Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Основные математические методы исследования управляемых систем массового обслуживания (УСМО) 10
1.1. Вопросы применения УСМО для диспетчеризации дискретных процессов 10
1.2. Основные модели и методы исследования УСМО 18
1.3. Некоторые основные характеристики в исследуемых задачах 24
Выводы по первой главе 29
Глава 2. Математические модели исследуемых систем массового обслуживания 31
2.1. Постановка задачи 31
2.2. Бесприоритетное обслуживание 39
2.3. Ситуационное управление 48
2.4. Комбинированные приоритеты 55
Выводы по второй главе '. 60
Глава 3. Практическое применение разрабатываемых алгоритмов в системе обслуживания потребителей на распределительных нефтебазах 62
3.1. Критерий эффективности 62
3.2. Краткая характеристика объекта управления 65
3.3. Организация диспетчеризации 69
3.4. Алгоритмы оптимального ситуационного управления 79
Выводы по третьей главе 95
Заключение 98
Литература 100
Приложения 112
- Вопросы применения УСМО для диспетчеризации дискретных процессов
- Бесприоритетное обслуживание
- Краткая характеристика объекта управления
Введение к работе
Необходимость совершенствования методов управления производством привела к расширению сферы применения экономико-математических методов, вычислительной техники и оозданию на этой основе автоматизированных систем управления (АСУ). Эффективность разрабатываемых АСУ существенно зависит от состава и характера решаемых ими задач.
Одним из путей повышения эффективности АСУ, функционирующих в реальном масштабе времени (АСУ ТП, АСУ диспетчерского и оперативного управления), является включение в их состав задач оптимального планирования и прогнозирования.
Основным средством реализации принципа оптимальности при планировании и управлении производством является моделирование управляемых процессов и формирование на ЭВМ оптимальных управленческих решений.
В настоящее время трудно переоценить роль системы снабжения нефтепродуктами, обеспечивающей ритмичную работу всех отраслей народного хозяйства страны. Система нефтепродуктообеспечения включает в свой состав развитую сеть нефтебаз различного назначения, качество работы которых во многом определяет эффективность функционирования всей системы.Одним из направлений повышения эффективное ти функционирования распределительных нефтебаз является внедрение АСУ основными производственными процессами,решение транспортных и диспетчерских задач. Изучение процесса обслуживания потребителей на распределительных нефтебазах,являющегося основной массовой операцией, показало,что он относится к классу дискретных процессов массового производства (ДПМП). Среди многочисленных проблем, возникающих при моделировании процессов обслуживания потребителей на распределительных нефтебазах, одной из основных является орга- низация последовательности обслуживания автоцистерн различных видов(с прицепом и без него) на установках налива - так называемая диспетчеризация.Отметим, что очень часто в рамках диспетчеризации автоцистерн встречаются задачи двух видов:
Выбор на обслуживание автоцистерны из множества ожидающих. Эта задача возникает в результате того, что ожидающие автоцистерны неравноценны по важности, а также отличаются друг от друга числом требуемых установок налива для обслуживания(обслуживание автоцистерн с прицепом производится параллельно работающими спаренными установками налива, а автоцистерны-одиночки обслуживаются с помощью лишь одной из входящих в пару установкой налива) и поэтому необходимо определить оптимальную в некотором смысле последовательность их обслуживания.
Формирование очередей к спаренным установкам налива. Эта задача возникает почти во всех случаях,когда система содержит несколько пар установок налива.
Для решения этих задач требуется решить следующие три взаимосвязанные задачи: во-первых- построить математическую модель, адекватно отражающую реальную ситуацию; во-вторых - с помощью разработанной модели найти оптимальное решение; в-третьих- реализовать полученное решение в автоматизированной системе обслуживания потребителей на распределительных нефтебазах.
Указанные задачи могут быть успешно решены с применением вероятностных методов, среди которых ведущее место занимают методы теории массового обслуживания (ТМО). Применение методов и моделей ТМО для решения задач диспетчеризации автоцистерн объясняется тем, что данный процесс - это сложная вероятностная система обслуживания, где интервалы времени между поступлениями автоцистерн - случайные величины и длительность обслуживания их также меняется в некоторых пределах. Под эффективностью диспетчеризации ДПМП понимается степень выполнения ограничений на длитель- ность обработки операций и время, затраченное на сам процесс диспетчеризации.
