ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Шаманський Сергій Йосипович

УДК 621.3.087.4

ОПТИМІЗАЦІЯ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

У МЕРЕЖАХ ВОДОПОСТАЧАННЯ

Спеціальність 05. 11. 16 – Інформаційно-вимірювальні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВІННИЦЯ 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Мiнiстерства освіти i науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

Ратушняк Георгій Сергійович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри “Теплогазопостачання”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Сопрунюк Петро Маркіянович,

Фізико-механічний інститут

ім. Г. В. Карпенка НАН України,

керівник відділу електричних вимірювань

фізичних величин

кандидат технічних наук,

Кабачій Владислав Володимирович,

Вінницький національний технічний університет,

доцент кафедри “Автоматика та інформаційно-

вимірювальна техніка”

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут метрології

вимірювальних і управляючих систем

Держспоживстандарту України, м. Львів

Захист відбудеться “28” січня 2005 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розіслано “21” грудня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Павлов С. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ступінь телемеханізації вимірювань технологічних параметрів у мережах водопостачання низький і не відповідає сучасним вимогам. Неоперативне виявлення та ліквідація аварій призводить до 30 % втрат води у водоводах та додаткових щорічних затрат електроенергії близько 1.1 млрд. кВт годин. Підвищення ефективності роботи мереж подачі і розподілу води (ПРВ) потребує застосування оптимальних інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) для комплексного вимірювання витрат, впровадження яких стримувалось відсутністю до недавнього часу ефективних первинних перетворювачів для вимірювальних каналів.

Питаннями підвищення ефективності ІВС в цілому, їх метрологічного забезпечення та методами оптимізації займались відомі науковці: Володарський Є.Т., Дубовой В.М., Кавалеров Г.І., Квєтний Р.Н., Колпак Б.Д., Кузьмін І.В., Кухарчук В.В., Маліков В.Т., Мандельштам С.М., Мокін Б.І., Новицький П.Ф., Орнатський П.П., Поджаренко В.О., Поліщук Є.С., Сопрунюк П.М., Цапенко М.П. та інші. Багато уваги приділялось дослідженням точності процесів передачі інформації у каналах зв’язку, надійності інформаційних трактів, методам оптимізації показників функціонування телеметричної апаратури та інше. Проте досягнення оптимальних параметрів та високоефективних структур ІВС ПРВ неможливе без оптимального вибору первинного перетворювача, як одного з головних складових частин вимірювального каналу. На теперішній час існує цілий ряд засобів вимірювання витрат (ЗВВ), що можуть бути використані як первинні перетворювачі для ІВС ПРВ. Вони відрізняються як методами перетворення, так і технічними характеристиками. Різні конструкції мають функціональні особливості і різко відрізняються за вартістю. Широка область застосування, різноманітні умови експлуатації потребують науково обґрунтованого підходу до вибору ЗВВ з оптимальними параметрами на багатокритеріальній основі. До цього часу рекомендаціям щодо такого вибору приділялось недостатньо уваги, а сам вибір здійснюється переважно інтуїтивним шляхом. Тому актуальною є задача розвитку та вдосконалення теоретичних засад оптимізації інформаційно-вимірювальних систем у мережах водопостачання в напрямку оптимального вибору ЗВВ для використання їх як первинних перетворювачів у вимірювальних каналах цих систем.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження проводились відповідно до приоритетних напрямків розвитку науки і техніки: “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв`язку”, “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, затверджених Постановою Верховної Ради України від 16.10.1992 року №2205-ХІ, в рамках теми 46-Д-176 “Моделювання та оптимізація людино-машинних систем на базі нечітких множин та генетичних алгоритмів” координаційного плану науково-дослідних робіт на 1997-1999 роки, затвердженого наказом Міністерства Освіти України від 13.02.1997 року №37, а також теми 23-Д-224 “Розробка методів і засобів енерго- і ресурсозбереження в перетворювальній техніці”, затвердженої наказом ВДТУ від 14.01.2000 року №15.

Мета i задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності функціонування ІВС у мережах водопостачання шляхом формування рекомендацій щодо їх параметричної та структурної оптимізації.

Об’єкт дослідження – процес вимірювання витрат води у мережах водопостачання за допомогою інформаційно-вимірювальних систем.

Предмет дослідження – інформаційно-вимірювальна система мережі водопостачання з засобами вимірювання витрат як однією з головних структурних ланок її вимірювальних каналів.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв‘язати такі задачі:

1. Проаналізувати існуючі інформаційно-вимірювальні системи для мереж водопостачання (в тому числі відомі засоби вимірювання витрат), розглянути критерії оцінювання їх ефективності та методи оптимізації.

2. Сформувати єдину систему кількісних та якісних критеріїв ефективності ЗВВ як первинних перетворювачів для вимірювальних каналів ІВС ПРВ.

3. Дослідити зв’язки техніко-економічних та ергономічних характеристик ЗВВ з ефективністю їх функціонування в ІВС ПРВ.

4. Розробити математичні моделі і алгоритми оцінювання ЗВВ на основі єдиної системи критеріїв ефективності.

5. Сформувати рекомендації щодо оптимізації параметрів та структури ІВС ПРВ шляхом оптимального вибору ЗВВ для їх вимірювальних каналів, використовуючи математичні моделі оцінювання ефективності засобів вимірювання витрати.

6. Побудувати систему і програмне забезпечення для підтримки прийняття рішень по параметричній та структурній оптимізації ІВС ПРВ у мережах водопостачання на основі запропонованих математичних моделей.

