Введение к работе
Актуальность работы.
Топливно-энергетический комплекс, представленный системой теплоэнергетических предприятий, является важнейшей структурной составляющей экономики России. Особую роль в составе систем регионального энергетического обеспечения играют теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые являются поставщиками тепла для промышленных и гражданских объектов. При организации производственного процесса ТЭЦ в качестве основного ресурса используется топливо, для предотвращения нехватки которого создаются запасы. В настоящее время наиболее распространенным является способ организации производственного цикла ТЭЦ в соответствии со средним годовым графиком. Объем хранимого запаса в этом случае, как правило, значительно превышает текущую потребность. Это приводит к снижению качества и потерям топлива, дополнительным издержкам при его хранении и возникновению экологической угрозы.
Проблемы ухудшения сырьевой базы, которые испытывают предприятия теплоэнергетики, широко освещены в работах Н.И. Воропая, Ю.Н. Руденко и других авторов. Кругом проблем, связанных с надежностью объектов топливно-энергетического комплекса, занимается ряд ученых, среди которых О.Н. Войтов, В.И, Зоркальцев, A.M. Клер, Н.П. Деканова и др. Вопросам математической теории надежности посвящены труды Б. В. Гнеденко, И.Н. Коваленко и др.
Одним из способов преодоления указанных проблем является организация системы хранения топливных запасов ТЭЦ в обоснованно небольших объемах при условии их своевременного пополнения. Особую категорию при этом составляют ТЭЦ и другие предприятия теплоэнергетики, которые расположены вблизи транспортных магистралей и жилых районов. В этом случае, с одной стороны, предъявляются повышенные требования к экологической и производственной безопасности, а с другой, имеется возможность оперативного пополнения запасов при наличии эффективного механизма их планирования. Для оперативного расчета параметров процесса целесообразно использовать специализированные программные средства.
Вопросы применения различных математических моделей для управления ресурсами ТЭЦ и разработки на их основе специализированного программного обеспечения рассмотрены в работах Л.В. Массель, Н.Н. Галашова, Л.В. Бондаренко, Н.С. Иванова В.И. Беспалова, Н.С. Лопатина, А.А. Борисова и др. Характерным свойством предложенных ими подходов является ориентация на нормы и средние значения. Однако показатели реального процесса движения топливных запасов могут отличаться от нормативных и усредненных. При этом под движением запасов понимаются изменения их величины в результате расходования и пополнения.
Необходимость пополнения топливных запасов напрямую зависит от интенсивности их использования в производственном процессе. Указанный параметр можно считать случайным в силу влияния ряда факторов. На сегодняшний
день известно большое количество математических моделей управления запасами, которые нашли отражение в работах Г.Л. Бродецкого, Т. Тжаскалика, Н.Ш. Кремера, М. Р. Линдере, В.В. Лукинского, Дж. Шрайбфедера, Д.К. Монтгомери, Т.Т. Сунга, С. Эксейтера и др.
Модели случайных процессов и их применение для решения различных практических задач рассмотрены в работах П. Франкена, Д. Кенига, У. Арндта, Ф. Шмидта, Е.С. Венцель и Л.А. Овчарова и др.
Подход к моделированию процессов управления запасами со стохастическими характеристиками и дискретным временем применен в исследованиях Н. Прабху, X. Таха, Л.Г. Афанасьевой и Е.В. Булинской, А.В. Булинского, Л. Такача, Е.В. Сугак, Ю.И. Рыжикова и др.
Для учета различных вариантов значений исследуемых параметров возможно применение методов комбинаторики. Методами решения комбинаторно-вероятностных задач занимались такие ученые, как В. Феллер, П. Эрдеш и Дж. Спенсер, М.Л. Платонов, О.В. Кузьмин, А. Кофман, Р. Крюон, Дж. Риор-дан, В.Н. Сачков и др.
В работах О.В. Кузьмина предложены комбинаторно-вероятностные модели дискретных процессов восстановления на основе матриц из комбинаторных полиномов разбиений. Эти модели представляют интерес с точки зрения их практического применения для описания параметров процесса движения топливных запасов ТЭЦ, так как позволяют определять и прогнозировать значения неизвестных параметров исследуемого процесса на основе анализа его статистических или экспертных данных. Некоторые вопросы прогнозирования показателей процессов, дискретных во времени, на основе экспертных данных изучаются в публикациях В.Б. Головченко и СИ. Носкова. Для построения матриц из комбинаторных полиномов разбиений можно использовать различные соотношения, приведенные в трудах М.Л. Платонова, О.В. Кузьмина, В.Д. Жукова, В.Н. Докина, О.В. Леоновой. В данном случае целесообразно осуществить автоматизацию вычислительного процесса, который является достаточно трудоемким. Для хранения и преобразования комбинаторных полиномов и матриц из них в оперативной памяти необходимо разработать способ их представления в численном виде.
