Підвищення ефективності і надійності роботи систем водопостачання

Пропонуються два способи формування підмножин цієї множини. Перший з них припускає автоматичне формування множини альтернативних варіантів структур мережі. При заданому місці розташування споживачів і насосних станцій (вершин графа) загальне число можливих графів досить велике. Множина альтернативних варіантів графа мережі формується за допомогою модифікованого алгоритму методу комівояжера. Другий - це завдання альтернативної множини можливих структур СПРВ експертом, який добре знає особливості функціонування керованого об'єкта.

Одночасно з вибором оптимальної структури СПРВ необхідно визначати параметри мережі, що забезпечують мінімум векторної функції критеріїв якості функціонування СПРВ і оптимальні режими роботи насосних станцій. З технічної точки зору ця множина охоплює найбільш розповсюджені способи раціонального проектування систем подачі та розподілу води.

Запропонована наступна укрупнена структура вектору вирішення x: де S - множина можливих структур мережі (графів); b - множина можливих параметрів (діаметрів) ділянок СПРВ; R - множина можливих витратно-напірних характеристик насосних станцій, .

Обмеженням на множину можливих рішень є такі вимоги: 1) вектор рішень повинен подавати такі варіанти графа мережі, що відповідають вимогам структурного резервування для підвищення надійності функціонування СПРВ; 2) вектор рішень повинен мати дискретні значення, встановлені державним стандартом значень параметрів; 3) вектор рішень повинен описувати дискретні значення витратно-напірної характеристики, яка визначається, з одного боку - потужністю конкретної насосної станції, а з другого - наявним обладнанням і можливістю комбінованого включення цього обладнання.

Виходячи із змістовної постановки задачі, можна сформулювати наступні критерії якості її вирішення: енергетичні витрати в СПРВ; сумарна непродуктивна витрата в мережі; сумарні капітальні і експлуатаційні витрати; критерій надійного функціонування водогінних розподільних мереж, що обчислюється на деякому інтервалі часу.

Таким чином, як основу механізму вибору найкращого рішення можна розглядати задачу мінімізації перших трьох критеріїв, що обчислюються в дискретні моменти часу, і максимізацію інтегральних критеріїв, що обчислюються на деякому проміжку часу [0,T]. В роботі доведена повнота, розкладність, ненадмірність, вимірність і мінімальність згортки критеріїв.

Задача оптимального проектування і реконструкції СПРВ математично сформульована в такому вигляді. Нехай відомі: місце розташування насосних станцій і споживачів; вузлові витрати; геодезичні оцінки споживачів і насосних станцій; множина структур графа СПРВ. Нехай G- деяка фіксована компактна множина всіх можливих варіантів проектів даної мережі в , а xМG - представлення або один з варіантів рішення. Потрібно знайти , оптимальне за векторним критерієм і приналежне множині припустимих рішень:

де x - представлення задачі або вектор регульованих параметрів задачі;

- вектори витрат і напорів, відповідно;

Z(x)- векторна функція, що відображає вартісні, кількісні й технологічні показники обраного рішення;

- множина структур графа мережі, що генеруються на початковому етапі задачі;

- дискретна множина можливих діаметрів трубопроводів, обумовлених сортаментом труб.

Інші рівняння, параметри задачі подані в поясненнях до формули (10).

У такій постановці задача відноситься до класу задач узагальненого математичного програмування при неопуклій (у загальному випадку) і дискретній системі обмежень. Алгоритм її вирішення складається з двох етапів: на першому - з використанням заданої функції вибору проводиться оптимізація Z(x) за бінарним відношенням - переваги ОПР; на другому - ОПР, оцінюючи вектори показників ефективності альтернатив (представлень) , вибирає з рішень, що задовольняють умовам задачі, рішення x^* з кращим по перевагою (переваги ОПР) вектором характеристик Z(x^*). Відзначається, що розмірність загальної задачі досить велика. Це обумовлено тим, що кількість побудов можливих графів мережі велике і тільки використання спеціальних методів аналізу структури графа на структурну надійність і досвід експерта в цій галузі дозволяє істотно знизити кількість альтернативних графів СПРВ. Коли відомий граф мережі, розв'язується задача вибору оптимальних параметрів. Оскільки параметри задані певним сортаментом, то задача цього етапу також має велику розмірність. Крім того, обмеження на дискретність параметрів диктують обмеження на область її припустимих значень. Після того, як стануть відомими граф мережі та параметри, повинен бути визначений оптимальний режим роботи насосних станцій.

