Содержание к диссертации
Введение
1 Задача принятия решений по выбору пунктов размещения электростанций 15
1.1. Анализ состояния, проблем и перспектив развития электроэнергетики России 15
1.1.1. Анализ состояния и проблем электроэнергетики России 15
1.1.2. Перспективы развития электроэнергетики России 19
1.2. Анализ проблем и перспектив развития Дальнего Востока России 22
1.3. Размещение электрических станций как системная проблема энергетики 24
1.3.1. Методические основы принятия решений в энергетике 24
1.3.2. Задача размещения электростанций в иерархии задач развития электроэнергетических систем 26
1.3.3. Признаки системных проблем в задаче размещения генерирующих мощностей 34
1.4. Обзор методов принятия решений для выбора пунктов размещения электростанций 40
1.4.1. Выбор пункта размещения электростанции как задача рационального выбора 40
1.4.2. Обзор многокритериальных методов рационального выбора 43
1.5. Классификация и обзор систем поддержки принятия решений 64
Выводы по главе 1 69
2 Разработка методического обеспечения процесса принятия решений по выбору пунктов размещения электростанций 72
2.1. Постановка задачи двухуровневого многокритериального выбора пунктов размещения электростанций 72
2.2. Выбор методов для проведения двухуровневого многокритериального анализа пунктов размещения электростанций 74
2.3. Разработка методики двухуровневого многокритериального анализа альтернатив 76
2.3.1. Разработка методики учета размытых предпочтений ЛПР при оценке альтернатив методом MAUT 84
2.3.2. Разработка методики перевода оценок полезности (ценности) в оценки сравнительной важности для снижения загруженности ЛПР при сравнении альтернатив методом анализа иерархий 88
2.3.3. Разработка методики многокритериального сравнения альтернатив методом анализа иерархий в условиях риска при наличии комплексных критериев 100
Выводы по главе 2 107
3. Разработка системы поддержки принятия решений и исследование на ее основе качества принимаемых решений с использованием предложенных методик 111
3.1. Программная реализация предложенных методик в системе поддержки принятия решений TwinPoint Ill
3.2. Исследование качества получаемых решений на основе предложенного методического и программного обеспечения 114
3.2.1. Описание исследуемого района и выбор альтернатив для сравнения 114
3.2.2. Определение целей и критериев для оценки альтернатив 117
3.2.3. Формирование альтернатив второго уровня и их оценка по критериям 120
3.2.4. Многокритериальная оценка альтернатив второго уровня 131
3.2.5. Многокритериальная оценка альтернатив первого уровня 139
3.2.5.1. Формирование оценок альтернатив первого уровня по критериям 139
3.2.5.2. Сравнение критериев по важности 142
3.2.5.3. Парные сравнения альтернатив первого уровня по критериям с применением методики перевода оценок полезности в оценки относительной важности 143
3.2.5.4. Парные сравнения альтернатив первого уровня по критериям с опросом ЛПР 146
3.2.5.5. Применение методики многокритериальной оценки альтернатив методом анализа иерархий при наличии комплексных критериев в условиях риска 149
3.2.5.6. Выбор лучшей альтернативы первого уровня на основе анализа относительной устойчивости решений 154
3.3. Система поддержки принятия решений TwinPoint 157
3.4. Сравнение полученного результата с результатами других методов многокритериального анализа 161
Выводы по главе 3 168
Заключение 170
Библиографический список
- Анализ проблем и перспектив развития Дальнего Востока России
- Выбор пункта размещения электростанции как задача рационального выбора
- Разработка методики учета размытых предпочтений ЛПР при оценке альтернатив методом MAUT
- Определение целей и критериев для оценки альтернатив
Анализ проблем и перспектив развития Дальнего Востока России
развития электроэнергетики задается стратегическим документом -энергетической стратегией России. Этот документ формирует цели и задачи долгосрочного развития энергетического сектора страны, а также механизмы государственной энергетической политики на отдельных этапах ее реализации, обеспечивающие достижение намеченных целей [44, 76, 223]. Последней вышедшей в свет стратегией является энергетическая стратегия России на период до 2030 года, которая отражает современный взгляд научной общественности на проблемы и пути развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК), а также взгляды эко номистов на развитие России [25]. Документ позволяет проанализировать состояние энергетики России, прогнозы и перспективы ее развития.
