Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние в области разработки схем газификации регионов 9
1.1. Условия разработки, состав и источники исходных данных 9
1.1.1. Необходимость разработки схем газификации регионов 9
1.1.2. Сбор и предпроектная обработка исходных данных 10
1.1.3. Расчет и проектирование сети распределительных межпоселковых газопроводов 12
1.2. Средства автоматизации разработки схем газификации регионов 14
1.3 Использование современных геоинформационных систем при разработке схем газификации региона 25
1.3.1 Описание основных принципов организации геоинформационных систем 25
1.3.2 Основные виды и методологические основы моделирования в ГИС 27
1.3.3 Функционально - моделирующие операции, используемые в разработке схем газификации 33
1.3.4 Цифровое моделирование рельефа 36
Цели и задачи исследования 42
2. Математические модели выбора' оптимальной схемы газификации региона 43
2.1 Постановка задачи выбора схем газификации регионов с учетом современных требований 43
2.2. Синтез множества схем газификации региона 51
2.2.1. Математическая модель задачи синтеза сети с одним источником 51
2.2.2. Математическая модель задачи синтеза надежной сети 59
2.3. Математическая модель синтеза газоснабжающей системы региона с учетом сезонной неравномерности и альтернативного топливопотребления..66
2.3.1 Альтернативное топливо как средство сглаживания сезонной неравномерности использования газа 66
2.3.2. Математическая модель 70
Выводы второй главы 77
3. Алгоритмы решения задач определения оптимальной схемы газификации региона 78
3.1. Алгоритм нахождения годового и максимально-часового потребления газа укрупненными потребителями 78
3.2. Алгоритм гидравлического расчета газопроводных сетей 84
3.3. Технология разработки схем газификации в автоматизированной системе выбора оптимальной схемы газификации региона 92
Выводы третьей главы 94
4. Разработка и реализация информационного и программного обеспечения 95
4.1. Геоинформационное обеспечение решения задач газификации региона .95
4.1.1. Целесообразность компьютеризации процедур проектирования 95
4.1.2. Особенности информационного обеспечения 96
4.1.3. Формирование единой информационной среды 98
4.1.4. Применение геоинформационных систем (ГИС) для информационного обеспечения процесса решения задач развития и реконструкции газопроводных сетей 99
4.2. Структура информационного обеспечения 105
4.3. Структура программного комплекса и пользовательский интерфейс 110
Выводы четвертой главы 117
Заключение 118
Список использованных источников 120
Приложения 129
- Средства автоматизации разработки схем газификации регионов
- Математическая модель задачи синтеза сети с одним источником
- Алгоритм гидравлического расчета газопроводных сетей
- Применение геоинформационных систем (ГИС) для информационного обеспечения процесса решения задач развития и реконструкции газопроводных сетей
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время газ является наиболее дешевым и экологически чистым источником энергии, а доступ к нему - одним из показателей социальной привлекательности и одним из основных факторов экономического развития региона.
Несмотря на то, что Российская Федерация добывает наибольшее количество природного газа (более 523,2 млрд. кубометров газа в 2003г.) и является крупнейшим его экспортером в мире, внутри РФ уровень охвата газификацией жилого фонда в городах составляет 56%, на селе - 23%. В Воронежской области эти показатели составляют соответственно 81,2% и 25,4% по данным 2003 года.
Проблема усугубляется снижением бюджетного финансирования работ по газификации, а выполняемые работы оплачиваются, в основном, за счет всевозможных схем взаимозачетов, частичного финансирования за счет долгов местных бюджетов перед ОАО "Газпром". Финансовые возможности населения, особенно в сельской местности, также ограничены.
В этих условиях особенно актуальной является задача выбора таких схем газификации, которые обеспечивают максимальное уменьшение инвестиций при выполнении нормативных требований и условий регионов.
