Использование различных видов моделирования при проектировании портовых гидротехнических сооружений, терминалов и морских портов

Современный мир характеризуется высоким уровнем глобализации. Экономика каждого отдельного государства имеет множественные и сложные связи с экономиками иных государств и, в целом, является частью общемировой глобальной экономики. Это причина того, что транспортная инфраструктура является одной из основ экономики любого государства.

Морские порты это не только одни из ключевых элементов транспортной инфраструктуры, но и базис для увеличения грузооборота, в том числе внешнеторгового.

Именно поэтому долгосрочное планирование развития портов вошло в число национальных приоритетов Российской Федерации.

В 2012 году была принята «Стратегия развития морской портовой инфраструктуры России до 2030 года» (далее – Стратегия) [1]. Согласно Стратегии, морские порты Российской Федерации имеют стратегическое значение для развития народно-хозяйственного комплекса Российской Федерации, обеспечения экспортных потребностей Российской Федерации. Наращивание портовых мощностей позволяет России не только обеспечить внутренние потребности, но и стать активным участником процесса обслуживания международных грузопотоков транзита, трансшипмента, международных транспортных коридоров [1, с. 9].

Для достижения основных целевых ориентиров Стратегии, необходимо решение ряда основных задач развития морских портов России [1, с. 39], в том числе:

1. Увеличение портовых мощностей и обеспечение эффективного развития портовой инфраструктуры;
2. Обеспечение безопасного функционирования морской портовой инфраструктуры и морского транспорта.

Таким образом в ближайшей перспективе можно ожидать проектирование и строительство новых портовых комплексов и одним из основных факторов будет безусловное обеспечение безопасного функционирования портовой инфраструктуры и обслуживаемого морского транспорта.

Согласно статье 4 Федерального закона от 08.11.2007 № 261-ФЗ «О морских портах в Российской Федерации» такие объекты морских портов как берегозащитные сооружения, волноломы, дамбы, молы, пирсы, причалы, а также подходные каналы, подводные сооружения, созданные в результате проведения дноуглубительных работ, расположенные на территории морского порта, взаимодействующие с водной средой и предназначенные для обеспечения безопасности мореплавания и стоянки судов относятся к портовым гидротехническим сооружениям.

Портовые гидротехнические сооружения и, в целом, терминалы морских портов имеют ряд особенностей (далее – Особенности):

• постоянное статическое и динамическое воздействие на элементы портовых гидротехнических сооружений от морских волн, течений, ледового покрова акватории и отдельных льдин (далее – природные факторы);
• необходимость обеспечения безопасной швартовки и стоянки судов в условиях воздействия на суда природных факторов;
• необходимость обеспечения безопасного судоходства судов в акватории порта с учетом природных факторов;
• необходимость обеспечения необходимого грузооборота терминалов с учетом природных факторов.

Как видно, ключевым базисом являются природные факторы: ветер, морские волны, течения, воздействие ледового покрова акватории и отдельных льдин.

К сожалению, несмотря на бурное развитие науки, невозможно в рамках одной расчётной формулы или иной относительно простой расчетной методики определить числовое значение воздействия природных факторов на портовые гидротехнические сооружения и в целом на функционирование терминалов.

Одним из вариантов решения задачи является моделирование на стадии проектирования вновь возводимых портовых гидротехнических сооружений, терминалов и порта, включая акваторию.

Существует четыре наиболее часто используемых при проектировании вида моделирования:

1. Физическое моделирование.
2. Математическое (численное) моделирование.
3. Навигационное моделирование.
4. Имитационное моделирование.

Физическое моделирование является наиболее старым видом моделирования, а до появления соответствующих компьютерных технологий и единственным видом моделирования.

Суть физического моделирования в том, что в экспериментальном мелководном бассейне строится точная копия портовых гидротехнических сооружений и воспроизводится рельеф дна акватории.

При необходимости изготавливаются и устанавливаются у макетов причалов макеты судов в необходимом масштабе. На швартовных концах и в иных местах, в зависимости от целей моделирования, устанавливаются тензодатчики (рис. 1).

Рис. 1. Пример физического моделирования стационарного морского отгрузочного причала [2]

Волнопродуктор генерирует в воде волны с нужной длиной и высотой, воздействие которых на макеты портовых гидротехнических сооружений и судов регистрируется датчиками, видеокамерами и иными способами и далее анализируются по различным методикам.

При помощи данного метода моделирования можно изучить следующие вопросы [3, с. 3]:

• оценка защищенности портовых акваторий от волнения;
• обоснование плановых и компоновочных решений причальных и оградительных сооружений;
• оценка устойчивости элементов сооружений;
• оценка заплесков (переливов) на сооружения и (или) территорию;
• оценка волноотражающей и волногасящей способности элементов конструкций;
• определение волновых нагрузок на элементы конструкций;
• иные задачи (при необходимости).

