Методическое и программное обеспечение для оптимизации параметров теплоснабжающих систем Соколов, Дмитрий Витальевич

Введение к работе

Актуальность. Теплоснабжающие системы (ТСС) в условиях сурового российского климата имеют высокую социальную и экономическую значимость. В настоящее время они превратились в сложные пространственно распределенные трубопроводные системы (ТПС) централизованного снабжения потребителей тепловой энергией. Сложность ТСС связана с их замкнутыми двухлинейными схемами, многокольцевой структурой, наличием множества теплоисточников и управляющих элементов (насосных и дроссельных станций, регуляторов, тепловых пунктов).

Важное значение для обеспечения работоспособности ТСС имеет задача определения ее оптимальных параметров, которая может иметь как самостоятельное значение, так и рассматриваться в качестве подзадачи общего процесса решения задач оптимального развития и реконструкции ТСС. Возрастающие требования к эффективности ТСС вызывают необходимость решения перечисленных задач для сетей реальных размеров, что невозможно выполнить без декомпозиции расчетных схем ТСС. Существующие методы и алгоритмы зачастую не позволяют проводить расчеты с учетом декомпозиции расчетной схемы. Для преодоления этих проблем необходима разработка новой методики решения задачи оптимизации параметров многоконтурных ТСС, которая позволить решать задачи реальной размерности за счет многоуровневой декомпозиции расчетной схемы ТСС и обеспечит получение работоспособного решения в двухлинейных тепловых сетях.

Большие размеры ТСС и вычислительная сложность используемых моделей, методов и алгоритмов делают невозможным решение задач оптимизации параметров ТСС без применения специализированного программного обеспечения (ПО). Основными недостатками существующего ПО являются: а) закрытая монолитная архитектура, значительно затрудняющая его развитие; б) невозможность гибкого управления итерационными вычислительными процессами; в) невозможность адаптации под особенности развития и состав оборудования конкретных ТСС. Развитие информационных технологий предоставляет новые возможности, которые могут быть использованы при построении современного ПО и его усовершенствовании.

Объектом исследования являются задачи оптимального развития и реконструкции ТСС и применяемые для их решения методическое обеспечение и инструментальные средства.

Предметом исследования являются математические модели, методы, алгоритмы и ПО, применяемые для решения задач оптимизации параметров ТСС.

Целью диссертационного исследования является разработка методического и программного обеспечения для решения задач оптимизации параметров ТСС.

Для достижения поставленной цели исследования в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка принципов многоуровневой декомпозиции модели тепловой сети, которые обеспечат решение задач оптимизации параметров ТСС большой размерности.

2. Разработка методики решения задачи оптимизации параметров многоконтурных ТСС, основанной на применении многоуровневой декомпозиции модели тепловой сети.

3. Разработка эффективных алгоритмов численного решения задач оптимизации параметров ТСС.

4. Разработка методического подхода к построению ПО для комплексного решения задач оптимального развития и реконструкции ТСС.

5. Реализация программного комплекса для решения задач оптимизации параметров ТСС на базе предложенного методического обеспечения.

6. Применение разработанного методического и программного обеспечения для подготовки рекомендаций по преобразованию реальных ТСС.

Методами и средствами исследования являются: теория гидравлических цепей, математическое программирование, дискретная математика, теория алгоритмов, методы системного и прикладного программирования, методы проектирования баз данных и информационных систем.

Положения, выносимые на защиту:

6. 1. Методика решения задачи оптимизации параметров сложных многоконтурных ТСС.

   2. Новые алгоритмы численного решения задач оптимизации параметров разветвленных и многоконтурных ТСС.

   3. Методический подход к разработке ПО для решения задач оптимального развития и реконструкции ТСС.

   Научная новизна работы определяется следующими положениями:

   1. Разработана новая методика решения задачи оптимизации параметров многоконтурных ТСС, основанная на многоуровневой декомпозиции модели тепловой сети, которая позволяет перейти от исходной задачи к подзадачам меньшей размерности и сложности.

   6. 3. 1. Разработаны новые алгоритмы численного решения задач оптимизации параметров разветвленных и многоконтурных ТСС на базе методов теории гидравлических цепей, позволяющие решать задачи с учетом многоуровневой декомпозиции модели тепловой сети:

         эффективный алгоритм метода многоконтурной оптимизации, позволяющий при решении задачи учитывать различную скорость сходимости вычислительного процесса для иерархических уровней модели;

         параллельный алгоритм, реализующий метод динамического программирования и обладающий высоким быстродействием.

