ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКАЯ АКАДЕМІЯ

Голіков Володимир Володимирович

УДК 656.61.052.484

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ВИБОРУ ЕКОНОМІЧНО ВИГІДНИХ І БЕЗПЕЧНИХ МОРСЬКИХ ШЛЯХІВ

05.22.16 – cудноводіння

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Одеса 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, доцент Савчук Віктор Дмитрович Одеська національна морська академія, начальник науково-дослідної частини, доцент кафедри морських перевезень

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Потьомкін Олександр Еммануїлович Одеська національна морська академія, завідуючий кафедрою судноводіння на морських і внутрішніх водних шляхах

кандидат технічних наук Васьков Юрій Юрійович Одеський морський торговельний порт, перший заступник начальника порту

Захист дисертації відбудеться “11” жовтня 2007 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, ОНМА, корп. , зал засідань вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської національної мосрької академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 2.

Автореферат розісланий 10 вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор В.В. Тарапата

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження пов'язана зі скороченням витрат на перевезення морським і річковим транспортом при дотриманні правил безпеки мореплавства. Як показав огляд результатів досліджень в області судноводіння, особливе місце займають планування рейсового завдання та переходу судна з наступним керуванням транспортним процесом, коли безпосередньо здійснюється механічна робота. Існуючі методи планування оптимальних морських шляхів використовують у своїй основі принципи мінімізації проходженої відстані в задачах лінійного, динамічного та стохастичного програмування, а задачі керування, спрямовані на мінімізацію витрати палива і часу доставки вантажів, містять елементи варіаційного обчислення.

Застосування зазначених принципів і методів обмежено врахуванням незначних відхилень судна від лінії наявного шляху, як правило, на прямих ділянках руху у той час як у реальних умовах плавання такі відхилення з міркувань безпеки бувають порівнянні з переміщенням. При плануванні переходу піддаються оптимізації тільки ділянки відкритого моря по лінії ортодромії. На жаль, уже на цьому початковому етапі рейсу та на наступних етапах методи оптимізації не в повній мірі відображають вихідні дані рейсового завдання, незворотність процесу виконання механічної роботи та необхідність оцінки ефективності усієї транспортної послуги, яка передбачає безпеку судна, збереженість вантажу і життя людей. Існуючі методи оптимізації шляху одностороннє описують транспортний процес, системно не взаємозалежні і носять локальний характер. Тому проблема удосконалення принципових підходів і методів оптимізації процесу транспортування вантажів морським шляхом залишається актуальною та гострою через тривале щодобове (біля 30 тон) споживання енергоносіїв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень реалізований у рамках “Державної програми вдосконалення і функціонування державної системи забезпечення безпеки судноплавства на 2002 - 2006 роки” (постанова Кабінету Міністрів України від 28 січня 2002р., №96). НДР: “Розробка теоретичних основ керування адаптивними системами кондиціонування повітря на суднах” (виконавець розділу 1.5), ДР№0198U001697 (2003); “Удосконалення методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання” (виконавець розділу 2.11), ДР№0103U006406 (2005); “Теорія та практика процесів кондиціонування мікроклімату на суднах” (виконавець розділу 10), ДР№0104U000712 (2006), виконаних відповідно до планів роботи ОНМА на 2001 – 2006 роки.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності керування судном шляхом мінімізації енергетичних втрат і фінансових витрат у процесі морського перевезення.

Досягнення поставленої мети передбачається здійснити шляхом посилення цілеспрямованості вибору оптимального шляху при плануванні переходу та керуванні судном залежно від рейсового завдання, метеоумов маршруту руху з мінімально-неминучими енергетичними втратами при дотриманні безпечних умов перевезення вантажів.

Тому головною була поставлена задача удосконалення принципу, розробки метода і прийомів оптимізації шляху судна по мінімуму собівартості перевезення. При формуванні допоміжних задач дослідження основна увага була зосереджена на вивченні фізичної природи енергетичних втрат, впливі на них внутрішніх і зовнішніх факторів керування судном, включаючи його морехідність.

До задач дослідження входило:

- розгляд основних тенденцій удосконалення методів оптимізації морських шляхів;

- обґрунтування вибору теми дослідження та розробки загальної методики її реалізації;

- створення концепції оптимізації планування переходу судна;

- вивчення закономірностей впливу кінематичних параметрів керування судном на ефективність шляху;

- розробка методики визначення показника ефективності планування морського шляху;

- вивчення закономірностей впливу кінематичних параметрів керування судном і шляхових умов на кінетику процесу доставки вантажу;

- розробка методики визначення коефіцієнтів корисної дії судна при доставці вантажу на маршруті руху;

- удосконалення методики безпечного штормування судна;

- здійснення експериментальної перевірки та оцінки ефективності удосконалених методів і прийомів при здійсненні океанських переходів у комерційних рейсах;

- удосконалення принципу вибору економічно вигідних і безпечних морських шляхів та практичних рекомендацій.

Об'єктом дослідження є процес транспортування вантажів по морським шляхам.

Предметом дослідження є інтенсивні і екстенсивні параметри руху та морехідності судна.

