Яковицький Ігор Леонідович

УДК 656.02:338.47

Ефективність функціонування

агрегованих трубопровідних транспортних

розподільних систем

05.22.01 – транспортні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківській національній академії міського господарства, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Самойленко Микола Іванович, Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри прикладної математики і інформаційних технологій.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Гінзбург Михайло Давидович, завідувач науково-дослідного центру №11 Науково-дослідницького проектного інституту АСУтрансгаз, м. Харків;

кандидат технічних наук, доцент

Лановий Олександр Тимофійович, доцент кафедри Транспортних систем і маркетингу Національного транспортного університету Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Провідна установа: | Національний авіаційний університет, кафедра „Організація авіаційних перевезень”, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 23 ” березня 2007 р. об 11:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.089.03 при Харківській національній академії міського господарства за адресою: 61002, м. Харків, вул. Революції, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківської національної академії міського господарства за адресою: 61002, м. Харків, вул. Революції, 12.

Автореферат розісланий “ 20 ” лютого 2007 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради | Линник І.Е.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Трубопровідні системи є домінуючим видом транспорту цільового продукту (ЦП), який перебуває в рідкому або газоподібному агрегатному стані. Концентрація населення і господарської діяльності в містах стимулює розвиток трубопровідних транспортних розподільних систем (ТТРС), які є основним видом транспорту таких продуктів, як вода й газ. Обмеженість ресурсів, у першу чергу, трудових, фінансових і матеріальних, жорсткі екологічні норми, стохастичний характер споживання і, як наслідок, значна невизначеність стану і параметрів потокорозподілу висувають нові вимоги до експлуатації ТТРС. Відповідно оновлені вимоги ставляться до технології оперативного контролю і управління режимами функціонування ТТРС з відбору, обробки, транспорту й розподілу ЦП. Така технологія повинна забезпечувати раціональне використання наявних ресурсів при дотриманні всіх екологічних норм і санітарних вимог. Раціональне управління ТТРС є складним багатокритеріальним завданням, вирішення якого може бути досягнуто за рахунок:

ѕ розробки системи адекватного оцінювання стану ТТРС і параметрів потокорозподілу, що дозволяє відслідковувати надійність поставки ЦП конкретним споживачам і якість функціонування системи в цілому;

ѕ оптимізації процесів функціонування ТТРС, що дозволяє виважено використовувати матеріальні й фінансові ресурси;

ѕ автоматизації процесів функціонування ТТРС, що дозволяє скоротити потреби в трудових ресурсах.

Актуальність завдання щодо забезпечення ефективності експлуатації ТТРС є очевидною. Вирішення завдань, спрямованих на підвищення ефективності функціонування ТТРС з безперервним стохастичним характером споживання ЦП вимагає комплексного системного розгляду. Саме ці завдання покладені в основу дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Робота виконана відповідно до технічного завдання за розділами: “а) Розробка імітаційної моделі системи подачі й розподіли води (СПРВ) окремого району; б) Розробка математичної моделі СПРВ району для вирішення завдань диспетчерського управління; в) Розробка математичної моделі функціонування системи водопостачання, що складається з декількох взаємозалежних зон” теми № 601/86 “Оптимізація процесів прийняття рішень при управлінні режимами функціонування систем водопостачання” (Державна реєстрація № 01860126072; Інв. № 02880070779, Зареєстрований УкрІНТЕІ).

Робота виконана згідно з напрямком наукової роботи Харківської національної академії міського господарства спільно з Харківським міським виконкомом за програмою науково-дослідної роботи “Програма розвитку й реформування житлово-комунального господарства м. Харкова на 2003-2010 рр.” №1801/03 від 15.04.2003 р., згідно з напрямком наукової роботи Харківської національної академії міського господарства спільно з Харківською обласною державною адміністрацією за програмою науково-дослідної роботи “Програма розвитку й реформування житлово-комунального господарства Харківської області на 2003-2010 рр.” №1811/03 від 03.05.2003 р. У рамках цих програм автором розроблені розділи інформаційно-аналітичного забезпечення вирішення завдань для ТТРС у рамках створення єдиного інформаційного простору м. Харкова.

Наукові результати роботи отримані відповідно до “Цільової комплексної програми розвитку транспортного комплексу України „транспорт” (1992-2010 рр.)”, “Загальнодержавної програми реформування і розвитку житлового комунального господарства на 2004-2010 рр.”, затвердженої Законом України від 24.06.2004 року № 1869-IV.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності функціонування ТТРС з безперервним стохастичним характером споживання ЦП.

Для досягнення поставленої мети визначені такі основні завдання дослідження:

1. Проаналізувати теоретичні й практичні наукові досягнення у галузі трубопровідного транспорту.

2. Розробити імітаційну модель безперервного стохастичного процесу споживання ЦП.

3. Розробити імітаційну модель ТТРС і провести дослідження кількісних й якісних характеристик її використання.

4. Розробити метод синтезу агрегованої моделі ТТРС для вирішення завдання оцінки ефективності функціонування ТТРС у процесі оперативного управління режимами функціонування ТТРС.

