CC BY
103
^ Антипов Е. О., Тутыгин А. Г., Коробов В. Б.
§ Проблемы осуществления транспортировки грузов I в Арктической зоне РФ морским путем
О DOI 10.22394/1726-1139-2017-11-72-79 - Антипов Евгений Олегович
ш Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики имени академика Н. П. Лаверова РАН ° (г Архангельск) Аспирант [email protected]
Тутыгин Андрей Геннадьевич
Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики имени академика Н. П. Лаверова РАН (г. Архангельск)
Заведующий лабораторией моделирования социально-экономических систем
Кандидат физико-математических наук, доцент
Коробов Владимир Борисович
Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики имени академика Н. П. Лаверова РАН
(г. Архангельск)
Главный научный сотрудник
Доктор географических наук
РЕФЕРАТ
В статье рассмотрены проблемы, возникающие при доставке грузов морским транспортом в Арктическую зону Российской Федерации. Выделено шесть основных проблем, затрудняющих проведение этих операций. Предложена модель оптимизации маршрута доставки грузов при северном завозе, на конкретном примере доказана ее эффективность.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Арктическая зона Российской Федерации, перевозка грузов морским транспортом, модели оптимизации маршрута
Antipov E. O., Tutygin A. G., Korobov V. B.
Problems of Implementation of Freights Transportation in the Arctic Zone of the Russian Federation by Sea
Antipov Evgeny Olegovich
Federal Research Center of Complex Arctic Studying named after academician N. P. Laverov of RAS (Arkhangelsk)
Graduate student
Tutygin Andrey Gennadyevich
federal research Center of Complex arctic Studying named after academician N. P. laverov of RAS (Arkhangelsk) Head of the laboratory of Modeling of social and economic systems PhD in Physics and Mathematics, associate Professor [email protected]
Korobov Vladimir Borisovich
federal research Center of Complex arctic Studying named after academician N. P. laverov of RAS (Arkhangelsk)
Chief researcher
Doctor of Science (Geography)
ABSTRACT
The addressed problems arise in cargo shipping by marine vessels in the Arctic zone of the Russian Federation. The document identified 6 major challenges hindering these operations. o There has been proposed a route optimization model in the northern delivery with the efficiency demonstrated in particular example.
©
KEYWORDS
Arctic zone of the Russian Federation, cargo shipping, optimization model
В Арктической зоне Российской Федерации (АЗРФ) весьма слабо развита транспортная инфраструктура, что препятствует освоению ее минерально-сырьевых ресурсов и обеспечению жизнедеятельности работающего и проживающего здесь населения. Из-за отсутствия разветвленной сети железных дорог, автомобильных дорог с твердым покрытием, достаточного количества аэропортов и вертолетных площадок зачастую только водный транспорт, и в первую очередь морской, является единственной возможностью доставки грузов по назначению [7]. При этом возникает ряд проблем, часть из которых рассмотрим на примере северного завоза [2].
Северный завоз — комплекс ежегодных государственных мероприятий по обеспечению территорий Крайнего Севера Сибири, Дальнего Востока, а также Европейской части России основными жизненно важными товарами, прежде всего, продовольствием и нефтепродуктами, в преддверии зимнего сезона. Северный завоз как феномен обусловлен отсутствием в районах Крайнего Севера собственной производственной базы большинства промышленных и многих сельскохозяйственных товаров и удаленностью основных промышленных районов на многие тысячи километров, что затрудняет и делает очень дорогой для частных юридических и физических лиц самостоятельную доставку товаров даже в летние месяцы.
В этих условиях единственно возможной является централизованная закупка и транспортировка товаров из центральных и южных областей России в районы Крайнего Севера. Эту обязанность, как ранее в СССР, так и в современной России, осуществляет государство за счет средств федерального бюджета и силами региональных и местных властей. Объем северного завоза традиционно исчисляется в денежном, а не в натуральном выражении.
Основным маршрутом, по которому осуществляется северный завоз, является Северный морской путь (СМП). СМП — это единственная широтная магистраль, связывающая все арктические и субарктические регионы России и оказывающая влияние на развитие территорий, удаленных к югу от побережья Северного Ледовитого океана на многие сотни километров [3]. СМП проходит по акваториям северных морей АЗРФ (рис. 1): Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского, Чукотского. Эта арктическая транспортная коммуникация протяженностью 5600 км (от Карских ворот до бухты Провидения) соединяет Европейскую часть России с морями Дальнего Востока [4].
