Модели, методы и средства информационной поддержки принятия решений в системе управления жизнеобеспечением города

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Институт проблем управления

им. В.А. Трапезникова

Специальности:

05.13.10-Управление в социальных и экономических системах;

05.13.06-Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Модели, методы и средства информационной поддержки принятия решений в системе управления жизнеобеспечением города

Гребенюк Георгий Григорьевич

Москва 2008

Работа выполнена в Институте проблем управления

им. В.А.Трапезникова РАН

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мандель Александр Соломонович

доктор технических наук, профессор Ириков Валерий Алексеевич

доктор технических наук Сиротюк Владимир Олегович

Ведущая организация: Институт системного анализа РАН,

г. Москва

Защита диссертации состоится «____» ________2008 г. в _____часов на заседании Диссертационного Совета Д.002.226.02 Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН по адресу: 117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 65. Телефон/факс Совета (495) 334-93-29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем управления РАН

Автореферат разослан «____»_________________2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

кандидат технических наук В.Н. Лебедев

Размещено на http://www.allbest.ru//

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проводимые в стране реформа жилищно-коммунального хозяйства и административная реформа требуют совершенствования методов управления городским хозяйством, в том числе отраслями, занятыми жизнеобеспечением города. Для принятия обоснованных решений по задачам проведения технической политики и текущего функционирования систем жизнеобеспечения органы городской власти нуждаются в информационной поддержке принятия управленческих решений, основанной на получении, обработке и представлении многоаспектных данных от занятых в этой сфере многочисленных предприятий и организаций города.

Развитие процессов информатизации и автоматизации в области управления жизнеобеспечением города сдерживается целым рядом обстоятельств и, в первую очередь, тем, что система жизнеобеспечения представляет собой сложный иерархический организационно-технический комплекс, в котором протекают разнообразные технологические, организационные и другие процессы. В системе жизнеобеспечения города (СЖГ) работают предприятия различных форм собственности. Многочисленные технические объекты входят в разветвленные сетевые структуры, распределенные по большой территории и находящиеся в ведении предприятий, созданных в различных организационно-правовых формах и проводящих самостоятельную политику информатизации, что заставляет органы городской власти использовать сочетание экономических и директивных методов управления. Налицо серьезная нехватка адекватных моделей и методов обработки данных для получения необходимого решения, с одной стороны, и отсутствие информационного обеспечения, позволяющего подготовить данные в масштабе отрасли для лица, принимающего решение (ЛПР), с другой стороны. Положение усугубляется отсутствием типового состава функций и основных бизнес-процессов в деятельности городских органов власти и отраслевого управления, что создает проблемы в информатизации, мешает тиражированию разработок программного обеспечения, решению задач структурной организации/реорганизации систем управления отраслью.

Как следствие, принятие решений отраслевыми органами управления (далее - отраслевыми ОУ) осуществляется с запаздыванием и в условиях неопределенности. В свою очередь, это порождает значительные трудности при выполнении отраслевыми органами городской власти своей основной функции - обеспечения надежного функционирования систем снабжения города жизненно важными ресурсами (тепловой, электрической энергией, газом, водой и т.д.). Поэтому актуальной является разработка моделей, методов и средств информационной поддержки принятия решений по управлению жизнеобеспечением города.

Цель диссертационной работы состоит в разработке и внедрении моделей, методов и средств информационной поддержки принятия эффективных решений по управлению системами снабжения города жизненно важными ресурсами.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи:

- анализ специфики СЖГ как объекта управления, определение основных проблем совершенствования системы управления СЖГ во взаимосвязи с задачами информатизации отраслевых ОУ;

- разработка состава типовых функций управления СЖГ на уровнях отраслевого управления, предприятий и объектов жизнеобеспечения;

- создание системы показателей для оценки эффективности реализации функций отраслевых органов управления СЖГ;

- разработка математических моделей элементов СЖГ, методов и средств информационной поддержки выполнения типовых функций управления СЖГ;

- разработка информационного обеспечения для подготовки данных и методов поддержки принятия решений для управления отраслями СЖГ на основе единой для отраслей системы показателей, типовых функций и элементов систем жизнеобеспечения;

- разработка и реализация принципов создания программных средств, необходимых для выполнения типовых функций управления СЖГ;

- внедрение разработанных моделей, методов и средств информационной поддержки принятия эффективных решений в системе управления жизнеобеспечением города.

Основным методом исследования является математическое моделирование. Для вычисления оценок эффективности энергоснабжения, решения задач реконфигурации сетей используются методы дискретной математики, аппарат теории графов. Для выбора предпочтительных вариантов решений используются методы экспертных оценок. Для проверки вариантов решений в задачах обеспечения надежного функционирования СЖГ используются методы численного моделирования. Для создания средств информационной поддержки принятия решений используются методы классификации объектов и построения баз данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В результате анализа системы жизнеобеспечения города определены:

Специфические характеристики СЖГ как объекта управления с точки зрения выполнения отраслевыми ОУ своей основной функции - обеспечения его надежного функционирования;

Основные направления совершенствования системы управления во взаимосвязи с задачами информатизации отраслевых ОУ;

Состав типовых функций, выполняемых отраслевыми ОУ, включающий: управление жизнеобеспечение решение информационный

управление развитием систем жизнеобеспечения;

управление эффективностью функционирования СЖГ;

управление эксплуатационной деятельностью;

управление режимами функционирования СЖГ;

управление экономикой отраслей жизнеобеспечения,

а также конкретные функции, детализирующие перечисленные выше функции управления. Среди конкретных выделены функции, выполнение которых, в первую очередь, должно опираться на модели, методы и средства информационной поддержки принятия решений. Это функции, требующие: оценки надежности и эффективности функционирования СЖГ; выбора вариантов восстановления энергоснабжения после аварий; создания новых механизмов тарификации; предоставления пространственных и иных данных по вводу новых мощностей, объектам реконструкции и строительства.

