Московская Государственная Академия
Тонкой Химической Технологии им. М.В. Ломоносова
На правах рукописи
Куприянов Алексей Вячеславович
«Информационная поддержка оснащения химико-технологическим оборудованием научных проектов ».
05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации
(химическая технология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2006 г.
Работа выполнена на кафедре информационных технологий
Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова (МИТХТ).
Научный руководитель .
доктор технических наук, профессор
Кузин Рудольф Евгеньевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Филаретов Геннадий Федорович;
доктор технических наук, профессор
Бахвалов Лев Алексеевич.
Ведущая организация: государственное унитарное предприятие города Москвы – объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию радиоактивных отходов и охране окружающей среды (ГУП МосНПО «Радон»).
Защита состоится 3 октября 2006 года в 15 часов на заседании специализированного совета Д 212.120.08 в Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу: Москва, проспект Вернадского, 86.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова
(Москва, проспект Вернадского, 86)
Реферат разослан 28 августа 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук Бурляева Е.В.
Общая характеристика работы.
Актуальность темы. Реализация научных проектов в области химии и химической технологии в настоящее время сталкивается со значительными трудностями. Основная причина этого состоит в том, что за предшествующие 15 лет практически была разрушена вся инфраструктура обеспечения научных исследований: отсутствует целевая подготовка кадров, ликвидированы крупные предприятия по производству специализированного оборудования для химических исследований и аналитических измерительных комплексов, отсутствует Госснаб - главный орган по оснащению проектов химико-технологическим оборудованием.
Аналогичное положение с неудовлетворительным оснащением химико-технологическим оборудованием учебного процесса сложилось в образовательных учреждениях страны.
На месте разрушенной централизованной системы государственного снабжения возник ряд небольших предприятий, решающих задачи оснащения научных и учебных лабораторий. К их числу относится московская фирма «МФ ИНТЕР ФЭП», которая специализируется на оснащении научных проектов и учебных лабораторий химико-технологическим оборудованием. Огромная размерность возникающих при этом задач требует обязательной информационной поддержки на базе информационных технологий и методов оптимизации.
Фирма «МФ ИНТЕР ФЭП» была создана в системе Минатома для оснащения химико-технологическим оборудованием крупных технологических проектов, в том числе проекта «Уран России», на примере которого наиболее ярко проявляется сложность и высокая размерность задач оснащения.
В связи со стремительным ростом цен на углеводородные топлива и нарастающим энергопотреблением во всех сферах народного хозяйства, исключительную актуальность приобретает повышение доли атомной энергии в энергетическом балансе развитых государств. В Российской Федерации запланировано к 2020 году увеличить долю атомной энергии в энергетическом балансе до 25 %, против 16 % в 2006 году, за счет ежегодного ввода в эксплуатацию не менее двух блоков, имеющих электрическую мощность по тысяче мегаватт.
Такие амбициозные цели ставят перед урановой подотраслью Федерального Агентства по атомной энергии (Росатома) сложнейшую технологическую проблему – увеличить ежегодное производство урана ядерной чистоты с трех тысяч тонн в 2006 году до двадцати тысяч тонн к 2020 году, за счет ввода в эксплуатацию резервных и новых месторождений (рис. 1).
Рисунок 1.
Использование изменившейся рудной базы требует проведения крупномасштабных химико-технологических исследований для разработки новых технологических процессов. Ведущим мировым лидером в области урановых технологий является ВНИИ химической технологии Росатома, на долю которого выпадает реализация сложной научной проблемы – создание новой технологической платформы атомной энергетики.
Такие крупномасштабные научные исследования приходится разворачивать в условиях недостаточного материально-технического оснащения. При этом существенно возрастают роль и значение подсистемы оснащения химико-технологическим оборудованием крупного научного проекта (ПО).
Подсистема оснащения химико-технологических исследований: это – совокупность связанных единой целью и информационными потоками подразделений научно-исследовательской (или образовательной) организации, обеспечивающих качественное и своевременное выполнение исследовательских задач на основе методов оптимизации, сетевого планирования, информационных технологий подготовки и генерирования документов для руководителей, принимающих решения по организации научных исследований.
ПО – новый уровень организации оснащения оборудованием, при котором для решения крупной научно-исследовательской задачи объединяются усилия отделов планирования, комплектации, снабжения, специалистов по оптимизации, базам данных, химиков - технологов, химиков - аналитиков и конструкторов на основе информационных технологий. Постановке и решению задач информационной поддержки при оснащении научных проектов, реализуемом фирмой «МФ ИНТЕР ФЭП», посвящена настоящая диссертация, чем определяется ее важность и актуальность.
