Разработка информационно-аналитической системы управления топливоснабжением распределенного теплоснабжения

Актуальность проблемы.

В целях модернизации и технологического развития российской экономики и повышения ее конкурентоспособности определены приоритетные направления развития науки, технологии и техники [1]. Использование в энергетической отрасли альтернативных источников энергии, в том числе местные возобновляемые энергоресурсы, связано с такими приоритетными направлениями развития как «Энергоэффективность и энергосбережение» и «Рациональное природопользование», «Информационно-телекоммуникационные системы» .

Важность переоценки роли местных возобновляемых источников энергии зафиксирована в Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года и определена Указом Президента Российской Федерации № 889 от 4 июня 2008 года «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики», в которых в целях снижения к 2020 году энергоемкости валового внутреннего продукта Российской Федерации не менее чем на 40 процентов по сравнению с 2007 годом, обеспечения рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов ставится задача поддержки и стимулирования использования возобновляемых источников энергии и экологически чистых производственных технологий.

Одним из основных условий ускорения научно-технического прогресса и развития экономических систем является информатизация производственных процессов. В этой связи необходимость разработки информационно-аналитической системы (ИАС), позволяющей автоматизировать процесс управления при переводе системы теплоснабжения на альтернативные источники энергии является актуальной задачей.

Актуальность рассматриваемой тематики обусловлена современными тенденциями совершенствования механизмов оперативного управления различного рода организационными системами. Так при внедрении инновационных технологий энергосбережения необходимо строить оптимальное логистическое управление организационной системой топливоснабжения. Постоянное развитие и усложнение экономических и производственных связей между объектами требует применение современных управленческих концепций, которые строятся на сложных экономико-математических моделях. Учесть весь спектр взаимосвязей между объектами в модели позволяет применение современных информационных технологий.

Исследование и определение рациональных направлений обеспечения топливными ресурсами потребителей региона является важной составляющей системного подхода к управлению топливоснабжением региональной распределенной системы теплоснабжения, который является необходимым условием эффективного функционирования топливно-энергетического комплекса региона. Математические модели, описывающие логистическое управление, позволяют организовать производство и потребление топлива в системе, исходя из принципов оптимальности, обеспечивая энергетическую безопасность региона.

Для обеспечения надежного и непрерывного топливоснабжения региона необходима своевременная и адекватная реакция на возникающую угрозу энергетической безопасности. Реализация системы оперативных и долгосрочных мер по предупреждению и нейтрализации угрозы сбоя топливоснабжения и связанных с этим больших финансовых и социальных издержек, должна базироваться на принципах оптимальности.

Для эффективного анализа механизма явлений и решения задач управления производственными процессами необходима реализация системного логистического подхода, который является базовым при построении теории планирования, управления и контроля процессов движения материальных, энергетических и информационных потоков в организационных системах различного рода.

В данной работе изучается проблема оптимального управления распределенной системой топливоснабжения региона. В этой связи построены соответствующие математические модели. Задача оптимального управления топливоснабжением региона рассматривается как задача структурно-параметрической оптимизации и решается методами математического программирования.

Использование аппарата математического и имитационного моделирования позволяет получить как количественные, так и качественные оценки показателей характеризующих функционирование региональной системы топливоснабжения.

Степень разработанности тематики.

Оптимизация региональных топливно-энергетических комплексов является интенсивно развивающейся областью. В настоящее время сформирован ряд научных центров, как в России так и за рубежом, работающих в данном направлении. Основы системного исследования проблем энергетики заложены в работах JI.C. Беляева, Н. И. Воропая, М. И. Краевой.

Существенный вклад в развитие стратегий энергопотребление внесли Ю. Д. Кононова, А. Э. Конторович, A.A. Макарова.

Системное рассмотрение методов исследования и оптимизация энергетического хозяйства базируется на работах А. Г. Гранберга, В. И. Ишаева, В. В. Кулешова.

В Удмуртской Республике в целях повышения энергетической безопасности и выработки приоритетных направлений развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) была разработана Концепция Республиканской целевой программы «Снабжение населения, объектов социально-бытовой сферы в отдаленных населенных пунктах Удмуртской Республики местными видами топлива, альтернативными природному газу». В проекте дан анализ состояния топливоснабжения Удмуртской Республики. Определена структура потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в различных районах Удмуртии. Дана характеристика и определены объемы возобновляемых ТЭР, а также энергетический потенциал переработки биомассы в различных ее видах. Разработан комплекс системных мероприятий по переводу котельных на местные виды топлива.

Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с паспортом специальности 05.13.01 — «Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)», а именно: п. 5 — «Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», п. 9 — «Разработка проблемно-ориентированных систем управления, принятия решений и оптимизации технических объектов», п. 10 — «Методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений в технических системах», п. 12 — «Визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов обработки информации» .

Объектом исследования в настоящей диссертационной работе является система топливоснабжения регионального распределенного теплоснабжения.