Методи дослідження:

- методи оптимізації – при розгляді тенденцій удосконалення методів оптимізації морських шляхів;

- системний підхід – при виборі теми, загальної методології дисертаційного дослідження, аналізі транспортного процесу та удосконаленні принципу його оптимізації;

- методика планування переходу та критеріальний підхід – при розробці концепції удосконалення процесів планування маршрутів руху;

- фізичний підхід (закони механіки поступального руху) – при вивченні впливу кінематичних та кінетичних параметрів керування судном на незворотні втрати, а також кількісному визначенні мінімально неминучих витрат;

- положення та теорії векторної алгебри – при плануванні маршрутів руху та візуалізації показників ефективності проходження судна по наявному маршруту;

- планування експерименту та обробки статистичних даних – при проведенні рейсового експерименту;

- закони логістики – при удосконаленні методики визначення прибутку за підсумками рейсу.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що удосконалення методів оптимізації шляху забезпечує цілеспрямованість, наповненість і швидкодію процесу вибору при прийнятті рішень за рахунок установлення взаємозв'язків і відносин у системі доставки вантажів між економічними, експлуатаційними та шляховими факторами руху судна представленими у аналітичному вигляді шляхом гармонізації безрозмірних критеріїв незворотних втрат, що характеризують транспортний процес.

В результаті досліджень вперше здійснені:

- гармонізація транспортного процесу при морських перевезеннях – мінімізацією незворотних втрат не тільки морського шляху відносно ортодромії, але й енергетичних втрат при виконанні роботи по транспортуванню вантажів, а також фінансових витрат на транспортний супровід і обслуговування судна;

- процедура гармонізації транспортного процесу - застосуванням методик визначення безрозмірних критеріїв оцінки факторів ефективності процесу, які об'єднані принципом формування векторного критерію представленого у вигляді цільової функції.

При формуванні методик вперше встановлено, що:

- економічна ефективність морського шляху прямо пропорційна величині фрахтової ставки fф і зворотно пропорційна питомим транспортним витратам fТР, визначається відношенням їхньої різниці до величини фрахтової ставки, необмеженість якої по транспортним витратам стає причиною підвищення ставки фрахту, що створює умови для інфляції;

- технічна ефективність судна пропорційна масі вантажу та швидкості судна, зворотно пропорційна коефіцієнту опору тертя на тихій воді і визначається добутком гідропропульсивного коефіцієнта на коефіцієнт опору корпуса;

- ефективність роботи судна по переміщенню вантажу прямо пропорційна технічної ефективності та зворотно пропорційна гідродинамічній опірності і довжині морського шляху;

- умови штормування у зарезонансних зонах хитавиці забезпечуються вибором швидкості і напряму руху судна залежно від періодів його власних коливань при забезпеченні морехідної безпеки по заливаємості, слемінгу, параметричної хитавиці, брочингу та оголенню гвинта в умовах регулярного і нерегулярного хвилювання на глибокій воді та мілководді;

- у трьох режимах ходу судна при: v0=const, Ne=const та A=const функціональна залежність між локальними критеріями ефективності, включаючи і ефективність шляху, визначається відомими законами фізики, що дозволяє досліджувати можливі варіанти стану морського перевезення, використовуючи безрозмірні коефіцієнти, які мають властивості;

- величина питомих транспортних витрат, віднесених до одиниці маси вантажу, прямо пропорційна мінімальним сумарним витратам на виконання механічної роботи і транспортні послуги та зворотно пропорційна величинам коефіцієнтів ефективності завантаження, шляху, швидкості, опору тертя та к.к.д. гідропропульсивного комплексу судна.

Подальший розвиток одержав принцип вибору при оптимізації морського шляху, що використовує метод генерування альтернатив і ранжирування локальних критеріїв для скорочення можливих альтернативних рішень.

Практична значимість отриманих результатів полягає в реалізації положень і практичних рішень дисертації на балкері “Nena J” у 15-ти комерційних рейсах довжиною близько 24300 миль на протязі 153 діб з ходовим часом – 87 діб. Реалізація результатів дослідження забезпечила наступний економічний ефект: скорочення пройденого шляху на 3,8% (920 миль); зниження опірності руху на 2,8% (0,5 кН); зменшення виконуваної роботи на 85200 кВт·г, що відповідає зниженню споживаної потужності на 5,2%, економії палива на 150 тонн, яка у цінах 2005 року становить 37500 доларів США або більше 430 доларів США на добу (акт з балкера “Nena J” від 15.10.2005р.).

Результати дисертаційної роботи впроваджені та використовуються у:

- Головній державній інспекції України по безпеці судноплавства (м. Київ) – методика визначення зарезонансних частот при розслідуванні морських аварійних подій (акт від 10.04.2007р.);

- АСК “Укррічфлот” (м. Херсон) – методики визначення зарезонансних зон при штормування, визначення ефективності та принципу оптимізації шляху призводять до зниження на 4ч6% загально суднові рейсові експлуатаційні витрати (акт від 25.04.2007р.);

- ТОВ “Каалбай Шиппинг” (м. Одеса) – принцип оптимального планування морського шляху по мінімально-неминучім енергетичним і фінансовим витратам для виконання попередніх розрахунків показників планування рейсів (акт від 04.05.2007р.);

- Дочірньому представництві № 1 Корпорації “В. Шипс” в Україні (м. Одеса) – методика визначення зарезонансних зон штормування судна, принципи оптимального планування шляху, методи оцінки показників ефективності шляху при підготовці екіпажів до рейсу, що у подальшому призводить до підвищення економічності морського шляху на коротких – 2ч4% та на довгих – 6ч10% ділянках (акт від 23.04.2007р.);

- фірмі “Велл” (м. Одеса) – методика визначення показників ефективності роботи судна при ходових випробуваннях, як результат – тривалість скорочується на 8 годин з економією у 20000 гривень на одне судно, застосована на 8-ми суднах з економією у 160000 гривень (довідка від 26.03.2007р., №34);

- ОНМА – сучасні методи планування шляхів та доставки вантажів (розділ підручника) у навчальний процес та НДР: №ДР0198U001697, №ДР0103U006406, №ДР0104U000712 (акти від 25.04.2007р.).

