Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблем автоматизации и оптимизации формирования региональных программ газификации .. 11
1.1. Задачи формирования региональных программ газификации 11
1.2. Существующие модели и методы формирования региональных программ газификации 13
1.3. Анализ особенностей задачи формирования региональных программ газификации 18
1.4. Постановка задачи формирования региональных программ газификации 24
1.5. Математические модели и методы поддержки принятия групповых решений 25
1.5.1. Многокритериальный выбор 25
1.5.2. Согласование групповых решений 26
1.5.3. Учет неопределенности в задачах управления 28
1.5.4. Задача выбора вариантов проектов в нечеткой постановке. 30
1.6. Компьютерная поддержка принятия групповых решений 32
1.7. Агентно-ориентированный подход для реализации системы поддержки принятия групповых решений 41
Выводы по главе 1 49
2. Разработка моделей и алгоритмов оптимизации групповых решения выбора вариантов нефтегазовых проектов 51
2.1. Математическая модель нечеткой оптимизации группового выбора вариантов проектов 51
2.2. Алгоритм оптимизации группового выбора вариантов проектов 54
2.2.1. Метод «ветвей и границ» для решения нечеткой задачи группового выбора вариантов проектов 54
2.2.2. Определение функций принадлежности подмножеств решения и согласование решений по Парето и методом Беллмана-Заде 58
2.2.3. Оценка качества принимаемых решений, условие окончания поиска согласованного решения 60
2.3. Пример задачи группового выбора вариантов проектов 62
Выводы по главе 2 70
3. Разработка моделей и алгоритмов для формирования региональных программ газификации .. 71
3.1. Модель нечеткой оптимизации группового выбора решения задачи формирования региональной программы газификации 72
3.2. Алгоритм оптимизации решения задачи формирования региональной программы газификации 85
3.2.1. Алгоритм поиска оптимального решения задачи группового выбора вариантов программы газификации с учетом ее динамических характеристик 85
3.2.2. Определение функций принадлежности подмножеств вариантов региональной программы газификации 90
3.2.3. Согласование решений по Парето и методом Беллмана-Заде и оценка качества принимаемого решения 97
3.3. Пример решения задачи формирования региональной программы газификации 99
Выводы по главе 3 112
4. Агентно-ориентированная система поддержки принятия решения задачи формирования региональной программы газификации 114
4.1. Стадия анализа процесса выработки группового решения 114
4.2. Стадия проектирования МАС для поддержки принятия группового решения 123
4.3. Многоагентная СППГР при формировании региональных программ газификации как программный комплекс 130
Выводы по главе 4 137
Заключение 138
Список литературы
- Задачи формирования региональных программ газификации
- Математическая модель нечеткой оптимизации группового выбора вариантов проектов
- Модель нечеткой оптимизации группового выбора решения задачи формирования региональной программы газификации
- Стадия анализа процесса выработки группового решения
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время в Российской Федерации идут интенсивные работы по газификации регионов России. Только программа «Газификация регионов РФ на 2005-2007 гг.», принятая ОАО «Газпром», охватывает 53 региона.
Одними из наиболее важных задач в реализации этих программ являются задачи определения списка подлежащих газификации объектов (населенных пунктов и крупных промышленных потребителей) и определения графиков их подключения к системе газоснабжения.
Основными факторами, влияющими на состав и график реализации региональных программ газификации, является экономическая эффективность поставки газа каждому потребителю, социальная значимость газификации и техническая и технологическая готовность потребителей к приему газа. Помимо этого на формирование программы газификации влияет наличие на территории региона малых месторождений газа и уже существующих газотранспортных и газораспределительных сетей, а также огромный объем обрабатываемой информации, на основании которой принимаются решения.
В этих условиях формирование и реализация региональных программ газификации сопровождается с одной стороны статистической неопределенностью, определяемой экономическими, техническими и технологическими особенностями функционирования системы газоснабжения, а с другой - неопределенностью, связанной с тем, что для формирования программ часто привлекаются группы экспертов. Это приводит как к неопределенности, обусловленной субъективностью экспертных оценок, так и к необходимости согласования позиций экспертов - выработке группового решения.
Поэтому перед предприятиями отрасли, занятыми выполнением программ газификации, особенно остро стоит проблема эффективного формирования и реализации этих программ с учетом комплекса экономических, социальных и технологических факторов. В настоящее время имеется значительный пробел в моделях и алгоритмах, позволяющих учитывать все перечисленные выше факторы, влияющие на формирование и реализацию программ газификации.
