Оптимизация составляющих нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания на различных этапах жизненного цикла

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.08.03 «Проектирование и конструкция судов»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема:

Оптимизация составляющих нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания на различных этапах жизненного цикла

Рехалова, Наталья Александровна

Нижний Новгород - 2012

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Лобастов Валерий Павлович

Официальные оппоненты:

Зуев Валерий Андреевич, доктор технических наук, профессор, Нижегородский государственный технический университет им P.E. Алексеева, заведующий кафедрой кораблестроения и авиационной техники

Кочнев Юрий Александрович, кандидат технических наук, ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», заведующий лабораторией автоматизированного проектирования кафедры проектирования и технологии постройки судов

Ведущая организация:

ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (г. Новосибирск)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «ВГАВТ»

Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент А.А. Кеслер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С включением предприятий водного транспорта в рыночные отношения изменились тенденции проектирования и строительства новых судов. При этом капитальные затраты на создание судов и поддержание их технического состояния в процессе эксплуатации должны быть управляемыми на различных этапах жизненного цикла.

С этих позиций наряду с методами определения и оптимизации элементов и характеристик судов, их архитектурно-конструктивных особенностей, развиваются новые, а именно:

проектирование и строительство судов на ограниченный срок службы;

широкое внедрение модульного проектирования и строительства судов, предусматривающее при необходимости возможность изменения как назначения судна, так и его основных характеристик (главных размерений, грузоподъемности и т.п.);

выбор оптимального количества циклов классификационных освидетельствований с проведением при необходимости переоборудований, модернизации и обновления;

проектирование и строительство нового судна с использованием элементов эксплуатировавшихся судов (Руководство Р.003-2003 Российского Речного Регистра (РРР)).

Принимаемые решения при таких подходах, когда главные элементы и характеристики известны, опираются на показатели капитальных затрат, которые во многом зависят от составляющих нагрузки масс, их оптимальных показателей.

Обзор выполненных исследований по учету влияния проектных решений на эффективность жизненного цикла судна (ЖЦС) и строительную стоимость показывает, что существующие в настоящее время методики расчета строительной стоимости, разработанные на основе данных, полученных из опыта строительства крупнотоннажных морских судов и судов ограниченных морских районов плавания в полной мере не могут применяться при оптимизации составляющих нагрузки масс судов внутреннего плавания. Кроме того, методики расчета строительной стоимости судов могут использоваться в случаях, когда перед проектировщиком стоит задача только снижения стоимости строительства, однако при этом не учитывается влияние принимаемых решений на жизненный цикл судна.

Указанные недостатки методик обусловлены отсутствием исследований о распределении разделов и групп нагрузки масс судна на уровни стоимости и уровни качества, позволяющем осуществлять процесс проектирования судна с учетом влияния принимаемых решений на дальнейший ЖЦС, учитывать заранее возможные изменения ЖЦС, планировать затраты на поддержание технического состояния судна в период его жизненного цикла.

Теоретической основой исследований в области проектирования и оптимизации судов являются работы В.В. Ашика, А.В. Бронникова, В.М. Пашина.

В работах по оптимизации отдельных подсистем судна, например, конструктивных элементов корпусов, в качестве критерия используется строительная стоимость судна. Это работы Егорова Г.В., Волкова И.В., Jean-David Caprace, Fr.c Bair, Ph. Rigo, F. Bair, M. Hubler, и др.

Однако вопрос оптимизации составляющих нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания на различных этапах жизненного цикла судна не рассматривался, поэтому исследования в этом направлении являются актуальными.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методики оптимизации составляющих нагрузки масс при проектировании и модернизации грузовых судов внутреннего плавания.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- установлены и проанализированы статистические зависимости составляющих нагрузки масс судна, имеющих различные уровни стоимости, от соответствующих модулей; определены их прогнозируемые средние и индивидуальные значения при ожидаемом значении модулей на заданном уровне значимости;

- разработана математическая модель оптимизации составляющих нагрузки масс грузового судна внутреннего плавания на различных этапах жизненного цикла;

- разработана методика и алгоритм оптимизации составляющих нагрузки масс грузового судна внутреннего плавания на различных этапах жизненного цикла;

- произведен анализ методик расчета строительной стоимости судов;

- выполнено исследование распределения строительной стоимости одной тонны разделов и групп нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания на уровни стоимости;

- обоснован способ оценки уровней качества составляющих нагрузки масс судна, имеющих один уровень стоимости;

- исследовано влияние на строительную стоимость судна составляющих нагрузки масс различных уровней стоимости;

- определены модули пересчета масс для разделов и групп нагрузки масс судна, отнесенных к одному уровню стоимости.