Эффективность организации диспетчеризации ДПМП зависит от ряда объективных факторов. Основными из них являются: характеристики и параметры входных потоков заявок; характеристики и параметры обработки заявок различных типов; структура и объём буферных накопителей для заявок различных типов; количество приборов и структура связей между ними; производительность системы; - дисциплина выбора из очереди и постановки в очередь заявок. Как видно из этого неполного списка факторов, из которых зависит эффективность диспетчеризации ДПМП, задача эффективной организации диспетчеризации представляет собой многомерную задачу и поэтому основные работы, где изучаются эти проблемы, посвящены решению частных задач.Среди этих работ преобладают задачи оптимальной диспетчеризации заявок с помощью выбора рациональной дисциплины обслуживания.Это связано с тем, что в большинстве систем массового обслуживания (СМО), рассмотренных при решении этой проблемы, очень часто только с помощью выбора соответствующей дисциплины обслуживания удаётся снизить остроту конфликтов между требованиями, возникающих вследствие недостаточной производительности систем и стохастичности поступления требований.
В большинстве работ, посвященных изучению диспетчеризации ДПМП, заявки приходят из внесистемных источников, требуют однократной обработки на любом из приборов и после этого покидают систему. Однако, когда ДПМП имеет иерархическую структуру или когда заявки требуют многократной обработки на разных приборах, следует рассматривать сети массового обслуживания. Изучению сетей массового обслуживания посвящен ряд работ ГI—б | .
Исследовать сети массового обслуживания затруднительно, и аналитические результаты здесь удаётся получить лишь для марковских сетей.Основная трудность заключается в том, что в них трудно учитывать ситуации, когда одна заявка требует одновременно нескольких ресурсов.
В однофазных системах массового обслуживания задача диспетчеризации достаточно полно изучена, когда СМи рассматривается как модель вычислительной системы с приоритетами и задача сводится к организации вычислительного процесса в реальном масштабе времени.
Проведённый анализ работ,посвященных диспетчеризации ДПМП показал,что полученные результаты в основном касаются систем с неограниченной очередью, в то время как в большинстве реальных систем имеются ограниченные буфера для ожидания заявок в очереди. Имеются и работы, где изучается задача диспетчеризащи при ограничениях на длину очереди.Среди них в первую очередь следует указать работы Г.П.Башарина и его учеников, положившие начало работ в этом направлении у нас в стране, а также работы В.В.Мовы и Л.А.Пономаренко, разработавших принципиально новый метод диспетче-ризации-ситуационную диспетчеризацию.
Этот метод диспетчеризации занимает в настоящее время одно из центральных мест в прикладной теории массового обслуживания, о чём свидетельствует большое количество публикаций, посвященных этой проблеме (7-24J.B этом перечне приведена только часть работ, опубликованных после выхода монографииJ25J.Однако изучениелитературы, посвященной ситуационной диспетчеризации показало, что эти работы касаются классических, чаще всего однолинейных, систем массового обслуживания, где выполняются следующие предпосылки:
I. Заявка использует одновременно не более,чем один прибор системы.
Приборы простаивают лишь тогда, когда на входе системы нет запросов на обслуживание.
Ни один прибор не вызывает блокировки работы другого прибора.
Однако функционирование системы обслуживания потребителей на распределительных нефтебазах адекватно описывается СМО, где не выполняются вышеуказанные предпосылки.Почти полностью отсутствуют работы по оптимальной диспетчеризации ДПМП, где не выполняются вышеуказанные предпосылки. Это прежде всего объясняется тем, что данный класс СМО ещё недостаточно исследован.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка математических моделей процессов обслуживания потребителей на распределительных нефтебазах на базе ситуационного приоритетного управления, получение эффективных вычислительных методов расчёта ситуационных приоритетов и алгоритмов оптимального ситуационного управления,реализующие полученные решения, и разработка методики использования полученных результатов при создании АСУ обслуживанием потребителей на распределительных нефтебазах.
В результате выполнения поставленной задачи получены следующие основные научные результаты, выносимые на защиту:
Применён аппарат управляемых СМО с ситуационными приоритетами для решения задач диспетчеризации на распределительных нефтебазах.
Расширен класс управляемых СМО с ситуационными приоритетами следующими системами: с совместным обслуживанием заявок параллельно работающими приборами; с вынужденными простоями обслуживающих приборов; с блокировкой приборов.
Определён критерий эффективности функционирования исследуемых систем.
Разработаны алгоритмы оптимального ситуационного управления процессами обслуживания потребителей на распределительных нефтебазах.
Диссертационная работа состоит из введения,3-х глав,заключения,списка литературы и 3-х приложений.Работа содержит 86 страниц машинописного текста, 13 рисунков и 109 наименований в списке литературы.
