1 На правах рукописи Затик Ольга Сергеевна
реклама
1 На правах рукописи Затик Ольга Сергеевна АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ ОТРАСЛИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА КОМПОНЕНТНЫХ ЦЕПЕЙ Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Томск – 2011 2 Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Научный руководитель – доктор технических наук профессор Дмитриев Вячеслав Михайлович Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Светлаков Анатолий Антонович (ТУСУР) доктор технических наук Протасов Константин Тихонович (Институт оптики атмосферы Томского научного центра Сибирского отделения РАН) Ведущая организация – Институт мониторинга климатических и экологических систем Томского научного центра Сибирского отделения РАН Защита состоится «_15_» декабря 2011 г. в 15 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.268.02 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ТУСУРа по адресу: 634034, г. Томск, ул. Вершинина, 74. Автореферат разослан «__» ________ 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета Р.В. Мещеряков 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования. В связи с активным развитием нефтегазовой промышленности, с постоянным ростом масштабов техногенной нагрузки на трудно восстанавливаемую экосистему сформировалось и развивается понятие «Эколого-экономическая система» (ЭЭС). «ЭЭС совокупность взаимосвязанных объектов производства и природной среды, функционирующих на основе экологической программы, направленной на сохранение и восстановление эколого-экономического равновесия». Современные темпы производства и масштабы работ требуют автоматизировать процесс создания экологической программы предприятия нефтяной отрасли. Проведение реальных экспериментов требует больших затрат и времени, а мера ответственности и степень риска велики. Логично использовать компьютерные модели, интегрированные с информационными подсистемами предприятия. Моделирование ЭЭС – специфическое сложное направление научных исследований, призванное объединить в единую модель ЭЭС компоненты разных подсистем - экологических, экономических, технических, с материальными и информационными потоками в связях. Многие системы моделирования Stella, Classic, BPWin, ARIS и др., специализированы под определенный класс систем и в ряде случаев оказываются не эффективны: недостаточная компонентная база, отсутствует возможность для ее развития, трудности интеграции моделей подсистем в единую модель ЭЭС. В них отсутствует взаимосвязь с системами автоматизированных вычислений MathCad, MathLab и др., а механическое соединение подобных комплексов не обладает системными свойствами. Решением является использование универсальных языков и систем компьютерного моделирования. Вопросы развития методических подходов к моделированию экологоэкономических систем в работе основаны на изучение концепции эколого-экономического равновесия Э.В.Балакиной, А.Ю.Журавского, метода потоковых идеограмм В.В.Иванищева, метода компонентных цепей В.М.Дмитриева и среды моделирования МАРС; вопросы организации подсистемы сбора и обработки данных по экологическому мониторингу и программе природоохранных мероприятий основаны на анализе работ С.Л.Белякова, Б.Л.Агранович, Б.А.Ильичева, А.И. Дегтянникова, Н.Г.Маркова, Н.Б.Пыстиной, А.Г.Терещенко и др. Актуальным является развитие универсальных расчетномоделирующих систем и методологических подходов для исследования эколого-экономических процессов и автоматизации синтеза экологических программ, направленных на устойчивое развитие нефтегазодобывающих регионов. 4 Цель и задачи исследования: Цель данной работы состоит в разработке методики и программных средств имитационного моделирования эколого-экономических процессов на основе метода компонентных цепей для автоматизации синтеза экологических программ предприятий нефтяной отрасли. Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи: исследовать специфику эколого-экономической системы предприятий нефтяной отрасли, разработать структуру ее компьютерной модели на основе метода компонентных цепей и включить модель в контур управления природоохранной деятельностью предприятий нефтяной отрасти для оптимизации параметров природоохранных мероприятий и синтеза экологических программ; разработать методику имитационного моделирования экологоэкономических процессов, включая создание компонентов, алгоритмов и программных средств для автоматизированного анализа экологоэкономических систем и синтеза экологических программ; сформировать универсальную структуру базы данных по экологическому мониторингу и программам природоохранных мероприятий предприятий нефтяной отрасли для организации специализированной информационной подсистемы и автоматизированного формирования итоговой аналитической отчетности; разработать алгоритм интеграции компьютерной модели экологоэкономической системы и информационных подсистем для параметризации ее компонентов и повышения адекватности результатов моделирования; на основе анализа показателей экологических программ сформировать критерии оптимизации параметров природоохранных мероприятий с целью достижения эколого-экономического равновесия. Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются системы управления эколого-экономическими процессами предприятий нефтяной отрасли. Предметом исследования являются методологические подходы и программные средства для имитационного моделирования экологоэкономических процессов и синтеза экологических программ. Методы исследования. Для решения задач применялись методы системного анализа, компьютерного моделирования, автоматизации и оптимизации процессов, современные информационные технологии. Основные научные результаты, полученные автором и выносимые на защиту: 5 1. Предложенная структура компьютерной модели экологоэкономической системы и встроена в информационно-управляющую систему эколого-экономическими процессами предприятий нефтяной отрасли, основанная на методе компонентных цепей, позволяет сохранить в модели реальную топологию системы, сопрягать модели подсистем и проводить многоаспектные исследования ЭЭС. 2. Разработанная методика имитационного моделирования экологоэкономических процессов, включая модели компонентов, алгоритмы экспериментов и программные средства, позволяет автоматизировать процессы анализа ЭЭС и значительно сократить трудозатраты на синтез экологических программ. 3. Универсальная структура базы данных по экологическому мониторингу и программам ПОМ, используемая для организации специализированной информационной подсистемы предприятий нефтяной отрасли, позволяет автоматизировать процесс и сократить трудозатраты на формирование итоговой аналитической отчетности. 4. Алгоритм интеграции компьютерной модели ЭЭС и информационных подсистем позволяет осуществлять параметризацию модели на основе реальных данных и формировать экологические программы, адекватных реальному состоянию объекта исследования. 5. Предложенные критерии позволяют определить значения экологоэкономических параметров природоохранных мероприятия и создавать на их основе экологические программы, максимально направленные на достижение эколого-экономического равновесия. Научная новизна результатов: 1. Разработана новая структура компьютерной модели экологоэкономической системы (ЭЭС) на основе метода компонентных цепей, адаптированная для использования в контуре управления экологоэкономическими системами предприятий нефтяной отрасли. Определен базовый состав библиотеки компонентов ЭЭС, включающий компоненты экологической, экономической, организационно-технической подсистем, компоненты для их интеграции и оптимизации параметров природоохранных мероприятий, логические компоненты для синтеза экологических программ. 2. Предложена и исследована оригинальная методика имитационного моделирования эколого-экономических процессов, основанная на расширении формализма метода компонентных цепей и включающая модели компонентов, алгоритмы и программные средства для анализа эколого-экономических систем и синтеза экологических программ. 3. Предложена универсальная структура базы данных по экологическому мониторингу и программам природоохранных мероприятий, осно- 6 ванная на учете информационных потребностей, территориального распределения и структуры производства. 4. Разработан оригинальный алгоритм интеграции компьютерной модели эколого-экономической системы и информационных подсистем, предполагающий сопряжение компонентов информационных подсистем с основными компонентами модели, исходя из их параметров. 5. Определены базовые критерии оптимизации параметров природоохранных мероприятий на основе эколого-экономических показателей экологических программ, включая время выполнения, затраты, эффективность мероприятия и предотвращенный экологический ущерб. Достоверность результатов диссертации. Достоверность полученных результатов обеспечивается исходными теоретическими, методологическими и практическими данными исследований в области компьютерного моделирования и управления эколого-экономическими системами предприятий нефтяной отрасли и подтверждается использованием современных методов, источников по теме диссертации, апробацией результатов. При разработке программных модулей для среды моделирования МАРС использовались методы объектно-ориентированного программирования. Практическая ценность работы и реализация полученных результатов заключается в следующем. 1. Разработаны программные средства в составе библиотеки компонентов эколого-экономической системы и критериев оптимизации природоохранных мероприятий среды моделирования МАРС. 2. Разработаны базы данных и программное обеспечение для сбора и хранения данных в составе ПО «Программа природоохранных мероприятий» и ПО «Химико-аналитический мониторинг». 3. Реализован механизм параметризации и интеграции компьютерной модели эколого-экономической системы и информационных подсистем. 4. Компьютерная модель эколого-экономической системы на основе метода компонентных цепей использована для автоматизированного решения задач оптимизации параметров природоохранных мероприятий и синтеза фрагмента экологической программы. Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и получили одобрение на международных научнопрактических конференциях «Современные направления теоретических и прикладных исследований ‘2009» (Одесса’09), «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири 2010» (Абакан’10); на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва’09); на региональных научнотехнических конференциях (Сургут’04-06, Ханты-Мансийск’05, 06) и др. 7 Диссертация выполнена при поддержке Гранта РФФИ № 10-06-00084 «Метод компонентных цепей для компьютерного моделирования и управления эколого-экономическими системами». Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 2 изданиях из перечня ВАК, 10 публикаций в сборниках научных трудов, получены 2 авторских свидетельства на программное обеспечение Роспатент Российской Федерации. Личный вклад автора. 1. Постановка задач и разработка концептуальных положений диссертации выполнена совместно с научным руководителем д.т.н., профессором В.М.Дмитриевым. Лично автором получены следующие результаты: 2. Структурно-функциональная схема системы управления экологоэкономическими процессами предприятий нефтяной отрасли. 3. Схема многоуровневой компьютерной модели экологоэкономической системы и расширение языка компонентных цепей для анализа эколого-экономических процессов и синтеза экологических программ предприятий нефтяной отрасли. 4. Критерии оптимизации параметров природоохранных мероприятий, включая время выполнения, затраты, предотвращенный экологический ущерб, эффективность мероприятия, мультипликативный обобщенный критерий оптимизации. 5. Методика имитационного моделирования эколого-экономических процессов, основанная на методе компонентных цепей. Модели компонентов, алгоритмы и программные средства для компьютерной оптимизации параметров природоохранных мероприятий и синтеза фрагмента экологической программы предприятия нефтяной отрасли. 6. Универсальная структура базы данных по экологическому мониторингу и программам природоохранных мероприятий предприятий нефтяной отрасли для эффективной организации и ведения специализированной информационной подсистемы предприятия. 7. Алгоритм интеграции компьютерной модели экологоэкономической системы и информационных подсистем. 8. Реализация программного обеспечения в составе ПО «Программа природоохранных мероприятий» и ПО «Химико-аналитический мониторинг» выполнена совместно с Заика А.А. 9. Реализация программных средств компьютерного моделирования эколого-экономических систем в среде моделирования МАРС проведена совместно с к.т.н. Ганджа Т.В. Структура и объем работы. Диссертация изложена на 152 страницах и включает: введение, четыре главы, заключение, список литературы (141 8 наименование), 14 таблиц, 37 рисунков, 6 приложений. Общий объем диссертации составляет 184 страницы машинописного текста. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении содержится обоснование актуальности темы работы, формулируются цель и основные задачи исследования, решаемые в диссертации. Определяется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся научные положения, выносимые на защиту. В первой главе содержится анализ специфики эколого-экономических систем, систем моделирования и автоматизированных вычислений для исследования эколого-экономических процессов Stella, Classic, BPWin, ARIS, MathCad, MathLab, Rational Rose, МАРС. Делается вывод о неэффективности многих систем моделирования Stella, Classic, BPWin, ARIS и др., главные недостатки - специализированы под определенный класс систем, недостаточная компонентная база, отсутствует возможность для ее развития и интеграции компонентов подсистем в единую модель ЭЭС, отсутствует взаимосвязь с системами автоматизированных вычислений MathCad, MathLab, а механическое соединение подобных комплексов не обладает системными свойствами. Далее делается вывод о необходимости использования универсальных расчетно-моделирующих систем. Обосновывается выбор среды моделирования МАРС, основанной на методе компонентных цепей, отмечаются ее возможности для анализа экологоэкономических систем, главные преимущества: библиотеки компонентов. Библиотеки моделей компонентов в среде МАРС представляют собой язык пользователя при его взаимодействии со средой. Разделы библиотеки – это группы объектов, специфичных для некоторой области применения. Стандартная библиотека компонентов включает в себя объекты для моделирования элементов электрических и электромеханических цепей, механических объектов, а также элементов математических выражений. Пользователь может разрабатывать собственные библиотеки компонентов для их последующего использования при моделировании. расширение среды. Открытость и наличие генератора моделей предоставляет пользователю возможность подключать к библиотекам свои компоненты для анализа, обработки и визуализации процессов в исследуемом объекте. сервисы для решения задач оптимизации. Пользователю предложены компоненты Оптимизаторы и программы оптимизации (метод золотого сечения, покоординатного спуска и др.), которые 9 позволяют проводить как одномерную, так и многомерную оптимизацию параметров процесса и объекта исследования. структура редактора компьютерных моделей. Структура редактора компьютерных моделей СМ МАРС обеспечивает программноинструментальную реализацию многоуровневой компьютерной модели эколого-экономической системы. Компьютерная модель эколого-экономической системы задается совокупностью компонентов трех слоев: С=(КV, KIL, KC, BIL, BC, NIL, NC), где KV – компоненты визуального слоя; KIL – компоненты информационно-логического слоя; КС – компоненты схемного слоя; BIL – связи компонентов информационно-логического слоя; BC – связи компонентов схемного слоя; NIL – множество узлов информационного Визуальный слой слоя, образованное соединеИнформационно-логический слой ниями связей компонентов множества KIL; NC – множеСхемный слой ство узлов схемного слоя, образованное соединениями свяЭкологический Экономический зей компонентов множества схемный субсхемный субKC. слой слой Под «Слоем» понимается программноРис. 