Модели и оптимизация процессов развития системы морских портов Вьетнама

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.13.01

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени доктора технических наук

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

МОДЕЛИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ МОРСКИХ ПОРТОВ ВЬЕТНАМА

НГУЕН НГОК ХУЭ

МОСКВА - 2010



РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ГЛАВНОМ ТЕХНИЧЕСКОМ МОРСКОМ УПРАВЛЕНИИ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ВЬЕТНАМ

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: доктор технических наук, профессор БОЛНОКИН В.Е.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук,

профессор БРЕХОВ О.М.

доктор технических наук,

профессор РЫБИН В.М.

доктор технических наук,

профессор УВАЙСОВ С.У.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Гоу вПО «Московский государственный технологический университет «Станкин»

Защита состоится "17" декабря 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д217.047.01 в ФГУП ”Научно-исследовательский и экспериментальный Институт автомобильной электроники и электрооборудования“ по адресу: 105187, Москва, ул. Кирпичная д.41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ”Научно-исследовательский и экспериментальный Институт автомобильной электроники и электрооборудования“

Автореферат разослан 2010 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА доктор технических наук, старший научный сотрудник ВАРЛАМОВ О.О.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время экономика Социалистической Республики Вьетнам (СРВ) развивается достаточно быстро. Особое геополитическое положение Вьетнама в южно-азиатском регионе, соседство стран, более продвинувшихся по пути рыночных реформ, заставляет правительство СРВ осуществлять перестройку инфраструктуры народного хозяйства, чтобы эффективно использовать традиционные преимущества Вьетнама: ресурсы полезных ископаемых, в том числе и нефти, свободные сельскохозяйственные площади, большую береговую линию, удобную для создания морских портов (МП). Все это стимулирует развитие современных морских транспортных комплексов (МТК): грузовых, пассажирских, а также смешанных грузопассажирских. Морской транспорт используется для перевозки грузов между портами страны, а также для развития и обеспечения внешнеэкономических связей Вьетнама с зарубежными странами. В 2008 году на долю морского транспорта приходилось более 90% объема экспортно-импортных перевозок страны. В 2009 году суда морского флота Вьетнама посетили более 400 портов в 75 зарубежных странах, обеспечили более 30% потребностей страны во внешнеторговых перевозках.

В 90-тых годах прошлого века и в начале XXI века осуществлялось большое техническое переоснащение морского флота, морских портов, сильно увеличился тоннаж, повысились грузоподъёмности судов. Флот пополнился судами, специализированными по роду перевозимых грузов и комбинированными. Увеличилась мощность судовых энергетических установок, внедрена автоматизация ряда производственных процессов на судах, созданы современные суда с новыми принципами движения, с новой технологией перевозок, обеспечивающей более безопасное и безотказное мореплавание флота.

Современные МП представляют собой сложные иерархические структуры, включающие судовые компании и флоты, системы навигационного и информационного обеспечения, систему МП, а также взаимосвязанные с МП средства вывоза грузов с помощью наземного транспорта. При этом портовый комплекс является, как правило, конечным элементом региональной производственной структуры. Примером подобного может служить порт Хайфон, расположенный на севере СРВ и имеющий одноименный портовый терминал в конце технологической цепочки всего процесса переработки и транспортировки грузов. Как правило, речь идет о гигантских комплексах, достигающих в стоимостных выражениях нескольких десятков миллиардов долларов с учетом всей инфраструктуры.

Однако недостаточно тщательная предварительная проработка облика создающихся новых МП приводит к существенному удорожанию проектов, а также к недостаткам функционирования, которые вскрываются уже при реальной эксплуатации. Поэтому исследование проблем, связанных с повышением уровня эффективности и автоматизации предварительных проектных работ, связанных с математическим моделированием, системным анализом и оптимизацией облика перспективных МП, а также модернизацией существующих, представляется актуальным и практически важным. Только предварительные исследования с помощью математических моделей и оптимизационных процедур позволяет дать объективное заключение о целесообразности создания портовых комплексов с требуемыми характеристиками и свойствами, в том числе экономическими, что особенно важно в условиях рыночной экономики.

Анализ структуры, состава и режимов функционирования МП показывает, что повышение качества их функционирования и снижение всех стоимостных показателей может быть обеспечено:

повышением качества предварительного проектирования структуры МП, его объемности, геометрико-пространственных характеристик МП, компоновки основных элементов, состава и характеристик транспортных средств, а также основного технологического и вспомогательного оборудования МП (зон погрузки-выгрузки, хранения, транспортных зон и магистралей, ремонтных зон и т.д.);

применением и рациональным использованием контейнерных систем хранения и транспортировки партий грузов;

улучшением планирования и управления всего МП.

Оптимизация структурных и объемных характеристик МП (включая внешние транспортные сети и терминалы), а также системы управления и планирования комплексов должна проводиться согласованно, обеспечивая синхронизацию показателей эффективности (производительности) различных единиц транспорта, функциональных участков и зон, исполнительных модулей и оборудования, но и, кроме того, также экономических характеристик функционирования МП в целом. Если повышение эффективности транспортных средств или специализированного портового оборудования определяется в основном уровнем специальной технологии, то улучшение структурных и объемных характеристик, а также системы управления и планирования может дать большой эффект и на существующей технологической базе, что особенно важно при решении задач модернизации уже существующих МП .

Таким образом, настоящая работа, направленная на построение математических моделей и оптимизации процессов развития МП, а также алгоритмов планирования и оптимизации существующих МП представляется актуальной и практически важной, как для науки техники, так и для народного хозяйства и экономики многих стран, включая Социалистическую Республику Вьетнам.

