Модели и алгоритмы информационной системы управление энергосбережением

Согласование решений – основная задача ИСУЭ. При созда­нии ИСУЭ в процессе исследования объекта возникает за­дача выявления структуры производ­ственных связей, вероятностных по­казателей – производительности от­дельных участков, затрат и качества продукции, характеристик расхода материалов и инстру­мента, а также динамики изменений первоначаль­ных заданий.

Знание характеристик как самого ОУ, так и его взаимодей­ствия с внеш­ней средой связано с получением многомерных ста­тистических данных, анализ которых позволяет учесть ве­роятности изменений заданий и со­стояний внешней среды, а также воз­можный разброс характеристик объ­ектов при решении задач управления. Такая статистика позволяет выделить области часто повторяющихся произ­водственных ситуаций, что дает воз­можность заранее выбрать для них стратегию управления.
Если ИС разрабатывается для нового предприятия и его веро­ятно­стные характеристики, как и вероят­ностные характеристики внешней среды, установить не представляется возможным, то для этого случая ис­ходными являются характеристики и производ­ственные ситуации, най­денные на основании анализа анало­гичных действующих предприятий (например, методом экспертных оценок).
Так как обычно внешней средой задается не один, а несколько критериев оценки функционирования предприятия, некоторые из которых несоизмеримы, то возникает задача упорядочения крите­риев путем их ранжирования, задания приоритетов или весовых коэффициентов.
Измерение приоритетов может осуществляться, когда значе­ние максимизируемой или минимизируемой целевой функции достигает некото­рого заранее установленного уровня. Например, критерий максимизации производительности может потерять свой первый приоритет в тех случа­ях, когда уровень производства пре­высит заданное значение. Выбор приоритетов является неформаль­ной операцией и может осуществляться с использованием методов теории принятия решений. Для моделирова­ния процессов принятия решений обычно составляются сценарии. Аналогично могут определяться ве­совые коэффициенты, преобразую­щие векторный критерий в скаляр­ный.
Структура производственных связей для каждой из произ­водст­венных ситуаций определяет воз­можность декомпозиции общей цели, задаваемой внешней средой, на мно­жество подцелей каждого участка производства образующих дерево целей. При составлении дерева целей необходимо учитывать не только производственные возможности уча­стков производства, но и ограниче­ния, обусловленные внешней средой по ресурсам и срокам.
На основании дерева целей ос­новного производства строятся свя­занные с ним деревья целей для всех вспомогательных подразделений завода, обеспечивающих основное производство необходимыми ресур­сами. Дерево целей можно предста­вить в виде графа, отображающего связи и соподчиненность целей (вер­тикальные уровни) и функции управления, обеспечивающие дости­жение этих целей (горизонтальные уровни). Примерами функций явля­ются оперативное управление про­изводством, управление матери­ально-техническим снабжением, сбытом и т.д.
На основе дерева целей осущест­вляется декомпозиция общих критериев оценки функционирования про­изводственного процесса, что позволяет каждой подцели поставить в соответствие опреде­ленные крите­рии. Выбор подцелей и критериев для каждого элемента производст­венной структуры помогает сформу­лировать задачи управления и полу­чить тем самым функциональную структуру СУ производством, соот­ветствующую дереву целей.
Совокупность локальных крите­риев должна соответствовать общим критериям. С учетом характеристик звеньев производствен­ной структуры приоритеты или весовые коэффици­енты локальных критериев должны изменяться. Например, участку про­изводства, состоящему из двух по­следовательно работающих агрегатов, заданы критерии макси­мизации производительности и ми­нимизации расхода энергии с первым и вторым приоритетами соответст­венно. Пусть при удовлетворении первого критерия один из агрегатов достиг своей предельной производи­тельности и стал узким местом. То­гда для второго агрегата критерий максимизации производительности теряет смысл, а достигнутое значе­ние целевой функции превращается в ограничение при работе по критерию со вторым приоритетом.