5. Розробити критерій оцінювання ефективності функціонування ТТРС.

Об'єкт дослідження – процес функціонування трубопровідної транспортної розподільної системи.

Предметом дослідження є ефективність функціонування ТТРС із безперервним стохастичним характером споживання цільового продукту.

Методи дослідження, використані в роботі, – теорії графів, теорії планування експерименту, теорії ієрархічних багаторівневих систем, теорії прийняття рішень, математичної статистики, імітаційного моделювання, математичного програмування, теорії ймовірностей, математичного й цифрового моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Уперше запропонований метод синтезу сімейства імітаційних моделей функціонування ТТРС із безперервним характером споживання, який дозволяє одержувати ієрархію імітаційних моделей для діючої ТТРС.

2. Уперше запропоновано технологію порівняльного аналізу агрегованих моделей на основі обчислювального експерименту, яка дозволяє одержувати оцінку області застосування відповідної моделі без проведення натурних експериментів на діючому об’єкті.

3. Набув подальшого розвитку метод оцінювання ефективності функціонування трубопровідної транспортної розподільної системи, яка дозволяє зв'язувати ефективність функціонування як з погляду поточного стану, так і життєвого циклу функціонування системи.

4. Набув подальшого розвитку напрямок у математичному моделюванні ТТРС, який базується на концепції об’єктно-орієнтованого аналізу і декомпозиції, що дозволяє реалізувати гнучкий процес дослідження і управління складними технічними об'єктами.

5. Основні результати роботи знайшли застосування в управлінні існуючими ТТРС і дозволяють завдяки адекватного оцінювання стану об'єкта забезпечувати вибір раціонального рішення у процесі прийняття рішень про вибір і зміну режимів функціонування ТТРС.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані методи синтезу імітаційної моделі об'єкта, методи аналізу, технології дослідження дозволяють:

1. Одержувати адекватну оцінку стану діючої ТТРС.

2. Одержувати оцінку ефективності функціонування ТТРС з безперервним стохастичним характером споживання ЦП.

3. Забезпечувати інформаційно-аналітичну підтримку прийняття рішень у системах автоматизованого управління ТТРС для диспетчерського персоналу.

4. Одержувати оцінку ефективності системи реєстрації й збору оперативної інформації про стан ТТРС.

5. Акумулювати інформаційну базу для довгострокового планування робіт з реконструкції й розвитку ТТРС.

6. Моделювати розподіл споживання ЦП при розв’язання завдань з проектування нових і реконструкції існуючих ТТРС.

Результати дослідження можуть використовуватися при експлуатації ТТРС для:

1) навчання диспетчерського персоналу як елемента, що забезпечує контроль і оцінювання дій персоналу;

2) прийняття рішень як елемента, що генерує множину можливих станів системи та імітує можливі наслідки прийнятих рішень;

3) оптимального вибору режимів роботи ТТРС як технології, що породжує область визначення можливих станів діючого об'єкта при вирішенні задачі оптимізації процесу функціонування ТТРС.

Результати виконаних досліджень використані при розробці програмних засобів для системи оперативного управління режимами функціонування системи подачі і розподілу води Виробничого управління водопровідно-каналізаційного господарства м. Київ і при підготовці навчального курсу з дисципліні “Комп'ютерна техніка і програмне забезпечення” у ХНАМГ.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом самостійної роботи автора. У роботах, опублікованих у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в розробці методики імітаційного моделювання [1, 4]; у статистичній обробці результатів моделювання витрат [3]; у комп’ютерному моделюванні потокорозподілу в інженерній мережі [10, 11]; у побудові матриці чутливості елементів локальної підсистеми [12].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи подані й розглянуті на таких конференціях та семінарах:

? 2-а міжнародна конференція “Теорія и техніка передачі, прийому і обробки інформації”. Харків – Туапсе, 1996;

? 5-а міжнародна конференція “Теорія техніка передачі, прийому і обробки інформації”. Харків – Туапсе, 1999;

? 6-а всеукраїнська конференція “Автоматика 99”, Харків, 1999;

? ІІ міжнародна науково-практична конференція “Сталий розвиток міст. Проблеми и перспективи енерго-, ресурсозабезпечення житлово-комунального хазяйства”, Харків, 2003;

? V міжнародна науково-практична конференція “Сталий розвиток міст. Сучасні технології управління міським и регіональним розвитком”, Харків, 2006;

? XXXIII науково-технічна конференція викладачів, аспірантів і співробітників ХНАМГ. Харків, 2006;

? науково-методичні семінари кафедри прикладної математики і інформаційних технологій ХНАМГ (Харків, 2003–2006 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 робіт. Основні наукові результати відображені у 9 наукових статтях у виданнях, затверджених в переліку ВАК України для технічних спеціальностей, і у 1 тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 49 найменувань й 8 додатків. Обсяг роботи становить 160 сторінок, у тому числі 132 сторінки основного тексту, 30 ілюстрації і 23 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, наведено її зв'язок з науковими програмами й темами. Сформульовано мету і завдання дослідження, дано характеристику наукової новизни, теоретичного і практичного значення отриманих результатів. Виділено особистий внесок здобувача.