Вопросами моделирования и проектирования эффективных портовых комплексов занимались многие учёные. Особое значение для решения поставленных задач имели работы советских и российских учёных: Романовского Ф.Д., Вихрова Н.М., Ныркова А. П., Гаскарова Д.В., Арсеньева С. П., Бакаева А.А., Горбатого М.М. Дерибаса А.И., Дукенского А.И., Ерофеева Н.И., Зубкова М.И., Власова В.М., Ирхина Н.А., Бутова А.С, Ветренко Л.Д. Среди иностранных нужно отметить работы С. Г. Хосе Альберто (Куба), Меркурьевой Н. В. ( Латвия), Брауна Р.Г., Эглитта Я.Я., Венсли К.Т.,(США).

Проблемами управления портовыми комплексами, включая проблемы контейнирования, занимались, помимо перечисленных выше, Зубков М.Н., Легостаев В.А., Пьяных С.М., Ушаков С.С., Смехов А.А., Прилуцкий М.Х. и многие другие.

Смежные проблемы, связанные с созданием эффективного математического аппарата моделирования и оптимизации, рассматривались в работах И.М Соболя, Подиновского В.В., Ногина В.Д. и Статникова Р.Б, проблемы разработки системных, алгоритмических и программных средств экологического мониторинга, в том числе, морских портов и морского транспорта, рассматривались в работах Марчука Г.И., Строгонова В.И., Борябина В.И., Попова А.А., Кочина С.В.

Общей целью диссертационной работы является разработка математических моделей и методики оптимизации процессов развития и функционирования МП в условиях развития экономической и социальной интеграции Вьетнама в мировую экономику.

На защиту выносятся:

- анализ геоэкономического положения и природных условий Вьетнама в рамках решения проблемы строительства системы морских портов для всеотраслевого развития страны в процессе интеграции в мировую экономику.

- общие концепции развития современных портов, включая концепции развития и усовершенствования района тяготения, грузооборота, пропускной способности порта, а также исследование особенностей и устройства портов в различных условиях,

- анализ рационального распределения системы глубоководных морских портов Вьетнама для развития важных экономических районов страны и мировой контейнерной перевалочной базы, базирующиеся на концептуальных и математических моделях современных и перспективных морских портов для Вьетнама

-результаты системного анализа и моделирования структуры и состава, геометрических параметров, а также технологических процессов и информационных связей типичных современных и перспективных морских портов, контейнерных терминалов:

- модели и алгоритмы решения оптимизационной задачи минимизации затрат на создание МП при условии выполнения основных технологических требований функционирования портового хозяйства, а также ценовых ограничений на геометрические объемы и параметры местоположения МП;

- концепции, математические модели и алгоритмы оптимизации размещения компонентов портовых комплексов на ограниченных площадях путем уплотненной укладки пакетов в контейнерах и грузовых помещениях средств транспорта;

- математические алгоритмы мультикритериальной оптимизации параметров МП, на основе применения группы скалярных критериев, оценивающих техническую, экономическую эффективность деятельности МП, а также социально - экономическое, экологическое и др. влияние на развитие района тяготения МП и транспортной отрасли в целом;

- вычислительные процедуры оценки неизвестных параметров стохастических моделей МП и алгоритмических процедур оптимизации параметров МП. Полученные результаты анализа эффективности идентификации параметров в схемах случайных марковских цепей, касающиеся анализа сходимости статистических оценок, построенных с помощью методов максимального правдоподобия и байесовского;

- комплексная информационная управляющая система МП, которая предназначена для решения задач управления грузоперевозками и задач управления работой порта. Обоснование выбора применяемых решений для построения системы связи (сетевых технологий), обеспечивающей информационное взаимодействие элементов всей системы МП и пользователей;

- методология, рассматривающие морской порт, окружающую среду и обслуживающую морской порт транспортную систему как единую структуру геоэкологической системы, включающие в себя задачу управления окружающей средой на транспорте с формулировкой целевого функционала. Структуризация о оптимизация систем экологического мониторинга на в ареале деятельности морского порта с введением подсистем прогнозирования состояния окружающей среды и управления качеством этой среды.

Научная новизна работы заключается в создании:

- концепций, математических моделей и алгоритмов оптимизации развития МП, включая контейнерные портовые комплексы, в условиях рыночной экономики;

- методов и алгоритмов оптимальной компоновки МП на базе разработанных алгоритмов оптимального геометрического проектирования и приближенных алгоритмов оптимального расположения элементов МП на местности;

- методов и алгоритмов проектирования эффективной информационной управляющей сети МП;

- методов и алгоритмов оптимизации параметров МП, основанных на применении оценки поверхности Парето - оптимальных решений и идентификации параметров марковских моделей в вычислительных схемах оптимизации динамических моделей функционирования МП;

- методики анализа источников и причин негативного воздействия систем МП и обслуживающего их видов транспорта на экологическую обстановку окружающей среды и алгоритмов экологического мониторинга МП.

Методы исследований: выполненные теоретические исследования и практические расчеты базируются на использовании математической статистики, исследовании операций, математического программирования, оптимального управления, принятия оптимальных решений, а также современных методах программирования и компьютерного моделирования.

В основе синтеза алгоритмов управления и анализа их работоспособности лежат экспериментальные статистические данные о работе МП, полученные в результате исследований, проведенных в Главном техническом Морском Управлении Вьетнама при участии автора.

Общей методологической основой всех исследований является системный подход.

Достоверность полученных теоретических и прикладных результатов подтверждается строгими математическими выводами при построении и исследовании моделей и алгоритмов, результатами компьютерного моделирования и проведенными полунатурными и натурными экспериментами, согласованностью полученных результатов с имеющимися в российской, вьетнамской и зарубежной литературе, данными, полученными при внедрении и практическом использовании результатов.

Большая часть алгоритмов была апробирована при создании ряда проектов развития портовой системы Вьетнама, созданных при участии и под руководством автора в Главном техническом Морском Управлении Вьетнама.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическая ценность работы заключается в создании математических алгоритмов проектирования новых и модернизаций существующих МП и алгоритмов управления их эксплуатацией.

Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-технических работ Министерства транспорта Социалистической Республики Вьетнам на 2005 - 2010 гг.

Тема диссертации связана с планом научно-исследовательских работ Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, с планом совместных работ между Институтом машиноведения им. А.А. Благонравова РАН с научно - исследовательскими организациями и Университетами СРВ.

Результаты диссертационной работы получили свое воплощение в виде практического внедрения на ряде предприятий и институтов. В частности математические модели и алгоритмы реализованы в виде методик и пакета прикладных программ и использовались:

- в научно- исследовательских работах Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, в том числе в совместных работах Института с научно - исследовательскими организациями и Университетами СРВ.

- в научно - производственных разработках и текущей производственной деятельности крупнейших портов Вьетнама, таких, как морские порты городов Хошимин, Бариа-Вунгтау, Хайфон, Куангнинь, Дананг, Хатинь, Тхыатхиен-Хуэ.

- в учебных курсах, научно - исследовательских работах в Национальном Строительном Университете г. Ханой, Национальном Морском Университете г. Хайфон, Национальном Транспортном Университете г. Ханой и в ряде других институтов и университетов СРВ.

- в опытно -конструкторских работах Вьетнамских портовых строительных и дноуглубительных компаний,.

- в проектных разработках инженерно - консультационных компаний СРВ.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях, семинарах, совещаниях в научно - исследовательских, опытно - конструкторских, экономико - финансовых и производственных учреждениях, входящих в систему Главного технического морского Управления Вьетнама, семинарах в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, в Транспортном и Строительном Университетах СРВ, на более, чем 40 научно - технических конференциях, семинарах и симпозиумах, среди которых: научно-практическая конференции Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий. Сочи, 2009; Шестой Международный аэрокосмическмй Конгресс, 2009 г. г. Москва, Россия МГАТУ им. К.Э. Циолковского» (МФП МГАТУ; научно-техническая конференция «Строительство портов и водных путей Вьетнама», СРВ, Ханой, 2007 г.; Global port seminar UKTI. London-Liverpool, June, 2008; научно-техническая конференция « Планирование, инвестиция и эксплуатация инфраструктуры», СРВ, Ханой, 2008 г.; International seminar “Integrating Vietnam transport engineering with the world”,Vietnam, Halong, 2005 г.; Asiamar Workshop ICT applications in Maritime and Intermodal Freight Transport, Thailand, Bangkok, 2004г.; Second International Conference on Asian and Pacific Coasts, Makuhari, Japan, 2004 г.; International Seminar PIANC AGA, Japan, Fukuoka, 2004г. ; научно-техническая конференция «Северо-восточные порты Вьетнама и Международная интеграция», Ханой, 2002 г. и др.

Публикации: по теме диссертации опубликованы сто пятнадцать работ, из которых 10 статей в научных журналах, входящих в перечень, рекомендованных ВАК РФ, 8 монографий и учебных пособий.

Структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируются цели исследования, основные научные положения и результаты, а также практическая ценность и степень апробации работы.

В первой главе диссертации исследованы вопросы организации деятельности МП. Рассмотрены общие концепции развития современных портов, района тяготения, грузооборота и пропускной способности порта. Рассмотрены особенности и устройства портов в различных условиях, классификация портов, описание морских портов СРВ и прогноза развития контейнерной перевозки в CРВ к 2010 - 2012 гг. Система морских портов Вьетнама (рис.1.1) - часть структуры инфраструктуры и транспорта используется не только для удовлетворения требований, вытекающих из тенденций социально-экономического развития в стране, требований к хранению, перемещению товаров и пассажиров, но и играет роль стимула для развития и экономической интеграции приморских регионов и других районов всей страны. Это и шанс на то, чтобы превращать мореходную экономику и услуги в ведущий сектор среди ключевых экономических секторов, а также способствовать консолидации власти, безопасности и национальной обороны, сохранения национального суверенитета на приморские и морские территории.

Морские порты являются важнейшей частью в цикле работы любого промышленного парка или зоны переработки продукции на экспорт - в частности, и экономической деятельности развитых районов - в целом. Поэтому проблемы создания, эксплуатации и развития морских портов вызывает огромный интерес как у руководителей страны, органов государственного управления, так и у частных отечественных и иностранных компаний и инвесторов. Конкурентоспособность товаров на международном рынке в настоящий момент во многом зависит от транспортных расходов. Импорт сырья и экспорт продукции, реализуемый на крупных судах, позволяют существенно снизить транспортные расходы и привести к повышению эффективности инвестиций а различные экономические проекты.



Рис.1 Система морских портов Вьетнама

Основной задачей порта является перевозка грузов и пассажиров между водными и наземными видами транспорта. Порт также представляет собой транспортный узел, где встречаются различные виды транспорта: морского, речного, железнодорожного, автомобильного и трубопроводного.

С современной точки зрения, в дополнении к основным задачам по приему, хранению, отгрузки - выгрузки товаров, порты осуществляют функции по простой перевалке товаров и логистике, это приносит большие доходы.

В будущем, порты будут иметь достаточно большие складские комплексы для удовлетворения всех видов деятельности предприятий. Таким образом, в дополнение к основным задачам, порт также играет роль важнейшего звена в бизнес цепочке производства и поставке товаров и услуг в целом. Тогда, деятельность портов тесно связывается с эксплуатацией таких современных и перспективных экономических образований, как свободные экономические зоны, зоны свободной торговли, промышленные парки, зоны переработки продукции на экспорт и т.д. (рис. 1.2).

Рис.2 Модель развития перспективных морских портов .(1) - зона свободной торговли; (2) - промышленный парк; (3) - свободная экономическая зона.

