аспекты системной оптимизации морского транспортного комплекса бассейна.

В соответствии с выбранной структурой математической модели проектирования ЫТК бассейна (рис. I) в составе пароходства выделены два участника транспортного процесса, - один из которых осуществляет перевозку грузов на направлениях, где отсутствует ледовая обстановка, другой - в северных районах Дальнего Востока и в восточной части Северного морского пути.

Согласование и координация решений, принимаемых на уровне пароходства, осуществляется с помощью модели I координирующего центра.

Модели II и III расположены на одном уровне иерархической структуры и представляют собой локальную модель развития участников транспортного процесса. Внешняя среда в локальной модели характеризуется географическими и гидрометеорологическими условиями.

Взаимоувязка решений координирующей и локальных моделей осуществляется посредством обмена информацией мезэду моделями в процессе реализации малого и большого циклов.'

В малом цикле горизонтального согласования решаются вопросы, связанные с эффективной эксплуатацией судов, часть из которых по окончании арктической навигации переводится на линии доиспользо-ванкя, то есть имитируется учет интересов обоих участников. Для этих целей используется равновесный алгоритм с параллельной координацией.

Подели II и III обоснования флота пароходства обладают следущими свойствами. В каждой из моделей существуют два вида ограничений: первый из них представляет связывающие ограничена (по централизованным ресурсам), параметры которых зависят от решения параллельной задачи; второй - локальные ограничения, отражающие особенности данной задачи. Целевая функция такко учитывает к а: результаты непосредственной деятельности, так и результаты деятельности параллельной подсистемы.

выраженные через оценки связывающих ограничений.

Шэординирующими пвраметраш в системе согласования решений мевду моделями II и III являются: величина капитальных вложений

(V

Ка, выделяемых на разбитие арктической транспортной системы;

оценю! и и и использования капитальных влокений; вектор {Ц} использования фонда времени эксплуатации транспортных судов

1-го типа на арктических направлениях: векторы оценок и С^} использования фонда времеш эксплуатации транспортных судов. Двойственные оценки связывающих ограничений и и и, (Л1> и (Х^ характеризуют,.соответственно, ограниченность фонда капитальных вложений и времени работы судов каждого типа в тох подсистемах, где их использование экономически оправдано, а" также показывают величину "экономии" приведенных затрат (с=1) при увеличении фонда на единицу.-

Согласование решений начинается с разработки варианта развития .арктической транспортной системы с помощью _модели II, которую можно сформулировать в виде аналогичном модели (1)-(4). При этом критерий экономической эффективности определяется по формуле

¿а ^ч*»- - (7>

а ^ а

где. - фонд времени эксплуатации судов 1-го типа по тп-му

варианту на 3-м направлении; - объем капитальных влокений в

строительство флота по пылу варианту на 3-м направлении.

Особенность модели заключается в том, что, во-перЕЫХ, в ней на каздой итерации учитываются результаты решения параллельной задачи (8)-(13) введением оценок и. и связывающих ограничений (9), (10) в критерий эффективности (7) и "рекомендуемых" фондов Ка

а {1^} в правые части ограничений (3). Во-вторых, произведена замена требования дискретности переменных (4) на ограничение гида х^гО. Такая замена позволяет использовать при согласовании ре-

шений двойственные оценки задачи линейного программирования. Дискретность ясе поре/данных учитывается на последнем шаге взаимосогласованных оптимизационных расчетов.

После определения условно-оптимального плана развития аркти-

гф т*

ческой транспортной системы, расчета оценок и и £Xi> и фактических значений К& и {t^} информация поступает в модель III. В ней решается оптимизационная задача - найги минимум функционала

г £ F хи - 2 M-i - и,кя—* mln (б)

jeAJaieI j 13 ielj 11 а

при выполнении локальных условий (здесь не приведены) и соблюдении ограничений

£ Kj Е Xj j + К ä К; ' (9)

iel4 ^eJVL13 a

vi О

E t! X,j + tj sL; V iel, (10)

jejnj a .

