Сотрудниками нашей компании в кооперации с коллегами из АО «ЦНИМФ» было выполнено крупное аналитическое исследование по заказу фонда «Центр стратегических разработок» (ЦСР) ― ведущей российской некоммерческой организации, разрабатывающей стратегии долгосрочного развития экономики Российской Федерации. Наименование проекта «Разработка имитационной модели и технико-экономический анализ работы транспортного и ледокольного флота в акватории СМП на основе сценарного подхода на период до 2050 года». Основной целью исследования было определение и подробное экономическое обоснование потребного состава ледокольного флота РФ для полноценного обеспечения потребностей коммерческого судоходства на трассах Северного Морского Пути на временном горизонте до середины текущего столетия. При этом в качестве основного критерия эффективности рассматриваемой комплексной транспортной системы выступали требования бесперебойности круглогодичных поставок грузов на логистических линиях в условиях различных сценариев динамики ледовой обстановки, прогнозов существенного повышения трафика и объёма грузопотока на СМП и, соответственно, потребности в увеличении количественного и качественного состава ледокольного флота.
Основным инструментом исследования послужила разработанная специалистами нашей компании комплексная имитационная модель судоходства в арктических морях. Ядро соответствующей модели было реализовано в высокоуровневой среде имитационного моделирования AnyLogic в парадигмах дискретно-событийного и агентного моделирования. Однако, наряду с базовым имитационным движком, конечное программное решение содержит также набор встроенных и внешних утилит и модулей, реализованных с помощью различных средств и языков программирования – утилита формирования и редактирования сценариев динамики грузопотока (VBA), модуль работы с базой данных информационной поддержки имитационной модели (VS C#), библиотека оптимального планирования оперативного ледокольного сопровождения (Java + OptaPlanner) и др. Таким образом, получившийся модульный программный комплекс представляет собой полноценный и законченный пользовательский продукт, который был передан Заказчику для проведения самостоятельных исследований.
Основные процессы, которые нашли отражение в разработанной имитационной модели:
- Динамика грузопотоков и количества грузовых судов на рассматриваемых транспортных линиях. В модели рассматривалась развёртка во времени нескольких альтернативных сценариев грузопотока. В состав каждого сценария входило несколько десятков транспортных линий, отвечающих текущим или перспективным проектам вывоза углеводородов, логистического освоения северных территорий или транзитного судоходства. Каждая линия описывалась набором альтернативных портов отправления и назначения, сезонностью работы, типом перевозимого груза и рабочего транспортного судна. В зависимости от выбранного сценария число одновременно работающих линий на пике активности достигало 80, на которых эксплуатировалось до 500 судов 17 различных типов. В соответствии с заданным сценарием грузопотока в ходе прогона модели имитировался как сезонный, так и стратегически-обусловленный ввод и вывод транспортных судов из эксплуатации.
- Динамика природных условий на маршрутах движения судов в акватории СМП до 2050 года. В модели реализован сценарный подход описания динамики тяжести ледовых и гидрометеорологических условий арктических морей, основанный на специально разработанной методике формирования полного или фиктивного года-аналога из массива имеющихся архивных диагностических ледовых карт. В результате, для использования в качестве входных данных модели были сформированы пять опорных вариантов изменения климата (тяжёлые, средние, лёгкие, аномально-лёгкие и экстремально-лёгкие условия), которые можно произвольным образом комбинировать при формировании сценария развития внешних условия для очередного прогона модели.
- Упрощённое представление переходов судов за пределами СМП и их пребывания в терминальных портах для осуществления погрузочно-разгрузочных операций. Формирование оперативного расписания рейсов грузовых судов из соображений регулярности поставок на транспортных линиях.
- Оперативное планирование заданий на ледокольное сопровождение и динамическое регулирование количественного состава ледокольного флота в зависимости от вычисляемой текущей условной интегральной потребности транспортной системы в ледокольном обеспечении. При этом оперативное планирование и перепланирование ледоколов, исходя из сложившейся ледовой обстановки и трафика движения грузовых судов, осуществляется во встроенном в имитационную модель модуле решения задачи комбинаторной оптимизации. В результате работа системы организовывается таким образом, что ледоколы сопровождают транспортные суда на наиболее тяжелых участках, избегая лишних переходов.
- Исполнение полученного плана движения транспортных судов – модель перемещения судна в пространственно-неоднородной и нестационарной среде. Особенностью реализованной подмодели движения является явный учет такого важного аспекта арктической навигации как движение судов по оптимальным маршрутам – так называемой ледовой маршрутизации, позволяющей обходить наиболее тяжелые ледовые образования и двигаться по легким участкам. Для этого в модель был интегрирован модуль связи с результатами программы автоматической оптимальной маршрутизации. Рекомендованные маршруты движения были предрассчитаны заранее для всех используемых типов транспортных судов и ледоколов и для большого массива представительных ледовых условий. Последние представлены в модели в виде архивных диагностических карт за период 1997-2020 годов. Карты содержат порядка 15-ти параметров ледовой обстановки, влияющих на судоходство, и имеют шаг по времени порядка 5-7 дней.
- Информационное обеспечение имитационной модели. Большинство входных параметров, необходимых для запуска единичного прогона имитационной модели, хранятся в специальной базе данных её информационной поддержки в формате SQLite. Но наиболее существенные управляющие параметры вынесены в диалоговое окно управления и запуска имитационного эксперимента.
- Инструменты и механизмы сбора статистических показателей, визуализации и журналирования результатов имитационного моделирования исследуемой транспортной системы.
Выполненные исследования по верификации и валидации модели продемонстрировали её работоспособность и адекватность в плане чувствительности результирующих показателей эффективности к варьированию основных входных параметров (сценарий развития ледовой обстановки, трафик грузовых судов, политика предоставления услуг по ледокольной проводке и т.д.). Журналы выполненного набора имитационных экспериментов были статистически обработаны нашими коллегами из АО «ЦНИИМФ» с целью получения представительных оценок базовых экономических показателей для каждой рассмотренной конфигурации транспортной системы. Результаты этого анализа позволили выработать комплекс конкретных рекомендаций по развитию качественного и количественного состава ледокольного флота РФ.
Мы благодарим АО «ЦНИИМФ» и Фонд «Центр стратегических разработок» за уникальный опыт сотрудничества и возможность применить наши знания и компетенции в таком большом проекте государственного масштаба. Надеемся на будущее взаимовыгодное сотрудничество и верим, что полученные результаты окажутся полезными, в частности, Госкорпорации «Росатом» при принятии стратегических решений и долгосрочном планировании использования ледоколов в Русской Арктике.
