автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели и алгоритмы поддержки принятия решений по управлению энергоэффективностью источников теплоснабжения

На правах рукописи

Максимюк Евгения Владимировна

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005561252

2 5 НАР 2015

Сургут 2015

005561252

Работа выполнена в государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры».

Научный руководитель: Микшина Виктория Степановна

кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедры информатики и вычислительной техники Политехнического института ГБОУ ВПО «Сургутского государственного университета».

Официальные оппоненты: Анохин Алексей Никитич

доктор технических наук, профессор кафедры кафедрой автоматизированных систем управления Обнинского института атомной энергетики НИЯУ МИФИ.

Борзых Владимир Эрнестовнч

доктор физико-математических наук, профессор кафедры информатики и информационных технологий ФГБОУ ВПО «Тюменского государственного архитектурно-строительного университета».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Югорский государственный университет».

Защита состоится 16 апреля 2015 г. в 9:00 часов на заседании диссертационного совета Д 800.005.06 при ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры» по адресу: 628412, Тюменская обл., ХМАО - Югра, г.Сургут, проспект Ленина, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры».

Автореферат разослан 15 февраля 2015 г.

Ученый секретарь * кандидат технических

диссертационного й1 /У —— наук, профессор

совета QJdvU^U^ B.C. Микшина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные системы автоматики отслеживают значения параметров оборудования и сигнализируют о выходе за пределы допустимых значений параметров стабильной работы. В случае аварийной ситуации автоматические системы регулирования и контроля отключают оборудование, и происходит аварийная остановка работы котельной. Но стабильная работа оборудования в рамках, которые отслеживает автоматика, не всегда является энергоэффективной. В большинстве своем выявление перерасхода ресурсов выявляется по истечению довольно большого промежутка времени. Чаще всего около 1 месяца. Это приводит к значительным финансовым потерям.

Еще одна очень серьезная проблема заключается в том, что большая часть котельных, которые на данный момент работают по всей территории России, не автоматизированы до необходимого уровня. Это обусловлено моральным устареванием и исчерпанием физического ресурса средств КИПиА. Большинство используемых приборов снято с производства, с чем связано отсутствие запасных частей.

Радикальным решением проблемы является замена существующей системы контроля и управления на полномасштабную АСУ ТП. Но это решение требует очень больших единовременных затрат, а так же длительного простоя оборудования и серьезной переподготовки персонала. Это является серьезной проблемой, так как на данный момент осуществляются, в основном, лишь те мероприятия, которые быстро окупаемы.

Решением вышеописанных проблем станет создание и внедрение относительно недорогой локальной интеллектуальной информационной системы поддержки принятия решений по управлению энергоэффективностью источников теплоснабжения, которая бы «вписывалась» в существующие системы контроля и управления.

Создание информационно-аналитической системы поддержки принятия решений по управлению энергоэффективностью источников теплоснабжения позволит в режиме реального времени отслеживать значения показателей энергоэффективности и своевременно выявлять дефекты оборудования, до того как они приведут к серьезным поломкам и финансовым потерям.

Целью настоящей работы являетсяобеспечение эффективного принятия решений в области повышения энергетической эффективности работы котельных установок, путем создания интеллектуальной информационной системы поддержки принятия решений.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи:

1. Определить наборы исходных данных для исследования процесса принятии решений повышения энергоэффективности производства тепловой энергии на котельных.

2. Разработать регрессионные математические модели зависимости расхода энергоресурсов от множества параметров, описывающих состояния котельной с целью выявления степени их влияния на результат процесса.

3. Разработать алгоритм принятия решений повышения энергоэффективности производства тепловой энергии на котельных на основе прогнозирования изменения показателей энергоемкости и выявления дефективных узлов оборудования.

4. Разработать информационное, алгоритмическое и программное обеспечение интеллектуальной информационной системы поддержки принятия решения повышения энергоэффективности производства тепловой энергии на котельных.

Объектом исследования является система поддержки принятия решений в области повышения энергетической эффективности работы котельных.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы поддержки принятия решений в области повышения энергетической эффективности работы котельных.

Научная новизна работы:

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. Получена многомерная линейная регрессионная модель зависимости расходования энергоресурсов от рабочего состояния оборудования котельной и доказано, что с изменением объекта исследования изменяется набор независимых переменных математической модели.

2. С помощью математических моделей расхода энергоресурсов котельной установки на основании значений коэффициентов

регрессионных моделей выявлены поведенческие дефекты узлов оборудования котельной.