2. Предложена система показателей и методика оценки эффективности реализации типовых функций отраслевых ОУ.

3.Разработаны модели элементов СЖГ, методы и алгоритмы, направленные на обеспечение надежного функционирования системы энергоснабжения города:

- метод параметрической диагностики объектов управления, описываемых системами алгебраических и дифференциальных уравнений, позволяющий диагностировать одиночные и множественные отказы;

- алгоритмы выполнения реконфигурации разомкнутых сетей доставки ресурса при наступлении аварийных событий, оптимальной по числу коммутаций.

Эти модели и методы применены к решению задач повышения надежности теплоснабжения:

- диагностирования сети теплоснабжения по ее графу - модели с использованием схем замещения элементов сети;

- реконфигурации сетей теплоснабжения при наступлении аварийных событий с оптимизацией выполняемых коммутаций по двум критериям: количество коммутаций в сети и резерв мощности источников энергии. Разработан метод численного моделирования процесса теплоснабжения, используемый для проверки вариантов, получаемых в результате решения задач диагностирования и реконфигурации. В основе метода лежит применение составного итерационного процесса Ньютона-Гаусса-Зейделя к решению уравнений течения жидкости и разностные схемы, аппроксимирующие уравнения теплообмена.4.Предложены модель и алгоритмы выполнения автоматизированного энергоаудита города, учитывающие конфигурацию сети передачи и преобразования энергии от источников до присоединенных к ним конечных потребителей.

5.Разработан метод формирования сбалансированных тарифов, направленный на согласование характеристик производителей и потребителей электроэнергии и уменьшение неравномерности суточного распределения нагрузки энергосистемы путем стимулирования различных групп потребителей к перераспределению своей нагрузки таким образом, чтобы нагрузка энергосистемы стремилась к среднему суточному значению.

6.Разработаны и реализованы принципы создания информационного обеспечения, включающие выбор:

- ядра интеграции информационных ресурсов отраслей жизнеобеспечения - реестра технических объектов - и его формирование на основе автоматизированной технологии учета;

- системы классификации объектов жизнеобеспечения;

- модели хранения данных на основе централизованного хранилища данных и распределенных баз данных предприятий и организаций отрасли;

- архитектуры информационного взаимодействия между сервером хранилища данных отраслевого ОУ и серверами БД предприятий и организаций города;

- архитектуры программного комплекса для реализации задачи информационной поддержки принятия управленческих решений.

7. Получены программно-технические решения по интеграции геоинформационной системы, системы автоматизированного проектирования и системы управления базой данных, положенные в основу разработанных под руководством автора отраслевых автоматизированных систем:

учета объектов городского хозяйства для решения задач управления;

контроля балансов в теплоснабжении города;

контроля за состоянием отраслей городского хозяйства;

распределения бюджетных средств в инженерную инфраструктуру города; а также

обеспечения градостроительной деятельности.

Практическая значимость работы определяется:

- разработкой методов анализа механизмов обеспечения непрерывного функционирования систем снабжения города жизненно важными ресурсами;

- разработкой и использованием моделей и методов, направленных на обеспечение непрерывности теплоснабжения города;

- разработкой системы показателей реализации типовых функций отраслевых ОУ и методики их расчета;

- разработкой средств информационной поддержки принятия решений для органов управления жизнеобеспечением города.

Реализация результатов работы. Разработанные модели, методы, типовые функции отраслевых ОУ, показатели их реализации, методики расчета показателей, принципы создания информационного обеспечения использованы при создании отраслевых автоматизированных систем технического учета, контроля энергетических балансов города, управления отраслями городского хозяйства, распределения бюджетных средств в инженерную инфраструктуру города, а также при создании концепций развития городского хозяйства: Концепции автоматизации решения задач управления в аппарате Руководителя Комплекса городского хозяйства г. Москвы, Концепции информационного обеспечения Комплекса городского хозяйства Москвы. Указанные системы находятся в промышленной эксплуатации в аппарате управления комплексом городского хозяйства Москвы (КГХ).

Принципы, лежащие в основе создания перечисленных систем, использованы при разработке информационной системы обеспечения градостроительной деятельности, находящейся в промышленной эксплуатации в Комитете градостроительства и архитектуры администрации муниципального образования Сургутский район, а также при создании Концепции автоматизированной системы поддержки принятия решений в муниципальном образовании Сургутский район.Реализация результатов работы подтверждается актами приема в промышленную эксплуатацию, актами внедрения, свидетельствами о регистрации систем в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, в фонде информационных ресурсов.

Связь с планом. Исследования по теме диссертационной работы проводились в соответствии с плановой тематикой работ Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (КП РАН 2.4.3, 2.4.5, 3.1.1 в рамках тем 349-00/49, 339-01/49).

