Моделі, методи та інструментальні засоби оперативного управління міським господарством

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

Попов Олександр Володимирович

УДК 681.5:69:621:039

МОДЕЛІ, МЕТОДИ ТА ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ ЗАСОБИ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛІННЯ МІСЬКИМ ГОСПОДАРСТВОМ

Спеціальність 05.13.06 - інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2008

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент

Ткаченко Володимир Пилипович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри інженерної та комп'ютерної графіки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Федорович Олег Євгенович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», завідувач кафедри інформаційних управляючих систем;

доктор технічних наук, професор

Філатов Валентин Олександрович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, кафедра штучного інтелекту

Захист відбудеться 21 травня 2008 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий «18» квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 _____________ С.Ф. Чалий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Прискорення економічного розвитку України пов'язане з удосконаленням системи управління територіями, поліпшенням планування їх комплексного розвитку. Необхідно, зокрема, підвищити роль і відповідальність органів місцевого самоврядування (ОМС) в управлінні господарським і соціально-культурним будівництвом. Це особливо актуально для такої ланки, як місто, оскільки його народногосподарська значущість дуже велика: у містах проживає більша частина населення України і виробляється переважна кількість промислової продукції.

Як об'єкт управління, міське господарство являє собою складну, просторово-розподілену, динамічну, таку що розвивається, стохастичну систему великої розмірності, що функціонує в стохастичному середовищі і, тому, є типовим представником великих систем.

Подальше вдосконалення управління таким складним соціально-виробничим комплексом, яким є сучасне місто, його обслуговуючим комплексом - міським господарством, можливо тільки в умовах застосування сучасних методів математичного моделювання та інформаційних технологій шляхом поетапного створення загальноміської, комплексної інформаційно-аналітичної системи із застосуванням інструментальних можливостей геоінформаційних технологій. Така система в дисертаційній роботі віднесена до нового класу інформаційних систем, що одержали назву - геоінформаційні аналітичні системи управління (ГІАСУ) міським господарством. Характерними ознаками таких систем є просторовий розподіл елементів об'єкта управління, необхідність врахування при вирішенні функціональних задач їх територіальну прив'язку, що вимагає розробки відповідної методології та інформаційної технології створення таких систем. Планомірна розробка і впровадження комплексної ГІАСУ міським господарством забезпечать інвентаризацію та ведення моніторингу стану природних та інших матеріальних ресурсів міста, істотно підвищать ефективність управлінських рішень, що приймаються на рівні міста та окремих підприємств міського господарства.

Значний внесок у вирішення проблеми моделювання, оптимізації та оперативного управління окремими підсистемами міського господарства внесли: М.М. Абрамов, Д.Б. Баясанов, М.М. Демін, А.Г. Євдокимов, Т.Р. Ільїна, В.М. Левикін, А.П. Меренков, Л.І. Нефьодов, Е.Г. Петров, Б.М. Пшеничний, Ю.С. Попков, М.Г. Сухарєв, А.Д. Тевяшев, В.Я. Хаселєв та ін.

На сьогодні в спеціальній літературі розглянуто концептуальні питання створення великих, розподілених систем, окремі питання класифікації інформаційних ресурсів на території міста тощо. Недостатньо опрацьовані і не доведені до рівня методології питання, пов'язані з актуальною на сьогодні проблемою - розробкою і впровадженням геоінформаційної аналітичної системи управління міським господарством, як засобу підвищення якості та ефективності управління підприємствами міського господарства, що й підтверджує актуальність даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано на кафедрі інженерної та комп'ютерної графіки Харківського національного університету радіоелектроніки відповідно до плану науково-дослідної роботи на замовлення Міністерства освіти і науки України - НДР 173/1 "Розробка методологічних основ та інструментальних засобів створення просторових систем підтримки прийняття рішень", номер державної реєстрації 0103U001566, а також відповідно до планів робіт на замовлення ОМС м. Харкова: № 03-28 «Разработка программы информатизации г. Харькова», номер державної реєстрації 0104U002061; № 04-10 «Разработка положения о муниципальной геоинформационной системе г. Харькова и нормативных документов по использованию базовых информационных ресурсов города», номер державної реєстрації 0105U002401; № 52 «Розробка адресного плану та пошарових позначень електронних карт м. Харкова», номер державної реєстрації 0105U002403; № 05-12 «Розробка нормативної бази з метою створення МГІС м. Харкова», номер державної реєстрації 0105U004524.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка математичних моделей, методів та інструментальних засобів оперативного управління технологічними процесами підприємств міського господарства для підвищення якості та ефективності їх функціонування.

Для досягнення поставленої мети необхідно:

1. Провести системний аналіз проблеми підвищення якості та ефективності функціонування підприємств міського господарства.

2. Розробити метод та інформаційну технологію побудови ГІАСУ міським господарством та її підсистемами.

3. Розробити стохастичні моделі і методи оптимізації режимів функціонування системи газопостачання міста як однієї з найважливіших і екологічно небезпечних підсистем міського господарства.

4. Провести оцінку ефективності розроблених моделей і методів оптимізації режимів роботи системи газопостачання міста.

Об'єкт дослідження - процеси управління підприємствами міського господарства.

Предмет дослідження - математичні моделі, методи та інструментальні засоби оперативного управління технологічними процесами підприємств міського господарства.

Методи дослідження: дослідження, проведені в процесі виконання роботи, засновані на використанні теорії систем і управління, стохастичного програмування, методів багатокритеріальної оптимізації, теорії ймовірностей і математичної статистики. Під час розробки й дослідження математичних моделей стаціонарного режиму транспорту і розподілу природного газу в газорозподільних мережах міста автор використав методи теорії стаціонарних випадкових процесів, теорії графів, гідравлічних ланцюгів, лінійної алгебри, математичного програмування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що проведений у роботі комплекс досліджень дозволив вирішити важливу наукову і практичну задачу - створення методологічних основ та інструментальних засобів розробки і використання геоінформаційних аналітичних систем для підвищення якості та ефективності управління підприємствами міського господарства.

