Оптимизация характеристик нефтеналивного судна на основании имитационного моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АДМИРАЛА МАКАРОВА

УД 629.5.01: 629.553.01: 519.863

Оптимизация характеристик нефтеналивного судна на основании имитационного моделирования

Специальность 05.08.03 механика и конструирование судов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Бондаренко Александр Валентинович

Николаев 2001

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в Украинском государственном морском техническом университете имени адмирала Макарова Министерства образования и науки Украины.

Защита состоится 21 января 2002 г. в 13 часов на заседании
специализированного ученого совета Д 38.060.01 Украинского государственного морского технического университета по адресу: 54025, г. Николаев, проспект Героев Сталинграда, 9, ауд. 360.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Украинского государственного морского технического университета имени адмирала Макарова по адресу: 54025, г. Николаев, проспект Героев Сталинграда, 9.

Автореферат разослан 20 декабря 2001 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета Квасницкий В.Ф.

АНОТАЦІЯ

Бондаренко О.В. Оптимізація характеристик нафтоналивного судна на основі імітаційного моделювання. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.03 - механіка та конструювання суден. Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2001.

Дисертацію присвячено питанню застосування імітаційного моделювання в практиці дослідницького проектування нафтоналивних суден. У дисертації розроблено імітаційну модель танкера, методику пошуку його оптимальних характеристик з використанням рівняння регресії та планування експериментів. Запропоновано формули для визначення складових водотоннажності порожнем сучасних танкерів. Отримано регресійні залежності для визначення основних характеристик танкера. Встановлено, що тип закону розподілу випадкових економічних нормативів суттєво не впливає на оптимальні характеристики судна та цільову функцію.

Ключові слова: Імітаційна модель, методика пошуку, основні характеристики, цільова функція, нафтоналивне судно, планування експериментів, рівняння регресії.

АННОТАЦИЯ

Бондаренко А.В. Оптимизация характеристик нефтеналивного судна на основании имитационного моделирования. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.03 механика и конструирование судов Украинский государственный морской технический университет имени адмирала Макарова, Николаев, 2001.

Целью диссертационной работы является создание имитационной модели нефтеналивного судна и проведение исследований влияния неопределенности данных и типа их закона распределения на целевую функцию, а также обобщение опыта разработки и внедрения имитационных моделей в практику проектирования.

Рассмотрено состояние мирового танкерного флота и перспективы его развития. Проанализированы особенности архитектурно-конструктивного типа современных нефтеналивных судов, основные тенденции танкеростроения при выборе главных размерений судов и их соотношений. Создана база данных по танкерам 1991 2000 годов постройки, на основании которой получены приближенные зависимости для определения их основных характеристик. Рассмотрено состояние украинского морского транспортного комплекса и показана целесообразность создания собственного танкерного флота.

Установлено, что особенности функционирования судов в современных условиях, к числу наиболее существенных которых можно отнести нестабильность грузопотоков, цен на топливо, случайный характер продолжительности транспортных операций, приводят к необходимости перехода к задачам проектирования в стохастической постановке и применения новых методов в проектировании судов. Проведен обзор известных на данное время подходов к решению подобной задачи: сведения с помощью специального математического аппарата стохастической задачи к детерминированному эквиваленту, применения теории игр, применения имитационного моделирования. Отмечены основные преимущества и недостатки каждого из них. Указано на необходимость и целесообразность решения стохастической задачи с помощью имитационного моделирования.

Рассмотрены теоретические аспекты разработки имитационной модели, трудности, возникающие во время данного процесса. Приведено описание имитационной модели нефтеналивного судна. Рассмотрены основные типы критериев оптимизации, применяемые в имитационных моделях. Оценку экономической эффективности нефтеналивного судна предложено производить с помощью необходимой фрахтовой ставки. Проведен анализ прямого и двухэтапного методов оптимизации с использованием имитационной модели и сделан вывод о предпочтительности последнего. Усовершенствовано методику оптимизации с использованием уравнения регрессии и планирования экспериментов.

Изучено влияние типа закона распределения исходных вероятностных данных на результаты оптимизации, в результате чего установлено, что тип закона распределения этих данных не влияет на оптимальные характеристики судна. Проведено сравнение результатов оптимизации, полученных методом средних и имитационным моделированием, которое показало их существенное отличие. Выполнен анализ влияния экономических нормативов на результаты оптимизации. Установлен оптимальный дедвейт танкера для линии Одесса - Супса. Выполнена оптимизация основных характеристик танкера прямым и двухэтапным методами.

Ключевые слова: Имитационная модель, метод оптимизации, основные характеристики, целевая функция, нефтеналивное судно, планирование экспериментов, уравнение регрессии.

THE SUMMARY

Bоndarenko O.V. Optimization of crude oil tanker characteristics on the basis of simulation modeling. Manuscript.

The Dissertation for the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences on specialty 05.08.03 - mechanics and ships design - Ukrainian State Maritime Technical University named after admiral Makarov, Mykolaiv, 2001.

