Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Системный анализ, модели и методы управления процессами и объектами в сетях автозаправочных станций

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (в технической отрасли)

доктора технических наук

Безродный Алексей Анатольевич

Саратов 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Короленок Анатолий Михайлович

доктор технических наук, профессор Степанов Михаил Федорович

доктор технических наук, профессор Твердохлебов Владимир Александрович

Ведущая организация: Институт проблем управления сложными системами РАН (г. Самара)

Защита диссертации состоится 1 марта 2011 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д. 212. 242. 04 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая 77, ауд. 1/319.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая 77, диссертационный совет Д. 212. 242. 04 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет». С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте www.sstu.ru.

Автореферат диссертации размещен на сайте ВАК РФ 13 декабря 2010 г.

Автореферат разослан «___» января 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.В. Алешкин

Общая характеристика работы

сеть автозаправочный логический информационный

Актуальность темы. Сети автозаправочных станций (АЗС) как системы обеспечения нефтепродуктами служат для реализации моторных топлив конечным потребителям. Они входят в состав нефтяной промышленности и наряду с электро- и газоснабжением, транспортом и связью образуют стратегические национальные сетевые образования, необходимые для функционирования и развития государства и общества в целом. В этой связи вопросы повышения эффективности или совершенствования сетей автозаправочных станций являются актуальными.

К настоящему времени разработан целый ряд моделей и методов управления сложными системами, в том числе и в топливно-энергетическом комплексе. Широко известны работы таких ученых и специалистов как Н.П. Бусленко, С.Н. Васильев, Е.С. Вентцель, В.М. Глушков, А.П. Копелович, В.В. Кульба, О.И. Ларичев, А.Г. Мамиконов, Н.Н. Моисеев, И.В. Прангишвили, Д.А. Поспелов, В.А. Трапезников, А.Д. Цвиркун (системный анализ), В.Ю. Алекперов, Ф.А. Давлетьяров, Е.И. Зоря, Ф.М. Кантор, В.Г. Коваленко, А.Д. Прохоров, С.Р. Хабаров, Т.З. Хурамшин, Д.В. Цагарели и В.С. Шарифов (нефте-продуктообеспечение), В.А. Иващенко, В.А. Кушников, А.Ф. Резчиков, (АСУ энергохозяйством промышленных предприятий). За рубежом работы вели Р.Л. Акофф, М. Месарович, Хемди А.Таха, Я. Такахара, Р. Эшби (теория систем и управления), К. Ишикава, Дуглас Т. Росс, С. Хори (структурный анализ), Б. Польстер, Т. Рассел и М. Уитцел (нефтепродуктообеспечение).

В работах данных авторов, посвященных сетям автозаправочных станций, в качестве объекта исследования рассматривались, главным образом, системы обеспечения потребителей нефтепродуктами межрегионального или общегосударственного уровней или же устройства АСУ ТП. Появление новых видов автозаправочного оборудования и моторных топлив, неуклонный рост автотранспортных потоков, широкое применение автоматизированных систем управления и развитие региональных сетей АЗС вызывают необходимость проведения системного анализа и построения новых моделей и методов для повышения эффективности исследуемых систем. Кроме того, в современных условиях все более важным становится учет взаимодействия объектов, процессов, событий и явлений различной природы, что ранее требовалось в меньшей степени.

Таким образом, создание методологии рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей автозаправочных станций и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах, основанной на системном подходе, становится насущной необходимостью.

Диссертационная работа соответствует направлениям научных исследований, проводимых на кафедре «Системотехника» Саратовского государственного технического университета, а также в лаборатории «Системные проблемы автоматизации и управления в машиностроении» Института проблем точной механики и управления РАН в г. Саратове (№ рег. 01.99 0.0 05886).

Цель работы - разработка моделей и методов для повышения эффективности сетей автозаправочных станций.

Под эффективностью понимается наилучшее соотношение доходов и издержек, зависящее от адекватности моделей, достоверности результатов и оперативности принятия решений по построению структур и выбору управляющих воздействий, оптимальных или наилучших по заданным критериям.

Объект исследования - сети автозаправочных станций.

Предмет исследования - модели и методы анализа, построения структур и выбора управляющих воздействий, оптимальных или наилучших по заданным критериям, в сетях автозаправочных станций.

Проблема состоит в необходимости повышения технико-экономических показателей сетей АЗС и недостаточности известных моделей и методов для эффективного управления процессами и объектами в данных системах.

