Автореферат - Государственный университет морского и
реклама
На правах рукописи Жерновков Василий Алексеевич МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО НЕФТЕНАЛИВНОГО ПОРТА Специальность: 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2011 г. 2 Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций». Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Андрианов Евгений Николаевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Зубарев Юрий Яковлевич кандидат технических наук, Красников Валерий Валерьевич Ведущая организация: «Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации» Защита состоится «__» мая 2011г. в __ часов в ауд. ___ на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5 / 7. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан «.......»...............................2011 г. Учёный секретарь диссертационного совета Д 223.009.03 к.т.н., доцент Е.Г.Барщевский 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Начало эксплуатации современных нефтеналивных терминалов в Северо – Западном регионе и строительство высокопроизводительных портов в нашей стране стало возможным, благодаря крупным научным достижениям выдающихся русских ученых. Среди широко известных ученых, внесших огромный вклад в разработку современных технологий и создание высокопроизводительных терминалов, перегрузочных машин и оборудования для отечественных портов следует отметить академика А.Н. Крылова, М.Я. Алферьева, И.Г. Бубнова, В.Г. Власова, Н.Н. Исанина, Н.Н. Ковалева, В.Т. Костенко, Р.А. Нелепина, В.Н. Перегудова, В.Л. Поздюнина, И.Д. Спасского, Ю.А. Шиманского, Никерова П.С., Яковлева П.И., Ветренко Л.Д., Штенцеля В.К., Ирхина А.П., Сиротского В.Ф., Трифанова В.Н. и многих других. На современном этапе возрождения и развития отечественных портов фундаментальными стали труды Степанова А.Л., Эглита Я.Я., Кацмана Ф.М., Казакова А.П., Климова Е.Н., Дерябина Р.В., Гнеденко Б.В., Зубкова М.Н., Андрианова Е.Н., Костылева И.И., Попова С.А., Терехова О.А., Тюрина Б.Ю. и др. В настоящее время, в связи со строительством крупных морских и речных портов на Черном море, в Дальневосточном регионе, на Балтике, на магистральных реках нашей страны, широко развернуты фундаментальные и прикладные исследования в данной предметной области. Эффективность автоматизации нефтеналивных портов и портового оборудования обеспечивается путем применения математических методов исследования операций, разработки моделей и алгоритмов, базирующихся на современных информационных технологиях, которые вместе с организационными и технологическими преобразованиями элементов и существующих систем управления перегрузочным комплексом позволяют качественно изменить функционирование всех подсистем, значительно улучшить организационно – технологические показатели предприятия в различных сферах бизнеса. Создание механизмов реализации концепции совершенствования процессов автоматизации нефтеналивных портов на основе новых информационных технологий и компьютерных вычислительных средств является фундаментальным направлением использования имеющихся резервов снижения потребляемых ресурсов, улучшения технико–экономических и производственных показателей специализированных портов, определяющим актуальность основных положений и выводов диссертационных исследований. Цели и задачи работы: Повышение эффективности и качества функционирования нефтеналивных терминалов и систем обеспечения температурных режимов нефти во время погрузки и выгрузки путем моделирования и оптимизации технологических процессов в порту. В диссертации сформулированы следующие задачи исследований: 4 1. Анализ технологических процессов погрузки и выгрузки нефти и нефтепродуктов нефтеналивного терминала, рабочих режимов и способов управления технологическим оборудованием грузовых причалов, автоматизированных систем управления стендерами и способов их защиты от гидравлических ударов, систем управления расходом вакуумного газойля и схем управления теплообменным оборудованием. Оценка рисков перехода систем наливного терминала в нестандартное состояние на основе логико– вероятностных методов анализа работоспособности, надежности и безотказности работы сложных многофункциональных систем. Разработка модели надежности, основанной на анализе наиболее вероятных событий инициаторов. Определение и выбор вариантов перехода системы в различные состояния, определяемые технологическими схемами перегрузочного комплекса путем учета наиболее вероятных технических неисправностей и ошибок операторов. Реализация на моделях системы обеспечения безаварийного питания грузовых насосов, насосной станции, комплекса по перевалке нефти и нефтепродуктов, а также контроль уровней заполнения буферных емкостей. 