У першому розділі “Огляд стану проблеми і вибір напрямків дослідження” проведено аналіз сучасного стану проблеми. Розглянуто функціональне призначення трубопровідної транспортної розподільчої системи, що полягає у безперервному постачанні ЦП споживачам у заданому обсязі і заданої якості при заданій надійності за умовами стохастичного відбору ЦП. Визначено труднощі, що виникають у процесі функціонування трубопровідної системи.

В огляді літератури, присвяченій питанням функціонування сучасних ТТРС, розглянуто різні підходи до оцінювання стану й параметрів процесів, що протікають при роботі цих систем.

Аналіз практичного досвіду з експлуатації ТТРС дозволив сформулювати основні завдання дослідження, а саме: розробка імітаційної моделі безперервного стохастичного процесу споживання ЦП, розробка імітаційної моделі функціонування ТТРС з проведенням дослідження кількісних і якісних характеристик її експлуатації, розробка методу синтезу агрегованої моделі ТТРС для вирішення завдання вибору режиму роботи, уточнення критеріїв оцінювання ефективності функціонування ТТРС.

Виходячи з цих передумов, вирішення завдань дослідження спирається на використання методів теорії графів, теорії прийняття рішень у багатокритеріальних задачах, оптимізації і математичного програмування, теорії управління, дослідження операцій, математичної статистики.

У другому розділі “Узагальнена постановка задачі аналізу потокорозподілу в ТТРС” розглядаються оптимізаційні задачі, що виникають у процесі функціонування ТТРС з безперервним стохастичним процесом споживання ЦП. Особлива увага приділяється інформаційно-аналітичній системі підтримки прийняття рішень при диспетчерському виборі режиму функціонування ТТРС. Розглянуто математичну модель фізичного процесу розподілу потоків цільового продукту й критерії ефективності системи.

За особливостями функціонування ТТРС належить до класу багатовимірних, нелінійних, стохастичних систем з великою кількістю внутрішніх і зовнішніх зв’язків, з розподіленими параметрами, із сітьовою багаторівневою структурою. Управління такою системою здійснюється в умовах неповної, недостовірної інформації про стан ТТРС і, як правило, в умовах жорсткого дефіциту ресурсів і має бути автоматизованим, багатоцільовим, багаторівневим, з високими показниками надійності. Дефіцит ресурсів і технологічні обмеження значно ускладнюють розв’язання завдання щодо забезпечення ефективного функціонування ТТРС. У грошовому вираженні ефективність функціонування ТТРС визначається як співвідношення доходів від надання послуг із транспортування ЦП до витрат на функціонування системи. Управління такою складною системою спирається на принципи теорії систем і методологію об’єктно-орієнтованого аналізу (рис. 1).

Рис. 1. Об'єкти, стани в процесі функціонування ТТРС

Управління ТТРС – цілеспрямований комплекс взаємозалежних заходів технічного й організаційного рівня. При декомпозиції процесу управління останній розподіляється на три контури управління: технологічний, організаційно-економічний, інформаційно-аналітичний.

У рамках технологічного контуру функціонують підсистеми, які реалізують головне функціональне призначення ТТРС, – поставка ЦП і допоміжні підсистеми, що забезпечують функціонування основного функціонального компонента в штатних ситуаціях і ліквідацію наслідків позаштатних ситуацій.

У рамках організаційно-економічного контуру функціонують адміністративна структура управління підприємством і фінансово-економічна підсистема.

Інформаційно-аналітичний контур управління є унікальним за своєю природою. Це водночас і підсистема підприємства, і інформаційна метасистема, яка акумулює інформаційну історію як технологічну, так й організаційну, регулюючи інформаційні потоки оперативного управління, економічного аналізу і стратегічного планування діяльності підприємства. Єдність інформаційно-аналітичної підсистеми відображає факт єдності самої ТТРС як цілісної системи.

Встановивши функціональне призначення і межі ТТРС, як цілісної системи, можна стосовно системи виявити зовнішні об'єкти, які в термінології теорії систем формують “зовнішнє середовище” функціонування ТТРС. Середовище функціонування ТТРС наповнюють наступні об'єкти й системи: споживачі ЦП; трубопровідна транспортна система; постачальники різного роду матеріальних ресурсів; органи державного й територіального управління та контролю.

Завдання аналізу функціонування ТТРС з безперервним стохастичним характером споживання ЦП є ключовим у прийнятті рішень про вибір режиму функціонування ТТРС. Складність ТТРС, її виняткова важливість для життєзабезпечення населення визначає необхідність розробки системи інформаційно-аналітичної підтримки прийняття рішень.

Аналіз функціонування ТТРС дозволив не тільки виділити контури управління, що впливають на підвищення ефективності функціонування, а також окреслити межу їхньої відповідальності в процесі оперативного вибору й зміни режимів функціонування ТТРС. Розглянуто математичну модель потокорозподілу як модель фізичного процесу, що описує розподіл потоків ЦП в ТТРС. У процесі життєвого циклу системи її фактичні параметри безперервно змінюються і є функціями від часу експлуатації. Стан споживачів ТТРС є водночас ендогенним й екзогенним фактором, що визначає стан системи. Цей фактор є ендогенним стосовно взаємної незалежності вимог споживачів до характеру подачі ЦП. З іншого боку, взаємозалежність споживачів між собою і залежність від стану активних ділянок мережі визначає, в остаточному підсумку, рівень споживання, тобто екзогенний розподіл потоків ЦП у ТТРС.