Направления исследования:

- анализ объекта исследования и работ по топливно-энергетическому комплексу, позволивший определить основные направления диссертации;

- построение новых и совершенствование ранее созданных моделей и методов, обеспечивающих повышение эффективности автозаправочных, автогазозаправочных (АГЗС) и многотопливных автозаправочных (МТАЗС) станций (далее АЗС), комплексов АЗС и систем предприятий нефтепродуктообеспечения (НПО);

- разработка методологии рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей автозаправочных станций и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах, направленной на повышение технико-экономических показателей функционирования предприятий НПО.

Для реализации поставленной цели решены следующие задачи:

- создание новых и совершенствование ранее созданных постановок задач, показателей, моделей и методов, позволяющих синтезировать структуры и выбирать управляющие воздействия, приводящие к повышению эффективности сетей АЗС;

- построение алгоритмов и информационно-логических схем, обеспечивающих принятие решений в системах управления сетями автозаправочных станций по неполной информации;

- разработка методологии рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей автозаправочных станций и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах, обеспечивающей рост технико-экономических показателей функционирования предприятий нефтепродуктообеспечения;

- выработка рекомендаций по практическому использованию результатов.

Методы исследования. Исследования выполнены с использованием теории систем, теории управления, исследования операций, функционального анализа, теории графов, теории множеств, математической логики, теории вероятности и имитационного моделирования.

Научная новизна:

- новая методология рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей автозаправочных станций и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах, отличающаяся использованием системного причинно-следственного подхода и обеспечивающая рост технико-экономических показателей функционирования предприятий нефтепродуктообеспечения;

- предложенные постановки и методы решения задач уменьшения потерь от простоев автотранспортных средств и автозаправочного оборудования на автозаправочных станциях, рационального размещения сетей АЗС в местах максимальной интенсивности транспортных потоков с учетом параметров АЗС и характеристик улично-дорожных сетей и повышения эффективности систем предприятий нефтепродуктообеспечения;

- взаимоувязанные показатели, модели и структуры, отличающиеся совместным анализом и синтезом управляющих и управляемых систем различных уровней и обеспечивающие адекватность моделирования, достоверность результатов и оперативность принятия решений в системах управления сетями автозаправочных станций;

- новые алгоритмы и информационно-логические схемы, позволяющие принимать решения по построению структур и выбору управляющих воздействий, оптимальных или наилучших по заданным критериям при неполных и разнородных данных об исследуемых системах, внешней среде и их взаимодействии.

Достоверность теоретических разработок и научных положений и обоснованность выводов подтверждаются:

- корректностью применения методов исследования при изучении процессов и объектов сетей автозаправочных станций;

- анализом, имитацией и синтезом структур исследуемых систем путем моделирования на ЭВМ;

- близостью результатов ранее созданных и предложенных моделей и их апробацией на производственных объектах;

- использованием результатов в системах управления предприятий НПО.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Взаимоувязанные показатели, модели и структуры сетей автозаправочных станций, отличающиеся совместным анализом и синтезом управляющих и управляемых систем, что позволяет повышать эффективность объекта исследования.

2. Постановки и методы решения задач рационального построения структур и эффективного автоматизированного управления в сетях автозаправочных станций, имеющих важное практическое значение.

3. Алгоритмы и информационно-логические схемы, обеспечивающие принятие решений по построению структур и выбору управляющих воздействий, оптимальных или наилучших по заданным критериям, по неполным и разнородным данным об исследуемой системе, внешней среде и их взаимодействии.

4. Методология рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей автозаправочных станций и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах, повышающая технико-экономические показатели функционирования предприятий нефтепродуктообеспечения и, в конечном итоге, приводящая к экономии топлива на транспорте.

Практическая значимость заключается в повышении эффективности сетей автозаправочных станций путем создания моделей и методов, направленных на уменьшение очередей автотранспортных средств (АТС), снижение простоев топливораздаточных (ТРК) и газовых топливораздаточных (ГТРК) колонок, рациональное размещение АЗС с учетом характеристик улично-дорожных сетей (УДС) и параметров объектов, а также построение структур и выбор управляющих воздействий на предприятиях НПО, оптимальных или наилучших по заданным критериям. Результаты применяются в сетях АЗС в Центральном, Приволжском и Южном федеральных округах Российской Федерации.

Внедрение. Основные результаты диссертации используются в Саратовском Филиале ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефтепродукт» (с нефтебазами в Саратовской, Пензенской, Воронежской и Белгородской областях), Саратовском и Волгоградском филиалах ОАО «ЛУКОЙЛ-Интер-Кард» (с агентствами, офисами и пунктами обслуживания в Саратовской, Воронежской, Пензенской и Тамбовской областях), Волгоградском филиале ЗАО «ЛУКОЙЛ-Информ» (с отделами в Саратове и Пензе), ООО «Техно-Информ-Системы» (с участками в Саратовской, Пензенской, Воронежской и Белгородской областях), ООО «Правобережное предприятие сервисного обслуживания» (с агентством в г. Саратове, представительствами в Пензенской и Воронежской и участком в Белгородской областях), ООО «Автотанк-Сервис-Волгоградский» (с подразделениями в Саратовской, Пензенской и Воронежской областях).

