автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Информационно-аналитическая поддержка и управление энергоресурсами предприятия

На правах рукописи

АХМЕТЗЯНОВА РОЗА ХАМИТОВНА

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА И УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОРЕСУРСАМИ ПРЕДПРИЯТИЯ (НА ПРИМЕРЕ ОАО "ТАТНЕФТЬ")

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005 г.

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете «Станкин»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Митрофанов В.Г.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Абакумов А.М.

кандидат технических наук Эсько М.В.

Ведущее предприятие НГДУ "Азнакяевнефть"

Защита состоится « /7 » 2005 г. в Jf часов на заседании

диссертационного совета К 212.142.01 Московского государственного технологического университета «Станкин» по адресу: 101472, ГСП, Москва, К-55, Вадков-ский пер., д.За.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Ml ТУ «Станкин». Автореферат разослан » ¿аЛ^ТЯ 2005 г.

Отзыв на автореферат просьба направлять в двух экземплярах по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета К212.142.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 212.142.01

И.М. Тарарин

1<£>0Ь- 4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Реальная энергоэффективная экономика требует создания современных механизмов контроля и управления потреблением энергии. В соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 12 августа 1998 г. № 938, основной задачей Госэнергонадзора является "осуществление контроля за техническим состоянием и безопасным обслуживанием электрических и теп-лоиспользукмцих установок потребителей ...., рациональным и эффективным использованием ... энергии ...». Необходима комплексная автоматизация деятельности всей организационной структуры Госэнергонадзора, создание единого информационного пространства, внедрение программно-технических систем и комплексов, обеспечивающих анализ информации и поддержку при-геггия управленческих решений.

Органы энергонадзора находятся в системном взаимодействии с множеством объектов, функционирование которых определенным образом связано с преобразованием энергии. В результате анализа предметной области можно выделить три подсистемы:

1. Подсистема объектов - потребителей и производителей ТЭР,

2. Подсистема объектов, образующих организационную структуру Госэнергонадзора.

3. Подсистема управления, объединяющая подсистемы 1 и 2. При этом подсистема 1 является объектом управления, подсистема 2 - регулятором.

Взаимодействие подсистем 1 и 2 заключается в контроле состояния объектов подсистемы 1 и выработке в подсистеме 2 управляющих воздействий, обеспечивающих достижение целей управления. В то же время, подсистема 2 рассматривается как организационная система, внутри нее выполняется множество производственных или "деловых" процессов, как непосредственно связанных с управлением подсистемой 1, так и обеспечивающих инфраструктуру организационной системы.

На ранней стадии концептуального уровня проектирования энергонадзор и физическая система (организации региона) рассматриваются как взаимодействующие регулятор и объект управления.

В то же время, управление физической системой (формирование регулятором управляющих воздействий на основе контролируемых выходных концептов физической системы) может производиться внутри регулятора—энергонадзора (т.е. организационной системы) множеством различных способов. Дня создания эффективного регулятора требуется произвести анализ организационной системы и ее формализацию. Результатом является проект И АС, рассматриваемой в данной задаче, как АСУ энергонадзора.

Отсюда целью диссертационной работы является создание информационно-аналитической поддержки управления энергоресурсами предприятия.

Новым в работе является.

1. Объектная и функциональная декомпозиция организационной системы предприятия.

2. Система управления режимами электропотребления для предприятий нефтедобывающих комплексов.

3. Описание компонент и построение экспертной системы выбора программно-технической платформы управления энергоресурсами.

Практическая ценность работы заключается в разработке методического и программного обеспечения решения задачи выбора программно-технической платформы информационно-аналитической системы предприятия.

Реализация работы. Разработанные модели и алгоритмы использованы в экономическом обосновании проекта информационно-аналитической системы управления энергоресурсами предприятия.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах института конструкторско-технологической информатики РАН, на Международных научно-технических конференциях "Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий" Санкт Петербург,2003; "Пробле-

л

мы автоматизации и управления в технических системах", Пенза^2004, на заседаниях кафедры"Автоматизированные системы обработки информации и управления", МГТУ "Станкин".

Публикаций. По теме диссертации опубликованы 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 43 наименований изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

Анализ вопросов прямо или косвенно связанных с созданием информационной аналитической системы (ИАС) предприятия позволил сделать следующие выводы.

Для проектирования ИАС можно использовать следующую методику.

1. Производится объектная и функциональная декомпозиция организационной системы - предприятия (энергонадзора). Для объектной декомпозиции служит организационная структурная схема предприятия: руководящие лица, подразделения, отношения подчиненности. Для функциональной декомпозиции АСУ рассматривается как система управления: вводятся фазы управления: планирование и т.д.

2. Производится декомпозиция фаз управления на процессы (или фазы ассоциируются с процессами и декомпозируются процессы). Процессы рассматриваются с точки зрения Workflow: создаются карты процессов в нотациях: IDEFO, DFD, IDEF3.

Работа по п. 2 выполняется в среде BPWin. Предварительный состав функций общесистемных процессов учитывает номенклатуру - см. п. 1. Разрабатываются карты общесистемных (без учета объектной декомпозиции п. 1) процессов, например, планирования.

3. Производится отображение моделей п.2 на объектную структуру предприятия. Образуются множества частей (или отдельных функций) общесистемных процессов, поставленных в соответствие элементам организационной структуры (подразделениям). Эти множества определяют состав отдельных АРМ подразделений. Функции АРМ могут повторяться, если функции общесистемного процесса выполняются распределение между подразделениями. Возможна и структурная идентичность (совпадение описаний или сходство описаний) функциональных блоков - это другой вид повторяемости. (Оба вида повторяемости способствуют сокращению объема разрабатываемого ПО за счет использования общих частей ПО -функций, настраиваемых обобщенных функций или за счет частичного использования готовых текстов программ функций).