За класифікацією узагальнені показники ефективності функціонування ТТРС залежно від тривалості часу спостереження розділяються на дві непересічні множини. Миттєві узагальнені показники ефективності функціонування є такими, що формують цільову функцію у процесі оперативного вибору й зміни режиму функціонування, а інтегральні узагальнені показники формують цільову функцію для планування профілактичних заходів, ремонтних робіт, генерації проектів з реконструкції й розвитку системи.

Запропоновано критерії ефективності функціонування ТТРС з безперервним стохастичним процесом споживання ЦП як цільові функції для процесу оперативного вибору режиму функціонування ТТРС.

У третьому розділі “Імітаційне моделювання процесу функціонування ТТРС” розглянута методологія процесу імітаційного моделювання функціонування ТТРС з безперервним стохастичним споживанням ЦП.

Модель стохастичного процесу споживання ЦП безпосередньо визначає результати імітаційного моделювання, метод синтезу ієрархії імітаційних моделей ТТРС і їхню порівняльну характеристику. Для синтезованих моделей розглянуті критерії вибору імітаційної моделі для вирішення завдання вибору режимів функціонування ТТРС і побудовано імітаційну модель стохастичного споживання ЦП. Характеристики споживача з урахуванням потреби в цільовому продукті як випадкові функції часу доводять, що рівень споживання окремим споживачем визначається не тільки станом входів, але і потребами інших учасників процесу споживання.

Під потребою i-го абонента будемо розуміти пари значень , де – мінімальний припустимий тиск, обумовлений характеристикою споживача (поверховістю для житлових будинків, вхідним значенням тиску для бойлерних станцій і т. ін.); – потрібна витрата як випадкова функція часу.

На ділянці трубопроводу фіксованого діаметра при відсутності аварії на цій ділянці можна подавати ЦП в обсязі q, що є максимально можливою витратою на ділянці. Якщо обрати в якості ділянки підведення до споживача, тоді можна стверджувати, що q є максимально можлива витрата для споживача. Будемо вважати, що q – максимальне значення потрібного споживачеві ЦП, тоді в будь-який момент часу t для i-го споживача

, (1)

де – випадкова функція, що належить інтервалу [0,1].

Нерівномірність споживання протягом доби приводить до того, що

, (2)

де ,1(t)0. Величину назвемо забезпеченістю споживача, тоді, подаючи споживачеві витрату

, (3)

забезпечимо його потреби:

, (4)

, (5)

, (6)

З огляду на те, що

, (7)

одержимо

. (8)

Таким чином, , де, , – вимір тиску на i-му споживачеві.

Розглядаючи n споживачів, одержимо випадковий вектор , де . Тобто, забезпеченість n споживачів зводиться до наступного: , де – n-вимірний гіперкуб зі стороною . У загальному випадку область є функцією часу.

Значення витрати у споживача розглянемо у вигляді , – коефіцієнт комфортності споживача, – мінімально необхідні потреби. Модель споживача відображає той факт, що його потреби належать обмеженій області . Позначимо як максимальне значення коефіцієнта комфортності. З очевидних міркувань . З урахуванням коефіцієнта комфортності область припустимих рішень приймає вигляд , де елементами задовольняючими таким умовам, є , де є константою, а . Тоді – область визначення витрати, обумовлена можливістю ТТРС

, (9)

де ri – характеристика ступеня доступності цільового продукту, що залежить від: стану насосних станцій і місця розташування i-го споживача (близькість до насосних станцій, близькість розташування до великих магістральних ділянок розподільної мережі).

Для створення математичної моделі ТТРС, яка належить до класу об'єктів мережевої структури (інженерних мереж), скористаємося математичною моделлю сталого процесу потокорозподілу (ММ СППР).

ММ СППР – це система нелінійних рівнянь у сукупності із системою лінійних рівнянь зв'язку. Її параметрами є структура графа і навантажувальні характеристики дуг графа. Відзначимо, що структура графа визначає розмірність системи нелінійних рівнянь. Позначимо:

– i-я сукупність параметрів ММ СППР – модель;

– інтервал часу формування управляючого рішення, або обмеження на час моделювання;

– інтервал часу моделювання для моделі ;

– вектор вимір напору у вузлах системи подачі і розподілу води (СПРВ), де – вимір напору на входах активних ділянок, – вимір напору на виходах активних ділянок, – вимір напору в контрольованих вузлах.

– вектор напору, отриманий при моделюванні за моделлю , має таку ж структуру, що й вектор вимірів.

