Разработка программы повышения энергетической эффективности на территории Томской области

УДК 621.231

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ НА ТЕРРИТОРИИ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ

М.П. СИЛИЧ

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Рассматривается технология разработки Томской региональной программы повышения энергетической эффективности, опирающаяся на аппарат системного анализа и теории принятия решений, в частности на методику объектноориентированного моделирования и метод анализа иерархий. Технология включает анализ состояния дел в сфере энергопотребления Томской области, постановку целей программы и выработку комплекса мероприятий, формирующих условия для создания и развития энергосберегающего бизнеса.

Введение

Энергосбережение - весомый энергетический ресурс. Для Томской области проблема энергоснабжения стоит особенно остро по следующим причинам. Баланс производимых и ввозимых энергоресурсов в области складывается неблагоприятно: доля ввозимых энергоресурсов составляет величину 70 - 75 %. При этом потери энергии на всех этапах добычи, производства и потребления энергоресурсов составляют около 70 % [1]. Учитывая данные обстоятельства, проблема энергосбережения стала приоритетным направлением деятельности областных органов власти. В соответствии с постановлением главы администрации в 1996 году была разработана «Программа энергосбережения Томской области», внесшая значительный вклад в реализацию потенциала энергосбережения области. Однако в настоящее время назрела необходимость пересмотра действующей программы и принятия программы повышения энергоэффективности.

Потребность в повышении энергоэффективности диктуется новой энергетической стратегией РФ на период до 2020 года и федеральной целевой программой «Энергоэффективная экономика» на 2002-2005 гг. и на перспективу до 2010 года, в которой Томская область определена как базовый регион ее реализации. Основным стратегическим направлением политики государства в сфере энергетики провозглашается рост энергоэффективности за счет использования широкого спектра регулирующих воздействий, стимулирующих энергосберегающее поведение потребителей энергоресурсов. В энергетической стратегии России потенциал экономии электрической и тепловой энергии оценивается в 39-47% от текущего потребления энергии и ставится задача двукратного снижения удельной энергоемкости ВВП к 2020 году.

Методика разработки программы повышения энергоэффективности

В основу процесса разработки программы была положена технология проектирования сложных социально-экономических систем [2-4], позволяющая регламентировать и, хотя бы частично, стандартизировать процедуру проектирования путем объединения различных методик системного анализа и

© М.П. Силич

Проблемы энергетики, 2004, № 5-6

теории принятия решений в единый процесс на базе общего регламента и общей модели.

Центральным моментом данной технологии является методика объектноориентированного моделирования. Модель сложной системы представляется в виде иерархии подсистем, формируемой путем последовательной декомпозиции системы на все более мелкие составляющие. Это так называемая стратифицированная иерархия («Part-of-иерархия»), описывающая систему на различных уровнях абстрагирования, т.е. детальности отражения элементов и свойств.

Каждая из подсистем дерева представляется в виде объекта. Как известно, в объектно-ориентированных моделях под объектом понимают информационную структуру в виде совокупности атрибутов (свойств, параметров, характеристик) и совокупности методов (действий, процедур, операций) [5]. Методы позволяют определять значения атрибутов, в том числе вычислять на основе значений других атрибутов. Любой объект является представителем некоторого класса однотипных объектов, описывающего общие свойства входящих в него объектов. Описание класса включает: состав атрибутов, для каждого из которых указаны тип данных и область значений, и совокупность методов, общих для всех объектов класса. Классы могут наследоваться друг от друга, т.е. на основе любого класса можно создавать новые классы по принципу «от общего к частному» [5].

Конкретный объект, называемый экземпляром или реализацией класса, определяется конкретными значениями атрибутов. Мультиобъектом называют множество объектов (набор реализаций) одного класса, выделенных в соответствии с некоторым признаком. Подсистеме может быть сопоставлен не один объект, а мультиобъект для отображения различных вариантов описания подсистемы, например, множества состояний в различные моменты времени, в различных точках пространства, в различных условиях и т.д. Различают три основных типа базовых признаков, по которым формируются мультиобъекты, -время, пространство и группа (population).

Рассмотрим, как используется объектно-ориентированная модель на различных этапах проектирования (перепроектирования) сложной системы. На этапе анализа исследуется существующая (перепроектируемая) система или аналоги проектируемой системы. Могут быть выделены отдельные подэтапы, соответствующие различным видам анализа: «ретроспективный анализ»,

«сравнительный анализ», «причинный анализ». При использовании любого вида анализа сначала формируется иерархия подсистем исследуемой системы и составляются описания классов подсистем. Затем на базе классов создаются экземпляры описаний, т.е. объекты или мультиобъекты, и осуществляется сравнение объектов с целью установления тенденций, выявления проблем и ограничений. При ретроспективном анализе формируются мультиобъекты по временному признаку, отражающие состояния компонент в различные моменты времени. При сравнительном анализе формируются мультиобъекты по признаку «группа (population)», содержащие описания аналогов, а также «идеальных» вариантов компонент.