В этой ситуации необходимы эффективные методы и алгоритмы синтеза, моделирования и последующей оптимизации газовых распределительных сетей на этапе проектирования и экономического обоснования инвестиций.
Различными вопросами исследования проблем газификации регионов, а также автоматизации их разработки посвящены работы многих советских и российских ученых: Лурье М.В., Сухарева М.Г., Ставровского Е.Р. и других.
Таким образом, на сегодня большую актуальность получила комплексная автоматизация данной предметной области. В настоящей работе предложены
5 как математические модели выбора оптимальной схемы газификации региона для различных условий, так и алгоритмы их решения.
Работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений ВГТУ "Интеллектуальные информационные системы" и "Программы разработки унифицированных проектных решений и отраслевой нормативной документации на 2001-2003гг.м, утв. ОАО "Газпром" 22.08.2000 г.
Целью работы является разработка автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов, обеспечивающей повышение эффективности работ в области проектирования и экономического обоснования топологии и характеристик распределительных сетей газопроводов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ особенностей разработки схем газификации регионов, проектирования распределительных газопроводов низкого, среднего и высокого давлений, оценить возможности применения методов моделирования и синтеза для решения задач оптимизации сетей распределительных газопроводов;
выполнить постановку задачи выбора схемы газификации регионов с учетом современных требований;
разработать математические модели выбора оптимальной схемы газификации региона;
разработать формы для сбора информации о потребности в энергоресурсах потребителей;
разработать алгоритм нахождения потребности в газе укрупненных потребителей;
разработать алгоритмы гидравлических расчетов, необходимых для выбора оптимальной топологии сети межпоселковых газопроводов;
разработать информационное и программное обеспечение на основе предложенных моделей и алгоритмов;
внедрить в опытную эксплуатацию автоматизированную систему и предложить пути ее дальнейшего развития.
Методы исследования. При выполнении работы использованы основные принципы и методы теории САПР, элементы теории графов и теории формальных языков, методы модульного и структурного проектирования, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна: В диссертации получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту и характеризуются научной новизной:
модель синтеза сети с одним источником, позволяющая получить оптимальную по стоимости топологию газовой сети при разработке схем газификации регионов;
модель синтеза сети, отличающаяся возможностью обеспечения надежности газоснабжения для части узлов (потребителей);
модель, позволяющая оценить экономическую целесообразность сооружения газопроводов и использования сжиженного природного газа (СПГ -технологий) с учетом альтернативного топливо потребления;
алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе укрупненных потребителей, выполняемый в автоматизированном режиме и использующий данные о потребности в энергоресурсах;
алгоритм гидравлического расчета межпоселковых
газораспределительных сетей, основанный на точном математическом описании, благодаря чему повышается точность расчетов по сравнению с методикой, основанной на использовании номограмм.
Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований разработаны и внедрены в эксплуатацию модули автоматизированной системы выбора оптимальной схемы газификации регионов: расчет потребности в газе укрупненных потребителей, гидравлический расчет тупиковых сетей газопроводов давлением до 1,2 МПа, применяемых при газификации районов Российской Федерации.
7 Результаты проведенных исследований апробированы и внедрены в деятельность ДОАО «Газпроектинжиниринг».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: на семинарах в Воронежском государственном техническом университете (Воронеж, 2002, 2003, 2004); Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2002, 2003); Всероссийской конференции молодых специалистов «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в [1] - описание возможностей ГИС в области проектирования газопроводов; в [2] - алгоритм определения максимально-часовой и годовой потребности в газе; в [3] - алгоритм расчета параметров газопроводов; в [4] - условия реализации и критерии оптимальности математической модели выбора схемы газификации региона.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, изложенных на 118 страницах, списка литературы (106 наименований), трех приложений и содержит 14 рисунков.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены цель и задачи работы, отмечены основные результаты исследования, выносимые на защиту; определена их научная новизна и практическая значимость; приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.
