Планирование работы морского пассажирского порта на основе имитационного моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, доктор наук Майоров Николай Николаевич

• Майоров Николай Николаевич
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Майоров Николай Николаевич

Введение

Глава 1 Анализ морских пассажирских терминалов, современного состояния,

особенностей развития

1.1 Многокритериальный характер процессов морских пассажирских портов

и терминалов

1.2 Анализ региональной структуры мирового круизного рынка и основные

тенденции развития морских пассажирских перевозок

1.3 Модели исследования инфраструктуры морских пассажирских портов и

терминалов

1.4 Обоснование использования имитационного моделирования для

исследования морских пассажирских терминалов

1.5 Выводы по первой главе

Глава 2 Cиcтемное исследование процессов функционирования морских

пассажирских терминалов

2.1 Построение структурнофункциональной схемы морского пассажирского

терминала

2.2 Практическое решение задачи синтеза структуры морского

пассажирского терминала

2.3 Решение задачи выбора оборудования для обработки пассажиропотока в

морском пассажирcком терминале

2.4 Выводы по второй главе

Глава 3 Исследование технологических процессов обработки пассажиров в

морских терминалах

3.1 Модели развития морских пассажирских терминалов

3.2 Модели исследования пассажиропотоков в морских пассажирских портах

и терминалах

3.3 Прогнозирование пассажиропотока морского пассажирского терминала в

классе полиномиальных моделей

3.4 Исследования пассажиропотоков на основе моделирования

3.5 Моделирование пассажиропотоков в морском терминале в случае

возникновения чрезвычайной ситуации

3.6 Выводы по третьей главе

3

Глава 4 Моделирование маршрутной сети морских круизных и паромных

линий

4.1 Анализ вероятностных моделей процессов обработки паромных судов с

учетом приоритетов и формализации введения обслуживающих приборов

для терминала

4.2 Идентификация ключевых факторов изменений в маршрутной сети

круизных и паромных линий

4.3 Прогнозирование количества судозаходов для морского пассажирского

терминала в классе полиномиальных моделей

4.4 Cравнение методов прогнозирования количества судозаходов и

пассажиропотока в морском пассажирском терминале

4.5 Выводы по четвертой главе

Глава 5 Формирование общей методологии планирования и управления

морским пассажирским терминалом на основе дискретизации процессов

5.1 Методика определения состояний морского пассажирского порта на

основе дискретизации процессов

5.2 Методика формирования управляющего воздействия на систему морского

пассажирского терминала с целью улучшения функционирования

5.3 Методика прогнозирования влияния внешней среды на морской

пассажирский порт

5.4 Обоснование состава и структуры общей методологии планирования и

управления морским пассажирским портом на основе моделирования

5.5 Выводы по пятой главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Планирование работы морского пассажирского порта на основе имитационного моделирования»

Введение

Актуальность темы исследования. Одной из важнейших стратегических

задач в принятии целевых программ по развитию транспортных систем является

удовлетворение потребностей российской экономики, торговли и населения в

перевалке грузов, в организации пассажирских перевозок, в обеспечении

безопасности транспортных процессов, формирование новой транспортной сети,

открытие новых перспективных направлений. Для достижения данных целей

предлагается формирование инновационной инфраструктуры пассажирских

терминалов с последующей интеграцией их в транспортные узлы. Большое

влияние на решение проблем, стоящих перед водным, воздушным и другими

видами транспорта, оказывают методы управления перевозками, в том числе

пассажирскими, как внешними, так и внутренними, на различных уровнях

транспортных систем. Поэтому практические исследования в области

совершенствования управления транспортными терминалами и узлами, как

составной частью транспортной системы, играют ключевую роль в повышении

объемов и качества услуг, оказываемых на транспортных направлениях.

Помимо этого, развитие терминальной инфраструктуры требует

значительных финансовых вложений, что предопределяет высокую цену

ошибочного принятия решения по строительству или модернизации.

Пассажирские терминалы, построенные без проведения прогнозного анализа

рыночной ситуации и востребованности транспортных продуктов, могут оказаться

убыточными, что приведет к моральному устареванию инфраструктуры.

Пассажирские терминалы находятся также в зависимости от развития

транспортной доступности терминала, что зачастую предопределяет

эффективность работы всей портовой системы.

Сегодня наблюдается значительное увеличение объемов морских и речных

пассажирских перевозок. Данная транспортная отрасль находится в обновлении,

наблюдается строительство новых терминалов и модернизация существующих.

Необходимо отметить, что сегодня присутствует очень небольшое количество

 5

именно морских портов. С другой стороны наблюдается расширение направлений

существующих пассажирских морских маршрутов и открытие новых. По мере

возникновения нового круизного маршрута в систему терминалов постоянно

добавляются новые порты, предоставляется возможность ознакомить пассажиров

с большим культурным слоем региона, что позволит повысить пассажиропоток и

увеличить прибыльность. Именно поэтому особое внимание в развитии морской

портовой инфраструктуры до 2030 года уделяется инфраструктуре морских

пассажирских терминалов. Данная тенденция также обусловлена особым

географическим положением России. Занимая центральную часть Евразийского

континента, Россия играет роль геополитического связывающего моста между

странами Запада и Востока. Особую значимость для России, в аспекте

транспортных коридоров, приобрел Северо-Западный регион. Балтийский регион

для России представляет собой короткий морской вход в Европу. Сегодня через

порты Северо-Западного региона проходит большое количество транзитных грузов

и если для грузопотока в регионе созданы благоприятные условия, то пассажирские

порты находятся в стадии модернизации, становятся точками роста индустрии. По

мере развития и введения новых морских портовых пассажирских терминалов,

расширяются маршрутные направления и увеличивается возможность обосновать

необходимость инфраструктурных изменений, связывающих пассажирские порты

и наземную транспортную инфраструктуру.

