Методи та програмні засоби граничної аналітики стану обладнання для підвищення точності планування енергоспоживання
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Голець В.О. Методи та програмні засоби граничної аналітики стану обладнання для підвищення точності планування енергоспоживання. Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 121 «Інженерія програмного забезпечення». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертацію присвячено розробленню методів і програмних засобів підвищення точності планування енергоспоживання підприємств учасників енергетичного ринку на основі семантичного моделювання роботи обладнання технологічних ліній. Сучасний стан світової та вітчизняної енергетики характеризується стрімким переходом до відкритих ринків електричної енергії, де точність короткострокового планування споживання стає вагомим елементом бізнес-стратегії для промислових підприємств. В умовах функціонування ринку «на добу наперед» та балансуючого ринку, будь-які вагомі відхилення фактичного споживання від заявлених графіків призводять до значних фінансових штрафів. Для великих промислових споживачів проблема ускладнюється стохастичною природою виробничих процесів та динамічним зношенням технічного стану обладнання, що безпосередньо впливає на його енергоефективність. Традиційні підходи до енергетичного менеджменту та планування, зокрема, статистичні методи ARIMA або нормативні методи на основі паспортних даних демонструють низьку точність у реальних умовах експлуатації. Це зумовлено наявністю інформаційного розриву між фізичним рівнем збору даних з сенсорів обладнання та рівнем комерційного планування підприємства. Сучасні програмні рішення часто ігнорують ступінь зносу обладнання, розглядаючи його як стаціонарний об'єкт із незмінними характеристиками, що в умовах прогресуючого зношення вузлів веде до похибок прогнозування (MAPE), які можуть перевищувати 40%. Розвиток кіберфізичних систем та індустріального інтернету речей відкриває нові можливості для подолання цієї проблеми, проте існуючі централізовані хмарні архітектури стикаються із обмеженнями щодо пропускної здатності каналів зв'язку, затримок у передачі великих масивів даних та ризиків втрати детермінованості часу реакції. Це обумовлює необхідність переходу до парадигми граничних обчислень, де первинна аналітика та семантична обробка даних відбуваються безпосередньо у місці їх виникнення. Актуальність дослідження полягає у необхідності створення нових архітектурних шаблонів, математичних моделей та методів децентралізованої обробки інформації, які б дозволили автоматизовано трансформувати необроблені дані з сенсорів обладнання у формалізовані семантичні стани та параметри працездатності. Розробка програмних засобів, здатних превентивно коригувати енергетичні плани на основі аналітики стану активів та топології матеріальних потоків, є критично важливою для мінімізації енергетичних небалансів та забезпечення цифрової трансформації промислового сектору. Фундамент для вирішення завдань інтелектуального керування енергоспоживанням, предиктивної діагностики та розробки архітектури промислових кіберфізичних систем було закладено у працях багатьох провідних вітчизняних та зарубіжних науковців. Зокрема, значний внесок у розвиток методів математичного моделювання енергетичних процесів, інженерії знань, теорії графів та розподілених обчислень зробили Коцар О., Раско. І., Додонов О., Новосельцев О.В., Каплін М.І., Маляренко О.Є. Денисюк С.П., Баженов В.А., Kummari D., Laayati O., Bouzi M., Chebak A, Basmadjian R., Porter V., Oke P., Jiang Tao, Cao Yang, Yu Liang, та Wang Zhiqiang. Незважаючи на ґрунтовні теоретичні та практичні здобутки цих дослідників, які створили надійну алгоритмічну та методологічну базу для інтеграції інформаційних технологій у промисловий сектор, специфіка застосування парадигми граничних обчислень безпосередньо для цілей комерційного енергоменеджменту залишається недостатньо розкритою. Насамперед, спостерігається протиріччя між тим, що мінімізація фінансових витрат потребує високої точності прогнозів, та тим, що існуючі методи енергоменеджменту базуються переважно на статичних моделях і не враховують динамічні зміни технічного стану обладнання. По-друге, виникає архітектурне