Первая глава посвящена анализу существующего положения в области разработки схем газификации регионов, а также анализу ГИС-технологий, применение которых наиболее целесообразно при проектировании системы выбора оптимальной схемы газификации региона. В ней подробно рассмотрены некоторые программные продукты, имеющиеся сегодня на рынке, работы ученых и специалистов в области газоснабжения, а также основные направления
8 рассмотрены основные принципы и понятия геоинформационных систем (ГИС)
и ГИС-технологий, необходимые для понимания возможностей этих систем
автоматизации.
Во второй главе рассмотрено математическое обеспечение, позволяющее выбрать оптимальную топологию газораспределительных сетей по заданным критериям (в зависимости от требований надежности газоснабжения и использования альтернативного топлива). Предложенные модели позволяют на основе данных возможных трассах газопроводов, и с учетом требований, предъявляемых к системе газоснабжения, выбрать оптимальную топологию газовой сети для газификации региона.
В третьей главе предлагаются алгоритмы решения задач, необходимые для выбора оптимальной топологии газовых сетей. Подробно описаны алгоритмы нахождения максимально-часового и годового потребления газа, гидравлического расчета газопроводов низкого, среднего и высокого давлений, гидравлического расчета внутрипоселковых газораспределительных сетей. Представлен общий алгоритм выбора оптимальной топологии газораспределительных сетей при газификации региона.
Четвертая глава посвящена вопросам информационного и программного обеспечения. В ней описано применение геоинформационных систем и ГИС-технологий для решения задач газификации региона, представлена общая схема использования ГИС-технологий в решении вопросов информационного обеспечения задач регионального газораспределения; Описана структура информационного обеспечения системы выбора оптимальной схемы газификации региона. Также приведена функциональная структура программного комплекса и модель взаимодействия отдельных модулей в составе системы.
В заключении представлены основные результаты, полученные в ходе выполненного диссертационного исследования.
Средства автоматизации разработки схем газификации регионов
В настоящее время для автоматизации разработки схем газификации не существует программного обеспечения, обеспечивающего в рамках одной платформы автоматизацию всего процесса проектирования.
Программные комплексы, разработанные за рубежом [23, 36], из-за их дороговизны практически недоступны для проектных институтов России, кроме того, они не рассчитаны на российские стандарты, что делает невозможным их использование.
При проектировании газопроводов используются разнородные программные комплексы, разработанные в 80-90 гг. [66]. Они автоматизируют отдельные, особо сложные расчетные задачи в области проектирования газопроводов высокого, среднего и низкого давлений. При этом основная их часть разработана еще под управлением MS-DOS, что повышает трудоемкость из-за крайне неинформативного текстового интерфейса.
Эти программные продукты достаточно распространены в проектных организациях и активно используются. Это объясняется не столько их качествами, сколько экономическими показателями: проектные организации на территории России практически не могут позволить себе покупку нового программного обеспечения. Однако такое положение дел в области проектирования не может продолжаться достаточно долго. С появлением относительно дешевого технического обеспечения с большими функциональными и математическими возможностями, эксплуатация старого программного обеспечения (ПО) становится невыгодной в связи с тем, что наглядность, простота использования и скорость работы многих существующих комплексов заметно уступает тем функциональным возможностям, которые можно заложить в новые разработки. Сегодня предпринимаются попытки перевести на современную базу многие программные продукты с ЭВМ типа ЕС и операционных систем MS-DOS. Помимо этого, программные продукты становятся более понятны пользователю и легки в проектировании. Так, например, появившиеся в середине 90-х гг. геоинформационные системы (ГИС) завоевывают все новые и новые области применения, развиваясь и превращаясь из просто электронных карт