Основным условием при выполнении физического моделирования является обеспечение механического подобия объекта и модели.

В качестве основного критерия подобия следует использовать число Фруда F_r, то есть необходимо обеспечить равенство чисел Фруда объекта и модели [3, с. 4]

, (1)

где – V характерная скорость (например, скорость распространения волны), м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с;

L – характерный линейный размер (например, длина волны), м.

Кроме линейных размеров также необходимо обеспечивать масштабирование и иных параметров. Например, масштаб времени и периода волн m_t вычисляют по формуле [3, с. 4]

, (2)

где m_h – линейный масштаб.

Масштаб массы элементов (плит, камня или фасонных массивов) m_G при исследовании их устойчивости вычисляют по формуле [3, с. 4]

, (3)

где m_h – линейный масштаб – линейный масштаб.

Отдельно стоит остановиться на физическом моделировании взаимодействия ледового покрова акватории и отдельных льдин с судами и портовыми гидротехническим объектами (рис. 2).

Рис. 2. Пример физического моделирования воздействия льда на искусственные сооружения [4]

Исходя из принципа обеспечения подобия, масштабирование должно применяться и к прочностным характеристикам льда. Соответственно, если при физическом моделировании будет использован обычный лед, то результаты моделирования будут описывать некий нереальный лёд с прочностными характеристиками как у металла.

Таким образом, основной вопрос при физическом моделировании ледового покрова акватории и отдельных льдин – это разработка технологий снижения прочностных характеристик льда в ледовом бассейне. Данные технологии являются ноу-хау научных центров. Одним из таких научных центров является ФГУП «Крыловский государственный научный центр» - один из крупнейших мировых исследовательских центров в области кораблестроения и проектирования, имеющий собственную научную базу для физического моделирования взаимодействия ледового покрова акватории и отдельных льдин с судами и портовыми гидротехническим объектами [5].

Еще одним отличием физического моделирования ледового покрова акватории и отдельных льдин является необходимость наблюдения за взаимодействием льда и моделей по направлению снизу вверх – из толщи воды (рис. 3).

Для этого в толще воды ледового бассейна устанавливают подводные видеокамеры, либо дно бассейна исполняют в виде проходных галерей со стеклянной крышей, через которую экспериментаторы проводят необходимые визуальные наблюдения.

Рис. 3. Визуальное наблюдение процесса накопления льда в пространстве между палами при физическом моделировании взаимодействия гидротехнического объекта и дрейфующего ледяного поля

В конце ХХ века с появлением достаточно мощных вычислительных систем появилась возможность выполнения иных видов моделирования.

Одним из таких видов моделирования является математическое (численное) моделирование.

Существует множество программных продуктов, предназначенных для данного типа моделирования. Одно из таких программных приложений – программный комплекс «Anchored Structures»™, разработанный ООО «Центр компьютерного моделирования динамики морских сооружений» в сотрудничестве с Российским Морским Регистром Судоходства [6].

Согласно обзорной информации компании «InterCAD» о «Anchored Structures»™ [6] программный комплекс позволяет:

• рассчитывать жесткостные характеристики связей (якорных, швартовых, грузонесущих, буксирных), состоящих из участков с различными упруго-весовыми характеристиками, с учетом возможного включения подвесных грузов или плавучестей;
• рассчитывать гидродинамические характеристики морских объектов (в том числе с учетом влияния близко расположенных корпусов иных сооружений);
• рассчитывать нагрузки на плавучие или стационарные сооружения от ветра, течения, волнения и льда;
• рассчитывать смещение заякоренных объектов и натяжение связей под действием статических нагрузок;
• рассчитывать динамические колебания сооружений в шести степенях свободы под действием регулярных или нерегулярных внешних воздействий;
• выполнять полновероятностное моделирование динамики сооружения за предполагаемый период его эксплуатации;
• выполнять моделирование динамики сооружения с учетом динамики якорных связей;
• выполнять моделирование различных морских операций с участием моделируемых объектов.

Особенностям моделирования с использованием программного комплекса «Anchored Structures»™ посвящено множество научных работ, например «Математическое моделирование поведения морских объектов под действием природных нагрузок в среде программного обеспечения Anchored Structures» [7, с. 38-45], в которой дан краткий обзор применимости программного комплекса к задачам проектирования портовых гидротехнических объектов (рис. 4).

Рис. 4. Математическое моделирование поведения системы «СМЛОП (стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал) – танкер – буксир» [7, с. 38-45]

Можно сказать, что физическое моделирование и математическое (численное) моделирование в целом решают схожие задачи, но за счет принципиально различных используемых методов эффективно дополняют друг друга.