В то же время необходимо отметить, что развитие российских морских

пассажирских терминалов идет с отставанием от других терминалов на Балтике,

таких как терминалы Таллиннского порта (D-терминал) терминал Вяртахамн в

Стокгольме (Швеция), терминалы в Хельсинки (Южный терминал, Западный

терминал-1, Западный терминал -2) и Турку, рижский пассажирский порт (Рига),

терминал Мариехамн и ряд других. В условиях конкурентной борьбы за

пассажирские потоки портам приходится существовать и реализовывать свои

инфраструктурные возможности. Поэтому без создания в пассажирском порту

отлаженной современной технической схемы организации обработки

пассажиропотоков совместно с развитием маркетинговой составляющей региона

 6

невозможно не только выиграть конкурентную борьбу, но и значительно

продвинуться в международных рейтингах. Так как активным элементов в такой

системе является пассажир, со своими интересами и целевыми установками, то

необходимо комплексно подходить к вопросам продвижения пассажирских

терминалов. Под влиянием тенденции мобильности населения, организации

самостоятельных путешествий необходима слаженная работы, как около портовой

инфраструктуры, так и системы по продвижения круизных продуктов.

Наиболее важной и сложной задачей являются оптимизация процессов в

морском пассажирском порту или терминале, оперативное управление,

планирование и прогнозирование развития для качественного принятия решений

по модернизации инфраструктуры и сохранения прибыльности. Как уже хорошо

известно, одним из условий успешного развития системы морских пассажирских

перевозок и модернизации инфраструктуры является оптимальное использование

ресурсов (персонал, комплекс специальных технических средств, обслуживающих

пассажиропоток и обеспечивающих транспортную безопасность, обслуживающие

службы и подразделения, внутренний транспорт и другие) на пассажирских

терминалах.

Среди основных направлений развития для портов и пассажирских

терминалов выделяют следующие:

 повышение качества услуг для пассажиров и грузопассажирских потоков;

 разработка многоуровневой и многофункциональной автоматизированной

информационной системы управления работой и развития морских портов;

 развитие международных пограничных переходов, обеспечивающих

ускорение обработки и комфортные условия для пассажиров;

 создание крупных терминалов в наиболее важных приморских городах,

обеспечивающих больший пассажиропоток;

 создание стратегии скоординированного развития пассажирских терминалов,

что неминуемо приведет к становлению рынка морских пассажирских перевозок;

 достижение стабильных показателей работы рынка как морских, так и

внутренних пассажирских перевозок;

 7

 преобразование из отдельного морского пассажирского терминала в крупный

пересадочный узел.

Морской пассажирский порт и терминал является уникальным транспортным

объектом. Ввиду широкого охвата вопросов социальноэкономических,

транспортных и инфраструктурных, технических, вопросов организации работы,

эффективного управления и учета влияния окружающей среды к исследованию

необходимо применять новые модели и методы на основе системного

многокритериального анализа.

Морская терминальная система находится под непрерывным влиянием

окружающей среды, мировой геополитической ситуации, что значительно

усложняет разработку долговременной эффективной системы принятия решений

по эффективному управлению и стратегическому долгосрочному

прогнозированию. Ввиду географических особенностей приморских городов,

каждый новый пассажирский терминал содержит набор уникальных параметров,

имеет определенный инвестиционный потенциал, особенные условия

функционирования, которые необходимо развивать и усиливать. Такое развитие

будет способствовать увеличению спроса, пассажиропотока, и как результат 

увеличению экономических показателей региона.

Морские пассажирские порты и терминалы невозможно исследовать без

учета влияния мегаполиса, города, околотерминального пространства и влияния

имеющегося ближайшего терминала в другой стране или регионе. Любой порт или

терминал стремится достигнуть наилучшей транспортной доступности и комфорта

для пассажиров, вводя новые сервисы и услуги. Именно поэтому наблюдается

бурное развитие городской инфраструктуры возле морских портов. В связи с этим

можно, с некоторыми ограничениями, вводить понятие пересадочного узла,

которыми становятся крупные бурно развивающиеся морские пассажирские

терминалы и порты.

Для того чтобы обеспечить конкурентную привлекательность, конкурентную

пропускную способность российских пассажирских портов и терминалов,

необходимо акцентировать внимание на выявлении и ликвидации «узких мест»,

 8

прежде всего в транспортных узлах, соединяющих транспортные водные

маршруты и имеющуюся наземную инфраструктуру. В свою очередь, для

выявления и анализа причин возникновения узких мест необходимо вводить новые

модели и методы систем управления, более шире использовать аналитический

аппарат построения целевых функций, методики прогнозирования с учетом

изменяющегося влияния на терминал со стороны окружающей среды. Только в

этом случае откроется возможность российским портам стать новыми центрами

круизной индустрии. Данное обстоятельство актуализирует необходимость

разработки моделей прогнозирования, методов и комплексов мер по обеспечению

стратегического развития и взаимодействия системы «круизная линия –

пассажирский терминал мегаполис».