2. Разработка моделей и алгоритмов для внедрения энергосберегающих технологий и принятия эффективных мер по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, вследствие нарушений герметичности соединений перекачивающих насосов, арматуры стендеров, узлов измерения количества нефтепродуктов, отгруженных в нефтеналивные суда. Разработка концепции информационного обеспечения состава мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций, обусловленных разливами нефти и нефтепродуктов, на объектах комплекса. а также мероприятий по максимально возможному снижению ущерба и потерь в случае возникновения опасных ситуаций. Количественные оценки последствий наиболее вероятных разливов нефтепродуктов. 3. Исследование способа и автоматизация процесса измерения состава нефти и нефтепродуктов путем оценки их проводимости и диэлектрической проницаемости в рабочем диапазоне частот. Разработка алгоритма идентификации параметров и диагностики состава жидкостей, основанного на сопоставлении электрических сигналов с базовыми значениями, полученными для различных наборов составов светлых фракций и других продуктов. Оценка параметров и состояния поступающей в порт нефти из различных месторождений по экспериментальным данным. Составление схем замещения для анализа рабочих характеристик датчика информации (ячейки с раствором), оценка оптимальных значений электрических параметров, требуемых для определения диэлектрической проницаемости электролитов. Разработка модели и алгоритма оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости различных растворов. 4. Разработка модели и алгоритма для автоматизации и оценки параметров разветвленной технологической схемы трубопроводов, используемых для подачи вакуумного газойля в танкеры. Разработка программы и алгоритма для оценки переменных состояния – отметок уровней в 5 буферных емкостях, в узлах трубопроводной системы и расходов в трубопроводах за счет перепада высот между резервуарным парком и танкером. Разработка алгоритма распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных рукавах трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанного на использовании принципа наименьшего действия. Реализация процедуры поиска зависимости расходов в ветвях разветвления от полного расхода в нагнетательном трубопроводе с помощью программы, обеспечивающей итерационный сходящийся вычислительный процесс и оценку коэффициентов матрицы Якоби на каждом шаге. 5. Разработка многошаговой модели распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритма её функционирования в условиях ограничений. Модель и алгоритм ресурсосбережения электроэнергии в нефтеналивном порту и их реализация с помощью стандартных функций вычислительных систем. Разработка математической модели и вычислительного алгоритма оптимизации технологических процессов в нефтеналивном порту путем распределения изменяющихся в каждой конкретной ситуации ресурсов по процессам в условиях ограничений и структурных изменений модели. Объект исследования: задачи автоматизации и оптимизации технологических процессов специализированного нефтеналивного порта, разработка энергосберегающих технологий, с целью уменьшения потребления ресурсов на выполнение перегрузочного процесса. Предмет исследования: математические модели и алгоритмы автоматизации и оптимизации технологических процессов в нефтеналивных портах. Методы исследования. При проведении исследований в диссертационной работе использовались фундаментальные положения современной теории управления и автоматизации технологических процессов, теория и математические методы идентификации структуры и параметров моделей, методы математического программирования и исследования операций, теория принятия решений, практические методы оптимизации, методы планирования эксперимента, коммерческой