Методология построения автоматизированной информационной системы принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Тамбовский государственный технический университет”

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Методология построения автоматизированной информационной системы принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов

05.25.05 - Информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики

Егоров Сергей Яковлевич

Тамбов 2008



Работа выполнена на кафедре «Автоматизированное проектирование технологического оборудования» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Тамбовский государственный технический университет”.

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Малыгин Евгений Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Максимов Николай Вениаминович;

доктор технических наук, доцент Цыганков Михаил Петрович;

доктор технических наук, с.н.с. Павлов Владимир Иванович.

Ведущая организация: Воронежская государственная технологическая академия (ВГТА)

Защита диссертации состоится 18 апреля 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени доктора технических наук Д 212.260.05 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, Большой актовый зал.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью) просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.05 З.М. Селивановой.

E-mail: egorov@mail.gaps.tstu.ru Факс: 8-4752-72-18-13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ.

Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор техн. наук, доцент З.М. Селиванова.



Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Успешное решение задач проектирования и ввода в кратчайшие сроки в эксплуатацию современных промышленных производств в химической, нефтехимической, биологической и других смежных отраслях промышленности - необходимое условие развития производства на современном этапе. Особенно важно оперативное решение задач проектирования при создании новых и реконструкции действующих многоассортиментных производств (МАП) химических красителей, полупродуктов, кинофотоматериалов, синтетических смол и пластических масс, лаков и красок, химических волокон, химических реактивов, лекарственных препаратов и аналогичных им производств. Для этих производств характерны изменяющийся ассортимент малотоннажной продукции, множество видов перерабатываемого сырья, сложность и неоднозначность маршрутов химического синтеза продуктов, различные конструкции аппаратов, в том числе и многофункционального назначения, преимущественно периодические процессы, наличие вспомогательных операций (загрузка, выгрузка, очистка аппаратов, пуск, останов и др.). Эти и другие специфические особенности МАП (периодичность, многостадийность и малотоннажность; сложная система технологических коммуникаций; широкое использование самотека материальных потоков; выпуск на одном технологическом оборудовании нескольких продуктов) затрудняют выбор оптимальных проектных решений традиционными ручными методами. Следует отметить, создание МАП - творческий, сложный, многообразный и трудоемкий процесс поиска оптимальных инженерно-технических решений на всех этапах проектирования. Причем, оптимизация отдельных процессов на том или ином этапе проектирования, без учета их взаимосвязи с остальными, может привести к неоптимальным значениям показателей эффективности всей системы в целом.

Поэтому повышение качества выполняемых работ с одновременным сокращением сроков проектирования возможно только с широким использованием современной вычислительной техники, что, в свою очередь, требует создания проблемно-ориентированных автоматизированных информационных систем (АИС) поддержки принятия проектных решений на всех этапах проектирования МАП. Особенно это актуально для этапа компоновки МАП. Решения, принятые на этом этапе оказывают значительное влияние на другие этапы проектирования - выбора и расчета аппаратурного оформления производства, составления календарных планов выпуска продукции, выполнения работ по проектированию систем отопления и вентиляции и др.

Вышесказанное позволяет считать, что решение проблемы автоматизации проектных работ МАП на этапе компоновки является важной и актуальной народно-хозяйственной задачей.

Выполненная работа посвящена разработке методологических основ и созданию проблемно-ориентированной автоматизированной информационной системы компоновки, используемой при проектировании новых и реконструкции существующих МАП. Результаты, полученные автором, базируются на работах ведущих отечественных ученых: В.В. Кафарова, Е.Н. Малыгина, В.П.Мешалкина, И.П.Норенкова, Д.Ю.Зайцева, и др.

Работа выполнялась в соответствии с координационным планом Межвузовской научно-технической программы "Теоретические основы химической технологии" на период 1995-2000 г.г., а также по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Тамбовского государственного технического университета в 1994-2003 г.г..

Объектом исследования в работе являются процедуры принятия проектных решений по компоновке вновь создаваемых и реконструируемых МАП, реализованные в АИС компоновки промышленных объектов.

Предметом исследования являются принципы, математические постановки задач, аналитические и процедурные модели, лежащие в основе разработки автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных решений по компоновке объектов технологических систем (ТС) на примере МАП.

Цель работы. Целью работы является создание методологии построения автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов, позволяющей решить проблему автоматизации проектных работ МАП на этапе компоновки.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Сформулированы и обоснованы методологические основы построения автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов.

2. Проведен информационный анализ процесса проектирования МАП.

3. Разработана иерархическая структура процесса принятия проектных решений на этапе компоновки объектов МАП.

4. Развиты теория и методы автоматизированного решения задач этапа компоновки.

5. Разработана универсальная информационно-логическая модель компоновки промышленных объектов.

6. Разработаны и исследованы аналитические и процедурные модели процессов:

- выбора объемно-планировочных параметров производственного помещения;

- компоновки МАП в многоэтажных цехах и цехах ангарного типа;

- размещения оборудования и прокладки трубопроводов, как внутри многоэтажных производственных помещений из типовых строительных конструкций, так и в цехах ангарного типа на металлоконструкциях;

- расчета транспортно-трубопроводных сетей;

- выбора и размещения трубопроводной арматуры.