протиріччя: хоча централізовані хмарні архітектури здатні до обробки великих масивів даних з сенсорів, обмежена пропускна здатність каналів створює неприпустимі затримки в умовах оперативного керування споживанням. По-третє, комплексне врахування різнородних факторів від бізнес-плану до фізичного стану обладнання дозволяє точно визначати план енергоспоживання, проте наразі відсутні методи та програмне забезпечення для розподілу таких обчислювальних задач. Зрештою, наявне «безпекове» протиріччя, яке полягає в тому, що пропоновані хмарні сервіси мають низьку вартість для споживача, проте ставлять під ризик конфіденційність та суверенітет над даними про бізнес-процеси, структуру підприємства та стан обладнання. Наявність наведених нерозв'язаних протиріч зумовила необхідність і доцільність проведення даного дослідження, що об'єктивно призвело до постановки наукового завдання дисертаційної роботи, яке полягає у підвищенні точності планування енергоспоживання промислових підприємств шляхом розробки методів та програмних засобів семантичної обробки телеметричних даних про технічний стан обладнання на базі архітектури граничних обчислень. Об’єктом дослідження є процеси аналізу вимог, розробки та впровадження програмного забезпечення оперативного керування та планування енергоспоживання промислових підприємств. Предметом дослідження є методи, моделі та програмні засоби розподілу обчислень в системах граничної аналітики для прогнозування енергоспоживання суттєвих споживачів. Метою дослідження є підвищення точності планування енергоспоживання промислових підприємств за рахунок розробки методів та програмних засобів обчислення та аналізу параметрів працездатності та стану обладнання за допомогою застосування граничних обчислень та семантичного моделювання. Вперше розроблено метод аналізу працездатності та стану обладнання, орієнтований на виконання безпосередньо на рівні граничних обчислень за використаннм семантичної моделі роботи обладнання. Його ключовою архітектурною особливістю є децентралізація обчислювального процесу: логіка семантичної фільтрації технологічного шуму та виявлення аномалій перенесена максимально близько до джерел виникнення сенсорних даних. Такий підхід забезпечив визначений час реакції програмного забезпечення на критичні зміни стану активів. На практиці це дозволяє формувати динамічну множину операційних обмежень у режимі реального часу, зменшуючи при цьому навантаження на корпоративні канали зв’язку та централізовані хмарні сервери. Вперше запропоновано метод підвищення точності обчислення корекції плану енергоспоживання за використанням математичної моделі корекції планування енергоспоживання. Цей метод вирізняється комплексним підходом до моделювання технологічного процесу: він поєднує використання теорії орієнтованих графів для точного опису топології матеріальних потоків підприємства. Завдяки такій інтеграції метод дозволяє програмно прогнозувати каскадні зміни навантаження суміжних ланок виробничої лінії при виникненні обмежень або відмов окремих агрегатів. Це, в свою чергу, на практиці забезпечує формування математично обґрунтованих графіків сумарного електричного навантаження, використання яких дозволяє підприємству мінімізувати фінансові втрати від небалансів на ринку електроенергії за рахунок зменшення похибки планування у порівнянні з статистичними методами з 44,5% до 8,5%. Вперше розроблено модульну архітектуру системи керування та планування споживання електроенергії , яка базується на трирівневій парадигмі обробки даних: на граничному, туманному та хмарному рівнях обислень. Деталізовано програмну імплементацію кожного рівня, що дозволило реалізувати розподілену обробку інформації. На рівні граничних обчислень впроваджено модулі семантичного аналізу, які забезпечують фільтрацію потоків сенсорних даних та ідентифікацію станів обладнання в режимі реального часу. Рівень туманних обчислень реалізує алгоритми топологічної корекції планів із використанням орієнтованих графів, що дозволяє враховувати взаємозв’язки між агрегатами та стан буферів накопичення. Хмарний рівень забезпечує інтеграцію підприємства з ринком електричної енергії, автоматизуючи процес формування комерційних заявок. На практиці це забезпечує високу масштабованість та