Разработка теоретических основ и практических методов оптимизации количественного и качественного состава флота судов обслуживания морских буровых установок

В качестве основы стабильности российской экономики признается на данный момент богатство России природными ресурсами, что подвигает российские судостроительные предприятия ориентироваться на реализацию заказов, так или иначе связанных с морской добычей углеводородного сырья.

Рост морской нефтедобычи в мире в настоящее время более чем в 5 раз превышает рост на суше, доля морской нефтедобычи в мировом балансе увеличилась с 8% в 1960 г до 40% в 2005 г [17], а к 2020 году по некоторым прогнозам должна составить 65%.

Одновременно дефицит углеводородного сырья и стремительный рост цен на продукцию нефтегазовой промышленности также будут способствовать активизации работ по бурению новых скважин, строительству новых морских добывающих платформ и совершенствованию всего комплекса технических средств морской нефтеи газодобычи. С 2010 г. спрос на новые морские буровые установки (МБУ) может достигнуть 30−40 единиц в год при том, что стоимость буровой установки может составлять более $ 300 млн.

Поскольку нефть и газ как сейчас, так и в обозримом будущем могут рассматриваться как перспективные источники реальных доходов, а все связанное с добычей — как объект высокой рентабельности, то, востребованность на рынке морских буровых установок и комплекса обслуживающих судов очевидны. В Федеральной целевой программе «Развитие гражданской морской техники на 2009 — 2016 годы», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации № 103 21 февраля 2008 г, отмечается, что одной из основных ниш для российского судостроения в ближайшие и более отдаленные годы будет создание технических средств освоения богатейших месторождений углеводородов на континентальном шельфе замерзающих морей Арктики и Дальнего Востока.

Создание морских комплексов по добыче углеводородного сырья, состоящих из добывающих и добывающе-перерабатывающих сооружений, судов обеспечения, а также транспортных судов, явится важной сферой деятельности судостроения и судоходства будущего.

Приобретение такой морской техники может проходить различными путями. Один из таких путей, по которому часто идут в настоящее время эксплуатирующие организации — удовлетворение возникающих потребностей путем создания или переоборудования объектов и судов, решающих конкретную задачу. Обслуживающий флот, формируемый по этой модели, часто оказывается нерациональным по составу, и нередко процесс формирования обслуживающего флота растягивается на весь срок эксплуатации месторождений.

Очевидно, что дополнительные исследования по обоснованию и оптимизации состава технических средств добычи углеводородного сырья на шельфе, характеризующихся высокой стоимостью, безусловно, актуальны.

Необходимо отметить, что в отечественной практике до настоящего времени не существовало общепризнанных методов формирования или проектирования обслуживающих флотов. Преимущества комплексного проектирования морской техники для конкретных МБУ очевидны, т.к. в этом случае появляется возможность заранее определять требуемые типы обслуживающих судов, оптимизируя обслуживающий флот по составу, минимизируя затраты на их создание и эксплуатацию. При таком подходе возникает также возможность оценки ряда вариантов состава обслуживающего флота, что весьма важно, поскольку проблема обслуживания морских буровых установок должна решаться исходя из общей эффективности работы флота, а не отдельных судов.

Несмотря на спрос на рынке, в настоящее время отечественные судостроители оказались еще перед одной серьезной проблемой. Дороговизна рабочей силы, невыгодные с финансовой точки зрения условия размещения заказов и постоянные срывы сроков выполнения заказов ставят наши предприятия в затруднительное положение. Эта ситуация назревала на протяжении уже многих лет и сейчас в условиях международной конкуренции, которая ужесточается год от года, необходимыми условиями выживания и успешной работы судостроительной отрасли России на мировом рынке видятся:

• Значительное уменьшение себестоимости проектирования и постройки за счет снижения их трудоемкости (в 2−3 раза);

• Уменьшение сроков создания судов (в 1,5—2 раза).

Этого можно достичь, например, путем реконструкции судостроительных предприятий, переводя их на новый уровень технической оснащенности, делая предприятия узкоспециализированными. Указанный путь широко обсуждался в 1997 году. Разрабатываемый в то время проект «Верфи Санкт-Петербурга» имел своей целью создание нового судостроительного завода, оснащенного по последнему слову техники, на территории ОАО «Северная верфь» и ликвидацию ОАО «Балтийский завод» и ФГУП «Адмиралтейские верфи», а также передачу занимаемых ими земельных участков в аренду. Экономическая выгода определенно существовала, однако вероятность полной потери судостроительной отрасли в Санкт-Петербурге была столь велика, что об этом проекте на некоторое время решили забыть.

Глобальная модернизация оборудования на судостроительных заводах не приобрела и не будет носить массовый характер, и, в данном случае, финансовые средства хоть и являются одним из первостепенных факторов, но не определяющим. Модернизация оборудования является необходимой основой стабильного бизнеса, но проходить она должна постепенно, чтоб не влиять на рабочий установившийся процесс и затраты на нее должны равномерно распределяться во времени. При постепенной модернизации, однако, невозможен резкий переход на приемлемые показатели сроков и трудоемкости постройки продукции.

Другим путем сокращения трудоемкости и сроков создания морской техники является ускорение процесса проектирования, что может достигаться различными путями. Для одновременного сокращения трудоемкости и сроков создания судов очевиден один путь — это автоматизация отдельных технических процессов проектирования. При этом необходимо понимать, что только лишь автоматизация проектирования не приведет к троекратному снижению трудоемкости и двукратному снижению сроков создания судов, однако это одна из самых действенных мер и простых с точки зрения внедрения на производство.

