Одеська національна морська академія

Заічко Володимир Сергійович

УДК 656.614.3.073.003

ОПТИМІЗАЦІЯ ЗАВАНТАДЖЕННЯ СУДЕН
ГЕНЕРАЛЬНИМИ ВАНТАЖАМИ

05.22.20 — Експлуатація і ремонт засобів транспорту

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор
Вагущенко Леонід Леонідович,
Одеська національна морська академія,
завідуючий кафедрою електронних комплексів судноводіння.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Воробйов Юрій Леонідович,
Одеський національний морський університет,
радник ректора, завідуючий кафедрою теорії
та проектування корабля

кандидат технічних наук
Сафін Ігор Вікторович,
представництво компанії “Ві-Шипс” в Україні, м. Одеса,
директор

Захист відбудеться 6 грудня 2007 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою 65029 м. Одеса, вул. Дідріхсона 8, корп. 1, зал засідань вченої ради.

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

Автореферат розісланий 5 листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, Тарапата В.В.

д.т.н., професор

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв'язку з розвитком світового судноплавства, який направлений на зниження експлуатаційних витрат при вантажоперевезеннях, а також на підвищення ефективності, швидкості, вантажопідйомності, вантажомісткості і т.п., особлива увага світових морських організацій надається безпеці морських перевезень і впливу людського чинника на аварійність морських суден. У світлі вимог міжнародної конвенції МКУБ зростає роль використання високотехнологічних засобів і інструментів розрахунку, планування і контролю параметрів, що впливають на безпечну експлуатацію морських суден.

Для ефективних перевезень вантажів морськими суднами повинен бути забезпечений необхідний рівень навігаційної і морехідної безпеки. Морехідна безпека належного рівня не може бути забезпеченою без коректного завантаження судна. Вантажні операції суден, що приймають на борт генеральні вантажі, мають ряд особливостей, які утрудняють їх проведення. До таких особливостей відносяться: велика кількість вантажних партій, які належить коректно розмістити у вантажних приміщеннях; врахування сумісності партій вантажу в одному приміщенні; розміщення партій вантажу в трюмах відповідно до їх ротації; розміщення і укладання партій вантажу. Окремою проблемою є кріплення прийнятого на борт генерального вантажу, особливо за нестандартних умов перевезення. Тому, необхідність планувати проведення вантажних операцій при обробці генеральних вантажів, не допускаючи втрати морехідності судна в процесі всього переходу, визначає актуальність і перспективність дисертаційної тематики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з „Державною програмою вдосконалення функціонування державної системи забезпечення безпеки судноплавства на 2002-2006 роки” (Постанова КМ України від 28.01.2002 р., №296), та темами держбюджетних науково-дослідних робіт "Удосконалення методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання", № ГР 0103U006406 і “Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень”, № ГР 0106U002117, в яких автору належать самостійно виконані розділи.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методу оптимального завантаження суден генеральними вантажами.

Головна задача дослідження полягає в синтезі алгоритму вибору оптимального завантаження суден генеральними вантажами.

У дисертації головна задача представлена трьома складовими задачами, сумісне рішення яких дозволяє знайти загальне рішення:

- формування оптимізаційної задачі завантаження суден генеральними вантажами;

- розробка способу розрахунку границь множини допустимих завантажень судна генеральними вантажами при заданих обмеженнях;

- формалізація процедури вибору оптимального завантаження судна генеральним вантажем за вибраним критерієм.

Об'єктом дослідження є забезпечення посадки, остійності та загальної повздовжньої міцності морського судна під час експлуатації.

Предметом дослідження є процес завантаження судна генеральними вантажами.

Для вирішення поставлених в дисертації складових задач застосовувалися методи:

- дослідження операцій для декомпозиції головної задачі дисертації на декілька складових;

- теорії математичного програмування в частині формування оптимізаційної задачі і пошуку її рішення;

- теорії корабля для забезпечення морехідної безпеки судна при його завантаженні і перевезенні вантажу;

- синтезу моделей при розробці імітаційної моделі дисертаційного дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що вперше одержано метод вибору оптимального завантаження судна генеральним вантажем, який побудовано на розподілі партій вантажу по ознаці питомого вантажного об'єму по трюмах, впорядкованих по признаку подовжнього зсуву відносно мідель-шпангоута, по критерію прибутку від його перевезення на засадах існування множини допустимих стратегій завантаження судна за умовами накладених обмежень.

Наукову новизну містять наступні результати:

- вперше розроблено метод вибору оптимального завантаження судна генеральними вантажами, відмінний тим, що за умови виконання вимог по забезпеченню остійності, посадки та загальної повздовжньої міцності дозволяє оптимально розподілити вантаж по трюмах з урахуванням ротації вантажу і сумісності його партій;

- вдосконалено процедуру розрахунку параметрів границь множини допустимих завантажень судна, в якому допустиме завантаження характеризується набором використаних трюмів і розміщених в них партій вантажу;

- одержано подальший розвиток оптимізаційної задачі завантаження суден генеральними вантажами, яка враховує додатково сумісність партій вантажу, ротацію портів і вкладання вантажу у вантажних приміщеннях.

