Теоретические основы оценки и оптимизации надежности функционирования гидромелиоративной системы (на примере водоподающей части в условиях юга Украины)

Кирьянов, Виктор Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Теоретические основы оценки и оптимизации надежности функционирования гидромелиоративной системы (на примере водоподающей части в условиях юга Украины)
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Теоретические основы оценки и оптимизации надежности функционирования гидромелиоративной системы (на примере водоподающей части в условиях юга Украины)"

РГ6 од

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПЩРЙЛЕЛИОРАТИВНЫИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 631.8-192

КИРЬЯНОВ Виктор Николаевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПЕНКИ И ОПТИМИЗАЦИИ НАДЕЖНОСТИ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНОЙ СИСТЕМЫ (на примере водолодагззей частя в условиях юга Украины)

05.01.02. - Медгорацкя и орошаемое земледелие

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Носквэ 1993

Работа' выполнена в Московском гидромелиоративном институте.

Научные консультанты: доктор технических наук,

профессор №.и.1'алямйн1

доктор технических наук,

профессор В.А.Сурин

Официальные оппоненты:

П.й.Коваленко Л.М.Рекс Б.А.Зимовец

Ведущая организация: Укрводароекг.

Защита диссертации состоится " // " л-Л^_„199 ¿г.

в /Г'"часов на заседании специализированного совета Д 120.16.01 при Московском гидромелиоративном институте по адресу: 127550, Москва, ул. Пряншшкова, дом 19, МГШ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПЩ. .

Отзыв на.автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, проси-', направлять в адрес специализированного совета.

Автореферат разослан * <■ На о 1993 г.

доктор технических наук, академик УААН', профессор

доктор технических наук, профессор

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Ученый секретарь специализированного совета профессор, кандад:техн.наук

Л.В.Якозлева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Этапу принятия решений по повышению эффективности функционирования гидромелиоративной системы должен -предшествовать этап глубокого и всестороннего анализа ее. Существующие технические и экономические показатели гидромелиоративной системы и метода их расчета не дают полной картины состояний системы в процессе эксплуатации. Они отражают лишь отдельные стороны ее работа без взаимосвязи явлений, не учитывают влияния возмущающих факторов на функционирование системы (погодных, организационных, технологических, технических). Функционирование гидромелиоративной системы рассматривается в слишком идеализированных условиях. И как результат, многочисленные принимаемые в настоящее время меры по повышению эффективности гидромелиоративных систем, приводят лишь к улучшению работы отдельных ее объектов, не решая практически основной задачи - повышения эффективности функционирования гидромелиоративной системы в целом.

Для решения такой сложной задачи требуется соответствующая теоретическая база, позволяющая количественно оценить, проанализировать состояния функционирования гидромелиоративной системы в динамике с учетом взаимосвязи возникающих, на системе явлений, выявить "слабые звенья" в работе системы, строго обосновать меры по повышению ее эффективности. За такую теоретическую базу, в значительной степени позволяющей решать поставленные задачи, мокет сыть взята теория надежности.

Однако соответствующих методов оценки, анализа и оптимизации надежности функционирования гидромелиоративной системы в настоящее время нет. Попытки представить гидромелиоративную, систему -как техническую и применить для нее метода общей теории надежности технических систем слишком упрощают задачу я приводят к серьезным ошибкам. Необходима разработка прикладной теории надежности гидромелиоративной системы, учитывающая, ее специфику и позволяющую разрешить вышеперечисленные проблема'-.. Решению этих задач и посвящена данная работа.

Учитывая сложность рассматриваемых вопросов, их начальный этап, в данной работе рассматриваются вопросы применительно к оросительной система, ее водоподаюдэй части.

Цель работы заключается в разработке теоретических основ оценки, анализа и оптимизации надежности функционирования гидромелиоративной системы в условиях возмуааетих факторов.

Задачи.

1. Разработка методологических и концептуальных основ исследования надежности функционирования гидромелиоративной системы.

2. Разработка основных положений прикладной теории надежности гидромелиоративной системы на примере ее водоподающей части в условиях юга Украины.

3.Разработка математических моделей и методов оптимального управления гидромелиоративной системой с целью повышения ее надежности.

4. Анализ современного уровня надежности оросительных систем на примере Каховской системы с оптимизацией параметров регулирования влаги в почве (для многолетних трав).