Для достижения конкурентоспособности на мировом рынке российскому судостроению необходимо внедрять самые передовые технические достижения, потому что практика применения годами апробированного иностранными конкурентами оборудования и программного обеспечения не может вывести Россию на лидирующие позиции. Внедрение последних достижений науки и техники опять-таки упирается в вопрос ограниченного финансирования.

Для использования судостроительной отрасли на данный момент предлагается программное обеспечение различного уровня и сложности. За рубежом разработаны программные пакеты, позволяющие реализовывать процесс проектирования таким образом, чтобы одновременно вовлекались все участники проектирования, а вносимые изменения сразу были бы видны.

В нашей стране в судостроении наибольшее распространение получили системы Tribon и Foran, а для «ручного» черчения AutoCAD и Компас.

Важно отметить, что перечисленные программные продукты становятся полезны уже после того, как появляется общий образ судна, когда уже известны предварительные параметры проектируемого объекта.

Разработка проектов судов чаще всего начинается с подбора прототипа. Этот подход останется актуальным в отрасли еще на долгое время, но он уже не обеспечивает потребности в оперативности проектирования. Ситуация усугубляется также тем, что в 90-е годы прошлого столетия произошла потеря связи поколений инженеров в судостроительной отрасли, когда отрасль не получала пополнения из молодых кадров, т. е. опыт старшего поколения было попросту некому передавать. Судостроение за это время частично потеряло способность оперативного эскизного проектирования и до настоящего момента не смогло восполнить этот провал.

Путем решения указанных проблем с наименьшими затратами в российской действительности может состоять в создании и использовании новых методов проектирования, а также разработка собственных программных продуктов, автоматизирующих процесс проектирования, которые реально способствовали бы принятию решений инженерами на всех стадиях проектирования, ускоряющих этот процесс и упрощающих его.

Целью предлагаемой диссертационной работы является разработка теоретических основ и создание практических методов для формирования и оптимизации количественного и качественного состава флота, обслуживающего добычу углеводородного сырья на шельфе, а также для предварительного определения характеристик входящих в этот флот судов, в обеспечение чего подлежали решению вопросы:

S определения необходимого количества судов различных типов, для конкретного месторождения;

S целесообразности использования в составе флота многофункциональных судов и определения оптимальной степени их универсализации;

•S выбора критерия оптимизации;

•S определения основных элементов и характеристик судов входящих в обслуживающий морские буровые установки (МБУ) флот.

Рассматриваемый обслуживающий МБУ флот может иметь в своем составе следующие типы судов: буксиры, ледоколы, суда снабжения, спасательные и пожарные суда,.

Базой для выполнения поставленных целей является проведение комплексного исследования опыта постройки, проектирования и эксплуатации судов, участвующих в обслуживании морских буровых установок.

В работе предлагается метод ускорения проектирования обслуживающего флота, который алгоритмизирует процесс на начальной стадии, когда необходимо определить состав флота и получить основные характеристики создаваемых судов.

Разработанный в диссертации метод формирования флота решает сразу несколько проблем проектирования на начальной стадии: позволяет материализовывать «идею» проектных решений судов обслуживающего флота (СОФ) в предварительные технические задания, проектировать оптимальный с финансовой точки зрения обслуживающий флот. При этом значения основных характеристик входящих в него судов предполагается уточнять в процессе дальнейшего проектирования.

В работе рассматриваются две задачи проектирования — внешняя и внутренняя. Во внешней задаче решаются вопросы определения и оптимизации состава обслуживающего флота, целесообразности создания многофункциональных судов обслуживания и определения основных технико-эксплуатационных характеристик судов, включаемых в техническое задание. Во внутренней задаче устанавливаются и анализируются связи между основными элементами и характеристиками судов рассматриваемых типов, требования к ним, а также особенности проектирования судов этих типов.

Были собраны данные по судам рассматриваемых типов (построенным, в основном, за два последних десятилетия). Созданная база данных в первом приближении позволила осуществлять выбор элементов судна рассматриваемого типа судов по величине целевого эксплуатационного показателя (ЦЭП). Под ЦЭП судна здесь подразумевается характеристика судна, величина которой напрямую влияет на выполнение им основной функциональной задачи и количественно характеризует ее. В результате для проектируемого судна могут быть установлены основные размерения, коэффициенты формы корпуса, а также мощность энергетической установки. Далее для судна может быть оценена стоимость постройки и величина эксплуатационных расходов, которые пересчитываются на интересующий момент времени с учетом инфляции и прочих экономических факторов.

Метод предусматривает, что состав обслуживающего флота может быть различным и по количеству, и по номенклатуре судов. При этом заложена возможность определения оптимального состава флота. Необходимо отметить, что предусмотрена опция использования многофункциональных судов, и это также учитывается при оптимизации флота.

Научная достоверность полученных в работе результатов базируется на использовании в работе традиционных для проектирования судов методов исследований. Теоретической и методологической основой данной научной работы послужили теория корабля и теория проектирования судов. При формулировке и решении задач формирования и оптимизации состава обслуживающего флота использован аппарат теории массового обслуживания, линейного программирования, а также методов имитационного и аппроксимационного моделирования. В исследованиях технико-экономических параметров флота использовались аппарат интерполяционного анализа, теория сложных систем и методы экономической теории.