Практичне значення одержаних результатів. Практична значимість проведеного дисертаційного дослідження полягає у тому, що одержаний в роботі метод вибору оптимального завантаження судна генеральними вантажами можна використовувати не тільки для автоматичного планування вантажних операцій суден, але і для інших транспортних засобів.

Результати дисертаційної роботи мають значну практичну цінність, яка визначається тим, що алгоритми, програми та імітаційну модель доцільно використати і упровадити на суднах при завантаженні генеральних вантажів для забезпечення їх морехідної безпеки, в підрозділах планування завантаження суден, у навчальному процесі і при підвищенні кваліфікації судноводіїв.

Результати дисертаційного дослідження упроваджені в Одеському морському торговому порту для забезпечення безпечних завантажень суден (акт впровадження від 10.07.2007 р.), на суднах компанії V.Ships для оцінки морехідності суден, що перевозять генеральні вантажі (акт впровадження від 15.06.2007 р.), а також використані в учбових програмах кафедри “Морські перевезення” ОНМА (акт впровадження від 1.08.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. Всі результати і розробки, одержані в дисертації, як і публікації, виконані здобувачем самостійно без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і були схвалені на:

-

-

Структура роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, повний обсяг роботи 194 стор., містить 44 рис. і 5 табл., список використнаих джерел з 126 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Перший розділ дисертації присвячений аналізу основних напрямків дослідження проблеми забезпечення морехідної безпеки морських суден і вибору напряму дисертаційного дослідження.

Виконаний аналіз літератури по проблемі забезпечення морехідної безпеки морських суден показав, що до основних напрямків рішення даної проблеми належить проектно-конструкторське забезпечення морехідних характеристик судна на етапах проектування і будівництва, підтримка належного морехідного стану судна на етапі експлуатації шляхом проведення коректних вантажних операцій та контроль і забезпечення допустимих значень експлуатаційних параметрів морехідного стану судна за допомогою сучасних вимірювально-розрахункових бортових систем.

Більшість літературних джерел, які аналізувалися по даній проблемі, присвячені темі забезпечення місцевої і загальної подовжньої міцності корпусу судна і різним методам її розрахунку. Сучасний напрям забезпечення подовжньої міцності корпусу судна, пов'язаний з новітніми методам контролю міцності конструкцій судна, є найперспективнішим.

Ряд робіт присвячений питанням забезпечення непотоплюваності і необхідної посадки судна. Значна кількість робіт присвячена різним аспектам дослідження остійності суден і забезпечення її належного рівня. Досліджуються питання проектування навалювальних суден і забезпечення їх морехідності на цьому етапі.

Активно проводяться дослідження і розробляються практичні рекомендації з тематики забезпечення морехідної безпеки суден в процесі експлуатації і, зокрема, при виконанні вантажних робіт. Розроблені рекомендації і алгоритм розрахунку для оперативної оцінки зусиль, які намагаються змістити вантаж, і навантажень на кріплення палубного вантажу, причому алгоритм і рекомендації носять універсальний характер, вони придатні для використовування при довільних варіантах завантаження на суднах всіх типів і розмірів.

Для вирішення проблеми вибору оптимального завантаження навалювальних суден з урахуванням специфіки їх вантажних операцій (декілька етапів проведення, одночасне виконання вантажних та баластних робіт, тощо) виявилися коректними та застосовані методи лінійного програмування, зокрема, симплекс-метод, на базі яких розроблена комп’ютерна програма оптимізації вантажних робіт балкерів. В ряді робіт одержані теоретичні і практичні результати з тематики вибору оптимального завантаження суден генеральними вантажами з урахуванням специфіки проведення вантажних робіт.

Хоча тематика оптимізації вантажних операцій суден різних типів одержала деякий розвиток, рішення питань збереження їх морехідного стану в процесі експлуатації шляхом оптимізації їх завантаження вимагає ще значних досліджень.

Аналіз літературних джерел проведений по згаданій проблемі, дав змогу визначити основний напрям дисертаційного дослідження, який передбачає рішення найактуальніших питань проблеми оптимізації завантаження суден генеральними вантажами.

Другий розділ роботи містить опис методологічного забезпечення дисертаційного дослідження, обґрунтування його тематики і виклад методики проведення дослідження, із зазначенням вживаних методів для вирішення головної задачі. В розділі визначена мета дисертаційного дослідження, його головна задача і виконаний коректний вибір методів її вирішення. Запропонована робоча гіпотеза дослідження. Сформована технологічна карта дослідження, що відображає структуру методологічного забезпечення дисертації. Головна задача дослідження представлена трьома незалежними складовими задачами, рішення кожної з яких є науковим результатом. Показані практична значущість і наукова цінність дисертації, які забезпечені теоретичними результатами і імітаційним моделюванням. Узагальнення теоретичних результатів наукового дослідження дозволило сформулювати наукове положення дисертаційної роботи.