7. Создана комплексная методика автоматизированного синтеза и анализа проектных решений по компоновке промышленных объектов.

8. Разработана автоматизированная информационная система поддержки принятия проектных решений по компоновке объектов МАП.

9. Проведена практическая апробации предложенных подходов на примерах компоновки промышленно-важных производств.

Научная новизна полученных результатов.

1. Сформулированы и обоснованы методологические основы построения АИС поддержки принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов. Среди них в первую очередь выделены:

- концепции системного анализа и комплексного моделирования, современной теории управления сложными системами;

- принципы: декомпозиции общей задачи компоновки на систему взаимосвязанных задач; постановки каждой задачи как экстремальной; использования методов математического моделирования как инструмента для разработки аналитических и процедурных моделей компоновки промышленных объектов; многоуровневого геометрического описания объектов компоновки; максимального учета факторов, оказывающих влияние на принятие проектных решений по компоновке МАП.

2. Развиты теория и методы автоматизированного синтеза оптимальных проектных решений по компоновке промышленных объектов, включающие математические постановки задач, аналитические модели процессов компоновки с учетом строительных, технологических и нормативных требований к проекту, методики автоматизированного решения задач:

- разработана иерархическая структура процессов поддержки принятия проектных решений по компоновке МАП в максимальной степени отражающая особенности данного класса производств. Определены цели и задачи решаемые на каждом уровне иерархии, а также информационные потоки между ними;

- предложен способ многоуровневого описания объектов компоновки, заключающийся в представлении объектов компоновки в виде комплекса простейших геометрических фигур, выделении подобъектов, собственные ограничения и условия размещения в пространстве которых заданы различными видами представления информации;

- впервые поставлена задача совместного оптимального проектирования параметров строительной конструкции, размещения технологического оборудования в производственном помещении, трассировки трубопроводов, расчета параметров транспортно трубопроводных сетей, выбора и размещения трубопроводной арматуры;

- разработана обобщенная аналитическая модель принятия проектных решений по компоновке МАП, имеющая следующие отличительные особенности: максимальный учет факторов, оказывающих влияние на принятие проектных решений по компоновке объектов МАП; формализованная запись правил, требований и ограничений, которые должны быть выполнены при выполнении проекта компоновки. Показана возможность моделирования на основе предложенной модели комплекса процессов по компоновке промышленных объектов, в частности, процессов размещения оборудования и трассировки трубопроводов;

- сформулированы необходимые условия проектируемости модели, увязывающие соотношения модели и исходные данные на проектирование и позволяющие значительно снизить время поиска оптимальных решений;

- разработана методика расчета длины соединений в задачах компоновки промышленных объектов, позволяющая на основе знаний о размерах области размещения, объектах компоновки и структуре связей между ними найти нижнюю оценку суммарной длины соединений между объектами технологических систем (ТС) МАП любой сложности.

3. Осуществлены постановки задач, решаемых с помощью АИС:

- выбора оптимальных объемно-планировочных решений (ОПР) цеха для вновь проектируемого производства; компоновки объектов в многоэтажных и ангарных цехах; размещения оборудования и трассировки трубопроводов, с максимальной полнотой отражающих особенности процессов компоновки МАП. При этом, разработка аналитических моделей каждой из задач выполнялась на базе обобщенной аналитической модели компоновки.

4. Предложены процедурные модели решения задач размещения и трассировки, основанные на использовании модифицированного метода последовательного размещения объектов и метода вектора спада - для размещения оборудования в многоэтажных цехах; метода покоординатного спуска - для размещения в цехах ангарного типа; адаптированных для работы в каналах двух лучевого алгоритма - для трассировки неразветвленных соединений и алгоритма построения кратчайших связывающих сетей - для трассировки разветвленных трубопроводов в многоэтажных цехах; волнового алгоритма прокладки трасс трубопроводов - для цехов ангарного типа.

5. Разработана постановка задачи расчета транспортно трубопроводных сетей (ТТС), отличающаяся от известных учетом длительности операций загрузки-выгрузки оборудования. Предложена методика решения комплекса задач расчета ТТС на этапе проектирования компоновки оборудования МАП с учетом длительности операций загрузки-выгрузки.

6. Впервые разработана постановка задачи автоматизированного выбора трубопроводной арматуры по ряду потребительско - эксплуатационных показателей. Предложена оригинальная двух шаговая методика автоматизированного решения задачи, основанная на ранжировании потребительско - эксплуатационных показателей. Разработана процедурная модель решения задачи.

7. Разработана новая комплексная методика автоматизированного синтеза проектных решений по компоновке МАП, объединяющая решения ряда задач: выбора типа и размеров строительной конструкции; размещения оборудования в объеме цеха; прокладки трубопроводов; расчета оптимальных параметров трубопроводов; выбора и размещения трубопроводной арматуры.

Таким образом, методология построения АИС поддержки принятия проектных решений по компоновке МАП включает в себя совокупность принципов, подходов, аналитических и процедурных моделей процессов компоновки объектов ТС, входящих в состав МАП.

