Методика оценивания навигационной безопасности и готовности к судоходству международного транспортного коридора «север — юг» на примере участка реки Нева

Постоянное возрастание экономических связей и перевозок между государствами ведет к интенсивному росту числа судов. Непрерывно растет плотность транспортных потоков судов различных типов и, как следствие, возрастает потребность в дополнительных судоходных артериях — так называемых транспортных коридорах, эффективность которых на прямую зависит от навигационной обеспеченности судоходства. В последние годы, огромное внимание уделяется сохранению человеческой жизни и окружающей среды. Со стороны государственных и международных организаций и ведомств, наблюдается постоянное ужесточение требований к обеспечению безопасности, как в портах погрузки выгрузки судов, так и на всем протяжении транспортного процесса.

Главной частью обеспечения безопасности в транспортном процессе является обеспечение безопасности на протяжении самого рейса, так как основная доля аварий происходит во время перехода транспортного судна из одного пункта в другой. Подавляющая часть таких аварий сопровождается разливом нефтепродуктов, что в каждом случае неотъемлемо влечет за собой экологическую катастрофу различных масштабов. Таким образом, обеспечив или повысив уровень безопасности на протяжении всего рейса, можно понизить вероятность появления аварийной ситуации. Это означает необходимость повысить уровень навигационной безопасности плавания. Увеличивающиеся размеры судов по отношению к габаритам судоходных путей, возрастающая интенсивность движения флота, невыполнение судовладельцами требований, регламентирующих безопасность судоходства, нарушение командным составом трудовой дисциплины, технические неисправности судовых устройств, влияние метеорологических условий и другие факторы обоснованно выдвигают навигационную безопасность судоходства на внутренних водных путях Российской Федерации в наиболее приоритетную и актуальную проблему.

Исследования, проведенные на основе анализа транспортных происшествий на Волго-Балтийском водном пути за навигации последних лет и особенно за навигации 2005;2006 гг., показали, что путь в решении проблемы снижения аварийности и эксплуатационных происшествий на внутренних судоходных путях, совершенствование техники выработки специальных требований к судоводителям-операторам и разработке рекомендаций по управлению и маневрированию судном в настоящее время являются наиболее эффективным.

Как известно, критерий безопасности является одним из самых важных и характерных для любого вида производственной деятельности человека, в том числе и при организации транспортного процесса. При рассмотрении проблемы обеспечения безопасности судоходства на внутренних водных путях Российской Федерации данный вопрос приобретает особую значимость.

Международная Морская Организация и мировое сообщество обратило внимание на эту проблему еще в середине 50-х годов XX века, и интенсивно занимается изучением этой проблемы в настоящее время, а в России до сих пор практически отсутствует нормативная база этого вопроса. Комплексной оценки навигационной безопасности плавания и готовности транспортного коридора к судоходству и, прежде всего, связанной с разработкой методического и математического аппаратов оценивания показателей навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству, предназначенного для создания методов и моделей, применяемых при автоматизации процессов исследования оценивания уровня навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству, попросту не было. Причем под навигационной безопасностью будем понимать навигационную безопасность плавания, включающую в себя техническую безопасность (противопожарную, экологическую, антитеррорестическую и т. д.).

Научной задачей, решаемой в диссертации, является разработка методики и математической модели оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству, а также разработка практических рекомендаций судоводителям и лоцманам по управлению и маневрированию судном в различных условиях.

Обобщая вышеизложенное, актуальность выполненных исследований в диссертации обусловлена:

— постоянно растущей ролью безопасности судоходства и необходимостью повышения эффективности функционирования транспортных коридоров;

— сложностью процесса функционирования транспортного коридора, характеризующегося необходимостью применения системного анализа и учета всего многообразия связей между его элементами;

— необходимостью внедрения методов и математических моделей, предназначенных для оценивания и прогнозирования навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству при обосновании навигационного обеспечения транспортного коридора с точки зрения экономики и безопасности;

— острой необходимостью в разработке практических рекомендаций судоводителям и лоцманам по управлению и маневрированию судном, направленных на понижение доминирующего в аварийности «человеческого фактора».