Результаты исследований применяются в учебном процессе на кафедрах «Системотехника» Саратовского государственного технического университета, в учебном центре ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефтепро-дукт» (г. Волгоград), учебном классе Саратовского филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефтепродукт» (г. Саратов), а также в работах по теме «Исследование и разработка человеко-машинных методов анализа и синтеза систем управления сложными объектами» по плану НИР Института проблем точной механики и управления РАН в г. Саратове (№ гос. регистрации 0120 0 8030015).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета (Саратов, 1998-2010), на научно-практических семинарах лаборатории «Системные проблемы автоматизации и управления в машиностроении» и ученом совете Института проблем точной механики и управления РАН (Саратов, 1998 - 2010), заседании научно-технического совета Института проблем управления сложными системами РАН (Самара, 2010), в университете Саскатчевана (Оттава, Канада, 2002) и технологических институтах Южной и Северной Альберты (Калгари и Эдмонтон, Канада, 2002), на итоговом совещании по результатам производственной практики на MacEwen Petroleum, Inc. (Оттава, Канада, 2002), на VI Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2003), IV российско-украинском научно-техническом симпозиуме «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, 2006), III (Когалым, 2003), V (Москва, 2005) и VI (Нижний Новгород, 2006) научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ОАО ЛУКОЙЛ, на II и III (Волгоград, 2005 и 2006), IV (Саратов, 2007) и V-м (Волгоград, 2009) конкурсах молодых ученых и специалистов ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефтепродукт», в Oy AutoTank Ab (Финляндия, 2006), XVIII-й Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2006 г.), VI Всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии» (Нижний Новгород, 2006), X международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2006), I Международной научно-практической конференции «Передовые научно-технические разработки - 2006» (Днепропетровск, 2006 г.), I международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2006), Международных конференциях «Проблемы и перспективы развития прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 2006 и 2007), III Международной научно-практической конференции «Умения и нововведения» (София, Болгария, 2007), I Международном Форуме «Нефтебаза-2008» (Москва, 2008), III Международной научно-практической конференции «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами» (Пенза, 2009), VII Международной конференции «Современная АЗС: Рынок нефтепродуктов России, тенденции, оборудование и эксплуатация АЗС» (г. Москва, 2010), 7-й научно-технической конференции «Мехатроника. Автоматизация. Управление» (Санкт-Петербург, 2010).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы самостоятельно и в соавторстве в 56 работах, в том числе в двух монографиях, одном учебном пособии и восьми статьях в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав с выводами, заключения, списка литературы из 174 наименований и приложений. Объем работы составляет 333 страницы, в том числе 318 страниц основного текста, 104 рисунков и 137 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, охарактеризованы его объект, предмет и методы, сформулирована научная новизна и положения, выносимые на защиту, приведены сведения о практической значимости и апробации работы.

Первая глава посвящена анализу объекта и работ по повышению эффективности сетей АЗС и постановке задач исследования.

Проблематика сетей автозаправочных станций состоит в сложности целей, воздействий и ограничений среды и системы и взаимодействий между ними (рис.1), многообразии и разнородности объектов, процессов, событий и явлений различной природы, высокой плотности информационных (И), материальных (М), финансовых (Ф) и энергетических (Э) потоков и необходимости повышения эффективности управления.

Рис. 1. Взаимодействие внешней среды с сетью автозаправочных станций

Объект исследования представляет собой сложную, территориально-распределенную, иерархическую систему (рис. 2).



Рис. 2. Обобщенная схема типичной сети автозаправочных станций

Анализ объекта исследования и ранее выполненных работ показывает, что сети автозаправочных станций являются сложными человеко-машинными системами высокой размерности, задачи построения структур и выбора управляющих воздействий которых, оптимальных или наилучших по заданным критериям, являются задачами многокритериальной оптимизации. Целесообразно выделение трех уровней иерархии: АЗС - объекты обслуживания потребителей, комплексы АЗС - взаимосвязанные объекты обеспечения функционирования АЗС или сети АЗС в узком смысле, предприятия НПО - системы поддержания долговременного взаимодействия АЗС и их сетей с внешней средой.

Общая задача состоит в построении на временном интервале ДtО[_,T] вариантов структур и выборе управляющих воздействий , оптимальных по критерию

(1)

при общесистемных , частных , топологических , структурных и связанных с характеристиками средств управленияограничениях.

