Методы исследов овышения эффективности
advertisement
Карагандинский государственный технический университет Лекция 6. Методы исследования и особенности проблем повышения эффективности технико-технологических систем 1 Карагандинский государственный технический университет 6.1 Общие сведения о методах исследования. Эффективность научной работы в наибольшей степени зависит от умения исследователя выбрать наиболее результативные методы исследования и их правильно использовать для достижения поставленной цели. Наиболее общая классификация методы научного познания обычно подразделяет на: общие и специальные. Общие методы научного познания обычно делят на три большие группы: I. Методы эмпирического исследования (наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент); II. Методы, используемые как на эмпирическом, так и на теоретическом уровне исследования (абстрагирование, анализ и синтез, индукция и дедукция, моделирование и др.); III. Методы теоретического исследования (восхождение от абстрактного к конкретному, метод проб и ошибок, морфологический метод и др.). 2 Карагандинский государственный технический университет Модель - это некоторый объект, который на разных этапах исследования может заменять исследуемый объект. Модель - это целевой образ объекта оригинала, отражающий наиболее важные свойства для достижения поставленной цели. Модель - это либо мысленно представляемая, либо материально реализованная система, которая может отображать или воспроизводить объект исследования, а также замещать его с целью изучения и представления новой информации об объекте. Таким образом, создание каждой модели всегда имеет какую-либо цель. Математическое моделирование – метод научного исследования позволяет в наиболее общем виде представить исследуемые технологический процесс и объект в виде математических символов с учетом обоснованно принятых ограничений. Модель представляет собой идеализированное приближение к реальной ситуации. Построение хорошей аналитической модели предполагает принятие допущений, учитывающих относительную важность различных элементов задачи. 3 Карагандинский государственный технический университет Модель - это не реальность, а плод воображения инженера. Вся сложность построения модели состоит в том, что для получения решения модель должна быть достаточно простой, и в то же время она должна отражать существо задачи, чтобы найденные с ее помощью результаты имели смысл. 4 Карагандинский государственный технический университет 6.2 Особенности подхода для эффективного решения задач разработки новых и совершенствования существующих технико-технологических систем. Для эффективного решения задач разработки новых и совершенствования действующих технико-технологических систем с любыми размерностями входных параметров и выходных показателей требуется разработка теоретических и экспериментальных положений методологии изучения различных объектов как «больших систем». В результате наблюдения за изучаемыми процессами в режиме нормальной эксплуатации или специально организованного эксперимента с помощью практически полностью формализованных процедур в течение приемлемого отрезка времени исследователю необходимо решать задачи идентификации и оптимизации. 5 Карагандинский государственный технический университет Возможны следующие методы решения оптимизационных задач: 1. Технологический аудит - оценка потенциальных возможностей процесса по экономическим, экологическим, энергетическим, потребительским и др. критериям, которые могут быть реализованы на существующем оборудовании, с помощью существующих систем информационного обеспечения и управления, только за счёт оптимизации технологического режима (т.е. практически без дополнительных затрат). 2. Идентификация изучаемого процесса дискретной математической моделью по экспериментальным данным при полиномиальной зависимости времени решения от размерности вектора входных параметров. 3. Оптимизация технологического режима по его дискретной математической модели при полиномиальной зависимости времени решения от размерности вектора входных параметров. 6 Карагандинский государственный технический университет Возможны следующие подходы в процессе решения проблемных задач технико-технологических сложных систем. 1. Получение знаний из данных. При идентификации технологического процесса решается одна из главных задач искусственного интеллекта - получение знаний из данных. Причём новые знания выделяются в виде системных гипотез, описывающих взаимное влияние входных параметров процесса на выходной показатель (комплекс выходных показателей) на языке технолога. Большинство этих гипотез содержат новые и неизвестные ранее специалистам зависимости. 7 Карагандинский государственный технический университет 2. Формализация постановки задачи. Появляется возможность формализовать постановку задачи идентификации и оптимизации изучаемого технологического процесса. Исследователю необходимо стремиться к тому, чтобы техникотехнологическая система обеспечивала: • высокую производительность; • высокий выход целевого продукта; • минимально возможный расход ресурсов; • минимально возможный расход энергии; • минимальное количество отходов производства; • минимальную себестоимость продукта; • высокое качество продукции, которое всегда определяется комплексом показателей. 