Объектом исследования выступает транспортный коридор. Предметом исследования являются навигационная безопасность плавания и готовность транспортного коридора к судоходству.

Цель исследования заключается в разработке методики оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству, а также в разработке практических рекомендаций судоводителям и лоцманам по управлению и маневрированию судном.

Задачи исследования. Решение научной задачи и достижение цели исследования реализуется путем решения ряда частных задач:

1. Разработка методических основ оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству (на примере р. Нева);

2. Разработка метода оценивания показателей навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству;

3. Разработка математической модели оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству;

4. Разработка рекомендаций по применению созданного методического аппарата, математической модели при оценивании показателей навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству;

5. Разработка практических рекомендаций судоводителям и лоцманам по управлению и маневрированию судном с целью обеспечения навигационной обеспеченности в рассмотренном транспортного коридора;

6. Экономический анализ применения метода оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству.

Методы исследования. Решение поставленной в диссертации научной задачи проведено с использованием системного подхода и анализа, метода пространства состояний, базирующегося на полумарковских и марковских процессах, теории вероятностей и математической статистики, теории математического программирования и моделирования.

В ходе выполненных исследований получены следующие новые теоретические результаты, выносимые на защиту:

1. Методические основы решения научной задачи.

2. Метод оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству.

3. Математическая модель оценивания навигационной безопасности плавания и готовности транспортного коридора к судоходству.

4. Рекомендации по применению созданных методических основ, математической модели при исследовании навигационной безопасности плавания и готовности транспортного коридора к судоходству.

5. Рекомендации судоводителям и лоцманам по управлению и маневрированию судном в рассмотренном транспортном коридоре:

Совокупность этих результатов и представляет содержание методики оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству и может быть рекомендована в качестве основы для других исследований.

Научная новизна и теоретическая значимость результатов, полученных в диссертации, заключается в: а) обосновании и разработке методических основ оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридораб) разработке моделей функционирования судна и транспортного коридорав) построении методики оценивания навигационной безопасности транспортного коридора, позволяющей проводить разработку математических моделей, количественную оценку, прогноз готовности транспортного коридора к судоходству.

Практическая значимость результатов состоит в: а) разработке математической модели оценивания навигационной безопасности плавания и готовности транспортного коридора к судоходству, алгоритмов, составляющих основу математического обеспечения оцениванияб) проведении с использованием разработанной математической модели оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству количественных исследований по оценке влияния основных характеристик, условий, особенностей, режимов и других факторов, влияющих на навигационную безопасность плавания и готовность транспортного коридора к судоходствув) разработке электронных навигационных карт для использования в учебном процессе подготовки и повышении квалификации судоводителей на базе учебного тренажера «M'msim" — г) разработке практических рекомендаций руководителям судоходсных компаний, командному составу судов по эксплуатации, управлению и маневрированию судном в выбранном участке транспортного коридора.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечиваются: применением системного подхода и анализа, проведением широких обобщенийиспользованием для решения научной задачи апробированного аппарата теории управляемых случайных полумарковских и марковских процессовадекватным учетом особенностей, применения и функционирования транспортного коридора при разработке методического и математического аппаратов оценивания и исследования навигационной безопасности и готовностикорректностью и логической обоснованностью принятых при разработке математических моделей оценивания допущенийстрогостью математических выкладок и практической проверкой выдвигаемых основных положений в ходе эксперимента.

Реализация результатов исследований.