Вследствие этого, проблема автоматизации поддержки принятия решений при формировании региональных программ газификации является актуальной, а ее решение невозможно без создания моделей и алгоритмов соответствующей компьютерной системы поддержки принятия групповых решений.
Цель диссертационного исследования заключается в повышении уровня обоснованности формируемых региональных программ газификации за счет разработки моделей и алгоритмов поддержки принятия групповых решений, учитывающих многофакторность принимаемых решений в условиях неопределенности.
Основными задачами исследования, определенными поставленной целью, являлись:
• исследование факторов, влияющих на формирование программ газификации и на определение перспектив использования малых месторождений газа;
• разработка моделей и методов группового многокритериального выбора вариантов проектов в условиях неопределенности;
• разработка моделей и методов поддержки принятия решений при формировании региональных программ газификации;
• разработка структуры системы поддержки принятия групповых решений при решении задачи формирования региональных программ газификации.
Методы исследования
При решении поставленных задач были использованы принципы системного анализа, теории нечетких множеств, математического программирования и методология проектирования агентно-ориентированных систем. Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в том, что:
1. Разработана математическая модель и алгоритм решения задачи нечеткого группового выбора вариантов проектов, позволяющие учитывать разнородные критерии и ограничения, определяемые в условиях неопределенности, а также выявлять и согласовывать наименее согласованные экспертные данные, влияющие на групповой выбор.
2. Разработана многокритериальная дискретно-непрерывная модель задачи формирования региональной программы газификации, учитывающая экономические, социальные и технологические факторы, в том числе связанные с наличием малых месторождений газа и состоянием существующих на территории региона газотранспортной и газораспределительных сетей.
3. Разработан алгоритм решения задачи формирования региональных программ газификации, как задачи многокритериального группового выбора в условиях неопределенности.
4. Предложено использовать агентно-ориентированный подход для создания распределенной системы поддержки принятия решения при формировании региональных программ газификации.
5. Разработана структура распределенной многоагентной системы поддержки принятия групповых решений при формировании региональных программ газификации.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что разработанные модели и алгоритмы способствуют повышению качества принимаемых решений при формировании региональных программ газификации за счет учета разнородных факторов, влияющих на формирование этих программ в условиях неопределенности.
Это позволяет эффективнее использовать экономические ресурсы и производственные мощности, что в свою очередь позволяет усилить социальный эффект от газификации. Разработанные модели и алгоритмы могут быть применены в учебном процессе для изучения проблем принятия многокритериальных групповых решений в условиях неопределенности.
Апробация работы
Основные теоретические результаты работы были доложены и обсуждались на следующих конференциях:
1. 5-я научно-техническая конференция «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», Москва, январь 2003 г.
2. Заседания научных секций ОАО «Промгаз», Москва, май-июнь 2007 г. Публикации
Основное содержание работы отражено в четырех печатных работах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, и одного приложения. Общий объем работы 139 страниц, в том числе 20 рисунков и 31 таблица. Список литературы включает 105 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, приведены задачи и методы исследований и дано краткое содержание работы.
Задачи формирования региональных программ газификации
В настоящее время большими темпами идет газификация регионов России. ОАО «Газпром» в 2005 году начало реализацию «Программы газификации регионов России в 2005-2007 годах» [32]. Эта программа охватывает 53 региона [2]. Ее выполнение позволит повысить средний уровень газификации по стране до 62%, в том числе в городах - 67% и 44% в сельской местности. Сейчас эти показатели составляют 54%, 61% и 36% соответственно. В абсолютных цифрах это означает прокладку более 12 тыс. км распределительных газопроводов. При этом объем инвестиций составит 35 млрд. руб. В 2007 году на реализацию программы было выделено дополнительно 8 млрд. рублей [52,11].
Так как уровень жизни тесно связан с газификации, то и в будущем газификации регионов России будет продолжена [30].
Актуальность региональной газификации с одной стороны и нехватка математических моделей поддержки принятия решений при формировании программ газификации вились причиной проведенного исследования.
Эффективное внедрение методов оптимизации при составлении программ газификации в настоящий момент позволяют снизить на 10%-20% капитальные затраты, что повышает рентабельность реализации программ даже в существующих ценовых условиях [31, 64].
