Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния организации пропуска судов по шлюзованным системам
1.1. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации шлюзованных систем
1.2. Современные организационные проблемы эксплуатации шлюзованных систем в Российской Федерации
1.3. Анализ существующих подходов к решению проблемы повышения пропускной способности шлюзованных систем
2. Методические основы моделирования и оценки пропускной способности шлюзованных систем
2.1. Анализ методов моделирования транспортного потока по шлюзованным системам
2.2. Пропускная способность шлюзованных систем и степень ее использования
2.3. Разработка методики оценки пропускной способности шлюзованных систем
3. Совершенствование работы шлюзованных систем на базе имитационного моделирования
3.1. Исследование отдельных аспектов работы шлюзованных систем на примере Волго-Донского судоходного канала 94
3.2. Разработка методики определения пропускной способности шлюзованных систем
3.3. Исследование пропускной способности шлюзованных систем с использованием имитационного моделирования
4. Оценка организационно-экономической эффективности разработанных мероприятий по увеличению пропускной способности шлюзованных систем
4.1. Анализ вариантов распределения ниток графика между 115
судоходными компаниями
4.2. Использование имитационного моделирования для оптимального согласования расписания движения туристических судов по шлюзованным системам 122
4.3. Определение эффекта от организационных мероприятий по повышению пропускной способности шлюзованных систем
Заключение 148
Словарь терминов и сокращений 152
Библиографический список
- Современные организационные проблемы эксплуатации шлюзованных систем в Российской Федерации
- Пропускная способность шлюзованных систем и степень ее использования
- Разработка методики определения пропускной способности шлюзованных систем
- Использование имитационного моделирования для оптимального согласования расписания движения туристических судов по шлюзованным системам
Введение к работе
В последние годы проблема недостаточной эффективности судопропуска по основным судоходным каналам европейской части Российской Федерации (РФ) вызывает все большую озабоченность у Министерства транспорта и у судоходных компаний. Волго-Балтийский водный путь (ВБВП) и Волго-Донской судоходный канал (ВДСК) являются яркими примерами сложившейся ситуации.
При существующих направлениях грузопотоков, современном флоте и техническом состоянии водных путей названные выше шлюзованные системы (ШС) эксплуатируются в зоне предельного значения величины их пропускной способности (ПС). Для эффективной эксплуатации флота, предполагающей рациональное и стабильное значение продолжительности времени прохождения судами ШС, необходим определенный запас ПС системы.
Согласно концепции развития транспорта РФ на период до 2030 года, намечается активное вовлечение внутреннего водного транспорта в освоение увеличивающегося грузооборота страны. Стратегические направления экспортно-импортных грузопотоков совпадают с географическим положением ВБВП и ВДСК. В своем докладе на заседании Президиума Госсовета 13 ноября 2007 г., министр транспорта РФ И.Е.Левитин заявил: «...Особая актуальность проблемы развития внутреннего водного транспорта обусловлена ослаблением его позиции в транспортной системе России из-за длительного периода недофинансирования, ухудшения состояния внутренних водных путей и судоходных гидротехнических сооружений, снижения отраслевого инвестиционного потенциала, что не позволяет в полной мере использовать его конкурентные преимущества для увеличения объемов грузовых и пассажирских перевозок, наращивания транзитного потенциала страны...». Далее сделан вывод, что «...в развитии экономики РФ наступил этап, когда транспортная инфраструктура должна перейти от этапа
поддержания и модернизации отрасли к ее развитию на основе инновационного и технологического прорыва...». В этой связи в отношении будущего ВБВП и ВДСК должны быть рассмотрены две задачи:
ПС шлюзованных систем должна быть существенно увеличена, что потребует реконструкции каналов и строительства второй нитки шлюзов.
До полной модернизации ШС, то есть в переходный период, должна быть разработана рациональная схема судопропуска, позволяющая с минимальными потерями обеспечить бесперебойную эксплуатацию ШС.
Для приведения ПС ШС в полное соответствие с реальными потребностями необходимо не только инвестировать денежные средства, но и задействовать значительные интеллектуальные и временные ресурсы. На протяжении переходного периода флот должен максимально эффективно пропускаться по ШС, исходя из имеющихся ресурсов ПС.