На этапе постановки целей формулируются цели проектируемой системы. При этом в качестве подсистем могут быть выделены цели (требования) систем окружающей среды (вышестоящих систем, потребителей, партнеров), а также различные аспекты целеполагания (политический, экономический, социальный, экологический). Словесные формулировки целей необходимо дополнить

значениями критериев, выступающих индикаторами достижения целей. К каждой подсистеме иерархии целей присоединяется мультиобъект, отражающий планируемые значения критериев в различные моменты времени прогнозируемого периода.

Основным содержанием этапа выработки решений является синтез вариантов реализации компонент системы и выбор наиболее перспективных вариантов. Поиск оптимального варианта системы в целом или любой ее подсистемы может осуществляться двумя способами. Первый способ «от средств -к цели» предполагает генерирование различных вариантов, их оценку и выбор оптимального варианта. Для генерации вариантов могут использоваться переборные методы, например, метод морфологического анализа. При использовании этого метода из множества атрибутов выбираются так называемые базовые атрибуты (конструктивные, управляемые параметры) и формируются различные комбинации значений этих атрибутов. Недопустимые комбинации отбрасываются, а оставшиеся оцениваются. Второй способ («от цели

- к средствам») предполагает последовательное выстраивание на множестве атрибутов дерева решений, формируемого от целевых атрибутов через промежуточные к базовым, определяющим варианты. Дерево решений может быть представлено либо в виде дерева «И/ИЛИ», либо в виде когнитивной карты (в том числе и нечеткой), либо в виде дерева анализа, построенного методом анализа иерархий Т. Саати [6].

Перейдем к рассмотрению процесса разработки программы «Повышение энергетической эффективности на территории Томской области на 2004-2008 гг.», реализованного на базе описанной объектно-ориентированной технологии проектирования сложных систем.

Анализ предметной области

Первым этапом в разработке программы стал этап анализа состояния дел в сфере энергопотребления в Томской области. Объектом анализа в данном случае является система «Энергопотребление региона», которую можно декомпозировать на подсистемы «Потребление электроэнергии» и «Потребление тепловой энергии». Каждая из этих подсистем подразделяется на подсистемы по отраслевому принципу - «Потребление в промышленном комплексе»,

«Потребление в агропромышленном комплексе», «Потребление в транспортном комплексе и связи», «Потребление в энергетическом комплексе», «Потребление в жилищно-коммунальной сфере». Для проведения анализа должна быть сформирована система объективных измеримых показателей, характеризующих выделенные подсистемы, т.е. составлены классы описаний в виде множества атрибутов. Примеры показателей:

• удельное потребление энергоресурсов на единицу валового регионального продукта (ВРП) (грамм условного топлива на руб.);

• прирост ежегодного потребления энергоресурсов по сравнению с предыдущим годом (%);

• удельное потребление энергоресурсов на душу населения (грамм условного топлива на чел.);

• доля энергоресурсов, выработанных на территории области, в общем объеме потребленных энергоресурсов (%).

С целью выявления тенденций, происходящих в сфере энергопотребления на протяжении последних трех лет, был проведен ретроспективный анализ. На

основе введенных классов описаний подсистем были сформированы мультиобъекты по временному признаку - реализации классов, соответствующие 2000, 2001, и 2002 годам. Каждая из реализаций содержит конкретные значения атрибутов, достигнутые в заданном году (рис. 1).

Энергопотребление в Томской области

ту

Потребление электроэнергии в Томской области

Потребление э/э в промышленном комплексе

Потребление тепловой энергии в Томской области

ТУ

Потребление т/э в промышленном комплексе

с>

Энергопотребление в Томской области

Год: 2002 г.

Энергопотребление в Томской области

Год: 2001 г.

Энергопотребление в Томской области

Год: 2000 г.

Уд. потребление э/р на ед. ВРП (г ул. ня руб*): 182

Прирост потребления э/р к предыдущему году (%): 43

&

Энергопотребление в Томской области Гол

2000г. 2001г. 2002 г.