У третьому розділі одержано формалізацію процесу завантаження суден генеральними вантажами і в загальному вигляді сформована постановка оптимізаційної задачі. Завантаження суден генеральними вантажами має ряд особливостей в порівнянні з вантажними операціями інших типів суден, які значно ускладнюють розрахунок попереднього вантажного плану.

До основних з таких особливостей слід віднести велику кількість різнорідних партій вантажу, з різними габаритами вантажного місця і його ваги; необхідність врахування при завантаженні сумісності вантажів різних партій, розташованих в одному вантажному приміщенні; при завантаженні або розвантаженні судна в декількох портах розміщення вантажу у вантажному приміщенні повинне враховувати послідовність заходів в порти; обмеження кількості ярусів вантажу при укладанні з урахуванням міцності його нижніх рядів; укладання і кріплення вантажу.

Максимально можлива кількість вантажу, який може бути прийнятий судном, залежить від його питомого вантажного об'єму і обмежується вимогами по вантажомісткості і вантажопідйомності судна, т. е.:

= min (,),

де - кількість вантажу, обмеженого вантажопідйомністю судна;

- кількість вантажу, яка обмежена вантажомісткістю судна.

При цьому судно повинне знаходитися в морехідному стані, тобто параметри остійності, посадки і міцності повинні знаходитися в допустимих межах. До додаткових обмежень, що характеризують специфіку завантаження універсальних суден генеральними вантажами, відносяться обмеження по сумісності вантажів, що приймаються в одне вантажне приміщення, по ротації портів завантаження і вивантаження, по числу ярусів вантажу, що укладається, по кріпленню і укладанню вантажу, що приймається.

Формальний вираз додаткових обмежень сформовано в дисертації, виходячи з таких міркувань. Обмеження по сумісності вантажів, що приймаються в один трюм, враховується показниками сумісності для кожної пари вантажів і , який приймає значення 1, якщо вантажі сумісні, і рівний нулю іншому випадку.

Обмеження по ротації портів вивантаження вимагає формальне впорядкування партій вантажу по черговості їх вивантаження, для чого в кожному трюмі між партіями слід встановити відношення доступності з урахуванням послідовності заходу в порти вивантаження.

Обмеження по числу ярусів вантажу, що укладається, формально виражається, виходячи із зіставлення діючого і допустимого навантаження:

,

де - вага одиниці вантажу i-ї партії;

- допустиме навантаження для одиниці i-го вантажу;

k – максимальна кількість ярусів, при якій нерівність ще справедлива.

Завершальне обмеження по кріпленню вантажу, який приймається до трюму, передбачає перевагу допустимого значення зусиль в кріпленнях над їх можливими максимальними значеннями, тобто:

.

Надалі під стратегією завантаження судна матимемо на увазі розміщення партій вантажу по вантажним приміщенням судна.

Обмеження по морехідному стану судна формуються, виходячи з таких міркувань. Як показав попередній аналіз, спочатку доцільно розрахувати граничні значення статичних моментів , і , які задовольняють обмеженням по морехідному стану судна, а потім знаходити стратегії завантаження, статичні моменти яких відповідають одержаним межам моментів , і .

У роботі показано, що граничні значення статичного моменту залежать від обмежень на величину диференту судна від 0 до деякого лімітуючого значення, а також від допустимих параметрів загальної подовжньої міцності судна (згинаючих моментів і перерізуючих сил).

Одержані вирази для розрахунку верхньої і нижньої меж статичного моменту, які залежать від допустимих значень початкової максимальної і мінімальної метацентричної висоти, а також від допустимих значень характеристик остійності судна таких, як перекидаючий момент, максимальне плече діаграми статичної остійності, кут максимального плеча і кут заходу. Граничні значення статичних моментів ( нижня границя, - верхня) і (нижня , верхня ), забезпечують множину допустимих по морехідній безпеці завантажень судна вибраною множиною партій генерального вантажу.

Якщо позначимо, і значення статистичних моментів, що виникають при завантаженні судна, то справедливі наступні співвідношення:

;

У дисертації розглянуті особливості обліку обмежень по вантажомісткості трюмів, оскільки реальна вантажомісткість трюму залежить як від габаритів і форми вантажного місця партії генеральних вантажів, з одного боку, так і від розмірів і архітектури вантажних приміщень (особливо носових і кормових трюмів, де форма трюму може значно відрізнятися від паралелепіпеда), з іншого боку.

Для випадку, якщо форма вантажного приміщення судна відрізняється від прямокутної, тобто довжина і ширина не є постійними величинами, одержана процедура його аналітичного опису. Для таких приміщень в системі координат, пов'язаної з судном, задаються координати вузлових точок його внутрішньої поверхні і формується тривимірний масив вузлових крапок, що представляють собою тривимірну шматково-лінійну апроксимацію внутрішньої поверхні вантажного приміщення.

Процедура, що дозволяє математичне моделювання розміщення вантажної партії із заданими габаритами вантажного місця і його вагою в приміщенні, заданому тривимірним масивом вузлових крапок, спочатку визначає кількість ярусів вантажної партії, виходячи з місцевої міцності, а також співвідношення висоти трюму і висоти вантажного місця. Потім процедурою розраховується число рядів вантажу, залежне від співвідношення максимальної довжини судна і довжини вантажного місця. На закінчення процедура забезпечує розрахунок числа вантажних місць партії в кожному ряду, враховуючи ширину вантажного місця і відповідну ширину трюму.