в большие специализированные программные комплексы. Что касается автоматизации выбора проектного решения для прокладки газопровода, то в этой области на российском рынке программного обеспечения нет ни одного комплексного программного продукта. Существующие методики, применяемые в отдельных проектных организациях, основаны на прокладке трассы газопровода инженером на основе картографической информации, представленной в виде ЦТК геоинформационной системы (ГИС) [б]. Одним из ПС, позволяющих автоматизировать ручной труд проектировщика, является пакет прикладных программ ГАЗ-ПК [58], созданный в 1993 году и написанный под управлением MS-DOS. Этот программный продукт предназначен для проектирования сетей газоснабжения низкого, среднего и высокого давления и обеспечивает автоматизированный ввод схемы и исходных данных для расчета, выполнение расчета, вывод результатов расчета на схему с использованием AutoCADa. Исходная информация для расчета: - физические свойства транспортируемого газа; - топология сети; - описание участков сети. Программа рассчитана на использование стальных и полиэтиленовых труб. Результатом расчета является: - значение расходов газа; - давление в узлах сети; - скорости газа по каждому участку. На рассчитываемую сеть накладываются следующие ограничения: - количество источников питания не более 50; - количество участков сети не более 500; - количество сосредоточенных потребителей не более 500; - количество задаваемых диаметров не более 17; - количество районов по нагрузке не более 500; - количество типов этажности застройки не более 9; - при расчете не учитываются перепады высотных отметок (плоская схема). Условия эксплуатации: ПК класса IBM PC от 486 и выше, MS-DOS. Недостатками программного комплекса ГАЗ-ПК являются: 1. Ввод исходных данных и вывод результатов в ГАЗ-ПК осуществляется через текстовый файл заданного формата, который существенно повышает трудоемкость ввода и изменения исходных данных, а также не предоставляет достаточных возможностей для работы с результатами (это связано с DOS-интерфейсом данного ПП). 2. Существенные ограничения на рассчитываемую газопроводную сеть (этажность, количество задаваемых диаметров). 3. Отсутствие автоматизированного применения лупинга при расчете диаметров труб на участках. 4. Программа выполняет только расчетную часть готовой схемы без оптимизации. Кроме описанного выше программного комплекса, на предприятиях, занимающихся проектированием газопроводов, используются еще несколько программных комплексов, обладающих аналогичным недостатками. Более современные программные продукты, используемые при проектировании газораспределительных сетей, являются собственными разработками организаций, занимающихся проектированием, в частности [6] применяются нелинейные модели газораспределительных сетей. При этом подходе задача оптимизации состоит в подборе параметров газораспределительной сети, обеспечивающих снабжение потребителей сетевым газом в заданных объемах при соблюдении технических условий по давлению, а также норм проектирования таких сетей и требований надежности и безопасности. Предполагается, что неориентированный граф сети может содержать кольца, которые принципиально усложняют гидравлический расчет потоков сети. В этом случае возможно использование пакетов нелинейной оптимизации высокой размерности [6] при расчете параметров сети. Следует отметить, что такая конфигурация сети нетипична для практики строительства газораспределительных сетей, поскольку усложняется контроль потоков в сети. Чаще встречаются структуры газораспределительных сетей в виде систем "деревьев".
Наличие колец в структуре газораспределительной сети объясняется техническими требованиями по обеспечению надежности газоснабжения определенного узла потребления и повышенной выживаемости системы (в случае выхода из строя отдельных ее объектов). Такая структура характерна для крупных городов, хотя в отдельных случаях может формироваться в ходе реконструкции и развития существующих сетей.
Математическая модель задачи синтеза сети с одним источником
Каждому объекту можно присвоить признак, который представляет собой идентификатор ближайшего к нему объекта того же класса; таким образом кодируются связи между парами объектов.