У процесі вирішення поставлених завдань автором особисто отримано такі наукові результати:

1. Вперше розроблено метод оптимізації планових режимів транспорту і розподілу природного газу в міських системах газопостачання, який включає: математичну постановку задачі у вигляді багатокритеріальної задачі нелінійного стохастичного програмування; детермінований еквівалент цієї задачі у вигляді задачі нелінійного математичного програмування з цільовою функцією, що не диференціюється, алгоритмічним завданням часткових критеріїв та нелінійних обмежень у вигляді рівнянь, для розв'язання якої розроблено ефективний алгоритм. Використання запропонованого методу дозволило одержати оптимальні за рядом критеріїв рішення, стійкі до прогнозованого рівня стохастичних збурень.

2. Вперше розроблено метод оптимізації планових режимів роботи системи електрохімзахисту підземних трубопроводів газорозподільчих мереж, який включає: математичну постановку задачі у вигляді задачі нелінійного стохастичного програмування -типу з порядковими ймовірнісними обмеженнями; детермінований еквівалент цієї задачі та ефективний алгоритм її розв'язання. Використання цього методу забезпечило отримання оптимальних планів роботи системи електрохімзахисту, стійких до прогнозованого рівня стохастичних збурень, пов'язаних із зміною опору ґрунту та ізоляційного покриття підземних трубопроводів.

3. Удосконалено математичні моделі: інформаційних ресурсів міста; режимів транспорту і розподілу природного газу в системах газопостачання; розподілу потенціалу «труба-земля» в підземних трубопроводах газорозподільчих мереж, які відрізняються від існуючих урахуванням стохастичного характеру основних внутрішніх та зовнішніх збурень, що дозволило підвищити їх адекватність реальним процесам.

4. Отримав подальший розвиток метод створення геоінформаційних аналітичних систем управління міським господарством, який відрізняється від існуючих: декомпозицією інформаційних ресурсів міста на базові і тематичні; організацією єдиного загальноміського сховища базових інформаційних ресурсів у вигляді багатокористувацької, розподіленої геоінформаційної бази даних з клієнт-серверною обробкою інформації, що дозволило врахувати специфіку міського господарства, підвищити достовірність інформації та оптимізувати процес підтримки в актуальному стані інформаційних ресурсів міста.

Практичне значення отриманих результатів. Практична реалізація розроблених у дисертаційній роботі методологічних основ та інформаційних технологій дозволила створити новий клас інформаційних систем - ГІАСУ та істотно підвищити якість і ефективність оперативного управління міським господарством.

Результати дисертаційної роботи у вигляді інформаційної технології впроваджено під час розробки першої черги ГІАСУ міським господарством у містах Харкові та Енергодарі.

Розроблені математичні моделі та методи оптимізації режимів транспорту і розподілу природного газу в міських системах газопостачання і оптимізації режимів роботи систем ЕХЗ підземних трубопроводів впроваджені в практику роботи диспетчерських служб ВАТ «Харківміськгаз», що забезпечило реальне підвищення надійності та екологічної безпеки цих систем.

Крім цього, наукові положення, висновки і рекомендації, викладені в дисертації, використано під час підготовки і читання курсу «Геоінформаційні системи» на кафедрі інженерної та комп'ютерної графіки Харківського національного університету радіоелектроніки.

Особистий внесок здобувача. Всі результати дисертації отримано автором самостійно. В наукових працях, опублікованих у співавторстві, з питань, що стосуються даного дослідження, автору належать:

У роботі [1] - розроблено структуру інформаційного проекту «Харків-350»; [2] - отримано детермінований еквівалент стохастичної задачі оперативного планування режиму роботи системи електрохімічного захисту підземних трубопроводів і запропоновано ефективний алгоритм її розв'язання; [3] - розроблено структуру даних і алгоритм автоматизації процесу експлуатації засобів електрохімічного захисту газопроводів; [4] - запропоновано стохастичну постановку задачі оптимізації планових режимів роботи системи електрохімічного захисту трубопроводів; [5] - удосконалено систему інтегральних показників якості та ефективності функціонування систем електрохімічного захисту підземних трубопроводів; [6] - розроблено методологічні основи створення ГІАСУ міським господарством; [7] - запропоновано метод ідентифікації параметрів моделі розподілу потенціалу труба-земля за експериментальними даними в системах ЕХЗ підземних трубопроводів; [8] - розроблено стохастичну постановку задачі оперативного управління режимами роботи системи ЕХЗ трубопроводів; [9] - запропоновано основні положення концепції Програми інформатизації м. Харкова; [10] - розроблено структуру даних та архітектуру адресної системи; [11] - запропоновано нову схему функціональної структури ГІАСУ міським господарством.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: 10-й Міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації” (Харків-Туапсе, 2004), 2-му Міжнародному радіоелектронному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” (Харків, 2005),1-й та 2-й Міжнародній науковій конференції «Сучасні інформаційні системи. Проблеми і тенденції розвитку» (Харків-Туапсе, 2006, 2007).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладено в 12 друкованих працях, у тому числі: у 7 статтях в наукових журналах за профілем і спеціальністю відповідно до списку ВАК України та у 5 тезах доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота має у своєму складі: вступ, чотири розділи, висновки, список літературних джерел зі 178 найменувань, 6 додатків, 25 рисунків і 2 таблиці. Загальний обсяг роботи складає 232 сторінки, у тому числі 150 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито актуальність дисертаційної роботи, сформульовано основну мету і задачі дослідження, наведено відомості про зв'язки обраного напрямку досліджень із планами організації, де виконана робота. Дано стислу анотацію отриманих у дисертації результатів, зазначено їх практичну цінність, обґрунтованість і достовірність. Наведено дані про використання результатів проведених досліджень у навчальному процесі та народному господарстві.

