СПОСОБ СЦЕНАРНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ОБЪЕКТА ЭНЕРГЕТИКИ И ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
SCENARIO DYNAMIC SIMULATION OF FEASIBILITY INDICATORS OF POWER PRODUCTION STRUCTURE LIFE CYCLE AND HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX TO THIS END

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для управления технически сложными и эксплуатирующимися десятилетиями объектами энергетики (например, атомные электростанции, гидроэлектростанции и т.п.), а именно, изобретение позволяет осуществлять оптимизацию режимов эксплуатации объектов и проводить оценку стоимости полного жизненного цикла объекта от проектирования до вывода из эксплуатации, утилизации (включая контроль и управление старением).
Изобретение позволяет достичь максимальной экономической эффективности в проектный срок эксплуатации объекта и при продлении срока его службы, а также оптимизировать режимы эксплуатации и учитывать накопленный опыт при проектировании новых объектов.
Изобретение позволяет предупреждать внеплановые остановы блоков, оптимизировать техническое обслуживание и контроль на объекте, сокращать сроки плановых производственных ремонтов оборудования и увеличивать межремонтные периоды (для новых блоков такой период потенциально достигает четырех лет).
Известны способ и система для выбора, анализа и визуализации взаимосвязанных данных (патент США №7672950). Указанные способ и система позволяют осуществлять выбор, анализ и графическое представление отношений между данными, выбранными из разных БД в соответствии с заданными критериями (атрибутами данных). В состав упомянутой системы входит компьютерное устройство с устройством вывода графической информации.
Известен способ экономического анализа управленческих решений, относящихся к функционированию генераторов АЭС (патент США №7810991). Упомянутый способ позволяет определить действия, которые необходимо предпринять для повышения экономической эффективности эксплуатации объектов. В предложенном способе осуществляется моделирование работы объекта при различных внешних воздействиях с использованием данных о работе объекта с последующим сравнением полученных результатов. В качестве критерия выбора выступают экономические показатели.
Известен способ (патент Республики Корея KR 1020100013097), предназначенный для анализа экономической эффективности продления жизненного цикла объекта и определения возможности продления жизненного цикла объекта с учетом эксплуатационных показателей объекта. Упомянутый способ включает расчет экономических показателей, основанный на использовании данных об эксплуатационных расходах, данных о состоянии рынка электроэнергии и данных, учитывающих различные риски, которые могут возникнуть в результате эксплуатации объекта. Указанный способ является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению.
Известна интегрированная система управления данными (международная заявка WO /1996/034396), относящимися к компонентам атомной электростанции, включающая распределенную БД, терминалы для ввода данных и терминалы поиска (извлечения) данных. БД распределена по распределенной компьютерной сети, в состав которой входят указанные терминалы с рабочими станциями, обеспечивающими доступ к информации. Данная система является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой.
К недостаткам описанных выше аналогов, включая ближайшие аналоги, можно отнести ограниченные функциональные возможности, а именно отсутствие возможности проводить оптимизацию значений параметров показателей, т.к. во всех описанных выше известных способах отсутствует процедура оптимизации выбранных технико-экономических показателей для достижения заданных значений результирующих технико-экономических показателей, соответственно в описанных выше системах отсутствуют модули, реализующие функцию оптимизации значений параметров по заданным технико-экономическим показателям.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа и программно-аппаратного комплекса (ПАК) для его реализации, предназначенных для сценарного динамического моделирования технико-экономических показателей жизненного цикла объекта, обеспечивающих возможность оптимизации режимов эксплуатации объекта и достижения заданных значений результирующих технико-экономических показателей проектируемых объектов.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей способа и ПАК и повышении их эффективности.