Четвертий розділ дисертації присвячений розгляду методу формування множини допустимих завантажень суден генеральними вантажами і вибору оптимального завантаження. Розглядається два критерії оптимальності і їх зв'язок з параметрами стратегії проведення вантажних операцій. Як перший критерій вибрано час проведення вантажних операцій . Згідно цього критерію оптимальною є мінімаксна стратегія, що мінімізує суму максимальних інтервалів часу, кожен із який визначає тривалість відповідного етапу проведення вантажних операцій.

Другим критерієм оптимальності вибрано очікуваний прибуток від перевезення вантажу, рівний сумі прибутків від перевезення кожної вантажної партії, причому:

і ,

де - вартість перевезення тонни ваги вантажу i – ї партії;

- вага i – ї партії вантажу;

n – число партій генерального вантажу.

У дисертації показано, що при завантаженні судна генеральними вантажами актуальним є оптимізація вантажних операцій за допомогою критерію очікуваного доходу, причому математичний вираз даної оптимізаційної задачі має наступний вигляд: |

(1) | + +; | (2)

+ +; | (3)

+; | (4)

+ + ; | (5)

+ + ; | (6)

; | (7)

(i = 1…N) ; | (8)

=1, при i,j = 1…, k = 1…N; | (9)

=True; | (10)

; | (11) | , | (12) | де - набір трюмів, в які завантажуються всі партії, часто це можуть бути всі трюми судна;

- вантажопідйомність судна;

, і - координати центру тяжкості i–й партії генерального вантажу;

, - значення статистичних моментів порожнього судна;

, и - значення статистичних моментів запасів судна.

У приведеному записі оптимізаційної задачі:

- перший вираз описує критерій оптимальності;

- подальші п'ять нерівностей виражають обмеження по допустимому морехідному стану судна, забезпечуючи необхідні значення параметрів посадки, остійності і загальної подовжньої міцності судна, які лімітовані граничними статичними моментами,, і ;

- сьома нерівність виражає обмеження по вантажопідйомності судна;

- чергова, восьма, нерівність виражає обмеження по вантажомісткості судна кожного з вантажних приміщень, тобто об'єм партій вантажу, розміщуваних в трюмі, не повинен перевершувати об'єм трюму;

- дев'ятий і десятий вирази формалізують вимоги сумісності партій вантажу і урахування ротації портів;

- останні дві нерівності, одинадцята та дванадцята, відповідно враховують обмеження по місцевій міцності і числу ярусів вантажу, а також вимога по кріпленню вантажних місць партії.

Оскільки критерієм оптимальності задачі є очікуваний прибуток від перевезення партій генерального вантажу, то в роботі розглянута характеристика переваги однієї партії генерального вантажу над іншою з урахуванням вартості перевезення тонни ваги вантажу i – й партії, його питомого вантажного об'єму, вантажомісткості і вантажопідйомності судна.

Показник переваги однієї партії вантажу над іншою формується, виходячи з передбачуваного прибутку, який міг би бути одержаним, якби судно повністю було завантажене вантажем даної партії. У роботі показано, що передбачуваний прибуток виражається таким чином:

де - судновий питомий вантажний об'єм, рівний відношенню вантажо-місткості судна до його вантажопідйомності.

Порівняльний показник переваги однієї партії вантажу над іншою визначено як відношення відповідних передбачуваних прибутків і тобто . Одержані вирази для порівняльного показника переваги однієї партії вантажу над іншою характеризують тільки пару порівнюваних партій з вантажами i та j, а в цілому повною характеристикою відношення переваги на множині партій вантажу є матриця з елементом . Діагональні елементи матриці рівні одиниці (через визначення порівняльного показника переваги), а симетричні щодо діагоналі співвідносяться таким чином: . Матриця має вигляд:

.

Вона дозволяє встановити абсолютне відношення переваги на множині партій генеральних вантажів, які завантажуються на судно. Якщо врахувати, що характеризує прибуткову перевагу партії з вантажем i щодо партії з вантажем j, індекс i відноситься до нумерації рядків матриці, а індекс j – нумерації її стовпців, то справедливим є наступне правило. Найбільшим абсолютним пріоритетом володіє та партія вантажу з індексом k, якій відповідає k -й стовпець матриці з елементами менше одиниці і k -й рядок з елементами більше одиниці. Іншими словами, найбільший абсолютний пріоритет відповідає партії вантажу, для якої виконується умова:

(i, j = 1n).

За допомогою процедури, що враховує дане правило, формується впорядкований перелік абсолютного вартісного відношення переваги на множині партій генеральних вантажів, які завантажуються на судно. Перша партія такого переліку має найбільшу перевагу, а перевага останньої вантажної партії переліку – мінімальна.