Объект исследования: Объектом исследования в диссертационной работе являются грузовые суда внутреннего плавания, имеющие класс Российского Речного Регистра.

Предмет исследования. В соответствии с темой диссертации предметом исследования стали методы оптимизации составляющих нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания на различных этапах жизненного цикла.

Методы исследования: при выполнении диссертационной работы использованы методы теории проектирования судов, методы математической статистики и теории вероятности, регрессионного анализа, классификации данных, в том числе метод типологических группировок, методы линейного программирования. Обработка статистических данных, получение и анализ регрессионных зависимостей, практические расчеты выполнялись с помощью пакета прикладных программ МС Excel, программы STATISTICA.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- выполнено распределение разделов и групп нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания на уровни стоимости на основе статистических данных по судам рассматриваемого типа;

- разработана математическая модель, методика и алгоритм оптимизации составляющих нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания на различных этапах жизненного цикла;

- обоснован способ оценки уровней качества составляющих нагрузки масс судна, имеющих один уровень стоимости;

- исследовано влияние на строительную стоимость судна составляющих нагрузки масс различных уровней стоимости;

- получены регрессионные зависимости составляющих нагрузки масс судна, имеющих различные уровни стоимости, от соответствующих модулей; определены их прогнозируемые средние и индивидуальные значения при ожидаемом значении модулей на заданном уровне значимости на основе статистических данных по судам рассматриваемого типа.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в обосновании и разработке методики оптимизации составляющих нагрузки масс на различных этапах жизненного цикла грузовых судов внутреннего плавания, позволяющей определять оптимальное с точки зрения строительной себестоимости сочетание составляющих нагрузки масс различных уровней стоимости при заданных ограничениях по их величине, уровню качества с учетом сценария дальнейшего жизненного цикла, навигационным и эксплуатационным качествам. Методика может применяться на следующих этапах ЖЦС: проектирование нового судна, в том числе с применением модульных концепций; модернизация (переоборудование); проектирование нового судна с использованием элементов рассматриваемого судна в качестве донора.

Внедрение результатов. Предложенная методика используется в практической деятельности ЗАО «Морское Инженерное Бюро-СПб» при разработке проектов грузовых судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания; она применена при проектировании сухогрузных судов проектов 005RSD06.01, 005RSD06.02, 005RSD06.03, RSD11, RSD40.1, RSD40.2, RSD41.01, RSD41.02, RSD41.03, RSD41.04, RSD41.05, что подтверждено актом внедрения результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов «Транспорт-XXI век» в 2003г., на Международном научно-промышленном форуме «Великие реки» в Нижнем Новгороде в 2008, 2009, 2010 гг.

Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 9 научных работ, том числе 2 статьи в журналах, рецензируемых ВАК РФ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы (112 наименований) и четырех приложений. Основное содержание работы изложено на 128 стр. машинописного текста, работа содержит 16 схем и рисунков, а также 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи исследования, указаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе произведен анализ состояния рассматриваемой проблемы. В соответствии с подпрограммой «Внутренний водный транспорт» программы «Развитие транспортной системы России (20102015 годы)» планируется пополнение транспортного флота. Однако, даже полное и своевременное выполнение объема строительства судов, запланированных в подпрограмме, не сможет покрыть дефицит новых судов. Речной транспорт, несмотря на потенциальную его эффективность как сферы грузовых перевозок, оказался в кризисе из-за нарушения стабильности грузопотоков, резкого сокращения централизованных капитальных вложений, сложного финансового положения судоходных компаний.

Один из путей решения проблемы восстановления и пополнения флота новыми судами, способствующий стимулированию заказов нового флота внутреннего плавания, оживлению процесса восполнения нового флота - строительство судов с ограниченным использованием элементов эксплуатировавшихся судов в соответствии с Р.003-2003 «Строительство судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания с использованием элементов эксплуатировавшихся судов» Российского Речного Регистра.