В (1) K - показатель эффективности; {K_АЗС}, {K_АГЗС}, {K_МТАЗС}, {К_Сеть}_, {K_НПО} - векторные компоненты К, K=({K_АЗС}, {K_АГЗС}, {K_МТАЗС}, {К_Сеть}_, {K_НПО}); K^uv,K^xy,K^pq - векторные компоненты K для каждого объекта r (r=1..n_hi) hi-го уровня (hi=1..3, 1- АЗС; 2 - комплекс АЗС; 3 - предприятие НПО); С и A - множества функций и алгоритмов управления; X - множества средств управления вида, {X_pq} - элементы множества вида p (p=1..P) и уровня q (q=1..Q); U - отношения между средствами управления, {U_pq} -элементы множества; S - множество видов структур, S^xy - множество видов территориально распределенных структур; R - множество вариантов структур и управляющих воздействий; G, G_uv, G_xy, G_pq - множества целей, воздействий и ограничений среды и системы, u - тип системы среды (u=1..U), v - вид системы среды (v=1..V), x и у - пространственные координаты, (x=1..x_max) и (y=1..y_max), Г - множество графов структур системы.

В данной постановке задача не решается из-за высокой размерности, разнородности объектов, процессов, событий и явлений и нелинейности их взаимодействия, что и обусловливает необходимость разработки новой методологии рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей автозаправочных станций и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах.

Во второй главе представлена методология рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей АЗС и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах.

Методология, структура и состав которой представлены на рис. 3, включает взаимоувязанные постановки задач, показатели, модели, методы, алгоритмы и информационно-логические схемы, составляющие теоретические основы рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей АЗС и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах.

Рис. 3. Методология рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей автозаправочных станций и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах

Методология базируется на теоретико-множественном представлении сложных систем с использованием системного причинно-следственного подхода.

Каждый объект, процесс, событие и явление имеет причину, определяющую его возникновение, изменение и связь с иными событиями. Цели достигаются путем преобразования потоков ресурсов и формирования выходных характеристик в условиях требований вышестоящей системы, воздействий среды и ограничений системы. Процесс достижения целей как последовательная смена состояний представляется цепью причинно-следственных связей. Результаты решения задач управления или причинно-следственного взаимодействия вызывают изменения среды и системы.

Решение задач в известных ситуациях заключается в задании лицом, принимающим решение (ЛПР), наиболее общей причинно-следственной связи, которая может быть интуитивно понятной, известной или теоретически доказанной. Далее проводится декомпозиция ее компонент с использованием моделей теории систем и управления вплоть до уровня, где задачи могут решаться известными методами. Наконец, осуществляется проверка качества внедрения результатов моделирования и коррекция при необходимости.

При наступлении признаков ранее неизвестных ситуаций или недостаточности данных для решения задач проводится коррекция модели и последовательное уточнение решений по мере внедрения результатов и развития системы.

Информация о системе, среде и результатах моделирования заносится в банк моделей НПО или БД НПО. Путем декомпозиции по уровням, периодам управления и видам задач построения структур и выбора управляющих воздействий общая задача структурируется в виде взаимосвязанной совокупности частных задач (рис. 4).



Рис. 4. Информационно-логическая схема взаимосвязей решаемых задач

На рис. 4 полужирным шрифтом выделены задачи, решение которых ранее не проводилось. Модели следующих уровней получают данные от моделей предыдущих уровней. При функционировании системы применяются устройства автоматического управления насосами, уровнемерами, терминалами, ТРК и иным автозаправочным или АЗ-оборудованием.

В третьей главе представлены результаты системного анализа, а также постановки, показатели, модели, методы, алгоритмы и информационно-логические схемы рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей автозаправочных станций и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах.

Достижение целей осуществляется путем реализации процессов приема, хранения и отпуска нефтепродуктов Далее, если не указано особо, под реализацией нефтепродуктов понимается и реализация сопутствующих товаров и оказание услуг, тогда как при решении задач совершенствования АЗС речь идет, главным образом, об отпуске через ТРК моторных топлив., технического, транспортного, информационного и хозяйственного обслуживания, подготовки персонала, информационного, энергетического и материального обеспечения и обеспечения безопасности.

При выборе направления развития сетей автозаправочных станций из глобальной цели «получение прибыли путем удовлетворения потребностей потребителей» наиболее общая причинно-следственная связь формулируется как достижение максимального значения показателя K на заданной стадии функционирования системы, путем построения структур и выбора управляющих воздействий по преобразованию ресурсов средствами управления и объектами управления как объектами-преобразователями в условиях взаимодействия с внешней средой.

Выбор направления развития сетей автозаправочных станций осуществляется путем реализации предлагаемого метода, выраженного следующим обобщенным алгоритмом.

