Фото delo-group.com

Происходящие в последнее время геополитические события и протекающие глобальные процессы калейдоскопически меняют рельеф мировой экономики и обслуживающей ее транспортной индустрии. Тектонические изменения направлений мировой торговли меняют шаблоны магистральных и фидерных маршрутов, отключая от грузопотока одни регионы с обслуживающими их портами и требуя реактивного развития портов других регионов.

В полной мере это относится к отечественным портам, которые испытывают на себе особо сильное влияние происходящих изменений в конфигурации грузопотоков. Для адекватного ответа на возникающие глобальные вызовы отечественные порты должны создаваться и модернизироваться, и делать это быстро.

Значительная капиталоемкость реализации любых решений в отношении этих ключевых объектов транспортной инфраструктуры и высокая цена возможных ошибок связывают соответствующие проектные процедуры с крайне высоким риском, который можно исключить лишь при рационально обоснованном и всестороннем анализе возможных вариантов. Однако комплексный характер и размерность связанных с проектированием и развитием порта задач делают этот анализ весьма трудоемким и дорогостоящим.

В то же время впечатляющее развитие информационных технологий, вычислительной техники и теории искусственного интеллекта заставляет искать возможности использования созданного ими научного потенциала в указанной сфере деятельности. В настоящей статье описывается общий подход и некоторые практические результаты, достигнутые в направлении автоматизации технологического проектирования морских контейнерных терминалов.

Ключевые слова: технологическое проектирование портов, контейнерный терминал, имитационное моделирование, сценарное планирование, автоматизация.

Кузнецов А.Л., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»

Семенов А.Д., аспирант, ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»

Digital methods for container terminal design

Recent geopolitical events and ongoing global processes are kaleidoscopically changing the relief of the world economy and the transport industry that serves it. Tectonic changes in the directions of world trade are changing the patterns of trunk and feeder routes, disconnecting some regions with ports serving them from cargo traffic and requiring reactive development of ports in other regions.

This fully applies to domestic ports, which are particularly affected by the ongoing changes in the configuration of cargo flows. In order to adequately respond to emerging global challenges, domestic ports must be created and modernized, and this must be done quickly.

The high capital intensity of the implementation of any solutions related to these key transport infrastructure facilities and the high cost of possible errors bind the relevant design procedures to an extremely high risk, which can only be eliminated with a rationally justified and comprehensive analysis of possible variants. However, the complex nature and dimensionality of the tasks involved in the design and development of the port makes this analysis very time-consuming and expensive.

At the same time, the impressive development of information technologies, computer technology and the theory of artificial intelligence makes it necessary to look for opportunities to use the scientific potential created by them in this field of activity. This article describes the general approach and some practical results achieved in the direction of automation of technological design of marine container terminals.

Keywords: port technological design, container terminal, simulation, scenario planning, automation.

Kuznetsov A., Doctor of Technical Sciences, Professor, FSBEI HE «Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping»;

Semenov A., post-graduate student, FSBEI HE «Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping»

Введение

Большинство моделей развития морских портов, как правило, рассматривают переходы от одного этапа к другому путем специализации входящих в них терминалов и расширения обслуживаемого хинтерлэнда [1-2]. Несмотря на то что данные модели создавались как способ описания общих механизмов развития портов, все они основываются на предположении о непрерывном экономическом развитии региона.

Вместе с тем, экономические кризисы, эпидемии, геополитические противостояния и войны могут существенно сдерживать развитие отдельных регионов. В ряде случаев это приводит к тому, что порты, перешедшие на определенный этап развития, вынуждены отступить назад к предыдущему этапу. Например, специализированному контейнерному терминалу придется вернуться к обработке генеральных или даже навалочных грузов.

В классических моделях обратные переходы между стадиями развития портов, вызванные теми или иными кризисными явлениями, не рассматриваются. Подобная «регрессионная» модель условно показана на рисунке 1.

