Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние оценки химического оборудования в условиях тендера 8
1.1. Особенности ввода нового оборудования и методологии проведения тендеров на его поставку 8
1.2. Оценка объектов, участвующих в конкурсных торгах 18
1.3. Текущее состояние оценки химического оборудования 28
1.4. Многокритериальная оценка альтернатив 43
1.5. Экспертные системы для оценки объектов 48
1.6. Выводы по Главе 1 57
Постановка задачи 60
ГЛАВА 2. Разработка средств системного анализа для оценки химического оборудования на основе экспертной и предметной информации 61
2.1. Этапы разработки средств системного анализа для оценки химического оборудования 61
2.2. Построение иерархической системы групповых (агрегированных) и частных критериев (параметров, понятий) качества 64
2.3. Построение информационного пространства предметной области химической технологии: системы понятий и отношений между ними 70
2.4. Разработка общей логико-математической модели процедуры оценки химико-технологического оборудования 77
2.5. Выводы по главе 2 80
ГЛАВА 3. Применение средств системного анализа для оценки сушильного оборудования в условиях тендера 81
3.1. Построение иерархической системы показателей качества сушильного оборудования 81
3.2. Построение информационного пространства предметной области сушильных технологий 97
3.3. Разработка логико-математической модели процедуры оценки сушильного оборудования 103
3.4. Вывод по Главе 3 115
ГЛАВА 4. Алгоритм математической обработки экспертных данных, получаемых в ходе процедуры оценки 116
4.1. Этапы и блок-схема алгоритма 116
4.2. Пример расчета тендера установок барабанной сушки для измельченной коры и древесных отходов 123
4.3. Вывод по Главе 4 133
ГЛАВА 5. Проектирование и программная реализация системы 134
5.1. Описание блоков и работы системы 134
5.2. Вывод по Главе 5 149
Общие выводы 150
- Особенности ввода нового оборудования и методологии проведения тендеров на его поставку
- Этапы разработки средств системного анализа для оценки химического оборудования
- Построение иерархической системы показателей качества сушильного оборудования
- Пример расчета тендера установок барабанной сушки для измельченной коры и древесных отходов
Введение к работе
Развитие химической и нефтеперерабатывающей промышленности России и напряженность эксплуатации оборудования обуславливают необходимость решения проблем ввода новых мощностей, замены морально и физически устаревшего технического парка предприятий. В настоящее время выработаны несколько направлений решения данных проблем. Первое - проектирование оборудования при помощи систем автоматизированного проектирования и его последующее изготовление. Второе — это поставка стандартного оборудования по заключенным с производителями договорам. Третье направление, которое в последние несколько лет становится популярным в России - это проведение тендеров или конкурсных торгов на поставку оборудования.
Практика развития промышленных предприятий обуславливает не только необходимость конструирования новых видов аппаратуры, но и быстрой смены оборудования. В условиях необходимости быстрой смены третье направление — проведение тендеров признается перспективным по следующим причинам. Проектирование требует разработки новых САПР, так как уже разработанные системы обладают неактуальными базами данных и не могут работать на современной компьютерной технике. Также необходимо организовать авторский надзор за изготовлением и пуско-наладочными работами, при этом полный цикл работ составляет несколько лет. Поставка стандартного оборудования также требует пуско-наладочных работ и корректной оценки при выборе, которую провести собственными силами предприятия не всегда представляется возможным. Перспективность третьего направления заключает в том, что заказчик может выбрать наиболее подходящий для своих нужд вариант из предложенных на конкурс нескольких вариантов оборудования от различных поставщиков. При этом оценивается как техническая, так и экономическая сторона предложений.