3. Разработаны алгоритмы принятия решений повышения энергоэффективости производства тепловой энергии на котельных на основе выявления тенденций выхода показателей энергоемкости за границы работы в штатном режиме, основанных на использовании правил анализа контрольных карт и выявления дефективных узлов оборудования.

4. Разработана методика системного анализа процесса принятия решения повышения энергоэффективности объектов теплоснабжения.

Практическая значимость работы:

1. Определены исходные данные оценки энергоэффективности на объектах производства тепловой энергии (котельных установках).

2. Разработанные линейные регрессионные модели зависимости расхода энергоресурсов от множества параметров состояния работы котельного оборудования, которые позволяют оценивать влияние узлов оборудования на общую энергоемкость работы котельной.

3. Разработан алгоритм принятия решений позволяющий определять поведенческие дефекты работы узлов оборудования котельной до того как они приводят к физическим дефектам и значительным материальным потерям.

4. Интеллектуальная информационная система поддержки принятия решения представляет интерес для предприятий теплоэнергетической отрасли. ИИС ППР может также применяться в учебном процессе при изучении таких дисциплин, как «Теория принятия решений», «Методы математической статистики».

Результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Многомерная линейная регрессионная модель зависимости расхода энергоресурсов от рабочего состояния оборудования котельной;

2. Алгоритм контроля энергоемкости при производстве тепло-энергии на основе анализа контрольных карт Шухарта;

3. Алгоритм принятия решений повышения энергоэффективости производства тепловой энергии на котельных на основе прогно-

зирования изменений показателей энергоемкости и выявления дефективных узлов оборудования;

4. Методика системного анализа процесса принятия решения повышения энергоэффективности объектов теплоснабжения.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач использованы методы теории принятия решений, системного анализа, теории вероятностей и математической статистики. Для математического моделирования применялись пакеты прикладных программ STATISTICA.

Достоверность и обоснованность научных положений, основных выводов и полученных в работе результатов основаны на корректном применении математических методов, фундаментальных положений теории систем и теории принятия решений, а также апробацией основных положений в докладах на научных конференциях и в печатных трудах. Достоверность расчетных результатов обеспечивается использованием большого объема экспериментальных данных и подтверждается адекватностью результатов моделирования результатам эксперимента

Апробация результатов работы:

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований были представлены для обсуждения на научных конференциях различного уровня:

1. X Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Россия, г. Сочи, 2013 г.);

2. 3-rd International Scientific - Practical Conference «Innovative information technologies» (Чехия, г. Прага, 2014 г.);

3. II Всероссийской конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Россия, г. Сургут, 2014 г.);

4. XXXIV Научно-техническая конференция ОАО «Сургутнефтегаз» (Россия, г. Сургут, 2014 г.);

5. Международной конференция «Математика и информационные технологии в нефтегазовом комплексе», посвященная дню рождения великого русского математика академика П.Л. Чебышева (Россия, г. Сургут, 2014 г.).

Основные положения и результаты выполненных исследований отражены в 7 публикациях, из них 3 по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация объемом 120 страниц основного текста состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 110 наименований. Диссертационная работа включает 40 рисунка и 20 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований. Показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а так же приведены сведения об апробации работы.

В первой главе дано понятие энергоэффективности, представлен обзор современного состояния вопроса повышения энергоэффективности объектов теплоснабжения.

Приводится описание источников теплоснабжения (котельных), показатели их энергоэффективности и методы расчета.

Показатель энергоемкости, используемый для измерения энергоэффективности, может принимать различные формы, в зависимости от того, по какому виду энергоносителей выполняется расчет. Для котельных показателями энергоэффективности будем считать:

1. Электроемкость, определяется отношением величины потребляемой электроэнергии размеру выработанной тепловой энергии:

(1),

где Жуд - удельный расход электроэнергии, Q - размер выработанной тепловой энергии.

2. Теплоносителеемкость, определяется отношением величины потребляемой воды к размеру выработанной тепловой энергии:

Э (2),

где Руд - удельный расход воды, Q - размер выработанной тепловой энергии.

3. Топливоемкость продукции, определяется отношением величины потребляемого топлива к размеру выработанной тепловой энергии:

(3)'

где Луд - удельный расход топлива, О, - размер выработанной тепловой энергии.

Топливоемкость может дифференцироваться по видам топлива (природный газ, уголь, жидкое топливо).

Во второй главе дано описание приборов измерения технологических параметров работы источников теплоснабжения и исходных данных. Проведена проверка статистической устойчивости значений параметров работы оборудования котельной. Был произведен выбор входных и выходных параметров математической модели процесса выработки тепловой энергии с помощью корреляционного анализа. Было произведено исследование математической регрессионной модели расхода ТЭР на выработку тепловой энергии.

