CC BY
154
УДК 004.021 51-7 517.977.5 519.248 519.8 519.876.2
А.А. Безродный
МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СТРУКТУР СЕТЕЙ АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ
Необходимость развития сетей автозаправочных станций и недостаточность ранее созданных моделей и методов для решения современных задач говорит об актуальности проведения исследований в данной предметной области. Новая методология отличается системным причинно-следственным подходом и позволяет повышать технико-экономические показатели предприятий
нефтепродуктообеспечения, решать практически важные задачи совершенствования сетей АЗС и предприятий
нефтепродуктообеспечения и создавать условия для экономии топлива на автомобильном транспорте.
Имитационное моделирование, сложная человеко-машинная система, автозаправочная станция, сеть АЗС, предприятие нефтепродуктообеспечения (НПО)
A.A. Bezrodniy THE METHODOLOGY AND PERFECTION OF GAS STATION NET BUILDING
The necessity to develop gas station nets and lack of the models and methods for resolving the practical tasks make the investigations actual. The new methodology is noted by the system of cause-and-effect approach and permits to increase technical and economical characteristics of petroleum supply enterprises, to resolve important practical tasks for gas station nets and petroleum supply enterprises and to build up the conditions of transport fuel consumption decrease.
Simulation, decision-making, complicated system, gas station net, petroleum supply enterprise, petroleum supply
Введение. Сети автозаправочных станций как часть систем обеспечения нефтепродуктами играют существенную роль в функционировании и развития государства и общества. В этой связи, а также из-за недостаточности известных моделей и методов для решения современных задач [1], проведение исследований в данной сфере является актуальным.
За последние 40-50 лет создано множество моделей и методов совершенствования сложных систем топливно-энергетического комплекса и, в частности, сетей АЗС [2]. Однако в большинстве случаев отсутствует единый взаимоувязанный комплекс постановок и методов решения задач и алгоритмов принятия решений и управления сетями АЗС в современных условиях. Многие модели описывают объекты уровня региона или государства или АСУ ТП без должного внимания к сетям АЗС, причем необходимый объем данных, как правило, не обеспечивается. В этой связи, а также по причине значительного роста автопарка РФ, появления новых видов моторных топлив, автозаправочного оборудования и схем
обслуживания, широкого внедрения АСУ и развития исследуемых систем и необходимы проведение системного анализа и разработка новых моделей и методов совершенствования сетей автозаправочных станций.
1. Системный анализ сетей АЗС, постановка задачи. Проблематика сетей автозаправочных станций состоит в сложности целей, воздействий и ограничений среды и системы и взаимодействий между ними (рис.1), многообразии объектов, процессов, событий и явлений различной природы, высокой интенсивности информационных (И), материальных (М), финансовых (Ф) и энергетических (Э) потоков и необходимости повышения эффективности управления.
Рис. 1. Взаимодействие внешней среды с сетью автозаправочных станций
Общая задача состоит в построении на интервале Дtе [0,7] структур £ = (X,и,Г) и выборе управляющих воздействий (С, А,X,и,Щ, оптимальных по критерию
К (£, (С, А, Х,и, Я), Дt)® вхК (1)
и V , ,
при общесистемных К е иОт, частных (Кт, £, Дt)е От, топологических
Ы,У=1
(кх, £^, Дt)е Оху, структурного (£, Дt)е О, и связанных с характеристиками средств
управления (к'<,£ Х,и, Дt)е Оп ограничениях. В (1) К - показатель эффективности; Ку,
Кху, кРд - векторные компоненты К по видам ограничений; О, Оиу, Оху, От - множества целей, воздействий и ограничений среды и системы; и - тип системы среды (и =1..Ц), V- вид системы среды (V =1..Р); Х и у - пространственные координаты (х = 1..Хтах) и (у = 1..уШах); р -виды средств управления (р = 1._Р); q - уровни иерархии q ^=1.@); С, А, X и и - множества, соответственно, функций, алгоритмов и средств управления и отношений между X; £ -множество видов структур, £ху - множество видов территориально распределенных структур;
Я - множество вариантов управлений (структур и управляющих воздействий); Г - множество графов структур.
Анализ объекта исследования и ранее выполненных работ показывает, что сети автозаправочных станций являются сложными территориально-распределенными
человеко-машинными иерархическими системами высокой размерности (рис. 2), задачи совершенствования которых являются задачами многокритериальной оптимизации.
Рис. 2. Обобщенная схема типичной сети автозаправочных станций
Целесообразно выделение трех уровней: АЗС - объекты обслуживания, комплексы АЗС - взаимосвязанные объекты обеспечения функционирования АЗС, предприятия НПО - системы поддержания долговременного взаимодействия АЗС и внешней среды.
В общей постановке задача не решается из-за высокой размерности, многообразия объектов, процессов, событий и явлений различной природы и нелинейности их взаимодействия. Это и обусловливает необходимость разработки методологии рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей АЗС и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах.
2. Методология построения и совершенствования сетей автозаправочных станций. Методология (рис. 3) базируется на теоретико-множественном представлении систем с использованием системного причинно-следственного подхода [3] и включает взаимоувязанные постановки, показатели, модели, методы, информационно-логические схемы и алгоритмы.