Применение изобретения позволило достигнуть следующих результатов:
- время расчета «прямой задачи» (задачи сценарного динамического моделирования, позволяющие считать значения отдельных целевых (расчетных) объектов (показателей) на базе заданных параметров других объектов (показателей)) с применением значений трех тысяч объектов (показателей) в системе, использующей общее количестве единичных ресурсов (количество строк в базе данных системы) около 1,8 миллиона, количество единичных ресурсов на всем жизненном цикле - около 1,2 миллиарда (количество строк в базе данных, привязанное к календарному графику) - от трех до восьми секунд; без применения изобретения сроки получения результатов достигали четырнадцати дней, так как были связаны с необходимостью направления запроса на расчет в различные организации, ожидания  результатов из этих организаций, последующей проверки полученных результатов;
- время расчета «обратной задачи» (задачи, в которой значения отдельных целевых (расчетных) объектов (показателей) задаются пользователем, а система корректирует значения (параметры) других объектов (показателей) в итерационном режиме с использованием математических оптимизационных методов в заданных пользователем границах), с применением значений трех тысяч объектов (показателей) в системе, использующей общее количестве единичных ресурсов (количество строк в базе данных системы) около 1,8 миллиона, количество единичных ресурсов на всем жизненном цикле - около 1,2 миллиарда (количество строк в базе данных, привязанное к календарному графику) - от двух до ста двадцати минут; без применения изобретения подобные расчеты были невозможны;
- время расчета «обратной оптимизационной задачи с риск-анализом» (задачи, в которой значения отдельных целевых (расчетных) объектов (показателей) задаются пользователем, а система корректирует значения (параметры) других объектов (показателей) в итерационном режиме с использованием математических оптимизационных методов и, одновременно, выявляет доверительный интервал изменений значений (параметров) других объектов (показателей), что позволяет определить показатели, которые имеют наибольшее влияние на значения целевых (расчетных) показателей, с применением трех тысяч расчетных объектов в системе, использующих общее количестве единичных ресурсов (количество строк в базе данных системы) около 1,8 миллиона, количество единичных ресурсов на всем жизненном цикле - около 1,2 миллиарда (количество строк в базе данных, привязанное к календарному графику) - от двух часов до двадцати двух часов; без применения изобретения подобные расчеты были невозможны.
Таким образом, эффективность изобретения может быть определена как скоростью проведения расчетов огромных массивов информации (достигающие в разных сегментах базы данных значений в 1,2 миллиарда записей) и, обусловленное, таким образом, снижение трудоемкости (для расчетов «прямых задач»), так и самой возможностью проводить такие расчеты (для расчетов «обратных задач» и «обратных оптимизационных задач с риск-анализом»), невозможные без использования изобретения. Кроме того, еще одним фактором эффективности изобретения является точность результатов расчетов, исключающая возможные ошибки при проведении расчетов в нескольких организациях и последующей консолидации результатов.
Указанная задача решается и указанный технический результат достигаются благодаря тому, что в способе сценарного динамического моделирования технико-экономических показателей жизненного цикла объекта, включающем в себя расчет технико-экономических показателей жизненного цикла объекта, при определении показателей, характеризующих жизненный цикл объекта, выделяют по крайней мере четыре группы показателей, при этом значения показателей первой группы, к которым относятся показатели, имеющие постоянное во времени значение, определяют путем запроса к внутренним БД, содержащим справочную информацию; значения показателей второй группы, к которым относятся показатели, значение которых меняется во времени неопределенным образом, определяют путем запроса к внешним источникам информации (внешним БД), доступ к которым осуществляется через сеть Интернет; значения показателей третьей группы, к которым относятся показатели, значения которых меняются во времени определенным образом, определяют путем запроса с заданной периодичностью к внешним источникам информации (внешним БД), доступ к которым осуществляется через сеть Интернет; значения показателей четвертой группы, к которым относятся параметры, значения которых определяют с помощью датчиков, определяющих параметры технологических процессов и/или состояния технического объекта, путем запроса значений показаний соответствующих датчиков; определяют статистические значения показателей, относящихся ко второй и четвертой группам; определяют состав выходной информации путем выбора показателей, значение которых должно быть определено; проводят системно-динамическое моделирование внутреннего состояния заданного технического объекта с учетом характеристик внешнего воздействия; в случае расхождения рассчитанных значений технико-экономических показателей с требуемыми, осуществляют оптимизацию выбранных технико-экономических показателей жизненного цикла объекта, влияющих на значения результирующих технико-экономических показателей.