відмовостійкість рішення, підтвердивши здатність архітектури ефективно функціонувати в умовах динамічної зміни технічного стану промислового обладнання. Експериментальну перевірку запропонованих рішень виконано на тестових даних шляхом розробки та застосування напівемпіричної імітаційної моделі технологічної лінії. Для забезпечення достовірності обчислювального експерименту ця модель об’єднала реальні масиви даних комерційного енергоспоживання та набір даних з сенсорів під час контрольованого фізичного зносу обладнання на базі публічних наборів даних. Проведені експерименти підтвердили ефективність розробленого методу аналізу на рівні граничних обчислень. Алгоритм методу аналізу працездатності та стану обладнання успішно продемонстрував здатність у режимі реального часу класифікувати поточний експлуатаційний стан агрегатів. Дослідження розробленого методу підвищення точності обчислення корекції плану енергоспоживання в умовах імітації каскадних відмов довело його високу адаптивність: за рахунок врахування топологічних обмежень та місткості буферів середню абсолютну відсоткову похибку (MAPE) прогнозування було знижено до 8,5%, що у порівнянні з класичними статистичними моделями класу SARIMA була на рівні 44,8%. Крім того, кількісна оцінка фінансової ефективності впровадження розробленого програмно-методичного комплексу, проведена за реальними регламентами асиметричного балансуючого ринку електроенергії, довела, що система здатна утримувати погодинне енергоспоживання підприємства в межах допустимого відхилення (±10%). Це дозволяє промисловому споживачу превентивно реагувати на зношення обладнання і уникати нарахування штрафних санкцій за енергетичні небаланси. Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи впроваджено у виробничі процеси промислового підприємства. Зокрема, в ході досліднопромислової експлуатації на підприємстві було успішно інтегровано: семантичну модель роботи обладнання для моніторингу та обчислення параметрів стану обладнання; метод підвищення точності обчислення корекції плану енергоспоживання за допомогою граничних обчислень; а також спеціалізоване програмне забезпечення планування енергоспоживання на основі розподілених граничних та туманних обчислень, яке автоматично враховує поточний технічний стан активів при формуванні завдань на зміну. Використання розроблених методів та програмних засобів дозволило досягти підтвердженого техніко-економічного ефекту, а саме вдалось досягти таких резльтатів. 1. Підвищення точності короткострокового прогнозування електроспоживання на 9-11%, що дозволило підприємству мінімізувати штрафні санкції за небаланси на лібералізованому ринку електроенергії. 2. Зменшення часу непередбачуваного простою технологічного обладнання на 7-10% за рахунок раннього виявлення передаварійних станів агрегатів. 3. Оптимізація загальних графіків навантаження шляхом превентивного зміщення енергоємних виробничих операцій. У підсумку, дисертаційна робота є завершеним науковим дослідженням, у якому розв’язано актуальне наукове завдання, яке полягає у підвищенні точності планування енергоспоживання промислових підприємств шляхом розробки методів та програмних засобів семантичної обробки телеметричних даних про технічний стан обладнання на базі архітектури граничних обчислень.
Опис
Ключові слова
інженерія програмного забезпечення, архітектура програмного забезпечення, граничні обчислення, гранична аналітика, програмне забезпечення керування енергоспоживанням, електроенергетика, інтернет речей, обробка даних, онтологія, мікросервісна архітектура, онтологічна модель, телеметрична інформація. аналіз даних, силові енергетичні установки, розподілена елекромережа, software engineering, software architecture, edge computing, edge analytics, Energy Management Software, electric power sector, Internet of Things, data processing, ontology, microservice architecture, ontology model, telemetry data, data analysis, power energy devices, distributed electrical grid system
Бібліографічний опис
Голець, В. О. Методи та програмні засоби граничної аналітики стану обладнання для підвищення точності планування енергоспоживання : дис. … д-ра філософії : 121 – Інженерія програмного забезпечення / Голець Владислав Олександрович. – Київ, 2026. – 187 с.