Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Исследование вопросов управления эксплуатацией системы водоснабжения
1.1. Анализ и исследование системы управления эксплуатацией водопроводных сетей крупных городов 9
1.2. Методологические основы совершенствования управления эксплуатацией водопроводных сетей 23
1.3. Обзор методов решения задач управления эксплуатацией систем водоснабжения 36
1.4. Специфика управления в водопроводио-канализационном хозяйстве в условиях рынка 43
1.5. Общая постановка задачи управления техническим обслуживанием водопроводных сетей 48
Выводы к главе I 53
Глава II. Методы выбора структуры управления техническим обслуживанием городских водопроводных сетей и параметров их аварийно-восстановительного обслуживания
2.1. Постановка задачи выбора структуры управления техническим обслуживанием городских водопроводных сетей 50
2.2. Постановка задачи выбора параметров аварийно-восстановительного обслуживания и ее метод решения 57
2.3. Методы и алгоритмы решения задач выбора структуры управления и аварийно-восстановительного обслуживания 62
2.4. Алгоритм определения потока отказов водопроводных сетей в текущих условиях 68
2.5. Алгоритм определения среднего времени аварийно-восстановительного обслуживания водопроводных сетей 71
Выводы к главе II 77
Глава III. Методы определения оптимальных параметров предупредительного ремонта на водопроводных сетях
3.1. Исследование проведения предупредительного ремонта на водопроводных сетях 78
3.2. Постановка задачи проведения предупредительного ремонта в сетях водопровода 85
3.3. Алгоритм решения задачи предупредительного ремонта 89
3.4. Определение экономичного времени эксплуатации элементов водопроводных сетей 93
3.5. Рациональная интерпретация управленческих решений на базе информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка» 97
3.6. Выбор структуры управления эксплуатацией городских водопроводных сетей 105
Выводы к главе III 124
Заключение 125
Список использованной литературы 127
Приложение 143
- Анализ и исследование системы управления эксплуатацией водопроводных сетей крупных городов
- Постановка задачи выбора структуры управления техническим обслуживанием городских водопроводных сетей
- Алгоритм определения среднего времени аварийно-восстановительного обслуживания водопроводных сетей
- Исследование проведения предупредительного ремонта на водопроводных сетях
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В системе управления предприятиями жилищно-коммунального хозяйства взят новый курс на глубокие экономические реформы, идет процесс формирования рыночных механизмов функционирования жилищного хозяйства и осуществляется разработка перспективных схем развития систем теплоснабжения и водоснабжения городов и населенных пунктов. Это в полной мере относится к предприятиям водопроводно-канализационного хозяйства, от эффективного функционирования которого в значительной мере зависит уровень бесперебойного водоснабжения крупных городов и населенных пунктов.
Однако, в системе управления эксплуатацией водоснабжения, в том числе водопроводных сетей, имеется немало нерешенных проблем. Эффективность функционирования водопроводных сетей можно повысить путем выбора рациональной структуры и параметров системы управления их эксплуатацией.
Проблематика управления эксплуатацией водопроводных сетей в части методологического и организационно-методического обеспечения требует всестороннего анализа и развития. Недостаточно разработаны вопросы математического, информационного и технического обеспечения системы управления эксплуатацией водопроводных сетей. Переход к рыночным отношениям и, следовательно, новым условиям хозяйствования требует радикального изменения всей системы управления.
Это означает, что следует повышать автономность предприятий, совершенствовать структуру, методы, принципы и средства управления. Следует отметить, что существующий подход к разработке системы управления эксплуатацией водопроводных сетей не позволяет в полной мере реализовать при проектировании указанные задачи в связи с отсутствием надлежащей нормативно-методической и математической базы управления.
Динамический характер развития системы водоснабжения требует постоянного совершенствования системы управления эксплуатацией, так как отставание развития субъекта управления от объекта управления приводит к большим социальным и экономическим потерям.
