Journal of KONBiN 43(2017) ISSN 1895-8281 DOI 10.1515/jok-2017-0057 ESSN 2083-4608 A SYSTEM APPROACH FOR OPTIMIZING OF PARAMETERS OF THE PROPOSED MARITIME CONTAINER PORT IN ŚWINOUJŚCIE SYSTEMOWE PODEJŚCIE DO OPTYMALIZACJI PARAMETRÓW PROJEKTOWANEGO MORSKIEGO PORTU KONTENEROWEGO W ŚWINOUJŚCIU Stanisław Gucma Akademia Morska w Szczecinie Abstract: The article resents secially develoed methods for otimizing of arameters of the roosed maritime container ort in Świnoujście with lanned transshiment caacity of 1.5-million TEU intended for handling container vessels u to 400m length. The methods have been develoed based on a system aroach for the roosed maritime waterways. Keywords: maritime container ort, maritime waterways Streszczenie: W artykule zarezentowano secjalnie oracowane metody otymalizacji arametrów rojektowanego morskiego ortu kontenerowego w Świnoujściu o lanowanej zdolności rzeładunkowej 1,5mln TEU rzeznaczonego do obsługi kontenerowców o długości do 400m. Metody te zostały oracowane w oarciu o systemowe odejście do rojektowania morskich dróg wodnych. Słowa kluczowe: morski ort kontenerowy, drogi wodne 381
System aroach to otimization arameters of the designed marine ort... Systemowe odejście do otymalizacji arametrów rojektowanego morskiego... SYSTEMOWE PODEJŚCIE DO OPTYMALIZACJI PARAMETRÓW PROJEKTOWANEGO MORSKIEGO PORTU KONTENEROWEGO W ŚWINOUJŚCIU 1. Wrowadzenie Koncecja budowy terminalu kontenerowego w Świnoujściu oracowana rzez Zarząd Morskich Portów Szczecin i Świnoujście S.A. określa nastęujące założenia: Terminal kontenerowy w Świnoujściu owinien rzeładowywać w ierwszym etaie budowy 0,5 mln. TEU (kontenerów 20 stoowych) rocznie, a docelowo 1,5 mln. TEU rocznie. Dowóz i wywóz kontenerów do/z terminala będzie odbywał się rzy wykorzystaniu nastęujących środków transortu: samochodowy o uruchomieniu drogi szybkiego ruchu S3 (w trakcie realizacji); kolejowy o modernizacji nadodrzańskiej magistrali kolejowej (w trakcie realizacji). wodny o modernizacji Odrzańskiej Drogi Wodnej docelowo do IV klasy żeglowności, a w bieżącej ięciolatce do III klasy żeglowności (obecnie IV klasa do kanału Hawela). Terminal kontenerowy w Świnoujściu owinien być zlokalizowany na wschód od Portu Zewnętrznego w Świnoujściu uwzględniając strefy zagrożeń związanych z manewrowaniem i rozładunkiem gazowców LNG [2,7,3]. Terminal kontenerowy w Świnoujściu owinien mieć możliwości obsługi kontenerowców oceanicznych o ładowności do 20.000 TEU i feederów do 10.000 TEU. Uwzględniając owyższe założenia określono jego najkorzystniejszą wstęną lokalizację rzedstawioną na rys. 1 [3]. Planowana wielkość maksymalnych statków obsługiwanych w terminalu kontenerowym o głębokości odejścia h=14,5m to kontenerowiec o ładowności 18.000 TEU, nośności 200.000 DWT, długości L c = 400m, szerokości B = 60,0m i zanurzeniu T = 13,0m. W rzyadku lanowanego ogłębienia odejścia do Świnoujścia zanurzenie kontenerowców można zwiększyć do 14,5m. orzez: ogłębienie ółnocnego toru odejściowego do ławy N-1 na h = 16,5 m 17,0m; ogłębienie toru odejściowego od ławy N-1 (43,2km) do główek ortu h =16,5m; 382
Stanisław Gucma Należy rzy tym zaznaczyć, że zdecydowana większość maksymalnych kontenerowców wchodzi na Bałtyk z zanurzeniem mniejszym niż 13,0 m, co wynika z warunków eksloatacji tego tyu statków [9]. Rys. 1 Terminal kontenerowy zlokalizowany na wschód od Portu Zewnętrznego Świnoujście Minimalna bezieczna głębokość toru odejściowego do Portu Świnoujście dla maksymalnych kontenerowców o maksymalnym zanurzeniu T = 13,0m oruszających się rędkościami V = 8 10 węzłów wynosi h = 14,5m [4]. Analiza batymetrii odejściowego toru wodnego ortu Świnoujście jednoznacznie wskazuje na możliwość wrowadzenia ruchu dwukierunkowego dla maksymalnych kontenerowców na odcinku od ławy N-1 (43,2km) 383