4. Проектирование структуры АРМов. Состав форм определяется, в основном, по результатам п.З. Для автоматных описаний целесообразно графически представить диаграммы переходов между формами. Большинство инструментов (кнопок) переходов между формами формально появляется на основе предварительно составленных диаграмм переходов.

5. Проектирование архитектуры ИАС. Вводится понятие изменчивости данных и программ. Для постоянных или относительно постоянных частей (в малой степени зависящих от времени и содержания информации ИАС) разрабатываются универсальные постоянные элементы ПО. Для изменчивой части вводится единый язык описания, интерпретируемый постоянными элементами (например, описание шаблонов отчетов, формы диалога при заполнении документов и т.д.).

Отсюда главной целью настоящей работы является создание информационно-аналитической поддержки управления энергоресурсами предприятия.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать систему управления режимами электропотребления для предприятий нефтегазодобывающих комплексов (НГДК).

2. Разработать систему обработки информации и управления энергоресурсами предприятий НГДК.

3. Разработать формальное описание компонент программно-технической платформы и экспертную систему выбора ее элементов.

ГЛАВА 2. Управление режимами электропотреблеиия и лимитирования нагрузки для предприятий нефтегазодобывающих комплексов

Основной задачей управления электропотребления является приближение режима потребления электроэнергии к энергетически оптимальному для принятой системы разработки месторождений. Реализация такой системы управления достигается путем определения рациональных дифференцированных групповых норм расхода электрической энергии на добычу нефти для отдельных нефтегазодобывающих предприятий (НГДГТ), непрерывного контроля в пределах планируемого периода фактического удельного расхода электроэнергии, сравнения фактического удельного расхода с рациональной групповой нормой и в случае их отличия выдачи рекомендаций по проведению энергосберегающих мероприятий, обеспечивающих приближение фактического потребления к рациональному. При этом предполагается, что режимы напряжения н реактивной мощности оптимизированы или близки к оптимальным.

Под расчетным периодом оценки показателей, электропотребления понимается отрезок времени, в пределах которого технологический процесс устойчив и удельные расходы электроэнергии на добычу нефти насосным способом, транспорт, подготовку, хранение и внешнюю перекачку нефти, подготовку и утилизацию ливневых стоков и поддержание пластового давления (III1Д) постоянны.

Реализация предложенной системы предполагает минимизацию целевой функции:

^(о)^-»^-» 1ШП (1)

при ограничениях:

(3)

С5аС75 м

(4)

где 1Уф и 1Удпт - массивы фактического и оптимального расхода электроэнергии по нефтегазодобывающему комплексу (НГДК) за заданный период;

где N - число НГДП в составе НГДК;

СОф и а>опт - массивы фактических и оптимальных удельных расходов электроэнергии по отдельным составляющим технологического процесса добычи нефти за заданный период;

tЗJU и % - заданный и расчетный период времени;

и - фактическая и плановая добыча нефти за заданный период насосным способом, тыс.т.;

и (72пл - фактическая и плановая перекачка нефти дожимными насосными станциями (ДНС) за заданный период, тыс.т.;

(73 и Ош - фактическая и плановая подготовка нефти за заданный период, тыс.т.;

и б4/и - фактическая и плановая реализация (внешняя перекачка) товарной нефти за заданный период, тыс.т.;

¡=1

N

IV = У

'опт )

1=1

опт

(5)

(6)

и С5пл - фактическая и плановая подготовка нефти за заданный период, тыс.т.;

и С6пя ' Фактическая и плановая закачка воды для ППД за заданный период, тыс.м3.

В качестве заданного периода времени в условиях НГДК могут рассматриваться сутки, т.к. именно за этот период принято оценивать функционирование НГДП как единого технико-энергетического комплекса. Величина / должна быть скорректирована с длительностью действия ограничений электроэнергия при ее лимитировании.

При разложении технологического процесса на 6 составляющих компонент:

ей. <оЬ\

(7)

.... т$6

„.опт „опт

„опт (8)

,,опт <°т , „опт

ф ой

»г/ = ф <6 X (9)

< ф

ффГОЛМ „ОЙИ /-опт °11 > г^опт •••» Цб

■^уопт опт тл > опт X Ч/1 . Г-УОШП (10)

ТТГОШП "ЛГ опт °>т ' топт /-•опт

где й^ - удельный расход электроэнергии на добычу 1 т. нефти по извлечению

продукции скважин на дневную поверхность насосным способом, кВт х ч/т; (О2 -удельный расход электроэнергии на транспорт 1т. нефти ДНС до ЦПС, кВтхч/т;

©3 - удельный расход электроэнергии на подготовку 1 т. нефти, кВт х ч / т; ео4 - удельный расход электроэнергии по комплексам сооружений хранения и внешней перекачки 1 т. товарной нефти; кВт х ч / т;

й>5 - удельный расход электроэнергии по подготовке и утилизации пластовых вод и производственно-ливневых стоков, приходящейся на 1 т. подготавливаемой нефти, кВт х ч / т;

&6 - удельный расход электроэнергии по ППД при закачке 1 м3 воды, кВт х ч/м3.

Групповая фактическая и оптимальная нормы расхода электроэнергии на 1 т. добычи нефти:

Пф^ф/6' (»>

Попт^огт/С, 02)

где: С - добыча нефти за заданный период, т.