В связи с этим, проблема совершенствования управления эксплуатацией водопроводных сетей является одной из актуальных задач научно-технического прогресса и важнейшим средством обеспечения эффективности и качества технического обслуживания системы водоснабжения. Отсутствие комплексных исследований по моделированию надежностных характеристик водопроводных сетей и необходимость оптимизации их параметров управления техническим обслуживанием определили цель и задачи данного диссертационного исследования.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются водопроводные сети крупных городов. Предметом исследования выступает система управления эксплуатацией водопроводных сетей.
Цель и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы является разработка и обоснование теоретико-методологических основ моделирования надежностных характеристик функционирования сети водопровода и оптимизации параметров управления эксплуатацией в условиях неопределенности. В соответствии с указанной целью в диссертационном
исследовании поставлены и реализованы следующие основные задачи:
анализ системы управления эксплуатацией водопроводных сетей и разработка методологии совершенствования управления ими;
исследование вопросов моделирования надежностных характеристик и оптимизации основных параметров управления эксплуатацией водопроводных сетей в условиях неопределенности;
разработка методики выбора рациональной структуры управления f
* 1
техническим обслуживанием водопроводных сетей в городах;
разработка алгоритмов определения основных надежностных характеристик функционирования водопроводных сетей;
апробация разработанных научно-методических решений и разработка методических рекомендаций по созданию системы экономического управления техническим обслуживанием водопроводных сетей на примере г. Новосибирска.
Теоретические и методологические основы исследования составляют труды отечественных и зарубежных ученых в области системного анализа и теории управления. Существенный вклад в разработку проблемы управления структурно-сложными техническими системами внесли Н.Н. Абрамов, Ф. Байхельт, И.М. Бобко, Ю.А. Ильин, В.К. Кабулов, И.В. Кожинов, Э. Майникы, М.В. Мельник, В.Д. Набивич, М.И. Нечепу-ренко, B.C. Пенин, П. Франкен Ф. Хейт и др. Их работы привлечены применительно к выделенной области исследования. При работе над диссертационным исследованием использованы методические материалы проектных и . научно-исследовательских институтов по организации эксплуатации водопроводных сетей.
Научную новизну исследования составляют разработанные автором:
теоретико-методологический подход к совершенствованию системы управления на базе моделирования надежностных характеристик сети водопровода и оптимизации основных параметров управления техническим обслуживанием, которые позволяют организовать управление по фактическому состоянию объекта управления с позиций системного анализа;
алгоритмы вероятностно-статистического моделирования и решения оптимизационных задач определения параметров управления техническим обслуживанием водопроводных сетей в условиях неопределенности;
методические рекомендации по экономически эффективным пара-
»
метрам системы управления при создании информационной системы техническим обслуживанием городских водопроводных сетей.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что внедрение разработанной в ней методики выбора структуры управления, теоретических и практических результатов по оптимизации основных параметров управления техническим обслуживанием позволяют существенно повысить эффективность системы управления, уменьшить эксплуатационные расходы и потери воды. Модернизация коммунальной инфраструктуры и внедрение ресурсосберегающих проектов приведет к существенному сокращению себестоимости коммунальных услуг и, следовательно, к получению значительного экономического эффекта от привлечения в жилищно-коммунальный комплекс долгосрочных инвестиционных ресурсов. Основные результаты работы в виде методик, моделей, алгоритмов использованы в научных и производственных организациях, а также в учебном процессе строительного ВУЗа.
Результаты могут быть применены при обосновании параметров управления техническим обслуживанием водопроводных систем, а также систем газоснабжения, электроснабжения и теплоснабжения, которые несмотря на их разнородность характеризуются общими признаками.
Результаты исследования, научно-практические выводы и предложения используются при управлении коммунальным хозяйством ННЦ СО РАН и при разработке системы управления водоснабжением г. Новосибирска. На защиту выносятся следующие научные результаты, полученные автором в процессе диссертационного исследования:
Создание методологические основы моделирования и выбора основных параметров управления техническим обслуживанием городских водопроводных сетей по фактическому состоянию.