Можливо використовувати ММ СППР при вирішенні завдання раціонального вибору стану СПРВ за результатами розрахунку ММ СППР на обраній моделі. Процес моделювання повинен задовольняти таким вимогам: обмеженням на час моделювання (вимога 1) і забезпеченню можливості розширеної оцінки стану об'єкта (вимога 2), тобто одержання розумних значень напору у вузлах моделі, що відповідають неконтрольованим вузлам реальної СПРВ, забезпеченню адекватності моделі.

Ці вимоги визначають протилежні тенденції при виборі параметрів ММ СППР для конкретної мережі. Забезпечити високу швидкість моделювання можна при зменшенні розмірності системи нелінійних рівнянь (спрощення структури графа). Для задоволення вимоги щодо високої швидкості моделювання з множини моделей слід вибирати модель, за критерієм

. (10)

Якщо визначено величину та існує підмножина моделей , така, що , то можна обрати або знайти модель одним зі способів: –

посилити умови моделювання, тобто вибрати нове значення інтервалу часу формування рішення про зміну конфігурації насосного обладнання

; (11)–

спробувати забезпечити вимогу 2 і вибрати модель ? за критерієм

. (12)

Це дозволить серед моделей, які задовольняють обмеженням за часом, вибрати найбільш інформативну.

Оцінку адекватності обраної моделі можна провести при наявності інформації про виміри параметрів потокорозподілу, які отримані з вимірювальною апаратурою, що встановлена на діючій ТТРС. У разі безаварійної роботи ТТРС оперативний вибір і зміна режиму роботи – це зміна конфігурації елементів на активних ділянках. Складова найменш динамічна і при моделюванні можна покласти . Якщо на попередніх етапах моделювання вирішене завдання ідентифікації параметрів елементів активних ділянок, то критерій адекватності моделювання задовольняє умові

, (13)

де – точність вимірювальної апаратури, або вимога до точності моделювання.

При роботі з моделлю ТТРС активні ділянки представляються вузлами виходів активних ділянок. У цьому разі критерій адекватності моделювання можна сформулювати у вигляді

,

, (14)

,

де – відповідно вимір і модельне значення витрати на j-й активній ділянці.

Через обмеженість оперативної інформації про стан мережевої системи при виборі моделі реально можна використати сукупність критеріїв.

Запропоновано процедуру структурного перетворення графа мережі як параметра математичної моделі сталого потокорозподілу для синтезу сукупності імітаційних моделей ТТРС з безперервним стохастичним характером споживання цільового продукту. Для синтезованих моделей запропоновані критерії оцінювання адекватності моделі, які дозволяють ранжирувати моделі за призначенням їх використання.

У четвертому розділі “Функціонально-логічні структури. Моделі і методи й методи їхньої оптимізації” розглянуто апарат функціонально-логічних схем для побудови інформаційно-аналітичної системи підтримки прийняття рішень, які поєднують у рамках єдиного інформаційного простору комплекс взаємозалежних підсистем, що забезпечують вирішення завдань предметної області. Синтез структури системи і її підсистем, розробка структури математичного забезпечення, що буде їх обслуговувати, може бути зведена до математичного апарата функціонально-логічних схем багатозначної логіки. Апріорна інформація дозволяє вибрати ознаки, які однозначно ідентифікують кожний стан, і розподілити можливі стани на підмножини – класи. Існують такі послідовності визначення й аналізу ознак, які забезпечують визначення класу поточного стану з мінімальними тимчасовими або матеріальними витратами. Можливість вибору послідовності ознак вказує, що оптимізація структури вимагає враховувати можливу транспозицію вершин у кодовому дереві. Висловлення, які допускають кілька значень істинності, можуть бути як елементарними, так і складними. Вони формують словник ознак. Ознаками можуть виступати судження якісного характеру типу “наявність-відсутність” яких-небудь властивостей досліджуваної ТТРС. Елементарні висловлення можуть відповідати параметрам ТТРС, які описуються безперервними функціональними залежностями. У цьому випадку пропонується використання апарата функціонально-логічних схем для оцінки влучення значення безперервної фізичної величини в задані інтервали.

У п’ятому розділі “Результати експериментальних дослідженнь” розглядаються результати експериментальних досліджень синтезованих імітаційних моделей. ТТРС належить до класу систем життєзабезпечення і проведення повноцінних експериментальних досліджень із цілісною системою практично неможливо або утруднено. Можна проводити окремі дослідження під час, коли інтегрована функціональність системи не затребувана, наприклад, уночі, коли споживачі майже не користуються послугами системи, або елементи системи переключені в автономний режим роботи на певний період часу. Наведено стратегії планування обчислювальних і натурних експериментів.

Обчислювальний експеримент являє собою послідовність розрахунків, при якій поводження діючого об'єкту розглядається як результат розрахунку імітаційної моделі з повною структурною й параметричною відповідністю. Варто помітити, що така технологія дослідження має значну перевагу проти проведенням експериментів на діючому об'єкті. Завдяки методу параметричного і топологічного перетворення імітаційної моделі з повною структурною й параметричною відповідністю було побудовано сімейство агрегованих моделей. За допомогою обчислювальних експериментів досліджена адекватність побудованих агрегованих моделей за різних умов розподілу споживання ЦП у вигляді середнього відхилення тиску в контрольованих вузлах (рис. 2) і максимального відхилення тиску у контрольованих вузлах (рис. 3).