Результаты реализованы в соответсвии с программой «Модернизация транспортной системы России (2002;2010 годы)», подпрограмма «Внутренние водные пути» — система целей подпрограммы включает в себя: сохранение и развитие сети внутренних водных путей, повышение надёжности эксплуатации гидротехнических сооружений и обеспечение безопасности судоходства. Основные программные мероприятия: подготовка внутренних водных путей на участках транспортного коридора «Север-Юг» для интеграции их в систему международных транспортных коммуникацийобеспечение стабильных условий для завоза грузов на Крайний Север и освоение новых грузопотоков по малым рекам-достижение стандартов безопасности судоходных гидротехнических сооружений и водных путей-создание информационных систем для обеспечения безопасности судоходства-обеспечение экологической безопасности на внутренних водных путях-повышение эффективности использования внутренних водных путей во взаимодействии с регионами с учётом интересов водопользователей-мероприятия по развитию социальной сферы и кадрового обеспеченияНИОКР (научное сопровождение программных мероприятий).

Основные материалы и выводы проведенной научноисследовательской работы были использованы при выполнении госбюджетной НИР «Исследование проблем навигационногидрографического обеспечения безопасности плавания по МТК „СеверЮг“ и поиск путей их решения». Результаты диссертационной работы реализованы в учебном процессе кафедры «Судовождение» Московской государственной академии водного транспорта (МГАВТ) и кафедры «Управление судном» Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций (СПбГУВК), в процессе обучения судоводителей на учебном тренажере «M'msim» Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций, а также в ГНИНГИ МО РФ о чем свидетельствуют 2 акта о реализации.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы неоднократно докладывались и получили одобрение на научнопрактических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московской государственной академии водного транспорта (2005;2007гг.), а также на научных семинарах кафедры «Судовождение» МГАВТ (2005;2007гг.), на кафедре «Управление судном» СПбГУВК, Межвузовском сборнике научных трудов «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях» выпуск № 6, 2005 г., в научных докладах на НПК ППС МГАВТ (2006;2007), на международной конференции по радиосвязи 2007 г, в научной статье международного журнала речников «Речной Транспорт» выпуск № 6, 2006 г. Работа в целом апробирована на расширенном заседании вышеупомянутых кафедрах МГАВТ и СПбГУВК с привлечением специалистов других кафедр этих ВУЗов соответственно (24.04.2007г. и 07.05.2007г).

Публикации. Материалы исследований опубликованы в 5 научных статьях (в том числе 2х международных).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка используемых источников, 3 приложений, изложена на 126 страницах машинописного текста и включает 16 рисунков, 3 таблицы, список использованных источников состоит из 104 наименований, 6 из которых зарубежные.

Результаты исследования возможностей разработанных методических основ (математического аппарата) решения задачи оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству при различных исходных данных подтвердили их работоспособность и возможность реального применения разработанных концептуальных и математических моделей, алгоритма для оценивания навигационной безопасности, готовности и других эксплуатационных свойств системы.

Полученные научные и практические результаты обеспечивают дальнейшее развитие теории эксплуатации системы «судно — транспортный коридор», включая и теорию их эксплуатации, и имеют существенное значение для создания новых и развития эксплуатационных эргатических систем в целях обеспечения оптимальных показателей функционирования, для теории и практики оценивания показателей не только готовности и навигационной безопасности, но и других эксплуатационных свойств и обосновании путей их поддержания на заданном уровне отработки системы обеспечения необходимого уровня навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству как составных частей системы эксплуатации на стадии создания, эксплуатации и совершенствования систем, повышения уровня обоснованности принимаемых решений в ходе задания, оценки и проверки выполнения требований параметрам судов и, как следствие, обеспчение условного экономического эффекта в виде сокращения потерь показателей эксплуатационных свойств, которые могли бы иметь место при назначении нерациональных параметров, а также при выборе неоптимальных путей обеспечения требуемых показателей эксплуатационных свойств.

Полученные результаты количественных оценок показателей с помощью разработанной математической модели могут быть использованы на стадии заключения договоров перевозок, при рейсовом планировании, при обосновании требований к основным эксплуатационно-техническим характеристикам системы «судно — транспортный коридор», а также капитанами, лоцманами и менеджерами при непосредственной отработке технологических операций рейса в целях контроля, поддержания и обеспечения заданных показателей перевозки.

