автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Программы и модели по принятию решений в задачах управления реконструкцией и развитием систем магистральных трубопроводов

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМ. И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи ШАБАНОВ Игорь Александрович

ПРОГРАММЫ И МОДЕЛИ ПО ПРИНЯТИЮ РЕШЕНИЙ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ РЕКОНСТРУКЦИЕЙ И РАЗВИТИЕМ СИСТЕМ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 05.13.16. Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по техническим наукам)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф.

Ставровский Е.Р.

Москва 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

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

Глава 1. Новые методические принципы и средства сопровождения исследований при выборе планов реконструкции больших трубопроводных систем нефте-, газоснабжения...............................................................................13

1.1. Метод анализа иерархий - новый методический подход к решению многокритериальных задач многокритериального выбора..................................13

1.2. Выбор варианта реконструкции подсистемы на уровне трансгаза...............18

1.3 Выбор варианта реконструкции подсистемы на уровне "Газпрома".............31

1.4 Программа БНАЗТ............................................................................................35

Выводы к главе 1....................................................................................................41

Глава 2. Вычислительное средство исследования надежности

функционирования трубопроводных систем нефте- и газоснабжения................42

2.1. Задачи и методы исследования надежности функционирования систем

магистральных газопроводов.................................................................................42

2.2 Имитация функционирования сети трубопроводов с учетом динамики аварийного регулирования (программа КЕЬКЕТ)................................................50

2.2.1. Общее описание задачи и метода моделирования......................................51

2.2.2. Описание вычислительной процедуры........................................................62

2.2.3. Построение потока в сети с отказами..........................................................65

2.3. Исследование надежности функционирования системы газопроводов

Лентрансгаза...........................................................................................................68

2.4 Программа КЕЬКЕТ. Описание пользователя................................................71

Выводы к главе 2...................................................................................................77

Глава 3. Система программ расчета потоков продукта, цен и тарифов в больших системах нефте- и газоснабжения..........................................................................79

3.1 Задачи потокораспределения в исследованиях систем магистральных нефте-и газопроводов........................................................................................................79

3.1.1 Особенности существующих систем............................................................79

3.1.2. Модели функционирования системы...........................................................81

3.1.3. Модели развития и реконструкции..............................................................82

3.1.4. Экономические модели.................................................................................83

3.1.5 .Модели контроля...........................................................................................83

3.1.6. Программный комплекс ECONET...............................................................84

3.2 Исследование моделей формирования тарифов на транспорт нефти............85

3.2.1. Требования к тарифной системе..................................................................85

3.2.2. Действующая модель тарифов.....................................................................86

3.2.3. Исследование альтернативных моделей тарификации..............................88

3.2.4. Рекомендации по выбору системы тарификации........................................94

3.3. Исследование систем формирования цен на газ............................................98

3.3.1.Особенности действующей системы цен......................................................98

3.3.2. Модель формирования оптовых цен по предельным затратам..................99

3.3.3. Модель расчета цен и тарифов по распределению потока денег.............102

3.3.4. Модель расчета цен и тарифов по принципу смешения потоков в узлах.......................................................................................................................108

3.4. Программа ECONET. Описание пользователя.............................................115

3.4.1. Общие положения.......................................................................................115

3.4.2. Работа с главным окном программы..........................................................115

3.4.3. Расчеты, выполняемые программой..........................................................117

3.4.4. Вывод результатов......................................................................................120

Выводы к главе 3...................................................................................................120

Основные результаты и выводы...........................................................................123

Список используемых сокращений......................................................................125

Литература.............................................................................................................126

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Единая система нефтеснабжения (ЕСН) и газоснабжения (ЕСГ) осуществляют добычу, переработку, транспорт, хранение и распределение нефти и газа. Системы магистральных трубопроводов (СМТ) ЕСН и ЕСГ являются уникальными системами в мире по объемам и расстояниям перекачки продукта. Строительство СМТ практически завершено и на первый план сейчас выходят задачи реконструкции и развития существующих систем.

Реконструкция и развитие ЕСН и ЕСГ - непрерывный процесс поддержания технического состояния мощностей системы с целью удовлетворения изменяющихся требований эксплуатации, повышения эффективности системы и обеспечения планируемых потоков продуктов.

В задачах управления реконструкцией и развитием принципиально важно учитывать множество таких разнородных факторов, как экономические и социальные эффекты, ограниченность инвестиций, техническое состояние фондов, их старение, надежность функционирования системы. Методология принятия решений включает методы системного анализа и синтеза основных плановых и проектных технико-экономических параметров.

