THE ROLE OF THE SIMULATION IN THE TECHNOLOGICAL DESIGN ANDPARAMETER ASSESSMENT OF CARGO TERMINALS
Authors:
1.
"LENMORNIIPROEKT" JSC
2.
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Ports and Cargo Terminals)
Russian Federation
Russian Federation
3.
Ltd. «Morstroytechnology»
4.
LLC "Logistics Park" Yanino"
Type:
Article
Pages:
from 100
to 108
Status:
Published
Received:
20.08.2017
Accepted:
25.08.2017
Published:
25.08.2017
Subject area:
UDK 656.613.1
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
functional design, simulation modelling, ports, terminals
Abstract (English):
The paper deals with the technologic design of cargo ports and terminals viewed as an example of a general fuctional design procedure. The goal of the functional design is in syntheses of the structure and parameters of an object enabling it to perform required key functions. In the context of the technologic design of cargo ports and terminals this task demands to provide justification of the structure and parameters of main tecnologic componets of the object: equipment, facilities, buildings, personal. The paper studies the official standrds and norms that impose a problem for the technologic design as an important part of the complex project. The problem is that the technologic design is excluded from the set of basic documents governing the structure and context of the resulting project documentation. On the other hand, actual norms of technologic design place a very strict reglamentation on every technologic sulution, in assumption that it would automatically provide the required complience with the demands for the final result of the design procedure. Such approach is found not only to bring off the results from the optimal solutions, but to put obstacles for using new progressive methods. Consequently, the cistomers develop the mistrust for the results of the design’s results, since they are interested in the final product and not in the procedure of its obtaining. The paper highlights this fact as the main reason why modern non-reglamentated methods are very poorely presented in the practice. In the same time, the modern spectrum of new mathematical tools, first to mention the object-oriented simulation, is very wide, and an exessive experience of the operation of the designed technolodical objects is accumulated. All these demand not for changing of the models used in the technologic design, but for the changing of the technologic design’s model, which is exactly the focus of this paper. Key words: functional design, simulation modelling, ports, terminals.
The paper deals with the technologic design of cargo ports and terminals viewed as an example of a general fuctional design procedure. The goal of the functional design is in syntheses of the structure and parameters of an object enabling it to perform required key functions. In the context of the technologic design of cargo ports and terminals this task demands to provide justification of the structure and parameters of main tecnologic componets of the object: equipment, facilities, buildings, personal. The paper studies the official standrds and norms that impose a problem for the technologic design as an important part of the complex project. The problem is that the technologic design is excluded from the set of basic documents governing the structure and context of the resulting project documentation. On the other hand, actual norms of technologic design place a very strict reglamentation on every technologic sulution, in assumption that it would automatically provide the required complience with the demands for the final result of the design procedure. Such approach is found not only to bring off the results from the optimal solutions, but to put obstacles for using new progressive methods. Consequently, the cistomers develop the mistrust for the results of the design’s results, since they are interested in the final product and not in the procedure of its obtaining. The paper highlights this fact as the main reason why modern non-reglamentated methods are very poorely presented in the practice. In the same time, the modern spectrum of new mathematical tools, first to mention the object-oriented simulation, is very wide, and an exessive experience of the operation of the designed technolodical objects is accumulated. All these demand not for changing of the models used in the technologic design, but for the changing of the technologic design’s model, which is exactly the focus of this paper. Key words: functional design, simulation modelling, ports, terminals.
