Оптимизация транспортной системы снабжения сжиженным природным газом г. Мурманск с использованием морского транспорта
|
Введение 4
Постановка задачи 9
Основные требования и исходные данные к системе газоснабжения г.
Мурманск 9
Математическая постановка задачи 13
Постановка задачи в сфере управления запасами 13
Постановка задачи в сфере имитационного моделирования 14
Постановка задачи моделирования ветро-волнового режима районов плавания газовозов 15
Постановка оптимизационной задачи 18
Обзор литературы 20
Глава 1. Построение моделей временных рядов ветро-волнового режима 38
1.1. Моделирование одномерных временных рядов атмосферного давления 38
1.2. Моделирование многомерных временных рядов гидрометеорологических
условий 43
1.2.1. Моделирование векторной скорости ветра 43
1.2.2. Моделирование параметров ветровых волн 46
Глава 2. Построение имитационной модели транспортной системы газоснабжения г. Мурманск 52
2.1. Инициализация массива исходных данных и функционала 52
2.1.1. Множества (массивы) исходных данных и временных переменных 52
2.1.2. Функционал модели 54
2.2. Построение имитационной модели снабжения плавучего хранилища газа
58
2.2.1. Дискретно-событийное моделирование портового комплекса 59
2.2.2. Построение геоинформационной среды модели 60
2.2.3. Агентное моделирование эксплуатации газовозов 61
2.2.4. Имитационное моделирование ветро-волнового режима
рассматриваемых регионов 64
2.2.5. Общий вид работы имитационной модели
2.3. Оптимизация морской транспортной системы снабжения сжиженным
природным газом г. Мурманск 69
Выводы 73
Заключение 75
Список литературы 76
Постановка задачи 9
Основные требования и исходные данные к системе газоснабжения г.
Мурманск 9
Математическая постановка задачи 13
Постановка задачи в сфере управления запасами 13
Постановка задачи в сфере имитационного моделирования 14
Постановка задачи моделирования ветро-волнового режима районов плавания газовозов 15
Постановка оптимизационной задачи 18
Обзор литературы 20
Глава 1. Построение моделей временных рядов ветро-волнового режима 38
1.1. Моделирование одномерных временных рядов атмосферного давления 38
1.2. Моделирование многомерных временных рядов гидрометеорологических
условий 43
1.2.1. Моделирование векторной скорости ветра 43
1.2.2. Моделирование параметров ветровых волн 46
Глава 2. Построение имитационной модели транспортной системы газоснабжения г. Мурманск 52
2.1. Инициализация массива исходных данных и функционала 52
2.1.1. Множества (массивы) исходных данных и временных переменных 52
2.1.2. Функционал модели 54
2.2. Построение имитационной модели снабжения плавучего хранилища газа
58
2.2.1. Дискретно-событийное моделирование портового комплекса 59
2.2.2. Построение геоинформационной среды модели 60
2.2.3. Агентное моделирование эксплуатации газовозов 61
2.2.4. Имитационное моделирование ветро-волнового режима
рассматриваемых регионов 64
2.2.5. Общий вид работы имитационной модели
2.3. Оптимизация морской транспортной системы снабжения сжиженным
природным газом г. Мурманск 69
Выводы 73
Заключение 75
Список литературы 76
Ранние этапы развития человечества характеризовались решением огромного множества задач, среди которых можно выделить кластер проблем, связанных с перемещением людей и груза на расстояния различной протяженности. Естественно, по мере формирования общества и развития цивилизационных отношений становились доступными и усовершенствованными многие подходы к решению транспортных задач. С одной стороны, транспортные средства, складские комплексы, средства коммуникации и связи становились более эффективными и доступными в виду движения научно-технического прогресса.
С другой стороны, отдельно рассматриваемый научный прогресс привел к созданию целого комплекса приложения математического аппарата к решению проблем, связанных с транспортировкой груза и пассажиров.
Так, в 1781 г. применение инструментов линейного программирования к нахождению минимальных затрат на перевозки выделило целый класс задач, решение которых находится по методу минимального элемента (термин введен Гаспаром Монжем [22]). Далее, спустя несколько столетий, в 1942 г. Леонидом Канторовичем был разработан метод решения транспортных задач, направленный на нахождение оптимального плана перевозок однородного продукта из однородных пунктов производства в однородные пункты потребления. С тех пор решением транспортных задач занимались многие математики. В 1951 г. был разработан метод северо-западного угла Дж.Б. Данцига, в конце 1950-хх гг. - метод дифференциальных рент советских ученых А.Л. Лурье и А.Л. Бруднова, в 1960 г. - метод аппроксимации Р. Фогеля, в 1978 г. - отдельные руководства к решению транспортных задач А.В. Кузнецова.