На I этапе проводится сбор данных об исследуемых системах, внешней среде и их взаимодействии и определяется возможность применения ранее созданных моделей.

1.1. Определение ЛПР целей, постановка задач, выделение системы из среды и нахождение требований вышестоящей системы, воздействий внешней среды и ограничений системы G_uv.

1.2. Построение показателя эффективности K по системным закономерностям иерархичности, целостности и необходимого разнообразия вариантов путем суммирования показателей для различных объектов, уровней и подсистем:

,(2)

где - результаты функционирования подсистем s (s=1..S_НПО, 1 - поставка нефтепродуктов, 2 - хранение нефтепродуктов и обеспечение нормального режима функционирования, 3 - отпуск нефтепродуктов, 4 - обеспечение и обслуживание, 5 - учет и отчетность) hi-го уровня (АЗС, комплекс АЗС, предприятие НПО) r-го объекта hi-го уровня (r=1..n_hi), _ издержки r-го объекта hi-го уровня подсистемы s, П_rhis - потери.

1.3. Обеспечение доступа к существующему или построение нового банка моделей рассматриваемой предметной области (БД НПО).

1.4. Построение пространства параметров R_uv, базисные векторы которого определяются существенными G*_uv, задание целевых областей E_эф.

1.5. Поиск модели, позволяющей достичь E_эф за t: при наличии модели осуществляется переход к п. 4.3, при отсутствии - переход ко II этапу.

На II этапе определяется возможность решения задачи с помощью моделей и метода синтеза многоконтурных систем.

2.1. Задание множеств функций управления {C_i} (i=1..I), производственных процессов, процессов обеспечения и обслуживания {P_j} (j=1..J) и периодов управления {h_k}(k=1..K).

2.2. Построение элементарных задач управления

,(3)

где - матрица смежности элементарных задач управления.

2.3. Создание модели системы управления в соответствии с со структурой процессов систем обеспечения нефтепродуктами, проведение -, С_, P- и Н-синтеза, отсечение вариантов, не имеющих физического смысла, экономической целесообразности или заданной степени автоматизации, направленный перебор по агрегированным показателям и выбор варианта, оптимального или наилучшего по критерию К. Здесь -синтез - построение распределенной структуры системы управления как исходной модели, _синтез - объединение функций управления вдоль контуров управления, -синтез - объединение функций, принадлежащих разным контурам одного процесса, -синтез - объединение функций контуров управления различных временных интервалов. Указанные виды синтеза представляют собой процедуры свертывания функциональных контуров управления.

2.4. Определение возможности достижения E_эф за t: при наличии возможности - переход к IV этапу, при отсутствии - переход к III этапу.

На III этапе проводится построение структур и выбор управляющих воздействий, оптимальных или наилучших по критерию K.

3.1. Задание пороговых значений изменений показателя K QG_п=K₂/K₁, соответствующих изменению стадии развития при переходе из текущего состояния 1 в будущее состояние 2, периода управления h_k (k=k_max) и допустимых отклонений QG_п и t_dG,_п , где t_dG - время изменения G_uv.

3.2. Нахождение текущего K₁, определение требуемых K₂ и h_k и определение стадии функционирования для рассматриваемой сети АЗС Ph_ph (ph=1..PH): 1, 3 - создание или ликвидация и развитие или деградация, и ; 2 - нормальный режим, и ; 4 - инцидент, и ; 5 - авария, и .

3.3. Выбор этапов процессов в зависимости от стадии развития P_ph: P_1,3 - (, 1 - постановка задачи, 2 - моделирование, 3 - апробация, 4 - ОС, 5 - коррекция); P₂ - (1 - функционирование, 2 - воздействие среды, 3 - коррекция, 4 - обслуживание, 5 - ремонт, 6 - модернизация); P₄ - (1 - изменение состояния среды или системы, 2 - отклик на воздействие среды, 3 - коррекция, 4 - возвращение в исходное состояние); P₅ - (1 - изменение состояния среды или системы, 2 - отклик на воздействие среды, 3 - коррекция, 4 - последовательность этапов 1-3 с ликвидацией последствий аварии или разрушением системы).

3.4. Выбор характеристик ресурсов w_pr (pr=1..6, 1 - персонал, 2 - оборудование, 3 - энергия, 4 - материальные ресурсы, 5 - финансы, 6 - знания, информация и данные) для процессов P_1,3 - вновь привлекаемые ресурсы, P₂ - ранее используемые ресурсы, P₄ - зарезервированные ресурсы, P₅ - зарезервированные и вновь привлекаемые ресурсы.

3.5. Выбор видов технических средств управлениядля процессов P_1,3 - системы моделирования, базы знаний, опытное производство; P₂ - средства, соответствующие известным моделям, однако обладающие лучшими характеристиками или большим диапазоном изменений параметров; P_4,5 - компоненты резервных и вновь создаваемых контуров локализации и ликвидации последствий инцидентов и аварий.