- Объекты исследований. Объектами исследований являются оросительные системы юга Украины, на которых проводились натурные полевые эксперименты по установлению вероятностных характеристик параметров надежности ее элементов. На примере Каховской оросительной системы по результатам натурных экспериментов и экспериментов на разработанной стохастической имитационной модели проведена проверка разработанных подходов, моделей и методов..

Научная новизна заклвчается в учете влияния на функционирование гидромелиоративной системы .различных возмущающих факторов, которые выводят ее из состояния.планового режима. С учетом этой особенности предложены методологические и концептуальные полоне-ния иследования надежности гидромелиоративной системы; разработаны основы прикладной теории надежности гидромелиоративной системы на примере водоподанцей части; разработаны математические модели и методы оценки, анализа и оптимизации надежности функционирования гидромелиративной системы;, получены вероятностные характеристики параметров надежности элементов оросительной системы (точности учета элементов водного баланса, надежности технических объектов) для условий юга Украины; обоснована и предложена новая модель расчета суммарного водопотребления многолетних трэа, наиболее приемлемая для условий юга Украины; на примере Кахозской оросительной системы дан анализ стохастических процессов на ней под воздействием случайных факторов, дан анализ надежности функционирования оросительной системы с выявлением.наиболее "слабых звеньев" ее; получены оптимальные значения уровней регулирования влаги в почве для многолетних трав (для-условий Каховской оросительной системы); предложены новые стратегии управления внутрихо-

зяйственнсз и мзйхозяйстЕенной 'частая оросительной система с учетом с тоха стячкости протекающих процессов к явления, риска принимаемых реиэния.

Практическая значимость птеддоггеьтй, решений. Предложенные подход, модели, методы, результаты натурных экспериментов позволяют оценивать влияние тех или иных обьектов, процессов, мерсщга-ятий на эффективность фуЕКЦионирования гидромелиоративной системы; выявлять наиболее "слабые звенья" в работе системы, лжигдру-воих ее надежность, и тем самым - обосновывать наиболее целесообразные пути повышения ее эффективности, достижения оптимального уровня надежности- ' систем:;; оптимизировать значения параметров системы с учетом*всего многообразия возникающих явлений на системе и в природе.

Могут использоваться- в проектных. :т эксплуатационных организациях.

Основные заЕиззешэ положения, йэтодологическвв и концептуальные основы при оценке, анализе-и оптимизации надекности функционирования гидрс;,?ел:горзгизной системы; основы прикладной теории надежности гидромелиоративной система на примере ев водоподаяцей части (обоснование цели функционирования системы, формулировка основных терминов и понятий/ установление контролируемых параметров. критериев иадеигасти, структурный аналога оросительной системы, описание- состояний системы и возмущающих факторов, обоснование путей обеспечения надегзгости); математические стохастические кодели и швд оптимизации надежности управления функционировавшем гидрсшлкораззшша система; аналитические стохастические модели- водЕобвланссшх расчетов; стохастически имитационные кодеяг ;5"лгзд'.ошфогг1шя' орссягапыюй системой для оценки, анализа и аг~ такпзгцшг ее кдаззосий^ результата нгтурЯЕЗГ энскеригантоз (усга-характеристик: г г а р сг..-. -эт. а о в надежности элементов Ечгтрахозяшзонзпй' частгг орэсвгеяшйР сястека, модель расчета суммарного Еодоштреаянйк маоЕодагшт. трав); результаты численных зкспеккентов на ЭЕМ (анагиг влпдгак случайных факторов на дИнажну влаги н почве и набор оезйв&жяевс сроков полива, табор етпжальЕЫх уровней рзгулнровашш влаги в почве с учете« влияния на систему возиудахтах факторов и экологических последствий/ оценка и анализ надежности фуякцвошгоовайм оросительной системы на примере Каховской системы).

Достоверность научнзх тезддьтзтов обусловлена большим объедал долевых экспериментов, •численных 'экспериментов с использованием имитационной модели к оценкой точности полученных результатов; использованием' при проведении имитационных 'экспериментов апробированных результатов исследований, • математических моделей ММ, УШШХ.УкрНШГиМ, Укрзодпроект.

Реализация результатов исследований. Результаты исследовании внедрены на оросительных системах юга Украины с суммарным экономическим эффекте?.! 206 тысяч рублей (в ценах 1969, 1984 годов). Использованы при разраОоткэ концепции создания оросительных- систем нового поколения (Укртапроводхоз), создания системы автоматизированного сбора и обработки статистической информации о надек-ности объектов мелиорации в рамках всесоюзной программ (Груз-НШГиМ, Срвзгкпроводхоз).