Рис. 2. Обчислювальний експеримент. Середнє відхилення тиску, м

Рис. 3. Обчислювальний експеримент. Максимальне відхилення тиску, м

Використання достовірної інформація від датчиків дозволяє майже повністю зняти невизначеність системи у поточний момент часу й підвищити ефективність функціонування ТТРС.

Пасивний натурний експеримент полягає у наступному:

1. З бази даних телеметричної системи збору інформації від датчиків виміру значення тиску на мережі відбирають два послідовних набори вимірів. Обрана пара наборів виміру тиску задовольняє такій вимозі: між проведеними вимірюваннями змінився склад включених до роботи насосних агрегатів на насосних станціях.

2. Стан параметрів агрегованої оцінюється за допомогою розрахунку ММ СППР за умов використання процедури генерації розподілу споживання агрегованої моделі.

3. Розрахунок агрегованої моделі після зміни складу включених насосних агрегатів із застосуванням моделі розподілу споживання й вимірам тиску на виходах насосних станцій узятим із другого набору вимірів.

4. Виконується аналіз відхилення показань тиску в контрольованих вузлах із другого набору вимірів і значень тиску, отриманих у результаті розрахунку.

Не існує технічних і теоретичних обмежень на установку датчиків на кожному споживачеві й у кожному вузлі системи. Однак функціонування системи стає неефективним з економічної точки зору. Найбільш стабільні показники транспортних характеристик ЦП спостерігаються на їх джерелах, менш стабільні – у найближчих вузлах, а найбільш нестабільні – на споживачах.

Ступінь нестабільності транспортних характеристик на споживачах дуже високий, тому усунення нестабільних споживачів знижує розмірність системи й прискорює процес розрахунку і практично не позначається на адекватності розрахунку потокорозподілу (рис. 4). Установка датчиків на споживачах є малоефективною, оскільки знімає невизначеність тільки на одній кінцевій ділянці мережі. Чим далі вузол розташований від споживача і джерела, тим більше корисної інформації може дати встановлений у цьому вузлі датчик. Це характеризують похибки: абсолютна (рис. 5) та відносна (рис. 6).

Рис. 4. Порівняння показників тиску на об’єкті і моделі

Рис. 5. Натурні експерименти. Абсолютна похибка, м

Рис. 6. Натурні експерименти. Відносна похибка, %

Використання методу для складних ТС систем дозволяє вирішувати два завдання: з одного боку, забезпечувати належну вірогідність результатів за рахунок використання поточних показань датчиків, а, з іншого, досягати максимально можливу швидкодію отримання результатів за рахунок агрегування системи.

ВИСНОВКИ

Основні наукові результати, висновки й практичні рекомендації полягають у наступному:

1. Значущість трубопровідних систем у забезпеченні якості життя населення, обмеженість ресурсів і жорсткі екологічні норми потребують оновлення технології експлуатації трубопровідних транспортних розподільних систем і новітнього розв’язання завдань оперативного вибору й зміни режимів відбору, підготовки, транспорту й розподілу ЦП.

2. Підвищення ефективності функціонування ТТРС досягається за рахунок чіткого розподілу відповідальності між центрами управління. Аналіз процесів функціонування ТТРС дозволив виділити контури управління і окреслити межі їхньої відповідальності в процесі оперативного вибору й зміни режимів функціонування ТТРС.

3. Дослідження існуючих показників ефективності функціонування ТТРС виявило недосконалість методів оцінювання ефективності функціонування ТТРС. Запропоновані уточнення класифікації узагальнених показників ефективності функціонування ТТРС дозволяють проводити комплексне оцінювання ефективності функціонування ТТРС з безперервним характером споживання ЦП.

4. Ефективність функціонування ТТРС з безперервним стохастичним характером споживання залежить від розподілу ЦП між споживачами.

5. Підвищення ефективності функціонування ТТРС можна досягати завдяки розробленій математичній моделі розподілу споживання ЦП, у якій стан споживача функціонально залежить як від стану активних елементів, а також і від поведінки інших споживачів.

6. Прийняття рішень, що забезпечують ефективне функціонуванню транспортної системи неможливо без використання достовірної інформація від датчиків вимірювання миттєвих показників потокорозподілу, що дозволяє зняти невизначеність стану системи в поточний момент часу.

7. Точність та інтервал часу оцінювання ефективності функціонування ТТРС в оперативному режимі залежать від розмірності вектора вимірювань миттєвих показників потокорозподілу на ТТРС.

8. Обмеження на проведення досліджень в умовах діючої ТТРС з безперервним стохастичним характером споживання ЦП визначають необхідність розробки імітаційних моделей функціонування ТТРС.

9. Розроблений метод побудови імітаційної моделі функціонування ТТРС дозволяє побудувати сімейство імітаційних моделей для діючого об’єкта. У результаті порівняльного аналізу імітаційних моделей функціонування ТТРС виконана процедура їхнього ранжирування за областю їхнього застосування при вирішенні завдання оцінювання ефективності функціонування ТТРС, як у процесі експлуатації, так і прийнятті рішень з реконструкції та розвитку ТТРС.