Цель работы – повышение эффективности химико-технологических исследований на основе оптимальной информационной поддержки подсистемы оснащения химико-технологическим оборудованием крупных научных проектов.
Задачи, решаемые для достижения цели:
системный анализ информационной поддержки подсистемы оснащения химико-технологических исследований;
формальная постановка и решение оптимизационных задач подсистемы оснащения научных проектов и образовательных учреждений;
формирование базы данных типового оборудования для оснащения химико-технологических исследований и образовательных учреждений;
разработка структуры системы информационной поддержки для подготовки документов лицу, принимающему решения по оснащению оборудованием научного проекта или учебных лабораторий.
Научная новизна:
Впервые выполнен системный анализ информационной поддержки подсистемы оснащения химико-технологических исследований крупного научного проекта (на примере проекта «Уран России») с определением системных факторов, анализом узких мест и формированием контура обратной связи в форме системы информационной поддержки.
Разработана формальная постановка оптимизационных задач подсистемы оснащения, в том числе оптимизации процедуры замены аналитического и станочного оборудования, а также задач высокой размерности оптимального раскроя заготовок и оптимальной комплектации химической посудой.
Разработан алгоритм решения задачи оптимальной замены аналитического и станочного оборудования, адаптированы типовые алгоритмы оптимального раскроя заготовок, оптимальной комплектации химической посуды для информационной поддержки подсистемы оснащения крупного научного проекта и образовательных учреждений по химии и химической технологии.
Практическая значимость:
Разработана структура системы информационной поддержки подсистемы оснащения в составе «МФ ИНТЕР ФЭП» для крупного научного проекта (на примере проекта «Уран России») и учебных лабораторий образовательных учреждений по химии и химической технологии.
Сформирована база данных системы информационной поддержки по аналитическому и уникальному станочному оборудованию для качественного и своевременного комплектования научно-исследовательских и демонстрационных экспериментов в области химии и химической технологии.
Система информационной поддержки подсистемы оснащения химико-технологическим оборудованием крупных научных проектов в НИИ, а также химических классов и лабораторий ВУЗов и средних школ реализована и находится в опытно-промышленной эксплуатации с мая 2005 года в фирме «МФ ИНТЕР ФЭП». Расчетный срок окупаемости составит менее года.
Апробация работы. Материалы, включенные в диссертацию, доложены на нескольких совещаниях и конференциях.
Юбилейная международная научная конференция памяти В.В.Кафарова «Методы кибернетики в химии и химической технологии» г. Москва, 2004.
Четвертая межвузовская конференция «Математические методы в химии и химической технологии», г. Тамбов, 2004.
Одиннадцатая международная конференция «Безопасность ядерных технологий. Обращение с радиоактивными отходами», г. Санкт-Петербург,2004.
Вторая и третья межвузовские конференции «Организация системы мониторинга материально-технического оснащения учреждений профессионального образования», г. Санкт-Петербург, 2005,2006.
Третья международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2005.
Диссертация состоит из введения, трех глав основного содержания, заключения, где сформулированы основные результаты, и списка информационных источников из 109 наименований. Содержание диссертации изложено на 108 страницах текста и содержит 10 рисунков и 7 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе «Системный анализ информационной поддержки подсистемы оснащения химико-технологическим оборудованием научных проектов и образовательных учреждений» приведены результаты анализа на примере проведения технологических исследований по Федеральной целевой программе «Уран России», (рис.2).
Основой для определения системных факторов проводимого анализа являются: структурная схема новой технологической платформы, приоритетные направления научно-исследовательских работ, анализ фактической обеспеченности опытными установками и средствами аналитического контроля исполнителей НИР, а также исследования возможных вариантов оснащения с учетом предложений рынка оборудования и имеющихся ресурсов.
Рисунок 2.
Проанализированные дополнительно потребности учебных лабораторий образовательных учреждений в химико-технологическом оборудовании не меняют полученных результатов, но существенно увеличивают размерности возникших оптимизационных задач.
Новая технологическая платформа (рис.3) предполагает переработку новых комплексных руд Эльконского месторождения, содержащих, кроме урана, также золото, ванадий и другие редкие стратегические металлы. При этом предстоит исследовать широкий спектр технологий, включая способы подземного выщелачивания руд для новых месторождений в труднодоступных районах.
Приоритетные направления работ на ближайшие 10 лет предусматривают создание химических технологий получения, наряду с ураном, разнообразных материалов для атомной энергетики и промышленности.
