CC BY
0ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)
УДК 519.81
В. В. Стригунов
РЕШЕНИЕ ДИСКРЕТНОЙ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ УМНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ГОРОДА В СФЕРЕ ЖКХ
Стригунов В. В. - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Информатика», e-mail: 005733@pnu.edu.ru.
В статье приведен пример использования методов решения многокритериальных задач семейства PROMETHEE при планировании развития умных городов РФ в сфере жилищно-коммунального хозяйства. Благодаря проведенному анализу нормативно-правовой документации в сфере умных городов РФ составлен перечень мероприятий, подобраны критерии для ранжирования этих мероприятий, решена многокритериальная задача с помощью программного пакета Visual PROMETHEE Academic.
Ключевые слова: дискретная многокритериальная задача, методы PROMETHEE, умный город, дорожная карта, ранжирование.
Введение
С конца 2000-х годов концепция развития умных городов получила широкое распространение в мире. Правительствами стран и руководствами городов, разработано и реализовано множество проектов умного города как «с нуля», так и путем преобразования существующих городов или их районов. Для реализации проектов по умной трансформации городской среды требуется разработка стратегического плана, дорожной карты развития умного города с четко определенными этапами и порядком действий, способствующих плавному переходу к желаемому будущему состоянию [1]. Перечень проектов и инициатив умного города может быть очень широким, в планировании и реализации проектов могут участвовать различные заинтересованные стороны, а сами проекты быть достаточно разнородными. Возникает проблема учета различных критериев при составлении плана развития умного города, определении приоритета мероприятий и проектов, их важности и очередности. Для решения указанной проблемы могут применяться методы решения дискретных многокритериальных задач.
© Стригунов В. В., 2022
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
Согласно классификации Б. Роя каждая дискретная многокритериальная задача относится к одной из четырех проблематик в зависимости от цели, которая преследуется в процессе решения задачи [2, 3]:
- проблематика выбора (цель состоит в выборе наилучшего объекта из конечного множества объектов);
- проблематика сортировки (цель состоит в отнесении каждого объекта к одной из групп объектов, классов);
- проблематика ранжирования (цель состоит в упорядочивании объектов от лучшего к худшему);
- проблематика описания (цель состоит в описании объектов с точки зрения их эффективности по критериям).
Разработано множество методов решения дискретных многокритериальных задач. В табл. 1 перечислены наиболее популярные методы и указаны проблематики, которые эти методы позволяют решать [3].
Таблица 1
Методы решения дискретных многокритериальных задач
Проблематика Проблематика Проблематика Проблематика
выбора ранжирования сортировки описания
PROMETHEE PROMETHEE FlowSort (на основе PROMETHEE) PROMETHEE GAIA, FS-Gaia
AHP AHP AHPSort
ELECTRE I ELECTRE III ELECTRE-Tri
MAUT/UTA MAUT/UTA UTADIS
ANP ANP
MACBETH MACBETH
TOPSIS TOPSIS
DEA DEA
В данной работе для решения задачи ранжирования мероприятий по умной трансформации города в сфере ЖКХ применяются методы семейства PROMETHEE. Название методов является аббревиатурой от Preference Ranking Organization METHod for the Enrichment of Evaluations (метод организации ранжирования предпочтений для обогащения оценок), сама методология относится к многокритериальным методам на основе оценки превосходства. Благодаря относительно простой для понимания математической модели методы PROMETHEE получили большую популярность как среди исследователей, так среди аналитиков и лиц, принимающих решения.
Входные данные задачи
Входными данными методов семейства PROMETHEE являются конечный набор возможных альтернатив А = {а1,а2, ...,ап}, набор критериев оценки {д1,д2> .--,дк}, веса критериев и^- (/ = 1,...,к) в зависимости от важности каждого из них. Также для каждого критерия необходимо задать функ-
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)
цию предпочтения, которая преобразует разницу между оценками двух альтернатив по определенному критерию в степень предпочтения в диапазоне от 0 до 1.
Набором альтернатив в решаемой задаче является перечень мероприятий развития умного города по направлению «Умное жилищно-коммунальное хозяйство» (табл. 2). Перечень приведенных мероприятий развития умного города получен путем контент-анализа нормативно-правовых документов Российской Федерации по умному городу [4].