Предложенные методы оптимизации транспортных систем различных целеполаганий имели существенные ограничения в учете воздействия на исследуемый объект огромного числа динамически меняющихся внутренних и внешних факторов, в т.ч. содержащих стохастическую компоненту. Одним из способов преодоления данных ограничений является проведение экспериментов над исследуемым объектом для получение всей необходимой информации. Однако в большинстве случаев эксперименты над реальными объектами сопровождаются либо колоссальными и не оправдывающими себя затратами, либо высокими рисками для безопасности жизни исследователей. Поэтому в конце XX века экспериментальные методы исследования фокусировались на логико-математической модели исследуемого объекта с применением аналитических и численных методов решения, а применяемый метод математического моделирования стали называть имитационным (simulation modeling - от англ. имитационное моделирование, моделирование основанное на симуляции). Первой задачей имитационного моделирования являлась задача перевозки нефти и нефтепродуктов танкерами [26]. Основной интерес исследователей заключался в учете сложного порядка работы нефтеналивного терминала (внутренних факторов воздействия на работу флота) и в учете погодных условий в районе эксплуатации танкеров (внешних факторов). Данный факт подтверждает неподдельный исследовательский интерес со стороны математического сообщества логистикой морского транспорта.
Актуальность настоящего исследования заключается в следующем. Суда морского транспорта являются высокотехнологичными и дорогостоящими технологическими сооружениями, которые используются в крупных проектах различного назначения. Эксплуатация судов морского транспорта сопровождается высокими затратами, величина которых зависит от продолжительности и структуры времени рейса. На величину эксплуатационных затрат судов морского транспорта оказывают влияния различные внутренние и внешние факторы, учет которых с помощью аналитического моделирования является задачей с высокой (иногда неоправданной) трудоемкостью и низкой гибкостью реализации относительно различных исходных данных проекта. В данном случае применение средств имитационного моделирования позволяет построить логико-математическую модель исследуемого объекта, позволяющую в ходе экспериментов над ней получить необходимую исследователю информацию о возможностях по снижению затрат на реализацию рассматриваемого проекта.
Целью выпускной квалификационной работы является оптимизация проекта морской составляющей транспортной системы снабжения г. Мурманск сжиженным природным газом посредством построения и использования компьютерной имитационной модели.
Задачами выпускной квалификационной работы являются:
1) формулировка критерия качества, представляющего собой совокупные затраты на реализацию проекта транспортной системы газоснабжения г. Мурманск и Мурманской области в части морского транспорта;
2) разработка алгоритма и построение модели снабжения хранилища газа;
3) разработка алгоритма и моделирование эксплуатации судна;
4) построение моделей ветро-волнового режима рассматриваемых морских участков на основе результатов анализа временных рядов погодных условий;
5) интеграция разработанных алгоритмов и моделей в комплексную имитационную транспортную модель;
6) верификация компьютерной имитационной транспортной модели на основе результатов технико-экономического обоснования [49] затрат на обеспечение транспортной системы снабжения сжиженным природным газом г. Мурманск [53].
7) проведение оптимизационного эксперимента на основе комплексной имитационной транспортной модели;
Процесс разработки подхода к созданию имитационной транспортной модели освещен в научных публикациях автора [30], в докладах в рамках участия в Международной научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и перспективы - 2019» [32], а также в ходе проведения научно-технического совета АО «ЦНИИМФ» [48].
Объектом исследования является морская составляющая транспортной системы газоснабжения г. Мурманск. Предметом исследования является имитационное моделирование с использованием средств теории управления запасами, теории систем массового обслуживания и анализа временных рядов.
Работа состоит из 4 разделов, содержит 4 таблицы, 19 рисунков, объем работы составляет 82 страницы.
Для понимания основной части работы ниже будут приведены основные понятия, используемые при описании работы [4].
Бункер - рейсовый запас топлива, воды и моторных масел на судне.
Рейс - законченный процесс перевозки грузов или пассажиров за определенный промежуток времени между географическими пунктами или районами. В т.ч. круговой рейс - рейс между двумя или несколькими портами, при котором судно возвращается в первоначальный порт отправления.
Бункеровка - загрузка транспортных средств топливом, водой и моторными маслами.
Газовоз - судно для перевозки сжиженного газа в цистернах.
Сжиженный природный газ (СПГ) - природный газ, очищенный от примесей и искусственно сжиженный путем охлаждения до -160,4 °C для удобства хранения и транспортировки.
Дедвейт - максимальная масса груза и всех необходимых судовых запасов (топлива, воды, снабжения), которую судно может принять при его погружении по допустимую летнюю грузовую марку в морской воде.