KaS Ka * Ka; (II)

tjs■ti s t^ V iel ; (12)

ä 0. V iel, V 3eJ \Ja . (13)

Здесь tj, К , Ka - интервалы значений, в пределах которых остзагся достаточно стабильными оценки {Л^} и и; К - объем капитальных влоаенвя в развитие транспортного комплекса бассейна; Kj - объем капитальных ьлоизгай, связанный с поставкой судив 1-го тала; ъ^ - эксплуатационный период судна i -го типа; Ii -

максимально возможный фонд времени эксплуатации судов 1 -го типа; Г^1 - приведенные затраты (с=1) по судну 1-го типа на 3-м направлении.

Ограничения (II) и (12) характеризуют нижние и верите пределы отклонения величин капитальных вложений Ка и времени {1^} от "затребованных" моделью II арктического флота.

Решение задачи (8)-(13) позволяет получить план расстановки судов по направлениям {х^}, Зе^ЧЛ^ и "реко-

мендуемые" арктической транспортной системе фонды капитальных влокений Ха и времени использования судов каждого тша .

3&1а. Эти величины наряду с , оценками (Х^} и и составляют информацию, передаваемую обратно в модель II.

Признаком окончания процесса горизонтального согласования

является близость оценок Х^ и и н и, полученных на итерации.

В большом цикле' осуществляется перераспределение уровня дэ-фицитных ресурсов, транспортных судов и ледоколов мегду пароходствкш и выполняется согласование их интересов. С нижнего Уровня поступает осведомляющая центр информация об особенностях функционирования пароходств. В модели центра с помощью этой информации определяется' степень соответствия вариантов развития пароходств централизованным • ограничениям и критерию эффективности. С верхнего уровня передается управляющая информация, по которой пароходства строят свои оптимальные планы.

Выбор новых вариантов развития пароходств, улучшающих шан центра, основан на принципах алгоритмов Данцига-Вулфа и Корнаи-Липтака.

Реализация алгоритмически заданию. ограничений по вероятности выполнения НТК своих функций, эффективности экологических мероприятий, выбору состава технического и слукэбно-вспомогательного флота осуществляется с помощью опттякзационно-имитационных процедур, изложенных, в главе III.

Пятая глава посвящена оптимизации характеристик транспортных судов с учетом параметрической ' надежности их функционирования. Информация о надежности функционирования, вира-зкенная через вероятность безотказной работы-и реализованная с помощью оптимизационной 0М4 и имитационной моделей, является основой выбора наилучшего варианта судна из Парето-оптималь-ного множества.

Взаимосвязь с верхним уровнем проектирования -осуществляется с помощью команд управления и координирующих параметров. Команда управления определяют условия функционирования судна в составе флота: состав параллельно работающих.судов; тип ледокола обслуживания; количество судов в караване; преобладающие направления плавания и продолжительность эксплуатации на них; временные составляющие рейса, независящие от характеристик проектируемого судна; скорость в канале за ледоколом в составе каравана и др. Координирующие параметры, выраженные двойственными переменными (оценками) задачи верхнего уровня, определяют меру комплексного влияния оптимизируемых характеристик на эффективность оудна -"стоимостной оценка (приоритет), судна, двойственные оценки ограничений.- Команды управления и координирувдие параметры на этапе проектирования судна принимаются детерминированными.

Параметры внешней среды носят стохастический характер и моделируются с помощью имитационной модели и.метода Монте-Карло.

В процессе функционирования на судно действует комплекс внешних и внутренних факторов

С=ССу),

под воздействием которых- судно монет находиться в одном из состояний веБ, где Б - область возмогших состояний. Судно характеризуется вектором выходных параметров и параметров ФункщюЕироваш\я, которыми определяются его состояния, т.е. вектором

У^), 3=1 Те.

Диапазон допустимой области фуюсционнрования судна выбирает-

ся исходя из условий эксплуатации» эффективности и безопасности плавания

А={а^)„ 3=17т.

Область возможных состояний Б-уУ должна принадлежать допустимой области Б, в которой судно считается работоспособным. Совокупность точек (з,у) пространства является траекторией функционирования судна Л(х,с). Выход вектора Л(х,с) за границ« области Б определяется как отказ.

Под параметрической надежностью понимается свойство судна сохранять значения технических параметров и параметров функционирования, обеспечивающих его работоспособность, в заданных пределах. Показателем,' определяющим параметрическую надежность судна, является вероятность безотказной работы«,

Вероятность безотказной работы судна, равна вероятности пребывания вектора Л(х,с) в допустимой области Б, т.е.