1. Структура редактора компьюинструментальное отображетерной модели ЭЭС ние уровня компьютерной модели экологоэкономической системы. Структура многослойного редактора компьютерных моделей экологоэкономических систем включает в себя следующие слои: Визуальный слой предназначен для формирования интерфейса управления ЭЭС. На нем располагаются как средства визуализации результатов, которые отображают состояние моделируемой системы (график, таблицы, цифровые табло, стрелочные табло и др.), так и средства управления и регулирования (движковые индикаторы, цифровые табло со спином, комбинированные списки и др.). Все компоненты визуального слоя обмениваются информацией и имеют свое графическое отображение на логическом слое в виде служебной иконки и нескольких пинов, при помощи которых они объединяются; Информационно-логический слой предназначен для программной реализации алгоритмов компьютерного эксперимента и алгоритмов параметризации компьютерной модели; 10 Схемный слой предназначен для реализации моделей вычислительных компонентов. Для одновременного моделирования экологической и экономической составляющей модели ЭЭС предлагается схемный слой разделить на два субслоя. Предложено интегрировать компьютерную модель экологоэкономической системы, основанную на методе компонентных цепей, в систему управления эколого-экономическими процессами предприятий нефтяной отрасли для автоматизации синтеза экологических программ (рис. 2): 1 5 2 6 3 4 7 Рис. 2. Структурно-функциональная схема системы управления экологоэкономическими процессами предприятий нефтяной отрасли На схеме блок 1 характеризует процессы задания критериев и ограничений на состояние эколого-экономической системы, которые используются при решении задач оптимизации параметров природоохранных мероприятий. Блок 2 представляет собой программное средство для сбора и автоматизированной обработки данных по экологическому мониторингу и программам природоохранных мероприятий, средство для оперативного формирования итоговой аналитической отчетности, а блок 3 – средство моделирования эколого-экономических процессов и систем, синтеза экологических программ. Результаты моделирования передаются в информационную подсистему. Блок 4 содержит геометрические и функциональные модели компонентов, поддерживает процессы формирования и 11 решения компьютерных моделей эколого-экономической системы. Набор компонентов формирует библиотеку моделей компонентов ЭЭС, куда входят компоненты экологической, экономической, организационнотехнической подсистем, компоненты для интеграции моделей различных подсистем в единую модель ЭЭС «Конвертеры», компоненты для синтеза экологических программ «Коммутаторы», модели критериев оптимизации природоохранных мероприятий. Блок 5 представляет собой план экологической программы, составленный на основании результатов моделирования и оптимизации параметров природоохранных мероприятий. Блок 6 – реальная эколого-экономическая система, которая представляет собой совокупность взаимосвязанных объектов производства и природной среды, функционирующих на основе экологической программы, направленной на сохранение и восстановление эколого-экономического равновесия. Блок 7 представляет собой систему эколого-экономической метрологии, по результатам мониторинга производится оценка состояния компонентов природной среды и производственных объектов, оценка эффективности выполнения природоохранных мероприятий и корректировка экологической программы. Результаты мониторинга передаются в информационную систему. На этом этапе контур управления экологоэкономическими процессами и системой замыкается. Поэтапная реализация предлагаемой схемы на рис.3. позволит организовать и вести автоматизированную информационную систему для управления эколого-экономическими процессами предприятий нефтяной отрасли, сократить время и производственные затраты на формирование экологических программ, направленных на устойчивое развитие нефтегазодобывающих регионов. Во второй главе разработана методика имитационного моделирования эколого-экономических процессов в среде моделирования МАРС. Она основана на расширении формализма языка компонентных цепей для эколого-экономических систем и синтеза экологических программ. Технологическая схема отличается тем, что компьютерная модель ЭЭС представляется в виде компонентной цепи и реализуется в СМ МАРС (рис. 3): Главные характеристики формализма метода компонентных цепей (МКЦ) актуальные для исследования эколого-экономических систем: МКЦ – это объектно-ориентированный язык для моделирования сложных и физически неоднородных систем с энергетическими и информационными потоками в связях; Исследуемый объект представляется в форме компонентной цепи, модель которой строится из моделей независимых компонентов. Компоненты таких систем могут иметь различную физическую природу (электроника, мехатроника, робототехника и др.); 12 Рис. 3. Технологическая схема имитационного моделирования эколого-экономических процессов 1 – понимание системы; 2 – формулировка цели; 3 - постановка задачи моделирования; 4 – разработка моделей компонентов ЭЭС в формате МКЦ; 5 - разработка