8 Карагандинский государственный технический университет 3. Технологический аудит. С помощью технологического аудита проводится оценка скрытых резервов изучаемого производства, которые могут быть реализованы за счёт оптимизации технологического режима. В зависимости от постановки задачи исследования технологический аудит трансформируется в конкретный вид аудита: энергетический, экологический, экономический и др. 9 Карагандинский государственный технический университет 4. Повышение наукоемкости производства. Одним из наиболее важных экономических показателей действующего производства является его наукоёмкость. Качественно наукоемкость оценивается соотношением информационной и материальной составляющих в себестоимости продукта. Количественной оценкой наукоёмкости может служить S выражение: К 1 S , K где - коэффициент наукоёмкости; SA - стоимость материальных и энергетических ресурсов, затраченных на получение единицы продукта; S - полная себестоимость продуктам. Чем более полно в технологическом регламенте учтены закономерности, связывающие условия проведения процесса с его выходными показателями, тем выше наукоёмкость производства и, соответственно, эффективней его работа. A н н 10 Карагандинский государственный технический университет 5. Оптимизация - путь к реализации резервов производства. За счёт оптимизации технологического режима реализуются резервы производства, выявленные при технологическом аудите. При этом оптимизация может осуществляться с помощью существующих систем информационного обеспечения и управления, то есть без дополнительных капитальных затрат. 11 Карагандинский государственный технический университет 6. Ситуационное управление. Для технико-технологических систем, в которых некоторые существенные параметры являются неуправляемыми (например, показатели качества различных видов сырья), оптимизация проводится с помощью метода ситуационного программирования. Суть его заключается в следующем. Для каждой ситуации синтезируется соответствующие ей оптимальное управления. Применение ситуационного управления позволяет: определить научно и технологически обоснованные требования к показателям качества сырья для получения продукта с заданными потребительскими свойствами; существенно расширить допустимые диапазоны значений показателей сырья; в случае вынужденного использования некондиционного сырья максимально сократить его негативное влияние на потребительские свойства получаемого продукта. 12 Карагандинский государственный технический университет 7. Технологическая гибкость. В случаях, когда на одном и том же агрегате производят продукт разных марок (например, чугун в доменной печи, сталь в мартеновской печи) или требования к выпускаемому продукту различны у разных потребителей, решается задача обеспечения технологической гибкости процесса. С этой целью строят математические модели и проводят оптимизацию отдельно для каждой модификации продукта или по техническим требованиям каждого из заказчиков. Затем, в каждом конкретном случае, выбирают условия проведения технологического режима, оптимальные для получения необходимой модификации или продукта соответствующего индивидуальным требованиям конкретного заказчика. 13 Карагандинский государственный технический университет 8. Сопровождение процесса на всех этапах его жизни. Появляется возможность отработки оптимального технологического режима на всех этапах жизненного цикла технологического процесса: при его разработке (лабораторная пропись, полупромышленная установка); при его пуске (внедрении в промышленное производство); в действующем производстве. 14 Карагандинский государственный технический университет 9. Необходимость корректировки технологического режима после любого вмешательства. После внесения, каких бы то ни было изменений в технологический процесс (внедрения рационализаторских предложений, замены катализатора и т.п.) или усовершенствования оборудования для его проведения, капитальных ремонтов, и т.п. необходима соответствующая корректировка технологического режима. 15 Карагандинский государственный технический университет 10. Учёт индивидуальности процесса. Сложные технологические процессы обладают высокой индивидуальностью. Эта индивидуальность проявляется в том, что агрегаты для получения одного и того же продукта имеют существенно различные оптимальные режимы. Несмотря на видимые одинаковые технические характеристики сложных технических систем, поиск оптимального режима их работы должен проводиться для каждой системы индивидуально. 16 Карагандинский государственный технический университет 11. Целесообразный уровень метрологии. В настоящее время уделяется большое внимание метрологии. Даже в тех случаях, которые не связаны с безопасностью работы, требования к точности измерения, например, входных параметров существенно и необоснованно завышены. Из сказанного выше следует, что для построения математических моделей реальных технологических процессов можно использовать только методы дискретной математики. При переходе же к дискретным шкалам требования к точности измерений существенно снижаются. Использование измерительной техники с избыточной точностью приводит к неоправданным дополнительным затратам. 