Введение к работе
Актуальность темы. Задачи оптимальной компоновки сложных технических систем (ТС) широко распространены как в проектно-конструкторской, так и в инженерно-технологической деятельности. Оптимальная упаковка грузов в контейнерах, компоновка оборудования промышленных предприятий, компоновка отсеков летательных аппаратов, компоновка блоков, узлов и элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), интегральных микросхем — все это задачи оптимальной компоновки, имеющие большое практическое значение.
Компоновка химических производств (ХП) является комплексной инженерно-технической задачей, включающих два взаимосвязанных этапа - размещение единиц оборудования (ЕО) и трассировка технологических трубопроводов (ТТ). Оптимизация компоновки ХП является важным инженерно-техническим фактором повышения ресурсоэнергоэффективности ХП, который позволяет: уменьшить капитальные затраты на проектируемое производство за счет снижения металлоемкости труб, сокращения протяженности и упрощения конфигурации ТТ, что дает возможность сократить число фасонных частей ТТ, упрощения строительных конструкций; сократить эксплуатационные затраты ХП на перемещение технологических потоков насосами или компрессорами; повысить эффективность использования производственных площадей, а также сократить амортизационные отчисления, затраты на техническое обслуживание (ТО) и ремонт ЕО.
Задача оптимизации компоновки относится к классу наиболее трудоемких эври-стико-вычислительных задач математического моделирования и оптимизации химико-технологических систем (ХТС), которыми являются ХП, поскольку для ее решения необходимо прежде всего осуществлять приобретение и переработку знаний об операциях монтажно-технологического проектирования ХП, о физико-химических и гидродинамических условиях функционирования системы ТТ, процессов и аппаратов ХП, о различных конструкционных и геометрических ограничениях, а затем уже проводить определенные вычислительные операции над данными для выбора оптимального компоновочного решения. Методы и алгоритмы поиска оптимальной компоновки ХП позволят не только сократить сроки разработки аппаратурного оформления ХТС, но также повысить показатели ресурсоэнергоэффективности ХП.
Основные методы решения задачи оптимальной компоновки ХП изложены в работах отечественных ученых: академика Кафарова В.В., член-корр. РАН, проф. Ме-шалкина В.П., проф. Егорова С.Я., проф. Зайцева И.Д., проф. Малыгина Е.Н., а также зарубежных ученых Georgiadis М.С., Papageorgiou L.G., Rotstein G.E., Swaney R.E. Анализ работ указанных ученых показал, что в большинстве из них предложены методы решения 2-хмерной задачи оптимальной компоновки, которая не учитывает возможности размещения оборудования ХП на различных высотных отметках с использованием строительных конструкций. В работах чл.-корр. РАН, проф. Мешалки-на В.П. и его учеников основное внимание уделяется разработке эвристико-вычислительных методов оптимальной компоновки ХП, которые требуют активного диалога специалиста-проектировщика, или лица, принимающего решения (ЛПР), с ЭВМ. В этом случае качество полученного решения существенно зависит от квалификации ЛПР, его профессиональной компетентности и априорных представлений о результатах компоновки.
С другой стороны, существующие эвристические методы решения задачи оптимального размещения геометрических объектов в 3-хмерном пространстве, представ-
ленные в работах отечественных и зарубежных ученых проф. Валеевой А.Ф., проф. Гаврилова В.Н., проф. Курейчика В.М., проф. Мухачевой Э.А., проф. Норенкова И.П., проф. Стояна Ю.Г., Bortfeldt A., Cagan J., George J.A., Gilmore P.C., Lim A., Lodi A., Martello S., Pisinger D., Robinson D. F., Saaty Т., Szykman S., Vigo D., позволяют получать оптимальные решения за счет более плотной компоновки, однако они не учитывают необходимые ограничения специальных предметных областей и в большинстве случаев не могут быть просто адаптированы к решению задачи оптимального размещения оборудования ХП.
Тесно связанная с задачей оптимального размещения оборудования ХП задача оптимальной трассировки ТТ, а также более общая задача трассировки соединений группы объектов в трехмерном пространстве, мало освещена в научно-технической литературе, а адаптация существующих методов трассировки плоскостной задачи для 3-хмерного случая в большинстве случаев приводит к значительному возрастанию вычислительной сложности задачи.
Таким образом, задача разработки математических моделей и эвристико-вычислительных алгоритмов оптимальной ресурсоэнергоэффективной компоновки ХП с учетом специальных ограничений предметной области, а также реализация их в виде комплекса программ, является актуальной научной и прикладной задачей, так как позволяет увеличить эффективность использования производственных площадей, а также сократить капитальные и эксплуатационные затраты ХП за счет уменьшения материалоемкости связывающих сетей ТТ и энергозатрат на перекачку технологических потоков.
