Расчет показателей работы проектируемого угольного терминала - Морские вести России

Расчет показателей работы проектируемого угольного терминала

24.01.2023

Морские порты

Методика расчета показателей работы проектируемых морских экспортных угольных терминалов на основе имитационной модели

Фото: Угольный терминал в порту Усть-Луга/пресс-службы АО «Ростерминалуголь»

В статье сформулированы принципы использования разработанной авторами дискретно-событийной имитационной модели морского экспортного угольного терминала в качестве инструмента для расчета показателей его работы при проектировании. Имитационная модель реализована в среде программного обеспечения Anylogic. Авторами проведены верификация и валидация модели, исследование чувствительности, установлена адекватность, а также изложены результаты проведенной серии имитационных экспериментов.

В свою очередь результаты экспериментов позволили оценивать грузооборот, судооборот и вагонооборот моделируемого терминала с учетом различной интенсивности поступления экспортного угля. На основании полученного опыта моделирования и результатов экспериментов сформулированы принципы методики, ориентированной на расчет показателей работы проектируемых морских угольных терминалов, разработана блок-схема алгоритма указанной методики, базирующейся на имитационной модели. Установлено, что использование разработанной модели и методики возможно при решении как прямой, так и обратной задачи проектирования морских угольных терминалов.

И.А. Русинов, профессор ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова, д.т.н.;

О.И. Мазуренко, доцент ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова;

С.С. Павленко, заместитель начальника отдела ОАО «РЖД», к.т.н.

Характер экспериментов

Для проверки имитационной модели морского экспортного угольного терминала была проведена серия экспериментов с различными значениями исходных данных. В рамках экспериментов разработанная в среде Anylogic имитационная модель конфигурировалась под параметры реальных прототипов – терминала АО «Ростерминалуголь» в порту Усть-Луга и терминалов АО «Дальтрансуголь» и АО «ВаниноТрансУголь» в порту Ванино. Индивидуально настраивались физические размеры модели терминала, количество работающих выгрузочных машин на станции разгрузки вагонов, тип и количество складского перегрузочного оборудования, размер и параметры склада, количество причалов и мощность причальных погрузочных машин. В каждой из 3 серий по 100 прогонов имитационная модель пересчитывалась с новым набором исходных данных для получения апробированных результатов.

По итогам серий экспериментов была получена высокая сходимость результатов работы имитационной модели с реальными статистическими данными показателей работы действующих угольных терминалов за 2019-2021 годы. Это подтвердило валидность и адекватность разработанной модели.

Для оценки степени влияния изменения исходных параметров на результаты моделирования авторами было проведено исследование чувствительности модели на примере конфигурации АО «Ростерминалуголь». По результатам исследования построен график чувствительности, представленный на рисунке 1.

Рис.1. Анализ чувствительности имитационной модели для конфигурации АО «Ростерминалуголь»

На основании полученных данных и оценки графика чувствительности определены параметры, оказывающие наибольшее влияние на изменение итоговых показателей работы модели морского экспортного угольного терминала (в данном случае грузооборота терминала).

Установлено, что наибольшее влияние на динамику итоговых показателей работы модели (грузооборота) оказывает изменение интервала подачи груженых железнодорожных составов под выгрузку на станцию разгрузки вагонов терминала (-30,2% – при максимальном интервале в 120 мин., +19,5% – при минимальном в 10 мин.).

Сильное влияние оказывает изменение эксплуатационной производительности оборудования стакеров-реклаймеров и судопогрузочных машин (-24,7% – при минимальной эксплуатационной производительности в 1500 т/ч, +17,4% – при максимальной в 3000 т/ч). Значительное влияние оказывает тип работающих вагоноопрокидывателей на станции разгрузки вагонов (-12,5% – при одиночном типе, +10,4% – при тандемном), а также количество причалов на моделируемом терминале (-9,5% – при 1 причале, +12,9% – при 2 причалах).