Анализировались доступные статистические материалы технических проектов судов прототипов, проработки, и техническая документация конструкторских бюро отрасли, а также данные, накопленные эксплуатирующими организациями.

В ходе работы выполнены:

1. Анализ технико-эксплуатационных требований к отдельным судам рассматриваемых типов, производимый на основании имеющихся отечественных и зарубежных статистических данных по морским буровым установкам и обслуживающим их судам;

2. Систематизация данных по существующим прототипам рассматриваемых типов судов и исследованием проблемы их многофункциональности;

3. Анализ особенностей проектирования комплекса СОФ;

4. Анализ стоимости постройки отдельных специализированных судов вспомогательного флота и многофункциональных судов обслуживания;

5. Сбор и анализ информации о стоимости эксплуатации рассматриваемых типов судов.

Относительно разработанности проблемы, исследуемой в диссертации, можно сказать, что существует достаточно большое количество работ, рассматривающих вопросы проектирования отдельных типов судов, однако работ по тематике проектирования флота судов для обслуживания МБУ обнаружить удалось единицы, не говоря уже об оптимизации подобного флота.

Основы теории проектирования судов развиты такими учеными как, например, Ф. Г. Чапман, Л. П. Эйлер, М. М. Окунев, Ж. О. Норман. Крупным вкладом в развитие теории проектирования судов позднее стали работы И. Г. Бубнова, К. П. Боклевского и B.JI. Поздюнина.

В дальнейшем исследования по теории проектирования судов были обобщены и развиты JI.M. Ногидом [83], [84], В. В. Ашиком [11], А. В. Бронниковым [21], [22], [23], [24]. Они не только подытожили опыт проектирования гражданских транспортных судов, но сформулировали концептуальные проблемы внутренней и внешней задач проектирования, ими впервые в законченном виде представлены основы методологии проектирования судов и кораблей. В их работах содержится большое количество теоретического материала, который до настоящего времени актуален.

Много работ было посвящено особенностям проектирования различных типов судов, в том числе и рассматриваемых в диссертации типов. Так проектирование буксиров, буксирных устройств и эксплуатация этого типа судов рассмотрены в работах Б. В. Богданова, А. В. Слуцкого [13], В. Ф. Сидорченко [112] и М. И. Спитковского [117].

Книга М. И. Спитковского [117] посвящена вопросам проектирования ряда типов судов, рассматриваемых в диссертации, описанию их устройств и архитектурно-конструктивных особенностей. К описываемым в книге типам, в том числе относятся буксиры, ледоколы и аварийно-спасательный суда. Эти типы судов, естественно, рассматриваются не во взаимодействии, а отдельно, поскольку именно описание проектирования каждого типа судов и являлось одной из приоритетных задач данного труда.

Описания методов выбора основных элементов ледоколов, эволюции проектных решений, вопросов ледовой ходкости судов приведены в исследованиях В. И. Каштеляна [56],[57], Б. П. Ионова [53], А. Н. Стефановича [118], Л.Г.Цоя[73], [131], [132].

Исследования Ионова Б. П. и Грамузова Е. М. [53] посвящены современным методам расчета ледовой ходкости и проектирования формы корпуса ледовых судов. В книге описаны результаты натурных исследований и исследований в ледовом бассейне, рассмотрены проблемы поворотливости ледоколов в различных условиях их работы.

Большую ценность имеют работы Л. Г. Цоя, который тесно сотрудничает с проектантами, судостроителями и эксплуатационниками ледоколов. В его книге [132], в частности, дана классификация ледоколов в зависимости от их назначения и индивидуальных признаков. На основе многолетнего опыта и исследований им сформулированы широко известные рекомендации по выбору рациональных параметров формы корпуса, оценке ледопроходимости и потребной мощности энергетической установки ледоколов.

Особенности проектирования аварийно-спасательного флота и проектные основы определения характеристик таких судов обобщены в работах А. Н. Гуровича, А. А. Родионова [40], и В. Ф. Сидорченко [113].

Созданию судов снабжения в нашей стране уделялось не такое пристальное внимание, как упомянутым выше типам судов, однако и по этой тематике также велись работы. Так в исследованиях О. И. Лисагора, Ю. Н. Семенова [66], [67], П. К. Мелехова [79], И. П. Очевой [88] анализируются этапы развития, архитектурно-конструктивные особенности судов снабжения, характерные величины соотношений размерений и коэффициентов формы корпуса, характеристики судовых устройств, а также схемы и условия эксплуатации судов.

Базируясь на отечественном и зарубежном опыте, упомянутые работы достаточно полно раскрывают процесс проектирования судов, однако для осуществления проектирования и определения элементов по приводимым в них методикам необходимо наличие большого объема исходной информации, которая, как правило, недоступна на стадии начала разработки проекта.

Проектирование флота обслуживания МБУ в целом в научно-исследовательских работах нашло существенно меньшее отражение. В работах [66], [67] отмечается, что в обслуживающий МБУ флот должны входить помимо судов снабжения еще и буксиры, но эта идея не получила в них развития, поскольку не рассматривается оптимальность качественного и количественного состава флота, и не производится привязки к эксплуатации месторождений.