У роботі також розглянуті декілька типів бінарних відносин на множині вантажних приміщень судна, які названі ранжируванням вантажних приміщень по істотним ознакам. До них відноситься ранжирування приміщень по вантажомісткості, по місцевій міцності, по розташуванню центру тяжкості вантажного приміщення від мідель-шпангоута судна, якщо вантажні приміщення конструктивно розташовані більш ніж на одному рівні (наприклад, трюми і твіндеки), то вказується ранжирування по рівню вантажного приміщення. Вказані типи ранжирування вантажних приміщень використані для формування процедури вибору оптимального завантаження судна генеральними вантажами.

Одержано процедуру формування оптимального завантаження судна по критерію прибутковості перевезень партій вантажу, причому реалізовано евристичний спосіб оцінки оптимальності вибраної стратегії.

Розглянемо суть способу вибору оптимального завантаження судна генеральним вантажем. Згідно з критерієм, оптимальним завантаженням є те, вартість перевезення партій якого є максимальною. Тому першим кроком процедури пошуку оптимального завантаження є вибір перших партій вантажу з впорядкованого переліку вартісної переваги (їх названо основний набір партій вантажу ), загальна вага яких мінімально відрізняється в меншу сторону від вантажомісткості судна, тобто одночасно дотримуються умови

Якщо вага однієї з партій вантажу, яка у впорядкованому переліку вартісної переваги знаходиться далі, ніж основний набір партій, не перевершує різниці, тобто, така партія приєднується до основного набору . Одержана таким чином підмножина партій позначена , а число вхідних у нього партій - . У цьому випадку дотримується співвідношення .

Друга операція процедури пошуку оптимального завантаження судна є перевіркою відповідності сумарного об'єму одержаної підмножини партій вантажу вантажомісткості судна . Якщо , то підмножину партій вантажу можна аналізувати далі. В іншому разі проводиться заміщення партій підмножини партіями вантажу меншого об'єму (причому контролюється співвідношення між вантажопідйомністю судна і загальною вагою партій). При цьому критерій оптимальності знижується.

Одержана після заміщення підмножина партій вантажу має найбільше значення критерію оптимальності, при якому справедливі обмеження по вантажомісткості і вантажопідйомності судна.

Черговий крок пошуку оптимального завантаження судна полягає у тому, що необхідно переконається, чи всі партії, які плануються до розміщення в одному вантажному приміщенні, є сумісними. У загальному випадку сумісність партій вантажу, як бінарне відношення на кожній парі партій вантажу, формалізується матрицею сумісності з елементом . Якщо вантажі сумісні, то , інакше .

Наступним кроком формування оптимального завантаження судна є роз-поділ партій вантажу підмножини по вантажним приміщенням. Першою партією з підмножини вибирається та, у якої пріоритет у відношення переваги () рівний одиниці. Для вибору вантажного приміщення, в якому повинна бути розміщена дана партія, необхідно, щоб об'єм партії був меншим за об'єм вантажного приміщення , тобто . Підмножину трюмів, що задовольняють приведеній нерівності позначено . З підмножини виключаються ті приміщення, які не відповідають вимогам місцевої міцності, а ті, що залишаються, утворюють підмножину . Якщо вантажне місце партії знаходиться в тарі, то необхідно врахувати міцність тари, при розміщенні партії в декількох ярусах. Якщо в підмножині трюмів опиняться такі, що не задовольнять вимогам міцності тари партії, то зменшену підмножину вантажних приміщень позначено .

Надалі вибір вантажного приміщення з підмножини для розміщення в ньому вантажної партії проводиться з міркувань морехідної безпеки, яка враховується в оптимізаційній задачі п'ятьма нерівностями (від другого до шостого), які лімітують величини подовжнього, поперечного і вертикального статичних моментів , , .

Вимогу щодо подовжнього статичного моменту судна в першу чергу визначає його диферент. Оскільки диферент повинен бути в корму і невеликих значень, то бажано мінімізувати його значення, що може бути досягнуте при розміщенні важчих партій вантажу ближче до мідель-шпангоуту (невеликі плечі), а легших – в крайових трюмах. Така стратегія розміщення вантажних партій направлена на можливу мінімізацію подовж-нього статичного моменту . Якщо вантажні приміщення розташовані на двох (або більш) рівнях по висоті, то для забезпечення остійності судна, як відомо, потрібно важкі партії вантажу розміщувати в нижніх вантажних приміщеннях, а легші – у верхніх. В дисертації одержана процедура, згідно з якою кожна партія генерального вантажу розміщується в найбільш підходящому вантажному приміщенні з точки зору існуючих обмежень оптимізаційної задачі. Сенс цієї процедури міститься в наступному.

Всі партії генеральних вантажів також впорядковані по питомому вантажному об'єму (), причому щонайвищий пріоритет по даній ознаці має партія, питомий вантажний об'єм якої мінімальний.

Впорядкований перелік партій генеральних вантажів по питомому вантажному об'єму розбивається на число груп, що дорівнює числу вантажних приміщень. Причому перша група партій (з якнайменшими питомими вантажними об'ємами) відповідає вантажному приміщенню, що має найменший зсув щодо мідель-шпангоута, а кількість членів групи пропорційна об'єму пріоритетного вантажного приміщення.