Основные разделы диссертационной работы соответствуют пунктам «28. Системный анализ, искусственный интеллект, системы распознавания образов, принятие решений при многих критериях» и «38. Научные основы экологически безопасных и ресурсосберегающих химико-технологических процессов» Плана фундаментальных научных исследований РАН на 2008-2012 годы, а также перечню критических технологий - «Компьютерное моделирование» и «Искусственный интеллект» - и приоритетных направлений - «Информационно-телекоммуникационные системы» и «Энергосберегающие технологии», определенных «Основами политики РФ в области развития науки и технологии на период до 2010 г. и на дальнейшую перспективу».
Цель диссертационной работы - разработка математических моделей, топологических декомпозиционно-эвристических алгоритмов, комплекса программ оптимальной ресурсоэнергоэффективной компоновки химических производств с учетом инженерно-технологических, физико-химических и гидродинамических ограничений предметной области. Для достижения указанной цели потребовалось сформулировать и решить следующие основные научные задачи:
Разработка декомпозиционно-эвристического алгоритма оптимального размещения ЕО в 3-хмерном пространстве, учитывающего инженерно-технологические и физико-химические ограничения на компоновку ХП, позволяющего получить конструкционно-рациональные решения с учетом технологических особенностей и требований безопасности.
Создание моделей представления знаний об инженерно-технологических ограничениях компоновки ХП.
Разработка топологическо-эвристического алгоритма оптимальной трассировки разветвленных связывающих сетей ТТ с использованием метаэвристики муравьиных колоний, моделирующей разумное поведение насекомых.
Разработка метода минимизации размерности исходной топологической модели геометрического пространства в виде редуцированного обобщенного гипотетического конструкционного графа (ОГКГ) нерегулярной структуры, используемого в алгоритме оптимальной трассировки ТТ.
Разработка архитектуры и режимов функционирования прикладного программно-информационного обеспечения на основе предложенных моделей и алгоритмов компоновки ХП.
Оценка эффективности разработанных топологических декомпозиционно-эвристических алгоритмов при решении тестовых задач размещения и трассировки в 2- и 3-хмерном пространстве.
Методы исследования в диссертации: методы системного анализа, комбинаторики и теории дискретной оптимизации, теории графов, стандартные схемы метаэв-ристических методов. При разработке комплекса программ использовались принципы модульного и объектно-ориентированного программирования.
Основные положения, выносимые на защиту.
Инженерно-технологическая и математическая постановка задачи оптимальной ресурсоэнергоэффективной компоновки ХП как эвристико-вычислительной задачи поиска компоновочного решения по минимуму приведенных затрат, которому соответствуют оптимальные показатели материало-, ресурсо- и энергоемкости данного ХП.
Компьютерные модели представления знаний в области компоновки ХП, отображающих монтажно-технологические, физико-химические и гидродинамические ограничения.
Декомпозиционно-эвристический алгоритм оптимального размещения ЕО, позволяющий получать оптимальные решения по назначению месторасположения ЕО, обеспечивающие минимум приведенных затрат.
Редукционный топологическо-эвристический алгоритм оптимальной трассировки разветвленных сетей ТТ с использованием метаэвристики муравьиных колоний, осуществляющий поиск конфигурации трасс ТТ на топологической модели пространства в виде редукционного ОГКГ нерегулярной структуры.
Архитектура и режимы функционирования комплекса программ «ChemPlant», реализующего предложенные математические модели и алгоритмы оптимальной ресурсоэнергоэффективной компоновки ХП.
Результаты вычислительных экспериментов по оценке эффективности разработанных топологических и эвристико-вычислительных алгоритмов оптимального размещения и трассировки.
Результаты оптимальной ресурсоэнергоэффективной компоновки установки получения синтез-газа в крупнотоннажном производстве аммиака.
Обоснованность научных результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на использовании апробированных научных положений и методов исследования, корректном применении методов теории графов и теории искусственного интеллекта, согласованности новых результатов с известными теоретическими положениями.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается проведенными многочисленными численными экспериментами, результаты которых позволяют сделать вывод об адекватности разработанных математических моделей и работоспособности созданных алгоритмов.
Научная новизна основных результатов работы состоит в следующем:
Сформулирована инженерно-технологическая постановка задачи оптимальной ресурсоэнергоэффективной компоновки ХП. Классифицированы требования к математической постановке задачи оптимальной компоновки в виде знаний по теории процессов и аппаратов химической технологии, об инженерно-технологических, физико-химических и гидродинамических ограничениях при поиске рациональной компоновки ХП, которые сформулированы в виде фреймов как семантико-фактографических моделях.
