Введение к работе
Актуальность проблемы. На протяжении последних лет экономики ведущих стран мира развиваются с использованием ресурсо-энергосберегающих технологий. Это, главным образом, обусловлено уменьшающимися запасами традиционных видов топлива. При возрастающей необходимости разработки новых альтернативных источников энергии важное значение приобретают возобновляемые энергетические ресурсы. Важность переоценки роли местных возобновляемых источников энергии в развитии энергетики зафиксирована в Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года и определена Указом Президента Российской Федерации Д.А. Медведева. Использование местных возобновляемых источников энергии позволит получить положительный экономический эффект, обеспечит энергетическую безопасность и снижение негативного воздействия на экологическую систему территории Удмуртской Республики (УР), а также будет способствовать появлению новых видов промышленного производства. В УР развиты лесозаготовительная и деревообрабатывающая промышленность. Как показывают расчеты, энергетический потенциал древесных отходов достаточен для удовлетворения потребностей распределенной системы энергоснабжения региона. Оптимальное решение задачи топливоснабжения региона требует системного логистического подхода, который является базовым при построении теории планирования, управления и контроля процессов движения материальных, энергетических и информационных потоков в распределенной системе теплоснабжения региона.
Степень разработанности тематики. Теория управления организационными системами является интенсивно развивающейся областью. В настоящее время сформирован ряд научных центров, работающих в данном направлении, ведущим из которых является Институт проблем управления РАН. Существенный вклад в развитие теории управления организационными системами внесли Д.А. Новиков, В.Н. Бурков, В.И. Воропаев, В.А. Ириков, Г.С. Поспелов, В.И. Либерзон и др. Элементами этой теории являются построение математических моделей транспортных систем, кластерный анализ, управление материальными запасами. Математическим моделям транспортных систем, постановкам таких задач и методам их решения посвящены работы A.C. Беленького, А.Э. Горева, Г.А. Крыжановского, И.И. Меламеда, Ю.И. Палагина и др. Кластерный анализ изучали как зарубежные, так и отечественные исследователи, в том числе: Д.Н. Ланс, У.Т. Уиллиамс, Д.А Хартиган, М.А. Вонг, T.K. Кохонен, С.А. Айвазян, B.C. Мхитарян и др. Большое внимание различным способам управления материальными запасами уделено в работах Б.А. Аникина, А.М. Гаджинского, А.М. Зевакова, В.С. Лукинского, А.Р. Радионова, Д.Дж. Бауэрсокса, Д.Дж. Клосса, О. Уайта. В настоящее время, как в России, так и в других странах, осуществляются научно-исследовательские и прикладные работы, связанные с построением систем управления запасами. Решением задач, связанных с разработкой методов и подходов к управлению запасами, занимаются многие ученые, среди которых Е.Б. Грибанова, Л.В. Бондаренко, А.И. Поташев, А.П. Долгов, О.А. Назаркин и др.
Объектом исследования является логистическая система топливоснабжения региона.
Предметом исследования являются модели построения логистических систем и методы решения логистических задач.
Целью диссертационной работы является разработка математического инструментария для решения задачи логистики топливоснабжения региона.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
-
Разработка математической модели задачи логистики топливоснабжения региональной системы теплоснабжения на основе местных возобновляемых видов топлива из древесного сырья.
-
Разработка алгоритма решения задачи логистики топливоснабжения региона.
-
Разработка информационно-аналитической системы для решения задачи логистики топливоснабжения региона.
-
Решение задачи логистики топливоснабжения на примере системы теплоснабжения Удмуртской Республики:
разработка оптимальной схемы размещения предприятий по производству древесных видов топлива и расчет необходимой производительности предприятий;
расчет оптимальных маршрутов поставок древесного сырья и топлива;
построение оптимального управления запасами.
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, методы теории оптимального управления, методы оптимизации, методы кластерного анализа и численные методы решения дифференциальных уравнений.
Достоверность и обоснованность полученных результатов. Методы, применяемые в диссертационном исследовании, обуславливают необходимый уровень его достоверности. В качестве основных факторов достоверности работы можно перечислить использование теории оптимального управления, квалифицированное владение инструментарием математического моделирования логистических систем.
При использовании численных методов достоверность обеспечена проведенными исследованиями их сходимости.
Полученные выводы по формированию логистической системы топливоснабжения региона подтверждаются содержательным анализом специфики исследуемых систем и их качественными особенностями.
На защиту выносятся.
-
Математическая модель задачи логистики топливоснабжения региона, включающей в себя задачи маршрутизации, кластерного анализа, оптимального распределения ресурсов, оптимального управления запасами.
-
Алгоритм решения задачи логистики топливоснабжения, состоящий из алгоритмов решения задач маршрутизации, кластерного анализа, оптимального распределения ресурсов и управления запасами.
-
Информационно-аналитическая система топливоснабжения региональной системы теплоснабжения, включающая в себя: электронную карту, базу данных по объектам топливоснабжения и инфраструктуры, программный комплекс, в котором реализован алгоритм решения задачи логистики топливоснабжения распределенной системы теплоснабжения региона.