Таблица 2
Мероприятия по направлению «Умное ЖКХ»_
Наименование мероприятия Обозначение
Установка систем автоматического определения уровня шума, температуры, исправности систем противопожарной безопасности и безопасности использования газового оборудования в многоквартирных домах, а также оборудование лифтов системами диспетчерского контроля с выводом информации об аварийных ситуациях на аварийно-диспетчерские службы управляющих организаций и единую диспетчерскую службу города (Интеллектуальный центр городского управления) a1
Оснащение МКД автоматизированными системами учета потребления тепловой энергии, горячей воды на коллективных (общедомовых) приборах учета, обеспечивающими снятие и дистанционную передачу показаний температуры теплоносителя, давления, объема потребления a2
Оснащение автоматизированными системами учета потребления холодной воды на коллективных (общедомовых) приборах учета, обеспечивающими снятие и дистанционную передачу показаний давления и объема потребления a3
Обеспечение приема данных с автоматизированных систем учета потребления коммунальных ресурсов в единую диспетчерскую службу города (Интеллектуальный центр городского управления), а в случае критических отклонений их показаний -выявление наличия фактов аварийных ситуаций и сроках их устранения с последующим контролем исполнения; синхронизация данных с ресурсоснабжающими организациями a4
Организация обеспечения возможности собственников помещений в многоквартирных домах по осуществлению установки автоматизированной системы учета потребления коммунальных ресурсов на индивидуальных приборах учета коммунальных ресурсов a5
Организация деятельности оператора по обработке и передаче данных с автоматизированных систем учета потребления коммунальных ресурсов a6
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
Установка автоматизированных систем учета потребления холодной и горячей воды, тепловой энергии в строящихся многоквартирных домах на коллективных (общедомовых) приборах учета коммунальных ресурсов a7
Установка программно-технических средств контроля подачи коммунальных ресурсов, обеспечивающих "гибкую" подачу в зависимости от переменных показателей (объема потребления, температуры наружного воздуха) с учетом моделирования ситуации на основе анализа данных потребления a8
Внедрение открытых систем оказания дополнительных сервисов жителям многоквартирных домов, в том числе, консьерж-сервиса a9
Внедрение сервисов онлайн обращений граждан по всем вопросам жилищно-коммунального хозяйства a10
Реализация энергосервисных контрактов в многоквартирных домах и общественных зданиях a11
Внедрение систем проведения онлайн общих собраний собственников помещений в многоквартирном доме, с автоматическим формированием итогов голосования путем формирования протокола a12
Цифровизация работы коммунальных предприятий, в том числе, внедрение сервисов дистанционного контроля состояния коммунальной инфраструктуры и ее функционирования, работы коммунальной техники, контроля и управления заданиями, выполняемыми полевыми сотрудниками a13
Проведение мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в государственных учреждениях субъекта Российской Федерации, муниципальных учреждениях, органах государственной власти субъектов Российской Федерации, органах местного самоуправления a14
В данном исследовании для ранжирования применяются следующие 4 критерия:
- количество нормативно-правовых документов, в которых упоминается мероприятие;
- обязательность мероприятия согласно нормативно-правовым документам;
- целевой год реализации мероприятия, указанный в нормативно-правовых документах;
- наличие соответствующего мероприятию показателя в методике оценки хода и эффективности цифровой трансформации городского хозяйства в РФ (индекс ^ городов).
В табл. 3 представлено описание критериев с указанием типа, направления максимизации или минимизации и веса каждого из них.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)
Таблица 3
Характеристики критериев_
Критерий Обозначение Направление Тип Вес,
Количество нормативно-правовых документов, в которых указано мероприятие 91 тах количественный 1
Является ли мероприятие обязательным согласно нормативно-правовым документам 92 тах качественный 2
Целевой год реализации мероприятия согласно нормативно-правовым документам 9з тш количественный 1,5
Наличие соответствующего мероприятию показателя в Индексе ^ городов 94 тах качественный 2
Данные критерии являются общими для всех городов РФ. Однако, в реализацию проектов и инициатив умного города вовлечены различные заинтересованные стороны [5]: городские и региональные власти, инвесторы, эксперты и исследователи, граждане. Поэтому на практике у каждого конкретного города могут быть добавлены дополнительные критерии, которые необходимо учесть в многокритериальной задаче при планировании дорожной карты. Примерами таких критериев могут быть:
• наличие мероприятия в долгосрочном плане стратегического развития города;
• степень реализации отдельных мероприятий на данный момент (могло быть заложено ранее в план цифрового развития и на данный момент уже реализовано в определенном объеме);
• оценка важности мероприятия экспертным и научным сообществом (по результатам опроса);
• оценка важности мероприятия горожанами (по результатам опроса мнения) и другие.
В результате анализа нормативно-правовой документации РФ по умному городу входными данными решаемой задачи будут данные табл. 4.
Таблица 4
Входные данные решаемой задачи_
аЕА 91 92 9з 94
а1 4 да 2024 да
«2 4 да 2024 да
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
аз 4 да 2024 да
а4 5 да 2024 да
а5 2 нет 2024 да
а6 5 нет 2023 да
а7 2 нет 2024 да
а8 4 нет 2024 да
а9 1 да н.д. нет
а10 2 да н.д. нет
aii 2 да 2023 нет
а-12 3 да 2024 да
о-1з 7 да 2023 да
а14 1 да 2024 нет
Решение задачи и полученный результат
Алгоритм методов PROMETHEE I и II представляется следующей последовательностью шагов [6, 7].
Шаг 1. Определение отклонений на основе парных сравнений
dj(a, b) = gj(d) - gj(b), (1)
где dj(a, b) обозначает разницу между оценками всех пар альтернатив а и b по каждому критерию.