Особистий внесок здобувача в отримання нових результатів. Наукові результати, наведені в дисертації, одержано автором самостійно. У публікаціях, виконаних у співавторстві, особистий внесок автора полягає у наступному: [1] – методи планування і управління доставкою вантажів морським шляхом; [5] – аналіз навігаційних аварій; [6] – статистика фінансових збитків від забруднення акваторії під час аварій; [11] – підготовка вахтового помічника відповідно до ПДМНВ 78/95 в Україні; [10] – перевірка знань штурманського складу на судні.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були обговорені і схвалені на конференціях:

- міжнародних науково-технічних: “Сучасне судноплавство і морська освіта” (м. Одеса, 2004), “Морское образование: Вчера, сегодня, завтра” (м. Одеса, 2004), “Сучасні проблеми суднової енергетики” (м. Одеса, 2006,2007);

- наукових та науково-методичних: 54-ої та 55-ої професорсько-викладацького складу та курсантів ОНМА (м. Одеса, 2002, 2003), “Стан та проблеми судноводіння (м. Одеса, 2005), “Інтегровані комплекси транспортних засобів та безпека судноплавства” (м. Одеса, 2006).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в матеріалах підручника, 4 статтях наукових видань, рекомендованих ВАК України для публікацій результатів дисертацій і в матеріалах 9 конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури та 5 додатків. Дисертація викладена на 211 сторінках, з яких 153 сторінки, відповідно до основних вимог ВАК України, становлять припустимий обсяг дисертаційної роботи, 13 рисунків на 2 сторінках, 13 таблиць на 7 сторінках. Список використаних джерел включає 148 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі на основі традиційного філософського методу сходження від "загального" через "часткове" до "особистого" здійснено огляд результатів наукових досліджень методів оптимізації морських шляхів у задачах прогнозу, прогнозування, планування та управління транспортними процесами.

Результати досліджень були умовно розподілені на п'ять напрямків: організація морських перевезень; збереження вантажів; транспортні судна; морські шляхи; навігаційно-інформаційне забезпечення; керування рухом.

У напрямку "організація морських перевезень" у логістичній діяльності, що передбачає прогнозування, планування, організацію, управління та контроль за рухом матеріальних і інформаційних потоків, традиційними залишаються симплексні, статистичні, евристичні, експертні методи і їхні комбінації, а також методи вирішення транспортних задач: лінійного, нелінійного, стохастичного програмування та варіаційного числення. У даному напрямку слід зазначити роботу наукової школи очолюваної академіком АН України Б.В. Буркинским, зокрема, В.В. Віннікова і М.Т. Прімачева.

У напрямку "збереження вантажів" в останні роки відомі роботи В.В. Зайцева, І. Смаді та Ант.О. Голікова присвячені вантажної безпеці та технічним аспектам перевезення вантажів. Актуальними залишаються роботи М.Є. Барановського, В.І. Коробцова, В.А. Загоруйко, П.Ф. Овчиннікова, В.Д. Савчука.

У напрямку "транспортні судна " дослідження здійснюються М.В. Міюсовим, О.Е. Потьомкіним, С.І. Горбом, П.С. Суворовим, В.Г. Сизовим по удосконаленню роботи морських суден пов'язаного зі зниженням втрат рушійних сил у гідропропульсивному комплексі судна. В основі методів рішення енергетичних задач лежать закони механіки, гідродинаміки, теплофізики та теорії корабля.

У напрямку "морські шляхи" в роботах Л.Л. Вагущенка, А.Л. Вагущенка, Ю.П. Кондратенка, О.П. Беня вирішуються завдання оптимізації шляхів пов'язані із плануванням і переплануванням маршруту руху, як методами вирішення відомих транспортних задач, так і чисельними методами обробки масивів даних (перебору, ізостадій, ізохрон, "генетичний алгоритм" та ін.).

В окрему групу досліджень морського шляху варто віднести роботи Ю.Л. Воробйова, Ю.І. Нечаєва та В.Г. Сизова по вивченню зовнішніх (шляхових) навантажень на корпус судна.

У напрямку "навігаційно-інформаційне забезпечення" морських шляхів відомі роботи І.І. Гладкіх, В.М. Кошевого, А.О. Кошевого, В.Г. Алексішина, С.Ю. Інфімовського та ін. по створенню і оптимізації систем типу АІС, РІС, САРП та ін.