концептуальной структуры модели; 6 – разработка алгоритма эксперимента; 7 – реализация модели и алгоритмов в СМ МАРС; 8 – планирование и проведение компьютерного эксперимента Модель компонента формируется автоматически с учетом четырех основных аспектов – топологического, физического, математического (логического) и геометрического и представляет собой систему алгебродифференциальных уравнений в обыкновенных или частных производных. Можно строить модели с логическими соотношения; Для объектов с функционально обособленными подсистемами введено понятие структуры – подцепи, допускающей автономное решение. Форма уравнений компонентной цепи и ее топологическая структура могут меняться в зависимости от поведения переменных или наступления определенных событий. Расширение языка компонентных цепей для анализа экологоэкономических процессов и синтеза экологических программ. Проведен компонентный анализ и предложена схема многоуровневой компьютерной модели эколого-экономической системы для исследования в среде моделирования МАРС (рис. 4). Структура компонентной цепи экологоэкономической системы предполагает в составе наличие компонентов 4-х типов: источники, преобразователи, измерители и информационные компоненты. Перечислим компоненты для анализа эколого-экономических процессов и синтеза экологических программ: Компоненты различных подсистем эколого-экономической системы – компоненты экологической подсистемы: «Компонент природной среды», «Макрокомпонент природная среда», «Источник загрязнения», «Компенсирующее воздействие»; компоненты экономической подсистемы: «Фонд», «Источник инвестиций», «Затраты»; компоненты организационно-технической подсистемы: «Ресурсы производства», «Основной ресурс», «Вспомогательный ресурс», «Макрокомпонент технологический процесс»; 13 Рис. 4. Схема многоуровневой компьютерной модели эколого-экономической системы для исследования в среде моделирования МАРС Компоненты для интеграции моделей различных подсистем ЭЭС «Конвертеры». «Конвертеры» – вычисляемые эколого-экономических показатели: «Расход ресурса», «Затраты», «Время выполнения», «Эффективность мероприятия», «Предотвращенный экологический ущерб», «Компенсирующее воздействие»; «Макрокомпонент природоохранное мероприятие» состоит из «Макрокомпонента технологический процесс» и параметрически подчиненного блока конвертеров; 14 Компоненты для синтеза экологических программ «Коммутаторы». «Коммутатор» – интеллектуальный макрокомпонент, решающий вопрос выбора модели природоохранного мероприятия для компонента природной среды на основе логических правил; Измерительные компоненты – «Измерители, участвующие в расчетах», «Измерители с цифровым табло»; Компоненты информационной подсистемы – «База данных», «Запрос». Приведем пример описания моделей компонентов экологической подсистемы в их 3-х аспектах: топологическом, математическом и физическом (табл. 1): Таблица 1 Название, изображение 1. Компонент Природной среды N4 N1 КПС N3 N2 2. Источник загрязнения N1 Загрязнение N2 3. Компенсирующее воздействие N1 N2 Компенсатор Математическая модель, параметры dVN 3 VN1t VN 2 t , dt VN1 – загрязнение VN2 – восстановление VN3 – уровень загрязнения VN4 – уровень загрязнения из БД Параметры КПС: площадь, объем, концентрация, тип VN2t = VN1t, N1 - связь для параметризации и обмена информацией VN2 – загрязнение VN2t = VN1t, N1 - связь для параметризации и обмена информацией VN2 – компенсирующее воздействие на КПС Другие компоненты ЭЭС описаны в работе аналогичным образом. Разработан алгоритм интеграции компьютерной модели экологоэкономической системы и информационных подсистем, предполагающий выполнение следующей последовательности действий: Шаг 1. Создаем компонент эколого-экономической системы; Шаг 2. Определяем параметр компонента, который загружается из базы данных и создаем для него соответствующий компонент «Атрибут»; Шаг 3. Создаем компонент «База данных». В качестве его параметра указываем полный путь к файлу или серверу баз данных; 15 Шаг 4. Создаем компонент «Запрос». В качестве его параметра прописываем строку запроса. Соединяем с компонентом «База данных» и «Атрибут»; Шаг 5. Запускаем компьютерную модель эколого-экономической системы на выполнение. Шаг 6. Осуществляется запрос к базе данных. Шаг 7. Выполняется проверка ответа на запрос. Если ответ от базы данных получен, то выполняется Шаг 8, иначе Шаг 9. Шаг 8. Параметризация компонентов модели ЭЭС на основе актуальных данных, загруженных из базы данных; Шаг 9. Вывод сообщения об ошибке «Нет ответа от базы данных», окончание работы алгоритма. Перечисленные выше компоненты для анализа и синтеза экологоэкономических систем программно реализованы в среде моделирования МАРС в составе библиотеки компонентов эколого-экономической системы для их последующего использования при моделировании. В третьей главе приведено описание разработанных моделей, алгоритмов и программных средств для автоматизации решения задач оптимизации параметров природоохранных мероприятий в среде моделирования МАРС с учетом специфики эколого-экономических систем. Отмечены главные особенности: результаты деятельности управляемых субъектов многоаспектны. Различаются такие уровни как экологический, экономический, организационно-технологический; наличие выделяемых сред управления, предполагает участие в системе компонентов различной природы (компоненты природной среды, фонды, технические средства и др.), наличие материальных и информационных потоков в связях, что характерно для больших систем. Причем параметры технологических процессов природоохранных мероприятий оказывают влияние на состояние компонентов природной среды и фонда предприятия; подсистемы имеют «высокую степень открытости, отражаемую, в частности, большим количеством линейных управляющих воздействий», в т.