System aroach to otimization arameters of the designed marine ort... Systemowe odejście do otymalizacji arametrów rojektowanego morskiego... kotwicowisko Nr 3 do ary ław 9-10 (13,6km). Na tym odcinku tor wodny w ółnocnej części rzechodzi rzez akwen o naturalnych głębokościach owyżej 14,5m, a w ołudniowej jego części rzechodzi rzez akweny o głębokościach 13,5 m 14,5m, wymagających niewielkich rac ogłębiarskich (Rys. 2). Rys. 2 Schemat toru odejściowego do Świnoujścia z zaznaczonymi kotwicowiskami, systemem oznakowania nawigacyjnego i lanowanym odziałem na odcinki o ruchu jedno- i dwu-kierunkowym Na odcinku od ary ław 9-10 (13,6km) do ary ław 15-16 (1,7km) maksymalne kontenerowce (oceaniczne i feedery) muszą oruszać się w ruchu jednokierunkowym. Tor na tym odcinku dla maksymalnych feederów (L c = 320m) nie musi być rzebudowywany, natomiast dla kontenerowców oceanicznych (L c = 400m) wymaga ewnej korekty. Równoległe do rozwiązań morskiej części terminalu kontenerowego rozwiązania technologiczne części lądowej ozwoliły na określenie arametrów nabrzeży, laców składowych, dróg dojazdowych i linii kolejowych [1]. 384
Stanisław Gucma 2. Port jako system złożony z różnego rodzaju dróg wodnych Systemy morskich dróg wodnych i warunki beziecznej eksloatacji statków tam manewrujących są różnie definiowane w zależności od rodzaju drogi wodnej i wykonywanych manewrów [4]. Z owyższego względu systemy morskich dróg wodnych można ogruować na: tor wodny (manewr rzejścia torem) i wejście do ortu (manewr wejścia do ortu); obrotnica (manewr obracania) i kotwicowisko (manewr kotwiczenia); basen ortowy (manewr odejścia do nabrzeża) i śluza (manewr wejścia, wyjścia, cumowania). W każdej z gru inaczej definiowany jest odsystem akwenu oraz warunki beziecznej eksloatacji statków i w rezultacie stosowane są różne metody ich rojektowania. Istnieją również systemy złożone z różnego rodzaju dróg wodnych takie jak orty morskie. Tyowy ort morski składa się z nastęujących dróg wodnych: kotwicowisko; tor wodny (odejście do ortu); wejście do ortu; basen ortowy w skład, którego wchodzi: obrotnica; odejście do nabrzeży; nabrzeża. System morskich dróg wodnych w rodzaju toru wodnego, kotwicowiska, wejścia do ortu lub obrotnicy definiują arametry jego dwóch elementów (odsystemów). Dwa elementy tego systemu są funkcją warunków beziecznej eksloatacji statków tam manewrujących [4]. t A i t F( Wi ) t Ni warunki beziecznej eksloatacji statków na torze wodnym (i-ty odcinek); odsystem akwenu (toru wodnego); odsystem nawigacyjny toru wodnego. System morskich dróg wodnych takich jak basen ortowy definiują arametry jego elementów (odsystemów). Trzy elementy takiego systemu dróg wodnych są funkcją warunków beziecznej eksloatacji statku maksymalnego. 385
System aroach to otimization arameters of the designed marine ort... Systemowe odejście do otymalizacji arametrów rojektowanego morskiego... W związku z tym system i-tego nabrzeża w basenie ortowym można rzedstawić nastęująco [4]: A i K i f Wi N in zbiór warunków beziecznej eksloatacji statku maksymalnego odchodzącego do i-tego nabrzeża. odsystem akwenu ortowego; odsystem nabrzeża i jego wyosażenie; odsystem nawigacyjny określania ołożenia i rędkości statku w basenie ortowym. Warunki beziecznej eksloatacji statków w systemie ortowych dróg wodnych dzielą się na trzy różnie definiowane gruy rzy czym wejście do ortu zakwalifikowane jest do drugiej lub trzeciej gruy w zależności od wykonywanego manewru wejścia samodzielnego lub w asyście holownika. Są to: Kotwicowisko. Tor wodny i wejście do ortu (bez asysty holowników). Obrotnica, basen ortowy i wejście do ortu (z asystą holowników). Zbiór warunków beziecznej eksloatacji statków maksymalnych na kotwicowisku: k W Lc, B, T, natomiast zbiór douszczalnych warunków hydrometeorologicznych kotwiczenia statku: H k k k Δh,Vw h k douszczalne obniżenie oziomu zwierciadła wody na kotwicowisku dla statku maksymalnego ; V douszczalna rędkość wiatru odczas kotwiczenia statku maksymalnego ; k w V douszczalna rędkość rądu odczas kotwiczenia statku maksymalnego ; L c B T k długość całkowita statku maksymalnego ; szerokość statku maksymalnego ; zanurzenie statku maksymalnego. H,V k k 386