Запропонована багаторівнева схема вирішення задачі, що має такі етапи: генерація множини конкурентоздатних структур СПРВ (схем з'єднань); добір підмножини з використанням гіперкомпонентного аналізу структури графа СПРВ; формування вектору витрат ; вибір оптимальних параметрів графа СПРВ шляхом вирішення задачі параметричної оптимізації за усіченим векторним критерієм ; формування вирішального правила шляхом створення оціночної шкали критеріїв; оцінка поточного представлення за векторним критерієм; порівняння поточного представлення з кращим (якщо , то вибираємо як краще поточне представлення, тобто ); аналіз закінчення роботи алгоритму: якщо критерій закінчення пошуку виконаний , то закінчуємо пошук, інакше - перехід до третього блоку схеми.

У цьому розділі математично сформульовано проміжні задачі та розроблено процедури, що реалізують окремі етапи багаторівневої схеми алгоритму пошуку оптимального проекту СПРВ:

алгоритм генерації та аналізу структури графа СПРВ;

алгоритм вибору оптимальних параметрів;

алгоритм тестування альтернативних проектів СПРВ в рамках інтерактивної системи підтримки прийняття рішень.

Здійснено порівняльний аналіз розроблених алгоритмів з відомими на прикладі водорозподільної мережі району Оболонь м. Києва. Оцінка проводилася тільки за "економічними критеріями", тому що в відомих публікаціях інші критерії не розглядалися. Порівняльний аналіз показав перевагу розроблених в дисертації алгоритмів над існуючими.

У сьомому розділі наведена детальна характеристика програмного забезпечення, що реалізує розроблені методи і алгоритми вирішення задач прийняття рішень при проектуванні, реконструкції та експлуатації систем водопостачання в штатних і аварійних режимах експлуатації.

Визначено основні компоненти системи керування даними, діалогом і моделями. Розроблено архітектуру системи (рис.6), що містить розрахунково-графічну компоненту, компоненту гіперкомпонентного аналізу, компоненту керування полями даних.

Взаємодія вказаних компонентів дозволяє використовувати дані, алгоритми їхньої обробки і подання на екрані монітора в єдиному комплексі, що гарантує експерту одержання всього спектра інформаційної підтримки при ухваленні рішення.

Розроблено модель подання даних про об'єкт (СПРВ) у вигляді таблиць даних: насосних станцій, водоводів, споживачів координатами вершин мережі, даними про компоненти графа мережі, про склад і зв'язки ЛК та таблицею даних для проведення гіперкомпонентного аналізу.

Досліджено вимоги до інструментарію програмного забезпечення, наведено опис функціональних елементів багатовіконного інтерфейсу, що включає: головне вікно системи; вікно візуалізації структури мережі; вікно формування альтернативних способів усунення аварії; вікна виведення результатів; вікно роботи з БД; вікно настроювання; вікно тестування функції вибору. На рис.7, як приклад, наведено вікно візуалізації структури мережі.

Розглянуто можливості практичного використання системи на різних рівнях керування об'єктом, а також для його дослідження.

Приклади використання розроблених алгоритмів і методів, результати розрахунків реальних водорозподільних мереж і ілюстрації елементів програмного інтерфейсу наведені в додатку до дисертаційної роботи. В додатках наведено також акти впровадження програмного забезпечення, розробленого в дисертаційній роботі, у виробничий процес підприємств ПУВКГ Донецького регіону України та “УкркомунНДІпроект” (м. Харків).