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на: семинарах Института проблем управления им В.А. Трапезникова РАН; Первой международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем MLSD'2007» (1-3 октября 2007 г., Москва, Россия); Научно-практической конференции «Энергоэффективность - основа устойчивого развития экономики Ярославской области» (Ярославль, февраль 2007); Научно-технической конференции «Муниципальные ГИС - комплексный подход к управлению территориями», Екатерингбург, сентябрь 2006; 30-м Международном семинаре «Автоматизация. Программно-технические средства. Системы. Применения» (Москва, апрель 2006 г.); V Международном симпозиуме «Москва - энергоэффективный город» (Москва, октябрь 2005 г.); 12-ой Всероссийской конференции «Муниципальные геоинформационные системы» (МГИС'2005, г. Обнинск, февраль 2005 г.), 3 доклада; 2-й международной конференции по проблемам управления (Москва, 2003 г.); на конференции «Информационная индустрия - основные направления развития» (VI международный форум «Высокие технологии XXI века», Экспоцентр на Красной Пресне, Москва, апрель, 2005 г.); 8-й конференции ИФАК “Социальная стабильность: выбор технологии развития” (SWIIS'01, Vienna, Austria, 2001); Научной сессии МИФИ (МИФИ-2000, Москва, 2000 г.); 1-й международной конференции по проблемам управления (Москва, 1999 г.); 4-й ежегодной научно-техническая конференции ядерного общества “Ядерная энергия и безопасность человека” (NE-93, Нижний Новгород, июнь, 1993 г.); VIII Всесоюзном совещании по проблемам управления (г. Таллин, 1980 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликованы 46 научных работ общим объемом 154 печатных листов, в том числе: статей - 21, из них в рекомендованных ВАК журналах - 19.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 320 стр. текста, список литературы включает 172 наименований. Приложение содержит акты и справки, подтверждающие практическую реализацию и внедрение результатов диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, охарактеризованы используемые методы, описаны структура работы, взаимосвязь и краткое содержание ее разделов. Показано, что для проведения реформы жилищно-коммунального хозяйства органы городской власти нуждаются в информационной поддержке принятия управленческих решений по совершенствованию СЖГ на основе многоаспектных данных, получаемых от занятых в этой сфере предприятий и организаций города.

В иерархической структуре системы управления жизнеобеспечением города на нижнем уровне находятся многочисленные технические объекты и системы, обеспечивающие услугами население города (рис. 1). Средний уровень занимают предприятия, производящие и распределяющие услуги. На верхнем уровне находятся отраслевые органы управления, осуществляющие контроль и координацию деятельности этих предприятий. Средний уровень получает информацию, необходимую для соблюдения требуемых режимных характеристик технического оборудования и поддержания регламентированного технического состояния, от систем контроля и наблюдения нижнего уровня. Верхний уровень контролирует режимы работы (качество предоставляемых услуг), причины и возможности устранения аварий, сроки проведения ремонтов, формирует оценки технического состояния, определяет направления развития отрасли. В описанной структуре формирование верхним уровнем эффективных управляющих воздействий возможно только при использовании современных информационных технологий на всех уровнях управления. Соответствие проблем управления СЖГ структуре диссертационной работы иллюстрируются схемой на рис. 1.

Рис. 1. Структура диссертационной работы и задачи, решаемые системой управления жизнеобеспечением города

В первой главе проводится анализ проблем управления развитием и функционированием СЖГ; описываются основные функции органов управления городским хозяйством; рассматривается состав технических подсистем и объектов СЖГ, анализируются структура системы управления, специфические особенности этой системы и вытекающие из них задачи совершенствования системы управления; проводится анализ моделей, методов и алгоритмов решения задач управления жизнеобеспечением; обосновывается необходимость создания системы информационной поддержки принятия решений (СИППР) по управлению жизнеобеспечением города и определяется ее место в классификации систем поддержки принятия решений. Анализ выполняется на примере г. Москвы.

Городское хозяйство определяется как комплекс расположенных на территории города (или поселка городского типа) предприятий, организаций и хозяйств, обслуживающих материально-бытовые и культурные потребности проживающего в нем населения. Оно включает в свой состав жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) города, предприятия бытового обслуживания населения, строительную промышленность, предприятия по производству местных строительных материалов, систему учреждений и предприятий городской торговли, общественного питания, здравоохранения, просвещения и т.п.

В состав городского хозяйства Москвы входят четыре комплекса: Комплекс городского хозяйства; Комплекс архитектуры, строительства, реконструкции и развития города; Комплекс экономической политики и развития города; Комплекс социальной сферы города. Комплекс городского хозяйства представляет собой градообслуживающую подсистему, функции которой заключаются в удовлетворении первоочередных жизненно необходимых потребностей населения города в таких видах услуг как тепло-, газо-, водо-, электроснабжение, связь, транспорт и т.д. Среди отраслей жизнеобеспечения выделяются топливно-энергетические: тепло-, газо-, электроснабжение, объектом настоящего исследования которые и являются.

Структура управления КГХ включает органы городского управления (центральный аппарат и подчиненные ему отраслевые органы управления), входящие в состав Правительства города, а также подведомственные им предприятия, занятые производственно-хозяйственной деятельностью. Предприятия и их филиалы обеспечивают управление многочисленными технологическими процессами, параметры которых определяют степень комфортности проживания в городе. Центральный аппарат управления КГХ осуществляет координацию работы отраслевых органов управления, которые, в свою очередь, контролируют работу предприятий, предоставляющих услуги в данной отрасли. На рис. 2 представлена структура управления КГХ Москвы, содержащая отраслевые департаменты: Департамент топливно-энергетического хозяйства, Департамент жилищно-коммунального хозяйства и благоустройства, Департамент транспорта и связи.

Центральный аппарат представлен Управлением координации деятельности КГХ.

В соответствии с иерархической структурой управления городским хозяйством и целями каждого уровня управления формулируются основные функции органов управления.