Современные МП представляют собой сложные иерархические структуры, включающие судовые компании и флоты, системы навигационного и информационного обеспечения, систему МП, а также взаимосвязанные с МП средства вывоза грузов с помощью наземного транспорта. При этом портовый комплекс является, как правило, конечным элементом региональной производственной структуры. Примером подобного может служить порт Хайфон, расположенный на севере СРВ и имеющий одноименный портовый терминал в конце технологической цепочки всего процесса переработки и транспортировки грузов. Как правило, речь идет о гигантских комплексах, достигающих в стоимостных выражениях нескольких десятков миллиардов долларов с учетом всей инфраструктуры.

Достаточно подробно проанализированы такие понятия, как :

- район тяготения, грузооборот и пропускная способность порта

- классификация портов по таким основным признакам, как район плавания обслуживаемых судов; тоннаж и осадка обслуживаемых судов; назначение; географическое положение; навигационные условия судоходства; роль в международном и внутреннем грузообороте, объем и структура грузооборота и технической оснащенности характеру, а также полноте оказываемых услуг судам и др.

Большое внимание в главе уделено вопросам организации контейнерных перевозок, занимающих доминирующий объем в мировом объеме транспортных операций. При этом контейнеризация перевозок позволяет обеспечить доставку грузов по системе от поставщика до конечного потребителя непосредственно, создать системы сквозных транспортных маршрутов доставки грузов с участием различных видов транспорта, оптимально использовать преимущества железнодорожного и автомобильного транспорта. Основными показателями функционирования контейнерной системы, характеризующими плановое задание и зависящую от нее степень достижения глобальной цели обслуживаемой системы, являются плановый и фактический объемы контейнеризируемого груза, доставляемого потребителю в течение планового договорного (контрактного) периода Т.

С целью характеристики плана и степени обеспеченности контейнерными поставками каждой, потребляющей груз, подсистемы обслуживаемой системы, показатели и определяются как сумма соответственно плановых и фактических объемов, подвергаемых контейнеризации для каждой подсистемы:

На основании работ Романовский Ф.Д. в Главном Морском Управлении Вьетнама при участии автора разработана единая технология уплотненной укладки пакетированных грузов в грузовых помещениях и на средствах транспорта, а также необходимую технологическую оснастку к универсальным погрузчикам и компьютерные программы для выбора схем размещения пакетов. Уплотненная укладка основана на регулировании длины и ширины штабеля по размерам грузового помещения путем подбора числа пакетов в ряду и поворота их в плане относительно друг друга. С помощью математического моделирования показано, что при применении уплотненной укладки пакетов вместимость контейнеров и автомобилей увеличивается на 4-9%, вагонов - на 12-22%, складов - на 11-17%. Подробный анализ современного состояния и прогноз перспективного развития контейнерной перевозки CРВ приводятся автором в Приложении к диссертации.

Во второй главе разработаны математические модели и алгоритмы оценки и оптимизации процессов развития и функционирования морских портов.

Автором разработана общая концепция управления процессами развития МП, базирующаяся на оптимизации дискретных имитационных моделей функционирования МП.

Пусть в дискретные моменты времени ti (i=0,…,k) осуществляется выбор одного из заданных N возможных вариантов u(1),…,u(N) управления работой динамической системы МП с вектором состояния x(ti) (i=0,…,k) (вектор х() размерности n, вектор u() размерности m, (n,m1). Эволюция вектора состояния х() определяется оператором перехода Ф: где -мерный вектор шумов, действующий на систему; u(ti)- вариант управления динамической системой, выбранной на момент ti.Задана некоторая (обычно скалярная) функция потерь

Задача выбора вариантов управления состоит в определении вариантов управления обеспечивающих решение задачи оптимизации: на множестве допустимых значений:

Данная постановка задачи является достаточно общей и включает различные частные случаи задач выбора оптимальных вариантов управления.

Сформулирован принцип адаптации по прогнозирующей оценке эффективности, который лежит в основе разработанной методики выбора вариантов управления. Этот принцип состоит в использовании модели , прогнозирующей оценку эффективности функционирования системы: где i - частная (этапная) модель эффективности функционирования на отдельном i-м этапе целевого применения системы. На различных траекториях модели считаем заданным некоторый функционал - критерий эффективности F. Основным требованием к структуре модели является возможность вычисления для каждого момента времени t математического ожидания критерия эффективности при условии имеющейся к моменту времени реализации процесса .

Показано, что, для управления с адаптацией требуется решение задач:

- идентификации неизвестных с одновременным определением необходимых объемов статистической информации, обеспечивающих нужную точность оценки параметров;

- выбора требуемого (оптимального) варианта продолжения процесса функционирования, адаптированного к структуре оптимизируемого критерия и условиям дефицита времени на принятие решения.

Совокупность моделей i (i=1,…,N) формируется с помощью различных принципов - аналитического и имитационного моделирования.

В третьей главе рассматриваются вопросы анализа эффективности идентификации неизвестных параметров аппроксимации поведения статистических оценок в вычислительных схемах, которые применялись для оптимизации процессов развития и функционирования морских портов. Для этого в работе получены ряд новых теоретических результатов и разработаны вычислительные схемы получения оценок точности статистических аппроксимаций, в частности, с помощью многомерных нормальных распределений.

Рассматривается (х1,…, хn) - повторная независимая выборка размером n из генеральной совокупности с распределением Р, зависящим от параметра . Через всегда обозначается “истинное” значение параметра. Для каждого , Р есть вероятностная мера, заданная на измеримом пространстве (x, u), а параметрическое множество Rm (Rm - m-мерное евклидово пространство).

Оценка максимального правдоподобия (ОМП) параметра по выборке х1,…, хn определяется как такое, которое обеспечивает Здесь производные Радона - Никодима: относительно - конечной меры , заданной на (x, u)..