Первой проблемой является ограниченность сроков, обусловленная непродолжительным периодом летне-осенней навигации. Навигация делится на два периода: летне-осенний (с 1 июля по 30 ноября) и зимне-весенний (с 1 декабря по 30 июня). Именно в период летне-осенней навигации становится возможным проход через пролив Вилькицкого, отделяющий полуостров Таймыр от архипелага Северная Земля и соединяющий Карское море с морем Лаптевых, и условно разделяющий Арктику на западный и восточный секторы. В зимне-весенний период проход через этот пролив в связи с высокой плотностью льда по фарватеру не представляется возможным.
Вторая проблема обусловлена сложными условиями и способами выгрузки. Существует четыре основных типа выгрузки: вертолетная; путем распаузки — пере-
о
ш
ш
О
Рис. 1. Трасса Северного морского пути
валка груза на более мелкие суда и плавсредства для прохождения мелей; подходит для всех видов груза; прокладка шланголиний — для наливных грузов; швартовка к причалу. В условиях преобладания малых глубин, наличия отмелей и припая в 80-90% случаев представляется возможной только вертолетная выгрузка.
Третья проблема — удаленность точек выгрузки от материковых инфраструктур. В случае чрезвычайных ситуаций, отправляются два вертолета (так как им по одному запрещено выполнять полеты в условиях Арктики) с несколькими приземлениями для отдыха и дозаправки.
Четвертая проблема — финансирование северного завоза государством. Обусловлена она поздним финансированием и поиском исполнителей, которые готовы предоставить услуги авансом, и недостаточным финансированием, вследствие которого приходится урезать бюджет и искать дополнительные источники финансирования. В случае же позднего и недостаточного финансирования работы исполняются «под честное слово».
Пятая проблема касается выгрузки крупнотоннажных монолитных грузов на берег. Вертолеты, базирующиеся на борту судов, имеют ограничения на транспортировку и, как правило, не могут брать на подвеску более двух тонн груза, иногда несколько больше. Использование более мощных вертолетов связано с дополнительными затратами на их эксплуатацию и оплату перелета к месту работ.
Выгрузке с моря препятствуют заболоченные и крутые берега. Для их преодоления требуется строительство специальных дорог — в первом случае и подъемников во втором. И то и другое занимает достаточно много времени, не говоря уж о дополнительных — и не малых, затратах. Правда, в конце зимы, а в Арктике он приходится на март-апрель, в тех местах, где образуется прочный припай, возможна выгрузка грузов прямо на лед и доставка грузов с судов на берег по специально оборудованным дорогам. Но эти операции, получившие название «Ледовый причал», ограничены во времени и весьма затратны по финансам.
Попутно отметим, что для крупнотоннажных монолитных грузов требуются специальные суда, которых может не оказаться в наличии, а для особо габаритных грузов их необходимо будет строить, поскольку большие баржи, используемые в этих целях на крупных реках, по правилам морского регистра в морях эксплуатироваться не могут.
Шестая, наиболее важная с точки зрения человеческого фактора, проблема заключается в неэффективности существующих маршрутов завоза. Причина тому — построение маршрутов волюнтаристским путем, который устарел, как с точки зрения
административно-правового ресурса, так и с экономической точки зрения. Для того з чтобы ситуация изменилась, необходима разработка нового или использование ^ существующего метода построения маршрута, с учетом факторов, присущих рос- § сийской современной Арктике. £
Безусловно, все эти проблемы решаемы, особенно со своевременным и полным ^ финансированием. Они находятся в плоскости политических решений и упорядо- ° чения финансирования государственных проектов. Но одна из них — оптимизация о маршрутов — выделяется особо, поскольку ее можно решить объективными мето- ^ дами. Рассмотрим конкретный случай завоза в навигацию 1997 г., с выходом ш и возвращением в порт города Архангельск, и способ его оптимизации для со- О кращения продолжительности в целом.