По результатам исследований-разработаны:

.1 .Рекомендации но орошении культурных пастбищ дождевальными кашками "Волжанка" в условиях юга Украины. - Ровно, У1ЙВХ, 1981. - Зйс. (утверждена секцией научно-технического совета Ишшодгоза Украины).'

2.Матодика ссора.и обработки статистической информации о ка-дегиости оросительных систем.-.Киев:№инводхоз Украины,1983.- 31с.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доло-яэны 2! сдобрены на научно-технических, хгроизЕодственных конференциях, совещаниях, секкаэрах: 35-я научно-техническая - конференция' ШШ, Юк!ШГиМ, Еоттроводхоз (Новочеркасск, 1974), научная конференция ВАСХНИЯ (Новочеркасск, 1975), на'республиканских .научно-технических конференциях (Ровно, УИИЕК, 1975, 1984, 1985, 1933, 1991), научно-производственная конференция (Горки, Белорусская сельскохозяйствэнная академия,'1977, 1979), научно-производственная конференция Доив, Укргипрозодхоз, 1983), сеишар "Охрана ок-ружаюцей среда и социальные проблемы при развитии мелиорации на юге Украины (йгев, Укрпшроводхоз, ВИПОКРУР, 1989), научный семинар секции "Математические метода исследования операций" (Киев, институт кибернетики юл.Гдушкова З.М., 1990), научно-производственная К05«>зренция (Москва, та, 1991).

- , Структура и обьем работа. Диссертация состоит из введения, сема гл*5В, предложения и рекомендаций. Объем диссертация: 321 ■ страница каакнозясного текста, 23 рисунков, 46 таблиц, список литературы 385 наименований.

7 .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

В глава 1 дан критический анализ современного состояния теории надежности; дана классификация основных математических моделей, используемых в теории надежности; освещено' состояние вопроса использования теории надежности в гядрокелнорациях; дан критический анализ современного подхода к оценке эффективности соЕре;,¡энных гидромелиоративных систем.

Показатели надегяости являются одам из классов критериев оценки эффективности оовекта (системы), к котором также относятся показатели технические, экономические, экологические. Отлпчителъ-ной особенностью показателей надежности от других показателей является их динамический характер. Они оценивают эффективность объекта (системы) з динамике (во времени), учитывая тем самым характер к степень влияния на эффективность функционирования системы множество различных- возмущающих факторов, которые выводят ее из состояния задастого резетга з процессе эксплуатации. Надежность системы по определению академика Н.П.Бусленно - это свойство устойчивости оптимальной эффективности системы, то есть надежность - это зф$ектизяость ео времени.

Первоначально теория'надежности развивалась- S связи с пот-рэбностямй технических систем в • радиоэлектроника, автокатахе а др. Это и определило основное направление ее развитая к до насто-вщего времени, форьярования общей теории надегности. технических систем. Часто с понятием надежности отождествляют понятие прочности конструкция, технических элементов, что далеко не отражает истинные возможности теории надежности; фактически часто такие стереотипы являются результатами серьезных ошоок при резаная проблем надежности.

В связи с потребностями практики в последнее десятглета? резко возросла необходимость в обеспечении вадезаюста ет только технических, но и других объектов л явлений. Терт "надежность" начинает применять к- технологически,) процессам, сргзнизационко-гехвыюлтаесккм системам в разных отраслях народного хозяйства. .В ганих системах технические объекта являются ять элвмгатарнк»® .ч-омпокезггзмп производственных систем, для безотказного {зявшкокз-ровзнкя котозих взжяи не только состояния технических объектов, на и правильность выполнения определенных дааствий явяыш. Psasz эбщэй теорий надежности технических систем, оэ метода подходи >'zo не позволяют решать пройвзш надежности. таких сзстем. лзлание sg "зтйсаутъ" реиелзе данного вопроса в ражи сСшевркзнкшог тео-

рии надежности технических систем приводит к серьезным ошибкам.

Эти обстоятельства вызвали потребность в расширении аппарата исследования надежности обьэктов. По вышеизложенным причинам стали формироваться.прикладные теории надежности систем в конкретной области (теория надэююсти энергетических систем, теория надежности автоматизированных систем управления и др.).