При этом оптимизацию характеристик технического объекта осуществляют с помощью методов многокритериальной оптимизации.
Осуществляют визуализацию полученных результатов в виде таблиц, отдельных значений выбранных технико-экономических показателей, динамических диаграмм, характеризующих взаимосвязь между выбранными технико-экономическими показателями жизненного цикла объекта.
Разделение показателей, характеризующих жизненный цикл объекта по крайней мере на четыре группы позволяет накапливать и хранить данные, соответствующие разным группам показателей в разных БД, которые могут храниться на отдельных серверах, что, в свою очередь, позволяет более эффективно осуществлять поиск и обработку необходимых для расчетов данных, что приводит к сокращению времени расчетов и повышению точности результатов.
Указанная задача решается и технический результат достигается также благодаря тому, что программно-аппаратный комплекс сценарного динамического моделирования жизненного цикла объекта, включающий в себя распределенную компьютерную сеть и содержащий распределенные БД, содержит по крайней мере одно автоматизированное рабочее место руководителя (АРМ руководителя); первое программно-аппаратное устройство, в состав которого входит модуль формирования запросов, модуль статистической обработки, модуль системно-динамического моделирования внутреннего состояния моделируемого объекта и состояния внешней среды (расчета технико-экономических показателей жизненного цикла объекта), модуль оптимизации параметров; второе программно-аппаратное устройство, в состав которого входят базы данных со справочной информацией; третье программно-аппаратное устройство, обеспечивающее доступ, по крайней мере, к данным об операциях, финансах, персонале на протяжении жизненного цикла объекта; четвертое программно-аппаратное устройство, обеспечивающее доступ, по крайней мере, к данным о технологическом оборудовании, материалах, персонале, документах на протяжении жизненного цикла объекта; по крайней мере одно пятое программно-аппаратное устройство, обеспечивающее доступ, по крайней мере, к данным, характеризующим производственные и технологические процессы на протяжении жизненного цикла объекта.
При этом автоматизированное рабочее место руководителя соединено с первым программно-аппаратным устройством, подключенным ко второму, третьему, четвертому и пятому программно-аппаратным устройствам.
В качестве первого программно-аппаратного устройства используют программно-аппаратное устройство, предназначенное для системно-динамического моделирования внутреннего состояния заданного технического объекта с учетом характеристик внешнего воздействия и оптимизации выбранных технико-экономических показателей жизненного цикла объекта в случае расхождения расчетных значений технико-экономических показателей с требуемыми на протяжении жизненного цикла объекта.
В качестве второго программно-аппаратного устройства используют программно-аппаратное устройство, предназначенное для хранения и обработки баз данных со справочной информацией на протяжении жизненного цикла объекта.
В качестве третьего программно-аппаратного устройства может быть использовано программно-аппаратное устройство, предназначенное для функционирования системы планирования ресурсов предприятия, обеспечивающей, по крайней мере, данные об операциях, финансах, персонале на протяжении жизненного цикла объекта.
В качестве четвертого программно-аппаратного устройства может быть использовано программно-аппаратное устройство, предназначенное для функционирования системы управления производственными процессами, обеспечивающей, по крайней мере, данные о технологическом оборудовании, материалах, персонале, документах на протяжении жизненного цикла объекта.
В качестве пятого программно-аппаратного устройства может быть использовано программно-аппаратное устройство, предназначенное для функционирования автоматизированной системы управления технологическими процессами на объекте, обеспечивающей, по крайней мере, доступ к данным, характеризующим производственные и технологические процессы на протяжении жизненного цикла объекта.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема программно-аппаратного комплекса.
Программно-аппаратный комплекс состоит из АРМ руководителя 1, первого программно-аппаратного устройства 2 (ПАУ), второго ПАУ 3, третьего ПАУ 4, четвертого ПАУ 5, пятого ПАУ 6.
АРМ руководителя 1 соединено с первым ПАУ 2, подключенным ко второму 3, третьему 4, четвертому 5 и пятому 6 ПАУ.
