Development agent-oriented approach to simulation modeling of managing complex production systems, networked oil-product supplying
Table of contents
Share
Metrics
Development agent-oriented approach to simulation modeling of managing complex production systems, networked oil-product supplying
Annotation
PII
S207751800000031-3-1
Publication type
Article
Статус публикации
Published
Authors
Rustem Gimazetdinov 
Affiliation: Kazan State Power Engineering University
Address: Russian Federation, Kazan,
Ildar Zulkarnay
Affiliation:
Address: Russian Federation, ,
Abstract
The article deals with the problem of modeling complex systems management, linking refineries factiries, refined products transportation and final sale items (gas station). This problem has been analyzed in two ways. First, a comparison of agent-based modeling with traditional styling rigidly constructed system, in which each element is described by equations and between the elements of a model are set interaction. Under this approach, product streams are calculated in terms of a certain optimization criterion of these flows. Secondly, in the conventional model is considered vertically integrated structure, whereas the agent-oriented modeling - a distributed system in which elements interact independently acting in maximizing their own, and not the general corporate revenue.
Keywords
simulation modeling, managing complex production systems, oil-product supplying
Received
24.09.2014
Date of publication
30.11.2014
Number of purchasers
2
Views
2215
Readers community rating
0.0 (0 votes)
Cite Download pdf
Additional services access
Additional services for the article
1

В статье рассматривается проблема моделирования управления сложными системами, связывающими НПЗ, нефтепродуктохранилища, транспорт нефтепродуктов и пункты конечной продажи (АЗС). Эта проблема проанализирована в двух направлениях. Во-первых, сравнение агент-ориентированного моделирования с традиционным моделированием жестко построенной системы, в которой каждый элемент описывается уравнениями и между элементами моделируется взаимодействие. В рамках этого подхода рассчитываются потоки продуктов с точки зрения определенного критерия оптимизации этих потоков. Во-вторых, в традиционной модели рассматривается вертикально интегрированная структура, тогда как в агент-ориентированном моделировании – распределенная система, в которой элементы взаимодействуют независимо, действуя в интересах максимизации собственной, а не общекорпоративной прибыли.

2

Задача, поставленная в название статьи, лежит в русле решения более общей задачи исследования фундаментальной научной проблемы, заключающейся в том, что решение задач управления сложными производственными системами традиционными оптимизационными методами имеет ограничение, связанное с тем, что постановка задачи при увеличении параметров модели и ее степеней свободы становится столь сложной, что не поддается аналитическому решению. Практически невозможно решить, без значительных упрощений, задачи систем, охватывающих всю страну, как это имеет место быть в системе нефтепродуктообеспечения производств в нефтяной отрасли.

3

Для России это более важно, чем для других стран мира, т.к. она обладает наиболее сложной и протяженной системой продуктопроводов и планирует их развитие (Проект «Сила Сибири», возникший в 2014 году, ранее – развитие проекта «Южный поток», отказ от него в сентябре 2014 года в пользу продуктопровода в Европу через Турцию). Кроме того, для России характерна монополизированность экономики в целом и нефтяной отрасли в частности. Очевидная сложность поиска оптимальных решений традиционными методами моделирования приводит к увеличению экспертно-оценочной составляющей, в ущерб точным расчетам экономической целесообразности.

4

В связи с понятными ограничениями традиционных методов представляется перспективным решение задач развития сети продуктопроводов методами агент-ориентированного моделирования, зарекомендовавшего себя как подход, позволяющий создавать модели, неограниченно приближенные к реальному объекту исследования [1, 2, 3].

5

Таким образом, в рамках обозначенной выше фундаментальной научной проблемы мы в этой работе ставим цель разработать агент-ориентированный подход к решению задач управления сложными системами данного типа с перспективой разработки агент-ориентированных моделей, реализованных на специализированных языках программирования.

6

Поставленная задача решалась следующим образом. За точку отсчета была взята имитационная модель, уже разработанная Гимазетдиновым Р.Ф., в которой использовались традиционные методы оптимального управления [4, 5].

7

Эта имитационная модель представляет собой математическую модель функционирования системы нефтепродуктообеспечения нефтяной компании, интегрирующую все ее части между собой и с внешней средой и позволяющая оптимизировать во взаимосвязи закупку, транспортировку, складирование и сбыт нефтепродуктов. В модели критерием оптимизации является максимизация целевой функции, представляющей собой суммарную корпоративную маржинальную прибыль в условиях системы ограничений, выражающихся линейными неравенствами.