В качестве точек завоза используем 11 полярных станций (рис. 2): Архипелаг Земля Франца-Иосифа (о. Хейса, обсерватория им. Кренкеля), о. Баренца; Новая Земля (Малые Кармакулы), Амдерма, о. Известий ЦИК, Диксон, Сабетта, Антипа-юта, о. Визе, о. Котельный, Тикси, Певек, о. Врангеля.
Оптимизация проводилась по критерию времени прохождения маршрута, поскольку от времени — прямо и косвенно, в основном зависят затраты на транспортировку. Среднее время прохождения каждого участка было определено исходя из его протяженности и известной эмпирически средней скорости судна на нем. К этому времени было добавлено время разгрузки судна в каждой точке маршрута, оно принято за постоянную величину, равную 24 ч. Оптимизация выполнена с помощью хорошо известного алгоритма «задачи коммивояжера».
Отметим, что задача коммивояжера относится к классическим комбинаторным задачам дискретной оптимизации на графах [5]. Ее суть сводится к построению гамильтоновой цепи в ориентированном либо неориентированном графе и связана с обходом всех его вершин в точности по одному разу, таким образом, чтобы каждую вершину посетив один раз, в итоге прийти в начальную вершину и при этом длина пути должна быть минимальной.
Тур коммивояжера описывается циклической перестановкой t = (]г, /2, .., ]п, /1) множества вершин графа ] е Т = (1, 2, 3, ..., п), причем все ]1 ..., ]п — различны. Расстояния Сц между парами вершин образуют матрицу С. Задача состоит в том, чтобы найти тур t, минимизирующий линейный функционал:
Данная модель имеет ограничения на неотрицательность расстояний между вершинами графа Сц> 0 и на запрет петель в графе:
Заметим, что в случае ориентированного графа задачи коммивояжера матрица расстояний не обязана быть симметричной. В данной работе рассматривается неориентированный граф и, соответственно, симметричная задача нахождения гамиль-тонова цикла минимальной длины для связного графа. Для решения данной задачи известен ряд алгоритмов, к основным из которых относятся «жадный» алгоритм, венгерский метод, метод ветвей и границ [1]. На сегодняшний день разрабатываются новые алгоритмы для задач высокой размерности с использованием генетических алгоритмов [6]. Как оптимальный, с точки зрения реализации и минимальной погрешности, нами выбран метод ветвей и границ, предложенный в 1960 г. [9], в основе которого лежит идея последовательного разбиения множества допустимых решений.
п
(1)
(М = 1.....п) С
Рис. 2. Исходный маршрут северного завоза 1997 г.
На каждом шаге метода элементы разбиения подвергаются анализу: содержит ли данное подмножество оптимальное решение, или нет. Если рассматривается задача минимизации, то проверка осуществляется путем сравнения нижней оценки значения целевой функции на данном подмножестве с верхней оценкой функционала. В качестве оценки сверху используется значение целевой функции на некотором допустимом решении. Допустимое решение, дающее наименьшую верхнюю оценку, называют рекордным. Если оценка снизу целевой функции на данном подмножестве не меньше оценки сверху, то рассматриваемое подмножество не содержит решения лучше рекордного, и может быть отброшено. Если значение целевой функции на очередном решении меньше рекордного, то происходит его замена. Будем говорить, что подмножество решений просмотрено, если установлено, что оно не содержит решения лучше рекордного.
Если просмотрены все элементы разбиения, алгоритм завершает работу, а текущий рекорд является оптимальным решением. В противном случае, среди непросмотренных элементов разбиения выбирается так называемое перспективное множество. Оно подвергается разбиению и анализу по описанной выше схеме. Процесс продолжается до тех пор, пока не будут просмотрены все элементы разбиения.
Зафиксируем 14 узловых точек маршрута северного завоза (табл. 1).
После снятия расстояний с навигационных карт данные были приведены в матричный вид. В этой матрице (табл. 2) указывается время в пути между всеми узловыми точками маршрута в часах.
После расчета соответствующего времени на преодоление этих расстояний длительность оптимального маршрута равнялась 906 ч, в то время как длительность первоначально используемого маршрута — 964 ч. Очевидная абсолютная разница между маршрутами составляет 58 ч, или более двух судосуток. И это при благоприятных погодных и ледовых условиях. В противном случае эта разница может быть еще больше, особенно при ледокольной проводке транспортных судов.