         2. Впервые предложен методический подход к разработке ПО для решения задач оптимального развития и реконструкции ТСС, основанный на применении концепции модельно-управляемой архитектуры, метапрограммиро- вания и формализованных знаний о предметной области в виде онтологий.

         Практическая значимость. Разработанные методика и алгоритмы позволяют решать практические задачи оптимизации параметров ТСС большой (реальной) размерности и применяются для оптимизации параметров многоконтурных сетей при решении практических задач оптимального развития и реконструкции ТСС. Разработанные быстродействующие алгоритмы используются при организации сложных итерационных расчетов. Предложенный параллельный алгоритм позволяет использовать возможности современной многопроцессорной (многоядерной) вычислительной техники, что приводит к значительному сокращению времени решения прикладных задач.

         Разработанный методический подход может быть использован при реализации ПО для решения задач оптимального развития и реконструкции ТСС. На базе этого подхода разработан программно-вычислительный комплекс (ПВК) СОСНА-М для решения задач оптимизации параметров ТСС. ПВК может применяться в научно-исследовательских, проектных и эксплуатационных организациях, занимающихся вопросами теплоснабжения.

         Применение разработанного методического и программного обеспечения позволяет получать рекомендации по преобразованию ТСС, повышающие эффективность их работы и качество снабжения потребителей тепловой энергией.

         Апробация работы. Результаты работы докладывались на ряде международных и всероссийских конференций, в числе которых: всероссийская

         научно-практическая конференция «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2009 г., 2013 г.); всероссийская конференция «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск—Байкал, 2009 г., 2010 г., 2011 г.); конференция-конкурс молодых ученых ИСЭМ СО РАН (2009 г., 2010 г., 2011 г.); всероссийская конференция «Винеровские чтения» (Иркутск, 2011 г.); российско- монгольская конференция по математическому моделированию, вычислительно-информационным технологиям и управлению (Монголия, Ханх, 2011 г.); международная научно-практическая конференция «Информационные системы и технологии в энергетике и жилищно-коммунальной сфере» (Украина, Ялта, 2011 г.); международная научно-практическая конференция «Математическое моделирование, оптимизация и управление потокораспределе- нием в инженерных сетях» (Украина, Ялта, 2011 г.); всероссийский семинар с международным участием «Трубопроводные системы энергетики» (Тверь, 2012 г.). Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и заседаниях секции Ученого совета ИСЭМ СО РАН.

         Личный вклад. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

         Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 97 наименований. Общий объем диссертации — 138 страниц.

         Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, пять из них в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК России.

         Похожие диссертации на Методическое и программное обеспечение для оптимизации параметров теплоснабжающих систем

         

         Моделирование и оптимизация параметров систем связи, использующих многолучевую среду распространения сигналовРадько, Павел Николаевич

         

         Программные средства для оптимизации параметров гипермедиа-системКравченко Виктор Сергеевич

         

         Математические модели систем с сосредоточенными параметрами и гистерезисными явлениями, оптимизация функционирования ресурсодобывающих компанийМакаревич Виктория Ярославовна

         

         Методы, алгоритмы и программный комплекс преднастройки и оптимизации параметров нейронечёткой модели формирования баз знаний экспертных системКорнилов Георгий Сергеевич

         

         Математическое моделирование регуляции автоколебаний вариацией параметров системы с кубической нелинейностьюВерисокин Андрей Юрьевич

         

         Оценка погрешности расчетного предсказания критических параметров размножающих систем с высокообогащенным ураном Иванова Татьяна Тимофеевна

         Разработка и исследование моделей систем управления параметрами котлоагрегата на основе математического аппарата теории нечетких множествВладыко, Андрей Геннадьевич

         

         Математические модели и оценка параметров некоторых систем массового обслуживания по наблюдениям над периодом занятостиГлухова Елена Владимировна

         

         Модели и методы предупреждения аварийных ситуаций и оценивания параметров надёжности системКозлецов Алексей Павлович

         

         Гибридные алгоритмы муравьиной колонии для идентификации параметров нечетких системДудин, Павел Анатольевич