Keywords:
functional design, simulation modelling, ports, terminals
functional design, simulation modelling, ports, terminals
Введение Технологическое проектирование является функциональным проектированием, имеющим целью создание структуры объекта для эффективного выполнения им заданных основных функций [1-4]. Технологическое функциональное проектирование (далее - технологическое проектирование) грузовых терминалов направлено на обоснование оптимальных параметров и связей основных технологических компонентов объекта - оборудования, зданий, сооружений и персонала. Рассматривая проблему технологического проектирования грузовых (в том числе портовых) терминалов, можно сделать вывод, что с вопросом нормирования этого важного раздела комплексного проектирования со стороны государственных структур в настоящее время складывается парадоксальная ситуация. Технологический раздел проекта является базисным, поскольку представляет собой модель основной производственной функции объекта, и все прочие разделы проекта (как и соответствующие объекты проектирования) являются инфраструктурными, обслуживающими базисный (технологический) компонент. В то же время в Градостроительном кодексе РФ понятие «Технологическое проектирование» отсутствует [5]. Упоминание об этой важной части проекта есть только в постановлении Правительства РФ № 87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию», в разделе проекта «Сведения об инженерном оборудовании…» и, что достаточно символично, по тексту ниже требований, предъявляемых к оборудованию систем канализации [6]. При этом именно проектные технологические процессы формируют требования к прочим разделам проекта, т. е. являются его стартовым этапом, что объективно соответствует требованиям всей направленности процесса информационного обмена в ходе проектирования. При экспертизе технологические объекты рассматриваются на государственном уровне как основной источник опасности. Проблема стандартизации проектных решений В мировой практике существуют два принципа стандартизации (нормирования) технических решений (рис. 1): - регламентация конечного результата при свободе выбора путей достижения такого результата (принцип свободы действий, при том что конечный результат должен удовлетворять перечисленным требованиям); - регламентация пути получения требуемого результата (принцип регламентирования операций, приводящих к нужному результату). Рис. 1. Действия проектировщика по разным принципам регламентации Первый принцип существенно облегчает применение новых подходов, внедрение последних достижений науки, но он усложняет работу инженера, которому нужно самому искать и критически отбирать нужную информацию, обеспечивать конкурентоспособность будущего объекта, иногда даже с некоторым обоснованным риском при применении нового оборудования. Что более важно, он усложняет работу проверяющих, которые должны иметь высокую квалификацию и разностороннюю подготовку. Второй принцип, напротив, упрощает работу инженера и проверяющего, снимая с них ответственность за принимаемые решения, если они соответствуют обязательным требованиям нормативных документов. В то же время он как минимум не стимулирует применение новых подходов, т. к. любое новшество часто входит в противоречие с существующими нормами, что создает проблемы проектировщику и заказчику, если эти нормы носят обязательный характер не только для результата проектирования, но и навязывают подетальный алгоритм процесса проектирования. К сожалению, в старых и в проекте новых норм технологического проектирования морских портов (НТП МП, [7]) заложен именно второй принцип, или регламентация операций. Регламентация операций требует использования при проектировании набора обязательных инструментов, что могло бы быть полезным, если бы это были инструменты современные. Из-за многолетнего отсутствия поддержки прикладной науки эти инструменты больше всего напоминают старый затупившийся топор образца 1978 года [8]. В большинстве своем действующие методики проектирования, рекомендуемые НТП МП, основаны на детерминированных расчетах укрупненных показателей, результаты которых корректируются различными коэффициентами [9-11]. Так, для обоснования коэффициента занятости и количества причалов морского порта использовалась аналитическая модель системы массового обслуживания простейшего (Пуассоновского) потока однородных заявок однородными каналами обслуживания, что сегодня в большинстве случаев не соответствует реальности. Можно отметить, что формальная опора проектировщика на требования НТП МП (т. е. использование простого и безопасного, в смысле его профессиональной ответственности, принципа регламентации пути получения требуемого результата) часто приводит к существенному отклонению показателя реальной мощности проектируемого порта (терминала) от целевых значений. В качестве примера можно привести проект угольного терминала «Дальтрансуголь» в порту Ванино (проектная мощность 12 млн т/год, достигнутая - около 22-23 млн т/год) или проект терминала «Ростерминалуголь» в порту Усть-Луга (проектная мощность 8 млн т/год, достигнутая - около 16 млн т/год). В свою очередь, неожиданный для смежного транспорта запас фактической