Содержание к диссертации
Введение
1. Перевозки в судах смешанного река-море плавания перспективное направление развития речного транспорта 9
1.1 Состояние перевозок и флота 9
1.2 Анализ исследований по обоснованию основных элементов и характеристик судов смешанного река-море плавания . .20
1.3 Постановка задачи исследования 39
2. Статистическо-вероятностный метод обоснования характеристик сухогрузных судов .42
2.1 Вводные пояснения .42
2.2 Вероятностное обоснование грузоподъемности судна .44
2.3 Обоснование и разработка алгоритма определения массогабаритных характеристик груза .48
2.4 Оптимизация грузоподъемности сухогрузных судов смешанного плавания с учетом вероятностных условий их работы 54
3. Обоснование относительной длины сухогрузных судов 63
3.1 Влияния относительной дины судна на его ходкость 63
3.2 Анализ методик для определения относительной длины .67
3.3 Обоснование относительной длины по условию ходкости судна 74
3.4 Комплексное обоснование относительной длины судна 82
4. Обоснование характеристик сухогрузных судов смешанного плавания, работающих в Балтийском бассейне .91
4.1 Статистическая база и ее особенности .91
4.2 Статистический анализ случайных величин характеристик перевозимых грузов . 92
4.3 Вероятностная оценка прогнозных величин характеристик судна 112
4.4 Оптимизация грузоподъемности сухогрузных судов смешанного плавания с учетом вероятностных условий их работы в Балтийском бассейне 119
Заключение. 124
Литература. 126
Приложение 1 132
- Анализ исследований по обоснованию основных элементов и характеристик судов смешанного река-море плавания
- Вероятностное обоснование грузоподъемности судна
- Анализ методик для определения относительной длины
- Статистический анализ случайных величин характеристик перевозимых грузов
Введение к работе
Актуальность работы. Постоянный рост транспортной эффективности судов, занимающихся смешанными река-море перевозками, может быть обеспечен не только путем совершенствования организации их работы. Эффективность флота во многом зависит от того, какими судами он пополняется и насколько эти суда отвечают предъявляемым требованиям с эксплуатационно-экономической точки зрения. В настоящее время парк судов, осуществляющих смешанные река-море перевозки, значительно устарел. Средний возраст таких судов составляет 18 лет, при норме - 24 года. То есть в ближайшем будущем необходимо будет определяться с тем, какие суда и обладающие какими характеристиками строить. В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы обоснования выбора типов и основных характеристик перспективных судов пополнения.
Основными характеристиками, обеспечивающими эффективное, с экономической точки зрения, использование судна, являются его грузоподъемность, удельная марочная кубатура, скорость хода, автономность плавания по запасам и т.д. В обоснованном их выборе и состоит основная задача внешнего проектирования. Эти характеристики необходимо выбирать как оптимальные, поскольку это позволит получить полную загрузку судна, существенную экономию по топливу, запасам, платить разумные пошлины, при обеспечении максимально эффективной работы судна.
В результате экономических преобразований, происходящих в нашей стране за последние десять лет, судоходные компании, зани-
мающиеся смешанными река-море перевозками, часто стали работать по трамповому принципу. Сущность трампового принципа судоходства в том, что суда работают на случайных линиях (грузопотоках). Поэтому предпочтение отдается универсальным судам, которые могут работать с разного рода грузами.
Вопросам определения и оптимизации характеристик судов и пополнения флота посвящены научные труды В. В. Ашика, В. М. Пашина, Б. А. Царева, Е. П. Роннова, Л. М. Ногида и др.
Предложенные ими методы технико-экономического обоснования судов позволяют обоснованно определять характеристики судов смешанного плавания, однако, они не позволяют учитывать случайный характер грузопотоков, что имеет место в условиях трампового судоходства.
В 70-е годы предпринимались попытки определения некоторых характеристик судов, с учетом вероятностных условий их работы. Это, прежде всего, работы В. М. Пашина, Ю. Н. Полякова, В. И. Поспелова, П. П. Биндера и др. Это было новое слово в проектировании судов. Однако, ввиду того, что в то время суда в основном работали по линейному принципу, не последовало внедрение результатов этих работ. Это не позволило улучшать предлагаемые методы.