Далее в работе приводятся расчетные формулы для определения удельных расходов электроэнергии на отдельные компоненты процесса добычи, а именно, на добычу нефти насосным способом, на транспорт нефти, на подготовку нефти, на сооружения для хранения и внешней перекачки товарной нефти, на подготовку и утилизацию пластовых вод и производственно-ливневых стоков, на сооружения для поддержания пластового давления.

Анализ структуры потребления электроэнергии по НГДК ОАО «Татнефть» показал, что расход электроэнергии на добычу нефти составляет 77 %, прочее производственное потребление - 22,4 %, коммунально-бытовое потребление - 0,3 %. Расход электроэнергии на бурение скважин включается в состав прочего производственного потребления и составляет 0,3 %.

Структура расхода электроэнергии на добычу нефти складывается из потребления на:

- извлечение продукции скважин на дневную поверхность - 51,5%;

- поддержание пластового давления - 37,5%;

-транспортировку нефти ДНС - 4,5%;

- подготовку нефти - 2,9%;

- подготовку и утилизацию пластовых вод - 2,9%;

- хранение и внешнюю перекачку товарной нефти - 0,7%.

Наиболее энергоемкими технологическими процессами являются извлечение продукции скважин на дневную поверхность и поддержание пластового давления, что составляет более 87 % от общего расхода на добычу нефти.

Потребители электрической энергии в нефтегазодобывающей отрасли являются одной из энергоемких групп. Специфика этих потребителей состоит в том, что они рассредоточены по территории в виде длинных цепочек и разветвленных сетей.

Неравномерность графиков нагрузок и дефицит энергомощностей создают необходимость лимитирования нагрузок.

Инструктивными материалами Главгосэнергонадзора бывшего Минэнерго РФ порядок установления лимитов электрической мощности определяется исходя из следующих положений:

- лимиты мощности определялись исходя из лимитов потребления электроэнергии, установленным промышленным и приравненным к ним потребителям министерствами (ведомствами), в подчинении которых они находятся;

- при расчете лимита мощности потребителя принимали суточный график нагрузки за «режимный» день предыдущих 3 лет с наивысшим коэффициентом заполнения графика в часы максимальных нагрузок энергосистемы.

Для распределения долей суммарного расхода электроэнергии по НГДУ в зависимости от удельного расхода на добычу нефти предлагается алгоритм, сущность которого в том, что ограничению электропотребления подвергаются, в первую очередь, наименее эффективные группы НГДУ, т.е. алгоритм можно характеризовать как "жесткий", однако, с точки зрения интересов ОАО "Татнефть" наиболее эффективный, т.к. он обеспечивает минимальное снижение объемов нефтедобычи.

ГЛАВА 3. Система обработки информации и управления энергоресурсами предприятий НГДК

ИАС предприятия (ИАСГТ) представляет собой комплекс баз данных (БД), расчетных приложений и средств генерации отчетов. Проектируемая ИАС является распределенной и имеет серверную (физическое расположение в Госэнергонадзоре) и клиентские части (располагаются на отдельных предприятиях, переносных компьютерах инспекторов энергонадзора и т.д.). Обмен информацией между клиентской и серверной частью может осуществляться с использованием локальной сети, сети Internet или (при отсутствии связи между компьютерами) с помощью магнитных носителей (дискет). Назначение и структура ИАСП. ИАСП предназначена для:

• автоматизации статистической отчетности предприятий по энергопотреблению (генерацией соответствующих отчетов);

• автоматизации выполнения расчетов по энергопотреблению (например, расчет электробаланса и т.д.);

• Информационного обеспечения клиентских мест нормативно-технической и нормативно-правовой документацией;

• Информационного обеспечения клиентских мест технической информацией по приборам учета энергоресурсов. Общая структура ИАСП представлена на рис. 1.

Серверная часть включает: реляционную БД предприятий; реляционную БД по установленному энергетическому оборудованию и статистике энергопотребления предприятий; полнотекстовую БД нормативно-технической и нормативно-правовой документации; комплекс расчетных приложений для выполнения расчетов по энергопотреблению; комплекс средств генерации статистических и технических отчетов; средства репликации серверных БД на клиентские рабочие места.

БД (совокупность всех БД сервера, хранилища, витрины)

С

■Большой' КЛИЕНТ (предприятие)

Все БД клиента(дан

ОС клиента

ныело

предпрг----

Малый КЛИЕНТ- припои» ия для ввода данных, формировании з кцлортжго файла ВД (опрослик)

Рис. 1. Общая структура ИАСП

Клиентская часть включает: реляционную БД по установленному энергетическому оборудованию и статистике энергопотребления для конкретного предприятий (или группы предприятий для инспектора госэнерго-надаора); полнотекстовую БД нормативно-технической и нормативно-правовой документации; комплекс расчетных приложений для выполнения расчетов по энергопотреблению; комплекс средств генерации статистических и технических отчетов; средства репликации клиентских данных на серверную часть.

При наличии сетевой связи между сервером и клиентом на клиентском месте БД нормативно-технической и нормативно-правовой документации, а также БД по техническим характеристикам приборов учета энергоносителей могут отсутствовать (располагаться на сервере) и доступ пользователей к ним осуществляется с использованием сетевых средств.

Архитектура программного обеспечения ИАСП. В качестве основных положений концепции архитектуры ИАСП (рис. 2) можно предложить: концепцию единого распределенного информационного ресурса; иерархию уровней ИАСП; единство моделей данных; многообразие способов взаимодействия в системе, адаптивный характер коммуникационный среды; применение технологий «клиент-сервер» при решении широкого класса информационно-аналитических задач; многоцелевое использование системы; расширяемый и легко заменяемый состав информационно-аналитических приложений на всех уровнях ИАСП.

