Фото: Порт Владивосток/ПАО ВМТП

В статье рассматривается подход к проектированию терминала, отдельные этапы которого, включая разработку схемы терминала, дорог и подъездных путей, реализуются с помощью разработанного авторами специализированного программного обеспечения. В его основе – методы дискретной математики. Движущая сила исследования – противоречие, состоящее в стремлении использовать этот инструментарий на различных этапах проектирования терминалов, и отсутствие конкретных алгоритмов их адаптации к выбранной сфере применения.

Представленные программные средства могут быть полезны проектным и консалтинговым компаниям на ранних стадиях проекта.

А. Кузнецов, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО «ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова», гл. научный сотрудник ЦНИП Минстроя

А. Семенов, к.т.н., аналитик, ООО «МИТ-Консалт»

Введение

Экономическое развитие регионов требует строительства новых и реконструкции существующих портов. Каждое такое действие, в соответствии с Градостроительным кодексом, должно осуществляться по предварительно разработанному проекту [1]. Хотя этот шаг в основном связан с достаточно общими представлениями и идеями, он является одним из самых трудоемких этапов реализации и, несомненно, наиболее определяющим. Основная причина высокой трудоемкости заключается в том, что проектирование направлено на разработку в лучшем случае оптимального, но чаще допустимого (рационального) решения.

Основной объем проектной деятельности составляют рутинные технологические расчеты и выпуск эскизных чертежей, выполняемых в соответствии с жесткими требованиями к окончательным чертежам. Прямым путем повышения эффективности является автоматизация и объединение этих процессов таким образом, чтобы полученные результаты оформлялись в виде технических чертежей.

Гипотеза исследования в том, что эффективность процесса проектирования может быть повышена за счет применения формальных математических методов для автоматизации решения большинства типовых проектных задач при проектировании морских портов. Задача статьи – описать подход, основанный на методах дискретной математики и информационных технологий. Основные алгоритмы реализованы в специализированном программном обеспечении. Оно представляет собой новый инструмент повышения эффективности работы проектировщика и позволяет проводить проектные расчеты на ранних стадиях проекта.

Методы и методология

На начальном этапе проектирования (разработка основных техрешений и инвестдекларации) рассматриваются несколько вариантов технологических схем и компоновки морского порта.

Технологическая схема – это вариант механизации с применением различного перегрузочного оборудования [2]. Компоновка порта имеет целью поиск расположения всех его элементов: территории, акватории, водных подходов, железнодорожных и автоподъездов, обеспечивающего их эффективное использование. В соответствии с этим компоновка порта разделяется на компоновку территории и акватории.

Компоновка территории включает зонирование территории, районирование порта, выбор наиболее рациональной конфигурации причальной линии, компоновку отдельных терминалов. Зонирование территории производится в соответствии с функциональным назначением порта и, как правило, включает планировочные зоны: операционную грузовых причалов; производственную терминалов порта; общепортовых объектов и предпортовых зон.

В состав операционной зоны грузовых причалов входят основные производственные сооружения и здания, непосредственно реализующие перегрузочный процесс: причальные сооружения, склады, стационарное перегрузочное оборудование, грузовые фронты железнодорожного и автомобильного транспорта.

Производственная зона терминалов предназначена для размещения объектов вспомогательного и производственного назначения. Она размещается обычно смежно с операционной зоной причалов, но за ее пределами.

Зона общепортовых объектов – для размещения объектов и служб, деятельность которых связана с портом в целом и комплексным обслуживанием судов.

Предпортовая зона служит для размещения тех объектов общепортового назначения и комплексного обслуживания судов, которые нецелесообразно располагать в зоне общепортовых объектов на режимной территории, однако нахождение которых вблизи порта необходимо.

Районирование порта состоит в выделении на его территории грузовых районов, объединяющих морские терминалы соответствующего функционального назначения. Эти терминалы, специализирующиеся на переработке сходных по своим характеристикам грузов, предпочтительно размещать совместно. Кроме того, районирование включает выделение районов, образованных по признаку видов плавания: для приема судов под иностранным флагом, зарегистрированных в одном из реестров судов РФ, совершающих международные рейсы.

При компоновке терминалов используются исходные данные, получаемые как от заказчика, так и от разработчиков других разделов проектной документации. В этот массив информации обычно входит ситуационный план района размещения порта; топографический план земельного участка; градостроительный план земельного участка; план существующего порта (при его расширении или реконструкции); характеристика естественных условий района и площадки строительства (данные инженерно-геодезических, инженерно-геологических, инженер-но-гидрометеорологических изысканий); структура грузооборота и транспортные характеристики груза; расчетные типы и характеристики судов, железнодорожных вагонов и автотранспорта, включая перспективные; типы, количество и размеры объектов терминала; вместимость складов.