Созданию методологии проектирования комплекса транспортного обслуживания морских нефтегазопромыслов посвящены исследования А. Е. Горигледжана [37]. В состав комплекса транспортного обслуживания автор включает суда снабжения и обеспечения, танкеры-снабженцы, морские пассажирские суда. А. Е. Гориглежданом разработаны математические модели проектирования технических средств обслуживающего комплекса, а также предложена модель возможного функционирования комплекса технических средств доставки грузов и пассажиров на МБУ. Причем в части доставки пассажиров в работе проанализирован ряд возможных вариантов, прослежена связь между количеством пассажиров и водоизмещением пассажирских судов, а также рассмотрена возможность доставки пассажиров вертолетами. В работе [37] указывается, что около 90% перевозок сменных бригад в районе Северного моря осуществляется по воздуху. Оценку эффективности комплекса А. Е. Горигледжан рекомендует производить на основании минимальных годовых приведенных затрат.

Накопленный опыт формирования и эксплуатации рыбопромыслового флота, изложенный, в частности, В. И. Аполлинариевым [8], С. И. Логачевым [68, 69], а также исследования по обоснованию модели работы ледокольно-транспортного флота В. Г. Бугаева [25] могут служить примером подхода к решению задач проектирования флотов того или иного назначения.

Обеспечению освоения морских нефтяных и газовых месторождений посвящен целый ряд исследований, результаты которых докладывались на международных конференциях и издавались. Среди таких исследований необходимо отметить публикации В. А. Беляшова, Б. А. Вихмана, A.M. Григорьева, А. Д. Зимина [52], А. Б. Карташева, В. Н. Киреева, Г. К. Крупнова, В. А. Мацкевича, Б. Н. Мастобаева [78], В. В. Минина, Ю. Б. Могутина, О. П. Орлова, А. С. Портного, Ю. Н. Семенова [109], [110], [111], Ю. А. Симонова.

Ввиду того, что при создании средств обслуживания необходимым является также изучение самого обслуживаемого объекта, часть диссертационной работы посвящена обобщению накопленного опыта строительства и эксплуатации МБУ. В ходе исследовании по тематике освоения морских месторождений были обобщены данные об эволюционном развитии и потребностях в обслуживании МБУ, что служит базой для более детальной проработки вопросов проектирования СОФ.

Вопросам оптимизации решений всегда уделялось большое внимание, подобные задачи в проектировании судов формулировались еще в работах JI.M. Ногида и В. В. Ашика. Заметный вклад в формирование оптимизационных моделей в судостроении был сделан Пашиным В. М., Гайковичем А. И. и Поляковым Ю. Н [30], [90], [91], [92]. Проблема выбора критерия эффективности судна исследовалась также в работах Захарова И. Г. и Краева В. И. [50],[64].

В книге В. М. Пашина [90] обобщен опыт в области оптимизации судов, рассмотрены модели системной оптимизации характеристик, указываемых в задании на проектирование, и элементов судна.

Гайкович А. И в [30] рассматривает задачу оптимизации флота. В книге им впервые рассматривается пример оптимизации флота судов снабжения МБУ с использованием аппарата теории массового обслуживания с учетом штрафов за простой (метод нетарифных функций).

Экономическому обоснованию проектных решений, рассмотрению системы показателей экономической эффективности транспортных судов, методикам определения этих показателей, обнаружению связей основных технико-эксплуатационных характеристик и экономических показателей судов посвящены также работы Б. М Смирнова [115], Н. И. Третникова, Н. П. Любущина, В. А. Бируля, А. Ф. Иконникова [126]. Наибольший интерес вызывают в этих работах описания методов расчета экономической эксплуатационной эффективности судов. Использовать названные работы при расчете конкретных величин не представляется возможным, поскольку они отражают специфику планового хозяйства СССР, но после определенных корректировок общий подход к рассмотрению вопросов экономического обоснования не теряет актуальности и в нынешнее время.

Анализ моделей функционирования флота показывает, что при проектировании обслуживающего МБУ комплекса должно учитываться взаимодействие входящих в него технических средств и особенности функционирования каждого из них.

Подытоживая вышесказанное, можно еще раз констатировать, что проблема проектирования флота судов обслуживания не была решена к настоящему моменту, поскольку известные работы не раскрывали и не исследовали ряда вопросов. Для этого требуют решения следующие проблемы: флот судов обслуживания должен рассматриваться состоящим из любых судов указанных выше типовдолжна решаться задача обслуживания нефтепромыслов в замерзающих моряхдолжен быть произведен анализ возможностей использования отдельных СОФ для обслуживания ими нескольких буровых установокдолжен быть произведен вариационный анализ использования многофункциональных СОФтребуется разработка методики расчета стоимостных параметров.

СОФсостав обслуживающего флота необходимо определять в оптимизационной постановке.

Анализ приведенных в упомянутых работах методов проектирования СОФ и формирования различных флотов позволил сделать вывод о необходимости продолжения исследований в данной области с целью их дополнения и модернизации на основании обновленных баз данных, а также нормативных материалов.