Байесовской (относительно функции убытка S() ) называется такая оценка , которая минимизирует выражение

Большое практическое значение имеет вопрос о состоятельности статистических оценок в и скорости сходимости, т.е. о выяснении условий, при которых для всякого и для каждого > 0 при n и количественной оценки качества соответствующего приближения. Здесь - оценка параметра, - норма в евклидовом пространстве Rm .

Общий подход к проблеме состоятельности статистических распределений получен в монографиях Дж. Русаса и Ш. Закса, где рассмотрены различные проблемы сходимости оценок. В частности, приведена теорема:

Теорема. Пусть - семейство экспериментов, которым отвечают функции правдоподобия Р (х, ). Положим u U = . Тогда для состоятельности оценки максимального правдоподобия достаточно, чтобы для всех и любого > 0 .

В случае, когда параметрическое пространство состоит из конечного числа точек, достаточные условия сильной состоятельности ОМП формулируются следующим образом:

Если - точки , , то

Если .

Для всех и t . (Е - символ математического ожидания, соответствующего значению параметра, равному ). Скорость сходимости ОМП является экспоненциальной: (С1, С2 > 0 - константы).

В настоящей работе доказываются следующие, более сильные утверждения, которые используют более слабые ограничения.

Теорема 1. Для того, чтобы ОМП была сильно состоятельной в 0} необходимо и достаточно, чтобы для всех Справедлива следующая

Теорема 2. Байесовская оценка , задаваемая равенством

=

где j > (0 j ) и состоятельна в ,…, тогда и только тогда, когда выполнено условие для всех t s (t, s ).

Скорость сходимости также экспоненциальная:где 0q()< 1.

Далее полученные результаты расширяются на случай марковских моделей наблюдений с получением вычислительных схем оценок потребного объема наблюдений (реализаций). Заключительная часть главы посвящена важной с практической точки зрения задачи получения нормальных аппроксимаций статистических оценок, доказательства ряда утверждений об асимптотической нормальности байесовских оценок для марковской схемы наблюдений, удовлетворяющей условию эргодичности Деблина.

В главе четвертой рассматриваются постановка и алгоритмы задачи управления развитием и функционированием морских портов на основе формирования компромиссных решений в многокритериальной оптимизационной постановке.

Данная постановка приводит к формализации в виде задачи векторной оптимизации с рациональным выбором критериальных ограничений. Конкретизируем задачу. Пусть D - некоторое непустое подмножество евклидова пространства Rm, F(x)=(F1(x),…,Fk(x))T - критерий - функция цели, каждый компонент которой желательно минимизировать. Будем считать что F(x) F(y), если Fi(x) Fi(y); F(x) = F(y), если Fi(x) = Fi(y); F(x) F(y), если Fi(x)Fi(y), и существует j такое, что Fj(x) Fj(y) (j,i=1,…,k).

Далее приводится диалоговый алгоритм многокритериальной оптимизации. Алгоритм основан на диалоговых алгоритмах рандомизированной выборки И.М Соболя и Р.Б Статникова, представленный в виде адаптивной версии этих алгоритмов, со следующими модификациями, предложенными автором:

- неравномерного априорного распределения на множестве D, что отражает наличие априорной информации о распределении оптимальных параметров,

- адаптивное изменение принципов стохастического поиска в процессе его реализации, т.е. применение обучаемого случайного поиска.

Основной характеристикой разработанного в работе многокритериального алгоритма является его акцент на суждение лиц, принимающих решение (ЛПР), на установлении целей и критериев, оценке относительной важности весов и, в некоторых пределах, в составлении суждений о вкладе каждой альтернативы в каждый характеристический критерий. Субъективность, которая присутствует при этом, может быть вопросом для обсуждения. В его основе лежит собственно выбор альтернатив, сделанный ЛПР, их выбор критериев, назначение весов и оценки достижения целей.

Разработан алгоритм статистической оценки дискретной аппроксимации границы Парето компромиссных решений, что позволяет дать оценку рациональных решений по оптимальному управлению МП: определим множество недоминируемости в пространстве аргументов соотношением Nx = {x: x D: y D: F(y) F(x)}, в пространстве значений F(x) - NF = {F: F = F(x), x Nx}.

В случае скалярной функции F алгоритм основывается на факте возможности аппроксимации функции распределения группового (случайного) минимума F некоторым предельным распределением y;,зависящим от параметров : y; =

Здесь - - параметры минимума, масштаба и формы распределения Ф(у). Параметр дает искомое значение . морской порт планирование парето

В рассмотрение вводятся n выборок, каждая из которых размером в N членов, взятых из генеральной совокупности {F()}, где - случайная величина, распределенная на D по некоторому закону (при отсутствии априорной информации можно считать распределенной равновероятно на D). Пусть - случайный минимум F в i-й группе (i=1,…,n). Для практических задач с вероятностью, близкой к 1, можно принять гипотезу о независимости величин F,…,F. Задача определения параметра решается с помощью статистических методов оценки параметров распределения по выборке F,…,F. Для вычисления оценок векторного параметра используются следующие методы: метод моментов, метод максимального правдоподобия и метод байесовских оценок. Эффективность и сходимость этих методов рассматривается в главе 3.

На основе данного подхода разработан численный алгоритм статистической оценки экстремальных значений целевой функции и алгоритмы статистической оценки многомерной поверхности недоминируемых значений векторной функции критерия качества развития и функционирования морских портов для случая векторной оптимизации параметров МП.

Далее решаются задачи синтеза математических моделей оптимального оперативного управления морскими портами. Этому вопросу посвящены многочисленные работы, среди которых отметим работы Гаскарова Д.В., С. Г. Хосе Альберто, Вихрова Н.М., Ныркова А.П. Егорова А.Н. и др. Автор настоящей работы является руководителем ряда проектов Вьетнама, связанных с созданием эффективных систем управления морскими портами Вьетнам, а также руководителем создания ряда стандартов, регламентирующих создание, внедрение и использования компьютерных информационных управляющих систем морских портов Вьетнама.