производственной деятельности, методы организации и проведения машинного эксперимента. В работе применялись теоретические положения финансовой аналитики и оценки бизнеса предприятий в рыночных условиях. Научная новизна: Разработаны модели и алгоритмы для внедрения энергосберегающих технологий и автоматизации процессов принятия решений по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов. Представлены: способ измерений и автоматизации процесса измерения состава нефти и нефтепродуктов путем оценки их проводимости и диэлектрической проницаемости в рабочем диапазоне частот; алгоритм идентификации параметров и диагностики состава жидкостей; алгоритм оценки параметров поступающей в порт нефти по экспериментальным данным. 6 Разработаны: вычислительный алгоритма распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных рукавах трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанный на использовании принципа наименьшего действия; процедура поиска зависимости расходов в ветвях разветвления от полного расхода в нагнетательном трубопроводе технологической линии; программа реализации итерационного процесса с оценкой элементов матрицы Якоби на каждом шаге. Предложена многошаговая модель распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритм её функционирования в условиях ограничений. Создана математическая модель и вычислительный алгоритм (сплайналгоритм) оптимизации технологических процессов в нефтеналивном порту путем распределения изменяющихся в каждой конкретной ситуации ресурсов по процессам в условиях ограничений и структурных изменений модели. Практическая ценность состоит: в оценке рисков перехода систем наливного терминала в нестандартное состояние на основе логико–вероятностных методов анализа работоспособности, надежности и безотказности работы сложных многофункциональных систем; в практическом использовании модели надежности, основанной на анализе наиболее вероятных событий инициаторов, и выборе вариантов перехода системы в различные состояния, определяемые технологическими схемами перегрузочного комплекса путем учета наиболее вероятных технических неисправностей и ошибок операторов. Практически значимыми являются модели и алгоритмы, созданные для внедрения энергосберегающих технологий и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов при нарушениях герметичности соединений трубопроводов и арматуры стендеров при отгрузке нефти в танкеры. Важным для практики является способ измерений состава нефти и нефтепродуктов, основанный на оценке проводимости и диэлектрической проницаемости жидкостей в рабочем диапазоне частот, а также алгоритм идентификации параметров и диагностики состава жидкостей по экспериментальным данным. Практически значимыми являются разработанные модель и алгоритм распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных сетях трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанные на использовании методов оптимизации расхода энергии на транспортирование жидкости. Большое прикладное значение имеет многошаговая модель распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритм, основанный на процедуре сплайн - аппроксимации исходных характеристик. 7 Практически значимыми являются действующие модели, алгоритмы и информационное обеспечение, пригодные для решения комплекса задач автоматизации технологических процессов в нефтеналивных портах и проведения машинного эксперимента. Реализация результатов работы Основные научные положения диссертационных исследований внедрены на объектах распределительно – перевалочного комплекса ОАО «РПК ВЫСОЦК-ЛУКОЙЛ-II», а также внедрены в учебный процесс на информационном факультете и факультете ПТ и ЭМ Санкт - Петербургского университета водных коммуникаций. Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором на: межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России, «Водный транспорт России: история и современность»; международном межвузовском морском фестивале; международной научнопрактической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». Материалы диссертационной работы представлены к участию в конкурсе на лучшую научно-техническую разработку ООО «ЛУКОЙЛ-Транс». Публикации По теме диссертации опубликовано 4 печатные работ, в том числе – одна работа опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований. Общий объем работы составляет 159 страниц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе выполнен анализ общей структуры и технологии перегрузки нефти и нефтепродуктов в специализированном нефтеналивном порту. Нефтеналивной терминал представляет собой совокупность структурных подразделений выполняющих различные операции общего технологического процесса. Технологический процесс полной обработки судна в порту регламентирует состав, последовательность и время выполнения операций по обслуживанию судна с момента его прибытия по момент отправления, для составления последовательности грузовой обработки разрабатывают типовые технологические процессы полной обработки судов (ТП ПОС). Такие технологические процессы оформляются в виде технологических карт комплексного обслуживания. 8 Процессы грузовой обработки судна могут быть оптимизированы различными способами, но одним из важнейших направлений деятельности порта – обеспечение безопасности процессов налива нефти и экологической безопасности. Разработка данных мероприятий для предотвращения аварийных ситуации должна вестись в соответствии с существующей законодательной базой регламентирующей отношения в данной отрасли. Законодательная база представляет собой совокупность законодательных актов разных уровней, международных, государственных, ведомственных, локальных. Основными направлениями при планировании и разработке мероприятий по предупреждению и предотвращению последствий аварий и инцидентов на предприятиях нефтяной отрасли являются: Обеспечения мероприятий по поддержанию оборудования в технически исправном состоянии Обеспечение пожарной безопасности Обеспечение электробезопасности и взрывобезопасности Обеспечение мероприятий по предотвращению ЧС на причальных объектах Обеспечение экологической безопасности и организации аварийно – спасательных работ Важнейшим направлением при разработке мероприятий по предотвращению аварийных ситуаций является разработка сценариев возникновения опасных состояний способных повлечь аварии и инциденты. Прогнозированием и предупреждением подобных опасных состояний любой системы занято целое научное направление – теория надежности. Единственным доступным путем для оценки и проектирования сложных систем является моделирование. Подойдем к оценке управления рисками и надежностью с позиций логико-вероятностного моделирования. К вопросам оценки риска, вероятности перехода системы в опасное состояние, можно подойти следующим образом. Во – первых возможно создание моделей надежности с учетом анализа наиболее вероятных событий инициаторов и условий перехода системы в опасное состояние, во – вторых возможна разработка модели учитывающей наиболее вероятные неисправности техники и ошибки операторов. Отдельно следует отметить дуальность, необходимую при подходе к оценке надежности системы. На практике это значит, что при проектировании систем необходимо уделять должное внимание не только вопросам повышения надежности (сохранения работоспособности системы), но и вопросам моделирования опасных состояний системы используя все возможные, включая самые маловероятные, сценарии. Во второй главе сформулирована задача установления закономерности изменений (приращений) электрофизических параметров в зависимости, например, от состава, который присущ природе данного вещества, в заданном 9 диапазоне изменения влияющих факторов (температура, давление и т.д.). Затем на базе методов математической статистике, путем соответствующей обработки результатов наблюдений предлагается найти аналитические выражения для оценки каждого из компонентов раствора. Трудности в решении данной задачи возникают по мере увеличения содержания компонентов в веществе. Во всем диапазоне частотного спектра справедливы два уравнения поля (уравнения Максвелла), которые связывают изменяющиеся во времени электрические и магнитные поля. С помощью уравнений Максвелла определяются накопление (распределение) и рассеяние энергии в веществе. При этом для описания характера распространения электромагнитных колебаний в веществе требуется две пары взаимосвязанных параметров. Уравнения можно представить в следующем виде : t H rotE t rotH i (1) (2) где: H и E – векторная