The dissertation is devoted to the problem of applying simulation modeling in the practice of research design of crude oil tankers. The tanker simulation model was designed, the technique of searching of his optimum characteristics applying the equation of regression and design of experiments was worked out. The formulas for defining light displacement component of modern tankers were suggested. Regression dependence for defining the main characteristics of a tanker was received. It is established that a type of the distribution law of casual economic specifications does not essentially influence optimum characteristics of a ship and the goal function.

Key words: Simulation model, technique of searching, main characteristics, goal function, crude oil tanker, design of experiments, equation of regression.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется:

потребностью Украины в обеспечении ее энергетической независимости. Создание собственного танкерного флота даст возможность проводить закупку нефти у различных государств и тем самым лишит возможности энергетической блокады со стороны любого из поставщиков. Наличие танкерного флота также является положительным фактором и с точки зрения возможности транзита каспийской нефти через территорию Украины;

существенным влиянием случайного характера основных экономических нормативов на показатели эффективности танкера и, как следствие, необходимостью перехода к стохастической постановке задачи проектирования. На данное время в проектировании судов доминирует детерминированный подход в соответствии с которым все входные характеристики и исходные данные считаются неизменными. Тем не менее, большинство из них, в особенности связанные с условиями эксплуатации, являются либо стохастическими, либо неопределенными. Не учет случайного характера таких величин приводит к тому, что на начальных этапах проектирования, когда принимаются принципиальные решения о необходимости постройки судна, искажаются представления об его истинной экономической эффективности. Проблему учета стохастичного характера экономических данных можно решать несколькими методами: на основе сведения к детерминированному эквиваленту задачи, теории игр, имитационного моделирования. Но эффективность этих методов в литературе оценивается неоднозначно, а сложность отдельных из них не позволяет в полной мере реализовать их в проектировании судов;

необходимостью пересмотра традиционных критериев эффективности судов, используемых ранее при решении внешней и внутренней задач проектирования, в связи с переходом к рыночной экономике и частной форме собственности;

отсутствием программных комплексов, которые бы на начальных этапах проектирования давали бы возможность, при ограниченном количестве исходных данных, определять основные характеристики судна, исходя из его наибольшей эффективности. Современные САПР (FORAN, TRIBON) ориентированы на более поздние стадии проектирования и, поэтому, как правило, не содержат подсистем разработки проекта на начальных этапах проектирования;

недостаточным изучением вопросов использования имитационного моделирования в практике исследовательского проектирования морских нефтеналивных судов. До настоящего времени не проведены исследования устойчивости закона распределения критерия эффективности к типу закона распределения исходных экономических данных, влияния типа критерия оптимизации на оптимальное решение.

Таким образом, учет случайного характера и неполноты данных при оптимизации характеристик нефтеналивного судна является важной научной задачей, решению которой посвящена диссертационная работа.

Связь с научными программами, планами, темами. В диссертации приведены результаты исследований, выполненных в соответствии с государственной программой "Экологически чистая энергетика и ресурсосохраняющие технологии" направление 04 в рамках научно-исследовательских работ №ГР-0197U008071 "Создание систем автоматизированного проектирования судов нового поколения" №1049 (уровень участия соискателя - ответственный исполнитель) и №ГР-0100U006064 "Разработка теоретических основ проектирования судов нового поколения" №20.04.10 (уровень участия соискателя - ответственный исполнитель).

Цель и задачи исследований. В связи с недостаточной изученностью вопросов применения имитационного моделирования в проектировании судов целью данной работы было создание имитационной модели нефтеналивного судна и проведение на ее основе исследований по изучению влияния недостоверности данных и типа их закона распределения на целевую функцию, а также обобщение опыта разработки и внедрения имитационных моделей в практику проектирования судов.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

обобщить методику применения имитационного моделирования в проектировании судов;

разработать имитационную модель танкера, учитывающую особенности проектирования и современные требования международных конвенций относительно характеристик танкеров и адекватно описывающую процесс его эксплуатации;

предложить такой метод оптимизации, который бы с наименьшими затратами времени и ресурсов ЭВМ давал бы возможность определять оптимальные характеристики судна;

создать комплекс прикладных программ по имитационному моделированию для проведения исследований и дальнейшего его использования конструкторскими бюро на начальных этапах проектирования.

Объектом исследования является морское транспортное судно для перевозки сырой нефти и нефтепродуктов.

Предмет исследования оптимизация характеристик танкера методом имитационного моделирования.

Методы исследований. Теоретической и методологической основой исследования послужили работы отечественных и зарубежных ученых в области проектирования судов и математического программирования. Случайный характер условий эксплуатации танкера, неопределенность информации в экономических нормативах, используемых при разработке новых проектов, в диссертации учтены переходом к стохастической постановке задачи проектирования судов. Для ее решения выбран один из наиболее перспективных на данное время инструментов исследования сложных систем со случайными характеристиками имитационное моделирование. Уравнение регрессии целевой функции получено методами планирования экспериментов, а поиск оптимальных характеристик судна произведен с использованием одного из алгоритмов нелинейного программирования алгоритма Пауэлла.