Одна из целей реконструкции - повышение уровня надежности систем газо- и нефтеснабжения - требует проведения трудоемких расчетов и системных исследований, связанных с имитацией их функционирования в изменяющихся случайным образом условиях. Надежность снабжения достигается созданием резервов производственных мощностей объектов, запасов продукта (газа, сырой нефти) и свободной емкости хранилищ, эффективность формирования которых может быть оценена лишь моделированием штатных и нештатных режимов работы системы при изменениях уровней добычи или потребления, а также при авариях на технологических объектах.

Другой аспект системных исследований - экономические эффекты реконструкции и развития в долгосрочном плане - можно оценить лишь, учитывая особенности механизмов формирования затрат, цен на нефть и газ и тарифов на их перекачку. Эти механизмы еще нестабильны, что вынуждает исследовать возможные сценарии их эволюции с учетом достоинств и недостатков различных моделей ценообразования и тарификации.

Цель работы - создание проблемно-ориентированного комплекса программ для исследования и выработки основных решений при управлении реконструкцией и развитием систем магистральных нефте- и газопроводов. Главным содержанием работы является создание инструментария системных исследований и программных средств поддержки процесса принятия решений, включая имитацию функционирования системы с учетом факторов надежности и анализ экономических аспектов эволюции систем (в частности, формирования цен и тарифов).

Методы исследования. В работе использованы методы теории вероятностей, оптимального программирования, теории случайных процессов, теории графов, исследования операций, а также методы теории надежности систем энергетики, предложенные в трудах Б.В.Гнеденко, Ю.Н.Руденко, И.А.Ушакова, М.Г.Сухарева, Е.Р.Ставровского и др. авторов. Научная новизна.

1. Разработан комплекс программ многокритериального логического экспертного анализа технологических и экономических решений в задачах планирования реконструкции и развития систем магистральных газо- и нефтепроводов. Программы позволяют соизмерять и учитывать при разработке вариантов решений как результаты традиционных экономических и технологических расчетов (например, оценки требуемых инвестиций, будущих затрат и эффектов), так и многообразные факторы и критерии качественного характера (экологическую безопасность, социальные эффекты и т.п.).

2. Предложены типовые схемы экспертного анализа и многокритериального выбора решений пли планировании реконструкции систем магистральных газопроводов.

3. Разработана новая модель для системных исследований надежности функционирования систем нефте- и газоснабжения с учетом надежности работы объектов (промыслов, трубопроводов), случайных изменений спроса, возможностей использования запасов продукта в хранилищах и их свободной емкости при централизованном управлении режимами.

4. Разработан новый инструментарий для исследования моделей формирования цен на газ и тарифов на транспортировку нефти и газа по системам магистральных трубопроводов, а также взаимосвязей между коммерческими потоками продукта в системе и показателями рентабельности предприятий при различных моделях цен и тарифов.

Практическая ценность.

1. Программное обеспечение планирования реконструкции и развития систем магистральных газопроводов использовано при разработке и обоснованию предложений по реконструкции системы газопроводов Лентрансгаза (Северо-западного региона).

2. Программа БНАЗТ многокритериального логического анализа решений нашла применение при решении следующих практических задач:

• анализа способов резервирования и обеспечения безопасности проектируемых газопроводов Торжок-Белосток, газопровода для поставок газа на экспорт в Южную Корею и газопровода Россия-Турция;

• сопоставления различных стратегий развития добычи газа в Надым-Пуртазовском регионе с учетом возможных сценариев эволюции экономической конъюнктуры;

• многокритериального сопоставления преимуществ и недостатков различных маршрутов транспорта нефти Азербайджана, Казахстана и России на экспорт в страны Западной Европы;

• исследования перспектив внедрения системы "Банк Качества Нефти" для взаиморасчетов между производителями нефти высокого и низкого качества.

3. Создано программное обеспечение для исследования и синтеза системной надежности ЕСГ, которое использовано при решении практических задач:

• исследования влияния различных вариантов решений по реконструкции системы газопроводов Лентрансгаза и смежных подсистем ЕСГ на надежность газоснабжения потребителей;

• обоснования запасов резервного топлива на вновь сооружаемых электростанциях и ТЭЦ малой и средней мощности в зависимости от района их расположения и надежности поставок газа из ЕСГ в эти районы.

4. Программное обеспечение исследования потоков газа на перспективу и моделей формирования цен и тарифов используется Институтом энергетических исследований РАН для выработки сценариев долгосрочного развития газового комплекса страны.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на:

• научно-технической "Конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России", Москва, ГАНГ, 1997;

• П-й научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России", Москва, ГАНГ, 1997;

• 68 заседании Всероссийского семинара "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики", Санкт-Петербург, 1997.