При анализе соответствующего сегмента можно сформировать единое поле

транспортнологистических услуг и сформировать модель и методику

исследования всей системы терминалов. Для достижения данной задачи

необходимы следующее шаги:

 стремление к внедрению интеллектуальных транспортных систем в работу

морских пассажирских портов и терминалов;

 проведение работ по поэтапному изменению роли морского пассажирского

терминала, созданию из морского пассажирского терминала крупного

транспортного пересадочного узла, позволяющего пассажиру в период навигации,

формировать выбор различных видов транспорта для достижения центра города;

 выработка новых механизмов взаимодействия «пассажирский порт –

паромная линия», «пассажирский порт – круизная линия», «пассажирский порт –

мегаполис»;

 проведение работ по построению единого информационного поля

участников пассажирских перевозок.

Решение перечисленных выше задач планирования невозможно без

прогнозирования развития и без прогнозирования операционной работы

пассажирских терминалов и портов с использованием новейших интеллектуальных

информационных средств и технологий. При выборе моделей и методов

 9

необходимо основываться на наличии дискретного характера статистических

данных, образующих исходные данные для последующего анализа.

Степень разработанности темы исследования. Вопросы теории и практики

развития терминалов стали активно исследоваться с середины прошлого века,

результатом чего явилось создание многочисленных моделей эволюции

терминалов. На основе ретроспективного анализа развитие морских терминалов и

портов на разных исторических этапах происходило под влиянием различных

внешних сил и ограничений, которые были обусловлены как уровнем развития

инфраструктуры и портовыми мощностями, так и влиянием внешней

экономической среды. В данных моделях пассажирские терминалы являются

некоторой стадией в развитии грузового порта, сформированные в процессе

расширения функционала. Исследованиям рынка круизных, перевозок в разных

работах уделяли внимание такие авторы, как: А.В. Бабкин, Н.Л. Безрукова, М.Н.

Войт, В.А. Дергачев, М.А. Жукова, А.М. Котлубай, С.Г. Нездойминов, С.П.

Шпилько, А.Д. Чудновский, Р.В. Чударев, П. Уайльд и другие. Значительный вклад

в формирование современного методологического базиса развития портов и

терминалов на различных этапах экономического развития общества внесли Д.

Берд, Ф. Г. Аракелов, К. Берсефорд, Е. Н. Воевудский, А. В. Кириченко, Д. В.

Кочнев, А. Л. Кузнецов, В. А. Логиновский, В. С. Лукинский, О. Б. Маликов, В. Н.

Мячин, Т. Ноттебум, А. Ф. Парфенов, В. А. Погодин, М. Я. Постан, А. Л. Степанов,

В. И. Сергеев, Б. П. Усанов, В. А. Фетисов, Ю. Хайяз, Я. Я. Эглит, Л. Д. Ветренко,

С. Наниопоулуса, В. И. Немчикова и другие ученые и специалисты. Их труды

заложили основы экономики, организации и управления пассажирскими

перевозками на водном транспорте. При этом выделенные авторы c одной стороны

исследовали отрасль через изменения в круизной отрасли и рассматривали

экономические вопросы, с другой стороны основывались на изучении портов и

инфраструктуры. Признавая высокую научную значимость работ

вышеперечисленных авторов, следует отметить, что в них недостаточно внимания

уделено важной проблеме исследования морских пассажирских терминалов.

 10

Предложенные различными исследователями основные модели в той или

иной степени расширяют теоретические положения. В то же время, в современных

условиях они постепенно утрачивают свою актуальность для ответа на требуемые

практикой вопросы о стратегическом направлении развития конкретного порта.

При выполнении диссертационного исследования за основу была выбрана

академическая наука, в частности представленная школами ФГБОУ ВО «ГУМРФ

имени адмирала С.О. Макарова» и ФГАОУ ВО «ГУАП», которые составили

впоследствии методологическую основу диссертационной работы.

В исследовании проведен аннотированный библиографический анализ

основных отечественных и зарубежных работ, относящихся к тематике

диссертационного исследования. Указаны публикации и авторы, внесшие вклад в

становление отечественной школы управления развития терминалов, а также

наиболее заметные результаты, полученные зарубежными учеными.

В диссертационном исследовании представлены результаты проведенных

практических исследований, позволивших выявить и доказать имеющиеся

противоречия и обосновать новые результаты. На основании анализа состояния

проблемы сформулированы задачи, цели работы и обозначены этапы.

Цели и задачи исследования. Целью диссертации является

совершенствование планирования и управления процессами в морских

пассажирских портах и терминалах, на основе оптимизации их технологических

процессов, решение задачи синтеза структуры терминала, решение задачи

операционного прогнозирования с учетом влияния внешней среды для обеспечения

качественно нового уровня стратегического планирования развития морских

пассажирских терминалов, направленного на улучшение сектора морских

круизных и паромных перевозок. Получение научных результатов применимых и

масштабируемых для пассажирских терминалов на других видах транспорта.

Для достижения указанной цели необходимо решить научную проблему

создания методологии прогнозирования, планирования и управления развитием

морских пассажирских терминалов в условиях существования внутренних и

внешних ограничений, имеющего агрессивного влияния внешней среды, принятия

 11

управленческих решений в условиях неопределенности и требований внедрения

интеллектуальных систем управления.