Научные результаты и их новизна. В данной работе:

впервые применен аппарат имитационного моделирования для решения стохастической задачи оптимизации главных элементов танкера на ранних стадиях проектирования, что позволило учесть такие особенности эксплуатации современных танкеров, как случайный и неопределенный характер основных экономических нормативов. Для этого создана концепция, обобщающая опыт применения имитационного моделирования в практике проектирования судов и развивающая ее в вопросах выбора критериев и методов оптимизации;

доработан известный метод поиска оптимальных характеристик танкера с использованием имитационной модели в части алгоритма поиска и учета ограничений и распространен на новый класс систем - морские нефтеналивные суда. Координаты экстремума предлагается определять методом Пауэлла, а основные ограничения задачи учитывать с помощью метода штрафных функций;

предложено в качестве критерия оценки экономической эффективности танкера использовать минимально необходимую фрахтовую ставку, которая в отличие от ранее рекомендованного нормативного критерия - удельных приведенных затрат, учитывает конъюнктуру рынка, затраты судовладельца на обслуживание кредита, оплату налога на прибыль;

впервые установлено, что тип закона распределения случайных величин основных экономических нормативов не влияет на оптимальные характеристики судна. Данный факт является очень важным, поскольку дает возможность исследователю при отсутствии статистических данных принимать тип закона распределения на основе ограниченной информации.

Научная новизна полученных результатов подтверждается практически полным отсутствием научных работ, посвященных использованию имитационного моделирования в практике исследовательского проектирования нефтеналивных судов.

Практическое значение полученных результатов. Полученные в работе результаты имеют как теоретическое, так и прикладное значение. Теоретическое значение результатов состоит в обобщении методики использования в проектировании судов имитационного моделирования, которая может быть применена в практике исследовательского проектирования не только танкеров, но и других типов морских транспортных судов. Прикладное значение результатов диссертационной работы состоит в создании программных средств для автоматизированного определения основных характеристик нефтеналивного судна на начальных этапах проектирования, которые позволяют значительно улучшить эффективность проектных работ за счет снижения трудоемкости и продолжительности расчетов.

Разработанный комплекс программ "DsnExp" и методика проектирования внедрены и использованы в научно-исследовательских работах №ГР0197U008071 "Создание систем автоматизированного проектирования судов нового поколения" №1049 и №ГР0100U006064 "Разработка теоретических основ проектирования судов нового поколения" №20.04.10 выполненных в УГМТУ, в ГАХК "Черноморский судостроительный завод", в ОАО "Черноморсудопроект" (как одна из составляющих системы автоматизированного проектирования судов "Поиск-1"), в учебном процессе УГМТУ при выполнении курсовых и дипломных проектов. Кроме того, результаты проведенных исследований могут быть применены научно-исследовательскими институтами, проектными организациями и судоходными компаниями при определении основных характеристик танкеров на начальных этапах проектирования.

Личный вклад соискателя. Соискателем совместно с канд. техн. наук, доцентом Кротовым А.И. был разработан пакет прикладных программ по планированию экспериментов. Непосредственно автором:

создана база данных по современным танкерам 19912000 гг. постройки, на основании которой: получены формулы для приближенного определения основных характеристик нефтеналивных судов, проанализированы характеристики и особенности их архитектурно-конструктивных типов;

разработаны формулы для вычисления составляющих водоизмещения порожнем;

создана имитационная модель танкера, принципы, алгоритмы и программы для оптимизации основных характеристик нефтеналивных судов;

проведены исследования чувствительности результатов оптимизации к основным экономическим нормативам, типу целевой функции, выполнено сравнение результатов, полученных детерминированным методом и имитационным моделированием, определены характеристики наиболее эффективного танкера для эксплуатации на линии Одесса - Супса.

Апробация результатов диссертации. Основные теоретические положения и результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на научно-техническом семинаре кафедры "Теории и проектирования судов" УГМТУ (2001 г.), на 6-й международной научно-практической конференции "Современные информационные и энергосохраняющие технологии жизнеобеспечения человека" (Украина, Харьков, 6-10 декабря 1999 г.), на международной научно-технической конференции "Безопасность мореплавания и ее обеспечение при проектировании и постройке судов" (Украина, Николаев, 25-26 сентября 2001 г.) и на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава УГМТУ в 1994-2000 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из которых 7 в сборниках научных трудов (3 без соавторов) и 1 в сборнике докладов международной конференции.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и пяти приложений. Содержание диссертации изложено на 164 страницах машинописного текста и 58 страницах приложений, включая 33 рисунка и 45 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вступлении раскрывается состояние научной задачи, обоснована актуальность темы, теоретическое и практическое значения диссертации, сформулирована цель и основные задачи исследований, показана научная новизна работы.