напряженность магнитного и электрического полей; ε и µ - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости; i – плотность тока. Предложены основы построения модели оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости растворов различного класса, а также обсуждаются критерии построения и условия эксплуатации ячейки – преобразователя (датчик состава жидкости), для достоверного определения параметров диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности. Способ определения удельной электропроводности растворов различного класса базируется на параметрической оценки диэлектрической проницаемости данного раствора, который используется в качестве меры сравнения. Способ подтвержден экспериментально и отражает процессы, происходящие в датчике с жидкостью. Модель оценки диэлектрической проницаемости обеспечивает работу с классом жидкостей, для которых æ0 ≤ 10-4 См/м. Алгоритм оценки удельной электрической проводимости жидкостей можно представить в виде последовательности операций: 1. Ячейку (измерительный элемент) заполняют сухим воздухом и определяют её электрическую ёмкость С0, а затем – геометрическую постоянную рабочего объёма ячейки К0, адекватную геометрической постоянной рабочего объёма ячейки. 2. Ячейку заполняют исследуемой жидкостью и измеряют её эквивалентную электрическую ёмкость Сэ и активную проводимость G. 3. Устанавливают образцовое значение диэлектрической проницаемости ɛ раствора образцовым прибором или принимают из справочника стандартных величин. 4. Определяют приведённый геометрический фактор К1 и геометрический фактор К. 10 5. Определяют диэлектрическую проницаемость раствора. Основная формула характеризует выполнение допустимого соотношения в измерителе (ячейки) для определения диэлектрической проницаемости приэлектродных ( СЭД, RЭД, СЭД) и объемных (С, R, C) электрических параметров для растворов данного класса: СЭД>>C = ε· C0 >> æ/ω (3) Приведенное выражение (3) свидетельствует об отсутствии влияния межфазных процессов на определение электропроводности и диэлектрической проницаемости растворов, ослабление токов проводимости и токов смещения в них так, что становится возможным определение электропроводности по отношению измеренных электрических емкостей истинной С ячейки с жидкостью и С0 без жидкости. Дополнительно к сказанному получена математическая модель зависимости удельной теплоты сгорания от критерия тождественности: учитывая связь c химическим составом нефтей, свидетельствует о возможности использования критерия n как параметра, характеризующего изменения качества нефтей. Опыты показали, что в пределах погрешности измерения æ не наблюдается зависимости фактора тождественности n от массовой доли воды в нефтях, по крайней мере, до 4 %. Таким образом, для определения измеряют критерии тождественности n при данной температуре в диапазоне от 0 до 500С, являющийся отношением электропроводностей при высокой и низкой частоте электромагнитных колебаний, а высшую теплоту сгорания определяют по формуле (4). Выражение (4) можно представить в виде: где q - теплота сгорания нефти, содержащей преимущественно легкие фракции кДж/кг; ∆q - отклонение (уменьшение) температуры сгорания q по сравнению с таковой для других нефтей, содержащих преимущественно тяжелые фракции, кДж/кг; a=a2t2+ a1t2 - часть теплоты сгорания нефти, содержащей преимущественно легкие фракции, обусловленная структурными изменениями при данной температуре, отличающейся от 00С, кДж/кг; b=b2t2+ b1t2 - часть теплоты сгорания нефти, содержащей преимущественно тяжелые фракции, обусловленная структурными изменениями при данной температуре, отличающейся от 00С, кДж/кг; a1, b1 – эмпирические коэффициенты, кДж/кг*0С; a2, b2 – эмпирические коэффициенты, кДж/кг*(0С)2; ln(nt) – натуральный логарифм критерия тождественности при данной температуре; t – температура нефти, 0С. При температуре t=00С формула приобретает вид: 11 В идеальном гипотетическом случае, при отсутствии тяжелых фракций в нефти: Преимущество предлагаемого алгоритма определения удельной теплоты сгорания в том, что в значительной степени сокращается время анализа, появляется возможность ранней диагностики в изменении качества нефтей и оперативное воздействие на процессы её переработки, в том числе, исключая отбор