В работе решен ряд проблем, и эти решения обладают признаками научной новизны:

•S разработан метод формирования флота СОФ в оптимизационной постановке;

S разработана методика проектирования рассматриваемых СОФ упомянутых типов в первом приближении;

S предложен критерий N1~9,ъ для определения ледопроходимости ледокола и последующего выбора его элементов;

S для первого приближения разработана методика определения параметров многофункциональных судов;

S формализован принцип определения рациональной степени универсализации судов рассматриваемых типов из условий конкретных месторождении и их географического местоположения;

S создан метод определения необходимого количества судов обслуживания, опирающийся на возможные физические модели функционирования СОФ;

S использован аппарат теории массового обслуживания для проверки работоспособности формируемого флота обслуживания МБУ при определении необходимого количества судов данного флота;

S разработан метод определения строительной стоимости рассматриваемых судов обслуживания МБУ;

S разработан метод оценки и прогнозирования величин эксплуатационных затрат судов рассматриваемых типов;

S предложен метод применения индексов цен производителей в качестве коэффициентов-дефляторов для приведения разновременных затрат к единому уровню.

Индексы цен производителей для пересчета стоимости объектов на интересующий момент ранее не использовались в отечественном судостроении, но они оказываются весьма полезными, в случае если приведение стоимости необходимо сделать за интервал нескольких лет, так как разница в цене оказывается весьма существенной и не учитывать ее нельзя. Коэффициенты-дефляторы и предлагаемый в работе метод их применения можно использовать и в других подобных задачах. Получена возможность пересчета известной стоимости прототипа на интересующий момент времени.

Таким образом, в работе создан комплексный метод формирования флота обслуживающих судов, который позволяет также получать проектные характеристики отдельных судов.

Следует отметить, что разработанный в диссертации метод не ориентирован на определенное месторождение и конкретный тип буровой установки, а может использоваться для любых типов МБУ, при этом результат оптимизации обслуживающего флота поставлен также в зависимость от местоположения проведения буровых работ.

Практическая ценность работы состоит, прежде всего, в ее прикладном характере, поскольку она направлена на использование ее результатов в практике конструкторских бюро и НИИ, содержит конкретные проектные рекомендации, методики проектных расчетов.

По своему содержанию работа делится на шесть глав, что объясняется поэтапностью самого процесса формирования флота и смысловой очередностью исследовательской работы:

1) Первая глава посвящена анализу состояния и особенностей морской нефтедобывающей отрасли.

Рассмотрены различные типы МБУ, наиболее часто встречающиеся в мировой практике, причины и история их появления. Описаны потребности в обслуживании каждого типа МБУ, определены необходимые технологические операции. Показано, каким образом тип платформ влияет на объем работ по обслуживанию МБУ, осуществляемый флотом обслуживающих судов.

Приводятся и сравниваются осредненные показатели расхода технологических запасов на различных типах МБУ, которые используются в работе для формирования физических моделей функционирования обслуживающего флота и расчетов нагрузки судов снабжения.

Показано, как в зависимости от типа МБУ могут быть изменяются среднестатистические номенклатура и объемы технологических запасов, доставляемых на МБУ.

В результате рассмотрения процесса обслуживания МБУ и формулирования соответствующих задач были определены основные необходимые типы судов, обеспечивающих бесперебойное функционирование МБУ. В рамках работы проанализированы особенности каждого из типов обозначенных судов, которые необходимо учитывать при их проектировании и иметь в виду при реализации универсализаций судов, а также при определении их необходимого количества.

Большую актуальность в настоящее время приобретают многофункциональные суда, что подтверждается данными об эксплуатируемых судах обслуживания, поэтому рассмотрению особенностей многофункциональных судов посвящен отдельный раздел. Это сделано с целью создания и выработки общих принципов, которыми следует руководствоваться судостроителям и проектантам при выполнении подобных заказов. Об успешности таких проектов свидетельствуют существующие прототипы, описания которых приведены в главе.

По результатам анализа современного состояния мирового флота обслуживающих судов сформированы статистические базы данных, включающие основные параметры и характеристики таких судов, что позволило затем реализовать представляемую далее методику проектирования судов обслуживающего флота.

2) Во второй главе описывается разработанная методика проектирования специализированных и многофункциональных СОФ, позволяющая установить проектные характеристики каждого из рассматриваемых типов судов обслуживающего комплекса. Приводятся расчетные примеры и сводные таблицы характеристик однотипных судов, построенных за два последних десятилетия.

3) Третья глава посвящена методике определения необходимого количества судов обслуживания. Глава делится на несколько частей, первая из которых содержит описание физических моделей функционирования СОФ, вторая — алгоритм определения количества судов на основании физической возможности выполнения ими поставленных перед флотом задач, третья — проверочный цикл, построенный на использовании аппарата теории массового обслуживания, позволяющий испытать проектируемую систему обслуживания на работоспособность.

4) В четвертой главе разработан метод определения стоимостных характеристик флота: стоимости постройки и стоимости эксплуатации. В методе определения строительной стоимости предусмотрена возможность его использования для многофункциональных судов. В главе также приводится алгоритм приведения уровня разновременных затрат к настоящему единому времени.

5) Пятая глава дает описание метода оптимизации типового состава и количества судов. Задача оптимизации решается через определение зависимостей между экономическими показателями и параметрами функционирования. При необходимости выбора варианта оптимального отдельного судна или состава флота процесс сравнения в ситуации с СОФ предлагается осуществлять на основании минимума капитальных вложений и или) эксплуатационных расходов при одинаковой функциональной нагрузке вариантов.

6) Шестая глава содержит алгоритм, математическую модель метода формирования флота обслуживающих МБУ судов, представлено описание и руководство по использованию методик, созданных в диссертации, а также подытожен материал предыдущих глав.

