Васьков Юрий Юрьевич. Оптимизация процесса грузовых операций навалочных судов

Краткое описание

Министерство образования и науки Украины
Одесская национальная морская академия
На правах рукописи
Васьков Юрий Юрьевич
УДК 628.12.001
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ГРУЗОВЫХ ОПЕРАЦИЙ
НАВАЛОЧНЫХ СУДОВ
Специальность 05.22.16 Судовождение
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель
к. т. н., проф. Цымбал Н. Н.
Одесса 2005
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ .4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПОБЛЕМЕ ОПТИМАЛЬНОЙ
ЗАГРУЗКИ СУДОВ И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.....8
1.1. Современные направления обеспечения мореходной безопасности
судов и их анализ .8
1.2. Выбор основного направления диссертационного исследования...26
ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЧСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ......30
2.1. Выбор темы диссертационного исследования...........30
2.2. Методы решения задач диссертационного исследования....32
2.3. Краткое описание методики проведения исследования по теме
диссертационной работы ........37
ГЛАВА 3. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ГРУЗОВЫХ ОПЕРАЦИЙ
НАВАЛОЧНЫХ СУДОВ....40
3.1. Краткое описание возможного решения задачи исследования
в общем виде ....40
3.2. Применение методов исследования операций для формализации
процесса оптимальной загрузки навалочных судов.... ..46
3.3. Определение размерности задачи и выбор показателей эффектив-
ности ......59
3.4. Построение модели ......71
ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ МНОЖЕСТВА ДОПУСТИМЫХ
СТРАТЕГИЙ ЗАГРУЗКИ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ.81
4.1. Формализация зависимости критериев оптимальности от парамет-
тров стратегии загрузки..81
3
4.2. Формирование множества допустимых стратегий проведения
грузовых операций ... 102
4.3. Разработка метода формирования оптимальной стратегии
проведения грузовых операций .. 114
4.3.1. Синтез структуры стратегии проведения грузовых операций...114
4.3.2. Оптимизация этапа проведения грузовых операций...117
ГЛАВА 5. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫБОРА
СТРАТЕГИИ ЗАГРУЗКИ НАВАЛОЧНОГО СУДНА ......133
5.1. Выбор перечня трюмов для приема заданного количества груза..133
5.2. Формирование алгоритмов имитационной модели.....136
5.3. Результаты имитационного моделирования загрузки балкера
«Скай Джемени» .......139
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .154
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ..157
Приложение А. Аналитические выражения процедуры формирования
множества базовых наборов трюмов ..166
Приложение Б. Аналитические выражения способа проверки допус-
тимости набора трюмов и поэтапной процедуры оптимальной загрузки
судна ..173
Приложение В. Результаты моделирования стандартных загрузок
балкера «Скай Джемени» .188
Приложение Д. Результаты моделирования загрузок балкера «Скай
Джемени» отличных от стандартных..220
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Эффективная работа морских судов возможна
лишь при обеспечении навигационной и мореходной безопасности.
Необходимый уровень мореходной безопасности в значительной мере
определяется корректной загрузкой судна. К грузовым операциям
навалочных судов предъявляются повышенные требования в части
обеспечения общей продольной прочности, что обуславливает
особенности технологии их проведения. Грузовые операции навалочных
судов производится совместно с балластными в несколько этапов
согласно имеющимися на судна стандартными технологическими
схемами. При нестандартных загрузках, например, одновременно
нескольких сыпучих грузов с различными удельными погрузочными
объемами или металла, возникает необходимость самостоятельного
расчета технологической схемы проведения грузовых операций, что не
предусмотрено судовой грузовой документацией.
Поэтому, возникающая необходимость планировать для навалочных
судов процесс проведения грузовых операций, минимизируя количество
этапов и определяя характеристики для каждого из них, не допуская
потери мореходности судна в процессе всего периода грузовых операций,
определяет актуальность и перспективность диссертационной тематики.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Тема
диссертационной работы связана с госбюджетной научно-исследователь-
ской работой "Усовершенствование методов безопасного судовождения в слож-
5
ных условиях плавания", N ГР 0103U006406, в которой автору принадлежит
самостоятельно выполненный раздел.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработ-
ка метода оптимизации грузовых операций навалочных судов.
При исследовании принята гипотеза о том, что существует множество
допустимых стратегий загрузки навалочного судна, удовлетворяющих
заданным ограничениям, среди которых имеется оптимальная по выбран-
ному критерию.