Следует выделить два особых типа связей: связи в сетях и связи между полигонами. Связи в сетях определяются взаимодействием основных объектов сетей: линий, также известных как дуги, звенья, грани, ребра, и узлов, известных еще как пересечения, соединения, вершины. Простейший способ кодирования связей между дугами и узлами -присвоение каждой дуге двух дополнительных атрибутов - идентификаторов узлов на каждом конце (входной узел и выходной узел) [103]. В этом случае будут иметь место два типа записей: 1) координаты дуг: (хь у0, (х2, у2),.... (х„ уп); 2) атрибуты дуг: входной узел, выходной узел, длина, вспомогательные атрибуты. Используя эти записи, можно двигаться от дуги к дуге, отыскивая те из них, у которых перекрываются номера узлов. Таким образом, механизм анализа сетей основан на особой организации структур данных и кодировании связей. Методы анализа географических сетей являются мощным аналитическим средством для моделирования реальных сетей (улицы, водотоки, телефонные линии и линии электросвязи, сети газоснабжения) для поиска объектов по его адресу (например, привязка табличных данных к географическим объектам). Анализ сетей включает в себя три функции: поиск путей, аллокацию и районирование. Поиск путей обеспечивает оптимизацию перемещения ресурсов по сети, например выбор альтернативных маршрутов прокладки продуктопроводов. Аллокация позволяет отыскать ближайшие центры (минимальную стоимость перемещения) для каждой точки сети в целях оптимизации функционирования последней. Например, аллокация может использоваться при поиске ближайшего потребителя или ГРС. Районирование включает в себя группировку участков, ограниченных элементами сети. Это средство ценно при планировании. Районирование может использоваться, например, для определения зоны охвата потребителей от одной ГРС. Следует сказать несколько слов о цифровом моделировании рельефа [103]. Оно заключается в построении модели базы данных, которая бы наилучшим образом отображала рельеф исследуемой местности. Эти процессы связаны с трехмерным моделированием и с задачами пространственного анализа. Говоря терминами моделирования, происходит переход от аналоговой модели непрерывной поверхности к дискретной модели набора точек, оптимально отображающей форму этой поверхности. Координаты точек ЦТК расположены на земной поверхности, имеющей сложную форму. Для подробного отображения такой поверхности требуется очень большое число точек, поэтому в ЦГК используют различные математические модели поверхности. В свою очередь, это определяет проблему выбора оптимального аналитического описания или набора функций для отображения рельефа местности. При этом может возникнуть задача учета возможных картографических представлений и проекций. В зависимости от характера рельефа местность подразделяют на равнинную, всхолмленную и горную. Вводят понятие пяти основных форм рельефа: гора, котловина или впадина, хребет, лощина, седловина. Отображают рельеф разными способами: цветом, штриховкой, горизонталями, отметками характерных точек с подписями и т.п. Одним из наиболее распространенных методов построения рельефа является метод горизонталей. Горизонталью называют геометрическое место точек (линия) с равными отметками (одинаковая высота над уровнем моря). Метод горизонталей наиболее приемлем для ГИС. Он открывает большие перспективы для моделирования горизонталей на основе трехмерных моделей, вписывается в послойное представление векторных данных ГИС (оверлей), что создает возможность применения ряда стандартных математических алгоритмов, входящих в состав ГИС. Наконец, этот метод позволяет использовать ряд процедур пространственного анализа данных линейных объектов, т.е. применять процедуры анализа 20-объектов для объектов, относящихся к классу 3D. Под цифровой моделью рельефа понимают информационную структуру базы данных, а под цифровой моделью картографического отображения рельефа - информационную структуру, предназначенную для визуального отображения цифровых данных с помощью дисплея или плоттера. Отечественная картографическая информация имеет значительные отличия от аналогичной иностранной. Как правило, иностранные программные средства не поддерживают напрямую распространенные в нашей стране проекции, а информацию о типе проекции и ее параметрах получить довольно сложно. Это определяет преимущество отечественных разработок ГИС, содержащих наборы нужных проектных преобразований. Моделирование в ГИС охватывает ряд областей, ранее не объединявшихся для совместной обработки информации. Оно включает построение проекта карты на основе методологии САПР, проекционные преобразования, цифровое моделирование, автоматизацию процедур анализа сетей, преобразование форм представления данных и др. Интеграция данных в ГИС создает возможности для качественного совершенствования моделирования (трехмерных объектов или пространственных сетей) с целью использования результатов моделирования в управлении, планировании, бизнесе. Развитие автоматизированных методов обработки пространственной информации привело к появлению нового направления в моделировании -цифрового моделирования. Основной элемент цифрового моделирования - цифровая топографическая карта (ЦТК), которая может быть получена с помощью разнообразных технологий, В отличие от всех рассмотренных выше моделей данных цифровые являются их формой представления для обработки на ЭВМ. Например, цифровая модель может иметь в качестве структурной основы иерархическую, реляционную, сетевую или комплексную модель. Цифровые модели могут храниться в базах данных или независимо в виде файловых структур. Наибольшее распространение цифровые модели нашли в ГИС, строительстве, архитектуре. В настоящее время используют много определений ЦТК. Различие между ними обусловлено различием исходных моделей и задач, для которых эти ЦТК создаются. Тем не менее можно выделить общие признаки ЦТК с помощью методов абстракции для построения структур моделей.