Сформулированная цель исследования вытекает из имеющегося

противоречия между необходимостью прогнозирования стратегического развития

морских пассажирских терминалов для принятия управленческих решений по

модернизации инфраструктуры или разработке новых круизных продуктов на

рынке и недостаточно проработанной научно обоснованной методологии

прогнозирования и управления развитием пассажирских терминалов, что на

практике приводит к интуитивному принятию решений, которые содержат c

большой долей вероятности ошибки или не позволяют достичь заданного уровня.

Возврат на обратный шаг уже, после начала реализации неправильного решения,

будет невозможен.

Объектом исследования является пассажирский терминал (морской

пассажирский порт или терминал), являющийся сложной системой, и процессы его

функционирования.

Предмет исследования составляет стратегическое планирование и

управление развитием пассажирских терминалов, происходящее под воздействием

возмущающих и управляющих факторов со стороны современной

транспортнологистической системы и общества, частью которой они является, в

условиях необратимости управленческих решений и возможного возникновения

особых условий функционирования.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

 впервые выявлены методологические границы применения существующих

математических моделей для стратегического планирования и прогнозирования

морских пассажирских портов и терминалов;

 впервые разработаны и апробированы имитационные модели работы

морских пассажирских портов и терминалов, основанные на динамическом

характере процессов сложных систем, определяющих направление развития

терминала под воздействием внутренних ограничений, внешних факторов

транспортно-логистической системы и необратимости управленческих решений;

 12

 впервые реализованы имитационные модели эвакуации пассажиров

терминала в случае возникновения чрезвычайной ситуации, основывающиеся на

динамическом характере поведения пассажиров;

 впервые представлено решение задачи синтеза морского пассажирского

терминала с учетом влияния внешней среды;

 сформулирован и найден методологический базис формирования сети

круизных и паромных маршрутов, основанный на динамическом характере

процессов сложных систем;

 впервые сформулированы принципы построения новой методологии

планирования и управления пассажирскими терминалами на основе агентно-

сценарного прогнозирования;

 определены точки формирования новых проектов по модернизации морских

пассажирских терминалов в зависимости от влияния внешней среды и новых

вызовов в существующей конкуренции между терминалами за пассажиропоток;

 разработаны рекомендации по стратегическому планированию развития

пассажирских терминалов и принятию решений в области управления развитием

портов, обеспечивающих повышение достоверности полученных результатов.

В целом новизна результатов обусловлена оригинальной и актуальной

проблемой, которая в отличие от других авторов поставлена и решена в виде

группы новых научно-обоснованных решений, внедрение которых вносит

значительный вклад в развитие транспортных комплексов страны, морских

пассажирcких портов и терминалов.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость состоит в том, что исследование разрешает

существующее противоречие между требованиями к управлению морскими

пассажирскими терминалами и недостаточностью соответствующего

методического инструментария, предлагая средства прогнозирования вариантов

стратегического развития и методологию принятия решения. Теоретическая

значимость также обосновывается методологическим базисом, который

охватывает взаимодействие систем «морская круизная/ паромная линия – морской

 13

пассажирский терминал». Результаты диссертационного исследования в

теоретической значимости расширяют отдельные области знаний в сфере

моделирования пассажиропотоков в терминале, прогнозирования работы

пассажирского терминала, эвакуации пассажиров из пассажирского терминала,

выделения основных этапов эволюции терминалов с фиксацией переходных

состояний.

Теоретическими результатами исследования являются:

 частная методика прогнозирования и оценки различный вариантов

организации морских пассажирский терминалов и маршрутной сети паромных и

круизных линий на основе использования аппарата дискретизации состояний

систем;

 методика моделирования пассажирских потоков в пассажирских терминалах

с учетом динамического поведения пассажиров;

 оценка деятельности морских терминалов как стратегических центров

развития круизного туризма, формирование математического базиса

представляющего стадии развития морских пассажирских терминалов;

 методика моделирования пассажиропотоков и работы служб в пассажирских

терминалах (морских, авиационных и других);

 методика моделирования поведения пассажиров и работы служб морского

пассажирского терминала в случае возникновения чрезвычайной ситуации.

Информационно-эмпирической базой исследования послужили

законодательные и нормативно правовые акты Российской Федерации, имеющиеся

аналитические данные по пассажиропотоку, маршрутной сети и инфраструктуры

пассажирских портов и терминалов и авторизированным информационным

системам по мониторингу движения круизных, паромных судов и имеющихся

геоинформационных систем Балтийского моря.

Практическая значимость состоит в следующем:

 выработка рекомендаций по стратегическому прогнозированию развития

пассажирских портов и принятию решений в области управления развитием

 14

портов, обеспечивающих повышение качества прогнозирования, достоверности

полученных результатов;

 сформированный методологический базис сети морских круизных и

паромных линий;

 выявление критических факторов, влияющих на развитие морских

пассажирских терминалов;

 разработка частной методики прогнозирования и исследования

функционирования системы «морской пассажирский терминал – круизная линия».

Методики и положения исследования реализованы в виде отдельной

имитационной программной среды и предназначены как для лиц, принимающих

решение по управлению терминалом, так и при подготовке специалистов для

данной отрасли. Полученные результаты реализованы в форме имитационной

системы поддержки выбора решений для обоснования планов развития

пассажирских терминалов и портов. Эффективность предложенных решений

подтверждают акты внедрения. Внедрение комплекса предлагаемых решений

позволяет на 30%, на основе результатов практического внедрения разработанных

моделей, ускорить получение качественного прогноза и улучшить системы

принятия решения по управлению пассажирским терминалом.