У першому розділі наведено результати системного аналізу проблеми підвищення якості і ефективності управління ресурсами міського господарства. Дано визначення та призначення міста як соціально-виробничої системи, яка функціонує у певних межах та має відповідну функціонально-планувальну та адміністративну структуру.

Проведено аналіз існуючої системи управління містом. Показано, що вона має ієрархічну структуру. Наведено результати аналізу організаційних, економічних, технологічних та інформаційних проблем, які притаманні існуючій системі управління великим містом.

Проведено аналіз міста, як об'єкта управління, що функціонує в сучасних ринкових умовах. Визначено основну мету функціонування міста, що виражається в найбільш повному задоволенні матеріальних, культурних і духовних потреб людей, що його населяють. Для досягнення цієї мети ОМС міста необхідно забезпечити оптимальні умови для виробництва необхідної кількості та асортименту якісних ресурсів споживання (товарів і послуг, що забезпечують працю, побут і відпочинок населення).

Визначено доцільність структуризації міста як соціально-виробничої системи у вигляді взаємодії чотирьох великих підсистем: виробничого комплексу, продукція якого виготовляється на потребу зовнішнього, по відношенню до міста, середовища (містоутворююча база); обслуговуючого комплексу (підприємств міського господарства); населення; природних ресурсів міста та екології. Показано, що досягнення органами місцевого самоврядування основної мети функціонування міста можливо за допомогою організації ефективного управління підприємствами міського господарства, що виробляють основні ресурси споживання для населення міста. Запропоновано модель формування ресурсів споживання.

Проведено аналіз міського господарства, як об'єкта управління, наведено структуру системи управління підприємством міського господарства, що, як об'єкт управління, функціонує в навколишньому середовищі.

Запропоновано алгоритм оперативного управління підприємством міського господарства. Сформульовано цілі та основні задачі дослідження.

Другий розділ присвячено розробці загальних методологічних засад і основних технічних рішень щодо створення нового класу інформаційних систем - геоінформаційної аналітичної системи управління міським господарством.

Запропоновано метод створення ГІАСУ містом, який включає розробку принципів побудови та складу єдиного інформаційного простору міста; дослідження і розробку моделей території міста для цілей управління міськими ресурсами; дослідження і розробку принципів оптимальної організації інформаційних ресурсів міста в складі ГІАСУ міським господарством; розробку організаційно-технічної структури та концепції функціональної архітектури ГІАСУ міським господарством з єдиним загальноміським сховищем даних; дослідження і розробку схеми функціональної структури ГІАСУ міським господарством та орієнтовного переліку функціональних задач ОМС, що підлягають автоматизації; розробку принципів і інформаційної технології створення ГІАСУ міським господарством. Метод базується на наступних принципах: комплексність підходу до створення ГІАСУ, що вимагає врахування різноманітних факторів середовища, в якому створюється система; інтеграція підсистем, які розробляються, в єдину міську геоінформаційну систему на базі єдиної програмно-технічної політики і єдиного сховища базових інформаційних ресурсів міста; багаторівневе проектування інформаційних підсистем і поетапне їхнє створення в рамках єдиного проекту.

На основі аналізу існуючої структури ОМС запропоновано трирівневу ієрархічну структуру системи управління містом та систему моделей, які описують міське господарство: структурно-функціональна модель території і обліково-правова модель управління територіальними ресурсами.

Визначено основні принципи створення єдиного інформаційного простору міста та організації інформаційних ресурсів для цілей створення ГІАСУ міським господарством. Запропоновано для підвищення достовірності інформації та забезпечення постійної підтримки інформаційних ресурсів міста в актуальному стані провести їх декомпозицію на базові і тематичні. У зв'язку з цим ГІАСУ міським господарством створюється як єдина інформаційна система з універсальним загальноміським сховищем базових інформаційних ресурсів, яке включає міські інформаційні ресурси загального використання. Відомчі підсистеми ГІАСУ містом використовують при цьому для вирішення функціональних задач, крім базових, свої - тематичні інформаційні ресурси. Розроблено організаційно-технічну структуру ГІАСУ містом, що забезпечує її поетапну розробку, експлуатацію, достовірність та постійну підтримку в актуальному стані її інформаційних ресурсів.

З урахуванням розроблених методологічних засад запропоновано концептуальну архітектуру ГІАСУ містом та схему її функціональної структури, яка вміщує підсистеми експлуатаційно-облікового, оперативно-управлінського та координаційно-стратегічного рівнів.

На базі запропонованих методологічних основ створено інформаційну технологію проектування, поетапної розробки і впровадження ГІАСУ міським господарством, яка заснована на таких принципах: розробка й впровадження ГІАСУ має розглядатися як комплекс робіт, які виконуються під єдиним науково-адміністративним керівництвом системно-аналітичного центру і Координаційної ради ГІАСУ містом; розробка ведеться відповідно до затвердженого плану створення ГІАСУ міським господарством і типового переліку робіт зі створення її підсистем; система створюється в кілька етапів. Типовий перелік робіт зі створення її підсистеми складаються з логічно взаємопов'язаних етапів, що включають розробку: нормативно-правового забезпечення; проектних рішень, що опираються на відповідні методи та CASE-засоби; інформаційних (у т.ч. картографічних) ресурсів, а також своєчасну реалізацію заходів щодо організаційного забезпечення ГІАСУ містом.