10. Побудова імітаційних моделей функціонування ТТРС і дослідження їх характеристик неможливі без використання сучасних інформаційних технологій створення програмного забезпечення. Розроблено програмне забезпечення, що дозволяє провести всебічний аналіз дієздатності імітаційної моделі і може використовуватися у системах прийняття рішень у подальшому.

11. Прийняття рішень у процесі вибору і зміни режимів функціонування ТТРС базується на підсистемі інформаційно-аналітичної підтримки, що дозволяє акумулювати в хронологічному порядку комплексну інформацію про життєвий цикл ТТРС.

12. Оперативний вибір і зміна режимів функціонування ТС, здійснення економічного аналізу й стратегічного планування діяльності підприємства, що її експлуатує, забезпечується комплексною обробкою інформаційних потоків із застосуванням функціональних можливостей розробленої системи інформаційно-аналітичної підтримки прийняття рішень.

13. Підвищення ефективність функціонування ТТРС може бути досягнуто шляхом застосування раціональної поведінки диспетчерського персоналу в процесі оперативного вибору режимів функціонування, вибір якої обґрунтовано в роботі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Федоров Н.В., Малыхин А.В., Яковицкий И.Л. Возможности имитации при построении моделей гидравлической системы // Методы анализа и оптимального синтеза трубопроводных систем. – Иркутск: СЭИ СО АН СССР. 1990, – С. 182-187.

2. Яковицкий И.Л. Системы подачи и распределения воды – назначение и надежность // Коммунальное хозяйство городов. – К.: Техніка, 1998. – Вып.16. – С. 97-99.

3. Федоров Н.В., Малыхин А.В., Яковицкий И.Л. Моделирование расходов на выходах имитационной модели системы подачи и распределения воды / Деп. в УКРНИИНТИ №3038-Ук 87. 1987г.

4. Федоров Н.В., Малыхин А.В., Яковицкий И.Л. Способы построения и анализа имитационных моделей системы подачи и распределения воды при полном объёме информации о её структуре и параметрах // АСУ и приборы автоматики. – Харьков: ХГУ, 1989. – Вып.91. – С. 123-128.

5. Яковицкий И.Л. Алгоритм принятия решений в аварийной ситуации на инженерной сети // Коммунальное хозяйство городов. Архитектура и технические науки. – К.: Техніка, 2002. – Вып.36. – С. 470-473.

6. Яковицкий И.Л. Имитационное моделирование гидравлической системы // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. – Харьков: Издание Государственной администрации железных дорог Украины, 1999. – №1. – С. 89-92.

7. Яковицкий И.Л. Информационная модель адресного реестра. Анализ инструментального обеспечения // Коммунальное хозяйство городов. Технические науки и архитектура. – К.: Техніка, 2006. – Вып.69. – С. 126-129.

8. Яковицкий И.Л. Принципы выбора модели системы подачи и распределения воды для задачи оперативного управления // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Новые решения в современных технологиях. – Харьков: ХГПУ, 1999. – Вып.46. – С. 33-34.

9. Рябченко И.H., Яковицкий И.Л., Маслак В.Н. Система поддержки принятия решений оперативного управления и проектирования СПРВ // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Системный анализ, управление и информационные технологии. – Харьков: ХГПУ, 2000. – Вып.97. – С. 84-88.

10. Тевяшев А.Д., Козыренко С.И., Яковицкий И.Л. Эффективный метод декомпозиции водопроводной сети на локальные подсистемы // 2-я международная конференция Теория и техника передачи, приема и обработки информации. – Харьков – Туапсе: ХТУРЭ, 1996. – С. 266.

АНОТАЦІЯ

Яковицький Ігор Леонідович. Ефективність функціонування агрегованих трубопровідних транспортних розподільних систем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.01 – транспортні системи. – Харківська національна академія міського господарства, Харків, 2007.

Дисертаційна робота присвячена питанням підвищення ефективності функціонування трубопровідних транспортних розподільних систем з безперервним стохастичним характером споживання цільового продукту. Розглянуті критерії оцінки ефективності й розроблені процедури побудови моделі безперервного стохастичного процесу споживання як елементу імітаційної моделі ТТРС. Розроблені процедури топологічного синтезу імітаційної моделі ТТРС для вирішення задачі оцінювання ефективності роботи ТТРС у процесі вибору режиму функціонування ТТРС.

Запропонований метод синтезу сімейства імітаційних моделей функціонування ТТРС з безперервним характером споживання дозволяє одержувати ієрархію імітаційних моделей для конкретного об'єкта. Розроблено метод порівняльного аналізу агрегованих моделей на основі обчислювального експерименту, що дозволяє оцінити область застосування відповідної моделі без проведення натурних експериментів. Одержав подальший розвиток метод оцінювання ефективності функціонування ТТРС, що дозволяє оцінювати ефективність функціонування з єдиних позицій, як на інтервалі оперативного управління, так і з погляду життєвого циклу функціонування системи в цілому.