Формирование региональных программ газификации состоит из трех основных этапов [36]. На первом этапе осуществляется выбор регионов, в которых будут реализовываться программы газификации. Для этого предприятиями ОАО «Газпром» составляется многокритериальная модель. Все рассматриваемые регионы по каждому критерию (куда входят кроме экономической и социальной привлекательности критерий технологической готовности региона, вероятности привлечения инвестиций и т.п.) оценивают эксперты. Затем с помо щью метода анализа иерархий [59, 93] выделяются наиболее важные критерии и по ним определяются регионы, в которых будут реализовываться программы газификации. На втором этапе для выбранных регионов разрабатываются такие программы, то есть определяются потребители газа, которые будут включены в программу.
На третьем этапе оптимизируется конфигурация и технологические параметры газопроводов-отводов и выбираются эффективные технические решения.
Задачи определения технологических параметров и детальное планирование газотранспортных и газораспределительных сетей представляют отдельную задачу, для которой существует математическое, алгоритмическое и программное обеспечение, в основе которого лежит гидравлический расчет.
Основным вопросом настоящего исследования является разработка моделей и алгоритмов для поддержки принятия решения задачи формирования программ газификации на втором этапе, то есть на этапе формирования списка потребителей и определения графика их подключения, после того как было принято решение о необходимости такой программы в конкретном регионе.
Под программой газификации понимается проект развития газотранспортных и газораспределительных сетей, обеспечивающий подключение к ним выбранных в рамках программы объектов газификации, составленный на некоторый период времени.
Под объектами газификации понимаются укрупненные потребители газа, то есть населенные пункты и крупные промышленные потребители. Множество объектов газификации региона составляет расширенный список объектов газификации региона, который определяется на основе разработанной Генеральной схемы газоснабжения и газификации и предложений администрации региона [12].
Максимальной программой газификации называется такая программа, которая предусматривает газификацию всех объектов газификации региона, включенных в расширенный список объектов газификации.
Программа газификации есть выбор некоторой части максимальной программы газификации, которая будет реализована. Программа газификации также определяет график подключения объектов.
Помимо задач формирования программ газификации существуют задачи планирования добычи газа. В настоящее время актуальной проблемой планирования добычи газа является вопрос определения перспектив использования малых месторождений газа. Основные объемы газа на территории России добываются на крупных месторождениях и поступают к потребителям через Единую Систему Газоснабжения. Однако на территории некоторых регионов имеются малые месторождения газа. Необходимо определить, какие из них целесообразно использовать, и когда их следует вводить в эксплуатацию.
Особенностью экономики России является то, что добыча, транспорт и сбыт газа осуществляется предприятиями, входящими в ОАО «Газпром», то есть существует возможность согласовывать программы газификации с программами ввода месторождений в эксплуатацию, рассматривая их вместе как единый инвестиционный проект.
Математическая модель нечеткой оптимизации группового выбора вариантов проектов
Проделанный в главе 1 анализ задачи формирования региональных программ газификации показал, что для решения этой задачи необходимо разработать новые модели и алгоритмы, которые позволят осуществлять поддержку принятия решения при нечетком групповом многокритериальном выборе вариантов проектов.
Задача нечеткого группового выбора вариантов проектов формулируется следующим образом. Пусть имеется N объектов. В случае формировании программ газификации, объектами являются потребители газа. К каждому из этих объектов может быть применен один из М проектов. Для рассматриваемой задачи под проектом понимается вариант включения объекта газификации в программу, то есть год подключения объекта. Эффективность применения у-го проекта к і-му объекту может быть оценена по R критериям. Пусть множество критериев состоит из S субъективных и Р объективных критериев. Под субъективными критериями понимаются, такие критерии, оценки эффективности проектов по которым определяются экспертами. Примером экспертных оценок эффективности может служить социальная значимость газификации объекта, а составленный из этих оценок критерий будет определять социальный эффект программы в целом. Расчет таких оценок представляет собой отдельную задачу, и является разным в зависимости от смыслового значения критерия. Под объективными критериями понимаются такие критерии, в которые не входят экспертные оценки. Например, экономический эффект программы газификации. Экспертные оценки определяют/, экспертов. Clrij- оценка эффективности применения у -го проекта к і-му объекту по субъективному r-му критерию по мнению /-го эксперта; С,у- оценка эффективности примененияj-ro проекта к i-му объекту по объективному критерию г.
На реализацию всех проектов в совокупности накладывается Н ресурсных ограничений. Примером ресурсного ограничения является ограничения на объем капитальных затрат. Пусть а1 у - количество ресурсов h-ro типа, требуемых для реализации у -го проекта на /-м объекте; А - количество h-то вида, имеющихся в компании, а АА -допустимое превышение суммарного количества ресурса /г-го вида.