3.6. Выбор видов организационных средств управлениядля процессов P_1,3 - соответствующих программно-целевой структуре, P₂ - соответствующих матричной структуре, P₄ - соответствующих адаптивной матричной структуре, P₅ - соответствующих адаптивной программно-целевой структуре.

3.7. Выбор элементов информационной системы: массивов данных {1 - БД, 2 - архив, 3 - неструктурированные данные}, а также разрешенных способов их передачи и видов носителей {1 - электронная форма, 2 - бумажная форма, 3 - устная форма} для процессов P_1,3 - сетевая структура (источник, приемник, концентратор и делитель информационных потоков, каналы связи, распределенные БД, архив и неструктурированные сведения, электронная и устная формы представления), P₂ - иерархическая структура (рабочая станция, сервер, каналы связи, иерархическая БД, электронная и бумажная форма); P₄ - , аналогичная с наполнением БД предварительно разработанными моделями и методами реагирования на инциденты; P₅ - сетевая структура(приемник данных, каналы связи, контур локализации и ликвидации аварий, распределенные БД, архив и неструктурированные данные, электронная и устная формы).

3.8. Построение элементарных задач управления для процессов

P_1,3 - ,

P₂ - ,

P_4,5 - .

3.9. Построение структуры системы управления с использованием выбранной последовательности этапов процессов, отсечением вариантов, не имеющих физического смысла, экономической целесообразности или не обеспечивающих заданную степень автоматизации и нахождение варианта наилучшего приближения к целевой области, путем направленного перебора по агрегированным показателям.

На IV проводится апробация на тестовой системе, коррекция при необходимости, занесение результатов в БД НПО и переход к п. 1.1.

На основе приведенного обобщенного алгоритма сформированы взаимосвязанные методы, информационно-логические схемы и алгоритмы решения частных задач, представленные на рис. 5.



Рис. 5. Взаимосвязи методов, информационно-логических схем и алгоритмов разработанной методологии

В четвертой главе представлены показатели, модели, алгоритмы и информационно-логические схемы рационального построения и непрерывного совершенствования структур систем предприятий нефтепродуктообеспечения и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах.

Наиболее общая причинно-следственная связь задачи совершенствования систем предприятий НПО состоит в достижении К_НПО=max путем построения структур и выбора управляющих воздействий, наилучших или оптимальных по К_НПО. Управление представляется в виде реализации функций С_i (i 1..I; 1 - сбор, обработка и визуализация данных, 2 - идентификация ситуации и подготовка к принятию решений, 3 - принятие решений, 4 - исполнение решений) для процессов P_j (j1..J, J=5; 1 - прием нефтепродуктов, 2 - хранение нефтепродуктов, 3 - отпуск нефтепродуктов, 4 - обеспечение и обслуживание, 5 - межконтурная координация) на интервалах h_k (k1..K, K=5; 1 - непрерывное слежение, 2-5 - интервалы квазинепрерывного, тактического, оперативного и стратегического управления) средствами X_pq (p1..P, P=2, q1..Q, Q=5; организационные средства: 11 - руководитель, 12 - заместитель руководителя, 13 - начальник отдела или службы, 14 - специалист, 15 - работник; технические средства: 21 - сервер, 22 - рабочая станция, 23 - контроллеры, 24 - компоненты приема передачи данных, 25 - компоненты ввода-вывода данных).

Задача состоит в обеспечении К_НПО=max в условиях G_uv

, (4)

где u=1..U (1-«Потребители», 2 - «Поставщики», 3 - «Конкуренты», 4 - «Внешняя среда», 5 - «Вышестоящая», 6 - «Нижестоящая» и 7 - «Целеполагающая» системы), Г, Г₁ -Г₄ - графы структур систем предприятия НПО.

Наилучший результат достигается путем совместного анализа и синтеза структур управляющей и управляемой систем, характеристики структур которых представлены в табл. 1 и на рис. 6.

