CC BY
65
© В.И. Александрова, 2013
УЛК 553:004.94: 556.3:556.5 В.И. Александрова
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ГИС-ТЕХНОЛОГИИ
Рассмотрены вопросы моделирования макроэкономических процессов потребления минеральных ресурсов с использованием ГИС-технологий на примере российской топливодобывающей компании. Составлена и описана гео-информационная карта России с привязанными к ней пространственно-атрибутивными данными компании ОАО «ЛУКОЙЛ». На основании пространственно атрибутивной карты составлена концептуальная и математическая модель процессов переработки минерального ресурса и реализации полученных продуктов. Построена и реализована имитационная модель процессов переработки минеральных ресурсов и реализации полученных продуктов с помощью объектно-ориентированного моделирования. После реализации имитационной модели и проигрывания существующих и наилучших вариантов процесса добычи и переработки энергетического топлива. Составлена минеральна-экономическая диаграмма добычи и переработки энергетического минерального ресурса с тремя стратегиями.
Ключевые слова: моделирование макроэкономических процессов, геоинформационная карта, атрибутивная (описательная) информация, статистическая обработка информации, графическая визуализация пространственных данных, нефтепроводы и продуктопроводы, имитационная модель процессов переработки минерального ресурса и реализации полученных продуктов, концептуальная и математическая модель, система уравнения, объектно-ориентированное моделирование, глубина переработки.
Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить так называемые вычислительные эксперименты, в тех случаях, когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализован-ность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий [1]. Метод машинной имитации позволяет решать широкий круг задач, возникающих при проектировании АСУ, дает возможность одновременного рассмотрения и оценки нескольких альтернативных вариантов проектных решений, что в целом повышает достоверность и качество окончательно выбранного варианта.
Данные, накапливаемые человечеством о реальных объектах и событиях нашего мира, в той или иной мере содержат так называемую «пространственную» составляющую. Пространственный аспект в информации имеют здания и сооружения (нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы), земельные участки (нефтяные месторождения), водные, лесные и другие природные ресурсы, транспортные магистрали (нефтепроводы и продуктопроводы) и инженерные коммуникации. Движущийся или покоящийся на дороге автомобильный транспорт, движущийся поезд, летящий самолёт и плывущий пароход имеют координаты на земной поверхности. Следовательно, и вся информация по этим и другим ранее названным объектам имеет постоянные или переменные пространственные координаты.
Если каждому из нас интересно работать с бумажной картой, то с компьютерной картой - интуитивно ясно - должно быть работать не менее интересно. Но на самом деле карта в компьютере приобретает по сравнению с картой бумажной много дополнительных и полезных свойств. Поскольку по каждому объекту, отображённому на цифровой карте, в памяти компьютера хранится атрибутивная (описательная) информация, то её можно обработать, например, статистическими методами и отразить результаты такого анализа, непосредственно «наложив» их на карту.
В среде ГИС, результаты статистической обработки информации, будучи наложенными, например, на карту нефтяных месторождений и на нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы, прилежащие к месторождениям, позволяют выявить некоторые весьма полезные закономерности. ГИС предназначены для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах. Другими словами, это инструменты, позволяющие пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах
В данной статье описывается моделирование макроэкономических процессов потребления минеральных ресурсов с использование ГИС-технологий на примере российской топливодобывающей компании. Эффективность моделирования зависит от статистической исходной информации. Анализ нали-
чия данных по Российской топливодобывающей промышленности, показал, что в наиболее регуляризованном и структурированном виде она представлена у нефтегазовой компании - ОАО «ЛУКОЙЛ». На рис. 1 представлена геоинформационная карта России, на которой отмечены все основные месторождениям группы ЛУКОЙЛ, ее нефтепроводы и продуктопроводы, НПЗ и НХЗ, а также транспорт, на котором осуществляется перемещение минерального ресурса. Из карты видно, что основных месторождений у компании - 4 (Поволжье, Предуралье, Тимано-Печора, Западная Сибирь), нефтеперерабатывающих заводов - 4 (Ухтинский НПЗ, Нижегородский НПЗ, Пермский НПЗ, Волгоградский НПЗ), нефтехимических заводов - 2 (Ставролен, Сарато-воргсинтез). Помимо всего каждое месторождение и завод обладают своими характеристиками и мощностями. На карте представлена центральная система нефтепроводов/продук-топроводов и транспортная система, по которой осуществляется перемещение минерального ресурса. Все пространственно-атрибутивных данные, привязанные к карте, были использованы при моделировании имитационной модели процессов переработки минерального ресурса и реализации полученных продуктов.