Для этого необходимо решить ряд научно-методических задач и получить инструмент, позволяющий оценивать качество принимаемых оперативных решений. Необходимы современные методы оценки величины ПС, методы организации и согласования работы флота в переходных условиях с целью повышения эффективности судопропуска.
По расчетам экспертов [1], при реализации комплекса мер, направленных на развитие транспортной инфраструктуры ВБВП, возможный перспективный грузопоток возрастет с 16-17 млн. т, достигнутых в навигацию 2006 г., до прогнозируемых к 2025 г. 33 млн. т в навигацию. В результате реконструкции ВБВП будут созданы необходимые условия для роста внешнеторговых перевозок, сократится время простоя судов, увеличится скорость доставки товаров и снизятся затраты на их транспортировку.
В итоге все заинтересованные стороны достигнут своих целей: судоходные компании (СК) - за счет роста грузооборота и доходов, а также уменьшения времени простоя судов; грузовладельцы - за счет роста скорости доставки товаров и снижения затрат на их транспортировку; потребители - за
7 счет снижения затрат на транспортировку в конечной цене продукции; государство - за счет роста денежных средств от получения налогов в бюджеты всех уровней, стимулирования развития бизнеса и создания благоприятной конкурентной среды для российских перевозчиков.
В настоящее время при организации процесса судопропуска по ШС основную роль играет опыт производственников, статистические данные по результатам работы прошлых лет, нормативная и справочная документация. Используется и вычислительная техника, однако она применяется для делопроизводства, связи и других задач, не связанных с выбором рационального варианта пропуска судов по системе.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности пропуска судов по ШС, эксплуатируемых с малым резервом ПС, за счет применения методических рекомендаций по рационализации судопропуска.
Задачи, поставленные для данного диссертационного исследования, можно сформулировать следующим образом:
исследовать вопросы эффективного использования ПС ШС;
уточнить организационный смысл понятия ПС;
проанализировать измерители ПС и сформировать рекомендации по их использованию при расчете ПС;
разработать методику повышения эффективности использования ПС ШС;
создать имитационную модель работы ШС на предельных режимах;
создать методику согласования расписания движения туристических судов и оптимального графика использования ШС.
Диссертационная работа направлена на повышение эффективности использования величины ПС крупных ШС центрально-европейской части РФ за счет рациональной организации процесса судопропуска с использованием современных научных методов и применения информационных технологий.
8 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОПУСКА СУДОВ ПО ШЛЮЗОВАННЫМ СИСТЕМАМ
Современные организационные проблемы эксплуатации шлюзованных систем в Российской Федерации
С появлением первой ШС возникла необходимость ее технического обслуживания, поддержания пропускной способности на необходимом уровне, то есть обеспечения свободного и беспрепятственного прохода судов через систему. Ввиду потребности в пропуске большого судопотока, необходимо было развивать техническую часть шлюзованных систем, в частности, менять полушлюзы на шлюзы из-за их большей экономичности и безопасности пропуска.
Для достижения этих целей Вышневолоцкая система была передана на содержание М.И. Сердюкову - первому в России человеку, выполнявшему обязанности управляющего водными путями. Он проводил инженерно-строительные работы по повышению надежности и безопасности шлюзованной системы. В качестве компенсации затрат на все проводимые работы М. И. Сердюков просил царя разрешить ему устроить мельницы на р.Цне и владеть ими безоброчно 15 лет, а также пользоваться в этот же срок доходами от кабацких и таможенных откупов. Таким образом, можно сделать вывод, что эксплуатация шлюзованной системы в XVIII веке была весьма выгодным, самоокупаемым предприятием. Для этого требуется рациональная организация хозяйственной деятельности, снижающая убытки и дающая возможность получать доходы от предоставления в пользование системы.