-
Результаты решения логистической задачи топливоснабжения на примере системы теплоснабжения Удмуртской Республики: схема размещения предприятий по производству древесных видов топлива, их производительность, маршруты, объемы и периодичность поставок древесного сырья и топлива между различными уровнями логистической системы.
Научная новизна.
-
Математическая модель задачи логистики топливоснабжения впервые объединяет этапы заготовки, переработки и распределения топлива потребителям с учетом переменной динамики его потребления.
-
Комплексный алгоритм решения логистической задачи топливоснабжения для построения оптимального управления в многоуровневых системах впервые объединяет алгоритмы решения задач маршрутизации, кластерного анализа, оптимального распределения ресурсов и управления запасами.
-
Генетический алгоритм решения задачи маршрутизации, в котором формирование начальной популяции осуществляется с помощью модифицированного алгоритма Астар и метода Йена, является новым и более эффективным.
-
В информационно-аналитической системе топливоснабжения впервые программно реализованы возможность визуального отображения данных в картографическом виде, алгоритм решения задачи логистики и анализ результатов оптимального управления топливоснабжением распределенной системы теплоснабжения региона.
-
Впервые для Удмуртской Республики определены оптимальные характеристики четырехуровневой логистической системы топливоснабжения: разработана схема размещения предприятий по производству древесных видов топлива, определена производительность предприятий, построены маршруты, рассчитаны объемы и определена периодичность поставок древесного сырья и топлива между различными уровнями логистической системы.
Значение результатов для теории и для практики.
Разработанные алгоритмы решения задач оптимального управления являются вкладом в математический инструментарий построения многоуровневых логистических систем топливоснабжения региона.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы по направлениям “Новые и возобновляемые источники энергии” и “Производства топлив и энергии из органического сырья”.
Разработанная информационно-аналитическая система топливоснабжения региональной системы теплоснабжения может быть использована при реализации Концепции республиканской целевой программы «Снабжение Удмуртской Республики местными возобновляемыми видами топлива».
Материалы диссертационной работы используются при обучении студентов ИжГТУ по направлению 231300 «Прикладная математика» и специальности 061800 «Математические методы в экономике».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, выставках и конкурсах: Международная научная конференция “Понтрягинские чтения – XXI” (Воронеж, 3-9 мая 2010); Региональная научно-техническая конференция “Прикладная математика” (Ижевск, 14 мая 2010); Научно-практическая конференция молодых ученых “Математическое моделирование и информационные технологии” (Ижевск, 27 мая 2010); Международная конференция “Математическое моделирование социальной и экономической динамики” (Москва, 23-25 июня 2010); Международная конференция “Математическая физика и ее приложение” (Самара, 29 августа 2010); Международная конференция “Инновационные информационные технологии: теория и практика” (Германия, Дрезден, сентябрь 2010); Международная конференция “Энергосбережение – теория и практика” (Москва, 18-22 октября 2010); Международная научная конференция “Актуальные направления развития прикладной математики в энергетике, энергоэффективности и информационных технологиях” (Москва, 27 октября 2010); Международная научно-практическая конференция “Энергетика и энергоэффективные технологии” (Липецк, 30 октября 2010); IX выставка-сессия инновационных работ (Ижевск, 15-16 апреля 2010); Всероссийская выставка “Энергетика. Энергосбережение-2010” (Ижевск, 16-17 ноября 2010); X выставка-сессия инновационных работ (Ижевск, 23-24 ноября 2010); Региональный конкурс “10 лучших инновационных идей студентов УР” (Ижевск, май 2010); Всероссийский конкурс выпускных квалификационных работ “Математические методы в экономике” (Уфа, декабрь 2010).
Публикации.
Результаты работы отражены в 11 научных публикациях: 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, 1 монография, 3 статьи в сборниках трудов международных конференций, 5 тезисов докладов.
Результаты диссертационного исследования были использованы при выполнении государственных контрактов по темам: «Исследование и разработка технологии получения возобновляемого энергетического ресурса из биологической массы для удовлетворения потребностей распределенной системы энергоснабжения региона» (руководитель: д.т.н., профессор И.Г. Русяк); «Совершенствование технологии получения топлива и энергии из органического сырья для удовлетворения потребностей распределенной системы энергоснабжения региона» (руководитель: д.т.н., профессор И.Г. Русяк); «Разработка Концепции республиканской целевой программы «Снабжение Удмуртской Республики местными возобновляемыми видами топлива» (руководитель: д.т.н., профессор И.Г. Русяк); «Разработка математического аппарата решения задач оптимального управления для различных переходных режимов экономики с учетом влияния многих факторов» (руководитель: д.ф.-м.н., профессор К.В. Кетова).
Личный вклад диссертанта заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования, включающих разработку теоретических подходов к решению исследуемой проблемы, моделирование изучаемых процессов, математическое описание, разработку методов решения и анализ результатов.
Структура и объем работы.