На защиту выносятся основные положения:

1. Научно обоснованная методология построения АИС принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов.

2. Постановка задачи совместного оптимального проектирования: параметров строительной конструкции; размещения оборудования в производственном помещении; трассировки технологических трубопроводов; расчета параметров транспортно трубопроводных сетей; выбора и размещения трубопроводной арматуры.

3. Обобщенная аналитическая модель процесса принятия проектных решений по компоновке МАП.

4. Аналитические и процедурные модели принятия проектных решений задач: выбора ОПР цеха; компоновки оборудования в многоэтажных производственных помещениях; компоновки оборудования в цехах ангарного типа: расчета ТТС; выбора и размещения трубопроводной арматуры.

5. Методика определения типа и оптимальных размеров строительной конструкции для вновь проектируемого производства.

6. Комплексная методика автоматизированного синтеза проектных решений компоновки объектов ТС МАП, объединяющая решения ряда задач: выбора типа и размеров строительной конструкции; размещения оборудования в объеме цеха; прокладки трасс трубопроводов; расчета оптимальных параметров трубопроводов; выбора и размещения трубопроводной арматуры.

Методика исследования основана на использовании методов системного анализа, математического моделирования, теории графов, методов линейного, нелинейного, дискретного программирования и методов управления производственными ресурсами.

Практическая ценность. На основе предложенной методологии, разработанных аналитических и процедурных моделей принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов создана АИС поддержки принятия проектных решений по компоновке объектов МАП, включающая:

- подсистему компоновки «KOBRA3» - для решения задач размещения оборудования и трассировки трубопроводов;

- подсистему детализации трасс трубопроводов «AUTOTRACE» - для детального проектирования трубопроводов и вывода спецификаций;

подсистему «АРМАТУРА» - для выбора и размещения трубопроводной арматуры;

- имитационную подсистему «KOBRA2» - для исследования решений принимаемых в процессе выполнения проекта компоновки;

- базу данных проекта (содержащую информацию о строительных конструкциях, оборудовании МАП, трубопроводах, свойствах веществ, трубопроводной арматуре) и базу проектов (содержащую информацию о выполненных проектах).

Реализация работы. Разработанный комплекс программ передан в Тамбовский филиал Московского научно-производственного объединения НИОПиК (в настоящее время ОАО «Экохимпроект»), отдельные пакеты программ - в ОАО «Первомайскхиммаш»; ОАО «Тамбовский завод "Комсомолец" им. Н.С. Артемова», а также в вузы страны: Тамбовский государственный технический университет, Курганский государственный университет, Ивановский химико-технологический университет.

Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты обсуждались на Всесоюзной конференции «Реахимтехника-2» (Днепропетровск, 1985 г.), I, II Всесоюзных конференциях «Автоматизация и роботизация в химической промышленности» (Тамбов, 1986, 1988 гг.), Всесоюзной конференции «Математическое моделирование сложных химико-технологических систем» (Казань, 1988 г.), Всесоюзной конференции «Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем, научных исследований и гибких автоматизированных производств» (Тамбов, 1989 г.), IV Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов (Москва, 1994 г.), II Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM-99 (Санкт-Петербург, 1999 г.), , I, II Международных конференциях «Математические методы в образовании, науке и промышленности» (Тирасполь, 1999, 2001 гг.), I, II Международных научных конференциях и выставке CAD/CAM/PDM «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» (Москва, 2001, 2002 гг.), Международной научно-технической конференции «Современные системы управления предприятием - CSBC'2001» (Липецк, 2001 г.), Международной научной конференции по телематике и Web-средствам в обучении - «Телематика 2001» (Санкт-Петербург, 2001 г, XII, XIII, XIV, XV Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Великий Новгород, 1999 г.; Санкт-Петербург, 2000 г.; Смоленск, 2001 г.; Тамбов, 2002 г.; Казань, 2005 г.), Ярославль, 2007 г. и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 107 печатных работ, в том числе монография, статьи в центральных научных журналах, доклады на конгрессах и конференциях различного уровня, учебные пособия и учебно-методические издания. В основном все научные результаты получены автором. Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве и содержащиеся в них результаты, состоит в постановке задач, разработке теоретических положений, а также - в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, основных выводов и списка использованной литературы. Материал изложен на 399 страницах, в том числе 360 стр. основного текста, содержит 51 рисунок и 12 таблиц. Список литературы включает 337 позиций.



Основное содержание работы

Во введении, исходя из анализа состояния теории и практики автоматизации проектирования МАП, сформулирована цель работы, показана ее актуальность, научная новизна, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе “Информационный анализ процесса проектирования многоассортиментных производств” на основе системного подхода проведен анализ процесса проектирования МАП. Процесс проектирования разбит на взаимосвязанные этапы. Разработана иерархическая структура задач решаемых на каждом из этапов проектирования.

Раскрыта роль этапа компоновки в процессе проектирования промышленных предприятий. Сформулирован комплекс взаимосвязанных задач выполняемых на этапе компоновки при проектировании нового или модернизации существующего производства рис.1.