11 мая 1722 г. М.И. Сердюкову построил на р.Цне и р.Тверце два новых шлюза, спрямил два участка, затруднявших движение судов, соорудил плотины на р.Шлине длиной 103 сажени (около 220 м), а также устроил канал от этой реки для пропуска воды в р.Цну. Этот комплекс работ существенно улучшил судоходство: в 1722 г. по водоразделу Вышневолоцкой системы прошло без паузки 2339 судов. Далее М.И. Сердюков продолжал работы по улучшению условий судоходства на водораздельном участке системы. В частности, на р.Цне в обход каменистого и извилистого участка был устроен канал длиной около 1,5 км и на концах его два полушлюза. В результате было исключено 5 км затруднительного участка, а пропускная способность при караванной системе пропуска судов возросла с 70 до 150 судов за один пропуск. Повышение ПС привело к увеличению судопотока, а следовательно, и к увеличению доходов М.И. Сердюкова.
Главные выводы, которые можно извлечь из анализа деятельности М.И. Сердюкова, - это необходимость использования системного подхода к решению проблемы недостаточной ПС ШС. Необходимо централизованно контролировать ход выполнения поставленных задач и учитывать при модернизациях ШС возможный рост или снижение объемов перевозок по системе. В случае правильного прогноза модернизация окажется чрезвычайно выгодной, если за прохождение ШС взимается плата.
Постройка Ладожского канала была второй крупной гидротехнической стройкой Петра I, который сам назначил его трассу. Канал длиной 111 км начинался у г.Новая Ладога на р.Волхове и заканчивался в г.Шлиссельбурге в истоке р.Невы. Намечалось построить его без шлюзов глубиной 7 футов (около 2,1 м) ниже уровня Ладожского озера.
Однако организация строительства и его проектирование велись небрежно и недобросовестно. Вся организация работ изобиловала грубыми ошибками, которые при легкомысленном отношении к делу руководителя работ Григория Скорнякова-Писарева и благодушии Сената привели к аресту шлюзовых мастеров-немцев и следствию над ними, а также над Скорняковым-Писаревым. Таким образом, исторический опыт показал, что крупномасштабные работы, такие как строительство шлюзованных систем, невозможны без участия государства.
Производство работ взяло на себя государство. Был закончен участок канала от Волхова до села Черное протяженностью около 29 км, по которому в 1726 г. началось движение судов, доставлявших материалы к месту работ. Полностью строительство канала было закончено лишь в 1730 г., а движение на всем его протяжении от г.Новой Ладоги до г.Шлиссельбурга началось весной 1731 г. Но вместо постройки открытого канала, как первоначально намечал Петр I, сделали канал глубиной менее 1 м и насыпи в виде дамб по его берегам из вынутой земли. Поэтому для поддержания необходимых для судоходства глубин пришлось построить в г.Новой Ладоге и г.Шлиссельбурге шлюзы, и вся первоначальная схема канала была нарушена.
Начиная с 1785 г., на системе проводились работы по ремонту и реконструкции сооружений. Закончены они были в 1797 г., вместо деревянных построили каменные шлюзы, но ожидаемого улучшения судоходства не удалось достичь. Это явилось следствием того, что не были проведены точные расчеты влияния размеров шлюзов на судопоток, не была учтена его динамика в будущем.
Таким образом, в истории создания Вышневолоцкой системы отразились не только потребности экономики страны, но и технический прогресс своего времени. Однако главный недостаток этой системы — мелководье — на всем протяжении ее эксплуатации оставался серьезным препятствием для развития судоходства.
В 1798 г. было начато строительство канала, соединявшего р.Мсту с р.Волхов в обход оз.Ильмень, плавание по которому для речных судов было трудным и опасным. Канал имел общую длину 8,5 км, ширину по дну около 20 м, глубину при среднем горизонте озера около 70 см и был назван Сиверсовым. Проложенный по заболоченной местности и пересекавший два озера и два ручья, канал сразу после постройки стал заиливаться и вскоре оказался непригодным для судоходства.