Stanisław Gucma Zbiór warunków beziecznej eksloatacji statku rzechodzącego torem wodnym: t t W y, Lc, B, T, Hst, Vi, natomiast zbiór douszczalnych warunków hydrometeorologicznych rzejścia torem: H t t d/n, Δh, Vw, h t douszczalne obniżenie oziomu zwierciadła wody na torze dla statku maksymalnego ; V douszczalna rędkość wiatru dla statku maksymalnego wchodzącego do ortu; w V douszczalna rędkość rądu dla statku maksymalnego wchodzącego do ortu. V H t i Zbiór warunków beziecznej eksloatacji obracania i cumowania statków maksymalnych : t W y, Lc, B, T, H st, F, M, M st, nh, U h, natomiast zbiór douszczalnych warunków hydrometeorologicznych manewrów obracania i cumowania: H d/n, Δh, Vw, H st wysokość statku maksymalnego ; F boczna owierzchnia nawiewu statku maksymalnego ; M moc naędu głównego statku maksymalnego ; M st moc sterów strumieniowych statku maksymalnego ; n h ilość holowników w asyście; U h sumaryczny uciąg na alu holowników w asyście; h douszczalne obniżenie zwierciadła wody w basenie ortowym dla statku maksymalnego. Określając bezieczne warunki eksloatacji statków w tyowym orcie należy zwrócić uwagę że w systemie ortowych dróg wodnych arametry statku maksymalnego L, B, T, H st są jednakowe dla wszystkich jego odcinków (gru). Douszczalne rędkości wiatru V w i rądu V są jednakowe dla manewrów rzejścia torem, obracania oraz cumowania i różnią się od manewrów kotwiczenia gdzie wartości te są znacznie większe. V H 387
System aroach to otimization arameters of the designed marine ort... Systemowe odejście do otymalizacji arametrów rojektowanego morskiego... 3. Systemowe odejście do otymalizacji arametrów rojektowanego ortu kontenerowego Otymalizacja arametrów rojektowanego ortu kontenerowego w Świnoujściu wykonywana jest w dwóch częściach: 1) Otymalizacja arametrów toru odejściowego do terminalu (ortu kontenerowego w Świnoujściu od ławy N-2 (35,6km toru) do ary ław 15 16 (2,1km toru). Tor ten będzie dostosowywany do warunków beziecznej eksloatacji kontenerowców o długości L c = 400m. 2) Otymalizacja arametrów rojektowanego terminalu (ortu) kontenerowego w Świnoujściu w skład którego wchodzą: wejście do ortu od ary ław 15 16 (2,1km toru), obrotnica, odejście do nabrzeży, nabrzeża terminalu kontenerowego. Przy rojektowaniu arametrów odejściowego toru wodnego do ortu Świnoujście ozwalającego na bezieczne rzejście kontenerowców o długości L c = 400m, rzyjęto nastęujące założenia wynikające z wstęnego etau rojektowania: tor wodny składa się z dwóch odcinków o ruchu jednokierunkowym od 2,1 km do około 14 km toru i ruchu dwukierunkowym od około 14 km toru do 35,6 km toru. dla każdej ory doby i dla każdej widzialności musi być dostęne minimum dwa systemy określenia ozycji z wymaganą dokładnością. Otymalizacja arametrów odejściowego toru wodnego do Świnoujścia jako systemu drogi wodnej rzerowadzana jest w dwóch etaach: Eta I - Otymalizacja szerokości jednokierunkowego i dwukierunkowego toru wodnego oraz arametrów ich oznakowania nawigacyjnego gdzie funkcja celu jest minimalizacja kosztów rzebudowy toru i jego oznakowania: Z = (A + N) min rzy ograniczeniu wynikającym z odstawowego warunku bezieczeństwa nawigacji: d ikz(1-) D i (t) (x,y)d(t) h xy (t) T xy (t) + xy(1-) 388