Для синтеза системы осуществляется декомпозиция системы планирования и оперативного управления работой порта на двухуровневую систему. На нижнем уровне содержатся подсистемы «порт», которые проводят непосредственно обслуживание и грузовую обработку судов в условиях относительной самостоятельности. Координация функционирования подсистем нижнего уровня осуществляется подсистемой верхнего уровня, управляющей входящим судопотоком.

Рассматриваемыми следующие вопросы:

- модель распределения судопотока по портам,

- алгоритм решения задач оперативного планирования работы портов на основе мультик ритериального подхода.

Система оперативного управления обслуживанием судов показана на рис. 4.1. Основные параметры подсистем I-го уровня - это параметры из непрерывного плана-графика работы порта (НПГРП) по находящимся в l-м порту судам, вариант расстановки судов по причалам и очередности грузовой обработки; вариант расстановки и объёмы ресурсов (трудовых, перегрузочных, транспортных) по судам, причалам; распределение объёмов грузов по вариантам работ и причалам и др..

Рис. 3 Иерархическая двухуровневая система оперативного управления обработкой судов в портах страны

Формируются: вектор состояния, вектор выходных переменных, вектор обобщенных выходных переменных связи со 2-м уровнем, вектор управляющих переменных, вектор внешних возмущений.

Основными задачами, решаемыми в подсистемах I-го уровня, являются:

- разработка планов обработки судов;

- разработка непрерывного плана-графика работы порта;

- сменно-суточное планирование обработки транспортных средств в порту.

План обработки судна определяет нормативное время и обслуживание судна, состав и последовательность выполнения планируемых операций, нормативную численность технологических линий и занятых портовых рабочих.

НПГРП составляется на декаду и уточняется ежедневно (дополняются на сутки) при поступлении новой информации. Составление НПГРП осуществляется по принципу скользящего планирования. НПГРП определяет нормативные (плановые стояночные) сроки обработки судов и требуемые по нормам основные ресурсы порта. Выбор компонента вектора управления осуществляется при решении ряда взаимосвязанных и взаимообусловленных конкретных задач, которые можно формализовано записать в общем виде:

(4.1)

при условиях:

- обеспечения выполнения нормативных сроков (по НПГРП) обработки транспортных средств:

- обеспечения выполнения месячных производственных и финансовых планов:

- обеспечения непревышения имеющихся ресурсов и нормативов по численности портовых рабочих и концентраций технологических линий.

где {} D, где D - область допустимых значений параметров . В качестве функции Ф выбирается максимальное сокращение времени стоянки судна в порту или же минимум затрат на погрузочно-разгрузочные работы.

Для описания подсистемы 2-го уровня используются: матрица номенклатур грузов, обрабатываемых в каждом из портов; матрица расстояний между портами; матрица расстояний от каждого порта до каждого пункта; матрица себестоимостей перевозки единицы груза данной группы от портов до конечных потребителей; матрица производительности технологических комплексов в портах; матрица технико-эксплуатационных характеристик (размеры причальных линий, глубина подходных каналов); себестоимость погрузочно-разгрузочных работ; денежные затраты на выполнение грузовых операций и транспортировку грузов до конечных потребителей работе по выбранному варианту; время переходов при работе судов по выбранному варианту; стояночное время (ожидаемое) при работе судов по выбранному варианту; время ожидания (ожидаемое) судов, в очереди, начало грузовых операций и др.

Вводятся: вектор состояния для подсистемы 2-го уровня, вектор выходных переменных, по которым производится управление, вектор локальных управляющих воздействий, вектор управления, полученный в результате решения задачи координации, вектор управляющих воздействий, получаемый подсистемой 2-го уровня.

На этом уровне системы решается задача распределения судов по вариантам работ (задача самоуправления), на основе которых в данный момент времени суда получают назначение на обработку в определенный порт системы, обеспечивая при этом согласованную работу подсистем (задача координации подчиненных подсистем). В результате получается вектор W = (Wm), (m - число судов) оптимальных вариантов работы судов, охватывающих все время пребывания судов в системе в течение планового периода.

Целью решения задачи координации является назначение судну порта следования в фиксированный момент времени. Задача координации решается с учетом W, полученного в результате решения задачи самоуправления, а также параметров вектора. В результате подсистемы 1-го уровня получают вектор управляющих воздействий от подсистемы 2-го уровня.

Рассмотрим модель распределения судопотока по портам по минимуму суммарного времени пребывания судов в системе. Решению задачи предшествует формирование множества технологических вариантов работы (ТВР) судов, зависящего от возможных, согласно коммерческому графику и технико-эксплуатационным характеристикам судов, портов захода и расположения грузов на судах. При этом должен соблюдаться порядок следования операций выгрузки и погрузки.

Основные параметры модели примем: множество судов, вводимых в график в плановом периоде; W - множество ТВР, множество направлений вывоза грузов из портов страны; индекс пунктов назначения вывозимых грузов; множество портов страны; время пребывания судна в системе при работе по принятому варианту; суммарный объем грузовых работ при обработке судна в порту принятому варианту; количество груза, погруженного в судно в порту при работе по принятому варианту и др

Задача оперативного управления системой портов в условиях Вьетнама таким образом рассматривается в однокритериальной постановке:

Целевая функция:

tiw - время пребывания i- го судна в системе при работе по варианту w;

Xiw == { 1 - если i-е судно работает по варианту w, 0 - в противном случае}.

Ограничения:

- каждое судно назначается на единственный вариант работы,

- пo выполнению планового (из месячного плана) объема грузовых работ портами,

- по соответствию пропускной способности складов,

- по наличию грузопотока и др.