На основании пространственно атрибутивной карты был составлена концептуальная модель процессов переработки минерального ресурса и реализации полученных продуктов (рис. 2).
Концептуальная модель процессов переработки минеральных ресурсов и реализации полученных продуктов включает в себя 5 производственных блоков:
1. Добыча. Данный блок включает в себя общее число месторождений Мц на которых осуществляется добыча МР. Каждое месторождение показывает объем добычи МР за единицу времени (тонн в год);
2. Промысловая подготовка - включает в себя число пунктов Пп на которых осуществляется промысловая подготовка. Каждый промысловый подготовительный пункт показывает объем очищенного МР за единицу времени (тонн в год);
3. Нефтепереработка - включает в себя все нефтеперерабатывающие заводы Рк. Каждый НПЗ показывает выпуск нефтепродуктов за единицу времени (тонн в год);
Нефтехимические заводы:
★ ООО «Сгавролен» ООО »Саратове г. Буденновск г. Саратов
Международные проекты Прочие Экспорт
5 285 тыс. т 2 165 ТЫС. т
^^ Мощность
млн т/год Я К
Переработка Щ ^ Я
в йвОА г. млн т аШ
Инкхс Нельсона
Зиии Сибирь
56 197 тыс. I
17,5° » |
Тнмлио Псчорл
12,2е»
11 635 тыс г
3 263 тыс. т
Рис. 1. Пространственно атрибутивная карта нефтегазовой компании - ОАО «ЛУКОЙЛ»
Рис. 2. Концептуальная модель процессов переработки минерального ресурса и реализации полученных продуктов
4. Нефтехимия - включает в себя все заводы нефтехимии Сь. Каждый НХЗ показывает выпуск продуктов нефтехимии за единицу времени (тонн в год);
5. Высокие технологи - в данной модели блок высоких технологий не рассматривается так как это уже более глубокий уровень переработки сырья Hy. В нем участвую заводы нового поколения.
Блоки модели в свою очередь взаимосвязаны между собой вариантами перехода. Вариант перехода носят вероятностный характер Poi -Py -Pja -Pax. 0 % < P < 100 %. В данном случае вероятности вариантов перехода Poi ,Py ,Pja ,Pax были определены экспертным способом. Выбор вероятностей определяются в зависимости от:
• удаленности НПЗ от месторождения;
• от мощности НПЗ, который может принять определенный объем добычи от месторождения;
• удаленности НХЗ от НПЗ;
• от мощности НХЗ, который может принять определенный объем выпуска нефтепродукта с НПЗ.
Процесс добычи и переработки энергетического минерального ресурса осуществляется по схеме: добыли - получили продукт производства - переработали - получили продукт переработки - глубоко переработали - получили продукт глубокой переработки - переработали высокими технологиями - получили продукт высоких технологий.
Основные принципы процесса добычи и переработки жидкого сырья:
• МР перемещаясь последовательно с одного уровня глубины переработки на следующий, входит в состав конечного изделия в совокупности с другими продуктами;
• чем глубже степень переработки МР, тем больше степень их сложности, и тем шире спектр выпускаемой продукции;
• часть массы нефти учувствует в каждом блоке результатов производства и переработки;
• первоначальная масса, включаемая каждый раз в новый продукт уменьшается.