Пропускная способность шлюзованных систем и степень ее использования
Сокращением доли организационно-технологической составляющей в общем процессе судопропуска занимались несколько научных школ и направлений. Они разрабатывали свои подходы к решению проблемы. Традиционным подходом к решению задачи об организационно-технологической составляющей, используемым во ВГАВТе, было планирование движения флота по шлюзованному участку на базе методов оптимизации. Применительно к задачам обоснования рационального пропуска судов через шлюзованный участок следует выделить работы А.А.Союзова [6], В.И.Головникова [62], С.М.Пьяных [7], А.Г.Малышкина [21, 23], В.И Кожухаря [12, 13], В.Н.Белых [12, 13], Б.И.Вайсблата [15], В.И.Астахова [16], Ю.И.Платова [17] и др. Оптимизация пропуска судов на каналах с большим числом судопропускных сооружений рассматривалась в работах В.И. Кожухаря [12, 13] а так же С.Д.Щуко [18] и С.М.Эховой [18]. Основное содержание задачи оптимального судопропуска сводится к оперативному регулированию движения флота в канале и работы судопропускных сооружений в зависимости от фактически складывающейся дислокации флота на канале во времени и пространстве. В качестве управляемых единиц используются группы судов, движущихся в одном направлении и одновременно шлюзуемых по мере прохождения канала. Для решения подобного класса задач широкое распространение имели методы дискретной имитации транспортного процесса.
Работы СМ. Пьяных [8] посвящены в основном анализу скоростей движения судов в камерах судопропускных сооружений. В них приводятся конкретные данные, рекомендации, а также отмечается, что 66% от общего времени шлюзования судна затрачивается на вход, выход и учалку. Отсюда СМ. Пьяных делает вывод, что увеличение скоростей входа и выхода судов при движении в камерах шлюза способствует увеличению их пропускной способности. В дополнение к этому в работе [7] им рассматривается вопрос о совершенствовании судопропуска через одиночные шлюзы.
В работах А.П. Скатова для обеспечения полной загрузки большегрузных судов и составов [19], проходящих Нижегородский гидроузел, предлагается транспортный судоподъемник (ТСП) - комплекс плавучих технических средств, уменьшающих осадку этих судов. ТСП состоит из бортовых понтонов, соединенных в нижней части плитой и представляющих своеобразный плавучий док. Однако этот метод предусматривает дополнительные капитальные вложения и расходы на содержание буксировочной техники для шлюзования ТСП.
Н.В. Шмелев проводил анализ прохождения судов через лимитирующие участки с организацией паузки [20]. Им было рассчитано соотношение протяженности участков пути с лимитирующими и достаточными глубинами судового хода, при котором целесообразно производить паузку. Была разработана методика определения координаты пункта, в котором целесообразно произвести паузку.
А.Г. Малышкиным [21] проводились расчеты по определению целесообразности паузки, в качестве критерия эффективности выбраны приведенные затраты. Аналогичные работы были предложены Н.В. Пигаловой [22]: неравенства, при решении которых определяется целесообразность паузки или догрузки судов.
В аналогичном ключе была выполнена работа коллективом авторов (А.Г. Малышкина, В.И. Астахова и д.р.) по оценке влияния эксплуатации толкаемых составов на пропускную способность Волго-Балтийского водного пути [23]. В этой работе была проанализирована структура судопотоков через канал и было показано, что без ущерба эксплуатационному процессу толкаемые составы могут быть включены в основную сетку флота, работающего на данном участке. Это даст возможность частично разрядить напряженность с судопотоками на участке.
Вопросы оперативного планирования движения флота через шлюзы рассматривались Б.И. Вайсблатом. В его работах проанализированы вопросы прогнозирования времени ожидания шлюзования. Он предложил вероятностный подход к оценке значения этой величины [15].
Несколько иной подход к решению задачи о сокращения движенческой составляющей разрабатывался в лаборатории судопропуска под руководством Д.А. Зернова, который со своими учениками более 30 лет занимался изучением вопросов судопропуска. В своих работах они рассматривают проблемы совершенствования судопропуска, пути увеличения скоростей движения судов в камерах шлюза, определения габаритных размеров камер шлюза и многие другие вопросы.
