Komputerowe wspomaganie w transporcie śródlądowym

Transkrypt

1 SKUPIEŃ Emilia 1 RESTEL Franciszek J. 2 Komputerowe wspomaganie w transporcie śródlądowym WSTĘP Żegluga śródlądowa w Europie jest wykorzystywana do przewozu 7,3% (kraje tzw. Starej Piętnastki) [1] wszystkich ładunków. W Polsce ten udział wynosi około 0,3%. Tak niski udział transport wodnego śródlądowego spowodowany jest niezadowalającym stanem polskich dróg śródlądowych. Często zmieniające się warunki nawigacyjne sprawiają, że trudno jest prognozować czas realizacji przewozu. Ponadto mało jest portów przeładunkowych pozwalających łączyć drogi śródlądowe z innymi systemami transportowymi. Ze względu na to, możliwości przewozowe polskich rzek nie są w pełni wykorzystywane. Obecnie w Polsce, głównie ze względów przeciwpowodziowych, coraz większy nacisk kładzie się na inwestycje związane z gospodarką wodną. Programy współfinansowane przez Unię Europejską coraz częściej wiązane są z poprawą stanu obecnego lub budową nowych budowli hydrotechnicznych. Pozwala to wierzyć w poprawę warunków nawigacyjnych na polskich drogach śródlądowych. Polityka transportowa Polski również włącza w swoje plany zwiększenie wykorzystania żeglugi śródlądowej. Wynika to z najniższej energochłonności tej gałęzi transportu, a co za tym idzie najniższych kosztów bezpośrednich. Koszty zewnętrzne i społeczne związane z transportem wodnym są również najniższe spośród wszystkich gałęzi transportu. Można zatem spodziewać się zwiększenia udziału wodnego transportu śródlądowego w przewozach towarowych w Polsce. Od wielu lat obserwuje się rozwój systemów informatycznych, coraz większe możliwości obliczeniowe niewielkich procesorów oraz coraz szybszy przepływ informacji. Skutkuje to dynamicznym rozwojem narzędzi szeroko rozumianego wspomagania komputerowego. Komputery ułatwiają projektowanie, księgowanie, obliczenia, prognozowanie itp. W wielu przypadkach, przy zastosowaniu odpowiednich kryteriów i algorytmów wskazują najkorzystniejsze (z konkretnego punktu widzenia) rozwiązania zadanych problemów. Niejednokrotnie programy komputerowe służą ludziom jako pomoc w podejmowaniu decyzji, poprzez wskazywanie błędów, obliczanie zdefiniowanych wskaźników, czy prawdopodobieństwa powtórzenia się sytuacji niepożądanej etc. Wspomaganie komputerowe w transporcie jest dość powszechne. Systemy nawigacyjne dostępne są nawet dla indywidualnych kierowców. Spedytorzy używają odpowiednich programów do wyznaczania tras przewozu, przewidywania czasu podróży z uwzględnieniem kongestii. Nowoczesne magazyny wykorzystują aplikacje ułatwiające zlokalizowanie składowanych towarów. Z wykorzystaniem odpowiednich programów prognozować można możliwości przewozowe danego przewoźnika, czy określonej sieci transportowej. Komputery mogą również uczestniczyć w podejmowaniu decyzji na wcześniejszym etapie. Pomagają zdecydować czy przyjąć ładunek, czy uda się dostarczyć go na czas i jaka gałąź transportu będzie najkorzystniejsza. Inne programy komputerowe służą poprawie bezpieczeństwa uczestników ruchu. Są też algorytmy wspomagające np. zarządzanie flotą, automatyzujące pewne procesy, optymalizujące zadane parametry wg. określonych kryteriów. A wszystko to, żeby zwiększyć konkurencyjność danego przewoźnika, obniżyć jego koszty. Takie aplikacje wykonują pewne zadania i obliczenia i dostarczają odpowiednie dane osobie, której zadaniem jest podjęcie decyzji. Można zatem stwierdzić, że pośrednio uczestniczą w procesach decyzyjnych. Ze względu na marginalne wykorzystanie żeglugi, pozostaje ona niedoinwestowana nie tylko w kwestii infrastruktury, czy środków transportu. Nie najlepiej rozwinięte są też systemy logistyczne 1 Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Wrocław, ul. Łukasiewicza 5, emilia.skupien@pwr.edu.pl 2 Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Wrocław, ul. Łukasiewicza 5, franciszek.restel@pwr.edu.pl 9656