У напрямку "керування рухом" відомі роботи В.С. Блінцова,
Ю.Л. Воробйова, Л.Л. Вагущенко, М.С. Алексійчука, Л.А. Козиря,
А.С. Мальцева та М.М. Цимбала, що використовують широку гаму методів і прийомів векторної алгебри, диференціального та варіаційного обчислення, а також чисельні методи характерні для завдань керування рухом стратегічного, тактичного і технічного характеру по прийняттю рішень.

При здійсненні огляду результатів досліджень зроблені висновки про прогностичний, плановий і управлінський характер методів оптимізації морських шляхів. Найменш вивченими залишаються методи планування та коректування маршруту переходу судна через недостатню методологічну базу, починаючи від вихідних вимог, принципів, методів дослідження і закінчуючи систематизацією методик та процедур дослідження.

Не виявлено зв’язку між економічними законами ринку та роботою, яку виконує судно, не сформований єдиний підхід до критеріїв ефективності шляхів, що породжує багатоваріантність вибору при прийнятті рішень в операторській діяльності, створюючи безліч невизначеностей.

У другому розділі, використовуючи відомі роботи А.В. Антонова про роль вибору в системних дослідженнях і І.І. Кринецького про класифікаційні ознаки вибору, на основі результатів огляду літературних джерел, з урахуванням характеру операторської діяльності судноводія, здійснений аналіз методів вирішення транспортних задач, сформованих на основному ринковому законі про прибуток стосовно теорії судноводіння.

В результаті короткого аналізу системності досліджень, стосовно задач судноводіння при виборі і прийнятті рішень, показана їхня неповноцінність та однонаправленість через відсутність концептуальних підходів і системних принципів у методології планування і методах оптимізації шляхів.

У теорії судноводіння не наведено чіткого взаємозв'язку між економічними, енергетичними і управлінськими факторами шляху. Тому бракує єдиного системного підходу до цієї проблеми. При плануванні переходу оптимізації підвергнути тільки окремі відкриті ділянки шляху відносно переміщення, а незворотність процесу виконання роботи судном теоретично не обґрунтовано разом з фінансовими витратами на інформаційне та транспортне обслуговування в процесі перевезення.

У зв'язку із цим задача гармонізації факторів керування морським перевезенням на системному рівні залишається актуальною, у такій постановці раніше не досліджувалась і ставиться вперше.

Об'єктивність дослідження досягається наявністю теоретичної бази, що доповнюється з інших галузей науки, та результатами огляду літератури.

Особливу увагу передбачено зосередити на критеріальному підході до проблеми вибору при оптимізації з відомим векторним критерієм і локальними порівнянними один з одним критеріями, що мають вірогідність та теоретичну основу для формування цільової функції.

Економічна ефективність дослідження, яка визначалася відношенням розміру передбаченої мінімальної економії від результатів розробки до сумарних витрат на неї, склала майже 300%.

Обґрунтована також судноводійна спрямованість досліджень, розглянуті перспективи реалізації їх результатів, за результатами вибору сформульована тема дослідження, визначені об'єкт і предмет дослідження.

В основу методології наукового дослідження покладений системний підхід із класифікаційними ознаками до систем, що містять: спільність і розвиток, поводження, взаємозв'язок елементів і складність реалізованих функцій. У транспортній підсистемі “судно - вантаж - морський шлях” найменш вивчені зв'язки та відносини між її елементами.

Основна ідея досягнення мети полягає в оцінці ролі кожного елемента процесу морського перевезення в енергетичній спрямованості та фінансової доцільності управління.

Для вирішення поставлених задач здійснено дослідження математичної моделі процесу морського перевезення, яка розроблена В.В. Вінніковим на основі ринкового закону про прибуток традиційним методом варіаційного числення названого у дисертаційній роботі В.В. Зайцева – диференційним.

Отримана цільова функція обумовлена величиною прибутку від рейсу судна:

(1)

де f – ставка фрахту; МГ, Мз(а) – маса вантажу та запасів на рейс; Цз(а), ЗП(с), ЦТТ, ЦЛТ, ЦМ(гд), ЦМ(вм) – питома ціна запасів, заробітної плати, важкого та легкого палива, мастила для головного двигуна і допоміжних механізмів; GТП, GМП, GТБ, GМБ, GТМ, GМБ, GТМ, GММ, GТСО, GМСО, GТСГ, GМСГ – масова витрата палива та мастила для головного двигуна та допоміжних механізмів при прямуванні судна повним ходом з вантажем і баласті, на маневрах, стоянці без вантажних і з вантажними операціями; Тр, Тдп(г), Тдб(g), ТМ(i), ТСО(k), ТСГ(m) – період рейсу, прямування судна повний ходом з вантажем і баласті, з маневрами, стоянкою без і з вантажними операціями; Rсоп, Rс – грошові витрати, пов'язані із супроводженням судна і збереженням вантажів; kШ – штормовий коефіцієнт.

Функція (1) - багатьох змінних, дослідження якої викладено в додатках 1 та 2 дисертації, та є багатоваріантною процедурою, що відбиває фізичну сутність процесу та характер взаємодії елементів у розглянутій підсистемі й носить суто економічних характер.

Таке положення й обставини вимагають рішення головної задачі – розробки більш досконального методу оптимізації шляхів, використовуючи крітеріальний підхід з аналізом і оцінкою економічної, енергетичної та навігаційної ефективності роботи судна.

