CC BY
13у
Borodin V.A. Graduate student Astrakhan state technical university Ushanov Artem Lead expert OOO "Cyber Systems " Tarasov D.A.
Lead engineer OOO "Gazprom dobycha Astrakhan " Spanderashvili D. V. Assistant professor Astrakhan state technical university Бородин Виталий Александрович
аспирант
Астраханский государственный технический университет
Ушанов Артём Александрович Ведущий эксперт ООО «Киберсистемс» Тарасов Денис Арнольдович Ведущий инженер ООО «Газпром добыча Астрахань» Спандерашвили Дмитрий Викторович
Доцент
Астраханский государственный технический университет
THE USE OF SIMULATION, PREDICTIVE MODELS FOR AUTOMATIC CONSTRUCTION OF URBAN INFRASTRUCTURE MAINTENANCE PLAN ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМИТАЦИОННО-ПРОГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОСТРОЕНИЯ ПЛАНОВ ОБСЛУЖИВАНИЯ
ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ
Summary: Today, industrial companies actively implements Asset Management methodologies and informational systems to automate processes, described by such methodologies. Informational Modeling methodology is developing in civil construction. This article describes matters of frame model based integration Asset Management systems with Building Information Models to solve problems of citywide asset management. Key words: EAM, BIM, assets, urban infrastructure, automation.
Аннотация: В настоящее время в промышленности активно ведутся работы по внедрению стандартов управления производственными активами и соответствующих систем, автоматизирующих процессы, описанные в данных стандартах. В данной статье мы рассматриваем вопросы интеграции на основе фреймовых моделей систем управления актива и информационных моделей зданий и сооружений для обеспечения автоматизации управления активами городской инфраструктуры.
Ключевые слова: EAM, BIM, активы, городская инфраструктура, автоматизация, фреймовая модель.
Эксплуатация инфраструктурных объектов городского хозяйства является одной из основных статей городского бюджета. С ростом сложности городской инфраструктуры, а также с увеличением возможностей систем автоматики по контролю различных объектов коммунального хозяйства, городские службы приходят к выводу о том, что объекты городской инфраструктуры нужно не просто эксплуатировать, но эксплуатировать эффективно. Т.е. соотносить затраты на эксплуатацию со степенью участия того или иного объекта в обеспечении функционирования и поддержания работоспособности других объектов. Также необходимо соотносить уровень затрат на эксплуатацию с объемом капитальных инвестиций по данному объекту, производя выбор оптимальной стратегии эксплуатации и планируя необходимые инвестиции на каждом этапе жизненного цикла объекта. [1,2]
Для принятия оптимальных решений по стратегии эксплуатации объектов требуется учитывать множество параметров как по самому объекту, так и по его взаимосвязям с другими объектами. Человеку анализ такого объема информации не под силу. Данная задача может быть эффективно решена с использованием различных методом поддержки принятия решений. Одним из способов поддержки принятия решений является имитационное моделирование. Информационные системы имитационного моделирования могут использоваться в различных видах деятельности: разработке «умных домов», проектировании отопления, вентиляции и кондиционирования помещения, учёта электроэнергии. Системы могут использоваться не только для моделирования одного здания, но и для построения модели целого города.
Однако для построения эффективной имитационной модели необходима актуальная и достаточно
детализированная информация о каждом объекте и обо всём городе, как комплексе взаимосвязанных объектов. Зачастую внедрение интеллектуальных систем поддержки принятия решений сталкивается с неразрешимой задачей ввода огромных объемов данных об объектах для их дальнейшего анализа и предложения определенных решений.
Оптимистичный прогноз относительно возможностей построения систем принятия решений на основе имитационных моделей могут принести последние тенденции индустрии строительства и проектирования зданий и сооружений. Последнее десятилетие происходило формирование методологии информационного моделирования в проектировании и строительстве зданий и сооружений. Информационное моделирование зданий — это процесс, в результате которого формируется информационная модель здания - BIM (Building Informational Model). BIM-модель начинает формироваться в момент принятия решения о начале проектирования, продолжает формироваться в процессе подготовки проекта и строительства. Информационная модель учитывает различные аспекты строения и позволяет автоматизировать планирование различных строительных и проектировочных работ с учётом всех имеющихся данных о
Конструкции
Архитектура
Параллельно с развитием BIM моделей в строительстве в промышленности активно развивалась технология автоматизации обслуживания оборудования. В настоящее время система EAM (Enterprise Asset Management - Управление производственными активами) — это полностью интегрированное программное решение, созданное для контроля за ежедневной эксплуатационной деятельностью капиталоемкого предприятия и сопровождения жизненного цикла его основных активов и фондов. Системы обеспечивают своевременный ремонт или
здании. [3,4] Таким образом, BIM модели могут быть использованы как источник информации для построения максимально детализированных имитационных моделей моделирования эксплуатации городской инфраструктуры. [5]
Смысл философии BIM можно охарактеризовать так [6]:
• основываясь на компьютерной модели объекта создать единую стратегию управления проектированием, производством и процессом реализации строительного объекта;
• обеспечить интегрированное управление потоками графической и численной информации;
• на базе единой или согласованной программной среды превратить разрозненных пользователей в команды; разрозненные действия объединить в процессы
• чтобы быстрее, дешевле и эффективнее осуществлять операции по обеспечению процесса управления жизненным циклом объекта в целом
• проектирования,
• строительства и производства
• эксплуатации
Примерный состав информационных моделей составляющих BIM представлен на рис. 1
замену оборудования, что позволяет достичь от 20 до 40% экономии в операционных расходах [7].