Stanisław Gucma D i (t) dostęny akwen żeglugowy na i-tym odcinku drogi wodnej (sełniony warunek beziecznej głębokości w momencie t); d ikz(1 - ) bezieczny obszar manewrowy k-tego statku wykonywującego manewr na i-tym odcinku drogi wodnej w z-tych warunkach nawigacyjnych określony na oziomie ufności 1 - ; Z koszt budowy systemu dróg wodnych; A N koszt budowy (rzebudowy) drogi wodnej; koszt budowy odsystemu określania ołożenia statku (systemów nawigacyjnych); Eta II Otymalizacja długości odcinka dwukierunkowego toru wodnego, gdzie funkcją celu jest minimalizacja kosztów budowy i eksloatacji systemu morskich dróg wodnych uwzględniający koszty związane z oóźnieniami statków oszczególnych gru wielkościowych dla rognozowanych intensywności ruchu, którą można zaisać nastęująco: Z A A N N K min b e b A b roczna amortyzacja drogi wodnej (koszty budowy odzielone na 50-letni okres amortyzacji); A e roczne koszty eksloatacyjne drogi wodnej; N b roczna amortyzacja nieautonomicznych systemów nawigacyjnych (koszty budowy systemów nawigacyjnych odzielone na 15-letni okres amortyzacji); N e roczne koszty eksloatacji nieautonomicznych systemów nawigacyjnych; K s roczne koszty oóźnień statków korzystających z rojektowanej drogi wodnej; Okresy amortyzacji wynikają z tego, że drogi wodne rojektowane są zazwyczaj na 50-letni okres eksloatacji, natomiast statki na 15-letni okres eksloatacji. W okresie 50-letniej eksloatacji drogi wodnej są kilkakrotnie modernizowane, co związane jest głównie z wrowadzeniem coraz doskonalszych systemów nawigacyjnych [Gucma S. 2001]. Roczne koszty oóźnień statków korzystających z określonego realnego wariantu budowy rojektowanej drogi wodnej określa się według nastęującej zależności: K s n l l1 e l t t l średni czas oóźnienia statku l-tej gruy; l l rognozowana ilość statków l-tej gruy korzystających w roku z rojektowanej drogi wodnej; k l l k jednostkowe koszty oóźnienia statku l-tej gruy. l s 389
System aroach to otimization arameters of the designed marine ort... Systemowe odejście do otymalizacji arametrów rojektowanego morskiego... Określenie rocznych kosztów oóźnień statków korzystających z realnego wariantu budowy rojektowanej drogi wodnej wykonywane jest metodą symulacji komuterowej strumieni ruchu statków. Terminal (ort) kontenerowy w Świnoujściu jest złożonym systemem morskich dróg wodnych składającym się z wejścia do ortu, obrotnicy i odejść do nabrzeży. Otymalizacja systemu morskich dróg wodnych rzerowadzana jest rzy określeniu arametrów odstawowych elementów budowanego lub rzebudowywanego systemu (odsystem akwenu i odsystem nawigacyjny). Parametry elementów systemu morskich dróg wodnych są funkcją rojektowanych (założonych) warunków beziecznej eksloatacji statku. Funkcją celu w zadaniach otymalizacji arametrów systemu morskich dróg wodnych jest minimalizacja kosztów budowy (modernizacji) elementów systemu drogi wodnej oraz koszt eksloatacji tych odsystemów. Przyjmując owyższe założenia, funkcję celu otymalizacji arametrów dróg wodnych można zaisać w ostaci [4,5]: Z A A N N S min 1 2 1 2 rzy ograniczeniu wynikającym z odstawowego warunku bezieczeństwa nawigacji, Z koszt budowy i eksloatacji systemu dróg wodnych; A 1 koszt budowy (rzebudowy) drogi wodnej; A 2 koszt eksloatacji drogi wodnej; N 1 koszt budowy odsystemu określania ołożenia statku (systemów nawigacyjnych); N 2 koszt eksloatacji systemów nawigacyjnych; S koszty eksloatacji statku związane z rzejściem drogi wodnej (oczekiwanie na rzejście, ilotaż, asysta holownika, it.); W rzyadku morskich dróg wodnych o stałej głębokości ( h xy const) funkcję celu można zaisać w ostaci: rzy ograniczeniu: Z F D d min i 1 t i D i Otymalizacja arametrów terminalu (ortu) kontenerowego w Świnoujściu rzerowadzana jest rzy wykorzystaniu symulacyjnej metody otymalizacji dróg wodnych [4]. 390
