автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Экономико-математические модели и информационные средства для САПР объектов нефтепродуктоснабжения

Волгоградский государственный технический университет

На правах рукописи экз. N ^

ДАНИЛОВ Евгений Андреевич

ЭКОНОМИКО - МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ САПР ОБЪЕКТОВ НЕФТЕПРОДУКТОСНАБЖЕНИЯ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации

проектирования

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Андрейчиков A.B. Научный руководитель кандидат экономических наук Косенков P.A.

Волгоград 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................. 4

1. Исследование структуры информационных связей объ-

ектов нефтепродуктоснабжения......................................... 9

1.1. Общая схема транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов ......................................................................... 9

1.2. Исследование взаимосвязей проблем, задач и подсистем транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов.......... 15

1.3. Разработка структурной схемы САПР транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов..................................... 22

2. Разработка экономико - математических моделей для

САПР объектов нефтепродуктоснабжения.......................... 39

2.1. Экономико - математическая модель выбора оптимальных параметров распределительных нефтепро-дуктопроводов.................................................................. 39

2.2. Экономико - математическая модель выбора оптимальных параметров развития магистральных нефте-продуктопроводов............................................................. 47

2.3. Адаптивная модель выбора оптимальных параметров развития магистральных нефтепродуктопроводов............... 57

3. Информационное и программно - математическое обес-

печение САПР объектов нефтепродуктоснабжения............. 68

3.1. Информационное обеспечение САПР объектов нефтепродуктоснабжения........................................................... 68

3.2. Программно-математическое обеспечение САПР объектов нефтепродуктоснабжения......................................... 78

3,3 Порядок проведения расчетов и представления результатов САПР объектов нефтепродуктоснабжения................. 85

4. Исследование влияния неопределенности прогнозируемых параметров на чувствительность и устойчивость оптимальных решений....................................................... 94

4.1. Сущность анализа влияния прогнозируемых параметров на чувствительность и устойчивость оптимальных решений............................................................................ 94

4.2. Анализ факторов, влияющих на результаты решений........... 97

4.3. Базовая модель нефтепродуктопровода............................... 99

4.4. Анализ влияния факторов неопределенности на чувст-

вительность целевой функции и устойчивость оптимальных решений..............................................................100

Заключение..............................................................................126

Список используемых источников.............................................127

Введение

Современные технические средства для получения и обработки информации, постоянно совершенствующиеся системы обработки информации и программного обеспечения, а также возникающие новые рыночные преобразования, происходящие в России, требуют нового осмысления и подхода к решению проблем связанных с разработкой проектов по рациональному размещению и перспективному развитию транспорта, хранения и реализации нефти и нефтепродуктов. Кроме того создание различных акционерных обществ, расширение самостоятельности регионов требуют большего взаимодействия между ними для эффективного использования составляющих элементов.

Россия, огромная по территории страна, обладает различными региональными условиями: экономическими, природными, климатическими, демографическими, промышленными и аграрными с различными плотностями потребления нефти и нефтепродуктов, наличием или отсутствием различных транспортных путей, которые могут зависеть от сезона (замерзающие реки, автодороги на заболоченных территориях и другое) . Россия обладает и большими нефтяными запасами, которые еще не до конца освоены, и которые, зачастую находятся на значительном расстоянии от потребителей нефтепродуктов.

Актуальность проблемы. В связи с вышеизложенным возрастает необходимость системного подхода к осуществлению проектирования объектов снабжения нефтепродуктами различных потребителей. Этим обусловлена актуальность создания комплексной системы автоматизированного проектирования транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов САПР (ТХНП).

Эффективность создания САПР в существенной степени зависит от полноты и достоверности информации и экономико-математических моделей и методов, используемых разработчика-

ми. Разработка оптимизационных моделей проектирования различных объектов транспорта, хранения и реализации нефти и нефтепродуктов, создание комплексной базы данных обеспечат повышение качества, разрабатываемых проектов за счет обработки значительных объемов информации и анализа большего количества вариантов проектных решений и сокращение сроков выполнения работ. В связи с этим можно сделать вывод о необходимости разработки информационных и экономико - математических моделей и средств создания системы автоматизированного проектирования транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов САПР ТХНП [2].

Изученность проблемы. Существующие в настоящее время методики [6,8,21], позволяют осуществлять реализацию различных проектов на основе общих нормативов и эвристических приемов, без возможности применения экономико - математических методов и моделей, позволяющих оптимальным образом учесть конкретные условия. Руководствоваться такими правилами - значит иметь значительные потери. В связи с этим весьма важным в решении данных проблем является обеспечение системного подхода к организации процесса проектирования и создания системы автоматизированного проектирования ТХНП.

Цель исследования. Разработка информационных и экономико - математических основ создания комплексной автоматизированной системы проектирования транспорта, хранения и реализации нефти и нефтепродуктов, позволяющей обеспечивать высокую эффективность проектов.