В данной работе создан метод проектирования обслуживающего флота, который позволяет решить задачу начального этапа формирования обслуживающего флота и установить ориентировочные данные о количестве и типах судов, требуемых для обслуживания МБУ. Разработанный метод дает возможность также материализовать «идеи» судов обслуживающего флота, в предварительную модель или техническое задание, где будут определены значения основных параметров и характеристик выбранных судов. Оптимизация состава флота осуществляется на основании критерия минимальных экономических затрат.

На основе метода формирования и оптимизации состава обслуживающего флота была разработана программа для ЭВМ. Создание такого программного продукта дало возможность апробировать методы и результаты диссертационной работы на практике.

Результаты научных исследований использовались при выполнении НИР, связанных с выполнением ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова» плановых работ по тематике гражданского судостроения. В частотности нашли применение методы определения количества судов обслуживания, определения стоимости проектируемых судов и оценки величины эксплуатационных затрат.

Методические положения и основные тезисы, изложенные в диссертации, использовались в «Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете» в качестве лекционного материала для студентов по курсам дисциплин проектирования гражданских судов.

При выполнении работ над проектами ОАО «ЦКБ «Айсберг» применялись результаты исследований: совместно с сотрудниками предприятия производились расчеты элементов проектируемых судов, при этом был обнаружен ряд закономерностей, характерных для судов, решающих помимо ледокольных дополнительные задачиа также был использован предложенный метод расчета эксплуатационных расходов для определения статей соответствующих затрат проектируемых судов.

Внедрение результатов диссертационной работы на ОАО «Балтийский завод», ОАО СЗ «Северная верфь» заключается в принятии к применению расчетных методов определения строительной стоимости судов на ранней стадии их создания, а также методов прогнозирования эксплуатационных расходов.

Предметом защиты является совокупность результатов научных исследований, включающих общий метод формирования и оптимизации состава флота судов обслуживания МБУ, а также прикладные, частные методики и алгоритмы определения проектных и стоимостных характеристик судов, являющиеся составными частями основного метода.

5.4. Выводы по главе. Оптимизация как путь поиска рационального состава флота.

В зависимости от ставящихся задач флот обслуживающих судов по количеству и типовому составу СОФ может быть спроектирован под максимальное удовлетворение требований заказчика, эксплуатирующей организации или комплексное удовлетворение требований указанных сторон.

Глава 6. Структурированный алгоритм проектирования флота, обслуживающего МБУ.

В настоящее время, когда рыночная экономика и рыночные отношения ставятся во главу всего, любая деятельность должна быть готова выдержать все аспекты конкуренции, присутствующие на мировом рынке. А судостроение и морская нефтедобыча — одни из наиболее чувствительных к рынку отраслей. При ограниченном числе «игроков» появляющиеся преимущества конкурентов ощущаются всеми участниками. Вхождение в данный бизнес практически невозможно, в то время как вероятность банкротства при выборе неверного вектора развития очень велика.

Использование в проектировании оптимизационных методик, может позволить добиться рационализации количественного и качественного состава строящихся обслуживающих комплексов, минимизации эксплуатационных затрат, ввиду экономии финансовых средств.

В работе был создан оптимизационный метод, содержащий ряд расчетных методов, методик и алгоритмов, образующих единый метод формирования флота, обслуживающего МБУ.

Расчетные методики могут быть использованы как интегрировано, так и сепаратно. Для случая интегрированного использования был разработан данный алгоритм расчета — своеобразная пошаговая инструкция по применению.

Особенностью алгоритма является то, что в нем не содержится формул и описаний использованных методов, а только лишь ссылки на материалы диссертации, которые раскрывают требуемую информацию. Это сделано во избежание визуальной перегрузки структуры алгоритма.

Структурирование методики проектирования имело еще и другую цель, а именно получение дальнейшей возможности компьютеризации всех расчетов.

Для правильного восприятия алгоритма, представленного на рис. 6.1., необходимо сказать, что параллелограммами обозначены процедуры, требующие ручного ввода, прямоугольными блоками обозначаются процедуры обработки данных, ромбы соответствуют процедурам выбора, а блоки с двойными боковыми стенками предполагают автоматический расчет.

Первым шагом любого расчетного аппарата почти всегда является задание исходных данных. Для начала проектирования обслуживающего флота необходимо иметь информацию относительно следующего:

1. Регион и условия эксплуатации, т.к. этим определяется состав флота (например, наличие или отсутствие в составе флота ледоколов и ледокольных судов);

2. Местоположение месторождения относительно портопунктов тоже влияет на состав флота, но не на качественную, а количественную его составляющую. Прослежена следующая тенденция: с удалением от портопунктов растет количество необходимых судов, а также их размеры;

3. Тип и количество обслуживаемых объектов определяет номенклатуру необходимых к выполнению функций, а также влияет на объем доставляемых на МБУ технологических запасов, как это описано в пункте 1.1. данной работы.

4. Дополнительно к перечисленным могут учитываться более детальные сведения о МБУ, которые не используются при автоматизированном расчете, однако могут быть полезны, например, при ручных вычислениях количества судов, алгоритм которого представлен в главе 3.

Перечисленные исходные данные содержат ряд логической информации, которая формализуется путем сопоставления им соответствующих количественных параметров.