Актуальным направлением снижения капитальных затрат является разработка и обоснование при проектировании различных направлений использования ЖЦС, что позволяет увеличить эффективность эксплуатации судна в течение планируемого срока службы, при этом строительная стоимость становится одним из факторов, влияющих на принятие решения.

В первой главе выполнен анализ существующих методик расчета строительной стоимости судов, который показал, что методики, разработанные для крупных морских судов и судов ограниченных морских районов плавания, не могут достаточно полно применяться для оценки строительной стоимости отдельных составляющих нагрузки масс судов внутреннего плавания. Выполнены проверочные расчеты по Методике расчета стоимости проектируемых морских судов, разработанной ЗАО «ЦНИИМФ» в 2002 году, для судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания, построенных по Правилам РРР и Российского морского регистра судоходства. Полученные значения погрешностей вычислений позволяют сделать вывод о том, что эта Методика может применяться при оценке итоговой строительной стоимости судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания. Однако по отдельным расчетным единицам (разделам, группам и подгруппам нагрузки масс по ОСТ 5Р.0206-2002) относительные погрешности расчетов стоимости во многих случаях имеют высокие значения, что не позволяет использовать указанную методику при оптимизации составляющих нагрузки масс судов внутреннего плавания.

Проблеме оценки влияния проектных решений на строительную стоимость, расчета строительной стоимости на разных стадиях проектирования посвящены работы большого числа отечественных и зарубежных ученых и специалистов: А.Ф. Иконникова, Е.В. Маслюка, Н.П. Любушина, K.J. Ennis, John J. Dougherty, Th. Lamb, Ch.R. Greenwell, R. Zimmermann, J.M. Ross, Ar. Miroyannis, L. Deschamps и др. Вопросы экономической эффективности строительства судов с использованием элементов эксплуатировавшегося флота получили развитие в работах Н.А. Ефремова.

Формирование нагрузки масс при проектировании новых судов, в том числе с применением модульных концепций, а также судов с использованием бывших в эксплуатации элементов других судов, при модернизациях и переоборудованиях целесообразно производить на основании того, что технические решения принимаются с точки зрения их долгосрочных последствий на дальнейшем жизненном цикле судна. Для этого одновременно с применением методов определения и оптимизации элементов и характеристик судов, их архитектурно-конструктивных особенностей, должны прорабатываться сценарии, учитывающие, что в течение ЖЦС может возникнуть необходимость его качественных изменений в зависимости от условий эксплуатации, технического состояния судна, прибыльности перевозок, конъюнктуры рынка, с целью сокращения срока окупаемости и уменьшения затрат на поддержание его годного технического состояния, рис. 1.

Учитывая изложенное, предлагаемая диссертационная работа посвящена разработке методики оптимизации составляющих нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания на этапах ЖЦС: проектирование новых судов, модернизация, а также проектирование новых судов с использованием элементов эксплуатировавшихся судов.

Во второй главе выполнено статистическое исследование распределения строительной стоимости одной тонны расчетных единиц (разделов и групп нагрузки масс судна по СТП 1.15-83 «Нагрузка масс судов внутреннего плавания») с учетом всех накладных расходов на постройку судна по уровням стоимости. В существующих в настоящее время методиках итоговая строительная стоимость судов определяется суммированием по 17-ти расчетным единицам. Для осуществления процесса оптимизации составляющих нагрузки масс и обоснования уровней качества элементов нагрузки масс судна целесообразно сократить количество расчетных единиц, объединив их в группы по уровням стоимости. Такое объединение позволит в пределах одного уровня стоимости назначать необходимый уровень качества для тех составляющих нагрузки масс, которые могут повлиять на дальнейший сценарий ЖЦС.

Основой для исследования послужили данные по измерителям полной стоимости одной тонны массы материалов и оборудования со всеми начислениями, тыс. руб./т (т.е. строительной стоимости одной тонны различных расчетных единиц) по 20-ти проектам сухогрузных и 2-м проектам наливных судов внутреннего плавания, построенных в период с 1953 по 1988 годы. Для сравнения указанных данных по стоимости одной тонны расчетных единиц была определена система индексов по всем расчетным единицам грузовых судов, с помощью которых статистические данные по строительной стоимости одной тонны различных расчетных единиц с учетом всех накладных расходов на постройку были скорректированы и приведены к 1988 году.