Таблица 1. Графы структур при синтезе многоконтурных систем

Система	Описание	Формализованное представление
Неактивная инфра-система	Объекты-преобра-зователи потоков ресурсов	Г (X, U), где X - объекты вида А0 (транспорт), Aef (преобразование: e,f {И, М, Ф, Э}), Б (изменение), В (накопление), U - отношения
Система управления	Множество контуров управления	Г1 (X1, U1), где X1{X1} - образ средства управления, U1{U1} - отношения
Система принятия решений	Модели БД НПО принятия решений, в том числе по неполным данным	Г2 (X2, U2), где X2 - акты принятия решений Ajk (1 - принятие решения, 2 - использование БД НПО, 3-обучение), U2-отношения (1 -исполнение, 2 - условное исполнение, 3 - информирование)
Информационная система	Множества массивов данных и процедур их представления и передачи	Г3(X3, U3), где X3 - массивы данных (1 - БД, 2 - архив, 3 - неструктурированные данные), U3 - процедуры представления и передачи (1 - электронная, 2 - бумажная и 3 - устная формы)
Орг.-техн. Система	Граф Г1, «склеенный» с графом Г	Граф Г4(X4, U4), где X4 = Xpq (p1..P, q1..Q), для типичной структуры P=2, Q=5

Рис. 6. Взаимосвязь графов структур многоконтурных систем

Задача решается с помощью метода синтеза многоконтурных систем, заданного на рис. 7 в виде информационно-логической схемы.

Рис.7. Информационно-логическая схема синтеза многоконтурных систем

В пятой главе представлены показатели, модели, алгоритмы и информационно-логические схемы рационального построения и непрерывного совершенствования структур комплексов АЗС и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах.

Комплексы автозаправочных станций представляют собой совокупность объектов приема, хранения, транспорта и отпуска нефтепродуктов и обеспечения функционирования АЗС. Из наиболее общей причинно-следственной связи «обслуживания как можно большего числа потребителей» следует необходимость размещения АЗС с заданными параметрами в местах максимальной интенсивности потоков АТС, важность учета характеристик УДС и требование минимального перераспределения потоков АТС внутри сети. Последнее положение служит для оценки верхней границы размера сети, так как дальнейший ее рост может привести к снижению удельных объемов реализации моторных топлив.

Задача размещения АЗС в местах максимальной интенсивности потоков АТС с учетом параметров объектов G_uv* состоит в построении Г_Сеть, обеспечивающего R_Сеть=max и, следовательно, K_Сетьmax на Г_УДС

, (5)

где q_АТС,i - интенсивность потока АТС в точке i, i=1..I; q_АТС,п - наперед заданное значение интенсивности, Г_УДС (V_i,E_j) - граф УДС, (V_i) - множество вершин (i=1..I), (E_j) - множество ребер (j=1..J); q_1i и q_2i - искомые точки (1) и точки с известными значениями интенсивностей (2); G*_uv - параметры АЗС, задача нахождения которых рассматривается далее, R_Сеть С_Сеть и П_Сеть , соответственно - доход и издержки комплекса АЗС, а также потери от нереализованных вариантов развития.

Информационно-логическая схема решения задачи дана на рис. 8.

Рис.8. Информационно-логическая схема размещения автозаправочных станций в местах максимальной интенсивности потоков АТС с учетом параметров АЗС

Задача размещения АЗС с учетом характеристик УДС состоит в определении числа узлов V_{i, ?АЗС} графа Г_УДС и длин его линейных элементов E_{j, ?АЗС} между (?) АЗС, обеспечивающих минимальные потери П_Сеть от перераспределения потоков АТС между объектами сети АЗС и K_Сетьmax:

(6)

Задача решается путем анализа зависимостей R_Сеть и К_Сеть от числа равнозначных и неравнозначных перекрестков V_iАЗС и длин улиц и дорог E_jАЗС, аппроксимации данных зависимостей и нахождения особых точек ,, точек перегиба и т.п. Указанные точки обеспечивают К_Сетьmax и R_Сеть=max, то есть минимальные потери П_Сеть=min от перераспределения потоков между объектами одноименной сети. Соответствующие им V*_{i, ?АЗС} и E*_{j, ?АЗС} для различного числа АЗС r определяются как характеристики Г_Сеть, обеспечивающие наилучшее или оптимальное по К_Сеть размещение комплекса АЗС с точностью К_Сеть.

Информационно-логическая схема решения задачи дана на рис. 9.

Рис. 9. Информационно-логическая схема размещения АЗС с учетом характеристик улично-дорожных сетей

Задача управления развитием комплексов АЗС состоит в повышении К_Сеть с использованием ранее созданных и новых моделей и последовательном уточнении результатов по мере их внедрения и развития системы:

. (7)

При решении задачи используются ранее созданные модели размещения АЗС в местах максимальной интенсивности потоков АТС с учетом параметров объектов и характеристик УДС. Проводится аппроксимация зависимости K_Сеть от числа объектов r и определение оптимального или наилучшего по критерию K_Сеть числа АЗС, соответствующего особой точке r* зависимости К_сеть (r). Информационно-логическая схема решения задачи представлена на рис. 10.

Рис. 10. Информационно-логическая схема решения задачи управления развитием комплексов автозаправочных станций

В шестой главе представлены показатели, модели, алгоритмы и информационно-логические схемы рационального построения и непрерывного совершенствования структур автозаправочных, автогазозаправочных и многотопливных автозаправочных станций и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах.