мощности терминалов, который начал реализовываться на практике, не соответствовал проектным техническим условиям для терминалов от железной дороги и потребовал использования неплановых резервов этого ресурса от железнодорожного транспорта. Безусловно, эти показатели терминалов были достигнуты в ответ на требования рынка экспорта угля и благодаря эффективной работе эксплуатационных служб терминалов, в том числе за счет пересмотра резервов технологии и организации по сравнению с проектными параметрами. В приведенных примерах вскрытая мощность цепи поставок смогла реализоваться за счет наличия скрытых же резервов пропускной способности смежного транспорта. К сожалению, проектные методы НТП МП не позволяли рассматривать более сложные проектные сценарии вскрытия резервов (по принципу «что будет, если»). Как следствие, у заказчиков растет недоверие к результатам технологического проектирования, поскольку их интересует именно его результат (первый принцип), а не способ его получения (второй принцип), но госэкспертизу проектов морских портов это устраивает. Поэтому современные «ненормированные» методы технологического проектирования еще слабо приживаются в практике проектирования. Следует отметить, что уже сегодня анализ этих резервов возможен благодаря существующим математическим методам, имитационному моделированию и накоплению опыта ретроспективного анализа эксплуатации различных транспортно-технологических объектов. Все упомянутые методы имеют свои достоинства и свои недостатки, которые определяют границы их применимости, свои частные цели и достижимую точность результатов. Как следствие, современная методология проектирования может предложить последовательное и согласованное их использование на разных этапах процедуры проектирования. На каждом из этапов предполагается некоторый однородный уровень детализации рассмотрения и объем задач, относящихся к элементам и изучаемым наборам их характеристик. Обсуждение проблемы Методы очередного этапа единой процедуры проектирования, использующие в качестве исходных данных конечные результаты предшествующих этапов, должны учитывать постоянно увеличивающиеся объемы информации, повышающуюся достоверность и возрастающую степень детализации данных о проектируемом объекте. Эти представления монотонно увеличиваются от этапа к этапу проектной процедуры, обычно передаваясь между ними в виде технических заданий, которые в информационном плане представляют собой сконцентрированное содержание всего предшествующего хода проектирования (рис. 2). Как следствие, применимость тех или иных теоретических методов обусловлена необходимостью нахождения определенного баланса между точностью ожидаемых результатов и имеющимися проектными данными, т. е. ограничена достаточно узкими информационно-логическими доменами, сильно коррелирующими с фазами процедуры проектирования. В то же время все указанные методы и их модификации в настоящее время не образуют полный функциональный инструментарий, формирующий единую эффективную платформу методологии технологического проектирования. Причин тому две: во-первых, это разница степени детализации исходных данных и специфичность методов, используемых в научно-исследовательской и проектно-конструкторской деятельности. Во-вторых, это разнородность типов данных и получаемых результатов, не позволяющая объединить их в единую логико-информационную среду поддержки технологического проектирования. Рис. 2. Последовательность использования методов проектирования Разная степень детализации представлений об объекте, рост объема и сложности структуры релевантной информации о нем, многовариантность проектных процедур, увеличение трудоемкости и сложности от стадии к стадии делают создание такого базиса сложной проблемой с теоретической и практической точек зрения. Методы технологического проектирования, составляющие инструментарии каждого из этих этапов, обычно ориентированы на последовательно увеличивающиеся объемы, достоверность и степень детализации данных о проектируемом объекте. Эти представления развиваются от этапа к этапу и обычно передаются между ними в виде технических заданий, опирающихся на сконцентрированное содержание всего предшествующего хода проектирования (табл.). Примерный состав и последовательность методов технологического проектирования перегрузочных терминалов и их элементов Периоды развития проекта Проектный период Строительный, эксплуатационный период Предпроектные проработки, бизнес-планы Проектная документация (проект, экспертиза) Рабочая документация. Авторский надзор. Техническое сопровождение строительства Цель моделирования Получение предварительных технологических показателей для исследования конкурентоспособности и эффективности объекта проектирования. Формирование Задания для последующего проектирования. Исследование технологических показателей для их оптимизации по эксплуатационным критериям, согласованным с заказчиком. Моделирование сценариев работы терминала по принципу «а что, если...» Анализ влияния задержек груза, простоев оборудования и транспорта на мощность терминала при его эксплуатации. Формирование информации для разработки операционной системы управления терминалом Методы