автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Информационная система мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ

Решетняк Михаил Геннадиев

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА КОММУНАЛЬНЫХ УСЛУГ В ЖКХ

Специальность 05.13.01 — "Системный анализ, управление и обработка информации (информационные и технические системы)"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Краснодар - 2013

005543588

005543588

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Атрощенко Валерий Александрович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук,профессор Григораш Олег Владимирович ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» кандидат технических наук, доцент Шарифуллин Сергей Равильевич ФГКВОУ ВПО «Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного» (филиал, г. Краснодар) ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет» (Краснодар)

Защита диссертации состоится "25" декабря 2013 года в 120() часов на заседании диссертационного совета Д212.100.04 в ФГБОУ ВПО "Кубанский государственный технологический университет" по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г-248.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Кубанский государственный технологический университет".

Автореферат разослан "23" ноября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.100.04 - . „ „

^ ^ А. В. Власенко

канд. техн.наук , доцент

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Учет потребления коммунальных ресурсов в ЖКХ в настоящее время становится актуальной задачей для всей страны. На сегодняшний момент имеется достаточно большое количество информационных систем, которые строятся по разным принципам, при этом зарубежные аналоги значительно опережают существующие отечественные разработки. Это обуславливается отсутствием единого подхода к принципам построения информационных систем, что влечет за собой проблему выбора для управляющих организации при внедрении системы мониторинга коммунальных услуг в настоящее время. Также различные принципы построения систем мониторинга коммунальных услуг влекут за собой и невыполнения требований Правительства РФ о прозрачности и контроля в сфере ЖКХ. При этом мониторинг коммунальных услуг в ЖКХ является сложной и разноплановой задачей. Это обуславливается различной природой поставляемых коммунальных ресурсов.

Степень разработанности проблемы

На сегодняшний день к основным работам по разработке информационных систем относятся работы Г. Шилдта, Ч. Петцольда, Дж. Рихтера, В.В. Кульбы, Г. Хансена, Т. Конолли, Д. Майо, М: Лутцем, Мамиконовым А.П Однако данные работы относятся к общим положениям по разработке информационных систем и не затрагивают разработку конкретных информационных систем и, в частности, информационных систем по учету коммунальных ресурсов в ЖКХ.

Основными работами по принципам учета коммунальных ресурсов и формировании системного подхода к организации их учета можно отнести работы Иванова A.C., Мелентьева JI.A., Осипова Ю.Н., Колмогорова А.Н., Иванен Н.Т. Однако эти работы отображают решение частных задач по построению информационных систем по учету коммунальных ресурсов, связанных с разработкой программно-аппаратных комплексов и построению систем учета конкретного коммунального ресурса. В основном общие правила учета коммунальных ресурсов приведены в соответствующих нормативных и правовых документах.

Также важной частью является возможность использования информационных систем мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ как

подсистемы в системах вида Smart Grid и Smart City. Отдельные аспекты, посвящепные развертыванию информационных систем мониторинга для технологий Smart Grid рассмотрены в работах Б.Б. Кобец, И.О. Волковой, Б.Ф. Вайнзихером и других.

Наряду с организацией учета потребления коммунальных ресурсов, важной задачей является контроль технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами. В данном направлении основными работами являются работы Балабан-Ирменина Ю.В., Липовских В.М., Рубашова A.M., Акользина П.А., и других, которые отражают основные подходы к контролю параметров систем снабжения коммунальными ресурсами, но практически не рассматривают построение информационных систем, связанных с их контролем.

Оценка технических и экономических показателей эффективности информационной системы является крайне важным этапом при проектировании систем и отображает целесообразность ее дальнейшего использования. К основным трудам в данной области можно отнести труды Можаева A.C., Скрипкина К.Г., Легарда Д. и других, рассматривающих вопросы как показателей надежности информационных систем, так и показатели экономической эффективности.

Таким образом, на сегодняшний день проблема построения информационных систем мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ является одной из актуальных задач, несмотря на то, что существует достаточно большое количество публикаций на эту тему, информационные системы мониторинга коммунальных услуг представляют собой разрозненные проекты и актуальной задачей становится создание методического и программного обеспечения для разработки информационных систем, способных интегрироваться в системы SmartGrid и SmartCity.

Объектом исследования является информационная система мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ.

Предметом исследования является разработка методического и программного обеспечения для построения информационных систем мониторинга коммунальных ресурсов с возможностью интегрирования в системы типа SmartGrid и SmartCity.

Область исследования. Работа выполнена в соответствии с паспортом специальности ВАК при Минобрнауки РФ (технические науки, специальность 05.13.01 - Системный анализ,управление и обработка информации) п.

2 «Формализация и постановка задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации» и п. 10 «Теоретико-множественный и теоретико-информационный анализ сложных систем».

Цель исследования. Целью диссертационной работы является разработка научной методики создания информационной системы мониторинга коммунальных услуг в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Задами исследования. Сформулированная цель подразумевает под собой решения следующего ряда научных задач:

- анализ принципов построения существующих систем учета потребления коммунальных ресурсов;

- разработка структурной схемы сбора информации, обеспечивающей учет потребления энергетических и водных ресурсов;

- разработка информационной модели информационной системы мониторинга коммунальных ресурсов;

- синтез состава модулей программного обеспечения информационной системы;

- разработка алгоритмов сбора информации о потреблении коммунальных услуг;

- разработка алгоритма мониторинга технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами;

- исследование предлагаемой информационной системы по техническим и экономическим показателям качества.