Методи дослідження. Теоретичні, що базуються на елементах теорії векторної оптимізації з використанням дедуктивної логіки за методом функції корисності, елементах нечіткої логіки з використанням методів багатокритеріального аналізу варіантів, які дозволили побудувати ієрархічну структуру математичних моделей та алгоритмів параметричної та структурної оптимізації інформаційно-вимірювальних систем, а також експериментальні дослідження процесів вимірювання витрати.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі отримала подальший розвиток методологія параметричної та структурної оптимізації ІВС у мережах водопостачання в напрямку розробки теоретичних засад багатокритеріального оцінювання ефективності та оптимального вибору засобів вимірювання витрат як первинних перетворювачів для вимірювальних каналів. Нові результати, на яких ґрунтується розвинута методологія, такі:

1. Вперше запропоновано єдину систему критеріїв ефективності засобів вимірювання витрати як первинних перетворювачів для вимірювальних каналів ІВС ПРВ.

2. Розроблено нові математичні моделі для оцінювання ефективності функціонування засобів вимірювання витрати як первинних перетворювачів для вимірювальних каналів ІВС ПРВ на основі запропонованої єдиної системи критеріїв.

3. Вперше запропоновано теоретичне обґрунтування вибору оптимальної структури ІВС ПРВ та її вимірювального каналу, які відображають зв’язок вимірювальних каналів окремих споживачів, вимірювальних каналів окремих районів мережі та вимірювальних каналів подачі води в міську водопровідну мережу насосними станціями другого підйому.

4. Вперше побудовано систему інтелектуальної підтримки прийняття рішення при параметричній та структурній оптимізації ІВС ПРВ шляхом вибору оптимальних засобів вимірювання витрати для їх вимірювальних каналів. Вперше запропоновано числові рангові коефіцієнти для відомих засобів вимірювання витрат в ІВС ПРВ.

Достовірність отриманих у дисертації модельних результатів підтверджена збіганням з експериментальними результатами.

Практичне значення отриманих результатів. Рекомендації щодо проектування оптимальних ІВС для мереж водопостачання дозволили автоматизувати найбільш трудомісткі операції інтелектуальної діяльності при проектуванні в напрямку вибору оптимальних засобів вимірювання витрати для вимірювальних каналів цих систем. Розроблене програмне забезпечення впроваджено на Вінницькому обласному виробничому колективному підприємстві водопровідно-каналізаційного господарства (ВОВКП ВКГ) “Вінницяводоканал” у групах по роботі з абонентами відділу збуту послуг як система підтримки прийняття рішень при виборі оптимальних ЗВВ на дільницях водоводів та на вводах споживачів. Результати, що стосуються теоретичних засад формування єдиної системи критеріїв ефективності ЗВВ, аналізу та дослідження їх техніко-економічних характеристик дедуктивними методами та методами нечіткого логічного висновку впроваджено у навчальний процес на кафедрі “Теплогазопостачання” Вінницького національного технічного університету для інженерної та магістерської підготовки. Підтвердженням впровадження результатів дисертаційної роботи є наявність відповідних документів.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати отримані автором особисто. В роботах, що опубліковані у співавторстві, здобувачеві належить: формування множини неметричних критеріїв ефективності лічильників холодної води та розрахунок їх рангових коефіцієнтів [2]; формулювання корисності лічильників води, дедуктивний аналіз її частинних критеріїв ефективності та виведення формул їх розрахунку [3]; формування множини критеріїв оцінювання стійкості до збурень лічильників води та отримання їх рангових коефіцієнтів за цими критеріями [5]; дослідження похибок вимірювання ультразвукових ЗВВ з врахуванням впливу: зміни температури води, тиску води в мережі та виникнення кавітаційних явищ [6]; запропоновані лінгвістичні порівняння та отримані рангові коефіцієнти для групових критеріїв оцінювання ефективності ЗВВ [7]; розробка математичних моделей розрахунків метричних, неметричних та інтегрального критеріїв оцінювання ефективності ЗВВ [8]; модифікація методу багатофакторного ранжування для оптимізації прийняття рішень [9].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних в дисертаційній роботі досліджень доповідались та обговорювались на: VІІ Міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2003), м. Вінниця, 2003; VІ Міжнародній науково-технічній конференції “АВІА-2004”, м. Київ, 2004; І Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційно-керуючі системи і комплекси”, м. Миколаїв, 2004; Міжнародній науково-практичній конференції “Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології”, м. Чернівці, 2004; Всеукраїнській науково-технічній конференції “Системи автоматики і автоматичне управління”, м. Севастополь, 2004; ХХVIII-ХХХІІІ науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВНТУ, 1999-2004.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 12 друкованих працях, у тому числі: 1 монографія, 7 статей у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, 4 тези доповідей у збірниках матеріалів 3-х міжнародних та 1-ї всеукраїнської науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг роботи: дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, основних висновків та списку використаних джерел (191 посилання) та 10 додатків. Обсяг дисертації, де викладено основний зміст складає 145 сторінок. Загальний обсяг, включаючи 8 малюнків та 3 таблиці, що займають повну сторінку, а також список використаних джерел, складає 171 сторінку. Повний обсяг дисертації, включаючи додатки, складає 308 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, визначено їх об`єкт i предмет. Зазначено зв‘язок роботи з науковими планами і темами, сформульовані мета i задачі роботи. Визначено методи дослідження та наукова новизна, а також практична цінність отриманих результатів. Вказані відомості про апробацію та кількість публікацій за матеріалами дисертації.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан розвитку ІВС ПРВ у мережах водопостачання. Їх застосування для комплексного вимірювання витрат дозволяє підвищити техніко-економічну ефективність роботи водопровідних мереж. Розглянуто існуючі принципи побудови ІВС ПРВ й показано, що їх впровадження стримувались до недавнього часу відсутністю ефективних ЗВВ як первинних перетворювачів для вимірювальних каналів. Результатом розширення номенклатури ЗВВ з різними методами перетворення є можливість застосування в ІВС ПРВ первинних перетворювачів, що істотно відрізняються як за функціональними характеристиками, так і за вартістю.