С задачами внешнего проектирования неразрывно связаны задачи внутреннего проектирования, направленные на определение основных элементов судна. При известных грузоподъемности (дедвейте) и водоизмещении судна, выбор главных элементов во многом определяется принятой относительной длиной судна.
В речном судостроении существует проблема обоснованного выбора относительной длины.
Известны работы по ее определению Л. М. Ногида, Эйра, В. Л. Поздюнина, В. В. Ашика, Г. Е. Павленко и др., но они выполнены применительно к морским судам и не могут быть использованы при проектировании судов внутреннего и смешанного река-море плавания.
Из вышесказанного можно заключить, что определение основных элементов и характеристик сухогрузных судов смешанного река-море плавания, с учетом вероятностного характера условий их работы, является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является разработка методов, позволяющих определять основные характеристики сухогрузных судов смешанного река-море плавания, исходя из случайного характера осваиваемых ими грузопотоков.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
анализ существующих методов обоснования основных характеристик сухогрузных судов в России и в зарубежных странах;
систематизация параметров характеристик грузопотоков;
вероятностное определение характеристик сухогрузных судов смешанного река-море плавания;
оптимизация характеристик судов;
определение относительной длины судна, исходя из обеспечения минимума сопротивления воды движению судна;
определение относительной длины, исходя из общепроектных требований предъявляемых судну;
практическое приложение разработанного метода для определения характеристик судов, предназначенных для работы в определенном морском регионе.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан метод статистическо-вероятностного обоснования характеристик сухогрузных судов смешанного река-море плавания;
разработан метод оптимизации характеристик сухогрузных судов смешанного река-море плавания с учетом вероятностных условий их работы;
разработана эмпирическая методика определения коэффициента остаточного сопротивления воды движению судна;
разработан метод обоснования относительной длины сухогрузных судов.
Практическое значение работы:
разработан метод, позволяющий обосновать выбор грузоподъемности и удельной марочной кубатуры сухогрузных судов смешанного река-море плавания, работающих по трамповому принципу, использование которого при проектировании нового флота дает максимальную экономическую эффективность от эксплуатации вновь создаваемых судов;
разработан метод определения относительной длины сухогрузных судов, позволяющий обоснованно выбирать этот один из важнейших элементов судна.
Результаты исследований, выполненных в диссертации, использованы ЦНИИЭВТом (г. Москва) при разработке Сетки типов судов, рекомендуемых судоходным компаниям для пополнения флота.
Кроме того, практические результаты работы рекомендуются к использованию в пароходствах и конструкторских бюро при разработке новых перспективных проектов судов.
Основные положения, выносимые на защиту:
статистическо-вероятностный метод обоснования характеристик сухогрузных судов смешанного река-море плавания;
метод оптимизации характеристик сухогрузных судов смешанного река-море плавания, работающих по трамповому принципу;
метод обоснования относительной длины сухогрузных судов.
Апробация работы: результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях по проектированию судов. Нижний Новгород: ВГАВТ, 1997-2001 гг.
Исследования автора содержатся в научно-исследовательской работе по хоздоговорной теме [43].
Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах.
Анализ исследований по обоснованию основных элементов и характеристик судов смешанного река-море плавания
Для того чтобы судно эффективно использовалось по своему назначению, одним из необходимых условий является обоснованное определение его характеристик, то есть нахождение их оптимальных значений. Современное судно - сложная система, состоящая из ряда взаимосвязанных подсистем, каждая из которых может быть разложена на подсистемы меньшей сложности. Одновременно каждое судно есть элемент еще более сложных транспортных, промысловых и других систем. В связи с этим современный подход к обоснованию характеристик эксплуатационных качеств судна (грузоподъемности, удельной марочной кубатуры, скорости хода и т.д.) основан на решении так на зываемой внешней задачи проектирования, которая направлена на оптимизацию пополнения флота и основных характеристик судна, указываемых в техническом задании на разработку проекта. Внешняя задача решается на основе так называемой транспортной задачи, которая формулируется следующим образом: для известной совокупности линий определить характеристики судов (грузоподъемность, скорость хода, главные размерения и т.д.), с помощью которых грузы на данных линиях будут перевезены в рассматриваемый период наиболее эффективным, с экономической точки зрения, образом.