В первой главе приведены результаты анализа состояния мирового танкерного флота, особенностей архитектурно-конструктивного типа (АКТ) современных танкеров и основных способов повышения их экологической безопасности. Для этого соискателем была создана база данных по танкерам 1991-2000 гг. постройки, на основании которой:

рассмотрены основные тенденции современного танкеростроения при выборе главных размеров судов и их соотношений. Показано, что для современных танкеров характерно уменьшение водоизмещения порожнем, скорости хода, отношения L/B, и увеличение отношений B/T и H/T. Основным АКТ танкера (дедвейтом более 5 тис. т) является однопалубное судно с баком (или без него) и ютом (без юта), с транцевой кормой, двойным дном по всей длине судна и двойными бортами в районе грузовых танков, с кормовым размещением машинного отделения и надстройки. Надстройка, как правило, имеет прямоугольную форму и распределена на две части: жилую и шахту машинного отделения с дымовой трубой;

получены следующие формулы для приближенного определения основных характеристик танкеров:

L = 60,34 DW 0,2941 16,2886; Lнб = 1,024 L + 5,347 11,207;

B = 8,9281 DW 0,33 4,630; T = 3,898 DW 0,294 1,669; H = 5,192 DW 0,310 3,345;

Q = 3,845 ln(DW) 7,58 6,512; Wгр/LBH = 0,0002 LBH + 0,4971 0,06436;

Wбал/LBH = 0,00001 LBH + 0,1648 0,06259,

где DW дедвейт судна, тыс.т; B ширина судна, м; T осадка, м; H высота борта, м; Lнб длина наибольшая, м; L длина между перпендикулярами, м; Q производительность грузовых насосов, тыс. м3/час; Wгр вместимость грузовых танков, тыс. м3; Wбал вместимость балластных танков, тыс. м3; LBH кубический модуль, тыс. м3.

Проведен обзор состояния украинского морского транспортного комплекса (порты, судостроительные заводы, флот). Отмечается, что на данное время Украина не владеет ни одним большим танкером, тогда как потребности государства в импортной нефти и нефтепродуктах оцениваются специалистами в 44,8 млн. т в год. Учитывая перспективы транспортировки каспийской нефти в Украину, сделан вывод, что создание собственного танкерного флота для государства является актуальной задачей.

По результатам материалов главы обоснован АКТ танкера и получены приближенные зависимости для определения основных характеристик судов, которые были использованы в математической модели и при формировании начальной точки поиска.

Вторая глава посвящена общей постановке задачи, анализу и выбору метода ее решения.

Отмечается, что проблема создания танкерного флота очень сложная задача и, как правило, решается на двух уровнях. Поэтому в практике проектирования судов принято рассматривать две задачи: внешнюю и внутреннюю (по терминологии А.В.Бронникова). Внешняя задача решается на уровне транспортного комплекса государства в целом, в результате чего устанавливается дедвейт (грузоподъемность), скорость и количество судов, проекты которых необходимо разработать.

Целью решения внутренней задачи является выбор оптимальных характеристик судна в соответствии с определенными на предыдущем этапе дедвейтом и скоростью хода судов. Иногда рассматриваются совместно эти две задачи, когда вместе с оптимизацией главных размерений судна и параметров формы корпуса проводится выбор оптимального дедвейта и скорости хода судна.

Указывается, что как в первом, так и во втором случае основная цель проектирования создание высокоэффективного судна, способного конкурировать на мировом фрахтовом рынке. Поскольку на основании анализа, проведенного в работе, установлено, что скорость хода современных танкеров довольно стабильная величина (рис. 1) и практически не зависит от дедвейта, то сделан вывод о нецелесообразности ее оптимизации. Поэтому скорость хода (14,5 уз) принималась как наиболее характерная (рис. 2). Дедвейт судна установлен на основе потенциальных возможностей украинских нефтяных комплексов и навигационных ограничений (глава 5).

имитационный моделирование судно танкер



Рис. 1 Зависимость скорости хода танкеров от дедвейта

Рис. 2 Распределение танкеров 1991-2000 гг. постройки по скорости

Вследствие вышеуказанных соображений внешняя задача не рассматривалась, а основное внимание в диссертации было уделено внутренней задаче, которая в математической постановке сводится к определению такого вектора независимых переменных {x}, при котором достигается экстремум целевой функции f(x,U) и удовлетворяются требования к качествам судна:

где U вектор параметров (заданных показателей) судна; k количество ограничений задачи; aj нормы и уровни допустимых значений качеств судна в соответствии с нормативными документами и эксплуатационными требованиями; п количество независимых переменных задачи; ximin, ximax соответственно нижняя и верхняя допустимая граница изменения і-ой независимой переменной; gj(x, U) функция j-го ограничения.

