На основе имитационного моделирования

Под имитационным моделированием понимается метод машинного моделирования процессов с многократным отслеживанием их протекания для различных условий.

В отличие от оптимизационных, имитационные (оценочные) мо­дели включают в себя: уравнения связи, в явной или неявной форме; ограничения на управляющие и неуправляемые переменные; подсчет (но не оптимизацию) целевой функции. Необходимо отметить, что целевая функция в явной форме, при постановке трудноформализуемых задач принятия решений может отсутствовать. В отличие от других видов моделирования, формализованная постановка на основе имитационного моделирования в значительной степени опирается на модель предметной области с использованием содержательного формализма.

Для формализованного представления процессов нефтепереработки наиболее удобным является сетевой анализ, алфавит и выразительные средства которого наиболее близки к содержательным представлениям конечного пользователя.

В рамках указанного формализма нефтеперерабатывающее произво­дство может быть представлено в виде многопродуктовой сети с рециклами:

с = < U, P >

где U - конечное множество вершин (узлов); Р - конечное множество дуг.

Узлам указанного графа, который в дальнейшем именуется техно­логическим, соответствуют установки или процессы смешения, а дугам потоки нефтепродуктов. Задача расчета производственной программы на основе имитационного моделирования может быть формализована путем нагрузки технологического графа потоками характеристик, связей и отношений. Рассмотрим основные характеристики и отношения, опреде­ленные на технологическом графе в аспекте рассматриваемой приклад­ной задачи.

Каждая i -ая вершина графа, соответствующая основному произво­дству, представляет собой установку с m_i входами и n_i выходами, режимы работы которой в технике - экономических координатах задаю­тся следующими параметрами:

- G_i - суточная производительность;

- T_i - рабочий ресурс;

_- b_ij, j=1, m_i - вектор коэффициентов расхода;

- a_ik, k=1, n_i вектор коэффициента отбора.

Производственные возможности технологических установок задаются в виде неоднозначных моделей [45], или моделей с перемен­ными коэффициентами. В моделях с переменными коэффициентами, для каждой i -ой установки задаются: границы изменения коэффициентов расхода - границы изменения коэффициентов отбора - a также границы изменения производительности .

Каждая i -ая вершина графа, соответствующая процессу смешения,задается вектором коэффициентов вовлечения и границами их изменения - , где j=1, - число компонент компаундирования.

Каждая i -ая дуга графа определяет поток нефтепродукта со следующими характеристиками:

- V₁ - значение запаса 1-го потока;

- - соответственно минимально и максимально допустимые уровни запаса;

- P₁ - признак отношения к производству:

- P₁ n

- S₁ - признак отношения к процессу: компаундирования

- S₁ n

- X₁ n

- - лимит на остаток от потребления;

- Y₁ - признак лимитируемости на производство:

_- Y₁ n -

- - лимит на производство;

- V₁ - об]ем поставляемого 1-го нефтесырья согласно договоров на поставку;

- V_B - заказ потребителей на объем готовой продукции в-го вида;

- g_B - нормативный октановый показатель в-го компонента;

- - значение октанового числа по ГОСТу для каждого 1-го бензина.

Остальные обозначения будут вводиться в рассмотрение в контексте последующего изложения.

Дальнейшая формализация постановки задачи связана с процессом преобразований технологического графа - выделением фрагментов, пу­тем разрыва потоков и формирования их упорядоченной последовательности. Каждый фрагмент соответствует стадии в последо­вательной многостадийной вычислительной схеме конечного пользовате­ля. Указанное преобразование выполняется на основе содержательного анализа технологического графа и должно удовлетворять следующим требованиям:

- в одну стадию могут быть объединены установки, для которых к моменту расчета известны все входные потоки;

- должны обеспечиваться условия разрешимости, т. е. однозначного вычисления всех переменных, входящих в данную стадию.

Это позволяет рассматривать процесс моделирования на каждой стадии независимо от других.