Технологія наукового дослідження надана у вигляді технологічної карти, де наведено основні етапи роботи, а також обґрунтовано доцільність застосування методів дослідження задач. При вирішенні першої допоміжної задачі для оцінки ефективності та якості транспортної послуги передбачається використання методики оптимізації обслуговування ринку. При вирішенні другої допоміжної задачі передбачено розроблення методики розрахунку незворотності процесу руху з визначенням показників енергетичної ефективності роботи судна. Вирішення третьої допоміжної задачі потребувало створення методики оцінки експлуатаційних якостей судна та шляху в процесі руху за маршрутом прямування.

Розробка методик визначення локальних та векторного критеріїв вимагає виявлення їх взаємозв'язку й сумірності між собою з поданням у вигляді цільової функції порівнянної з "ідеальним" значенням, стану об’єкта дослідження.

Методикою проведення спеціальних суднових випробувань на балкері “Nena J” грецької судноплавної компанії FAIRSKY передбачені експериментальна перевірка вірогідності методик, діапазонів зміни локальних критеріїв, встановлення характеру незворотних втрат швидкості.

У третьому розділі розглядається концептуальний підхід до вирішення допоміжних задач щодо розробки методик визначення локальних критеріїв якості транспортного процесу, заснованих на взаємозв'язку питомих транспортних витрат, які віднесені, як і ставка фрахту fФ, до одиниці маси вантажу, із грошовим еквівалентом механічної роботи та транспортних послуг:

, (2)

де SП/(24vE) – термін прямування; Цi – вартість i-ої транспортної послуги.

Для повноти вивчення, а дослідження транспортного процесу надана функціональна схема процесу морського перевезення (рис.1).

Рис.1. Схема взаємодії елементів процесу морського перевезення.

Схема допомагає встановити взаємозв'язки і відносини між елементами транспортної системи у формі, яка характерна для критеріального підходу.

При вирішенні першої допоміжної задачі – розробки методики визначення показника економічної ефективності морського шляху вперше введений локальний безрозмірний критерій:

зЭ=1 – fТР/fФ. (3)

Запропонований критерій (3), на відміну від прибутку, має фізичну змістовність і ринкову наповненість, які уточнюються при вирішенні головної задачі дослідження, а методика дає можливість забезпечити вибір при оптимізації шляху. На його максимізацію налаштована робота вищого ланцюга управління системи на рівні менеджера-оператора.

Рішення другої допоміжної задачі присвячено вивченню і розробці методик оцінки впливу внутрішніх і зовнішніх сил транспортного процесу на енергетичну ефективність морського шляху. Методика формується на законах незворотності втрат при прямуванні судна з постійною швидкістю шляхом вивчення характеру впливу шляхових сил опору та довжини шляху на споживану судном енергію. Мінімально-неминучими складовими механічної роботи прийняті буксировочна потужність судна та дистанція його переміщення з порту відходу до порту приходу обумовлена локсодромою або ортодромою.

У процесі створення методики використовується диференціальне рівняння односпрямованого переміщення матеріальної точки на межі розділу газорідкісного середовища під дією рушійної сили та сили опору. Ефективність використання рушійних сил процесу руху визначається коефіцієнтом технічної досконалості судна, який є відношенням коефіцієнту опору тертя (kТ) корпуса до швидкісного коефіцієнту двигуна (CN(v)) на тихій воді, а ефективність технічного стану судна (зЗ(Э)) визначається з урахуванням збільшення коефіцієнту опору тертя не тільки гладкої частини підводної поверхні корпуса, але й від його шорсткості і обростання, включаючи гвинт судна (kТШ). Інерційність судна надана коефіцієнтом вантажної ефективності у вигляді відношення маси вантажу до маси судна з вантажем. Характер дії зовнішніх сил від вітру і хвилювання на глибині та мілководді визначається відповідними коефіцієнтами опору руху судна, які представлені у відомих роботах Л.Л. Вагущенка, Ю.Л. Воробйова, С.І. Дьоміна, В.Г. Сизова емпіричними залежностями. Слід зазначити, що величина опору руху судна на тихій воді майже на порядок перевищує сумарну величину опору зовнішніх сил збуреної поверхні моря до штормового стану, як на глибині, так і на мілководді.

Енергетична ефективність роботи судна з v0=const визначається відношенням (kТШ) до сумарної величини всіх видів опору корпусу , що призводить до необхідності збільшення потужності енергетичної установки.

Методикою оцінки енергетичної ефективності роботи судна врахована і навігаційна ефективність морського шляху (зГ), яка визначається відношенням довжини ортодроми Dорт між портами відходу та приходу до довжини пройденого шляху SП при прямуванні судна, як по плоскій поверхні, так і земній кулі (рис.2), на якому ілюструється методика визначення точки М – відносно руху судна на лінії переміщення шляхом сумісного рішення рівнянь ортогональних ліній ОВ и АМ в проекції Меркатора з урахуванням властивостей полярних трикутників.

Рис.2. До задачі визначення координат точки М на сфері

В результаті вирішення другої допоміжної задачі розроблено методику оцінки незворотних енергетичних втрат від роботи судна з постійним ходом на морському шляху у вигляді безрозмірних локальних критеріїв, які віддзеркалюють фізичну сутність транспортного процесу. У розглянутій системі судно представляє виконавчий засіб.