Главной задачей исследования является разработка метода синтеза
алгоритма (имитационной модели), позволяющего произвести выбор
оптимальной стратегии загрузки навалочных судов. В диссертационном
исследовании главная задача представлена тремя частными задачами:
1. Формализация процесса проведения грузовых операций в терминах
теории исследования операций.
2. Создание процедуры формирования множества допустимых загрузок
судна.
3. Разработка способа синтеза оптимальной стратегии загрузки навалоч-
ного судна.
Объектом исследования является мореходная безопасность судов, а
предметом исследования обеспечение мореходной безопасности нава-
лочных судов на этапе их загрузки.
В диссертационной работе применены методы:
- теории исследования операций при аналитическом описании процес-
са проведения грузовых работ;
- теории корабля;
- теории математического программирования для формирования
процедуры минимизации числа этапов проведения грузовых опе-
раций;
6
- линейного программирования для разработки способа оптимального
размещения заданного количества груза в выбранных трюмах;
- моделирования для разработки имитационной модели загрузки нава-
лочного судна.
Научная новизна полученных результатов. Проведенные в диссерта-
ции научные исследования подтвердили гипотезу о том, что существует
множество допустимых стратегий загрузки навалочного судна, удовлетво-
ряющих заданным ограничениям, среди которых имеется оптимальная по
выбранному критерию.
Разработан метод формирования оптимальной стратегии загрузки
навалочных судов, который отличается тем, что в зависимости от
удельного погрузочного объема и количества груза позволяет сформиро-
вать оптимальное распределение груза по трюмам с учетом требований
мореходной безопасности.
Научная новизна диссертационной работы содержится в следующих
результатах:
1. Усовершенствовано аналитическое описание процесса проведения гру-
зовых операций судна путем использования методов теории исследования
операций.
2. Впервые получена процедура формирование множества допустимых
загрузок судна.
3. Впервые получен способ синтеза оптимальной стратегии загрузки
судна.
Практическое значение полученных результатов. Практическая зна-
чимость проведенного диссертационного исследования определяется тем,
что предложенный в работе метод формирования оптимальной стратегии
загрузки судна может быть использован не только для автоматического
планирования грузовых операций балкеров, но и для других типов судов.
7
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в
работе алгоритмы, программы и имитационная модель, которые описы-
вают способ выбора оптимальной стратегии загрузки навалочных судов
по заданным значениям удельного погрузочного объема груза и его обще-
го количества, могут быть использованы и внедрены на судах, в первую
очередь навалочных, для обеспечения их мореходной безопасности; в бе-
реговых подразделениях планирования загрузки судов и в учебном про-
цессе.
Личный вклад соискателя. Все теоретические и экспериментальные
результаты и разработки, полученные в диссертации, выполнены соиска-
телем самостоятельно без соавторов.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационных
исследований были доложены и одобрены на научно-технических конфе-
ренциях профессорско-преподавательского состава ОНМА в период 2001-
2004 годы, а работа в целом представлена на научно - техническом
совете ОНМА.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубли-
кованы в четырех статьях в изданиях, входящих в перечень, установлен-
ный ВАК Украины.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Оценка состояния вопроса. Основную долю мировых грузопотоков
составляют морские перевозки, значительная часть которых приходится
на транспортировку грузов навалочными судами. Перевозка грузов морем
требует обеспечения высокого уровня навигационной и мореходной безо-
пасности, причем наиболее ответственным этапом обеспечения мореход-
ной безопасности является загрузка судна. Спецификой грузовых опера-
ций навалочных судов являются повышенные требования к обеспечению
общей продольной прочности, что обуславливает особенности технологии
их проведения согласно типовым технологическим схемам проведения
грузовых операций. При нестандартных загрузках, например, одновре-
менно нескольких сыпучих грузов с различными удельными погрузоч-
ными объемами или металла, необходимо самостоятельно рассчитать тех-
нологическую схему проведения грузовых операций, что не предусмотре-
но судовой грузовой документацией. В связи с этим для навалочных су-
дов возникает необходимость планировать процесс проведения грузовых
операций, определяя количество этапов и характеристики для каждого из
них, не допуская потери мореходности судна в процессе всего периода
грузовых операций. Поэтому основным направлением диссертационного
исследования выбрана разработка метода оптимизации грузовых опера-
ций навалочных судов.