Еще один в настоящее время широко используемый вид моделирования – навигационное моделирование.

Навигационное моделирование выполняется с использованием компьютерного тренажёрного комплекса, представляющего собой компьютерный симулятор навигационного мостика рубки судна.

Данное моделирование способно решить следующие задачи:

• оценка местонахождения, ориентации и конфигурации причалов согласно требованиям безопасности мореплавания с учетом принятых компоновочных решений,
• оценка требований к подходному фарватеру и акватории маневрирования для безопасной навигации и маневрирования судов,
• выявление предельно допустимых гидрометеорологических условий для безопасной навигации и маневрирования рассматриваемых судов в акватории порта,
• оценка требований к количеству, типу и размеру буксиров,
• определение стратегии маневрирования и вероятных маршрутов следования судов,
• оценка требований к вспомогательному навигационному оборудованию и системам контроля морских операций.

В состав симулятора навигационного мостика входит, как правило, следующее судовое оборудование:

• проекционная система имитации визуальной обстановки;
• унифицированные мостиковые консоли, оборудованные органами управления различных типов (штурвал, машинные телеграфы, джойстики управления винторулевыми колонками и прочее);
• имитаторы радаров с функциями САРП;
• имитаторы радионавигационных систем;
• электронно-картографическая навигационная система (ECDIS);
• средства управления системой динамического позиционирования;
• система имитации судовой УКВ-связи.

Для выполнения навигационного моделирования в компьютерный симулятор загружается цифровая модель порта, включающая акваторию, портовые гидротехнические сооружения, цифровые модели судов и прочая необходимая информация.

В ходе сессий навигационного моделирования эксперты с большим практическим опытом судовождения проверяют на симуляторе типовые маневры подхода, разворота и отхода судов при различных гидрометеорологических условиях и видимости, маневры подхода и отхода в аварийных ситуациях, включая сценарии возможных отказов, таких как отказ судового двигателя и рулевого устройства, отключение энергоснабжения на борту судна и так далее (рис. 5).

Рис. 5. Сессия навигационного моделирования

В результате навигационного моделирования можно получить следующую информацию:

• оценка местонахождения, ориентации и конфигурации причалов согласно требованиям безопасности мореплавания;
• требования к подходному фарватеру и акватории маневрирования для безопасной навигации и маневрирования судов;
• описание выявленных предельно допустимых гидрометеорологических условий для безопасной навигации и маневрирования рассматриваемых судов в акватории порта;
• требования к количеству, типу и размеру буксиров;
• стратегия маневрирования и вероятным маршрутам следования судов;
• общие рекомендации по плаванию в ледовых условиях в акватории порта;
• требования к вспомогательному навигационному оборудованию и системам контроля морских операций.

Природные факторы воздействуют не только на отдельные гидротехнические сооружения морских портов, но и оказывают существенное воздействие на функционирование терминалов и морских портов в целом.

Например, наличие льда в акватории накладывает дополнительные требования на ледовый класс судов, определяет необходимость использования судов-ледоколов, выполнение мероприятий по управлению ледовой обстановкой в операционных акваториях терминалов и в целом в акватории порта (так называемый «Ice Management»).

Кроме того, судоходство и швартовка в порту могут быть остановлены по причине шторма или в случае сильного ветра при заходе судов с большой парусностью. Сильный ветер также может оказать воздействие непосредственно на процесс отгрузки в суда, в частности быть причиной остановки грузоподъёмных операции портовыми кранами.

Соответственно, на период остановки отгрузки складские комплексы терминалов должны иметь возможность накопления поступающих грузов, а причальный фронт должен быть достаточен для скорейшего восстановления отгрузки грузов в суда после завершения периода остановки судоходства.

Данные потенциальные проблемы не всегда явно видны при проектировании отдельных гидротехнических объектов, но их с успехом можно определить и решить при помощи имитационного моделирования на специализированном программном обеспечении, которое используя описания и параметры условий деятельности объекта (терминал, порт, суда, природные факторы) определяет вероятность возникновения различных негативных сценариев.

Существует несколько программных продуктов, специализированных на имитационном моделировании. Одним из примеров можно назвать «AnyLogic»™ компании «The AnyLogic Company» [8].

В качестве исходных данных может использоваться следующая информация:

• профиль поступления отгружаемой продукции за рассматриваемый период времени;
• профиль отгрузки продукции;
• описание судов для вывоза продукции (включая ограничения по природным факторам, требования по буксирному обеспечению и прочее) и их количество;
• подробная информация по природным факторам, включая вероятность возникновения;
• параметры портовых гидротехнических объектов (количество и параметры причалов и прочее);
• параметры акватории (количество одновременно находящихся на акватории судов);
• параметры подходных каналов.