Процесс межстадийного согласования носит неформальный характер и, в общем случае, может быть реализован интерактивными средствами.

Рассмотрим основные ограничения, определяющие расчет производственной программы установок основного производства:

- позиционные ограничения на параметры технологических установок:

(10.1)

- позиционные ограничения на запасы нефтепродуктов

(10.2)

- ограничения материального баланса на входе - сумма относительных расходов для каждой i-ой установки должна быть равна единице:

(10.3)

- ограничения материального баланса на выходе - сумма относительных выходов для каждой i -ой установки, должна быть равна единице, за вычетом величины относительных потерь Р_i:

(10.4)

- функциональные ограничения - сумма относительных выходов группы нефтепродуктов (сумма светлых, сумма кокса и т. д.) для каждой i -ой установки фиксируется установленными нормативами:

(10.5)

где W_i - значение норматива,

L_i - число потоков в группе;

- ограничения на потребление потока - суммарный расход для каждого 1 - лимитируемого нефтепродукта с P потребителями должен быть равен запасу V₁ за вычетом лимита на остаток :

(10.6)

где B₁ - множество установок, потребляющих 1 - ый поток;

- ограничения на выпуск потока - суммарное производство

для каждого 1-го нефтепродукта с S источниками должно быть равно заданному значению с учетом начального запаса:

(10.7)

где А₁ - множество установок, вырабатывающих 1 –ый нефтепродукт.

Рассмотрим основные ограничения, определяющие область допустимых вариантов производственной программы для стадий, соответствующих процессам компаундирования:

- позиционные ограничения задают диапазон изменения коэффициентов

вовлечения:

(10.8)

- ограничения материального баланса сумма коэффициентов вовлечения для каждого 1-го процесса компаундирования должна быть равна единице:

(10.9)

- ограничения на потребление потока - суммарный расход для каждого 1-го компонента, используемого для приготовления видов готовой продукции не должен превышать имеющегося запаса, за вычетом лимита на остаток:

(10.10)

где а₁ - множество установок, потребляющих 1-ый нефтепродукт;

- ограничения на октановое число - октановый показатель i -го бензина, должен быть равен значению, установленному ГОСТом.

(10.11)

Необходимо отметить, что значения лимитов, накладываемых на выпуск и потребление нефтепродуктов, определяются заказами потребителей, либо представляют собой предпочтения, задаваемые плановым работником.

Совокупность рассмотренных выше условий, как для процессов основного производства, так и для процессов компаундирования определяют замкнутую ограниченную область в пространстве управляющих параметров, каждая точка которой характеризует определенный допустимый вариант.

Таким образом, поставленная задача формулируется следующим образом: на множестве допустимых вариантов, определяемом условиями (10.1), (10.2), найти вариант производственной программы, удовлетворяющий системе ограничений (10.2) - (10.7), (10.8)-(10. II) и предпочтениями конечного пользователя.

Принципы реализации имитационной модели планирования нефтеперерабатывающего производства

При разработке имитационной модели планирования целью является автоматизация про­цесса планирования нефтеперерабатывающего производства на основе имитации существующей технологии плановых расчетов.

Имитационное моделирование процессов принятия решений базиру­ется на трех основных аксиомах теории управления организационными системами: конечный пользователь имеет представление о важнейших переменных модели; умеет оперировать важнейшими переменными; владе­ет функцией чувствительности модели по отношению к указанным пере­менным.

Рассмотрим содержательное представление имитационной модели расчета производственной программы.

1. Прежде всего, все множество технологических установок разбивает­ся на подмножество - стадии, в соответствии с принципами сформули­рованными при формализованной постановке задачи и образуется их упорядоченная последовательность.

2. Для каждой стадии определяется расчетная схема, в виде совокуп­ности отношений, определяющих расчет производственной программы установок входящих в данную стадию.