Рис. 2. Структура управления комплексом городского хозяйства Москвы

Основной функцией органов управления КГХ, в целом, является создание условий для функционирования и развития инфраструктуры городского хозяйства, обеспечивающей высокий уровень комфортности проживания населения.

Прямая ответственность отраслевых ОУ города за предоставление услуг населению предполагает тесную связь выполняемых органами власти функций с производственными и технологическими процессами многочисленных предприятий сферы жизнеобеспечения. Например, сбои в тепло-, электро-, газоснабжении требуют немедленной реакции этих органов для исправления ситуации, мобилизации располагаемых ресурсов. Поэтому основной функцией отраслевых ОУ является обеспечение надежного и бесперебойного функционирования систем снабжения города жизненно важными ресурсами (далее - основная функция ОУ).

Для большинства предприятий, работающих в сфере жизнеобеспечения, основной задачей является получение максимальной прибыли. Обеспечение надежного функционирования систем снабжения города жизненно важными ресурсами - важнейшая, но не основная функция предприятия. С точки зрения управления, СЖГ имеет следующие специфические особенности:

1. Орган городской власти, осуществляющий управление, имеет в качестве своей основной функции обеспечение надежного и бесперебойного функционирования систем снабжения города жизненно важными ресурсами;

2. При реализации экономической и технической политики отраслевые ОУ опираются на задания и показатели социально-экономического развития города, формируемые при их участии плановыми органами городского хозяйства;

3. Инфраструктура города постоянно развивается, что требует ввода новых мощностей и сетей их распределения между потребителями;

4. Предприятия, осуществляющие эксплуатацию систем жизнеобеспечения, имеют различные формы собственности и созданы в различных организационно-правовых формах;

5. Система управления предприятиями и средствами жизнеобеспечения имеет иерархическую структуру;

6. Объекты СЖГ многочисленны, распределены по большой территории, объединены в сети, содержащие источники и потребителей ресурсов, с которыми имеются договорные отношения;

7. Единство технологического процесса производства, передачи, распределения энергоресурсов и взаимовлияние субъектов этого процесса определяют их совместное участие в обеспечении надежного функционирования СЖГ.

Успешная реализация органами городской власти и управления своей основной функции возможна лишь при выполнении следующих технологических ограничений функционирования СЖГ:

- техническое состояние объектов СЖГ должно удовлетворять заданным значениям соответствующих показателей. Техническое состояние обеспечивается организацией планово-предупредительных, капитальных ремонтов, плановых замен оборудования на более совершенное;

- возмущения, вызванные отказами элементов СЖГ и нарушающие выполнение функций производства, передачи, распределения энергоресурсов потребителям в требуемом объеме и нормированного качества, должны выявляться и локализоваться, утраченные функции должны максимально быстро восстанавливаться;

- в системе должен присутствовать запас по генерации мощности для удовлетворения в любой момент времени спроса на энергоресурсы.

Для отраслевых ОУ также важны повышение эффективности СЖГ и минимизация потерь в объектах СЖГ. Это способствует энергосбережению, минимизации тарифов, сокращению расходов на развитие СЖГ.

Специфические организационно-производственные особенности комплекса СЖГ, наличие технологических ограничений и состояние информационного обеспечения для управления СЖГ определили состав основных задач исследования:

- формирование состава типовых функций управления отраслями жизнеобеспечения города;

- определение системы показателей для оценки эффективности реализации типовых функций и разработка методики их расчета;

- разработка моделей, методов и алгоритмов, направленных на повышение надежности и эффективности функционирования СЖГ;

- создание системы сбалансированных тарифов, согласующей интересы поставщиков и потребителей энергии;

- разработка информационного обеспечения для подготовки данных ЛПР по управлению отраслями СЖГ на основе единой системы показателей, типовых функций и классификации описания элементов СЖГ;

- разработка средств информационной поддержки принятия решений в задачах управления СЖГ.

Решение указанных задач составляет содержание настоящей диссертации. При решении задач автор использовал следующие подходы.

1. Оценивание уровня технического состояния объектов СЖГ требует создания системы адекватных показателей. В настоящее время для управления СЖГ используются данные органов государственной статистики, информация из годовых бухгалтерских балансовых отчетов предприятий, система оперативных сводок. Эти данные имеют высокий уровень обобщения и недостаточны для оценки функционирования СЖГ. 2. В состав отраслей жизнеобеспечения входит значительное число предприятий, имеющих различные формы собственности и созданных в различных организационно-правовых формах. При таких обстоятельствах отраслевые ОУ вынуждены сочетать директивные (административные) и экономические методы управления, обеспечивающие выполнение предприятиями перечисленных выше технологических ограничений.

3. В рамках действующего нормативно-правового регулирования органы городской власти имеют ряд экономических механизмов управления предприятиями для обеспечения надежного и эффективного функционирования СЖГ:

- проведение конкурсов на получение городского заказа на предоставление жизненно важных услуг;

- проведение конкурсов на выполнение работ в СЖГ, например, на строительство новых источников и сетей распределения ресурсов;

- проведение экономически обоснованной тарифной политики.

Результатом проведения конкурсов на получение городского заказа может быть смена поставщика ресурса при невыполнении им технологических ограничений. Техническим средством управления этой операцией является реконфигурация распределительной сети, в результате которой потребители переключаются на источник ресурса, принадлежащий другому поставщику. Конкурсная и иная договорная документация, регулирующая отношения властей и органов управления с предприятиями энергетического комплекса, должны содержать условия, позволяющие проводить указанную реконфигурацию независимо от вида собственности предприятий.