Другим ключевым документом, позволяющим оценить долгосрочные прогнозы развития электроэнергетики, является «Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года». Создание этого документа было связано с необходимостью формирования системы информационного обеспечения энергетических компаний с целью прогнозирования нарастания дефицита мощности [49]. Согласно «Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2020 года», прогноз ввода генерирующих мощностей в этот период будет достигать значений, приведенных в таблице 1.1 [47].
Приведенные в генеральной схеме прогнозы соответствуют объектам «большой энергетики»: в ней представлены электростанции только общесистемного уровня - атомные электростанции, тепловые электростанции установленной мощностью 500 МВт и выше, гидроэлектростанции установленной мощностью 300 МВт и выше. Внимание распределенной генерации уделяется в генеральной схеме до 2030 года. В ней отражена информация о вводе в РФ в целом мощностей распределённой генерации на базе ко генерации в базовом варианте 3100 МВт и 5896 МВт - в максимальном варианте [120].
Малая распределенная энергетика стала трендом современной мировой экономики [120, 134]. В России также сформировался рынок распределенной энергетики [120], но понимание перспектив такой модели энергоснабжения еще формируется. Отсутствуют в достаточной степени системные предпринимаемые действия по выработке государственной политики в сфере распределенной малой энергетики [75]. Поэтому, поскольку в нашей стране малая распределенная энергетика только начинает «вставать на ноги», вопрос о вводе мощностей такого рода энергетики требует дополнительной проработки.
Большие перспективы для развития распределенной энергетики видятся на Дальнем Востоке, что объясняется небольшими величинами мощностей нагрузок, а также их значительной удаленностью от источников питания. Освоение этой территории является одной из приоритетных задач современной энергетики, поскольку эта территория занимает стратегическое геополитическое положение между Западом и Востоком [4, 204], обладает огромными запасами природных ресурсов [48].
Кроме того, развитие данной территории напрямую связано с планами руководства страны по кооперации со странами Азиатско-Тихоокеанского региона, и в частности - с Китаем по вопросу экспорта электроэнергии [46, 47, 84, 85]. И, если для всей энергетической инфраструктуры России в настоящее время больше характерна стратегия энергосбережения [23], то в проблеме освоения новых территорий, таких как Дальний Восток, - наращивание мощностей стоит на первом месте.
Подводя итог, стоит сказать, что основными проблемами электроэнергетики России на сегодняшний день являются значительный износ электрооборудования, рост электропотребления и, как следствие, нарастающий дефицит мощности, который к 2016 году может достичь уровня существующих генерирующих мощностей. Большой потенциал, а также потребность в развитии имеют восточные тер ритории страны, поэтому ввод новых генерирующих мощностей здесь является одной из приоритетных и стратегически важных задач современной энергетики.
Анализ проблем и перспектив развития Дальнего Востока России Богатый ресурсный потенциал Востока России издавна ставил перед руководством страны задачу его освоения. После распада СССР, вплоть до последнего времени развитие данных территорий проводилось несообразно тому геополитическому и социально-экономическому значению, которое имеют Восточная Сибирь и Дальний Восток для России [27].
Дальний Восток - гигантская территория с запасами газа, нефти, угля, урана, драгоценных металлов и многих других полезных ископаемых, на которой, несмотря на это, проживает всего чуть менее 5% населения страны. По некоторым прогнозам [7], ожидается сокращение численности населения Дальневосточного федерального округа к 2050 г. до 3,9 млн. человек. Тем не менее, даже зная эти цифры, невозможно представить, насколько пустынен и труден для освоения восток России [204]. Без создания энергетических потоков не может развиваться производство, а без него, в свою очередь, - повышаться экономическая привлекательность района. Это, в конечном счете, приводит к невозможности повысить численность населения. Без всего этого Россия не может в полной мере использовать преимущества своего географического положения между Востоком и Западом [4, 204].