Рис. 1. Задачи, решаемые на этапе проектирования компоновок МАП

На основе проведенного литературного обзора показано что:

- автоматизация процесса проектирования компоновки технологических объектов, является одной из актуальной проблем в различных отраслях промышленности, в том числе и в химической;

- для подавляющего большинства постановок задач компоновки характерно отсутствие формализованных математических моделей принятия проектных решений, что приводит, во-первых, к неадекватности получаемых решений, к снижению, в целом, качества выполняемых проектов, а во-вторых, к перегрузке проектировщика, вынужденного осуществлять функции контроля правильности получаемых решений. Поэтому при постановке задачи компоновки объектов МАП особое внимание следует уделить разработке и исследованию формализованной математической модели процесса принятия проектных решений;

- разработанные отечественные и зарубежные информационные системы автоматизированного проектирования компоновки, при наличии в них отличного графического интерфейса, остаются по-прежнему полностью зависимыми от человека при принятии решений.

На основе проведенного анализа предлагается структура базовых компонент АИС компоновки МАП (рис.2), формулируются задачи исследования, разрабатываемые в работе.

Рис. 2. Базовые компоненты АИС компоновки оборудования МАП

Вторая глава “Методологические основы создания АИС поддержки принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов” посвящена разработке и развитию методологических основ построения АИС компоновки промышленных объектов. Методология базируется на следующих подходах: концепции системного анализа и комплексного моделирования, современной теории управления сложными системами; использовании теории иерархических систем на всех этапах проектирования МАП, в том числе и на этапе компоновки; многокритериальном подходе при оценке вариантов проектных решений по компоновке промышленных объектов.

На основе информационного анализа факторов, влияющих на процесс принятия проектных решений по компоновке, и предложенного способа многоуровневого описания объектов компоновки, разработана обобщенная аналитическая модель процесса компоновки, сформулирована постановка задачи компоновки, предложена схема ее решения.

Задача компоновки формулируется как:

найти ,(1)

где - вариант компоновки; -вариант размещения оборудования; -вариант трассировки трубопроводов; CK=(X_C,Y_C,Z_C) -вариант строительной конструкции, - вариант металлоконструкций под оборудование; -вариант расположения трубопроводной арматуры; - множество допустимых вариантов компоновки; - множество всех возможных вариантов компоновки; ; ; ; ; ; ; D_AP, D_TR, D_CK, D_M, D_AR - множества всех возможных вариантов размещения оборудования, трассировки трубопроводов, строительных конструкций, металлоконструкций, размещения арматуры; - мощности множеств D_AP, D_TR, D_CK, D_M, D_AR; m- аналитическая модель проектного решения.

В качестве целевой функции S(h) предложен критерий приведенных затрат, включающий в себя составляющие капитальныx и эксплуатационныx затрат, зависящих от принимаемых компоновочных решений:

; (2)

;(3)

,(4)

где SK- капитальные затраты, учитывающие затраты на: монтаж оборудования SK₁, металлоконструкции SK₂, строительные конструкции цеха SK₃, трубопроводы SK₄, устройства для транспортировки веществ SK₅, трубопроводную арматуру SK₆; SE - эксплуатационные затраты на: электроэнергию затрачиваемую на транспортировку веществ SE₁, потери тепловой энергии от трубопроводов SE₂, затраты на ремонт оборудования SE₃.

Аналитическая модель проектного решения компоновки включает следующие блоки ограничений:

Блок 1. Конструкционные ограничения модели.

- Ограничение на предельно допустимые размеры цеха:

, ,.(5)

- Кратность размера цеха размеру строительного модуля:

. (6)

- Размещение оборудования внутри цеха:

.(7)

- Наличие зон для движения транспортных устройств:

,(8)

где L и B - длина и ширина зоны движения.

- Наличие зон для ремонта и обслуживания оборудования:

, количество аппаратов. (9)

- Зоны свободные от размещаемого оборудования:

- количество зон.(10)

- Зоны под каналы для прокладки трубопроводов:

- количество зон под каналы.(11)

Блок 2. Ограничения на размещение оборудования.

-Тяжелое оборудование размещается, как правило, на нижних этажах:

.(12)

- Размещение однотипного оборудования в один ряд:

.(13)

- Изолированное размещение оборудования:

.(14)

- Фиксация размещения отдельных аппаратов:

.(15)

- Обеспечение требуемого расстояния между аппаратами:

.(16)

- Расстояние между аппаратами и строительными конструкциями:

.(17)

Блок 3. Ограничения на прокладку трасс трубопроводов.

- Ортогональность фрагментов трубопроводов в пространстве цеха:

(18)

- Прокладка трасс трубопроводов в выделенных зонах:

.(19)

- Обеспечение зазоров между трассами:

.(20)

- Расстояние между фрагментами трасс и аппаратами:

,.(21)

- Расстояние между трассами и строительными конструкциями:

.(22)

Блок 4. Технологические ограничения.