Аналіз структур інформаційних потоків у водопровідних мережах свідчить про наявність двох граничних варіантів типових структурних рішень: централізованого та ієрархічного. Централізована структура передбачає збір інформації, її аналіз та вироблення необхідних рішень чи рекомендацій в центральному диспетчерському пункті у відповідності з єдиним загальним критерієм якості функціонування мережі в цілому. Ієрархічна структура ґрунтується на принципі субоптимізації окремих ланок мережі у відповідності з частинними критеріями ефективності, які встановлюються у центрі і передаються на місцеві диспетчерські пункти. Двом різним структурам інформаційних потоків відповідають дві структури ІВС ПРВ. За яким би принципом не будувались ці системи, однією з головних їх ланок є первинні перетворювачі вимірювальних каналів. Доведено необхідність параметричної та структурної оптимізації ІВС ПРВ в напрямку вибору оптимальних засобів вимірювання для використання як первинних перетворювачів.

Розглянуто відомі конструкції ЗВВ й запропоновано їх загальну класифікацію. Зроблено висновок про відсутність єдиної системи критеріїв оцінювання ефективності їх функціонування та критеріїв для оптимізації ІВС ПРВ. В результаті аналізу існуючих методів багатокритеріальної оптимізації технічних систем показано недоцільність використання для оптимізації ІВС ПРВ жодного з них в повній мірі через виявлені під час аналізу їх недоліки. Доведено необхідність та поставлено завдання про створення нової методики параметричної та структурної оптимізації ІВС ПРВ шляхом проведення оцінювання ефективності і обґрунтування оптимального вибору ЗВВ як первинних перетворювачів для вимірювальних каналів цих систем.

На підставі проведеного аналізу, висунуто перелік задач, які необхідно розв‘язати для створення цієї методики.

У другому розділі розроблено методи поетапної оптимізації ІВС. На першому всі можливі критерії ефективності ЗВВ названо частинними і розбито на чотири групи за характерними ознаками. На основі кожної з них утворено груповий оптимізаційний критерій: метричні (кількісні) – корисність (КР), плата за корисність (ПКР); неметричні (якісні) – стійкість до збурень (СЗБ), зручність перевірочного контролю (ЗПК). Запропоновано методи та розроблено математичні моделі оптимізації параметрів ЗВВ для ІВС ПРВ за кожним з групових критеріїв. На другому етапі запропоновано метод оптимізації за груповими критеріями. Структурну схему такої ієрархії наведено на рис. 1. В групу технічних критеріїв КР об’єднано ті частинні критерії, що прямо впливають на ступінь виконання ЗВВ свого функціонального призначення в ІВС. Тому КР сформульовано як ступінь відповідності показників ЗВВ дійсній кількості виміряної ним води, виражену в долях одиниці

, (1)

де – відносна добова похибка вимірювання ЗВВ, як сума похибок кожної з 24-х годин доби, виражена в процентах від добової витрати води в трубопроводі. В групі ПКР об`єднано частинні критерії, що відображають затрати на всіх етапах життєвого циклу ЗВВ, які необхідно понести для досягнення КР, приведені до безрозмірної форми

, (2)

де ЦБ – середня вартість базових ЗВВ (прийнято швидкісно-частотні ЗВВ марки ВСКМ); СЗВВ – витрати на придбання ЗВВ; СВ – витрати на встановлення ЗВВ на трубопроводі; СЕ – витрати на експлуатацію ЗВВ у вимірювальному каналі ІВС. У групі неметричних критеріїв стійкості до збурень об‘єднано ті, що безпосередньо впливають на корисність, але не можуть бути виражені кількісно. У групі зручності перевірочного контролю – ергономічні якості ЗВВ.

За допомогою дедуктивної логіки (від групового критерію до частинних) досліджено зв‘язки техніко-економічних характеристик ЗВВ із значеннями метричних групових критеріїв. Цi характеристики переведено в ранг частинних критеріїв КР та ПКР. Похибка вимірювання ЗВВ змінна в межах діапазону вимірюваних витрат, а витрата води у трубопроводі змінюється протягом доби у відповідності з коефіцієнтом годинної нерівномірності. Тому діапазон вимірюваних витрат розбито на чотири дільниці і отримано такі залежності відносної годинної похибки вимірювання, вираженої в процентах від добової витрати води у трубопроводі: для дільниці від номінальної Qn до максимальної Qmax витрати

(%) , (3)

де Qг.% і – середня витрата води і-тої години в процентах від добової витрати (%), р – номінальна відносна похибка вимірювання ЗВВ (%), Кн – коефіцієнт неспівпадання витрат як відношення номінальної витрати води ЗВВ до середньогодинної витрати води у трубопроводі, Кр = 4.17 % - середня годинна витрата, виражена в процентах від добової витрати; для дільниці від перехідної Qt до номінальної Qn витрати

(%) ; (4)

для дільниці від мінімальної Qmin до перехідної Qt витрати

(%) ; (5)

для дільниці від нуля до мінімальної Qmin витрати

(%). (6)