В свою очередь исследователи В.И. Вайнштейн и И.И. Вайнштейн предлагают различные соотношения, которые также могут быть использованы для нахождения численных значений параметров процесса восстановления. Однако подход, предложенный О.В. Кузьминым, является более универсальным, так как не требует привязки к закону распределения моментов восстановления.
В настоящее время на рынке программных средств отсутствуют продукты, которые совмещали бы в себе функции построения комбинаторных полиномов и компьютерного моделирования процесса движения топливных запасов ТЭЦ с учетом его вероятностной природы, а также других процессов, которые могут рассматриваться в рамках модели дискретных процессов восстановления. Таким образом, задача разработки комбинаторной модели и специализированного программного обеспечения является актуальной.
Основная цель работы состоит в разработке математического и программного обеспечения компьютерного моделирования процессов управления запасами топлива ТЭЦ, позволяющего повысить качество управленческих решений.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать систему управления запасами топлива ТЭЦ.
-
Провести сравнительный анализ детерминированных и вероятностных моделей управления запасами.
-
Разработать комбинаторно-вероятностную модель управления запасами топлива ТЭЦ с учетом специфики предметной области.
-
Составить численные методы хранения и преобразования комбинаторных полиномов разбиений в оперативной памяти.
-
Разработать программный комплекс компьютерного моделирования процессов управления запасами топлива ТЭЦ.
-
Произвести апробацию разработанного программного комплекса в процессе проведения вычислительного эксперимента по планированию мероприятий пополнения запасов топлива ТЭЦ.
В качестве объекта исследования выступает процесс планирования запасов топлива ТЭЦ и возможности его оптимизации.
Предметом исследования являются закономерности возникновения моментов пополнения топливных запасов ТЭЦ.
Методы исследований. В процессе работы над диссертацией использовались методы теории вероятностей, математической статистики, исследования операций, теории алгоритмов, вычислительного эксперимента, а также современные средства создания программного и информационного обеспечения.
Научную новизну диссертационной работы представляют следующие положения, выносимые на защиту:
-
Комбинаторно-вероятностная модель процесса планирования запасов топлива ТЭЦ.
-
Спецификация комбинаторных полиномов разбиений и система численных методов хранения и преобразования комбинаторных полиномов разбиений в оперативной памяти.
-
Численные методы нахождения вероятностных распределений параметров процесса движения запасов топлива ТЭЦ на основе матриц из комбинаторных полиномов.
-
Программный комплекс, предназначенный для компьютерного моделирования процесса планирования запасов топлива ТЭЦ.
Практическая значимость научных результатов состоит в разработке системы численных методов и программного обеспечения, позволяющих определять и прогнозировать параметры процесса планирования топливных запасов
ТЭЦ на основе статистических данных об их движении. Кроме того, имеется возможность применения разработанного программного комплекса с целью определения параметров явлений и процессов, которые допускают создание моделей с использованием комбинаторных полиномов.
Результаты диссертационной работы используются в практической деятельности предприятия ТЭЦ-6, ОАО «Иркутскэнерго», филиал «Братские тепловые сети», что подтверждается соответствующей справкой.
Метод решения задач управления запасами на основе комбинаторно-вероятностной модели, а также разработанные численные методы используются в учебном процессе в рамках дисциплин «Исследование операций и методы оптимизации», «Дискретная математика», «Численные методы» в филиале ФГБОУ ВПО «ИГУ» в г. Братске. Имеется соответствующий документ.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием разработанного математического и программного обеспечения, обоснованностью предположений, соответствием результатов компьютерного моделирования реальным значениям исследуемых показателей движения топливных запасов ТЭЦ.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Ежегодной научно-теоретической конференции аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО «ИГУ» (Иркутск, 2010 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Экономика, политика, право, образование в современном информационном обществе: новые парадигмы» (Братск, 2010-2013 гг.); на межрегиональной конференции «Платоновские чтения» ИМЭИ ИГУ (Иркутск, 2011-2012 гг.); на научных семинарах кафедры теории вероятностей и дискретной математики ИМЭИ ИГУ (Иркутск, 2009-2013 гг.); на научных семинарах кафедры информационных технологий ФГБОУ ВПО «ИГУ», филиал в городе Братске (Братск, 2009-2013 гг.).
Личный вклад. Основные результаты исследований, составляющие научную новизну, и положения, выносимые на защиту, получены лично автором. Из совместной работы с научным руководителем использованы только результаты, полученные непосредственно соискателем.
Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 99 наименований и 6 приложений. Общий объем работы составляет 121 страницу машинописного текста, содержит 31 рисунок и 15 таблиц.