Основы использования теории надежности в гидромелиорации заложены академиком ВАСХКШ1 Ц.Е.МирцхулавоЙ в 70-х годах. Им проведены значительные исследования в этом направлении, намечены 'пути дальнейших исследований в этом вопросе. Дальнейшее внедрение методов теории надежности в гидромелиорации отражено в работах в.В.Иванова, С.Ш.Зюбенно, И.И.Наукенко, В.А.Ступака, В.А.Гурина, С.С.Сзвватеева, В.Н.Померанца, Н.Н.ГуОины и др.

Анализ проводимых исследований надежности в области мелиорации показывает, что в основном это касается отдельных гидротехнических сооружений на системе (надежность основания ГГС; надежность облицовок канала, насосных станция, лотков-каналов, трубопроводов, регуляторов). В большинстве случаев при исследовании надежности гидромелиоративных систем предпринята попытки использовать существующий математический и методический аппарат общей теории надежности технических систем. Если применительно к техническим обьектам такой подход в большинстве случаев правомерен, то относительно, гидромелиоративной системы - этого сказать .нельзя. Гидромелиоративная система состоит не только из .технических элементов, но и из коллективов людей, выполняющих определенные функция и принимающих управленческие решения; гидромелиоративной системе, присуще большое количество специфических особенностей, которые не могут в полной мера бить учтены метода;,® общей теории надежности технических систем. При современном подходе к оценке надежности гидромелиоративной- системы и ее сооружений предполагается абсолютная надежность система управления ГШ, что существенно искажает истинное полоавина дэл на системе. Как показывает практика, именно надежность управления является опредэлящей в общей надежности гидромелкораташой системы.

В определенней степени а то можно объяснить тем, что в нормативной литературе гидромелиоративная система представлена как техническая. Поэтому ее совершенствование чаще всего сводятся к совершенствованию отдельных технических элементов оросительной системы, которые лишь улучшают локальные свойства технических объектов, практически не повышая эффективность гидромелиоративной

)

системы в целом. Нэооорот, происходит обратный эффект, так как совершенствование технических элементов требует немалых затрат.

Вышеуказанные обстоятельства вызвали потребность в формировании прикладной теории надежности гидромелиоративной систеш на основе разработки специфических концептуальных и методологических положений ее.исследования.

3 главе 2 изложены основные положения прикладной теории надежности гидромелиоративной систеш на примере водоподэщей части в условиях юга Украины; сформулированы методологически и концептуальные основы исследования надежности функционирования гидроме-лиоратавной системы, раскрыто их содержание применительно х рассматривавшим вопросам.

В основу исследования надежности функшюянровзния гздроиелв-оративной системы положено семь основных концептуальных, методологически: положений:

1. Системою, подход изучения функционирования гидромелиоративной системы и ее элементов во всей сложности их взаимосвязей, возникающих на системе а в окружавшей среде.

2. Анализ оункционцрования гидромелиоративной систеш как сложного ораамяоционно-яэхнологического нолиехса, представляющего собой не только тешпескув часть, ко и коллективы людей, выполняющих определенные.функции.

. 3. Анализ функционирования гидромелиоративной систеш " как предприятия с присущими эму оСзнка функция?.® управления (планирование, регулирование, организация, контроль и учет).

4. фднкирснахточжп&хнв!! постов, сксгемообрззугакм рэиа-щям фактором которого является только конечный, результат (цель фукшкшровгшя сзстегаО и Ев солее.

5. Вероя^(жо-тзж№нески& прихиил, характерной особенность» которого является переход ог частных к оолээ общи системами понятиям, каковы» является вероятпостнна стиль шалзнкя.

•6. Имшииото-мдем^лста принцип, зашяаиаЖся в установлении состояний сксге.мы, а соответственно к сценки надежности, на основе "тюигргвашз" состояния ее элементов, управлякпкх и возкушаюиж воздейсшк -

7. Биосферный подход, основным положением которого является то, что объектом управления со стороны гидромелиоративной система являются биосферные процессы с учетом их взаимосвязи, взаимного влияния.

С учетом этих основ дан анализ и обоснование цели фуккциони-

рования гидромелиоративной системы; структурный анализ.оросительной системы (функциональный, морфологический, информационный); основные понятия, термины и определения прикладной теории надеж-/ ности; взаимосвязь оросительной системы с экосистемой; параметрическое описание системы, списание ее состояний и Еозмущаша факторов; выбор и обоснование критериев надежности; пути обеспечения надежности гидромелиоративной система; математическое обеспечение исследования надежности.