Компоновочные решения должны быть представлены на схеме планировочной организации земельного участка порта или терминала (план и разрезы).

Задачи выбора варианта технологической схемы и компоновки порта не являются независимыми и решаемыми последовательно, поскольку они обладают сильной внутренней связью. В любом случае критерии оценки вариантов требуют расчета основных технологических параметров (числа причалов, вместимости складских площадок, длины железнодорожных путей, количества пунктов пропуска, состава и размера парка погрузочно-разгрузочного оборудования, планирование дорог и подъездных путей).

Для любого выбранного варианта проводится проверка реализуемости соответствующего проекта терминала, который также требует детального расчета технологических параметров и становится, таким образом, ключевым звеном процесса проектирования.

Расчет основных технологических параметров является важнейшим инструментом, поскольку на его основе определяются критерии сравнения и формулируются требования ко всем частям терминала, которые проектируются на последующих этапах. В рассматриваемом подходе этот процесс усовершенствован за счет систематизации бизнес-процессов терминала и типов технологических ресурсов. Построенный таким образом типовой бизнес-процесс позволяет определить требования к количеству причалов, вместимости складов, количеству въездных ворот, оборудованию и персоналу, необходимому для функционирования терминала с заданными характеристиками [3-4].

На основе бизнес-процессов формируется имитационная модель, позволяющая рассчитать возможные отклонения каждого параметра терминала. После выполнения расчета пользователь принимает решение по каждому параметру. Расчеты выводятся в отдельные отчеты и электронные таблицы, что позволяет пользователю проверить их корректность.

Полученные на описанном выше этапе результаты позволяют перейти ко второму этапу – компоновки терминала. Действительно, технологические параметры терминала определяют перечень и размеры каждого элемента терминала, включая здания, сооружения и оборудование, что позволяет перейти к процедуре создания схемы расположения этих объектов. Эта задача является одной из самых трудоемких и рутинных, поскольку связана с необходимостью разработки множества вариантов одного и того же терминала в разных местах размещения и с различными ограничениями. Вместе с тем, когда определены размеры, взаимные ограничения на расположение, отступы объектов друг от друга и возможные ограничения терминала, задачу можно приблизительно сформулировать как двумерную задачу упаковки в контейнеры [5]. Эта задача оптимизации рассматривает математический объект, контейнер, в который необходимо поместить несколько других объектов, которые характеризуется своими размерами и стоимостью.

В идеальном случае терминал можно представить в виде набора прямоугольных объектов (рис. 1).

Рис. 1. Пример контейнерного терминала как набора прямоугольных объектов

Каждый прямоугольный объект представлен функциональной зоной (например, складской площадкой, причальной зоной) или зданием. При этом каждый прямоугольный объект состоит из площади, необходимой для реализации его основного назначения, и площади, необходимой для перемещения по этой площади, т.е. смещения (рис. 2).

Рис. 2. Пример представления прямоугольного объекта в терминале

В каждом конкретном случае множество таких объектов должно быть размещено на некоторой ограниченной области. Эта область может быть представлена как выпуклым, так и невыпуклым геометрическим объектом. Однако для упрощения дальнейшего обсуждения будем считать эту область выпуклой. При таком предположении задачу построения плана терминала можно сформулировать в терминах задачи упаковки контейнеров: имея набор объектов определенной ширины и высоты и территорию, ограниченную по ширине и высоте, необходимо построить план расположения объектов внутри территории (рис. 3).

Рис. 3. Пример плана расположения объектов внутри территории

Чтобы минимизировать количество изменений, которые потребуется внести в существующие алгоритмы решения задачи упаковки контейнеров, объем склада груза можно считать переменной величиной. С этой точки зрения, в алгоритм добавлено дополнительное условие для проверки общего объема склада. Если объем склада не удовлетворяет требуемому значению, то план считается невозможным. Для реализации этого необходимо внести изменения в исходные данные для расчета (например, грузооборот или технологию грузовых операций).

Существует несколько алгоритмов решения этой задачи, например First-fit-decreasing, Next-fit-decreasing [6]. Каждый алгоритм, по сути, ориентирован на способы сортировки исходного множества объектов.

Главное преимущество такого подхода заключается в том, что он позволяет не только сгенерировать план терминала, но и планы здания и офисов. Проектирование терминала фактически можно начать не сверху, когда определяется положение различных зон, и затем принимаем решения по внутренней структуре объектов, а снизу: когда сначала проектируется объект, а потом выполняется его размещение на плане. Таким образом, проектирование начинается с каждого офиса, затем каждого здания и, наконец, всего терминала.