Распределение откорректированных данных на уровни стоимости производилось методом типологической группировки. Выбор этого метода исследования данных обусловлен его особенностями, а именно: выделение типов основано на представлениях исследователя о том, какие типы могут встретиться в изучаемой совокупности, кроме того, при выделении одних и тех же типов в разных условиях используется специализация интервалов группировочного признака - изменение их границ при выделении одних и тех же типов в разных условиях.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рисунок 1. Схема использования оптимизации составляющих нагрузки масс на различных этапах жизненного цикла грузового судна внутреннего плавания

Специализация интервалов уравнивает оценку полной стоимости одной тонны разделов и групп нагрузки масс разных судов, построенных в разные годы или на разных заводах, и позволяет избежать чрезмерного дробления совокупности. В качестве объекта исследования и единицы совокупности было принято решение рассматривать грузовое судно. Был выбран группировочный признак, формирующий описание типов:

В результате применения описанного метода 17 расчетных единиц (разделов и групп нагрузки масс, по которым рассчитывается строительная стоимость судов в известных методиках) были объединены в 6 групп по уровням стоимости (табл. 1).

Таблица 1

Распределение элементов нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания на уровни стоимости

Уровень стоимости	Расчетные единицы (разделы и группы нагрузки масс по СТП 1.15-83)	Границы интервала группировочного признака, тыс. руб.?т	Величина интервала, тыс. руб.?т	Выборочное среднее значение, тыс. руб.?т	Исправленная дисперсия, тыс. руб.?т
1	Электро- и радиооборудование; Дистанционное управление	14,041 - 2,751	11,29	7,582	10,238
2	Главные и вспомогательные двигатели	8,561 - 2,648	5,913	4,917	3,272
3	Палубные механизмы; Оборудование судовой мастерской; Трубопроводы; Вспомогательные механизмы машинного отделения	5,767 - 1,754	4,013	3,330	0,799
4	Оборудование помещений; Снабжение и инвентарь; Окраска, Системы; Дельные вещи; Движители и валопроводы	4,869 - 1,3	3,569	2,396	0,516
5	Котлы; Судовые устройства; Дерево в составе корпуса и надстройки	2,29 - 0,17	2,12	1,201	0,313
6	Металл в составе корпуса и надстройки	0,9 - 0,14	0,76	0,555	0,03

Поскольку решение вопросов о дифференциации совокупности указанных данных на уровни стоимости носит экспертный характер, выполнена проверка правильности проведения типологической группировки с помощью известных статистических критериев. Подтверждена существенность межтиповых расхождений на основе F-критерия Фишера и несущественность различий внутри сконструированных типов - уровней стоимости с применением критерия Стьюдента сравнения средних в малых выборках, что в совокупности доказывает правильность проведения группировки.

Планирование жизненного цикла судна при разработке проекта, т.е. планирование сроков, направлений и объемов ремонтов, переоборудований и модернизаций позволяет применять при строительстве судна минимально необходимый уровень качества масс с учетом срока службы судна, дальнейшего использования судна или его элементов в случае переоборудования или модернизации. В этом случае, стоимость судна будет определяться не только величиной составляющих нагрузки масс разных уровней стоимости, но и уровнем качества этих масс. В диссертационной работе были исследованы и разработаны уровни качества составляющих нагрузки масс, имеющих один уровень стоимости.

Качество промышленной продукции может оцениваться по 11-ти группам показателей в соответствии с РД 50-64-84: показатели назначения; надежности; технологичности; унификации; патентно-правовые; эргономические; эстетические; транспортабельности; безопасности; экологические; экономного использования трудовых и материальных ресурсов. Оценивать качество составляющих нагрузки масс при проектировании целесообразно по одной из групп - показателям надежности, поскольку они напрямую связаны со сценарием жизненного цикла судна; значительно влияют на стоимость судна; поддаются оценке на стадиях разработки проекта.

Уровень качества составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости () - это мера соответствия качества составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости качеству масс этого уровня стоимости, принятой за базовую. Оценку уровня качества составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости предлагается производить с помощью комплексного определяющего показателя качества , который образуется по принципу среднего геометрического взвешенного относительных единичных показателей качества.

Для учета сценария дальнейшего ЖЦС при проектировании и модернизации судна необходимо сформировать базу данных, распределив массы, имеющие один уровень стоимости по уровням качества в зависимости от показателя качества .