По питомому вантажному об'єму першої партії вантажу визначається відповідна група впорядкованого переліку питомого вантажного об'єму, а по ній знаходиться найліпше вантажне приміщення. Якщо є два рівні вантажних приміщень, то спочатку визначається переважний рівень, а потім вантажне приміщення, як показано в розглянутій процедурі.

Друга і подальші вантажні партії розміщуються у вантажні приміщення аналогічно в послідовності зменшення їх абсолютного пріоритету по прибутковості перевезень , проте, якщо в трюмі вже є раніше розміщені партії, то враховується тільки залишковий об'єм і площа вантажного приміщення.

У випадку, якщо розміщення підмножини партій вантажу вдало завершене в початковій множині вантажних приміщень, і виконуються вимоги по посадці і остійності судна, то останнім кроком є перевірка загальної подовжньої міцності судна. Якщо розміщення партій вантажу підмножини в трюмах судна вдалося виконати, але одержане завантаження не відповідає вимогам безпечного мореплавства судна через неприпустимі значення статичних моментів або , то слід перевірити допустимість варіантів взаємної заміни партій вантажу в різних вантажних приміщеннях. Коли така операція не дасть бажаного результату, то змінюється пріоритет вантажних приміщень по зсуву відносно початкового на одне приміщення в залежності від знаку статичного моменту .

Одержане описаним способом завантаження судна генеральними вантажами є оптимальним, оскільки забезпечує максимально можливий критерій оптимальності при заданих обмеженнях, що входять в оптимізаційну задачу.

П'ятий розділ дисертаційної роботи містить результати імітаційного моделювання вибору допустимого завантаження судна генеральними вантажами.

У розділі розроблено алгоритм формування оптимального завантаження судна генеральними вантажами по критерію прибутковості від перевезення вантажів з урахуванням обмежень, накладених в оптимізаційній задачі.

Вхідні дані, що вводяться в алгоритм, є характеристиками початкової множини партій генерального вантажу, параметри вантажних приміщень судна і деякі характеристики судна, які дають змогу визначити його рівень безпеки мореплавства.

Логіко-обчислювальна частина алгоритму містить процедури ранжирування партій вантажу і вантажних трюмів по заданим ознакам, відбір партій вантажу для перевезення, які забезпечують максимальну прибутковість, і процедуру їх розміщення по вантажних приміщеннях.

Як спосіб оптимізації для вирішення поставленої задачі вибраний евристичний спосіб оцінки оптимальності, який вимагає ранжирування вантажних партій по ознаці прибутковості їх перевезень.

У процесі розміщення партій вантажу обчислюються подовжній і вертикальний статичний моменти, які виникають від прийнятого вантажу. Після завершення завантаження реальні сумарні моменти порівнюються по величині з їх граничними значеннями. Якщо реальні моменти знаходяться в допустимих межах, то розміщення партій вантажу по трюмах приймається остаточним. Інакше проводиться коректура розміщення.

У розділі приведено опис розробленої імітаційної моделі для перевірки коректності одержаних теоретичних результатів по оптимальному завантаженню судна генеральними вантажами, яка представляє собою комп'ютерну програму, що використовує розроблені в дисертації алгоритми.

Імітаційна модель містить наступні модулі, виконані у вигляді окремих програмних продуктів: введення початкової множини партій генерального вантажу; вибору підмножини партій вантажу і його оптимального розміщення у вантажних приміщеннях судна; перевірки коректності одержаного варіанту оптимального завантаження судна генеральним вантажем.

Модуль введення початкової множини партій генерального вантажу для кожної вантажної партії забезпечує введення типу вантажного місця партії, його габарити, вагу, спосіб можливого укладання, вагу всієї вантажної партії або кількість вантажних місць.

Інтерфейс модуля введення параметрів вантажного місця партії в робочому стані показаний на рис. 1.

Рис. 1. Графічний інтерфейс модуля введення параметрів вантажного місця

Додатково до введених даних по кожній вантажній партії потрібно ввести її загальну вагу або число одиниць.

Сформована описаним чином початкова множина партій генерального вантажу використовується другим модулем програми імітаційного моделювання для виділення підмножини партій вантажу і оптимального їх розміщення по трюмах судна, причому параметри трюмів повинні бути задані. На рис. 2 показана схема оптимального розміщення партій генерального вантажу, виконана іншим модулем програми.

Результат функціонування другого модуля імітаційної програми, - оптимальний розподіл вантажних партій по трюмах судна, вводиться в третій модуль. Зображення партій вантажу приводиться на схемі трюмів з

Рис. 2. Схема оптимального розміщення партій вантажу в трюмах судна

урахуванням кількості партій в кожному трюмі, як показано на рис. 3. При цьому відображаються значення осідання судна носом і кормою, диференту, прийнятої кількості вантажу, баласту (з паливом), водотоннажність, діаграма статичної остійності та епюра згинаючих моментів і перерізуючих сил.