2 obsługujące tę gałąź. W transporcie samochodowym, konkurencja i zwiększający się ruch na drogach (w tym kongestia) wymusiły rozwój narzędzi logistyki transportu. Systematycznie zaczynają się one pojawiać na kolei. Naturalnym jest, że niedługo zacznie pojawiać się zapotrzebowanie na tego typu narzędzia dostosowane do żeglugi śródlądowej. W dalszej części referatu przedstawione zostaną już istniejące programy wspomagające żeglugę śródlądową i jej bezpieczeństwo. Szerzej omówiony zostanie program wspomagający minimalizację zużycia paliwa przez statki śródlądowe, a co za tym idzie -minimalizację kosztów przewozu oraz aspekty niezawodnościowe. 1 APLIKACJE KOMPUTEROWE W ŻEGLUDZE ŚRÓDLĄDOWEJ - NAWIGACJA Specyfika polskich warunków nawigacyjnych panujących na śródlądowych drogach wodnych wymusza stosowanie rozwiązań niespotykanych czy niepotrzebnych w innych częściach Europy. Jest jednak wiele aplikacji komputerowych stosowanych w krajach Unii Europejskiej, które są implementowane do naszych warunków. Takim programem jest np. RIS służący przede wszystkim poprawie bezpieczeństwa statków śródlądowych. Implementację tego systemu reguluje Dyrektywa Unii Europejskiej. Program wprowadzany jest na wszystkich drogach śródlądowych o międzynarodowej klasie (klasa IV i wyższe), które mają połączenie z europejskim systemem dróg śródlądowych. Dzięki wbudowanym mapom dróg wodnych i danym zbieranym przez naziemną infrastrukturę, użytkownik systemu może sprawdzać, gdzie znajduje się zadany statek, dokąd płynie i z jakim ładunkiem. Może też obserwować ruch na wybranym odcinku drogi wodnej oraz warunki nawigacyjne na nim panujące. [2] Przykład mapy obsługiwanej w programie RIS przedstawiono na Rys. 1. Rys. 1. Przykład mapy obsługiwanej w programie RIS [3] Innym typem aplikacji jest SEABLEET. Stosowany jest on jako uzupełnienie skomputeryzowanego silnika nowej generacji, a stworzony został przez Volvo Penta Europe Office. Umożliwia on określenie pozycji jednostki pływającej na terenie całej Europy, oraz monitorowanie dowolnych sygnałów pochodzących z silnika (nie tylko poziomu paliwa, ale i obrotów silnika, temperatury oleju etc). Nie wymaga on instalowania dodatkowych czujników czy procesorów w samym silniku czy jednostce pływającej. Po zapoznaniu się ze sposobem rejestrowania i odczytywania danych rejestrowanych przez komputer pokładowy, zlecono stworzenie systemu monitoringu firmie UNI-Net Poland. Powstał w ten sposób pierwszy w Volvo Penta system zdalnego monitorowania parametrów silników floty śródlądowej na odległość. Dane kontrolowane w ten 9657

3 sposób dostępne są dla członków załogi przebywającej na statku, ale i dla agenta żeglugowego, właściciela floty, właściciela ładunku, odbiorcy i nadawcy. Ponadto istotne jest udostępnienie tych danych serwisowi, który znając wskazania czujników, bez wchodzenia na jednostkę będzie mógł m.in. zalecić przegląd czy naprawę. Obecnie system ten zainstalowany jest na pchaczu typu BIZON będącym własnością OTLogistics poruszającym się po niemieckich drogach wodnych. Przykładowe wskazanie programu przedstawia Rys. 2. Rys. 2.Screen programu SEAFLEET 2 APLIKACJE KOMPUTEROWE W ŻEGLUDZE ŚRÓDLĄDOWEJ - DYSPOZYTURA Wiele firm samodzielnie tworzy aplikacje wspomagające dyspozyturę. W Polsce, gdzie nawet najwięksi armatorzy mają niewielkie ilości floty, zarządza się jednostkami w sposób niezautomatyzowany. Powoli jednak odchodzi się od tego i coraz częściej korzysta się z aplikacji komputerowych. Jedna z nich, bazująca na obliczeniach przepustowości Odrzańskiej Drogi Wodnej, została przedstawiona w [4]. Aplikacja ta pozwala na planowanie trasy przewozu ładunków masowych, oraz określenie stopnia wykorzystania przepustowości drogi wodnej. Główne okno tej aplikacji zostało przedstawione na rysunku 3. Rys. 3. Okno dialogowe aplikacji wspomagającej planowanie trasy przewozu ładunku [4] 9658