Р=р£Л(х,с)еб, хелп, сев1'}, где Б - множество БеБ3п Б^л ^определяется пересечением областей

V

Б2у.={2еНп|у^(х,с)2а^ , 3=17п. сеН1*},

Вх ={хеНп|х1 ш1п 5х1&х1 ^ . 1=17п);

у^(х,с) - функции, определяющие качества (выходные параметры) судна; а^ - требования к качествам (выходным параметрам) судна; х - вектор оптимизируемых характеристик.

Динвмико-стохастический подход целесообразен в силу следущих причин :

необходимость рассмотрения эффективности судна в течение жизненного цикла;

вероятностный критерий информативнее критерия, полученного по средним значениям исходной информации либо в виде математического ожидания;

близость математических ожиданий критерия экономической эффективности еще не ' является свидетельством одинаковой

эффективности сравниваемых судов.

Задачу оптимизации характеристик судна пополнения можно сформулировать следующим образом. Определить такой вектор х оптимизируемых характеристик судна, при котором достигается его

наквыспая экономическая эффективность в области функциональных ограничений при заданной параметрической надежности. В терминах математического программирования задача мокет быть записана в виде:

F„<x, 1, t) —> min (шах). g=l7g*: ö

Píy^lx, l,t) 2 aJt 3=1 Tin, VtetO.T], VleíO.Ll} г P;

xi rain s hs xi max' 1=1 'n> где 1, t) - векторный показатель экономической

эффективности в функции времени t и ледовых условий 1; 5?(х, 1, t) - функции, определяющие качества (выходные параметры) судна; Т, L - время и ледовые условия работы судна.

Если предполохить, что состояния судна моано достаточно полно описать с помощью вектора У, то информация, выраженная через вероятность безотказной работы Р-^Сх*), является основой для Быбора наилучшего варианта судна

Рьт(х)=Р(у;}(х,1Д)гаг 3=1Тш , V letO.l], У tetO.Tl),

где y_j(x,l,t) - случайные значения 3-го выходного - параметра в момент t в ледовых условиях 1.

Решение задачи по критерию вероятности безотказной работы предполагает введение экономических показателей в состав выходных параметров. Непосредственное решение задачи в подобной постановке затруднено .и требует больших. затрат машинного времени. Поэтому целесообразно воспользоваться для оптимизации характеристик судна х другим критерием эквивалентным в смысле нахождения. экстремума вероятности безотказней работы. В качестве .такого критерия Целесообразно выбрать минимальный запас работоспособности

РТт(х*)=та}с Гтгп(х)=пах п1п РЛх, 1, г), хеО т хеЬ Зе[1,п>] 3 .

где Гы(х) - минимальный запас работоспособности; 1, t) -

запас работоспособности по 3~му выходному параметру,

Р^х, 1. Ю = (У.,(х, 1, Ю-а^/б^-Ч,

здесь У^Сх. 1, t) - ножшальное значение 3-го выходного параметра; - параметр нормировки. Параметр нормировки запаса работоспособности определяется по формуле

а^У^х, 1, Ю-ур;,(х)). В;} >0^ 3=17т .

где Ур-)(х) - квантиль уровня Р ~ О распределения 3-го выходного параметра, т.е.

р=р(у.,(х, 1, г) $ ур3(х)>= i

здесь - плотность распределения 3-го выходного параметра. В точке х максимума минимального запаса работоспособности (х*) вероятность базотказноЯ работы Р^Лх*) достигает максимального значения или находится в малой его окрестности.

Вероятность безотказной работы по критерию Рм(х) будет в большей степени определяться наименьшей из вероятностей отдельных условий работоспособности.

В некоторых случаях следует отдать предпочтение критерию гарантированного запаса работоспособности

РС1Т(х*)=п1п РСш(х)=1п1п Е (Ра^(х,1,1))2к, к=1, 2, .... х<Ф геБ 3=1

где РО^ -гарантированный запас работоспособности по 3-му Еыходному параметру.

Решение, соответствующее РОьт(х), обладает запасами работоспособности близкими гарантированным Рв^, 3=17т. Этот критерий ориентирован на введение идеальной точки и нахождение Парето-оптимального решения наиболее близкого к ней.