Для определения исходного массива зависимых и независимых переменных применяли поэтапный отбор. На первом этапе методом корреляционного анализа выделили зависимые и независимые переменные.

В качестве зависимых переменных были выбраны:

1. Расход воды;

2. Расход топлива;

3. Расход электроэнергии.

Остальные переменные считаем независимыми.

На втором этапе с помощью регрессионного анализа выяснялась степень влияния независимых переменных на расход ресурсов.

Показано, что расход энергоресурсов для получения тепло-энергии, а именно расход электроэнергии, топлива и воды с высокой долей достоверности описывается с помощью линейных регрессионных уравнений.

Для проверки достоверности математической модели расхода энергоресурсов были выполнены следующие действия:

1. Случайным образом выбирались из всего объема данных 100 часовых показаний всех датчиков котельных и убирались из общей выборки;

2. Математическая модель котельной перестраивалась по оставшимся данным;

3. По 100 показаниям, которые были удалены из общей выборки, производился расчет затрачиваемого объема энергоресурсов и сравнивался с фактическим расходом.

Результаты сравнения расчетных значений расходов ТЭР с фактическими представлены на рисунках 1, 2, 3. На рисунках сплошной линией обозначены показания с датчиков значения зависимой переменной, пунктирной - расчетные значения по уравнениям модели.

симой переменной, пунктирной - расчетные значения по уравнениям модели.

Рис. 1. Результат проверки достоверности линейного регрессионного уравнения зависимости расхода топлива от показателей оборудования

Отклонение расчетных значений расхода топлива полученных от фактических значений, получаемых с датчиков, составляет 3,9 % (рис. 1).

Отклонение расчетных значений расхода электроэнергии полученных от фактических значений, получаемых с датчиков, составляет всего 1,9 % (рис. 2).

Отклонение расчетных значений расхода воды полученных от фактических значений, получаемых с датчиков, составляет 4,7 % (рис. 3).

Средний процент отклонений значений расхода всех ТЭР полученных по математической модели, состоящей из уравнений 5-7, составил 3,5 %.

Установлено, что математические модели расхода ресурсов на трех котельных отличаются по набору независимых переменных и значением коэффициентов при них.

Рис. 2. Результат проверки достоверности линейного регрессионного уравнения зависимости расхода электроэнергии от показателей оборудования

Рис. 3. Результат проверки достоверности линейного регрессионного уравнения зависимости расхода воды

Установлено, что с течением времени на отдельно взятой котельной регрессионные модели расхода топлива, электроэнергии и воды на выработку теплоэнергии также изменяются, а именно изменяется состав и значимость зависимых переменных.

Таким образом, результаты математического моделирования зависимостей расхода энергоресурсов от независимых параметров, характеризующих работу узлов оборудования, позволяют в режиме, приближенном к реальному времени выявлять степень влияния параметров оборудования на показатели энергоэффективности.

В третьей главе рассматриваются вопросы статистического управления процессами расхода ТЭР с помощью контрольных карт Шухарта.

Контрольные карты Шухарта позволяют следить за изменениями показателей эффективности расхода энергоресурсов с течением времени. Их можно использовать как для ретроспективного анализа эффективности работы для оценки текущего положения дел так и для прогнозирования нарушений штатной ситуации.

В ходе исследования были составлены карты средних значений и карты размахов показателей энергоэффективности котельных.

Показано, что карты средних значений позволяют установить моменты выхода процесса за рамки статистического управления, а карты размахов иллюстрируют, насколько велик диапазон колебания величины исследуемой характеристики и насколько плавно изменяется ее значение.

Установлено, что с помощью контрольных карт Шухарта можно выявить признаки выхода процесса расхода ТЭР из стати-стически-управляемого состояния до того, как это приведет к аварийной остановке оборудования.

Таким образом, показано, что оценка статистической управляемости процесса расхода ТЭР на котельных с помощью контрольных карт Шухарта позволяет выявлять предаварийные ситуации, предупреждая тем самым снижение энергоэффективности работы котельной.

В четвертой главе представлено описание разработанного алгоритма принятия решений (рис. 4).

Рис. 4. Алгоритм принятия решений

Алгоритм обработки данных в разработанной системе представляет собой следующую последовательность:

1. На основании показаний приборов учета происходит постоянный мониторинг показателей энергоэффективности котельной. Мониторинг реализуется посредством механизма контрольных карт Шухарта показателей эффективности расхода электроэнергии, ко-тельно-печного топлива и воды.