Наведено результати розробки основних технічних рішень щодо забезпечень ГІАСУ міським господарством: технічного, математичного, інформаційного, програмного, організаційного та нормативно-правового.

У третьому розділі наведено результати застосування системного підходу до вирішення проблеми оптимізації режимів роботи однієї з найважливіших підсистем життєзабезпечення міста - системи газопостачання міста. Технічною основою системи газопостачання міста (СГМ) є міські багаторівневі газорозподільчі мережі (МБГРМ). З формальної точки зору МБГРМ відносяться до класу інженерних мереж, до яких також відносяться такі найважливіші підсистеми життєзабезпечення міста як системи холодного й гарячого водопостачання, теплопостачання, водовідведення та електропостачання.

Як об'єкт управління СГМ відносяться до класу багатовимірних, нелінійних, стохастичних систем з розподіленими параметрами, специфічною особливістю яких є їх мережна багаторівнева структура, високий рівень невизначеності структури, параметрів і стану об'єкта управління та навколишнього середовища, наявність у векторі управління як безперервних, так і дискретних компонентів.

СГМ є технічною системою, що складається з величезної кількості просторово-розподіленого технологічного устаткування, пов'язаного між собою дільницями трубопроводів, що забезпечують безперервність технологічних процесів транспорту і розподілу природного газу.

Як і будь-які технічні системи, СГМ піддаються природним процесам старіння і зношування технологічного обладнання. Ступінь старіння і зношування технологічного обладнання і, як наслідок, показники його надійності залежать від умов експлуатації і визначаються трьома взаємозалежними факторами: технічним станом; режимами роботи; рівнем технічного обслуговування.

Фактичний прояв цих проблем у СГМ наглядно ілюструється зростаючою з року в рік кількістю аварій та збільшенням навантаження на ремонтно-експлуатаційні служби.

Зростання навантаження на одного слюсаря ремонтно-експлуатаційної служби призводить до зниження оперативності і якості виконуваних ним ремонтно-відбудовчих робіт. При аваріях у газорозподільчих мережах не тільки витрачається велика кількість природного газу, але й погіршується екологічна обстановка та різко зростає ймовірність виникнення техногенних катастроф (вибухів, пожеж), що являють собою безпосередню загрозу життю населення міст.

Системний підхід до вирішення проблеми оптимізації режимів роботи СГМ вимагає не тільки необхідності оптимізації режимів за векторним критерієм, але й оптимізації режимів роботи системи електрохімічного захисту (ЕХЗ) підземних трубопроводів, які є основою багаторівневих міських газорозподільчих мереж.

На вербальному рівні задача оптимізації планових режимів транспорту і розподілу природного газу в МБГРМ полягає в такому розподілі навантаження (витрат) між регуляторами тиску (ГРС, ГРП), що працюють на газорозподільчу мережу даного рівня, який забезпечить виконання таких умов:

­ мінімізувати математичне очікування суми надлишкових тисків у вузлах мережі, яке забезпечить мінімізацію обсягів витоків природного газу з мережі, зниження ризиків виникнення техногенних катастроф, пов'язаних з вибухами та пожежами, що являють безпосередню загрозу життю населення міста;

­ максимізувати ймовірність того, що витрати газу, який надходить у газорозподільчу мережу через регулятор тиску, перебуватимуть в межах області спрацьовування запобіжних запірних клапанів, що, в свою чергу, забезпечує мінімізацію ймовірності автоматичного відключення споживачів від газорозподільчої мережі і, отже - мінімізацію витрат на наступне відновлення газопостачання споживачів, які перебувають у зоні навантаження відповідного регулятора тиску;

­ мінімізувати ймовірність автоматичного обмеження максимального (у межах плану) обсягу споживання природного газу споживачами в зоні навантаження кожного регулятора тиску.

Формальна постановка задачі оптимізації планових режимів транспорту і розподілу природного газу в МБГРМ має такий вигляд:

(1)

, (2)

, (3)

, (4)

,(5)

, (6)

, (7)

, (8)

, (9)

. (10)

система управління газопостачання міський

при двосторонніх обмеженнях: на витрати газу на всіх регулюючих елементах

(11)

і на тиски на виходах газорозподільчої мережі

, (12)

де система рівнянь (5)ч(10) визначає стохастичну модель режимів транспорту і розподілу природного газу в системах газопостачання; - математичне очікування надлишкового тиску в -му вузлі газорозподільчої мережі -го рівня на інтервалі часу ; - вірогідність того, що витрати газу, який поступає до мережі -го рівня через -й регулятор тиску, знаходитиметься в допустимій області на інтервалі часу ; - вірогідність виникнення дефіциту поставок природного газу в -му вузлі газорозподільчої мережі -го рівня на інтервалі часу ; - витрата газу в -й гілці (хорді) дерева графа газорозподільчої мережі; - тиск газу в кінці гілки дерева, що є входом в газорозподільчу мережу; - тиск газу в кінці (початку) хорди дерева, що є входом (виходом) газорозподільчої мережі; - гідравлічний опір -ї дільниці трубопроводу газорозподільчої мережі; - елемент цикломатичної матриці графа мережі ; - множини індексів (для гілок - 1, для хорд - 2) дуг, що відповідають реальним дільницям та фіктивним дугам, які з'єднують нульову вершину з входами та виходами мережі -го рівня; - символ математичного очікування; - граничні значення відповідних критеріїв.

Задача (1)ч(12) відноситься до класу багатокритеріальних задач нелінійного стохастичного програмування (НСП) з такою, що не диференціюється, неявно заданою цільовою функцією, розв'язок якої знаходиться у вигляді вирішального правила нульового порядку - детермінованого вектора

,

компонентами якого є математичні очікування та дисперсії тисків і витрат на всіх входах кожного з рівнів МБГРМ.