Выбор пункта размещения электростанции как задача рационального выбора
В первой главе проведен системный анализ проблемы принятия решений при размещении электростанций и определены основные направления совершенствования процесса принятия решений на этапе выбора пунктов размещения. Основной намеченной задачей является разработка методики двухуровневого многокритериального анализа альтернатив. Ее создание позволит уже на этапе выбора пункта учесть качество последующих решений, таких как выбор площадки, мощности станции в пункте и т.д. [151, 211, 214]. При этом анализ альтернатив на двух уровнях будет осуществляться методами рационального выбора, которые позволяют определить лучшую альтернативу в условиях многих критериев.
Сформулируем задачу двухуровневого многокритериального выбора пунктов размещения электростанций. Альтернативами первого уровня (АПУ) являются пункты размещения электростанции, альтернативами второго уровня (АВУ) - предварительные варианты дальнейших решений, например варианты площадок, установленной мощности электростанции. Пусть А = {аг,а2,...,ак} множество альтернатив первого уровня, которое оценивается по множеству критериев F = F[\JG. Подмножество критериев Fl={f[,f2,...,fs} служит для оценки альтернатив только первого уровня, подмножество критериев G = {g1,g2,...,giJ} - для оценки альтернатив и первого, и второго уровней.
Каждому элементу ai множества А ставится в соответствие множество альтернатив второго уровня Bl={ba,bi2,...Jt im}. Необходимо упорядочить по предпочтению альтернативы множества А с учетом многокритериальных оценок альтернатив множества В. На рис. 2.1 представлена иллюстрация сформулированной задачи.
Особенностью задачи двухуровневого выбора пункта размещения электростанции является различная степень детализации информации по критериям на первом и втором уровнях. При оценке альтернатив на первом уровне превалируют критерии с качественным измерением, при оценке на втором - с количественным измерением. Так, при выборе пункта размещения электростанции критериями являются технические условия строительства, социальное, экономическое, экологическое окружение. Неопределенность информации, сложность ее количественной оценки обуславливает необходимость использования качественных оценок, суждений экспертов. На втором уровне, при анализе предварительных вариантов дальнейших решений, благодаря конкретизации условий, переходу с макроуровня рассмотрения района на микроуровень, преобладают количественные критерии - расстояния до объектов, оценки мощности, вредных веществ, стоимости строительства и т.п.
В связи с различным описанием альтернатив по критериям на двух уровнях анализа целесообразно применить два метода многокритериального выбора. Это позволит выбрать наиболее эффективные методы для описанных условий. 2.2. Выбор методов для проведения двухуровневого многокритериального анализа пунктов размещения электростанций
Каждый многокритериальный метод рационального выбора имеет свою эффективную область применения. Например, ряд методов эффективен для анализа альтернатив по критериям с качественным измерением (ЗАПРОС, ШНУР [87, 89, 153]). Методы, основанные на парных сравнениях альтернатив (метод анализа иерархий, ELECTRE [6, 89, 153]), эффективны при малом количестве альтернатив (до 10). При большом количестве альтернатив и малом количестве критериев эффективны методы теории полезности [6, 72, 73, 89, 153].
Как отмечалось, анализ альтернатив на втором уровне характеризуется появлением более точной и полной информации вследствие снижения неопределенности. Исходя из этого, критерии второго уровня больше характеризуются количественной информацией. При наличии немногочисленных критериев с качественным описанием их оценки следует перевести в количественные посредством создания специальной искусственной шкалы перевода [72, 73]. Количество альтернатив на втором этапе потенциально не ограничено, что объясняется множеством возможных вариантов предварительных дальнейших решений по реализации электростанции (установленных мощностей, площадок, технических решений) для каждого пункта. Поэтому необходим метод, эффективный при анализе большого количества альтернатив по критериям с количественным измерением.