8

Ограничения отражают ресурсные, инфраструктурные и технологические ограничения компании: 1) максимально возможный объем предложения нефтепродуктов со стороны НПЗ ; 2) пропускная способность технических средств отгрузки нефтепродуктов; 3) объем обязательных (договорных) обязательств вывоза нефтепродуктов с НПЗ ; 4) ограничения оптовой реализации с НПЗ со стороны спроса; 5) соблюдение баланса входного и выходного потока нефтепродуктов с учетом запасов на начало периода и обязательных запасов на конец периода; 6) ограничения со стороны проектных мощностей приема нефтебаз – пропускной способности их технических средств приема нефтепродуктов; 7) то же самое, но по мощностям отгрузки нефтебаз; 8) ограничения на оптовую реализацию с нефтебаз со стороны спроса; 9) предельные коэффициенты оборачиваемости емкостей нефтебаз; 10) ограничение запасов со стороны емкостей нефтебаз; 11) ограничения на розничную продажу со стороны спроса; 12) ограничения мощностей управлений технологического транспорта (УТТ) ; 13) минимальное допустимый объем поставки по трубопроводу; 14) требование неотрицательности объемов поставки.

9

Таким образом, имитационная модель [4, 5] решает задачи оптимизации управления вертикально интегрированной производственной системы, включающей в себя: Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ); нефтебазы (НБ), задачей которых является накопление, хранение и распределение нефтепродуктов; управления технологического транспорта (УТТ), занимающиеся транспортировкой нефтепродуктов автотранспортом между НПЗ, НБ и АЗС; автозаправочные станции (АЗС); транспортные коммуникации (автомобильные и железные дороги и нефтепродуктопроводы.

10

Рис.1. Система нефтепродуктообеспечения

11

Эта традиционная для задач оптимального управления сложными системами модель была переосмыслена нами прежде всего с точки зрения самой философии агент-ориентированного моделирования, корни которого уходят в проблематику моделирования общества («Искусственное общество» Лумана) [6]. Корпорация заинтересована в максимизации своей маржинальной пробыли, и в этих интересах она проводит вертикальную интеграцию, стремится к монополии и повышению цены продукта для общества. Общество имеет во многом противоположные интересы: минимизация цены продукта для потребителей и в этих целях в развитии конкуренции, разрушении монополии и централизованного управления.

12

С позиции этой философии, разрабатывая агент-ориентированные подход моделирования, мы рассматриваем модель на рис.1 не как вертикально интегрированную корпорацию, в которую входят несколько НПЗ и еще больше НБ, УТТ и АЗС, и все это управляется из единого центра, принимающего решения, а как множество независимых предприятий, которые мы будем называть агентами нашей агент-ориентированной модели.

13 Итак, в предлагаемой нами агент-ориентированной модели действуют 4 типа агентов: НПЗ, НБ, АЗС, УТТ. Правила поведения агентов:
14
  1. Все агенты независимы друг от друга и принимают самостоятельные решения (независимые предприятия) и конкурирующие между собой в пределах своего класса (т.е. НПЗ конкурируют с другими НПЗ и даже все АЗС независимы друг от друга). Ограничением их поведения является запрет на объединения по вертикали (в цепочку НПЗ-НЗ или НПЗ-УТТ, НПЗ – АЗС и др.). Объединение или рост по горизонтали (несколько АЗС в одну компанию) разрешено, но ограничено антимонопольным законодательством (каждая компания не может занимать более 20% (например) доли рынка – это экзогенно задаваемый параметр.
  2. Агенты могут свободно входить (рождаться) в рынок (отрасль) или выходить из нее (умирать), т.е. нет трансакционных издержек входа на рынок, или барьеров – одно из требований модели совершенной конкуренции.
  3. Критерием выхода с рынка является снижение рентабельности ниже задаваемого экзогенно значения, означающего уровень рентабельности в других отраслях экономики. Т.е. если у фирмы (например УТТ) рентабельность деятельности снижается в данной отрасли ниже средней рентабельности, имеющей место в другой отрасли, то фирма переходит в эту другую отрасль. Очевидно, это окажет повышающее воздействие на рентабельность остающихся.
  4. Фирмы могут развиваться в технологическом отношении, что будет выражаться в повышении рентабельности для лидера технологического прогресса, но будет оказывать понижающее давление на среднюю рентабельность через снижение цены.
  5. Цена зависит функционально от степени конкуренции, в обратной пропорции, но задается не в виде явной функции, а проявляется в ходе взаимодействия агентов. Т.е. цена розничной продажи нефтепродуктов не снижается, если продажа идет с определенной интенсивностью. Если продажа замедлилась до определенного предела (спрос упал), то АЗС снижает цену. Если спрос возрос до уровня, близкого к исчерпанию пропускной возможности АЗС (очередь выстроилась), то цена повышается. Аналогично с НПЗ, НБ, УТТ.
  6. Каждый из агентов рассчитывает свою прибыль от деятельности по следующим формулам:
15 Агент «НПЗ» :
16 Прибыль НПЗi= +
17 Здесь первая часть – это прибыль от оптовой реализации нефтепродуктов НПЗ, а вторая часть – прибыль от реализации отдельным АЗС через УТТ.
18 Агент «НБ»:
19 Прибыль НБj= + -
20 Здесь первое слагаемое – выручка от реализации нефтепродуктов с нефтебаз оптом, второе слагаемое – выручка от реализации с нефтебаз в АЗС, третье слагаемое со знаком минус – затраты на доставку со всех НПЗ и хранение нефтепродуктов на нефтебазе.
21

