Модели принятия решений в управлении региональной программой водоснабжения

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 004.896

ББК 32.973.2

Нечаев Д.А.

МОДЕЛИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В УПРАВЛЕНИИ РЕГИОНАЛЬНОЙ ПРОГРАММОЙ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Nechaev D.A.

DECISION MAKING MODELS IN THE MANAGEMENT OF REGIONAL WATER SUPPLY PROGRAM

Ключевые слова: системный анализ, оптимизация, методология DEA, системы поддержки принятия решений

Key words: system analysis, optimization, methodology DEA, decision support systems

Аннотация: в статье рассмотрены вопросы управления региональной инвестиционной программой водоснабжения населения. Предложен комплекс моделей поддержки принятия решений на различных этапах выполнения программы. Часть моделей базируется на методологии DEA. Другие модели используют продукционный вывод на основе баз знаний. Рассмотренные модели применяются в жизненном цикле реализации региональной программы водоснабжения.

Abstract: the article deals with the control of a regional investment program of water supply. A set of models to support decision making at various stages of the program is considered. Some models are based on the methodology of DEA. Other models use a production output based on knowledge bases. These models are used in the life cycle of implementation of the regional water supply program.

Введение

Задача повышения уровня жизни населения Российской Федерации включает в себя и обеспечение питьевой водой нормативного качества. Эта проблема усугубляется климатическими и экологическими факторами, а также плохим техническим состоянием построенных систем водоснабжения. Кардинально исправить положение может только стратегическая программа участия государства в планомерном строительстве новых и реконструкции существующих систем водоснабжения. Такая программа «Чистая вода» выполняется во многих регионах, в том числе в Самарской области.

Выполнение программы должно проводиться с использованием современных научных методов управления крупными проектами. В статье рассмотрены модели поддержки принятия решений, которые были реализованы в процессе подготовки и выполнения региональной программы водо-

снабжения.

Жизненный цикл региональной программы

В работах [1,2,3] были освещены вопросы организации управления региональной программой и предложена структура информационно-управляющей системы. Инвестиционная государственная программа должна рассматриваться как крупный проект, имеющий свой жизненный цикл. На рисунке 1 приведена структура жизненного цикла региональной программы.

В предыдущие годы формирование инвестиционных государственных программ зачастую проходило без системного анализа объектов, не проводилась оптимизация инвестиций в зависимости от важности объектов, от природных и техногенных факторов. Решение о включении объектов в программу принималось на основе просьб администраций муниципальных образований без взвешенного учета всех факторов.

Этап системного анализа Анализ водохозяйственного комплекса области, отбор потенциальных объектов водоснабжения для включения в программу

1

Этап системного анализа

Анализ и классификация объектов водоснабжения

1 г

Этап системного анализа Предварительное определение инвестиций и принятие решений о включении объектов в программу

Предпроектный этап Выбор технологических схем систем водоснабжения

Предпроектный этап Оптимизация инвестиций в проектирование и строительство систем водоснабжения

г

Этап проектно-изыс кательских работ

Этап строительно-монтажных работ

г

Государственная эксп в экспл ертиза и сдача объекта уатацию

Эксплуатация систем водоснабжения, реконструкция, утилизация

Рисунок 1 - Жизненный цикл региональной программы водоснабжения

Другим отрицательным моментов являлось то, что ценообразование проектирования и строительства производилось без тщательной предпроектной подготовки. Это

приводило к необходимости дополнительных инвестиций после проведения изыскательских работ и начала проектирования систем водоснабжения.

В связи с этим предлагаемая процедура (рисунок 1) включает этапы системного анализа и предпроектного этапа. Управленческие решения на этих этапах основывают-

ся на математических моделях, в разработке которых автор принимал участие.

Иерархия системных моделей принятия решения показана на рисунке 2.

Mt: DEA CCRP-Output M2: P-DEA BCCp-Output

M3: DEA CCRP-Output

4: Кластерная модел множества водозаборов M5: Продукционная модель в ИСППР ТВ

М6: Оптимизационная модель инвестиций и параметров объектов программы

7: Продукционная мй дель в ИСППР ТВ, работающая как компонент САПР

Рисунок 2 - Иерархия системных моделей

Модели системного анализа

Основной задачей системного анализа, выполняемой при формировании региональной программы водоснабжения, является классификация территориальных образований по эффективности с целью оценки необходимости включения их в программу. Модель классификации Mi: CCRp - Output строится на основе методологии DEA [4] и представляет собой ориентированную на выход модель Чарнеса-Купера-Роуда с учетом постоянного коэффициента отдачи. Это задача дробно-линейного программирования, которая находит максимум функционала эффективности n -го объекта из совокупности N рассматриваемых объектов:

fn = max(-

и\пУ\п + u2ny2n

v1nx1n + v2nx2n + v3nx3n

и1пУ1 j + u2ny 2 j

v1nx1 j + v2nx2 j + v3nx3 j

< 1, j = 1, N,

п = 1, Ы,

где и1п, и2п, У1п, У2п, У3п - неизвестные весовые коэффициенты.

