4
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................... 6
1 Аналитическая часть ............................................................................................. 8
1.1 Анализ предметной области исследования ................................................... 8
1.1.1 Обоснование актуальности исследования .............................................. 8
1.1.2 Постановка задачи, определение предмета и объекта исследования .. 9
1.1.3 Теоретическая и методологическая основа исследования .................. 10
1.2 Характеристика задачи и объекта исследования ........................................ 12
1.2.1 Сфера деятельности и основные бизнес-процессы исследуемого
объекта .................................................................................................................. 12
1.2.2 Система управления объектом исследования ...................................... 16
1.2.3 Обоснование выбора задачи для объекта исследования ..................... 19
1.2.4 Определение связи задачи исследования с другими задачами .......... 24
1.3 Характеристика задачи в рамках комплекса задач объекта исследования ..
.......................................................................................................................... 27
1.3.1 Оценка существующих ресурсов для решения задачи исследования ...
................................................................................................................... 27
1.3.2 Определение средств автоматизации для решения задачи
исследования ........................................................................................................ 32
1.3.3 Определение уровня защиты информации для исследуемой задачи 34
1.4 Анализ существующих разработок и выбор стратегии автоматизации ... 35
1.4.1 Анализ существующих разработок для автоматизации задачи ......... 35
1.4.2 Обоснование способа приобретения ИС для автоматизации задачи . 37
1.4.3 Обоснование стратегии автоматизации задачи .................................... 37
1.5 Обоснование проектных решений ............................................................... 38
1.5.1 Обоснование проектных решений по информационному
обеспечению ......................................................................................................... 38
1.5.2 Обоснование проектных решений по программному обеспечению . 39
1.5.3 Обоснование проектных решений по техническому обеспечению ... 41
2 Проектная часть ................................................................................................... 43
2.1 Разработка проекта автоматизации .............................................................. 43
2.1.1 Этапы жизненного цикла проекта автоматизации ............................... 43
5
2.1.2 Ожидаемые риски на этапах жизненного цикла и их описание ......... 45
2.1.3 Организационно-правовые и программно-аппаратные средства
обеспечения информационной безопасности и защиты информации ........... 48
2.2 Управление проектом автоматизации ......................................................... 49
2.2.1 Описание системы принятия управленческих решений ..................... 49
2.2.2 Формирование команды проекта автоматизации ................................ 59
2.2.3 Средства коллективной работы над проектом автоматизации .......... 63
2.3 Информационное обеспечение задачи ......................................................... 61
2.3.1 Информационная модель и её описание ............................................... 61
2.3.2 Характеристика нормативно-справочной, входной и оперативной
информации.......................................................................................................... 63
2.3.3 Характеристика результатной информации ......................................... 65
2.4 Программное обеспечение задачи ................................................................ 67
2.4.1 Общие положения (дерево функций и сценарий диалога) ................. 67
2.4.2 Характеристика базы данных ................................................................ 69
2.4.3 Структурная схема пакета (дерево вызова программных модулей) .. 73
2.4.4 Описание программных модулей .......................................................... 74
2.5 Апробация результатов исследования ......................................................... 76
3 Обоснование экономической эффективности .................................................. 86
3.1 Выбор и обоснование методики расчёта экономической эффективности ...
.......................................................................................................................... 86
3.2 Расчёт показателей экономической эффективности .................................. 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................ 97
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................... 99
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ...................................................................................................... 104
6
ВЕДЕНИЕ
Множество прикладных задач имеют сложную структуру что не позволяет
принимать управленческие решения при помощи стандартных подходов. Если
для решения математических задач могут приняться очень сложные алгоритмы
использующие данные о влиянии множества параметров, то специфика
выработки управленческих решений, которые нужно принимать достаточно
часто не позволяет проводить постоянную оценку такого массива данных.
Кроме того, основа корректно принятого решения – это выбор
оптимального пути, однако такой выбор может быть совсем неочевиден или же
требовать перебора огромного числа вариантов. Часто время на подбор такого
решения несравнимо с периодом в рамках которого его необходимо принять и
полученное позже оптимальное значение становится бесполезным.