Капитальные расходы - расходы, понесенные предприятием в результате приобретения или модернизации физических активов (в данной работе под физическим активом подразумевается судно). Операционные расходы - повседневные затраты предприятия для ведения бизнеса, для судоходных предприятий - расходы, понесенные предприятием при осуществлении перевозок грузов и пассажиров.
Причал - совокупность сооружений и устройств для стоянки и обслуживания судов, посадки и высадки пассажиров, грузовых операций и т.п.
Рейд - участки акватории, защищенные от сильного волнения, где суда могут стоять на якорях в ожидании разрешения на подход к причалам или на выход из порта.
Швартовка - подтягивание и удержание судна во время стоянки у причала или у борта другого судна с помощью совокупности устройств и приспособлений.
Эксплуатационная скорость хода судна - средняя скорость судна за время эксплуатации внутри одного рейса.
Эксплуатационные расходы по судну - укрупненные статьи затрат по эксплуатации судна, из которых в настоящей работе будут рассматриваться только расходы на содержание экипажа судна и расходы на топливо и смазочные материалы.
Вводятся понятия:
1) технологическая схема - пара, состоящая из используемых типа газовоза и типа плавучего хранилища газа;
2) технологическая линия - совокупность технологической схемы и выбранного маршрута поставок.
С другой стороны, отдельно рассматриваемый научный прогресс привел к созданию целого комплекса приложения математического аппарата к решению проблем, связанных с транспортировкой груза и пассажиров.
Так, в 1781 г. применение инструментов линейного программирования к нахождению минимальных затрат на перевозки выделило целый класс задач, решение которых находится по методу минимального элемента (термин введен Гаспаром Монжем [22]). Далее, спустя несколько столетий, в 1942 г. Леонидом Канторовичем был разработан метод решения транспортных задач, направленный на нахождение оптимального плана перевозок однородного продукта из однородных пунктов производства в однородные пункты потребления. С тех пор решением транспортных задач занимались многие математики. В 1951 г. был разработан метод северо-западного угла Дж.Б. Данцига, в конце 1950-хх гг. - метод дифференциальных рент советских ученых А.Л. Лурье и А.Л. Бруднова, в 1960 г. - метод аппроксимации Р. Фогеля, в 1978 г. - отдельные руководства к решению транспортных задач А.В. Кузнецова.
Предложенные методы оптимизации транспортных систем различных целеполаганий имели существенные ограничения в учете воздействия на исследуемый объект огромного числа динамически меняющихся внутренних и внешних факторов, в т.ч. содержащих стохастическую компоненту. Одним из способов преодоления данных ограничений является проведение экспериментов над исследуемым объектом для получение всей необходимой информации. Однако в большинстве случаев эксперименты над реальными объектами сопровождаются либо колоссальными и не оправдывающими себя затратами, либо высокими рисками для безопасности жизни исследователей. Поэтому в конце XX века экспериментальные методы исследования фокусировались на логико-математической модели исследуемого объекта с применением аналитических и численных методов решения, а применяемый метод математического моделирования стали называть имитационным (simulation modeling - от англ. имитационное моделирование, моделирование основанное на симуляции). Первой задачей имитационного моделирования являлась задача перевозки нефти и нефтепродуктов танкерами [26]. Основной интерес исследователей заключался в учете сложного порядка работы нефтеналивного терминала (внутренних факторов воздействия на работу флота) и в учете погодных условий в районе эксплуатации танкеров (внешних факторов). Данный факт подтверждает неподдельный исследовательский интерес со стороны математического сообщества логистикой морского транспорта.
Актуальность настоящего исследования заключается в следующем. Суда морского транспорта являются высокотехнологичными и дорогостоящими технологическими сооружениями, которые используются в крупных проектах различного назначения. Эксплуатация судов морского транспорта сопровождается высокими затратами, величина которых зависит от продолжительности и структуры времени рейса. На величину эксплуатационных затрат судов морского транспорта оказывают влияния различные внутренние и внешние факторы, учет которых с помощью аналитического моделирования является задачей с высокой (иногда неоправданной) трудоемкостью и низкой гибкостью реализации относительно различных исходных данных проекта. В данном случае применение средств имитационного моделирования позволяет построить логико-математическую модель исследуемого объекта, позволяющую в ходе экспериментов над ней получить необходимую исследователю информацию о возможностях по снижению затрат на реализацию рассматриваемого проекта.
Целью выпускной квалификационной работы является оптимизация проекта морской составляющей транспортной системы снабжения г. Мурманск сжиженным природным газом посредством построения и использования компьютерной имитационной модели.