Загальні висновки

1. На підставі досліджених методів і способів оцінки якості, ефективності, надійності функціонування СПРВ розроблені і класифіковані критерії, що використовуються при проектуванні, реконструкції та експлуатації водорозподільних мереж.

2. Вперше математично сформульовані задачі проектування, реконструкції та експлуатації в штатних і аварійних режимах роботи як багатокритеріальні задачі узагальненого математичного програмування, що належать до класу задач з незаданими бінарними відношеннями, які необхідно встановити в заданих конкретних ситуаціях (залежно від типу розв'язуваної задачі - проектування чи експлуатація - умови будуть різними).

3. Щодо систем водопостачання досліджено методи вирішення багатокритеріальних задач узагальненого математичного програмування і запропоновано підхід, що полягає в модифікації відомих багатокрокових схем.

4. З використанням особливостей сильно зв'язних орієнтованих графів, за допомогою яких описуються схеми з'єднань водорозподільних мереж, розроблено інструмент топологічного аналізу систем водопостачання, що включає топологічний аналіз задачі локалізації аварійних ділянок; формування локалізуючіх компонентів; побудову гіперграфа bc-дерева графа мережі. Розроблено алгоритмічний і програмний інструментарій.

5. Теоретично досліджено вплив місця розташування аварії в СПРВ на спосіб її локалізації і зміну режиму функціонування водорозподільної мережі. Сформульовано і доведено твердження, що постулирують єдиність: існування максимально локалізуючого підграфа; розбивки графа на максимально локалізучі підграфи (компоненти); процедури побудови гіперграфа.

6. Розроблено моделі прийняття раціонального вирішення задач проектування та реконструкції; оптимізації режимів роботи СПРВ у штатних режимах її функціонування, аварійної експлуатації водорозподільної мережі.

7. Розроблено алгоритми вирішення таких задач: автоматизованої генерації баз даних для проведення розрахунків у реальному масштабі часу; формування баз даних різної пропускної здатності при оптимізації режимів функціонування систем водопостачання; генерації та аналізу графа СПРВ; тестування альтернативних проектів при проектуванні та реконструкції водорозподільних мереж; визначення локалізуючих компонентів; аналізу структури усіченої мережі, прийняття рішень в аварійній ситуації.

8. Розроблено архітектуру і модель подання даних, модель системи і мовного середовища, графічний і розрахунковий інтерфейс, а також головні підсистеми "Системи підтримки прийняття рішень при проектуванні, реконструкції та оптимальній експлуатації систем подачі і розподілу води", що включають розрахункову підсистему; систему графічної візуалізації схеми з'єднань СПРВ; систему керування базами даних.

9. Розроблено програмне забезпечення, що реалізує вирішення задач раціонального проектування та реконструкції, експлуатації в штатних і аварійних ситуаціях СПРВ - пакет програм "Система підтримки прийняття рішень при проектуванні, реконструкції та оптимальній експлуатації систем подачі і розподілу води".

10. Програмний інструментарій, розроблений в дисертаційній роботі, впроваджено у виробництво ПУВКГ дев'яти міст України з реальним економічним ефектом у розмірі 970 тис. грн. і очікуваним ефектом в розмірі 2,5 млн. грн., у проектні інститути та вищі навчальні заклади.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Рябченко И.Н. Моделирование процессов потокораспределения в системах подачи и распределения воды с использованием ПЭВМ.- Харьков: ДСВ Основа при Харьковском ун-те, 1998.- 188с.

2. Интегрированная диалоговая система рациональной эксплуатации и развития систем подачи и распределения воды / Рябченко И.Н., Маслак В.Н., Гречухин А.В., Евдокимов А.Г., Самойленко Н.И., Вольвовский Д.Е., Егоров С.И. - Донецк: РИП "Лебедь", 1994.- 192с.

3. Рябченко И.Н., Маслак В.Н. Автоматизация процедуры генерации баз данных определенной пропускной способности // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техника. - 1997.- №7. С.36-38.