При выборе задач согласованного управления применяемые модели должны не только учитывать ограничения по производи­тельности и другим показателям, но и отражать усредненные соотношения между переменными, влияющими на пока­затели, входящие в критерии. Ис­пользование в модели усредненных соотношений переменных снижает ее точность и означает, что модель лишь "в среднем" соответствует ре­альным характеристикам объекта. Примером являются так называемые нормативные показа­тели производи­тельности, полученные усреднением результатов работы объекта без уче­та степени согласованности его функцио­нирования с другими объек­тами, изменения характеристик в тече­ние межремонтного периода ра­боты оборудования и т. д.
Управлением по средним харак­теристикам является объемное ка­лендарное планирование производ­ства в масштабе группы цехов, уста­навливающее объемы производства по календарным срокам. Рассматри­вая параметры плана как задания целей и критериев внешней среды, можно отыскать управление для производствен­ных структур каждого из цехов и крупных участков, модели которых учитывают укрупненные характеристики отдельных агрегатов, входящих в состав этих цехов и уча­стков. Найденное управление имеет форму детализированного объемно-календар­ного плана с разбивкой на более мелкие интервалы времени; аналогичным образом могут быть найдены согласованные между собой календарные планы-графики работы агрегатов.
Число ступеней разбиения за­дач управления ИСУЭ опреде­ляет­ся вычислительными возможно­стями технического обеспече­ния, сложностью решения задач управ­ления, а также вероятност­ными характеристиками действующих на производственный процесс воз­мущений, вызывающих отклоне­ние реального хода производства от запланированного. Чем более укрупненная модель используется для решения задачи управления, тем выше риск отклонения пара­метров объекта при функциониро­вании от оптимальных. Уменьше­ние риска может быть достигнуто детализацией моделей, уточнением их параметров на основании ана­лиза отклонений от плана в про­цессе функционирования объекта.
Таким образом, при выборе чис­ла уровней детализации моделей при согласованном управлении не­обходимо использовать данные статистического анализа причин расхождения между планом и ре­альным ходом производственного процесса: выявить комплексные характеристики, оценивающие ор­ганизационные и технологические трудности; построить вероятност­ную модель неупорядоченности производственного процесса как функции от характеристик органи­зационных и технологических трудностей для различных произ­водственных ситуаций; определить интервалы времени планирования и управления при данной степени укрупнения моделей, обеспечи­вающие заданное значение харак­теристик выполнения плана.
В зависимости от сложности об­щей задачи управления число уров­ней детализации с последовательным уточнением управления может быть различным. Так, задачи объемно-календарного плани­рования могут делиться на задачи среднесрочного и краткос­рочного планирования, по­строения графика реализации плано­вых заданий, заданий на короткий срок и т. д.
Разбивка по времени является од­ним из основных параметров планирования. Другим параметром являет­ся степень реализации, которая обычно возрастает с уменьшением периода планирования. В результате в процессе планирования выделяют­ся этапы с дискретными временными горизонтами планирования. Переход от одного горизонта к другому осуществляется либо по истечении ка­кого-то времени, либо в результате накопления информации, либо в ре­зультате возникновения каких-либо событий, требующих разработки планов очередного периода.
Долгосрочное планирование поч­ти полностью основывается на прогнозах. Долгосрочные прогнозы по сырью, энергии, трудоресурсам или долгосрочные заказы становятся в дальнейшем ограничениями. Реше­ния о капиталовложениях при долго­срочном планировании должны при­ниматься с учетом сроков проекти­рования и строительства новых предприятий.
Среднесрочное планирование обычно охватывает период 1-5 лет. Как долгосрочное, так и среднесроч­ное планирование может считаться стратегическим этапом интеграции. Реализацией страте­г­ических и тактических целей являются взаимосвя­занные годовые, квартальные, ме­сячные, декадные (недельные), су­точные планы и графики.