аи *

Доказано , что при решении задачи вместо случайных процессов выходных параметров мокно использовать экстремальные значения их реализаций, т.е. случайные величины. Для получения реализаций выходных параметров и вероятностей

Р^(х)=Р^{у^(х,1Д)2а^), 3=17т •

сироко применяется метод Монте-Карло.

Функция вероятности Р^(х) в результате моделирования представляется в виде гистограммы плотности ее распределения Тогда вероятность удовлетворения 3-го условия работоспособности равна

<о ' Р.(Х)= / г,(у)<3у. 3=Сш,

а вероятность безотказной работы -

С учетом изложенного разработана математическая модель оптимизации характеристик транспортных ' судов на основе их параметрической надежности. Решение задачи осуществляется- с . помощью метода Розенброка.

Годе ль мокэт быть использована для решения следующих задач:

экспертной оценки проекта судна в динамически изменяющейся » стохастической внеаней среде;

оптимизации характеристик судна в многокритериальной постановке как в детерминированной, так и стохастической внешней среде;

оптимизации проекта на этапе модернизации судна;

исследования характера изменений математических ожиданий и дисперсий выходных параметров во времени С0.Т1 и внешней среде 10,11;

исследования характера изменений параметрической надежности судна Е вероятности удовлетворения, условий работоспособности во времени (ОД) и внешней среде (0,Ь).

В шестой главе приведены практические рекомендации по использованию теоретических исследований и результаты экспериментальных расчетов.

Экспериментальные расчеты включали принципиальную проверку адекватности и практической пригодности алгоритмов, разработанных с использованием материалов, изложенных в главах 11-У,'а такко разработку рекомендаций по использованию основных положений в прикладных исследованиях. С этой целью составлен комплекс программ на языке ФОРТРАН для ЕС ЭВМ и для ПК типа 1ВМ РО.

Сначала имитационная модель была использована для исследования функционирования флота на направлении I (Владивосток-Магадан). Расчеты показали , что на этом направлении эффективная эксплуатация судов с- ледовыми подкреплениями Л1 и УЛ мокег быть осуществлена двумя ледоколами типа "Москва". Увеличение или уменьшение количества ледоколов на единицу приводит к снихешш эффективности работы флота.

В первом случае происходит незначительный рост (1,5л) приведенных затрат, что связано с" компенсацией расходов на поставку и эксплуатацию дополнительного ледокола, увеличением провозоспособности транспортных судов за счет сокращения времени ожидания и увеличения скорости проводки. Во втором случае наблюдается существенный рост приведенных затрат (до 5%) вследствие неспособности одного ледокола эффективно обслуживать суда.

Дальнейшая проверка имитационного моделирования заключалась в разработке совокупности вариантов освоения грузопотоков на конкретных направлениях, необходимых для обоснования флота для арктической навигации. Расчеты выполнялись для достаточно крупного арсгического флота, включающего одиннадцать типов транспорта судов, три типа ледоколов , обслузшзавдего три арктические схемы.

В результате расчетов получены состав и программа пополнения арктического флота (таблица I), расстановка судов и ледоколов по направлениям , а танке основные показатели работы флота .

Анализ этих результатов показывает, что все суда с ледовыми подкреплениями УЛ и УЛА распределявтся по направлениям (2 и 3) с яеотними ледовыми условиями. Введение в модель обоснования флота

ограничений на поставку судов привело к вовлечению в транспортный процесс судов классов Л1 и Л2.

Учет комплексного освоения грузопотоков на арктических направлениях способствует изменению состава флота, ' эксплуатирующегося на направлении I и определенного обособлено. В частности, привлекаются суда класса Л2„ что несколько сникает здесь эффективность перевозок. Однако такое перераспределение способствует выполнению плана по освоении грузопотоков на остальных направлениях (2 и 3).

Таблица I

Состав и пополнение арктического флота (на период 1982-1Э87гг.)