Слокные организационные системы, к которым относятся и экосистемы, могут существовать лишь за счет притока Енешней энергии. Системы, которые способны поглощать энергии эффективнее, получают преимущества в гармонии хаоса, что сопряжено с повышением их организованности. Однако с повышением организованности теряется устойчивость таких систем. Существуют параллельно два необходимых условия жизни таких систем: это'Процесс самоорганизации, саморазвития и процесс обеспечения'устойчивости их. Прекращение любого из этих процессов приводит в конечном итоге к гибели системы.

Мелиорация сельскохозяйственных 'земель является тагам же воздействием человека на природную среду, как и прочие мероприятия, предназначенные для повышения ее эффективности. С позиции биосферной концепции это является вполне естественным процессом, связанным с повышением уровня организации экосистем и одновременным снижением устойчивости. Поэтому роль мелиорация сельскохозяйственных земель заключается не- только.в .создании оптимальных условий для выращавання сельскохозяйственных культур, но н в создания условий для сохранения равновесного режима биосферных процессов, что в конечном итоге в. значительной степени заключается в повышении плодородия почв ■ - основной компоненте биосферы, аккумулятору гизнеккой энергии на Земле.

Гидромелиоративная система,-как элементарная часть социосис-теш, тзет.е, как и экосистема, очень сложная и обладзет определенной неустойчивостью (нэдекностыо) в процессе установления цели и реализации своих действий по ее достижению. В фуквдш гидромелиоративной .системы, как управляющей по отношению к экосистеме, входит задача хювшеетя устойчивости экосистемы. Однако собственная неустойчивость гидромелиоративной системы , (социосистемы) осложняет решение этой задачи. Соцкосястема определяет эффективность и устойчивость 'Сиоофврид процессов а экосистеме через эффективность а надежность (устойчивость) собственного функционирований. Экосистема и соцвисастека тесно терешктаззтся к образуют

систему более еисокого уровня - социоэкосистему. Изучая эти системы необходимо учитывать следующее: поведение экосистем необходимо изучать с учетом уровня надежности социосястемы, з поведение социосистемы - с особенностями протекания биосферно, процессов з экосистеме.

В процессе мелиорации земель нук:ен поиск компромиссных решения между достижением оптимальных условий эффективного земледелия и сохранения'равновесия Оиосфэрннх процессов.' И в этом случае стратегия развития мелиорации должна исходить из необходимости жить с "процента оборота", не подрывая общую производительность природы.

Учитывая вышеизложенное целью функционирования гидромелиоративной систем является Еыбор и поддержание такого водного режима почз, выбор такой стратегии управления, которые бы способствовали повышению и стабилизации плодородия почз, урожайности сельскохозяйственных культур в многолетнем разрезе с учетом воздействия различных возмущавхкх факторов как на экосистему, так и гидромелиоративную систему при условии рационального использования вод- ■ ных ресурсов и охраны природы.

В соответствии с. принятой концепцией оросительная сис-это предприятие, деятельность которого направлена на забор, распределен:® и подачу вода на- сельскохозяйственные поля с целью создания в почве водного режима, способствующего повышению плодородия почеы при интенсивном ведении' сельского хозяйства и с учетом различных ограничения (экономических, экологических и т. д.). В конкретных условиям деятельность оросительной системы коже т уточняться.

Процесс забора еоды из водоисточника, распределение ее между орошаемыми массивами, подача воды на поля с переводом еэ в состояние почвенной влажности осуществляется при помощи материальных зоьектов (гидротехнических сооружений), соразушвх техническую часпъ системы, и службой эксплуатация (коллектива людей, объединенных по функциональным подразделениям), образующих срганизаии-знну» часть системы. Организационная часть осуществляет управле-Е*е оросительной системой по достижении поставленной цеди, в том кеде - -регулирование материальных объектов (см. рис.1).

Процессы, выполняемые оросительной системой целесообразно ¡граничить, с одной сторонн, процессом забора вода из еодолстсч-■кка, а с другой, подачей воды на поля рассредоточенным током ¡ля перевода ее в состояние почвенной влажности. Соответственно

Рис.1.Структура оросительной системы

еходным материальным элементом оросительной системы следует считать водозабор, а рлходным - технику полива. 1

Внежяя среда представляет собой объекты (системы), оказывающие, с одной сторона, существенное влияние нз протекание технологических процессов на оросительной- системе, а с другой, - системы (объекты), на которые прямо (целенаправленно) или косвенно оказывает влияние оросительная система.