Отмечается, что критерий эффективности судна является функцией многих случайных величин, причем для каждой из них возможен свой закон распределения, и потому, до настоящего времени решение подобной задачи считалось практически невозможным и было причиной перехода к упрощенным, детерминированным постановкам.

Указывается, что сейчас нет ни одного универсального метода ее решения. Поэтому в работе были проанализированы известные на данное время подходы к решению стохастической задачи: сведение с помощью специального математического аппарата стохастической задачи к детерминированному эквиваленту; применение теории игр; применение имитационного моделирования. Отмечены основные преимущества и недостатки каждого из них. Показана необходимость и целесообразность решения стохастической задачи с помощью имитационного моделирования. Проведен краткий обзор научных работ, посвященных применению имитационного моделирования в теории проектирования судов, на основании которого сделан вывод о том, что данной тематике посвящено незначительное количество работ и ни в одной из них (среди известных соискателю) еще не описана имитационная модель нефтеналивного судна. Кроме того, остался не исследованным вопрос влияния типа закона распределения исходных данных на оптимум и типа критерия оптимизации на оптимальные характеристики судна.

По результатам материалов главы были поставлены первоочередные задачи исследования.

Третья глава посвящена разработке имитационной модели нефтеналивного судна. В этой главе сначала рассмотрены теоретические положения построения имитационной модели и основные проблемы, возникающие при этом. Затем приведена детальная постановка задачи оптимизации, т.е. описаны независимые переменные, заданные параметры проектирования, критерий оптимизации, основные ограничения. В качестве независимых переменных задачи (вектор x) приняты: отношение длины судна к ширине L/B, ширины к осадке B/T, высоты борта к осадке H/T, коэффициенты общей полноты Cb и утилизации водоизмещения по дедвейту DW. Заданными характеристиками (вектор U) были: класс судна, дальность и автономность плавания, количество членов экипажа Nэк, скорость хода vs, дедвейт судна DW и удельная масса груза гр.

Допустимая область поиска формировалась системой ограничений, состоящей из 21 неравенства вида gj(x,U) ? 0. Сюда отнесены:

двухсторонние ограничения на значения независимых переменных, замененные в математической модели на односторонние: xi ximin 0; ximax xi 0;

требования, обусловленные безопасностью плавания и навигационными характеристиками (возникают в связи с необходимостью прохода судна каналами и захода в мелководные порты): к максимальной ширине, осадке, длине, грузовместимости, минимально допустимому значению надводного борта, нижней границе метацентрической высоты, плавности качки, заданному дедвейту, параметрам диаграммы статической остойчивости.

Отмечается, что особенностью данной задачи является то, что каждому набору независимых переменных отвечает не одно, а целое распределение значений показателя экономической эффективности судна z. В таких случаях в качестве критерия оптимизации зачастую принимают минимум математического ожидания затрат z, или максимум математического ожидания доходов z. Но при использовании стохастичного программирования варианты сравниваемых судов могут иметь различные законы распределения вероятностей показателя экономической эффективности. К тому же, возможны случаи, когда, например, по величине математического ожидания один из вариантов сравниваемых судов выгоднее за другой, но при этом существует большой риск получить недопустимо низкую эффективность. Поэтому сравнение вариантов судов с различными законами распределения показателя экономической эффективности z нужно проводить с помощью введения специальных критериев: комбинации математического ожидания E(z) и среднеквадратичного отклонения (z): f(x,U) = E(z) Р1*(z); вероятности превышения показателем экономической эффективности некоторого заданного норматива :

;

заданного уровня обеспеченности :

,

где р() такое, что .

Далее рассмотрен вопрос выбора показателя экономической эффективности судна z. Отмечается, что к недавнему времени единым рекомендованным показателем были удельные приведенные затраты на постройку и эксплуатацию судна. С формированием в Украине рыночных отношений его использование при выборе оптимального варианта проблематично и, прежде всего потому, что он не учитывает такие расходы судовладельца как налог на прибыль и проценты за кредит. Безусловно, основной целью деятельности судовладельца является получение наибольших доходов. Но величина доходов в первую очередь определяется величиной фрахтовой ставки, значение которой предусмотреть, а тем более спрогнозировать на перспективу практически невозможно. Поэтому проектировать судно на максимум прибыли в условиях неопределенности фрахтовой ставки нецелесообразно.

Анализ иностранных работ, посвященных оптимизации основных характеристик судов, показал, что какого-то единого показателя экономической эффективности нет, а чаще всего в практике иностранных исследований используются следующие: среднегодовые эксплуатационные затраты AAC, необходимая фрахтовая ставка RFR, фактор возмещения капитала CRF, приведенная сумма чистого дохода NPV и прочие.

В данной работе для оценки экономической эффективности танкера соискателем предлагается использовать минимальную фрахтовую ставку, необходимую для покрытия эксплуатационных затрат, расходов по кредиту и налога на прибыль:

,

где фактор возмещения капитала; ; Y эксплуатационные затраты, млн. у.е.; S стоимость судна, млн. у.е./год; Q провозоспособность судна за год, тыс. т; t ставка налога на прибыль, %; N срок эксплуатации судна, лет; r - эквивалентная процентная ставка.