Необходимо для каждого объекта выбрать такой проект, при котором критерии эффективности будут максимальными. Очевидно, что в общем случае это недостижимо, и поэтому необходимо выбрать такие проекты, которые обеспечили бы по возможности лучшие значения критериев эффективности. Нечеткая постановка задачи выражается в том, что, если оценки эффективности и требуемые количества ресурсов, входящие в критерии и ограничения, определяются в условиях неопределенности, то требование точного достижения максимума и соблюдения ресурсных ограничений не является обоснованным. Для обозначения нечеткости используется знак « ».
Оптимизационная задача группового выбора вариантов проектов имеет вид: Если экспертов несколько, возникает проблема согласованного или группового выбора решения. При решении оптимизационной задачи группового выбора существуют две подзадачи: задача вычисления решения, и подзадача согласования.
Существует два подхода при разделении этих подзадач [23]. Во-первых, можно сначала согласовать все экспертные оценки, а затем решать оптимизационную задачу, как задачу с одним экспертом. Но этот подход требует трудоемкого согласования каждой оценки. Второй подход заключается в том, чтобы решить задачу для каждого эксперта отдельно, а затем согласовывать выбор проектов для тех объектов, выбор по которым у экспертов различный. В этом случае объем согласований сокращается, но согласования выбора проектов, то есть обсуждение проектов, а не оценок не учитывает объективные критерии и не позволяет гарантировать допустимость, согласованного решения. То есть, договариваясь о выборе проекта для определенного объекта, эксперты не могут учитывать все остальные критерии и ограничения.
Отсюда следует, что алгоритм согласования и алгоритм решения оптимизационной задачи нельзя разделять во времени. Иными словами согласование должно быть встроено в алгоритм поиска решения.
Модель нечеткой оптимизации группового выбора решения задачи формирования региональной программы газификации
Рассмотрим основные величины и способ их представления при описании модели газоснабжения региона. Решением задачи будет определение для каж дого объекта газификации и месторождения года подключения и года начала эксплуатации соответственно.
Проект газотранспортной сети региона изображается в виде карты-схемы (пример такой схемы представлен на рис. 3.1). На схему наносятся все возможные объекты газификации и необходимые вспомогательные объекты. На схеме также указываются гидравлические показатели: для потребителей: давление (Р) и объем потребления (Q); для участков газопроводов: диаметр и протяженность.
В дальнейшем будем использовать следующие величины, описывающие граф, то есть структуру максимальной программы газификации с подключением всех месторождений региона:
Обозначим Nf - число месторождений, Nc - число потребителей, Ns-число участков газопровода, М - число лет, на которое производятся расчеты, а /, -год подключения объекта (потребителя или месторождения), /=1.. Nc + Np.
Время ввода в эксплуатацию месторождения или подключения к системе газификации объекта и, равное М+1, если объект не вводится вообще. Тогда для описания состояния системы газоснабжения (набора подключенных объектов газификации и введенных в эксплуатацию месторождений) будем использовать переменные хи: Пусть хи X;. = і 1, если на і-и объект подключен к системе в год t О, в противном случае Предположим, что если объект газификации подключается к системе, то не целесообразно его отключать, то есть хи = 1, если xit_x = 1.
Обозначим QCj - объемы годового потребления для / -го объекта газифика-ции. Пусть Qjt - объем фактической добычи на у -м месторождении в t-м году.
Пусть Qijt - объем транспортировки газа из у -го месторождения / -му потребителю в год /. Остальные величины будем вводить, описывая критерии и ограничения. Экономический критерий
Рассмотрим описанную ранее существующую методику оценки экономической эффективности варианта региональной программы газификации с помощью определения среднего тарифа для всей системы в целом [12]. Идея этого метода заключается в следующем: определяется некоторый желательный уровень рентабельности проекта газификации и для каждого варианта программы рассчитывается тариф, который обеспечит этот уровень рентабельности (рекомендуемый тариф). Чем этот тариф ниже, тем экономически лучше вариант программы.