Агент «УТТ» при обслуживании маршрута НПЗ – АЗС – УТТ - НПЗ:

22

Прибыль УТТn=

23

Агент «УТТ» при обслуживании маршрута НБ – АЗС – УТТ - НБ:

24

Прибыль УТТn=

25

26

Агент «АЗС»:

27 Прибыль АЗСm=
28 ---
29 Здесь:
30 - объем оптовых продаж g-го вида нефтепродуктов с i-го НПЗ при использовании k-го способа отгрузки, т.
31 - объем поставок g-го вида нефтепродуктов с i-го НПЗ на m-ую АЗС посредством n-го УТТ, т.
32 - объем поставок g-го вида нефтепродуктов от i-го НПЗ на j-ую НБ n-ым способом доставки, т.
33 - объем оптовых продаж g-го вида нефтепродуктов с j-ой НБ при использовании k-го способа отгрузки, т.
34 - объем поставок g-го вида нефтепродуктов с j-ой НБ на m-ую АЗС посредством n-го УТТ, т.
35 - число видов нефтепродуктов; - число НПЗ; - число нефтебаз; - число АЗС; - число УТТ
36 - цена розничной реализации g-го вида нефтепродуктов на m-ой АЗС (без НДС), руб./т.
37

- средний часовой тариф за услуги n-го УТТ, руб./час

38

- цена реализации g-го вида нефтепродуктов для АЗС на i-ом НПЗ (без НДС), руб./т.

39

- цена реализации g-го вида нефтепродуктов для АЗС на j-ой НБ (без НДС), руб./т.

40

- цена реализации g-го вида нефтепродуктов оптом с i-го НПЗ при использовании k-го способа отгрузки (без НДС), руб./т.

41

- цена реализации g-го вида нефтепродуктов оптом с j-ой НБ при использовании k-го способа отгрузки (без НДС), руб./т.

42

- коэффициент на розничную цену реализации нефтепродуктов с АЗС

43

- коэффициент на оптовую цену реализации нефтепродуктов с НБ

44

- коэффициент на оптовую цену реализации нефтепродуктов с НПЗ

45

- расстояние от i-го НПЗ до j-ой НБ, км.

46 - расстояние от i-го НПЗ до m-ой АЗС, км.
47 - расстояние от j-ой НБ до m-ой АЗС, км.
48 - расстояние от m-ой АЗС до n-го УТТ, км.
49

- расстояние от n-го УТТ до i-го НПЗ, км.

50

- расстояние от n-го УТТ до j-ой НБ, км.

51

- средняя скорость движения топливовозов n-го УТТ, км./час

52

- дополнительные затраты времени топливовозов в точках налива (НПЗ, НБ), час

53

- дополнительные затраты времени топливовозов в точках слива (НБ, АЗС), час

54

- удельные переменные затраты (себестоимость) i-го своего НПЗ по g-му виду нефтепродуктов при использовании k-го способа отгрузки или отпускная цена i-го стороннего НПЗ g-го вида нефтепродукта k-ым способом отгрузки (без НДС), руб./т.

55

- удельные переменные затраты j-ой НБ по g-му виду нефтепродуктов (без закупочной цены и затрат на доставку) (без НДС), руб./т.

56

- удельные переменные затраты m-ой АЗС по g-му виду нефтепродуктов (без закупочной цены и затрат на доставку) (без НДС), руб./т.

57

- средняя себестоимость часа эксплуатации топливовоза n-го УТТ, руб./час

58

- удельные переменные затраты на доставку g-го вида нефтепродуктов от i-го НПЗ до j-ой НБ n-ым способом доставки (без НДС), руб./т.

59

Предложенное здесь описание правил поведения агентов со всеми спецификациями и формулами расчета прибыли агентов доведено до достаточной детализации, чтобы перейти к программированию агент-ориентированной модели. С учетом специфики задачи представляется предпочтительным использование средств языка Anylogic по сравнению языком агент-ориентированного программирования Netlogo, больше ориентированного на решение научных задач.

60

В качестве исследовательских вопросов в эмуляционных экспериментах предлагаются следующие:

61
  1. Влияние разделения вертикально интегрированных предприятий в нефтяной отрасли на отдельные предприятия на отрасль в целом: эффективность работы предприятий, издержки производства, устойчивость отрасли, цену конечной продукции;
  2. Создаст ли разделение вертикально интегрированных предприятий в добывающих отраслях стимулы для технологического развития в направлении углубления переработки сырья, и увеличения добавочной стоимости за счет роста количества переделов.

Comments

No posts found

Write a review
Translate