Основными отраслями применения EAM систем являются активоемкие отрасти, такие как:
- перерабатывающие и добывающие предприятия;
- энергетические компании;
- телекоммуникационные компании;
- транспортные компании;
- предприятия сельского хозяйства.
- предприятия коммунального хозяйства
Рисунок. 1 . Типы информации в BIM
у
Согласно материалам консалтингового агентства A.T.Kearney, компании, использующие EAM-системы, отмечают следующие эффекты:
- сокращение стоимости аварийных работ на
31 %;
- снижение затрат на обслуживание оборудования на 25-30 %;
- уменьшение случаев нехватки запасов на 29 %;
- сокращение срочных закупок на 29 %;
- повышение производительности работ по техобслуживанию и ремонтам на 29 %;
- уменьшение времени ожидания материалов, необходимых для проведения работ, на 29%;
- снижение количества сверхурочных работ на 22 %;
- сокращение сверхнормативных запасов на 21 %;
- достижение экономии за счет получения более выгодных цен благодаря возможности выбора поставщика на 18 %;
- повышение коэффициента готовности оборудования на 17 %.
- Сроком окупаемости соответствующих решений наиболее часто указывается период 6-18 месяцев.
В свою очередь, агентство Aberdeen приводит данные о том, что использование EAM позволяет предприятиям довести значение показателя эффективности использования оборудования до 93 % от максимально возможного, снизить время простоя до 3 % от максимально возможного времени работы оборудования, при этом время незапланированного простоя не превышает 2 %. Внедрение ЕАМ также позволяет увеличить отдачу от производственного оборудования на 20-25 %. [8,9,10]
Таким образом, совмещение информационной модели здания с системой управления активами может повысить эффективность обслуживания зданий.
Целью данной работы является разработка структуры системы, обеспечивающей автоматическое построение планов обслуживания городской инфраструктуры. Задачи работы:
• выделение особенностей системы;
• выбор подходящей модели;
• описание компонентов системы.
Рассмотрим особенности системы, сочетающей оба подхода. В первую очередь, система должна учитывать активы с большой протяженностью (линейные активы) - например, систему водопровода, линии электропередач. Для данных активов критичен своевременный ремонт, так как поиск неисправности может занимать продолжительное время, а сам актив может использовать большим количеством потребителей ресурса. Также активы в системе должны иметь иерархическую модель.
Например, рассмотрение системы подачи электроэнергии в целом по микрорайону может помочь при приоритезации ремонтных работ. Однако для принятия решения необходимо иметь информацию по различным элементам сети (например, трансформаторным будкам), для получения информации о которых необходимо понимать состояние составных элементов.
Кроме того, элементы городской инфраструктуры тесно связаны друг с другом. Например, отключение подачи воды влияет на систему пожаро-безопасности и систему полива, отключение электричества может влиять на систему безопасности помещения - например, на работоспособность дверей с электромагнитным замком или систем видеонаблюдения. Таким образом, информационная система должна учитывать влияние одних элементов на остальные.
Другой важной функцией системы должен быть сбор данных и их последующий анализ. Например, своевременный сбор информации со счётчиков может быть использован для прогнозирования возможных закономерностей рисков отказа оборудования. Система сбора инцидентов может позволить ускорить анализ неисправностей при ремонте.
Современные EAM системы не учитывают специфические для отрасли элементы (линейные активы, сетевая и иерархическая структура). В то же время BIM не позволяет прогнозировать риски сбоя оборудования для планирования обслуживания. Таким образом, необходима разработка системы, сочетающей оба подхода. В основе структуры системы может лежать фреймовая модель.