Типовая ситуация тендера на поставку оборудования или на обустройство каких-либо объектов приводит к необходимости принятия волевого решения на
основании в той или иной мере обоснованных и объективных экспертных оценок потребительских свойств и качеств всего набора оборудования, или его частей, включая отдельные функционально замкнутые элементы. Категоричность этого утверждения оправдана в ситуации, когда материальная и временная разница между объективно лучшим предложением и принятым решением - результатом тендера принципиально не может быть значительной по отношению к общему объему располагаемых ресурсов, либо указанная разница сопоставима с точностью решения, что означает примерную равноценность сравниваемых объектов. В случае рассматриваемой задачи масштабность и сложность объектов сравнения как в материальном выражении, так и в смысле их влияния на состояние окружающей среды, высокая вероятность тиражирования принятого решения, значительная стоимость энергоносителей (пара, топлива, энергии) в оборудовании предприятий химической промышленности, заставляют искать подходы к решению тендера, реализующие алгоритмы минимизации субъективного начала при решении, что принципиально означает минимизацию отклонения от «идеального» решения.
Очевидно, что одним из путей реализации этих подходов является более глубокая формализация и автоматизация алгоритма сравнения совокупностей оборудования, предлагаемого в общем случае различными фирмами для создания новых и модернизации существующих технологических парков или их составляющих. В связи с этим актуально направление разработки систем поддержки принятия решения в условиях тендера, которые бы обеспечили всесторонний анализ как технических, так и экономических характеристик оборудования и таким образом минимизировали бы риск необъективного решения при его выборе. Поэтому данная ситуация обусловила актуальность проблемы создания систем поддержки принятия решений непосредственно для оценки химико-технологического оборудования в условиях тендера.
Хотя системы данного направления уже существуют, в частности для нефтегазовой промышленности, в них заложена ставшая уже классической
ошибка - главенство и доминирование средств программной реализации над предметной постановкой. Кроме того, такие системы являются слабо применимыми для предметной области химической технологии. В системах поддержки принятия решений это особенно опасно, так как именно предметные знания являются ядром таких систем. Таким образом, современным подходом к разработке тендерных систем является не только четкое фокусирование на химической технологии. Химическая технология в своем многообразии очень сложна, поэтому актуальна разработка систем для определенной предметной подобласти, такой как, например, ректификация, абсорбция или сушка, для которых характерны свои специфические технологии и оборудование. В складывающейся ситуации специализация систем и наличие корректной логико-математической модели формализации процедуры сравнения оборудования в качестве ее ядра является ключевым моментом разработки. В отличие от обычного подхода к сравнению и выбору химического оборудования, который выражается схемой «если свойства продукта — то тип оборудования», построение логико-математической модели позволяет связать воедино свойства продукта, химико-технологические процессы, проходящие в аппарате, характеристики конкретного оборудования и экономические аспекты его ввода на предприятие.
Указанные выше проблемы, связанные с вводом на предприятиях химической промышленности нового оборудования, определяют круг задач, решаемых в настоящей работе:
анализ современного состояния проблем ввода нового химико-технологического оборудования, методологий проведения тендеров, использующихся в настоящее время процедур и методик оценки оборудования;
разработка средств для оценки химического оборудования в условиях тендера на основе предметной и экспертной информации с применением мощного инструментария системного анализа;
- применение средств системного анализа для оценки подобласти химического оборудования - сушильного оборудования;
применение алгоритмов анализа иерархий для математической обработки экспертных данных, получаемых в ходе процедуры оценки оборудования;
проектирование и программная реализация экспертной системы поддержки принятия решений по оценке химического оборудования в условиях тендера;
реализация модели и алгоритма экспертной системы на примере тендера барабанных сушильных установок для сушки измельченной коры и древесных отходов.
Особенности ввода нового оборудования и методологии проведения тендеров на его поставку
Напряженность эксплуатации химического оборудования обуславливают необходимость решения проблем ввода новых мощностей, замены морально и физически устаревшего оборудования. К настоящему времени выработаны несколько подходов к решению данных проблем [1-12].
Первый подход — проектирование оборудования при помощи систем автоматизированного проектирования и его последующее изготовление. Второй подход - поставка стандартного оборудования по заключенным с производителями договорам. Третий подход, который в последние несколько лет становится популярным в России - проведение тендеров или конкурсных торгов на поставку оборудования. При этом заказчик может выбрать наиболее подходящий для него вариант (как по техническим, так и по экономическим характеристикам) из предложенных на конкурс нескольких вариантов оборудования от различных поставщиков. На тендер может предлагаться как оборудование, вышедшее в серию (стандартное), так и нестандартное оборудование.