Методология и методы исследования. В диссертации обосновано

использование прогнозирования развития морских пассажирских портов на основе

дискретизации процессов и планирования с применением агентно-сценарного

моделирования в части определения его настоящего состояния, стратегического

направления развития и желаемого состояния в будущем. Объект исследования

представляет собой составную сложную динамическую систему, состоящую из

нескольких отдельных систем, взаимовлияющих друг на друга («мегаполис 

морской пассажирский порт – паромная линия»).

В исследовании применялись эмпирические методы (сбор данных о факторах

и ограничениях, влияющих на развитие портов, создание базиса статистических

данных), теоретические методы (формализация результатов, полученных в ходе

испытания моделей, выводы) и экспериментально-теоретические методы

 15

(аналитическое обобщение эмпирических результатов, аналитические методы

прогнозирования, анализ, синтез структуры терминала, современные методы

имитационного моделирования).

Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математические модели:

 модель прогнозирования развития терминала на основе дискретизации

процессов, обеспечивающая в отличие от классических методов аналитического

прогнозирования или теории принятия решений в условиях неопределенности

возможность более точного и оперативного принятия решения;

 модель планирования морcкого пассажирского порта, основанная на новом

методе моделирования пассажиропотоков в виде самообучающихся агентов,

позволяющая прогнозировать различные сценарии поведения пассажиров и

прогнозировать работу служб терминала на различных горизонтах планирования.

2. Методики:

 методика исследования морских пассажирских портов и маршрутной сети

круизных/паромных линий как динамической системы, активным элементом

которой является пассажир с его личностными интересами и исследованием

наземной инфраструктуры;

 методика планирования работы служб морского пассажирcкого порта на

основе комбинации методов имитационного моделирования, использования

логистической функции и учета динамического поведения пассажиров в

терминале;

 методология планирования и управления морским пассажирским портом на

основе моделирования.

Достоверность полученных результатов.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается:

 использованием теории подобия для соотнесения результатов

моделирования и имеющихся статистических значений, составления инвариант

подобия применительно к пассажирским терминалам;

 16

 сходимостью расчетных величин с имеющимися опубликованными данными

по пассажиропотоку и судозаходам;

 использованием апробированных моделей и методов при проведении

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Майоров Николай Николаевич, 2020 год

источников;

 при моделировании прорабатывается только ограниченное число сценариев;

 затем осуществляется моделирование уже готового рабочего проекта

терминала с целью его тестирования и подтверждения перед началом реализации.

При этом если на этапе выявляются недочеты и узкие места, что, как правило, для

серьезных изменений времени уже нет.

Задача исследования, планирования и оптимизации работы морского

терминала, достаточно трудно решается традиционными алгоритмическими

методами. Вероятностные характеристики в систему вносит сам пассажир. На

практике, ЛПР стремятся основываться на статистической информации по работе

служб и подразделений. При наличии сбоев производится их фиксация, проводится

анализ ситуации и определяется, к примеру, интенсивность отказов. Для анализа

надежности операционных процессов обработки пассажиров необходимо

 149

проанализировать логистическую цепь движения пассажиров в терминале. Если

она реализуется линейной структурой, то есть пассажир перемещается от точки до

точки обработки внутри терминала, то для оценки надежности системы

используется следующее соотношение:

n

Pi (t )  P1 (t ) P2 (t ) P3 (t )...Pn (t )   Pi (t ) , (3.21)

i 1

где Pi (t )  вероятность безотказной работы iого элемента при обработке

пассажиропотока за время t.

Для решения группы прогнозных задач необходимо проанализировать

интенсивности отказов. При оценке надежности работы подразделения на основе

интенсивности отказов, используется следующее соотношение:

n t

Pi (t )  exp(  i (t )dt ),

i 1 0

(3.22)

где i (t )  интенсивность отказов в работе системы.

Интенсивность отказов соответствующей службы определяется на основе

анализа работы соответствующего подразделения за определенный интервал

времени в прошлом.

Пассажирский терминал («Морской фасад») реализован с учетом

постоянного поэлементного резервирования. К примеру, на морском вокзале № 2

построено 28 кабин паспортного контроля. Если какая-то группа выйдет из строя,

открывается возможность перенаправить пассажирские потоки к свободным

кабинам. Получается, что в модели заложено избыточное резервирование.

Необходимо отметить современную тенденцию на применение некоторой базовой

модели с учетом включения избыточного резервирования. Но на практике,

избыточность возникает только в некоторых узловых процессах, как к примеру,

таможенный контроль. В случае стойки регистрации в морском пассажирском

терминале или аэропорту, количество всегда ограничено двумя, реже тремя

стойками. Схожую ситуацию можно наблюдать и при прохождении первичного

досмотра при входе в морской пассажирский терминал или, к примеру, аэропорт.

 150

Но в данном случае, возникновение очередей напрямую зависит от интенсивности

работы терминала.

Перестройка всей схемы работы при отказах не происходит. Вероятность

безотказной работы системы с поэлементным резервированием представима:

n  mi



Pi (t )   1   (1  pij (t)) , (3.23)

i 1  j 0 

где Pij(t)  вероятность безотказной работы элемента системы на интервале

времени (0,t); mj – кратность резервирования элемента группы.