Традиционный подход к задаче обоснования характеристик судов и пополнения флота состоит в их оптимизации применительно к типовым условиям перспективных линий эксплуатации. Затем, исходя из прогнозируемых объемов работ, определяется потребность в судах различных типов, имеющих ранее определенные характеристики.
Проблемы, связанные с оптимизацией характеристик судов и пополнения флота, рассматривались многими специалистами, как в теоретическом плане, так и непосредственно при решении конкретных практических вопросов. Это работы В. В. Ашика, В. М. Пашина, Б. А. Царева, Е. П. Роннова, Л. М. Ногида, В. И. Журилова, В. И.Краева, О. К. Ступина, Л. Н. Мучника и др. Традиционно задачи определения характеристик судов и пополнения флота решаются поочередно. Методология такого подхода по транспортному флоту отработана и изложена в ряде работ. Применительно к морским судам различных типов такой подход рассматривается во многих работах [17, 33, 49]. По речным судам аналогичные исследования были выполнены в ЦНИИЭВТе [4, 30, 66]. При этом большое количество работ посвящено решению пер вого этапа задачи - определению оптимальных характеристик судов для отдельно рассматриваемых перспективных направлений перевозок [28, 34, 38, 69 и др.]. Наиболее полным исследованием по этой проблеме является работа Арсеньева С. П. [4]. В ней наряду с методическими основами определения экономической эффективности речных судов рассматриваются методы расчета их эксплуатационно-технических характеристик.
Использование вычислительной техники на различных стадиях проектирования позволило перейти к задачам, в которых оптимизация характеристик и числа судов осуществляется на основе рассмотрения перевозок всеми судами и по всем линиям, т.е. исходя из достижения эффективности работы всего флота. Решение получается на основе экономико-математического моделирования существа задачи и сводится к составлению совокупности уравнений и неравенств, отражающих связь с искомыми величинами функции цели и условий (ограничений) достижения ее экстремума. Линейный вид модели позволяет для нахождения оптимума использовать стандартные методы линейного программирования, что является существенным преимуществом этих решений. Такой подход к определению потребности в грузовых судах выбранных типов принят в работах [6, 56]. В этих исследованиях достаточно полно охватываются основные условия достижения оптимума, такие как реализация объема перевозок, использование существующего флота, объема возможных капиталовложений в новый флот и т.п.
Известна работа [8], содержащая постановку динамической задачи оптимизации пополнения флота. По своему экономическому содер жанию модель этой задачи можно рассматривать как динамическое обобщение линейной модели [21].
В работах ЦНИИЭВТа [4, 5] получили наиболее полное развитие методы обоснования основных характеристик речных транспортных судов, применявшиеся в той или иной мере при периодической разработке Сетки типов судов.
Характеристики судна, в соответствии с ними находят, исходя из достижения экстремума принятого критерия эффективности при условии работы судна на заданной линии. Количество судов определяется исходя из провозной способности и грузопотока на данной линии. Обоснование характеристик судов производится с учетом разнообразных факторов, определяющих их оптимальность, и предлагает рассмотрение многих вариантов применительно к конкретным перспективным грузопотокам и условиям эксплуатации флота.
Работа [4] является наиболее полным исследованием по анализируемой проблеме, в котором всесторонне рассматриваются, наряду с методическими основами определения экономической эффективности транспортных средств речного флота, методы расчета их эксплуатационно-технических и эксплуатационно-экономических характеристик. При этом в качестве основного метода технико-экономического обоснования принят вариантный подход.
Уменьшение числа типоразмеров судов и соответствующее увеличение их числа в серии приводит к уменьшению строительной стоимости и расходов по их содержанию и эксплуатации. Однако, из-за неполной приспособленности судов к каким-то линиям эксплуатации увеличиваются удельные затраты по перевозке.