Такой переход открывает новую точку зрения на применение подхода к задаче упаковки контейнеров: схема терминала имеет фрактальную структуру, где каждый элемент представлен как контейнер, заполненный более мелкими элементами [7]. Визуализация этой идеи представлена на рис. 4.

Рис. 4. Пример фрактального подхода к проектированию компоновки терминала

С практической точки зрения описанный алгоритм следует применять рекурсивно, начиная с планирования небольших объектов и заканчивая всем терминалом. Далее в статье описывается применение данного подхода к проектированию компоновки терминала.

Прежде чем приступить к планированию грузового терминала, выполняется планирование офиса. Офис требует определенного оборудования, необходимого для выполнения работы сотрудником: стула, стола, лампы, двери, книжной полки. Каждый из этих элементов требует пространства. Это пространство складывается из фактического размера объекта и площади, необходимой для того, чтобы сотрудник мог к нему приблизиться (рис. 5). Типичные расстояния между объектами указаны в различных архитектурных справочниках [8].

Рис. 5. Пример площадей офисных объектов

Таким образом, план офиса можно рассматривать как совокупность зон (рис. 6).

Рис. 6. Пример представления офиса в виде множества прямоугольных зон

Это значит, что, имея схемы бизнес-процессов, описывающие желаемое положение каждого сотрудника относительно друг друга, мы можем определить список необходимых офисов и пространство, которое им необходимо.

Более того, список офисов можно использовать при планировании здания. Каждый офис имеет свое собственное пространство и некоторую свободную площадь, необходимую для того, чтобы люди могли подойти к нему или пройти мимо. Таким образом, эти элементы можно рассматривать так же, как офисную мебель, описанную в предыдущих абзацах. Единственное отличие заключается в том, что в здании также должны быть дополнительные помещения, в частности столовая, туалеты, лестницы, лифты и технические помещения.

Однако каждое из этих зданий можно спроектировать так же, как офис. Необходимо определить, какие бизнес-процессы будут реализованы в этом помещении, сколько человек будет там находиться и какие помещения им необходимы.

Примеры сгенерированного этажа здания представлены на рис. 7.

Рис. 7. Примеры сгенерированных этажей

В то же время, рассматривая офис, мы знали, что он будет одноэтажным, и хотели определить минимально необходимую площадь. Проблема здания в том, что оно может состоять из нескольких этажей. Поэтому задача проектировщика – определить границы здания. Таким образом, требуется инструмент для сравнения эффективности различных вариантов планировки здания.

Рассмотрим применение того же подхода к складской площадке. В частности, чтобы продемонстрировать возможности метода, рассмотрим контейнерную площадку, предназначенную для хранения контейнеров, имеющих свои размеры (рис. 8).

Рис. 8. План контейнера

Контейнеры складируются друг на друга, образуя ряд. Для каждого ряда требуется свободное пространство для безопасного размещения и извлечения контейнера из штабеля (рис. 9).

Рис. 9. План контейнерного ряда

Рис. 10. План контейнерного отсека

Несколько контейнерных площадок образуют контейнерный штабель. Каждый штабель имеет свои границы и требует наличия пространства для подъезда к нему оборудования для обработки контейнеров и транспортных средств (рис. 11).

Рис. 11. План штабеля контейнеров

Несколько штабелей контейнеров образуют контейнерную площадку (рис. 12-13).

Рис. 12. Контейнерная площадка

Рис. 13. План контейнерной площадки

Представленная структура доказывает, что контейнерная площадка также может быть спроектирована с использованием подхода, основанного на задаче фрактальной упаковки контейнеров. Следовательно, предлагаемый подход может быть использован для разработки плана терминала. Сам терминал состоит из зданий, имеющих свои размеры и площадь, необходимые для доступа людей и пожарных; складских площадок, которые, в свою очередь, состоят из собственно складской площади и подъездных путей; и причальной зоны. Характеристики причалов и складской зоны определяются технологическими расчетами, подробно рассмотренными в публикациях [9-10]. Предложенный подход позволяет формировать различные варианты компоновки терминала (рис. 14).

Рис. 14. Пример сгенерированной компоновки терминала

Проверка осуществимости терминала

Предыдущие процедуры генерировали множество вариантов генерального плана терминала. Сравнение их всех было бы утомительным занятием для проектировщика. Поэтому эти варианты следует отсортировать по эффективности и осуществимости. Важно также сделать это численно, чтобы вариант был выбран не только в соответствии с предпочтениями, но и с расчетной эффективностью. Для этого создается геометрическая имитационная модель. Модель учитывает бизнес-процессы, определенные на первом этапе, но также предоставляет информацию о расположении различных объектов на терминале.