Предлагаемый маршрут завоза будет следующим (рис. 3): Архангельск, о. Баренца, о. Хейса, Антипаюта, Сабетта, о. Известий ЦИК, Диксон, Тикси, Певек, о. Врангеля, о. Котельный, о. Визе, Амдерма, Малые Кармакулы, Архангельск. Он совсем не такой очевидный, как это может показаться на первый взгляд. Обращаем внимание на порядок прохождения маршрута после выгрузки на Земле Франца-Иосифа (о. Хейса): следующим пунктом является Антипаюта, а не о. Визе, ближай-
Таблица 1 _о
2
Узловые точки маршрута северного завоза а-
№ п/п Узловые точки № п/п Узловые точки
1 г. Архангельск 8 пос. Антипаюта
2 о. Баренца 9 о. Известий ЦИК
3 о. Хейса 10 о. Диксон
4 о. Визе 11 о. Котельный
5 метеост. Малые Кармакулы 12 пос. Тикси
6 пос. Амдерма 13 пос. Певек
7 пос. Сабетта 14 о. Врангеля
Таблица 2
Матрица расстояний, ч
№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1 0 103 114 119 71 81 110 127 105 98 190 202 247 249
2 103 0 68 93 76 101 110 128 103 105 155 164 211 214
3 114 68 0 43 71 84 76 31 67 68 111 121 168 170
4 119 93 43 0 68 72 66 84 53 52 94 103 149 152
5 71 76 71 68 0 27 85 97 73 79 153 163 209 212
6 81 101 84 72 27 0 64 81 54 60 134 145 191 193
7 110 110 76 66 85 64 0 43 38 46 119 128 175 178
8 127 128 31 84 91 81 43 0 55 63 136 145 196 195
9 105 103 67 53 73 54 38 55 0 31 106 109 162 165
10 98 105 68 52 79 60 46 63 31 0 100 107 156 159
11 190 155 111 94 153 134 119 136 106 100 0 46 85 92
12 202 164 121 103 163 145 128 145 109 107 46 0 88 108
13 247 211 168 149 209 191 175 196 162 156 85 88 0 41
14 249 214 170 152 212 193 178 195 165 159 92 108 41 0
ший к о. Хейса, как это обычно практикуется из соображений здравого смысла. Далее маршрут проходит вдоль побережья на восток, а островные станции, расположенные на островах Врангеля, Котельный и Визе, обеспечиваются грузами на обратном пути.
Данную модель можно усложнить и дополнить, сделав ее более адекватной реальной ситуации. Во-первых, учесть ледокольную проводку. Долгосрочные ледовые прогнозы достаточно большой надежности составляются заблаговременно, и потребности в ледоколах можно учесть до начала навигации. Во-вторых, в Обской губе расположено несколько точек выгрузки, которые можно обеспечить вертолетом с одной точки — помимо Антипаюты, это Тамбей, Сеяха, Мыс Каменный и ряд других. В таком случае грузовое судно может бросить якорь на акватории губы, удаленной от пунктов выгрузки на суммарно минимальное расстояние от них, чтобы оптимизировать вертолетные маршруты. В-третьих, коррективы может вносить погода, когда из-за длительных штормов становится невозможной не только выгрузка, но и само передвижение судна, вынужденного отстаиваться в бухтах, ино-
Рис. 3. Предлагаемый маршрут
гда в течение нескольких суток. При наличии прогнозов погоды, пусть их оправ-дываемость и не всегда удовлетворительна, такого рода алгоритмы способны обеспечить в оперативном режиме корректировку маршрута.
Поскольку задача становится многофакторной, для ее реализации можно использовать и более сложные подходы, основанные на экспертной оценке влияния факторов, представленных в матричном виде [8].
Таким образом, даже относительно простые методы комбинаторной оптимизации уже в первом приближении способны предложить более эффективные варианты использования ограниченного промежутка времени для осуществления северного завоза. Другие проблемы, поднятые в настоящей публикации, должны решаться путем соответствующего финансирования и разработки необходимых технических средств.
Литература
1. Адельсон-Вельский Г. М., Диниц Е. А., Карзанов А. В. Потоковые алгоритмы. М. : Наука, 1975.