Параметры в (1) имеют следующие значения для каждого из п-го объекта: У1„ - производительность водозаборов, у2п -объем водопотребления, х1п - численность населения, х2п - площадь территории муниципального образования, х3п -степень износа водопроводных сетей в целом по территориальному образованию. Показатель эффек-тивности/п лежит в диапазоне [0;1].

Преобразование задачи (1) к задаче линейного программирования производится по методике, предложенной в [5]. Задача (1) решается N раз, в результате чего получаются показатели эффективности для каждого объекта. На основе этих показателей проводятся сравнительный анализ и классификация объектов, предлагаемых к включению в программу.

В каждом классе объектов, сравнимых по эффективности, строится искусственный эффективный объект [6]. Для этого используется модель M2: BCCp -Output -модель Банкера -Чарнса -Купера, ориентированная на выход с учетом переменного коэффициента отдачи. В результате искусственный объект для заданного класса реальных объектов имеет эффективность больше, чем 1. Он используется как ориентир для определения целей, которые должны быть достигнуты реальными объектами класса. Соответственно, рассчитываются предварительные значения инвестиций, необходимых для достижения данных целей.

На следующем этапе для отобранных к включению в программу территориальных образований проводится этап анализа и классификации систем водоснабжения в каждом населенном пункте. Здесь применяется модель М3: CCRp -Output, аналогичная модели M1. При этом на основе сравнительного анализа строятся классы систем водоснабжения, близких по показателю эффективности.

Затем для уточнения используется методика кластерного анализа водозаборов по параметрам качества воды, изложенная в работе [7]. Модель М4 продуцирует кластеры, объединяющие водозаборы по группам загрязнения воды. В этой модели определены признаки кластеризации, которые сведе-

ны в таблицу 1. Результаты показаны в таблице 2. Видно, что объединение кластеров дает значительно меньшее число водозаборов, для которых следует проводить сложные процессы очистки воды.

Модели принятия решений на пред-проектном этапе

Следующей важной задачей при управлении региональной программой является генерация множества альтернативных решений для технологических схем очистки воды для каждого объекта из кластера водозаборов. С этой целью была разработана интеллектуальная система поддержки принятия решений по технологиям водоподготовки ИСППР ТВ [8]. В основе работы этой системы лежит продукционная модель вывода М5, использующая базы фактов для поверхностных источников и подземных источников воды и базы правил выбора технологических схем на основе классификатора, разработанного в НИИ ВОДГЕО [9].

В результате выполнения этого этапа анализа получаем набор возможных технологических схем водоподготовки, которые следует оценить по заданным критериям.

Для этого используется следующая оптимизационная модель М6:

N Ji

C?=11 fv S) * i=1 j=1

^ min

Xy =

1, если выбран вариант у в проекте 1 0, в противном случае,

где функции ¡у (Бу) = , где 4

keK„

весовые коэффициенты компонентов s1¡:

вектора Sij, Ср - величина инвестиций в проект I.

Таблица 1 - Признаки кластеризации водозаборов по параметрам воды

№ п/п Код признака Признак качества воды

1 П Пригодна

2 УП Условно пригодна

3 НП Непригодна

4 П1 Пригодна после умягчения

5 П2 Пригодна после обеззараживания

6 П3 Пригодна после очистки от органических веществ

7 П4 Пригодна после обезжелезивания

8 Ж1 Жесткость повышена в допустимых пределах

Продолжение таблицы 1

9 Ж2 Жесткость превышает норму

10 М1 Минерализация повышена в допустимых пределах

11 Ф1 Содержание железа повышено в допустимых пределах

12 МГ1 Содержание марганца повышено в допустимых пределах

13 Ц1 Цветность повышена в допустимых пределах

14 Х1 Содержание хлоридов превышает норму

15 С1 Содержание сульфатов превышает норму.

16 ППО Пригодна после обработки

Таблица 2 - Кластеры водозаборов Самарской области

Кластеры первого уровня Объединение двух кластеров Объединение трех кластеров

Код Количество Код Количество Код Количество

водозаборов водозаборов водозаборов

П1 35 П1, П2 5 П1, П2, П3 2

П2 53 П1, П3 5 П1, П2, П4 3

П3 11 П1, П4 2 П1, П3, П4 1

П4 49 П2, П3 8 П2, П3, П4 2

П2,П4 8

- - П3, П4 7 - -

Ограничения задачи.