технологического проектирования Экспертные оценки по аналогам и укрупненным показателям Статические (аналитические) расчеты Имитационное (в том числе агентное) моделирование Статические (аналитические) расчеты Методы: · стохастические; · теории очередей; · Монте-Карло Имитационное и агентное моделирование на моделях-аналогах (прототипах) Имитационное (в том числе агентное) моделирование Процедура проектирования во многих случаях выполняется различными организациями и специалистами. Концентрированный формат представлений об объекте, развитых предшествующими участниками (и даже подробные отчеты о проведенных работах), не отражают всей полноты картины, поскольку многие важные методические предположения, сделанные при расчетах допущения, рассмотренные и отсеченные варианты, частные критерии, не выражаемые формальными средствами опыт и интуиция проектировщиков в результирующем техническом задании отсутствуют. Появление на поздних стадиях проектирования новых обстоятельств очень часто требует внесения изменений в текущий проект. Сделанные с учетом новых внешних требований, но не учитывающие границы применимости всего выполненного ранее объема технико-экономических решений, подобные изменения могут привести к полной утрате обоснованности проекта, поскольку де-факто могут выводить параметры проектируемого объекта за границы допустимых областей, принятых на ранних стадиях. Дополнительную сложность процедуре проектирования придает существующий сегодня административно-правовой базис, который всеми участниками транспортной деятельности признается не соответствующим современным требованиям и требующим существенных изменений и дополнений. В первую очередь это касается проектов новых норм технологического проектирования портов, терминалов и иных центров грузораспределения. В значительной мере деятельность по созданию новых норм технологического проектирования должна основываться на систематизированном анализе данных, касающихся наиболее успешных реализованных проектов, в виде справочной информации. В то же время должно широко использоваться математическое моделирование, представленное спектром методик, от простых графоаналитических до агентных объектно-ориентированных. Эти же методики впоследствии должны будут составить научно-методическое сопровождение процедуры проектирования. Формальным образом процедура проектирования может быть определена как последовательность преобразования входных параметров X в выходные Y. Содержанием начального этапа F0 является преобразование требований исходного технического задания X0 в промежуточные выходные параметры Y0 = F0 (X0). На каждом следующем этапе проектирования новые входные параметры Xk формируются из выходных параметров предшествующего этапа Yk-1, дополненных внешними уточняющими параметрами Zk, характеризующими данный этап . Таким образом, процедура проектирования описывается транспозицией преобразований вида (рис. 3). Рис. 3. Стадии проектирования как процесс преобразования параметров Вся процедура должна рассматриваться как единый развивающийся процесс: и строиться на основе столь же последовательного и непротиворечивого методического базиса. Вся процедура проектирования связана: 1. с непрерывной оценкой сложившейся ситуации на основе сбора и обработки релевантной информации; 2. принятием решения о наиболее целесообразных действиях; 3. исполнением принятого решения. По этим причинам процедура проектирования методологически относится к многошаговым процессам принятия решений с динамическими адаптивными процессами управления. Наконец, несмотря на фиксированность определенных стадий, важность для практики самого конечного состояния, а не движения к нему делает проектирование задачей динамического адаптивного управления конечным состоянием. Каждое преобразование вида , описывающее ту или иную стадию проектирования, связано с необходимостью использования определенной совокупности ресурсов Rk, а именно . Этот выбор сводится к последовательности частных оптимизационных задач Выбор последовательности α, β, …, ω определяется внешними требованиями, существенно влияющими на получаемые результаты, а потому относится к вопросу управления процедурой проектирования. Этот процесс связан с определенными ограничениями, ресурсными и методологическими (т. е. ограничениями первого и второго рода). Способ управления, удовлетворяющий всем ограничениям и минимизирующий критерий качества управления (иными словами, поиск оптимального управления процессом технологического проектирования), следует искать в форме единого методического и алгоритмического базиса, реализованного в одной программно-методической среде. Обсуждение результатов Развитие современных методов вычислений (параллельные процессы), достижения дисциплин дискретной математики и кибернетики, прикладные аспекты информационных систем привели к появлению на рубеже ХХ-ХХI вв. новой технологии создания программных средств - интегрированных системных платформ, объединяющих теоретические и методологические возможности разных технологий создания программного обеспечения. Успех или неудача проведения имитационных экспериментов с моделями сложных систем существенным образом зависят от