В таких условиях необходимо применять методики, которые могут
проводить выработку решений на основе уже имеющихся данных об
урегулировании сложных ситуаций в прошлом. Одной из таких методик
является использование генетических алгоритмов, используют эвристический
подход, ориентированный на случайный перебор и вариацию искомых
параметров, аналогичных естественному отбору в природе.
Целью данной работы является исследование и разработка системы
управления на основе генетических алгоритмов на примере авторского решения
для прикладной задачи.
Для достижения поставленной цели в работе предполагается решение
целого комплекса задач:
анализ предметной области в рамках которой будет выделяться
проблемная область и формулироваться прикладная задача;
оценка возможностей компании АО «Спецгазмонтаж» для решения
выбранной задачи с использованием генетических алгоритмов;
анализ аналогичных решений на рынке программного обеспечения
и определение стратегии приобретения;
разработка и реализация проекта решения выбранной прикладной
задачи;
7
обоснование экономической эффективности внедрения технологии
решения выявленной проблемы для компании АО «Спецгазмонтаж».
Структура работы состоит из трех глав.
Первая глава посвящена изучению объекта исследования – компании АО
«Спецгазмонтаж», которая работает в сфере ремонтов и строительства
магистральных трубопроводов. Глава также содержит обоснование выбора
объекта исследования и выделение проблемной области, на основе анализа
которой осуществляется постановка задачи.
Вторая глава представлена разработкой проекта решения поставленной
задачи управления распределением потоков в магистральном трубопроводе на
время ремонта или расширения сети, выбора инструментов и формирования
конечного проекта системы, на базе которого разрабатывается решение.
Третья глава отражает технологию и саму оценку экономической
эффективности внедряемого проекта на базе АО «Спецгазмонтаж»
8
1 Аналитическая часть
1.1 Анализ предметной области исследования
1.1.1 Обоснование актуальности исследования
Организация работы различных видов магистральных трубопроводов,
выполняющих транспортировку газов или жидкостей, является очень сложной и
многоаспектной. Особенности построения таких систем связаны с
необходимостью определения не просто направлений передачи ресурсов, но и
поддержки качества таких ресурсов и безопасности работы различных
магистралей.
На начальных этапах создания магистрального трубопровода проводятся
подробные изыскания специалистами в области геодезии и картографии,
экологии, физической химии, а также биологии и медицины в случае
транспортировки чистой воды или отвода сточных вод.
Далее происходит постепенное расширение сети путем врезания новых
потребителей или источников поставок. На этом этапе может произойти потеря в
качестве предоставляемого ресурса или безопасности его доставки [27].
При этом такие магистральные трубопроводы и сети требуют постоянного
обслуживания и поддержки в рабочем состоянии. В рамках этих работ могут
проходить капитальные и текущие ремонты системы, при этом на время работ
происходит блокировка движения по выбранному участку магистрали.
Несомненно, в случае длительных периодов закрытия участков требуется
осуществление перераспределения загрузки блокированного участка за счет
включения иных рабочих участков магистралей.
Также отмечаются случаи хаотичного (неупорядоченного) развития
газораспределительных сетей, что приводит к снижению эксплуатационной
надежности существующих систем распределения газа и создает препятствие
для дальнейшего их развития. В ряде случаев системы развиваются не как
единый объект газоснабжения, а отдельными элементами (участками) сети, что
приводит к занижению диаметров газопроводов и, соответственно, к снижению
давления на значительно загруженных участках системы.
В реальных условиях работы магистральных трубопроводов возникает
необходимость периодического перераспределения нагрузки на участки, которая
9
связана с закрытием части участков на ремонт или предполагается дальнейшее
расширение сети. Произвольное перераспределение нагрузки в сети может
привести к снижению качества передаваемого ресурса и угрожать техногенной
или экологической катастрофой из-за увеличения пропускной способности
работающих участков взамен заблокированных.
Однако большая часть участков магистральной сети имеет достаточно
дублирующих звеньев и наиболее важным становится вопрос оптимального
распределения потоков с учетом возможностей дублирующих звеньев.
1.1.2 Постановка задачи, определение предмета и объекта
исследования
Выделенная проблема перераспределения потоков ресурсов передаваемых
по магистральной сети трубопровода может решаться различными способами.