Анализ оснащенности оборудованием и приборами аналитического контроля ВНИИХТ показывает, что для проведения исследований еще сохранились уникальные установки, стенды, аналитические комплексы. Однако, для широкого развертывания первоочередных работ остродефицитной является химическая одноразовая посуда нового поколения, способная работать с агрессивными средами, при высоких температурах в присутствии ионов фтора. Также остродефицитной является новая мебель для химических и аналитических лабораторий, рабочие поверхности которых имеют специальные, устойчивые к агрессивным средам, покрытия. Средства аналитического контроля в значительной степени морально устарели и нуждаются в срочном обновлении.
Рисунок 3.
Вторая глава «Формальная постановка и решение оптимизационных задач информационной поддержки подсистемы оснащения химико-технологическим оборудованием научных проектов и образовательных учреждений» содержит результаты исследований по оптимизации подсистемы оснащения. Ввиду ограниченности ресурсов для оснащения НИР, высокой стоимости панелей для специальной мебели, большой рассредоточенности производителей спецпосуды, большая часть задач для лица, принимающего решения по организации работ подсистемы оснащения, может быть поставлена в форме задач оптимизации:
оптимальная замена комплексов аналитического и станочного оборудования;
оптимизация раскроя заготовок;
оптимальная комплектация химической посуды для большого числа производителей и потребителей (размерность задачи: 27 производителей, более 150 потребителей, 470 видов изделий);
формирование базы данных аналитического и специального оборудования для химико-технологических исследований и учебных учреждений;
генерирование отчетов для лиц, принимающих решения.
Задача оптимальной замены комплексов аналитического и станочного оборудования является одной из наиболее распространенных в подсистеме оснащения, ввиду длительности запланированного срока работ по программе «Уран России» (15 лет) и высокой скорости морального старения сложных аналитических комплексов и другого современного оборудования, включая специальные деревообрабатывающие станки для производство новых типов мебели.
Задача состоит в определении оптимального момента замены tЗ работающего оборудования. Старение оборудования включает его физический и моральный износ, в результате чего растут производственные затраты R(t), затраты на ремонт и обслуживание, снижаются производительность труда, ликвидная стоимость G(t). Критерием оптимальности являются, как правило, либо прибыль от эксплуатации оборудования (задача максимизации), либо суммарные затраты Q на эксплуатацию в течение планируемого периода N (задача минимизации).
При построении модели задачи принято, что решение о замене выносится в начале каждого промежутка эксплуатации, и что оборудование можно использовать неограниченно долго.
Основная характеристика оборудования — параметр состояния — его возраст t. При составлении динамической модели замены оборудования процесс замены рассматривается как n-шаговый, разбивая весь период эксплуатации на n шагов. Возможное управление на каждом шаге характеризуется качественными признаками: Xc (сохранить оборудование) или Xз (заменить).
Из такой формулировки задачи выбран математический метод ее решения – метод динамического программирования. В системе информационной поддержки функционирует блок оптимизации, в состав которого включены стандартные программные средства, реализующие метод динамического программирования для задачи оптимальной замены в приведенной математической постановке. Оператор задает основные параметры: длительность проекта N, начальную стоимость P0 и годовые затраты на эксплуатацию r.
На рис. 4 приведен граф решения задачи определения оптимальной стратегии замены специального деревообрабатывающего станка для N=5, P0=4000, r=600 (цены в тысячах рублей). Из него следует, что оптимальный срок замены – конец третьего года эксплуатации. Рекомендации передаются лицу, принимающему решения.
Рисунок 4.
Обеспечение химических лабораторий мебелью, соответствующей новым стандартам качества и безопасности, относится к числу новых и актуальных задач, поскольку в 90% существующих лабораторий используемая мебель загрязнена химическими веществами, в том числе ВХВ, включая радионуклиды. Комплекс стандартов ISO 14000 предусматривает использование экологически безопасных материалов для лабораторной мебели, которые выпускаются в виде крупногабаритных панелей с разнообразными покрытиями, обеспечивающими защиту от химических веществ, в том числе от ВХВ.
Существенным недостатком таких панелей является их высокая стоимость, что выдвигает проблему оптимизации производства мебели по экономическим критериям. В качестве критерия нами выбрана себестоимость производства типовых наборов мебели, в отличие от применяемой в условиях рынка – прибыли. Нами учитывалась социальная значимость проекта создания новых типовых комплектов мебели для модульных химических лабораторий, включая школьные и ВУЗовские.