Досліджено технічні (Т – середнє напрацювання на відмову (год.), ТВ – середній час відновлення (год.), ? – інтенсивність відмов, ? – інтенсивність відновлень) та оперативні (КГ – коефіцієнт готовності, КОГ – коефіцієнт оперативної готовності, Р(t) – ймовірність безвідмовної роботи приладу на протязі часу виконання завдання, Кеф – коефіцієнт збереження ефективності) показники надійності. Змодельовано коефіцієнт збереження ефективності ЗВВ (Кеф – відношення корисності реального приладу до корисності приладу, що працює без відмов 0, тобто частина номінальної ефективності, котра зберігається при наявності відмов приладу) як такий, що повністю відповідає фізичному змісту КР. Досліджено стани працездатності ЗВВ та траєкторії їх переходів з одного стану в інший (), використано ймовірність кожної такої траєкторії (dP). При експоненційному розподілі Р()

. (7)

Таким чином КР виражено формулою

. (8)

Запропоновану структурну модель грошових витрат для дедуктивного дослідження ПКР наведено на рис. 2. В зв’язку з труднощами дослідження СЗВВ та з можливістю комерційних таємниць фірм-виготовлювачів, цi витрати замінено відпускною ціною (ЦЗВВ). Для визначення СВ досліджено затрати на виготовлення вимірювального вузла (Свуз) та його монтаж на трубопроводі (Смон). Враховано вартість використаних матеріалів, в залежності від калібру ЗВВ та способу його монтажу (різьбового чи фланцевого), витрати на заробітну плату робітників, в залежності від трудомісткості робіт. Прийняті до розгляду річні витрати на експлуатацію СЕ на перевірочний контроль ЗВВ (Скон); на електроенергію та інші ресурси, необхідні для його функціонування (Сен); на повірку ЗВВ (Спов) та на його ремонт (Срем). Введено поняття коефіцієнту витрат на ремонт (Кр), як відношення середньої вартості ремонту (отримано за матеріалами калькуляцій ВОВКП ВКГ “Вінницяводоканал”) до середньої вартості базових ЗВВ. В результаті ПКР виражено формулою

(9)

де З1, З2, З3, З4, З5 – зарплата слюсаря-ремонтника за складання, слюсаря-ремонтника та електро-газозварювальника за монтаж, фахівця за перевірочний контроль, слюсаря-ремонтника за демонтаж та встановлення, слюсаря з ремонту контрольно-вимірювальних приладів (КВП) за повірку ЗВВ (грн); Св.мат., См.мат., Свод., Сст., Цел. – ціна матеріалів для виготовлення, монтажу, 1 м3 води, 1 м3 стоків, 1 кВтгодин електроенергії (грн); Vпов. - об`єм води, необхідний для повірки (м3); r – коефіцієнт виду повірки; Nр – кількість ремонтів на рік; Р - потужність, що споживається ЗВВ (кВт.); Кр – коефіцієнт ремонту; К1, К2, К3 – відповідно коефіцієнти додаткових виробничих нарахувань, ПДВ та рентабельності; tп – паспортний термін повірки (років).

Оцінювання якісних характеристик ЗВВ неметричними критеріями запропоновано здійснювати шляхом їх ранжування за критеріями СЗБ і ЗПК методом нечітких парних порівнянь (НПП) за відносними оцінками рівнів (ВОР) з використанням 9-ти бальної шкали Сааті. Для оцінювання ефективності ІВС ПРВ за груповими критеріями в основу взято метод НПП за абсолютними оцінками рівнів (АОР) і проведено його модифікацію. Сформульовано принцип виключення найменшої рівнозначної цілі: ”Якщо для двох або більше оцінюваних альтернатив ступені належності (СН) за одним, або різними критеріями, однакові і мають найменше значення, чим утворюють однакову оцінку, то можна проводити наступний етап ранжування, виключаючи з розгляду для рівноцінних варіантів цей критерій з одночасним збереженням переваги варіантів, для яких вона виявлена на попередньому етапі”. На наступних етапах для варіантів, що мають найменші однакові СН [t(Si)]t ступені належності до рангової множини оцінок R[t(Si)]t за критеріями з однаковими СН, а для варіантів, що мають перевагу після попереднього етапу множини оцінок за всіма критеріями визначено за формулою

. (10)

У третьому розділі проведено критеріальний аналіз засобів вимірювання витрат для параметричної та структурної оптимізації ІВС ПРВ. Запропоновано структурну модель вимірювального каналу, яка наведена на рис. 4. Її склад такий: 1 – ЗВВ (первинний перетворювач); 2 – перетворювач вихідного сигналу в амплітудноімпульсний код; 3 – струмовий перетворювач; 4 – частотний підсилювач; 5 – індикатор витрат; 6 – індикатор кількості; 7 – запам’ятовуючі пристрої; 8 – аналого-цифровий перетворювач; 9 – цифровий канал зв’язку; 10 – концентратори; 11 – цифровий порівнювальний пристрій; 12 – обчислювальний пристрій попередньої обробки даних; 13 – ЕОМ; 14 – дисплей відображення результатів вимірювання.

Після критеріального дослідження КР отримано такі частинні критерії корисності: Qmin, Qt, Qn, Qmax – відповідно мінімальна, перехідна, номінальна та максимальна витрати з робочого діапазону ЗВВ (м3/год.), р, max – номінальна та максимальна (в перехідному діапазоні) відносні нормовані похибки вимірювання ЗВВ (%), Т, ТВ, tр – відповідно середнє напрацювання на відмову, середній час відновлення та встановлене безвідмовне напрацювання ЗВВ (год.).