ч. детоксикация грунта загрязненного нефтью, очистка промышленных стоков и водопропускных сооружений, инновации, инвестиции; плановыми показателями экологической программы являются такие показатели как затраты, время выполнения природоохранных мероприятий, эффективность мероприятий, предотвращенный экологический ущерб. Определен класс задач оптимизации и выбраны методы оптимизации параметров природоохранных мероприятий: 16 задачи оптимизации параметров ПОМ в большинстве своем относятся к классу задач линейного программирования со смешанным типом ограничений, поскольку ограничения, представленные в виде равенств или неравенств, и целевая функция, как правило, линейны. Причем значения управляющих переменных для ряда задач оптимизации принимают целые значения, что характерно для класса задач целочисленного программирования; выбраны программы оптимизации, из реализованных в СМ МАРС: для решения задач многомерной оптимизации выбран метод покоординатного спуска (метод Гаусса–Зейделя), так как данный метод прост и удобен для реализации автоматизированного решения задач многомерной оптимизации; для решения задач одномерной оптимизации - метод золотого сечения; задачи оптимизации параметров природоохранных мероприятий сводятся к определению оптимальных параметров технических средств или технологического процесса как функции от t в интервале t1 t t 2 при заданных начальных состояниях подсистем и ограничениях на переменные связи, минимизирующих заданный критерий-функционал. Разработаны универсальные критерии-функционалы для решения задач оптимизации параметров природоохранных мероприятий (1-5): 1) Критерий-функционал «Время выполнения» задается в виде: t2 min T (t ) dt , (1) t1 где T(t) – время выполнения мероприятия T (t ) F(Vt0 , P, N) , где: Vt0 – начальный объем, либо концентрация загрязнения; P – параметр технического средства ПОМ; N – количество технических средств, используемых в ТП ПОМ. Критерий (1) используется в задаче регулирования параметров природоохранных мероприятий по быстродействию; 2) Критерий-функционал «Затраты» задается в виде: t2 k min Z (t ) Ц i N (t )dt , t1 i 1 (2) где Z(t) – затраты предприятия на выполнение мероприятия за время t; Цi – цена использования 1 ед.ресурса в час. Если цена использования ресурса зависит от его состояния, то Ц Ц (st ) , где st - состояние ресурса; 17 N(t) – объем используемых ресурсов за время t. Причем N(t) N t , 3600 где N – количество ресурсов, используемых в час, и зависит от загрязнения КПС, параметров ресурсов и времени выполнения мероприятия; k – число типов используемых ресурсов; Критерий (2) используется в задаче регулирования параметров природоохранных мероприятий по экономической эффективности; 3) Критерий-функционал «Эффективность мероприятия» задается в виде: t2 max ЭМ (t ) P N(t) dt , (3) t1 где ЭМ(t) – эффективность мероприятия за время t; N(t) – объем используемых ресурсов за время t; P – параметр ресурса (технического средства, материального ресурса), характеризующий компенсирующее воздействия 1 ед.ресурса на КПС. Критерий (3) используется в задаче регулирования параметров природоохранных мероприятий по технологической эффективности; 4) Критерий-функционал «Предотвращенный экологический ущерб» задается в виде: t2 max ПЭУ (t ) Цпэу ЭМ (t )dt , (4) t1 где ПЭУ(t) – предотвращенный экологический ущерб, в руб.; ЭМ(t) – эффективность мероприятия за время t, количество восстановленных единиц КПС за время выполнения ПОМ; Цпэу – цена 1 ед. восстановленного КПС. Критерий (4) используется в задаче регулирования параметров природоохранных мероприятий по экологической эффективности; 6. «Мультипликативный обобщенный критерий-функционал ЭЭС» задается в виде: Z (t ) T (t ) dt , ЭМ (t ) ПЭУ (t ) t1 t2 min МКФ(t ) (5) где МКФ(t) – мультипликативный обобщенный критерий-функционал. Критерий (5) сформирован на основе обобщения критериевфункционалов (1-4). Предложенные критерии оптимизации природоохранных мероприятий (1-5) программно реализованы в составе библиотеки компонентов критериев оптимизации природоохранных мероприятий для их последующего использования при моделировании и анализе ЭЭС. 18 Разработаны и исследованы примеры имитационного моделирования эколого-экономических процессов в среде моделирования МАРС. Приведем краткое описание автоматизированного решения задачи оптимизации расхода сорбента при выполнении природоохранного мероприятия «Детоксикация грунта сорбентом». Данная задача оптимизации состоит в оптимизации расхода сорбента RSt как параметра функции от t в интервале t1 t t 2 при заданных начальных состояниях и ограничениях, минимизирующих заданный в работе мультипликативный критерий-функционал (5). Алгоритм компьютерного эксперимента предполагает выполнение следующей действий: шаг 1 – инициализация параметров и начальных состояний компонентов модели из базы данных, шаг 2 расчет компьютерной модели на