Шаг 2. Применение функции предпочтения
Pj(a,b) = Fj[dj(a,b)], Va,b EA, j = l,...,k, (2)
где Pj(a,b) обозначает предпочтение альтернативы a по отношению к альтернативе b по каждому критерию, как функции от dj(a, b).
В нашей задаче для каждого критерия применяется обычная функция предпочтения.
Шаг 3. Расчет агрегированных индексов предпочтений
к
Va, b 6 А, я (а, Ь) = ^ РДа, b)w}, (3)
j-i
где п(а, Ь) (от 0 до 1) определяется как взвешенная сумма Pj(a, b) для каждого критерия, Wj - вес -го критерия.
Шаг 4. Расчет положительного и отрицательного потоков выигрышей для каждой альтернативы (частичное ранжирование PROMETHEE I)
и (4)
(5)
Шаг 5. Расчет чистого потока выигрышей для каждой альтернативы (полное ранжирование PROMETHEE II)
ф(а) = ф+(а)-ф-(а). (6)
Для решения применялось программное обеспечение Visual PROMETHEE Academic 1.4 [8]. На рис. 1 представлены промежуточные данные и результат ранжирования мероприятий из табл. 2.
PROMETHEE Flow Table - □ X
Rank action Phi Phi+ Phi-
1 а 13 п 0,5030 0,5030 0,0000
2 а4 □ 0,2544 0,3195 0,0651
3 al □ 0,1В ЗА 0,2722 0,0888
3 а2 □ 0,1В ЗА 0,2722 0,0888
3 аЗ п 0,1В 34 0,2722 0,0888
Ё аб □ 0,1361 0,3846 0,2485
7 а 12 □ 0,1243 0,2604 0,1361
Б all □ -0,0533 0,2781 0,3314
9 а8 п -0,1479 0,1775 0,3254
10 а 10 □ -0,2130 0,1183 0,3314
11 а5 □ -0,2)663 0,1183 0,3846
11 а7 □ -0,2663 0,1:183 0,3846
13 а9 п -0,2840 0,0947 0,3787
14 а 14 □ -0,3373 0,0947 0,4320
Рис. 1. Промежуточные данные и результат решения дискретной многокритериальной задачи
Ранжирование осуществляется путем упорядочивания чистого потока по убыванию. Альтернативы с более высоким рейтингом считаются наиболее предпочтительными для первоочередной реализации умной трансформации города.
Заключение
Данное исследование показало, что методы решения многокритериальных задач семейства РЯОМБТНББ могут применяться при разработке стратегий и дорожных карт развития умных городов. Это расширяет области использования данных популярных методов. На практике рассмотренная задача может совершенствоваться путем включения дополнительных критериев для ранжирования, с целью более точного определения первоочередных мероприятий развития умного города.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
Библиографические ссылки
1. Berst, J. Enbysk L., Williams C. Smart Cities Readiness Guide: The planning manual for building tomorrow's cities // Smart Cities Council, Seattle. 2015.
2. Яковличевич А. Ю., Мильман И. Е., Пилюгин В. В. Использование визуализации при решении дискретных многокритериальных задач методами семейства PROMETHEE // Научная визуализация. 2016. Т. 8, № 3. URL: http://sv-journal.org/2016-3/06/ru/index.php?lang=en (дата обращения: 20.02.2022).
3. Ishizaka A., Nemery P. Multi-Criteria Decision Analysis: Methods and Software. John Wiley & Sons, New York, United Kingdom, 2013.
4. Стригунов В. В. О нормативно-правовой базе РФ по умному городу // Ученые заметки ТОГУ. Хабаровск, 2021. Т. 12, № 1. С. 234-241. URL: https://pnu.edu.ru/media/ejournal/articles-2021/TGU_12_39.pdf (дата обращения: 20.02.2022).
5. Sharifi, A. A critical review of selected smart city assessment tools and indicator sets // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 233. P. 1269-1283.
6. PROMETHEE: A comprehensive literature review on methodologies and applications / M. Behzadian, R. B. Kazemzadeh, A. Albadvi, M. Aghdasi // European Journal of Operational Research. 2010. Vol. 200, №. 1. P. 198-215.
7. Multiple criteria decision analysis: state of the art surveys / Edited by J. Figueira, S. Greco, M. Ehrgott // Springer Science + Business Media, Boston. 2005.
8. Visual PROMETHEE Academic. URL: http://en.promethee-gaia.net/academic-edition.html (дата обращения: 20.02.2022).
Title: Solving a Discrete Multicriteria Problem in Planning a Smart City Transformation in the Housing and Utilities Sector
Authors' affiliation:
Strigunov V. V. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation
Abstract: The author presents an example of the use of methods to solve multi-criteria problems of PROMETHEE family when planning the development of smart cities of the Russian Federation in the field of housing and communal services. Due to the analysis of normative-legal documentation in the sphere of smart cities of the Russian Federation the list of measures is made, the criteria for ranking these measures are selected, the multi-criteria problem is solved using the software package Visual PROMETHEE Academic.
Keywords: discrete multicriteria problem, PROMETHEE methods, smart city, roadmap, ranking.