В статье [24], опубликованной Д.А. Зерновым совместно С.С. Кирьяковым в 1967 г., отмечается, что с началом движения по Беломорско-Балтийскому каналу крупнотоннажных судов типа "Волга-Балт" возникли трудности, связанные с процессом ввода/вывода их в/из камеры шлюза. Результаты проведенных ими натурных наблюдений показывают, что за счет значительного стеснения живого сечения потока воды в камере шлюза корпусом судна возникает интенсивный поток обтекания и при этом резко падает скорость движения судна (от 1,4 - 1,6 м/с на подходе до 0,2 - 0,3 м/с при входе непосредственно в камеру).
Разработка методики определения пропускной способности шлюзованных систем
ПС судоходного шлюза, среди прочих факторов, напрямую зависит от принятой системы организации движения.
В настоящее время ПС ШС рассчитывается по методике, предполагающей ее определение на основании значения ПС лимитирующего участка. При этом не учитывается взаимное влияние судов в системе, особенности влияния транспортного потока и не рассматриваются периодические изменения значения суточной пропускной способности в зависимости от ряда факторов. Если при расчете ПС ШС принимать во внимание перечисленные выше факторы, то предельное значение предмета расчета будет ниже полученного по классической методике.
При оценке ПС ШС в навигационном судопотоке основное влияние на ее увеличение оказывает такой показатель, как среднее время прохождения судном ШС. Чем время прохождения меньше, тем больше судов может пропустить ШС за навигацию. Однако следует отметить, что с увеличением судопотока увеличивается и среднее время прохождения судном ШС.
Увеличение среднего времени прохождения судами через ВДСК проиллюстрировано в табл. 3.1. По статистике за 8 лет среднее время прохождения ВДСК одним судном увеличилось на 57%.
Схематически данные табл. 3.1. можно представить в виде графика (рис.3.1.). Если исследовать зависимость навигационного судопотока и продолжительности времени пропуска судов по ШС ВДСК, то время пропуска увеличивается с экспоненциальной зависимостью, а навигационный судопоток - с логарифмической. Таким образом, при определенном значении судопотока время пропуска будет бесконечно расти, а число пропущенных судов останется
Однако точное значение потерь судопотока, а следовательно, и ПС можно определить только для конкретных условий методом имитационного моделирования.
Для решения этой трудной в методическом отношении задачи эксплуатационной наукой до сих пор не созданы адекватные аналитические методы, позволяющие точно рассчитать значение ПС ШС при заданных параметрах судопропуска, характеризующих конкретную ШС. Применяется метод аналогии, который основывается на использовании статистики исполненного движения [68].
Сложность объясняется тем, что задача содержит большое число параметров (число шлюзов в системе, продолжительность одностороннего и двустороннего судопропусков, время хода по каждому межшлюзовому участку, наличие однопутных участков, ограниченное число рейдов или причалов для стоянки судов в межшлюзовых бьефах и т.д.), которые
г находятся в сложном динамическом взаимодействии. Использование многих из известных науке методов крайне затруднено. Например, используемые для разработки расписаний математические методы (теория расписаний, метод динамического программирования, сетевые методы) в данной системе не работают, так как большинство ШС не используют для организации работы расписания.
Как следствие названных причин, для решения поставленной задачи использован метод имитационного моделирования. Этот метод позволяет описывать производственно-транспортные системы практически любой степени сложности и получать в результате моделирования процесса функционирования системы основные итоговые характеристики ее деятельности (пропускную способность системы, среднее время ожидания судами начала обслуживания, среднее время судопропуска и т.д.).
В настоящее время, в условиях наличия быстродействующих компьютеров, процесс моделирования может быть произведен многократно для различных значений исходных параметров. Можно варьировать числом ниток графика, интервалами между нитками, нормами ходового времени, нормами времени шлюзования на каждом шлюзе, очередностью судопропуска «вверх» и «вниз» на каждом шлюзе, начальные моменты времени судопропусков в каждом из направлений («вверх» и «вниз») и т.д. В результате имитационных экспериментов могут быть получены характерные зависимости, описывающие работу ШС в широком диапазоне условий.