Под кадехноскью оросительной системы следует покимато надежность результата, а именно - способность системы поддергивать необходимый водный резки почвы в пределах, обеспечивающих повышение плодородия почва до оптимального уровня с учетом определенных ограничений (экологических, экономических и др.).

В процессе функционирования оросительной системы на нее воздействует мзожество различных воэяуирк'Цих фшаюроС (внешних и Енутренних). Способность противостоять этим факторам и определяет надежность функционирования системы. Надежность оросительной системы определяется надежностью технических элементов и надежностью системы управления.

Основной интегральной функцией оросительной системы, определяющей ее цель, является способность системы поддергивать необходимый водный реям почвы; при этом данная цель достигается за счет, выполнения основных функций управления: планирование, регулирование, организация, учет и контроль. •

Функция "планирование" вмотает в себя установление осйцей конечной цели, определения нвобходоап средстз и разработку конкретного плана (программы) действий для ее достивонин с учетом ограничений на ресурсы. Надежность функции "планирование" гаклв-' чается в способности на основании разработанной тактика и стратегии составления оперативных плакоз - водопользования мгкясназш» приблизить режим ороиения сельскохозяйственных культур, почз к их фактически!« потребностям с кянигальвши потерями (урэзая,- воды, гумуса и др.). '

Организация - это системз мер; направленная нз рациональное сочетание всех зяементоз и •процессов труда в пространстве и времени. Надежность функции '"организация" заключается, в первую очередь, в способности ее координировать все функции управления оросительной система да поддержания ее в работоспособном состоянии при наличии дестабилйзирукадах функционирование систем факторов.

Регулирующая функция управления заключается' в практическом осуществлении выбранного' режима, предусмотренного планом с учетом

неизбежных отклонений вознияахЕдах в процессе производства работ под влиянием разлита объективных и субъективных факторов. Применительно к оросительной системе под регулированием понимается забор, распределение и подача оросительной воды на поля для поддержания необходимого водного режима почв согласно выбранной стратегии управления (функции "планирование"); проведение перерегулировки сооружений или проведение ремонтных работ "в связи с отклонением рекима работы системы от планового (поддержание работо-. способного состояния системы).Под'надежностью функции "регулирования" понимается способность системы подать потребное количество воды в необходимые сроки к точкам водовыдела и на поля в соответствии с принятой стратегией планирования (управления).

Учет, стшюаяь и контроль в своей совокупности представляют комплекс задач по сбору, накоплении, систематизации и переработке информации о производственно-хозяйственной деятельности предприятия, необходимой для управления им. В дальнейшем функции контроля, отчетности и учета рассматриваются как единая функция "контроль". Под надэшостью функции "контроля" следует понимать способность ее давать своевременную и точную информацию в полном объеме о состоянии элементов,'процессов и явлений на системе через соответствующие, параметры.

Ороситетную систему с учетом решаемых ею задач, информационных потоков в процессе управления и т.д-. следует рассматривать как двухуровневую: пергый уровень -. межхозяйственная часть системы; второй уровень - внутрихозяйственная часть системы (см.рис.1).

Техническая часть оросительной системы представляет собой граф, с расположенными в узлах техническими элементами; Каждый элемент имеет свой "вес" в'общей цепи оросительной сети в-зависимости от уровня командования над другими элементами и, в конечном итоге,.над орошаемой площадью."Тяжесть" отказов сооружений в значительной степени определяется их "весом" в общей цепи оросительной сети. . •

Критерии надежности следует классифицировать на общие и частные. Общи'критерии надзкности используются для оценки степени выполнения основной задачи системы; применяются для обоснования оптимального уровня надежнЬста.'. системы; для сравнения фактического уровня с оптомадыщу.н обоснования:методов его повшения.. Частные .критерии надежности используются дпя анализа фушсцкокиро-. зашгя оросительной сиотеш; установлении степени влияния на на-деагюсгь система ое /составных элементов, возкущэщих дикторов и

СЕязей между ними. Они дополняют осоке критерии надежности, оценивая их нэ чувствительность к возмущающим факторам' и управляющим воздействиям,-

Для оросительной системы характерны частичные отказы,- которые не приводят к прекращению Функционирования системы, а лишь снижают ее'эффективность; поэтому в формулах определения критериев надежности систем необходимо учитывать тяжесть отказов. Учитывая изложенные соображения за основной критерий надежности оросительной системы, ее подсистем, элементов рекомендуется следу',шяй критерий: коэффициент эффективного использования, определяемый по формуле:

ЛЧ'Г<

, . = { ( I )

Э.Ц.