4. Одним из важных способов управления процессами функционирования СЖГ является тарифная политика, в разработке которой ОУ принимает непосредственное участие. Обоснованная тарифная политика создает экономическую основу для надежного и эффективного функционирования систем жизнеобеспечения. Из городского бюджета в тариф добавляется инвестиционная составляющая, чтобы часть средств, поступающих от оплаты услуг потребителями, расходовалась предприятиями (независимо от их формы собственности) на реконструкцию, современное оборудование, ввод новых мощностей и т.д. В этой составляющей заинтересован собственник объектов СЖГ.

5. Задачей отраслевого ОУ является контроль реального использования предприятиями инвестиционной составляющей в тарифе путем анализа показателей, характеризующих надежность и эффективность функционирования СЖГ.

6. Одним из важных способов контроля обоснованности тарифа является выявление потерь энергии в объектах ее генерации, распределения и потребления. В условиях крупного города для проведения энергоаудита необходимо создание средств автоматизации сбора, агрегирования, анализа данных от множества связанных объектов, расположенных по маршрутам передачи энергии, и представление ЛПР результатов энергоаудита.

7. Постоянное развитие инфраструктуры города вынуждает городские власти направлять инвестиции на строительство новых источников энергии и сетей распределения ресурсов. Поэтому отраслевой ОУ заинтересован в формировании данных о резервах и дефицитах мощности по районам города, контроле схем присоединения потребителей к источникам ресурсов и показателей состояния объектов СЖГ.

8. Иерархическая структура системы управления СЖГ обязывает отраслевые ОУ развивать методы информационного взаимодействия между всеми уровнями системы управления, способствовать формированию общего информационного пространства, созданию в отрасли интегрированного информационного обеспечения.

9. Сетевой характер взаимодействия источников и потребителей ресурсов обязывает отраслевые ОУ подходить к реконфигурации сетей (в сочетании с методами диагностики) как к важному методу, направленному на обеспечение надежного снабжения потребителей ресурсами - скорейшего восстановления энергоснабжения.

10. Многочисленность и разнородность объектов СЖГ определяет задачу учета в качестве приоритетной задачи управления. Поэтому отраслевые ОУ заинтересованы в разработке систем классификации и автоматизированных технологий учета объектов СЖГ с использованием средств управлении пространственными данными (геоинформационных систем), систем моделирования и автоматизированного проектирования.

Приводится обзор существующих подходов к построению моделей объектов СЖГ, используемых методов и средств информационной поддержки принятия решений, применимых к функциям и решению задач обеспечения надежного энергоснабжения, определяется место разрабатываемой системы информационной поддержки принятия решений в классификации систем поддержки принятия решений (СППР).

Вторая глава диссертации посвящена вопросам типизации функций управления отраслями жизнеобеспечения города и разработке системы показателей для оценки эффективности их реализации.

На основе анализа результатов обследований городского хозяйства, изложенных в ряде концепций, выполненных при участии и под руководством автора по заказу правительства города и муниципальных образований, предложен состав типовых функций, бизнес-процессов для отраслевых ОУ и показателей для оценки выполнения этих функций. При определении состава показателей одним из важнейших требований считается их сбалансированность относительно целей и стратегии того или иного государственного органа.

Основная цель отраслевых ОУ совпадает с их основной функцией: обеспечение надежного функционирования систем предоставления городу жизненно важных ресурсов. Надежность функционирования зависит от значений показателей состояния и функционирования основных фондов, а также от условий функционирования. Последние зависят от технической и экономической политики, проводимой отраслевыми ОУ.

Экономическое направление политики включает подготовку предложений в планы социально-экономического развития города, организацию и контроль их выполнения, создание благоприятных экономических условий для предприятий, занятых в сфере жизнеобеспечения. Для этого органы управления анализируют результаты работы отрасли, вырабатывают решения по проблемным вопросам финансово-хозяйственной деятельности подведомственных предприятий и организаций, формируют предложения по тарифам, городскому заказу, адресной инвестиционной программе.

В технической политике выделены следующие направления (специфические функции) отраслевых ОУ:

- управление развитием систем жизнеобеспечения;

- управление эффективностью функционирования СЖГ;

- управление эксплуатационной деятельностью;

- управление режимами функционирования СЖГ.

В результате анализа каждого направления определены конкретные функции управления во взаимосвязи с общими функциями (учетом, контролем, планированием и регулированием); на их основе разработаны типовые бизнес-процессы отраслевых ОУ. Среди конкретных выделены функции, выполнение которых, в первую очередь, должно опираться на модели, методы и средства информационной поддержки принятия решений. Это функции, требующие: оценки надежности и эффективности функционирования СЖГ; выбора вариантов восстановления энергоснабжения после аварий; создания новых механизмов тарификации; предоставления пространственных и иных данных по вводу новых мощностей, объектам реконструкции и строительства. Предложенный состав функций направлен на унификацию задач, решаемых органами городского управления.

Разработана система показателей для оценки эффективности реализации отраслевыми ОУ типовых функций, дополняющую используемую в настоящее время. Это система показателей характеризующих: развитие СЖГ; эффективность функционирования СЖГ; эксплуатационную деятельность (техническое состояние); режимы функционирования СЖГ. Показатели состояния и функционирования объектов СЖГ для верхних уровней управления получаются агрегированием показателей нижних уровней. Такой принцип формирования показателей позволил ограничиться сравнительно небольшим и обозримым количеством данных.