Объектами исследования в данной комплексной проблеме рассматриваются множество информационных и экономико - математических моделей, обеспечивающих оптимальное проектирование магистральных и распределительных трубопроводов, оптимальное проектирование нефтебаз сезонного хранения с

возможностями решения этих задач на длительную перспективу с неопределенной информацией [3,80].

Предметами исследования являются непосредственно объекты проектирования: различные виды транспорта, перевалочные станции, нефтебазы и базы межсезонного хранения, автозаправочные станции (АЗС), автохозяйства (А/Х) и другое.

Методология и методика исследования предполагает использование системного подхода к решению множества проблем, связанных с проектированием систем снабжения нефтепродуктами всех потребителей нефтепродуктов на основе единой информационной базы.

Научная новизна исследования состоит в разработке методик и создания таких информационных и экономико - математических основ проектирования транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов, которые позволяют создать интерактивную автоматизированную систему проектирования САПР ТХНП. В ходе

исследований были выполнены следующие работы:

1. Разработана методика и созданы экономико - математические модели и программные средства определения оптимальных параметров распределительных нефтепродукто-проводов (НПП) и перспективного развития магистральных нефтепродуктопроводов со сложными отводами.

2. Разработана методика и реализована адаптивная модель и программные средства определения оптимальных параметров развития магистральных нефтепродуктопроводов.

3. Разработана экономико - математическая модель и программные средства определения оптимальных параметров размещения и развития нефтебаз сезонного хранения нефтепродуктов, стационарных и передвижных АЗС.

4. Разработана экономико - математическая модель и программные средства выбора оптимальных маршрутов транспортировки нефтепродуктов различными видами транспорта.

5. Разработана методика и созданы модели, алгоритмы и программные средства анализа проектных решений на чувствительность и устойчивость.

6. Разработана методика и реализованы модели прогнозирования развития объектов нефтепродуктоснабжения в условиях неопределенности или интервально заданной информации [11,70,71].

7. Разработан технический проект САПР объектов нефтепродуктоснабжения, обеспечивающий повышение качества и эффективности проектных решений [9,13].

Практическая значимость и реализация работы. Модели выбора оптимальных параметров магистральных и распределительных нефтепродуктопроводов были использованы для расчета оптимальных параметров перспективного развития нефтепродукто-провода Ассаб - Моджо (Эфиопия), а также ряда отечественных нефтепродуктопроводов: Саратов - Волгоград, Волгоград - Лихая, Минусинск - Кызыл, Улан-Удэ - Чита, Орск - Оренбург - Бузулук, Кириши - Новгород - Псков - Таллинн и другие. Модели оптимального размещения и развития АЗС были использованы для расчетов по их оптимальному размещению на территории Псковской, Вологодской, Ленинградской, Мурманской, Коми-Пермяцкого автономного округа, Новгородской и Архангельской областях. Были выполнены также расчеты по оптимальному размещению и развитию нефтебаз и нефтебаз сезонного хранения на территориях Волгоградской, Саратовской и других областях.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются на кафедре "Менеджмента маркетинга и организации производства" и "Информационные системы в экономике" Волгоградского государственного технического университета при выполнении курсовых и дипломных работ.

Программно - методический комплекс, разработанный для автоматизированного проектирования систем снабжения и хранения нефтепродуктов, применяется также при обучении студентов по

дисциплинам: «Моделирование управленческих процессов», «Исследование систем управления» и «Разработка управленческих решений».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научных конференциях Волгоградского государственного технического университета в 1990-96 гг.

Публикации. Результаты диссертации изложены в 8 научных статьях.

1. Исследование структуры информационных связей объектов

нефтенродуктоснабжения

1.1, Общая схема транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов

За последние годы в нашей стране наблюдается стремительное увеличение легкового и грузового автотранспорта. Увеличивается число фермерских хозяйств, что также приведет к росту применяемой сельхозтехники: тракторов, комбайнов, грузового автотранспорта, работающего большей частью на жидком топливе.

Кроме того, с распадом СССР изменилась старая структура нефтеснабжения, претерпевают изменения грузопотоки нефти и нефтепродуктов.

Исследование этих изменений необходимо осуществлять комплексно на единой информационной и экономимо - математической основе с помощью системы автоматизированного проектирования транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов, которая должна включать в себя пункты реализации нефтепродуктов - нефтебазы, наливные пункты и стационарные и передвижные АЗС, а также систему доставки нефтепродуктов на эти пункты. Рис. 1.1.

Но если места добычи нефти практически не претерпевают изменений, то цепочка от нефтеперерабатывающего завода (НПЗ) до потребителя в этих условиях может существенно измениться вплоть до транспортировки нефтепродуктов в противоположном направлении.

Помимо изменений в структурной части снабжения нефтепродуктами происходит расширение рынка различного рода аппаратуры, запорной арматуры, ассортимента труб, за счет приобретения зарубежной техники, применяемых при проектировании транспортных систем и систем нефте и нефтепродуктохранения.

В связи с этим возникает необходимость оперативного проектирования и перепроектирования отдельных элементов транспорта и хранения нефтепродуктов, что невозможно сделать без создания единой базы данных и САПР транспорта и хранения нефтепродуктов.