Оценка параметров надежности операционных процессов служб,

вовлеченных в обработку пассажиров, позволяет оценить надежность и

стабильность работы терминала, но не позволяет перейти на уровень анализа

пассажирских потоков. Для выполнения анализа необходим расчет интенсивности

отказов, но его качественно можно рассчитать, только анализируя интенсивность

пассажирских потоков. Другим способом анализа работы пассажирского

терминала является анализ на основе структурной схемы [128]. Данный способ,

используя набор векторных операторов, соответствующих каждому

подразделению, вовлеченному в обработку пассажиров, позволяет получить

зависимости взаимного влияния работы отдельных процессов на всю цепочку

обработки пассажиров. Полученную структурную схему можно преобразовать к

графовому виду. На основе формулы Мейсона [128] можно получить связи между

двумя любыми вершинами графа, исключив все промежуточные. Но данный метод

не позволяет учитывать характер пассажиропотока. Каждый пассажир обладает

своими индивидуальными целевыми функциями. Можно сказать, что каждый

пассажир составит свой особый путь перемещения внутри пассажирского

терминала, который можно представить геометрически. Совокупность

индивидуальных перемещений образует потенциальные центры концентрации

пассажиров внутри терминала. К примеру, нахождение точки концентрации

пассажиропотоков может быть вычислено на основе (рисунок 3.25) [70, стр.73].

 151

α A

X a

B D A’

b β c

B

Входной поток пассажиров

Рисунок 3.25 – Перемещение пассажира внутри терминала (вид сверху)

Согласно рисунку 3.25 расстояние DA’ будет определяться как разность

(cх). Тогда рассматриваем два пути перемещения пассажира:

L1  b2  x 2 ; L2  a 2  (c  x)2 , (3.24)

Введем параметры S1 и S2 представляющие собой параметры стоимости

(эффективности) перемещения пассажира внутри терминала. Тогда перемещение

пассажира из точки В (вход в терминал) в А (посадка на паром) выразится

следующим образом:

y  S1 b2  x 2  S2 a 2  (c  x)2 , (3.25)

Определим минимум полученной функции, для чего найдем первую

производную и приравняем ее к нулю, из чего получим следующие соотношение,

которое отражает расположение точки D. Его также можно получить и при

переходе к малости угла.

x cх S2

/  (3.26)

b2  x 2 a 2  (c  x)2 S1

Данный геометрический метод позволяет определить точку концентрации и

таким образом теоретически спрогнозировать ее на основе геометрии терминала.

 152

При усложнении перемещения пассажира с учетом множества перемещений, что

имеет место на практике, данный метод приводит к очень большим уравнениям,

которые достаточно трудоемки для расчета аналитически. Данная методика имеет

хорошие результаты при оценке перемещения небольшого числа пассажиров. Но

современные условия требуют прогнозирования любых перемещений без

ограничения количества пассажиров.

Главная проблема, возникающая при моделировании движения пассажира,

заключается в сложности воссоздания правдоподобного поведения. Пассажир

перемещается, руководствуясь своими личностными целями, или может

перемещаться хаотично по терминалу в поисках того, что ему нужно. В модель

перемещения пассажира необходимо включить спонтанные цели перемещений,

которые возникают в случайные моменты времени. Можно описать задачу

дискретно, введя конечное число возможных целей пассажира. Но в данном случае

необходимо выполнить для каждого случая отдельный расчет, и тогда решение

сведется к выбору набора альтернатив. Классический подход подразумевает

представление потока пассажиров, к примеру, как некое вещество, состоящее из

крупных объектов в определенных границах. Данный поток характеризуется

определенным набором параметров. Необходимо найти такую модель, реализация

которой будет с одной стороны правильна, и будет воспроизводить близкое к

реальным процессам поведение пассажиров. Выбор уровня планирования будет

определять количество пассажиров, участвующих в моделировании. На

микроуровне возможно описать отдельные последовательности перемещений

каждым пассажиром. В этом случае открывается возможность смоделировать

отдельные сценарии. На макроуровне нельзя выделить отдельного пассажира. На

данном уровне объектами исследования являются пассажирские потоки, которые

можно структурно представить в форме раскрашенных графов [189, стр. 2].

Логистическая цепочка перемещения пассажира на рис.24 является

дискретной для динамической системы и может быть смоделирована с

использованием сети Петри (PN). Сети Петри  инструмент графического и

математического моделирования, который может использоваться как визуальное

 153

описание процессов. В принципе PN является двухдольным графом, состоящим из

двух типов узлов, мест и переходов, связанных дугами. Сеть Петри представляет

собой кортеж (3.27):

PN  ( P, T , I , O, M , m0 ) , (3.27)

где P  { p1 , p2 ,..., pm }  набор узловых мест терминала; T  {t1 , t2 ,..., tn }  множество

времен переходов, P  T   ; I( n,m) : T  P  {0,1}  входящая матрица

пассажиропотока; O( n,m) : T  P  {0,1}  матрица выходящего пассажиропотока;

M :[ I : O]  {1, 2, 3...}  весовая функция выполнения сервисов в терминале; m0 

установка начального положения.