У четвертому розділі вирішена третя допоміжна задача – розробки методики оцінки ефективності руху судна при енергетичних обмеженнях і забезпеченні його мореплавності в штормових умовах.

Вивчаються особливості втрати основного параметра руху – швидкості від зміни стану поверхні корпуса, зовнішніх шляхових впливів: мілководдя, вітру, течії та хвилювання з наступним визначенням гідродинамічної ефективності роботи судна, що пов'язана з подовженням морського шляху, пропорційною косинусу кута дрейфу, зносу або відхиленню від наявного маршруту руху.

Для визначення величини та напрямку сумарного вектора швидкості руху судна та його проекцій на лінії переносу, шляху, дійсного курсу і переміщення при одночасному та роздільному впливі вітру, течії й хвилювання в прямокутній та полярній системах координат методикою передбачено використання правила векторного трикутника, а також спеціально розробленої процедури визначення напрямку будь-якого вектора при переході із прямокутної в полярну систему координат (рис.3.).

Ця процедура конче необхідна для інформаційного забезпечення операторської діяльності судноводія (рис.4.).

При управлінні судном звертається увага на вплив модуля відхилення маршруту руху від лінії шляху, особливо переміщення. Косинус кута відхилення впливає на сумарний опір тертя, зменшуючи енергетичну ефективність роботи судна.

Рис.3. До визначення напрямку сумарного вектора .

Рис.4. Шляхові швидкісні трикутники під час руху судна

В процесі рішення третьої допоміжної задачі розроблено методику визначення зарезонансних зон хитавиці при всіх видах штормовання судна щодо напрямку руху хвиль. В основу методики покладені відомі формули визначення періодів власних коливань судна і періоду хвилювання, які задаються, а також два не рівняння, що характеризують небезпечну резонансну зону хвилювання.

В результаті теоретичного дослідження встановлено аналітичний взаємозв'язок між швидкістю руху судна (v0), інтенсивністю хвилювання (ДW), курсовим кутом хвилювання (qW) і періодами власних коливань судна (Tо,ш,И), що й визначає умови відсутності передрезонансних явищ:

(4)

Дослідження не рівнянь (4) дозволяє обрати для певного типу судна, наявного маршруту та напрямку хвилювання оптимальну швидкість судна у зарезонансній зоні руху.

Додатковою методикою передбачено процедуру уточнення швидкості судна для руху в зарезонансній зоні при регулярному, нерегулярному хвилюванні, як на глибоководі, так і мілководді. Після обрання виду штормування в методиці передбачені процедури дослідження на заливаємість, слемінг, параметричну хитавицю, брочінг судна і недопущення оголення гвинта, що призводить до встановлення оптимальної швидкості руху судна при штормованні. Для схеми (рис. 1) переліченні показники носять характер збурення.

Для вирішення головної задачі – створення методу оптимального планування та перепланування морського шляху розроблений метод генерування можливих альтернативних ситуацій і принцип оптимізації з можливим поданням цільової функції керування процесом морського транспортування.

При обранні методу генерування альтернатив використані фізичні закони, що описують можливі енергетичні режими роботи судна, можливість їхнього порівняння та закономірності формування взаємозв'язків між локальними критеріями ефективності.

Опис можливих режимів роботи і руху судна здійснюється при сталому режимі ходу, для якого характерним є nв?const і v0(Е)=const, режимах руху при NC(Э)=const і A=const – стале виконання механічної роботи на переході.

Можливі співвідношення між безрозмірними параметрами стану ходу судна представлені в табл.1.

Таблиця 1

Види співвідношень між безрозмірними параметрами стану процесу руху судна

Режим ходу | Параметри

Інтенсивні | Екстенсивні

Ходовий

Обмеження навантаження

Обмеження роботи

За допомогою цієї таблиці порівнюються будь-які два варіанти планування або перепланування морських шляхів залежно від довжини, опірності, ізохронності, ізостадійності етапів або переходу судна в цілому.

На прикладі розрахунків коефіцієнтів ефективності роботи балкеру “Nena J” по одному з рейсових завдань була знайдена невідповідність енергетичних показників рейсового завдання з реальними обставинами рейсу – заниження планової величини опору тертя на переході майже на 10%. Переплануванням переходу за допомогою таблиці 1 , змушеного збільшення потужності головного двигуна на 22,5% для підвищення швидкості на 1 вузол і скорочення шляху на 2,8% досягаються умови .

Подальше рішення головної задачі пов'язане з розробкою векторного методу оптимізації шляху, що обмежує область можливих варіантів стану у математичної моделі (1) знизу по мінімально-неминучим параметрам руху і зверху – по фінансовим лімітам.

Цільова функція керування містить всі ознаки існуючої математичної моделі, але на її відміну, володіє порівнянністю, додатково містить параметри початкових умов рейсового завдання, що лімітують параметри процесу переходу, локальні критерії ефективності елементів транспортної системи і її функціонування та представлена коефіцієнтом економічності:

(5)

де Rпр – витрати на транспортні послуги; F=fфМГ; зS, зV, зГП, зС(Е) – локальні критерії ефективності шляху, режиму ходу, вантажопідйомності, роботи енергетичної установки; Amin – мінімально-неминуча робота судна на переході; МС – маса судна. Коефіцієнт, що дорівнює (1,06ч1,3) визначає додаткову частку витрати легкого палива в ходовому режимі. Мінімально-неминуча робота надана виразом: Amin=DортNmin/v0(Е).