Критеріальним дослідженням ПКР отримано такі частинні критерії плати за корисність: ЦЗВВ – ціна ЗВВ (грн.), tп – термін повірки (років), r – вид повірки (r = 0 для безпроливного методу без демонтажу ЗВВ з трубопроводу, r = 1 при повірці ЗВВ на повірочному стенді), Т1, Т2, Т3 – гарантійний строк служби, гарантія безвідмовної роботи виробником та гарантія ремонтної майстерні після ремонту (міс.), Dу – діаметр умовного проходу (калібр) ЗВВ (мм.), Vпов. – об’єм води, необхідний для повірки (м3), Р – потужність, що споживається ЗВВ (кВт), спосіб монтажу (різьбовий, фланцевий), Сд – вартість додаткових пристроїв, необхідних для функціонування ЗВВ (грн.).

Дослідженням роботи ЗВВ як первинних перетворювачів вимірювальних каналів сформульовано таку множину частинних критеріїв стійкості до збурень: С1СЗБ – стійкість конструкції ЗВВ до забивання механічними домішками у воді, С2СЗБ – її стійкість до відмов (виходу з ладу), викликаних механічними домішками у воді, С3СЗБ – стійкість робочих характеристик (РХ) ЗВВ до впливу механічних домішок у воді, С4СЗБ – стійкість РХ до виникнення та впливу газоподібних бульбашок у воді, С5СЗБ – стійкість РХ до впливу коливань тиску води в трубопроводі, С6СЗБ – стійкість РХ до впливу коливань в’язкості води, С7СЗБ – стійкість РХ до впливу коливань температури води, С8СЗБ – стійкість РХ до впливу вихрових струмів у трубопроводі, С9СЗБ – стійкість РХ до виникнення та впливу електрохімічних процесів у воді, С10СЗБ – стійкість конструкції ЗВВ до механічних пошкоджень, С11СЗБ – її стійкість до виникнення кавітації під час роботи, С12СЗБ – стійкість конструкції ЗВВ до підвищеної температури води (для ЗВВ холодної води). Отримано також такий перелік частинних критеріїв зручності перевірочного контролю: С1ЗПК – стійкість до запотівання скла індикатора, С2ЗПК – стійкість до помилки при зчитуванні показників, С3ЗПК – можливість накопичення банку інформації про водоспоживання в ЗВВ, С4ЗПК – можливість запобігання водоспоживання понад встановлений ліміт; С5ЗПК – можливість використання ЗВВ як витратоміра і лічильника кількості.

Досліджено вплив збурюючих факторів на функціонування первинних перетворювачів, а також ергономiчнi характеристики конструкцій ЗВВ, що відображені в множинах частинних критеріїв С. Всю різноманітність ЗВВ зведено до таких множин варіантів. За критерієм СЗБ: S1СЗБ – швидкісно-частотні з осьовою передачею; S2СЗБ – швидкісно-частотні з магнітною передачею; S3СЗБ – змінного перепаду тиску; S4СЗБ – ультразвукові; S5СЗБ – електромагнітні. За критерієм ЗПК: S1ЗПК – ЗВВ зі стрілочним циферблатом на корпусі; S2ЗПК – ЗВВ з цифровим індикатором на корпусі; S3ЗПК – ЗВВ з індикацією кількості на окремому блоці; S4ЗПК – ЗВВ з індикацією кількості та витрати на окремому блоці; S5ЗПК – те ж саме з банком даних в ЗВВ; S6ЗПК – те ж саме з обмежувачем водоспоживання на магнітній картці.

Введено такі умовні позначення: “” – відсутня перевага; “” – майже слабка перевага; “” – слабка перевага; “” – майже суттєва перевага; “” – суттєва перевага; “” – майже явна перевага; “” – явна перевага; “” – майже абсолютна перевага; “” – абсолютна перевага. Лінгвістичні порівняння варіантів ЗВВ з множин S попарно за кожним критерієм з множин С сформульовано так (згідно цих позначень).

1. Для критеріїв СЗБ:

С1СЗБ: S3СЗБ, S4СЗБ, S5СЗБ S1СЗБ, S2СЗБ; S2СЗБ S1СЗБ; S3СЗБ S4СЗБ S5СЗБ;

С2СЗБ: S3СЗБ,S4СЗБ,S5СЗБ S2СЗБ; S3СЗБ,S4СЗБ,S5 S1СЗБ;S1СЗБ S2СЗБ; S3СЗБ S4СЗБ S5;

С3СЗБ: S3СЗБ S4СЗБ; S3СЗБ S5СЗБ; S3СЗБ S1СЗБ, S2СЗБ; S1СЗБ, S2СЗБ S4СЗБ; S1СЗБ, S2СЗБ S5СЗБ; S5СЗБ S4СЗБ; S1СЗБ S2СЗБ;

C4СЗБ: S1СЗБ, S2СЗБ, S3СЗБ S4СЗБ; S5СЗБ S4СЗБ; S1СЗБ, S2СЗБ, S3СЗБ S5СЗБ; S1СЗБ S2СЗБ S3СЗБ;

С5СЗБ: S1СЗБ, S2СЗБ, S5СЗБ S4СЗБ; S3СЗБ S4СЗБ; S1СЗБ, S2СЗБ, S5СЗБ S3СЗБ; S1СЗБ S2СЗБ S5СЗБ;

С6СЗБ: S1СЗБ, S2СЗБ, S3СЗБ, S5СЗБ S4СЗБ; S1СЗБ S2СЗБ S3СЗБ S5СЗБ;

C7СЗБ: S1СЗБ, S2СЗБ S4СЗБ; S1СЗБ, S2СЗБ S3СЗБ, S5СЗБ; S3СЗБ, S5СЗБ S4СЗБ; S1СЗБ S2СЗБ; S3СЗБ S5СЗБ;

С8СЗБ: S1СЗБ, S2СЗБ, S3СЗБ, S4СЗБ S5СЗБ; S1СЗБ S2СЗБ S3СЗБ S4СЗБ;