- Часть оборудования рекомендуется размещать друг над другом:

.(23)

- Изолированное размещение оборудования в отделениях:

.(24)

- Ограничение на длину трубопроводов с вязкими жидкостями:

.(25)

- Обеспечение требуемой скорости потока в трубопроводах:

.(26)

- Ограничение на время загрузки-выгрузки оборудования:

.(27)

- Обеспечение транспорта самотёком:

,(28)

.

- Исключение застойных зон для жидкостей:

, (29)

- для газов:,(30)

.

Кроме этих условий в эту группу включены условия обеспечения транспорта с помощью насосов и передавливания, а также условия обеспечивающие прочность и безопасность оборудования и трубопроводов.

Блок 5.Условия не пересечения объектов.

- Не пересечение аппаратов друг с другом:

.(31)

- Не пересечение аппаратов со строительной конструкцией:

. (32)

- Не пересечение оборудования со вспомогательными зонами:

.(33)

- Не пересечение трасс друг с другом:

,.(34)

- Не пересечение трасс с аппаратами:

.(35)

- Не пересечение трасс со строительными конструкциями:

.(36)

- Трассы не должны проходить в зонах обслуживания оборудования:

.(37)

Имеется еще ряд других ограничений подобного свойства, описывающих взаимное не пересечение объектов компоновки.

Показано, что варьируя ограничениями модели (5-37) задачи компоновки и видоизменяя целевую функции (2), можно из исходной постановки получить практически любую частную постановку задачи, встречающуюся на этапе принятия объемно-планировочных решений производства. Так задачи: размещения оборудования МАП по этажам или на этажах и задачи трассировки технологических трубопроводов, рассматриваемые далее, получаются путем модификации соответствующих ограничений (12-17) и (18-22) модели компоновки.

Задачи компоновки в многоэтажном промышленном здании и в цехах ангарного типа получаются из исходной путем задания конструкционных ограничений (5-11) соответствующих типу строительной конструкции и частичному видоизменению критерия (2) .

Поставленная задача относится к классу NP-полных задач математического программирования. Для ее решения предложен подход, основанный на декомпозиции исходной задачи на ряд взаимосвязанных задач меньшей размерности (рис.3), имеющих самостоятельное значение в проектной практике.

Рис. 3. Иерархическая схема решения задачи компоновки

Это задачи: выбора объемно-планировочных решений цеха (блок 1, задача ОПР); - компоновки оборудования в многоэтажном производственном помещении (блок 2, задача КО_М); - компоновки оборудования в цехах ангарного типа (блок 3, задача КО_А); - задачи размещения оборудования и трассировки технологических трубопроводов в многоэтажных и ангарных цехах (блоки 5-8, задачи РО_М, РО_А, ТТ_М, ТТ_А); - расчета транспортно-трубопроводных сетей (блок 4, задача ТТС); - выбора и размещения трубопроводной арматуры (блок 9, задача РТА).

Разработана методика решения общей задачи компоновки, основанная на итерационном решении каждой из вышеперечисленных задач. Для каждой задачи разработаны информационные и управляющие сигналы, используемые для координации решения отдельных задач при решении общей задачи компоновки.

В третьей главе “Аналитические и процедурные модели выбора объемно-планировочных решений цеха” ставится и решается задача выбора ОПР цеха. Ее содержательная постановка сформулирована как: определить тип здания, значения объемно-планировочных параметров и размеры здания, при которых затраты на строительную конструкцию и компоновку в ней (с соблюдением всех норм и правил) технологического оборудования будут минимальны.

Информационные и управляющие сигналы задачи представлены на рис.4.

Рис. 4. Информационные и управляющие сигналы задачи выбора ОПР.

Основные соотношения модели включают:

I Ограничения на размеры цеха.

- На предельно допустимые размеры цеха:

;;.(38)

- На минимальную высоту цеха:

. (39)

- На высоту цеха с учетом транспорта веществ:

Пусть подмножество аппаратов, объединенных следующими правилами:

а)

б) тогда . (40)

- Зависимость размеров цеха от основных объемно-планировочных параметров цеха:

; ; .(41)

- На площадь цеха:

. (42)

- На объем цеха: . (43)

II Ограничения на определяемые объемно - планировочные параметры строительной конструкции цеха.

- На количество этажей в цехе:

, если

, если . (44)

- На число пролетов в цехе:

( ) ( ) при МК=1 . (45)

- На использование в цехе подвесного транспорта и мостового крана:

() () при МК=1

() () при ПТ=1.(46)



- На высоты этажей:

; ;. (47)

- На тип перекрытия:

, если ()()();

,если МК=1;(48)

при ()().

В качестве целевой функции задачи выбора ОПР приняты капитальные затраты на проектируемый объект. Составляющими критерия являются стоимости: металлоконструкции для монтажа оборудования внутри цеха (S_метал), земли под цех (S_земли), строительной конструкции (S_стр.), монтажа оборудования внутри цеха (S_монт.), технологических трубопроводов (S_труб), насосов для транспорта веществ по трубопроводам (S_нас).

.(49)

С учетом изложенного выше, задача выбора ОПР цеха формулируется так: определить тип цеха, T_Ц, габариты цеха CK=(X_C,Yc,Zc), а также его объемно - планировочные параметры: или , при которых критерий (49) достигает минимума, при выполнении ограничений математической модели (38-48).

