автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка информационно-расчетных комплексов для управления инженерными сетями и дорогами с использованием геоинформационных систем

кандидата технических наук
Сарычев, Дмитрий Сергеевич
город
Томск
год
2003
специальность ВАК РФ
05.13.18
цена
450 рублей
Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Разработка информационно-расчетных комплексов для управления инженерными сетями и дорогами с использованием геоинформационных систем»

Автореферат диссертации по теме "Разработка информационно-расчетных комплексов для управления инженерными сетями и дорогами с использованием геоинформационных систем"

Мннисчерсгво образования Российской Федерации Томский государственный университет

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-РАСЧЕТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫМИ СЕТЯМИ И ДОРОГАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.18 -«Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

А втореферат .шссерыции на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Сарычев Дмитрий Сергеевич

Научный руководитель:

кандидат технических наук,

доцент А.В. Скворцов

Томск - 2003

Работа выполнена на кафедре теоретических основ информатики факультета информатики Томского государственного университета.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Л.В. Скворцов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор кандидат технических наук

А.Ю Матросова Ю.К. Гриценко

Ведущая организация:

Алтайский государственный университет

Защита состоится 25 сентября 2003 г. в 10:30 на заседании диссертационного совета Д 212.267.08 в Томском государственном университете. С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Отзывы на автореферат (в 2-х 'экземплярах, заверенных печатью) посылать по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, ученому секретарю ТГУ Буровой П.Ю.

Автореферат разослан 20 августа 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А.В. Скворцов

S&og-A

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Инженерные сети и дороги в настоящее время являются важнейшей частью нашей жизни и цивилизации, однако их функционирование порой совершенно незаметно. Жизнь современных городов и удаленных поселков буквально зависит от того, насколько хорошо работают коммуникации, доставляющие в дома холодную и горячую воду, газ, электричество, каково качество дорог.

Долгое время при управлении такими большими и сложными системами использовались бумажные технологии, ручной счет и практика принятия решений на основе личного опыта персонала. При этом целый ряд актуальных задач решался либо некачественно, либо вообще обходился стороной. С развитием современных информационных технологий появилась возможность создавать комплексы, способные помогать решать задачи управления крупными системами. Такие комплексы выполняют функции проектирования, инвентаризации, моделирования, а также информационной поддержки экспертных оценок и принятия решений.

В настоящее время широко развивается целый класс программных продуктов, ориентированных на информационное обеспечение инженерных сетей и дорог. Первыми научными исследованиями в данной области были работы, посвященные расчету инженерных параметров сетей и режимов их функционирования. Это работы М.М. Андрияшева, Н. Cross, А.Е. Белана, В.И. Идельчика, А.Г. Евдокимова, А.Д. Тевяшева, В.В. Дубровского и других авторов. В работах этих авторов заложены основы представления сети в виде графа, а также некоторые базовые модели элементов, позволяющие производить расчеты. Развив достаточно мощную расчетную методологию для отдельных классов сетей, эти работы не получили дальнейшего развития. Это произошло вследствие того, что вычислительная техника того периода не позволяла использовать сложные модели и производить расчет больших сетей. Таким образом, используемые в современных расчетных комплексах базовые модели и алгоритмы были разработаны достаточно давно, однако современные вычислительные средства позволяют создавать более сложные и совершенные модели.

Другим аспектом является информационное описание инженерных сетей и дорог. Основные работы, посвященные информационному моделированию, относятся к сфере системного анализа, исследования операций, объектному и функциональному моделированию. Специфические для инженерных сетей и дорог работы в отечественной практике являются достаточно редкими. Среди них можно выделить исследования В.А. Вайсфельда, П.И. Поспелова, С.В. Гон-чаренко, Ю.П. Ехлакова, а также разработки компаний ООО «Терра», ИВЦ «Поток». Среди зарубежных можно отметить работы D.R. Maidment, L. Lang, С. Harder, L. Godin, а также разработки компаний ESRI, Inc., Bentley Systems, Inc., Intergraph Corp., General Electric Со., CDA International, Inc. Эти системы бази-

руются на платформе геоинформационных систем (ГИС), систем автоматизированного проектирования (САПР) или являются специализированными. Однако остается нерешенным ряд задач, актуальных для современной практики эксплуатации инженерных сетей и дорог, а именно отслеживание эксплуатационных событий и темпоральное моделирование. Кроме того, многие разработки не учитывают отечественных нормативов и сложившейся практики эксплуатации инженерных сетей и дорог.

Таким образом, исследования, посвященные построению новых моделей инженерных сетей и дорог и созданию на их основе эксплуатационно-ориентированных информационно-расчетных систем с возможностью описания жизненного цикла сетей и дорог является, безусловно, актуальными.

Пелью работы является повышение эффективности управления инженерными сетями и дорогами на основе новых информационных технологий и средств объектного и математического моделирования, создание информационных систем инженерных сетей и дорог, усовершенствование уже имеющихся и создание новых алгоритмов, предназначенных для решения практических задач, связанных с эксплуатацией.

В рамках этой общей цели были поставлены и решены автором следующие задачи:

• анализ структуры инженерных сетей и дорог; выделение классов задач, решаемых в ходе их эксплуатации и выработка функциональных требований к информационным системам;

• анализ эффективности используемых методов и алгоритмов для решения задач учета, контроля и анализа состояния объектов, а так же задач оптимального управления инженерными сетями и дорогами;

• разработка информационной модели инженерных сетей и дорог на основе объектно-ориентированной методологии проектирования сложных систем;

• разработка и реализация алгоритмов топологического анализа для решения ряда базовых задач, ставящихся в ходе эксплуатации инженерных сетей;

• разработка и реализация модификации двухэтапного метода для расчета по-токораспределения и ряда сопутствующих задач для трубопроводных сетей;

• разработка архитектуры информационных систем инженерных сетей и дорог на базе ГИС;

• проведение экспериментальных исследований и внедрение результатов работы.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы системного анализа, объектно-ориентированного анализа и проектирования, теории баз данных, теории графов, методы вычислительной геометрии и геоинформатики.

Научная новизна. Научной новизной в работе обладают следующие результаты:

• Разработана формальная информационная модель инженерных сетей и дорог, позволяющая отслеживать жизненные циклы компонентов сетей. Модель представлена в виде набора диаграмм теории объектно-ориентированного проектирования.

• Формализован ряд практических задач оперативного управления сетями, а также адаптированы алгоритмы для решения этих задач. Предложены модификации существующих алгоритмов и разработаны новые.

• Проведена адаптация двухэтапного метода расчета установившегося по-токораспределения для задачи гидравлического расчета. Улучшены существующие модели элементов трубопроводных сетей.

• Создана новая архитектура информационных систем инженерных сетей и на ее основе реализована комплексная информационная система по важнейшим видам инженерных сетей.

Практическая ценность.

• Разработана архитектура информационных систем инженерных сетей и дорог, обладающих полным набором функций для решения задач оперативного и долгосрочного управления инженерными сетями и дорогами, отличающаяся от аналогов моделями представления сети и наличием специфических разделов информационной системы.

• Реализация двухэтапного метода для гидравлических сетей и улучшенных моделей элементов трубопроводных сетей позволяет существенно повысить точность и скорость расчета по сравнению с существующими аналогами, а значит, и повысить качество принимаемых решений при проектировании и управлении трубопроводными сетями.

• При активном участии автора были разработаны «Информационная система городских электрических сетей», «Информационная система водоснабжения», «Информационная система теплоснабжения», «Информационная система водоотведения», «Информационная система автомобильных дорог», «Система расчета режимов водопроводных сетей», являющиеся коммерческими продуктами и распространяемые компанией Ин-дорСофт (г. Томск).

• При активном участии автора по заказу МинПромНауки РФ (контракт № 32500.11.2425 от 09.04.2002) был разработан комплекс «Информационная система инженерных сетей промышленного предприятия», объединивший в себе разработки в области информационных систем инженерных сетей и дорог. Комплекс представляет новый уровень интеграции ин-

формационных решений по обеспечению управления и эксплуатацией инженерной инфраструктурой крупных промышленных предприятий. Внедрение результатов работы.

Программные продукты «Информационная система электрических сетей», «Информационная система водоснабжения», «Информационная система теплоснабжения», «Информационная система водоотведения», «Информационная система автомобильных дорог», «Система расчета режимов водопроводных сетей» внедрены в ряде организаций г. Томска и Западной Сибири.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались:

• на VI Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» (Томск, 1998 г.);

• на УП Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» (Томск, 1999 г.);

• на «Четвертой международной конференции по прикладной и индустриальной математике» (ИНПРИМ) (Новосибирск, 2000 г.);

• на Международной научно-практической конференции «Геоинформатика - 2000» (Томск, 2000 г.);

• на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы повышения надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений на них» (Барнаул, 2003 г.);

• на научных семинарах факультета информатики Томского государственного университета (1999-2003 гг.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в т.ч. 4 статьи в научных журналах. Кроме того, были опубликованы 3 работы по смежной тематике — геоинформатике.