В каждом j-м уровне стоимости предлагается выделить управляемые массы - это разделы и группы нагрузки масс, оказывающие наибольшее влияние на уровень надежности судна и в конечном итоге определяющие его. К ним относятся: электро- и радиооборудование (1-й уровень стоимости), главные и вспомогательные двигатели (2-й уровень стоимости), палубные механизмы, вспомогательные механизмы МО, трубопроводы (3-й уровень стоимости), системы, движители и валопроводы (4-й уровень стоимости), судовые устройства (5-й уровень стоимости), металл в составе корпуса и надстройки (6-й уровень стоимости).

В диссертационной работе определена последовательность операций при определении показателя качества и алгоритм формирования базы данных по уровням качества на основе комплексной оценки уровня качества составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости (рис. 2). Формируется база данных по типу таблицы 2.

Таблица 2

База данных по уровням качества составляющих нагрузки масс судна

Уровень качества,	Уровень стоимости
	j = 1	j = 2	…	j = m
		т	тыс. руб/т		т	тыс. руб/т			т	, тыс. руб./т
k=1
k=2
…
k=

В третьей главе разработана математическая модель оптимизации составляющих нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания для следующих этапов жизненного цикла: проектирование новых судов, в том числе с применением модульных концепций, разработка проектов модернизации и проектирование новых судов с использованием элементов эксплуатировавшихся судов. Определяется оптимальное с точки зрения строительной себестоимости сочетание составляющих нагрузки масс различных уровней стоимости при заданных ограничениях по их величине, уровням качества, навигационным и эксплуатационным качествам.

Уровень качества масс задается из базы данных (см. табл. 2) в зависимости от планируемого сценария жизненного цикла судна.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рисунок 2. Алгоритм формирования базы данных по уровням качества составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости

Проектирование нового судна при использовании оптимизации составляющих нагрузки масс ведется с заданным уровнем качества масс различных уровней стоимости, полученных в результате расчетов по математической модели. С периодичностью в 5 лет после начала эксплуатации судна возникает необходимость, в зависимости от технического состояния судна, его прибыльности и условий эксплуатации, принятия решения о выполнении одного из следующих мероприятий: плановый ремонт судна; модернизация (переоборудование) на срок N лет или строительство нового судна с использованием эксплуатировавшихся элементов данного судна, т.е. судно становится «донором», на этот же срок службы.

Если прибыль за последние 5 лет эксплуатации, в пределах запланированного срока службы (S лет), превышает затраты за этот период, проводится плановый ремонт судна. В противном случае, целесообразно провести модернизацию судна, альтернативой которой является строительство нового судна с ограниченным использованием эксплуатировавшихся элементов данного судна. Тогда принятие решения базируется на сравнении затрат и прибыли, рассчитываемых по известным методикам за период N лет, на величины которых, кроме прочих факторов, будет оказывать влияние оптимизация составляющих нагрузки масс при разработке проекта судна или проекта его модернизации. При этом уровень качества вновь устанавливаемых масс задается по базе данных в зависимости от планируемого дальнейшего сценария ЖЦС после модернизации или после строительства нового судна на базе донора.

Для варианта ЖЦС, при котором на предыдущем этапе была выполнена модернизация (переоборудование) судна, через N лет возникает ситуация принятия решения о повторной модернизации (переоборудовании) на срок Т лет или строительстве судна с использованием элементов эксплуатировавшихся судов на этот же срок службы или списании судна. Выбор дальнейшего развития ЖЦС производится по результатам сравнения затрат и прибыли за период эксплуатации судна Т лет, с учетом результатов применения оптимизации составляющих нагрузки масс при разработке проекта судна или проекта его модернизации, рис. 3.

Для осуществления оптимизации составляющих нагрузки масс, определения вида функции цели, необходимо оценить степень участия масс каждого уровня стоимости в общей стоимости судна. Для этого были определены регрессионные зависимости строительной стоимости элементов нагрузки масс каждого уровня стоимости (, тыс. руб) от масс этих элементов (, т) на основании проиндексированных, приведенных к 1988 году, данных по строительной стоимости одной тонны элементов нагрузки масс судна. Получены линейные, степенные и логарифмические уравнения регрессии, подтверждена их значимость. Предпочтение отдано линейному виду уравнений регрессии - для всех уровней стоимости, основываясь на величинах остаточной дисперсии и коэффициента детерминации. Наличие линейной зависимости подтверждено по схемам проверки гипотез о статистической значимости коэффициентов регрессии. Получены среднестатистические коэффициенты регрессии, имеющие базовый уровень качества (, тыс. руб/т). Функция цели представлена в виде суммы стоимостей составляющих нагрузки масс всех уровней стоимости, формула (1).