2 Î, 1=1

где: I, - продолшштельвость расчетного периода;

К^, - коэффициент тяжести отказов для расчетного периода; и - число расчетных периодов.. ' • /

В основу этого критерия положен комплексный критерий надежности - коэффициент технического использования, однако с введением учета тяжести отказов.

Коэффициент тяжести отказа изменяется в пределах от 0 до 1. При полном отказе, когда объект прекращает Функционирование, Яу = О. При отсутствии частичных отказов Кт = 1 я коэффициент эффективного использования численно равен коэффициенту технического использования, т.е. коэффициент технического использования является частным случаем коэффициента эффективного использования. Промежуточные значения коэффициента тяжести отказа устанавливают по ввлшке отклонения основных рабочих параметров системы (элементов) и степени влияния этих отклонений на выходной эффект.

Вторы?,1 ватта обака критерием надежности следует считать вероятность безотказной работы система, подсистемы, элемента Р = Р(КЭ й=1) и вероятность ее нэ нк:е заданного уровня Р =

для анализа "поведения" оросительной системы, выявления оптимальных областей изменения параметров, факторов рекомендуется использовать критерий чувствительности:'

Л У

к .'

д г дх

где: —--нормированное значение изменения выходного эффек-

у * та системы (К э_и>и др.) под действием рассматриваемого параметра, фактора; нормированное значение параметра, фактора.

В главе 3 дана общая постановка задач оптимизации; даны модели планирования (перспективного и оперативного) функционирования внутрихозяйственной и межхозяйственной частей оросительной системы на базе имитационного эксперимента, которые относятся к функции "планирование". .

Данной работой не ставилась цель решения всего многообразия задач оптимизации надежности функционирования оросительной системы. Это довольно сложные задачи и требуют своего решения.

Наиболее важной оптимизационной задачей функционирования оросительной системы следует считать задачу оптимизации функции "планирование" как - основной функции управления системой. Без решения этой задачи решение других задач теории надежности оросительной системы (оценки, анализа,'оптимизации) практически невозможно. Поэтому данной работой предусматривалась постановка задачи оптимизации функции "планирование" и ее решение. Подходы же, модели, метода, используемые при решении данной задачи, ■ приемлемы для использования, при решении в перспективе других задач оптимизации надежности'функционирования.оросительной системы на основе предлагаемых автором концептуальных положений. .

.Выбор стратегии управления относится к классу задач оптимального планирования. Учитывая' специфику оросительной системы, происходящих процессов на ней и в окружающей'среде задача планирования реиздась как двухзтапвая■(процесс принятия решений осуществляется в два этапа): этап перспективного планирования и этап оперативного плакирования. К задаче перспективного цианирования внутрихозяйственной части оросительной система (ВХС), которая решается на этапе проектирования оросительной системы, относится поиск предельных границ влажности йочвы (уровней регулирования) и выработку стратегии назначения сроков полива. К задзче же опера-

тквного плакирования, осуществляемого в процессе эксплуатации системы, относится задача поиска в реально складывающихся условиях на системе оптимальных сроков полива-с учетом предельных границ влажности почеы и выбранной стратегии назначения полиеов. Как в . первой задаче, так и во второй необходимо искать минимум функции потерь (ущербов) от принимаемых управленческих решений (границ влажности регулирования или сроков полива). В основе задач оптимизации лежит риск принимаемых решешй.

Учитывая характер функционирования оросительной системы, особенностей протекания на ней технологических процессов эта задача решалась как задача "управления запасали"; использованы для решения модели и метода стохастического оптимального управления и программирования.

Задача выбора оптимальных границ регулирования влажности ' почвы представляет собой одноэтапную двухуровневую динамическую стохастическую задачу "управления ззпзсзки**. Репением задачи является детерминированный вектор управляла и е и , и = ГгУ , V . }.' ■ ■ ^

потребуется найти управление и <■= ¿й^ , № { которое

минимизирует математическое ожидание фуншцск .потерь:

1 тал а1ть геаг т'.пг *

где: (Г , 17 - искомые уровни, регулирования влаПг в почЕе; -фактический обьем влаги в почве,- значение которого зависит от времени и носят случайный характер; t - время.

Функция потерь Еыражает суммарные значения потерь (затрат), связанных с функционированием оросительной систеш, по каждому рассматриваемому параметру.