4 Konkurencja ze strony innych gałęzi transportu również wymusza stosowanie coraz nowszych technologii w obsłudze floty i prognozowaniu przewozów. W polskich warunkach najtrudniejsze do oszacowania jest prawdopodobieństwo, czy warunki nawigacyjne pozwolą na przetransportowanie ładunku. Sposób obliczania prawdopodobieństwa wystąpienia pożądanych głębokości tranzytowych został przedstawiony w [5]. Bazując na danych eksploatacyjnych oblicza się prawdopodobieństwo zrealizowania przewozu, przy założeniu czasu trwania rejsu. Niezależnie od gałęzi transportu, coraz ważniejsze staje się minimalizowanie zużycia paliwa. Dzieje się tak ze względów ekologicznych minimalizacja emisji związków szkodliwych, ale również ze względu na duży udział kosztów paliwa w całkowitych kosztach przewozu. Poniżej przedstawiony zostanie algorytm obliczania zużycia paliwa przez statki śródlądowe w zależności od występujących warunków nawigacyjnych. 3 APLIKACJE KOMPUTEROWE W ŻEGLUDZE ŚRÓDLĄDOWEJ - ZUŻYCIE PALIWA Podstawowym parametrem hydrotechnicznym jest głębokość drogi wodnej. Na odcinkach skanalizowanych jest ona stała. Dzięki budowlom hydrotechnicznym utrzymywane są ustalone poziomy wody. Wyjątki stanowią jedynie okresy suszy lub powodzi. Problematyczne są wahania głębokości tranzytowej nieskanalizowanych odcinków rzek. Z tego powodu, przy przewozach uwzględniających nieskanalizowane odcinki, dla armatorów koszty przewozów stają się problemem drugorzędnym. Czasami przewóz jest w ogóle niewykonalny. Odpowiednie warunki hydrotechniczne to bezpieczna głębokość tranzytowa -zanurzenie floty powiększone o zapas bezpieczeństwa narzucany przez zarządcę drogi wodnej. Zanurzenie barek pchanych eksploatowanych w Polsce może wynosić od 0,7m do 2,2m, w zależności od stopnia załadowania. Większe zanurzenia barki oznacza również wzrost ilości przewiezionego ładunku. Z tego powodu najkorzystniejsze jest możliwie jak największe zanurzanie statków śródlądowych. Stosunek zanurzenia statku do głębokości drogi wodnej ma bardzo duży wpływ na opory pływania, a w konsekwencji na zużycie paliwa. Statek raz załadowany utrzymuje swoje zanurzenie przez cały rejs, z tego wynika, że wahania głębokości drogi wodnej wpływają na zmiany oporów ruchu statku w czasie płynięcia. Układ napędowy statku ma za zadanie pokonywanie oporów ruchu, w związku z tym głębokość drogi wodnej w bezpośredni sposób przekłada się na parametry pracy układu napędowego jednostki pływające. Prezentowany na Rys. 4. algorytm w uproszczony sposób przedstawia sterownik komputera pokładowego statku, który ma za zadanie sterowanie parametrami pracy układu napędowego statku śródlądowego wg zadanego kryterium. Jednym z nich jest minimalizowanie zużycia paliwa przez statki śródlądowe. W tym celu konieczne jest monitorowanie parametrów pracy układu napędowego i głębokości drogi wodnej. Przy znanym stopniu załadowania, czyli przy znanym zanurzeniu - głębokość drogi wodnej znacząco wpływa na zmianę oporów ruchu i do nich należy na bieżąco dostosowywać parametry pracy układu napędowego. Algorytm opisuje zasadę działania aplikacji zbierającej dane na temat statku, a w szczególności jego układu napędowego i obliczającej optymalne parametry pracy układu napędowego, dla monitorowanej na