Меньшее влияние оказывает количество работающих вагоноопрокидывателей на станции разгрузки вагонов (-6,9% – при 1 вагоноопрокидывателе, +6,7% – при 2), емкость склада открытого хранения (-5,2% – при минимальной емкости склада в 300 тыс. т, +5,6% – при максимальной емкости в 700 тыс. т), а также грузоподъемность судов (-4,5% – при средней вместимости судна в 50 тыс. т, +4,4% – при средней вместимости в 100 тыс. т). Иные настраиваемые параметры модели значительного влияния на итоговые результаты ее работы не оказывают (влияние < ± 1%).

На основании проведенных экспериментальных исследований ввиду высокой степени сходимости данных, полученных по результатам серий имитационных экспериментов, со статистическими данными реально действующих терминалов за 2019-2021 годы авторами установлена адекватность модели. Также установлено, что разработанная модель угольного терминала сохраняла свою работоспособность и адекватность при изменении исходных параметров. Изменение одного или нескольких исходных параметров в большую или меньшую сторону оказывало прогнозируемое и разумное влияние на динамику итоговых показателей работы терминала, что свидетельствует об устойчивости модели.

Помимо этого, определено, что каждый из исходных показателей моделирования в той или иной степени оказывал влияние на получаемые итоговые результаты, что позволило подтвердить чувствительность модели. Разработанная модель обладает доказанной высокой точностью и степенью соответствия реальным угольным терминалам, что свидетельствует о валидности имитационной модели.

Результаты исследования

После окончания верификации и валидации модели авторами спланирована и проведена серия имитационных экспериментов. При проведении серий имитационных экспериментов была осуществлена индивидуальная конфигурация модели в двух состояниях – с минимальной и максимальной оснащенностью оборудованием и техническими средствами.

Основная цель исследования – установление ценности и пригодности разработанной имитационной компьютерной модели как инструмента поддержки принятия решений при осуществлении проектирования морских экспортных угольных терминалов.

Результатом серий имитационных экспериментов с различными конфигурациями модели стали количес-твенные и качественные показатели, позволившие оценить планируемую производственную деятельность проектируемого терминала, определить узкие места, а также возможные будущие технические и технологические проблемы.

К количественным показателям (отражающим объем работ, проведенных с грузом), определяемым по результатам моделирования, были отнесены следующие:

– пропускная способность тылового железнодорожного грузового фронта (посуточно и за 1 модельный год);

– пропускная способность морского грузового фронта (посуточно и за 1 модельный год);

– грузооборот морского экспортного угольного терминала за 1 модельный год;

– количество выгруженных вагонов на станции разгрузки вагонов терминала – вагонооборот (посуточно и за 1 модельный год);

– количество погруженных судов-балкеров на морском фронте терминала – судооборот (посуточно и за 1 модельный год).

К качественным показателям (отражающим степень и качество использования технических средств и фронтов терминала), определяемым по результатам моделирования, были отнесены следующие:

– коэффициент занятости причала, отражающий качество использования ресурсов терминала по причальному фронту (указанный коэффициент определяется как соотношение суммарного времени, в течение которого причалы терминала были заняты под грузовыми операциями, к общему бюджету времени работы причального фронта;

– коэффициент занятости станции разгрузки вагонов, отражающий затраты и качество использования ресурсов железнодорожного грузового фронта терминала (указанный коэффициент определяется как соотношение суммарного времени, в течение которого станция разгрузки вагонов была занята под грузовыми операциями, к общему бюджету времени работы станции).

Приведенные количественные и качественные показатели работы морского экспортного угольного терминала, получаемые по результатам имитационного моделирования, отобраны в соответствии с международными и отечественными нормативными документами, сводами правил и передовыми научными исследованиями в области проектирования объектов морской транспортной инфраструктуры.

Серии имитационных экспериментов были объединены в 4 группы в зависимости от настраиваемых конфигураций – от минимально технически оснащенного терминала (минимальные инвестиции со стороны заказчика) до максимально оснащенного терминала (максимальный размер инвестиций в будущий терминал). Серия экспериментов состояла из 20 прогонов для каждой из групп. Модельное время прогонов – 1 модельный год (365 суток). Параметры индивидуальной конфигурации модели для различных серий экспериментов представлены в таблице 1.