Алгоритм гидравлического расчета газопроводных сетей
В некоторых случаях при газификации особо важных, имеющих стратегическое значение, объектов необходимо обеспечить бесперебойное снабжение их газом на определенном минимальном уровне. В этих случаях возникает задача синтеза сети/подсети повышенной надежности. Далее под надежностью сети мы будем понимать обеспечение бесперебойного снабжения газа потребителя в случае возникновения каких-либо аварийных ситуаций.
Таким образом, в практике газификации очень важны задачи оптимального синтеза надежных сетей. В отличие от обычных задач синтеза сетей в них предполагается, что элементы системы могут время от времени выходить из строя, нарушая тем самым нормальное функционирование всей системы или ее части. В таком случае система должна работать определенное время в аварийном режиме, пока не будут устранены последствия аварии вышедшего из строя элемента. При работе в аварийном режиме система должна обеспечивать пониженный уровень требований потребителей. Имеется ряд работ [1, 81], в которых задача синтеза надежных сетей рассматривается в вероятностном аспекте. В них предполагаются заданными вероятности отказа элементов системы. Однако при решении практических задач получение и обоснование соответствующих статистических данных кажется, на наш взгляд, затруднительным. Поэтому в данной работе рассматривается другой подход, связанный с понятием неопределенности. Предполагается, что элементы системы выходят из строя в неопределенные моменты времени, однако в любой момент может выйти из строя не более одного элемента.
Рассматривается задача синтеза надежной сети с одним источником, хотя используемые здесь идеи могут быть непосредственно перенесены на более общий случай. Мы предполагаем, что стоимость сети складывается из капитальных затрат на создание сети, которые являются вогнутыми кусочно-линейными функциями от пропускной способности дуг сети, и затрат на эксплуатацию сети, линейно зависящих от потока по дугам в режиме нормальной эксплуатации. Вообще говоря, эксплуатационные затраты являются выпуклыми функциями от потока, но учет выпуклости приводит к усложнению соответствующей модели. С другой стороны, задача с выпуклыми функциями может быть заменена задачей с линейными функциями (в этом случае можно оценить погрешность по функционалу) либо сведена к решению последовательности задач с линейными от потока эксплуатационными затратами. Мы не учитываем также изменение величины эксплуатационных затрат при работе системы в аварийном режиме, предполагая, что доля общего времени такой работы мала, и считая, что в условиях неопределенности эта погрешность в принципе невычислима.