Первые два подхода получили наибольшее развитие в предшествующие годы в общей стратегии системного анализа химико-технологических процессов [1-10]. Подходы реализуются в несколько этапов, начиная от формирования технического задания на проектирование или выбор оборудования исходя из требований химико-технологической системы; оценки возможности применения стандартного оборудования; формирования конкретных требований к аппаратуре; подбора конструкционных модулей и расчета аппаратов по математическим моделям; определение геометрических размеров и изображений оборудования; и заканчивая разработку рекомендаций по внедрению. Однако в новых экономических условиях, которые создавались в России последние десятилетие, данные подходы наряду с очевидными достоинствами разработки нового оборудования обладают недостатками при условиях необходимости быстрой смены технологического оборудования [14-20]: 1) Проектирование требует разработки новых САПР, так как уже разработанные системы обладают неактуальными базами данных -изменилась номенклатура оборудования, кроме того, разрушились существовавшие в Советском Союзе экономические связи между предприятиями-изготовителями и предприятиями-потребителями оборудования. Кроме того, существующие САПР не могут работать на современной компьютерной технике, так как в основном они разрабатывались для устаревших к настоящему моменту ЕС ЭВМ и на языках программирования, которые сейчас не находят применения. 2) Необходимо организовать авторский надзор за изготовлением и пуско-наладочными работами, при этом полный цикл работ составляет несколько лет, что в условиях необходимости быстрой смены оборудования является существенным недостатком. 3) Также существует проблема старения научно-технических кадров, которая поддерживается эффектом «утечки мозгов», что также препятствует разработке оборудования и систем для его проектирования.
Что касается поставки стандартного оборудования, она также не решает всех проблем обновления технологического парка предприятий химической технологии. Во первых, как уже было ранее сказано, в связи с нарушением хозяйственных связей в постсоветском экономическом пространстве поставка серийно выпускаемого оборудования и его последующая пуско-наладка на производстве не всегда возможна. Кроме того, при выборе стандартного оборудования предприятие сталкивается с противоречиями выбора «обкатанной» техники по существующим каталогам и отраслевым нормалям и сохранением конкурентоспособности предприятия путем закупки нестандартного оборудования повышенной производительности и обеспечения таким образом широкого диапазона устойчивой работы оборудования при жестком соблюдении экологических норм и требованиях снижения энерго- и материалоемкости аппаратуры и себестоимости производства. Данная ситуация требует ввода производственных мощностей, точно отвечающих потребностям предприятия [21].
Поэтому применение третьего подхода, т.е. проведение тендеров или конкурсных торгов на поставку оборудования, когда заказчик может выбрать наиболее подходящий для него вариант (как по техническим, так и по экономическим характеристикам) из предложенных на конкурс нескольких вариантов оборудования от различных поставщиков, представляется новым перспективным методом для быстрой смены технологического оборудования. Причины этому следующие.
В складывающихся рыночных отношениях и при росте индекса производства химической промышленности около 10% в год [25] основным показателем устойчивого положения промышленного предприятия является его конкурентоспособность. Практика показывает, что наиболее успешны те предприятия, которые своевременно реагируют на изменения потребительского спроса и имеют минимальные издержки на обновление технологического парка, ввод нового оборудования, его перенастройку на новые технологии и производство новой продукции.
Вследствие этого в последние годы в России и в мире все большее внимание уделяется проведению тендеров или конкурсных торгов на поставку оборудования и промышленных товаров. При решении вопроса рационализации финансовых потоков и обеспечение удешевления производства именно в этой сфере в большинстве случаев имеются наибольшие резервы для повышения эффективности функционирования промышленных предприятий. По оценкам ряда аналитиков [21], в технологически отлаженных производствах 50-60% потенциальной экономии имеется в сфере материально-технического обеспечения, 30% - в сбытовой сфере, и 10-20% - непосредственно в производственной сфере.