В результате разработки программного продукта было принято решение о необходимости выбора номенклатуры функций из списка предлагаемых, а типы используемых судов при этом генерируются автоматически, объемы доставляемых технологических запасов задаются в метрической системе измерения. Количественно функциональная нагрузка на каждый тип судов выражается путем задания величины ЦЭП для каждого типа судов, таким образом, чтоб удовлетворить все потребности в обслуживании МБУ.

Работоспособность алгоритма обеспечивается при задании ЦЭП, система ограничений может быть откорректирована в процессе проектирования по предлагаемому методу, либо использованы принятые по умолчанию ограничения. Таким образом, для начала проектирования обслуживающего флота достаточно задания минимального количества данных, что позволяет использовать его для оценочных расчетов.

Следующим за введением исходных данных этапом является предварительное формирование флота, которое производится в два подэтапа. В первую очередь формируется флот, удовлетворяющий все потребности в обслуживании МБУ и состоящий только из специализированных судов, затем на основании рассмотренных в диссертации вариантов многофункциональности судов (см. п. 2.2.) выбираются те, которые применимы и могут быть использованы в условиях конкретного месторождения. Различные составы флота формируются за счет постепенного увеличения от варианта к варианту функциональной нагрузки поочередно каждого типа судна. Все варианты состава флота будут в дальнейшем оценены с точки зрения оптимальности их использования в составе обслуживающего флота.

Исходные данные:

1) Тип и количество обслуживаемых объектов;

2) Регион и условия эксплуатации и местоположения месторождения относительно портопунктов;

3) Характеристики МБУ;

4) ЦЭП флота обслуживающих судов.

Определяется:

1) Характеристики операций по обслуживанию;

2) Объемы технологических запасов;

Формируется номенклатура типов специализированных судов, входящих в обслуживающий флот.

Формируется номенклатура типов многофункциональных судов, входящих в обслуживающий флот.

На основании ЦЭП судов определяется мощность ЭУ судов.

Определяется необходимое количество специализированных судов для выполнения поставленных задач.

Определяется необходимое количество многофункциональных судов для каждого варианта компоновки флота J.

Типы и количество по варианту 1.

Типы и количество по варианту 2.

Типы и количество по варианту .

Типы и количество по варианту п.

Определяются эксплуатационные расходы для всех ваоиантов состава Ллота.

Определяется строительная стоимость для всех вариантов состава Л лота.

Оптимальный вариант, выбранный по одному из критериев или комплексному параметру.

Основные элементы судов, входящих в выбранный вариант состава флота.

Рис. 6.1. Алгоритм проектирования флота обслуживающих судов.

После предварительного формирования флота, для каждого варианта компоновки определяют мощность, соответствующую заданному ЦЭП. Подробное описание расчета мощности представлено во второй главе. Мощность судов будет уточняться при выборе количества судов.

Определение количества судов флота происходит в три этапа (см. главу 3): выбор физической модели функционирования судов обслуживающего флота, определение количества судов на основании физической потребности морских буровых установок в обслуживании, проверка достаточности количества судов обслуживания с использованием теории массового обслуживания. Причем количество судов определяется подобным образом сначала для варианта состава обслуживающего флота только из специализированных судов, а затем для всех рассмотренных модификаций (вариантов комплектования флота многофункциональными судами).

Таким образом, результатом данной стадии проектирования по представленному алгоритму становится набор вариантов флотов, в равной степени удовлетворяющих потребности выбранных МБУ, но с различным соотношением количества и типов судов.

С целью выбора оптимального варианта комплектации обслуживающего флота предусматривается возможность определения стоимостных затрат. Под стоимостными затратами понимаются стоимость постройки и эксплуатационные расходы. Метод определения указанных величин приводится в четвертой главе.

Необходимо отметить, что оптимизация может производиться, как по каждому из перечисленных стоимостных критериев в отдельности, так и по двум критериям одновременно.

Последним этапом проектирования обслуживающего флота в первом приближении по предлагаемому методу является определение основных элементов судов, входящих в выбранный оптимальный вариант. Полученные данные предназначаются для использования лишь для начальных расчетов, и их необходимо в дальнейшем уточнять. Окончательно длина судна и остальные размерения должны устанавливаться по результатам проработки общего расположения со всеми судовыми помещениями.

Предложенный алгоритм расчета был реализован в виде прикладной программы для ПЭВМ. Программа расчета делится на составные части, соответствующие по смыслу представленному методу проектирования. Эти составные части объединены в единый расчетный аппарат, но могут быть использованы и отдельно, для решения конкретных вопросов.

Заключение

.

В нашей стране морская добыча углеводородного сырья приобретает все большее значение: найдены огромные запасы нефти и газа под морским дном, строятся и проектируются различные буровые установки, однако флот обслуживающих судов специально не проектируется. В настоящее время флот обслуживания МБУ формируется из судов транспортного и технического флотов, которые переоборудуются для решения специфических задач или берутся в наем у заграничных фирм.

Помимо этого отсутствие соответствующих методик проектирования, экономического анализа и оптимизации не позволяет формировать рациональные по составу обслуживающие комплексы.