Л Шифр, наименование Назначение (для ледоколов -ледоцрохода-мость, м) Число судов (в том числа пополнение) ед. Дедвейт, т (для ледоколов -мощность,кВт)

Транспортные суда

I Ьарнемшде универсальное 4 (0) 1ЖШ

2 Амгуэма универсальное 3 (0) 6220

3 САС-5 универсальное 7 (2) 7950

4 СКН-400 контейнеровоз 2 (2) 7800

Б СА-15 многоцелевое 6 (6) 14500

6 В.Кичков лесовоз 9 (I) ' 14200

7 СЛ-14 лесовоз 12 (12) 14500

8 сл-е лесовоз 20 (10) 6200

9 СНА-15 навалочник 20 (5) 16950

Всего 83 (38) 589910

Ледоколы линейные

I Ермак 1.Ь 3 (1; 26500

2 Ыосква 1,5 3 (0) 16200

3 К. Сорокин 1.5 2 (I) 16200

Всего 8 (2)

Проверка адекватности модели обоснования комплексного развития флота заключалась в выполнении расчетов по исследованию совмэстной деятельности двух участников перевозок. Решались вопросы, связанные с распределением рэсурсов мекду участниками

перевозок и эффективной эксплуатацией судов, переводимых, на линии доиспользования. Наряду с исходными данными, рассмотренными •ранее, используется информация по пятнадцати типам судов (включая одиннадцать типов судов ледового плавания) и по пяти неарктическим направлениям.

Выполненные расчеты показали: наличие взаимного влияния участников перевозок на процесс их совместного функционирования; основная часть судов с ледовыми подкреплениями Л1, УЛ, УЛА по окончании арктической, навигации доиспользуется на каботажных направлениях.

Оптимизация характетистик судов ледового плавания.

В качестве начального вектора оптимизируемых характеристик приняты характеристики хорошо зарекомендовавшего себя т/х "Самотлор". Значения компонентов начального вектора х°, вероятности безотказной работы Ры(х°) и функции цели Г0(х°) на схема п. Находка - п. Нагадан приведены в таблице 2 (вариант 0).

Вектор оптимизируемых характеристик X включает: Х1 - длину; Х^ - ширину; Х^ - осадку; Х^ - высоту борта; Х5 - коэффициент общей полноты; Х^ - коэффициент полноты носовой части К8Л; Х^ -угол наклона борта; Ха - угол входа носовой Еетви КВЛ; Хд - угол между касательной к КВЛ в точка удара и ДП; Х10 - угол наклона шпангоута к вертикали в точке удара; Х^ - мощность энергетической установки: Х12 - строительную прочность.

Для моделирования еыходпых параметров была разработана модель проектирования судов ледового плавания. Экспериментальные расчеты показали, что эта модель обладает хорошей адекватностью для судов категорий УЛ и УЛА в диапазоне водоизмещении 15000-30000 т.

В качестве показателей, определяющих вероятность безотказной работы ?ш,(х), приняты выходные технические параметры - грузоподъемность, вместимость, остойчивость, скорость на чистой годе и т.п. и параметры функционирования - скорость в сплоиных и дрейфующих льдах, среднерейсовая скорость, приведенные затраты.

После оптимизации характеристик судна из начальной точки х0 (вариант 0) с корректировкой параметра нормировки в процессе оптимизации получен вектор оптимизируемых характеристик х* (вариант I), вероятность безотказной работы которого Р1Л,(х*)=0,Бв4

несколько Еыпе вероятности Рм(х0)=0,473 исходного варианта. Это достигается за счет незначительного увеличения строительной прочности к мощности энергетической установки.Бри этом показатель экономической эффективности - совокупные приведенные затраты возросли па 5,7% , т.е. произошло одаовроменное увеличение вероятности безотказной работы судна и приведенных затрат.

Остается проанализировать оправданы ли допол!штелыше затраты с точки зрения экономического эффекта, достигаемого при эксплуатации судна. Эта задача решается при оптимизации фуккционироЕшшя и развития арктического флота.

Поскольку параметрическая надежность судна - категория экономическая, то следующий вариант (вариант 2) оптимизации характеристик отличается от предыдущего, те!,*, что приведенные затраты, определяющие область работоспособности судна„ приняты на уровне исходного варианта (варианта 0), т.е. налагаются ограничения на финансовые ресурсы. Варианг 2 незначительно отличатся по форме корпуса от варианта I, но мощность энергетической установи! (из-за большой ее стоимости) осталась на уровне исходного варианта (варианта О), несколько увеличилась строительная прочность. Повышение надежности функционирования Р^х^) =0,491 (без учета условия работоспособности по приведенным затратам) произошло за счет улучшения ледовой ходкости .