Сама структура магистральной сети и технологии перераспределения потоков в
ней достаточно сложны, а поставленная задача оптимизации является
многофакторной [22]. Очевидно, что решение такой проблемы требует учета
множества особенностей, как структуры магистрали, так и передаваемого
ресурса. Подобные задачи перераспределения потоков решались и в сфере
управления [26].
Таким образом, условно можно сформулировать задачу следующим
образом: дана сеть трубопроводов, какой-то участок или целый блок сети
необходимо поставить на капитальный ремонт или закрыть на время
расширения сети без потери снабжения потребителя. Схематично саму
структуру магистрали можно понимать как некоторый ориентированный граф, в
котором узлы магистрали – вершины графа, а участки магистрали – это звенья.
При этом направление движения передаваемого ресурса в сети определяет
ориентацию звена графа [31].
Таким образом, основной задачей исследования становится изучение
технологий передачи ресурса по магистрали и наиболее важных характеристик
структуры магистрали, а также методов моделирования такой сети. Привязка к
решению конкретной прикладной задачи для компании АО «Спецгазмонтаж»,
работающей в сфере монтажа и ремонта магистральных трубопроводов,
предполагает обязательное исследование объекта для оценки возможных
10
ресурсов для решения задачи, а также поверки построенной модели на
адаптивность путем внедрения в условиях работающей компании.
Следовательно, объектом исследования выступает компания АО
«Спецгазмонтаж» и ее деятельность по осуществлению монтажа и капитальных
ремонтов на магистральных трубопроводах, находящихся в ее ведении.
Предметом исследования становится методология применения
генетических алгоритмов для решения поставленной задачи исследования [32].
Предполагается, что генетический алгоритм будет искать кратчайший путь к
потребителям по сети в случае закрытия некоторых участков сети на проведение
капитального ремонта или для расширения сети магистральных трубопроводов.
В рамках системы можно будет оставить заявку на ремонт, а система предложит
вариант перераспределения
1.1.3 Теоретическая и методологическая основа исследования
Проблемами анализа распределения потоков в магистральных сетях
занималась достаточно много исследователей. Основные направления анализа
можно разделить на следующие группы:
изучение физико-химических свойств транспортируемого ресурса в
процессе блокировки или перераспределения;
оценка падения качества передаваемого ресурса после
корректировки вида распределительной сети;
проведение параллелей с транспортными потоками в рамках теории
управления транспортными потоками;
прогнозы развития распределительных сетей и выработка
предложений по их корректному планированию;
системный анализ методов и моделей управления транспортными
системами.
К первому направлению можно отнести работу Снежина А.Н., Петрова
С.В. [36], которая отражает расчеты по выбору оптимального распределения газа
с учетом физико-химических свойств газа, уравнивания давления газа в узлах
газотранспортной системы. В работе [36] отмечена неприменимость простых
алгоритмом оптимизации в виду того, что система находится в постоянной
динамике и ее узлы могут менять характеристики:
11
становится узлами поставки или потребления;
быть блокированными или вводится новые узлы после снятия
блокировки;
вероятно изменение пропускной способности самой транспортной
системы или ее участков.
Второе направление изучения возникло связи с выявлением
преобразований, которые влекут за собой перераспределение потоков газа,
приводящие к сужению самой сети и возникновению дефицита пропускной
способности газовой сети. «Дополнительно могут возникать и снижение
технической возможности подключения к существующей сети
газораспределения новых потребителей, а это препятствует социально-
экономическому развитию» – отмечают Медведева О. Н., Иванов А. в работе
[30].
Оценка темпов и особенностей развития газотранспортных сетей
отражена в работе Кускильдин Т. Р., Дмитриев М. Е., Мастобаев Б. Н., Валеев А.
Р. [28]. При этом авторы также предлагают рекомендации по оптимизации
распределительной сети в своей работе [27].
В приведенных работах решение проблемы оптимизации распределения
потока решается различными методами:
построением моделей распределения газа на основе физических
законов механики сплошных сред;
использование сложных моделей оптимизации [11] с усилением
условий на ограничения и целевую функцию путем задания условий в узлах
распределительной сети;
построением моделей управления в распределительной сети путем
учета данных мониторинга контроля пропускной способности газовой сети;
и других.