проб. В третьей главе диссертации Предлагается расчет разветвленной гидравлической сети, имеющей п узлов и т ветвей. Гидравлические сети имеют много общего с энергетическими сетями и электрическими цепями. В частности, для моделирования узлов гидравлических сетей и узловых соединений электрических цепей используются уравнения неразрывности, а для участков ветвей с различными отметками уровней между узлами справедливо использовать при построении моделей переменную состояния – потери напора (перепады высот), непосредственно связанные с расходом. Этой переменной состояния в электрической цепи аналогична разность потенциалов между узлами. Уравнение неразрывности в электрической цепи представлено первым законом Кирхгофа. Аналог электрической цепи рассматриваемой гидравлической модели сети состоит из нелинейных сопротивлений, и поэтому, расчет требует особого подхода, который базируется на следующем вычислительном алгоритме расчета разветвления гидравлической сети на основе итерационного процесса Рафсона – Канторовича.. f ( x) 0 (4) где x - вектор искомых переменных состояния. Зададимся нулевым приближением вектора состояния x 0 [ x10 x 20 ...x n 0 ]T (5) Тогда вектор погрешностей r 0 на нулевой итерации равен: f (x0 ) r 0 (6) Согласно вычислительной процедуре Рафсона – Канторовича, решение на первом шаге r x i x 0 x0 где матрица 1 r 0 , (7) 12 r x 0 r1 x1 r2 x 1 ... rn x 1 r1 x2 r2 x2 ... rn x2 r1 xn r2 ... xn ... ... rn ... x n ... (8) есть матрица, называемая Якобианом. В общем случае формула Ньютона-Рафсона-Канторовича для вектора состояния на (п + 1)-ой итерации имеет вид: x n 1 r xn x 1 r n n (9) По формуле (9) выполняются вычисления до момента, соответствующего заданной погрешности при сходимости решения. Сходимость гарантируется строго вогнутым характером каждой нелинейности, определяемым показателем степени Pi в уравнениях вида (3.3). Предположим, в результате измерений общего расхода нефтепродукта и давлений в узлах на участке технологической линии, представленной на рис. 1, на различных режимах погрузки жидкости (например, ВГЛ) получены временные ряды. Ряды измерений полного расхода нефтепродукта, полученные в различные моменты времени, представим в виде вектора расходов Q=[Q(t1) Q(t2) Q(t3) …..Q(tm)]. Рис.1. Разветвленный участок трубопроводной системы технологической линии погрузки нефтепродуктов 13 ,где C1,C2,C3 – стендеры, Q,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5 – расходы в ветвях трубопроводов, K1,K2 – узлы учета. Одновременно произведем измерения напоров в узлах, из которых сформируем векторы: h1=[h1(t1) h1(t2) h1(t3) … h1(t m)], h2=[h2(t1) h2(t2) h2(t3) … h2(t m)], ……………………………………… hk=[hk(t1) hk(t2) hk(t3) … hk(t m)], где « к » -число узлов. Примем для упрощения записи следующие обозначения: t1=1, t2=2,… ti=I,…,tk=k . Для моделирования сопротивлений по предложенному алгоритму идентификации рассмотрим следующий пример. Предположим, что полный расход нефтепродукта во время загрузки танкера может изменяться в диапазоне 800≤Q 1800 м3/ч. Составим файл, с помощью которого на основе метода Ньютона – Рафсона – Канторовича рассчитаем расходы в ветвях и напоры в узлах для всех Q с шагом дискретности 10 м3/ч. Файл предназначен для решения прямой и ей инверсной задачи. По данным измерений напоров и полному расходу ВГЛ в напорной части трубопровода (сразу после насоса) с помощью приведенного файла можно, с высокой точностью, оценить модули сопротивлений ветвей трубопровода. Четвертая глава диссертации посвящена разработке моделей оптимального распределения ресурсов в условиях ограничений. Предложен алгоритм оптимального распределения ресурсов по процессам. Алгоритм обладает свойствами универсальности в том смысле, что он может быть использован не только для решения задач топливной экономичности, но и для целого ряда других практически важных задач Разработанный автором сплайн - алгоритм для оптимального распределения ресурсов, базирующийся на стандартных функциях вычислительной среды MatLAB, позволяющий успешно решать выбранный класс организационно – технических задач. Сплайн – алгоритм предусматривает использование для оценки оптимума функции fmincon, в составе которой содержится файл – функция специальной структуры. В качестве примера рассмотрен пример решения задачи распределения ресурсов выделенных на развитие порта состоящего из четырех грузовых районов. Формируем критерий: K L spline ([ ai , bi ], xi ) , (10) i 1 где [ai , bi ] - матрица координат интерполяционных узлов для i-го процесса. С помощью матриц образованы интерполяционные узлы, на основе которых посредством сплайнов построены графики функций полезности, представленные на рис.2. 