Уя. потребление э/р на ед. ВРП <г у.т. на руб.) 182 126 100

Прирост потреблении э/р к предыдущему году (%) 4,3 2,2 0,7

...

Рис. 1. Ретроспективный анализ системы энергопотребления

Сравнение реализаций показало, что динамика изменений большинства атрибутов может быть оценена как обнадеживающая. В частности, такие показатели, как энергоемкость ВРП, электроемкость ВРП, удельное потребление энергоресурсов на душу населения, а также прирост ежегодного потребления энергоресурсов, неуклонно снижаются. Это свидетельствует о положительных тенденциях, в немалой степени обусловленных эффектом от реализации программы энергосбережения.

Однако чтобы выявить, насколько существующее положение далеко от идеального, был проведен сравнительный анализ. Для сравнения были сформированы реализации, соответствующие системам энергопотребления наиболее развитых стран - США и Японии, а также России и Сибирскому региону в целом. Сравнение показало, что удельное энергопотребление в большинстве отраслей экономики Томской области существенно превышает аналогичные показатели развитых стран и средние значения по России и Сибири. И лишь в жилищно-коммунальной сфере, в транспортном комплексе и связи Томская область находится на уровне самых энергоэкономных стран (Японии), что свидетельствует скорее о низком уровне качества потребления, чем о высоком уровне энергосбережения. Таким образом, несмотря на достигнутые определенные успехи в реализации политики энергосбережения, требуется интенсифицировать усилия в этом направлении, на что и должна быть направлена программа повышения энергоэффективности.

Постановка целей

На данном этапе необходимо сформировать систему целей программы. Основной целью является рост энергоэффективности экономики Томской области за счет реализации потенциала энергосбережения. В качестве основания декомпозиции системы целей предлагается использовать выделение целевых аспектов, соответствующих различным видам социальной деятельности. При этом выделяются подсистемы политических, экономических, социальных и экологических целей. Примеры экономических целей:

• повышение научно-технического потенциала Томской области;

• повышение конкурентоспособности производимой продукции;

• уменьшение бюджетных выплат на удовлетворение энергетических потребностей области;

• устранение перекрестного субсидирования потребителей энергии.

Примеры социальных целей:

• повышение комфортности жизни населения области;

• улучшение условий труда;

• повышение уровня культуры потребления энергоресурсов в жилом секторе.

Для контроля хода выполнения программы словесные формулировки целей необходимо дополнить критериями - измеримыми индикаторами, характеризующими степень достижения целей. Для каждой из подсистем системы целей формируется множество показателей, выступающих критериями для соответствующего целевого аспекта и образующих класс описания критериев. Так, для подсистемы экономических целей множество критериев включает такие показатели, как энергоемкость ВРП, доля промышленного и топливноэнергетического комплексов в общем энергопотреблении; доля бюджетных расходов на субсидирование населения, несимметрия тарифов; для подсистемы социальных целей - доля жилья, оснащенного приборами учета, доля среднедушевых доходов на энергообеспечение в реальных располагаемых доходах и т.д. На основе классов формируются мультиобъекты по временному признаку -реализации классов (по одному на каждый год планируемого периода), содержащие плановые значения критериев, которые должны быть достигнуты в соответствующем году.

Разработка основных направлений программы

Основной стратегией достижения поставленных целей было выбрано создание условий для систематического выполнения энергосберегающих проектов, позволяющих перейти от разовых кампаний по энергосбережению, инициируемых «сверху», к непрерывному процессу, реализуемому как специализированный бизнес. Реализация выбранной стратегии предполагает разработку основных направлений действий в виде комплекса мероприятий, формирующих условия для создания и развития энергосберегающего бизнеса. Поскольку спектр возможных действий не очевиден и генерирование мероприятий методом перебора конструктивных атрибутов, описывающих альтернативные варианты действий, невозможно, в качестве способа формирования мероприятий программы был использован метод анализа иерархий Т. Саати.

В соответствии с данным методом сначала необходимо сформировать дерево решений - доминантную иерархию, отражающую причинно-следственные

зависимости между атрибутами по типу «цель-средство». Каждому атрибуту соответствует некоторая задача, которая не может быть решена, пока не будут решены ее подчиненные подзадачи. Для построения иерархии не подходит множество атрибутов, сформированное на этапе анализа, т.к. это количественные показатели, используемые для измерения состояния системы, но не описывающие ее суть. Необходимо сформировать перечень качественных атрибутов, так называемых концептов, значениями которых являются баллы, отражающие степень достижения некоторого свойства. Дерево решений формируется от целевого атрибута через промежуточные к базовым, определяющим конкретные мероприятия.