Параметры нормировки запасов работоспособности 5:, опроделя-

о "

лись до оптимизации в исходной точке х при требуемом значенхш вероятности безотказной работы Р„=0,Э с число:.; реализации 11=200.

Возможно задание параметра нормировки Щ экспертным путём. В этом случае моаэт быть получен вариант х с худлпм зна-Ч9ш:ом вероятности безотказной работы Р^(х*), чем при оптп-мизадги в полном объеме. Примером тому ког:эг слукгть оптшизацлл характеристик судна без корректировки параметров нормиров-хп Ъ^, результаты которой приведены в табл. 2 (вариант 3). Столь низкая вероятность безотказной работы (Р1й,(х^)=0,182) объяс-кяотся выбором завышенных значений области рассеивания .по ряду выходных параметров. Омкбка при задании б^ да:;;е по одному из них мо:::дт привести к новосмоудюсти получить оптимальное решение. Поо-току рвкоу1еицуотся осуществлять корректировку параметров

Таблица 2

Результаты оптимизации параметрической надежности судов по критерию гарантированного запаса работоспособности

Наименование Варианты

0 I 2 3

х,(Ь,м) 148,0 148,0 148,0 148,0

х2(В,м) 23,0 22,6 22,6 23,0

хэ(Г,м) 9,2 9,05 9,05 9,2

х4(Н,м) 12,9 12,49 12,49 12,9

х5(5) 0,765 0,764 0,765 0,765

16(<хН) ' 0,840 0,848 0,850 0,844

град) 0,0 0,0 1.6 0,5

*0(а0.град) 20,0 21,0 20 21,9

Хд(а,град) 19,0 19,0 19,0 24,1

Х10(/30»град) 22,0 22,0 23,0 23,0

х^ (Н3,кВт) 8540 9240 8540 8535

1сН

^г^стр' и > 1180 1195 1195 1171

ГС(х* ) •9Е+07 „7Е+03 .4Е+05 .ЗЕ+05

Рьт(х*) 0,473 0,564 0,491 0,182

нормировки кис ишкмум один раз до оптимизации, тем более, что Еремя корректировки нозначительно .

Невысокие значения вероятности безотказной работы (Рьт(х )= 0,473<-0,564, варианты 0-2) иозаю объяснить большим разбросом ледовых условий, учитывающих как сезонные, так и шюголетние изменения, а га юга противоречивостью некоторых параметров Функционирования, определявших условия работоспособности.

В процессе расчетов на экран монитора и па печать выводится ойигрная информация о результатах оптимизации - техякко-эксплуа-

тационные и экономические показатели, гистограммы плотностей и вероятности удовлетворения каждого условия работоспособности, а так-ге сообщения о нештатных ситуациях и возможностях выхода из них.

В приложениях приводятся дополнительные материалы и распачатсз! маиинных программ по разработанным в диссертации моделям и алгоритмам, рассматриваются вопросы, связанные с практической реализацией на ЭВМ основных положений предлагаемых методик.

Заключение содержит выводы и рекомендации по работе.

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следуйте ьыеоды:

1. Методологические аспекты обоснования структуры НТК бассейна и оптимизации судов ледового плавания на основе методов математического программирования, имитационного моделирования, теории многоуровневых иерархических систем, теории массового обслугавания позволили создать проектную методику для синтеза структуры, исследования сложных процессов функционирования и взаимодействия элементов флота, а также для выявления путей повышения его вффективности. При этом ■ показана адекватность разработанного аппарата.

2. Использование имитационной модели' в методике обоснования арктического флота МГК бассейна, позволившей учесть важнейшие случайные факторы, определяющие эффективность работы флота, и получить зависимости, непосредственно связывающие качества проектирумых судов с условиями эксплуатации и экономическими показателями, значительно повышает обоснованность принимаемых решений. Это обеспечивает сшнвние капитальных вложений при пополнении состава флота и надежное освоение грузопотоков в Восточном секторе Арктики.

3. Выбор рациональной системы ледокольного обслуживания с учетом влияния издержек от простоя судов и ледоколов, а такае ледокольных качеств транспортных судов, способствует корректному репекпкз вопроса о технической оснащенности флота для арктической навигации и обеспечивает эффективное его доиспользование на неарктических направлениях. Полученные результаты согласуются с фактической расстановкой судов в бассейне и позволяют сфорлули-роьоть предложения о более эффективном использовании флота.