На основании концептуальной модели составлены пять систем балансовых уравнений описывающих процессы переработки минеральных ресурсов и реализации полученных продуктов. Тут представлена одна из пяти систем уравнений (МП - переход). Следующие четыре системы уравнения строятся аналогичным образом. Каждая система описывает переход от одного вида в производства к следующему виду производства и к видам реализации сырья (см. рис. 2 и систему уравнения 1). МП -переход:
ГМ Рп(Д^) = П1 М2 Р12(Д^ = П2
Мз Р13(Д^ = Пз
......о = 1,д; 1 = 1,п; о = 1; Л^ = I = 365 дней, Л£ > 0;
М0 Ры № = п,
<
Мч Рт (Д^ = Пп (1)
ч.
МР>М) = П - вероятность перехода МР с месторождения М0 на 1-ый пункт промысловый подготовки за время М.
г
Мо1 Р0, ЕХ1 № = ЕХ1 Мо1 Мы Ры БЬ1 (Л12) = БЬ1 Мы
Мп Рп ЕХ1 № = ЕХ1 Мп
М,п Рп Би (Л^ = Би Мчп
II МоРы (Ш + II МоРы ЕХ1 (Л4) + II МоБи (Л4) = 1Мо 2 Ра № + 2 Рог ЕХ1 Шг) + 2 Ра Б^ (Л^) = 1
о ех А'1
I МоРо,- ЕХ-РИЮЕоц - прибыль от экспорта МРоц;
I МоРо,-БЬ-РШОЕоп - прибыль от продаж МРоц на территории РФ.
На основании математической и концептуальной моделей была построена и реализована имитационная модель процессов переработки минеральных ресурсов и реализации полученных продуктов (рис. 3).
* Продуктопроводы, ж/ц., "ж/д,, автотранспорт, речной и
автотранспорт, речной и морской морской транспорт, авиа
транспорт транспорт
Рис. 3. Имитационная модель процессов переработки минеральных ресурсов и реализации полученных продуктов
Имитационное моделирование в составе данной математической модели и концептуальной схемы похоже на теорию массового обслуживания (СМО), но отличается тем, что в данном случае существует множество продуктов производства, каждый продукт может идти по разным направлениям поставки с разной долей вероятности того, что минеральный ресурс/минеральный продукт поступит на тот или иной НПЗ и НХЗ. На основании этой модели были созданы попроцессные модели переработки минерального ресурса и реализации полученных продуктов, при составлении этих моделей выявлена особенность, что нет прямого переноса всей массы получаемых продуктов в одном направлении. В чистом виде теория массового обслуживания применена не может быть, так как продукт при переработки постоянно будет разбиваться на подпродукт, то есть множится (к примеру была - нефть (100 %), из нее получили - бензин (30 %) и керосин (65 %), и то есть получается, то что сумма масс бензина и керосина должна быть равна, той массе нефти, которую отправили на переработку; 0,5 % - потери). Так как эта схема получилась много компонентной, была построена модель (рис. 3), описаны связи перемещения между типами производства и продажами на внутреннем рынке и экспортом, используя имитационное моделирование, в основе которого лежит численный метод Монте-Карло и аппарат объектно-ориентированного моделирования для реализации данной задачи.
На рис. 3 представлена имитационная модель добычи и переработки нефти. Модель состоит из шести приборов обслуживания:
1. Месторождения (активный прибор обслуживания);
2. Система трубопроводов (транспортный прибор обслуживания);
3. НПЗ (активный прибор обслуживания);
4. Транспортная система* (транспортный прибор обслуживания);
5. НХЗ (активный прибор обслуживания);
6. Транспортная система** (транспортный прибор обслуживания).
Все приборы обслуживания как активные, так и транспортные имеют вход и выход, в транспортной системе таких видов
выхода может быть три: выход ресурса на экспорт - EX, на внутреннюю продажу - SL, и в дальнейшую переработку. Выходов (Out) у транспортной системы может быть столько, сколько потребителей ресурса. Выходами из активных приборов обслуживания будут являться разные порции и виды продуктов разных типов производств.
Каждый активный и транспортный прибор обслуживания обладает своими индивидуальными характеристиками и параметрами. Основные параметрами являются - временные параметры, стоимостные параметры и масса ресурса:
• номер порции сырой нефти; номер порции нефтепродукта; номер порции нефтехимического продукта;
• масса порции;
• длительность операции;
• момент окончания операции;
• цена продукта; цена нефтепродукта; цена нефтехимического продукта.
На каждом активном приборе обслуживания определена технология переработки нефти. На каждом блоке ПО - стоит генератор, определяющий время начала работы и время ее завершения, и порцию нефти.
Блок Markerl, является временным блоком, в нем задается период всего времени моделирования, в течение которого генератор будет работать.
И так, с любого месторождения (WorkField) можно осуществить переход на любой НПЗ (Server 1), через транспортную систему (Tubel). С месторождения выходит порции сырой нефти добытой за смену и идет по магистрали, попадая в систему нефтепроводов (Tube). После выхода из нефтепровода порция ресурса, попадает к потребителю(Server, EX или SL).
Порция нефти описывается такими параметрами, как объем за смену, время начала движения ресурса, время прихода ресурса к активным приборам обслуживания. В нашей системе, время перемещения ресурса определяется с помощью генератора, при помощи логнормального закона распределения.
900 800 700 BOO 500
w
400 300 200 100 0
стратегия №1 стратегия №2 стратегия №3
Рис. 4. Минерально-экономическая диаграмма добычи н переработки энергетического минерального ресурса
Также, введен дополнительный контейнер (MBox 1), который собирает порции продуктов (с Server) и разом перевозит (в Tube 2). Это позволяет делать наш процесс более реальным. Политику и механизм настройки системы можем менять, в зависимости от интересующего результата.
После реализации имитационной модели и проигрывания существующих и наилучших вариантов процесса добычи и переработки энергетического топлива. Получилась минерально-экономическую диаграмму добычи и переработки энергетического минерального ресурса с тремя стратегиями.
Из минерально-экономической диаграммы видно, что:
• первая стратегия показывает, какой мы получили доход за год, при нынешней стратегии Компании ЛУКОЙЛ, то есть, когда большую часть добываемого сырья передаем на экспорт, а меньшую передаем на следующие уровни переработки;
• вторая стратегия показывает, какой мы получили бы доход за год, в том случае, когда были снижены экспортные продажи и повышен уровень глубины переработки на НПЗ;
• третья же стратегия показывает, какой мы получили бы доход за год при максимальном отказе от экспорта (почти в два раза), и при увеличении выпуска изделий, как на нефтеперерабатывающем производстве, так и на нефтехимическом производстве.
Из диаграммы видно, что третья стратегия значительно улучшила бы экономическое положение страны в целом. С экономической точки зрения видно, что малое количество минерального ресурса на высокой стадии его обработки обладает значительно высоким экономическим потенциалом. Даже минимальная переработка минерального ресурса значительно повышает его стоимость, что, в конечном счете, влечет за собой существенное повышение главного экономического показателя страны - ВВП.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев A.A. Компьютерное моделирование [электронный ресурс]/ A.A. Васильев - Режим доступа http:// www.ctc.msiu.ru /materials/Book2 /ch_09_model/01_model /01_comp_model/index.html;
2. Власов М.Ю., Горбачев В.Г. ЦСИ «Интегро», г. Уфа - Режим доступа http: //inmeta.ru/metod/bytel. htm. ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Александрова Вероника Игоревна - аспирантка кафедры АСУ, специальность «Геоинформатика», Princess7v@mail.ru, veronika.aleksandrova@bearingpointconsulting.com Московский государственный горный университет.
А