На рис. 2 представлен фрагмент дерева решений. Целевым атрибутом являются «Условия для реализации потенциала энергосбережения». Выделены четыре основных условия: наличие финансовых средств на реализацию проектов по энергосбережению; наличие агентов, способных разрабатывать и реализовывать проекты; заинтересованность потребителей в снижении энергопотребления и информированность потребителей относительно возможностей энергосбережения. Для каждого из атрибутов, соответствующих этим условиям, были выделены подчиненные атрибуты, обеспечивающие их выполнение, которым, в свою очередь, также сопоставлены доминируемые атрибуты и т.д. Так, для выполнения условия «наличие агентов» предлагается две подзадачи: «создание энергосервисных компаний» и «система подготовки кадров». Для решения первой из этих подзадач необходимо разработать методики расчета энергетической эффективности и реально получаемой экономии энергоресурсов от реализации проектов, а также пакет документов, регламентирующих работу компаний. Соответствующие атрибуты располагаются на нижнем уровне дерева.

Рис. 2. Фрагмент дерева решений

Для оценки относительной важности и приоритетности сформированных мероприятий используется метод парных сравнений [6]. Для каждой совокупности атрибутов, непосредственно подчиненных одному атрибуту, формируется матрица парных сравнений № = ||^||, /, у = 1, п , содержащая степени

превосходства атрибутов друг над другом. Превосходство 1-го атрибута над ^тым измеряется в баллах от 1 до 9 (1 - нет превосходства, 9 - максимальная степень превосходства). Для согласованности этих значений выполняется w^j = 1/ Wj^. В

таблице 1 приведена матрица сравнений для атрибутов второго уровня дерева решений.

Таблица 1

Матрица парных сравнений атрибутов второго уровня дерева решений

Наличие финансовых средств Наличие агентов Заинтересо- ванность потребителей Информиро- ванность потребителей

Наличие финансовых средств 1 2 1/3 5

Наличие агентов 1/2 1 1/5 4

Заинтересованность потребителей 3 5 1 7

Информированность потребителей 1/5 1/4 1/7 1

На основе матриц вычисляются локальные приоритеты, выражающие относительное влияние атрибутов на доминирующий атрибут. Для этого определяются собственные вектора матриц, которые затем нормализуются. Компонента собственного вектора матрицы определяется по формуле

гп

— = п1 П ^ . Компонента нормализованного вектора локальных приоритетов

Ъ=1

определяется по формуле х1 = ——-----.

у=1

Для определения глобальных приоритетов атрибутов перемножаются локальные приоритеты всех доминирующих атрибутов, входящих в цепочку от целевого атрибута до атрибута нижнего уровня. Если у некоторого атрибута имеется несколько доминирующих атрибутов одного уровня, то произведения приоритета данного атрибута на приоритеты доминирующих атрибутов складываются. Синтез глобальных приоритетов осуществляется сверху вниз.

Вычисленные приоритеты мероприятий (комплексов мероприятий) используются для определения очередности их реализации и распределения финансовых средств.

Выводы

Результатом рассмотренного процесса разработки целевой региональной программы повышения энергетической эффективности явился комплекс мероприятий, обеспечивающий создание условий для систематического выполнения энергосберегающих проектов. Использование объектноориентированной технологии, основанной на системном подходе, позволило обеспечить комплексность рассмотрения проблемы, обоснованность и взвешенность принимаемых решений.

Summary

The technology of advancing power efficiency program development, basing on the methods of system analysis and decision making theory is presented. The technological research considers the present state of the power consumption in Tomsk region, sets the goals of the program and develops the complex of ways to form the conditions for creating and developing of the power saving business.

Литература

1. Силич В. А., Литвак В.В., Яворский М.И. Региональный вектор энергосбережения. - 2-е изд. - Томск: Изд-во STT, 2001. - 342 с.

2. Силич М.П. Системная технология: объектно-ориентированный подход. -Томск: Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2002. -224 с.

3. Силич В.А., Силич М.П. Проектирование сложной системы на основе объектно-ориентированного подхода // Изв. Томского политехнического университета. - 2003. - Т. 306. - №2. - С. 99-103.

4. Силич В.А., Силич М.П. Метод объектного моделирования для проектирования сложных систем // Автоматизация и современные технологии. - 2003. - №4. - С. 14-21.

5. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения: Пер. с англ. - М.: Конкорд, 1992. - 519 с.

6. Саати Т., Кернс К. Аналитическое планирование. Организация систем: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1991. - 224 с.

Поступила 18.02.2004