 |
||
|
||
Принятие решений в задачах автоматизированного проектирования компоновки оборудования промышленных объектов
С.Я. Егоров, В.Г. Мокрозуб, В.А. Немтинов
Тамбовский государственный технический университет
Abstract — The problem of computer aided design of arrangement of equipment a chemist-technological schemes in the production premises is considered. Source problem is presented in the manner of the two-level system of taking the design decisions. The decomposition of source problem is realized. Themethods of deciding the subproblems are described.
Проектирование многоассортиментных химических производств – сложная многоуровневая система принятия проектных решений, состоящая из решения комплекса взаимосвязанных организационно-технических и инженерных задач. Ряд специфических особенностей производств данного класса: малотонажность, многоассортиментность, небольшие габариты оборудования, совмещенность наработки на одном технологическом оборудовании различных продуктов затрудняют выбор оптимальных проектных решений традиционными ручными методами, что приводит к необходимости использования средств вычислительной техники в процессе проектирования. С другой стороны, поиск оптимальных проектных решений с помощью ЭВМ затруднен т.к. математические постановки задач проектирования, как правило, трудноформализуемы, что объясняется множеством трудноучитываемых факторов от которых зависят окончательные проектные решения.
В таких условиях, решение задач проектирования целесообразнее всего проводить путем создания человеко-машинных систем способных с наименьшими затратами получать приемлемые по ряду требований проектные решения. Процесс проектирования таких систем, с одной стороны, определяется разработкой моделей мышления лица принимающего решения (ЛПР) при принятии соответствующих проектных решений (т.е. создания экспертных систем
[1]), а с другой стороны, развитием математического моделирования процессов проектирования, а также разработкой и использованием различных алгоритмов для получения окончательных проектных решений.По нашему мнению наиболее перспективным направлением в данной области исследований является разработка систем поддержки принятий решений, ориентированных на предоставление ЛПР максимальной помощи в поиске оптимальных проектных решений. Цель такой системы поддержки проектных решений заключается в разработке и накоплении разнообразных моделей и алгоритмов решения трудно-формализуемых задач в соответствующей области проектирования, позволяющих свести множество всех вариантов решений до конечного множества возможных альтернатив, предоставляемых ЛПР.
Ниже рассматривается одна из таких подсистем, предназначенная для поиска оптимальных проектных решений по компоновке оборудования ХТС, являющейся одной из самых трудоемких в процессе проектирования.
Содержательная постановка задачи компоновки может быть сформулирована следующим образом: определить с учетом всех правил, требований и ограничений такое пространственное расположение оборудования ХТС с заданной структурой технологических связей и такие габариты производственного помещения, при которых затраты на проектируемый объект были бы минимальными.
Сформулируем эту же задачу в
терминах теории множеств. Введем предварительно
ряд допущений и обозначений :
Допущения: 1) рассматривается
прямоугольная система координат XYZО с метрикой пространства r
, выбор которой обусловлен требованием
трассировки трубопроводов по координатным осям 
где 
-
расстояние между двумя точками 
и 
пространства XYZO;
2) предполагается, что строительная конструкция монтируется из типовых строительных элементов и имеет форму параллелепипеда в XYZO ;
3) размещаемые аппараты аппроксимируются параллепипедами со сторонами
,
N - число размещаемых аппаратов .
Обозначения:
-пространствен-ное
расположение i-го аппарата, где 
- координаты центра
основания параллелепипеда;
-пространственное расположение j-го
трубопровода j=1,2,...,L, где L -число технологических
связей между аппаратами, 
-координаты начала трассы, 
-координаты
конца трассы, 
, 
,
-координаты точек изломов трассы, 
-число
прямоугольных фрагментов в трассе j;
=
-вариант
размещения оборудования ;
-вариант трассировки трубопроводов;
-вариант строительной конструкции,
где 
-
соответственно длина, ширина и высота цеха, 
- шаг
сетки колонн; h=(A,T,S)- вариант компоновки, 
где
H-множество допустимых вариантов компоновки,
D-множество всех возможных вариантов компоновки 
-соответственно множества
вариантов: размещения оборудования, трассировки
трубопроводов и стро-ительной конструкции: 
где
- мощности множеств 
; m-модель проектного
решения, выделяющая множество H, 
или H=m(D).
С учетом приведенных обозначений, задача компоновки оборудования формулируется как :
найти
В качестве целевой функции I(h) примем приведенные затраты, включающие капитальные и эксплуатационные затраты на трубопроводы, средства транспортировки и строительную конструкцию.