У роботі отримано детермінований еквівалент задачі НСП (1)ч(12) у вигляді задачі математичного програмування загального виду з алгоритмічно заданою, такою, що не диференціюється, цільовою функцією, алгоритмічно заданими, такими, що не диференціюються, критеріальними обмеженнями, нелінійними обмеженнями у вигляді рівностей і двосторонньою обмеженістю змінних.

Специфічною особливістю задачі (1)ч(12) є її величезна розмірність, особливо для газорозподільчих мереж низького та середнього тиску (для ). Ця обставина виключає можливість її безпосереднього вирішення. Застосування системного підходу до розв'язання таких масштабних задач призводить до необхідності декомпозиції вихідної задачі (1)ч(12) на (де - кількість рівнів газорозподільчої мережі) однотипних задач оптимізації, які вирішуються послідовно, починаючи з нижнього рівня. Координація оптимальних рішень між -м та -м рівнями здійснюється шляхом урахування умов узгодження параметрів газових потоків, обумовлених математичними моделями регуляторів тиску (ГРП, ПРП) і додатковими умовами, що характеризують якість функціонування газорозподільчої мережі в зоні навантаження відповідного регулятора тиску (ГРП, ПРП).

Крім того, у розділі наведено математичні моделі та методи оптимізації режимів роботи системи електрохімічного захисту підземних трубопроводів МБГРМ.

Підземні трубопроводи МБГРМ - це складні інженерні споруди, що транспортують природний газ. Однією з основних причин відмов і аварій на трубопроводах є ґрунтова корозія. За даними ДК “Укртрансгаз” майже 50% транзитних, 70% розподільчих газопроводів України мають ушкоджену антикорозійну ізоляцію і вимагають реконструкції.

Відповідно до Національного стандарту України «Трубопроводи сталеві магістральні. Загальні вимоги до захисту від корозії», всі підземні трубопроводи, незалежно від умов експлуатації підлягають електрохімічному захисту (ЕХЗ). ЕХЗ повинен забезпечувати протягом всього терміну експлуатації безперервну катодну поляризацію трубопроводу по всій його довжині і на всій його поверхні таким чином, щоб значення потенціалів на трубопроводі були не менші мінімального і не більші максимального.

Система ЕХЗ є складним стохастичним об'єктом управління, функціонування якого здійснюється в стохастичному середовищі під впливом багатьох випадкових факторів. Основними величинами, що впливають на розподіл захисного потенціалу труба-земля, є: перехідний опір ізоляції та питомий опір ґрунту по всій довжині трубопроводу. Внаслідок випадкового впливу температури навколишнього середовища, зміни вологості, різних хімічних і фізичних процесів, що протікають у ґрунті вздовж траси трубопроводу на питомий опір ґрунту, його значення також є випадковою величиною. Іншим фактором, що впливає на значення захисного потенціалу, є зміна перехідного опору, пов'язаного зі старінням ізоляційного покриття або іншими факторами. Спільний вплив випадкових факторів на зміну перехідного опору ізоляції може призвести до виходу значення захисного потенціалу за межі допустимої області, що призводить до зростання ризиків виникнення аварійних ситуацій на ділянках трубопроводів.

У дисертаційній роботі наведено стохастичну модель розподілу захисного потенціалу труба-земля для системи катодного захисту трубопроводу, що включає станцій катодного захисту (СКЗ), які підключені катодними клемами до трубопроводу в точках , а анодними клемами - до анодних заземлювачів, що встановлені в точках з координатами , і мають довжину . Різниця потенціалів у точці визначається стохастичною моделлю розподілу потенціалу «труба-земля» в підземних трубопроводах газорозподільчих мереж:

. (13)

Різниця потенціалів у точці є керованою випадковою величиною, закон розподілу та параметри якої змінюються в часі. У цьому випадку постановка і метод вирішення задачі оперативного планування режимів роботи системи ЕХЗ мають бути уточнені. Управління розподілом захисного потенціалу труба-земля здійснюється регулюванням величини струму захисту на виході перетворювача СКЗ.

Ефективно захисна різниця потенціалів може виконувати своє призначення тільки в тому випадку, якщо вона не менше певної, мінімальної захисної різниці потенціалів. Зсув захисної різниці потенціалів в область більш негативних значень не робить істотного впливу на корозію металу. Однак, при надмірному збільшенні потенціалу, у порівнянні з мінімальним між ізоляцією і поверхнею металу накопичується водень, що виділяється в результаті катодного процесу. Це може призвести до відшарування ізоляції та погіршення ізоляційних властивостей покриття. Таким чином, проблема оптимізації режиму роботи системи ЕХЗ полягає в тому, щоб установити такі режими роботи СКЗ на заданій ділянці трубопроводу, при яких загальні витрати електроенергії були б мінімальні і, при цьому, забезпечувалася захисна різниця потенціалів.

У роботі наведено математичну постановку задачі оптимізації планових режимів роботи СКЗ у вигляді задачі нелінійного стохастичного програмування -типу з ймовірнісними обмеженнями, яка має такий вигляд:

(14)

Область допустимих рішень визначається системою нерівностей:

,

(15)

, (16)

, (17)

де - кількість станцій катодного захисту;

- витрати з експлуатації i-ї СКЗ [Вт]; - вектор значень сили струму захисту СКЗ,

[А];

- випадковий вектор значень опору ізоляції [Омм2]; - поздовжній опір трубопроводу [Ом/м]; - випадковий вектор питомого опору ґрунту [Ом• м]; - функція розподілу потенціалу труба-земля по всій довжині заданої дільниці трубопроводу [В]; - мінімальний захисний потенціал [В]; - максимальний захисний потенціал [В]; х - відстань від початку дільниці трубопроводу [м]; t - параметр часу [с]; - параметри системи, до яких відносяться: - довжина дільниці трубопроводу [м]; - діаметр труби [м]; - поздовжня координата розташування анодного поля [м]; - відстань від анодного поля до трубопроводу [м]; - довжина анодного поля [м]; - стаціонарний потенціал трубопроводу [В]; - максимальне значення сили струму СКЗ [А].