Однако все указанные методологии требуют учета типа среды и
достаточно сложны в применении в реальных условиях проведения блокировок
участков магистральной сети в связи с ее развитием или обслуживанием на
время расширения или ремонта. Поиск оптимального решения в
многофакторной задаче часто проводится при помощи эвристических методов.
12
Наиболее популярной методикой, используемой для поиска оптимального
значения функции (экстремума) являются генетические алгоритмы [12, 15].
Методология работы генетических алгоритмов строится на основе
эвристического подхода к поиску оптимального значения с использованием
случайного подбора, комбинирования и вариации искомых параметров с
использованием механизмов, аналогичных естественному отбору в природе [7,
29]. Примеров использования такого алгоритма может служить моделирование
поведения жуков в специальной среде и использование генетических алгоритмов
для совершенствования поведения жуков. Жук - конечный автомат,
выполняющий последовательность команд в течении хода [44].
Прикладные задачи являются естественным отражением природных
процессов разного рода, и, очевидно, что механизмы, используемые в процессе
естественного отбора часто хорошо выражают соотношение между параметрами
исследуемых моделей реальных технологических, физических и химических
процессов [34]. Применение генетических алгоритмов для решения технических
задач достаточно широко распространено в случае моделирования
технологических процессов, например, их можно найти в работах Сопова Е.А.
[37]. Исследованием в этом направлении также посвящены работы Ватутина
Э.И., Титова В.С. [13, 14].
1.2 Характеристика задачи и объекта исследования
1.2.1 Сфера деятельности и основные бизнес-процессы
исследуемого объекта
АО «Спецгазмонтаж» – российская компания, специализирующаяся в
области обслуживания и строительства инфраструктурных объектов для
нефтегазового комплекса [46].
АО «Спецгазмонтаж» обладает многолетним опытом выполнения работ
по реконструкции, капитальному ремонту и строительству магистральных
трубопроводов, монтажу и обслуживанию технологического оборудования.
Деятельность АО «Спецгазмонтаж» сконцентрирована преимущественно в
регионах Сибири, Урала, Крайнего Севера и Поволжья, где расположена
большая часть инфраструктуры магистральной сети нефтепроводов и
газопроводов России.
13
На сегодняшний день АО «Спецгазмонтаж» – это
высококвалифицированные специалисты, собственный парк спецтехники
ведущих мировых и отечественных производителей. Компания выполняет
работы в любом регионе России, в том числе, в условиях вечной мерзлоты, в
труднопроходимой болотистой местности и других непростых природных
условиях. АО «Спецгазмонтаж» использует передовые достижения отрасли
наряду с уже проверенными опытом и климатом технологиями. Компания
способна осуществлять более 300 км ремонтов магистральных трубопроводов.
АО «Спецгазмонтаж» нацелено на сохранение высоких темпов развития, за счет
расширения географии деятельности, отраслевой диверсификации, наращивания
ресурсной базы при сохранении неизменно высокого качества выполняемых
работ. Представительства АО «Спецгазмонтаж» находятся в городах: Москва,
Екатеринбург, Краснотурьинск, Югорск, Надым, Новый Уренгой, Дубай (ОАЭ).
Склад в г. Екатеринбурге. Перевалочная материально-техническая база: г.
Волчанск, г. Надым, г. Новый Уренгой.
Места концентрации техники: Краснотурьинский, Ивдельский,
Пангодинский, Надымский участки, Новый Уренгой.
Направления деятельности:
магистральные трубопроводы: капитальный ремонт, реконструкция
и строительство;
технологическое оборудование: монтаж, наладка, ремонтно-
техническое обслуживание;
промышленные сооружения: проектирование, строительно-
монтажные работы и реконструкция;
гражданские сооружения: строительно-монтажные работы и
реконструкция;
наружные инженерные сети и внутренние инженерные системы:
строительство, капитальный ремонт и обслуживание.
Обслуживание линейных магистральных газо- и нефтепроводов является
ключевым направлением специализации АО «Спецгазмонтаж». Компания
осуществляет ремонт и строительство объектов различной степени сложности, в
том числе, расположенных в тяжелых климатических условиях Крайнего Севера.