4. Рябченко И.Н. Определение зон влияния насосных станций при оперативном управлении СПРВ // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техника. - 1997. -№8.- С.84-85.

5. Рябченко И.Н., Маслак В.Н., Холодная Т.А. Разработка методики сбора и обработки оперативных данных информационной интеллектуальной системой с распределенным доступом // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техника. - 1997. - №10. - С.99-101.

6. Рябченко И.Н. Использование методов теории принятия решений при оптимальном проектировании систем подачи и распределения воды (СПРВ) // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техника. - 1998.- №16. -С.93-97.

7. Рябченко И.Н. Использование методов теории принятия решений при оптимальном управлении системами подачи и распределения воды // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков: издание Государственной дирекции железных дорог Украины. - 1998.- №6. - С.18-22.

8. Рябченко И.Н. Разработка эффективных методов проектирования систем подачи и распределения воды (СПРВ) с использованием теории принятия решений многокритериальных задач // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков: издание Государственной дирекции железных дорог Украины. - 1999. - №1.- С.7-11.

9. Рябченко И.Н. Использование методов топологического анализа при решении задачи локализации аварий на инженерных сетях // Новые решения в современных технологиях. Вестник Харьковского государственного политехнического университета - Харьков: Харьковский политехнический государственный университет. - 1999.- №46. - С.28-30.

10. Рябченко И.Н., Маслак В.Н., Гречухин А.В. Алгоритмическая поддержка процедуры локализации аварийных ситуаций в системах подачи и распределения воды (СПРВ) // Новые решения в современных технологиях. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: Харьковский политехнический государственный университет. - 1999. - №55. - С. 21-23.

11. Рябченко И.Н., Маслак В.Н. Многошаговая схема обобщенного математического программирования решения многокритериальной задачи оперативного управления водораспределительными сетями // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техника. - 1999. - №19. - С.195-197.

12. Рябченко И.Н., Маслак В.Н. Алгоритм автоматизации процесса подготовки расчетных баз данных для систем водоснабжения // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков: издание Государственной дирекции железных дорог Украины. - 1999. - №2. - С.36-39.

13. Рябченко И.Н. Разработка алгоритма построения локализующего гиперграфа для тестирования конкурентоспособных структур водораспределительных сетей при их проектировании и реконструкции // Новые решения в современных технологиях. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: Харьковский политехнический государственный университет. 1999. - №58. - С.27-28.

14. Рябченко И.Н. Повышение эффективности эксплуатации систем водоснабжения в штатных режимах работы // Науковий вісник будівництва. - Харьков: ХДТУБА, ХАО АБУ. - 1999. - №7. - С.169-172.

15. Рябченко И.Н. Обобщенный алгоритм оптимальной эксплуатации инженерных сетей // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техника. -1999. - №20, ч.1. - С.163-165.

16. Рябченко И.Н. Задачи выбора рационального решения при эксплуатации водораспределительных сетей в нештатных ситуациях // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков: Издание Государственной дирекции железных дорог Украины. - 1999. - №3. - С.49-52.

17. Рябченко И.Н. Построение модели принятия решений при эксплуатации систем подачи и распределения воды в аварийных ситуациях // Новые решения в современных технологиях. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: Харьковский политехнический государственный университет. - 1999. - №59. - С.57-59.

18. Рябченко И.Н. Выбор модели представления данных в системе поддержки принятия решения при аварийном регулировании СПРВ // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков: издание Государственной дирекции железных дорог Украины. - 1999. - №5. - С.3-6.

19. Рябченко И.Н. Разработка структуры интерактивной системы поддержки принятия решения в аварийной ситуации в водораспределительных сетях // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков: издание Государственной дирекции железных дорог Украины. - 1999.- №6. - С.82-85.

20. Рябченко И.Н., Яковицкий И.Л., Маслак В.Н. Система поддержки принятия решений оперативного управления и проектирования СПРВ // Системный анализ, управление и информационные технологии. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: Харьковский политехнический государственный университет. - 2000. - №97. - С.84-88.