Для удовлетворения приведенных выше требований наиболее эффективным будет метод MAUT из группы аксиоматических методов рационального принятия решений (рис. 1.8). В параграфе 1.4 были отмечены все основные преимущества MAUT, однако можно отметить еще одно обстоятельство в пользу выбора этого метода с позиций применения его для анализа альтернатив второго уровня:
MAUT позволяет дать оценку как сформированным альтернативам, так и вновь предложенным, при условии, что их критериальные оценки не выходят за установленные в анализе интервалы. Это позволяет исследовать влияние появления новых альтернатив второго уровня на оценки альтернатив первого уровня без дополнительных запросов к ЛПР при условии использования новой методики перевода оценок полезности (ценности) в оценки относительной важности. Благодаря отсутствию нагрузки на ЛПР появляется возможность проводить более широкое исследование по определению лучших альтернатив на двух уровнях анализа.
Альтернативы первого уровня также могут характеризоваться количественными критериями, однако в большей степени для описания альтернатив на первом уровне привлекаются критерии с качественным описанием. Количество альтернатив на первом уровне, как правило, не превышает 10, что объясняется ограниченностью возможных пунктов строительства в любом рассматриваемом макрорайоне. Этим требованиям отвечают методы 2-й и 4-й групп рисунка 1.8. Предпочтение было отдано 2-й группе и ее единственному представителю - методу анализа иерархий, поскольку при анализе пунктов желательно выявить не только порядок превосходства, но и получить количественную оценку пунктов. Это открывает возможности для:
Разработка методики учета размытых предпочтений ЛПР при оценке альтернатив методом MAUT
При строительстве ГЭС желательно обеспечить максимальное использование гидроэнергетических ресурсов с учетом всех ограничений. Особенностью решения этой задачи является крайняя неравномерность речного стока в природе. Для рационального его использования необходимо выравнивание стока в течение года и пополнение стока маловодных лет за счет многоводных лет с помощью водохранилища. Одним из определяющих показателей работы ГЭС, получаемых в результате решения задачи регулирования речного стока, является гарантированная среднесуточная мощность. Эта мощность может быть выдана гидроэлектростанцией даже в наихудших условиях, т.е. в межень расчетного маловодного года. Особенности расчета среднесуточной гарантированной мощности будут рассмотрены в параграфе 3.2.3.
Гидроэнергетическое строительство требует больших капитальных вложений, основная доля которых приходится на гидротехнические сооружения. В исследование включены два критерия - К2 «Стоимость строительства ГЭС» и К4 «Условия строительства». Условия строительства могут играть существенную роль, поскольку рассматриваемый район характеризуется неравномерным и слабым развитием транспортной инфраструктуры и строительной индустрии. Данный критерий в исследовании является комплексным. Оценки по нему задаются в зависимости от ряда факторов (субкритериев): К4-1 «Расстояние до железной дороги», К4-2 «Расстояние до автотрассы», К4-3 «Потенциал для создания строительной инфраструктуры». Субкритерии К4-1 и К4-2 имеют шкалы с количественными оценками, а К4-3 - с качественными.
Одним из наиболее существенных воздействий ГЭС является создание искусственного водохранилища. Затопление больших площадей земли наносит серьезный ущерб экологии, а кроме того, на долгие годы из хозяйственного оборота изымаются природные богатства, находящиеся на затапливаемой территории. Поэтому при выборе пункта размещения ГЭС необходимо преследовать также цель минимизации экологических воздействий и изъятия из хозяйственного оборота природных богатств при создании водохранилища.
Цель «Минимизация биологического воздействия» характеризуется в исследовании критерием «Воздействие на ихтиофауну» (К5). Это воздействие выражается в преграждении путей миграции проходных и полупроходных видов рыб, в изменении кормобазы, а также в возможном попадании и гибели рыб в водозаборах ГЭС. При этом возможно сокращение запасов ценных рыб, а в некоторых случаях - исчезновение популяции тех или иных видов. Видовой состав ихтиофауны реки Индигирки насчитывает 29 видов. Анализ влияния строительства ГЭС требует внимательного анализа нерестового хода, динамики популяций. В предварительном рассмотрении в исследовании влияние на ихтиофауну от строительства ГЭС оценивается расстоянием от устья реки. Чем выше по течению пункт размещения ГЭС, тем меньше притоков исключается из возможного хода рыб.