14 Оптимальные решения получены для четырех процессов при вариации ресурса x=beq от нуля до 5 млн. руб. с шагом дискретности delt=0.1. Ограничения на переменные состояния представлены соотношениями: x min [ x1 min , x 2 min , x3 min , x 4 min ]' [0 0 0 0]', (11) ' x max [ x1 max , x 2 max , x3 max , x 4 max ] [Inf 0.92 1.8 Inf]'. (12) Файл – функция алгоритма оптимизации имеет вид: function L=sah597a(x) g1=[0 1 2 3 4 5;0 2.2 3 4.1 5.2 5.9]; g2=[0 1 2 3 4 5;0 2 3.2 4.8 5.9 6.4]; g3=[0 1 2 3 4 5;0 2.8 5.4 6.2 6.6 6.9]; g4=[0 1 2 3 4 5;0 1 1.5 1.8 4.2 7.5]; L=-[spline(g1(1,:),g1(2,:),x(1))+spline(g2(1,:),g2(2,:),x(2))+... spline(g3(1,:),g3(2,:),x(3))+spline(g4(1,:),g4(2,:),x(4))]; Результаты вычислений представлены на рис.3. Можно убедиться, что для любого значения ресурса, отложенного по оси абсцисс, распределение его между грузовыми районами порта производится таким образом, что получается максимальный суммарный доход, представленный на рис.3 критерием качества: 4 J ( x) max f i ( xi ) xi i 1 Доходность по процессам: g1,g2,g3,g4, млн. руб. Полученный критерий качества J = 10.8479 млн. руб. Из приведенных данных следует, что ресурс на развитие четвертого грузового района не выделяется. Нелинейные функции доходности от эффективност распределения ресурсов 8 7 g3 6 5 g2 4 g1 3 2 g4 1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Ресурс beq , млн.руб. 4 4.5 5 Рис.2. Функции эффективности капитальных вложений в предприятия 15 Оптимальное распределение ресурса по объектам 12 L1,L2,L3,L4, J, млн. руб. 10 J=L1+L2+L3+L4 8 J L3 6 4 L1 2 0 L2 -2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Ресурс beq, млн. руб. L4 3.5 4 4.5 5 Рис.3. Распределение ресурса по процессам при ограничениях (11) и (12) f1(x)=[0 1 2 3 4 5;0 2.2 3 4.1 5.2 5.9]; f2(x)=[0 1 2 3 4 5;0 2 3.2 4.8 5.9 6.4]; f3(x)=[0 1 2 3 4 5;0 2.8 5.4 6.2 6.6 6.9]; f4(x)=[0 1 2 3 4 5;0 1 1.5 1.8 4.2 7.5]. Рассматривается задача распределения мощности энергосети, состоящей из трех трансформаторных подстанций и четырех потребителей, при минимизации издержек. Решение во многом напоминает решение транспортной задачи линейного программирования. Основная операция-решение задачи линейного программированиявыполняется с помощью оператора linprog с соответствующим синтаксисом. Возвращаемые значения: вектор х и минимум J . Требуется минимизировать критерий качества J, характеризующий издержки (стоимость требуемого топлива для работы «термомасляной» котельной) виде скалярной нелинейной функции (x ) вектора x. Элементы вектора x –объемы теплоносителя, поступающие к потребителям – теплообменникам системы циркуляции теплоносителя . Критерий J (x) Должен минимизироваться при выполнении ограничений, представленных в матричной форме соотношениями Aeq x beq , и A x b а также нелинейными вектор-функциями: (x ) 0 и ( x ) 0 . Выполнение ограничений исключает преодоление верхней границы тепловой мощности котельной и достижение предельно допустимых границ по потребляемой мощности звеньями системы в любой момент времени. Приводится, составленный в кодах MatLAB файл предназначенный для решения задачи минимизации с помощью функции PATTERNSEARCH, принадлежащей к функциям генетического алгоритма. 16 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенные по данной проблеме диссертационные исследования позволяют сформулировать следующие результаты и выводы: 1.В диссертации проведен анализ технологических процессов специализированного нефтеналивного терминала, выделена его структура, определены особенности технологических операций налива вакуумного газойля в танкеры и перевалки различных типов нефтепродуктов. 2.В терминах логико-вероятностных методов оценки риска, с учетом вероятности перехода системы (элементов перегрузочного комплекса) в нестандартное (опасное) состояние, предложены модели надежности, основанные на анализе наиболее вероятных событий инициаторов. . 