При імітаційному моделюванні розглядався ряд варіантів початкової множини партій генеральних вантажів (понад 25) і були одержані позитивні результати по вибору оптимального завантаження. Кількість партій початкової множини варіювалася від 15 до 30. У дисертації приведені докладні відомості про два варіанти імітаційного моделювання, в яких початкова множина вантажних партій складається з мінімальної (15) і максимальної (30) кількості партій генерального вантажу. В імітаційній моделі вибору оптимального завантаження використані дані судна “Йон” і його вантажна документація.

Таким чином, імітаційне моделювання підтвердило коректність та досто- вірність розробленого в дисертації способу формування оптимального завантаження судна генеральними вантажами по критерію прибутку від їх перевезення.

Рис. 3. Результати перевірки остійності, посадки та загальної подовжньої міцності судна

ВИСНОВКИ

У дисертації одержано теоретичне узагальнення і нове рішення задачі розробки методу оптимального завантаження суден генеральними вантажа-ми. Рішення полягає в урахуванні специфіки завантаження цілочислових партій вантажу з фіксованою вагою, додаткових вимог по сумісності партій вантажів та ротації портів, що забезпечує розподіл партій по вантажним приміщенням судна, при якому досягається максимум прибутку від перевезення вантажу.

У результаті проведеного дисертаційного дослідження одержані наступні основні наукові результати:

1. Вперше одержано спосіб вибору оптимального завантаження судна генеральним вантажем, який використовує розподіл партій вантажу по ознаці питомого вантажного об'єму по трюмах, впорядкованих по ознаці подовжнього зсуву щодо мідель-шпангоуту, по критерію прибутку від його перевезення. Обмеженнями оптимізаційної задачі являються існуючі нормативні вимоги до параметрів остійності, посадки та загальної повздовжньої міцності судна, які визначають границі множини допустимих завантажень.

2. Вдосконалено процедуру розрахунку параметрів границь множини допустимих завантажень судна, в якому завантаження характеризується набором використаних трюмів і розміщених в них партій вантажу, а всі вантажні партії впорядковані по признаку вигідності перевезення, що потребувало розробки процедури переваги одної партії вантажу над іншою.

3. Одержано подальший розвиток оптимізаційної задачі завантаження суден генеральними вантажами, що враховує додатково до вимог морехідної безпеки сумісність партій вантажу, ротацію портів і вкладання вантажу у вантажних приміщеннях, яке вимагає аналітичного опису внутрішньої архітектури приміщення та форми одиниці партії.

Практичне значення виконаної роботи визначається тим, що одержаний в дисертації метод може бути використаний не тільки для автоматичного планування вантажних операцій суден, але і для інших транспортних засобів.

Результати дисертаційної роботи мають значну практичну цінність. Алгоритми і програми, одержані в дисертації, доцільно використовувати на суднах при завантаженні генеральних вантажів для забезпечення їх морехідної безпеки, в берегових підрозділах планування завантаження суден, в навчальному процесі і при підвищенні кваліфікації спеціалістів морських закладів.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у наступних статтях:

1. Заичко В.С. Особенности формирования загрузки судов генеральными грузами // Судовождение. – 2005. - № 9. – С. 25 - 28.

2. Заичко В.С. Специфика учета ограничений по грузовместимости трюмов при загрузке судов генеральными грузами // Судовождение. – 2005. - № 10. – С. 53 – 57.

3. Заичко В.С. Моделирование укладки генеральных грузов в трюма судна // Судовождение. – 2006. - № 11. – С. 51 – 55.

4. Заичко В.С. Алгоритм формирования множества допустимых загрузок судна генеральными грузами // Судовождение. – 2006. - № 12. – С. 59 – 62.

5. Заичко В.С. Отношение предпочтения партий генерального груза по доходности их перевозок // Судовождение. – 2007. - № 14. – С. 35 – 38.

6. Заичко В.С. Формализация процесса загрузки генеральных грузов на универсальные суда / Стан та проблеми судноводіння: Матер. международн. наук.-тех.конф. ОНМА 24-26 жовтня 2005 р. – О: ОНМА, 2005.- С.57-58.

7. Заичко В.С. Формализация процесса укладки генеральных грузов в трюм заданной архитектуры / Інтегровані комплекси транспортних засобів та безпека судноплавства: Матер. международн. наук.-тех.конф. ОНМА 23-24 травня 2006 р. – О: ОНМА, 2006.- С.31-32.

АННОТАЦИЯ

Заичко В.С. Оптимизация загрузки судов генеральными грузами. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.20 - Эксплуатация и ремонт средств транспорта. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2007 г.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме обеспечения мореходной безопасности судов, перевозящих генеральные грузы, путем их оптимальной загрузки. Выбор тематики исследования обусловлен тем, что проблема оптимальной загрузки судов генеральными грузами не получила надлежащего решения, несмотря на запросы практики. Поэтому в диссертационной работе рассмотрена разработка метода формирования оптимальной загрузки судна генеральными грузами.

Получена процедура определения перечня трюмов, в которые планируется загрузка партий. Формализованы требования по совместимости грузовых партий, размещаемых в одном грузовом помещении, и последовательность загрузки партий с учетом очередности захода судна в порты выгрузки.