Рис. 2. Общая структура ИАСП

ГЛАВА 4. Формальное описание компонент программно-технической платформы ИАСП

Характеристические функции и характеристические формулы — как основа формального описания ИАСП в «р-мерном» пространстве.

Создание и развитие ИАСП является чрезвычайно сложной задачей. В целях

■

успешной реализации вопросов управления энергосистемой, решения финансово-экономических и административно-хозяйственных задач с минималь-

<

ными материальными и временными затратами необходима разработка единой комплексной методологии создания информационно-управляющей системы, задача которой установить порядок и правила разработки ИАСП на всех стадиях жизненного цикла.

Основой современной методологии построения комплексных информационных систем является проблемно-ориентированный подход.

Одновременно с процессом развертывания этой части информационной системы «от первой проблемы» ведется анализ и оптимизация других проблемных ситуаций, и цикл повторяется.

В основу средств формального описания элементов ИАСП положено понятие функций , отражающих определенный у(у = 1,2,...,и) признак

1 (или технический параметр), принимающий г-ое (г = 1,2,...,т) конкретное

значение к-го (£ = 1,2,...,5) объекта (компонента аппаратуры ИАСП) (к е У -множество элементов аппаратуры ИАСП). Иными словами, любой к- й объект описывается в р-мерном пространстве, в котором р - определяется числом определенных ] - признаков, которые принимают некоторое число ¿-х возможных конкретных значений. Тогда набор конкретных объектов можно представить набором точек р-мерного пространства с конкретными координатами.

Любой "¿"-ый объект описывается набором координат в этом пространстве, совокупность которых условно назовем характеристической фор-

мулой (или характеристической матрицей). Таким образом, характеристическая формула имеет вид:

.....

где к - рассматриваемые объекты (популяции объектов) из множества элементов системы управления У;

} - признаки объектов, количество которых определяет размерность "р"-мерного пространства;

< - возможные конкретные значенияу-ых признаков. Характеристическая матрица имеет вид:

I 1 2 III

1 1 0 0

2 0 0

Р 0 1 0

Для каждого /-го признака может быть разное количество 1-ых конкретных значений, "1" показывает, что объект на данном /-м признаке принимает данное /-ое значение.

Очевидно, что если принять у за уровни ориентированного графа, а "(" за его вершины на каждом уровне, то характеристические формулы можно также представить в виде деревьев графа.

В результате такого представления мы получим граф, описывающий все возможные компоновки аппаратуры автоматизированной системы на всех уровнях архитектуры (аппаратно-программной платформы, программного обеспечения, используемых интерфейсов и протоколов связи, аппаратуры низового уровня и т.д.).

Анализируя различные сочетания /-тых значений на различных _/-тых уровнях графа, можно определить реализуемость и целесообразность суще-

ствования тех или иных деревьев, описывающих реальные элементы управляющей системы и их технические характеристики (экспертным путем).

Очевидно, что в итоге получим ориентированный взвешенный граф, для которого возникла задача выбора дерева с набором максимальных экспертных оценок. Иными словами, нужно определить пути в графе от истока в сток, вес которых был бы максимальным.

С учетом вышесказанного можно записать целевую функцию: Р

Х^* =>тах(У*еУ) j=^ / = 1,от

Совокупность путей для всех к-х элементов, принадлежащих множеству У определяют оптимальную спецификацию оборудования ИАСП. Путь максимального веса в графе определяется по алгоритму Дейкстры.

Экспертная система выбора программно-технической платформы ИАСП. Цель разработки экспертной системы (ЭС) - создание пакета программ, которые при решении задач, трудных для эксперта-человека при проектировании ИАСП, на основе эвристических знаний, получают результаты, не уступающие по качеству и эффективности решениям, принимаемым экспертом/разработчиком. Экспертная система решает трудноформализуемые задачи или задачи, не имеющие алгоритмического решения, повышая эффективность (при общем снижении затрат) проектных процедур.

Служебное назначение системы ЭС заключается в формировании основного и вспомогательного оборудования ИАСП. ЭС использует систему формального описания элементов ИС (с использованием характеристических формул, приведенных в предыдущем параграфе) для оптимизации процесса выбора. Рассмотрим фрагмент ЭС, определяющей спецификацию оборудования для ИАСП.

Процесс оптимизации состава СУ можно представить в виде ориентированного взвешенного графа С=(Х,Е). Весами дуг графа являются эксперт-

ные оценки выбора того или иного варианта программных и технических средств, а также их совместимость.

Очевидно, что после построения графа б возникает задача выбора тех дуг, сумма экспертных оценок которых была бы максимальной. Иными словами, нужно определить в графе б = (X, Г), дугам которого приписаны веса (стоимости), задаваемые матрицей С = \су ], пути от заданной начальной вершины 5 6 Хдо заданной конечной вершины ¡еХс максимальным весом, при условии, что такой путь существует, т. е. при условии t е Здесь Л (у) - множество, достижимое из вершины 5. Элементы матрицы весов Су <=0 для V/, _/. Случай отрицательных элементов матрицы весов исключается из рассмотрения.