3.Выполняется процедура обеспечения разрешимости, которая сводится к установке определенными параметрами модели номинальных значений, благодаря чему расчет сводится к последовательному вычислительному процессу.

4. Задаются все необходимые исходные данные, с учетом существующей неопределенности, на основе разработанных механизмов. Расчет пред­ставляет собой волну вычислений, последовательно развивающуюся от стадии к стадии. В случае возникновения несовместностей в расчетах, вызванных некорректным заданием расчетной схемы, либо нарушением условий допустимости на вычисляемые переменные, осуществляется корректировка модели, возврат к ранее рассчитанным стадиям и органи­зация повторной волны расчетов. Процесс итеративного согласования осуществляется до полного устранения возникшей несовместности. Ука­занная процедура относится к классу трудноформализуемых, из-за не­однозначности выбора альтернатив и, в общем случае, выполняется в интерактивном режиме непосредственно конечным пользователем.

5. Модель, в темпе процесса расчетов, осуществляет выявление стере­отипных ситуаций в неформальных процессах коррекции и их моделиро­вание на основе прямой имитации причинно-следственных связей. Таким образом, реализуется механизм адаптивной автоматизации процесса планирования.

Выработанный на содержательном уровне алгоритм создает пред­посылки для перехода к концептуальному представлению.

Концептуальная модель содержит необходимую и достаточную со­вокупность формализованных описаний предметной области, не касаясь способов представления данных пользователю, организации в памяти и других аспектов.

10.5. Учет неопределенности в системе.

Механизм адаптивной автоматизации предусмат­ривает поэтапную автоматизацию в процессе эксплуатации системы в интерактивном режиме, путем выявления стереотипных ситуаций в труд­ноформализуемых процессах, как на основе содержательного анализа экспертной информации, так и автоматически.

Моделирование трудноформализуемых процессов и учет лингвисти­ческой неопределенности в имитационной модели планирования [4] реализуется с помощью специального блока устранения критических ситуаций, представляющего собой ситуационную модель процесса согла­сования с использованием лингвистических переменных. Этот блок вы­полняет роль интеллектуальной приставки обеспечивающей моделирова­ние трудноформализуемых процессов планирования.

В качестве инструментального средства реализации указанного подхода используется метод, основанный на теории нечетких продукци­онных моделей. В рамках принятого формализма процесс коррекций пре­дставляется в виде правил:

"Если S₁ Ù S₂...S_р... S_n Tогда d_iÙd₂... d_B...d_m ",

где S₁,S₂,...S_p - набор нечетких термов, представляющих ситуацию;

d_i,d₂... d_B - набор нечетких термов, представляющих действия по их устранению. Как показал информационно-логический анализ, указанные термы могут быть структуризованы следующим образом:

Терм-ситуация S_p - состоит из следующих элементов:

S_p=<u_p,T_p,L_p,D_p,F_p>

где u_p - объект, может принимать одно из двух значений (установка, поток);

T_p -тип переменной (производительность, отбор, расход);

L_р - направление нарушения границы;

D_р - лингвистическая переменная, определяющая величину отклонения, принимающая одно из трех значений (малое, среднее, значительное);

F_p - параметрически задаваемая функция принадлежности лингвистической переменной.

Терм-действие d_B - состоит из следующих элементов:

d_B=<pв, u_в, T_в, Q_в, R_в, F_в>

d_B - пункт возврата по графу, задается номером стадии;

u_в - объект, аналогично u_в в описании S_p;

T_в - тип переменной, аналогично T_р в описании S_р;

Q_B - лингвистическая переменная, определяющая корректи­рующее действие, принимающее одно из трех значений (около, увеличить, уменьшить);

R_{в b} - лингвистическая переменная, определяющая уровень корректирующей операции (немного, средне, сущест­венно);

F_в - параметрически задаваемая функция принадлежности ингвистической переменной Q_BUR_B.

