Создание информационно-аналитической среды для решения задачи повышения надежности региональной системы теплоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Преснухин, Виктор Константинович

• Преснухин, Виктор Константинович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Преснухин, Виктор Константинович

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ.

1.1 История развития энергетики Удмуртской Республики.

1.2 Проблемы теплоснабжения.

1.3 Надежность систем коммунального теплоснабжения.

1.4 Информационные системы.

1.4.1 Понятие информационной системы.

1.4.2 История развития информационных систем.

1.4.3 Этапы разработки информационной системы.

1.4.4 Геоинформационные системы.

1.5 Разработка электронных моделей систем теплоснабжения.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

2.1 Описание исследуемой технической системы.

2.1.1 Основные положения.

2.1.2 Описание типового теплоисточника.

2.2 Методика расчета надежности котельных.

2.2.1 Основные понятия теории надежности.

2.2.2 Надежность элемента технической системы.

2.2.3 Определение надежности технической системы.

2.2.4 Расчет надежности работы котельных.

2.3 Математическая модель решения задачи оптимального управления инвестициями.

2.3.1 Допущения. Постановка задачи оптимизации.

2.3.2 Алгоритм решения задачи оптимального управления.

2.3.3 Генетический алгоритм решения задачи оптимизации с булевыми переменными.

3. ПРОГРАММНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

3.1 Общая характеристика программного комплекса.

3.2 Разработка базы данных теплоисточников УР.

3.2.1 Структура базы данных.

3.2.2 Сбор информации.

3.2.3 Заполнение базы данных.

3.3 Геоинформационная система УР.

3.4 Инструменты обработки данных.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ.

4.1 Первичный анализ данных.

4.2 Надежность региональной системы теплоснабжения.

4.3 Параметрическое исследование задачи управления.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание информационно-аналитической среды для решения задачи повышения надежности региональной системы теплоснабжения»

В последнее время, в связи с износом систем теплоснабжения, большое внимание уделяется повышению энергетической безопасности* теплоснабжения населения. Тепло - это особый товар, который нельзя запасти впрок и, тем более, перебросить на значительные расстояния. Его необходимо реализовать здесь и сейчас. Поэтому проблема энергетической безопасности должна решаться предупредительными профилактическими- мероприятиями с целью исключения аварийных ситуаций в отопительный период и связанных с этим больших финансовых и социальных издержек.

В Удмуртской Республике (УР) насчитывается более тысячи теплоисточников (котельных), вырабатывающих тепло на коммунальные и производственные нужды. При этом большинство из них находится на балансе бюджетов различных уровней. В настоящее время задача планирования работ капитального характера решается не на основе принципа оптимальности и надежности, а на основе принципа очередности.

Конечно, проблема энергетической безопасности заключается не только, в старении и снижении надежности? работы оборудования теплоисточников. Часть решения этой проблемы заключается в их бесперебойном обеспечении топливом, а также в квалификации персонала и состоянии системы теплоснабжения в целом. Для комплексного решения данной проблемы разработана^ информационно-аналитическая система учета теплоисточников на территории Удмуртской Республики и потребляемых ими ресурсов [1,2]. В рамках данной системы решаются следующие задачи.

1. Анализ состояния (энергоаудит) топливно-энергетического комплекса Удмуртской Республики.

2. Расчет требуемых ресурсов под заданный объем потребления конечных энергоносителей.

3. Математическое моделирование и оптимизация надежности теплоисточников при заданных ограничениях.

4. Повышение эффективности функционирования топливно-энергетического комплекса.

5. Оптимизация инвестиционного процесса при реновации систем теплоснабжения.

В последнее время все больше внимания уделяется вопросам совершенствования оперативного управления системами жизнеобеспечения, к которым следует отнести и распределенную систему теплоснабжения. Необходимость такого совершенствования определяется усложнением экономических и производственных связей. От науки требуются рекомендации по оптимальному управлению такими процессами.

В этой связи, большое значение приобретает анализ надежности региональной системы теплоснабжения и решение задачи оптимального управления по ее повышению.

Современный подход к анализу систем, основанный на применении ЭВМ и на математическом моделировании, рассматривается в [3-19]. В [20-27] подробно и на практическом материале изложены основы теории решения задач оптимизации, способы построения математических моделей оптимальных1 задач, рассмотрены основные понятия, методологические принципы и математические аспекты теории оптимизации систем.

Для эффективного анализа механизма явлений и решения задач управления производственными процессами необходимо выявить взаимосвязи между факторами, определяющими ход процесса, и представить их в количественной форме - в виде математической модели. Математическая модель представляет собой совокупность уравнений, условий и алгоритмических правил и позволяет:

• получать информацию о процессах, протекающих в системе;

• рассчитывать системы, т.е. анализировать и проектировать их;

• получать информацию, которая может быть использована для оптимального управления на основе заданных критериев.