Эффективный алгоритм решения задачи о кратчайшем (у-Г)-пуги дал Дейкстра. Этот метод основан на приписывании вершинам верхних пометок, причем, пометка вершины дает верхнюю границу длины пути от $ к этой вершине. Эти пометки (их величины) постепенно уменьшаются с помощью некоторой итерационной процедуры, и на каждом шаге итерации точно одна из временных пометок становится постоянной. Последнее указывает на то, что пометка уже не является верхней границей, а дает точную длину кратчайшего пути от я к рассматриваемой вершине.

Общая структура и компоненты разработанной ЭС. Разработанная ЭС состоит из следующих компонентов (рис. 3):

1. иерархической базы знаний, хранящей множество взаимосвязанных правил, сгруппированных по иерархии принимаемых решений, обеспечивающих допустимый /корректный выбор оборудования в соответствии с требованиями Заказчика;

2. базы данных (рабочей памяти), описывающей реальные типы аппаратуры, программного обеспечения, коммуникационного оборудования, контрольно-измерительной аппаратуры и т.д., которые можно использовать при проектировании ИАСП;

3. интерпретатора, решающего на основе имеющихся в системе знаний предъявленную ему задачу;

4. диалоговой программы взаимодействия с пользователем (экспертом) на естественном для него языке (естественный язык, профессиональный язык, язык графики, пр.);

5. компоненты приобретения знаний;

6. объяснительной компоненты, дающей объяснения действий системы и отвечающей на вопросы о том, почему некоторые заключения были сделаны или отвергнуты.

Рис. 3. Общая структура ЭС

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана система управления режимами электропотребления НГДК.

2. Определены удельные расходы электроэнергии отдельными объектами НГДК.

3. Разработана методика расчета показателей потребления электроэнергии.

4. Поставлена и решена задача оптимизации распределения электроэнергии при наличии лимитирования нагрузок.

5. Определены назначение и структура ИАСП и ее отдельных компонентов.

6. Определен перечень функций ИАСП.

7. Разработаны архитектура программного обеспечения ИАСП.

8. На основе системы характеристических функций, а также эвристических правил (в базе знаний иерархической экспертной системы) разработана система формализованного описания параметров и характеристик элементов ИАСП, и выведена целевая функция, позволяющая оптимизировать структуру ИАСП и описывать связи между элементами ИАСП.

9. На основе разработанных характеристических функций, теорий сетей и графов обоснованы методологические принципы выбора элементов ИАСП.

Ю.Выбрана базовая подсистема многоуровневого ИАСП, сформирована структурная схема и с помощью предложенной методики построен полно связный граф возможных компоновок элементов ИАСП.

11. С помощью характеристической формулы формализованного описания технических параметров и характеристик средств автоматизации осуществлен выбор элементов ИАСП для базовой подсистемы.

12.Разработанная с помощью вышеизложенной методики ИАСП является типовой и рекомендуется для тиражирования на других ИС (уровнях управления и функциональных подсистемах) для слаженной работы в рамках единой ИАСП и уменьшения временных и материальных затрат на проектирование.

13.При проектировании сложных интегрированных систем управления, включающих в себя различные функциональные подсистемы, часто возникает необходимость решения трудноформализуемых задач, не имеющих алгоритмического решения. Алгоритмизировать их решение рекомендуется с помощью экспертных систем, которые при решении задач, трудных для эксперта-человека, получают на основе эвристических знаний решения, не уступающие по качеству и эффективности решениям, полученным экспертом/разработчиком при одновременном снижении затрат.

14.Разработаны методологические основы и математическая модель экспертной системы для решения многокритериальной оптимизационной задачи выбора аппаратно-программной платформы при проектировании различных уровней управления иерархических ИС с обеспечением их технической и информационной совместимости и с учетом необходимости интеграции их в единую ИАСП.

ч

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Ахметзянова Р.Х. Управление режимами электропотребления для предприятий нефтегазодобывающих комплексов // Ученые записки АГНИ: Сборник трудов. Альметьевск, 2003 г., с. 51-59.

2. Ахметзянова Р.Х. Архитектура программного обеспечения системы управления энергоресурсами И Ученые записки АГНИ: Сборник трудов. Альметьевск, 2003 г., с. 60-65.

3. Ахметзянова Р.Х. Экспертная система выбора программно-технической платформы системы управления // Ученые записки АГНИ: Сборник трудов. Альметьевск, 2004 г., с. 31-35.

4. Ахметзянова Р.Х. Назначение и структура информационно-аналитической системы предприятия. И Тезисы доклада на Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в управлении

* жизненным циклом изделий».-Санкт Петербург, 2003.-С. 16-20.

5. Ахметзянова Р.Х. Формальное описание компонент программно-технической платформы ИАСП. // Тезисы доклада на Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах».- Пенза, 2004 - С. 36-39.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ахметзяновя Роза Хамитовня

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА И УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОРЕСУРСАМИ ПРЕДПРИЯТИЯ (НА ПРИМЕРЕ ОАО «ТАТНЕФТЬ»)

г

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 23.03.2005. Формат 60х90'Лв Уч.изд. л. 1,25. Тирах 50 экз. Заказ № 73

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.3а

Р -975

РНБ Русский фонд

2006-4 7266

,t

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Информационно-аналитические системы (ИАС) как стратегический резерв повышения энергоэффективности предприятия.

1.2.Концепция проектирования ИАС.

1.2.1.Представление физической системы в терминах теории управления.

1.2.2.Концепция проектирования информационных систем на основе автоматизации деловых процессов.

1.2.3.Анализ сложных систем и управление сложными системами.

1.2.4.Этапы проектирования системы.

1.2.5.Концептуальное проектирование.

1.2.6.Информационное представление физической системы, проектирование концепции информационного хранилища.

