Проектирование судов

Сомножители формул для Q и з_Dх не являются независимыми друг от друга. Так, з_г может уменьшиться при увеличении х_s. В то же время при увеличении х_s может повыситься з_р, так как быстроходным грузовым судам отдают предпочтение при фрахтовании перед тихоходными, т.е. менее конкурентоспособными.

Проанализированный эксплуатационно-технический критерий пригоден для оценки грузовых судов. Для судов иного назначения могут быть предложены другие критерии. Например, для промысловых судов им может быть годовая производительность судна, выраженная массой добываемой за год продукции.

Все приведенные выше критерии оценки оптимальности судна не учитывают чисто экономических показателей. Однако основными критериями, по которым выбирают оптимальный вариант, являются критерии, связанные со стоимостными характеристиками постройки и эксплуатации судна.

Такая оценка предусматривает сопоставление эффекта, текущих затрат и капитальных вложений. Под капитальными вложениями К понимают стоимость постройки судна (с учетом затрат на проектирование, подготовку и освоение производства). Текущие затраты S (или эксплуатационные расходы) представляют сумму годовых расходов на топливо, заработную плату экипажа, текущий ремонт и пр. Под эффектом понимается годовой объем выполняемой судном работы. Для грузового судна этот объем в натуральном исчислении есть провозная способность Q или, в денежном выражении - годовой доход от эксплуатации судна С.

При проектировании судов оценивают общую (абсолютную) и сравнительную экономическую эффективность судна. Критерием общей эффективности является отношение годовой прибыли к капитальным вложениям

или срок окупаемости капиталовложений

.

Наилучшим из сравниваемых судов является то, которое характеризуется s_mах или t_min.

Критерием сравнительной экономической эффективности является абсолютная величина приведенных затрат S_п, которые представляют собой сумму текущих затрат S, и доли капитальных вложений: S_п = S + k_нормК, где k_норм ? 0,12 - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложении.

Сравнение двух судов, имеющих разные эксплуатационно-технические характеристики по приведенным затратам, может оказаться неубедительным. Поэтому анализируют приведенные затраты, отнесенные к единице величины эксплуатационной характеристики. Для грузовых судов принимают относительные приведенные затраты

.

Оптимизация состава флота и характеристик проектируемых судов

Задачи оптимизации состава флота и характеристик, указываемых в задании на проектирование, включает прогнозирование развития различных типов судов и установление потребности в них. Первая часть задачи решается на основе тенденции развития судостроения, а также предположений по совершенствованию судов традиционных типов или созданию новых.

В общем виде задачу можно сформулировать следующим образом: установить оптимальный в экономическом отношении состав флота обеспечивающий планируемые грузоперевозки при выполнении условий, сопутствующих постройке и эксплуатации судов (при наличии ограничений в части использования существующих судов, возможностей судостроительных предприятий, ограниченности глубин фарватера, размеров партий груза и т.п.).

Будем считать, что тип судна определяется такими характеристиками, как грузоподъемность, грузовместимость, тип и мощность СЭУ (или скорость судна) и другими требованиями технического задания.

Прежде всего, определяют, подбирают и анализируют характеристики: грузопотоков, природно-навигационных условий, морских портов и других элементов береговых служб морского флота.

К характеристикам грузопотоков, прежде всего, относятся: количество и структура подлежащих перевозке грузов, виды плавания, направления, дальность и сезонность перевозок, партионность грузов.

Затем определяют продолжительность навигационного периода на всех направлениях и условия поставок товаров, что необходимо знать для оценки сезонности перевозок. Уточняются количество и размер партий грузов, предъявляемых к перевозкам, и их основные транспортные характеристики, в первую очередь, удельный погрузочный объем.

Таким образом, анализ перспективных грузопотоков позволяет наметить следующие технико-эксплуатационные характеристики будущих судов, способных выполнить запланированные перевозки грузов:

назначение судов и степень их специализации - по номенклатуре грузов;

грузоподъемность - исходя из партионности грузов (т. е. по количеству грузов, подлежащих к отправке одной партией, в адрес одного получателя);

удельную грузовместимость и архитектурно-конструктивный тип - по транспортным характеристикам грузов;

класс Регистра - по району плавания.

Кроме того, определяются и такие существенные для эксплуатационно-экономических расчетов исходные данные, как степень загрузки судов в прямом и обратном направлении и необходимое количество судов каждого типа.