Цільова функція (5) досить легко досліджується на екстремум по кожному з локальних критеріїв залежно від умов задачі керування транспортним процесом. У схемі (рис.1.) ця функція керування належить судноводієві.

У п'ятому розділі представлене рішення задачі удосконалення принципу вибору оптимального шляху з використанням отриманих результатів, а також експериментальної перевірки їхньої адекватності в комерційних рейсах.

В основу рішення задачі оптимізації морського шляху покладений системний аналіз із його критеріальними обмеженнями на область зміни перемінних у цільовій функції. На відміну від кінематичного принципу оптимізації шляху по ортодромі, що мінімізує у формулі роботи A=RПSП тільки відстань SП у запропонованому принципі мінімізуються і зовнішні (шляхові) опори, і фінансові витрати на транспортні послуги при проході каналів, регульованих ділянок, заходів стоянок в портах та інше.

На рис.5 графічно надано механізм розрахунку шляхових опорів на будь-якій ділянці шляху для визначення енергетичного фактору. Фінансові витрати на транспортний супровід та обслуговування судна відносяться до ділянок шляху, на яких вони відбулися аналогічно визначенню середнього шляхового опору. Якщо при плануванні шляху прийнято рішення про проходження штормових зон, то для них здійснюється розрахунок відносної швидкості судна і коефіцієнту швидкісних втрат при штормованні.

Рис.5. До визначення середньошляхового опору руху судна

Адекватність отриманих в роботі результатів зрівнювалася за результатами 15-ти комерційних рейсів, які виконано на балкері “Nena J” (52390 тонн водовміщення) протягом 153 діб, який подолав шлях протягом 24296 миль із середньою абсолютною швидкістю (vU) у 11,6 вузла при експлуатаційній швидкості (v0) – 14,5 вузлів. Перевірка адекватності здійснювалася за величинами втрат відносної й абсолютної швидкості руху віднесених до лінійної швидкості vоб у періоди переходів судна, за час яких: 10% ходового часу воно рухалося зустрічними до хвилі курсами при хвилюванні до 4-х балів; 20% – при хвилюванні у вилицю з інтенсивністю до 5 балів; 22% – при хвилюванні в борт з інтенсивністю до 6 балів; 39% – при хвилюванні в раковину з інтенсивністю до 8 балів і 9% - при попутному хвилюванні з інтенсивністю до 5 балів. Штормові навантаження судно переборювало під курсовими кутами від ±135є до ±155є з керованим зниженням лінійної швидкості на 30%, що забезпечило рух у зарезонансній зоні.

За період переходів коефіцієнт географічної ефективності шляху (зГ(S)) у середньому склав близько 86%, у той час як з урахуванням шляхових втрат у гідропропульсивному комплексі – 81%, тобто 5% втрачається при прослизанні гвинта. Слід також зазначити, що на ділянках довжиною від 1000 миль й вище ці показники підвищуються у порівнянні з короткими майже вдвічі.

Лінійна швидкість судна (hC=v0/ng) незалежно від його занурення й зовнішніх (шляхових) збурень залишалася постійною рівної 0,13423 трохи нижче паспортного (0,14), більш ніж на 4%, що майже дорівнює втратам від прослизання гвинта, яке викликане погіршенням технічного стану гідропропульсивного комплексу.

Відносні шляхові втрати швидкості не перевищували 6ч8% при інтенсивності хвилювання до 6 балів незалежно від курсового кута хвилювання. Абсолютна різниця між відносною й абсолютною швидкістю судна не перевищувала 0,5 вузла. Тому для суден водовміщенням більше ніж 30000т при плануванні шляху можна прийняти v0?vU?(0,92ч0,96)vоб. Для умов штормовання була уточнена формула Аертсена:

. (6)

де v0(S) – машинна швидкість судна при ДW<5;

Тому для розрахунку зарезонансних зон після ухвалення рішення про штормовання варто приймати vU?0,7v0?(0,92ч0,96)(vоб(S)–Дv0). У практичних розрахунках і плануванні переходу можна приймати v0(Е)?hCng.

ВИСНОВКИ

У дисертаційному дослідженні міститься теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-практичної задачі підвищення ефективності управління процесом морського перевезення вантажів і, як наслідок, удосконалення принципу, розробки та реалізації методу і прийомів оптимізації шляху судна по мінімуму собівартості перевезення, шляхом зниження енергетичних втрат при виконанні механічної роботи і фінансових затрат на супроводження і обслуговування судна, а також припустимого скорочення дистанції і зменшення опірності зовнішніх сил морського шляху.

Найбільш важливим науковим і практичним результатом, який отримано у процесі досліджень є системне вивчення процесу пересування судна морським шляхом з урахуванням незворотних втрат його рушійних сил, характеру та якості зовнішнього навантаження на гідропропульсивний комплекс, які пов'язані з дією збурюючих зовнішніх (шляхових) сил, втратою швидкості при подовженні шляху, морехідної безпеки та ціни за створення умов безпеки судна і вантажу з наступною гармонізацією протидій і перешкод руху судна з одержанням прибутку. Це стало основним положенням і системним принципом оптимізації морського шляху.