Табл. 1. Исходные данные для серий имитационных экспериментов

Показатель

I серия

II серия

III серия

IV серия

Эксплуатационная скорость составов на терминале, км/ч

30

40

50

Маневровая скорость ж/д составов на терминале, км/ч

10

15

20

Количество угля в кузовах ж/д вагонов, т

74

Количество вагонов в ж/д составах, шт.

67

Количество вагоноопрокидывателей, шт.

1

2

1

2

Тип вагоноопрокидывателей (1 - одинарный, 2 - тандемный)

1

2

Емкость склада открытого хранения, тыс. т

300

400

500

600

Скорость движения ленточного конвейера, м/с

4,5

Количество стакеров-реклаймеров на складе, шт.

2

3

4

Количество причалов, шт.

1

2

Общая длина причалов терминала, м

300

600

Допустимая осадка судов у причалов, м

14

16

18

Количество судопогрузочных машин на каждом причале, шт.

1

2

1

2

Тип обслуживаемых судов-балкеров

Handymax

Panamax

Panamax

Post-Panamax

Грузоподъемность судов, тыс. т

50-55

55-90

90-100

Эксплуатационная скорость судов-балкеров, уз.

7

7,5

8

I серия

Смоделирован морской экспортный угольный терминал с минимальной технической и технологической оснащенностью, рассчитанный на грузооборот угля <10 млн т/год. Железнодорожный грузовой фронт терминала был оснащен 1 одиночным роторным вагоноопрокидывателем. Эксплуатационная скорость прибывающих железнодорожных составов на терминале = 30 км/ч, маневровая скорость железнодорожных составов на терминале = 10 км/ч. Количество угля в кузовах прибывающих на моделируемый терминал вагонов = 74 т, количество вагонов в составе поездов = 67 шт. Емкость склада открытого хранения = 300 тыс. т. Склад был оснащен двумя комбинированными стакерами-реклаймерами производительностью 3500 т/ч каждый. Скорость движения ленточного конвейера на складе = 4,5 м/с. На терминале был смоделирован 1 глубоководный причал длиной = 300 м и глубиной = 15 м. Морской фронт терминала был оснащен 1 причальной судопогрузочной машиной координатного типа с подъемной неповоротной стрелой производительностью 3500 т/ч. Допустимая осадка судов = 14 м. Тип обслуживаемых на терминале судов-балкеров – Handymax (г/п судов = 50-55 тыс. т). Эксплуатационная скорость судов-балкеров = 7 уз.

II серия

Смоделирован терминал со средним уровнем оснащенности и рассчитанный на грузооборот <15 млн т/год. Железнодорожный грузовой фронт терминала был оснащен 2 одиночными роторными вагоноопрокидывателями. Эксплуатационная скорость прибывающих железнодорожных составов на терминале = 30 км/ч, маневровая скорость железнодорожных составов на терминале = 10 км/ч. Количество угля в кузовах прибывающих на моделируемый терминал вагонов = 74 т, количество вагонов в составе поездов = 67 шт. Емкость склада открытого хранения = 400 тыс. т. Склад был оснащен тремя комбинированными стакерами-реклаймерами производительностью 3500 т/ч каждый. Скорость движения ленточного конвейера на складе = 4,5 м/с. На терминале был смоделирован 1 глубоководный причал общей длиной = 300 м и глубиной = 17 м. Морской фронт терминала был оснащен 2 причальными судопогрузочными машинами координатного типа с подъемными неповоротными стрелами производительностью 3500 т/ч каждая. Допустимая осадка судов = 16 м. Тип обслуживаемых на терминале судов-балкеров – Panamax (г/п судов = 55-90 тыс. т). Эксплуатационная скорость судов-балкеров = 7,5 уз.