Сформулированы ограничения по мореходному состоянию судна в виде ограничений оптимизационной задачи формирования оптимальной загрузки и получены необходимые аналитические соотношения. Найдены аналитические выражения для определения границ водоизмещения судна и расчета верхней и нижней границ статических моментов и . Показано, что граничные значения статического момента зависят от ограничений по величине дифферента судна от 0 до некоторого лимитирующего значения, а также от допустимых параметров общей продольной прочности судна (изгибающих моментов и перерезывающих сил), а момента - от допустимых значений начальной максимальной и минимальной метацентрической высоты и допустимых значений характеристик остойчивости судна, таких, как опрокидывающий момент, максимальное плечо диаграммы статической остойчивости, угол максимального плеча и угол заката. Граничные значения статических моментов и обеспечивают множество допустимых по мореходной безопасности загрузок судна выбранным множеством партий генерального груза.

Математическое моделирование размещения грузовой партии с заданными габаритами грузового места и его весом в помещении, заданном трехмерным массивом узловых точек, позволяет вначале определить количество ярусов грузовой партии, исходя из местной прочности, соотношения высоты трюма и высоты грузового места. Затем процедурой рассчитывается число рядов груза, зависящее от соотношения максимальной длины судна и длины грузового места. В заключение процедура обеспечивает расчет числа грузовых мест партии в каждом ряду, учитывая ширину грузового места и соответствующую ширину трюма.

Рассмотрена зависимость критериев оптимальности от параметров стратегии загрузки судна, получены аналитические выражения, описывающие эту зависимость для двух основных критериев. В качестве критериев оптимальности могут рассматриваться временные затраты, которые надлежит минимизировать, или ожидаемый доход от предстоящей перевозки груза, величина которого должна быть максимальной.

Предложен принцип формирования множества допустимых загрузок судна, удовлетворяющих ограничениям по грузовместимости, грузоподъемности, мореходному состоянию судна и совместимости грузов в одном грузовом помещении.

Получена процедура формирования оптимальной загрузки судна по критерию доходности перевозок партий груза, причем реализован эвристический способ оценки оптимальности возможными замещениями.

Разработан алгоритм формирования оптимальной загрузки судна генеральными грузами по критерию доходности от перевозки грузов, учитывающий ограничения, наложенные в оптимизационной задаче.

Приведено описание разработанной имитационной модели для проверки корректности полученных теоретических результатов по оптимальной загрузке судна генеральными грузами, которая представляет собою компьютерную программу, использующую разработанные в диссертации алгоритмы.

Приведены результаты имитационного моделирования оптимальной загрузки судна генеральными грузами для различного количества исходных партий груза, которые подтверждают эффективность и корректность предложенного в работе метода оптимальной загрузки судна генеральным грузом. При имитационном моделировании рассматривался ряд вариантов исходных множеств партий генеральных грузов и были получены положительные результаты по выбору оптимальной загрузки. Количество партий исходного множества варьировалось от 15 до 30. В главе приведены подробные сведения о двух вариантах имитационного моделирования, в которых исходное множество грузовых партий состоит из минимального (15) и максимального (30) количества партий генерального груза.

Ключевые слова: мореходная безопасность, грузовые операции, генеральные грузы, оптимальная загрузка, имитационная модель.

АНОТАЦІЯ

Заічко В.С. Оптимізація завантаження суден генеральними вантажами. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.20 - Експлуатація і ремонт засобів транспорту. Одеська національна морська академія, Одеса, 2007 р.

Дисертаційна робота присвячена актуальній проблемі забезпечення морехідної безпеки суден, що перевозять генеральні вантажі, шляхом їх оптимального завантаження. Метод оптимального завантаження генеральними вантажами насамперед включає процедуру визначення переліку трюмів, в які планується завантаження партій. Формалізовані вимоги по сумісності вантажних партій, розміщуваних в одному вантажному приміщенні, і послідовність завантаження партій з урахуванням черговості заходу судна в порти вивантаження. Сформульовані вимоги по морехідному стану судна у вигляді обмежень оптимізаційної задачі формування оптимального завантаження і одержані необхідні аналітичні співвідношення.

Розглянута залежність критерію оптимальності - очікуваного прибутку за перевезення вантажу від параметрів стратегії завантаження судна, одержані аналітичні вирази, що описують цю залежність. Запропоновано принцип формування множини допустимих завантажень судна, та одержана процедура формування його оптимального завантаження.

Приведено опис розробленої імітаційної моделі для перевірки коректності одержаних теоретичних результатів по оптимальному завантаженню судна генеральними вантажами, яка представляє собою комп'ютерну програму, що використовує розроблені в дисертації алгоритми.

Приведені результати імітаційного моделювання оптимального завантаження судна генеральними вантажами для різної кількості початкових партій вантажу, які підтверджують ефективність і коректність запропонованого в роботі методу.

Ключові слова: морехідна безпека, вантажні операції, генеральні вантажі, оптимальне завантаження, імітаційна модель.

THE SUMMARY

Zaichko V.S. Optimization of loading