1.2.7.Модели деятельностей концептуального уровня проектирования.

1.2.8.Методология БАТЯ (ЮЕРО).

1.2.9.Сравнительный анализ методологий функционального моделирования.

1.2.10.Типизация элементов моделей, проектирование АРМов.

1.2.11 .Концепция архитектуры ИАС.

1.2.12.Архитектура ИАС.

1.3.Цель и задачи исследования.

Глава 2. Управление режимами электропотребления в

ОАО «Татнефть».

2.1. Система управления режимами электропотребления.

2.2. Определение удельных расходов электроэнергии.

2.3. Расчет показателей потребления электроэнергии.

2.4. Анализ потребления электроэнергии.

2.5. Лимитирование нагрузок для предприятий нефтегазодобывающих комплексов.

2.6. Выводы.

Глава 3. Система обработки информации и управления энергоресурсами предприятий НГДК.

3.1. Назначение и структура ИАСП.

3.2. Структура отдельных компонентов ИАСП.

3.3. Виды информационных запросов в ИАСП.

Перечень функций ИАСП.

3.4. Архитектура программного обеспечения ИАСП.

3.5. Расчетно-аналитические приложения ИАСП.

3.6. Оценка конфигурации системы.

3.7. Выбор конфигурации программной платформы

ИАСП с учетом дополнительных критериев.

3.8. Выводы.

Глава 4. Формальное описание компонент программно-технической платформы ИАСП.

4.1. Характеристические функции и характеристические формулы - как основа формального описания

ИАСП в «/7-мерном» пространстве.

4.2. Формализация описания ИАСП.

4.3. Экспертная система выбора программно-технической платформы ИАСП.

4.4. Выводы.

Реальная энергоэффективная экономика требует создания современных механизмов контроля и управления потреблением энергии. В соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 12 августа 1998 г. № 938, основной задачей Госэнергонадзора является "осуществление контроля за техническим состоянием и безопасным обслуживанием электрических и теплоиспользующих установок потребителей рациональным и

• эффективным использованием . энергии . Необходима комплексная автоматизация деятельности всей организационной структуры Госэнергонадзора, создание единого информационного пространства, внедрение программно-технических систем и комплексов, обеспечивающих анализ информации и поддержку принятия управленческих решений.

Целью разработки и внедрения информационно-аналитической системы (ИАС) является повышение эффективности работы всех уровней системы Госэнергонадзора, достижение реальной экономии ТЭР за счет комплексной автоматизации задач на основе единого информационного ресурса [15,4].

Органы энергонадзора находятся в системном взаимодействии с множеством объектов, функционирование которых определенным образом связано с преобразованием энергии. В результате анализа предметной области можно выделить три подсистемы:

1. Подсистема объектов - потребителей и производителей ТЭР.

2. Подсистема объектов, образующих организационную структуру Госэнергонадзора.

3. Подсистема управления, объединяющая подсистемы 1 и 2. При этом подсистема 1 является объектом управления, подсистема 2 - регулятором.

Взаимодействие подсистем 1 и 2 заключается в контроле состояния объектов подсистемы 1 и выработке в подсистеме 2 управляющих воздействий, обеспечивающих достижение целей управления. В то же время, подсистема 2 рассматривается как организационная система, внутри нее выполняется множество производственных или "деловых" процессов, как непосредственно связанных с управлением подсистемой 1, так и обеспечивающих инфраструктуру организационной системы.

На ранней стадии концептуального уровня проектирования энергонадзор и физическая система (организации региона) рассматриваются как взаимодействующие регулятор и объект управления. Подходы к анализу такой системы различны, например когнитивные карты, составляемые группой экспертов. Выделяемые концепты физической системы ориентировочно определяют минимальный состав разделов информационного хранилища ИАС (могут быть ассоциированы с сущностями). Процессы управления физической системой (состав и цели) кратко определены в Положении о Госэнергонадзоре и внутренних положениях территориальных органов Госэнергонадзора (о подразделениях). Если при развитии ИАС требуется уточнение рассмотренных аспектов, анализ балансов энергии и т.д., необходимо привлечение экспертов в предметной области [29].

В то же время, управление физической системой (формирование регулятором управляющих воздействий на основе контролируемых выходных концептов физической системы) может производиться внутри регулятора -энергонадзора (т.е. организационной системы) множеством различных способов. Для создания эффективного регулятора требуется произвести анализ организационной системы и ее формализацию. Результатом является проект ИАС, рассматриваемой в данной задаче, как АСУ энергонадзора. Следующие п.п. методики определяют порядок проектирования АСУ для организационной системы [7,18].

1. Производится объектная и функциональная декомпозиция организационной системы - предприятия (энергонадзора). Для объектной декомпозиции служит организационная структурная схема предприятия: руководящие лица, подразделения, отношения подчиненности. Для функциональной декомпозиции АСУ рассматривается как система управления: вводятся фазы управления: планирование и т.д.

2. Производится декомпозиция фаз управления на процессы (или фазы ассоциируются с процессами и декомпозируются процессы). Процессы рассматриваются с точки зрения Workflow: создаются карты процессов в нотациях: IDEFO, DFD, IDEF3.

Работа по п. 2 выполняется в среде BPWin. Предварительный состав функций общесистемных процессов учитывает номенклатуру - см. п. 1. Разрабатываются карты общесистемных (без учета объектной декомпозиции п. 1) процессов, например, планирования.

Если информационный объект ассоциируется с понятием "документ", это отмечается в карте процесса. Для документов целесообразно ввести отдельную подмодель - Docflow ("процесс общесистемного документооборота". Из п. 1, где АСУ рассматривается как система управления, формально это не следует: условно вводится новый общесистемный процесс).