C9СЗБ: S1СЗБ, S2СЗБ, S3СЗБ, S4СЗБ S5СЗБ; S1СЗБ S2СЗБ S3СЗБ S4СЗБ;

C10СЗБ: S3СЗБ, S4СЗБ, S5СЗБ S1СЗБ; S3СЗБ, S4СЗБ, S5СЗБ S2СЗБ; S2СЗБ S1СЗБ; S3СЗБ S4СЗБ S5СЗБ;

C11СЗБ: S4СЗБ, S5СЗБ S3СЗБ; S4СЗБ, S5СЗБ S1СЗБ, S2СЗБ; S1СЗБ, S2СЗБ S3СЗБ; S1СЗБ S2СЗБ; S4СЗБ S5СЗБ;

С12СЗБ: S3СЗБ, S5СЗБ S1СЗБ, S2СЗБ; S4СЗБ S1СЗБ, S2СЗБ; S3СЗБ, S5СЗБ S4СЗБ; S1СЗБ S2СЗБ; S3СЗБ S5СЗБ.

2. Для критеріїв ЗПК:

C1ЗПК:S3ЗПК,S4ЗПК,S5ЗПК,S6ЗПК S1ЗПК,S2ЗПК;S1ЗПК S2ЗПК;S3ЗПК S4ЗПК S5ЗПК S6ЗПК;

С2ЗПК: S2ЗПК S1ЗПК; S3ЗПК, S4ЗПК, S5ЗПК, S6ЗПК S1ЗПК; S3ЗПК, S4ЗПК, S5ЗПК, S6ЗПК S2ЗПК; S3ЗПК S4ЗПК S5ЗПК S6ЗПК;

C3ЗПК: S5ЗПК,S2ЗПК S1ЗПК,S2ЗПК,S3ЗПК,S4ЗПК;S1ЗПК S2ЗПК;S1ЗПК S2ЗПК S3ЗПК S4ЗПК;

С4ЗПК: S6ЗПК S1ЗПК, S2ЗПК; S6ЗПК S3ЗПК, S4ЗПК, S5ЗПК; S3ЗПК, S4ЗПК, S5ЗПК S1ЗПК, S2ЗПК; S1ЗПК S2ЗПК; S3ЗПК S4ЗПК; S3ЗПК S5ЗПК; S4ЗПК S5ЗПК;

C5ЗПК: S4ЗПК,S5ЗПК,S6ЗПК S1ЗПК,S2ЗПК, S3ЗПК; S1ЗПК S2ЗПК S3ЗПК; S4ЗПК S5ЗПК S6ЗПК.

Функції належності до нечітких множин оцінок ЗВВ для ІВС ПРВ за кожним критерієм н(Si) в нормованих осях координат наведено на рис. 4 і 5.

Після застосування принципу Беллмана-Заде отримано рангові коефіцієнти типових груп ЗВВ за критеріями СЗБ та ЗПК. Для проведення параметричного синтезу оптимальних ІВС ПРВ оцінено важливість сформованих критеріїв ефективності та отримано їх вагові коефіцієнти.

У четвертому розділі розроблено алгоритми оцінювання ефективності ЗВВ на основі сформованої системи критеріїв, що дозволяє вирішити задачу оптимізації та провести параметричний синтез оптимальних ІВС ПРВ. Структурно-алгоритмічну модель параметричного синтезу наведено на рис. 6. У відповідності з нею сформовано множину з 21-го альтернативного варіанта ЗВВ для вимірювального каналу. Оцінено ефективність ІВС ПРВ й отримано їх функції належності з альтернативними варіантами ЗВВ як первинними перетворювачами (рис. 7). Після шостого етапу ранжування отримано рангові функції (рис. 8), а також оціночні коефіцієнти кожної множини параметрів запропонованих ЗВВ.

Зібрано і опрацьовано статистичні дані ВОВКП ВКГ “Вінницяводоканал” по тривалості та ефективності роботи більш ніж 500 ЗВВ, які працювали понад 160 000 діб на водопровідних вводах житлових будинків м. Вінниці і виміряли більше 10 млн. м3 води. Ці дані підтвердили результати розрахунків.

Запропоновано оптимальну операторну модель ІВС мережі ПРВ як основу для проектування систем будь-якої топології. В її склад входять підсистеми вимірювання витрат окремо у водоводах та у мережі в цілому. Підсистема ІВС водовода здійснює вимірювання витрат за допомогою ЗВВ з оптимальною множиною параметрів; імітацію витрат об’єктів, водоспоживання яких тимчасово не вимірюється; обчислення сумарного водорозбору з водовода (виміряного та імітованого); визначення цільової подачі у водовод (без транзитних витрат). Для виконання цих функцій запропоновано структурні моделі блоків вимірювання витрат та імітації не вимірюваного водорозбору. Ефективність функціонування водоводів та мережі в цілому оцінюється відносною величиною – втрати віднесені до цільової подачі, яка не повинна перевищувати допустимих значень. Запропоновано оптимальну практичну структуру ІВС ПРВ з кущовою схемою використання каналів зв‘язку.