Задачами выпускной квалификационной работы являются:
1) формулировка критерия качества, представляющего собой совокупные затраты на реализацию проекта транспортной системы газоснабжения г. Мурманск и Мурманской области в части морского транспорта;
2) разработка алгоритма и построение модели снабжения хранилища газа;
3) разработка алгоритма и моделирование эксплуатации судна;
4) построение моделей ветро-волнового режима рассматриваемых морских участков на основе результатов анализа временных рядов погодных условий;
5) интеграция разработанных алгоритмов и моделей в комплексную имитационную транспортную модель;
6) верификация компьютерной имитационной транспортной модели на основе результатов технико-экономического обоснования [49] затрат на обеспечение транспортной системы снабжения сжиженным природным газом г. Мурманск [53].
7) проведение оптимизационного эксперимента на основе комплексной имитационной транспортной модели;
Процесс разработки подхода к созданию имитационной транспортной модели освещен в научных публикациях автора [30], в докладах в рамках участия в Международной научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и перспективы - 2019» [32], а также в ходе проведения научно-технического совета АО «ЦНИИМФ» [48].
Объектом исследования является морская составляющая транспортной системы газоснабжения г. Мурманск. Предметом исследования является имитационное моделирование с использованием средств теории управления запасами, теории систем массового обслуживания и анализа временных рядов.
Работа состоит из 4 разделов, содержит 4 таблицы, 19 рисунков, объем работы составляет 82 страницы.
Для понимания основной части работы ниже будут приведены основные понятия, используемые при описании работы [4].
Бункер - рейсовый запас топлива, воды и моторных масел на судне.
Рейс - законченный процесс перевозки грузов или пассажиров за определенный промежуток времени между географическими пунктами или районами. В т.ч. круговой рейс - рейс между двумя или несколькими портами, при котором судно возвращается в первоначальный порт отправления.
Бункеровка - загрузка транспортных средств топливом, водой и моторными маслами.
Газовоз - судно для перевозки сжиженного газа в цистернах.
Сжиженный природный газ (СПГ) - природный газ, очищенный от примесей и искусственно сжиженный путем охлаждения до -160,4 °C для удобства хранения и транспортировки.
Дедвейт - максимальная масса груза и всех необходимых судовых запасов (топлива, воды, снабжения), которую судно может принять при его погружении по допустимую летнюю грузовую марку в морской воде.
Капитальные расходы - расходы, понесенные предприятием в результате приобретения или модернизации физических активов (в данной работе под физическим активом подразумевается судно). Операционные расходы - повседневные затраты предприятия для ведения бизнеса, для судоходных предприятий - расходы, понесенные предприятием при осуществлении перевозок грузов и пассажиров.
Причал - совокупность сооружений и устройств для стоянки и обслуживания судов, посадки и высадки пассажиров, грузовых операций и т.п.
Рейд - участки акватории, защищенные от сильного волнения, где суда могут стоять на якорях в ожидании разрешения на подход к причалам или на выход из порта.
Швартовка - подтягивание и удержание судна во время стоянки у причала или у борта другого судна с помощью совокупности устройств и приспособлений.
Эксплуатационная скорость хода судна - средняя скорость судна за время эксплуатации внутри одного рейса.
Эксплуатационные расходы по судну - укрупненные статьи затрат по эксплуатации судна, из которых в настоящей работе будут рассматриваться только расходы на содержание экипажа судна и расходы на топливо и смазочные материалы.
Вводятся понятия:
1) технологическая схема - пара, состоящая из используемых типа газовоза и типа плавучего хранилища газа;
2) технологическая линия - совокупность технологической схемы и выбранного маршрута поставок.
Основными результатами выполнения выпускной квалификационной работы, выносимыми на защиту, являются:
1) сформулирован критерий качества, представляющий собой
совокупные затраты на реализацию проекта транспортной системы газоснабжения г. Мурманск и Мурманской области в части морского транспорта;
2) разработан подход к созданию комплексной имитационной модели, описывающей эксплуатацию морского транспорта в системе газоснабжения под влиянием гидрометеорологических условий окружающей среды;
3) созданная на основе разработанного подхода компьютерная имитационная модель верифицирована с помощью сравнительного анализа с результатом проведения ТЭО [49];
4) найден оптимальный (в смысле сформулированного критерия качества) вариант технологической линии для каждого из вариантов потребления СПГ с использованием верифицированной компьютерной имитационной модели.
1) сформулирован критерий качества, представляющий собой
совокупные затраты на реализацию проекта транспортной системы газоснабжения г. Мурманск и Мурманской области в части морского транспорта;
2) разработан подход к созданию комплексной имитационной модели, описывающей эксплуатацию морского транспорта в системе газоснабжения под влиянием гидрометеорологических условий окружающей среды;
3) созданная на основе разработанного подхода компьютерная имитационная модель верифицирована с помощью сравнительного анализа с результатом проведения ТЭО [49];
4) найден оптимальный (в смысле сформулированного критерия качества) вариант технологической линии для каждого из вариантов потребления СПГ с использованием верифицированной компьютерной имитационной модели.