текущем шаге, шаг 3 - визуализация расчета на шаге h, шаг 4 - расчет целевой функции, шаг 5 - проверка целевой функции Рис. 5. Результат работы компьютерной модели природо- на минимум, шаг 6 охранного мероприятия «Детоксикация грунта сорбентом» визуализация в СМ МАРС решения, рекомендуемые параметры природоохранного мероприятия для формирования экологической программы. Автоматизированное решение данной задачи оптимизации в среде моделирования МАРС представлено на рис. 5. Другой пример автоматизированного решения задачи оптимизации параметров природоохранного мероприятия «Откачка нефти с грунта» реализован в работе аналогичным образом. Разработаны программные средства в СМ МАРС в составе библиотеки компонентов экологоэкономической системы и критериев оптимизации природоохранных мероприятий для их последующего использования при моделировании. Разработан алгоритм структурного синтеза фрагмента экологической программы предприятия нефтяной отрасли и соответствующий Компонент «Коммутатор» в СМ МАРС для его последующего использо- 19 вания при анализе и синтезе экологических программ. Для промышленной организации автоматизированного синтеза экологических программ необходимо разработать комплексный алгоритм с учетом технико-экономических возможностей предприятия. В четвертой главе предложена универсальная структура базы данных по экологическому мониторингу и программам природоохранных мероприятий предприятий нефтяной отрасли, на основе учета информационных потребностей основных направлений природоохранной деятельности, требований природоохранного законодательства Российской Федерации, территориального распределения производства и вертикально-интегрированной структуры управления современных предприятий нефтяной отрасли. На ее основе разработаны базы данных и программное обеспечение для оперативного сбора и обработки данных в составе ПО «Программа природоохранных мероприятий» и ПО «Химикоаналитический мониторинг» (рис. 6). Рис. 6. Интерфейсы для ввода данных, формирования отчетов и карт ПО реализовано по технологии трехзвенной архитектуры построения приложений: сервер БД СУБД Oracle9i, web-сервер приложений Internet Information, для работы с картой GeoMedia WebMap Intergraph, клиент Internet Explorer. Работает под ОС Windows 98, 2000, XP, Vista, 2007. Его внедрение в промышленную эксплуатацию позволило организовать и вести эффективную специализированную информационную подсистему и сократить трудозатраты на формирование аналитической отчетности по техногенной нагрузке и экологическим программам с 2 недель до 2-3 мин. 20 Реализован механизм интеграции компьютерной модели экологоэкономической системы и информационных подсистем. Исследован пример синтеза фрагмента экологической программы предприятия нефтяной отрасли в СМ МАРС (рис. 7). Применение компьютерной модели экологоэкономической системы, реализующей предложенные в работе алгоритмы, позволило автоматизировать процесс и сократить трудозатраты с 3-4 часов до 2-3 мин. Рис. 7. Фрагмент компьютерной модели ЭЭС в СМ МАРС и экологическая программа, составленная по результатам моделирования Использование компьютерной модели эколого-экономической системы, основанной на методе компонентных цепей, позволяет проводить многоаспектные исследования и организовывать на модели процедуры оптимизации параметров природоохранных мероприятий и синтеза экологических программ. Результаты применения методики имитационного моделирования эколого-экономических процессов в среде моделирования МАРС, включая созданные в работе модели, алгоритмы и программные средства в составе библиотеки компонентов эколого-экономической системы и критериев оптимизации природоохранных мероприятий - показали их пригодность для решения задач анализа эколого-экономических систем и синтеза экологических программ, направленных на сохранение и восстановление эколого-экономического равновесия. В Заключении сформированы основные научные и практические результаты: 1. Компьютерная модель эколого-экономической системы (ЭЭС), основанная на методе компонентных цепей и адаптированная для использования в контуре управления эколого-экономическими системами предприятий нефтяной отрасли, позволяет сохранить в модели реальную топологию системы, сопрягать модели подсистем, проводить многоаспектные исследования ЭЭС, позволяет организовывать процедуры оптимизации природоохранных мероприятий и синтеза экологических программ. 2. Разработана методика имитационного моделирования экологоэкономических процессов на основе метода компонентных цепей, вклю- 21 чая модели компонентов, алгоритмы экспериментов и программные средства, реализованные в среде моделирования МАРС, для автоматизированного анализа эколого-экономических систем и синтеза экологических программ. 3. Сформирована универсальная структура базы данных по экологическому мониторингу и программам природоохранных мероприятий, используемая для организации специализированной информационной подсистемы предприятий нефтяной отрасли, которая позволяет автоматизировать процесс и сократить трудозатраты на формирование итоговой аналитической отчетности. 4. Разработан алгоритм интеграции компьютерной модели ЭЭС и информационных подсистем, предназначенный для параметризации модели на основе актуальных данных и формирования экологических программ, адекватных реальному состоянию объекта исследования. 