Л

1. ^ х у = 1 - выбирается только один

7=1

из альтернативных вариантов технологической схемы проекта I.

2. ЯуК-Я* - параметры оборудования

должны удовлетворять заданным требованиям, Я = {<, =, >}.

3. Е у < Е* - ограничения на потребляемую оборудованием мощность.

*

4. - параметры качества воды должны отвечать нормам СанПиН,

Я ={<, =, >}.

*

5. М у < М* - эксплуатационные расходы системы водоснабжения не должны превышать заданных значений.

N

6. ^С р < Св + С1 - суммарная стои-

¿=1

мость всех проектов не должна превышать плановых бюджетн^1х Св и внебюджетных С1 инвестиций в программу.

Решение задачи минимизации (2) с ограничениями для всех систем водоснабжения позволяет определить параметры технологических решений и минимизировать

инвестиционные вложения в объект.

После того, как объект включен в региональную программу, начинается этап проектно-изыскательских работ. Теперь система ИСППР ТВ может использоваться как компонент САПР при проектировании конкретного оборудования водозаборов, систем фильтрации, водопроводных сетей, энергетического оборудования и других устройств. В этом случае применяется продукционная модель М7, которая, в отличие от модели М6, опирается на расширенную базу знаний об используемом технологическом и строительном оборудовании в системах водообеспечения.

Система ИСППР ТВ ориентирована на анализ и поддержку принятия решений по состоянию не только в данный момент времени. Она содержит блок прогноза состояния качества воды в водозаборах, роста потребления воды, влияния техногенных, антропогенных и природных факторов. Эти процессы инерционны, тем не менее, необходим постоянный мониторинг, данные которого используются в ИСППР ТВ.

На базе прогноза могут быть построены границы эффективности систем водоснабжения, которые анализируются с ис-

пользованием методологии DEA и моделей М1, М2 и М3 .

Заключение

Таким образом, обобщен разработанный автором комплекс системных моделей поддержки принятия решений для управления региональной программой водоснабжения. Эта систематизация увязана с жизнен-

ным циклом региональной программы, как крупного проекта, начиная от его инициации до окончания действия. Модели позволили получить экономию инвестиционных средств при достижении главной цели -обеспечении населения питьевой водой нормативного качества.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Орлов, С.П. Информационно-управляющая система для территориального водоснабжения / С.П. Орлов // Вестник Самарского гос. тех. ун-та. Серия «Технические науки». -2008. - № 2(22). - С. 111-118.

2. Мережко, А.Г. Информационная система для анализа и моделирования технологий водоподготовки /А.Г. Мережко, С.П. Орлов // Вестник Самарского гос. тех. ун-та. Серия «Технические науки». -2009. - № 1(23). -С. 233-236.

3. Орлов, С.П. Система поддержки принятия решений для управления региональной программой водообеспечения / С.П. Орлов, А.В. Чуваков, Д.А. Нечаев, Е.А. Михеева // Мягкие вычисления и измерения «SCM 2010». Труды междунар. нучн. конф. - СПб.: Издательство СПбГТЭУ «ЛЭТИ», том 2, 2010. - С. 84-87.

4. Ramanathan, R. An Introduction to Data Envelopment Analysis. A Tool for Performance Measurement. Sage Publications, 2003. - P. 25.

5. Charnes, A. Programming with Linear Fractional Functionals / A. Charnes, W.W. Cooper // Naval Research Logistic Quarterly. -1962. - Vol.9, № 3,4. - P.181-196.

6. Моргунов, Е.П. Многомерная классификация на основе аналитического метода оценки эффективности сложных систем / Дис...канд. техн. наук: 05.13.01 / Е.П. Моргунов; НИИ систем управления, волновых процессов и технологий. - Красноярск, 2003. -160 с.

7. Орлов, С.П. Системный анализ и информационные технологии при проектировании и строительстве территориальных комплексов водоснабжения / С.П. Орлов, А.В. Чуваков, А.Г. Мережко // Известия СНЦ РАН. Т. 11(27). № 5(2). - 2009. - C. 316-319.

8. Орлов, С.П. Разработка экспертной системы в составе интеллектуальной системы поддержки принятия решений в области водоподготовки и водоочистки природных вод / С.П. Орлов, А.В. Чуваков, Д.А. Нечаев // Современные наукоемкие технологии. - № 5. -2010. - С. 44-52.

9. Журба, М.Г. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание второе, переработанное и дополненное / Г.М. Журба, Л.И. Соколов, Ж.М. Говорова. - М.: Издательство АСВ, 2004. - С. 495.