В первой главе диссертационной работы анализируются основные вопросы применения управляемых систем массового обслуживания (УСМО) для диспетчеризации ДПМП, отмечается актуальность рассмотрения вероятностных моделей, даётся обзор основных достижений в области изучения УСМО, обосновывается выбор соответствующих вероятностных характеристик в автоматизированной системе обслуживания потребителей на распределительных нефтебазах.
Во второй главе даётся математическая постановка задачи диспетчеризации, определяется выбор исследуемых моделей УСМО с ситуационными приоритетами, вводится их классификация.Для всех типов моделей и их комбинаций найдены уравнения стационарных вероятностей состояний.
В третьей главе задаются критерий эффективности, определяется метод и алгоритмы нахождения оптимальных ситуационных приоритетов, а также указывается метод определения характеристик системы при бесприоритетном обслуживании.Рассматриваются проблемы реализации полученных алгоритмов в системе диспетчеризации автоцистерн на распределительных нефтебазах.Приводятся некоторые результаты исследования эффективности введения ситуационных приоритетов.
Практическая ценность предлагаемой работы заключается в разработке методов и средств, позволяющих разрабатывать оптимальные системы управления процессами обслуживания потребителей на распределительных нефтебазах. Экономический эффект внедрения таких систем на одной распределительной нефтебазе составляет более 12 тыс.руб. в год. Документы, подтверждающие апробирование полученных результатов в производстве, приведены в приложении I.
Основные результаты диссертации доложены на семинарах в Институте математики АН УССР (руководитель семинара академик АН УССР В.С.Королюк), в Киевском институте автоматики им.ХХУ съезда КПСС(руководители семинара А.И.Сбитнев и Л.А.Пономаренко), на Республиканской научно-технической конференции"Основные проблемы повьппения технического уровня транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов" (Симферополь, 1983г.), на П Республиканском научно-техническом семинаре молодых специалистов в различных областях нефтяной и газовой промышленности (Баку,1984г.), на научно-техническом совещании"Механизация и автоматизация производственных процессов нефтебазового хозяйства и резервуарных парков нефтепромыслов и нефтезаводов "(Херсон, 1984г.).
Вопросы применения управляемых систем массового обслуживания для диспетчеризации дискретных процессов
Все растущая сложность производственных процессов как объектов управления приводит в конечном счёте к усложнению задачи управления такими объектами. Наличие различных ограничений на временные интервалы формирования управленческих решений усугубляют сложность проблемы.
Одним из наиболее эффективных путей разрешения этой проблемы является разработка и внедрение автоматизированных систем управления на базе современной вычислительной техники. К числу других методов, способствующих решению указанной проблемы,можно отнести поиск средств описания объекта управления, задач управления, формирования и реализации управленческих решений, методы решения задач оптимизации и другие.
При описании объекта управления и механизма формирования и реализации управленческого решения одним из определяющих факторов является представление всей системы управления производством как некоторой многоуровневой системы, при этом на самом нижнем уровне иерархии стоит производственный процесс.
Описание сложного производственного процесса неизбежно приводит к необходимости поиска компромисса между простотой описания объекта управления и необходимостью учёта многочисленных характеристик объекта и физических ограничений, связанных с процессом, а также компромисса между оперативностью формирования управленческого решения и качеством такого решения.
Особенность экономико-математических исследований, используемых с целью описания объекта управления, порождает два подхода к их проведению.
Первый подход состоит в построении упрощённой модели реального процесса, которая имеет заданную структуру, и в использовании для её численного исследования известных алгоритмов. Второй подход заключается в построении сложной, но достаточно адекватной реальному процессу модели с последующей разработкой алгоритма для её численного исследования.
Области приложения того или иного подхода, а также достоинства и недостатки каждого подхода хорошо известны. Однако, несмотря на трудоёмкость второго подхода ввиду комплексного характера исследований, этот метод более эффективен ввиду повышения адекватности моделей реальному процессу, что в свою очередь приводит к повышению действенности и эффективности решений, формируемых с помощью этих моделей.
Оба подхода с определённым успехом применяются для задач диспетчеризации информационных и материально-производственных потоков дискретных процессов массового производства. При этом в зависимости от наличия случайных возмущений действующих на объект управления применяются детерминистические или вероятностные модели управления.
Детерминистический подход к моделированию ДПМП используется в основном при решении задач оперативно-календарного планирования и базируется на широком использовании методов теории расписаний [26, 27J . Модели теории расписаний основываются на том факте, что основные параметры объекта управления являются строго детерминированными и полностью известны. Это означает, что заранее определены моменты поступления требований потока, а также точно известно, сколько времени потребуется для их обработки. В таких случаях вне оперативного функционирования объекта управления на основе достоверной информации можно составить план последовательности выполнения операций на достаточно длинный интервал времени. Однако как указывалось выше в ряде случаев производственные процессы характеризуются наличием большого числа возмущающих факторов, действующих на объект управления, что ограничивает области приложения теории расписаний.