Личный вклад автора в публикации. В работе [1] автором проведен обзор существующих моделей элементов трубопроводов и предложены новые модели на основе полиномиальной и сплайн-интерполяции. В работе [2] автором проведен обзор некоторых задач диспетчерского управления и предложены их обобщенные формальные описания в терминах теории графов. В работах [3, 6, 7, 12, 13] автором на основе комплексного обзора классов сетей и задач управления предложены новые информационные модели, отличающиеся единством подхода для различных классов инженерных сетей и дорог. В работах [5, 14] автором предложены новые технологические элементы построения информационных систем, обеспечивающие комплексное взаимодействие пользователей, а именно регламент совместного использования данных. В работе [8, 11] автором рассмотрены аспекты применения моделей земной поверхности для моделирования инженерных сетей. В работах [9, 10] автором предложены новые инфор-

мационные модели автомобильных дорог, концепция построения информационной системы автомобильных дорог, а также описана её практическая реализация, отличающаяся наличием темпорального описания автомобильных дорог. Положения, выносимые на защиту.

• Информационные эксплуатационно-ориентированные модели инженер, ных сетей и дорог с элементами темпоральности.

• Формализация некоторых задач диспетчерского управления, а именно: задачи выделения фидеров, задачи резервирования питания, задачи локализации аварии.

• Реализация алгоритма поузловой увязки потенциалов (двухэтапного метода) для трубопроводных сетей.

• Реализация новых моделей элементов трубопроводов для задач нахождения установившегося потокораспределения, учитывающих дополнительные параметры.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, дается краткий обзор работ других авторов, формулируются цель работы, основные защищаемые положения, приводится краткое изложение полученных результатов.

В главе 1 проводится обзор различных классов инженерных сетей. Выде-

Рис. 1. Классификация инженерных сетей Рис. 2. Классификация задач управления

ляются базовые компоненты любой сети: управляемая подсистема (сеть), источники и потребители, управляющая подсистема, и услуга (процесс транспортировки и распределения). Для различных классов сетей выделяются сходства и особенности представления этих компонент. Рассмотрены и обобщены элементы жизненного цикла различных сетей и их взаимосвязь. Рассмотрены и классифицированы задачи управления эксплуатацией инженерных сетей и дорог, а также информация, необходимая для решения этих задач (рис. 1).

Проведен обзор существующих информационно-расчетных комплексов, построенных на базе ГИС, САПР, не имеющих графической части, а также комбинированных систем. Проанализированы и представлены в виде таблицы их достоинства и недостатки с точки зрения эксплуатационных качеств и полноты решения различных практических задач. На основе данного обзора сделаны выводы о неполноте представления либо невысокой эффективности решения ряда практически важных задач в данных системах. Выделяются задачи, требующие решения, а именно: построение информационной модели, описывающей жизненный цикл, а также развитие расчетных методов и моделей для трубопроводных сетей.

В главе 2 рассматриваются задачи, требующие решения при построении полнофункционального информационно-расчетного комплекса. На основе методологии объектного моделирования строится типовая информационная модель инженерных сетей. В основе модели лежит иерархия объектов, распадающаяся на линии, строительные сооружения, оборудование и участки сети (рис. 2).

инженерной сети

Пронаасцстватю технологический

■<) Оборудование

--^Здание"]

Моет "1 -'

транспортером»

____I

^ ^Коммутатор ^ Преобразователь

^Вспомогательное] [ оборудование j

С?

«мерительное оборудование

Участок линии

Условные обозначения

^ Класс )

сооружение на | линии J

Входит в состав

Рис. 2. Краткая модель инженерной сети Рис. 3. Модели а) событий, б) работ, в) измерений и г) неисправностей.

шеиия предлагается использовать следующие модели. Основным объектом для описания жизненного цикла объектов сетей будет «событие». Событие - любое действие, производимое системой управления над объектом сети. Это могут быть измерения, ремонтные работы и другие действия (рис. 3).

В данной главе рассмотрено графовое представление инженерных сетей. Предлагается формулировка в терминах теории графов ряда практических задач инженерного управления, а именно: задача связности в разных постановках, задача поиска локализации аварии, задача резервирования питания в различных постановках, задача оптимального разрезания контуров, задача перехода к заданной конфигурации сети.

Задача резервирования состоит в поиске множества коммутаторов (минимального по мощности), которые необходимо включить для того, чтобы после отключения указанного коммутатора восстановилось снабжение потребителей, потерявших услугу. Данная задача сводится к двум подзадачам: нахождению

компонент графа, не связных с источниками и к поиску кратчайшего пути в расширенном графе, в котором «включены» все коммутаторы, кроме указанного. В принципе, вместо задачи поиска кратчайшего пути можно произвести поиск отключенных ребер-коммутаторов, соединяющих компоненты связности, имеющие и не имеющие источник соответственно.

Для решения задачи локализации в оптимизационной постановке предлагается следующий алгоритм.

Шаг 1. Данный аварийный элемент графа поместим в множество просмотра.

Шаг 2. Для данного множества просмотра найдем все инцидентные его элементам ему ребра. Если среди них имеются коммутаторы, то пометим их как «отключенные». Оставшиеся ребра поместим в множество просмотра.

Шаг 3. Если множество просмотра пусто, то мы пометили все коммутаторы, которые необходимо отключить. Иначе перейти на шаг 2.

Покажем, что отсеченная часть графа будет минимально возможной. Так как алгоритм представляет собой поиск в ширину, то последовательно будут просматриваться ближайшие окрестности аварийного элемента. Окрестность будет постоянно ограничиваться, как только мы будем достигать очередного коммутатора. По построению мы отключим все коммутаторы, расстояние до которых минимально. Соответственно, в отключенную область попадет минимально возможная окрестность. Отметим также, что трудоемкость алгоритма линейна относительно числа ребер.

Для решения задач связности предложены модификации известных алгоритмов, отличающиеся учетом специфических условий. Задачи потокораспре-деления базируются на графовом представлении сети. В ходе их решения граф может использоваться либо непосредственно как основа для решения, либо как промежуточное представление, по которому строятся системы уравнений или иные математические модели. Рассмотрены различные методы эквивалентиро-вания (упрощения) графа сети для задач расчета нахождения установившегося потокораспределения и предложены новые, позволяющие эквивалентировать многосвязные участки графа. Первый вид упрощения состоит в свертке цепочки ребер, при которой цепочки однотипных ребер заменяются одним ребром. Во втором случае граф сети, элементам которого сопоставлены некоторые параметры, необходимые для проведения расчета, поступает на вход алгоритма решения задачи потокораспределения. Представляется целесообразным производить предварительное упрощение графа с целью уменьшения его размерности (и, как следствие, уменьшение размерности задачи потокораспределения). Кроме свертки цепочки ребер для уменьшения размерности графа предлагается разбивать задачу нахождения потокораспределения на ряд задач нахождения

потокораспределения меньшей размерности. Для этого в графе выделяются подграфы, представляющие собой деревья, или односвязные компоненты в терминах теории графов, не содержащие вершин-источников. Каждое такое дерево имеет корневую вершину, через которую осуществляется связь с остальным графом. Дерево удаляется из исходного графа, а его корневой вершине ставится в соответствие суммарная потребность потребителей удаленного дерева (эквивалентная нагрузка). После удаления всех односвязных компонент из графа решается задача нахождения потокораспределения. После этого задача нахождения потокораспределения решается отдельно для всех деревьев, исходными значениями для которой будет то потокораспределение, которое было получено для соответствующих корневых вершин.

Как правило, такое упрощение графа инженерной сети дает снижение размерности задачи в несколько раз для разветвленных сетей. Однако в настоящее время большее количество сетей делается закольцованными с целью увеличения надежности. В таком случае даже после проведения эквивалентирова-ния деревьев граф сети остается достаточно сложным.

Автором предлагается модификация алгоритма эквивалентирования, в котором обобщаются не только односвязные компоненты графа сети, но и многосвязные компоненты, имеющие одну точку питания от остального графа. Предлагается использовать другой алгоритм, основанный на нумерации графа методом поиска в ширину. Пусть вершины графа имеют такую нумерацию, которую мы назовем правильной. Рассмотрим шаги работы алгоритма.

Шаг 1. Выделим множество Т древесных компонент графа, и удалим их из графа.

Шаг 2. Возьмем непомеченную вершину и , имеющую максимальный номер. Поместим ее в просмотровое множество № и в множество вершин потенциальной компоненты Р. Если невозможно найти очередную непомеченную и не являющуюся источником вершину, переход на шаг 7.