Рис. 1. Модель развития портов по Ноттебуму и Родриге, дополненная обратным направлением

Для отдельного порта кризисом могут выступать не только перечисленные выше форс-мажорные обстоятельства, но и появление в ближнем побережье сильного конкурента, приводящее к потере грузопотока. Пример кризиса такого рода дает конкуренция между портами Гуанчжоу и Гонконг (рис. 2).

Рис. 2. Изменение контейнеропотоков портов дельты Жемчужной реки [3]

Зеркальное изменение динамики контейнерооборота двух конкурирующих портов заставляет сделать предположение о том, что порты Шеньчжень и Гуанчжоу отнимают грузопотоки контейнерных терминалов Гонконга [4]. В такой ситуации терминалам Гонконга насущно необходимо искать решения для сохранения своего положения или для перехода к новому этапу развития, к новой стратегии. Такое событие можно назвать точкой бифуркации, после которой происходит изменение системы [5].

Примером проявления подобной точки бифуркации в российской портовой отрасли стало изменение контейнерооборота портов за последние несколько лет (рис. 3).

Рис. 3. Изменение контейнерооборота контейнерных терминалов России [6]

При этом резкое изменение контейнерооборота портов Дальнего Востока привело к возникновению значительных проблем в обслуживании судов, проявившихся в образовании очередей на рейде отечественных и зарубежных портов.

Такое влияние кризисов на развитие портов делает актуальным разработку и активное внедрение в практику работы транспортных компаний и правительственных организаций методов сценарного планирования. Эти методы должны основываться на сравнительном анализе большого количества вариантов развития событий на несколько десятилетий вперед, формируя тем самым средство поддержки стратегических решений по развитию транспортной инфраструктуры [8-9].

Подобный подход может применяться еще на стадии формирования бизнес-идеи. Вместе с тем, трудоемкой процедуре сценарного планирования сопутствует не менее трудоемкая процедура проектирования терминала, которая не может с достаточной точностью выполняться для каждого сравниваемого варианта. Разделенность этих процедур во времени и выполнение их для небольшого числа вариантов практически лишают проектировщика и заказчика возможности объективного количественного сравнения репрезентативного числа вариантов событий.

Причиной этому является сложность проектируемого объекта, состоящего из большого количества элементов, для каждого из которых имеется множество вариантов структурных решений. При этом проектные организации, как правило, стремятся принять «оптимальные решения». Однако строгое математическое значение слова «оптимальный» – это «наилучший из всех возможных вариантов» [10]. Как следствие, для принятия оптимального решения необходимо сравнить все возможные варианты всех возможных решений (рис. 4).

Рис. 4. Иллюстрация количества вариантов сравнения

Решение подобной комплексной задачи характеризуется высокой трудоемкостью и временными затратами, обычно выходящими за рамки большинства проектов.

Для того чтобы устранить данное противоречие и предоставить возможность количественно сравнивать различные сценарии работы контейнерного терминала на ранних стадиях планирования, необходимо решить задачу качественного повышения эффективности методов технологического проектирования контейнерных терминалов.

Современный уровень развития компьютерных наук позволяет выдвинуть гипотезу о том, что данная задача может быть решена за счет создания цифрового инструмента, снижающего трудоемкость проектирования контейнерного терминала.

Для решения данной задачи необходимо решить несколько частных задач:

1. провести анализ существующей практики и особенностей проектирования контейнерных терминалов;

2. разработать методы автоматизированного технологического проектирования;

3. разработать алгоритмы автоматической генерации вариантов планов контейнерных терминалов;

4. разработать алгоритм генерации проектной документации.

В данной работе рассматривается общий подход и предлагаются решения перечисленных выше задач.

Методы и материалы

Одной из наиболее трудоемких задач при проектировании является сбор и анализ исходных данных. Для создания терминала, соответствующего условиям рынка, необходимо иметь представление о составе судов, заходящих в порт, о распределении времени их обработки, а также об их технических характеристиках. Технические характеристики судов сложно определить, поскольку в порт может заходить большое количество судов различного типа. Кроме того, порт может проектироваться под суда, которых еще не существует.