4. Учет динамики функционирования систеги на этапе синтеза ое структуры приводит к необходимости совместного использования 'оптимизационных и имитационных моделей» поскольку для адекватного описания динамики функционирования системы могут быть использованы лишь методы имитационного моделирования. Предложенные принципы оптимизащганио-имлтационного подхода в задачах синтеза структуры и рекомендации по их использованию нашла применение при оптимизации пополнения и оценки надезяоста арктического флота ИГК бассейна.

5. При решении задачи обоснования пополнения арктического флота НТК бассейна с учетом структуры грузопотоков на конкретных линиях перевозок и специфических особенностей эксплуатации флота в условиях арктической навигации получены данные по типам судов и ледоколов для характерных направлений Дальневосточного бассейна.

6. Учет влияния дестабилизирующих факторов на параметрическую надежность и качество функционирования комплекса позволяет повысить Еффззстивность параметрического синтеза, способствует успешному внедрению автоматизированных методов в практику проектирования и. делает их доступными для инженероз-разработчиков различной специализации.

7. Рассмотренная задача параметрического проектирования судов ледового плавания .позволяет связать менду собой задачи оптимизационного и надежностного проектирования с учетом информации об эксплуатационных отклонениях выходных параметров и на этой основе организовать поиск наилучшего Парето-оптимального решения.

8. Методология проектирования структуры НТК ДВ бассейна, разработанная в диссертационной работе, позволяет получить решение следующих практических задач:

учесть экономические интересы конкретного пароходства бассейна при разработке задания на проектирование судов;

определить оптимальный состав флота для плавания в Восточном секторе Арктики;

выявить типоразмеры судов, оптимальные для Дальневосточного бассейна;

выбрать оптимальные характеристики судов ледового плавания

из Паре то-опжлзльного множества на основе параметрической надежности их функционирования.

9. Методика может быть использована также для согласования решений и принятия рациональных планов развития бассейнов, "конкурирующих" по использованию дефицитных ресурсов, а также для оптимизации планов расстановки существувдих судов.

10. При разработке алгоритмов получен ряд зависимостей, которые могут применяться и самостоятельно при проектном анализе соответствующих разделов.

Основные положения диссертации освещены в следующих публикациях соискателя:

1. Экспериментальные исследования внешних нагрузок на танкере "Тюменьнефть" при различных курсовых углах / Тез. докл. XXII научно-техн. конф., 1974. Владивосток, 1974. (с Л.В., Винокуром, А.Г. Улоненко).

2. Исследование повреждений контейнеров, перевезших в Дальневосточном бассейне / Тез. докл. XXV научно-техн. конф., 1978. Владивосток, 1978. (с B.C. Антояешш, Л.Б. Винокуром).

3. Изыскание рационального типа судна для Дальне восто«шого бассейна с учетом структуры прямых и обратных грузопотоков // Проектирование судов: Сб. науч. тр. / ЛИ!. Л., 1980.- С. 52-58, .

4. Модель системной оптимизации расстановки и пополнения флота бассейна // Кибернетика на морском транспорте / Росл. когеод. научно-техн. сб. Киев, 1932. j5 II. С. 23-30.

5. Имитационная модель функционирования флота на арктическом направлении // Перспективные проблемы проектирования судов: Сб. науч. тр. / ЛКИ, 1932. С. 18-24.

6. Влияние эксплуатационных условий на выбор характеристик многоцелевых судов // Перспективные проблемы проектирования судов: Сб. науч. тр. / ЛКИ, 1982. С. СЭ-72.

7. Модель унификации надстроек в задаче оптимизации пополнения сухогрузного флота // Проблемы модульного судостроения: Тез. докл. Есесоюзе, науч.-техн. конф. Нарт 1982. Л., 1982. С. 39-40.

8. Особенности учета структуры грузопотоков при обосновании состава сухогрузного флота // Рукопись представлена Ленинградским

кораблестроительным институтом. Ден. в ЦНИИ "Румб" II ноября

1982. ,'в ДР-1564. 7с.

9. Учет арктических условий при обосновании проектных характеристик сухогрузных судов ледового плавания // Рукопись представлена Ленинградским кораблестроительным институтом. Деп. в ЩАМ "Румб" II ноября 1932. а ЛР-1Б66. 9 с.