При изготовлении мебели для химических и аналитических лабораторий используются листовые панели определенного размера. Конструкторами разработаны варианты раскроя, в каждом из которых получается несколько различных деталей мебели. При заданной номенклатуре деталей удается поставить задачу оптимального раскроя для минимизации расхода материала как задачу линейного программирования. Особенностью задачи является ее высокая размерность (число деталей – до 82, число вариантов –9, объем выпуска – до 70 комплектов в месяц).
В блоке оптимизации системы информационной поддержки установлены стандартные программные средства, реализующие симплекс-метод и обеспечивающие конструкторам удобный интерфейс для ввода исходных данных
Еще одна важная задача подсистемы оснащения - это комплектация химической посуды для широкого спектра химико-технологических исследований: от отработки процессов подземного выщелачивания до аффинажной очистки редкометалльной продукции. Сложность задачи состоит в том, что велика не только номенклатура химической посуды, но и число поставщиков отдельных видов велико, так как каждое предприятие изготавливает небольшое число видов продукции. Организовать в этих условиях поставку всех видов посуды на одно предприятие в городе Москва достаточно дорого, поскольку объем изделий в каждой оптовой отгрузке ограничен снизу. Для минимизации стоимости перевозок необходимо организовать кооперацию потребителей, объединяя заявки родственных НИИ, а также образовательных учреждений, имеющих химические классы и лаборатории. Математическая постановка задачи оптимальной комплектации в таком случае приобретает следующий вид.
В такой постановке задача минимизации стоимости перевозок и распределения посуды среди потребителей сводится к транспортной задаче, для решения которой в блоке оптимизации информационной системы установлена стандартная программа, реализующая метод «северо-западного угла». Пользователем задачи является ЛПР, которое также решает вопросы кооперации на основе сформированной базы данных в системе информационной поддержки.
В третьей главе «Разработка структуры информационной системы для подготовки документов лицу, принимающему решения в подсистеме оснащения» рассмотрены вопросы программной и технической реализации.
Структурная схема разработанной системы информационной поддержки подсистемы оснащения химико-технологических исследований (ПОХТИ) (рис. 5) включает, кроме блока оптимизации, задачи которого были рассмотрены выше, также базу данных и блоки интерфейса.
Рисунок 5.
Для технической реализации системы задействовано 3 PC IBM (Pentium 4) , включенных в локальную сеть фирмы «МФ ИНТЕР ФЭП», которые обеспечивают выполнение соответствующих функций: блоки 1 и 3 реализуются на рабочей станции оператора системы, блок 2 реализуется на общем для фирмы сервере базы данных и, наконец, блок 4 реализуется на компьютере руководителя подсистемы оснащения с соответствующими средствами графического интерфейса. Таким образом для функционирования системы информационной поддержки необходим только один новый компьютер – рабочая станция оператора.
База данных содержит информацию об изготовителях необходимой для исследований аппаратуры, оборудовании, химической посуде, а также составе коопераций учреждений и предприятий, решающих совместно задачи оснащения. Разделы БД по дорогостоящим измерительным комплексам включают данные не только по производителям, но и по организациям, передающим оборудование во временное пользование. На рис. 6 показан фрагмент БД, содержащий сведения по оборудованию. Для программной поддержки базы данных используется стандартное приложение Microsoft Office (Access), установленное на сервере.
Рисунок 6.
Блок решения оптимизационных задач обеспечивает выбор одной из программ оптимизации, ввод исходных данных и передачу результатов в блок генерирования отчетов для ЛПР. На Рис. 7 показана блок-схема одного из алгоритмов блока оптимизации – алгоритма расчета оптимального плана замены оборудования. Информационный блок содержит сведения об удельных затратах на эксплуатацию для многих типов используемого и запланированного обрудования, состоянии оборудования и т.д. Результатом решения задачи для каждой единицы оборудования является не только план замены, но и граф движения «назад» (условная оптимизация), а затем «вперед» (безусловная оптимизация), образец которого был приведен на рисунке 4. Такая подробная информация важна для лица, принимающего решения, и отображается средствами графического интерфейса ЛПР.
Система информационной поддержки подсистемы оснащения химико-технологических исследований научных проектов в НИИ, а также химических классов и лабораторий ВУЗов и средних школ реализована и находится в опытно-промышленной эксплуатации с мая 2005 года в фирме «МФ ИНТЕР ФЭП». База данных содержит информацию по аналитическому и специальному оборудованию химико-технологических лабораторий более девяти тысяч наименований и постоянно пополняется. В кооперации с «МФ ИНТЕР ФЭП» находится 14 соисполнителей обеспечивающей подсистемы. Это – соответствующие отделы нескольких НИИ, а также фирмы, специализирующиеся на изготовлении и поставках химических лабораторий в образовательные учреждения.