Этапы разработки средств системного анализа для оценки химического оборудования
В настоящее время методы оценки оборудования в условиях тендера активно развиваются в рамках системного анализа химической технологии. Классический подход рассматривает оборудование путем перехода от частного к общему и синтезирует его путем слияния компонент, разрабатываемых раздельно. В отличие от этого системный подход предполагает последовательный переход от общего к частному, когда в основе рассмотрения лежит цель, причем исследуемый объект выделяется из окружающей среды [1-12].
Сущность системного подхода к оценке оборудования определяется его стратегией, в основе которой лежат общие принципы, применимые к решению любой системной задачи. К ним можно отнести: четкую формулировку цели исследования, постановку задачи по реализации этой цели и определение критерия эффективности решения задачи; разработку развернутого плана исследования с указанием основных этапов и направлений в решении задачи; пропорционально последовательное продвижение по всему комплексу взаимосвязанных этапов и возможных направлений; организацию последовательных приближений и повторных циклов исследований на отдельных этапах; принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза в решении составных частных задач и т. п. Центральным понятием системного анализа является понятие системы, т.е. объекта, взаимодействующего с внешней средой и обладающего сложным внутренним строением, большим числом составных частей и элементов. Элемент системы - самостоятельная и условно неделимая единица. Элементы взаимодействуют между собой и окружающей средой, иначе говоря, между ними существует материальная, энергетическая и информационная связь. Совокупность элементов и связей образует структуру системы. Пространственно-временные агрегаты взаимодействующих элементов, обладающие определенной целостностью и целенаправленностью, выделяются в функциональные подсистемы. Расчленение системы на подсистемы позволяет вскрыть иерархию структуры и рассматривать систему на разных уровнях ее детализации. Сложность системы определяется сложностью ее структуры, количеством элементов и связей, числом уровней иерархии, объемом информации, циркулирующей в системе. Система характеризуется алгоритмом функционирования, направленным на достижение определенной цели.
Формализация системы осуществляется с помощью модели, выражающей связь между выходными параметрами системы, параметрами состояния и входными управляющими и возмущающими переменными. Сложная система обычно формализуется как детерминированно-стохастическая модель. На разных уровнях иерархии может преобладать как детерминированное, так и стохастическое описание подсистем.
Обзор литературы [1-12, 74] показал, что создание средств системного анализа применительно к рассматриваемой задаче оценки химического оборудования на основе формализации информационного поля предметной области подчиняется алгоритму, имеющему следующие этапы (рис. 2.1.): 1) построение иерархической системы входных и выходных групповых (агрегированных) показателей и частных критериев (параметров, понятий) качества химического оборудования, оцениваемых в ходе конкурсных торгов; 2) построение информационного пространства предметной области химической технологии: системы понятий и отношений между ними; 3) определение стратегии достижения поставленных целей оценки при помощи формализованного информационного пространства. Под стратегией следует понимать разработку модели выявления цепочек рассуждений, которые превращают полученную структуру знаний в динамическую систему поля знаний для достижения поставленных целей корректной оценки технических и экономических составляющих оборудования; 4) применение полученной структуры поля знаний оценки и модели процедуры оценки для конкретного случая отдельной предметной области, находящейся в рамках химической технологии. В случае выполняемой работы данной предметной областью являются сушильные технологии. Построение иерархической системы групповых (агрегированных) и частных критериев (параметров, понятий) качества Начальным этапом разработки средств системного анализа для оценки оборудования является выделение входных и выходных данных и понятий предметной области химической технологии. К настоящему времени в науке о процессах и аппаратах и теоретических основах химической технологии достаточно полно проанализированы критерии эффективности химического оборудования [1-13]. Однако, результаты анализа представлены в основном в традиционной форме уравнений математических моделей, расчетных формул, графиков, таблиц и других видов количественных соотношений, а также в виде информации о качественном функционировании оборудования. Для решения задачи структуризации информации и в конечном итоге построения иерархии поля знаний необходима подготовка и переработка имеющейся предметной информации химической технологии в форме формулировок свойств оборудования, методов проведения химико-технологических процессов, проходящих в оборудовании, условий выбора оборудования и т.д.