17 Карагандинский государственный технический университет 12. Целесообразный уровень оптимизации. Идентификация реальных технологических объектов и получение математической модели со 100% адекватностью изучаемому объекту (что в принципе невозможно), в результате оптимизации позволяет определить точечные (оптимальные) значения по каждому из входных параметров. Стабильно поддерживать эти значения не смогла бы никакая сверхсложная (и, соответственно, сверхдорогая система управления). Для систем, сложность которых превосходит некоторый пороговый уровень, точность и практический смысл становятся практически взаимоисключающими друг друга характеристиками. Целесообразный уровень оптимизации определяется тем шагом, после которого последующая оптимизация становится убыточной. 18 Карагандинский государственный технический университет 13. Оценка целесообразности технологического процесса. автоматизации Автоматизация технологических процессов существенно сокращает вариации значений входных параметров. Но именно эти вариации и определяют вариации выходных показателей. Ранее было показано, что с помощью известных методов математического моделирования в подавляющем большинстве случаев нельзя решить задачу оптимизации реального технологического процесса. Неоптимальное же сокращение вариаций входных параметров системами автоматического управления ведёт к неоправданной и полной потере существующих резервов производства. 19 Карагандинский государственный технический университет 14. Согласование выходных взаимосвязанных производств. показателей Некоторые продукты являются конечным результатом работы цепочки взаимосвязанных производств. Принципиальная схема решения такой задачи известна - это метод динамического программирования. Решение задач этого класса позволит существенно повысить эффективность работы производственных комплексов по показателям себестоимости и качества как промежуточных, так и конечного продуктов. 20 Карагандинский государственный технический университет 15. Повышение эффективности диверсификации. В стратегических планах некоторых крупных промышленных предприятий для сокращения производственных и экономических рисков, связанных с колебаниями конъюнктуры рынка по производимой ими продукции, закладывается диверсификация производство новых продуктов, не имеющих прямого отношения к основному виду деятельности. Такой подход позволяет компенсировать неблагоприятную конъюнктуру одного сегмента рынка благодаря более благоприятной в другой. 21 Карагандинский государственный технический университет 16. Повышение продукции. конкурентоспособности Конкурентоспособность любой продукции определяются в первую очередь качеством, ценой, стабильностью технологии, условиями и сроками поставки. Вопросы получения продукта с минимальной себестоимостью и заданным качеством эффективно решается на всех этапах жизни технологического процесса (разработка, внедрение в промышленное производство, действующая технология) с помощью программно-аппаратных систем. 22 Карагандинский государственный технический университет 17. Пути решения экологических проблем в действующих производствах. В настоящее время основным направлением в защите природы от загрязнения действующими технологическими процессами является разработка индивидуальных систем для улавливания, обезвреживания и утилизации отходов производства, т.е. борьба с последствиями их неэффективного функционирования по экологическим критериям. В ряде случаев такой подход позволяет решить поставленную задачу, но при этом приходится для каждого процесса проводить сложные, трудоёмкие и дорогостоящие научно - исследовательские и опытно - конструкторские работы, затрачивать значительные человеческие и материальные ресурсы на изготовление, монтаж и эксплуатацию экологического оборудования. 23 Карагандинский государственный технический университет 18. Пути решения проблемы устойчивого развития (применительно к технологии). В докладе Римскому клубу «Фактор четыре» отмечается, что со времени промышленной революции прогресс обозначал увеличение производительности труда. Авторы доклада (Аурелио Пиччеи, Эрих Янч, Хасан Осбекхан) предложили новую парадигму развития цивилизации, в которой прогресс определяется как увеличение продуктивности ресурсов. Речь идёт о более эффективном использовании природных и производимых ресурсов. Устойчивое развитие возможно при следующих условиях: произойдёт замена нынешних технологий более чистыми и менее энерго - и ресурсоёмкими; постепенно невозобновляемое сырьё заменится возобновляемым; увеличится производительность труда; возрастёт надгосударственное регулирование и управление - через ООН и её организации. 24 Карагандинский государственный технический университет Выводы: 1. Практически все действующие производства в металлургии, химии, нефтепереработке, биотехнологии и др. работают не в оптимальных режимах и имеют существенные резервы по снижению себестоимости, энергои ресурсосбережению, повышению производительности и качества продукции, сокращению количества отходов производства и другим показателям. 2. Неоптимальность функционирования действующих производств объясняется в первую очередь отсутствием методов идентификации объектов с высокими размерностями векторов входных параметров (>8) и выходных показателей (>1). 3. Для эффективного решения различных задач существенного и практически беззатратного повышения эффективности работы технико-технологических сложных систем предлагается применять программно-аппаратные комплексы. 25