Система показателей используется в разработанных с участием автора методике оценки состояния отраслей жизнеобеспечения и автоматизированных системах, внедренных в городское хозяйство. В методике для г. Москвы выполнены оценки состояния отраслей теплоснабжения, водоснабжения, транспорта и др.

Особое место в системе занимают показатели эффективности системы энергоснабжения города. Они формируются на основе знания топологии системы. Упрощенная схема системы теплоснабжения в виде графа приведена на Рис.3. Множество вершин графа содержит три подмножества , и , где - подмножество вершин, соответствующих источникам энергии, - подмножество вершин, соответствующих преобразователям энергии (ЦТП) и - подмножество вершин, соответствующих строениям города (нагрузка),  = V.

Рис. 3. Упрощенный граф системы теплоснабжения

Каждой вершине подмножеств , и сопоставляются переменные величины X, Y, Z соответственно. Здесь:

 = , ..., ) - переменные, соответствующие измеренным значениям произведенной энергии за выбранный интервал времени, r - число источников тепловой энергии;

- переменные, соответствующие измеренной тепловой энергии, полученной каждым преобразователем (ЦТП) от источника за выбранный интервал времени, d - число преобразователей (ЦТП), присоединенных к 1-му источнику, (p - d) присоединенных ко 2-му источнику и т.д., t - число преобразователей в городе;

- переменные, соответствующие измеренной тепловой энергии, полученной каждым строением города от преобразователей (ЦТП), - тепловая энергия, полученная j - м строением, присоединенным к i - му преобразователю, подключенному к k - му источнику, h - число строений в городе.

Каждой переменной ставится в соответствие переменная . Множество переменных

соответствует заданным значениям энергии, потребляемой строениями. Эта величина определяется проектными характеристиками каждого строения и зависит от температуры наружного воздуха.

Задача оценки эффективности системы распределения энергии (по объему потерь энергии) формулируется таким образом: для схемы теплоснабжения, представленной в виде графа рис. 4, определить систему следующих показателей:

1. Коэффициент эффективности системы распределения тепла для города:

;

2. Коэффициент эффективности системы распределения от i-го источника энергии до присоединенных к нему потребителей:

,

где a - количество ЦТП, присоединенных к i-му источнику, b - количество строений, подключенных к ЦТП;

3. Коэффициент эффективности системы распределения энергии от j-го ЦТП до присоединенных к нему строений:

.

Формирование подмножеств , и происходит в результате анализа маршрутов передачи тепловой энергии в графе рис. 4. Коэффициент обеспеченности каждого строения тепловой энергией вычисляется по формуле:

/.

В случае получения низких значений коэффициентов эффективности (больших потерях энергии) рассматривается детальная информация о потерях энергии в элементах от источника до ЦТП и от ЦТП до присоединенных строений.

Указанная технология выполнения расчетов используется в системе автоматизированного энергоаудита города, разработанной по заказу Департамента топливно-энергетического хозяйства Москвы.

Одной из функций отраслевых ОУ является анализ финансово-хозяйственной деятельности подведомственных предприятий и организаций, сравнение результатов между собой. Полученные оценки характеризуют эффективность работы управленческого персонала и используются для подведения годовых итогов работы отрасли и городского хозяйства, в целом. Ручная обработка этих результатов и сравнение многих предприятий по нескольким критериям занимает много времени и приводит часто к упрощенным оценкам. Для формализации операций сравнения при непосредственном участии автора разработана методика формирования рейтинговой оценки финансово-хозяйственной деятельности предприятий, которая учитывает специфику показателей предприятий городского хозяйства: широкий диапазон изменения отдельных показателей; неравномерность распределения значений показателей в диапазоне их изменения.

Методика использована в составе автоматизированной системы «Координация оптимального распределения и освоения во времени бюджетных средств на развитие и реконструкцию инфраструктуры комплекса городского хозяйства», разработанной по заказу Департамента экономической политики и развития Москвы для расчета показателей и рейтинга предприятий жилищно-коммунального, топливно-энергетического и транспортного хозяйств города.

Важной функцией отраслевых органов управления является проведение тарифной политики, которая создает экономическую основу для надежного функционирования СЖГ. Сравнительно недавно введенная в практику система дифференцированных тарифов недостаточно учитывает различие интересов производителей и потребителей энергии. Существующая несбалансированность этих интересов выражается в неравномерном профиле нагрузки на энергосистему, минимальное и максимальное значения нагрузки могут отличаться в несколько раз. Такое положение приводит к большим экономическим потерям, перерасходу топлива в энергоблоках, повышает аварийность оборудования, не приспособленного к переменным режимам работы.

Отличительной особенностью разработанного в диссертации метода сбалансированных тарифов является учет, одной стороны, интересов потребителей, а с другой стороны - интересов производителей энергии. Интересы первых учитываются использованием в методе статистических данных о профиле суточной нагрузки для каждого типа потребления (промышленность, бытовая нагрузка, социальная сфера и т.д.). Интересы вторых учитываются уменьшением неравномерности суточного профиля нагрузки энергосистемы путем стимулирования различных групп потребителей к перераспределению своей нагрузки таким образом, чтобы нагрузка энергосистемы во времени стремилась к среднему суточному значению. Это значение при определенном составе генерирующих мощностей может определять режим наибольшей эффективности энергосистемы.

Метод включает:

- определение на суточном графике энергосистемы желаемого диапазона изменения мощности;

- формирование на суточном графике зон штрафных, средних и поощрительных тарифов, соответствующих точкам пересечения указанных уровней мощности с графиком энергосистемы;

- пересчет значений этих уровней на суточные графики каждого типа потребления (промышленность, бытовая нагрузка и т.д.);

- расчет значений штрафных, средних и поощрительных тарифов при неизменном среднем тарифе для энергосистемы.