Методика выбора иерархической структуры управления техническим обслуживанием городских водопроводных сетей.
Комплекс оптимизационных задач планово-востановительного и аварийного обслуживания и экономичного времени эксплуатации городских водопроводных сетей.
Результаты реализации проектных решений в рамках геоинформационной системы в МУП «Энергия» г.Новосибирске
Апробация результатов исследования. Разработанные автором предложения, рекомендации и полученные результаты докладывались на ежегодных научных и научно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава НГУ (1999-2002); на семинаре Международной кафедры ЮНЕСКО НГУ И СО РАН «Устойчивое развитие, науки об окружающей среде и социальные проблемы» 1999-2002 г.; на семинаре кафедры прикладной математики Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета 2000 г.; на семинаре кафедры высшей и прикладной математики Новосибирского гуманитарного института; на III Международной конференции по математическому моделированию, Якутск, 2001г.; на Международной конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии на Байкале», Улан-Удэ, 2001 г.; на школе-семинаре «Проблемы устойчивого развития региона», Иркутск, 2001 г.; на первом региональном форуме «Сибирская индустрия информационных систем», Новосибирск 2002г., на VIII Санкт-Петербургской Международной конференции «Региональная информатика - 2002.
Публикации. По результатам диссертационного исследования автором опубликовано 11 научных работ, в том числе одна монография.
Структура диссертационной работы соответствует логике проведенного исследования. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых источников и литературы, включающего 147 наименований, и приложений. Основной материал диссертационной работы расположен на 142 страницах, включая 10 рисунков, 5 таблиц.
Анализ и исследование системы управления эксплуатацией водопроводных сетей крупных городов
Основным предназначением системы водоснабжения является удовлетворение производственной и социальной потребностей предприятий и населения. Система водоснабжения (водопроводные сети) как объект управления и его орган управления (субъект управления) представляют собой сложную иерархическую социально-экономическую систему, разделенную на несколько территориально-организованных подсистем.
Предприятия водопроводно-канализационного хозяйства должны адаптироваться к новым условиям хозяйствования. Поэтому им необходимо определить параметры своей продукции. Адаптация к новым условиям хозяйствования затрудняется чрезмерной типизацией системы управления этих предприятии. Тем не менее, эти предприятия тоже не должны отставать от тех реформ, которые проводятся во всех направлениях общественно-экономической жизни [28, 36, 46, 57]. Это требует рационального использования имеющихся и дополнительно выделяемых ресурсов на эксплуатацию системы и, следовательно, совершенствование системы управления эксплуатацией водоснабжения.
Система управления эксплуатацией водопроводных сетей делится на две части: 1) управление технологическим процессом подачи и распределения воды; 2) организационно-экономическое управление техническим обслуживанием. Работоспособность (надежность функционирования) водопроводных сетей поддерживается проведением технического обслуживания. В настоящее время в ряде стран СНГ и за рубежом успешно внедрены автоматизированные системы управления технологическим процессом подачи и распределения воды, например, в системе водоснабжения города Харькова [26]. Аналогичные системы работают во Франции и Японии.
Важной отличительной способностью информационного обеспечения управления техническим обслуживанием водопроводных сетей является распределение информации на прямую, т.е. командную информацию управляющей системы и обратную информацию управляемого объекта. Такое распределение непосредственно связано принципом организации управления техническим обслуживанием по фактическому состоянию объекта управления. Организация информационного обеспечения начинается с анализа состава информации, как технической так и технико-экономической.
В соответствии с территориальным расположением сети водопровода по городу важно иметь информационные данные о месторасположении каждого его элемента или участки трубопровода. Для каждого элемента (задвижки, пожарные гидранты и др.) водопроводных сетей существует информация по территориальному расположению и по определенным признакам (назначения, времени ввода, конструктивных характеристик, технических, экономических параметров). Информация о территориальном расположении элементов определяется по следующей иерархической структуре: город, эксплуатационный район (РЭУ), планшет, улицы, колодцы, участки трубопровода, водоразборные колонки, вводы. Колодцы состоят из задвижки, пожарных гидрантов, электроприводов, пробковых кранов, компенсаторов, фасонных деталей. Структура информации указанного типа приведена на рисунке 1.1.1.