bieżąco głębokości drogi wodnej. Do obliczeń wymagane są charakterystyki oporowe statku, charakterystyki napędowe jego układu napędowego oraz charakterystyki zużycia paliwa. Dane te można wprowadzać w sposób bezpośredni, lub podając określone parametry, na podstawie których charakterystyki zostaną obliczone przy użyciu wzorów przybliżonych. Konieczne jest też wybranie odcinka drogi wodnej, po której statek będzie się poruszał i zdefiniowanie jej warunków nawigacyjnych. Tam gdzie warunki nawigacyjne są znane algorytm od razu wskaże optymalne parametry pracy, na odcinkach swobodnie płynących obliczenia te prowadzone będą w czasie eksploatacji. 9659

5 Rys. 4. Algorytm obliczeniowy zapewniający minimalizację zużycia paliwa przez statki śródlądowe w zmiennych warunkach nawigacyjnych Zakłada się również możliwość wskazania kryterium optymalizacyjnego. Może to być konkretna prędkość statku lub minimalne zużycie paliwa. Przy czym praktyka wskazuje, że maksymalizacja prędkości pływania jest bezcelowa, gdyż wzrost prędkości powyżej wartości krytycznej, wiąże się ze drastycznym wzrostem zużycia paliwa, co jest nieopłacalne. Zaprezentowany algorytm zakłada możliwość połączenia go z układem napędowym statku śródlądowego tak, aby stanowił jego integralną część. Możliwe jest to tylko w silnikach nowej generacji z dodatkowym sterownikiem. Pozwalałoby to na automatyczne sterowanie parametrami 9660

6 układu napędowego. Bieżące korygowanie parametrów pracy układu napędowego przy zmianie głębokości drogi wodnej skutkowałoby minimalizacją zużycia paliwa. Zastosowanie przedstawionego algorytmu wyklucza udział człowieka w procesie decyzyjnym. Mimo to nadal można uznać go za wspomagający proces decyzyjny, gdyż możliwe jest zastosowanie go jako półautomatycznego -z możliwością wyłączenia i sterowania parametrami układu napędowego w sposób tradycyjny. 4 APLIKACJE KOMPUTEROWE W ŻEGLUDZE ŚRÓDLĄDOWEJ ASPEKTY NIEZAWODNOŚCIOWE System transportu śródlądowego składa się z mniejszej liczby elementów niż systemy innych gałęzi transportu. W skład systemu wchodzą jednostki pływające, infrastruktura liniowa oraz punktowa. Podstawowymi jednostkami pływającymi stosowanymi na Odrzańskiej Drodze Wodnej są pchacze oraz barki pchane. Do infrastruktury liniowej zaliczają się kanał, rzeka skanalizowana oraz rzeka swobodnie płynąca. Infrastrukturą punktową są śluzy, mosty i porty przeładunkowe. Podstawowymi źródłami danych eksploatacyjnych, dotyczącymi systemu transportu śródlądowego są: Regionalne Zarządy Gospodarki Wodnej; Urzędy Żeglugi Śródlądowej; armatorzy. Zarządcami dróg wodnych są Regionalne Zarządy Gospodarki Wodnej (RZGW). RZGW dysponują zatem najbardziej dokładnymi danymi eksploatacyjnymi, a w szczególności dotyczącymi zamknięć szlaków wodnych. Urząd Żeglugi Śródlądowej opiera się zasadniczo na danych pozyskiwanych od RZGW, mając jednocześnie najbardziej dokładne dane na temat wypadków zaistniałych na śródlądowych drogach wodnych. Armatorzy dysponują przede wszystkim danymi eksploatacyjnymi jednostek pływających oraz zakłóceń powstałych podczas przeładunku. Odrzańska Droga Wodna w zimie nie jest żeglowna. Rozpoczęcie i zakończenie okresu nawigacyjnego zależy od warunków po zimie oraz przed zimą. Z tego powodu sezon nawigacyjny nie jest zdeterminowany. Średnia długość sezonu nawigacyjnego w latach wynosiła 262,5 dni (odchylenie standardowe wynosi 21,5 dni). Istotną różnicą w stosunku do systemu transportu szynowego jest również istotny wpływ otoczenia na wystąpienie zdarzeń niepożądanych. W celu określenia parametrów potrzebnych do analizy niezawodnościowej należy korzystaćz opracowań na temat zdarzeń niepożądanych [6]. Zostały tam