В предложенной системе потребитель имеет возможность в любой временной зоне пользоваться поощрительным или средним тарифом, если он не превышает заданный для этой зоны уровень мощности.

В третьей главе разрабатываются модели и методы, направленные на повышение надежности функционирования СЖГ: параметрической диагностики объектов управления, реконфигурации сетей, имеющих резервирование, расчета процессов в сетях теплоснабжения города. При появлении неисправностей в объектах СЖГ важно определить место аварии, его локализовать и обеспечить реконфигурацию сети для восстановления энергоснабжения.

Для объектов, описываемых системами дифференциальных и алгебраических уравнений, разработаны метод и алгоритмы решения задач параметрической диагностики. Этот метод, основан на распространении по орграфу СЖГ «знака» эталонного возмущения, последовательно действующего на каждую вершину, и анализе вычисленного знака и знака отклонения измеряемого параметра. Методы, основанные на «распространении», отличаются большим объемом вычислений комбинаторного характера, что часто делает невозможным его использование в реальном времени.

Особенностями разработанного метода являются:

- сокращение времени вычислений, позволяющее выполнять диагностирование в реальном времени;

- учет сетевого характера систем жизнеобеспечения и множественности начальных причин возникновения неисправностей.

Для решения задачи диагностирования используется модель объекта в виде ориентированного графа. Объект описывается системой линейных уравнений

,

где X - вектор n переменных, , , …,  - измеряемые переменные, ,…,- не измеряемые переменные. Сопоставим данному объекту граф , множество вершин которого соответствуют переменным , i . Выделим на множестве вершин V три подмножества , и , где - подмножество вершин, соответствующих измеряемым переменным , ,…, , - подмножество вершин, соответствующих не измеряемым переменным , ..., ,  = V, - подмножество вершин-кандидатов на неисправность, V. Вершины первого подмножества назовем измеряемыми вершинами, второго - не измеряемыми. Вершина связана с вершиной дугой ), направленной из в , если элемент в матрице А объекта (1) отличен от нуля. Дуга отражает непосредственное влияние одной переменной на другую.

Дугу орграфа будем называть согласованной, если произведение знаков ее начальной и конечной вершин совпадает с ее собственным знаком. Путь, включающий только согласованные дуги, будем называть согласованным путем.

Задачу поиска множественных отказов на графе сформулируем как задачу нахождения минимального по мощности подмножества вершин (кандидатов на отказ), из которых существуют согласованные пути в каждую измеряемую вершину множества .

Решение этой задачи структурного анализа удобно разбить на два этапа.

Этап 1. Определение всех путей в графе, ведущих к измеряемым вершинам.Задача рассматривается на обратном графе , полученным изменением ориентации каждой дуги на противоположную.

Для определения всех путей в графе, ведущих к измеряемым вершинам, в работе предложен алгоритм построения ориентированных остовных деревьев. Известные алгоритмы используют два свойства матрицы B полустепеней захода, которые делают соответствующий ей ориентированный граф деревом с корневой вершиной , сформулированные в теореме Татта. В соответствии с этой теоремой для каждой корневой вершины необходимо провести разложение матрицы B таким образом, чтобы

1) ,

2) где - матрица, полученная удалением - строки и - столбца из матрицы .

В предложенном автором алгоритме построения ориентированных остовных деревьев используется теорема об ациклических графах (число дуг в ациклическом графе на единицу меньше числа вершин) и первое свойство теоремы Татта. Алгоритм имеет вид:

1)В качестве корневой вершины выбирается любая измеряемая вершина.

2)Путем построения дерева из данной корневой вершины определяется число его вершин .

3)Матрица графа разлагается в сумму матриц,

удовлетворяющих свойству 1) теоремы Татта. Строятся все разложения матрицы (граф разлагается на остовные деревья так, чтобы в каждую вершину входила только одна дуга , а в корневую вершину не было входящих дуг ).

4)Для каждой матрицы, полученной на шаге 3, вычисляется число дуг соответствующего ей подграфа.

5)Вычисленное на шаге 4 значение сравнивается с . При равенстве вершины подграфа запоминаются как остов и следует переход к шагу 4 (к следующему сравнению). При неравенстве происходит переход к шагу 4 без запоминания (матрица соответствует подграфу с более чем одной несвязной компонентой и не рассматривается).

После окончания анализа всех матриц разложения осуществляется переход к другой корневой вершине (шаг 1) вплоть до рассмотрения всех вершин множества . Знание позволяет отказаться от вычисления , необходимого при вычислении остовов по второму свойству теоремы Татта.

Этап 2. Выделение согласованных путей

Пусть - путь графа , начинающийся в измеряемой вершине и

заканчивающийся в вершине . Знаком влияния пути на вершину (знаком вершины) назовем величину

Алгоритм выделения согласованных путей. Действие алгоритма заключается в вычислении знака влияния измеряемой вершины на каждую вершину, входящую в ее остовы в случае отсутствия идентичности знака вершины со знаком влияния следует исключение из пути этой и последующих вершин. Для каждой измеряемой вершины выполняется операция объединения путей, построение графа достижимости (орграф, содержащий все измеряемые вершины и те не измеряемые, из которых существует согласованный путь в множество измеряемых вершин ) и его матрицы смежности .

Определение подмножества вершин (кандидатов на отказ).