Рисунок 7.
Эффективность подготовки решений по управлению обеспечивающей подсистемой проявляется не только в убыстрении подготовки материалов для ЛПР, но имеет также реальную экономическую составляющую, благодаря решению задач в подсистеме оптимизации.
Значительный вклад в снижение себестоимости оборудования лабораторий вносит оптимальный раскрой панелей при производстве мебели. Задача была сформулирована в постановке линейного программирования и решалась для 9 наборов комплектов мебели химических классов ВУЗов и школ, при числе деталей до 82 в наиболее сложном комплекте, при объеме выпуска – 70 комплектов в месяц. В условиях производства фирмы «МФ ИНТЕР ФЭП» оптимизация раскроя панелей позволила снизить себестоимость продукции более, чем на 4%.
Ожидаемый экономический эффект задачи оптимальной замены оборудования должен составить до 7 % удельной стоимости годовых затрат на его эксплуатацию.
Еще более значительный эффект будет обеспечен задачей оптимальной комплектации химической посуды. Число поставщиков качественной и недорогой отечественной посуды составляет в настоящее время 27 предприятий. Число потребителей с учетом НИИ и кооперации фирм, обеспечивающих ВУЗы и школы, составляет более150 участников, а число видов посуды – 470. Контрольные расчеты оптимальных планов перевозок были выполнены в марте-мае 2006 года, а эксплуатационные расчеты будут внедрены в промышленную эксплуатацию с 2007 года. Согласно оценкам наших экономистов, только внедрение этой задачи позволит окупить затраты на создание системы информационной поддержки менее, чем за год.
Основные результаты.
Впервые выполнен системный анализ информационной поддержки подсистемы оснащения химико-технологическим оборудованием крупного научного проекта (на примере Федеральной целевой программы «Уран России») с определением системных факторов, анализом узких мест и формированием контура обратной связи в форме системы информационной поддержки;
Разработана формальная постановка оптимизационных задач подсистемы оснащения, в том числе оптимизации процедуры замены аналитического и станочного оборудования, оптимального раскроя заготовок, оптимальной комплектации химической посуды;
Разработан алгоритм решения задачи оптимальной замены аналитического и станочного оборудования, адаптированы типовые алгоритмы оптимального раскроя заготовок, оптимальной комплектации химической посуды для системы информационной поддержки подсистемы оснащения крупного научного проекта и образовательных учреждений по химии и химической технологии;
Разработана структура системы информационной поддержки подсистемы оснащения в составе «МФ ИНТЕР ФЭП» для крупного научного проекта (на примере проекта «Уран России») и учебных лабораторий образовательных учреждений по химии и химической технологии;
Сформирована база данных системы информационной поддержки по аналитическому и уникальному станочному оборудованию для качественного и своевременного комплектования научно-исследовательских и демонстрационных экспериментов в области химии и химической технологии;
Система информационной поддержки подсистемы оснащения химико-технологическим оборудованием крупных научных проектов в НИИ, а также химических классов и лабораторий ВУЗов и средних школ реализована и находится в опытно-промышленной эксплуатации с мая 2005 года в фирме «МФ ИНТЕР ФЕП». Расчетный срок окупаемости составит менее года.
Основные положения диссертации опубликованы
в следующих работах автора.
Корнюшко В.Ф., Куприянов А.В. Оптимизация производства оборудования научно-учебных химических лабораторий на основе системного подхода. Сб. статей «Вычислительные методы в управлении». Изд. Владимирского государственного универсистета.: Владимир, 2005. 12-17 стр
Колыбанов К.Ю., Кузин Р.Е., Куприянов А.В. Задачи оптимизации в обеспечивающей подсистеме химико-технологических исследований. Программное обеспечение систем управления, № 4, НАУКА, М.: 2006. 6 стр.
Корнюшко В.Ф., Кузин Р.Е., Куприянов А.В Проблемы векторной оптимизации в задачах обеспечения химических исследований/Труды четвертой межвузовской конференции «Математические методы в химии и химической технологии». Изд. Тамбовского ГТУ, г.Тамбов, 2004 г., с.139-146.
Кузин Р.Е.,. Куприянов А.В. Обобщенный системный алгоритм формирования информационной системы. // Труды Второй Международной научно-практической конференции «Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления». Изд. Южно-Российского ГТУ, г. Новочеркасск, 2004 г., с.27-31.
Куприянов В.А. Состояние приборного оснащения лабораторий дозиметрического контроля отрасли (обзор). Депон. отчет о НИР. Фонды ВНИИРТ, 1999, Инв.№ ТИ/7496.
|