Таким образом, разработана единая методическая основа оценивания, исследования, планирования, оперативного управления и координации деятельности по обеспечению необходимого уровня навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству на основе приведенного в работе метода оценивания, структурно-эксплуатационных и математических моделей.

Подобные исследования позволяют определить вид и диапазоны изменения управляющих параметров системы обеспечения готовности и навигационной безопасности на этапах разработки, создания и эксплуатации.

Опираясь на основные положения методики, можно получать различные математические модели для более сложных структурно-эксплуатационных моделей функционирования, учитывать все множество факторов, влияющих на транспортный процесс, и оценивать показатели эксплуатационных свойств системы «судно — транспортный коридор». Данный подход позволяет учитывать при оценивании готовности и навигационной безопасности системы не только параметры эксплуатационных свойств, но и параметры, характеризующие человеческий фактор, воздействие окружающей среды, негативные воздействия, режимы и динамику функционирования.

Таким образом, рассмотренный метод и полученные с его использованием аналитические зависимости представляют математические модели оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству и позволяют провести всестороннюю оценку как комплексного, так и индивидуального влияния основных параметров, характеризующих процесс функционирования и условия применения, на готовность системы и на этой основе определять, за счет изменения каких управляемых параметров, на каких напрвлениях и на какую величину можно достигнуть увеличения показателей готовности и навигационной безопасности до заданного уровня в тех или иных условиях. Это в свою очередь даст возможность отыскания рациональных путей обеспечения (повышения) готовности и эффективости эргатических систем с учетом реальных возможностей, а также решать ряд других практических задач, возникающих при создании, эксплуатации и функционировании сложных систем.

Дальнейшее развитие полученных в работе результатов целесообразно вести по следующим напрвлениям:

— постановка задач и получение с помощью разработанных методических основ, математических моделей и алгоритмов для широкого круга задач анализа и синтеза систем обеспечения не только показателей готовности и навигационной безопасноти транспортного коридора, но и других эксплуатационных свойств на стадиях его создания, эксплуатации и совершенствования;

— обоснование путей развития эксперементально-испытательной базы отработки структур, содержания и алгоритмов функционирования систем обеспечения показателей эксплуатационных свойств перспективных системразработка математических моделей и алгоритмов функционирования сложных систем применительно к особенностям внутреннего и смешанного «река — море» плавания, а также комплексных систем с учетом иных видов транспорта, участвующих в транспортном процессе;

— разработка практических рекомендаци судоводителям и лоцманам по управлению и маневрированию судном на всем протяжении транспортного процесса, в целях повышения навигационной безопасности и безопасности плавания, минимизации влияния человеческого фактора на аварийность судов и бреговых средств в целом, увеличения экономической выгоды для всех участвующих сторон транспортного процесса, в том числе государства.

Таким образом, в диссертации поставлена и решена новая научная задача, в ходе решения которой:

— проведен анализ эксплуатационных особенностей применения и функционирования эргатической системы «судно — транспортный коридор», обобщение работ в области оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству и сформулированы основные направления данного исследования;

— проведено обоснование показателей готовности эргатической системы «судно — транспортный коридор» и анализ существующих методов оценивания показателей эксплуатационных свойств сложных систем с выбором метода оценивания навигационной безопасности и готовности системы «судно — транспортный коридор» на различных этапах функционирования;

— разработана марковская математическая модель оценивания навигационной безопасности и готовности системы «судно — транспортный коридор», и на их основе создана методика комплексного оценивания и исследования готовности и навигационной безопасности системы «суднотранспортный коридор», применительно к различным условиям плавания, доведенная до инженерного практического использования, применения которой может быть рекомендовано для исследования других эксплуатационных свойств системы;

— разработан алгоритм оценивания навигационной безопасности и готовности системы «судно — транспортный коридор» и проведен анализ количественных результатов;

— разработаны с использованием экспериментального метода и представлены в виде графических зависимостей практические рекомендации судоводителям и лоцманам по управлению и маневрированию судном в различных условиях на выбранном участке международного транспортного коридора «Север — Юг» реки Нева.