Создается первое приближение единой информационной компоненты АСУ - логическая модель ERWin (сущности определяются из DFD).

3. Производится отображение моделей п.2 на объектную структуру предприятия. Образуются множества частей (или отдельных функций) общесистемных процессов, поставленных в соответствие элементам организационной структуры (подразделениям). Эти множества определяют состав отдельных АРМ подразделений. Функции АРМ могут повторяться, если функции общесистемного процесса выполняются распределенно между подразделениями. Возможна и структурная идентичность (совпадение описаний или сходство описаний) функциональных блоков - это другой вид повторяемости. (Оба вида повторяемости способствуют сокращению объема разрабатываемого ПО за счет использования общих частей ПО - функций, настраиваемых обобщенных функций или за счет частичного использования готовых текстов программ функций) [6].

4. Внесение динамики в модели процессов. Используется математическая модель графов потоков данных (ГПД): если на всех входах вершины графа (функциональный блок) появляются токены (выполненные условия: "есть документ", "есть управление" и т.д.), то вершина-переход срабатывает, помещая токены на выходы (например, зарегистрированный документ в хранилище-архив). Все элементы карт процессов достаточно легко интерпретируются в элементы ГПД (нотация ГПД здесь описана не полностью).

5. Организация управления процессами. На практике подавляющее большинство срабатываний переходов в модели будет связано с достижением заданных моментов времени, движением токенов-документов и движением токенов-приказов. Процессы, в основном управляемые документооборотом (данными) могут управляться по модели ГПД. Для организации сложных процессов управления в организации могут применяться известные 2 подхода.

- АСУ вида: "регулятор - объекты управления". В этом случае, как правило, для ее описания достаточно обычного ГПД (образуется автоматизированная система, управляемая потоками документов), регламент управляющего документооборота определяется планами и должностными инструкциями.

- Система управления с ЛИР (лицами, принимающими решения), в состав которой может входить развитая СППР (консультирующая или экспертная система). В этом случае могут применяться сложные алгоритмы анализа данных, состояния системы, управления, опирающиеся на разнообразный математический аппарат, в т.ч. на теорию искусственного интеллекта (когнитивные карты, нечеткую логику, семантические модели и т.д.).

6. Проектирование структуры АРМов. Состав форм определяется, в основном, по результатам п.З. Переходы между формами определяются непосредственно по результатам п.4 и 5 (для различных АРМ подходы несколько отличаются - см.п.5). Для автоматных описаний целесообразно графически представить диаграммы переходов между формами.

Большинство инструментов (кнопок) переходов между формами формально появляется на основе предварительно составленных диаграмм переходов.

7. Проектирование архитектуры ИАС. Вводится понятие изменчивости данных и программ. Для постоянных или относительно постоянных частей (в малой степени зависящих от времени и содержания информации ИАС) разрабатываются универсальные постоянные элементы ПО. Для изменчивой части вводится единый язык описания, интерпретируемый постоянными элементами (например, описание шаблонов отчетов, формы диалога при заполнении документов и т.д.). Язык описания и информационная компонента являются едиными для ИАС в целом. Для написания ПО АРМ применяются среды разработки, в которые оптимальным образом интерпретируются модельные описания. Архитектура распределенных приложений - клиент-сервер, применяются как 2-звенный, так и 3-звенный ее варианты.

Новым в работе является.

1. Объемная и функциональная декомпозиция системы предприятия.

2. Система управления режимами электропотребления для предприятий нефтедобывающих комплексов.

3. Описание компонент и построение экспертной системы выбора программно-технической платформы управления энергоресурсами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана система управления режимами электропотребления НГДК.

2. Определены удельные расходы электроэнергии отдельными объектами НГДК.

3. Разработана методика расчета показателей потребления электроэнергии.

4. Поставлена и решена задача оптимизации распределения электроэнергии при наличии лимитирования нагрузок.

5. Определены назначение и структура ИАСП и ее отдельных компонентов.

6. Определен перечень функций ИАСП.

7. Разработаны архитектура программного обеспечения ИАСП.

8. На основе системы характеристических функций, а также эвристических правил (в базе знаний иерархической экспертной системы) разработана система формализованного описания параметров и характеристик элементов ИАСП, и выведена целевая функция, позволяющая оптимизировать структуру ИАСП и описывать связи между элементами ИАСП.

9. На основе разработанных характеристических функций, теорий сетей и графов обоснованы методологические принципы выбора элементов ИАСП.

Ю.Выбрана базовая подсистема многоуровневого ИАСП, сформирована структурная схема и с помощью предложенной методики построен полно связный граф возможных компоновок элементов ИАСП.

11.С помощью характеристической формулы формализованного описания технических параметров и характеристик средств автоматизации осуществлен выбор элементов ИАСП для базовой подсистемы.

12. Разработанная с помощью вышеизложенной методики ИАСП является типовой и рекомендуется для тиражирования на других ИС (уровнях управления и функциональных подсистемах) для слаженной работы в рамках единой ИАСП и уменьшения временных и материальных затрат на проектирование.

13.При проектировании сложных интегрированных систем управления, включающих в себя различные функциональные подсистемы, часто возникает необходимость решения трудноформализуемых задач, не имеющих алгоритмического решения. Алгоритмизировать их решение рекомендуется с помощью экспертных систем, которые при решении задач, трудных для эксперта-человека, получают на основе эвристических знаний решения, не уступающие по качеству и эффективности решениям, полученным экспертом/разработчиком при одновременном снижении затрат.