Методы исследования. При решении поставленных в рамках диссертационной работы задач использовались теория множеств, методы динамического программирования, методы решения двухкритериальных задач специального вида, методы системного анализа теория графов, методы объектно-ориентированного программирования, методы построения локальных баз данных, методы прогнозирования на основе множественной регрессионной модели, нечеткой логики и нейронных сетей.

Научная новизна

- разработана методика построения информационных систем мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ;

- разработаны и решены задачи оптимизации структуры программного обеспечения и выбора технических средств учета потребления коммунальных ресурсов;

- разработан алгоритм контроля и прогнозирования технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами.

Практическая значимость

- разработанная методика создания информационной системы мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ позволяет обеспечить проектирование данных информационных систем;

- разработан алгоритм контроля технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами, позволяющий оценить их техническое состояние и оперативно влиять на него;

- разработаны алгоритмы прогнозирования технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами, позволяющие планировать их обслуживание в зависимости от их состояния;

- разработано программное обеспечение, позволяющее проводить учет потребления коммунальных ресурсов и мониторинг технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами.

Внедрение работы. Результаты исследований внедрены в ОАО «КБ «Селена».

Апробация результатов диссертационного исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических мероприятиях: ГОУ ВПО КубГТУ, Краснодар, 2010,2012: 1,11 Межвузовская научно-практическая конференция «Автоматизированные информационные и электроэнергетические системы»; Филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»: 1,11,III Всероссийская научно-практическая конференция «Научные чтения имени профессора Н.Е. Жуковского», Краснодар, 2011-2013, II Международная научно-практическая конференция молодых ученых посвященная 51-й годовщине полета Ю.А. Гагарина в космос, Краснодар, 2012; Краснодарский университет МВД России, Краснодар, 2012: VII Всероссийская научно-практическая конференция «Математические методы и информационно-технические средства»; ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2011: IX Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление».

Основные положения выносимые на защиту.

1. Методика разработки системы комплексного учета потребления

коммунальных ресурсов в ЖКХ.

2. Алгоритм контроля и прогноза технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами.

3. Методика выбора технических средств учета потребления коммунальных ресурсов и оптимизация алгоритма сбора информации.

4. Методика построения программного обеспечения информационных систем для интеграции в системы ЭтаПСку.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Ее общий объем составляет 129 страниц текста, содержащего 18 рисунков и 14 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные цели и задачи диссертационного исследования.

В первой главе проводится анализ текущего состояния интеграции систем мониторинга коммунальных услуг в Российской Федерации, анализ принципов построения данных систем, анализ принципов работы технических средств учета коммунальных ресурсов и технических средств сбора информации о потреблении коммунальных ресурсов.

Зоной действия информационной системы мониторинга коммунальных услуг (ИМСКУ) является мониторинг коммунальных услуг в жилых домах (после прохождения локальных узлов распределения). Именно на данном этапе начинается зона ответственности потребителя, в которой потребитель осуществляет непосредственное потребление коммунальных ресурсов. Остальная часть системы снабжения коммунальным ресурсом принадлежит генерирующим и распределительным организациям, и потери в данной части являются потерями именно этих компаний и в общем случае не должны влиять на конечного потребителя.

В соответствии с действующим законодательством РФ, задачи информационной системы мониторинга коммунальных услуг (ИСМКУ) формулируются следующим образом:

- осуществлять мониторинг количественных показателей предоставления коммунальных ресурсов;

- осуществлять мониторинг качественных показателей предоставляемых коммунальных ресурсов;

- осуществлять мониторинг технических параметров систем предоставления коммунальных ресурсов.

Результатом проведения анализа стало определение способа организации учета потребления коммунальных ресурсов, выбор технических средств организации учета потребления коммунальных ресурсов.

Во второй главе проводится построение информационной модели предметной области и ее оптимизация по критерию максимальной информационной эффективности, включающей в себя структурное моделирование, иМЬ - моделирование, построение множества информационных элементов.

Информационная система мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ формализовано представляется в виде иерархической структуры. Уровни иерархической структуры информационной системы мониторинга коммунальных услуг имеют следующее функциональное назначение:

уровень 1 - на данном уровне рассматриваются подходы к доставке ресурсов к конечному потребителю (внугридомовые топологии коммуникаций);

уровень 2 - на данном уровне осуществляются первичные преобразования физических величин (расхода, энергии, мощности) в информационные ресурсы;

уровень 3 - на данном уровне осуществляется объединение информационных ресурсов полученных на 2 уровне;

уровень 4 - на данном уровне формируется конечный информационный поток (представляющий индивидуальный учет) данные со 2 и 3 уровня приводятся к единому стандарту;

уровень 5 - на данном уровне производится объединение информации с уровня 4 от различных потребителей;

уровень 6 - на данном уровне с учетом данных уровня 5 производится формирование платежных поручений и производится сравнительный анализ для выработки решений по изменению условий формирования 1-го уровня

уровень 7 - на данном уровне производится принятие решений (например введение дифференцированной тарифной ставки) на основе данных с

уровня 6.

Основываясь на данной семиуровневой модели, разработана функциональная модель данных в соответствии с методологией БАОТ.

Полная функциональная схема является достаточно большой, поэтому целесообразно разделить ее на две основные части - это часть сбора и подготовки информации и обработка полученной информации уже в БД. Первую часть иллюстрирует рисунок 1.

Рис. 1. Функциональная модель данных ИСМКУ в части сбора и подготовки информации

Из приведенной на рисунке 1 модели ясно видно, что на процесс генерации данных для записи в базу данных влияют такие параметры как технические характеристики средств учета коммунальных ресурсов и их взаиморасположение. Таким образом, данная функциональная схема иллюстрирует на каких этапах создается определенного рода информация и какие параметры влияют на ее формирование.