Однако целесообразно решение учетом ряда критериев:

где f1 - минимум пребывания судна в системе, f2 - минимум оплат в инвалюте, f3 - минимум затрат на обработку и доставку грузов.

Задачу распределения судопотока по портам можно определить таким образом, как оптимизацию при ограничениях векторного критерия f=(f1, f2, f3).

Таким образом, задача распределения судопотока по портам поставлена как задача многокритериальной оптимизации с целочисленными (булевыми) переменными. В работе предлагается многошаговый алгоритм решения многокритериальных задач оптимизации, на каждом шаге которого новое решение отыскивается во вновь суженной области Парето, исключающей предыдущее решение и включающей наиболее предпочтительные с точки зрения ЛПР точки. Качество решения оценивается с помощью синтезированных оценок значений Парето - поверхности, полученных с помощью алгоритма оценки экстремальных значений критериев.

В пятой главе рассматриваются вопросы разработки научно - методических концепций компоновки территории и расположения морских портов. Задача эта важна с практической точки зрения, так как выбор расположения МП, компоновки его основных элементов имеет большое, решающее значение как для эффективности его использования, так и для социально - экономического развития региона расположения порта в целом.

Размещение на портовой территории сооружений, зданий, устройств и коммуникаций должно быть компактные, исходя на целесообразного и экономного использования территории, особенно искусственно образованной и прилегающей к причальным линиям.

При компоновке территории морского порта следует предусматривать: зонирование территории порта; районирование порта по технологическим функциям и специализацию грузовых причалов (перегрузочных комплексов); рациональное взаимное расположение районов различного технологического назначения с соблюдением в необходимых случаях установленных разрывов, а также - целесообразное размещение и блокировку портовых зданий и объектов комплексного обслуживания транспортных судов.

В составе морского порта в общем виде различаются следующие территориальные зоны: операционная зона грузовых причалов; производственная зона грузовых районов порта; зона общепортовых объектов; зона пассажирских операций; предпортовая зона.

Операционная зона грузовых причалов, производственная зона грузовых районов порта и зона общепортовых объектов входят к состав режимной территории порта.

Операционная зона грузовых причалов предназначена для размещения основных технических объектов и средств порта, непосредственно участвующих и перегрузочном процессе: причалов, складов, перегрузочного оборудовании, погрузочно-разгрузочных фронтов железнодорожного и автомобильного транспорта и др. Операционная зона не должна застраиваться объектами, не имеющими прямого отношения к перегрузочному процессу. Размеры операционной зоны грузовых причалов принимаются в соответствии с технологической схемой .перегрузочных работ.

Производственная зона грузовых районов располагается, как правило, смежно с операционной зоной причалов, находится за пределами территории, на которой осуществляется перегрузочный процесс, и предназначена для размещении объектов районного назначении.

Номенклатура районов порта включает:

- грузовые районы (в зависимости от возможного грузооборота генеральных грузов со специализированными участками для контейнеров, навалочных грузов, лесных грузов наливных грузов, зерновых грузов.

- пассажирский район.

- район комплексного обслуживания транспортного флота.

В соответствии с структурой расчетного грузооборота грузовых районов могут выделяться районы, образованные но признаку видов плавания: районы внешнеторговых грузов: каботажные районы; районы для судов внутреннего водного транспорта.

При проектировании порта должны быть учтены особенности расположения районов различного назначения, их роль и функции в выполнении производственных процессов порта, а также необходимость использования конкретных естественных факторов.

Районы нефтеналивных или других жидких грузов, опасных в противопожарном отношении, необходимо располагать в отдалении от сухогрузных причалов. Величина разрыва определяется в проектах с учетом естественных факторов (течение, волнение, господствующие ветры), транспортной характеристики грузов и планировочных условий.

Рациональная конфигурация причальной линии каждого конкретного проектируемого, участка (района) зависит от перечисленных разнообразных условий и, как правило, окончательно устанавливается путем разработки и сопоставления конкурирующих вариантов компоновки генерального плана участка.

В соответствии с современными и перспективными методами перевозки и перегрузки район генеральных грузов может включать следующий состав специализированных участков:

- контейнерный участок (база);

- участки для перегрузки тарно-штучных грузов, требующих крытого хранении, преимущественно в пакетах, в том числе специализированные причалы для отдельных грузов;

- участки для перегрузки генеральных грузов открытого хранения;

- участок для перегрузки горизонтальным способом:

- участок для обслуживания перевозок лихтеровозами;

- участок для железнодорожных паромов:

- участок для скоропортящихся грузов;

- участки для отдельных видов специфичных (опасных) грузов, нуждающихся в обособленной переработке .

Особенное значение имеют вопросы компоновка акватории морских портов.

При проектировании генерального плана морского порта следует предусматривать возможно более просторную акваторию с учетом при этом стоимости строительства и недопустимости возникновения на внутрипортовой акватории . местного волнения, вызывающего перебои а производстве грузовых и' пассажирских операций, снабжении техническом .обслуживании судов, а также нагрузок, опасных для ошвартованных судов и причальных сооружений.

В проектных решениях по компоновке акватории, исходя из эксплуатационных требовании, должны соблюдаться установленные необходимые размеры ее составляющих элементов, обеспечивающих единовременный вход (или выход) одного судна:, входных ворот примыкающего к ним участка подходного канала и входного рейда, т е. элементов, влияющих на безопасность и продолжительность ввода и вывода судов.

За расчетную ширину входа принимается ширина по нормали к оси входа в порт на расчетной глубине .

Ширина входа (при одностороннем движении судов) определяется по формуле:

(5.1)

где Bc - ширина расчетного судна, м;

Lc- наибольшая длина расчетного судна, м;

Vд - скорость сноса судна под действием течения и ветрового дрейфа, м/с;

V - скорость хода судна на входе в порт, м/с;

- время рыскания судна (принимается равным 60 с), с;

В - угол рыскания, град,

?B - запас ширины, принимаемый во избежание соприкосновения судна с оградительными сооружениями или откосом, м.