Места и переходы  P T представляют собой узлы и обозначают состояния

и события в динамических системах дискретных событий. Для любого узла v,

положим векторы  зададим множество переходов из него и в него, то есть

получаем множество узлов, имеющих дуги из и в вектор  . Переход t T возможен

при введении маркировки для перехода m( p ) , если p  t , m( p )  w( I ( p, t )) и w( I ( p, t ))

являются весом дуги между p, t. Переход по t, который отвечает заданным

условиям, может быть выполнен. Когда осуществляется переход, то запускаются

связи с последующими этапами по процессу обработки.

Матрицы I (матрица входных потоков) и O (матрица выходных потоков)

позволяют полностью описать структуру сети Петри. Маркировка сети Петри

изменяется от маркировки mk ( p) до следующей mk 1 ( p) :

mk 1 ( p)  mk ( p)  W T (3.28)

где σ  вектор перехода.

Вектор перехода σ состоит из неотрицательных целых чисел, которые

соответствуют числу раз, когда конкретный переход был запущен между

переходами mk ( p) и mk 1 ( p) .

На рисунке 3.26 показана сетевая модель Петри логистической цепочки

движения пассажиров в порту.

 154

Рисунок 3.26  Сетевая модель Петри логистической цепочки движения

пассажиров в порту

Точки перехода на основе сети Петри представлены в таблице 3.17

Числа в узловых точках P1 ... P6 отражают количество пассажиров. Переходы

T1 ... T6 являются стохастическими временными функциями. Используя

специальную информационную систему для моделирования сети Петри (HPsim 

http://www.winpesim.de/) [200], возможно смоделировать разные варианты

передвижения пассажиров в терминале между узловыми точками.

Таблица 3.17  Узловые точки сети Петри

P1 Пункт B (вход в пассажирский терминал)

T1 Вход в пассажирский терминал

P2 Контрольнопропускной пункт

T2 Проходная контрольная точка

P3 Пассажиры в терминале

T3 Пассажиры покидают терминал

T4 Вхождение в таблицы для регистрации билетов и багажа

P4 Столы оформления билетов и багажа

T5 Подход к паспортнотаможенному контролю

P5 Паспортный и таможенный контроль

T6 Переход на круизное судно

P6 Пункт A (выход на пассажирское судно)

После исследования логистической цепочки пассажиропотоков необходимо

разработать блоксхему имитационной модели и ввести взаимосвязи между

сервисными элементами, образующими систему обработки пассажиров.

Особое внимание необходимо уделить методам описания пассажиропотоков.

От того, как точно описать и задать поведение пассажиров, будет зависеть

 155

безошибочность принятия решения. На морских пассажирских терминалах

входными параметрами для построения модели обычно являются:

 план терминала с пунктами контроля;

 расписание заходов круизных и паромных судов;

 распределение пассажиров (класс бизнес/экономический, рейс

международный/внутренний);

 время прохождения пунктов контроля (набор статистических данных);

 поведение пассажиров в зале ожидания;

 методики управления очередями.

Тогда на выходе имитационной модели можно получить следующую важную

информацию:

 время ожидания на технологических этапах;

 длины очередей;

 загрузка пунктов контроля, досмотра;

 различные сценарии перемещения пассажиров;

 формирование зон скопления пассажиров.

Рассмотрим, к примеру, анализ операционной концепции терминала с точки

зрения максимальной пропускной способности. Практические разработки

представлены в работах [122,124]. Использование моделирования для определения

максимальной пропускной способности, при расширении для новых паромных

судов, либо при увеличении числа пассажиров на рейсе. Анализ результатов на

основе показателей позволяет определить:

 длину очередей на участках обслуживания;

 время ожидания на участках обслуживания;

 анализ потоков пассажиров;

 использование/занятость площадей терминала;

 эффективность обслуживания;

 пропускная способность;

 общее время процессов обслуживания.

 156

Главной проблемой, возникающей при моделировании движения пешеходов,

является сложность воссоздания правдоподобного поведения. С одной стороны

они стремятся достичь конечной точки, стараясь не сталкиваться с другими

пешеходами, но делать это можно, например, как прогулочным шагом, так и

стремительным. В реальности не редко встречается абсолютно нелогичное

поведение, например, внезапные остановки при оживленном движении или резкие

развороты на месте. Однако если рассмотреть перемещение пешехода более

детально, то можно выделить три этапа его поведения:

 выбор и постановка цели. Это стратегический уровень, при котором

формируются потребности;

 выбор места деятельности и построение маршрута. Это тактический уровень,

при котором происходит связь целей и их очередность;

 исполнительная деятельность. Это операционный уровень. На данном этапе

происходит движение и взаимодействие с другими участниками потока.

При разработке имитационной модели необходимо заложить свойства

детерминированной или стохастической модели. В детерминированной модели все

возможные перемещения и реакции пассажира определены. В стохастической

модели пассажир может по-разному реагировать на одну и ту же ситуацию.

Фактически пассажир может быть представлен некоторым агентом.

Индивидуальное поведение каждого агента образует глобальное поведение

моделируемой системы. Так как каждый пассажир находится в окружении других

пассажиров, то на него это оказывает дополнительное воздействие. Пассажир

подчиняется правилам и воздействию, действующему на него со стороны других

пассажиров и со стороны инфраструктуры пассажирского терминала. Решение

пассажира принимается в зависимости от размера результирующей величины

суммы сил, действующих на него. К примеру, при наличии очереди на регистрации,

пассажир, при наличии времени, может переместиться обосновываясь другой

целью, например, к газетному киоску, и потом вернуться к первоначальной цели.