Для вычисления кандидатов на отказ используется понятие положительного вершинного числа внешней устойчивости графа . Для графа число равно минимальному количеству вершин, из которых наблюдается все множество измеряемых вершин . Покрывая столбцы строками матрицы и используя алгоритм Петрика, можно получить систему минимальных множеств кандидатов на отказ (одиночных и множественных), которая не содержит внутри себя подмножеств из кандидатов на отказ.

Разработка диагностической системы для конкретного приложения заключается в выполнении трех операций: описание графа объекта в виде задания связей «дуга - инцидентные вершины»; перечисление массива измеряемых параметров; задание допустимых отклонений значений измеряемых параметров от установившихся значений.

Разработанный метод применен для диагностирования системы управления объектами генерации энергии, которые являются важной частью СЖГ и поиска разрывов в сети теплоснабжения СЖГ. Особенностью таких сетей является одновременное изменение давлений и расходов воды во всех элементах сети при появлении повреждения (разрыва) в одном из ее элементов. Для применения разработанного метода к сети теплоснабжения исходный граф - модель сети модифицируется путем замены его элементов схемами замещения. После решения задачи диагностирования и определения места неисправности важно создать новую конфигурацию сети, обеспечивающую локализацию повреждения и доставку ресурса потребителям по резервным маршрутам.

С этой целью разработаны алгоритмы реконфигурации сетей, имеющих резервирование. Особенно актуальна эта задача для крупных систем теплоснабжения, содержащих десятки источников энергии. Коммутации при авариях выполняются ремонтной бригадой, выезжающей к коммутирующим устройствам. Потери времени на определение диспетчером необходимых переключений и передвижение ремонтников могут приводить к тяжелым последствиям. Поэтому важно минимизировать число переключений.

Особенностями многих сетей энергоснабжения является обеспечение одного потребителя от одного источника и обеспечение от одного источника нескольких потребителей. Такими свойствами обладают сети теплоснабжения и распределительные электросети - та значительная часть электросетей (от 110 и даже 220 кВ до 0.4 кВ), которая получает энергию от центров питания. Центры питания по отношению к распределительным сетям играют роль источников энергии.

Пусть сеть описывается графом, множество вершин которого

=, где   , соответственно, множество вершин генерации ресурса (источники), потребления, коммутации движения ресурса, и перераспределения ресурса (ветвления путей). .

Сеть передает ресурсы от вершин множества к вершинам множества . Маршруты передачи определяются состоянием вершин коммутации: , где - подмножество вершин-коммутаторов в состоянии «открыто», - подмножество вершин-коммутаторов в состоянии «закрыто». Предполагается, что граф удовлетворяет следующим ограничениям:

1) вершина множества имеет один вход и один выход;

2) соблюдается требование достижимости каждой вершины множества из единственной вершины множества ;

3) параллельные ветви, не содержащие вершин множества , можно свести к одной эквивалентной ветви;

4) в графе с двумя параллельными ветвями, каждая из которых содержит вершину множества , одна из вершин должна быть в состоянии . Это свойство определяет резерв для каждой ветви.

Под достижимостью вершины множества из вершины множества понимается существование пути между ними, не содержащего вершин множества .

Математическая постановка задачи реконфигурации сетей имеет следующий вид.

Для связного графа сети, описываемого множеством вершин , при переходе одной или нескольких вершин множества в запрещенное состояние , нарушающее достижимость вершин из , требуется найти минимальное количество переключений (переходов вершин из множества в множество и наоборот), обеспечивающее достижимость максимального множества вершин из при выполнении ограничений 1) - 4).

Схема решения содержит следующие шаги:

- изоляция запрещенных вершин (локализации аварии);

- определение всех вершин , достижимых из вершин после изоляции запрещенных вершин ;

- определение минимального множества вершин из , переходящих в ;

- определение комбинаций вершин , переходящих в ;

- выбор варианта с минимальным количеством переключений (переходов вершин из в и наоборот).

Для решения задачи минимизации числа переключений вводится ряд определений. Каждая из вершин может находиться в одном из двух состояний: разрешенном и запрещенном. Переход вершины в запрещенное состояние вызывается аварией.

Граф сети, соответствующий состояниям вершин - коммутаторов до появления запрещенной вершины, будем называть исходным графом .

Граф сети, в котором все вершины - коммутаторы находятся в состоянии «открыто», будем называть условным графом . Для условного графа , .

Запрещенным подграфом условного графа назовем подграф , содержащий запрещенную вершину и ближайшие к ней вершины множества , находящиеся на путях, ведущих из вершин множества и вершин множества к запрещенной вершине .

Разрешенным подграфом условного графа назовем подграф , не содержащий подграф . Таким образом,  =   .

Разрешенным подграфом исходного графа назовем подграф , не содержащий вершин запрещенного подграфа . Таким образом, подграфы и различаются только состоянием вершин множества .

Вершину множества назовем восстанавливаемой, если в разрешенном подграфе к ней существует хотя бы один путь из вершин множества . Множество восстанавливаемых вершин подграфа обозначим как , где . Все восстанавливаемые вершины соответствуют центральным тепловым пунктам (ЦТП), которые могут быть доступны для теплоснабжения после локализации аварии.

Графом реконфигурации назовем любой из подграфов, подграфа , в котором множество совпадает с множеством восстанавливаемых вершин графа и содержащий только те вершины из , которые лежат на путях из к . В силу резервирования рассматриваемого класса сетей для данного множества граф реконфигурации может быть избыточным, т.е. содержать в себе избыточное количество вершин , при удалении которых сохраняется достижимость вершин множества из .