С другой стороны, необходимо отметить, что бурными темпами в рамках системного анализа развивается систематический метод описания сложных объектов, основанный на построении концептуальной модели (онтологии), связывающей между собой функцию понятия, его субстанцию (элементы, входящие в подклассы, характерные атрибуты), объем и виды отношений с другими понятиями. Концептуальная модель строится с применением таксономических и параметрических [70,74] классификаций элементов понятий и связей, представляющих конструктивные средства анализа и синтеза формально-семантических сетей как функциональных объектов. При этом концептуальная модель или онтология обоснована как с точки зрения структуры, так и с точки зрения содержания.
Построение иерархической системы показателей качества сушильного оборудования
Согласно разработанной методологии, построение промежуточного поля знаний сушки осуществлялось последовательным анализом каждого узла (понятия) начиная с группы выходных показателей с точки зрения выявления влияющих факторов (понятий) и встраивании их в последующие слои сети. При этом, основным типом связи между понятиями является логическая связь зависимости.
Анализ литературных источников показал [126-158], что существует ряд понятий предметной области, которые оказывают влияние на значение показателя качества процессов сушки. Был составлен следующий список: влагонапряженность сушильной установки; конструктивно-технологические параметры процессов сушки; конструктивные особенности установок; тепломассобмен; гидродинамика; схема взаимодействий потоков в аппарате; эффективность использования объема аппарата; степень интенсификации сушки; Тепловой КПД установки; Коэффициент теплообмена между газом и материалом; Время пребывания материала в аппарате; Параметры распределения материала в аппарате; Градиент температур; Гидравлическое сопротивление слоя; Понятия по типам распределись на входные и промежуточные - входные понятия характеризуют конкретные типы оборудования (например, «влагонапряженность» и «конструктивно-технологические параметры процессов сушки»), промежуточные в построении цепи - традиционные понятия химической технологии (например, «коэффициент теплообмена между газом и материалом» и «гидравлическое сопротивление слоя»).
На рис. 3.1.-3.3. показаны фрагменты построения поля знаний (онтологии) оценки сушильного оборудования. Полная система в виде неоднородной семантической сети представлена в Приложении 2. Таким образом, была реализована принцип средств системного анализа для построения концептуальной модели оценки сушильного оборудования на основе информационного поля химической технологии, в структуру которого органично встраиваются частные показатели оценки, характеризующие сушильное оборудование.
В процессе построения были применены следующие типы связей: «класс — подкласс», «характеризует», «имеет», «определяет» и «зависит». Например, на рис. 3.2 представлена часть генеральной онтологии сушки, где можно проследить следующую зависимость: тип сушилки, свойства материала и теплоносителя, гидродинамика и тепломассообмен «определяют» основной показатель сушильной установки «влагонапряженность». В свою очередь тепломассообмен «зависит» от дисперсности материала, градиента температур или концентраций, коэффициента теплообмена и типа сушилки, используемых в сушильной установке. На рис. 3.1 показано, что сушилка «имеет» технические характеристики - связь принадлежности одного понятия к другому, а комплекс исходных свойств продукта подразделяется на следующие подклассы — тип вещества, гидрофильность вещества, влажность продукта и т.д. - жесткий иерархический тип связей. На рис. 3.3 показано, что приведенные затраты «характеризуют» экономическую эффективность - неформальный вид связи между понятиями различных уровней иерархии. Перечень всех понятий составляет словарь терминов сушильных технологий, который включает как общие универсальные понятия для всех типов сушилок, так и специализированные, для каждого конкретного типа оборудования. Данные понятия вводятся при использовании логико-математической модели, разработка которой является следующим этапом применения методологии, изложенной в Главе 1. Таким образом, на текущем этапе было создано информационное пространство предметной области сушки для целей оценки оборудования в условиях тендера.
Пример расчета тендера установок барабанной сушки для измельченной коры и древесных отходов
Полученные в результате работы второго блока основные и вспомогательные векторы приоритетов визуализируются в трехмерном пространстве, что наглядно показывает результаты оценки. Кроме того, генератор отчетов сравнивает и интерпретирует полученные данные по всем шести векторам приоритетов. В результате лицо, принимающее решение получает визуальную картину и протокол результатов тендера с соответствующими пояснениями.