2. При выявлении тенденции к выходу контролируемых параметров за пределы границ стабильного функционирования системы, выявляемой специальными правилами алгоритма контрольных

карт, происходит оповещение ответственного лица и запускается механизм регрессионного анализа.

3. Формируется линейная регрессионная модель зависимости расхода энергоресурса от независимых параметров ответственных за определенные узлы оборудования котельной.

4. По весовым коэффициентам линейной регрессионной модели определяется, какой из независимых параметров оказывает наибольшее влияние на выход процесса за рамки энергоэффективного функционирования^ В режиме, приближенном к реальному времени выявляется, по данным в базе знаний и выявленному влияющему параметру, определяется в каком узле котельного оборудования происходит сбой.

5. По данным базы знаний формируется рекомендации по мероприятиям, необходимым для стабилизации процесса расхода энергоресурса на выработку теплоэнергии. Для реализации алгоритма была разработана структура интеллектуальной информационной системы поддержки принятия решения повышения энергоэффективности работы котельных.

Разработано программное обеспечение, использующее потоковую обработку данных, поступающих с датчиков котельных для поддержки принятия решения ответственного специалиста за энергоэффективность работы котельной в режиме приближенном к реальному времени.

Структура интеллектуальной системы поддержки принятия решения представляет собой совокупность программных модулей представленных на рисунке 4.

Основу ИИС ППР составляет ядро, которое состоит из следующих программных модулей:

1. База знаний реализована в виде реляционной базы данных, в которой хранятся следующие данные:

- информация об адекватности регрессионных уравнений;

- правила карт Шухарта для выявления тенденций выхода процесса потребления ТЭР за рамки энергоэффективной работы котельной;

- физические зависимости контролируемых параметров (независимых переменных моделей) и возможные дефекты оборудования;

- мероприятия, производимые в случае потери энергоэффективности отдельных узлов оборудования котельной.

2. Подсистема мониторинга и прогнозирования реализована на основе карт Шухарта. По показаниям датчиков учета расхода топлива, электроэнергии и воды строятся карты и по описанным правилам в БЗ отслеживаются тенденции к выходу процесса расхода ТЭР за рамки энергоэффективной работы. Прогнозирование сводится к отслеживанию ситуаций, соответствующих одному из правил для карт Шухарта. Подсистема позволяет выявить ситуации, когда поведенческий дефект оборудования еще не привел к физическим дефектам. Более подробно механизм мониторинга и прогнозирования с помощью карт Шухарта описан в 3 главе диссертации.

Подсистема приобретения знаний

Анализ расхода ТЭР с помощью карт Шухарта

Рис. 5. Структура ИИС ППР повышения энергоэффективности котельных

3. Подсистема диагностирования строит регрессионную модель процесса расхода ТЭР на выработку тепловой энергии и выявляет, какой из контролируемых параметров (независимых переменных регрессионной модели) вносит наибольший вклад.

4. Подсистема логического вывода - механизм рассуждений, оперирующий знаниями и данными из БЗ и информацией полученной из подсистем мониторинга-прогнозирования и диагностирования. Подсистема логического вывода на основе обработанных данных и БЗ генерирует рекомендации по решению возникшей проблемы.

Следующие подсистемы ИИС ППР непосредственно взаимодействуют с человеком и имеют пользовательский интерфейс:

1. Подсистема приобретения знаний служит для корректировки и пополнения базы знаний. База знаний ИИС ППР повышения энергоэффективности котельных через пользовательский интерфейс пополняется следующими знаниями:

- физические зависимости контролируемых параметров (независимых переменных моделей) и возможные дефекты оборудования.

- мероприятия, производимые в случае потери энергоэффективности отдельных узлов оборудования котельной.

2. Подсистема отображения и объяснения решений в ИИС ППР объясняет пользователю, почему предложено данное решение. В качестве вспомогательной информации подсистема отражает результаты подсистемы мониторинга и прогнозирования, статистического анализа решателя на основе линейной регрессии и информации из БЗ.

Самый низкий уровень ИИС ППР представляет собой базу данных предназначенную для хранения исходных и промежуточных данных, решаемой в текущий момент задачи. В базе данных ИИС ППР содержатся показания датчиков котельной.

В заключении сформулированы следующие теоретические и практические результаты работы:

1. Определены наборы исходных данных для исследования процесса принятии решений повышения энергоэффективности производства тепловой энергии на котельных.