III серия

Смоделирован терминал со средним уровнем оснащенности, рассчитанный на грузооборот <20 млн т/год. Железнодорожный грузовой фронт терминала был оснащен 1 тандемным роторным вагоноопрокидывателем. Эксплуатационная скорость прибывающих железнодорожных составов на терминале = 40 км/ч, маневровая скорость железнодорожных составов на терминале = 15 км/ч. Количество угля в кузовах прибывающих на моделируемый терминал вагонов = 74 т, количество вагонов в составе поездов = 67 шт. Емкость склада открытого хранения = 500 тыс. т. Склад был оснащен тремя комбинированными стакерами-реклаймерами производительностью 3500 т/ч каждый. Скорость движения ленточного конвейера на складе = 4,5 м/с. На терминале – 2 глубоководных причала общей длиной = 600 м и глубиной = 17 м с 2 причальными судопогрузочными машинами координатного типа с подъемными неповоротными стрелами (на причале 1 и на причале 2) производительностью 3500 т/ч каждая. Допустимая осадка судов = 16 м. Тип обслуживаемых на терминале судов-балкеров – Panamax (г/п судов = 55-90 тыс. т). Эксплуатационная скорость судов-балкеров = 7,5 уз.

IV серия

Смоделирован терминал с высоким уровнем оснащенности, рассчитанный на грузооборот <30 млн т/год. Железнодорожный грузовой фронт терминала был оснащен 2 тандемными роторными вагоноопрокидывателями. Эксплуатационная скорость прибывающих железнодорожных составов на терминале = 50 км/ч, маневровая скорость железнодорожных составов на терминале = 20 км/ч. Количество угля в кузовах прибывающих на моделируемый терминал вагонов = 74 т, количество вагонов = 67 шт. Емкость склада открытого хранения = 600 тыс. т. Склад был оснащен четырьмя комбинированными стакерами-реклаймерами производительностью 3500 т/ч каждый. Скорость движения ленточного конвейера на складе = 4,5 м/с. На терминале было смоделировано 2 глубоководных причала общей длиной = 600 м и глубиной = 17 м с 4 причальными судопогрузочными машинами координатного типа с подъемными неповоротными стрелами (по две на причале 1 и на причале 2) производительностью 3500 т/ч каждая. Допустимая осадка судов = 18,5 м. Тип обслуживаемых на терминале судов-балкеров – Post-Panamax (г/п судов = 90-100 тыс. т). Эксплуатационная скорость судов-балкеров = 8 уз.

Анализ результатов

Результаты серий экспериментов были проанализированы методами математической статистики для подтверждения пригодности их использования в качестве верифицированных данных для разработанной методики поддержки принятия решений при проектировании подобных транспортных объектов.

Так, по результатам 80 имитационных экспериментов были получены данные о количественных показателях работы моделируемого терминала за 1 модельный год (365 суток). Результаты экспериментов позволили оценивать грузооборот, судооборот и вагонооборот моделируемого терминала с учетом различной интенсивности поступления составов с экспортным грузом угля. Анализ полученных данных методами математической статистики позволил определить зависимость грузооборота морского угольного терминала от интенсивности поступления груза на тыловой грузовой фронт (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость грузооборота терминала от интенсивности поступления груженых составов

Исходя из статистических данных, было определено, что наибольшей пропускной способностью терминал ожидаемо обладает при высоком уровне технической и технологичес-кой оснащенности, рассчитанной на грузооборот <30 млн т/год (IV серия). Максимальная пропускная способность терминала в этом случае составила 29,03 млн т/год. Предела пропускной способности указанная конфигурация модели достигла при интенсивности поступления заявок

λ > 0,8. Перерабатывающая способность терминала указанной конфигурации составила чуть менее 1100 ваг./сут.

Наименьшей пропускной способностью ожидаемо обладает модель угольного терминала с минимальной технической и технологической оснащенностью, рассчитанная на грузооборот угля <10 млн т/год (I серия). Максимальная пропускная способность в таком случае составила 10,98 млн т/год. Предела пропускной способности данная конфигурация модели достигла уже при значительно более низкой интенсивности поступления заявок λ ≥ 0,25. Перерабатывающая способность угольного терминала указанной конфигурации не превышает 400 ваг./сут.

Конфигурация модели со средним уровнем оснащенности, рассчитанная на грузооборот <15 млн т/год (II серия), обладает максимальной пропускной способностью на уровне 15,9 млн т/год. Предела пропускной способности данная конфигурация достигла при λ ≥ 0,5. Перерабатывающая способность терминала указанной конфигурации составляет менее 600 ваг./сут.