• 69 заседании Всероссийского семинара с международным участием "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики", Иркутск, 1998.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов.

Обзор литературы.

Общие принципы системного подхода к планированию развития и реконструкции в системах энергетики развиты в работах акад. Л.А.Мелентьева [15] и представителей его школы. В них выявлены фундаментальные свойства систем энергетики, создающие основу для разработки самостоятельной теории развития и функционирования энергетического комплекса и его подсистем, проанализированы основные особенности их функционирования и развития (целостность, взаимосвязи с другими отраслями, централизованное управление, взаимозаменяемость ресурсов, иерархичность связей и структуры управления, участие человека в процессе управления и др.). Эти положения позволяют сформулировать совокупность иерархически подчиненных задач планирования развития и реконструкции отдельных энергосистем. В соответствии с иерархией задач должна строится иерархия математических моделей и программ.

В данной работе внимание акцентируется на создании программных средств решения задач многокритериальной оптимизации и логического анализа решений при управлении реконструкцией больших трубопроводных систем (БТС) с использованием современных методов теории принятия решений, а также на создание средств информационной поддержки исследований, связанных с выбором и выработкой таких решений (то есть исследований надежности работы БТС, их экономической эффективности и смежных проблем).

Анализ основных подходов в теории принятия решений, позволяет выделить несколько моделей, принципы построения которых могут быть использованы при планировании реконструкции трубопроводных систем.

Теория принятия решений существует как самостоятельная дисциплина уже более ста лет. Первые работы по принятию решений трактовали проблему с позиций оптимизации при наличии многих критериев. Задачу управления представляли в следующем виде:

тт{1'(х)\ хе£2}, где]'(х)-(^(х)) - вектор-функция критериев. (1) В начале XX века Парето [25] предложил находить множество оптимальных "недоминируемых" решений (1) такого вида: оптимальное решение не может быть улучшено по одному критерию без ухудшения по другим критериям. Построение множество оптимальных по Парето решений долгие годы считалось основной целью моделирования.

Среди подходов, которые используются чаще других, можно выделить: метод согласования критериев [26,40,52] - множество критериев заменяется одним синтетическим, который формируется путем обработки мнений экспертов о компаративной (сравнительной) значимости критериев. Оценки экспертами весов критериев выражаются в специальных шкалах, выбираемых для каждого критерия. Отыскивается решение, обеспечивающее экстремум взвешенной суммы критериев;

метод уступок [18] - критерии переводят в ограничения, оценив их предельные (желаемые) значения, например, путем решения серии однокритериальных задач с использованием по отдельности каждого критерия в качестве основного. Смысл ограничений состоит в недопущении слишком больших отклонений от предельных значений;

метод "идеальной" точки [3,10,42,52]. Точка в пространстве критериев называется идеальной, если ее координаты соответствуют оптимальным значениям критериев при решении соответствующих однокритериальных задач. Как правило, идеальная точка не принадлежит допустимой области. Метод рекомендует использовать в качестве оптимального такое допустимое решение, которое минимально удалено (при выбранной метрике) от "идеальной" точки. Неудобство этого подхода состоит в том, что в каждом конкретном случае приходится выбирать такую метрику, при которой получаемая точка соответствует оптимуму в понимании экспертов.

В последнее время стал весьма популярным метод [3,23,52] (восходящий к трудам Дж. фон Неймана и О.Моргенштерна [22]) формирования

синтетического критерия в виде функции полезности, то есть отображения со специальными свойствами. Функции полезности рационально использовать, когда число критериев невелико и они имеют удобные аналитические представления, иначе при их построении возникают существенные трудности.

Недостатком, ограничивающем применение всех перечисленных методов, является невозможность учета неформализуемых и неопределенных факторов. Серьезные трудности возникают при анализе задач с относительно большим числом критериев (например, больше пяти).

Для формализации проблем неопределенности суждений широко применяют аппарат нечеткой логики [42,54], который позволяет строить количественные характеристики оценок и отношений на основе суждений типа "примерно равны", "А лучше Б" и интуитивных оценок экспертов. Для события и строится функция предпочтения |1и(А) ->[0,1], где А - значение качественной характеристики. Чем ближе функция предпочтения к 1, тем более определено ("вероятно"), что и имеет характеристику А.

Аппарат нечетких суждений приводит к нечетким результатам (результат также характеризуется функцией предпочтения). При всей их привлекательности, нечеткие модели нужно использовать с известной осторожностью: 1) результат может оказаться слишком сильно "размытым" (и, следовательно, не привносит новой информации); 2) возрастает трудоемкость анализа и требования к эксперту, 3) эксперт должен отображать свои представления в виде функций предпочтения, смы