Вся технико-экономическая информация об элементах имеется в паспорте. Набор показателей, характеризующих объект управления, является паспортом. Все элементы водопроводных сетей подвергаются паспортизации.
Нормативная информация характеризует затраты материальных и трудовых ресурсов по видам ремонтных работ. Систематизация информации по видам ремонтных работ приводит к следующей иерархической структуре поиска информации (рис. 1.1.2). Начальная точка иерархической структуры является "ремонт", который объединяет все группы ремонтов. На следующем уровне "ремонт" делится по характеру ремонтов, т.е. на капитальный ремонт, планово-предупредительный ремонт и аварийно-восстановительный ремонт. На третьем уровне находятся виды ремонтов. На четвертом уровне находятся ремонтируемые объекты.
Постановка задачи выбора структуры управления техническим обслуживанием городских водопроводных сетей
Проанализированы существующие системы управления эксплуатаци ей водопроводных сетей крупных городов и выявлены основные недостатки ее организации. Анализ показывает, что традиционные способы (норматив ные методы) не учитывают взаиморасположения зон эксплуатации и пред полагают содержание постоянного и одинакового количества аварийных бригад и одинакового уровня запасных элементов. Постоянное изменение состояния элементов водопроводных сетей по времени по влиянием различных факторов свидетельствуют о целесообразности введения оперативного управления эксплуатационной деятельностью с целью рационального использования материальных и трудовых ресурсов. Теоретически обосновано возможное направление совершенствования системы управления техническим обслуживанием водопроводных сетей. 2. Определены основные функциональные задачи управления эксплуа тацией водопроводных сетей, которые необходимо решать с целью рацио нальной организации процессов капитального ремонта, планово профилактических и аварийно-восстановительных работ. 3. Сформулирована общая постановка задачи выбора параметров управления эксплуатацией водопроводных сетей и определен метод ее декомпозиции на взаимосвязанную систему задач оптимизации технической структуры и параметров системы технического обслуживания. Разработанная модель позволяет определить организационно-техническую структуру управления при соблюдении нормативных требований и основные параметры управления.При решении задачи выбора структуры управления техническим обслуживанием водопроводных сетей в качестве вспомогательных критериев эффективности, как отмечалось выше, используются экономические и технические критерии. Экономические: средние стоимостные затраты на эксплуатацию системы, коэффициент использования технических и трудовых ресурсов и другие. Технические: коэффициенты готовности эксплуатируемых зон сети водопровода, среднее время ожидания начала обслуживания; средний приведенный уровень затрат из-за несвоевременной ликвидации аварий и другие. Использование рассмотренных критериев эффективности обусловлено необходимостью учета факторов, существенно влияющих на качество организации системы эксплуатации водопроводных сетей и на ее экономические показатели. К дополнительным факторам, которые не учитываются в модели, относятся рельеф города, архитектурные постройки, давность постройки участков (квадратов) сети и другие. В результате анализа установлено, что при решении задачи выбора структуры системы управления техническим обслуживанием водопроводных сетей необходимо учитывать эксплуатационные затраты [100, 134]. При решении задачи предполагаются известными: 1) количество территориальных квадратов в городе; 2) протяженность сети в каждом квадрате; 3) возможные места размещения РЭУ в квадратах; 4) матрица расстояния между возможными пунктами размещения РЭУ и квадратами; 5) количество и пункты размещения РЭУ в городе. Задача определения варианта структуры управления техническим обслуживанием водопроводных сетей с учетом (1.5.1-1.5.11) сформулированы следующим образом: из всех возможных пунктов размещения РЭУ определяются такие, при которых булевы переменные Xj j, означающие обслуживание или отсутствие обслуживания квадратов ремонтно-эксплуатационными участками по данному варианту, обеспечивали бы по всем ремонтно-эксплуатационным участкам минимальные эксплуатационные затраты на обслуживание, т.е. фактически взято за /у выражение в скобках целевой функции (1.5.1):
Алгоритм определения среднего времени аварийно-восстановительного обслуживания водопроводных сетей
Интенсивности потока отказов зависят от диаметров трубопровода и для фрагмента водопроводной сети г. Новосибирска, расположенного на территории Академгородка определены в приложении 1.