2. Методы решения поставленной проблемы. Решение главной зада-
чи исследования, - разработки алгоритма оптимизации грузовых опера-
ций навалочных судов, потребовало ее декомпозиции на три частные не-
зависимые задачи. Для решения частных задач были привлечены методы
теории исследования операций при формализации процесса проведения
грузовых работ; теории корабля для описания зависимостей между вход-
ными и выходными переменными модели; теории математического про-
155
граммирования для формирования процедуры минимизации числа эта-
пов проведения грузовых операций; линейного программирования для
разработки способа оптимального размещения заданного количества
груза в выбранных трюмах; моделирования для разработки имитацион-
ной модели загрузки навалочного судна.
3. Формулировка решенной научной задачи, ее значение для науки и
практики. Результатом решения главной научной задачи явился метод
формирования оптимальной стратегии загрузки навалочных судов, кото-
рый отличается тем, что в зависимости от удельного погрузочного объема
и количества груза позволяет сформировать оптимальное распределение
груза по трюмам с учетом требований мореходной безопасности. Решение
главной задачи исследования представлено решением трех составных
частных задач, причем каждое решение представлено соответствующим
научным результатом, который содержит научную новизну.
Такими результатам являются:
1. Аналитическое описание процесса проведения грузовых операций
судна путем использования методов теории исследования операций.
2. Процедура формирование множества допустимых загрузок судна.
3. Способ синтеза оптимальной стратегии загрузки судна.
Научная значимость решенной главной задачи определяется получен-
ными научными результатами, а ее практическая значимость заключается
в том, что предложенный в работе метод формирования оптимальной
стратегии загрузки судна может быть использован не только для авто-
матического планирования грузовых операций балкеров, но и для других
типов судов.
4. Выоды и рекомендации относительно научного и практического
использования полученных результатов. Математические модели, кото-
рые получены в работе, и описывающие процесс оптимальной загрузки
навалочных судов, могут быть использованы для формализации грузовых
156
операций с произвольными грузами на любых типах судов.
Практическое использование результатов диссертации определяется
тем, что алгоритмы, программы и имитационная модель могут быть испо-
льзованы и внедрены на судах, в первую очередь навалочных, для обес-
печения их мореходной безопасности; в береговых подразделениях пла-
нирования загрузки судов и в учебном процессе.
5. Качественные и количественные показатели полученных резуль-
татов. Качественными показателями результатов диссертационной рабо-
ты являются новые возможности обеспечения мореходной безопасности
судов, возникающие в результате применения способа оптимизации про-
цесса загрузки навалочных судов.
В результате произведенного имитационного моделирования загрузки
балкера «Скай Джемени» для типовых загрузок получена высокая сходи-
мость параметров моделируемых и соответствующих им стандартных
загрузок с удельным погрузочным объемом 0,36, 0,41, 0,45, 0,75, 1,00,
1,10, 1,26, 1,28, 1,30, 1,33, 1,40, 1,55 и 1,80. При моделировании загрузок
судна с удельным погрузочным объемом от 0,45 до 1,10 включительно,
каждому стандартному варианту загрузки судна имитационная модель
формировала несколько модельных вариантов (от двух до четырех). При-
чем для удельного погрузочного объема 1,10 программой были сформиро-
ваны два варианта загрузки не в восемь, как в случае стандартной загруз-
ки, а в семь трюмов, чем обеспечивается более высокий уровень мореход-
ной безопасности, а при значениях удельного погрузочного объема рав-
ных 0,75 и 1,00 также имеются более предпочтительные, чем стандартные
варианты загрузки.
6. Обоснование достоверности полученных результатов. Достовер-
ность результатов работы подтверждена, как корректным применением
математических моделей, так имитационным моделированием, выполнен-
ным с помощью разработанных компьютерных программ.
157
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крылов А.Н. Теория корабля. М.: Военмориздат, 1942 412 с.
2. Лукашевич А.А., Перник А.Д., Фирсов Г.А. Теория корабля. Л.: Суд-
ромгиз, 1950. 224 с.
3. Лукашевич А.А. Задачник по теории корабля. Л.: Водтрансиздат,
1954. 164 с.
4. Розе Г. Остойчивость и дифферент морских судов. Л.: Судпромгиз,
1957. 316 с.
5. Герасимов А.В., Пастухов А.И., Соколов В.И. Основы теории корабля.
М.: Военное изд-во Министерства обороны СССР, 1958. 382 с.
6. Алферьев М.Я. Теория корабля. М.: Речной транспорт, 1959. 278 с.
7. Бекенский Б. В. Расчеты мореходных качеств судна. Л.: Морской
транспорт, 1959. 220 с.
8. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я., Титов И.А. Справочник по теории ко-
рабля. Л.: Судпромгиз, 1960. 368 с.