АРМ руководителя 1 предназначено для выполнения, по крайней мере, следующих функций:
- ввода выбранных руководителем исходных технико-экономических показателей,
- вывода результатов расчета результирующих технико-экономических показателей.
АРМ руководителя 1 может быть реализовано, например, на компьютерном устройстве с процессором с тактовой частотой не менее 2 ГГц, ОЗУ не менее 2 Гб, с сетевым адаптером со скоростью 100 Мб/с и выше, с использованием известного программного обеспечения, например Microsoft Windows XP/Vista/7/8 или Mac OS X или Linux / Android 4.2 и выше, с приложениями, поддерживающими технологию Remote Desk Top (RDT).
В качестве средства доступа к АРМ руководителя 1 могут использоваться компьютерные устройства, входящие в компьютерную сеть, а также мобильные устройства (смартфоны, планшеты, ноутбуки и т.п.), не являющиеся элементами упомянутой компьютерной сети.
Первое ПАУ 2 предназначено для выполнения следующих функций:
- формирование запросов к БД на поиск значений показателей, необходимых для осуществления моделирования внутреннего состояния моделируемого объекта и состояния внешней среды (расчет технико-экономических показателей жизненного цикла объекта), в соответствии с заданными показателями, которые должны быть рассчитаны, и заданными внешними условиями;
- статистическая обработка значений показателей и показателей (параметров), меняющихся во времени;
- моделирование внутреннего состояния моделируемого объекта и состояния внешней среды;
- оптимизация показателей.
В состав первого ПАУ 2 входят следующие модули (не показаны):
- модуль формирования запросов,
- модуль статистической обработки,
- модуль моделирования внутреннего состояния моделируемого объекта и состояния внешней среды (расчета технико-экономических показателей жизненного цикла объекта),
- модуль оптимизации показателей.
Модуль моделирования внутреннего состояния моделируемого объекта и состояния внешней среды использует следующие подмодели: подмодель этапа маркетинговых работ; подмодель этапа тендерного предложения; подмодель этапа проектно-изыскательских работ; подмодель этапа строительства; подмодель этапа локализации проекта; подмодель этапа поставок и монтажа оборудования; подмодель индексов, курсов, цен и тарифов; подмодель управления сбытом электрической (тепловой) энергии; подмодель этапа эксплуатации; подмодель топливного цикла; подмодель финансов; подмодель управления персоналом; подмодель логистики; подмодель налогов; подмодель социально-экономическая; подмодель новых рынков и технологий; подмодель этапа вывода объекта из эксплуатации; подмодель управления рисками; подмодель оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС); подмодель трансфертного ценообразования.
В качестве первого ПАУ 2 используют программно-аппаратное устройство, предназначенное для системно-динамического моделирования внутреннего состояния заданного технического объекта с учетом характеристик внешнего воздействия и оптимизации выбранных технико-экономических показателей жизненного цикла объекта в случае расхождения расчетных значений технико-экономических показателей с требуемыми на протяжении жизненного цикла объекта.
Первое ПАУ 2 может быть реализовано, например, на компьютерном устройстве с процессором Intel/AMD совместимый x86/x64 с тактовой частотой не менее 2 ГГц и числом ядер не менее 4, ОЗУ не менее 12 Гб, ПЗУ не менее чем из 6 HDD объемом не менее 500 Гб (с поддержкой RAID-10), сетевым адаптером со скоростью 100 Мб/с и выше, с использованием известного программного обеспечения, например 32/64-битными версиями Microsoft Windows Server 2008 R2 с Microsoft SQL Server 2008 R2 и/или Linux/Solaris/Solaris SPARC/Microsoft Windows/Mac OS X Server и др. с Oracle Database 11 g R2, а также Powersim Studio 9 и выше.
Второе ПАУ 3 предназначено для хранения БД со справочной информацией.
В состав второго ПАУ 3 входит модуль справочных БД (не показаны):
В качестве второго ПАУ 3 используют программно-аппаратное устройство, предназначенное для хранения и обработки баз данных со справочной информацией на протяжении жизненного цикла объекта.