Задача оптимизации составляющих нагрузки масс судов внутреннего плавания на различных этапах жизненного цикла может быть сформулирована следующим образом: при заданном векторе исходных данных: Уу₁, у₂,… у_i, , где у_i - i-я известная из технического задания на проектирование характеристика судна; векторе элементов и характеристик судна F f₁, f₂,… f_z , где f_z - z-я характеристика судна, определенная на стадиях проектирования;

нагрузка грузовой судно строительный стоимость

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рисунок 3. Блок-схема последовательности действий на различных этапах жизненного цикла грузового судна внутреннего плавания при использовании оптимизации составляющих нагрузки масс

, , затраты, , , прибыль за время эксплуатации 5лет, N лет, T лет, тыс. руб.; t_сл срок службы судна;

t_экспл период эксплуатации

Необходимо найти оптимальное сочетание варьируемых параметров:

составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости k-го уровня качества, вектор варьируемых величин:	,
или вновь устанавливаемых на судно составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости k-го уровня качества, вектор варьируемых величин:	,

где j = 1…m - уровни стоимости,

k = 1… - уровни качества составляющих нагрузки масс судна, при котором функция цели (1) достигнет минимума, с учетом выполнения ряда ограничений: формулы (2)(10).

Математическая модель оптимизации составляющих нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания представлена в форме задачи линейного программирования, когда целевая функция представлена в линейной форме, а ограничения по величине масс в виде системы линейных неравенств, при условии неотрицательности переменных модели. Выбор метода представления и решения задачи обусловлен видом функции цели.

Математическая модель оптимизации составляющих нагрузки масс на различных этапах ЖЦС грузового судна внутреннего плавания может быть записана в следующем виде:

Функция цели:

(1)

Ограничения:

(2) или

; (3)

, (4)

Где С строительная стоимость (себестоимость) судна, тыс. руб.;

строительная стоимость (себестоимость) составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости k-го уровня качества, тыс. руб.;

строительная стоимость (себестоимость) с учетом всех начислений одной тонны составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости, уточненная в зависимости от уровня качества, , тыс. руб/т.

уровень качества составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости, определяемый в зависимости от показателя качества ;

сумма составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости k-го уровня качества, т.

индекс пересчета строительной стоимости (себестоимости) судна;

строительная стоимость (себестоимость) судна-прототипа, тыс. руб. Массы определяются по данным судна-прототипа, т.

планируемая строительная стоимость (себестоимость) судна средняя стоимость судна данного типа и класса в год постройки судна, тыс. руб.;

, - суммы значений составляющих нагрузки масс , имеющих j-й уровень стоимости, соответствующих нижней и верхней границе доверительного интервала прогноза среднего значения с вероятностью (1-) соответственно;

, - суммы значений составляющих нагрузки масс , имеющих j-й уровень стоимости, соответствующих нижней и верхней границе доверительного интервала прогноза индивидуального значения с вероятностью (1-) соответственно.

суммарное значение массы механизмов, оборудования и материалов, составляющих вариант управляемых масс j-го уровня стоимости k-го уровня качества, т. Определяется по базе данных в зависимости от заданного при проектировании уровня качества .

На этапах ЖЦС - разработка проекта модернизации или проекта нового судна с использованием элементов эксплуатировавшихся судов составляющие нагрузки масс каждого уровня стоимости представим в виде:

, (5)

Где сумма масс механизмов, оборудования и материалов j-го уровня стоимости k-го уровня качества, остающихся для эксплуатации на судне, т;

сумма вновь устанавливаемых на судно масс j-го уровня стоимости k-го уровня качества, т.

В этом случае: функция цели (1) представлена в виде суммы стоимостей вновь устанавливаемых на судно масс всех уровней стоимости, ограничения к модели записаны в виде (6)(8), (10).

(6), или

; (7)

, (8)

Где суммарное значение масс механизмов, оборудования и материалов, вновь устанавливаемых на судно, составляющих вариант управляемых масс j-го уровня стоимости k-го уровня качества, т. Определяется по базе данных в зависимости от заданного уровня качества .