Вероятностное обоснование грузоподъемности судна
В соответствии с постановкой задачи, имея числовые значения случайных величин характеристик перевозимого груза, необходимо определить соответствующие характеристики судов. Последние, ис ходя из их вероятностного смысла, могут быть найдены как математические ожидания случайных величин характеристик перевозимого груза:
Математическое ожидание приближенно равно значению выборочной средней случайной величины характеристики перевозимого груза [19]: выборочная средняя случайной величины характеристики перевозимого груза; M(XJ) — математическое ожидание этой случайной величины; к, - і-тая характеристика судна; Ргр - грузоподъемность судна; &Ф - удельная марочная кубатура судна. При этом, Xj определяется по формуле (2.7).
Необходимо отметить, что истинное значение математического ожидания находится в некотором интервале, соответствующим наиболее вероятному его значению. Необходимо определить этот интервал, найти его границы.
Обозначим искомое значение математического ожидания случайной величины партионности перевозимого груза через а. Задача заключается в оценке его значения по известной статистической характеристике PnN Надежностью (доверительной вероятностью) оценки а по Рпы называют вероятность у, с которой осуществляется неравенство: а - PITNI 5, где 5 - параметр, характеризующий точность оценки. Вероятностью у задаются и обычно в качестве ее принимают величину, близкую к единице.
Приняв во внимание, что вероятность Р задана и равна у, окончательно имеем: Смысл полученного соотношения таков: с надежностью у можно утверждать, что доверительный интервал (рш a/Vn; Рш +ta/Vn) покрывает неизвестное математическое ожидание случайной величины партионности перевозимого груза, при этом точность оценки о — та /Vn . Неизвестному математическому ожиданию случайной величины партионности перевозимого груза можно присвоить любое значение, лежащее в этом интервале. Представляется целесообразным присваивать ему значение, равное правой границе интервала (возможно некоторое округление), поскольку таким образом охватывается большее число возможных значений случайной величины партионности перевозимого груза.
Необходимо отметить, что число t определяется из равенства 2Ф(0 = у, или D(t) = у/2. По таблице функции Лапласа, представленной, например, в работе [14], находят аргумент t, которому соответствует значение функции Лапласа, равное у / 2.
Далее необходимо определиться с величиной заданной надежности у. Вообще в подобного рода транспортных задачах надежность у задается с учетом опыта эксплуатации судов на различных линиях, реальной возможности ее обеспечения. В частности, Пьяных С. М. [61] на основании статистической информации показал, что для задач подобного типа достаточно принять значение надежности равное у=0.95.
Поясним смысл, который имеет заданная надежность. Надежность у = 0.95 указывает, что если произведено достаточно большое число выборок, то 95% из них определяет такие доверительные интервалы, в которых значение неизвестного математического ожидания случайной величины партионности перевозимого груза действительно заключено; лишь в 5% случаев оно может выйти за границы доверительного интервала.
Таким образом, определив значение математического ожидания случайной величины партионности перевозимого груза, его приравнивают искомой грузоподъемности судна.
Аналогичным образом выполняется вероятностное обоснование других характеристик судов.дования необходимо получить статистические данные по интересующим характеристикам грузов, предполагаемых к перевозке на проектируемом судне. Систематизация проводится отдельно по каждой из рассматриваемых характеристик. Кроме того, характеристики необходимо проанализировать отдельно по каждому рассматриваемому году с тем, чтобы сделать вывод о возможности перехода к их интегральным значениям по всему периоду исследования. Переход возможен при условии, что случайная величина характеристики грузопотока, каждого года обработки, распределяется по одному и тому же закону. Известно, что характеристики перевозимых грузов имеют слу чайный характер. В связи с этим, их систематизацию предлагается проводить, используя приемы математической статистики. Пусть J — множество линий перевозки груза ССП в рассматриваемом регионе и j — индекс линии. Обозначим характеристики осваиваемых грузопотоков - Х[. Под этими характеристиками прежде всего будем понимать: партионность груза, удельный погрузочный объем груза, протяженность перевозок и т. п.