Заключение

.

В современных условиях функционирования судов при высокой интенсивности грузооборота, постоянно возрастающем потоке судов, сложных перегрузочных операциях повышение надежности и эффективности перевозок является основополагающим фактором заинтересованности грузовладельцев, отправителей и получателей в привлечении к перевозкам грузов более надежных судов, использование современных высокотехнологичных терминалов, удовлетворяющих требованиям в отношении качества, безопасности, скорости обработки и доставки грузов, высококвалифицированного персонала, способного максимально быстро и эффективно правильно отреагировать в любых экстремальных ситуациях на профессиональном уровне. Любое транспортное происшествие или авария на водном транспорте повлечет за собой значительные финансовые потери, связанные с порчей груза, повреждением, как судов, так и портовых средств, терминалов, гидротехнических сооружений. Из-за аварий на транспортном коридоре постоянно блокируются водные пути, каналы, заходы в порт, вследствии чего страдают и другие, непричастные к случившейся аварии элементы системы «судно — транспортный коридор», такие как судно, терминал, шлюз, мост, причалы, каналы и т. д. Вследствие этого практически вся система «судно — транспортный коридор» вынуждена простаивать, что крайне отрицательно сказывается на экономических показателях всех перевозок. Хуже всего, когда из-за имеющих место аварий происходит загрязнение окружающей среды, разливы нефтепродуктов, что в каждом случае является экологической катастрофой и оказывает негативное влияние на все структуры прибрежных государств, даже не имеющих отношение к водному транспорту. Невосполнимый урон причиняется престижу и авторитету судоходных компаний, стивидорным компаниям и другим участникам транспортного процесса, что отрицательно сказывается на дальнейшем экономическом сотрудничестве и возможности участия на рынке перевозок, не говоря уже о причиненном экономическом ущербе. Вышеперечисленные факторы говорят о необходимости создания метода оценивания уровня навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству, включающего в себя три части: индивидуальную, универсальную и эксперементальную. Использование данного метода позволит провести предварительные расчеты показателей уровня навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству с целью оценки возможности применения того или иного типа судна или терминала в транспортномс процессе, а также обосновать выставляемые требования к проектируемым судам и терминалам, спрогнозировать интенсивность судоходства и определить наиболее эффективную перевозку груза различными типами судов, обеспечив тем самым оптимизацию транспортного процесса, выдать практические рекомендации судоводителям по управлению и маневрированию судном, таким образом, повысив уровень навигационной безопасности и безопасности плавания на всем протяжении транспортного процесса.

На основании обобщения опыта эксплуатации и особенностей функционирования морских транспортных судов, а также проведенных автором теоретических исследований в диссертации сформулирована и решена научная задача — разработана методика и математическая модель оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству, а также разработаны практические рекомендации судоводителям и лоцманам по управлению и маневрированию судном в различных условиях.

К основным теоретическим результатам работы относятся: — рассмотрение в теории и практике эксплуатации системы «суднотранспортный коридор» задач оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству как их интегративных свойств. В ходе решения данной задачи разработана теоретическая, практическая и экспериментальная части методики оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству, включающие метод пространства состояний и получений на его базе полумарковский и марковский алгоритмы и математическую модель оценивания готовности и навигационной безопасностиобоснование и выбор метода пространства состояний, базирующегося на теории управляемых полумарковских и марковских процессов для решения задачи оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству;