Определяя opt (или opt) необходимо исходить из того, что элементы и характеристики рассматриваемого судна, сочетание масс которого определено вектором (или сочетание вновь устанавливаемых масс которого определено вектором ), должны удовлетворять условиям:

, s S₁ ; , s S₂ (9)

, s S₁ , , s S₂ (10)

где S₁ - ограничения в виде строгих равенств,

S₂ - ограничения в виде неравенств.

В качестве ограничений приняты уравнения плавучести, грузовместимости, остойчивости и др., описывающие требуемые качества судна.

В диссертационной работе выполнено исследование регрессионных зависимостей составляющих нагрузки масс, имеющих различные уровни стоимости, от соответствующих модулей на примере самоходных сухогрузных судов внутреннего плавания класса «О2,0» грузоподъемностью от 300 до 5300 т с полным водоизмещением от 380 до 6729 т, мощностью от 220,8 до 1472 кВт, кубическим модулем LBH от 1240,7 до 12531,3 м³.

В состав одного уровня стоимости могут входить массы, рассчитываемые с использованием разных модулей: N, LBH или LBH^2/3. Массы внутри каждого уровня стоимости были объединены в зависимости от модулей пересчета масс и обозначены P_s. Сумма составляющих нагрузки масс j-го уровня стоимости определяется как: .

Установлено наличие линейной зависимости между Р_s и модулем M_s (LBH, LBH^2/3 или N) по схеме проверки гипотез о статистической значимости коэффициентов регрессии, произведено вычисление параметров линейных уравнений регрессии, определены доверительные интервалы для коэффициентов регрессии, получены уравнениия парной линейной регрессии - точечный прогноз зависимой переменной Р_s при заданном значении независимой переменной - модуля M_s (LBH, LBH^2/3 или N) (табл. 3); произведена оценка значимости регрессионных моделей на основе дисперсионного анализа с помощью табличного процессора Excel в стандартной надстройке «Анализ данных». Окончательный выбор модуля пересчета составляющих нагрузки масс каждого уровня стоимости осуществлен на основании проверки общего качества уравнений регрессии, суммарной мерой которого является коэффициент детерминации R², который можно считать и основным показателем тесноты связи для линейной формы связи.

Определены 95%-е доверительные прогнозные интервалы средних и индивидуальных значений результативного признака - составляющих нагрузки масс Р_s, имеющих один уровень стоимости, при ожидаемом значении модулей M_s на уровне значимости б = 0,05, в диапазоне значений объясняющей переменной: LBH = 1272ч12531,3 м³; LBH^2/3 = 115,5ч531,5 м³; N = 220,8ч1472 кВт.

В четвертой главе разработаны методики оптимизации составляющих нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания на различных этапах его жизненного цикла в соответствии с рис. 3. Методики основаны на разработанной математической модели (1)(10), с помощью которой при проектировании судна и разработке проекта модернизации определяется оптимальное сочетание масс различных уровней стоимости и уровней качества с учетом сценария дальнейшего жизненного цикла судна. Определяется величина снижения затрат, возникающая от применения оптимизации составляющих нагрузки масс грузовых судов внутреннего плавания. Формирование нагрузки масс выполняется исходя из полученных значений масс , .

Таблица 3

Формулы для определения составляющих нагрузки масс сухогрузных судов класса «О2,0»

Уровень стоимости	Составляющие нагрузки масс, имеющие различные уровни стоимости ()	Расчетная формула
1	Электро- и радиооборудование
2	Главные и вспомогательные двигатели
3	Палубные механизмы
	Трубопроводы
	Вспомогательные механизмы МО, оборудование суд. мастер.
4	Оборудование помещений, снабжение, окраска, системы, дельные вещи
	Движители и валопроводы
5	Судовые устройства, дерево в составе корпуса и надстройки
6	Металл в составе корпуса и надстройки