Разработан декомпозиционно-эвристический алгоритм (ДЭ-алгоритм) оптимального размещения ЕО в 3-хмерном пространстве, отличающийся использованием набора эвристических правил инженерно-технических, физико-химических и гидродинамических ограничений компоновки ХП и модифицированного генетического алгоритма для поиска оптимальной последовательности размещения ЕО с учетом их высотного расположения, что позволяет получать оптимальные монтажно-технические компоновочные решения по минимуму капитальных и эксплуатационных затрат. Разработанный ДЭ-алгоритм может быть использован для решения как 2-х, так и 3-хмерной задачи оптимального размещения.
Предложен быстродействующий редукционный топологическо-эвристический алгоритм (РТЭ-алгоритм) оптимальной трассировки 3-хмерных разветвленных сетей ТТ, отличающийся использованием автоматизированных процедур построения топологической модели пространства в виде редукционного ОКГК нерегулярной структуры и остовных деревьев Штейнера с применением муравьиных алгоритмов, имитирующих целенаправленное поведение колоний насекомых, что позволяет осуществлять поиск оптимальной конфигурации трасс ТТ по минимуму приведенных затрат. Разработанный РТЭ-алгоритм позволяет осуществлять трассировку в 2-х и 3-хмерном пространстве.
Обоснована эффективность разработанного декомпозиционно-эвристического алгоритма размещения ЕО по сравнению с известным алгоритмом сужающихся окружностей при решении задачи компоновки абстрактных геометрических объектов по критерию плотности упаковки.
Разработаны архитектура и режимы функционирования комплекса программ «ChemPlant», реализующего предложенные модели и алгоритмы компоновки ХП.
Научная значимость работы. Разработанные в диссертации математические модели и алгоритмы вносят определенный вклад в развитие теории оптимальной компоновки сложных 3-хмерных технологических систем, которыми являются в том числе химические предприятия и теплоэнергетические установки, а также в развитие эвристико-вычислительных методов решения задач оптимального раскроя материалов, оптимальной упаковки грузов в контейнеры, оптимальной компоновки блоков и элементов радиоэлектронной аппаратуры и трассировки печатных плат, а также задач оптимальной прокладки сложных инженерных коммуникаций, включая прокладку магистральных трубопроводов.
Практическая значимость работы.
1. С использованием предложенного ДЭ- и РТЭ-алгоритмов разработан комплекс программ «ChemPlant» оптимальной ресурсоэнергоэффективной компоновки промышленных производств, реализованного с применением средств объектно-
Стоян Ю.Г., Соколовский В.З. Решение некоторых многоэкстремальных задач методом сужающихся окрестностей. - Киев: Наук, думка, 1980.
ориентированного программирования на языке C++, позволяющего сократить время принятия оптимальных проектных решений и повысить показатели ресурсоэнерго-эффективности проектируемых ХП.
С использованием разработанных алгоритмов и комплекса программ получены оптимальные ресурсоэнергоэффективные компоновочные решения для установки получения синтез-газа в крупнотоннажном производстве аммиака, для производства сульфата аммония, а также для объектов теплоэнергетики, в том числе промышленной водогрейной котельной.
Разработанный ДЭ-алгоритм оптимального размещения универсален и может быть использован для решения практических задач оптимального раскроя материалов, оптимальной упаковки грузов в контейнерах, оптимального размещения грузов на складе, оптимального размещения элементов на печатных платах и оптимальной компоновки блоков РЭА и т.д.
Разработанный РТЭ-алгоритм оптимальной трассировки ТТ может найти применение при решении задач трассировки соединений проводников сверхбольших интегральных схем (СБИС), используемых в современной вычислительных комплексах, печатных плат устройств РЭА, поиска оптимального маршрута в системах навигации, прокладки инженерных коммуникаций, линий связи и пр.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы реализованы в виде комплекса программ «ChemPlant», с помощью которого решена задача оптимальной компоновки в крупнотоннажном производстве аммиака на предприятии по производству минеральных удобрений ОАО «Дорогобуж». Комплекс программ «ChemPlant» может быть использован в проектных и инженерно-конструкторских организациях перерабатывающих отраслей промышленности, радиоэлектроники, приборо- и машиностроения.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на III, IV и V Межрегиональной научно-технической конференции "Информационные технологии, энергетика и экономика", Смоленск, 2006-2008; на XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2007; на XIX и XX Международной научной конференция «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ», Воронеж, 2006, Ярославль, 2007, 4-ой Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» («ЛЭРЭП-4-2009»), Самара, 2009, а также на научных семинарах в РХТУ им. Д.И.Менделеева.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 20 публикациях, в том числе в 4 статьях в изданиях перечня ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Диссертация изложена на 190 страницах, содержит 74 иллюстрации и 8 таблиц. Библиография включает 116 наименований.