Перемещение пассажиров в замкнутом пространстве можно описать на

основе физических моделей, представляя множество людей как некоторое

 157

вещество, состоящее из объектов. Основные математические модели для

транспортных и пассажирских потоков были предложены авторами Greenberg H.,

Greenshields B.D., Daganzo C. F [163,169,170,190]. На практике применима модель

притягивающих сил, на основе закона Кулона (магнитная модель). Данная модель

является микроскопической непрерывной моделью. Пассажир и препятствие в

терминале несут положительный заряд. Соответственно отрицательный заряд

сконцентрирован в том месте, куда стремятся пешеходы. Пешеходы движутся к

цели и избегают столкновений. На каждого пешехода воздействуют две силы.

Первая — магнитная сила, определённая в законе Кулона (формула 3.29), которая

зависит от величины электрического заряда пешехода и расстояния между

пешеходом и целью его движения. Вторая сила действует на пешеходов с целью

предотвращения столкновений с другими пешеходами или препятствиями

посредством использования ускорения:

kq1q2

F , (3.29)

r2

где F  сила магнитного поля; k  константа; q1  интенсивность магнитной

нагрузки пассажира; q2 – интенсивность магнитного поля; r – длина вектора от

пассажира до магнитного поля.

Взаимодействие представимо следующей схемой (рисунок 3. 27)

C

VB B

VA RV

A

Рисунок 3.27  Схема движения пассажиров

 158

На рисунке 3. 27 А,B – пассажиры; VA – скорость пассажира A; VB –

скорость пассажира B; RV –относительная скорость пассажира А к пассажиру В;

линия АС является касательной, проведенной от пассажира к окружности вокруг

пассажира В.

При взаимном приближении пассажиры А и В должны будут так создать

свою траекторию движения, чтобы не соприкоснуться и разойтись. Данная модель,

основанная на физической модели, имеет простую реализацию и быструю скорость

работы при уменьшении числа рассматриваемых людей. В качестве существенных

недостатков можно отнести невозможность индивидуализировать пассажира и

описать его перемещения по собственным целевым функциям, невозможность

прогнозировать движение в случае наличия паники или эвакуации из терминала. В

данной модели все поведения пассажиров сводятся к стремлению достичь

круизного судна и не столкнуться с другими пассажирами. Изменчивым

параметром также является и габариты личного пространства пассажира.

Если не стоит задачи в визуализации процесса, то решение может быть

найдено с использованием математических моделей систем массового

обслуживания [15,54]. При таком подходе на каждый обслуживающий прибор

будет поступать интенсивность пассажиропотока, каждый блок будет иметь

заданное количество обслуживающих устройств (служб морского порта), будет

задано правило обслуживания заявок и внесены приоритеты. В данном случае

также не будет реализовано перемещение пассажира на основе его личных

интересов, но откроется возможность исследовать работу служб, прогнозировать

задержки.

Моделирование пассажиров можно выполнить на основе клеточных

автоматов [36,63,199]. Применительно к морскому терминалу, вcе пространство

терминала представляет собой сетку. В моменты времени каждая клетка может

быть занята одним пассажиром. Перемещение пассажира смоделировано как

изменение клеток, причем на операцию занятия клетки можно внести правила и

ограничения. Ввиду большей территории терминала использование только модели

клеточных автоматов может вызывать трудности, так как с одной стороны, ввиду

 159

дискретности переходов пассажиров, формируется большой набор возможных

переходов, с другой стороны, очень быстро растет объем вычислений. Виды

окрестностей клеточных автоматов (на основе автоматов Фон Неймана и Мура)

[141,89,186,172] приведены на рисунке 3.28 и реализация перемещения пассажиров

представлена на рисунке 3. 29.

A B

Рисунок 3.28  Окрестности элементов клеточных автоматов Aавтомат

фон Неймана; B – автомат Мура

При построении такой модели будет дискретно не только пространство, но и

время, правилами клеточного перехода являются определённые алгоритмы

перехода от одного состояния клеточного автомата к последующему. Любые

изменения положения носят локальный характер, так как попадают в окружение

автомата. Как следствие при использовании клеточных автоматов нет возможности

реализовать изменяющийся характер передвижения пассажира. При этом правила

клеточного автомата распространяются на все элементы массива пассажиров.

Несмотря на функциональность модели достаточно сложно описать возможные

переходы, так как при практической реализации каждая ячейка может быть занята

любым пассажиром, в зависимости от заданного закона перемещения.

Другими моделями, получившими наибольшее распространение, являются

газокинетическая модель и модель социальных сил.

В газокинетической модели [173] движение пешеходов рассматривается как

движение молекул в однородной газовой среде. Модель работает на основе

 160

уравнения Больцмана, при этом точная скорость и положение точек неизвестны.

Данная модель имеет массу недостатков, так как поток людей представляется

однородным и все перемещаются в одном направлении, что не соответствует

реальной ситуации в терминале.

Рисунок 3.29  Практическая реализация модели на основе клеточных автоматов

Модель социальных сил [18,174,193] использует Ньютоновскую механику, а

силы порождаются социальными взаимодействиями между целями перемещения и

пассажирами. Всё воздействие на пассажира сводится к сумме таких сил как:

действующая сила на пассажира, отталкивание от стен и препятствий,