Для упрощения поиска подобных данных в разрабатываемом инструментарии предусмотрена база знаний. В ней содержится информация о группе портов, расположенных в отдельных морях, и для каждого порта в отдельности, а также эмпирические зависимости характеристик судов от их дедвейта [11-12]. Такая база знаний позволяет сократить время на поиск информации и сделать его более объективным.

Выбранные исходные данные позволяют выполнить технологические расчеты, являющиеся основой проектирования контейнерного терминала, а также определить его общую планировку [13]. Эти расчеты, как правило, определяют следующие характеристики:

– количество причалов;

– вместимость склада;

– количество подъемно-транс-портного оборудования;

– количество железнодорожных путей;

– количество въездных и выездных ворот;

– состав и численность персонала;

– вместимость склада комплектации;

– количество автомобильных ворот на складе комплектации.

Вместе с тем, в современной практике проектирования морских портов под технологическим проектированием понимается не выполнение расчетов, регламентированных нормативными документами, а скорее проектирование бизнес-процессов и определение необходимого количества требуемых технологических ресурсов.

Именно бизнес-процессы терминала формируют требования к инфраструктуре и суперструктуре, которые необходимы терминалу для выполнения его основных функций. В связи с этим в разрабатываемом инструментарии имеется библиотека типовых бизнес-процессов, выполняемых на контейнерном терминале, интерактивный редактор этих процессов, а также алгоритмы расчета необходимого количества ресурсов, основанных на теории массового обслуживания.

Выполненные технологические расчеты позволяют сгенерировать общую форму контейнерного терминала в виде эскиза, располагаемого на произвольной, свободной от ограничений территории. Пример подобного эскиза приведен на рисунке 5.

Рис. 5. Пример общего вида сгенерированного плана контейнерного терминала

Разработанный эскиз генерального плана используется только на начальных этапах проектирования. На более поздних этапах этот эскиз необходимо переформатировать для размещения на определенной территории, ограниченной естественной формой поверхности, существующими объектами и правами собственности на территорию. В качестве вспомогательного средства для генерации плана терминала в подобных условиях необходимо разработать алгоритм, основанный на методах вычислительной геометрии.

В основе этого алгоритма лежит метод определения конфигурации контейнерной площадки. Для создания вариантов расположения контейнерной площадки в разрабатываемом инструменте предусмотрен интерфейс, в котором пользователь ограничивает территорию расположения контейнерной площадки [14]. На основании выделенных границ выполняется генерация вариантов расположения контейнеров, параллельно каждой линии этой границы (рис. 6).

Рис. 6. Сгенерированные варианты плана контейнерной площадки

Для размещения необходимых зданий и других элементов терминала разработанный алгоритм дополняется методами, основанными на диаграммах Вороного и на методах решения задачи упаковки в рюкзак [15].

После того как позиция терминала была выбрана, необходимо спроектировать подходные каналы, подъездные пути и автомобильные дороги. Для выполнения этих расчетов используются данные о поверхности Земли, публикуемые международными географическими обществами [16]. Пользователь задает точки начала и окончания проектируемого пути, а также промежуточные точки при необходимости. Метод, основанный на волновом алгоритме поиска пути, формирует маршрут, соответствующий выбранной целевой функции: сокращение пути или минимизация расходов (рис. 7).

Рис. 7. Пример сгенерированного плана подходного канала

Представленные алгоритмы позволяют определить общий вид контейнерного терминала на определенной территории.

Результаты

Разработанный план контейнерного терминала должен быть проверен как полноценная система. Необходимо удостовериться, что нет элементов, которые ограничивают пропускную способность терминала. Выполнить эту задачу общим пересмотром решения затруднительно, поскольку такой обзор позволяет выявить лишь некоторые качественные характеристики, но не сравнить их количественно. Вместе с тем, количественное сравнение гораздо проще.

Для того чтобы выполнить такое численное сравнение, необходимо провести имитационное моделирование разработанного проекта терминала. Этот метод позволяет посмотреть, как будет вести себя терминал при том или ином сценарии.