Второй частью является обработка данных непосредственно в базе данных. Схема формирования итоговой выходной информации представлена на рисунке 2

Таким образом, необходимыми данными для формирования выходных документов (счетов на оплату за потребление коммунальных ресурсов) и

Оператор ТСЖ

Рис. 1. Функциональная модель данных ИСМКУ в части обработки полученной

информации

принятии решения о проведении технических работ являются данные по всему объекту учета и по всем коммунальным ресурсам, а также выходные данные от модели прогнозирования. Используя полученную иерархическую структуру информационной системы мониторинга коммунальных услуг и функциональные модели данных (рисунки 1, 2) построена модель потоков данных (рисунок 3).

Построение функциональной модели и диаграммы потоков данных информационной системы мониторинга коммунальных услуг позволяет определить основные этапы формирования необходимой для функционирования информационной системы информации, определяя требуемые входные данные и структурные элементы, на которые они воздействуют, и предоставляет исходную информацию для построения формализованной модели предметной области.

Структурная схема внедрения этажного УСПД на примере учета горячей и холодной воды приведена на рисунке 4

Представленная на рисунке 5 диаграмма развертывания иллюстрирует какие из элементов информационной системы соединяются между собой и как осуществляется взаимодействие между ними. Из диаграммы развертывания

Информация I виде иаорин ддннн! срежты учета

Рис. 3. Модель потоков данных ИСМКУ

Рис. 4. Структурная схема сбора информации на этаже

ясно видно, что центральным элементов является УСПД этажа, которое является первым аккумулирующим звеном в системе сбора информации. При разработке диаграммы развертывания принималось допущение, что используемые средства учета потребления коммунальных ресурсов не обладают собственной памятью, а способны лишь передавать данные о

потреблении и производить их визуальную индикацию.

1

PLC/Ethernet

, N

Рис. 5. Диаграмма развертывания ИС УКР

Модель предметной области формализуется в виде семи основных

элементов:

M =< F, H. Р, О. Vin, V""1. R > (1)

В формуле 1 применены следующие обозначения:

F ={/;]» = !./} - множество автоматизируемых функций, которые выполняет ИСМКУ;

H = {hj\j = 1,./} - множество задач обработки данных в ИСМКУ;

Р= 1.А'} - множество, описывающее возможных пользователей в

ИСМКУ;

О = {от\'п = 1, Л/} - множество объектов автоматизации, которые являются основными объектами в ИСМКУ;

V" — {г'||/ б Li,,} ~ множество входных параметров для организации технического и коммерческого учета;

у oui _ ^ L(lvt} - множество выходных параметров для организации формирования выходных документов;

^ = {гу\у " 1 • У} - множество отношений, описывающее взаимосвязи между остальными множествами данной модели.

Для формирования графов информационных структур строится матрицу

семантической смежности Вк информационных элементов, представляющую

собой квадратную бинарную матрицу, проиндексированную по осям множеством элементов Г)1" и содержащую запись = 1, если между структурными элементами с/, и существует такое отношение, что элемент составляет смысловое содержание элемента (/,, и Щ = 0 в иротивном случае.

На основании полученной матрицы семантической смежности орграф информационной структуры локальной базы данных имеет вид (рисунок 6))

Рис. 6. Орграф отношений

Такая структура орграфа характеризует систему как достаточно сильно зависимую между своими элементами. Это обуславливается тем, что информационная система представляет собой конгломерат из нескольких по сути своей независимых систем учета, которые объединяются в единую систему учета коммунальных ресурсов.

Для выявления взаимосвязи между структурными элементами, выделения информационных групп и определения их состава формируется матрица семантической достижимости А. Матрица семантической достижимости получается путем последовательного возведения в степень матрицы семантической смежности до того момента, когда она станет вырожденной. Возводя в третью степень матрицу В получим вырожденную матрицу, тогда матрица А определяется как А = В1 + В'2.

Задача синтеза информационной структуры информационной системы

мониторинга коммунальных услуг формулируется в виде двух задач:

Задача 1. Синтез модулей программного обеспечения по критерию максимальной информационной производительности.

Задача 2. Синтез информационной системы с минимальной стоимостью.

Для решения задачи 1 используются следующие переменные, характеризующие информационную систему: V - мощность множества модулей программного обеспечения,//,, - объем у-го модуля, Я - мощность множества процедур информационной системы, 7?„ - количество процедур в у-ом модуле, Ь - мощность множества информационных элементов, хгр = 1 если г-я процедура входит в состав у-го модуля и х„, = 0 в противном случае, г,, = £ -I //„/?>,• - время пересылки процедур о-го модуля из внешней памяти ЭВМ в оперативную; Ц = £ + я/(к//у^ - время пересылки /

ь

-го массива в оперативную память ЭВМ; (/,]);; = £ + 7,',/(2 ^/е[/Л'з) ~

;=1

время записи очередных результатов обработки в Г-ый информационный массив, расположенный во внешней памяти ЭВМ (здесь I - время поиска необходимого участка памяти при чтении или записи) , при этом = « /Л/г = 1./?; 1'с,ь3 - скорости считывания и записи

информации соответственно), - число обращений к /-ому массиву, к} - объем /-го массива, /7 - объем информационного элемента, исг1 = 1 если /-ый элемент используется г-ой процедурой и 0 в противном случае, <ц -число обращений к /-ому информационному элементу, ец = 1 - если 1-ый информационный элемент записывается в £-ый массив . Задача формулируется в виде нахождения такого множества хп„ при котором к максимуму стремится выражение (2)1:

ун г

£ £{*™(1 - *г+1,,,)[//„ + £(?/*+ 7^ £ к1еиа'ы}}

«=1 г=1 г=1 /=1

-~г---^-:-, (2)

Е Е{^„(1 - .т,.+1,„)[т„ + + %,)]}

11=1 7=1 ' ' '

Данная задача решается с применением метода ветвей и границ, при этом нижняя граница решений задачи, минимизирующая общее время обращения к памяти ЭВМ определяется выражением:

'Кузнецов H.A., Кульба В.В., Ковалевский С.С., Косяченко С.А. Методы анализа и синтеза модульных информационно-управляющих систем - М.: ФИЗМЛТЛИТ, 2002 800с

15

Л Г

4 = 2*]=-[+* Е + - Е(з) я" /=1 /=1

£ II

где </>/■ = 1> если X] XI ц''(е// > 1 и = 0 в противном случае, мри этом

__(=1 г=1

оценка множества решений определяется выражением:

г V,.

< = £П + Е + Е № + ^ + та + V (4)

/=1

где р'^ - мера использования Г-го массива модулями системы, р[\ -мера использования у-ым модулем информационных массивов при записи, 1/',, - использование информационных модулей в //-ой вершине,^',' - время пересылки в оперативную память у-го модуля.

Оценка множества решений, обеспечивающих максимум числителя 2 производится методом ветвей и границ по множеству переменных {.гг„}. При этом оценка множества решений в /х -ой вершине определяется выражением:

е; = Яп + + + (5)

где (¿н - объем процедур обработки, С}у - объем информационных массивов, содержащих входные данные для реализации процедур, Ц], -объем промежуточных или выходных результатов обработки данных; Р" -максимально допустимое число информационных массивов, пересылаемых

из внешней памяти в оперативную память ЭВМ при считывании за одно

V, V,

обращение к внешней памяти; а{1 — тлх^цЦ, /3,, = тах^(<1„ + 1), Ч1,',

- число точек разрыва у-го модуля, определяемое множеством переменных {хп,}, зафиксированных в ц -ой вершине; \], - число программных модулей, образуемых в -ой вершине множеством переменных {£,„}.

Исходными данными для решения данной задачи являются: множество процедур А = {я,-, г = 1. /<!}, которое определяет множество процедур обработки данных и при этом соответствует множеству задач II и множество информационных элементов О.

При решении данной задачи использовался алгоритм ветвей и границ со следующими ограничениями:

- время записи и чтения принимается постоянным;

- на число синтезируемых модулей (и = 174);

- на число информационных элементов, используемых модулями (¿„ <

11, г; = 1,4).

В результате чего были получена следующая структура программных

Г] 7-2 )'з Г, ГГ) Гц Г7 г8 Гд )•]() Г), Г,2 Г13 Г,4

''1 1 1 110 0 0 0 0 0 0 0 0 0

«2 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0

из 00000000 0 0 0 1 1 0

1)4 0000000000 1 0 0 1

Основными параметрами, характеризующими технические средства для организации информационной системы мониторинга коммунальных услуг являются:

- стоимость прибора учета (Р);

- точность проводимых измерений (Л);

- надежность прибора учета (время безотказной работы) (М);

- интервал времени между поверками прибора (Г);

- стоимость проведения поверки прибора (РТ).

Таким образом, функция поиска оптимального прибора для установки в точке учета будет иметь следующий вид:

где г - порядковый номер в списке датчиков, установленных на объекте учета;

j - порядковый номер датчиков в списке доступных для установки в данной точке учета;

N - общее количество датчиков, доступных для установки в данной точке учета, причем N € Я и V.

Обозначим функцию 6 как приведенную качественную характеристику средства учета коммунального ресурса, которая характеризует конкретное средство учета коммунального ресурса с точки зрения приближенности его к идеальному варианту средства учета для конкретной точки учета.

модулей:

N

(0)

Таким образом, задача поиска оптимального решения сводится к задаче поиска минимального значения функции Функция 6 описывает поиск оптимального прибора для одной точки учета.

В третьей глапс проводится разработка алгоритмов функционирования системы. Алгоритм сбора информации со всех УСПД, подключенных в систему сбора информации (рисунок 7).

Рис. 7. Алгоритм сбора данных со всех УСПД

Данный алгоритм полностью отображает процессы сбора информации о потреблении коммунальных ресурсов в рамках одного объекта учета. Алгоритм представляет собой бесконечный цикл, поскольку работа данной системы предполагает непрерывный контроль за потреблением коммунальных

ресурсов.

Алгоритм обработки информации от УСГТД представлен на рисунке 8. Задачами обработки данных является не только запись результатов в базу данных ИСМКУ, по и анализ показателей технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами, которые реализуются с помощью процедур программной обработки данных.

Рис. 8. Алгоритм обработки полученных от УСПД данных

Для проведения исследований по выбору модели прогнозирования используем полученные в результате проведения эксперимента данные и разделим их на две части. Поскольку данные о потреблении коммунальных ресурсов представляют собой ничто иное как хронологический ряд, то их можно разделить на две равные части, используя временные параметры. Первую часть мы будем использовать в качестве исходных данных, а вторую как данные будущего, на которых будет проводиться определение степени адекватности модели прогнозирования.

В качестве основных моделей прогнозирования могут быть использованы

те модели, которые использовались для прогнозирования температуры в помещениях капитальных строений . К ним относятся:

1. множественный регрессионный анализ;

2. нечеткая логика;

3. нейронные сети.