Скорость сноса судна

Vд = vt + vвд (5.2)

где vt - скорость течения нормального к диаметральной плоскости судна, м/с;

vвд - скорость ветрового дрейфа нормального к диаметральной плоскости судна, м/с.

Величина vt, вблизи входа в порт принимается по данным гидрологических наблюдений.

Величина vвд принимается в зависимости от ветрового района и характеристики судна.

Пропускная способность входа в порт определяется по формуле:



(5.3)

где - количество судов, которые могут войти и выйти из порта в месяц;

Кн- коэффициент использования входа в порт по времени;

Кмес- коэффициент, учитывающий увеличение продолжительности или прекращение операций ввода-вывода судов по метеорологическим условиям;

t1, t2 - продолжительность периода соответственно ввода и вывода судна, мин.

Величины t1 и t2 определяются в зависимости от конкретных условий проектируемого порта и тоннажа судов.

Выбор типа бассейна (узкого или и широкого) производится в проектах в зависимости от общей компоновки района порта. Допустимая наименьшей ширина узких бассейнов определяется в зависимости от размеров судна и длины бассейна по табл. 1.

Таблица 1

Длина бассейна, кратная числу причалов	Бассейны с односторонним расположением причалов	Бассейны с двусторонним расположением причалов
Один Два-три	2Вс +?B6 4Вс +?B6	3Вс +?B6 5Вс +?Bс

Здесь Вс - ширина судна, м; ?B6 - запас ширины для работы буксиров, м.

В целом, при проектировании перспективных морских портов необходимо проводить технико - экономический анализ компоновочных решений с учетом как технических аспектов проблемы, так и социально - экономических последствий. Это обусловлено тем, что в настоящее время МП играют значительную роль не только для решения вопросов транспортных перевозок, но являются и градообразующими объектами для территории их расположения.

В шестой главе осуществляется исследование проблем, связанных с системным анализом, математическим моделированием и оптимизацией облика перспективных строящихся МП, а также модернизацией существующих.

Автором проведен подробный анализ существующих в современной научно - технической литературе методов решения подобных задач. В частности, приведены численные алгоритмы задач размещения в линейной постановке, а также вопросы сведения исходной задачи к задачам о покрытии множеств. Создание нового алгоритма обусловлено тем, что существующие алгоритмы имеют недостаточные свойства сходимости при условии нерегулярной структуры оптимизируемого функционала критерия.

Задача оптимизации пространственного облика МП состоит в следующем: сократить затраты на создание нового МП при условии размещения всего необходимого технологического оборудования и функциональных зон, создания удобной внутренней транспортной системы, а также внешних транспортных терминалов. Эта задача математически формулируется следующим образом. Пусть СТПК - стоимость создания нового МП, Сземля - стоимость отводимого для МП земельного участка, Сстроения - стоимость многоэтажных строений, возводимых для МП, СТПК = Сземля + Сстроения. Если ПS - площадь зоны МП, а ПS1 - площадь строений, то Сземли = ПS. Сстроение =ПS1, = const.

Пусть - площадь -й компоненты МП, которая может быть размещена только на этажах или на земле, - площадь -й компоненты МП, которая может быть размещена этажах. Тогда , . Пусть - ширина внутрипортовых поездов на земле (первом этаже), а - ширина поездов на втором уровне (этаже) - для случаев большей этажности строений МП количество ограничений растет и формируется аналогично. Тогда расстояния между компонентами на земле и втором этаже должны быть больше и : , ,.

Для любых точек и : ,

, , ,

Таким образом, задача оптимизации размещения отдельных элементов ПК формулируется следующим образом:

найти размещение функциональных компонентов в зоне МП такое, что

Типовая компоновочная структура территории морского порта описана в главе 5. В более сложных случаях отдельные компоненты (подсистемы) МП могут разбиваться на отдельно функционирующие части, увеличивая общее число взаимных связей. В общем случае типовой МП состоит из 30 - 40 отдельных территорий, включенных в общую площадь МП. В общем случае (см. рис. 6.1) пусть общая зона МП S площадью ПS



Рис. 4

включает в себя отдельные зоны компонент S1,...,Sn площадями ПS1,...,ПSn общей численностью n (n1). С точки зрения теории множеств основные принципы взаимосвязи множеств S1,...,Sn и S можно формализовать следующим образом: для всех i=1,...,n: SiS, для всех i,j=1,...,n: SiSj=, если ij ( - символ пустого множества).Таким образом, критерий качества распределения компонентов МП может оцениваться по формуле: F=ПS-ПSi, которую следует минимизировать при наличии геометрических ограничений: i = 1,...,n : Si S; i,j = 1,...,n : Si Sj = . В несколько иной форме задача оптимизации может быть поставлена как задача минимизации критерия: F1 = пS min, при наличии аналогичных ограничений: i = 1,...,n : Si S; i,j = 1,...,n : Si Sj = . При этом оптимизация проводится по всем распределениям S: i = 1,...,n, а также по всем S{S}, где {S} - множества геометрических фигур заданной конфигурации (например, прямоугольников) таких, что Si, i= 1,...,n : Si S. Множество { S } может трактоваться как все множество возможных зон МП. Заметим, что в простых случаях, когда все множества являются прямоугольниками и определяются граничными точками с координатами: S = { x,x; y,y }, Si = { xi,xi; yi,yi } i = 1,...,n, то геометрические ограничения включения и пустого пересечения трансформируются в линейные неравенства: i,j i = 1,...,n : x xi xi x, y yi yi y, а также, если xmin = min { xi,xj } достигается на i, i,j = 1,...,n, xi xi xi : xi < xj для xj : xj xj xj. Аналогично для другой координаты.

...