Среднее время обслуживания является одной из важных характеристик качества обслуживания. Определение среднего времени аварийно- восстановительного обслуживания важно для определения количества трудовых и технических ресурсов [41, 42, 75, 111, 117, 124].
В системах водопроводных сетей количество (поток) и характер (тип) поступающих заявок на обслуживание за равные интервалы времени могут оказаться различными. В то же время продолжительность ликвидации аварий зависит от многих факторов и также будет неодинаковой. Это объясняется функционированием системы технической эксплуатации водопроводных сетей в условиях вероятностных возмущений, а также разнообразием видов аварий, глубины залегания труб, состояния грунта и т.д. Поэтому необходимо более полное изучение последовательности (этапов) проведения аварийно-восстановительных работ (АВР), а также изучение различных видов аварий и местных условий (природно-климатические условия городов отличаются друг от друга и соответственно могут отличаться времени ликвидации аварийных повреждений).
Продолжительность проведения АВР в основном зависит от степени обеспечения техническими и трудовыми ресурсами, т.е. от их нормирования. Однако следует отметить, что нормируемые количества технических и трудовых ресурсов в настоящее время определяются на основе принципа уменьшения (увеличения) ресурса пропорционально протяженности эксплуатируемой сети водопровода. С другой стороны, на время ликвидации аварий влияют различные факторы, такие как тип покрытий городских улиц, климатические условия, годы укладки трубопроводов, глубина заложения и диаметр трубопроводов и другие. Эти факторы различно влияют на степень обеспеченности ресурсами.
Как показывает анализ эксплуатационной деятельности аварийных служб ряда городов, время ликвидации аварий равно сумме затрат времени на каждом из этапов осуществления обслуживания.
Исследование процесса ликвидации аварий по этапам (фазам) позволяет определить технические и трудовые ресурсы на базе новых методов, а также принять меры по сокращению времени, которое затрачивается на выполнение вспомогательных операций.
Рассмотрим фазы обслуживания и виды заявок. Анализ видов заявок, поступающих в диспетчерский пункт управления сети водопровода в городах, показывает, что они бывают (в основном) двух видов: - ликвидация аварий без проведения раскопочных работ; - ликвидация аварий с раскопочными работами с использованием землеройной техники. Рассмотрим последний вид заявок. Фазы ликвидации аварий последнего вида заявок характеризуются следующими затратами времени [1, 70]: - время обнаружения аварии и оповещения соответствующих служб эксплуатации; - время, затрачиваемое на подъезд бригады к месту аварии; - время, затрачиваемое на обнаружение аварийного участка; - время, затрачиваемое на отключение аварийного участка; - время, затрачиваемое на поиск места аварии; - время, необходимое для проведения ремонтно-восстановительных работ на участке; - время, необходимое для включения аварийного участка. При этих фазах обслуживания задача определения среднего времени аварийно-восстановительного обслуживания формулируется следующим образом. Необходимо найти такое время обслуживания.
Исследование проведения предупредительного ремонта на водопроводных сетях
Объем ремонтных работ определяется на основании данных технического ремонта и профилактического обслуживания сети, а также для этого служат результаты решения задачи определения оптимального проведения предупредительного ремонта. Последняя решается для обоснования замены (капремонта) старых элементов на новые. Таким образом добиваются точного определения объема ремонтных работ и за каждый участок работы будут определены соответствующие ответственные исполнители. После определения объема проводимых ремонтных работ приступают к анализу потребности в материальных ресурсах. Для замены крупных элементов (оборудований) или трубопроводов участков сети данные только технического осмотра могут быть недостаточными. В этих случаях рассматриваются дополнительные данные предыдущих осмотров. Это приводит к решению задачи определения оптимального периода проведения ремонта, в результате, будут установлены периоды проведения ремонта [39].