uwzględnione przerwy w żegludze, które trwały co najmniej jeden dzień (w przypadku pracy śluz 16 godzin). Krótszych przerw nie odnotowano, ponieważ nie wpływały w sposób istotny na realizowane procesy transportowe. Z tego powodu przyjęto jeden dzień jako podstawową jednostkę czasu dla obydwu systemów. Dotyczy to zarówno czasów między zdarzeniami jak i opóźnień. W przypadku stosowania markowskich modeli niezawodności wykorzystuje się dane eksploatacyjne w pierwszej kolejności do określenia stanów niezawodnościowych. Możliwe jest także wielowymiarowy opis stanów, uwzględniający obok cech niezawodnościowych również cechy funkcjonalne czy bezpiecznościowe. Następnie przyporządkowuje się stanom zdarzenia, które powodują przejściapomiędzy stanami. W Tab. 1. przedstawiono przykładowe zestawienie zdarzeń. Tab.1. Zestawienie zdarzeń niepożądanych ze stanami Stan System żeglugi śródlądowej Obsługa techniczna inwestycje własne, śluzy Naprawy awaryjne uszkodzenie jednostki pływającej, uszkodzenie śluzy Wypadki i czynniki zderzenie jednostki pływającej ze śluzą, niski stan wody, zjawiska atmosferyczne lodowe, wpłynięcie na mieliznę Błędy w organizacji ruchu brak danych w rozpatrywanej bazie Model oparty na grafach stanów-przejść, opisany procesami markowskimi, może być zbudowany w różnym stopniu złożenia. Od kilkustanowych po kilkudziesięciostanowe modele. Na Rys

7 pokazano przykładowy, pięciostanowy model z jednym stanem zdatności i czterema stanami niezdatności Rys. 5. Przykładowy pięciostanowy model z czterema stanami niezdatności dla systemu transportu śródlądowego. Prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanach dla powyższego modelu można zapisać przy pomocy układu równań różniczkowych ze stałymi współczynnikami: (1) gdzie: P i (t) - prawdopodobieństwo przebywania systemu w i-tym stanie, - intensywność przejścia ze stanu zdatności (1) do j-tego stanu niezdatności (intensywność uszkodzeń), - intensywność przejścia z j-tego stanu niezdatności do stanu zdatności. Podany przypadek jest bardzo prostym przykładem opisania zdarzeń niepożądanych poprzez stany. Dla przypadku czasów między zdarzeniami sprawdzana jest poprawność dopasowania rozkładu wykładniczego, np. testem zgodności Chi2. Przykładowy histogram analizy przedziałowej czasów między zdarzeniami przedstawiono na Rys

8 Prawdopodobieństwo results for exponential distribution results for empirical data (0;1] (3;4] (6;7] (9;10] (12;13] Czas między zdarzeniami w dniach Rys. 6. Empiryczne i teoretyczne (rozkład wykładniczy) prawdopodobieństwa występowania przedziału czasu między zdarzeniami (incydenty). W Tab. 2. zestawiono przykładowe wartości intensywności przejść ze stanu zdatności systemu do stanu niezdatności w wyniku danego rodzaju zdarzenia niepożądanego. Tab. 2. Intensywności przejść ze stanu zdatności do niezdatności Stan Inland waterway transportation system 1/dzień Obsługa techniczna 0,0019 0,4499 Naprawy awaryjne 0,0032 0,1621 Wypadki i czynniki atmosferyczne 0,0076 0,1114 Błędy w organizacji ruchu x x WNIOSKI Wskazane w referacie narzędzia zyskują coraz bardziej na znaczeniu ze względu na coraz większa wagę przywiązywaną do efektywnego wykorzystania czasu oraz przewidywaniu zdarzeń niepożądanych. W transporcie towarów terminowość i przewidywalność są istotnymi czynnikami, a optymalizowanie kosztów pozwala na wzrost konkurencyjności względem innych przedsiębiorców. Duże znaczenie mają strategiczne decyzje podejmowane przez firmy, ale nie bez znaczenia pozostają drobne rozwiązania stosowane nawet na najniższych szczeblach. Z tego powodu komputerowe wspomaganie procesów decyzyjnych rozwija się bardzo dynamicznie i pojawia się we wszystkich dziedzinach zarządzania przedsiębiorstwem, czy flotą. Przedstawiony algorytm dostosowywania parametrów pracy silnika do warunków nawigacyjnych panujących na drodze wodnej stwarza nowe możliwości armatorom i producentom silników okrętowych przeznaczonych dla żeglugi śródlądowej w Polsce. 9663