Поскольку для прогнозирования временных рядов применяются несколько моделей прогноза, то необходимо выбрать критерий, определяющий качество прогноза. В качестве такого критерия на основе примем дискретную норму среднеквадратического отклонения тогда алгоритм построения прогноза строится следующим способом:

1. расчет параметров для модели множественной авторегрессии;

2. расчет параметров для модели, основанной на нечеткой логике;

3. расчет параметров для модели, построенной на нейронных сетях;

4. определение прогнозных значений с помощью полученных на шагах 1-3 моделей;

5. определение лучшей модели;

6. принятие значений лучшей модели в качестве прогнозных и оценка на их основании сроков и видов технических работ по поддержанию стабильного состояния систем снабжения коммунальными ресурсами.

В четвертой главе проводится исследование информационной системы по показателям технической эффективности, а также рассматриваются вопросы по внедрению информационной системы в системы Smart City.

Для выполнения расчетов по надежности проводится декомпозиция системы, разделив ее на два уровня - уровень этажа и уровень организации системы обмена данными между УСПД (рисунок 9). На схеме 9 приведены следующее обозначения:

1-9 - группы счетчиков соответствующего этажа; 10-18 - этажные УСПД; 19-27 - каналы связи с сервером; 29 - модем сервера;

30 - сервер;

31 - питание сервера

При выполнении расчетов по надежности информационной системы принимается следующее допущение, что все элементы, входящие в информационную систему являются однотипными или имеют одинаковые вероятностью характеристики, т.е. являются полными аналогами. В результате расчетов получено, что время наработки на отказ для такой системы составит 0.7547 лет. Анализируя диаграмму положительных вкладов (рисунок 10) было установлено, что элементами, вносящими наибольший положительный вклад являются элементы 19-27 и 29-30. На основании полученных данных было принято решение о повышении надежности путем дублирования элементов, вносящих наибольший вклад в снижение надежности системы.

Рис. 10. Диаграмма положительных вкладов элементов системы В результате проведения дублирования элементов надежность системы

повысилась на 120% и составила 1,665 лет.

Полученные ири расчетах надежности системы данные позволяют установить интервал проведения проверки работоспособности системы, равный 20 месяцам.

Информационная система мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ может являться одной из подсистем обеспечивающих решения данной комплексной задачи в рамках всего государства. Наличие распределенной базы данных позволяет интегрировать данную систему с любыми интернет ресурсами, занимающимися вопросами оказания государственных услуг.

На сегодняшний день концепцию «Умного города» можно представить в следующем виде

Госуслуги и образование

Навыки, знания, ■. ' способность к

_.,*■""* ф творчеству

Транспорт ф, »ф Общественная ♦ безопасность

\© 9

Здравоохранение

Рис. 11. Ключевые взаимосвязанные подсистемы современного города

Концепция «Умного города» (БтаЛСиу) предполагает собой создание такого информационного пространства, которое максимально возможным способом облегчает жизнь жителям города и подразумевает объединение в себе таких информационных систем как: система управления транспортом, система доступа к госуслугам и образованию, системы общественной безопасности, системы по предоставлению услуг здравоохранения. Важной частью этой системы является система комплексного учета учета энерго- и водоснабжения жилищно-коммунального хозяйства, которая с одной стороны предоставляет жителям возможность минимизировать сои временные затраты, связанные с необходимостью предоставления отчетной документации для снабжающих организаций, а с другой стороны,позволяет поставщикам коммунальных ресурсов планировать необходимые объемы предоставления коммунальных ресурсов и планировать необходимые мощности для их генерации.

На сегодняшний день создание информационных систем типа SmartCity является одним из наиболее молодых направлений в создании информационных систем, к которому подключились такие транснациональные корпорации как SAP, Siemens, Schneider Electric.

В заключении диссертации приведены основные научные и практические результаты работы.

В приложениях представлены листинги программных модулей

Основные результаты диссертационной работы

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты: основными параметрами, помимо непосредственно количественных значений потребления коммунальных ресурсов являются параметры, характеризующие качественные характеристики снабжения коммунальным ресурсом, на основе которых формируются штрафные санкции в адрес поставщика; обоснован принцип организации системы учета потребления коммунальных ресурсов; построена информационная модель системы мониторинга коммунальных услуг, которая позволяет обеспечить мониторинг коммунальных услуг; построена структурная схема системы учета; синтезирован состав программных модулей информационной системы; разработан алгоритм сбора информации о потреблении коммунальных ресурсов; разработан алгоритм контроля технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами; на основе качественных характеристик получен алгоритм прогнозирования технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Дьяченко Р. А., Шароватов А. С., Лоба И. С., Решетняк М. Г. Разработка алгоритма поиска оптимальной модели // Политематнческий сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. 2012. № 3(77). С. 378-387.

2. Атрощенко В. А., Дьяченко Р. А., Решетняк М. Г., Лоба И. С. К вопросу разработки методики прогнозирования температуры в помещениях капитальных строений // Современные проблемы науки и образования. 2012. №2.

3. Дьяченко Р. А., Багдасарян Р. X., Решетняк М. Г. Руденко М. В. Этапы разработки модели предметной области информационной системы учета энерго и водоресурсов // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5.

4. Атрощенко В. А., Дьяченко Р. А., Кабанков Ю. А., Решетняк М. Г. Разработка анализатора качества электроэнергии специальных объектов // Труды академии №79: Научно-технический сборник. СПб.: ВАС, 2012. С. 9-14.