Т к. при решении задачи выбора ОПР цеха размещение оборудования (координаты xap_i,yap_i,zap_i аппаратов) еще не известны, поэтому при расчете длины соединений между аппаратами технологической схемы используются нижние оценки длины соединений между размещаемыми объектами, которые зависят от размеров строительной конструкции, сложности соединений оборудования технологических схем. Методика расчета нижней оценки длины соединений основана на использовании аппарата теории графов и заключается в следующем: Все размещаемые объекты и связи между ними представлены в виде графа G=(X,U). Сначала подсчитывается число вершин и ребер графа G. Далее в координатной сетке G_r строится стандартный граф G=(X,U), имеющий такое же число вершин и ребер, как и граф G. Построение ведется путем последовательного помещения в сетку сначала всех ребер G, длина которых равна 1. Если число ребер графа G с длиной 1 равно или больше числа ребер графа G, то процесс построения заканчивается. В противном случае последовательно добавляются ребра с длинами 2, 3 и далее до тех пор, пока общее число ребер графа Gне станет равным числу ребер графа G. Затем производится ранжирование ребер графа G по весам таким образом, что ц(U_i)? ц(U_i+1) , где ц(U_i) - вес U_i-го ребра, длина которого равна 1 и эти веса приписываются ребрам графа G в соответствии с порядком построения его ребер. Подсчитав суммарную стоимость ребер графа G, получим нижнюю оценку минимальной суммарной длины для графа G

S(G)=. (50)

Процедурная модель выбора ОПР производства основана на генерации допустимых (в соответствии с ограничениями модели (38-48) вариантов цеха, и выбора из них лучшего по критерию (49). Информационной основой для генерации вариантов цеха является база данных типовых ОПР производства.

Разработана методика определения типа и оптимальных размеров строительной конструкции для вновь проектируемого производства, основанная на выполненном в работе исследовании зависимости размеров цеха от типовых схем расположения оборудования, позволяющая определять оптимальные размеры цеха для технологической системы любой сложности.

В четвертой главе “Аналитические и процедурные модели принятия проектных решений по компоновке оборудования технологических систем в многоэтажных производственных помещениях” сформулирована постановка задачи компоновки в многоэтажных производственных помещениях. Информационные потоки задачи компоновки представлены на рис 5.

Рис. 5 Информационные и управляющие сигналы задачи компоновки в многоэтажных производственных помещениях.

Для уменьшения размерности задачи, исходная задача компоновки разбита на две последовательно решаемые подзадачи меньшей размерности, имеющие самостоятельное значение в процессе проектирования.

Задачу проектирования размещения оборудования с одновременным определением габаритов цеха:

найти .(51)

Задачу трассировки технологических трубопроводов:

найти ,(52)



где -соответственно модели, критерии, алгоритмы и множества допустимых вариантов проектных решений задач размещения и трассировки. автоматизированный промышленный проектный

Аналитическая модель проекта размещения (m¹) разработана на основе уравнений (5-38) с учетом особенностей компоновки оборудования в многоэтажных цехах (фиксированный шаг сетки колонн, допустимая нагрузка на межэтажные перекрытия, возможность выбора зданий разной этажности и др.). Так, например, условие (6) имеет вид:

x_c /n_x = y_c/n_y=z_c/n_z=?, ?={6,9}. (53)

Условие (7) размещения оборудования внутри цеха:

(54)

Условие выполнения требования транспорта веществ самотеком:

,.(55)

Не пересечения аппаратов друг с другом:

(56)

; ; .

Не пересечения аппаратов со строительными колоннами:

.(57)

Размещения оборудования в отдельном блоке:

(58)

Обеспечения зон для движения транспортных устройств:

.(59)

Размещения оборудования в зонах с естественным освещением:

.(60)

Наличия зон свободных от оборудования:

.(61)

И ряда других ограничений: способа установки оборудования (на межэтажное перекрытие или с провисанием), наличия монтажных проемов и грузовых лифтов и т.д.

Разработан критерий для выбора оптимального варианта размещения технологического оборудования с определением размеров многоэтажного цеха:

. (62)

Сформулирована постановка задачи размещения технологического оборудования в многоэтажных цехах: найти такой вариант размещения технологического оборудования в многоэтажном цехе A = A_i (x_i, y_i, z_i, _i), i=1,2,...,I и габариты цеха S_M=(Х_ц,Y_ц,Z_ц), при которых критерий (63) достигает минимума и выполняются условия математической модели (54-62).

Аналитическая модель проектного решения трассировки учитывает следующие условия:

- Прокладки трубопроводов в ортогональной метрике:

(63)

- Прокладки трасс трубопроводов по уровням:

.(64)

- Ориентации трасс в каналах:

Если , то .