Выбор данного показателя объясняется тем, что, во-первых, при вычислении значения RFR не используется фрахтовая ставка, а, во-вторых, зная необходимую фрахтовую ставку, судовладелец может легко вычислить свои доходы от эксплуатации судна, ориентируясь на действующие фрахтовые ставки, как разность между действующей и минимально необходимой фрахтовой ставкой умноженной на количество перевезенного груза и коэффициент, учитывающий уменьшение дохода после уплаты налога на прибыль.

Далее приводится описание имитационной модели судна. Для удобства и в соответствии с характером происходящих процессов, она разделена на два блока: математическую модель и модель функционирования судна на линии (рис.3).

Рис. 3 Блок-схема имитационной модели нефтеналивного судна

Основу первого блока составляет математическая модель судна, в которой в соответствии с начальными данными (независимые переменные, заданные параметры проектирования и основные ограничения) решается система уравнений проектирования (плавучести, масс, вместимости, ходкости, остойчивости, качки), вычисляются главные размерения проекта и параметры формы корпуса. По своей структуре разработанная математическая модель судна ничем не отличается от обычных моделей, используемых в детерминированных оптимизационных задачах, но отдельные ее блоки имеют некоторые особенности. Так, например, расчет грузовместимости танкера проводится с учетом наличия двойного дна и двойных бортов, что характерно для современного АКТ танкеров. Мощность главного двигателя определяется по методике И.А.Титова. Минимальный надводный борт вычисляется по правилам о грузовой марке судов, табличное значение базисного борта, которого было аппроксимировано автором. Расчет остойчивости и периода качки судна выполняется по приближенным зависимостям.

Отмечается, что на сегодня в практике проектирования танкеров практически отсутствуют зависимости для определения нагрузки масс современных танкеров с двойным дном и двойными бортами. Поскольку дедвейт танкера в разработанной математической модели был величиной заданной, то расчет водоизмещения судна сводился к определению разделов нагрузки масс, входящих в водоизмещение порожнем. Поэтому, после анализа значимости каждого из этих разделов (по данным отечественных проектов танкеров), расчет массы судна порожнем предлагается выполнять по таким составляющим: продольные конструкции, поперечные переборки, надстройка и рубки, платформы, оконечности, местные конструкции, оборудование корпуса, системы, устройства, энергетическая и электроэнергетическая установки, вооружение, постоянные жидкие грузы, запас водоизмещения. Для каждого раздела с помощью корреляционного анализа установлен модуль перерасчета и предложена формула расчета его массы (танкеры дедвейтом 20 120 тыс. т).

Основу второго блока составляет модель функционирования судна на линии, имитирующая на ЭВМ работу танкера, перевозящего грузы по кольцевой линии без загрузки в обратном направлении (рис. 4). Имитация работы на такой линии состоит в последовательном переводе судна из одного состояния в другое. При этом состояние судна характеризуется: текущим модельным временем t, номером транспортной операции Nоп (1 погрузка; 2 движение судна с грузом, 3 разгрузка; 4 балластный переход). Процесс имитации начинается с задания данных для моделирования: продолжительности имитации T (например, календарный год), количества повторных прогонов модели N, времени начала имитации tнач, экономических нормативов и начального номера транспортной операции. Затем выполняется последовательное моделирование основных операций судна на протяжении указанного периода имитации. Процесс повторяется N раз, после чего проводится расчет технико-экономических показателей эффективности судна, один из которых используется в критерии оптимизации.

В четвертой главе обоснован выбор метода оптимизации основных характеристик нефтеналивного судна. Отмечается, что сейчас оптимизация с использованием имитационных моделей может проводиться двумя принципиально отличными методами: прямым и двухэтапным. Вследствие выполненного анализа их основных преимуществ и недостатков в диссертационной работе предлагается оптимизацию проводить при помощи двухэтапного метода, суть которого следующая. Для начального определения положения оптимума используется аппроксимация поверхности значений целевой функции полиномом первого порядка с коэффициентами b0, bi, bij, вычисленными по результатам полного факторного эксперимента. Затем с помощью метода штрафных функций и оптимизационного алгоритма Пауэлла выполняется серия исследований, в результате которой определяется область, близкая к оптимуму.



Рис. 4 Блок-схема модели функционирования судна на линии

В данной области ставиться эксперимент по плану ротатабельного центрального композиционного униморфного планирования. После получения адекватного описания поверхности целевой функции в виде полинома второго порядка окончательное значение оптимума уточняется с помощью канонического анализа, или алгоритма Пауэлла.