Изучение природно-навигационных условий на направлениях предстоящей работы новых судов необходимо для выявления требований, предъявляемых к их мореходным качествам, а также возможных ограничений, налагаемых на размерения этих судов. При этом определяют вероятные штормовые условия: преобладающие силу и направление ветров, параметры волнения, частоту и продолжительность штормов и ураганов. Выявляют ограничения глубин в прибрежных водах, на подходах к портам и на их акваториях, а также в проливах и каналах. Принимается во внимание габариты шлюзов в каналах. Выявляют колебания глубин в результате приливно-отливных явлений, что существенно для судов докового типа и судов с горизонтальной грузообработкой, а для судов, эксплуатирующихся на внутренних водных путях, изучают характеристики судоходных фарватеров. Особому анализу подлежат условия эксплуатации судов в высоких широтах: уточняют характер ледовых условий, период навигации при самостоятельном плавании и при их плавании за ледоколами.

Характеристики торговых портов включают описание их технический оснащенности, определяющей условия стоянки, грузообработки и обслуживания судов. К ним относятся данные о протяженности, специализации и оснащенности перегрузочным оборудованием причалов, а также о состоянии и размерах акваторий, возможности выполнения перегрузочных операций на рейдах и т.д.

Для обоснования решения вопроса о назначении целесообразной дальности плавания рассматриваемых судов необходимы детальные сведения о размещении и мощности бункеровочных баз, марок и стоимости топлива.

Принимаются во внимание и данные о возможности докования и проведения ремонта судов в районах их эксплуатации.

Необходимость оптимизационных исследований при обосновании развития флота вытекает из очевидных положений о том, что для максимального удешевления строящихся судов, предназначенных для выполнения заданного объема перевозок, желательно сокращение количества их типоразмеров (в пределе - один типоразмер), а для наиболее полного удовлетворения требованиям перевозок - возможно большее количество типоразмеров (в пределе - судно конкретного типоразмера для каждого рейса). Определяющим критерием является максимальная экономическая эффективность всей оптимизируемой транспортной системы, способной выполнить требуемый объем перевозок в планируемом периоде времени.

Оптимизация структуры флота (включающая определение оптимальных характеристик и количества новых судов) возможна в двух постановках:

Выбор необходимого числа судов различных типов осуществляется из заданного множества всех судов, принимаемых к рассмотрению (так называемых судов-претендентов). Данное множество судов-претендентов формируется на начальной стадии решения задачи таким образом, чтобы в нем был представлен весь диапазон возможных значений оптимизируемых характеристик судов. Такая оптимизационная модель называется вариантной.

В число оптимизируемых параметров включаются характеристики и количество судов без предварительного формирования множества судов-претендентов. Такая модель называется непрерывной.

Достоинства моделей вариантного типа заключаются в удобной для обработки форме и автоматической сбалансированности заданной работы (например, объема перевозок) и имеющихся ресурсов. Недостатки вариантной модели заключаются в ограниченности выбора исходных характеристик из предварительно заданных значений. Например, если суда-претенденты имеют дедвейт 10, 25, 50 … тыс. т и, таким образом, в число оптимальных могут войти только указанные значения дедвейта.

Непрерывные модели более гибки в этом отношении, так как оптимальные характеристики определяются непосредственно в ходе решения задачи. Однако использование данной модели затруднено из-за большого числа искомых величин. Уменьшение числа переменных приведет к неверным решениям, что исключает возможность объективной оптимизации.

Чтобы в наибольшей степени использовать достоинства обеих моделей, целесообразно решать оптимизационную задачу в два этапа. На первом, используя вариантную модель, определить принципиальное направление пополнения флота (определить типы новых судов) и сбалансировать заданные объемы перевозок и имеющиеся ресурсы. Так как данная модель учитывает уже имеющиеся суда, в результате решения можно установить объемы грузоперевозок приходящиеся на суда пополнения, которые необходимо построить в планируемый период. На втором этапе для установленного объема и направлений перевозок решается задача определения характеристик новых судов с учетом уточненных эксплуатационных условий. Для этого целесообразно использовать непрерывные модели.

Первый этап. Оптимизация состава флота

При решении задачи первого этапа необходимо распределить заданный объем перевозимых грузов между существующими судами, с учетом их типов, а также установить долю от общего объема перевозок приходящуюся на суда пополнения при выполнении следующих условий и ограничений:

выполнение планируемого объема грузоперевозок;

ограниченности средств и ресурсов на пополнение флота;

возможность использования имеющихся судов;

обеспечение дохода не ниже определенного уровня;

обеспечение требуемой частоты перевозок;

ограничение грузоподъемности судна наибольшей партией груза и допустимой осадкой на конкретной линии;

Формализуют эту задачу следующим образом.

Рассматривается совокупность транспортных судов х_ij с грузоподъемностью Р_i, и скоростью х_i, которые должны обеспечить планируемый объем перевозок Q_j, на каждой j-й линии.