В данной работе изучается проблема надежности распределенной системы теплоснабжения. В этой связи построены математические модели надежности теплоисточников и всей системы теплоснабжения региона. Задача управления надежностью распределенной системой теплоснабжения рассматривается как оптимальная задача математического программирования с булевыми переменными.

Автоматизация управления относится к наиболее эффективным направлениям применения информационных технологий. Сложные технологические процессы, быстрая смена цен на оборудование и стоимость услуг, часто меняющаяся ситуация на рынке труда заставляют оперативно принимать оптимальное решение на основе анализа большого объема информации.

Внедрение компьютерной техники в процессы информационных обменов между элементами системы и центром управления не только ускоряет их, но и значительно уменьшает несогласованность документов, являющихся различными срезами одних и тех же данных. Разумная система безопасности и резервного копирования данных позволяет избегать потерь и несанкционированного доступа к важной информации.

Привлечение математического аппарата позволяет получить не только качественные, но и количественные оценки ситуации, сложившейся« на теплоисточниках. Развитые системы построения отчетов дают возможность представлять как повторяющиеся с различной частотой, так и уникальные отчеты.

Объектом исследования в настоящей диссертационной работе является распределенная система регионального теплоснабжения.

Предметом исследования является проблемно-ориентированная система управления по критерию надежности и эффективности функционирования топливно-энергетического комплекса региона.

Целью диссертационной работы является разработка информационно-аналитической системы и математических моделей для решения задачи повышения надежности и эффективности региональной системы теплоснабжения. Задачи исследования:

1. Создание информационно-аналитической системы теплоснабжения, включающей геоинформационную систему региона.

2. Создание базы данных по теплоисточникам, позволяющей решать задачи повышения надежности и эффективности распределенной системы теплоснабжения региона.

3. Визуализация первичного анализа данных по различным характеристикам.

4. Разработка и реализация алгоритма обновления данных.

5. Разработка математических моделей, алгоритмов и программно-вычислительного комплекса для решения задач оптимального управления. Методы исследования. В работе использовались методы теории надежности сложных систем, методы оптимизации, методы математического программирования; использован аппарат разработки прикладного программного обеспечения, вычислительных алгоритмов и математического компьютерного моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена использованием обоснованных математических моделей, апробированных алгоритмов решения задач оптимизации, а также использованием' полученных решений в практике оперативного планирования и управления системой теплоснабжения региона.

На защиту выносятся:

• математические модели описания надежности теплоисточников распределенной системы теплоснабжения;

• постановка и алгоритм решения задачи оптимального управления;

• программно-вычислительный, комплекс оптимального управления региональной системой теплоснабжения;

• результаты решения задач оптимального управления надежностью распределенной системы теплоснабжения.

Научная новизна работы:

• разработаны новые математические модели повышения эффективности региональной распределенной системы теплоснабжения по критерию надежности;

• разработан программно-вычислительный комплекс, позволяющий в интерактивном режиме решать широкий круг задач оперативного планирования и управления распределенной системой теплоснабжения в реальном масштабе времени;

• проведены параметрические исследования и выявлены резервы повышения надежности региональной системы теплоснабжения в условиях ограничений.

Практическая ценность работы

Разработанная и реализованная в виде программно-вычислительного комплекса проблемно-ориентированная система управления теплоснабжением' региона используется в Министерстве промышленности и энергетики Удмуртской Республики и» может быть использована при решении задач- управления? теплоснабжением в других регионах Российской Федерации.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях:

• VI Всероссийской научно-технической конференции "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения" (Н. Новгород, октябрь, 2002);

• Региональном семинаре-совещании "Энергосбережение и развитие ТЭК" (Ижевск, 28-29 ноября 2002);

• IV Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск, 29-30 мая 2003);

• X Международной научно-практической конференции "Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах" (Пенза, 23 апреля 2009);

• Всероссийской научной конференции-семинаре "Теория управления и математическое моделирование" (Ижевск, 2006);

• Научно-технических конференциях ИжГТУ (2003-2010).

По теме диссертации опубликованы 12 печатных работ [1, 2, 28-36,96], в том числе 1 монография и 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов кандидатских диссертаций [35, 36, 96]. Материалы диссертации вошли в отчеты по Государственному контракту, выполненному в рамках Республиканской целевой программы "Снабжение Удмуртской Республики местными возобновляемыми видами топлива, альтернативными природному газу".

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования, включающих разработку концептуальной модели проблемно-ориентированной системы управления, технической постановки задачи, подходов и методов к решению исследуемой проблемы, моделирование изучаемых характеристик и анализ полученных результатов.

Автор признателен и благодарен научному руководителю доктору технических наук, профессору, члену-корреспонденту PAP АН Русяку И.Г. за ценные консультации по методам решения задач математического программирования, постоянную помощь и поддержку в работе.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 96 наименований. Работа изложена на 128 страницах текста, содержит 67 рисунков и 19 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Преснухин, Виктор Константинович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан программно-вычислительный комплекс, направленный на решение задач оптимизации распределения инвестиций в реконструкцию котельного оборудования теплоисточников Удмуртской Республики. Программно-вычислительный комплекс включает:

• базу данных теплоисточников УР;

• геоинформационную систему УР;

• модуль первичного анализа данных;

• модуль расчета надежности теплоисточников. Программно-вычислительный комплекс позволяет рассчитывать оптимальные планы реконструкции теплоисточников соответствующих районов и республики в целом при различных стратегиях финансирования.