Цель «Максимизация социально-экономического воздействия» будем характеризовать критерием «Оценка перспектив развития района». Оценка по критерию будет тем выше, чем больше возможности для развития района создаст ГЭС. Данный критерий в исследовании также является комплексным; его оценка зависит от следующих входящих в него факторов (субкритериев): К6-1 «Расстояние до железной дороги», К6-2 «Расстояние до населенных пунктов», К6-3 «Расстояние до месторождений». Все субкритерии имеют шкалы с количественными оценками.
Цель «Минимизация воздействия сейсмической активности» характеризуется критерием «Балльность по шкале MSK-64». Анализируемый район характеризуется повышенной сейсмической активностью. Оценки по данному критерию целесообразно задавать при помощи карты ОСР-97-С, предназначенной для проектирования и строительства особо ответственных сооружений [182].
Таким образом, были определены цели и критерии задачи выбора пункта размещения ГЭС. Далее, в соответствии с предлагаемой методикой, следует провести формирование и оценку альтернатив второго уровня по критериям множества G (этапы 3, 4, рис. 2.2).
Формирование альтернатив второго уровня и их оценка по критериям Чтобы сформировать множество альтернатив второго уровня, т.е. определить возможные в каждом пункте диапазоны НПУ, - необходимо провести водно-энергетические расчеты. Целью таких расчетов является получение основных данных для сравнения - диапазонов возможных площадей затопления, гарантированной выработки электроэнергии для всех пунктов строительства. Этапы водно-энергетических расчетов приведены на рис. 3.4.
Площади зеркал водохранилищ определялись для каждого уровня затопления водохранилища с шагом Юме использованием топографических карт масштаба 1:50000, а также интернет-ресурса maps.google.га. Промежуточные значения вычислялись методом интерполяции. Таким образом были получены значения площадей водохранилища для соответствующих уровней затопления по каждому пункту с шагом 2 метра. На рис. 3.6 представлены графики зависимостей F=f{H) для пяти пунктов.
Определение целей и критериев для оценки альтернатив
В результате проведенного анализа лучшим пунктом размещения ГЭС является пункт Ш. Было проведено сравнение полученных результатов с результатами других известных методов и подходов, применявшихся для размещения электростанций. В качестве проверки полученного результата были использованы методы: 1) MAUT на одном уровне анализа; 2) двухуровневый анализ альтернатив методом главного критерия.
Применение метода MAUT для сравнения пунктов требует изменения иерархии целей и критериев (рис. 3.3). Ввиду того, что анализ проводится на одном уровне, необходимо заменить критерии, используемые для анализа на двух уровнях на аналогичные критерии, но используемые только для оценки пунктов. Таким образом, вместо трех критериев К1-КЗ были предложены следующие: К1 «Водноэнергетические условия в пункте», К2 «Ширина русла реки», КЗ «Характер рельефа». Указанные критерии-заменители отражают те же свойства выбираемых пунктов строительства, что и предложенные ранее, но в одноуровневой постановке, без необходимости анализировать альтернативы на втором уровне.
Для возможности применения метода MAUT необходимо перевести качественные оценки по критериям в количественные. Таким образом, необходимо разработать искусственные шкалы соответствия качественных и количественных оценок для критериев К1, КЗ-Кб (Таблица 3.31).
К4 «Условия строительства» 0 Неблагоприятные. Не имеется каких-либо инфраструктурных элементов для возможности строительства Средние. Имеются один инфраструктурный элемент для возможности строительства Благоприятные. Имеются несколько инфраструктурных элементов для возможности строительства Очень благоприятные. Имеются все инфраструктурные элементы для возможности строительства: авто- и железные дороги, населенные пункты, а также перспективные места добычи материалов для строительства
Окончание таблицы 3. К5 «Воздействие на ихтиофауну» 0 Экстремальное. Пункт расположен на расстоянии от 1400 км от дельты реки и выше Очень высокое. Пункт расположен на расстоянии 700-1400 км от дельты реки Высокое. Пункт расположен на расстоянии 200-700 км от дельты реки Среднее. Пункт расположен на расстоянии 200-700 км от дельты реки Низкое. Пункт расположен на расстоянии от 200 км от дельты реки
Кб «Оценка перспектив развития района» 0 Низкая. Не имеется каких-либо дорог, населенных пунктов. Месторождения могут отсутствовать. Средняя. Имеются авто- и железные дороги, населенный пункт. В районе пункта могут быть месторождения Высокая. Имеются авто- и железные дороги, крупный населенный пункт. Территория в районе пункта богата месторождениями.