Найбільш важливими науковими і практичними результатами, отриманими в процесі досліджень, є:

1. Існуючі методи оптимізації шляху односторонньо описують транспортний процес, системно не взаємозалежні і носять локальний характер економічної, кінетичної та кінематичної спрямованості.

2. В основу дослідження покладені положення теорії систем, зокрема, їхні класифікаційні ознаки, етапи системного аналізу та математична модель транспортного процесу, що відображає ринковий закон про прибуток.

3. Відмінною рисою методології досліджень є додаткове включення в процес руху режиму сталого виконання роботи A=const, що дозволило в подальшому об'єднати відсутній взаємозв'язок між кінетичними та кінематичними параметрами поступального руху: потужністю, силою, відстанню і часом, скорочуючи кількість факторів у математичній моделі транспортного процесу.

4. В основу концепції оптимізації шляху покладено критеріальний підхід, що забезпечує порівнянність характеристик транспортного процесу з ідеальним або мінімально-неминучим, вірогідність і адекватність критеріїв ефективності шляху реальним процесам, їхньої значимості у виборі і гармонізації при прийнятті рішень.

5. Ефективність морського шляху прямо пропорційна фрахтовій ставці і масі вантажу, наданими у вигляді постійного коефіцієнту, величинам коефіцієнтів ефективності: шляху, швидкісного режиму, роботи судна з подолання сумарного опору шляху та зворотно пропорційна сумі грошового еквіваленту мінімально-неминучої роботи при транспортуванні вантажу і транспортних витрат, які віднесено до маси вантажу.

6. Методикою визначення показників економічної ефективності морського шляху передбачено обчислення питомої ваги транспортних витрат fТР та порівняння їх з величиною ставки фрахту fф. Позитивний знак різниці fф – fТР свідчить про перевагу варіанту шляху з максимальною величиною різниці. Негативний знак різниці свідчить про необхідність перепланування шляху або перегляду умов перевезення.

7. Кінематичні параметри керування – швидкість і напрямок руху судна мають різноманітний вплив на ефективність шляху, що залежить від режимів ходу і руху: у всіх режимах руху всяке відхилення руху судна від ідеальної лінії шляху (переміщення, локсодроми, ортодроми) знижує ефективність шляху, що визначається косинусом кута відхилення (обходу, розбіжності, дрейфу, зносу і т. ін.), а тому будь-яка зміна напряму руху судна вимагає обґрунтування, узгодження і дозволу капітана.

8. Швидкість руху судна в режимі ходу визначається швидкісними характеристиками (зовнішньою і гвинтовою) роботи гідропропульсивного комплексу судна, які характеризуються з одного боку його технічною досконалістю і технічним станом, що залежать від маси судна, потужності головного двигуна, характеристик гвинта, а з іншого боку – станом підводної частини корпуса і виступаючих підводних частин, а також теплофізичних характеристик води.

9. Енергетичні втрати зростають зі збільшенням питомої ваги опірності збуреної поверхні води від вітрохвильових впливів і мілководдя (kM, kv, kW). Це збільшує потужність двигуна при v0=const або знижує швидкість при Ne=const і штормування залежно від його виду, параметрів хитавиці та періодів власних коливань судна, а при A=const втрати швидкості судна визначаються зворотною квадратичною залежністю від добутку коефіцієнтів втрат через збільшення опірності і довжини шляху.

10. При плануванні шляху визначається критерій транспортної ефективності роботи судна по рекомендованому шляху пересування з порту відходу до порту приходу, використовуючи: методики визначення ефективності роботи судна по мінімально-неминучим витратам при v0=const та оцінки ефективності планування морського шляху при відхиленнях. Далі за відомою методикою планування переходу визначаються можливі морські шляхи з урахуванням жорстких обмежень. Після чого з можливих шляхів з урахуванням їх опірності (гнучких обмежень) обираються шляхи, у яких критерій транспортної ефективності більше рекомендованого. В противному випадку перехід судна здійснюється рекомендованим курсом. Останнім здійснюється розрахунок швидкості руху судна в зарезонансних зонах за методикою забезпечення морехідної безпеки при штормуванні.

11. Для прискорення процесу відбору наявних морських шляхів або їхнього перепланування використовується розроблений метод генерування (порівняння) альтернатив рекомендованому шляху для трьох режимів ходу судна: v0=const; Ne=const і A=const за встановленим взаємозв'язком між показниками незворотності процесу руху.

12. Удосконалення принципу обрання оптимального морського шляху полягає у встановленні порядку накладення обмежень на отриману лінійну цільову функцію керування транспортним процесом, що призводить до мінімізації варіантів можливих рішень.

13. Проведені експериментальні дослідження за тривалий період підтвердили вірогідність основних теоретичних положень, сформульованих у роботі, показали працездатність і ефективність їхньої реалізації в операторській діяльності судноводія.

14. Економічний ефект від впровадження результатів роботи в оперативну діяльність судноводія на балкері “Nena J” склав не менш 430 доларів США за добу або більше 37500 доларів США на рік. Крім цього, за результатами актів про впровадження спостерігається скорочення строків планування рейсів, проведення теплотехнічних випробувань суден з економічним ефектом у 160000 гривень, використання методик розрахунку при розслідуванні морських аварій.

Таким чином, у дисертації отримані нові теоретично