Конфигурация модели, рассчитанная на грузооборот <20 млн т/год (III серия), обладает максимальной пропускной способностью 20,46 млн т/год. Предела пропускной способности данная конфигурация достигла при λ ≥ 0,67. Перерабатывающая способность угольного терминала указанной конфигурации составила менее 770 ваг./сут.

Полученные по результатам моделирования статистические данные также позволяют оценить судооборот терминала в 4 различных конфигурациях модели и его зависимость от интенсивности поступления груза сухопутным транспортом (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость судооборота моделируемого терминала от интенсивности поступления груза

Наибольшее значение показателя судооборота достигнуто в IV серии экспериментов – модель обработала 315 судов типа Post-Panamax. Грузоподъемность обработанных судов варьируется от 75 тыс. т до 105 тыс. т. Среднее значение грузоподъемности обработанных в модели судов – 92,6 тыс. т.

Наименьшее значение показателя судооборота – во II серии: 221 судно типа Panamax. Грузоподъемность обработанных судов варьируется от 46 тыс. т до 91,5 тыс. т. Среднее значение грузоподъемности обработанных в модели судов – 68,3 тыс. т.

Средние значения показателя судооборота продемонстрировали I и III серии, 223 судна типа Handymax и 301 судно типа Panamax соответственно. Грузоподъемность обработанных судов в I серии варьируется от 47 тыс. т до 58,5 тыс. т. Среднее значение грузоподъемности – 52,2 тыс. т. Грузоподъемность обработанных судов в III серии варьируется от 66,2 тыс. т до 85,3 тыс. т. Среднее значение грузоподъемности – 75,5 тыс. т.

Данные, полученные по результатам имитационных экспериментов, также дали возможность оценивать такие количественные показатели работы морского терминала, как пропускная способность тылового железнодорожного грузового фронта и пропускная способность морского грузового фронта посуточно и за 1 модельный год (365 суток).

На основании экспериментальных данных для максимального показателя грузооборота IV серии получены плотность вероятности пропускной способности тылового железнодорожного грузового фронта и плотность вероятности пропускной способности морского грузового фронта.

Для моделируемого в IV серии экспериментов терминала с высоким уровнем технической и технологичес-кой оснащенности, рассчитанного на грузооборот <30 млн т/год, при интенсивности поступления заявок λ ≥ 0,8 среднее значение (медиана) показателя пропускной способности тылового фронта – 80735 т/сут., или 3363 т/ч, оптимистичный результат – 81850 т/сут., или 3410 т/ч, – 79620 т/сут., или 3317 т/ч. Среднее значение (медиана) показателя пропускной способности морского фронта моделируемого терминала – 85280 т/сут., или 3553 т/ч, оптимистичный результат – 90210 т/сут., или 3758 т/ч, пессимистичный – 80350 т/сут., или 3347 т/ч.

Экспериментальные данные, полученные по результатам имитационного моделирования, позволили оценивать и качественные показатели работы морского угольного терминала: коэффициент занятости причала – kМГФ, отражающий качество использования ресурсов терминала по причальному фронту (рис. 4), а также коэффициент занятости СРВ – kСРВ, отражающий качество использования ресурсов терминала по железнодорожному фронту (рис. 5).

Рис. 4. Интенсивность поступления груза на тыловой фронт как функция занятости причалов

Рис. 5. Интенсивность поступления груза на тыловой фронт как функция занятости станции разгрузки

Наибольшие значения показателей занятости причалов (>0,8) продемонстрированы в IV серии экспериментов – 0,88 при λIV = 0,87 и во II серии экспериментов – 0,84 при λII = 0,82. Таким образом, высокая степень загрузки станции разгрузки при наличии двух судопогрузочных машин на причале дает возможность активно использовать ресурсы причального фронта.

Сравнительно низкие значения показателя занятости причалов (<0,7) продемонстрированы в I серии экспериментов – 0,58 при λI = 0,25 и в III серии экспериментов – 0,62 при λIII = 0,71, что наглядно продемонстрировало наличие внутренних связей между элементами моделируемого терминала и высокую степень зависимости качества загрузки причального фронта от степени загруженности тылового грузового фронта.