Использование имитационного моделирования для оптимального согласования расписания движения туристических судов по шлюзованным системам
Движение туристических судов значительно влияет на организацию судопропуска на ШС. Диспетчеры шлюзов обязаны учитывать приоритет судов, движущихся по расписанию. В свою очередь, рациональная организация процесса согласования расписаний туристических судов с учетом рационального использования пропускной способности, позволила бы не только повысить уровень организации работы туристического флота, но и увеличить судопоток грузового флота.
Задача расчета и согласования расписания движения пассажирского флота сводится к определению времени прибытия и отправления судов из начальных и конечных пунктов, времени проследования промежуточных пунктов бассейна, гидротехнических сооружений и т.п. При этом просчитанные для каждой линии расписания движения должны удовлетворять определенным требованиям с учетом заданных параметров.
Эти параметры установлены В.П. Зачесовым в его работе [57].
В общем виде, эта задача может рассматриваться как задача с определенным критерием оптимальности. Однако критерий оптимальности в этом случае является комплексным и поэтому сложным при его определении. С одной стороны он должен обеспечивать рентабельную работу флота, работающего по взаимосогласованному расписанию, с другой -удовлетворять потребность граждан в перемещении, и сохранять определенный уровень комфортности на перевозках. Но в современных условиях следует добавить критерий полноты использования пропускной способности ШС, то есть судопотока, стремящегося к своему максимальному значению.
В связи с этим, критерий оптимальности может быть выражен совокупностью требований, которые предъявляются к варианту взаимосогласованного расписания движения.
Определенные расписанием движения моменты времени прибытия, проследования и отправления судов по пунктам бассейна по существу представляют наклонный график движения судов. В связи с этим в дальнейшем под выражением единое согласованное расписание движения понимается взаимоувязанный график движения пассажирских судов. С целью обеспечения наиболее удобного чтения заданных и рассчитываемых величин, этот график изображается на сетке с двумя системами координат, повернутых друг относительно друга на 180. При этом по оси абсцисс фиксируется пройденное расстояние: в прямом направлении значениями X в системе координат xot , в обратном направлении - значениями У в системе координат yot.
При подготовке единого согласованного расписания все пункты разбиваются на контрольные и неконтрольные. Среди контрольных в свою очередь выделяются пункты 1 и 2 разрядов. К контрольным пунктам первого разряда относятся все крупные промышленные и культурные пункты бассейна. Время прибытия судов в эти пункты на должно выходить за пределы зоны предпочтительного времени. Исключения составляют начальные и конечные пункты расписания. В них общее время стоянок может быть больше величины этой зоны. Однако время прибытия в эти пункты и отправления из них должно обязательно лежать в границах этой зоны. Предпочтительное время проследования контрольных пунктов расписания устанавливается в зависимости от характера линии (транспортная, туристическая, экскурсионная) и характеристики пункта (координаты пункта от устья реки, зеленая стоянка или крупный центр).
Например, по пунктам 1 разряда, расположенных в районе верхней и средней Волги, для транспортных линий это время следует установить с 6-00 до 22-00 часов. Для районов Нижней Волги по таким пунктам как Астрахань,
Ростов-на-Дону, Волгоград оно должно быть скорректировано с учетом продолжительности светового дня.
В пунктах зеленых стоянок туристско-экскурсионные суда должны находиться во время, удобное туристам для отдыха и развлечений.
К контрольным пунктам второго разряда относятся шлюзы. Все остальные промежуточные пункты расписания являются неконтрольными. Время проследования через все неконтрольные пункты и контрольные второго разряда не увязываются с границами зоны предпочтительного времени проследования.
Условные обозначения, необходимые для описания математической модели задачи расчета и согласования расписаний движения пассажирского флота: 1) все пункты маршрута делятся на к категорий, каждый пункт принадлежит к категории кс, 2) время стоянки в каждом из пунктов с индексом і состоит из двух частей обязательного времени стоянок и дополнительного; 3) согласование момента прибытия достигается за счет определения такого момента прибытия в пункт маршрута при настоящем времени стоянок, при котором момент отправления будет меньше момента прибытия следующего судна.