При машинном представлении продукционной модели, указанные правила помещаются в базу правил. Отличительной особенностью систе­мы является возможность автоматического заполнения базы правил. Для этого в системе определен уровень стереотипности критической ситуа­ции k_b, представляющий собой отношение случаев применения данного правила при устранении критической ситуации к общему числу появле­ния указанной ситуации:

где n_в - число применений данного правила;

n - общее число появлений данной критической ситуации. При эксплуатации системы в интерактивном режиме, ведется статистика появлений критических ситуаций и фиксируются частоты испо­льзования конечным пользователем соответствующих правил. В случае, когда частота использования соответствующего правила превышает ус­тановленный уровень стереотипности, правило автоматически помещается в базу правил.

Рассмотрим примеры представления правил устранения для критических ситуаций, представленных на рис.10.5-10.6.

Терм-ситуация, соответствующая рис. 10.5 имеет вид:

S_р = <объект = 096, тип = "запас", напр = "Нижняя", величина ="малое", (0.8, 1.2)>.

Терм- действие будет иметь вид:

D_В= <стадия=5,уст=42-1, тип="производ.", операция= "около", (0.9,1.1)>.

Аналогично и для ситуации 2, представленной на рис.10.6

S_р = <объект=32-1,тип="производ.",напр="верхняя", величина="Значи­тельное", (0.75, 1.1)>.

Терм-действие:

d_в =<стадия=8, уст=31-1, тип="производ", операция="увеличить", уровень="существенно", (0.8, 1.1)>.

Рис. 10.5 Сообщение о критической ситуации 1.

Рис. 10.6 Сообщение о критической ситуации 2.

Работа блока устранения критических ситуаций происходит сле­дующим образом. При возникновении критической ситуации, информация поступает в блок устранения критических ситуаций. Происходит акти­визация системы правил и поиск соответствующей продукции путем сравнения по образцу. При совпадении происходит инициализация процедур устране­ния. В случае отсутствия соответствующего правила, сообщение о кри­тической ситуации выдается на экран терминала для анализа и приня­тия решений конечным пользователем.

Таким образом, модель приобретает характер самообучающейся адаптивной системы, где уровень автоматизированности определяется реальным уровнем формализуемости процесса планирования.

Процедуры принятия решений при планировании

производства во взаимодействии с имитационной моделью планирования в ЭИС

Эффективность применения компьютеров в области автоматизации органи­зационно-экономического управления зависит от гибкости человеко-машинных процедур, позволяющих делать сравнительный анализ вариан­тов решений на основе критериев носящих качественный характер.

Основным критерием при выборе инструментальных средств диалогового режима в имитационной системе для расчета плана было обеспечение максимальных удобств для непрофессионального пользователя. На различных этапах процесса расчетов используются формы и методы наи­более приемлемые для данной ситуации.

Рассмотрим процедуру расчета производственной программы на имитационной модели.

Имитационная модель планирования представляет собой сложный итеративный вычислительный процесс, протекающий при активном учас­тии конечного пользователя. Общая схема решения задачи расчета про­изводственной программы состоит из следующих этапов:

- настройка модели и ввода исходных данных;

- собственно расчета при активном участии плановика.

Настройка модели состоит из следующих процедур:

- определения состава и последовательности стадий. Данная процедура выполняется только в случае изменения в технологической схеме (лик­видация старых и ввод новых установок):

- определение состава и числа расчетных переменных;

- определение состава и числа лимитируемых и свободных потоков;

- назначения исходя из директив и собственных предпочтений лимитов на соответствующие потоки;

- задания номинальных значений соответствующим параметрам устано­вок.

Тем самым формируется расчетная схема, вся ответственность за разрешимость которой лежит на пользователе.

Необходимо отметить, что расчетная схема носит достаточно устойчивый характер и, как правило, меняется при существенных изменениях в производственном процессе и сложившихся предпочтениях плановика.

Глава 11. Динамическая интеллектуальная система оперативно – диспетчерского управления предприятием.