Второе ПАУ 3 может быть реализовано на компьютерном устройстве с процессором Intel/AMD совместимый x86/x64 с тактовой частотой не менее 2 ГГц и числом ядер не менее 4, ОЗУ не менее 12 Гб, ПЗУ не менее чем из 6 HDD объемом не менее 500 Гб (с поддержкой RAID-10), сетевым адаптером со скоростью 100 Мб/с и выше, с использованием известного программного обеспечения, например 32/64-битными версиями Microsoft Windows Server 2008 R2 с Microsoft SQL Server 2008 R2 и/или Linux/Solaris/Solaris SPARC/Microsoft Windows/Mac OS X Server и др. с Oracle Database 11 g R2.
Первое ПАУ 2 и второе ПАУ 3 могут быть реализованы на одном компьютерном устройстве.
Третье ПАУ 4 предназначено для доступа к данным, характеризующим ресурсы объекта на протяжении его эксплуатации.
В состав третьего ПАУ 4 входит, по крайней мере, модуль БД (не показан).
Третье ПАУ 4 может быть реализовано на компьютерном устройстве с процессором Intel/AMD совместимый x86/x64 с тактовой частотой не менее 2 ГГц и числом ядер не менее 4, ОЗУ не менее 12 Гб, ПЗУ не менее чем из 6 HDD объемом не менее 500 Гб (с поддержкой RAID-10), сетевым адаптером со скоростью 100 Мб/с и выше, с использованием известного программного обеспечения, например 32/64-битными версиями Microsoft Windows Server 2008 R2 с Microsoft SQL Server 2008 R2 и/или Linux/Solaris/Solaris SPARC/Microsoft Windows/Mac OS X Server и др. с Oracle Database 11 g R2.
В качестве третьего ПАУ 4 может быть использовано программно-аппаратное устройство, предназначенное для функционирования системы планирования ресурсов предприятия, обеспечивающей, по крайней мере, данные об операциях, финансах, персонале на протяжении жизненного цикла объекта.
Четвертое ПАУ 5 предназначено для доступа к данным о технологическом оборудовании, материалах, персонале, документах на протяжении жизненного цикла объекта.
В состав четвертого ПАУ 5 входит, по крайней мере, модуль БД (не показан).
Четвертое ПАУ 5 может быть реализовано на компьютерном устройстве с процессором Intel/AMD совместимый x86/x64 с тактовой частотой не менее 2 ГГц и числом ядер не менее 4, ОЗУ не менее 12 Гб, ПЗУ не менее чем из 6 HDD объемом не менее 500 Гб (с поддержкой RAID-10), сетевым адаптером со скоростью 100 Мб/с и выше, с использованием известного программного обеспечения, например 32/64-битными версиями Microsoft Windows Server 2008 R2 с Microsoft SQL Server 2008 R2 и/или Linux/Solaris/Solaris SPARC/Microsoft Windows/Mac OS X Server и др. с Oracle Database 11 g R2.
В качестве четвертого ПАУ 5 может быть использовано программно-аппаратное устройство, предназначенное для функционирования системы управления производственными процессами, обеспечивающей, по крайней мере, данные о технологическом оборудовании, материалах, персонале, документах на протяжении жизненного цикла объекта.
Пятое ПАУ 6 предназначено для обеспечения доступа к данным, характеризующим производственные и технологические процессы на протяжении жизненного цикла объекта.
В состав пятого ПАУ 6 входит модуль БД (не показан).
Пятое ПАУ 6 может быть реализовано на компьютерном устройстве с процессором Intel/AMD совместимый x86/x64 с тактовой частотой не менее 2 ГГц и числом ядер не менее 4, ОЗУ не менее 12 Гб, ПЗУ не менее чем из 6 HDD объемом не менее 500 Гб (с поддержкой RAID-10), сетевым адаптером со скоростью 100 Мб/с и выше, с использованием известного программного обеспечения, например 32/64-битными версиями Microsoft Windows Server 2008 R2 с Microsoft SQL Server 2008 R2 и/или Linux/Solaris/Solaris SPARC/Microsoft Windows/Mac OS X Server и др. с Oracle Database 11 g R2.