На підставі алгоритмів оцінювання ефективності ЗВВ розроблено програмне забезпечення для системи підтримки прийняття рішень при параметричному синтезі оптимальних ІВС ПРВ. Для цього обрано сучасне програмне середовище Borland Delphi. Розроблена програма працює під керуванням операційної системи Windows 95-98, чи Windows ХР. Вона дозволяє оцінювати ефективність альтернативних варіантів ЗВВ і визначати оптимальну множину їх параметрів для вимірювального каналу ІВС ПРВ.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної наукової й практичної задачі оптимізації параметрів та структури ІВС у мережах водопостачання в напрямку оптимального вибору та застосування ЗВВ як первинних перетворювачів у вимірювальних каналах. Шляхом дослідження ІВС ПРВ із засобами вимірювання витрат, а також самого процесу вимірювання розвинуто методологію параметричної та структурної оптимізації ІВС в напрямку створення теоретичних засад формування єдиної системи критеріїв ефективності ЗВВ та методів їх оцінювання за цими критеріями. Розвинуто методологію параметричного та структурного синтезу з конкретними рекомендаціями щодо проектування високоефективних ІВС ПРВ. Основні наукові i практичні результати, що отримані в цій роботі такі.

1. Проаналізовано існуючі структури ІВС ПРВ для мереж водопостачання та відомі конструкції ЗВВ. Для підвищення ефективності їх функціонування доведено необхідність розробки нової методики параметричної та структурної оптимізації ІВС ПРВ шляхом оцінювання та вибору ЗВВ з оптимальними параметрами. Доведено необхідність утворення єдиної системи критеріїв ефективності ЗВВ та розроблення методики їх оцінювання за цими критеріями.

2. Запропоновано загальну класифікацію ЗВВ. Сформовано ієрархічну систему критеріїв їх ефективності як первинних перетворювачів для вимірювальних каналів ІВС ПРВ у формі чотирьох груп частинних критеріїв: метричні (кількісні) – корисність та плата за корисність, неметричні (якісні) – стійкість до збурень та зручність перевірочного контролю.

3. Досліджено зв’язки техніко-економічних та ергономічних характеристик ЗВВ з ефективністю їх функціонування в ІВС ПРВ. Для цього запропоновано структурну модель вимірювального каналу та проаналізовано ЗВВ як його первинні перетворювачі.

4. Розроблено ієрархічну систему математичних моделей і алгоритмів оцінювання ЗВВ на основі єдиної системи критеріїв ефективності. Зроблено параметричний аналіз групових критеріїв корисності та плати за корисність методами дедуктивної логіки і отримано моделі їх розрахунків. Проведено критеріальний аналіз ЗВВ за функціональними та ергономічними якісними характеристиками. Виконано ранжування множин типових варіантів засобів вимірювання витрат за частинними критеріями стійкості до збурень та зручності перевірочного контролю. Оцінено важливість сформованих групових критеріїв ефективності ЗВВ та отримано їх вагові коефіцієнти.

5. Побудовано математичну модель та алгоритми оптимізації параметрів та структури ІВС ПРВ за груповими критеріями на основі нечітких парних порівнянь з використанням відносних оцінок рівнів через оцінювання ефективності функціонування ЗВВ у вимірювальних каналах ІВС. Проведено модифікацію методу нечітких парних порівнянь. Введено новий принцип виключення найменшої рівнозначної цілі для інтелектуальної підтримки прийняття рішень при багатокритеріальному оцінюванні. Запропоновано математичну модель його реалізації.

6. Створено систему та програмне забезпечення для підтримки прийняття рішень по параметричній оптимізації ІВС ПРВ. Проведено оцінювання ефективності та обґрунтовано вибір ЗВВ з оптимальною множиною параметрів для вимірювального каналу з множини альтернативних варіантів й отримано оціночні коефіцієнти. Зібраний та опрацьований статистичний матеріал з облікового архіву роботи ЗВВ, встановлених на вводах житлових будинків м. Вінниці, підтвердив результати оцінювання.

7. Запропоновано оптимальну структурну схему та операторну модель ІВС ПРВ, які складаються з підсистем вимірювання витрат у водоводах за допомогою ЗВВ з оптимальними параметрами та діагностичної частини мережі ПРВ. Розроблено алгоритм діагностування технічного стану водоводів та мережі. Запропоновано оптимальні структурні моделі блоків вимірювання витрат, імітації не вимірюваного водорозбору та практичну структуру ІВС ПРВ.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ

1. Ратушняк Г. С., Шаманський С. Й. Критерiальний метод оцінювання засобiв облiку в системах водопостачання. Монографія. – Вінниця.: УНIВЕРСУМ–Вiнниця, 2003. – 180 с.

2. Ротштейн О. П., Лісіцин Є. Ф., Шаманський С. Й. Порівняльний аналіз лічильників холодної води за не метричними критеріями // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 1999. – №3. – С. 157–161.

3. Лісіцин Є. Ф., Ткаченко В. В., Шаманський С. Й. Методика розрахунку корисності лічильників води // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 1999. – №4. – С. 141–146.

4. Шаманський С. Й. Методика розрахунку плати за корисність лічильників води // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2000. – №1. – С. 144–148.

5. Ткаченко С. Й., Лісіцин Є. Ф., Ткаченко В. В., Шаманський С. Й. Ранжування лічильників води за критеріями стійкості до збурень // Вісник Технологічного університету Поділля. – 2001. – №1. – С. 34–39.

6. Ратушняк Г. С., Лiсiцин Є. Ф., Шаманський С. Й. Ультразвукові витратоміри в САК водопостачанням та їх метрологiчнi характеристики // Автоматизація виробничих процесів. – 2002. – № 9. – С. 33-35.

7. Ратушняк Г. С., Шаманський С. Й. Метод оцінювання засобів обліку в САПР управління водоспоживанням // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2003. – № 3. – С.14–18.

8. Ратушняк Г. С., Шаманський С. Й. Математична модель підтримки прийняття проектних рішень при виборі засобів обліку водоспоживання в системах водопостачання // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2003.– № 6.– Матеріали VІІ Міжнародної конференції КУСС–2003.– С. 99–105.