Пусть 0 - индекс вершины - источника сети, N = (1, 2, ..., п) - множество индексов вершин - потребителей, Е - множество допустимых ориентированных соединений источника с потребителями и пар потребителей друг с другом. Тогда задачу синтеза надежной сети можно сформулировать как задачу отыскания
Здесь Xy, ySj - неизвестные потоки в аварийном режиме по дугам (i, j)eE. Если в оптимальном решении задачи Ху 0, уу 0 для некоторой дуги (i, j), то это означает необходимость включения в оптимальную сеть двух параллельных коммуникаций с пропускной способностью Ху, и у у соответственно (при этом Ху=уу=0). В нормальном режиме функционирования системы потоки по этим коммуникациям также равны ху, уу. Если ху 0, у у О, то в сеть включается одна коммуникация с пропускной способностью, равной max (ху, yij), в этом случае ху = 0. Поток в нормальном режиме равен ] Ху - уу I и направлен от і к j, если ху у у , и от j к і при уу ху. Аналогичная картина с точностью до перестановки Ху, и уу имеет место и при, уу 0, ху = 0. Величины X;, У І в (2.27) - (2.29) - неизвестные объемы продукта, поступающие в ieN по х-и у- коммуникациям. Ограничения (2.29) требуют, чтобы суммарный поступающий объем в нормальном режиме был не меньше (при выходе из строя любой коммуникации) не меньше аварийной потребности Qt, ieN.
Целевая функция (2.26) состоит из двух компонент: первая - сумма кусочно линейных вогнутых неубывающих положительных функций fjj (тах{ху, уу}) капитальных затрат от пропускной способности по дуге (i, j), вторая - сумма линейных функций с положительными коэффициентами эксплуатационных затрат от потока по дуге (i, j). Предполагается, что fy (t) = fjj (t) для любой дуги (і, j)- Это соответствует тому факту, что пропускная способность дуги (j, і) равна пропускной способности дуги (i, j). Поскольку эксплуатационные затраты для потока по дуге (i, j) не должны быть, вообще говоря, равными затратам для (j, і), мы не предполагаем, что Для упрощения дальнейшего изложения рассмотрим лишь случай, когда N = N2 (Ni = 0), т.е. когда аварийная потребность каждой вершины ieN не меньше, чем половина нормальной ее потребности. Все изложенное ниже без принципиальных затруднений переносится на общий случай. Для решения задачи (2.26) - (2.29) применена схема ветвей и границ [38]. Детализация этой схемы на этапе построения нижней оценки функционала (2.26) методом динамической декомпозиции приводит к анализу свойств задачи (2.26) - (2.29) с линеаризованной целевой функцией. Эта задача (с линейным функционалом) возникает, как и в ранее рассмотренных случаях, на начальной итерации метода динамической декомпозиции при вычислении начального значения функционала, а затем на каждой последующей итерации для определения величины, на которую следует увеличить значения двойственных переменных, соответствующих выбранному на этой итерации блокирующему множеству. Поэтому необходимо иметь эффективный алгоритм ее решения.
Применение геоинформационных систем (ГИС) для информационного обеспечения процесса решения задач развития и реконструкции газопроводных сетей
Ниже рассматриваются проблемы создания информационной среды для задач регионального газораспределения. Для корректного задания и обработки данных по газораспределительным системам целесообразно использовать ГИС-технологии. Большинство применений ГИС-технологий определяется их способностью связывать пространственную и описательную информацию, возможностью их совместного анализа. ГИС-технологии позволяют естественным способом учесть всю региональную специфику, в первую очередь - географическую, а, следовательно, достоверно отобразить топологию, конфигурацию и протяженность отдельных участков газораспределительной сети. Средства ГИС-технологий позволяют эффективно решать следующие задачи: - формирования единой цифровой карты на всю территорию региона/района: объединения и стыковки цифровых топографических карт (ЦТК), различных номенклатурных листов, выбора достаточного объема тематических слоев; - интегрирования пространственных данных в единую среду ГИС (формирование реальной топологии сети): корректного расположения всех объектов газоснабжения и газификации, корректного расположения узлов изменения параметров сети, врезки, отводов, дополнительного оборудования и приборов, формирования информационной среды и занесения данных в специальные таблицы (БД); - графического отображения