Шаг 3. Обозначим С(и) - множество вершин и}, соединенных ребрами с и, причем г > ] (множество «родителей»). Если [(?(и )| = 1, то

множество Р содержит одну из искомых компонент и может быть удалено из графа. Переход на шаг 2.

Шаг 4. Если во множестве 0(и) оказался источник, либо помеченная вершина, все вершины множества Р помечаются как бесперспективные, множества очищаются, переход на шаг 2.

Шаг 5. Очистим множество XV. Все вершины из <3(« ) добавим в IV и Р.

Шаг 6. Переход на шаг 3.

Шаг 7. Объединяем Т и все найденные компоненты Рк.

Трудоемкость данного алгоритма будет линейной относительно числа вершин. Действительно, каждая вершина просматривается только один раз, и при этом с ней может быть выполнено фиксированное число операций: включение во множества IV к Р, удаление из множества IV, пометка, поиск соседей, удаление из графа, добавление в результирующее множество.

Приведенные алгоритмы базируются на т.н. правильной нумерации вершин. Такая нумерация может быть выполнена за линейное относительно числа вершин время. Однако в приведенных алгоритмах имеет место одна вершина, с которой начинается нумерация. Данный случай имеет место, когда в сети имеется один источник. В случае нескольких источников для нумерации автором предлагается дополнение графа следующим образом: строится фиктивная вершина, с которой начнется нумерация. Она соединяется со всеми источникам фиктивными ребрами. Для данного графа производится правильная нумерация, после чего фиктивные вершина и ребра удаляются.

Для решения задачи нахождения установившегося потокораспределения в трубопроводной сети применена модификация метода поузловой увязки потенциалов (двухэтапный метод). Пусть дана сеть, состоящая из узлов и ребер. Узлы характеризуются двумя величинами: потреблением <2 и потенциалом Р. Если узел является потребителем, величина ф положительна, если источником — отрицательна. Ребра, в свою очередь, характеризуются зависимостью АР{0) падения потенциала в зависимости от количества транспортируемого продукта.

Обозначим узлы и ,» 6 1, ЛГ. Номером будет являться порядковый номер правильной нумерации графа сети. Обозначим ребра д Обозначим

С(и) - множество вершин, соединенных с узлом « ребрами (соседи). Обозначим СГ*(и ) - соседи, чей порядковый номер меньше т.е. родители вершины и. Обозначим С" (и) - соседи, чей порядковый номер больше /, т.е. потомки вершины и . Обозначим д''',г 6 1,Ы,^ е 1,Ж,г $ ребро, соединяющее вершины и и и . Величины потребления для узлов обозначим <Э,г е 1,ЛГ. Величины потенциалов в узлах обозначим Р,г 6 1,ЛГ. Величину падения потенциала при передаче по ребру д''' от узла г к] узлу обозначим АР — .

На вход двухэтапного метода подается граф сети, имеющий правильную нумерацию и содержащий информацию о потреблениях в узлах, значениях потенциалов в и видах зависимостей для всех ребер. Результатом работы двухэтапного метода является граф, для всех узлов которого определены потенциалы, а для всех ребер - величины потоков и направления.

Суть метода заключается в последовательной взаимной увязке потоков в ребрах и давлений в узлах сети. Основной проблемой здесь является выбор последовательности взаимной увязки. В данном методе предлагается использовать правильную нумерацию графа сети. Будем считать, что в графе имеется единственный узел-источник и^. Каждая итерация будет состоять из двух этапов.

На первом этапе мы начинаем просмотр вершин графа в порядке, обратном нумерации. На этом этапе мы производим распределение расходов по ребрам графа. Пусть некоторая вершина графа ип имеет расход С}п (является потребителем), не имеет потомков и имеет единственного родителя ир. В данном случае мы можем сопоставить ребру, которое их соединяет, поток (?;,„, равный расходу в вершине (рис. 4). Вершине ир приписывается дополнительный расход, равный (который она должна передать через ребро в вершину и„ ).

Рис. 4. Потокораспределение в случае одного родителя Рассмотрим два общих случая, которые могут встретиться при проходе по сети: когда у очередной вершины м имеется один родитель (рис. 5,а) и когда у нее имеется несколько родителей (рис. 5,6).

Рис. 5. Два случая соединения вершины при проходе «снизу вверх»: а- у вершины имеется один родитель; б - у вершины имеется несколько родителей В первом случае нам необходимо распределить суммарный расход вершины и , состоящий из ее собственного расходы ^ и дополнительных расходов потомков (¡^(¿^С}^... Обозначим этот суммарный расход и припишем его ребру д*'', добавив его в качестве дополнительного расхода вершине ир.

(а)

(б)

Рассмотрим более сложный случай, когда у вершины имеется несколько родителей и ,и ,и ,... и нам необходимо распределить ее суммарный расход

между цими в некоторой пропорции.

В реальных сетях имеют место самые различные зависимости АР(0), обусловливающие эту пропорцию. С другой стороны, в любых сетях выполняются законы Кирхгофа. Основываясь на них можно произвести эквивалентиро-вание. Под эквивалентированием будем понимать такое временное преобразование сети, при котором родители вершины заменяются одной вершиной-родителем иэ. Ребра, соединявшие родителей с данной вершиной, заменяются

ребром дэ. Принцип эквивалентирования показан на рис. 6.

Рис. 6. Эквивалентирование: а - исходная схема; б — временный эквивалент При эквивалентировании должно выполняться условие: суммарный поток

Примем допущение, согласно которому АР = (¿/У, где У - проводимость - величина, обратная сопротивлению участка сети. При небольших изменениях (3 это линейное приближение будет достаточно точно описывать зависимость АР{0).

Обозначим Р — потенциал узла и , (¿^ - поток из узла и в узел и], Уч~ проводимость ребра д . Тогда имеет место выражение:

(а)

(б)

и аналогично для эквивалентной схемы:

рэ¥з - рХэ = ЕРЛ - Е^ •

Предположим, что потенциал в вершине « равен 0. Это можно рассмотреть как заземление вершины в электрической сети или свободное истечение жидкости наружу для трубопроводной сети. В этом случае мы получим

РЛ = ЕРЛ-

Отсюда можно получить формулу для нахождения потенциала в эквивалентной вершине:

Уру

р — ' 1 ч

э" Е^ '

Данная формула справедлива для всех видов сетей. В случае трубопроводных сетей под потенциалами следует рассматривать давления, а под проводимостя-ми - величины, обратные к гидравлическим сопротивлениям. В случае электрических сетей потенциалами будут напряжения (комплексные), поток будет рассматриваться как поток мощности, а проводимости - комплексные значения, обратные сопротивлению.

После получения эквивалентного потенциала мы производим расчет потенциала Р в узле « , такого, который обеспечит в эквивалентной схеме поток,

равный (?>э. Затем, приписывая данный потенциал узлу и , находим по исходной схеме потоки (¡^ Второй этап итерации будет заключаться в проходе

«сверху вниз» и уточнении давлений, основанных на исходном давлении узла-источника в соответствии с потокораспределением, полученным на первом этапе.

Пусть Р^,Р*,...,Рк - значения потенциалов, а О,',С?,2,--.,(5' - потоки по ребрам ведущим в данный узел на итерации г. Тогда определим эмпирическую формулу для нахождения потенциала в узле:

Р="=Ч-

(=1

С точки зрения физического смысла это обозначает, что мы принимаем вклад каждого из потенциалов в той мере, насколько велик поток, обуславливающий этот потенциал.

Окончанием работы алгоритма будет выполнение условия ДР(^) = Р — Р для всех узлов и одновременное выполнение законов Кирхгофа. Очевидно, что выполнение законов Кирхгофа обеспечивается в конце первого этапа (по построению). Таким образом, критерием окончания работы метода будет равенство (с некоторой заданной точностью) перепадов потенциалов во всех ребрах сети с разностями потенциалов в соответствующих узлах. Для выполнения такой проверки мы используем переменную Егг™ = тах(Р - Р - АР которая вычисляется в каждом узле на

втором этапе. Если после окончания второго этапа ее значение больше, чем допустимая точность, то мы начинаем следующую итерацию.

В силу того, что просмотры узлов происходят последовательно, и при этом каждое ребро просматривается один и только один раз на каждом этапе, трудоемкость одной итерации метода будет линейной относительно числа ребер.

В работе рассмотрены классические модели элементов трубопроводов и предложены новые, более точно описывающие напорную характеристику, а также учитывающие дополнительные параметры. Основным уравнением, используемым для расчета потокораспределения, является зависимость потери напора (параллельной переменной) от расхода через элемент сети (последовательной переменной) И(д). Такая зависимость должна быть определена для всех ветвей графа. Для /-й ветви зависимость Л,(<?,) определяется параметрами элементов этой ветви:

ь =£>,Д),(г=Щ,

где А,/«?,) - параллельные переменные_/'-го элемента /-й ветви (следует отметить, что у активных элементов значение параллельной переменной < 0, что означает, что напор в нем не падает, а увеличивается); п1 - число элементов ветви; N — число ветвей.