В опубликованной федеральной целевой программе Правительства РФ «Развитие гражданской морской техники на 2009 — 2016 годы» говорится, что одним из основных направлений для российского судостроения в ближайшие годы будет создание технических средств освоения богатейших месторождений углеводородов на континентальном шельфе замерзающих морей Арктики и Дальнего Востока, при этом отмечается низкий уровень технологического потенциала отечественного судостроения, обусловленный существенным отставанием российских организаций от зарубежных в развитии производственных технологий и организации работ. В результате удельная трудоемкость судостроительного производства в отрасли в 3 — 5 раз выше, чем за рубежом, и суда строятся в 2 — 2,5 раза дольше.

В этих условиях актуальной является разработка новых методов проектирования, производственных технологий постройки и ремонта гражданской морской техники, технологий и средств механизации и автоматизации производственных процессов, новых технологий производства судового комплектующего оборудования, адаптированных к отечественным условиям.

Чтобы избежать вытеснения российских производителей с мирового и внутреннего рынков гражданского судостроения, переоснащение парка российских судоходных компаний судами зарубежной постройки научный потенциал нации должен быть направлен на исследования способствующие развитию гражданской морской техники.

С пониманием и уточнением проблематики ситуации цели научной работы пересматривались и корректировались, однако их неизменяемое ядро сводится к тому, что в условиях имеющейся реалии первоочередными задачами становится:

•S разработка и создание теоретических основ и практических методов проектирования флота, обслуживающего морские месторожденияS разработка оптимизирующих количественный и качественный состав проектируемого флота алгоритмов и методов, построенных на решении вопросов о выборе критерия оптимизации, обосновании рациональности использования многофункциональных судовопределении оптимальной степени универсализации судов для каждого конкретного случая и месторожденияопределении необходимого и достаточного количества судов различных типов, для конкретных месторождений;

S разработка современных методов оценки строительных стоимостей и прогнозирования эксплуатационных расходов;

S создание средств автоматизации расчетов и проектирования, позволяющих достигать сокращения трудоемкости и времени создания морской техники.

Проведенное в рамках диссертационной работы комплексное исследование опыта постройки и проектирования судов, участвующих в обслуживании морских буровых установок показало, что при создании обслуживающего флота необходимо учитывать взаимосвязь входящих в него технических средств и особенности их функционирования.

На основании полученных в работе данных был создан ряд расчетных методов и алгоритмов, которые могут быть использованы как отдельно для расчетов характеристик судов обслуживания, так и в составе обобщенного метода формирования и оптимизации обслуживающего флота, создание которого и стало основным результатом диссертационной работы. Метод формирования обслуживающего флота, разработанный в диссертации, дает возможность расчета основных характеристик судов входящих в обслуживающий комплекс, определения необходимого количества судов обслуживающего флота и оптимизации состава флота на основании стоимостных критериев. При использовании метода проектирования обеспечиваются адекватные результаты, имеющие высокую достоверность и хорошую сходимость с реально существующими примерами. Представленный метод может иметь применение не только по прямому назначению, но и для оценки различных характеристик судов рассмотренных в диссертации типов.

В ходе создания метода проектирования были решен ряд принципиальных задач и получены результаты, имеющие научную и практическую ценность, в числе которых:

1. Произведен широкий анализ состояния и особенностей морской нефтедобывающей отрасли, оценены потребности в обслуживании различных МБУ, созданы статистические базы данных по рассматриваемым типам судов, а также осуществлен поиск и подбор данных по стоимостным показателям современных судов, используемых в данной отрасли.

2. Разработана методика определения в первом приближении основных параметров рассматриваемых типов судов обслуживающего флота.

3. Создан алгоритм определения необходимого количества судов обслуживания, опирающийся на физические и математические модели функционирования СОФ и использующий аппарат теории массового обслуживания.

4. Получена возможность оценки строительных затрат создаваемых обслуживающих судов для начальной стадии проектирования.

5. Предложен метод определения эксплуатационных затрат проектируемых судов.

6. Разработан оригинальный метод формирования и оптимизации состава флота судов обслуживания МБУ, позволяющий обосновать необходимое количество судов и минимизировать экономические расходы, которые несет заказчик и эксплуатирующая организация, включая затраты на проектирование, постройку и эксплуатацию.

Разработанный в диссертации метод проектирования по своей сути является аналитическим, т.к. он использует системы уравнений, выражающих функциональные зависимости между элементами проектируемых объектов и элементами задания. Предложенный метод широко использует статистические данные, полученные из опыта проектирования, постройки и эксплуатации судов рассматриваемых типов.

Необходимо отметить, что при обработке статистики числовые величины были получены по вполне определенным и проверенным данным по достаточно большому количеству судов и обрабатывались одними и теми же методами и приемами, а используемая статистическая база содержит данные по судам, построенным в основном за последние два десятилетия. Все это позволяет говорить об адекватности разработанного метода проектирования существующей действительности.

На базе разработанного метода проектирования флота был создан программный продукт, автоматизирующий расчеты, произведение которых необходимо осуществлять в обеспечение реализации заложенных в метод алгоритмов. Программный продукт позволяет, так же как и сам метод, использовать отдельные, входящие в него, блоки для практических расчетов. Автоматизация разработанных методик и придание им «дружественного интерфейса», позволила облегчить апробацию, а также увеличила шансы на внедрение и использование расчетного аппарата специалистами.

Применимость и практическая ценность результатов исследований подтверждаются актами внедрения ведущих судостроительных предприятий и институтов отрасли: ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова», ГОУВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», ОАО «ЦКБ «Айсберг», ОАО «Балтийский завод», ОАО СЗ «Северная верфь».