2. Антипов Е. О. Проблемы Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды при осуществлении северного завоза // Е. П. Башмакова, Е. Е. Торопушкина. Север и Арктика в новой парадигме мирового развития. Лузинские чтения — 2016: Материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. Апатиты : РИО КНЦ, 2016. С. 159-164.
3. Белов М. И. История открытия освоения Северного морского пути. IV изд. Л. : Гидро-метеоиздат, 1969.
4. Гаккель Я. Я., Черненко М. Б. История открытия и освоения Северного морского пути. III изд. Л. : Морской транспорт, 1959.
5. Давыдов Э. Г. Исследование операций. М. : Высшая школа, 1990.
6. Панченко Т. В. Генетические алгоритмы / под ред. Ю. Ю. Тарасевича. Астрахань : Издательский дом «Астраханский университет», 2007.
7. Тутыгин А. Г. Концепция создания комплекса моделей развития транспортной инфраструктуры Арктической зоны Российской Федерации // Научное обозрение. 2016. № 24. С. 182185.
8. Тутыгин А. Г., Коробов В. Б., Юфряков А. В. Матрицы парных сравнений как элементы экс-пертно-аналитической системы в моделях управления транспортной инфраструктурой в Арктике // Экономика, социология и право. 2016. № 11. С. 58-64.
9. Land A. H., Doig A. G. An automatic method of solving discrete programming problems // Econometrica: Journal of the Econometric Society. 1960. P. 497-520.
o
o
References
1. Adelson-Velsky G. M., Diniz E. A., Karzanov A. V. Stream algorithms [Potokovye algoritmy]. M. Science [Nauka], 1975. (rus) ©
2. Antipov E. O. Problems of Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring at implementation of northern delivery [Problemy Federal>noi sluzhby po gidrometeorologii i monitoringu okruzhayushchei sredy pri osushchestvlenii severnogo zavoza] // E. P. Bashmakova, E. E. Toropushkina. The North and the Arctic in a new paradigm of world development. Luzinsky readings — 2016: Materials of the VIII international scientific and practical conference [E. P. Bashmakova, E. E. Toropushkina. Sever i Arktika v novoi paradigme mirovogo razvitiya. Luzinskie chteniya — 2016: Materialy VIII mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii]. Apatity : o RIO KSC, 2016. P. 159-164. (rus)
3. Belov M. I. History of opening of development of the Northern Sea Route [Istoriya otkrytiya osvoeniya Severnogo morskogo puti]. IV ed. L. : Hydrometeoizdat, 1969. (rus)
4. Gakkel Ya.Ya., Chernenko M. B. History of opening and development of the Northern Sea Route [Istoriya otkrytiya i osvoeniya Severnogo morskogo puti]. III ed. L. : Marine transport [Morskoi transport], 1959. (rus)
5. Davydov E. G. Research of operations [Issledovanie operatsii]. M. : The higher school [Vysshaya shkola], 1990. (rus)
6. Panchenko T. V. Genetic algorithms [Geneticheskie algoritmy] / under the editorship of Yu.Yu. Tara-sevich. Astrakhan : Astrakhan University publishing house [Izdatel>skii dom «Astrakhanskii uni-versitet»], 2007. (rus)
7. Tutygin A. G. Concept of creation of a complex of models of development of transport infrastructure of the Arctic zone of the Russian Federation [Kontseptsiya sozdaniya kompleksa modelei razvitiya transportnoi infrastruktury Arkticheskoi zony Rossiiskoi Federatsii] // Scientific review [Nauchnoe obozrenie]. 2016. N 24. P. 182-185. (rus)
8. Tutygin A. G., Korobov V. B., Yufryakov A. V. Matrixes of pair comparisons as elements of expert and analytical system in models of management of transport infrastructure in the Arctic [Matritsy parnykh sravnenii kak elementy ekspertno-analiticheskoi sistemy v modelyakh upravleniya transportnoi infrastrukturoi v Arktike] // Economy, sociology and law [Ekonomika, sotsiologiya i pravo]. 2016. N 11. P. 58-64. (rus)
9. Land A. H., Doig A. G. An automatic method of solving discrete programming problems // Econometrica: Journal of the Econometric Society. 1960. P. 497-520.