Универсальная зависимость для пассивных и активных элементов трубопроводов будет описываться плавной кривой, построенной по набору точек. Это будут точки трехмерного пространства с координатами (расход, температура, падение напора). Для арматуры, имеющей переменный пропускной коэффициент, это будут точки вида (расход, температура, пропускной коэффициент, падение напора). Аппроксимирующая функция будет иметь вид:

где - поток в ребре г, г - температура жидкости, А - пропускной коэффициент (для запорной арматуры и регуляторов 0 < А < 1, для других =1), А^ — аппроксимированное значение падения напора в точке ). Для построе-

ния однозначной аппроксимационной поверхности по набору этих точек можно использовать различные методы, например кусочно-линейную, гладкую полиномиальную или сплайн-интерполяцию. При проведении тестового моделирования реальной сети малой размерности данные модели показали точность на 2% выше, а при моделировании сети большой размерности (4096 узлов) повышение точности достигло 20% по сравнению с классическими моделями.

В главе 3 автор формулирует функциональные требования к создаваемым информационным системам. Предлагается типовая архитектура информационной системы, состоящая из разделов: планы сети на топооснове, обзорная оперативная схема и оперативные схемы, наложенные на топооснову. В основе всех трех разделов лежит единая база данных, построенная на основе предложенных во второй главе моделей. Описываются реализации информационных систем городских электрических сетей, сетей газоснабжения, городских сетей водоснабжения, информационная система автомобильных дорог. Для этих реализаций рассматриваются основные объекты информационной системы, краткие модели данных и примеры работы. Данные системы являются коммерческими продуктами, распространяемыми ООО «ИндорСофт», г. Томск.

Проводится сравнение с существующими системами, на основе которого делается вывод о преимуществе созданных информационных систем по ряду параметров, а именно: наличие моделирования эксплуатационных событий, отслеживания изменения характеристик оборудования во времени, наличие элементов системы документооборота.

В приложении приводятся акты о внедрении результатов работы в промышленную и опытную эксплуатацию на следующих предприятиях: ЗАО «Го-рэлектросети», г. Томск, ЗАО «Томскводоканал», г. Томск, МУП «Водоканал», г. Северск, ОАО «Томскэнерго», г. Томск, Томская областная дирекция дорожного фонда, ООО ИДЦ «Индор», г. Томск.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе комплексного исследования инженерных сетей и дорог, а также задач управления эксплуатации разработан набор функциональных требований к информационным системам инженерных сетей и дорог, отличающиеся направленностью на применимость и современную практику управления.

2. Разработана универсальная объектная модель инженерных сетей, отличающаяся наличием элементов темпоральности на основе реляционной модели данных, предоставляющая возможность моделирования полного жизненного цикла сетей. Для этого используется понятие «событие», структурно представляющее работы, неисправности, измерения и другую позиционируемую во времени информацию.

3. Предложены формальные описания в терминах теории графов важных практических задач, а именно: задача связности в разнообразных постановках, зада-

ча поиска локализации аварии, задача резервирования питания в различных постановках, задача выделения фидеров. Данные задачи решались ранее без формальной постановки.

4. Предложены алгоритмы для решения задач резервирования питания, поиска локализации аварии, имеющие линейную трудоемкость. Данные задачи решались ранее без формального построения алгоритма и анализа трудоемкости. Для решения задач связности предложены модификации известных алгоритмов, отличающиеся учетом специфических условий.

5. Предложен новый алгоритм выделения многосвязных участков графа сети, имеющих одну точку питания, необходимый для глубокого эквивалентирования участков сети с целью снижения трудоемкости расчета потокораспределения.

6. Для решения задачи нахождения установившегося потокораспределения в трубопроводной сети применена модификация метода поузловой увязки потенциалов (двухэтапный метод), использовавшегося ранее для расчета в электрических сетях. Предложено обобщение процедуры распределения потоков по узлам-источникам для случая произвольного закона падения потенциала.

7. Рассмотрены классические модели элементов трубопроводов и предложены новые, отличающиеся точным описыванием напорной характеристики при помощи набора точек и различных видов интерполяции, а также учитывающие дополнительные параметры.

8. На базе созданных моделей реализован ряд информационных систем. Это информационная система автомобильных дорог, информационная система городских электрических сетей, информационная система газоснабжения. Комплексность подхода к построению информационных систем позволяет, на основе их совместного использования, повысить эффективность и упростить решение широкого спектра управленческих задач в рамках предприятия, города, региона.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Скворцов A.B., Сарычев Д-С. Моделирование элементов трубопроводов // Изв. вузов. Физика, 2002, №2, с. 57-63.

2. Сарычев Д.С., Скворцов A.B. Применение графовых моделей для анализа инженерных сетей // Вестник Томского гос. ун-та, 2002, Т. 273, апрель, с. 70-74.

3. Новиков Ю.Л., Слюсаренко С.Г., Скворцов A.B., Сарычев Д.С. Информационные системы предприятий трубопроводных сетей // Вестник Томского гос. ун-та, 2002, Т. 273, апрель, с. 75-81.

4. Слюсаренко С.Г., Костюк Л.Ю., Скворцов A.B., Субботин С.А., Сарычев Д.С. Расчет установившегося режима электрической сети в ГИС ГрафИн // Вестник Томского гос. ун-та, 2002, Т. 273, апрель, с. 64-69.

5 Слюсаренко С.Г., Новиков Ю.Л., Сарычев Д.С., Скворцов A.B. Особенности реализации подсистем информационных запросов к кадастровым информационным системам // Геоинформатика-2000: Труды международной ' научно-практической конференции. - Томск: Изд-во Томск, ун-та, 2000, с.

231-234.

! 6. Новиков Ю.Л., Слюсаренко С.Г., Скворцов A.B., Сарычев Д.С. Совместное

* использование данных кадастров инженерных коммуникаций многими

полыона1елями // Геоинформатика-2000: Труды международной научно-практической конференции. - Томск: Изд-во Томск, ун-та, 2000, с. 229-231.

7. Скворцов A.B., Сарычев Д.С. Методология построения единого кадастра инженерных коммуникаций // ИНПРИМ-2000 (материалы международной конференции), часть IV. - Новосибирск, 2000, с. 73.

8. Скворцов A.B., Сарычев Д.С. Структуры данных и алгоритмы обработки комплексной трехмерной модели местности // ИНПРИМ-2000 (материалы международной конференции), часть IV. - Новосибирск, 2000, с. 73.

9. Сарычев Д С., Скворцов A.B. Применение ГИС в дорожной отрасли // Актуальные проблемы повышения надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений на них (труды Всероссийской научно-практической конференции). - Барнаул, 2003, с. 17-19.

10. Крысин С.П., Акулов А.П., Сарычев Д.С. Подход к построению информационной системы автомобильных дорог // Актуальные проблемы повышения надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений на них (труды Всероссийской научно-практической конференции). - Барнаул, 2003, с. 20-22.

11 Скворцов A.B., Сарычев Д.С., Новиков Ю.Л, Тарбоков A.A. Использование модели местности для анализа состояния окружающей среды // Энергетика: экология, надёжность, безопасность. - Томск, 1999, с. 56.

12. Скворцов A.B., Сарычев Д.С., Новиков Ю.Л. Применение геоинформационных технологий для информационного обеспечения деятельности промышленных предприятий // Энергетика: экология, надёжность, безопасность. - Томск, 1999, с. 57.

13 Слюсаренко С.Г., Скворцон A.B., Субботин С.А., Новиков Ю.Л., Сарычев Д.С. Интегрированная информационная система инженерных сетей // Энергетика: экология, надежность, безопасность (материалы докладов 6-го всероссийского научно-технического семинара). - Томск, 1998, с. 66-72.

14. Слюсаренко С.Г., Скворцов A.B., Субботин С.А., Новиков Ю.Л., Сарычев Д.С. Особенности создания и поддержания кадастра инженерных сетей // Энергетика: экология, надежность, безопасность (материалы докладов 6-го всероссийского научно-технического семинара). - Томск, 1998, с. 72-78.

1 I

Í1334Í

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Сарычев, Дмитрий Сергеевич

Введение

Глава 1. Инженерные сети как объект исследования.

1.1. Инженерные сети.

1.2. Принципы построения моделей сложных систем.

1.3. Анализ инженерных сетей.

1.3.1. Классификация инженерных сетей.

1.3.2. Трубопроводные сети.

1.3.3.Кабельные сети.

1.3.4. Дорожные сети.