Фреймом называют структуру для описания понятия или ситуации, состоящую из характеристик этой ситуации и их значений. Обычно фрейм обладает уникальным именем и содержит определённое количество слотов - данных, описывающих фрейм. Слоты могут представлять собой простые типы данных - текст, целое число и др. Также слот может указывать на другой фрейм или на определённую процедуру.
Таким образом, каждый объект инфраструктуры будет выражен через фрейм:
F = (N,Sd,Sl,Sp), где N - имя объекта, Sd -его декларативные слоты, Sl - слоты, обеспечивающие связи с другими фреймами, Sp - процедурные слоты.
При построении иерархической модели небольшие объекты системы будут связаны с более крупными через слоты Sl. Таким образом, для того, чтобы вычислить необходимые показатели больших объектов можно будет получить информацию о его составных компонентах через слоты, обеспечивающие связи. Например, оценку состояния системы водоснабжения можно будет произвести получением информации о состоянии соответствующих активов (рис.2).
Рисунок 2. Пример иерархии объектов в системе
Для реализации реакции системы на изменения необходимо использовать процедурные слоты. Процедуры могут вызываться при изменении декларативных слотов фрейма или при изменении связанных с ним фреймов. Сочетание данного подхода с системой сбора информации позволит пользователю оперативно реагировать на изменения. Например, выход из строя одного из трансформаторов зафиксирован системой сбора данных. В соответствующем фрейме изменится значения слота его состояния. На изменение значения отреагирует специальная процедура, она передаст информацию об
изменениях другим элементам сети - в соответствующих фреймах поменяются значения декларативных слотов. Таким образом, пользователь сможет увидеть, какие системы перестали работать из-за поломки или на какие системы возросла нагрузка (рис.3). В случае масштабных неполадок, например, при отказе большей части оборудования, может быть задействована специальная процедура, оповещающая о высокой аварийности сложившейся ситуации.
Рисунок 3. Применение процедурных слотов
Данный подход можно будет использовать и для прогнозирования рисков - изменение состояния объектов вызывает процедуру пересчёта прогноза. Изменение прогноза может скорректировать план обслуживания инфраструктуры и актуализировать мероприятия.
Помимо информационной модели системе также требуются другие компоненты (рис.4) - планировщик расписания обслуживания, диспетчерская подсистема, подсистема сбора данных, учётная система активов.
Рисунок 4. Общая структура системы
Таким образом, объединение информационной модели и системы управления активами может восполнить пробелы существующих систем. Эксплуатация здания с помощью такой системы может сократить операционные расходы. Анализ показаний с измерительных устройств, а также своевременное перепланирование работ по обслуживанию могут уменьшить количество аварийных инцидентов.
Предложенный подход позволит вывести процессы эксплуатации зданий, сооружений, а также городской инфраструктуры на уровень, соответствующий стандартам крупных предприятий, когда вся городская инфраструктура представлена не как набор разрозненных элементов, а как единая система с предсказуемым состоянием и согласованным обслуживанием.
Список литературы
1. Гафарова Е.А., Газизова К.А. Имитационные модели развития города: социально -экономический и управленческий аспекты // Вопросы управления. 2015. №3 (15)
2. С. Хабаров. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЗНАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФРЕЙМОВ // URL: http://www.habarov.spb.ru/bz/bz07.htm (дата обращения: 03.09.2016)
3. Скворцов А.В. Модели данных BIM для инфраструктуры // САПР и ГИС автомобильных дорог. 2015.№4. С. 16 - 23
4. PAS 1192-2:2013. Specifi cation for information management for the capital/delivery phase of construction projects using building information modelling. The British Standards Institution 2013. Published by BSI Standards Limited 2013. ISBN 978 0 580 82666 5
5. National Building Information Modelling //Standard. National Institute of Building Sciences, bulding SMARTalliance. 2007. 182 P.
6. Succar B. Building Information Modeling Framework: A Research and Delivery Foundation for Industry Stakeholders // Automation in Construction. 2009. Vol. 18 (3).P. 357-375.
7. Иорш В.И., Крюков И.Э., Антоненко И.Н. // Управление инфраструктурой и надежность производственных систем // Das Management. 2009. №1. С. 72 - 73.
8. Кац Б.А. От информационной системы - к системе управления ТОиР// Автоматизация в промышленности. 2009. №9. С. 40 - 43.
9. Кац Б.А. Когда начинать использование системы EAM // Автоматизация в промышленности. 2009. №8. С.43 - 45.
10. Комонюк О. В., Антоненко И. Н. Информационная поддержка управления ремонтно-эксплуатационной деятельностью // Главный инженер. 2007. № 5. С. 35-41.