5. Предложены критерии оптимизации параметров природоохранных мероприятий, которые рекомендованы для использования при создании экологических программ, максимально направленных на достижение эколого-экономического равновесия. 6. Использование универсальной структуры базы данных по экологическому мониторингу и программам ПОМ позволило разработать ПО «Программа природоохранных мероприятий» и ПО «Химикоаналитический мониторинг», автоматизировать процесс и сократить трудозатраты на формирование отчетности с 2-х недель до 2-3 мин. 7. Применение компьютерной модели ЭЭС позволило на примере автоматизировать процесс синтеза фрагмента экологической программы и сократить трудозатраты с 3-4 часов до 1 мин. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях из перечня ВАК: 1. Затик О.С., Ганджа Т.В. Модели компонентов экологоэкономической системы на примере нефтегазодобывающего комплекса в формате метода компонентных цепей для компьютерного моделирования // Известия Томского политехнического университета. – 2009. – Т. 314. – № 5. Управление, вычислительная техника и информатика. – с. 114116. 2. Затик О.С. Многоуровневое компьютерное моделирование эколого-экономических систем // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. – № 4. – 2009. – С. 136-138. 3. Дмитриев В.М., Ганджа Т.В., Затик О.С. Компьютерная модель эколого-экономической системы нефтегазодобывающего региона для 22 формирования экологических программ.// Информатика и системы управления. – 2011. – № 4. Остальные публикации: 1. Затик О.С. Использование геоинформационной системы и Webтехнологий для решения задач экологического мониторинга // Вопросы геологии, бурения и нефтяных и газонефтяных месторождений Сургутского региона: Сб. науч. тр. Выпуск 7. - М.: ЗАО «Издательство «Нефтяное хозяйство», 2005. – С. 185-189. 2. Затик О.С. Экологическая геоинформационная система для эффективного решения задач природоохранной деятельности ОАО «Сургутнефтегаз» / О.С. Затик, А.А. Заика, М.И. Черепахин, Л.А. Малышкина // Вопросы геологии, бурения и нефтяных и газонефтяных месторождений Сургутского региона. Сб. науч. тр., Выпуск 6. М.: ЗАО «Издательство «Нефтяное хозяйство», 2006. – С. 266-270. 3. Дмитриев В.М. Архитектура подсистемы информационных ресурсов многоуровневой компьютерной модели эколого-экономической системы / Дмитриев В.М., Ганджа Т.В., Затик О.С. // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-16-2010): доклады (материалы) 16-й Международной научно-практической конференции, Абакан, 4-6 окт. 2010 г. – Томск: В-Спектр, 2010. – С. 300-303. 4. Дмитриев В.М., Ганджа Т.В., Затик О.С. Имитационная модель управления природоохранной деятельностью нефтегазодобывающего предприятия // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований ‘2009». Том 12. Экономика – Одесса: Черноморье, 2009. – С. 95-99. 5. Дмитриев В.М. Архитектура среды моделирования и базовый состав компонентов компьютерной модели эколого-экономической системы / В.М.Дмитриев, Т.В. Ганджа, О.С. Затик, И.Я. Клепак // Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы. III Международная конференция. 6-11 сентября 2010 г. – г. Улан-Уде. – 2010. – С. 120123. 6. Клепак И.Я. Оптимизация расхода метанола в УКПГ на основе компонента управления «Оптимальный режим» // И.Я. Клепак, Т.В. Ганджа, О.С. Затик // «Новые технологии в газовой промышленности». Тезисы докладов Восьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов. – Открытое акционерное общество «Газпром». Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина. – Москва, 2009. – с. 24. 23 7. Затик О.С. Пространственный анализ и моделирование экологической ситуации на территории деятельности ОАО «Сургутнефтегаз» // Материалы XXIV НТК молодых ученых и специалистов ОАО «Сургутнефтегаз». – Сургут: РИИЦ «Нефть Приобья», 2004. – С. 123-127. 8. Затик О.С. Повышение эффективности решения задач экологического мониторинга и формирования природоохранных мероприятий на территории деятельности ОАО «Сургутнефтегаз» на основе корпоративной геоинформационной системы. // Материалы XXV научнотехнической конференции молодых ученых и специалистов ОАО «Сургутнефтегаз», Сургут: Изд-во РИИЦ «Нефть Приобья». – 2005. – С. 350355. 9. Затик О.С. Экологическая геоинформационная система ОАО «Сургутнефтегаз». // Материалы V конференции молодых специалистов организаций, осуществляющей виды деятельности, связанной с пользованием участками недр на территории Ханты-мансийского автономного округа – Югры, Ханты-Мансийск: Изд-во ЮГУ, 2005. – С. 298-302. 10. Затик О.С. Разработка и внедрение геоинформационноаналитической системы как инструмента повышения эффективности управления природоохранной деятельностью ОАО «Сургутнефтегаз» // Материалы VI конференции молодых специалистов организаций, осуществляющей виды деятельности, связанной с пользованием участками недр на территории Ханты-мансийского автономного округа – Югры, Ханты-Мансийск: ЮГУ, 2006. - С. 256-260. 11. А.с. 2006612374 РФ. Программное обеспечение «Web-модуль ЭкоГИС «Химико-аналитический мониторинг ОАО «Сургутнефтегаз» / Затик О.С., Заика А.А., Шепелюк О.С. // Бюл. – 2006. – № 4(57). – С. 26. 12. А.с. 2006612375 РФ // Программное обеспечение «Web-модуль ЭкоГИС «Программа природоохранных мероприятий ОАО «Сургутнефтегаз» / / Затик О.С., Заика А.А. // Бюл. – 2006. – № 4(57). – С. 26.