Предметом исследования являются интеллектуальные методы оптимального управления топливоснабжением распределенного теплоснабжения.

Целью диссертационной работы является разработка информационно-аналитической системы управления, позволяющей обеспечивать устойчивое функционирование системы топливоснабжения распределенного теплоснабжения.

Задачи исследования:

1. Разработка информационной модели, содержащей разнородную информацию по техническим и экономическим показателям объектов системы топливоснабжения и инфраструктуры региона.

2. Разработка аналитической подсистемы, включающей в себя математические модели и алгоритмы логистического управления топливоснабжением региона, а также разработка модели оптимального управления топливоснабжением при возникновении нештатных ситуаций.

3. Разработка информационно-аналитической системы управления топливоснабжением распределенной системы теплоснабжения региона.

4. Разработка геоинформационной подсистемы топливоснабжения, позволяющей отображать пространственную и атрибутивную информацию об объектах системы топливоснабжения и элементах инфраструктуры региона, хранящуюся в базе данных, а также визуализировать результаты решения задачи оптимального управления.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, методы оптимального управления, а также аппарат разработки прикладного программного обеспечения и компьютерного имитационного моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена использованием обоснованных математических моделей и апробированных алгоритмов решения задач оптимального управления. При использовании методов оптимизации достоверность обеспечена проведенными исследованиями их сходимости. Полученные выводы по управлению системой топливоснабжения подтверждаются содержательным анализом специфики исследуемых систем и их качественными особенностями. На защиту выносится:

1. Информационная модель системы топливоснабжения.

2. Математическая модель и алгоритм решения задачи оптимального управления топливоснабжением региональной распределенной системы теплоснабжения при возникновении нештатных ситуаций.

3. Информационно-аналитическая система управления топливоснабжением региональной распределенной системы теплоснабжения.

4. Геоинформационная подсистема топливоснабжения и результаты имитационного моделирования оптимального управления.

Научная новизна работы:

1. Разработана информационная модель, которая впервые интегрирует разнородную информацию о технических и экономических показателях объектов системы топливоснабжения и инфраструктуры региона в единое информационное пространство, что позволяет комплексно оценить состояние системы топливоснабжения каждого населенного пункта, района или региона в целом.

2. Разработана аналитическая подсистема, в которой впервые программно реализовано решение задачи оптимального управления при возникновении нештатных ситуаций на различных уровнях системы топливоснабжения региона с использованием генетических алгоритмов оптимизации.

3. Разработана информационно-аналитическая система, которая впервые позволяет в интерактивном режиме решать задачи оперативного планирования и управления топливоснабжением региональной распределенной системы теплоснабжения.

Значение результатов для теории и практики.

Теоретическая значимость: разработанные математическая модель и алгоритм оптимального управления топливоснабжением при нештатных ситуациях являются вкладом в математический инструментарий логистического управления многоуровневыми организационными системами.

Практическая значимость: разработанная геоинформационная подсистема Удмуртской Республики позволяет осуществлять компьютерное имитационное моделирование и визуализировать результаты решения задачи оптимального управления топливоснабжением. Разработанная информационно-аналитическая система управления топливоснабжением региональной системы теплоснабжения внедрена и используется в Министерстве промышленности и энергетики УР.

Разработанная информационно-аналитическая система управления топливоснабжением использовалась при разработке Концепции республиканской целевой программы «Снабжение Удмуртской Республики местными возобновляемыми видами топлива» .

Материалы диссертационной работы используются при обучении студентов ИжГТУ им. М. Т. Калашникова по направлениям 220 100 «Системный анализ и управление» и 231 300 «Прикладная математика» .

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях различных уровней:

Региональная научно-практическая конференция, посвященная факультету «Прикладная математика». Ижевск: ИжГТУ, май 2010 г. Научно-практическая конференция молодых инженеров ОАО «Ижевский радиозавод» секция «Математическое моделирование и информационные технологии» (Ижевск, 27 мая 2010);

Международная конференция «Инновационные информационные технологии: теория и практика» (Германия, Дрезден, сентябрь 2010);

V Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение — теория и практика». Москва: МЭИ, октябрь 2010 г.

Научно-практическая конференция молодых инженеров. Студенческая секция, подсекция «Математическое моделирование и информационные технологии», Ижевск: ОАО «Ижевский радиозавод», май 2010 г.

IX Выставка-сессия инновационных проектов I Республиканского молодежного инновационного форума. Ижевск: ИжГТУ, май 2010 г.

Всероссийская специализированная выставка «Энергетика. Энергосбере-жение-2010». Ижевск: Выставочный центр «Удмуртия», ноябрь 2010 г.

X Выставка-сессия инновационных проектов II Республиканского молодежного инновационного форума. Ижевск: ИжГТУ, ноябрь 2010 г.

II Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, с международным участием, посвященная 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова. Ижевск, май 2012 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 15 печатных работ, в том числе 2 статьи в издании, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационного исследования, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Результаты диссертационного исследования отражены в отчетах по следующим государственным контрактам на выполнение научно-исследовательских работ: «Разработка Концепции республиканской целевой программы «Снабжение Удмуртской Республики местными возобновляемыми видами топлива» (РЦП ГК № МТЭС/Р-09, 2010 г.) — «Исследование и разработка технологии получения возобновляемого энергетического ресурса из биологической массы для удовлетворения потребностей распределенной системы энергоснабжения региона» (ФЦП ГК № П235, 2011 г.) — «Совершенствование технологии получения топлива и энергии из органического сырья для удовлетворения потребностей распределенной системы энергоснабжения региона» (ФЦП ГК № П556, 2011 г) — «Разработка и реализация в образовательных учреждениях комплекса типовых организационно-технических мероприятий по экономии энергоресурсов» (ФЦП ГК № П1520, 2010 г) «Разработка математического аппарата решения задач оптимального управления для различных переходных режимов экономики с учетом влияния многих факторов» (ФЦП ГК № 02.740.11.0614, 2012 г).

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования, включающих разработку теоретических подходов к решению исследуемой проблемы, моделирование изучаемых процессов, математическое описание, разработку и программную реализацию методов решения и анализ результатов.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору, члену-корреспонденту РАРАН Русяку Ивану Григорьевичу за постоянную помощь и поддержку в работе.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и библиографического списка. Объем диссертационной работы составляет 125 страниц, включая 46 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 112 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана информационная модель системы топливоснабжения, которая интегрирует разнородную информацию о технических и экономических показателях объектов системы и инфраструктуры региона в единое информационное пространство. Информационная модель позволяет комплексно оценивать состояние системы топливоснабжения каждого населенного пункта, района или региона в целом.

Информационная модель содержит информацию о системе топливоснабжения УР: топливно-энергетических характеристиках региона, характеристиках дорожной сети для расчета маршрутов перевозки древесного сырья и топлива, характеристиках 94-х пунктов накопления сырья и 24-х пунктов производства топлива, а также о характеристиках 1470-ти теплоисточников региона.

2. Разработана математическая модель оптимального управления топливоснабжением региона при возникновении нештатных ситуаций на различных производственных уровнях системы, которая программно реализована в аналитической подсистеме ИАС. Математическая модель позволяет минимизировать затраты, связанные с возникновением нештатных ситуаций на двух уровнях: на уровне пунктов накопления сырья и на уровне пунктов производства топлива.

Для решения задачи оптимального управления топливоснабжением региональной системы теплоснабжения использован генетический алгоритм оптимизации, адаптированный под решаемые задачи. Был проведен вычислительный эксперимент и определены параметры генетического алгоритма, при которых наблюдается наименьшее время сходимости алгоритма при заданной точности (размер популяции 40 особейвероятности скрещивания 0,8 и мутации 0,3).

3. Разработана информационно-аналитическая система, предназначенная для решения задач оптимального управления топливоснабжением распределенного теплоснабжения, состоящая из аналитической, информационной и геоинформационной подсистем.

Информационно-аналитическая система позволяет: — проводить анализ первичной информации об объектах системы топливоснабжения;

— решать логистическую задачу топливоснабжения, включающую в себя построение схемы размещения предприятий по производству древесных видов топлива, определение их производительности, маршрутов перевозки, объемов и периодичности поставок древесного сырья и топлива между различными уровнями логистической схемы;

— в интерактивном режиме решать задачи оперативного планирования и управления топливоснабжением региональной распределенной системы теплоснабжения при возникновении нештатных ситуаций;

— проводить мониторинг объектов системы топливоснабжения: мониторинг объемов запасов сырья и топлива на объектах системы, состояние инфраструктуры региона, тарифов на тепловую энергию теплоисточников, осуществлять подготовку информации для решения задачи надежности объектов системы топливоснабжения на основе получаемой оперативной информации;

— визуализировать результаты решения задач оптимального управления в виде графиков, картограмм.

4. Разработана геоинформационная подсистема, которая позволяет отображать пространственную и атрибутивную информацию об объектах системы топливоснабжения, а также представлять результаты решения задачи оптимального управления топливоснабжением региона.

5. Изучено влияние резерва мощности оборудования на пунктах производства топлива на условия устойчивого функционирования системы топливоснабжения региона. Например, при 20-процентном резерве мощности система топливоснабжения региона может бесперебойно работать при выходе из строя 2−6-ти пунктов производства топлива в зависимости от их мощности. При различных значениях резерва мощности проведено компьютерное имитационное моделирование нештатных ситуаций в системе топливоснабжения Удмуртской Республики: построены оптимальные маршруты перевозок древесного сырья и топлива между различными уровнями логистической схемы, рассчитаны оптимальные объемы и время поставок древесного сырья и топлива.