Третий блок — инструмент развития системы - библиотека эволюционирования. Система позволяет модифицировать ядро системы — общую онтологию сушильных технологий и канонические выборки онтологии по типам оборудования. Во время процедуры оценки эксперт вносит свое видение в онтологию - может модифицировать параметры оценки и отношения между ними, и, таким образом, построить пространство оценки, наиболее отвечающее его представлениям о предметной области. Модификация подвергается следующей функциональной декомпозиции: создание нового понятия или установление нового отношения; удаление понятия или отношения; переименования понятия или установление нового типа отношения; удаление понятия или отношения; изменение принадлежности понятия к локальной выборке онтологии; Библиотека выполняет важную функцию инженерии знаний. При формировании поля знаний ключевым вопросом является сам процесс получения знаний. Одной из стратегий получения знаний является автоматизированное построение базы знаний посредством диалога эксперта и системы приобретения знаний [ПО, 121-125]. Библиотека эволюционирования выполняет как раз роль системы приобретения знаний, причем структура поля знаний уже заложена в систему. Такая стратегия имеет значительные преимущества, так как эксперту труднее создать модель предметной области вследствие глубины и объема информации, которой он владеет. Структура предметной области, состоящая из множества понятий и отношений, имеет свой «скелет» или главную структуру, которую гораздо легче выделить инженеру по знаниям при разработке системы. В этом смысле, созданные общая и канонические онтологии сушки как раз выполняют роль главной структуры, которую эксперт может развить и дополнить.
Заложенные в библиотеку принципы инженерии знаний позволяют насыщать систему знаниями таким образом, что в последствии эксперт будет выполнять несколько свои изначальные функции — оценку и перенос знаний, а сколько контрольные функции оценки оборудования на тендере. Насыщаясь знаниями от различных экспертов, система постепенно может начать выполнять функции оценки технологических тенденций в области сушки. Это значительно сократит время разработки инновационных сушильных технологий и поможет отсечь проектировщику неперспективные варианты и технологии.
Кроме того, библиотека эволюционирования способствуют выработке единого поля знаний среди специалистов предметной области сушки путем унификации среди них языковых и понятийных особенностей. Данная тенденция заложена в самой процедуре развития системы. Библиотека состоит из двух частей: первая - процедурная библиотека, выполняющая функциональные действия эксперта - создание, удаление или модификации понятий и связей между ними. Вторая часть - отдельные от основной базы знаний, которая отражает изменения, произведенные экспертами. Обновление основной базы знаний производится после выработки единой политики изменений, которая является человеко-машинной процедурой. Данная процедура основана на решении экспертной комиссии, которая должна состоять из экспертов отрасли сушки, причем эксперты должны иметь опыт работы с определенным рассматриваемым типом оборудования. Во время обсуждения комиссия рассматривает представленные модификации базы знаний и должна прийти к единому мнению по модификациям путем выработки компромиссного решения на основе установления общего понятийного языка и видения предметной области сушки. После утверждения изменений администратор системы обновляет рабочую базу знаний системы.
На рис. 5.6. представлена модифицированная каноническая онтология установок барабанной сушки, полученная при помощи библиотеки эволюционирования. В структуру были добавлены следующие понятия, которые представляют собой инновационные критерии оценки барабанных сушилок, отражающие их развитие - комбинирование барабанной сушки с другими процессами обработки материала: комбинирование с измельчением; комбинирование с гранулированием; комбинирование с классификацией. Соответственно сделанным изменениям, экспертам, оценивающим установки барабанной сушки, теперь необходимо учитывать присутствие и влияние этих понятий на: 1) тепломассообмен, гидродинамику процессов — и соответственно на качество процессов сушки; 2) надежность установки, так как данное комбинирование является конструктивно-технологическим приемом и выражается в системах газоподвода и специализированных насадках, что влияет на надежность установки в целом; 3) экономическую эффективность предложения - хотя стоимость комбинированной установки может выше типовой, однако она совмещает в себе несколько процессов, что снижает стоимость производства продукта в целом.