21. Рябченко И.Н. Разработка модели интерактивной системы поддержки принятия решений при эксплуатации систем подачи и распределения воды в нештатных ситуациях // Механика и машиностроение. - Харьков: Харьковский политехнический государственный университет. - 1999. - №2. - С. 112-116.

22. Рябченко И.Н. Евдокимов А.Г., Самойленко Н.И. Интегрированная диалоговая система рациональной эксплуатации и развития систем подачи и распределения воды // В кн.: Новые информационные технологии управления развитием и функционированием трубопроводных систем энергетики. - Иркутск: СЭИ СО РАН.- 1993г.-С.153-165.

23. Пат. 17219A UA G01 F1/66 Украина, Держпатент України. Акустичний витратомір / Корольков В.Г., Золотов М.С., Рябченко І.М., Маслак В.М., Гречухин О.В. Заявл. 22.01.96; Опубл. 1.04.97; 8 стр.

24. Пат. 2101681 C1 RU G01 F1/66 Российская федерация. Комитет Российской федерации по патентам и товарным знакам. Аккустический расходомер / Корольков В.Г., Золотов М.С., Рябченко И.Н., Маслак В.Н., Гречухин А.В., Заявл. 31.01.96г. Опубл. 10.01.98г.; 18 стр.

25. Минимизация функций с применением мини- и микро- ЭВМ . Сборник задач и упражнений / Евдокимов А.Г., Самойленко Н.И., Пальченко Л.А., Рябченко И.Н./ под ред. А.Г.Евдокимова.- Харьков: Вища школа, 1993.- 256с.

26. Рябченко И.Н., Евдокимов А.Г. Проблемы рационального управления инженерными сетями. // Всесоюзная научно-техническая конференция "Разработка и внедрения АСУ водоснабжения и водоотведением в городах": Тезисы докладов. - Краснодар. - 1990. - С.11-14.

27. Рябченко И.Н., Евдокимов А.Г., Самойленко Н.И. САПР систем подачи и распределения воды // 4-я Всесоюзная школа "Проектирование автоматизированных систем контроля и управления сложными объектами": Тезисы докладов. - Туапсе. - 1990. - С.29-30.

28. Рябченко И.Н., Кауров Л.Г., Стацюк Л.В. Математические методы анализа и прогнозирования динамики развития процессов // II-я Всесоюзная конференция "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей": Тезисы докладов. - Харьков.-1991. - С.218-219.

29. Рябченко И.Н. Ресурсосберегающие технологии оперативного управления системами подачи и распределения воды в аварийных ситуациях // Международная научно-практическая конференция "Проблемы и перспективы ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве": Тезисы докладов. - Харьков. - 1995. - С.79.

30. Рябченко И.Н., Маслак В.Н., Гречухин А.В. Экспертная система локализации аварийных ситуаций в водораспределительных сетях // Международная научно-практическая конференция "Проблемы и перспективы ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве": Тезисы докладов. - Харьков.-1995. - С.80.

31. Рябченко И.Н. Автоматизация процесса формирования расчетных баз данных как способ повышения эффективности в процессе принятия решений // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техника. - 1997. - №8. - С.89-90.

32. Рябченко И.Н., Маслак В.Н., Холодная Т.А. Аппроксимация потерь воды при авариях на водораспределительных сетях // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техника. - 1997. - №10. - С.137-139.

33. Рябченко И.Н. Некоторые вопросы разработки эффективной стратегии оперативного управления системами водоснабжения // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техника. - 1998. - №16. - С.68-70.

34. Рябченко И.Н., Холодная Т.А., Яковицкий И.Л. Ранжирование допустимых решений локализации аварийных ситуаций на инженерных сетях // Сборник научных трудов по материалам 5-ой международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". - Харьков: ХТУРЭ. - 1999. - С.431-434.

Размещено на Allbest.ru