— методические основы оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству, включающие: систему показателей готовности системы «судно — транспотный коридор», позволяющих проводить всестороннее и комплексное оценивание влияния как отдельных параметров системы, условий примнения и динамики функционирования, так их совокупности на уровень навигационной безопасности и готовности всей системыалгоритм и метод оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству, базирующегося на описании процессов функционирования транспортного коридора и судна в виде управляемых полумарковских и марковских процессовструктуру общей методики оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству;

— марковскую математическую модель оценивания готовности к судоходству и навигационной безопасности транспортного коридора, позволяющую проводить количественную оценку навигационной безопасности и готовности системы, оценивать влияние основных эксплуатационно-технических характеристик, особенностей и условий применения, режимов и динамики функционирования, а также прогнозировать и обосновывать требования к параметрам системы, обеспечивающим заданные значения показателей готовности и навигационной безопасности для различных условий эксплуатации.

Практическими результатами исследования являются:

— методика исследования навигационной безопасноти и готовности транспортного коридора к судоходству, включающей решение задачи оценивания и прогнозирования готовности и навигационной безопасноти системы «судно — транспортный коридор» на каждом иерархическом уровне (анализ) и обоснования рациональных значений параметров системы «судно — транспопртный коридор» из числа, удовлетворяющих требованиям заданной готовности и навигационной безопасноти (синтез);

— комплекс разработанных структурно-эксплуатационных и математических моделей оценивания навигационной безопасности и готовности системы, алгоритм, математическое обеспечение подсистемы оценивания, прогнозирования и обоснования путей обеспечения необходимого уровня навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству на заданном уровне;

— практические рекомендации судоводителям и лоцманам по управлению и маневрированию судном на выбранном участке транспортного коридора реки Нева, включающие в себя графические зависимости параметров управления судном от времени;

— экономическая оценка эффективности использования методики оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству;

— ряд практических рекомендаций по оцениванию, прогнозированию и управлению уровнем навигационной безопасности и готовностью транспортного коридора к судоходству с использованием разработанных структурно-эксплуатационных и математических моделей, основными из которых являются: а) при исследовании навигационной безопасноти и готовности транспортного коридора к судоходству необходимо учитывать не только их параметры, надежность системы и ее компонентов, условия и методы эксплуатации, режимы и динамику функционирования, но и характеристики обслуживающего персонала, т. е. исследовать готовность эргатической системы «судно — порт», «судно — гидротехническое сооружение» и т. д.- b) при разработке структурно-эксплуатационных моделей функционирования системы «судно — транспортный коридор» и математических моделей оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству необходимо правильно выбирать признаки классификации (выделения) состояний (режимов) системы и предпологаемые переходы между ними, обосновать состав параметров и параметры законов распределений времен пребывания в состояниях системы «судно — транспортный коридор», которые необходимо учесть при оценивании и обеспечении необходимого уровня навигационной безопасности и готовности системы, определить элементы базовой модели и на ее основе формировать систему математических моделей оценивания навигационной безопасности и готовности транспортного коридора к судоходству для наиболее вероятных структурно-эксплуатационных моделей функционированияc) для достижения возможных путей обеспечения требуемой готовности и навигационной безопасности эргатической системы «суднотранспортный коридор» с использованием разработанной математической модели оценивания навигационной безопасности и готовности необходимо провести всестороннюю количественную оценку как комплексного, так и индивидуального влияния параметров исследуемого процесса функционирования системы и условий применения для решения указанной задачи на ее готовность и навигационную безопасность и на этой основе определить, за счет изменения каких параметров, на каких направлениях, и на какую величину можно обеспечить требуемый уровень навигационной безопасности и готовности в тех или иных условиях, что в свою очередь позволяет отыскивать рациональные пути обеспечения требуемой готовности и безопасности системы в конкретных условиях функционированияd) в поцессе создания перспективных систем и обосновании количественных требований к их параметрам, целесообразно исходить из результатов, получаемых на основании разработанных структурно-эксплуатационных и математической модели оценивания готовности и навигационной безопасности, учитывающих их специфику и особенности, рассмотренные выше.