На первом этапе были выполнены проверки аксиом независимости по предпочтению. В результате успешной проверки была установлена возможность построения функции ценности в аддитивном виде (3.31).
Далее, в соответствии с методом, оценивались альтернативы по критериям, проводилось построение однокритериальных функций ценности, определялись шкалирующие коэффициенты. В соответствии с выраженными предпочтениями была получена многокритериальная функция ценности:
С помощью (3.4) была получена многокритериальная оценка всех пунктов. Пункт Ш имеет высшую многокритериальную оценку ценности. Полученный результат можно объяснить благоприятными условиями строительства, высокой оценкой перспектив развития района, минимальной затопляе 163 мой площадью земель. Несмотря на низкую экономическую эффективность пункта и экстремальное воздействие на ихтиофауну, в многокритериальной одноуровневой постановке с учетом выраженных предпочтений ЛПР он является лучшим. Преимуществом использования метода MAUT в одноуровневой постановке является сниженное по сравнению с предлагаемой методикой двухуровневого многокритериального анализа количество задаваемых вопросов к ЛПР.
Недостатками являются: 1) проведение анализа на одном уровне может повлечь за собой выбор неэффективного пункта размещения вследствие ошибочного представления о возможных последующих решениях в отношении реализации электростанции; 2) необходимость использования искусственных шкал для всех критериев с качественным описанием, что влечет за собой частичную потерю информации о сравниваемых объектах; 3) сложность использования метода с более чем пятью критериями, так как проверки аксиом, определение шкалирующих коэффициентов требуют многочисленных запросов к ЛПР [89, 205].
Вторым методом, используемым для сопоставления полученного результата, является метод главного критерия. Данный метод был реализован в двухуровневой постановке. В таблице 3.32 для всех альтернатив второго уровня представлены оценки по всем критериям.
Для сравнения пунктов по критериям К4-К7 использовалась 10-балльная шкала: чем выше балл, тем выше оценка пункта по критерию. Также в таблице приведены ограничения по критериям. Критерий К2 «Стоимость строительства» выбран главным.
Результаты выбора рассмотренных подходов практически совпадают. Однако выбор, полученный с помощью методики двухуровневого многокритериального анализа на основе методов MAUT и МАИ более обоснован, так как учитывает большее количество критериев, неопределенность информации и предпочтений ЛИР. Единственным недостатком методики является большее количество запросов к ЛИР.
Таким образом, можно сделать вывод, что предложенная методика двухуровневого многокритериального анализа пунктов размещения электростанций в сравнении с двумя рассмотренными методами, применяемыми в инженерной практике, в большей степени отвечает условиям, закрепленным в нормативных документах. При ее реализации обеспечивается учет многокритериальности на двух уровнях анализа, неопределенности как исходной информации, так и в предпочтениях ЛПР. Кроме того при анализе используется методика, направленная на снижение загрузки ЛПР. Эти преимущества соответствуют направлениям совершенствования анализа, сформулированными в главе 1. Сравнительно большое количество запросов к ЛПР оправдывается необходимостью получения как можно более взвешенного решения такой сложной и многофакторной задачи. Эта необходимость диктуется риском остановки строительства электростанции, существенными корректировками проекта. Как было рассмотрено в главе 1, такая ситуация имеет многочисленные примеры. Электростанция - объект, который будет оказывать воздействия многие десятилетия, поэтому увеличенное количество запросов применительно к данной задаче является оправданным.