В качестве исходных статистических данных обычно можно использовать отчетные сведения о загрузке судов в соответствующих рейсах. Последняя, строго говоря, не всегда соответствует пар-тионности груза. Величина партии груза Рпы» перевезенного в N-OM рейсе, равна загрузке судна Рзы (Рпы = Рзы) только при выполнении условий: дополнительная информация от грузовладельца о партионно-сти груза. Поэтому при обработке статистики по партионности груза следует учитывать данные, удовлетворяющие условию (2.1).
Анализ методик для определения относительной длины
В свое время были разработаны и предложены методики для определения относительной длины. В большинстве своем это эмпирические формулы, полученные по результатам экспериментов. Для определения относительной длины гражданских судов в первом приближении Л. М. Ногид предложил формулу [46]: Сп - эмпирический коэффициент, равный: Сп = 2.16 - для скоростей S 16 уз; Сп = 2.33 — для скоростей 9 24 уз. Представленная формула получена по результатам обработки статистических данных по морским судам различных типов: пассажирских, сухогрузных, нефтеналивных. Главный недостаток - в ее простоте, т. к. с помощью формулы (3.2) предлагается определять относительную длину для судов всех типов. Далее Л. М. Ногид рассматривал вопрос о связи между минимально допустимой длиной кормового заострения, относительной длиной судна и коэффициентом продольной полноты. Длина кормового заострения должна быть такой, чтобы сопротивление формы и дополнительное сопротивление трения не превосходили приемлемого предела. В результате расчетов предложена формула: где lmjn - минимальная относительная длина судна; 1Г - минимальная длина кормового заострения; Ф = р/8 - коэффициент продольной полноты; С - коэффициент кормового заострения; Р - коэффициент полноты площади миделынпангоута. Формула (3.3) получена аналитическим способом и позволяет определять только минимально возможную относительную длину морских судов различных типов. Не ясно как определить длину кормового заострения. Эйр предложил зависимость среднего значения относительной длины от относительной скорости (от числа Фруда) при изменении ее в пределах 0.12 - 0.30 [7]: Формула (3.4) получена эмпирическим способом и позволяет определять относительную длину морских судов всех типов. Недостатком данной формулы является ее низкая точность. В. Л. Поздюнин, совершенствуя формулу Эйра и получив зависимость между абсолютной длиной, водоизмещением и абсолютной скоро стью, определил среднюю статистическую относительную длину гражданских судов в функции величины абсолютной скорости [7]: Основным недостатком предложенных подходов является тот факт, что с их помощью определяется относительная длина морских гражданских судов всех типов. Хотя предпосылки для определения относительной длины пассажирских судов различаются с сухогрузными судами. В. В. Ашик получил целый ряд эмпирических формул для определения относительной длины для судов различных типов через абсолютную скорость [7]: ± 0.5 - для пассажирских судов. Предложенные формулы (3.6) являются, пожалуй, наиболее точными при определении относительной длины морских судов указанных типов. Существуют разработки, позволяющие определять относительную длину исходя из условия обеспечения наилучшей ходкости. Так, Г. Е. Павленко, основываясь на результатах обработки систематических испытаний, предложил свою формулу для определения условного предела, преступив за который можно вызвать резкое увеличение сопротивления [48]: где V - объемное водоизмещение, м3. Во всех представленных выше формулах 9 - скорость хода судна, уз. Формулы (3.2) - (3.7) использовались или используются при определении относительной длины морских судов различных типов. Возможность применения этих формул для расчета относительной длины судов внутреннего плавания можно получить с помощью графического сравнения результатов, полученных по ним, с реальными значениями относительных длин существующих судов. На рис. 3.1 приведены зависимости 1 = f(S), полученные по приведенным выше методикам, и нанесены значения относительных длин существующих судов, данные по которым представлены в табл. 3.1. По рис. 3.1 видно, что относительные длины, рассчитанные по приведенным выше методикам, существенно отличаются от реальных, расхождение составляет до 20%. Это связано с тем, что при проектировании судов внутреннего плавания приходится учитывать параметры судового хода и, прежде всего его глубину. В связи с этим суда приобретают полные обводы, так как работают в условиях относительного мелководья, что вызывает увеличение волнового сопротивления. Для его компенсации приходится увеличивать абсолютную, а, следовательно, и относительную длину судна. В целом, заканчивая анализ опубликованных работ по обоснованию относительной длины, можно сделать следующий вывод: к настоящему времени разработан ряд методик, позволяющих определять относительную длину при проектировании морских судов. Сведений об аналогичных разработках для судов внутреннего плавания автором не обнаружено, тогда как видно из рис. 3.1, что приведенные выше методики для речных судов не применимы. Поэтому, поставленная задача обоснованного выбора относительной длины сухогрузных судов внутреннего и смешанного плавания является актуальной.