Если , то . (65)



- Ограничение на число уровней в каналах:

(66)

- Ограничение на длину трубопровода:

.(67)

- На расположение трубопроводов с высокотемпературными носителями в каналах:

(68)

- На расположение трубопроводов с взрывчатыми, горючими, легковоспламеняющимися и агрессивными веществами:

. (69)

- На мощность электродвигателя насоса:

.(70)

- Не пересечение трасс друг c другом:



(71)

- Не пересечение трасс с аппаратами:

(72)

- Не пересечение трасс с колоннами:

(73)

- Наличие зон запретных для прокладки трубопроводов:

(74)

Разработан критерий трассировки технологических трубопроводов в многоэтажных цехах:

.(75)

Сформулированы условия проектируемости систем (54-62), (64-75), позволяющие на основе анализа исходных данных и уравнений системы дать прогноз о существовании решения системы.

Разработаны процедурные модели решения задач размещения и трассировки. Решение задачи размещения осуществляется в два этапа: - синтез первоначального варианта размещения A⁰ с использованием метода последовательного размещения (МПР) и его улучшение с помощью одного из алгоритмов метода вектора спада (МВС). При этом оказалось целесообразным осуществить декомпозицию задачи размещения на две - размещение по этажам и размещение на этажах.

МПР включает следующие последовательно выполняемые шаги: определение очередности размещения аппаратов; определение мест возможного размещения выбранного аппарата; определение оптимального по выбранному критерию места размещения.

Очередь размещения аппаратов формируется на основе критерия “важности”, который вычисляется для каждого аппарата и зависит от его габарита, веса, стоимости технологических связей аппарата и наличия ограничений на размещение аппарата.

Выбор позиции для размещения очередного аппарата осуществляется в усеченной области, что позволяет повысить быстродействие алгоритма.

Критерий назначения аппарата в позицию, учитывает связи этого аппарата как с уже размещенными, так и с аппаратами, которые еще не установлены (делается прогноз).

МВС описывается следующей последовательностью шагов:

1.Строится окрестность заданного радиуса К с центром в .

2.Решается локальная задача . (76)

3.Если , то поиск решения заканчивается. В противном случае делается замена на и вновь выполняются п.1 и п.2.

Для решения задачи трассировки разработаны следующие алгоритмы трассировки: двух-лучевой - для реализации соединений простых связей и алгоритм построения кратчайшего связывающего дерева (КСД) - для разветвленных трубопроводов. Оба алгоритма ориентированы на представление пространства цеха в виде системы ортогональных каналов, внутри которых разрешена прокладка трасс трубопроводов.

Алгоритм прокладки трасс для разветвленных трубопроводов состоит из двух этапов: на первом этапе с использованием алгоритма Краскала производится построение КСД- дерева Прима; на втором - для каждого ребра дерева Прима формируется множество реализующих его вариантов S-ребер (под S-ребром понимается цепь ребер в ортогональном графе Q, имеющая началом и концом две вершины V_i,V_j, покрывающих минимальное дерево Штейнера и выбираем S-ребро, обеспечивающее min суммарную длину дерева Штейнера. Этот процесс повторяется для всех разветвленных трубопроводов.

Алгоритм построения КСД:

1. Для заданного подмножества вершин , на которых надо построить КСД, вычисляется расстояние между всеми вершинами и заносится в матрицу . 2.Определяется ребро с минимальным весом.

3.Определяется следующее ребро. При этом новое ребро не должно совпадать с уже выбранным. Процесс повторяется до построения (k^t-1) -го ребра. Полученный список ребер и является искомым деревом Прима с минимальным весом.

В пятой главе “Аналитические и процедурные модели принятия проектных решений по компоновке оборудования технологических систем в цехах ангарного типа” на основе проведенного во второй главе анализа разработана аналитическая модель размещения технологического оборудования в цехах ангарного типа, включающая следующие условия:

- Обеспечения транспорта веществ самотеком:

. (77)

- Обеспечения транспорта веществ передавливанием:

. (78)



- Обеспечения транспортировки насосом:

. (79)

- Обеспечения самотечного транспорта сыпучих материалов:

; (80)

X = X_{f 1l} - X_{f 2l}, Y = Y_{f 1l} - Y_{f 2l}, Z = Z_{f 1l} - Z_{f 2l}, l: f4l = 5.

- Взаимного расположения аппаратов, входящих в состав установок:

(X_j X_i + const 1) (X_j X_i + const 2);

(Y_j Y_i + const 3) (Y_j Y_i + const 4), i, i A³; (81)

(Z_j Z_i + const 5) (Z_j Z_i + const 6).

- Не пересечения зон обслуживания аппаратов с оборудованием и элементами строительных конструкций:

(U^ZA U^A = ) (U^ZA U^S = ). (82)

- Не пересечения проходов с объектами компоновки:

(U^пр U^A = ) (U^пр U^S = ) (U^пр U^ZA = ). (83)

- Ограничения на размеры проходов:

(B_i^пр B^пр*) (C_i^пр C^пр*), i = 1, 2, ..., ng. (84)



-Ограничения на расстояния между аппаратами и другими объектами:

min ((U_i^A, U_j^A)) _ап, i, j A, i j; (85)

min ((U_i^A, U_j^S)) _{ап, стр}, i A, j S. (86)

- Ограничения на ширину и угол наклона лестниц:

(_*^{лестн лестн лестн*}) (B^лестн B_*^лестн). (87)