9. Ратушняк Г. С., Шаманський С. Й. Модифікований метод багатофакторного ранжування для оптимізації прийняття рішень // Матеріали VІ Міжнародної науково-технічної конференції “АВІА–2004”.– Т.1. К.: Національний авіаційний університет, 2004. – С. 11.12 – 11.14.

10. Ратушняк Г. С., Шаманський С. Й. Принципи побудови інформаційно-вимірювальних систем контролю водорозподілу в мережах водопостачання // Матеріали 1-ї Міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів, молодих учених “Інформаційно-керуючі системи і комплекси” – Миколаїв: Національний університет кораблебудування, 2004. – С. 53 – 54.

11. Ратушняк Г. С., Шаманський С. Й. Інформаційно-вимірювальні системи контролю водорозподілу в мережах водопостачання // Матеріали Всеукраїнської науково-технічної конференції студентів, аспірантів, молодих учених “Системи автоматики і автоматичне управління”. – Севастополь: Севастопольський національний технічний університет, 2004. – С. 70 – 71.

12. Ратушняк Г. С., Шаманський С. Й. Вимірювання витрат води у мережах водопостачання з діагностуванням стану водоводів // Тези доповідей учасників Міжнародної науково-практичної конференції “Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології”. – Чернівці: “Рута”, 2004 – С. 148 – 149.

АНОТАЦІЯ

Шаманський С. Й. Оптимізація інформаційно-вимірювальних систем у мережах водопостачання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 – інформаційно-вимірювальні системи. – Вінницький національний технічний університет. – Вінниця, 2004.

Дисертація присвячена вирішенню задачі параметричної та структурної оптимізації інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) у мережах водопостачання. Проаналізовано існуючі принципи побудови ІВС та відомі засоби вимірювання витрат (ЗВВ) як первинні перетворювачі вимірювальних каналів і запропоновано їх загальну класифікацію. Запропоновано єдину систему критеріїв ефективності ЗВВ та розроблено нову ієрархічну структуру методів, математичних моделей і алгоритмів її оцінювання. Методи ґрунтуються на оцінюванні ефективності параметрів ЗВВ метричними (кількісними) критеріями корисності і прати за корисність за допомогою дедуктивної логіки та неметричними (якісними) критеріями стійкості до збурень і зручності перевірочного контролю за допомогою теорії нечітких множин. Розроблено систему та програмне забезпечення для підтримки прийняття рішень по параметричній оптимізації ІВС. Запропоновано оптимальні теоретичні (структурну та операторну), а також практичну схеми ІВС та її вимірювального каналу. Запропоновано структурні моделі блоків вимірювання витрат та імітації не вимірюваного водорозбору, які дозволяють слідкувати за витратами в окремих водоводах та мережі водопостачання в цілому, а також визначати ефективність їх функціонування за допомогою визначення відносної величини втрат води у мережі.

Ключові слова: інформаційно-вимірювальна система, вимірювальний канал, засоби вимірювання витрати, параметрична та структурна оптимізація, мережа водопостачання, критерії ефективності, корисність, плата за корисність, нечітка множина, функція належності.

АННОТАЦИЯ

Шаманский С. И. Оптимизация информационно-измерительных систем в сетях водоснабжения. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 – информационно-измерительные системы. – Винницкий национальный технический университет. – Винница, 2004.

Диссертация посвящена решению задачи параметрической и структурной оптимизации информационно-измерительных систем (ИИС) в сетях водоснабжения. В работе получила дальнейшее развитие методология параметрического и структурного синтеза оптимальных ИИС в направлении разработки теоретических основ многокритериального оценивания эффективности и оптимального выбора средств измерения расходов (СИР) как первичных преобразователей для измерительных каналов.

Проанализированы существующие принципы построения ИИС, а также известные СИР и предложена их общая классификация. Разработана единая система критериев эффективности СИР, состоящая из четырех групп: метрических (количественных) – полезности и платы за полезность, неметрических (качественных) – устойчивости к возмущениям и удобства проверочного контроля. Исследовано связи технико-экономических и эргономических характеристик СИР с эффективностью их функционирования в ИИС. Для этого предложено структурную модель измерительного канала и проанализировано СИР как его первичные преобразователи. На основании каждой из групп критериев сформировано групповой оптимизационный критерий. Предложено иерархическую структуру методов оптимизации параметров СИР для ИИС по каждому из групповых критериев на первом этапе, а также по групповым критериям в целом на втором этапе. Выполнено параметрический анализ групповых критериев полезности и платы за полезность с помощью дедуктивной логики и получены аналитические зависимости для их расчетов. Проведено критериальный анализ СИР по функциональным и эргономическим характеристикам и выполнено ранжирование множеств типовых вариантов СИР по частным (не групповым) критериям – устойчивости к возмущениям и удобства проверочного контроля. Оценена важность сформированных метрических и неметрических критериев эффективности и предложно весовые коэффициенты для каждой из критериальных групп. Разработано математическую модель оптимизации параметров и структуры ИИС сетей водоснабжения. Оптимизация проводится по групповым критериям на основании нечетких парных сравнений с использованием относительных оценок уровней посредством оценивания эффективности функционирования СИР в измерительных каналах, а также нововведенного принципа “исключения наименьшей равнозначной цели”, который основывается на выведении минимальных значений функций принадлежности для равнозначных вариантов за границы принятия решения.

В соответствии с разработанными моделями и схемой измерительного канала предложены оптимальные теоретические (структурная и операторная), а также практическая схемы ИИС на иерархической основе. Подсистема ИИС водовода производит измерение расходов при помощи СИР с оптимальным множеством параметров; имитацию расходов объектов, водопотребление которых временно не