Область визначається обмеженнями на ймовірність виходу значення потенціалу труба-земля за межі: верхньої межі B з ймовірністю не вище ; нижньої межі B з ймовірністю не вище, ніж .

У дисертаційній роботі для вирішення задачі оптимізації планових режимів роботи системи ЕХЗ використано загальний метод розв'язання задач стохастичного програмування, який передбачає побудову детермінованого еквівалента стохастичної задачі у вигляді загальної задачі математичного програмування.

У розділі наведено детермінований еквівалент задачі НСП, який є задачею нелінійного математичного програмування з обмеженнями у вигляді нерівностей і двосторонньою обмеженістю змінних.

Четвертий розділ присвячено оцінці ефективності розроблених моделей і методів оптимізації режимів роботи системи газопостачання міста. У розділі наведено алгоритми розв'язання задач оптимізації режимів транспорту і розподілу природного газу в багаторівневій газорозподільчій мережі та режимів роботи системи ЕХЗ підземних трубопроводів. Наведено особливості програмної реалізації розроблених алгоритмів і результати оцінки їхньої ефективності.

Розроблено ефективний метод розв'язання детермінованого еквівалента задачі НСП (1)ч(12) на основі трьох модифікованих алгоритмів:

­ такого, що деформується, багатогранника Нелдера-Міда, узагальненого на випадок розв'язання задач умовної оптимізації;

­ гідравлічного розрахунку, узагальненого на випадок розрахунку багаторівневих газорозподільчих мереж і алгоритмічно заданою нижньою межею мінімально допустимого тиску на кожному з її виходів;

­ розрахунку статистичних властивостей залежних змінних математичної моделі стаціонарного режиму транспорту і розподілу природного газу в МБГРМ залежно від статистичних властивостей незалежних змінних на основі модифікованого методу статистичної лінеаризації системи нелінійних, неявно заданих функцій.

Крім того, у розділі наведено результати оцінки ефективності розроблених моделей і алгоритмів оптимізації режимів транспорту і розподілу природного газу в МБГРМ.

Наведено алгоритм розв'язання детермінованого еквівалента задачі оптимізації режимів роботи системи ЕХЗ підземних трубопроводів МБГРМ та оцінка його ефективності.

ВИСНОВКИ

Дисертаційну роботу присвячено вирішенню однієї з актуальних для міст України проблем - підвищенню якості та ефективності функціонування підприємств міського господарства за рахунок розробки і впровадження геоінформаційної аналітичної системи оперативного управління міським господарством.

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення важливої наукової та практичної задачі - створення моделей, методів та інструментальних засобів розробки і впровадження геоінформаційних аналітичних систем управління міським господарством; математичних моделей і методів оптимізації режимів функціонування однієї з найважливіших та екологічно небезпечних підсистем міського господарства - системи газопостачання міста. Показано, що оптимальна процедура створення підсистем оперативного управління окремими підприємствами міського господарства реалізується відповідно до основних принципів запропонованого методу, які передбачають інтеграцію підсистем у рамках єдиного проекту загальноміської ГІАСУ на базі єдиної програмно-технічної політики та єдиного сховища базових інформаційних ресурсів міста.

Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1. У результаті системного аналізу проблеми підвищення ефективності управління підприємствами міського господарства сформульовано мету функціонування міста, запропоновано модель його декомпозиції як великої, складної системи, що дозволило: сформулювати основну задачу ОМС міста в процесі досягнення мети; зробити аналіз ефективності існуючої системи управління містом і виділити основні економічні, технічні, організаційні та інформаційні проблеми; відповідно до поставленої мети виділити з навколишнього середовища об'єкт управління - міське господарство, розробити алгоритм управління та структурну схему системи управління підприємством міського господарства.

2. Отримав подальший розвиток метод створення геоінформаційних аналітичних систем управління міським господарством, що включає: розробку принципів побудови та складу єдиного інформаційного простору міста; дослідження і розробку моделей території міста для цілей управління міськими ресурсами; дослідження і розробку принципів та методів оптимальної організації інформаційних ресурсів міста в складі ГІАСУ міським господарством; розробку організаційно-технічної структури та концепції функціональної архітектури ГІАСУ міським господарством з єдиним загальноміським сховищем даних; дослідження і розробку схеми функціональної структури ГІАСУ міським господарством та орієнтовного переліку функціональних задач ОМС, що підлягають автоматизації; розробку принципів й інформаційної технології створення ГІАСУ міським господарством, що включає в складі першої черги, розробку єдиного загальноміського сховища даних (ЄМСД) і земельно-майнового кадастру.

На базі запропонованого методу розроблено основні технічні рішення щодо створення ГІАСУ міським господарством: інформаційне, програмне, технічне, математичне (для ЄМСД), організаційне і нормативне забезпечення.

3. Розроблено стохастичну модель і метод оптимізації стаціонарного режиму транспорту і розподілу природного газу, що дало можливість сформулювати новий клас багатокритеріальних задач нелінійного стохастичного програмування оптимізації планових режимів транспорту і розподілу природного газу в одній з найважливіших підсистем міського господарства - міській системі газопостачання. Отримано детермінований еквівалент багатокритеріальної задачі нелінійного стохастичного програмування у вигляді задачі нелінійного математичного програмування з алгоритмічно заданою цільовою функцією, нелінійними функціональними обмеженнями у вигляді нерівностей, нелінійними обмеженнями у вигляді рівностей і двосторонньою обмеженістю змінних та розроблено ефективний алгоритм її розв'язання.