1.3.5.Жизненный цикл инженерных сетей.

1.3.6. Проектирование и реконструкция.

1.3.7. Эксплуатация.

1.3.8. Окружение инженерной сети.

1.4. Задачи управления эксплуатацией.

1.4.1. Задачи инвентаризации, паспортизации, учета.

1.4.2. Задачи пространственного моделирования сетей.

1.4.3. Задачи предпроектного анализа.

1.4.4. Расчетные задачи анализа и управления.

1.4.5. Задачи моделирования жизненного цикла объектов и оборудования.

1.5. Обзор существующих информационно-расчетных комплексов

1.6. Выводы.

Глава 2. Методы и алгоритмы моделирования.

2.1. Постановка задачи.

2.1.1. Задачи объектного моделирования.

2.1.2. Задачи моделирования жизненного цикла.

2.1.3. Задачи графового моделирования.

2.1.4. Задачи алгебраического моделирования.

2.2. Объектное моделирование инженерных сетей и их элементов

2.2.1. Иерархическое представление объектов сетей.

2.2.2. Унификация параметров и функций.

2.2.3. Моделирование жизненного цикла объектов сетей.

2.3. Графовые методы моделирования сетей.

2.3.1.Применение графов сетей для решения задач связности.

2.3.2. Применение графов сетей для решения задач потокораспределения.

2.3.3.Применение графов сетей для решения задач локализации аварий, резервирования.

2.4. Алгебраическое моделирование и расчет инженерных сетей и их элементов.

2.4.1. Моделирование потокораспределения.

2.4.2. Двухэтапный метод расчета потокораспределения.

2.4.3. Моделирование элементов трубопроводов.

2.4.4. Модификации двухэтапного метода.

2.4.5. Программная реализация двухэтапного метода.

2.5. Пространственные модели инженерных сетей.

2.6. Выводы.

Глава 3. Информационные системы инженерных сетей.

3.1. Функции информационной системы.

3.2. Архитектура информационной системы (ИС).

3.2.1. Разделы ИС.

3.2.2. Потоки данных в ИС.

3.2.3. Графическая часть ИС.

3.2.4. Атрибутивная часть ИС.

3.2.5. Расчетно-аналитическая часть ИС.

3.2.6. Ввод-вывод информации в ИС.

3.3. Программные реализации ИС.

3.3.1.Требования к информационной системе.

3.3.2. Информационная система городских электросетей.

3.3.3. Информационная система сетей газоснабжения.

3.3.4. Информационная система городских сетей водоснабжения

3.3.5.Информационная система автомобильных дорог.

3.4. Сравнение информационных систем с аналогами.

3.5. Выводы.

Введение 2003 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Сарычев, Дмитрий Сергеевич

Инженерные сети и дороги в настоящее время являются важнейшей частью нашей жизни и цивилизации, однако их функционирование порой совершенно незаметно. Жизнь современных городов и удаленных поселков буквально зависит от того, насколько хорошо работают коммуникации, доставляющие в дома холодную и горячую воду, газ, электричество, каково качество дорог.

Долгое время при управлении такими большими и сложными системами использовались бумажные технологии, ручной счет и практика принятия решений на основе личного опыта персонала. При этом целый ряд актуальных задач решался либо некачественно, либо вообще обходился стороной. С развитием современных информационных технологий появилась возможность создавать комплексы, способные помогать решать задачи управления крупными системами. Такие комплексы выполняют функции проектирования, инвентаризации, моделирования, а также информационной поддержки экспертных оценок и принятия решений.

В настоящее время широко развивается целый класс программных продуктов, ориентированных на информационное обеспечение инженерных сетей и дорог. Первыми научными исследованиями в данной области были работы, посвященные расчету инженерных параметров сетей и режимов их функционирования. Это работы М.М. Андрияшева, Н. Cross, А.Е. Белана, В.И. Идельчика, А.Г. Евдокимова, А.Д. Тевяшева, В.В. Дубровского и других авторов. В работах этих авторов заложены основы представления сети в виде графа, а также некоторые базовые модели элементов, позволяющие производить расчеты. Развив достаточно мощную расчетную методологию для отдельных классов сетей, эти работы не получили дальнейшего развития. Это произошло вследствие того, что вычислительная техника того периода не позволяла использовать сложные модели и производить расчет больших сетей. Таким образом, используемые в современных расчетных комплексах базовые модели и алгоритмы были разработаны достаточно давно, однако современные вычислительные средства позволяют создавать более сложные и совершенные модели.

Другим аспектом является информационное описание инженерных сетей и дорог. Основные работы, посвященные информационному моделированию, относятся к сфере системного анализа, исследования операций, объектному и функциональному моделированию. Специфические для инженерных сетей и дорог работы в отечественной практике являются достаточно редкими. Среди них можно выделить исследования В.А. Вайсфельда, П.И. Поспелова, С.В. Гончаренко, Ю.П. Ехлакова, а также разработки компаний ООО «Терра», ИВЦ «Поток». Среди зарубежных можно отметить работы D.R. Maidment, L. Lang, С. Harder, L. Godin, а также разработки компаний ESRI, Inc., Bentley Systems, Inc., Intergraph Corp., General Electric Co., CDA International, Inc. Эти системы базируются на платформе геоинформационных систем (ГИС), систем автоматизированного проектирования (САПР) или являются специализированными. Однако остается нерешенным ряд задач, актуальных для современной практики эксплуатации инженерных сетей и дорог, а именно отслеживание эксплуатационных событий и темпоральное моделирование. Кроме того, многие разработки не учитывают отечественных нормативов и сложившейся практики эксплуатации инженерных сетей и дорог.

Таким образом, исследования, посвященные построению новых моделей инженерных сетей и дорог и созданию на их основе эксплуатационно-ориентированных информационно-расчетных систем с возможностью описания жизненного цикла сетей и дорог является, безусловно, актуальными.

Целью работы является повышение эффективности управления инженерными сетями и дорогами на основе новых информационных технологий и средств объектного и математического моделирования, создание информационных систем инженерных сетей и дорог, усовершенствование уже имеющихся и создание новых алгоритмов, предназначенных для решения практических задач, связанных с эксплуатацией.

В рамках этой общей цели были поставлены и решены автором следующие задачи:

• анализ структуры инженерных сетей и дорог; выделение классов задач, решаемых в ходе их эксплуатации и выработка функциональных требований к информационным системам;

• анализ эффективности используемых методов и алгоритмов для решения задач учета, контроля и анализа состояния объектов, а также задач оптимального управления инженерными сетями и дорогами;

• разработка информационной модели инженерных сетей и дорог на основе объектно-ориентированной методологии проектирования сложных систем;

• разработка и реализация алгоритмов топологического анализа для решения ряда базовых задач, ставящихся в ходе эксплуатации инженерных сетей;

• разработка и реализация модификации двухэтапного метода для расчета потокораспределения и ряда сопутствующих задач для трубопроводных сетей;

• разработка архитектуры информационных систем инженерных сетей и дорог на базе ГИС;

• проведение экспериментальных исследований и внедрение результатов работы.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы системного анализа, объектно-ориентированного анализа и проектирования, теории баз данных, теории графов, методы вычислительной геометрии и геоинформатики.

Научная новизна. Научной новизной в работе обладают следующие результаты:

• Разработана формальная информационная модель инженерных сетей и дорог, позволяющая отслеживать жизненные циклы компонентов сетей и имеющая элементы темпоральнсти. Модель представлена в виде набора диаграмм теории объектно-ориентированного проектирования.

• Формализован ряд практических задач оперативного управления сетями: задачи выделения фидеров, задачи резервирования питания, задачи локализации аварии. Предложены методы сведения этих задач к задачам на графах, а также предложен новый алгоритм для поиска многосвязных участков сети имеющих одну точку питания от остальной сети.

• Проведена адаптация двухэтапного метода расчета установившегося потокораспределения для задачи гидравлического расчета. Улучшены существующие модели элементов трубопроводных сетей.

• Создана новая архитектура информационных систем инженерных сетей и на ее основе реализована комплексная информационная система по важнейшим видам инженерных сетей.

Практическая ценность.

• Разработана архитектура информационных систем инженерных сетей и дорог, обладающих полным набором функций для решения задач оперативного и долгосрочного управления инженерными сетями и дорогами, отличающаяся от аналогов моделями представления сети и наличием специфических разделов информационной системы.

• Реализация двухэтапного метода для гидравлических сетей и улучшенных моделей элементов трубопроводных сетей позволяет существенно повысить точность и скорость расчета по сравнению с существующими аналогами, а значит, и повысить качество принимаемых решений при проектировании и управлении трубопроводными сетями.