Эффективность планировки терминала определяется эффективностью выполняемых им операций. Поэтому для сравнения различных планировок необходимо рассчитать производительность погрузочно-разгрузочного оборудования на каждой операции. С точки зрения планирования терминала эффективность определяется количеством пересечений, возникающих при выполнении оборудованием той или иной операции. Эти пересечения требуют остановки движения оборудования и ожидания освобождения пути. Для расчета влияния пересечений на производительность необходимо рассматривать терминал как совокупность дорог, по которым транспортные средства и оборудование постоянно меняют направления и пункты назначения (рис. 15).

Рис. 15. Пример грузового терминала как совокупности дорог

Движение оборудования определяется схемой маршрута терминала и операциями, на которых в данный момент работает данное оборудование. Схема маршрута определяется схемой терминала и для целей имитационного моделирования представляется в виде графика (рис. 16).

Рис. 16. Пример графической диаграммы терминальных дорог

Вершины на этой диаграмме – это пункты назначения и перекрестки, а ребра – сами дороги. Этот график используется для описания движения транспортного средства при выполнении определенной операции. Таким образом, операция определяется как набор пунктов назначения, например «1-2-3-4-13-14-15-18-21-22-23».

Перемещение оборудования ограничено движением других транспортных средств. Поэтому при моделировании движения оборудования между различными точками терминала необходимо проверить, нет ли препятствий для дальнейшего движения. Один из способов сделать это – задать для каждого оборудования прямоугольный объект в качестве его ограничителя и создавать вектор движения каждый раз, когда оборудование движется в определенную точку (рис. 17).

Рис. 17. Изображение транспортного средства

Затем на каждом шаге моделирования алгоритм должен проверять, есть ли пересечение между вектором текущего транспортного средства и другими (рис. 18-19).

Рис. 18. Пример перекрестка между транспортными средствами № 1

Рис. 19. Пример перекрестка между транспортными средствами № 2

Шаг алгоритма равен определенному времени. Для моделирования грузового терминала этот шаг может быть равен одной минуте.

Результаты имитационного моделирования представлены в виде плотности вероятности времени выполнения операций (рис. 20).

Рис. 20. Пример плотности вероятности времени операции

На графике показана дисперсия времени выполнения операции. Чем больше эта дисперсия, тем хуже схема расположения терминалов. Сравнение графиков плотности вероятности различных схем расположения терминалов позволяет определить, какая из них лучше (рис. 21).

Рис. 21. Пример сравнения схем терминалов

Результатом расчета является отсортированный список схем терминалов. Параметрами сортировки здесь служат среднее значение и стандартное отклонение производительности операций. Геометрическое моделирование позволяет рассчитать данные о времени обслуживания транспортных средств и использовании терминального оборудования, которые затем отображаются пользователю. Пользователь самостоятельно определяет, какие варианты могут быть использованы на следующих этапах проектирования терминала.

Заключение

Описанное программное обеспечение не может заменить проектировщика портов. Однако оно может помочь ему выполнить больше работы за меньшее время. Это ценная функция для проектов на ранних стадиях проектирования, а также в процессе тендеров, когда неизвестно, выиграет ли компания тендер, и еще есть проекты и контракты, которые необходимо выполнить. Это программное обеспечение поможет проектным и консалтинговым компаниям повысить свою конкурентоспособность.

Список литературы

1. Градостроительный кодекс Российской Федерации от 29.12.2004 г. № 190-ФЗ.

2. СП 350.1326000.2018 «Нормы технологического проектирования морских портов».

3. UNCTAD. Port development. A handbook for planners in developing counties. – New York, USA: UNCTAD. – 1985. – 243 p.

4. Thoresen, C. A., et al. Port designer's handbook. – London, UK: ICE Publishing, – 2014. – 607 p.

5. Lodi, Andrea, et al. Two-dimensional bin packing problems. – Paradigms of combinatorial optimization: Problems and new approaches. – 2014. – p. 107-129.

6. De Berg, M. Computational geometry: algorithms and applications. – Springer Science & Business Media, 2000. – 388 p.

7. Mandelbrot, B. B. The fractal geometry of nature. Revised and enlarged edition. – New York. – 1983. – 469 p.

8. Neufert, E., Neufert, P. Architects' data. – John Wiley & Sons. – 2012. – 447 p.

9. PIANC. Design principles for small and medium marine container terminals – PIANC Secrйtariat Gйnйral, Bruxelles. – 2014. – 131 p.

10. Carl, A. Thoresen. Port Designer’s handbook: recommendations and guidelines. – ICE Publishing. – 2014. – 607 p.

 

Морские порты №10 (2025)