10. Разработка методшси определения габаритно-массовых характеристик судоьых надстроек // Исследование и разработка технологии•изготовления конструкции надстроек судов и надводных технических средств освоения океана модулыю-панельшм методом / Отчет по теме Х-800. В Гос. рог. 80074079. Л.1981.С. 11-67. (с Б.А. Царевым),

11. Формирование проектных критериев эффективности судов для изучения и освоения морских ресурсов // Надводные технические средства исследования и освоения океана. Тез. докл. IV Всесоюзн.

' конф. "Проблемы штрового океана". 25-28 октября 1983. Владивосток, 1983. С. 7-8. (с Д.Н. Веховым, А.И. Игольниковкм).

12. Задача мезкпроектной ушфикации судовых надстроек в рачках оптимизации состава пополнения сухогрузного флота бассейна / Тез. докл. 711 науч.-техн. конф. 1983. Владивосток, 1983. С. 41-42.(с Б.А. Царевым).

13. Учет арктических условий при обосновании состава флота Дальневосточного бассейна / Тез. докл. VII науч.-техн. конф.

1983, Владивосток, 1983. С. 18-19.

14. Исследование характеристик башенных и пирамидальных надстроек судов при использовании унифицированных конструкций и типизированных решений // Перспективные направления в проектировании судов: Сб. науч. тр. / ЛКИ. 1983. С. 61-64. (с И,Л.. Чупайло) :

15. Принципы разработки итеративной модели обоснования флота // Проектирование и модернизация судов с учетом особенностей Дальневосточного бассейна: Сб. науч. тр./ Прим. прав. НТО kíí. акад. А.Н. Крылова. Владивосток, 1985. Вып. 14. С. 10-14.

16. Проектирование транспортных судов ледового плавания // Учебное пособие / ДВГУ. Владивосток, 1937. 90 с. (с Н.И. Восков-щуком).

17. Нормирование реализации случайных событий и величин в имитационной модели функционирования флота// Ошт модернизации судов для Дальневосточного бассейна: Сб. науч. тр. / Прим. правл. НТО им. акад.' А.Н. Крылова. Владивосток, 1986. Вып. 17. С. 51-53.

18. Имитационное моделирование фидерного обслуживания линейных судов // Учет особенностей Дальневосточного бассейна при проектировании и модернизации судов: Тез. докл. IX Дальневосточной науч.-техн. конф, 11-13 сентября 1986. Владивосток, 1986.

С. 89-90.

19. Модель оптимизации пополнения флота для арктической навигации // СО. науч. тр. / Прим. правл. НТО им. акад. А.Н. Крылова, Владивосток, 1987. Вып. 19. С. 14-18.

20. Оптимизация транспортных судов ледового плавания // Учебное пособие/ ДВПИ. Владивосток, 1988. ВО с.

21. Учет особенностей Дальневосточного бассейна в модели развития флота // Эксплуатация судов в условиях Дальневосточного бассейна: Сб. науч. тр. / Прим. правл. НТО им. акад. А.Н. Крылова. Владивосток, 1989. Вып. 24. С. 20-24.

22 Оптимизационно-имитационное моделирование развития флота // Ошт проектирования и модернизации судов для Дальневосточного бассейна: Тез. докл. X Дальневосточной науч.-техн. ковф. Владивосток, 1989. С. 92-94.

23. Моделирование ситуации, сложившейся на момент окончания проводки каравана // Проектирование и модернизация.судов с учетом особенностей Дальневосточного бассейна: Сб. науч. тр. / Прим. правл. НТО им. акад. А.Н. Крылова. Владивосток, 1991. Вып. 30. С.35-38.

24. Учет надежности и восстановления транспортных судов в имитационной модели функционирования арктического флота // Проектирование и модернизация судов с учетом особенностей Дальневосточного бассейна: Сб. науч. тр. / Прим. правл. НТО им. акад. А.Н. Крылова. Владивосток, 1991. Вып. 30. С. 39-44. (с Е.М. Новосельцевым).

Подписано в печать 29.06.92. Оормат 60x84/16.Усл.печ.л.2.32. Уч.-изд.л. 1,76. Tupos 100 экз. Заказ 162. Бесплатно.

Фотоофсетная лаборатория ДЕЛИ. Владивосток, Ленинская,50