9 Streszczenie W artykule omówiony został problem komputerowego wspomagania procesów decyzyjnych w transporcie, na przykładzie żeglugi śródlądowej. Żegluga śródlądowa ma marginalne znaczenie w polskim systemie transportowym. Jednym z powodów tego stanu jest trudność w podejmowaniu decyzji dotyczących przewozów. Wiąże się to z dużą zmiennością warunków nawigacyjnych na polskich drogach śródlądowych, a co za tym idzie: z dużą zawodnością tej gałęzi transportu. Nie zmienia to jednak faktu, że przy przewozie towarów masowych, ponadgabarytowych oraz materiałów niebezpiecznych, żegluga śródlądowa jest najbardziej ekonomicznym oraz najmniej uciążliwym środkiem transportu. Z tego powodu należy dążyć do zwiększania udziału przewozów towarów przy wykorzystaniu statków śródlądowych. Referat wskazuje możliwości wspomagania procesów decyzyjnych przy organizacji przewozów z wykorzystaniem żeglugi śródlądowej. Dla spedytorów czy innych osób organizujących przewozy towarów, istotne mogą być różne kwestie: koszty transportu, czas dostawy, czy sposób przeładunku. Niejednokrotnie z powodu braku odpowiednich narzędzi w sytuacjach przysparzających trudności, transport kieruje się na samochody. Dostępność odpowiednich programów komputerowych, obliczających wybrane parametry przewozu lub pozwalających na zadawanie kryteriów optymalizacyjnych, może wpłynąć na zwiększenie wykorzystania żeglugi śródlądowej, a co za tym idzie, na zmniejszenie kosztów zewnętrznych i społecznych związanych z przewozami ładunków. Referat opisuje takie możliwości. Computer aided inland waterway transportation Abstract The article discusses the problem of computer aided decision making processes in inland waterway transport. Inland waterway transport is of minor importance in the Polish transport system. One of the reasons for this is the difficulty in making decisions about transportation. This is due to the high variability of navigational conditions on Polish waterways, thus the low reliability of this mode of transport. This does not change the fact that the inland waterway transport of bulk goods, oversized and hazardous materials is the most efficient and least burdensome means of transport. For this reason, one should aim to increase the share of freight with the use of inland vessels. The paper indicates the possibility of supporting decision making processes in the organization of inland waterways transportation. For shippers or other persons organizing transport of goods, various issues can be important: the cost of transportation, delivery or handling method. Often, due to lack of appropriate tools transportation is directed to the cars. Access to appropriate computer programs that calculate some parameters which allow the carriage or optimization criteria, may increase the use of inland waterway transport, and consequently, a reduction in external and social costs associated with the carriage of cargo. The paper describes the possibilities. BIBLIOGRAFIA 1. Transport śródlądowy w 2011r. GUS, Szczecin Skupień E., Metoda oceny kosztów transportu towarów masowych Odrzańską Drogą Wodną. Studia nad rozwojem Dolnego Śląska, nr specjalny Skupień E., Restel F.: Analiza niezawodności transportu łamanego na przykładzie korytarza transportowego Odrzańskiej Drogi Wodnej. Logistyka 2011, nr 6, s Bogucki J.: Przerwy żeglugowe na Odrze skanalizowanej w latach , Wrocław