• При активном участии автора были разработаны «Информационная система городских электрических сетей», «Информационная система водоснабжения», «Информационная система теплоснабжения», «Информационная система водоотведения», «Информационная система автомобильных дорог», «Система расчета режимов водопроводных сетей», являющиеся коммерческими продуктами и распространяемые компанией ИндорСофт (г. Томск).

• При активном участии автора по заказу МинПромНауки РФ (контракт № 32500.11.2425 от 09.04.2002) был разработан комплекс «Информационная система инженерных сетей промышленного предприятия», объединивший в себе разработки в области информационных систем инженерных сетей и дорог. Комплекс представляет новый уровень интеграции информационных решений по обеспечению управления и эксплуатацией инженерной инфраструктурой крупных промышленных предприятий.

Внедрение результатов работы.

Программные продукты «Информационная система электрических сетей», «Информационная система водоснабжения», «Информационная система теплоснабжения», «Информационная система водоотведения», «Информационная система автомобильных дорог», «Система расчета режимов водопроводных сетей» внедрены в ряде организаций г. Томска и Западной Сибири.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались:

• на VI Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» (Томск, 1998 г.);

• на VII Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» (Томск, 1999 г.);

• на «Четвертой международной конференции по прикладной и индустриальной математике» (ИНПРИМ) (Новосибирск, 2000 г.);

• на Международной научно-практической конференции «Геоинформатика - 2000» (Томск, 2000 г.);

• на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы повышения надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений на них» (Барнаул, 2003 г.);

• на научных семинарах факультета информатики Томского государственного университета 1999-2003 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в т.ч. 4 статьи в научных журналах. Кроме того, были опубликованы 3 работы по смежной тематике - геоинформатике.

Личный вклад автора в публикации. В работе [86] автором проведен обзор существующих моделей элементов трубопроводов и предложены новые модели на основе полиномиальной и сплайн-интерполяции. В работе [79] автором проведен обзор некоторых задач диспетчерского управления и предложены их обобщенные формальные описания в терминах теории графов. В работах [63, 64, 87, 90, 95] автором на основе комплексного обзора классов сетей и задач управления предложены новые информационные модели, отличающиеся единством подхода для различных классов инженерных сетей и дорог. В работах [94, 96] автором предложены новые технологические элементы построения информационных систем, обеспечивающие комплексное взаимодействие пользователей, а именно регламент совместного использования данных. В работе [88, 89] автором рассмотрены аспекты применения моделей земной поверхности для моделирования инженерных сетей. В работах [81, 53] автором предложены новые информационные модели автомобильных дорог, концепция построения информационной системы автомобильных дорог, а также описана её практическая реализация, отличающаяся наличием темпорального описания автомобильных дорог.

Положения, выносимые на защиту.

1. Информационные эксплуатационно-ориентированные модели инженерных сетей и дорог с элементами темпоральности.

2. Формализация некоторых задач диспетчерского управления, а именно: задачи выделения фидеров, задачи резервирования питания, задачи локализации аварии.

3. Реализация алгоритма поузловой увязки потенциалов (двухэтапного метода) для трубопроводных сетей.

4. Реализация новых моделей элементов трубопроводов для задач нахождения установившегося потокораспределения, учитывающих дополнительные параметры.

Заключение диссертация на тему "Разработка информационно-расчетных комплексов для управления инженерными сетями и дорогами с использованием геоинформационных систем"

Заключение

1. На основе комплексного исследования инженерных сетей и дорог, а также задач управления эксплуатации разработан набор функциональных требований к информационным системам инженерных сетей и дорог, отличающиеся направленностью на применимость и современную практику управления.

2. Разработана универсальная объектная модель инженерных сетей, отличающаяся наличием элементов темпоральности на основе реляционной модели данных, предоставляющая возможность моделирования полного жизненного цикла сетей. Для этого используется понятие «событие», структурно представляющее работы, неисправности, измерения и другую позиционируемую во времени информацию.

3. Предложены формальные описания в терминах теории графов важных практических задач, а именно: задача связности в разнообразных постановках, задача поиска локализации аварии, задача резервирования питания в различных постановках, задача выделения фидеров. Данные задачи решались ранее без формальной постановки.

4. Предложены алгоритмы для решения задач резервирования питания, поиска локализации аварии, имеющие линейную трудоемкость. Данные задачи решались ранее без формального построения алгоритма и анализа трудоемкости. Для решения задач связности предложены модификации известных алгоритмов, отличающиеся учетом специфических условий.

5. Предложен новый алгоритм выделения многосвязных участков графа сети, имеющих одну точку питания, необходимый для глубокого эквиваленти-рования участков сети с целью снижения трудоемкости расчета потокораспределения.

6. Для решения задачи нахождения установившегося потокораспределения в трубопроводной сети применена модификация метода поузловой увязки потенциалов (двухэтапный метод), использовавшегося ранее для расчета в электрических сетях. Предложено обобщение процедуры распределения потоков по узлам-источникам для случая произвольного закона падения потенциала.

7. Рассмотрены классические модели элементов трубопроводов и предложены новые, отличающиеся точным описыванием напорной характеристики при помощи набора точек и различных видов интерполяции, а также учитывающие дополнительные параметры.

8. На базе созданных моделей реализован ряд информационных систем. Это информационная система автомобильных дорог, информационная система городских электрических сетей, информационная система газоснабжения. Комплексность подхода к построению информационных систем позволяет, на основе их совместного использования, повысить эффективность и упростить решение широкого спектра управленческих задач в рамках предприятия, города, региона.

Далее мы коснемся перспектив использования полученных результатов. Проведенный в первой главе анализ инженерных сетей и задач, встающих при их проектировании и эксплуатации, позволяет систематизировать представление о предметной области и проводить аналогии при рассмотрении различных инженерных сетей. Такой анализ выявляет типовые задачи, встающие в самых различных инженерных сетях, а также показывает сходные и различные черты в моделировании и описании сетей. Данное рассмотрение проведено в комплексе с окружением инженерной сети, что позволяет использовать результаты для решения широкого круга смежных проблем.

Во второй главе получены важные результаты, составляющие основу как для создания информационно-расчетных систем на базе ГИС, так и для создания других информационных и расчетных систем. Так, развитие и обобщение двухэтапного метода расчета установившегося потокораспределения на различные виды сетей позволяет модифицировать и использовать этот метод для решения расширенного круга задач, как-то: поиск траектории движения к требуемому режиму, решение актуальнейшей задачи о нахождении пропорций питания от разных источников, ранжирования степеней свободы по степени их воздействия на сеть и других. Новые методы моделирования элементов сетей открывает новые возможности для исследования устойчивости и сходимости решений ряда задач по моделированию процессов в сетях, а также повышения точности этих решений.

Из формулировки задачи описания жизненного цикла инженерной сети следует расширение области применения информационных систем для информационной поддержки изысканий, проектирования и строительства (реконструкции). Это позволяет органично совместить в информационном плане два этапа жизни сети, которые доселе зачастую оставались достаточно разобщенными.

Предлагаемые модели для описания изменений объектов во времени дает новые возможности по проведению темпорального анализа развития отдельных объектов и сети в целом; создания временных «срезов» и анализа надежности, отказоустойчивости и износа. В настоящее время еще нет возможности оценить и классифицировать весь тот круг задач, которые можно решить и ту информацию, которую можно получить при анализе истории.

Сведение ряда типовых задач, решаемых персоналом при эксплуатации сетей к известным и новым алгоритмам на графах, начатый в данной работе, показывает актуальность и перспективность данного направления и возможность применения таких решений для более широкого круга задач.

Описанные в третьей главе информационные системы, разработанные при участии автора на базе данной диссертационной работы, обладают рядом уникальных достоинств, заставляющих по-новому взглянуть на построение и внедрение информационных систем не только в сферу инженерных сетей. Концепция, на базе которой построены эти системы, может быть расширена до масштабов системы инженерного управления городом, крупным предприятием, регионом. Примером такой интеграции систем в единый блок может служить информационная система промышленного предприятия, в разработке которой активное участие принял автор. Данная работа была поддержана грантом по государственному контракту МинПромНауки РФ №32500.11.2425 от 09.04.2002 «Комплекс информационно-расчетных и диагностирующих систем инженерных сетей промышленных предприятий и городов».

Информатизация внедряется во все большее число сфер нашей жизни, и для улучшения качества этого процесса требуется разработка серьезных концепций, подкрепленных научными исследованиями. Исследования в области информатизации инженерных сетей являются особенно актуальными в силу революционности изменений, привносимых в результате таких исследований и внедрений в эту жизненно важную область.

Библиография Сарычев, Дмитрий Сергеевич, диссертация по теме Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

1. Андрияшев М.М. Техника расчета водопроводной сети. - М.: Сов. Законодательство, 1932. — 62 с.

2. Ахо А., Хопкрофт Д., Ульман Д. Построение и анализ вычислительных алгоритмов / Пер. с англ. М.: Мир, 1979. - 536 с.