2. База данных содержит информацию о 1 102 теплоисточников и« 4 795 единицах наименований оборудования, в частности, следующие данные:

• экономические характеристики оборудования (балансовая и остаточная стоимость, начисленный износ);

• технические характеристики оборудования;

• системные характеристики теплоисточников (тип соединений основного и вспомогательного оборудования);

• справочную информацию об оборудовании и их аналогах;

• характеристики видов используемого топлива;

• информацию о населенных пунктах.

3. Геоинформационная система позволяет осуществлять поиск и навигацию по населенным пунктам и котельным Удмуртской Республики, а также просматривать схемы основных автомобильных и железных дорог.

4. Произведен первичный анализ данных, позволяющий проанализировать состояние распределенной системы теплоснабжения УР, из которого, в частности, следует, что:

• наибольшее количество (73,5%) котельных работает на газе;

• преобладают (63,3%) теплоисточники с установленной мощностью менее 1 Гкал/ч;

• наибольший расход тепла на одного жителя — в Увинском и Сюмсинском районах: 1 330 и 1 190 ккал/час/чел. соответственно, наименьший — в Сел-тинском и Малопургинском районах: 260 и 250 ккал/час/чел. соответственно.

5. Разработана система-сбора и ввода данных, обработки и анализа информации.

6. Разработана методика расчета надежности распределенной системы теплоснабжения.

7. Разработана математическая модель для оптимального управления инвестициями по критерию надежности распределенной- региональной системы теплоснабжения.

8. Разработан подход, позволяющий свести-исходную нелинейную задачу оптимизации к оптимизационной задаче с булевыми переменными, для* решения которой использован генетический алгоритм с бинарным кодированием.

9. Техническая надежность распределенной системы теплоснабжения районов УР изменяется в пределах от 0,10 до 0,63. Наибольший показатель имеет система теплоснабжения Камбарского района, наименьший показатель - Кизнерского района. Взвешенная техническая надежность распределенной системы теплоснабжения УР равна 0,28, а эксплуатационная - 0,65.

10. Изучено влияние условий финансирования на динамику повышения надежности системы теплоснабжения. В частности, получены следующие результаты:

• изменение надежности- системы имеет циклический характер с периодом колебаний АТ «7-10 лет;

• период и амплитуда колебаний зависят от условий финансирования;

• равномерное финансирование реконструкции теплоисточников по сравнению с неограниченным финансированием позволяет экономить финансовые ресурсы на 6-7% при достижении тех же уровней надежности распределенной системы теплоснабжения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Преснухин, Виктор Константинович, 2011 год

1. Савельев В.А., Преснухин В.К., Русяк И.Г. Концепция развития топливно-энергетического комплекса Удмуртской Республики на 2003-2010 годы. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. 260 с.

2. Преснухин В.К., Русяк И.Г., Королев С.А. и др. Концепция Республиканской целевой Республиканской целевой программы "Снабжение населенных пунктов Удмуртской Республики местными видами топлива" // Отчет по Гос. контракту. Ижевск: ИжГТУ, 2009. — 294 с.

3. Ашманов С.А. Линейное программирование. М.: Наука, 1981. - 340 с.

4. Юдин Д.Б., Голыдтейн- Е.Г. Линейное программирование. Теория и конечные методы. -М!: Физматгиз, 1963. 270 с.

5. Юдин Д.Б., Гольштейн Е.Г. Линейное программирование (теория, методы и приложения). -М.: Наука, 1969. 283с.

6. Карманов В.Г. Математическое программирование. Ml: Наука, 1980.-183 с.

7. Данциг Дж. Б. Линейное программирование, его применения и обобщения. -М'.: Прогресс, 1966.

8. Зайченко Ю.П. Исследование операций. Киев: Вища школа, 1979. - 391 с.

9. Зайченко Ю.П. Исследование операций. Киев: Вища школа, 1988. - 552 с.

10. Мину М. Математическое программирование. М.: Наука, 1990. - 255 с.

11. Вагнер Г. Основы исследования операций. М.: Мир, в трех томах, 1972.335 е., 1972. - 488 е., 1973. - 345с.

12. Бурков В.Н., Ириков В.А. Модели и методы управления организованными системами. -М.: Наука, 1994. 263 с.

13. Петров Ю.А., Шлимович Е.Л., Ирюпин Ю.В. Комплексная автоматизация управления предприятием. М.: Финансы и статистика, 2001. - 160 с.

14. Волков И.Ю., Галахов И.В. .Архитектура современной информационно-аналитической системы // Директор ИС, №3, 2002. (http ://www.osp.ru/cio/2002/03/015.htm).15