, где
-
эксплуатационные затраты на обслуживание трубопроводов и насосов ;
- годовые
затраты соответственно на электроэнергию,
амортизационные отчисления и ремонт [руб./год]; 
-нормативный коэффициент окупаемости 
; 
- капитальные затраты на
трубопроводы, средства транспортировки веществ
по трубопроводам (насосы, компрессоры) и
строительную конструкцию [руб.].
Поставленная задача относится к классу NP- полных задач. Для уменьшения размерности исходная задача компоновки разбивается на две последовательно решаемые подзадачи меньшей размерности, имеющие самостоятельное значение в процессе проектирования.
1. Задачу размещения оборудования с одновременным определением габаритов цеха :
найти 
2.Задачу трассировки технологических трубопроводов :
найти 
где 
-соответственно модели, критерии,
алгоритмы и множества допустимых вариантов
проектных решений задач размещения и
трассировки.
Таким образом, исходная задача представляется в виде двухуровненвой системы принятия решений, имеющей на нижестоящем уровне два решающих элемента, каждый из которых решает свою локальную задачу оптимизации: размещение оборудования с одновременным определением габаритов проектируемого цеха и трассировки трубопроводов. Задача размещения, в свою очередь, декомпозируется на две подзадачи: размещение аппаратов по этажам и на этажах. На вышестоящем уровне осуществляется координация решений полученных на нижнем уровне, путем оценки ЛПР полученных вариантов и внесения соответствующих поправок в задачи нижестоящего уровня с последующим их решением.
Процесс принятия решений в системе связан с вычислением приоритетов (весов) в каждом конкретном случае. Предварительно экспертами проводится ранжирование весов отдельных признаков. В число таких признаков входят габариты и вес оборудования, число технологических связей, условия работы оборудования (температура, давление) и ряд других факторов вытекающих из требований строительных норм, техники безопасности, охраны окружающей среды, обслуживания и ремонта.
Для решения задач нижнего уровня разработано соответствующее математическое и алгоритмическое обеспечение. Так, задачи размещения решаются в два этапа: синтеза первоначального варианта размещения одним из алгоритмов конструктивного типа с последующим улучшением полученного варианта итерационными методами. В качестве конструктивного алгоритма использован метод последовательного размещения, а в качестве итерационного метод вектора спада [2]. Для решения задачи трассировки технологических трубопроводов разработаны соответствующие алгоритмы. Так простые (неразветвленные) трубопроводы трассируются с использованием двух-лучевого алгоритма трассировки, а разветвленные – с использованием алгоритма построения кратчайшего связывающего дерева. Оба алгоритма ориентированы на представлении пространства трассировки в виде системы ортогональных каналов, внутри которых осуществляется прокладка всех трасс трубопроводов.
На базе вышеизложенного разработана методика автоматизированного проектирования компоновки оборудования ХТС [3], включающая в себя ряд взаимосвязанных этапов: подго-товки, ввода и анализа данных; определение очередности разме-щения оборудования и прокладки трасс трубопроводов; размещения оборудования по этажам и на этажах; трассировки технологичес-ких трубопроводов; координации полученных решений ЛПР; вывода проектной документации.
Предложенная методика реализована в интерактивной графической системе компоновки оборудования ХТС [4] основными компонентами которой являются: интеллектуальное и информационное обеспечение. Интеллектуальное обеспечение системы составляют: - модели проектных решений задач размещения оборудования и трассировки трубопроводов, включающих в себя разнообразные знания о правилах компоновки оборудования и прокладки трубопроводов, вытекающих из требований технологии, техники безопасности, СНиП, опыта проектировщиков и пр.; - условия разрешимости поставленных задач, позволяющих на основе анализа исходных данных сократить время их решения; - а также вышеперечисленные алгоритмы оптимального размещения оборудования ХТС и прокладки трасс технологических трубопроводов.
Информационное обеспечение системы состоит из реляционной базы данных, содержащей информацию из каталогов основного и вспомогательного оборудования используемого в производствах полупродуктов и красителей, типах трубопроводов и запорной арматуры, а также библиотеки программ построения графических образов оборудования по данным из каталогов.
Учитывая особенности решения задач проектирования, связанные с представлением как окончательных так и промежуточных результатов в графическом виде (планы расположения оборудования, разрезы, аксонометрические изображения трубопроводов) авторами в настоящее время ведется работа по разработке электронно-графических каталогов [5] технологического оборудования, что позволит пользователям системы работать с графическими образами с самого первого этапа – подготовки исходных данных.
Разработанная система используется в проектных организациях, а также при обучении студентов в ходе выполнения ими лабораторных, курсовых и дипломных проектов.
Литература
| Site of Information
Technologies Designed by inftech@webservis.ru. |
|