сети: отображения топологии сети, отображения параметров и расчетных величин на топологии сети, информационно-графического обеспечения мониторинга функционирования сети, мониторинга процесса газификации. Перечислим основные этапы применения ГИС-технологий для задач информационного обеспечения. Общую схему использования ГИС-технологий в решении вопросов информационного обеспечения задач регионального газораспределения можно представить в виде следующих последовательных этапов работ: - разработка структуры единой геоинформационной среды (ЕГИС); - идентификация топологии сети, уточнение, корректировка и занесение данных в ЕГИС; - подготовка данных для проведения расчетов, решения конкретных задач, проведение расчетов и занесение полученных результатов в ЕГИС; - анализ и отображение данных ЕГИС, построение специальных тематических карт. Более подробно укажем задачи, решаемые на каждом из перечисленных этапов. 1-й этап. Разработка структуры единой геоинформационной среды (ЕГИС). Основными подзадачами данного этапа являются: - анализ доступных ЦТК, выбор нужных листов ЦТК; - определение структуры и классификации географических объектов, формирование базовых картографических слоев; - разработка структуры данных, необходимых для решения конкретных задач; - определение источника и получение от них требуемой информации; - проверки корректности данных; разработка базовых тематических слоев для объектов газораспределительной сети. 2-й этап. Идентификация топологии сети, уточнение, корректировка и занесение данных в ЕГИС. На данном этапе решается задача формирования реальной топологии сети и корректного расположения на ней всех объектов газоснабжения и дополнительного оборудования. Основными подзадачами данного этапа являются: - занесение информации об объектах газораспределительной сети в специальные таблицы (БД); - формирование картографической основы территории; нанесение объектов (ГРС, ГРП, газораспределительной сети, дополнительного оборудования и приборов) на картографическую основу в виде тематических слоев с учетом реальной топологии сети; географическая привязка данных к графическим объектам газораспределительной сети. 3-й этап. Подготовка данных для решения конкретных задач, проведение расчетов и занесение полученных результатов в ЕГИС. На этом этапе формируется исходная информация для базовых задач, а после их решения полученные данные интегрируются в ЕГИС. Таким способом осуществляется информационное пополнение ЕГИС для последующего анализа и интерпретации результатов. Базовыми подзадачами данного этапа являются: - постановка технологических задач; - разработка методов их решения; - анализ возможностей существующего программного обеспечения и разработка в случае необходимости дополнительных программ; - занесение результатов расчетов в соответствующие БД, географически привязанные к объектам газораспределения. 4-й этап. Анализ и отображение данных ЕГИС, построение специальных тематических карт. На этом этапе обеспечивается информационная поддержка процессов анализа решений и выработки конкретных рекомендаций. Подзадачами этапа являются: - отображения фактического состояния и полученных решений в виде картографических технологических схем; - системный анализ полученных решений; - выработка конкретных предложений. Сформированная таким образом геоинформационная среда является открытой, то есть в дальнейшем она может развиваться, корректироваться, пополняться новой информацией. Специфика транспортных и распределительных трубопроводных сетей состоит в том, что для их анализа и синтеза не требуется целая карта, а лишь схемы, включающие объекты транспортной сети и их топологию. Трубопроводная сеть представляется графом, вершины (узлы) и дуги которого соответствуют базовым техническим объектам сети. - Дуги определяют линейные участки трубопроводной сети (участки, состоящие из труб одного сортамента); - Узлы задают обобщенные объекты потребления /снабжения (в нашем случае, это ГРП и ШРП - узлы потребления и ГРС - узлы снабжения), а также точки врезки отводов и смены диаметров на трубопроводах. Точечные и линейные объекты географически привязываются к местности, что обеспечивает их согласованность и стыковку со всеми картографическими объектами. Средства ГИС-технологиЙ позволяют отображать на картах не только графические объекты, но и соответствующую им числовую информацию.