В качестве пятого ПАУ 6 может быть использовано программно-аппаратное устройство, предназначенное для функционирования автоматизированной системы управления технологическими процессами на объекте, обеспечивающей, по крайней мере, доступ к данным, характеризующим производственные и технологические процессы на протяжении жизненного цикла объекта.
Заявляемый способ может быть реализован с использованием заявляемого программно-аппаратного комплекса следующим образом.
Через АРМ руководителя 1 задают технико-экономические показатели, значения которых должны быть рассчитаны, и также задают параметры, характеризующие моделируемый объект.
В соответствии с заданными данными в АРМ руководителя 1 формируется определенный сигнал, который передается в первое ПАУ 2. На основании поступившего сигнала, который содержит данные, соответствующие команде на формирование в модуле системно-динамического моделирования внутреннего состояния моделируемого объекта и состояния внешней среды моделей, отвечающих заданным условиям, в модуле формирования запросов формируются запросы в соответствующие БД для определения значений требуемых при моделировании показателей.
Сформированные запросы в виде сигналов из первого ПАУ 2, соответствующих определенным данным, поступают в соответствующие БД во второе ПАУ 3, и/или в третье ПАУ 4, и/или четвертое ПАУ 5, и/или пятое ПАУ 6.
В ответ на поступившие запросы в соответствующих БД осуществляется извлечение запрашиваемых данных и их передача в виде определенных сигналов в первое ПАУ 2, где при необходимости некоторые значения показателей (параметров) поступают в модуль статистической обработки, а часть значений показателей поступает непосредственно в модуль системно-динамического моделирования внутреннего состояния моделируемого объекта и состояния внешней среды, куда также поступают рассчитанные значения показателей (параметров) из модуля статистической обработки.
1
k
1
m
1
p
1
p
1
p
p+1
k
В модуле моделирования внутреннего состояния моделируемого объекта и состояния внешней среды осуществляется сценарное динамическое моделирование, в рамках которого осуществляется представление моделируемых процессов в виде итерационной схемы с динамическим преобразованием потоков (I-I), поданных на вход системы на N-м шаге, в выходные потоки (O-O). Значения части выходных потоков (O-O, где p⇐m) подаются на вход системы на N+1 шаге (O-O⇒I-I, где p<k). Эти выходные потоки, подающиеся на вход системы на N+1 шаге, называются потоками обратной связи (как частный случай, это будут или аккумулируемые потоки, или потоки задержки, или комбинация потоков задержки и аккумулируемых потоков). Потоки обратной связи несут в себе информацию о внутреннем состоянии моделируемой системы. Остальные входные потоки (I-I) являются строго экзогенными потоками для моделируемой динамической системы. Исходя из значений этих потоков на N-m шаге (т.е. имея полностью определенное внутреннее состояние системы), а также зная значения экзогенных потоков на N-м шаге (т.е. имея полностью определенное состояние внешней среды, взаимодействующей с моделируемой динамической системой посредством строго экзогенных потоков), определяется внутреннее состояние системы на следующем N+1 шаге. Строго экзогенные потоки моделируют влияние внешней среды. Результаты моделирования используются для расчета технико-экономических показателей жизненного цикла объекта.
Результаты расчета передаются из первого ПАУ 2 в АРМ руководителя 1, где они выводятся на экран компьютера в виде таблиц, отдельных значений выбранных технико-экономических показателей, динамических диаграмм, характеризующих взаимосвязь между выбранными технико-экономическими показателями жизненного цикла объекта.
В случае, если результаты расчета не удовлетворяют требованиям, то в АРМ руководителя 1 формируется команда на оптимизацию параметров, при этом задаются значения результирующих технико-экономических показателей, которые должны быть достигнуты. Указанная команда передается в первое ПАУ 2 в модуль оптимизации, где определяются значения технико-экономических показателей моделируемого объекта, соответствующие заданным значениям результирующих технико-экономических показателей. При этом оптимизацию характеристик технического объекта осуществляют с помощью методов многокритериальной оптимизации (генетических алгоритмов, алгоритмов случайного поиска и т.п.).