Рис. 3. Общая схема методологии построения и совершенствования сетей АЗС
Каждый объект, процесс, событие и явление имеют причину, определяющую его возникновение, изменение и связь с иными событиями. Цели достигаются путем преобразования потоков ресурсов и формирования выходных характеристик в условиях требований вышестоящей системы, воздействий среды и ограничений системы. Процесс достижения целей как последовательная смена состояний путем решения задач управления представляется цепью причинно-следственных связей. Решение задач в известных ситуациях заключается в задании лицом, принимающим решение (ЛИР), наиболее общей причинно-следственной связи, которая может быть интуитивно понятной, известной или теоретически и экспериментально доказанной. Далее проводится декомпозиция ее компонент с использованием моделей теории систем, управления и предметной области вплоть до уровня, где задачи могут решаться известными методами. Наконец, осуществляются проверка качества внедрения результатов моделирования и коррекция при необходимости. При недостаточности данных проводятся коррекция модели и последовательное уточнение решений по мере внедрения и развития системы.
Путем декомпозиции по уровням, периодам управления и видам задач (построения структур и выбора управляющих воздействий) общая задача структурируется в виде взаимосвязанной совокупности частных задач (рис. 4).
3. Особенности применения методологии. Достижение глобальной цели «получение прибыли путем удовлетворения запросов потребителей» [2] в сетях АЗС осуществляется путем реализации процессов приема, хранения и отпуска нефтепродуктов, а также обеспечения и обслуживания. При выборе направления развития наиболее общая причинно-следственная связь формулируется как достижение K = max на стадии Phph (ph =1..PH) путем построения структур и выбора управляющих воздействий по преобразованию ресурсов W (информация, оборудование, персонал, первичные материалы, финансы, энергия) средствами и объектами управления в условиях G на интервалах Н с помощью алгоритма A.
Решение задачи осуществляется с помощью алгоритма, приведенного на рис. 6.
Рис. 5. Формализованное представление наиболее общей причинно-следственной связи подхода
к выбору направления развития сетей АЗС
На рис. 6 использованы следующие обозначения: Ruv - пространство параметров, G*uv - существенные воздействие и ограничения среды и системы, образующие орт-векторы пространства параметров; Еэф - целевая область в пространстве параметров; Fijk и Fp„hkpruv: Xjqх С х sPhх Нк xw;r х Guv- элементарные задачи управления; QG„ - горототью
значения изменения К в моменты времени 1 и 2; {£#} - этапы производственных процессов ^ =1..£7) в зависимости от фазы развития системы PH; wpг (рг = 1..6) - виды ресурсов, Г3(Х,и) - граф информационной структуры системы (с - сетевая, и - иерархическая); М -уровень иерархии (М = 1..3, 1 - АЗС; 2 - комплекс АЗС; 3 - предприятие НПО). Снижение размерности достигается путем декомпозиции с использованием известных моделей теории систем, управления и предметной области, применения известных методов решения задач оптимизации и отсечения вариантов, не имеющих смысла, экономически нецелесообразных и не допускающих заданную степень автоматизации для участков с наибольшей достоверностью данных с последующим уточнением по мере внедрения результатов и развития системы. На основе приведенного обобщенного алгоритма сформированы методы, информационно-логические схемы и алгоритмы решения частных задач, взаимосвязи которых представлены на рис. 7.
Рис. 7. Взаимосвязи методов, информационно-логических схем и алгоритмов разработанной методологии
Основой развития предприятий НПО является совместное построение структур систем принятия решений и управления, а также информационной и организационнотехнических систем. Данные системы должны обеспечивать эффективное управление в нормальном режиме в известных ситуациях с созданием системы поддержки принятия обоснованных решений лицом, их принимающим (ЛПР), при инциденте, аварии или недостаточности данных. Задача решается путем направленного перебора вариантов системы управления ^: X х СхР хН х W по агрегированным показателям К.
Эффективное управление сетями АЗС состоит в повышении показателя эффективности Кнпо с учетом параметров АЗС, характеристик улично-дорожных сетей (УДС) и потоков автотранспортных средств, при минимальном перераспределении последних между объектами одноименной сети. Задача решается методом ветвей и границ с последовательным уточнением по результатам внедрения и развития системы.
Определение параметров АЗС проводится путем нахождения значений коэффициента корреляции взаимосвязи КНПО ^) и подтверждения ее статистической значимости по заданному уровню а. Для нахождения оптимальных состава и структуры топливораздаточного оборудования и АСУ АЗС представляется в виде СМО, описание которой осуществляется с использованием имитационного моделирования.
4. Основные результаты. По результатам применения разработанной методологии решены задачи повышения эффективности сетей автозаправочных станций.
В частности, в Саратовской и Пензенской областях в 2002-2007 гг. обеспечен рост системы обслуживания по микропроцессорным картам, приведенный к числу АЗС и уровню цен, более чем в 6 раз. В данных регионах, а также в Воронежской и Белгородской областях, создана система технического содержания АЗС с сокращением издержек на 15 %. В г. Волгограде и Саратове были открыты учебные центр и класс, где проведена имитация производственных процессов на АЗС и сформирован комплекс технических средств обучения, что позволило получить лицензию на право осуществления образовательной деятельности [4].