После определения периодичности проведения ремонтов для каждого участка в отдельности, следует определить в какой последовательности будет производиться ремонт, т.е. одновременно проводить ремонты невозможно и при продолжительности ремонта в течение года или больше это тоже имеет значение. Поскольку по определенному критерию (например, по вероятности безотказной работы) необходимо определить с какого участка начинать ремонт и на каком участке заканчивать ремонт. Эта задача может быть приведена к задачам оптимизации и успешно решена на ЭВМ.
На основе выбранной последовательности составляется график проведения ремонта на определенный период времени. Этот график можно выражать в виде сетевого графика, который легко поддается равномерному распределению. Составленный сетевой график будет оптимизирован по использованию ресурсов равномерного распределения их за весь период ремонтных работ. Для этого можно использовать одним из известных методов оптимизации сетевых графиков [110].
Важным этапом проведения ремонтных работ является этап управления. Следует отметить, что ремонтные работы зависят от вероятностных непредвиденных событий и при этом в блоке управления должны предусматриваться все возможные изменения. Для этого следует выбрать такой метод управления ходом работ, который позволяет оперативно управлять при всяких изменениях состояния объекта. К таким методам отнести метод сетевого планирования и управления. При использовании аппарата метода сетевого планирования и управления планом организации ремонтных работ составля ется в виде сетевых моделей, которая является наиболее действенным с точ ки зрения процесса организационного управления (рис. 3.1.2).
На этапе управления осуществляются такие важные функции, как учет, организация, координация и контроль. Эти функции управления осуществляются при выполнении следующих задач: - систематический учет и контроль за фактическим выполнением хода работ и регулирование; - анализ невыполнения плановых заданий и выявление их причин; - пересчет графика проведения ремонтных работ с учетом ликвидации отклонений выполненных работ от плановых принятием дополнительных организационно- технических мероприятий. При всех процессах управления сложными и ответственными вопросами являются непрерывное информационное обеспечение, от достоверности которого в значительной мере зависит система решений управляющей системы. Анализ и контроль за ходом выполнения ремонтных работ предусматривает систематическое получение информации о выполнении запланированных работ. Вся передаваемая информация на субъект управления должна быть минимальной, что позволяет обеспечивать быстроту ее сбора, обработку и передачу. Кроме того, информация должна быть достоверной и передаваться в орган управления по единой принятой форме. За ее достоверность должны отвечать бригадир или мастер участка. После поступления информации в орган управления она анализируется, сопоставляется с исходными плановыми заданиями и сетевой график пересчитывается заново, т.е. будет построена новая сеть. По результатам анализа будут определены дефицит или резерв во времени, в ресурсах. С учетом изменений в ресурсах и во времени снова оптимизируется сетевой график. Этот процесс будет повторяться через определенный период времени, т.е. после каждого этапа выполнения ремонтных работ, т.е., например, после замены труб нескольких (2-3 участков) участков или замены оборудования нескольких (десятки) колодцев. Результаты каждого пересчета будут представлены руководителю ремонтных работ (главному инженеру) для принятия управленческих решений. На предприятиях водопроводно-канализационного хозяйства (в управлениях сети водопровода) не следует создавать отдельную службу сетевого планирования и управления, а этими делами могут заниматься работники производственно-технического и диспетчерского отдела. При этом сетевые методы применяются ими как инструмент управления объектами ремонтных работ. Сетевые методы позволяют не только устранять ряд недостатков, имеющихся в организации и управления ремонтных работ, а еще добиться в определенной мере сдвигов в системе управления [98, 110, 140].