4. Розроблено стохастичну модель розподілу потенціалу «труба-земля» в системах ЕХЗ підземних трубопроводів, яка враховує стохастичний характер зміни опору ґрунту і опору ізоляційного покриття в залежності від хронологічних та метеорологічних факторів. Сформульовано математичну постановку задачі оптимізації режиму роботи системи електрохімічного захисту підземних трубопроводів міських систем газопостачання у вигляді задачі нелінійного стохастичного програмування -типу з порядко?вими ймовірнісними обмеженнями. Отримано детермінований еквівалент цієї задачі та ефективний алгоритм її розв'язання.

5. Практична реалізація розробленого у дисертаційній роботі методу та інформаційної технології дозволила створити новий клас інформаційних систем - ГІАСУ та істотно підвищити якість і ефективність оперативного управління міським господарством. Результати дисертаційної роботи у вигляді інформаційної технології впроваджено під час розробки першої черги ГІАСУ міським господарством у таких містах як Харків та Енергодар. Розроблені математичні моделі і методи оптимізації режимів транспорту і розподілу природного газу в міських системах газопостачання і оптимізації режимів роботи систем ЕХЗ підземних трубопроводів впроваджені в практику роботи диспетчерських служб ВАТ «Харківміськгаз», що забезпечило реальне підвищення надійності та екологічної безпеки цих систем.

Крім цього, наукові положення, висновки і рекомендації, викладені в дисертації, використані під час підготовки і читання курсу «Геоінформаційні системи» на кафедрі інженерної та комп'ютерної графіки Харківського національного університету радіоелектроніки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Попов О.В., Дуденко С., Ткаченко В.П., Губа М.І., Дудка О.О. Інформаційний проект “Харків-350”// Друкарство - 2004 - № 6 (59) - С. 24-25.

2. Попов А.В, Тевяшев А.Д., Ткаченко В.Ф., Стрижак Л.В. Стохастическая модель и метод решения задачи оперативного планирования режима работы системы электрохимической защиты подземных трубопроводов // Радиоэлектроника и информатика. - 2005. - №. 4. - С. 132-139.

3. Попов А.В., Ткаченко В.Ф., Тевяшев А.Д., Овраменко В.Д. Автоматизация процесса эксплуатации средств электрохимической защиты газопроводов // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2005. - № 1/2(13). - С. 29-32.

4. Попов А.В., Тевяшев А.Д., Ткаченко В.Ф., Стрижак Л.В. Стохастический подход к постановке и решению задачи оперативного планирования режима работы системы электрохимической защиты подземных трубопроводов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2005. - № 3/2(15). - С. 94-98

5. Попов А.В., Ткаченко В.Ф., Тевяшев А.Д. Система интегральных показателей качества и эффективности функционирования систем электрохимзащиты подземных трубопроводов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2006. - № 1/2(19). - С. 21-26.

6. Попов О.В., Губа М.І., Моїсеєнко О.О., Ткаченко В.П. Концепція створення міської геоінформаційної системи Харкова // Вісник геодезії та картографії. - 2006. - № 5(44). - С. 30-35.

7. Попов А.В., Тевяшев А.Д., Ткаченко В.Ф., Стрижак Л.В. Построение математической модели распределения потенциала труба-земля по экспериментальным данным в системах ЭХЗ подземных трубопроводов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2006. - № 2/3(20). - С. 53-56.

8. Попов А.В., Тевяшев А.Д., Ткаченко В.П. Стохастический подход к решению проблемы оперативного управления режимами работы системы электрохимической защиты трубопроводов // Тезисы докладов 10 юбилейной международной конференции «Теория и техника передачи, приема и обработки информации» - ХНУРЭ. - 2004. - С. 257.

9. Попов О.В., Тевяшев А.Д., Ткаченко В.П., Шумілкін В.А. Програма інформатизації м. Харкова // Тезисы докладов 10-й юбилейной международной конференции «Теория и техника передачи, приема и обработки информации» - ХНУРЭ. - 2004. - С. 258-259.

10. Попов О.В., Губа Н.И., Овраменко В.Д., Ткаченко В.Ф. Адресна система м. Харкова // Сборник научных трудов 2-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (МРФ 2005). - С. 393-396.

11. Попов А.В., Ткаченко В.Ф., Губа Н.И. Концептуальные основы создания муниципальной ГИС г. Харькова // Материалы первой международной научной конференции «Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития», Харьков-Туапсе. - 2006. - С. 192-193.

12. Попов А.В. Модели и методы в городских геоинформационных аналитических системах // Материалы второй международной научной конференции «Современные информационные системы. Проблемы и тенденции развития», Харьков-Туапсе. - 2007. - С. 281-282.

АНОТАЦІЯ

Попов О.В. Моделі, методи та інструментальні засоби оперативного управління міським господарством. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2008.

Дисертаційна робота присвячена розв'язанню актуальної задачі - розробці математичних моделей, методів та інструментальних засобів оперативного управління технологічними процесами підприємств міського господарства для підвищення якості та ефективності їх функціонування.

Запропоновано метод проектування, розробки і впровадження нового класу інформаційних систем - геоінформаційних аналітичних систем управління міським господарством. На основі запропонованого методу реалізовано основні технічні рішення щодо інформаційного, технічного, програмного, математичного, організаційного та нормативного забезпечення ГІАСУ підприємствами міського господарства.