Stanisław Gucma 4. Wnioski W artykule rzedstawiono metody otymalizacji arametrów rojektowanego morskiego ortu kontenerowego w Świnoujściu o lanowanej zdolności rzeładunkowej 1,5 mln TEU, do którego będą mogły zawijać kontenerowce oceaniczne o długości 400m. Zarezentowane metody otymalizacji oracowano w oarciu o systemowe odejście do rojektowania morskich dróg wodnych. Przedstawione metody otymalizacji dotyczą odejściowych torów wodnych oraz arametrów akwenów ortowych składających się z wejścia do ortu, obrotnicy i basenów ortowych. Są to unikalne metody umożliwiające otymalne określenie arametrów dróg wodnych zaewniających odowiedni oziom bezieczeństwa nawigacji. 5. Literatura [1] Brinkmann B. (2011): Oerations systems of container terminals: a comendious overview. Handbook of terminal lanning. Sringer New York, 2011,. 25-39. [2] Docelowa zabudowa ortu zewnętrznego w Świnoujściu analiza nawigacyjna. Praca naukowo-badawcza od kierunkiem S. Gucmy, zlecona rzez Zarząd Morskich Portów Szczecin i Świnoujście. Akademia Morska w Szczecinie, Szczecin (2011). [3] Gucma S., Kotowska I., Ślączka W. (2016): Wybór lokalizacji terminalu kontenerowego w Świnoujściu, Inżynieria morska i geotechnika, Nr 6/2016; ISSN 0867-4299, str. 366-377. [4] Gucma S. i inni (2015): Morskie drogi wodne. Projektowanie i eksloatacja w ujęciu inżynierii ruchu. Wydawnictwo: Fundacja Promocji Przemysłu Okrętowego i Gosodarki Morskiej, Gdańsk 2015, stron 551, ISBN 978-83- 60584-51-4. [5] Gucma S., Ślączka W., Zalewski P. (2013): Parametry torów wodnych i systemów nawigacyjnych wyznaczane rzy wykorzystaniu kryteriów bezieczeństwa nawigacji. Wydawnictwo Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, Szczecin 2013, stron 96, ISBN 978-83-89901-82-8. [6] Koncecja obsługi kontenerowców w Porcie Szczecin i Świnoujście w asekcie realizacji celów strategii rozwoju ortów morskich w Szczecinie i Świnoujściu do roku 2027: (Część I: Analiza nawigacyjna Terminalu Kontenerowego w Porcie Zewnętrznym Świnoujście i wybór otymalnej lokalizacji. wykonawca AMSz). (Część II: Analiza technicznoeksloatacyjna Terminalu Kontenerowego w Porcie Zewnętrznym Świnoujście. wykonawca BIMOR). Praca naukowo-badawcza od kierunkiem S. Gucmy, zlecona rzez Ernst & Young. Akademia Morska w Szczecinie, Szczecin (2015). 391
System aroach to otimization arameters of the designed marine ort... Systemowe odejście do otymalizacji arametrów rojektowanego morskiego... [7] Projekt systemów zaewniających bezieczną nawigację i obsługę statków LNG na odejściu i w orcie zewnętrznym w Świnoujściu. Praca naukowobadawcza od kierunkiem S. Gucmy, zlecona rzez Urząd Morski w Szczecinie. Akademia Morska w Szczecinie, Szczecin (2012). [8] SANDIA (2004): Guidance on Risk Analysis and Safety Imlications of a Large Liquefied Natural Gas (LNG) Sill Over Water. [9] Wstęne oszacowanie arametrów technicznych ółnocnego toru odejściowego do ortu w Świnoujściu wraz z szacunkową kalkulacją kosztów. Praca naukowo badawcza od kierunkiem W. Ślączki zlecona rzez ZPSS. Akademia Morska w Szczecinie (2015). Prof. dr hab. inż. kt. ż.w. Stanisław Gucma, Doktor Honoris Causa Państwowego Uniwersytetu Technicznego w Kaliningradzie. jest twórcą ierwszej w Polsce szkoły naukowej inżynierii ruchu morskiego i autorem 11 książek oraz onad 170 ublikacji na ten temat. Kierował onad 120 rojektami naukowymi wyniki większości z nich zostały wdrożone w gosodarce Polski oraz innych krajów UE. Prace badawcze rofesora Gucmy dotyczą m. in. największych inwestycji morskich naszego kraju n. budowy terminalu LNG w Świnoujściu czy rzebudowy wejścia do ortów w Kołobrzegu i Łebie. Jest członkiem Komitetu Transortu PAN, Akademii Inżynierskiej w Polsce oraz Komitetu Transortu Rosji. 392