С учетом изложенного общую схему транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов можно представить следующим образом:

2.1

2.2.

2.3.

НПЗ

4.1.

шятт

•КС1

4.2

-©

2.4.

5.1.

5.2.

5.3.

у-^7

ГШ»

8.1.

АЗС

7.1.

т,®

5.4.

-© и

АЗС

J

8.2.

Рис. 1.1. Общая схема транспорта, хранения и реализации нефти и нефтепродуктов

Условные обозначения:

- нефтедобыча;

- транспортировка нефти и нефтепродуктов

железной дорогой;

- транспортировка нефти и нефтепродуктов трубопроводом;

- транспортировка нефти и нефтепродуктов автотранспортом;

А

х ~ - транспортировка нефти и нефтепродуктов водным транспортом;

НПЗ

Гэксп

- нефтеперерабатывающий завод;

- экспортные поставки нефти и нефтепродуктов;

©

- перевалочные станции по нефти и нефтепродуктам;

- нефтебазы и базы межсезонного хранения;

автозаправочные станции и автохозяйства; направление потоков нефти и нефтепродуктов.

На этой схеме четко видны две подсистемы:

Первая подсистема объединяет нефтедобычу (1), транспортировку нефти различными видами транспорта: железнодорожным, трубопроводным, водным и автомобильным (2.1,2.2,2.3,2.4), перевалочные станции ПС (3), нефтепереработку НПЗ (4.1), а также экспортные поставки нефти ЭКСП (4.2).

Вторая подсистема объединяет нефтепереработку НПЗ (4.1), транспортировку нефтепродуктов различными видами транспорта: железнодорожным, трубопроводным, водным и автомобильным (5.1,5.2,5.3,5.4), перевалочные станции ПС (6), нефтебазы НБ (7.1), нефтебазы межсезонного хранения МСХ (7.2), экспортные поставки нефтепродуктов ЭКСП (7.3) и агрегированные потребители нефтепродуктов: АЗС, автохозяйств А/Х и других (8.1,8.2), куда могут быть включены и непосредственные потребители нефтепродуктов.

Обе эти подсистемы, близкие по структуре, имеют существенные различия.

• В подсистеме нефтеснабжения существенно меньше размерность информационных массивов чем в системе транспорта и хранения нефтепродуктов.

• В подсистеме нефтеснабжения добыча, транспортировка и переработка нефти осуществляются практически непрерывно и равномерно, в то время как для подсистемы транспорта и хранения нефтепродуктов характерны сезонные неравномерности потребления.

• В подсистеме нефтеснабжения объемы грузопотоков нефти остаются неизменными от начальных до конечных пунктов назначения, в то время как при транспортировке нефтепродуктов осуществляются попутные сбросы промежуточным потребителям нефтепродуктов.

Таким образом задачи первой подсистемы являются более простыми задачами по сравнению с задачами второй подсистемы и с соответствующими базами данных могут быть решены с помощью программного обеспечения второй подсистемы.

Общую схему нефте- и нефтепродуктоснабжения необходимо рассматривать, начиная от нефтедобычи до потребителей нефтепродуктов рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема взаимосвязей между объектами нефтеснабжения Условные обазначения: ^ - нефтяные месторождения;

НП

НПЗ

- наливные пункты;

- нефтеперерабатывающий завод;

- потребители нефтепродуктов;

- транспортировка нефти и нефтепродуктов водным транспортом;

- транспортировка нефти и нефтепродуктов

железной дорогой; - потоки нефтепродуктов;

-► - нефтепотоки;

/\ - границы областей.

Разработка новых нефтяных месторождений приводит к постоянному вопросу о доставке нефти на НПЗ. Здесь возникают следующие задачи:

1. Задача о строительстве новых НПЗ и расширении мощностей существующих.

2. Задача выбора маршрута транспортирования нефти.

3. Задача выбора вида транспорта для доставки нефти от нефтедобычи до НПЗ.

Все три задачи должны решаться совместно с определением мест строительства и мощностей нефтеперерабатывающих заводов, которые, к тому же, должны находиться на важных транспортных путях, таких как река, море, железная дорога, автодороги, для удобства дальнейшего распространения нефтепродуктов.

Кроме того важной функцией НПЗ является обеспечение различными нефтепродуктами таких потребителей как: автотранспорт и сельхозтехника (через АЗС и автохозяйства), тепловые электростанции и котельные, аэропорты и оборонные комплексы и другие. Все это обеспечение производится через нефтебазы, которые должны размещаться достаточно равномерно в зависимости от концентрации потребителей нефтепродуктов по территории, имея

некоторый оптимальный радиус обслуживания потребителей в непосредственной близости от них.

Это даст возможность транспортировать нефтепродукты от НПЗ на нефтебазы крупными партиями или непрерывными потоками, а дальше осуществлять мелкие поставки от нефтебаз до потребителей.

Добыча нефти и ее переработка на НПЗ осуществляется практически непрерывно и равномерно, в то время как потребление нефтепродуктов существенно