Запропоновано стохастичний підхід до вирішення проблеми оптимізації планових режимів транспортування і розподілу природного газу в одній із основних, екологічно-небезпечних підсистем ГІАСУ - міській системі газопостачання, який включає: математичну постановку задачі у вигляді багатокритеріальної задачі нелінійного стохастичного програмування; детермінований еквівалент цієї задачі і ефективний алгоритм її розв'язання.

Розроблено метод оптимізації планових режимів роботи системи електрохімзахисту підземних трубопроводів газорозподільчих мереж, який включає: математичну постановку задачі у вигляді задачі нелінійного стохастичного програмування, детермінований еквівалент цієї задачі та ефективний алгоритм її розв'язання.

Ключові слова: інформаційні технології, міське господарство, розподільчі системи газопостачання, геоінформаційна база даних, методи, математичні моделі, геоінформаційна аналітична система управління, стохастичне програмування, оптимізація.

АННОТАЦИЯ

Попов А.В. Модели, методы и инструментальные средства оперативного управления городским хозяйством. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2008.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи - разработке математических моделей, методов и инструментальных средств оперативного управления предприятиями городского хозяйства для улучшения качества и эффективности их функционирования.

Предложен метод проектирования и разработки информационно-аналитических систем управления городским хозяйством с использованием инструментальных и аналитических возможностей геоинформационных технологий - геоинформационных аналитических систем управления (ГИАСУ) городом, включающий: разработку принципов построения и состава единого информационного пространства города; исследование и разработку моделей территории города для целей управления городскими ресурсами; исследование и разработку принципов оптимальной организации информационных ресурсов города в составе ГИАСУ городом; разработку принципов и технологических этапов построения ГИАСУ городом; обоснование выбора информационных технологий, инструментальных программных средств для реализации основных этапов проектирования и разработки ГИАСУ; разработку организационно-технической структуры и концепции функциональной архитектуры ГИАСУ городом с единым общегородским хранилищем данных; исследование и разработку, на примере большого города, схемы функциональной структуры ГИАСУ городом и ориентировочного перечня функциональных задач ОМС подлежащих автоматизации.

На базе предложенного метода разработаны основные технические решения по созданию ГИАСУ городом: информационное, программное, техническое, математическое, организационное и нормативное обеспечения.

Сформулирован новый класс многокритериальных задач нелинейного стохастического программирования оптимизации режимов транспорта и распределения природного газа в одной из основных подсистем ГИАСУ городским хозяйством - городской системе газоснабжения, отличающийся от известных как недифференцируемостью и алгоритмическим заданием частных критериев, так и видом системы ограничений, использование которой позволяет получать оптимальные по ряду критериев решения, устойчивые к прогнозируемому уровню стохастических возмущений.

Получен детерминированный эквивалент многокритериальной нелинейной задачи стохастического программирования в виде задачи нелинейного математического программирования с недифференцируемой, алгоритмически заданной целевой функцией, нелинейными функциональными ограничениями в виде неравенств, нелинейными ограничениями в виде равенств и двусторонней ограниченностью переменных, разработан эффективный алгоритм ее решения.

Сформулирована математическая постановка задачи оптимизации режима работы системы электрохимической защиты подземных трубопроводов в виде задачи нелинейного стохастического программирования -типа с построчными вероятностными ограничениями, использование которой позволяет наиболее адекватно учитывать влияние случайных величин на переходное сопротивление изоляции, удельное электрическое сопротивление грунта, которые непосредственно влияют на распределение защитного потенциала труба-земля. Получен детерминированный эквивалент задачи нелинейного стохастического программирования оптимизации режимов работы систем ЭХЗ подземных трубопроводов и эффективный алгоритм ее решения.

Ключевые слова: информационные технологии, городское хозяйство, распределительные системы газоснабжения, геоинформационная база данных, методы, математические модели, геоинформационная аналитическая система управления, стохастическое программирование, оптимизация.

ABSTRACT

Popov O.V. Models, methods and instruments of efficient city economy administration. - Manuscript.

Ph. D. thesis of engineering sciences, specialism 05.13.06 Information technologies. Kharkiv National University of Radio Electronics, Kharkiv, 2008.

The actual problem of working out mathematical models, methods and instruments of efficient technological process control of municipal enterprises for quality and efficiency increase of their operation is considered in the thesis.

Design, development and implementation methodology of new generation information system of municipal geoinformation and analytical administration has been studied and proposed.

On the basis of the proposed methodology the main engineering solution of information, technical, software, mathematical, organizational and normative support of municipal geoinformation and analytical administration has been realized.

The stochastic approach to problem solution of optimization of natural gas transportation and distribution in one of the main and ecologically dangerous subsystems of geoinformation and analytical control systems in the municipal gas supply system which includes mathematical problem definition in the form of multicriterial task of nonlinear stochastic programming, determined equivalent of this task and effective solution algorithm has been proposed.

Optimization methods of planned operating conditions of electro-chemical protection of underground pipelines of gas distribution networks which includes mathematical problem definition in the form of nonlinear stochastic programming, determined equivalent of this task and effective solution algorithm has been worked out.

Key words: information technologies, city economy, distribution gas supply systems, geoinformation databases mathematical models, geoinformation and analytical administration system, stochastic programming, optimization.

Відповідальний випусковий І.Д. Горбенко

Підп. до друку

Умов. друк. арк.1,2

Зам. № 2-297 Формат 60х84 1/16

Ціна договірна. Спосіб друку - ризографія

Тираж 100 прим.

ХНУРЕ, 61166, Харків, просп. Леніна, 14

Віддруковано в навчально-науковому

видавничо-поліграфічному центрі ХНУРЕ.

Україна, 61166, Харків, просп. Леніна, 14.

Размещено на Allbest.ru

...