В пятой главе приведены результаты проверки адекватности и чувствительности разработанной имитационной модели, оценки максимальной погрешности расчетов и примеры проведенных на основе имитационной модели экспериментов. Первый пример это определения дедвейта танкера, обеспечивающего наибольшую эффективность судна на линии Супса (Грузия) Одесса. В качестве критерия оптимизации принято минимум математического ожидания необходимой фрахтовой ставки, а среди основных эксплуатационных ограничений ограничение максимальной осадки (12,5 м) и максимальной длины судна (250 м). По результатам анализа установлено, что наиболее экономичным для данной линии является танкер дедвейтом 80 тыс. т. Для перевозки нефти объемом 20 млн. т/год (50 % годовой потребности Украины) необходимо 6 судов общей стоимостью в 204,852 млн. у.е.

Следующий пример это исследование влияния типа закона распределения экономических нормативов на целевую функцию Р(z 4,30) min. Исследование проводилось для наиболее влияющих на необходимую фрахтовую ставку экономических нормативов. Для этого соискателем была сначала проведена серия экспериментов, в результате чего установлены следующие факторы: стоимость топлива, норматив затрат на заработную плату, норматив навигационных затрат, ставка налога на доход и др. Варьируя этими характеристиками, выявлено (см. таблицу), что тип закона распределения существенным образом не влияет на целевую функцию (для данной имитационной модели). А это значительно облегчает применение метода имитационного моделирования, поскольку для вероятностных данных, закон распределения которых невозможно получить, вид его можно принимать исходя из таких соображений: если известен только интервал изменения случайной величины, то можно принять равномерное распределение, если к тому же имеется возможность оценить наиболее вероятное значение величины нормальное распределение (при симметричном расположении наиболее вероятного значения относительно середины интервала) или асимметрическое -распределение (в других случаях).

Зависимость RFR от типа закона распределения случайной величины длины линии (максимальная ширина судна не ограничивалась), миль

Тип и параметры закона распределения	Оптимальные значения независимых переменных	Значение критерия
	L/B	B/T	H/T	Cb	DW
Равномерный (480600)	6,0275	3,0890	1,4344	0,8599	0,8125	0,16625
Нормальный (540, 20)	6,0190	3,0786	1,4364	0,8599	0,8122	0,16927
Логнормальный (540, 20)	6,0133	3,0813	1,4363	0,8595	0,8121	0,16406
-распределение (9,0, 6,667)	6,0257	3,0765	1,4348	0,8599	0,8123	0,16323
-распределение(2,12, 2,96)	6,0271	3,0762	1,4349	0,8599	0,8123	0,16350

Кроме рассмотренных примеров в диссертационной работе приведены результаты экспериментов, демонстрирующие возможности созданного комплекса программ, проведено сравнение результатов, полученных по имитационной и детерминированной (на уровне средних) моделям.

В приложениях приведен алгоритм расчета мощности главного двигателя, основные зависимости имитационной модели нефтеналивного судна, анализ алгоритмов поиска оптимума, формулы для обработки результатов полного факторного и ротатабельного центрального униморфного планирования, начальные экономические данные, промежуточные результаты расчетов, акты о внедрении результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертации приводится теоретическое обобщение и новое решение научной задачи - учета случайного характера и неполноты исходных данных при оптимизации характеристик нефтеналивного судна, которое проявилось в переходе к стохастической постановке этой задачи и применении для ее решения аппарата имитационного моделирования, методов планирования экспериментов и нелинейного программирования.

2. Состояние рассмотренной в диссертации проблемы характеризуется: насущной потребностью Украины в обеспечении ее энергетической независимости, практически полным отсутствием танкерного флота и ограниченными возможностями капиталовложений, существенным влиянием случайного характера основных экономических нормативов на показатели эффективности танкера и применением детерминированных математических моделей, которые не в состоянии адекватно отобразить всю сложность и разнообразие процесса эксплуатации судна.

3. Главные научные и практические результаты работы:

впервые применен аппарат имитационного моделирования для выбора оптимальных основных характеристик танкера на ранних стадиях проектирования, что позволило учесть такие особенности эксплуатации современных танкеров, как случайный и неопределенный характер основных экономических нормативов. Для этого создана концепция, обобщающая опыт применения имитационного моделирования в практике проектирования судов и развивающая ее в вопросах выбора критериев и методов оптимизации;

доработан известный метод поиска оптимальных характеристик танкера с использованием имитационной модели в части алгоритма поиска и учета ограничений и распространен на новый класс систем - морские нефтеналивные суда. Координаты экстремума предложено определять методом Пауэлла, а основные ограничения задачи учитывать с помощью метода штрафных функций;

рассмотрен вопрос оценки экономической эффективности танкера в условиях рыночной экономики и частной собственности и в качестве критерия этой оценки предложено принять минимально необходимую фрахтовую ставку, которая в отличие от ранее рекомендованного нормативного критерия - удельных приведенных затрат, учитывает конъюнктуру рынка, затраты судовладельца на обслуживание кредита, оплату налога на прибыль, предпринимательский риск;