Алгоритм определения рекомендуемого тарифа состоит из следующих шагов: 1. поиск такого тарифа, который обеспечит требуемую норму рентабельности проекта для каждого объекта газификации; 2. получение среднего взвешенного (рекомендуемого) тарифа для всей системы. Оценка индивидуального тарифа (Т"н ) определяется решением уравнения [12]: ffrrxiQL +Q:P0J-3t-PHt +At\i+EeH_J = (к чок;){\+Еентр) (з.і) /=0 f=0 где Q„ac QnpoM - объем поставок газа по оцениваемому объекту населению и промышленным предприятиям (в том числе коммунально-бытовым) соответственно на t-м шаге расчета; 3t- текущие расходы на эксплуатацию объектов газификации на t-м шаге расчета; PHt - налоги на финансовые результаты и налог на прибыль на t-м шаге расчета; At- амортизационные отчисления на t-м шаге расчета; Евнтр - требуемый уровень внутренней нормы доходности (задаваемая величина); К, - капитальные вложения на t-м шаге расчета; ЧОК - затраты на увеличение оборотного капитала на t-м шаге расчета; t - номер шага расчета (0, 1, 2, З,..., М). Индивидуальный тариф не зависит от состава программы газификации и является индивидуальной характеристикой объекта.
Рекомендуемый тариф для рассматриваемого варианта программы Трек равен той цене на услуги по транспортировке газа, при которой достигается намеченная норма доходности всей системы газификации в целом.
Программа газификации определяет так же динамику подключения объектов. То есть состав региональной программы в разные годы разный. Рекомендуемый тариф в момент времени / [12]:
Стадия анализа процесса выработки группового решения
Создание МАС по методологии GAIA состоит из двух этапов: стадии анализа и стадии проектирования.
На этапе анализа определяются подструктуры, которые организационно должны быть выделены из общей структуры [23] системы искусственного интеллекта.
Основной задачей является решение задачи формирования региональной программы газификации. Для чего необходима соответствующая подструктура.
От проектируемой системы требуется выполнения индивидуальной поддержки принятия решений удаленными друг от друга экспертами, определяющее подсистемы такой поддержки. В то же время эти системы должны находиться в тесном взаимодействии друг с другом.
Для координации процесса и управления им со стороны организатора процесса следует выделить координирующую подструктуру. Модель среды
Под моделью среды понимается такая содержательная часть описания условий задачи, которая определяет те величины (информационные ресурсы), которыми оперируют агенты, и те, которые они могут изменять.
В зависимости от постановки задачи, одни и те же величины могут представляться как константы, определяемые средой, и как переменные, если в систему включается модуль их определения.
В рассматриваемой в главе 3 приводятся величины, описывающие задачу, в том числе: количество объектов газификации (AQ; количество месторождений (Nj); горизонт планирования (М); индивидуальный тариф для / -го объекта газификации Т""д; Qt - объем поставок газа для / -го объекта газификации; Q ГРО - существующие годовые поставки газа по ГРО; объем инвестиций, необходимый для подключения потребителя или месторождения / в год t - Аіт и; ограничения по объему инвестиций Аію; веса критериев и др. Экспертную группу описывает количество экспертов (L).
Каждый эксперт определяет социальную значимость объектов газификации RJ, готовность объектов газификации к приему газа Rf\ продолжительность строительства участка s по мнению эксперта / - R U).
Результатом работы системы является матрица \\xit\\ - программа подключения объектов газификации и ввода в эксплуатацию месторождений.
Таким образом, среда рассматриваемой агентной системы состоит из источника информации по условиям задачи, и участников согласования - экспертов, предоставляющих дополнительную информацию необходимую для решения задачи. Причем с последними система должна находится в постоянном взаимодействии.
Ролевая модель
Ролевая модель GAIA часто называется предварительной потому, что в процессе разработки могут выявиться какие-либо дополнительные роли. А на данном этапе возможно определение только основных ролей. Также на этом этапе определяются предварительные протоколы взаимодействия ролей.
Для рассматриваемой задачи выделены две основные роли: Организация процесса согласования (роль Организатор) Поддержка индивидуального принятия решения экспертом (Помощник эксперта)
Для каждой роли необходимо определить права и ответственности. Под правами понимаются возможности роли изменять или читать величины среды. Организатор может читать все величины (в том числе условия задачи, получаемые от ЛПР), а изменять только условия решения задачи, количество экспертов L, и параметры контроля качества решения, и вычислять (тоже изменять) общий результат согласования \\xit\\.
Помощник эксперта I читает все величины, но изменять может только задаваемые экспертом величины (оценку социальной значимости и др.) Причем изначально роль получает значения оценок от эксперта, но в последствии может их корректировать по согласованию с экспертом.
Под обязанностями ролей понимается те действия (операции с переменными), которые роль обязана выполнять. Выделяют два класса обязанностей: основные (жизнедеятельность) и обязанности по обеспечению безопасности. К первому классу относят те действия, которые должны приводить к положительному результату, а ко второму - те действия, которые должны обеспечить системе отсутствие отрицательного результата.