3. Белан А.Е. Универсальный метод гидравлического увязочного расчета кольцевых водопроводных сетей // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1964, № 4, с. 69-73.

4. Беляйкина И.В., Витальев В.П., Громов Н.К. и др. Водяные тепловые сети. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 376 с.

5. Берж К. Теория графов и ее применения. М.: Мир, 1962. - 319 с.

6. Беспалов В., Клишин В., Краюшкин В. Развитие систем PDM: вчера, сегодня, завтра // САПР и графика, 2001, №11: Управление и производство, с. 12-14.

7. Благодаров А. Обзор САМ-систем. // Компьютер Пресс, №3, М., 1997, с. 22-23.

8. Бойков В. Н., Крысин С. П. Информационное обеспечение дорожной отрасли с позиции инженерного подхода // Наука и техника в дорожной отрасли. №2, М., 1999 (9), с. 10-12.

9. Бойков В.Н., Крысин С.П., Сарычев Д.С., Скворцов А.В., Буртелов JI.B. Информационная система автомобильных дорог. — Томск, Индор, шифр 01н/02, 2003.-63 с.

10. Буслова Н.В., Винославский В.Н., Денисенко Г.И., Перхач B.C. Электрические системы и сети. К.: Вища шолка, Головное изд-во, 1986. - 584 с.

11. Бутковский А.Г. Обзор некоторых новых направлений, идей и результатов в проблеме управления системами с распределенными параметрами // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика, 1983, с. 112-122.

12. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения / Пер. с англ. М.: Конкорд, 1992. - 519 с.

13. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с применением приложений на С++ / 2-е изд. — М.: «Издательство БИНОМ», СПб: «Невский диалект», 1998. 560 с.

14. Василенко В.П. Формирование рационального набора типовых алгоритмических модулей систем обработки данных. Дисс. канд. техн. наук. — Томск: НИИАЭМ при ТИАСУР, 1990. 166 с.

15. Васильев А.С., Заборовский С.А. Геоинформационная среда инженерных сетей // Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес.: Материалы всероссийского форума ГИС 94., 6-11 июня 1994 г.-М., 1994, с. 58-59.

16. Вендров A.M. CASE-технологии: современные методы и средства проектирования информационных систем. М. Финансы и статистика, 1998. 175 с.

17. Волошина В.Н. Информационные ресурсы в управлении дорожной отраслью Приморского края // Геоинформатика-2000: Тр. междунар. науч.-практ. конф. Томск: Изд-во Томск ун-та, 2000, с. 260-265.

18. Гейн К., Сарсон Т. Структурный системный анализ: средства и методы / В 2-х ч. / Пер. с англ. -М.: Эйтекс, 1993. 188 с.

19. Глазунов А.А., Глазунов А.А. Электрические сети и системы. М.; Л.: Гос-энергоиздат, 1960. - 368 с.

20. Гончаренко С.В., Гуральник M.JI. САПР-подход к инженерным коммуникациям // Инженерные коммуникации и геоинформационные системы: Материалы первого учебно-практического семинара, «ГИС-Ассоциация», 1417 октября 1997 г. -М.: 1997, с. 3-9.

21. Горбачев В.Г. ЦСИ Интегро // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. №4 (26), 2000, с. 51.

22. Городюхин А. И. Эксплуатация газовых сетей и установок / Изд. 3-е. М.: Стройиздат, 1971.-303 с.

23. ГОСТ 21.206-93 (1995) СПДС. Условные обозначения трубопроводов.

24. ГОСТ 21.403-80 СПДС. Обозначения условные графические в схемах. Оборудование энергетическое.

25. ГОСТ 21.406-88 (1998) СПДС. Проводные средства связи. Обозначения условные графические на схемах и планах.

26. Гриценко Ю.Б. Моделирование водопроводных сетей с использованием средств геоинформационных технологий. Дисс. канд. техн. наук. — Томск, 2000.-141 с.

27. Дарманчев А.К. Основы оперативного управления энергосистемами. — М — Д.: Гос. энергетич. изд-во, 1960. 395 с.

28. Дорожная терминология: Справочник / Под ред. М.И. Вейцмана. М.: Транспорт, 1985. - 310 с.

29. Евдокимов А.Г. Оптимальные задачи на инженерных сетях. Харьков, «Вища школа», Изд-во при Харьк. ун-те 1976. - 153 с.

30. Евдокимов А.Г., Дубровский В.В., Тевяшев А.Д. Потокораспределение в инженерных сетях. М.: Стройиздат, 1979. - 199 с.

31. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д. Оперативное управление потокораспреде-лением в инженерных сетях. Харьков: Вища школа, 1980. - 144 с.

32. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д., Дубровский В.В. Моделирование и оптимизация потокораспределения в инженерных сетях. — М.: Стройиздат, 1990. — 368 с.

33. Желтов С.Ю., Инвалев А.С., Кирьяков К.Р., Степанов А.А. Особенности реализации 3D ГИС. // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. № 5(12), 1997, с. 52-53.

34. Идельчик В. И. Расчеты установившихся режимов электрических систем / Под ред. В.А. Веникова. М.: Энергия, 1977. - 192 с.

35. Йодан Э. Структурное проектирование и конструирование программ. М.: Мир, 1979.-415 с.

36. Казаков А. Г., Конкин А. В. Информационная система автомобильных дорог Новосибирской области // Геоинформатика-2000: Тр. междунар. науч.-практ. конф. Томск: Изд-во Томск ун-та, 2000, с. 248-252.

37. Карабегов А.В., Тер-Микаэлян Т.М. Введение в язык SDL. М.: Радио и связь, 1993.- 184 с.

38. Клиланд Д., Кинг В. Системный анализ и целевое управление: Пер. с англ. М.: «Сов. радио», 1974. - 280 с.

39. Колянов Г.Н. Консалтинг при автоматизации предприятий. М.: СИНТЕГ, 1997.-316 с.

40. Комплексная автоматизированная система управления «Воронежупрдор» на базе локальной вычислительной сети. Воронеж: ОАО «ТЕРРА». - 33 с.

41. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС / 2-е изд. М.: ООО «Библион», 1997. - 160 с.

42. Кошкарёв А.В., Тикунов B.C. Геоинформатика. М.: Картгеоиздат-Гео-дезиздат, 1993,213 с.

43. Кристофидес Н. Теория графов, Алгебраический подход. М.: Мир, 1978 -432с.

44. Кук Д., Бейз Г. Компьютерная математика / Пер. с англ. М.: Наука, 1990. -384 с.

45. Кязимов К.Г. Основы газового хозяйства / Изд. 2-е. М.: Высш. шк., 1987. -335 с.

46. Лобачев В.Г. Новый метод увязки колец при расчете водопроводных сетей. Сан. техника, 1934, № 2, с. 8-12.

47. Марка Д.А., МакГоуэн К. Методология структурного системного анализа и проектирования SADT. -М.: Метатехнология, 1993. — 140 с.

48. Мелентьев Л.А. Теплофикация. М.-Л.: АН СССР. ч. 1, 1944. - 248 е.; ч. 2, 1948.-276 с.

49. Минский Е.М., Максимов Ю.И. Основы расчета сложных газосборных сетей на ЭВМ. Газовая промышленность, 1962, № 10, с. 9-12.

50. Михневич А.В., Рыхтер О.Л., Михневич Н.Н. Гидравлические расчеты в теплоэнергетике. Минск: УП «Технопринт», 2000. - 276 с.

51. Морозов В.К., Долганов А.В. Основы теории информационных сетей: Учеб. Для студентов вузов спец. «Автоматизация и механизация процессов обраб. и выдачи информации». М.: Высш. шк., 1987. - 271 с.

52. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: Справочник / В.И. Ма-нюк, Я.И. Каплинский, Э.Б. Хиж и др. / 3-е изд. — М.: Стройиздат, 1988. -432 с.

53. Оре О. Теория графов. 2-е изд. - М.: Наука, 1980. - 336 с.

54. Основы ГИС: теория и практика. WinGIS руководство пользователя. -М.: Инженерная экология, 1995. - 232 с.

55. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа / Учеб. 2-ое изд., доп. Томск: Изд-во HTJI, 1997. - 396 с.

56. Пивиков С.В. ГИС вместе из тупика // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. №4 (26), 2000, с. 54-55.

57. Чен П.П.-Ш. Модель «Сущность-связь» шаг к единому представлению данных // СУБД, 1995, №3, с. 137-158.

58. Поттосин И.В. Программная инженерия: содержание, мнения и тенденции //Программирование, 1997, № 4, с. 26-37.

59. Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог. ВСН 6-90.- М.: Министерство автомобильных дорог РСФСР. ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1990.-168 с.