В диссертационной работе оптимизация составляющих нагрузки масс грузового судна внутреннего плавания на различных этапах его ЖЦС с помощью математической модели (1)(8) проводится с использованием табличного процессора Excel и надстройки «Поиск решения», применяемой для решения симплекс-методом задачи линейного программирования. Разработаны специальные алгоритмы, представленные в виде блок-схем, размещенные в программной среде MC Excel и реализующие последовательность стадий оптимизации составляющих нагрузки масс на различных этапах жизненного цикла судна внутреннего плавания. Разработана специальная экранная форма для удобства ввода условий задачи при использовании средства Excel «Поиск решения». Ввод исходных данных, ограничений по показателям качества, работа с базой данных, вывод результатов осуществляются с помощью специальной программы, разработанной с помощью средств табличного процессора Excel. Результаты всех стадий расчета выдаются в виде итоговых таблиц для принятия решения. Таким образом, разработано методическое обеспечение оптимизации составляющих нагрузки масс грузового судна внутреннего плавания на различных этапах его жизненного цикла.

Также в четвертой главе был выполнен расчет планируемой экономии, определяемой на первой стадии оптимизации составляющих нагрузки масс на примере сухогрузного теплохода пр.507. Рассмотрены следующие этапы его жизненного цикла: проектирование нового судна и проектирование нового судна с использованием эксплуатировавшихся элементов судна-донора (на примере сухогрузного теплохода проекта 005RSD06.01). По результатам расчета планируемое снижение затрат составило: на этапе ЖЦС - проектирование нового судна - 9,4%, на этапе ЖЦС - проектирование нового судна с использованием элементов судна - донора - 19,7%.

В заключении сформулированы основные результаты исследований:

1. Определены и проанализированы среднестатистические и прогнозируемые значения измерителей составляющих нагрузки масс, имеющих различные уровни стоимости, с обоснованием модулей пересчета масс.

2. Разработана математическая модель оптимизации составляющих нагрузки масс грузового судна внутреннего плавания на различных этапах жизненного цикла.

3. Разработан алгоритм и методическое обеспечение оптимизации составляющих нагрузки масс грузового судна внутреннего плавания на различных этапах жизненного цикла.

4. Выполнены исследования распределения строительной стоимости одной тонны разделов и групп нагрузки масс самоходных грузовых судов внутреннего плавания на уровни стоимости.

5. Разработан способ оценки уровней качества составляющих нагрузки масс судна, имеющих один уровень стоимости.

6. Исследовано влияние на строительную стоимость судна составляющих нагрузки масс различных уровней стоимости.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Рехалова, Н.А. Постановка задачи управления строительной стоимостью на ранних стадиях проектирования судов / Н.А. Рехалова, В.П. Лобастов // «Судостроение», 2010, №2. - С.47-50.

2. Рехалова, Н.А. Экономико-математическая модель процесса управления строительной стоимостью судов на ранних стадиях проектирования / Н.А. Рехалова, В.П. Лобастов // «Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока», 2010, №2. - С.44-46.

Публикации в других изданиях

3. Рехалова, Н.А Современное состояние вопроса назначения сроков ремонтов судов / Н.А. Рехалова // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов «Транспорт-XXI век». Часть 3 - Н. Новгород: Изд-во ВГАВТ, 2003. - С.131-134.

4. Рехалова, Н.А. Об оценке на стадии проектирования эффективности судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания, построенных с ограниченным использованием элементов эксплуатировавшихся судов / Н.А. Рехалова // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 23. - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2007. - С. 11-15.

5. Рехалова, Н.А Распределение строительной стоимости элементов судна по уровням стоимости с использованием метода группировки / Н.А. Рехалова // Международный научно-промышленный форум «Великие реки - 2008». Секционные доклады. Тезисы докладов. Н. Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2009. - С.308-310.

6. Рехалова, Н.А Зависимость строительной стоимости судна от масс элементов разных уровней стоимости / Н.А. Рехалова // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 28 - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2010. - С.79-82.

7. Рехалова, Н.А Оценка измерителей масс элементов судна, имеющих один уровень стоимости / Н.А. Рехалова, Этин В.Л. // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 28 - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2010. - С. 101-104.

8. Рехалова, Н.А Обоснование нового способа определения строительной стоимости на ранних стадиях проектирования судов / Н.А. Рехалова, В.П. Лобастов // Международный научно-промышленный форум «Великие реки - 2010». Секционные доклады. Тезисы докладов. Н. Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2011. - С.271-273.

9. Рехалова, Н.А Оценка уровней качества элементов судна при одном уровне стоимости / Н.А. Рехалова // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 29 - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2011. - С. 142-147.

Размещено на Allbest.ru

...