Статистический анализ случайных величин характеристик перевозимых грузов
Партионность груза существенно влияет на провозную способность судна. С экономической точки зрения выгодно, чтобы суд но шло с полной загрузкой и не совершало рейсов с не полной загрузкой, т.е. постоянно приносило максимально возможный доход. Определив наиболее часто встречающуюся величину партионности, можно получить возможность назначения грузоподъемности ССП, работающих в данном регионе.
В исходных статистических данных (табл. 2-4 прил. 4) приведена загрузка судов в соответствующих рейсах. Как говорилось во второй главе диссертации загрузка судов не всегда соответствует размеру партии груза, поэтому в начале выполним анализ только по статистическим данным, удовлетворяющих условию (2.1). Эта статистика приведена в табл. 5 прил. 4. Она получена исключением из общей информации (табл. 2 — 4) рейсов, в которых условие (2.1) не выполняется. В табл. 5 прил. 4 приняты следующие обозначения:
Для большей наглядности в табл. 5 прил. 4 приведены абсолютные значения характеристик вместимости, которые, как известно связаны с их удельными величинами следующими выражениями:
Учитывая возможные отличия фактических значений ЦГР от их величин, приведенных в справочной литературе, к рассмотрению также приняты рейсы, в которых условие (2.1) выполняется и в возможной 10%-ной зоне отклонения.
Как следует из табл. 5 прил. 4 за период 1996-1998 гг. было осуществлено 311 судо-рейсов с недогрузом. В этом случае мы можем с достаточной степенью уверенности утверждать, что в каждый из этих судо-рейсов перевозилась отдельная партия груза.
Все последующие вычисления будем проводить интегрально по всем трем годам ввиду сравнительно не большой выборки (п=311).
Для построения гистограммы необходимо определиться с количеством интервалов, по которым будет распределена случайная величина. Рассчитаем количество интервалов по формуле (2.3): дальнейшие исследования оптимальным является количество интервалов L=9, т.к. большее количество интервалов сильно затрудняет обработку случайной величины.
Для построения гистограммы определим границы каждого интервала [PnNi;PnNi+k] и найдем относительные частоты Wj=irij/n, где mj — количество значений, входящих в i-тый интервал. Данные расчеты этих величин приведены в табл. 4.1. Кроме того, в табл.4.1 приведены значения ординат гистограммы для каждого интервала [PnNijPnNi+k] С использованием полученных величин на рис. 4.1 построена гистограмма распределения случайной величины партионности груза.
Судя по форме гистограммы можно сделать предположение, что случайная величина партионности груза распределена по нормальному закону (закону Гаусса-Лапласа). Поэтому вычисления сделаем по нормальному закону (формула (2.4)) с последующей проверкой соответствия теоретического распределения практическому.
Произведем расчет теоретических частот для построения кривой распределения величины партионности груза. В качестве ложного нуля примем Рпш=1250 т, величина интервала к=500 т. Дальнейший расчет произведен в табл. 4.2. В этой таблице: f(t) - значения функции Лапласа, взятые из [14]; m j — теоретические частоты. По теоретическим частотам на рис. 4.1 построена кривая нормального распределения величины партионности груза. Определим с использованием данных табл. 4.2 значения выборочной средней величины партионности груза и среднего квадратического отклонения по формулам (2.5) и (2.6): Рпк= 1449.36 т; Проверку соответствия практического распределения теоретическому проведем по методу Пирсона, описанному во второй главе. Рассчитаем центральные моменты по формулам (2.8) для выборки 1996-1998 гг.:
