CC BY
11
шнЕРШшРЕтурсшшБЕШШЕтишшэнЕРШяэФФЕшаштишЬ 9
УДК 332.1: 004.81
Оценка ситуации с энергетической эффективностью в муниципальных образованиях на основе диаграммы влияния факторов
М. П. Силич,
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, доктор технических наук, профессор
B. А. Силич,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, доктор технических наук, профессор
C. В. Аксенов,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, кандидат технических наук, доцент
В. С. Ахмедов,
Томский региональный центр управления энергосбережением, эксперт
Предлагается подход к оценке ситуации с энергетической эффективностью в муниципальных образованиях. Основа подхода - построение диаграмм, отражающих влияние факторов друг на друга и связи между индикаторами и факторами. На основе диаграмм формируется система нечёткого вывода, позволяющая оценивать уровень энергоэффективности и причины сложившейся ситуации. По результатам оценки может быть построено дерево причин и дерево целей.
Ключевые слова: энергетическая эффективность, муниципальные образования, диаграмма влияния факторов, нечёткий вывод, дерево причин, дерево целей.
Энергосбережение сегодня включено в список приоритетных направлений технологического развития страны. Федеральный закон об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности отводит немалую роль в реализации энергосберегающей политики органам государственного управления субъектами РФ и органам местного самоуправления [1, 2]. Для повышения обоснованности решений, принимаемых региональными властями в данной сфере, необходима методика оценки и анализа уровня энергоэффективности на территории региона.
Для оценки ситуации с энергосбережением в муниципальных образованиях (МО) наибольшее распространение получил индикативный подход, предполагающий выделение индикаторов и соотнесение текущих значений индикаторов с пороговыми или нормативными значениями [3]. Интегральная оценка уровня энергетической эффективности, как правило, определяется путём нормирования и свертки значений индикаторов. Однако данный подход позволяет лишь приблизительно классифицировать МО и ранжировать их по уровню энергоэффективности. Для более точного анализа причин возникновения ситуации, сложившейся на той или иной территории, необходимо учитывать, что одни индикаторы характеризуют созданные условия для реализации потенциала энергосбережения, другие - внешние условия, влияющие на освоение потенциала, третьи - достигнутый уровень энергоэф-
фективности. Различные факторы оказывают прямое или опосредованное влияние друг на друга, причём степень их влияния различна.
В силу перечисленных и других причин интерпретация значений индикаторов не может быть однозначной, границы классов ситуаций размыты, а утверждения о достигнутом уровне и о возможных причинах могут быть признаны истинными лишь с некоторой степенью уверенности.
В данной работе для оценки и анализа ситуации с энергетической эффективностью в муниципальных образованиях предлагается использовать диаграмму влияния факторов, структурирующую знания экспертов о причинно-следственных зависимостях между факторами. Диаграмма, являющаяся разновидностью когнитивных карт, позволяет не только исследовать силу влияния факторов друг на друга, но и связывать с отдельными факторами индикаторы, а также строить системы нечёткого вывода. По результатам вывода диаграмма влияния факторов может быть преобразована в дерево причин, на основе которого уже строится дерево целей, определяющее мероприятия по повышению энергоэффективности в конкретном муниципальном образовании.
Выделение подсистем для анализа и оценки
Анализ ситуации с энергоэффективностью в муниципальном образовании должен включать в
себя анализ эффективности производства, транспортировки, потребления (различными видами потребителей) разнообразных топливно-энергетических ресурсов. Поэтому целесообразно декомпозировать предметную область на подсистемы, что позволяет уменьшить сложность задачи, сведя её к совокупности более простых задач. В качестве оснований декомпозиции могут быть использованы следующие признаки: вид ресурса, стадии жизненного цикла использования ТЭР, сферы потребления ресурсов. Два последних признака можно объединить в один: выделить сферу производства и транспортировки и различные сферы потребления.
Одна из возможных структур приведена на рис. 1. В данном случае использовались два признака структуризации:
- вид ресурса - электроэнергия (ЭЭ), тепловая энергия (ТЭ), вода холодная и горячая (ВХ, ВГ), газ (Газ), моторное топливо (МТ);
- сфера - бюджетный сектор (БС), жилищный фонд (ЖФ), коммунальная инфраструктура (КИ), транспортный комплекс (ТК).
Подсистемы нижнего уровня формируются путем комбинирования значений признаков: сферы БС, ЖФ, КИ комбинируются с видами ресурсов ЭЭ, ТЭ, ВХ, ВГ, Газ, сфера ТК сочетается только с ресурсом МТ. В результате получается двадцать подсистем. Для каждого региона может быть построена своя иерархия, учитывающая его особенности.
Процесс анализа предлагается осуществлять в соответствии с восходящей стратегией, проходя дерево подсистем «снизу вверх». Сначала в ходе анализа подсистем третьего уровня оценивается эффективность использования различных ресурсов в конкретных сферах. Затем на втором уровне определяются интегральные оценки для каждого вида ресурса (по всем сферам) и для каждой сферы (по всем видам ресурсов). На верхнем уровне определяется оценка энергетической эффективности муниципального образования в целом (по всем видам ресурсов и всем сферам).
Формирование диаграмм влияния факторов
Диаграммы формируются для отдельных подсистем иерархии. При этом похожие диаграммы могут
группироваться. Например, в бюджетной сфере и в жилищном фонде факторы, определяющие уровень потребления определенного вида ресурса, похожи и соответствующие диаграммы могут быть сгруппированы. Пример диаграммы для подсистемы потребления электроэнергии в жилищном фонде (ЭЭ_ЖФ) представлен на рис. 2.
Диаграмма влияния факторов представляет собой граф, вершинами которого являются концепты двух видов: факторы и индикаторы. Фактор (изображается в виде эллипса) - это некоторое свойство, качество системы, изменение которого влияет на изменение других свойств. Примеры факторов: «энергосберегающее поведение», «наличие приборов учета», «информированность о существующих технологиях энергосбережения». Факторы не поддаются непосредственному объективному измерению и могут быть лишь оценены.
Некоторые факторы могут являться «внешними» (изображаются в виде эллипсов с пунктирным контуром) в том смысле, что в рамках системы на них нельзя повлиять, т. е. нельзя сознательно изменить их уровень. Такие факторы являются внешними ограничениями. Примеры «внешних» факторов:
- «потребность в освещении» - зависит от продолжительности светового дня и количества ясных дней;
- «климатические условия» - зависит от продолжительности и суровости холодов;
- «потребность в электропотреблении для отдыха, работы» - определяется потребностями населения в использовании компьютеров, бытовых электроприборов и т. д.
Индикатор (изображается в виде кружка) - это измеримый показатель, характеризующий тот или иной фактор. Примеры индикаторов: «энергоёмкость валового муниципального продукта», «удельная величина потребления тепловой энергии в многоквартирных домах», «доля объема электрической энергии, расчеты за потребление которой осуществляются на основании показаний приборов учёта». Значения индикаторов определяются либо с помощью объективных измерений, либо вычисляются на основе исходных данных по формулам.
Энергокомплекс
Рис. 1. Иерархия подсистем энергокомплекса муниципального образования
шнЕРШвштурснтБЕШШЕтишшЭНЕРШЯЭФФЕШшвюшшЬ 11
Удельное потребление - Эффективность"" ЭЭ на душу населения (е^............^ использования ЭЭу
Количество ясных дней
Потребность в освещении
Объем продаж энергосберегающих ламп
0 -
+0.5
Снижение цен на энергосберегающие лампы
Уровень доходов
населения
в
Среднегодовая 5. продолжительность
Среднедушевой светового дня доход населения
Доля расходов на ЭЭ
по отношению к доходам населения
Доля квартир и инд. домов, оснащенных приборами учета ЭЭ
Рис. 2. Диаграмма влияния факторов для подсистемы потребления электроэнергии в жилищном фонде
Между фактором и индикатором может быть установлено отношение ассоциации (изображается отрезком пунктирной линии). Данному отношению может быть сопоставлен коэффициент соответствия, представляющий собой число в интервале от 0 до 1. Чем выше значение коэффициента, тем точнее индикатор характеризует соответствующий фактор. Фактор может быть связан с несколькими индикаторами. Причем один и тот же индикатор может быть ассоциирован с несколькими факторами.
Между факторами устанавливаются причинно-следственные отношения, которые будем называть отношениями влияния (отображаются в виде отрезков сплошной линии со стрелками). Влияние может быть как положительным (+), так и отрицательным (-). Кроме того, сила влияния может быть оценена в виде числа от 0 до 1. Силу влияния определяют эксперты. При этом можно использовать следующую шкалу: 0,1 - очень слабое влияние; 0,3 -слабое влияние; 0,5 - существенное; 0,7 - сильное; 0,9 - очень сильное (0,2; 0,4; 0,6; 0,8 - промежуточные значения).
Степени влияния нескольких факторов на один и тот же фактор определяются независимо, и их сумма не обязательно должна составлять 1, т. е. сила влияния не рассматривается как «вклад» (доля) в суммарном влиянии, поскольку могут существовать и неучтённые, пока ещё не выявленные влияющие факторы.
Диаграмма, как правило, представлена в виде дерева: корнем является целевой фактор, следую-
щий слой составляют факторы, непосредственно влияющие на целевой, затем для каждого из факторов второго слоя определяются факторы, влияющие на него и т.д.
Построение системы нечёткого вывода
Для каждой из подсистем предметной области на основе соответствующих диаграмм влияния факторов может быть построена подсистема нечеткого вывода [4-5], позволяющая оценить уровень энергетической эффективности в соответствующей сфере, а также проанализировать причины сложившейся ситуации с энергоэффективностью.
Построение подсистемы вывода начинается с сопоставления факторам лингвистических переменных, отражающих их качественную оценку. В качестве значений переменной используются нечеткие значения, например: {«низкая», «средняя», «высокая»}, {«хорошо», «удовлетворительно», «плохо»}, {«малая», «большая»}.
Для тех факторов, которые характеризуются индикатором, оценки определяются с помощью функций принадлежности, построенных на множестве значений индикаторов. Например, для фактора «Эффективность использования ЭЭ» вводятся нечёткие оценки «низкая», «средняя», «высокая», для каждой из которых строится функция принадлежности на множестве значений индикатора «Удельное потребление ЭЭ на душу населения». При этом если отношение ассоциации оценивается степенью соответствия а (0<а<1), то используется опера-
ция умножения на этот коэффициент. На рис. 3 приведен пример функций принадлежности.
Потребление ЭЭ на чел., тыс. кВтч/год
Рис. 3. Пример функций принадлежности
Если фактор характеризуется несколькими индикаторами, то для вывода интегральной оценки используются правила-продукции формата «ЕСЛИ ... ТО». Посылки правил содержат нечеткие оценки, получаемые на основе значений отдельных индикаторов, заключения - обобщенные нечеткие оценки.
Продукционные системы используются и для вывода оценок тех факторов, для которых нет индикаторов (нет возможности получить соответствующие данные). В этом случае оценка фактора выводится на основе оценок других факторов. Может быть две ситуации: оценивается целевой фактор, являющийся следствием других факторов (рис. 4 а); оценивается фактор, влияющий наряду с другими факторами на некоторый целевой фактор (рис. 4 б).
В ситуации, представленной на рис. 4 а, определяется оценка фактора 1 как следствие известных состояний фактора 2 и фактора 3. Формат правил будет следующим:
Рис. 4. Ситуации оценивания факторов: а — оценивается целевой фактор на основе оценок факторов, влияющих на него; б — оценивается фактор, влияющий наряду с другими факторами на целевой фактор
ЕСЛИ f2 есть В И /3 есть С ТО /1 есть А,
где /1, /2, /3 - соответственно факторы 1, 2, 3;
В - нечёткая оценка фактора /2, определяемая на основе значения индикатора а2;
С - нечёткая оценка фактора /3, определяемая на основе значения индикатора а3;
А - выводимая нечёткая оценка фактора /1.
В ситуации, представленной на рис. 4 б, определяется оценка фактора 3, обусловливающего совместно с фактором 2 состояние Фактора 1 (при условии, что известны оценки фактора 1 и фактора 2). Формат правил при этом будет таким:
ЕСЛИ /1 есть А И /2 есть В ТО /3 есть С,
где А - нечёткая оценка фактора /1, определяемая на основе значения индикатора а1;
В - нечёткая оценка фактора /2, определяемая на основе значения индикатора а2;
С - выводимая нечёткая оценка фактора /3.
Примеры правил:
ЕСЛИ «Использование энергосберегающих технологий» есть «среднее» И «Энергосберегающее поведение» есть «плохо» ТО «Экономия ЭЭ» есть «незначительная»;
ЕСЛИ «Эффективность использования ЭЭ» есть «низкая» И «Потребность в ЭЭ» есть «средняя» ТО «Экономия ЭЭ» есть «низкая».
При построении правил необходимо учитывать характеристики отношений влияния, установленных между факторами, связываемыми правилами, а именно направление (положительное или отрицательное) и силу влияния. Например, если из двух факторов - «Использование энергосберегающих технологий» и «Энергосберегающее поведение», - положительно влияющих на фактор «Экономия ЭЭ», второй оказывает большее влияние, то его неблагоприятное состояние определяет невысокую оценку фактора «Экономия ЭЭ», даже если другой оценивается на среднем уровне.
Правила могут быть оценены весовыми коэффициентами в виде числовых значений из интервала [0, 1]. Коэффициенты отражают уверенность экспертов в достоверности правил. При их назначении нужно учесть, что на целевой фактор, присутствующий в условной или заключительной части правила, могут влиять неучтённые факторы, не отраженные на диаграмме. В этом случае весовой коэффициент соответствующих правил может быть невысоким.
По мере накопления статистики правила могут корректироваться. Для повышения их объективности и при наличии обучающих выборок может быть использован гибридный подход, сочетающий нейронные сети и продукционные системы [5].
Построенная система нечёткого вывода может использоваться для оценки состояния различных
и
0
а
б
Эффективность использования ЭЭ - низкая
а
Рис. 5. Иерархии, формируемые на основе диаграммы влияния факторов: а — дерево причин; б — дерево целей
факторов в конкретных муниципальных образованиях на основе известных значений индикаторов. Вывод может осуществляться на основе
алгоритма Мамдани или упрощённого алгоритма вывода [4, 5].
Формирование дерева причин и дерева целей
Результаты оценки состояния каждой из подсистем предметной области в конкретном муниципальном образовании, выполненные с помощью системы нечёткого вывода, можно представить в виде дерева причин. На рис. 5 а приведен пример дерева причин для подсистемы потребления электроэнергии в жилищном фонде (соответствующая диаграмма влияния факторов приведена на рис. 2).
Дерево представляет собой граф, вершинами которого являются состояния (изображаются в виде перевернутого «домика»), дугами - причинно-следственные отношения между состояниями. Каждое состояние отражает оценку одного из факторов. Таким образом, дерево причин формируется на основе соответствующей диаграммы влияния факторов путем сопоставления каждому фактору его оценки. Состояния, соответствующие «внешним» факторам, изображаются пунктирным контуром.
Дерево причин может быть преобразовано в дерево целей. При этом каждому состоянию сопоставляется цель (изображается в виде «домика»), отражающая желаемое состояние соответствующего фактора или направление изменения его состояния (увеличение, снижение). Пример дерева целей для подсистемы потребления электроэнергии в жилищном фонде приведен на рис 5 б. Цели относительно «внешних» факторов не формулируются. Цели нижнего уровня могут быть дополнены конкретными мероприятиями, обеспечивающими их достижение. В качестве критериев достижения целей могут выступать индикаторы, ассоциированные с соответствующими факторами, т. е. связанные с ними на диаграмме влияния факторов отношениями ассоциации.
Заключение
Предлагаемый подход позволяет не просто оценить уровень энергоэффективности в муниципальных образованиях, но и проанализировать причины сложившейся ситуации и определить основные направления проведения энергосберегающей политики. Наглядное графическое представление причинно-следственных зависимостей между объективными и субъективными факторами, прямо или косвенно влияющих на состояние дел в сфере энергосбережения, упрощает формирование правил вывода, делает процесс вывода «прозрачным». Использование системы нечёткого вывода позволяет учитывать неоднозначность, возникающую в процессе интерпретации показателей. Представление выводимых заключений об уровне энергоэффективности в виде формулировок на естественном языке, облегчает трактовку результатов анализа лицами, принимающими решения. Результаты анализа могут быть представлены в виде дерева причин, демонстрирующего причинно-следственные цепочки между состояниями раз-
личных факторов. Переход от дерева причин к дереву целей позволяет логически обосновать необходимость предлагаемых мер по повышению энергетической эффективности.
Описанный метод может быть положен в основу информационной системы интеллектуальной поддержки принятия решений по повышению энергетической эффективности региона.
Литература
1. О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики: указ Президента РФ от 4 июня 2008 г. №889 // Российская газета. - 2008. - 7 июня.
2. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ // Российская газета. - 2009. - 27 ноября.
3. Ахмедов В. С. Показатели эффективности деятельности органов власти и показатели энергоэффективности территорий [Электронный ресурс]. Код доступа:
http://www.portal-energo.ru/articles/details/id/269 (дата обращения: 20.10.2010).
4. Леоненков А. В. Нечеткое моделирование в среде МАТЬАВ и 1:и22уТЕСН. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 736 с.
5. Борисов В. В., Круглов В. В., Федулов А. С. Нечеткие модели и сети. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 284 с.
Municipalities energy efficiency estimation based on enfluence diagrams
M. P. Silich,
Tomsk State University of control systems and Radioelectronics, D.T.S., professor
V. A. Silich,
National research Tomsk Polytechnic University, D.T.S, professor
S. V. Axyonov,
National research Tomsk Polytechnic University, Ph.D, associate professor
V. S. Akhmedov
Tomsk regional center for energy saving management, expert
The paper represents an approach to estimate the energy efficiency situation of municipalities. The bullet point of the approach is a construction of diagrams that reflect the dependencies between factors and relationships between indicators and factors. Fuzzy Inference System is formed on basis of the diagrams and it estimates the energy efficiency level and the causalities of analyzing situation. The result of proposed estimation allows of creating the causes and the goal trees.
Keywords: energy efficiency, municipalities, influence diagram, fuzzy inference, causes tree, goal tree.