2. Разработаны регрессионные математические модели зависимости расхода энергоресурсов от множества параметров, описывающих состояния котельной:

- установлено, что регрессионные модели расхода ресурсов на трех котельных отличаются по набору независимых переменных

и значением коэффициентов при них, что можно объяснить различием технического состояния оборудования и режимов процесса выработки тепловой энергии на котельных;

- установлено, что с течением времени на отдельно взятой котельной регрессионные модели расхода топлива, электроэнергии и воды на выработку тепловой энергии также изменяются, а именно изменяется состав и значимость зависимых переменных;

- установлено, что с помощью регрессионных модели зависимости расхода энергоресурсов от множества параметров, описывающих состояния котельной, можно выявить текущую степень влияния параметров работы оборудования на показатели энергоемкости.

3. Разработан алгоритм принятия решений повышения энергоэффективности производства тепловой энергии на котельных на основе прогнозирования изменения показателей энергоемкости и выявления дефективных узлов оборудования с использованием техники контрольных карт и математических модели регрессионного анализа:

- установлено, что с помощью контрольных карт Шухарта можно выявить признаки выхода процесса расхода ТЭР из стати-стически-управляемого состояния до того как это приведет к аварийной остановке оборудования;

4. Разработано информационное, алгоритмическое и программное обеспечение интеллектуальной информационной системы поддержки принятия решения повышения энергоэффективности производства тепловой энергии на котельных. В качестве математического аппарата в ядре ИИС ППР применены техника составления контрольных карт Шухарта и регрессионные модели расхода ТЭР.

СПИСОК РАБОТ,

ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций:

1. Максимюк, Е. В. Многомерные регрессионные модели прогнозирования работы котельных установок / Е. В. Максимюк. // Наука и инновации XXI века : мат-лы II Всерос. конф. молодых ученых. Т. 2. Физическая культура и спорт. Адаптивная физическая культура. Биология. Химия. Экология. Медицина. Технические науки. Физика, математика. Информационные системы и технологии / под ред. О. Г. Литовченко. - Сургут : ИЦ СурГУ, 2014. - С. 219-220.

2. Максимюк, Е. В. Прогнозирования зависимых контролируемых параметров работы источников теплоснабжения / Е. В. Максимюк // Современные проблемы науки и образования. - 2014. -№ 6. (приложение «Технические науки»). - С. 22.

3. Максимюк, Е. В. Решение задач потоковой обработки данных и поддержки принятия решений с использованием IMDM (SAP HANA) на примере задач энергоэффективности производственных объектов / Е. В. Максимюк // Управление жизненным циклом бизнес систем: Real-Time Enterprice 2.0 : сб. ст. / под ред. Р. Д. Гимранова. -СПб ; Сургут, 2014. - С. 95-99.

4. Максимюк, Е. В. Математическое моделирование для поддержки принятия решений в области обеспечения энергетической эффективности / Е. В. Максимюк, В. С. Микшина Н Качество. Инновации. Образование. - 2014. - № 8. - С. 54-63.

5. Максимюк, Е. В. Применение регрессионного анализа для выявления степени влияния отдельных узлов оборудования на эффективность работы котельных / Е. В. Максимюк, В. С. Микшина // Вестник кибернетики. - 2014. - № 4 (16). - С. 12-21.

6. Максимюк, Е. В. Подходы к созданию систем поддержки принятия решения реального времени в области энергоэффективности источников теплоснабжения // Е. В. Максимюк, В. С. Микшина, Р. Р. Абдульманов // Инновационные информационные технологии : мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. / науч. ред. А. Н. Тихонов ; общ. ред. С. У. Увайсов ; отв. ред. И. А. Иванов. - М. : МИЭМ НИУ ВШЭ, 2014.-С. 228-231.

7. Maksimyuk, Е. V. Mathematical methods and algorithms for décision support to ensure energy efficiency / E. V. Maksimyuk, V. S. Mikshina // Innovative Information Technologies : Materials of the International scientific - practical conférence. Part 3 / ed. S. U. Uvaysov. -M. : HSE, 2014. - C. 295-296.

Научное издание

Максимюк Евгения Владимировна

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 12.03.2015 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 120. Заказ № 16.

Оригинал-макет подготовлен в редакционно-издательском отделе издательского центра СурГУ. Тел. (3462) 76-30-65, 76-30-66.

Отпечатано в полиграфическом отделе издательского центра СурГУ. г. Сургут, ул. Энергетиков, 8. Тел. (3462) 76-30-67.

ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры» 628400, Россия, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут, пр. Ленина, 1. Тел. (3462) 76-29-00, факс (3462) 76-29-29.