5. Дьяченко Р. А., Семенюта И. С., Литвинов Ю. Н. и др. Программа для визуализации баз данных. OnlineDataBaseVisualisator (ODBV) // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615203. ФИПС. Зарегистрировано 01.07.11.

6. Дьяченко Р. А., Решетняк М. Г., Лоба И. С. К вопросу структурной идентификации комплексной системы учета энерго и водоресурсов (КСУЭВР) // Математические методы и информационно-технические средства. Труды VII Всероссийской научно-практической конференции 24 июня 2011 года. Краснодар: Краснодарский университет МВД России, 2011. С. 51-52.

7. Дьяченко Р. А., Терехов В. В., Решетняк М. Г., Лоба И. С. К вопросу о структурной идентификации системы комплексного учета энерго- и водоресурсов // Научные чтения имени профессора Н.Е. Жуковского. Сборник научных статей II Международной научно-практической конференции / Филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина». Краснодар: Филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», 2012. С. 28-29.

8. Решетняк М. Г., Щеголев Д. С., Дьяченко Р. А. Методы выбора периода опроса средств учета холодной воды при помощи информационной системы сбора данных // Сборник научных трудов факультета КТАС КубГТУ / Кубанский государственный технологический университет. Факультет КТАС. Краснодар: Издательский Дом - Юг, 2012. № 4. С. 103— 105.

9. Решетняк М. Г., Дьяченко Р. А., Лоба И. С. К вопросу построения систем поквартирного учета теплоэнергии // IX Всероссийская

научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление»: Сборник материалов. Т. 2. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. С. 222225.

10. Решетняк М. Г., Дьяченко Р. А., Лоба И. С., Коновалов Д. П. К вопросу разработки комплексной системы учета энерго и водоресурсов // Сборник научных статей II Международной научно-практической конференции молодых ученых Посвященной 51-й годовщине полета Ю.А. Гагарина в космос. Краснодар: Филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», 2012. С. 245-247.

11. Решетняк М. Г., Дьяченко Р. А., Лоба И. С., Коновалов Д. П. К вопросу стратификации комплексной системы учета энерго и водоресурсов // Сборник научных статей II Международной научно-практической конференции молодых ученых Посвященной 51-й годовщине полета Ю.А. Гагарина в космос. Краснодар: Филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», 2012. С. 247-248.

12. Дьяченко Р. А., Багдасарян P. X., Лоба И. С., Решетняк М. Г. К вопросу внедрения интеллектуальных сетей SMART GRID // Сборник научных статей II Международной научно-практической конференции молодых ученых Посвященной 51-й годовщине полета Ю.А. Гагарина в космос. Краснодар: Филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», 2012. С. 305-308.

Подписано в печать 22.11.2013. Печать трафаретная. Формат 60x84 Vic- Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1023. Отпечатано в ООО «Издательский Дом-Юг» 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. В-120, тел. 8-918-41-50-571 e-mail: olfomenko@yandex.ru Сайт: http://id-yug.com

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Кубанский государственный технологический университет»

04201456377

описи

Решетняк Михаил Геннадиевич

«ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА КОММУНАЛЬНЫХ

УСЛУГ В ЖКХ»

Специальность 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (информационные и технические системы)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.п., профессор Атрощенко В.А.

Краснодар 2013 г.

Оглавление

Стр

Введение 4

Глава 1. Современное состояние мониторинга коммунальных ресурсов в ЖКХ 10

1.1. Анализ требований к организации мониторинга коммунальных услуг в Российской Федерации........................................................10

1.2. Анализ вариантов контроля и учета потребления коммунальных ресурсов на российском рынке ЖКХ..............................................15

1.3. Анализ измерительных приборов для организации учета................22

1.4. Постановка научной задачи..................................................28

1.5. Выводы........................................................................28

Глава 2. Разработка информационной структуры системы учета энерго и во-

доресурсов 29

2.1. Разработка методики и математического описания предметной области 29

2.2. Разработка структурной схемы информационной системы учета для типового жилого дома........................................................59

2.3. Обоснование выбора технологий и протоколов передачи данных .... 65

2.4. Синтез информационной структуры комплексной системы учета типового дома......................................................................66

2.5. Выводы........................................................................73

Глава 3. Разработка алгоритмов функционирования и программного обеспечения информационной системы 74

3.1. Разработка алгоритма сбора информации о потребленных коммунальных ресурсах................................. 74

3.2. Разработка алгоритма контроля технического состояния системы снабжения коммунальными ресурсами..................... 76

3.3. Разработка алгоритма прогнозирования технического состояния системы снабжения коммунальными ресурсами ................ 81

3.4. Разработка программного обеспечения для сбора информации о потребленных энерго- и водоресурсах .................... 83

3.5. Выводы........................................................................86

Глава 4. Комплексная оценка информационной системы учета энергетических

и водных ресурсов 87

4.1. Техническая оценка эффективности информационной системы..........87

4.2. Экономическая оценка эффективности комплексной системы учета энерго и водоресурсов в ЖКХ..............................................90

4.3. Возможности интегрирования комплексной системы учета энерго и водоресурсов в ЖКХ в различные электронные муниципальные системы 91

4.4. Выводы........................................................................93