В основе имитационной модели лежат бизнес-процессы, сформулированные на стадии технологического проектирования, и данные о вариации времени выполнения технологических операций, собранные с существующих контейнерных терминалов (рис. 8).

Рис. 8. Пример гистограммы распределения времени выполнения операции

Результатами моделирования являются ключевые показатели эффективности, которых терминал достиг в проводимом эксперименте, а также динамика изменения очередей на каждой операции. Эта информация позволяет определить, какие решения необходимо изменить для повышения эффективности работы терминала. Для этого пользователям необходимо вернуться на несколько шагов назад, чтобы пересмотреть свое решение.

Выполненные расчеты, сформированные планы и разрезы комплектуются в пояснительную записку, которая может быть передана участникам группы, работающей над сценарным планированием, для принятия последующих решений.

Выводы

1. Развитие портов представляет собой нелинейный переход между стадиями развития.

2. Переход от одной стадии к другой связан с появлением кризиса или точки бифуркации.

3. При проектировании контейнерных портов необходимо учитывать различные сценарии последовательностей возникновения точек бифуркации.

4. Для упрощения процедуры проведения сценарного анализа разработан метод цифрового проектирования контейнерных терминалов, в основе которого лежат методы компьютерных наук, методы теории массового обслуживания, вычислительной геометрии и имитационного моделирования.

Список литературы

1. Notteboom T.E., Rodrigue J.P. Port regionalization: towards a new phase in port development // Maritime Policy & Management. – 2005. – Т. 32. – №3. – С. 297-313.

2. Bird J. (1980) Seaports and seaport terminals (London, Hutchinson University Library).

3. Lloyd’s List’s One Hundred Ports. URL: https://lloydslist.com/one-hundred-container-ports-2020/port-data.

4. Loughlin P.H., Pannell C.W. The Port of Hong Kong: past successes, new realities and emerging challenges // FOCUS on Geography. – 2010. – Т. 53. – №2. – С. 50.

5. Галин А.В. Прогнозирование направления развития порта: монография / А.В. Галин – СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, 2016. – 152 с.

6. Global Ports. Reports and results. URL: https://www.globalports.com/en/investors/reports-and-results.

7. MarineTraffic. URL: https://www.marinetraffic.com/en/ais/home/centerx:132.5/centery:42.9/zoom:10 (Дата доступа: 27.09.2022).

8. Cornelius P., Van de Putte A., Romani M. Three decades of scenario planning in Shell // California management review. – 2005. – Т. 48. – №1. – С. 92-109.

9. Vecchiato R. Scenario planning, cognition, and strategic investment decisions in a turbulent environment // Long Range Planning. – 2019. – Т. 52. – №5. – 101865.

10. Rao S.S. Engineering optimization: theory and practice. – John Wiley & Sons, 2019.

11. Lamont-Smith B. et al. PIANC WG235 Oceangoing Ship Data for Port Planning and Design // Ports 2022. – 2022. – С. 428-434.

12. Купцов Николай Владимирович Исследование актуальных размерений балкеров для технологического проектирования морских портов // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. – 2017. – №2 (42). – С. 323-336.

13. СП 350.1326000.2018 Нормы технологического проектирования морских портов. – М.: Стандартинформ, 2018. – I, 226 с.

14. Кузнецов А.Л. Автоматизация расчета пропускной способности терминала на основании данных о границах территории / Кузнецов А.Л., Кириченко А.В., Сампиев А.М., Семенов А.Д. // Морские интеллектуальные технологии. 2023; №2, ч. 1, С. 269-273. https://doi.org/10.37220/MIT.2023.60.2.033.

15. De Berg M. Computational geometry: algorithms and applications. – Springer Science & Business Media, 2000.

16. Кузнецов А.Л. Автоматизация расчетов подходного канала морского порта / Кузнецов А.Л., Кириченко А.В., Стариченков А.Л., Семенов А.Д. // Морские интеллектуальные технологии. 2022; №4, ч. 1, С. 236-240. https://doi.org/10.37220/MIT.2022.58.4.048.

Морские порты №4 (2024)