60. Правила технической эксплуатации и требования безопасности труда в газовом хозяйстве Российской Федерации / Под ред. Дудин И.В., Городюхин В .А., Ельцов В.А. и др. СПб.: Недра, 1992. - 240 с.

61. Ралев Н.Д., Бурляев В.В., Бурляева Е.В. Разработка интеллектуальных систем проектирования на основе объектно-ориентированных методов // Приборы и системы управления, 1997, № 10, с. 4-5.

62. Растригин JI.A. Современные принципы управления сложными объектами.- М.: Сов. Радио, 1980. 232 с.

63. С.Г. Слюсаренко, В.П. Рожков, С.А. Субботин и др. Современные информационные технологии в эксплуатации инженерных сетей // Труды межд. научн.-практ. конф. «Геоинформатика-2000» 15-18 сентября 2000 г. — Томск: Изд-во Томск, ун-та, 2000, с. 219-224.

64. Салливан Р. Проектирование развития электроэнергетических систем / Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 360 с.

65. Сарычев Д.С., Скворцов А.В. Применение графовых моделей для анализа инженерных сетей // Вестник Томского гос. ун-та, 2002, Т. 273, апрель, с. 70-74.

66. Сарычев Д.С., Скворцов А.В. Структура для иерархического представления и алгоритм динамического упрощения триангуляционной модели поверхности // ИНПРИМ-2000 (материалы международной конференции), часть IV. Новосибирск, 2000, с. 72.

67. Сильянов В.В. Теория транспортных потоков в проектировании дорог и организации движения. М.: Транспорт, 1977. - 303 с.

68. Скворцов А.В. Инструментальная геоинформационная система ГрафИн: новая версия // Геоинформатика-2000: Труды международной научно-практической конференции. Томск: Изд-во Томск, ун-та, 2000, с. 90-96.

69. Скворцов А.В. Система ГрафИн. // Геоинформатика: Теория и практика. Выпуск 1. Томск, Изд-во Томск, ун-та, 1998, с. 182-193.

70. Скворцов А.В. Комплексное исследование и разработка эффективных вычислительно устойчивых алгоритмов вычислительной геометрии и их реализация в геоинформационной системе. Дисс. докт. техн. наук. — Томск,2002.-307 с.

71. Скворцов А.В., Сарычев Д.С. Моделирование элементов трубопроводов // Изв. вузов. Физика, 2002, №2, с. 57-63.

72. Скворцов А.В., Сарычев Д.С. Методология построения единого кадастра инженерных коммуникаций // ИНПРИМ-2000 (материалы международной конференции), часть IV. Новосибирск, 2000, с. 73.

73. Скворцов А.В., Сарычев Д.С. Структуры данных и алгоритмы обработкикомплексной трёхмерной модели местности // ИНПРИМ-2000 (материалы международной конференции), часть IV. Новосибирск, 2000, с. 73.

74. Скворцов А.В., Сарычев Д.С., Новиков Ю.Л, Тарбоков А.А. Использование модели местности для анализа состояния окружающей среды // Энергетика: экология, надёжность, безопасность. Томск, 1999, с. 56.

75. Скворцов А.В., Сарычев Д.С., Новиков Ю.Л. Применение геоинформационных технологий для информационного обеспечения деятельности промышленных предприятий // Энергетика: экология, надёжность, безопасность. — Томск, 1999, с. 57.

76. Скворцов А.В., Субботин С.А. Геоинформационная система ГрафИн (ГИС ГрафИн). 2001. — Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2001611227.

77. Слюсаренко С.Г., Костюк Л.Ю., Скворцов А.В., Субботин С.А., Сарычев Д.С. Расчет установившегося режима электрической сети в ГИС ГрафИн // Вестник Томского гос. ун-та, 2002, Т. 273, апрель, с. 64-69.

78. Технология системного моделирования / Аврамчук Е.Ф., Вавилов А.А., Емельянов С.В. и др. / Под ред. Емельянова С.В. М.: Машиностроение, Берлин: Техник, 1988. - 520 с.

79. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998. -288 с.

80. Шираке З.Э. Теплоснабжение / Пер. с латыш. М.: Энергия, 1979. - 256 с.

81. Щедрин Н.Н. Упрощение электрических систем при моделировании. М.; JL: Энергия, 1966. - 159 с.

82. Яковлев А.Т., Блоштейн А.А. Наружные газопроводы. JL: Недра, 1982. — 176 с.

83. ArcGIS Shematics. -N.Y.: ESRI Press, 2002. 12 p.

84. ARC/INFO User's Guide: ARC/INFO Data Model, Concepts, & Key Terms. -N.Y.: ESRI Press, 1992. 298 p.

85. ARC/INFO User's Guide: Cell-based Modeling with GRID. N.Y.: ESRI Press, 1992.-305 p.

86. ARC/INFO User's Guide: Surface Modeling With TIN. N.Y.: ESRI Press, 1992.-240 p.

87. Booch G. Object-Oriented Analysis And Design With Application, second edition. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. 1994. - 589 p.

88. Brail R.K., Klosterman R.E. Planning Support Systems: Integrating Geographic Systems, Models, and Visualization Tools. -N.Y.: ESRI Press, 2001. 468 p.

89. Building a Geodatabase. N.Y.: ESRI Press, 2000. - 492 p.-180110. Cross H. Analysis of flow in networks of conduits or conductors. — Urbana, Illinois: Eng. Exp. Station of Univ. Of Illinois, 1936, November, Bull. N 286. 29 P

90. DeMarco Т., Plauger P. Structured Analysis and System Specification. N.Y.: Yourdon Press, 1979. - 352 p.

91. GeoDraw для Windows. Руководство пользователя. M.: ЦГИ ИГ РАН, 1997.- 135 с.

92. GeoGraph для Windows. Руководство пользователя. М.: ЦГИ ИГ РАН, 1997.-153 с.

93. GIS for Small Utilities. -N.Y.: ESRJ Press, 2003. 16 p.

94. Godin L. GIS in Telecommunications. N.Y.: ESRI Press, 2001. - 120 p.

95. GRASS 4.1 Reference Manual. Champaign, Illinois: U.S. Army Corps of Engineers, Construction Engineering Research Laboratories, 1993. - 425 p.

96. Harder C. Enterprise GIS for Energy Companies. N.Y.: ESRI Press, 1999. -120 p.

97. Http://gepower.com/networksolutions официальный сайт компании Ge-Power Inc.

98. Http://manifold.net официальный сайт компании CDA Inc.

99. Http://www.caris.com официальный сайт компании Caris Inc.

100. ITU Recommendation Z.100: Specification and Description Language SDL. -Geneva, ITU General Secretariat, 1992. 204 p.

101. Jackson M.A. Principles of Program Design. N.Y.: Academic Press, 1997.

102. Jacobson I. Object-Oriented Software Engineering: A Use Case Driven Approach. Boston: Addison-Wesley, 1992. - 528 p.

103. Lang L. Transportation GIS. -N.Y.: ESRI Press, 1999. 132 p.

104. Larsson G. Land Registration And Cadastral Systems. N.Y.: Longman Scientific and Technical, 1991. - 175 p.

105. Leica Geosystems GIS & Mapping ERDAS Field Guide Sixth Edition. — Leica Geosystems Inc. 2002. - 688 p.

106. Maidment D.R. Arc Hydro: GIS for Water Resources. N.Y.: ESRI Press, 2002. - 220 p.

107. Maidment D.R., Djokic D. Hydrologic and Hydraulic Modeling Support with Geographic Information Systems. N.Y.: ESRI Press, 2000. - 232 p.

108. Malone L., Palmer A.M., Voigt C.L. Mapping Our World. N.Y.: ESRI Press, 2002. - 564 p.

109. Maplnfo User's Guide. Maplnfo Corp., 1995. - 252 p.

110. Mitchell A. ESRI Guide to GIS Analysis. -N.Y.: ESRI Press, 1999. 188 p.

111. Omura G. Mastering AutoCAD 2002. Sybex Inc., 2001. - 1352 p.

112. Ormsby Т., Napoleon E., Breslin P. et al. Getting to Know Arc View GIS 3.x. -N.Y.: ESRI Press, 1998. 660 p.

113. Shredding the Map: Building an Enterprise Geographic Information System for Utilities. N.Y.: ESRI Press, 2003. - 10 p.

114. Smith M., Tockey S. An Integrated Approach to Software Requirements Definition Using Objects. Seattle, WA: Boeing Commercial Airplane Support Division, 1988.-132 p.

115. Utility GIS More than Just AM/FM. - N.Y.: ESRI Press, 2003. - 13 p.

116. Vance D., Eisenberg R. Inside AutoCAD Map 2000. On Word Press, 2000. 624 P

117. Warnier J.-D. Logical Construction of Systems. N.Y.: Van Nostrand Reihold, 1981.-177 p.