На рис. 5 представлена интенсивность поступления груза на тыловой фронт как функция занятости станции разгрузки вагонов. Полученные результаты и проведенный анализ качественных показателей свидетельствовали о том, что на итоговую пропускную способность морских угольных терминалов ключевое влияние оказывает наличие лимитирующих участков и фронтов.

Так, конфигурации моделей, показывающие наибольшую степень использования причального фронта (II и IV серии экспериментов), продемонстрировали относительно невысокое качество использования тылового грузового фронта. Обратная зависимость обнаружена в конфигурации моделей, показывающих меньшую степень использования причального фронта (I и III серии экспериментов), где степень загрузки тылового грузового фронта и станции разгрузки вагонов близка к максимальным показателям.

На основании полученного опыта моделирования и результатов вышеописанных экспериментов сформулированы базовые подходы и принципы методики, ориентированной на расчет показателей работы проектируемых морских экспортных угольных терминалов и пригодной для использования в качестве инструмента поддержки принятия решений при проектировании морских экспортных угольных терминалов.

Блок-схема алгоритма методики расчета показателей работы проектируемых морских экспортных угольных терминалов, базирующейся на имитационном моделировании, приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Блок-схема методики расчета показателей работы проектируемых морских экспортных угольных терминалов

Основные выводы

Руководствуясь полученными результатами, была экспериментально установлена пригодность разработанной имитационной компьютерной модели для расчета количественных и качес-твенных показателей работы морских экспортных угольных терминалов и их грузовых фронтов, а также доказана пригодность ее использования в качес-

тве инструмента поддержки принятия решений при осуществлении проектирования угольных терминалов.

Помимо этого, сделаны следующие выводы:

1. Имитационная модель дает возможность гибко настраивать практически любую конфигурацию моделируемого терминала, опционально регулируя его структуру, физические параметры, техническую и технологическую оснащенность.

2. Имитационная модель позволяет качественно (в виде набора верифицированных данных) и наглядно (с помощью 3D-визуализации, графиков и диаграмм) оценивать динамику изменения показателей работы моделируемых морских угольных терминалов и их грузовых фронтов.

3. Ключевое влияние на итоговые показатели работы угольных терминалов оказывает интенсивность поступления груза сухопутным транспортом. Высокая интенсивность ведет к бульшим нагрузкам и повышает итоговое качество эксплуатации морских терминалов и их грузовых фронтов.

4. Предела пропускной способности разработанная имитационная модель в максимальной конфигурации достигает при интенсивности λ ≥ 0,8. Максимальная перерабатывающая способность модели терминала – порядка 1100 ваг./сут. Путем дополнительной настройки структуры, физических параметров и оснащенности терминала допускается опциональное увеличение возможностей модели.

5. Элементы и узлы моделируемого терминала в процессе функционирования оказывают значительное перекрестное влияние на динамику и результаты процессов друг друга. В этой связи проведение оценки работы, к примеру морского грузового фронта, без исследования влияния тылового грузового фронта ведет к искажению итоговых результатов.

6. Основная задача склада морских угольных терминалов – выступать буфером между сухопутным и морским транспортом. По результатам моделирования отмечено, что степень использования емкости склада (I серия – 52%, II серия – 57%, III серия – 54%, IV серия – 50%) не превышает 60% во всех экспериментах. Таким образом, обустройство больших складских площадей необходимо исключительно при ожидаемо высоких значениях сроков хранения груза (≥ 15 сут.).

Использование получаемых данных и сведений возможно при решении как прямой, так и обратной задачи проектирования. При прямой постановке задачи получаемая информация позволит инжиниринговым компаниям оценивать необходимые мощности под заказанные инвесторами грузопотоки (в основном при разработке проектных решений относительно строительства новых терминалов), в свою очередь при обратной постановке задачи – позволит оценивать возможные грузопотоки через заданные терминальные мощности (например, при реконструкции и/или модернизации уже существующих терминалов).

Морские порты №8 (2022)

ПАО СКФ
Подписка 2023
SmartPort
НПО Аконит
РОСКОНТРАКТ
6MX
Вакансии в издательстве
Журнал Транспортное дело России
Морвести в ТГ