Реальный перечень исходных данных, как правило, гораздо больше и зависит от моделируемого объекта и необходимой в результате моделирования информации.

Часть исходных данных указана вариативно: природные факторы, параметры судов (в случае, если заранее не известен точный состав флота), наличие буксиров (в случае, если буксиров ограниченное количество) и прочее.

Далее, во время многократных итераций моделирования с различными комбинациями исходных данных определяется вероятность возникновения различных сценариев, например:

• продолжительность остановки судоходства и/или швартовки по причине природных факторов;
• график изменения загруженности складских комплексов, причалов, операционной акватории, подходных каналов;
• количество судозаходов;
• потребность в буксирах;
• прочее.

Взаимосвязь отдельных элементов терминала или морского порта формируется при разработке конкретной модели и, как правило, описана в виде блок-схемы или потоковой диаграммы (рис. 6).

Рис. 6. Фрагмент потоковой диаграммы имитационной модели работы морского порта в системе AnyLogic [9, с.68]

Полученная в ходе моделирования информация может быть представлена как в виде анимации (рис. 7), так и в виде диаграмм (рис. 8) или в табличной форме (табл.).

Рис. 7. Оконная форма 2-D схемы [10, с.63]

Рис. 8. Графики и диаграммы модели [10, с. 64]

Таблица

Зависимость показателей системы от количества причалов [10, с. 64]

Таким образом имитационное моделирование является мощным инструментом, с помощью которого можно провести оптимизацию параметров отдельных терминалов и в целом морского порта, а также выявить потенциальные риски возникновения негативных сценариев во время эксплуатации морского порта, которые в явном виде не видны при проектировании отдельных объектов порта.

Например, при расширении морского порта за счет реконструкции или строительства новых терминалов комплексное имитационное моделирование может показать недостаточную пропускную способность подходных каналов или стеснённость акватории и прочее.

Важный аспект при выполнении любых видов моделирования это наличие исчерпывающих и достоверных исходных данных. Исходные данные в части судов и портовых гидротехнических объектов формируются на основе соответствующей конструкторской и проектной документации.

Для формирования исходных данных об акватории порта и рельефе дна выполняют гидрометеорологические изыскания, батиметрические исследования (рис. 9) с необходимой точностью и площадью съёмки, а также океанографические исследования при помощи автоматических донных станций (рис. 10).

Рис. 9. Пример батиметрической съёмки

Рис. 10. Автоматическая донная станция, подготовленная к установке в акватории порта

Важным вопросом подтверждения корректности и целесообразности выполнения различных видов моделирования на этапе проектирования морских терминалов и морских портов является упоминание данных работ в нормативно-технической документации.

Еще восемь лет назад по мнению отечественных исследователей вопросы моделирования гидротехнических сооружений в ряде случаев были недостаточно отражены в нормативно-технической документации [11, с. 32]. Но в последующие года данная ситуация получила положительную динамику.

Одними из некоторых примеров можно назвать следующие упоминания различных видов моделирования в нормативно-технической документации:

• необходимость имитационного моделирования указана в ряде пунктов СП 350.1326000.2018 «Нормы технологического проектирования морских портов» [12];
• различные виды моделирований упоминаются в ряде пунктов СП 444.1326000.2019 «Нормы проектирования морских каналов, фарватеров и зон маневрирования» [13].
• в п. 4.12 СП 58.13330.2019 «Гидротехнические сооружения. Основные положения» указано: «Основные технические решения, принимаемые при проектировании гидротехнических сооружений I и II классов ответственности, должны обосновываться научно-исследовательскими работами, результаты которых следует приводить в составе проектной документации» [14, с. 5];
• основные требования к физическому моделированию портовых гидротехнических сооружений изложены в ГОСТ Р 70023-2022 «Физическое моделирование волновых воздействий на портовые гидротехнические сооружения. Требования к построению модели, проведению экспериментов и обработке результатов» [3].

Вопросы моделирования также отражены и в иностранной нормативно-технической документации, например в документе «API RP 2N Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Structures and Pipelines for Arctic Conditions» в п. 8.2.1. указано «Small scale ice strength data obtained locally, preferably in situ, can be of assistance in the extrapolation. Physically based models and scale model tests may also be used to complement the full-scale data, with due account for uncertainties in their application» [15].

Таким образом можно сделать вывод, что несмотря на то, что проектирование портовых гидротехнических сооружений, терминалов и, в целом, морских портов является сложной инженерной задачей, сопряженной с учётом ряда вариативных факторов и особенностей, современные достижения науки и вычислительной техники даёт проектировщикам ряд мощных инструментов по оптимизации проектных решений. Методики физического, математического (численного), навигационного и имитационного видов моделирования являются одними из наиболее ярких примеров данных инструментов.