в результате проведенных экспериментов впервые установлено, что тип закона распределения случайных величин основных экономических нормативов не влияет на оптимальные характеристики судна. Данный факт является очень важным, поскольку дает возможность исследователю при отсутствии статистических данных принимать тип закона распределения (равномерный, нормальный, -распределение) на основании ограниченной информации (интервалов изменения и наиболее вероятного значения случайной величины);

создана база данных по танкерам 1991-2000 гг. постройки на основании которой: проведена статистическая обработка и получены зависимости для приближенного определения главных размерений судна; проанализированы основные характеристики и особенности АКТ танкеров в результате чего указаны тенденции их проектирования;

используя данные по нагрузке масс и аппарат корреляционного анализа, проанализировано влияние основных модулей перерасчета на составляющие водоизмещения порожнем и предложены формулы для расчета массы этих составляющих;

разработана имитационная модель танкера, алгоритмы и программы планирования экспериментов, оптимизации, которые, в общем, составляют программный комплекс "DsnExp" предназначенный для выбора основных характеристик нефтеналивных судов на начальных этапах проектирования.

4. Достоверность теоретических и прикладных результатов, выводов диссертационной работы обеспечивается корректной постановкой задачи, использованием для ее решения математического аппарата имитационного моделирования, сравнением и достаточно хорошим совпадением результатов, полученных автором по предложенной методике с аналогичными данными технических проектов судов, разработанных в ОАО "Черноморсудопроект".

5. Рекомендации относительно использования результатов работы. Наиболее эффективной областью применения полученных прикладных результатов, разработанной имитационной модели и программного комплекса могут быть прогнозные и предварительные расчеты, проводящиеся в проектных организациях и конструкторских бюро судостроительных заводов при выборе главных элементов танкеров, для выполнения которых в особенности необходим учет фактора случайности и неопределенности будущих условий эксплуатации судов.

6. Рекомендации относительно дальнейшего развития проблемы. Дальнейшее развитие рассмотренной в диссертации задачи, по мнению диссертанта, целесообразно проводить в двух направлениях. Первое направление и цель дальнейшей работы соискателя это оптимизация характеристик морского транспортного судна не как отдельного сооружения, а как единой функциональной системы - нефтетерминал (порт) судно, что даст возможность учесть и оптимизировать не только характеристики судна, но и узкие места в функционировании нефтетерминала (количество и характеристики причалов, темп разгрузки, объемы резервуаров). Второе направление использования современных достижений науки и компьютерных технологий в области искусственного интеллекта, а именно, экспертных систем.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кротов А.И., Бондаренко А.В. Применение метода статистического моделирования при исследовательском проектировании судов // Зб. наук. праць УДМТУ. Миколаїв: УДМТУ. - 1998. № 6(354). С. 2529.

2. Кротов А.И., Бондаренко А.В. Планирование имитационных экспериментов при проектировании наливных судов // Зб. наук. праць УДМТУ. Миколаїв: УДМТУ. - 1999. № 1(361). С. 1117.

3. Бондаренко А.В. Имитационная модель нефтеналивного судна // Зб. наук. праць УДМТУ. Миколаїв: УДМТУ. - 1999. № 3(363). С. 2028.

4. Бондаренко О.В. Наближене визначення основних характеристик сучасних танкерів // Зб. наук. праць УДМТУ. Миколаїв: УДМТУ. - 1999. № 5(365). С. 3134.

5. Бондаренко О.В. Застосування методу імітаційного моделювання в проектуванні суден // Зб. наук. праць УДМТУ. Миколаїв: УДМТУ. - 2001. № 2(374). С. 2837.

6. Бондаренко О.В., Кротов О.І. Розрахунок водотоннажності порожнем при оптимізації основних характеристик нафтоналивного судна // Зб. наук. праць УДМТУ. Миколаїв: УДМТУ. - 2001. № 3(375). С. 2838.

7. Голиков В.И., Кротов А.И., Бондаренко А.В. Оценка достоверности результатов оптимизации характеристик танкера с использованием имитационной модели // Зб. наук. праць УДМТУ. Миколаїв: УДМТУ. - 2001. № 5(377). С. 96106.

8. Кротов О.І., Бондаренко О.В. Оптимізація основних характеристик нафтоналивного судна методом імітаційного моделювання // Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини: Зб. наук. праць Київського державного Університету технології та дизайну. - К.: Фада, ЛТД. - 1999. - № 6. - С. 500-504.

9. Личный вклад соискателя в работах, опубликованных в соавторстве. В [1] соискателем разработаны программы генерации случайных чисел с различными законами распределения, программы подбора теоретического закона распределения и получены основные результаты. В [6] соискателем были получены формулы для расчета водоизмещения порожнем современных танкеров. В работах [2, 8] получены и обоснованы основные результаты и создана имитационная модель нефтеналивного судна. В [7] автором проведен анализ качества генераторов случайных чисел, исследована зависимость точности расчета от объема выборки.

Размещено на Allbest.ru

...