Все рассматриваемые варианты судов обозначают индексами i = 1, 2, …, n, причем индексы i = 1, ..., l относятся к построенным судам, индексы i = 1+1, …, k - к судам, которые будут строиться по ранее разработанным проектам, и индексы i = k + 1, ..., n - к проектируемым судам. В свою очередь линии подразделяются следующим образом: линии с индексами j = 1, …, р относятся к каботажным, линии с индексами j = р + 1, …, s - к экспортно-импортным и линии с индексами j = s + 1, ..., m - к линиям, на которых грузы перевозятся между иностранными портами.

Решение задачи (оптимизационный план) должно удовлетворять следующим условиям:

1. Условие выполнения требуемого объема грузоперевозок

,

где УQ_i - суммарный грузопоток, q_ij - провозоспособность i-го судна на j-й линии.

2. Условие получения планируемого дохода

,

где В - контрольный уровень прибыли, l_ij - прибыль i-го судна при эксплуатации на j-й линии.

3. Условие выполнения частоты грузоотправок

,

где m_j, М_j - минимально и максимально допустимая частота грузоотправок i-го судна на j-й линии, n_ij - число рейсов совершаемых i-м судном на j-й линии.

4. Условие ограничения количества существующих судов привлекаемых к выполнению перевозок

,

где х_i⁰ - общая численность существующих судов.

5. Условие ограничения количества строящихся судов возможностями судостроительных предприятий

,

где х_i^н - количество судов, которые могут быть построены в рассматриваемый период.

6. Условие ограничения количества строящихся судов предельной суммой капиталовложений

,

где К - планируемые капиталовложения.

В качестве критерия оптимизации может быть выбрана либо максимальная прибыль, либо минимальные затраты. Как правило пользуются вторым критерием, поскольку при этом обеспечивается меньшая погрешность расчетов. Аналитически критерий оптимизации записывается в виде выражения

,

где S_ij - приведенные затраты складывающиеся из затрат на эксплуатацию, постройку, отстой и утилизацию судна.

.

Эксплуатационные расходы обусловлены различными сборами, налогами, расходами на топливо, содержание экипажа и т.п.

,

где с_ij - эксплуатационные расходы по i-му судну на j-й линии.

Капитальные вложения зависят от строительной стоимости судна, порядкового номера судна в серии и расходов на проектирование судна

,

где ц_i - коэффициент серийности, k_i - затраты на подготовку производства и освоение серии i-х судов, щ_i - расходы на проектирование i-го судна.

Затраты на отстой судов не участвующих в грузоперевозках (резервных)

,

где u_i - расходы на отстой i-го судна.

Затраты на утилизацию судов выведенных из эксплуатации

,

где у_i - расходы на утилизацию i-го судна.

В ходе решения задачи данного этапа можно определить потребность флота в судах различных типов, сопоставить их с имеющимися в наличие и сделать вывод о потребности в новых судах.

Второй этап. Оптимизация характеристик судов, указываемых в задании на проектирование

На втором этапе устанавливаются оптимальные в экономическом отношении типы заказываемых судов, их количество и, кроме того решается задача уточнения (оптимизации) характеристик судов пополнения с учетом приходящейся на их долю нагрузки и более детальных условий эксплуатационного и производственного характера, влияющих на эффективность флота.

Из решения задачи первого этапа известны направления и объемы перевозок, для обеспечения которых должны быть спроектированы и построены новые суда. Число линий грузоперевозок j будет значительно меньше общего числа линий в задачах первого этапа, так как прирост грузоперевозок в планируемом периоде будет сравнительно невелик по отношению к общему потоку.

Набор (вектор) характеристик, определяющих типоразмер судна обозначим z. Составляющие этого вектора - дедвейт (или грузоподъемность), скорость, грузовместимость и т.д. Будем считать, что существует функция, позволяющая рассчитать эксплуатационные расходы c_j(z), провозную способность q_j(z) и стоимость судов ц_ik_j(z) при различных значениях z.

Задача формулируется следующим образом - определить рациональное число типов судов пополнения, их характеристики и потребное количество судов каждого типа, обеспечивающие минимум приведенных затрат по всем судам пополнения при выполнении:

грузопотоков на линиях, для которых необходимы новые суда;

контрольного уровня дохода;

ограничений средств на пополнение флота;

ограничений на характеристики судов;

ограничений на максимальное число судов с различными характеристиками.

Составим систему уравнений для решения данной задачи.

,

,

,

.

Для решения данной системы необходимо иметь функции c_j(z), q_j(z) и ц_ik_j(z). Для их построения необходимо использовать зависимости, применяемые в практике экономических обоснований. Эти зависимости связывают эксплуатационно-экономические показатели и стоимость судна с составляющими нагрузки, мощностью СЭУ, составом оборудования и т.п., для определения которых необходимо пользоваться расчетными методиками ТПС.