При разработке планов и графи­ков в целом расписание составляется на более длительное время, чем тре­буется, но по истечении определен­ного интервала график пересматри­вается. Такой подход обеспечивает большую устойчивость производст­венных графиков в условиях неопре­деленного будущего хода процесса.

Основой эффективного решения многоуровневой адаптации в ИСУЭ является возможно более точное формализованное описание поведе­ния системы. Поэтому методология системного анализа пред­ус­матривает непрерывное улучшение ранее при­нятых реше­ний за счет адаптации исходной модели к условиям функ­ционирования: накопления инфор­мации о текущем состоянии выхода для оценки рассогласования; подго­товки рекомендаций о месте, време­ни и форме управления, его вероят­ных последствиях на выходе объек­та. Этому принципу в полной мере отвечает многослойная концепция адаптации управления производст­вом.

В ИСУЭ выделяются четыре уровня. Первый уровень взаимодействует с объектом непосредственно в РВ процесса. Полученные с датчиков сведения могут обрабатываться (сглажи­ваться, усредняться, линеа­ризоваться и т. д.) до передачи их в систему принятия решений для хра­нения и последующего использова­ния. В задачу текущего контроля событий входит обнаружение собы­тий, влияющих на решения по управлению. Эти события могут инициировать выдачу управляющею воздействия, сигнала на завершение предшествующего задания, введение новых значений управляемых пара­метров, изменение режима работы. Функция прямого регулирования первого уровня, ИСУЭ реализует цель и стратегию, определенную на втором уровне. Второй уровень устанавливает цель или задания, подлежащие реа­лизации на первом уровне. В нор­мальном режиме целью может быть оптимальное управление на основе принятой математической модели. В аварийных ситуациях приоритет по­лучат модифици­рованные модели для пересчета нарушенных планов. Второй уровень определяет останов­ки для управляющих устройств пер­вого уровня, реализуемые через за­ранее определенную после­дователь­ность действий. Третий уровень выполняет функ­цию адаптации алгоритмов, исполь­зуемых на первом и втором уровнях. Адаптация может осуществляться корректировкой значений соответст­вующих параметров алгоритмов (на­пример, в результате анализа пове­дения объекта) или параметров те­кущего контроля событий (например, граничных условий изменения ре­жимов функционирования), а также посредством определения ограниче­ний для задачи оптимизации второго уровня (вызванных, например, изме­нением структуры объекта вследст­вие вывода из работы части оборудования). Основное отличие третьего уровня – учет опыта работы в течение некоторого периода времени. Четвертый уровень осуществ­ляет выбор структуры алгоритмов, относящихся к нижестоящим уров­ням иерархии. Эти решения осно­вываются на общей информации о целях функционирования, приори­тетах, внутренних и внешних взаи­мосвязях и т. д. Они задают треть­ему уровню режим функциониро­вания путем управления процессом решения задач. Задачи третьего и четвертого уровней могут решаться производст­венным и управленческим персона­лом на основе качественных оценок. Вышестоящие уровни имеют при­оритет по отношению к нижестоя­щим. Информационный обмен меж­ду уровнями идет вверх по иерархии через общую БД. Результаты приня­тия решений и оценки идут вниз ли­бо через БД, либо через организую­щую программу системы; БД являет­ся средством информационной инте­грации уровней адаптации.
Значительный объем информа­ции, которая должна быть перерабо­тана для принятия решений по управлению сложным производст­вом, и, следовательно, значительное время, необходи­мое для решения, требуют расчленения общей задачи управления. В процессе декомпозиции производится последовательная детали­за­ция общей задачи, как этого требует системный анализ. Резуль­татом яв­ляется многоуровневая иерархиче­ская структура принятия решений, в которой верхний уровень имеет при­оритет действия по отношению к связанному с ним нижнему. Нижний уровень непосредственно воздейст­вует на ОУ на основе решения ло­кальных задач.