Автозаправочные станции являются объектами обслуживания конечных потребителей. Наиболее общая причинно-следственная связь при решении задач повышения эффективности АЗС состоит в снижении потерь от простоев автотранспорта и ТРК при обслуживании, а также обеспечении соответствия требованиям вышестоящей системы, воздействиям среды и ограничениям системы.

Задача определения состава ТРК на АЗC, оптимального по критерию минимума простоев АТС и ТРК, состоит в минимизации числа ТРК, обслуживающих существующие и перспективные потоки АТС

--Ю min,(8)

где K - число ТРК на АЗС, n - число АТС на АЗС, n₀ - допустимая потребителем длина очереди, после достижения которой новые потребители не заезжают на АЗС, m - виды моторных топлив (Аи-80, Аи-92, Аи-95, Аи-98, ДТ, сжиженные углеводородные газы или СУГ), P (n) - вероятность нахождения на АЗС заданного числа АТС n, ch - каналы обслуживания АСУ АЗС, ch=1..СН.

В задаче рассматривается ситуация превышения числа заявок над тем, которое имеется возможность обслужить при существующем составе ТРК, то есть число АТС на АЗС больше суммы допустимой длины очереди и числа ТРК, n> n₀+K. Это типично при росте интенсивности потоков АТС. Вероятность появления на АЗС числа АТС n равна

,(9)

где - время образования очереди.

Интенсивность поступления АТС на обслуживание определяется по данным БД АСУ АЗС. Реальный нестационарный поток заявок на АЗС аппроксимируется потоком, стационарным на интервалах int (int=1..Int_max). Неординарность реального потока АТС описывается с помощью вероятности P_fd,m отпуска моторного топлива вида m через ТРК fd (fd=1..K) как совместной вероятности наличия на ТРК fd топлива вида m и ее незанятости. При использовании ААТ или автоматических автозаправочных терминалов и иных терминалов обслуживания, установленных непосредственно на топливораздаточных колонках, учитывается вероятность их использования на ТРК P_fd,ch: если обслуживание производится только с использованием компьютерно-кассовых систем или ККС, то P_fd,ch = 1/K, если же совместно используются ААТ и ККС, то P_fd,ch = ch/K (ch=1..CH_max<K). При этом для вновь прибывающего потребителя важна вероятность P_fd,m незанятости ТРК c видом топлива m, тогда как для АЗС в целом существенное значение имеет вероятность P_int,m запроса вида топлива m в интервале int.

Следовательно, для АЗС с ААТ вероятность P_int,m нахождения в интервале int числа заявок n> n₀+K на моторное топливо m равна

,(10)

(11)

где _int,m - интенсивность потока заявок на топливо вида m в интервале int, - элемент матрицы топологии ТРК на АЗС, K - общее число заправочных позиций - независимо работающих сторон ТРК (до двух на известных ТРК), K_m - число заправочных позиций для отпуска топлива вида m, K_noz - общее число заправочных кранов - устройств отпуска, К_mnoz - число заправочных кранов для отпуска топлива вида m, - время для образования очереди заявок на топливо вида m в int, n_int,m - число заявок на топливо вида m в интервал int, n_int - общее число заявок в int.

Путем определения участка насыщения функции P_{int, m} (n) оценивается необходимое для обслуживания число ТРК при задаваемой допустимой длине очереди n₀. Алгоритм решения задачи представлен на рис. 11.

Рис. 11. Алгоритм решения задачи определения оптимального состава ТРК на АЗС

Задача определения структуры ТРК на АЗС, оптимальной по критерию минимума потерь от простоев АТС в очередях и АЗС в отсутствии потребителей, состоит в нахождении структуры ТРК и ААТ

;(12)

где Г_q - вариант структуры ТРК q (q=1..q_max, q_max =5: 1 - ТРК перпендикулярны дорожному полотну, 2 -ТРК параллельны дорожному полотну УДС, 3 - диагональная структура, 4 - матричная структура, 5 - смешанная структура), K_N1 = К (К, найденное в результате решения задачи определения оптимального состава ТРК), П₁ - потери потребителей от ожидания в очереди в течение ₁, П₂ - потери АЗС от простоев без обслуживания в течение ₂.

Для определения структуры ТРК и ААТ на АЗС объект моделируется как система массового обслуживания (СМО), каналы обслуживания которой включают заправочные позиции ТРК и ККС или ААТ АСУ АЗС. Граф обслуживания на АЗС с ААТ приведен на рис. 12.

Рис. 12. Граф обслуживания на автозаправочных станциях с автоматическими автозаправочными терминалами

...