- Ограничения на размеры ангарного цеха:

(A^c_* A^c A^c*) (B^c_* B^c B^c*) (H^c_* H^c H^c*). (88)

- Условия геометрического не пересечения объектов компоновки:

U_i^A U_j^A = , i, j A, i j; (89)

U_i^A U_j^S = , i A, j S. (90)

- Размещения оборудования внутри цеха:

U_i^A U ^c, i A. (91)

- Фиксации размещения отдельных единиц оборудования:

X_m, Y_m, Z_m = const, m A¹¹. (92)

Разработан критерий для выбора оптимального варианта размещения технологического оборудования с определением размеров ангарного цеха и конфигурации внутренних строительных конструкций:

. (93)

Сформулирована постановка задачи размещения технологического оборудования в цехах ангарного типа:

Найти такой вариант размещения технологического оборудования в цехе ангарного типа A=A_i (x_i,y_i,z_i,_i), i=1,2,...,I, габариты цеха S_АН = (Х_ц,Y_ц,Z_ц) и конфигурацию внутренних строительных конструкций h_АН = (_j^лестн, B_j^лестн, a_j^пл, b_j^пл, h_j^пл, x_j^пл, y_j^пл, z_j^пл), j = 1, 2, ..., J, при которых критерий (93) достигает минимума и выполняются условия математической модели (77-92).

Аналитическая модель трассировки технологических трубопроводов в цехах ангарного типа, включает следующие условия:

- Обеспечения транспортировки жидких веществ самотеком:

. (94)

- Обеспечения транспортировки жидких веществ передавливанием:

. (95)

- Обеспечения транспорта веществ насосом:

. (96)

- Ограничение на скорость потока в трубопроводе:



_l^н _{l l}^в, l = 1, 2, ..., L. (97)

- Условие самокомпенсации тепловых напряжений в трубопроводах:

(x^н_ij - x^к_{ij комп}) (y^н_ij - y^к_{ij комп}) (z^н_ij - z^к_{ij комп}), i, j L. (98)

- Ограничение расстояния между трубопроводами:

min ((U_i^L, U_j^L)) _L, i, j L, i j. (99)

- Ограничение расстояния между трубопроводами и аппаратами:

min ((U_i^L, U_j^A)) _{тр, ап}, i L, j A. (100)

- Ограничение расстояния между трубопроводами и строительными конструкциями:

min ((U_i^L, U_j^S)) _{тр, стр}, i L, j S. (101)

- Ограничения на расстояние до ручного привода трубопроводной арматуры от уровня пола помещения или площадки:

max (h(ar_i, S_k)) h_арм, i Ar, k S2. (102)

- Прокладки трубопроводов через строительные конструкции:

U_i^L U_j^S , i L¹¹, j S¹¹. (103)



А также условия не пересечения трубопроводов между собой, с аппаратами, строительными конструкциями и др.

Разработан критерий для выбора оптимального варианта трассировки технологических трубопроводов с размещением трубопроводной арматуры:

. (104)

На основе разработанной аналитической модели трассировки технологических трубопроводов и критерия постановку задачи оптимальной трассировки трубопроводов с размещением трубопроводной арматуры в цехах ангарного типа можно записать следующим образом.

Найти такой вариант трассировки технологических трубопроводов T = (x^н_ik, x^к_ik, y^н_ik, y^к_ik, z^н_ik, z^к_ik), i = 1, 2, …, L; k = 1, 2, …, W в цехе ангарного типа и размещения трубопроводной арматуры (X_j^ar, Y_j^ar, Z_j^ar), j = 1, 2, …, D, при которых критерий (104) достигает минимума и выполняются условия математической модели (94 - 103).

Для размещения оборудования разработана процедурная модель, основанная на принципе покоординатного спуска с параллельным определением конфигурации площадок обслуживания и этажерок.

Предложена процедурная модель для определения множества допустимых конфигураций площадок обслуживания для аппаратов и выбора оптимального варианта с учетом минимизации металлоемкости.

Для трассировки трубопроводов разработана процедурная модель, основанная на проведении кратчайшей трассы между источником и приемником с обходом размещенных объектов в пространстве.

В шестой главе “Аналитические и процедурные модели принятия проектных решений по выбору и размещению трубопроводной арматуры” ставится и решается задача автоматизированного выбора трубопроводной арматуры. Задача формулируется следующим образом: для заданного функционального назначения, основных потребительских параметров , и эксплуатационных показателей найти такой тип арматуры, для которого справедливо следующее:

, (105)

при условии, что с позиций используемых эксплуатационных показателей применение t - го типа арматуры возможно:

,(106)

где: - количественная оценка r - го показателя для t - го типа арматуры.

Разработана процедурная модель выбора арматуры включающая два этапа. На первом этапе выбора для заданных и формируется подмножество типов арматуры, выпускаемых промышленностью , где T - множество всех типов промышленной трубопроводной арматуры. Формирование осуществляется с использованием базы данных типов арматуры. На втором этапе выбора арматуры среди подмножества типов выбирается такой тип, который наилучшим способом удовлетворяет некоторому подмножеству потребительских требований (показателей) .

...