Координация локальных задач осуществляется следующим образом: фиксируются значения входных и выходных переменных, связываю­щих координируемые задачи, и осу­ществляется прогно­зирование тре­буемых взаимодействий; устанавли­вается "плата" за использование вы­шестоящими задачами "ресурсов" либо за отклонение входных и вы­ходных величин от заданных значе­ний. Тем самым устанавливаются условия для согласования взаимо­действий и изменяются локальные целевые функции. После разделения общей задачи управления каждая из локальных задач может в свою оче­редь подвергнуться декомпозиции. Процесс разделения общей задачи заканчивается, когда каждая из по­строенных локальных задач приня­тия решений может быть решена с применением имеющихся средств за допустимое время.
Локальная задача принятия ре­шений может быть представ­лена в виде следующих функциональных блоков:
– принятия решений; опре­деления состояния объекта (обяза­телен в случае, когда поступающая с объекта информация дает сведе­ния только об изменениях его со­стояния);
– вычисления планового задания (обязателен в случаях, ко­гда периоды принятия решений в данной локальной задаче и выше­стоящей – различны);
– прогнозиро­вания состояния объекта и плано­вого задания на начало периода реализации принимаемого решения (обязателен в случаях, когда мо­менты принятия решения и его реа­лизация существенно различны).
Возможно выделение других бло­ков. Одноименные функци­ональные блоки разных локальных задач могут быть в дальнейшем объединены. Результаты декомпозиции оформляют­ся в виде графа, вершинами которого являются локальные задачи, а дугами – ин­формационные связи между ни­ми. На дугах указывают условные обозначения массивов информации, связывающих локальные задачи. На­личие нескольких уровней разбиения задач управления, предопределяя различные по степени укрупнения модели, требует для их согласования соответствующей информационной базы, которая должна содержать раз­личную по степени укрупнения ин­формацию для различных производ­ственных ситуаций. Уточнение те­кущих характеристик объектов осу­ществляется адаптацией соответст­вующих моделей. Процесс адаптации требует определен­ного времени, за­висящего от динамических характе­ристик объекта и временных харак­теристик возмущений.
В зависимости от характера вы­явленных возмущений их компенса­ция может осуществляться в форме выработки допол­нительных управ­ляющих воздействий без изменения общей прог­раммы управления либо в форме частного или полного видо­изменения этой программы. Напри­мер, при аварийной остановке агре­гата и отсутствии резерва может по­надобиться полный пересмотр про­граммы управляющих воздействий. Если же возму­щение может быть компенсировано так, что заданная цель достига­ется за счет некоторого ухудшения показателей, входящих в крите­рий, то программа управляю­щих действий не изменяется. Лишь в случае, если "цена" дополнительного управляющего воздействия окажется значительной, может понадобиться изменение показате­лей функциони­рования объекта и пересмотр про­граммы.
Когда модель верхнего уровня представляет собой агреги­рование моделей нижнего уровня, и модели этих уровней работают с различ­ными масштабами времени, необ­ходимо своевременно выявлять намечающиеся отклонения и выра­батывать дополни­тель­ные управ­ляющие воздействия, направленные на изменение технологических ре­жимов и, в особых случаях, на из­менение организации производст­венного процесса.
Может оказаться, что управляю­щие воздействия не могут устранить отклонения хода процесса от запла­нированного и расхождение достиг­нет предельно допустимого значения раньше, чем истечет интервал време­ни планирования, тогда требуется корректировка плана-графика, по­скольку внутренние ресурсы управ­ления исчерпаны. В этом случае должна быть минимально видоизме­нена оставшаяся невыполненной часть плана. Таким образом, деком­позиция и согласование решений в ИСУЭ требуют взаимосвязи локаль­ных решений ИСУЭ, их комплексирования с учетом целей интеграции [57-62]. На рисунке 5 приведена укрупненная структура ИСУЭ.