Для сетей АЗС найдено число объектов и характеристики УДС - число равнозначных и неравнозначных перекрестков и протяженность улиц и дорог между соседними объектами - обеспечивающие минимальное перераспределение автотранспортных потоков между объектами сети для малого и среднего (до 1,5 млн жителей) городов предприятий НПО, эксплуатирующих менее 25 % АЗС региона [5].
При решении задач совершенствования АЗС найдены параметры эффективных объектов. Оптимальной по критерию минимума потерь от простоев автотранспортных средств в очереди и АЗС без обслуживания для современного и прогнозируемого потоков АТС является структура, состоящая из двух двухсторонних многопродуктовых ТРК, расположенных перпендикулярно дорожному полотну со всеми видами моторных топлив, используемых на АЗС. Установка дополнительных топливораздаточных колонок (ТРК) определяется особенностями обслуживания большегрузных автомобилей,
предоставлением возможности потребителям оставления транспортных средств возле ТРК при приобретении сопутствующих товаров в мини-маркетах при АЗС и иными факторами. Данная структура за период с 2000-2010 гг. реализована на более чем 45 объектах, причем в соответствии со вновь разработанной методикой работы были проведены с минимальным временем остановки объекта или в отсутствие такового [6].
Наличие терминала обслуживания, расположенного на ТРК, снижает необходимое число ТРК и обеспечивает большую пропускную способность АЗС. С использованием результатов моделирования в 2005 г. в г. Пензе была создана одна из первых в РФ АЗС с совместным использованием традиционной компьютерно-кассовой системы и автоматизированных автозаправочных терминалов. АСУ данной автозаправочной станции обеспечивает отпуск моторных топлив при выходе из строя любой компоненты оборудования и применения любой марки ААТ [7].
Моделирование проведено с использованием пакетов программ Trace Mode, MS Office и Delphi, источником данных являлись БД АСУ АЗС и систем обслуживания по микропроцессорным картам, а также данные учетных систем. Адекватность основных положений подтверждается близостью результатов известных и вновь созданных моделей, достоверность результатов - статистическими данными за более чем 12-летний период наблюдения, обоснованность выводов - успешным многократным применением и эффективностью опытной эксплуатации систем.
Заключение. По итогам проведения исследований разработаны новые и усовершенствованы ранее созданные взаимоувязанные постановки задач, показателей, моделей, методов, алгоритмов и информационно-логических схем, составляющие теоретические основы рационального построения и непрерывного совершенствования структур сетей автозаправочных станций и эффективного автоматизированного управления процессами и объектами в данных системах. Предложенная новая методология дает возможность разрабатывать и включать в состав систем управления сетей АЗС взаимоувязанные компоненты, повышающие адекватность моделей, достоверность результатов и оперативность принятия решений по построению структур и выбору управляющих воздействий, оптимальных или наилучших по заданным критериям, при недостаточности данных о системе, среде и их взаимодействии для решения
современных практических задач. Ее применение позволяет улучшать обслуживание потребителей в сетях автозаправочных станций, повышать эффективность предприятий нефтепродуктообеспечения, развивать системы обеспечения нефтепродуктами различных уровней и создавать условия для экономии топлива на автомобильном транспорте.
1. Безродный А. А. Модели структур и алгоритмы управления АЗС / А.А. Безродный, А.Ф. Резчиков. Саратов: СГТУ, 2004. 249 с.
2. Давлетьяров Ф. А. Нефтепродуктообеспечение / Ф. А. Давлетьяров, Е.И. Зоря, Д.В. Цагарели. М.: ИЦ «Математика», 1998. 662 с.
3. Резчиков А. Ф. Причинно-следственные комплексы как модели процессов в сложных системах / А.Ф. Резчиков, В.А. Твердохлебов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 7. С. 2-8.
4. Безродный А. А. Алгоритм построения структур управления предприятий НПО / А.А. Безродный // Вестник ТГТУ. 2009. Т. 15. № 3. С. 516-529.
5. Безродный А.А. Алгоритм определения оптимального размера сетей АЗС малых и средних городов / А.А. Безродный // Вестник СГТУ. 2009. № 2 (38). Вып. 1. С. 120-126.
6. Безродный А.А. Оценка эффективности АЗС / А.А. Безродный // Системы управления и информационные технологии. 2009. № 1.1(35). С. 121-125.
7. Безродный А. А. Оптимизация обслуживания автотранспортных средств на автозаправочных станциях с использованием автоматизированных автозаправочных терминалов / А.А. Безродный // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 11. С.
ЛИТЕРАТУРА
47-52.
Безродный Алексей Анатольевич -
кандидат технических наук, докторант кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета
Doctoral Student of the Department of «System Engineering»
Bezrodniy Aleksey Anatoliyevich -
Candidate of Technical Sciences,
of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 11.03.10, принята к опубликованию 23.11.10