Ключові слова: трубопровідна транспортна розподільна система, критерій ефективності, імітаційне моделювання, інтерактивна система прийняття рішення, розподіл споживання, математична модель сталого процесу потокорозподіл, стохастичний процес споживання, планування експерименту.

АННОТАЦИЯ

Яковицкий Игорь Леонидович. Эффективность функционирования агрегированных трубопроводных транспортных распределительных систем. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.01 – транспортные системы. – Харьковская национальная академия городского хозяйства, Харьков, 2007.

Диссертационная работа посвящена методам повышения эффективности функционирования трубопроводных транспортных распределительных систем с непрерывным стохастическим характером потребления целевого продукта.

Рассмотрены критерии оценивания эффективности и разработаны процедуры построения имитационной модели непрерывного стохастического процесса потребления.

Разработан метод топологического синтеза имитационной модели ТТРС для решения задачи оценивания эффективности функционирования ТТРС в процессе оперативного выбора и изменения режимов работы ТТРС. Проведено исследование количественных и качественных характеристик её эксплуатации.

В работе развивается существующее направление в математическом моделировании, основанное на концепции объектно-ориентированного анализа и декомпозиции, которое позволяет реализовать гибкий процесс исследования и управления сложными техническими объектами. Предложен метод синтеза семейства имитационных моделей функционирования ТТРС с непрерывным характером потребления, который позволяет получать иерархию имитационных моделей для конкретного объекта. Разработан метод сравнительного анализа агрегированных моделей на основе вычислительного эксперимента, что дает возможность оценивать область применения соответствующей модели без проведения натурных экспериментов.

Получил дальнейшее развитие метод оценивания эффективности функционирования ТТРС, как функции цели, связывающей эффективность функционирования, как в процессе оперативного выбора и изменения режима работы ТТРС, так и с точки зрения жизненного цикла функционирования системы в целом.

Основные результаты работы нашли применение в процедурах принятия решений при выборе и изменении режимов работы действующих ТТРС. На основе адекватной оценки состояния объекта они позволяют обеспечить выбор рационального решения в процессе принятия решений о выборе режима работы ТТРС. Предложенные методы анализа, процедуры синтеза модели объекта и технологии исследования позволяют получать: оценку эффективности функционирования ТТРС с непрерывным стохастическим характером потребления ЦП; адекватную оценку состояния функционирующей ТТРС; обеспечивать информационно-аналитическую поддержку принятия решения в системах автоматизированного управления для диспетчерского персонала; оценивать эффективность системы регистрации и сбора оперативной информации о состоянии ТТРС; аккумулировать информационную базу для долгосрочного планирования работ по реконструкции ТТРС; моделировать потребление для решения задач проектирования и реконструкции ТТРС. Результаты могут быть использованы в комплексных автоматизированных системах для: обучения диспетчерского персонала; оптимального выбора режима работы ТТРС в качестве процедуры, порождающей область определения возможных состояний действующего объекта, решения задачи оптимизации процессов функционирования ТТРС.

Ключевые слова: трубопроводная транспортная распределительная система, критерий эффективности, имитационное моделирование, интерактивная система принятия решения, математическая модель установившегося процесса потокораспределения, стохастический процесс потребления, объектно-ориентированный анализ и декомпозиция, планирование эксперимента.

ABSTRACT

Iakovytskyi I.L. The Effectiveness of Aggregated Tube Transport Distributing Systems Functioning. – The Manuscript.

The dissertation is on competition of a scientific degree of candidate of technical sciences on a specialty 05.22.01 – transport systems. Kharkiv National Academy of Municipal Economy, Kharkiv, 2007.

The dissertation is devoted to the methods of increasing of the effectiveness of aggregated tube transport distributing systems with stochastic continuous consumption of desired product functioning.

The existing in mathematical modeling guideline founded on the conception of an object-oriented analysis and decomposition that allows realizing the flexible process of complicated technical objects researching and controlling is developed in the work.

The method of synthesis of imitating models family of functioning of tube transport distributing systems with continuous consumption is suggested that allows getting of the imitating models hierarchy for a concrete object.

On the base of the computational experiment the aggregated models comparative analysis method is designed that allows evaluating of the appropriate model application area without full-scale experiments.

The method of evaluating of aggregated tube transport distributing systems functioning effectiveness has achieved its further development. The criterion functional binds the effectiveness of functioning as at the interval of day-to-day management as at that of system vital circle at all.

Keywords: tube transport distributing systems, imitating modeling, stochastic continuous consumption, object-oriented analysis and decomposition, interactive system of decision-making support.

Ефективність функціонування

агрегованих трубопровідних транспортних

розподільних систем

Відповідальний за випуск Линник І.Е.

Підп. до друку 09.02.2007 р.

Друк на ризографі

Замовл. № 3389 | Формат 60х84 1/16. Папір офісний

Обсяг 0,9 обл. – вид. арк.

Тираж 100 прим.

Харківська національна академія міського господарства

Сектор оперативної поліграфії ІОЦ ХНАМГ

Україна, 61002, м. Харків, вул. Революції, 12