Заключение 94

Список использованных источников..............................................96

Приложение А 104

Введение

Актуальность работы

Учет потребления электроэнергии, горячей и холодной воды, теплоэнергии в ЖКХ в последнее время становится актуальной задачей для всей страны. На сегодняшний момент на рынке подобных систем представлены лишь специализированные системы, такие как системы автоматизированного учета электроэнергии. Начинают появляться и первые модели систем, которые осуществляют учет не только электроэнергии, но и водопотребления. Учет же теплоэнергии, передаваемой в жилье потребителей на сегодняшний момент происходит не по количеству потребленной энергии, а по метражу жилой площади (в некоторых случаях устанавливаются общедомовые теплосчетчики, которые рассчитывают количество потребленного тепла всем домом и оплат за потребленную теплоэнергию распределяется пропорционально площади квартиры относительно общедомовой площади). Создание системы комплексного учета энерго- и водоснабжения позволяет решить достаточно большой объем задач, связанных не только с учетом, но и с формированием тарифных ставок. Подобные системы достаточно востребованы для всех участников потребления энерго и водоресурсов. Поставщики получают в максимально возможном объеме деньги за предоставленные ресурсы, а потребители, в свою очередь, платят только за то, что потребили. Наряду с этим существует понятие коммерческих потерь при поставке коммунальных ресурсов потребителям, в результате которых поставщики вынуждены компенсировать эти потери за счет потребителей, поэтому разработка информационной системы по комплексному учету потребления энерго и водоресурсов является актуальной задачей.

Степень разработанности проблемы

На сегодняшний день к основным работам по разработке информационных систем можно отнести работы Г. Шилдта, Ч. Петцольда, Дж. Рихтера, В.В. Кульбы, Г. Хансена, Т. Конолли, Д. Майо, М. Лутцем, Мамиконовым А.Г. Однако данные работы относятся к общим положениям по разработке информационных систем и не затрагивают разработку конкретных информационных систем и в частности, информационных систем по учету коммунальных ресурсов в ЖКХ.

Основными работами по принципам учета коммунальных ресурсов и формиро-

I

i

вании системного подхода к организации их учета можно отнести работы Иванова A.C., Мелентьева JI.A., Осипова Ю.Н., Колмогорова А.Н., Иванен Н.Т. Однако эти работы отображают решение частных задач по построению информационных систем по учету коммунальных ресурсов, связанных с разработкой программно-аппаратных комплексов и построению систем учету конкретного коммунального ресурса. В основном общие правила учета коммунальных ресурсов приведены в соответствующих нормативных и правовых документах.

Также важной частью является возможность использования системы комплексного учета энерго- и водоснабжения как подсистемы в системах вида Smart Grid и Smart City. Отдельные аспекты посвященные развертыванию информационных систем мониторинга параметров электроэнергетических комплексов для технологий Smart Grid рассмотрены в работах Б.Б. Кобец, И.О. Волковой, Б.Ф. Вайнзихером и других.

Наряду с организацией учета потребления коммунальных ресурсов, важной задачей является контроль технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами. В данном направлении основными работами являются работы Балабан-Ирменина Ю.В., Липовских В.М., Рубашова A.M., Акользина П.А., и других, которые отражают основные подходы к контролю параметров систем снабжения коммунальными ресурсами, но практически не рассматривают построение информационных систем, связанных с их контролем.

Оценка технических и экономических показателей эффективности информационной системы является крайне важным этапом при проектировании систем и отображает целесообразность ее дальнейшего использования. К основным трудам в данной области можно отнести труды Можаева A.C., Скрипкина К.Г., Легарда Д. и других, рассматривающих вопросы как показателей надежности информационных систем, так и показатели экономической эффективности.

Таким образом, на сегодняшний день проблема построения информационных систем по комплексному учету энерго- и водоснабжения в ЖКХ остается одной из актуальных задач, несмотря на то, что существует достаточно большое количество публикаций на эту тему, информационные системы по учету коммунальных ресурсов представляют собой разрозненные проекты и актуальной задачей становится создание методического и программного обеспечения для разработки информационных систем, способных интегрироваться в системы SmartGrid и

Этаг^С^у.

Объектом исследования является информационная система мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ.

Предметом исследования является разработка методического и программного обеспечения для построения информационных систем мониторинга коммунальных ресурсов с возможностью интегрирования в системы типа Бтах^Спс! и БтайС^у.

Область исследования. Работа выполнена в соответствии с паспортом специальности ВАК при Минобрнауки РФ (технические науки, специальность 05.13.01 - Системный анализ,управление и обработка информации) п. 2 «Формализация и постановка задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации» и п. 10 «Теоретико-множественный и теоретико-информационный анализ сложных систем».

Цель исследования. Целью диссертационной работы является разработка научной методики создания информационной системы мониторинга коммунальных услуг в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Задачи исследования. Сформулированная цель подразумевает под собой решения следующего ряда научных задач:

- анализ принципов построения существующих систем учета потребления коммунальных ресурсов;

- разработка структурной схемы сбора информации, обеспечивающей учет потребления энергетических и водных ресурсов;

- разработка информационной модели информационной системы мониторинга коммунальных ресурсов;

- синтез состава модулей программного обеспечения информационной системы;

- разработка алгоритмов сбора информации о потреблении коммунальных услуг;

- разработка алгоритма мониторинга технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами;

- исследование предлагаемой информационной системы по техническим и экономическим показателям качества.

Методы исследования. При решении поставленных в рамках диссертационной работы задач использовались теория множеств, методы динамического программирования, методы решения двухкритериальных задач специального вида, методы системного анализа теория графов, методы объектно-ориентированного программирования, методы построения локальных баз данных, методы прогнозирования на основе множественной регрессионной модели, нечеткой логики и нейронных сетей.

Научная новизна

- разработана методика построения информационных систем мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ;

- разработаны и решены задачи оптимизации структуры программного обеспечения и выбора технических средств учета потребления коммунальных ресурсов;

- разработан алгоритм контроля и прогнозирования технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами.