М.Разработаны методологические основы и математическая модель экспертной системы для решения многокритериальной оптимизационной задачи выбора аппаратно-программной платформы при проектировании различных уровней управления иерархических ИС с обеспечением их технической и информационной совместимости и с учетом необходимости интеграции их в единую ИАСП.

1. Абрамович Б.Н., Ганский В.П., Чаронов В.Я. Устройство для регулирования напряжения. Авторское свидетельство на изобретение № 1410184 от 15 марта 1988 г.

2. Ашре Ш. Структурный подход к организации баз данных. М.: Финансы и статистика, 1983.- 319 с.

3. Бобряков A.B., Гурфинкель Л.М., Перейма В.И., Тихонов В.А. Автоматизация работ Управлений Госэнергонадзора: цели, заачи, перспективы. //Энергонадзр и энергосбережение сегодня, спецвыпуск, 2001.

4. Бобряков A.B., Масалева И.Б. технические характеристики современных систем управления базами данных // Энергонадзор и энергосбережение сегодня, спецвыпуск, 2001.

5. Бобряков A.B., Титов B.JL, Федулов A.C., Гаврилов А.И. Подход к проектированию информационного хранилища с учетом различных видов классификаций данных / Информационные средства и технологии / тез. докл. межд. конф., М.: МЭИ, 2001.

6. Бобряков A.B., Федулов A.C., Гаврилов А.И., Тихонов В.А. Методика проектирования информационно-аналитической системы органов госэнергонадзора. // Труды Московского энергетического института (технического университета).: М., 2001. с. 21-24.

7. Бойченко А.П., Кальфо В., Овчинников В.В. Локальные вычислительные сети. М.: Радио и связь, 1985.

8. Все необходимое для автоматизации на базе PC. Каталоги продукции Advantech и Octagon Systems.

9. Ю.ГОСТ 24940-96. Здания и сооружения. Методы измерения освещенности.

10. ГОСТ 27322-87. Энергобаланс промышленного предприятия. Общие положения.

11. ГОСТ 34.602-89. ЕКС АС. Техническое задание на создание системы.

12. ГОСТ Р 51379-99. Энергосбережение. Энергетический паспорт промышленного потребителя топливно-энергетических ресурсов. Основные положения. Типовые формы.

13. ГОСТ Р 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения.

14. Инструктивные материалы Главгосэнергонадзора. М.: Энергоатомиздат, 1986 г.

15. Клименко A.B., Вакулко А.Г., Бобряков A.B. Развитие функциональных возможностей информационно-аналитической системы «Учет и контроль потребления ТЭР // Современная образовательная среда. Тез. докл. Всероссийской научн. конф. М., 2002.

16. Колесников A.A. Гельфгат А.Г., Проектирование многокритериальных систем управления промышленными объектами. М.: Энергосамиздат, 1993. -303 с.

17. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. / Пер. с англ. Вершакова Э.В., Коновальцева И.В., под ред. Гаврилова Г.П. М.: Мир, 1978432 с.

18. Кузнецова Т. Г. Оценка целесообразного предела уплотнения суточных графиков нагрузки энергосистем. Вопросы технико-экономического обоснования развития электроэнергетики. -М.: 1983.

19. Кулаков Ю.А., Луцкий Г.М. Компьютерные сети. К.: Юниор, 1998. 384 с.

20. Липаев В.В. Переносимость Прикладных программ и данных в открытых системах и стандарты POSIX. М.: открытые системы, №3, 1994, с. 59-66.

21. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. / Пер. с англ., Под ред. к.т.н. Масловского E.K. М.: Мир, 1981.- 323 с.

22. Мамиконов А.Г., Кульба В.В., Анисимов A.A. и др. Оптимизация структур данных в АСУ. М.: Наука, 1988 256 с.

23. Миронов А. Опыт разработки и продвижения комплексных ИС. М.: Открытые системы, №2, 1998 с. 31-32.

24. Передовые технологии автоматизации. Краткий каталог продукции ProSoft 3.0

25. Попов Э.В. Экспертные системы реального времени. М.: Открытые системы, №2, 1995.-с. 66-71.

26. Попов Э.В. Экспертные системы: решение неформализованных задач в диалоге с ЭВМ. М.: Наука, 1987 287 с.

27. РД50-680-88. автоматизированные системы. Основные положения.

28. Системный А. Мир систем управления. М.: Открытые системы, №2, 1998 с. 29-30.

29. Сорокин С. Системы реального времени. М.: Современные технологии автоматизации, №2, 1997- с. 22-29.

30. Справочник проектировщика АСУ ТП: Справочник / Под ред. Смилянского Г.Л. М.: Наука, 1988, 527 с.

31. Танаев B.C., Поварич М.П. Синтез граф-схем алгоритмов выбора решений. Минск: Наука и техника, 1974.- 112 с.

32. Фролов A.B., Фролов Г.В. Локальные сети персональных компьютеров, Монтаж сети, установка программного обеспечения. М.: Диалог-МИФИ, 1993.- 176 с.

33. Хансен Г., Хансен Д. Базы данных: разработка и управление / пер. с англ. под ред. Каратыгина С. М.: Бином, 1999.-699 с.

34. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. М.: Мир, 1978.-420 с.

35. Энергосбережение в системе образования: сборник научно-практических и методических материалов / Под общей ред. Балыхина Г.А., М.: Амипресс, 2000.-143 с.

36. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справ, кн. М.: Финансы и статистика, 1996 365 с.