Бесприоритетное обслуживание
Для того, чтобы убедиться в эффективности применения ситуационных приоритетов в задачах диспетчеризации требуется предварительное определение вероятностных характеристик рассмотренных систем при бес приоритетном обслуживании, то есть при дисциплине обслуживания FCP3 - "первый пришёл - первый обслужен". Во всех моделях, исследуемых в данной работе используется аппарат мартовских процессов. Обоснуем его применение для исследуемых моделей.
Известно, что случайный процесс является марковским, если для всех фазовых траекторий вероятность попадания системы в некоторое последующее состояния зависит только от того, в каком состоянии она находится в данное время и не зависит от предистории IQ&J . Рассматривая систему в моменты поступления в очередь пуассоновских входящих потоков заявок, обладающих свойством отсутствия последействия и на этапах их обслуживания, время которого распределено по экспоненциальному закону, получаем цепь, обладающую марковским свойством.
Для однородной цепи Маркова условная вероятность Г (S, Ь"Н) К , если известно, что в момент 5 она была в состоянии I , зависит только от Ь и К (от состояний) и длина временного интервала (S,S+t), т.е. от t .В таких случаях опускается зй висимость от начала временного интервала и вышеуказанную вероятность можно обозначить через И \t). Известно, что для не-приводимой непериодической однородной цепи Маркова все состояния эргодические, т.е. независимо от начального состояния цепи существует величина, обратная среднему времени возвращения в состояние К . Множество JL V , (, К = 1, К,), К - число возможных состояний цепи) представляет собой предельное распределение вероятностей состояний, называемых далее стационарными вероятностями состояний.
Следует отметить, что функционирование исследуемых цепей не может описываться классической моделью "размножения и гибели" [37] , так как в ней возможны переходы не только в соседние состояния. Это обстоятельство не позволяет воспользоваться готовыми формулами для определения характеристик рассматриваемых систем и требует разработки специальной модели.
Для определения стационарных вероятностей состояний используется граф-схема возможных переходов мартовского процесса, при этом прямоугольниками изображаются все возможные состояния процесса, а стрелками - возможные переходные интенсивности (условные и безусловные). После этого для стационарного случая составляются уравнения Чепмена-Колмогорова [ 37 J для всех стационарных вероятностей состояний.
Краткая характеристика объекта управления
В современных условиях большое значение приобретает всемерное повышение эффективности систем нефтепродуктообеспечения, обеспечивающих органическую связь между нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленностью и потребителями нефтепродуктов. Рациональная организация работы системы нефтепродуктообеспечения способствует нормальному функционированию практически всех отраслей народного хозяйства, является одним из реальных путей обеспечения успешного выполнения продовольственной программы страны.
Основным звеном в системе обеспечения народного хозяйства нефтепродуктами являются нефтебазы. На нефтебазы в качестве первостепенной возложена задача бесперебойного и своевременного, без качественных и количественных потерь, обеспечения нефтепродуктами потребителей народного хозяйства, находящихся как в зоне её деятельности, так и за её пределами с помощью различного вида транспорта.
Для осуществления этой сложной задачи нефтебазы выполняют большой объём работы, в том числе изучают на территории своей деятельности потребность народного хозяйства в нефтепродуктах, заключают договоры с поставщиками и потребителями нефтепродуктов, обеспечивают выполнение планов перевозок нефтепродуктов и другие.
Анализ процессов функционирования нефтебаз показал, что все нефтебазы независимо от их типа и категории выполняют одни и те же функции: приём нефтепродуктов от поставщиков и отгрузка их потребителям. Однако нефтебазы существенно отличаются друг от друга по различным признакам. Этими признаками могут быть организационная и производственная структура, технологическое оборудование и другие. В настоящее время в качестве основных признаков для классификации нефтебаз используются следующие [89 ] :
- объём грузооборота;
- характер оперативной деятельности;
- транспортные связи.
По объёму грузооборота нефтебазы делятся на шесть категорий L89J .
В зависимости от характера оперативной деятельности нефтебазы делятся на распределительные и перевалочные. Распределительные нефтебазы предназначены для снабжения нефтепродуктами потребителей, территориально расположенных в районе их обслуживания, а перевалочные нефтебазы кроме этого поставляют нефтепродукты в другие районы страны и отгружают на экспорт. В настоящее время подавляющее большинство нефтебаз, а именно более 95% относится к распределительным.
Похожие диссертации на Ситуационное управление процессами обслуживания потребителей на распределительных нефтебазах