Практическая значимость

- разработанная методика создания информационной системы мониторинга коммунальных услуг в ЖКХ позволяет обеспечить проектирование данных информационных систем;

- разработан алгоритм контроля технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами, позволяющий оценить их техническое состояние и оперативно влиять на него;

- разработаны алгоритмы прогнозирования технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами, позволяющие планировать их обслуживание в зависимости от их состояния;

- разработано программное обеспечение, позволяющее проводить учет потребления коммунальных ресурсов и мониторинг технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами.

Внедрение работы. Результаты исследований внедрены в ОАО «КБ «Селена».

Апробация результатов диссертационного исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических мероприятиях: ГОУ ВПО КубГТУ, Краснодар, 2010,2012: 1,11 Межвузовская научно-практическая конференция «Автоматизированные информационные и электро-

энергетические системы»; Филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»: 1,11,III Всероссийская научно-практическая конференция «Научные чтения имени профессора Н.Е. Жуковского», Краснодар, 2011-2013, II Международная научно-практическая конференция молодых ученых посвященная 51-й годовщине полета Ю.А. Гагарина в космос, Краснодар, 2012; Краснодарский университет МВД России, Краснодар, 2012: VII Всероссийская научно-практическая конференция «Математические методы и информационно-технические средства»; ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2011: IX Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление».

Основные положения выносимые на защиту.

1. Методика разработки системы комплексного учета потребления коммунальных ресурсов в ЖКХ.

2. Алгоритм контроля и прогноза технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами.

3. Методика выбора технических средств учета потребления коммунальных ресурсов и оптимизация алгоритма сбора информации.

4. Методика построения программного обеспечения информационных систем для интеграции в системы SmartCity.

Диссертационная работа включает в себя введение, четыре раздела, заключение, список использованных источников и приложение

В первой главе проводится анализ современного состояния учета потребления коммунальных ресурсов, вводятся основные термины и определения, определяются основны принципы функционирования устройств по учету потребления коммунальных ресурсов, проанализированы существующие решения в данной области и выделены основные технологии организации информационных систем по учету коммунальных ресурсов

Во второй главе построена информационная модель системы учета энерго- и водоснабжения в ЖКХ с применением технологий объектно-ориентированного моделирования UML и теории множеств, разработана структурная схема сбора информации и представлена диаграмма развертывания. Произведен выбор технологии передачи данных и сформулированы в виде задач оптимизации задачи

поиска оптимального времени снятия показаний о потреблении коммунальных ресурсов и выборе средств учета потребления коммунальных ресурсов.

В третьей главе разработаны алгоритмы сбора информации, контроля и прогнозирования технического состояния систем снабжения коммунальными ресурсами и представлен графический интерфейс пользователя программного обеспечения информационной системы по учету энерго и водоснабжения в ЖКХ.

В четвертой главе приводится комплексная оценка информационной системы, включающая в себя оценку технической и экономической эффективности информационной системы. Рассмотрена возможность интеграции информационной системы с различными муниципальными системами.

I

I

Глава 1

Современное состояние мониторинга коммунальных ресурсов в ЖКХ

1.1. Анализ требований к организации мониторинга коммунальных услуг в Российской Федерации

Термины и определения

Общие положения по организации учета потребления электрической энергии, горячей и холодной воды, тепловой энергии определяется в настоящий момент нормативным документом [38]. Также в [38] устанавливаются следующие определения:

Коммунальный ресурс - холодная вода, горячая вода, электрическая энергия, природный газ, тепловая энергия, бытовой газ в баллонах, твердое топливо при наличии печного отопления, используемые для предоставления коммунальных услуг. К коммунальным ресурсам приравниваются также сточные бытовые воды, отводимые по централизованным сетям инженерно-технического обеспечения; Коммунальные услуги - осуществление деятельности исполнителя по подаче потребителям любого коммунального ресурса в отдельности или 2 и более из них в любом сочетании с целью обеспечения благоприятных и безопасных условий использования жилых, нежилых помещений, общего имущества в многоквартирном доме, а также земельных участков и расположенных на них жилых домов (домовладений); Индивидуальный прибор учета - средство измерения (совокупность средств измерения и дополнительного оборудования), используемое для определения объемов (количества) потребления коммунального ресурса в одном жилом или нежилом помещении в многоквартирном доме (за исключением жилого помещения в коммунальной квартире), в жилом доме (части жилого дома) или домовладении;

Внутриквартирное оборудование - находящиеся в жилом или нежилом помещении в многоквартирном доме и не входящие в состав внутридомовых инженерных систем многоквартирного дома инженерные коммуникации (сети), механическое, электрическое, санитарно-техническое и иное оборудование, с использованием которых осуществляется потребление коммунальных услуг.

Анализ организации учета коммунальных ресурсов

Основываясь на приведенных терминах формулируются следующие задачи системы мониторинга коммунальных услуг:

• осуществлять мониторинг количественных показателей предоставления коммунальных ресурсов;

• осуществлять мониторинг качественных показателей предоставляемых коммунальных ресурсов;

• осуществлять мониторинг технических параметров систем предоставления коммунальных ресурсов.

Перечень коммунальных ресурсов, подлежащих учету их потребления приведен в [38]. Данный перечень может быть разделен на две группы по признакам характера возможных изменения качественных характеристик представляемых коммунальных ресурсов. Первой группе соответствуют следующие коммунальные ресурсы:

• холодная вода;

• горячая вода;

• электрическая энергия;

• тепловая энергия.

Осо