инструментальных средств, используемых для моделирования, т. е. набора аппаратно-программных средств, предоставляемых пользователю-разработчику или пользователю-исследователю машинной модели. В конце ХХ в. теоретические работы в области искусственного интеллекта вылились в создание практических средств моделирования нового поколения - агентного имитационного моделирования, применимого для изучения процессов самой различной природы. Этот подход позволяет со сколь угодно высокой точностью получать оценку выходных проектных параметров моделируемого объекта. С этой точки зрения использовать агентное имитационное моделирование для целей технологического проектирования представляется весьма перспективным. В то же время создание качественных моделей процессов характеризуется высокой трудоемкостью. Проектирование, особенно на начальных и средних стадиях, отличается высокой изменчивостью данных и многовариантностью, что приводит к мультипликативному росту затрат на проект с ростом точности модели. С другой стороны, агентную имитационную модель можно рассматривать как первый шаг на пути разработки и исследования системы управления терминалом, функциональным прототипом которой она и является. Создание агентной имитационной модели требует детального описания всех логистических процессов, выполняемых на терминале при обслуживании различных видов транспорта и промежуточных операций с грузом. Именно это обстоятельство создает методологическую трудоемкость создания модели и проблемы с внесением изменений в нее, столь характерную для технологического проектирования. Выводы 1. Нормы технологического проектирования (включая НТП МП) объективно не могут содержать новых конкурентоспособных технологических решений, т. к. они всегда будут опираться на аналоги из прошлого опыта проектирования, строительства и эксплуатации портов. 2. Нормы технологического проектирования должны регламентировать в качестве обязательных только правила проектирования опасных технологических объектов и процессов для минимизации техногенных рисков, не ограничивая свободу и инициативу заказчиков и проектировщиков в создании конкурентоспособного технологического профиля объекта. 3. Перспективным направлением для исследования и обоснования технологических параметров порта (терминала) является агентное имитационное моделирование. 4. Создание качественной агентной имитационной модели проектируемого порта (терминала) характеризуется высокой трудоемкостью, особенно на завершающей стадии проектирования, которая, как правило, должна выполняться в соответствии с договорными обязательствами между проектировщиком и заказчиком. 5. Целесообразным направлением применения агентного моделирования для исследования и обоснования технологических параметров проекта может быть создание взаимосвязанной системы моделей, развивающейся этапами от предварительных стадий проектирования до стадии сдачи проекта на экспертизу (или получения разрешения на строительство). 6. В проектной документации для экспертизы возможно представление выходных показателей проекта по результатам моделирования, согласованным заказчиком. 7. Описание модели для технологического проектирования, ее методического, программного и др. видов обеспечения должно быть представлено в виде стандарта предприятия (проектировщика), имеющего достаточный квалификационный потенциал.
1. ISO/IEC/IEEE 24765:2010. Systems and software engineering. Vocabulary. 2010. URL: https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso-iec-ieee:24765:ed-1:v1:en
2. GOST R ISO/MEK 15288-2008. Sistemnaya inzheneriya. Processy zhiznennogo cikla sistem. 2008.
3. Kossiakoff A., Sweet W. N., Seymour S. J., Biemer S. M. Systems Engineering Principles and Practice. Hoboken, New Jersey: A John Wiley & Sons, 2011. 599 p.
4. Pyster A., Olwell D., Hutchison N., Enck S., Anthony J., Henry D., Squires A. (eds). Guide to the Systems Engineering Body of Knowledge (SEBoK) version 1.0. Hoboken, New Jersey: The Trustees of the Stevens Institute of Technology, 2012.
5. Gradostroitel'nyy kodeks Rossiyskoy Federacii ot 29 dekabrya 2004 g. № 190-FZ (red. ot 18.06.2017). URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_51040/.
6. O sostave razdelov proektnoy dokumentacii i trebovaniyah k ih soderzhaniyu: Postanovlenie Pravitel'stva RF ot 16 fevralya 2008 g. № 87 (red. ot 28.04.2017). URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_75048/.
7. RD 31.3.05-97. Normy tehnologicheskogo proektirovaniya morskih portov. M.: Mintrans RF, 1997.
8. RD 31.31.37-78. Normy tehnologicheskogo proektirovaniya morskih portov. M.: Minmorflot, 1977; 1978.
9. Kuznecov A. L., Galin A. V. Metodicheskie principy upravleniya razvitiem sovremennogo morskogo porta // Vestn. Gos. un-ta mor. i rechn. transporta im. adm. S. O. Makarova. 2016. Vyp. 4 (38). C. 43-50.
10. Kuznecov A. L., Kitikov A. N., Rusinov I. A. Raschet morskogo fronta metodami teorii massovogo obsluzhivaniya // Ekspluataciya morskogo transporta: ezhekvart. sb. nauchn. st. 2013. № 2 (72). S. 3-6.
11. Kirichenko A. V., Kuznecov A. L., Davydenko A. A. i dr. Morskaya konteynernaya transportno-tehnologicheskaya sistema: monogr. SPb.: Izd-vo MANEB, 2017. 320 s.