3.Определены превентивные меры и разработан перечень эффективных действий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов. 4.Исследован способ измерения состава нефти и нефтепродуктов путем оценки их проводимости и диэлектрической проницаемости в определенном рабочем диапазоне частот, позволяющий использовать идентификационные положения теории управления для оперативного решения задач диагностики жидкостей. 5.На основе составленных схем замещения, на границе раздела фаз и объемной части датчика информации (ячейки с раствором) проведен анализ с оценкой оптимальных значений электрических параметров, требуемых для определения диэлектрической проницаемости электролитов. Разработаны алгоритмы и модели оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости различных растворов. Предложен способ определения удельной электропроводности растворов различного класса базирующийся на параметрической оценки диэлектрической проницаемости данного раствора, который используется в качестве меры сравнения. 6.В терминах прямой задачи моделирования разветвленной технологической схемы трубопроводов, используемых для заполнения танкера вакуумным газойлем за счет перепада высот между резервуарным парком и танкером, разработан алгоритм и предложена программа для решения системы нелинейных уравнений с целью оценки переменных состояния – отметок уровней в буферных емкостях, в узлах трубопроводной системы и расходов в трубопроводах. Алгоритм базируется на вычислительной процедуре Ньютона – Рафсона – Канторовича. 7.Разработан алгоритм распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных рукавах трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанный на принципе наименьшего действия. 8.Разработан алгоритм оценки вектора переменных состояния в нелинейной модели разветвленной системы технологических трубопроводов, базирующийся на методе наименьших квадратов. Для реализации процедуры поиска зависимости расходов в ветвях разветвления от полного расхода в системе предложена программа, обеспечивающая итерационный сходящийся 17 вычислительный процесс с оценкой коэффициентов матрицы Якоби на каждом шаге. 9.Разработана многошаговая модель распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритм её функционирования в условиях ограничений. Для реализации модели приведен файл, составленный в кодах MatLAB, в основу которого положено использование функции PATTERNSEARCH, принадлежащей к классу функций генетического алгоритма. 10.Предложен алгоритм решения задачи распределения ресурсов, использованный для определения минимальных потерь электроэнергии в порту. Алгоритм реализован на основе функции linprog, содержащейся в инструментарии Optimization Toolbox среды MatLAB. 11.Разработана математическая модель, позволяющая в условиях ограничений объемов ресурсов в каждой конкретной ситуации использовать их с наименьшими потерями, что достигается за счет алгоритмизации и использования численных методов оптимизации и эффективных вычислительных средств. Разработан сплайн-алгоритм оптимизации, базирующийся на стандартных функциях вычислительной среды MatLAB и позволяющий решать задачи эффективного распределения ресурсов по процессам. Статьи и доклады на международных и национальных конференциях: 1. Жерновков В.А., Лесников В.А., Пахарев П.К. Сплайн-алгоритм оптимального распределения ресурсов при планировании и управлении производством // Ж. «Эксплуатация морского транспорта», №2(56). – СПб.: ГМА им С.О. Макарова, 2009. - С.27-30 (издание, рекомендованное ВАК). 2. Жерновков В.А., Дмитриенко Д.В. Распределение ресурсов на основе алгоритмов открытого поиска // «Журнал университета водных коммуникаций», № 3. - СПб.: СПГУВК., 2009. – С.153-156. 3. Жерновков В.А., Пахарев П.К. Модели оптимизации раскроя на судоремонтных предприятиях. Материалы международной научнопрактической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управления». 1-2 октября 2009 года, № 3. - СПб.: СПГУВК., 2010. №3, - С.95-100. 4. Жерновков В.А. Средства минимизации потерь от испарения нефтепродуктов при перегрузке в специализированных портах: Материалы медвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» 12-13 мая 2010 года. - СПб.: СПГУВК, 2010. -С.27-30. 18