Оросительная система характеризуется большой.сложностью протекающих в ней процессов, невозможностью получения в больЕИнствз случаев аналитических зависимостей их списания, в том числе и функций потерь. Поэтому для ранения-оптимизационных задач, как и: для оценочных, использовалось имитационное моделирование. В основе поиска границ регулирования влага в почве лежит статистическая информация о состоянии систеш (режима влага в почеэ), получаемая в процессе проведения имитационного' эксперимента. В процессе эксперимента меняются липь ин'тересущив нас управляемые факторы, которые определяют ту или иную альтернативу рассматриваемой функции управления. В нашем случае - это уровни регулирования, влажности

почвы. Для этого случая функция потерь записывается в дискретной форме к имеет следузщий вид:

SWW«J -bh'w»*,' W f ''min' V *

* /Г'»«*' ^ ' ( 4 )

(1) ' (2) (3)

где: / - затраты на полив.; / - потери урожая; / - потери воды;

(4)

/ - потери плодородия почеы (может быть представлена дифференцированно с учетом ущербов по разным параметрам); JV -число расчетных периодов (за расчетный период может быть . взят межпсливной период или постоянный интервал времени -сутки, декада и т.д.); i - порядковый номер расчетного пе~ ' риода.

Потери (ущербы) могут учитываться или при отклонении параметров "урожая", "почвы","еоды" от своих оптимальных уровней, или от установленных определенным образом границ изменения влаги в почвэ.

При оперативном планировании (осуществляется в процессе эксплуатации оросительной, системы) задача оптимального проектирования сводится к поиску управляющего воздействия ввиде детерминированного значения срока полива и = Ш- из области вероятностных значений сроков снижения влажности почвы до . минимального уровня it. € Т 1. Требуется найти .управление и , которое, минимизирует математическое ожидание функции потерь:

P(t) = Hf(t, Щ). —' mtr- (5)

Функция потерь (в дискретной форме) в этом случае выражается суммой возможных потерь по всем регулируемым параметрам с учетом вероятности их,появления:

к СП (2) 13)

/wftrft'eJ (t,n4)-*Jt (t,V9) + ft (t,Yie)}.Pi (6)

in (2) (3)

где: ,f{ ,f. -потери, соответственно, урожая, воды,.плодородия почвы при i-c-M варианте срока поливд; Р - вероятность состояний системы при i-ом варианте срока полива. л

Вероятность состояний система зависит от множества возмуца-эщих факторов, характера-их проявления при воздействии *на оросительную систему и может сать получена в ' результате рандомизации Зормулы водного баланса - представления ее в вероятностной форме. ! результате рандомизации обьем влаги в почЕе на конец расчетного ¡ериода будет характеризоваться как значением математического «кидания, так и среднеквадратическим отклонением.. Собтветственно г срок снижения Елаги в" почве до предполивного уровня (срок поли-:а) такке будет характеризоваться как математическим ожиданием, ак и среднеквадратическим отклонением - ошибкой расчета срока олива. Вероятность состояний системы может также быть получена и результате имитационного эксперимента.

К задаче перспективного планирования межхозяйственной части росительной системы, которая решается на этапа проектирования ХС, следует отнести расчет регулирующей емкости канала и внра-отку стратегии управления. К задаче оперативного планирования, существляемого в процессе эксплуатации системы, относится задача пределения оптимального Бремени переключения насосных агрегатов учетом регулирующей емкости каьала и выбранной стратегии управ-екия. Как в первой задаче, так и во второй необходимо искать ми-имум функции потерь (ущербов) от принимаемых управленческих ре-эний. При полной автоматизации- процесса водораспределения эти адачи решаются на этапе перспективного планирования, а решение о роках переключения насосных агрегатов принимается автоматически соответствии с вкоранной стратегией.

Задача .расчета оптимального значения резервной емкости кана-з и выбора значений порогов регулирования уровня воды в канале эедставляет собой одноэтапнуэ двухуровневую динамическую стохэс-

гческую задачу "управления запасами". Реиениеи зада'Ш является

р р

зтерминитгаванкый вектоп управления и е Я, и = (К г ,

за*

. Н ). Требуемся найти такое управление, которое минимизи-

ТЮ.Х п1п -

;эт математическое скндашге функций потерь:

р р 3 ■ б р р. б д

1в1 И - минимально долусяшаЗ уровень воды в канале из условия,

гЛп р

его неразрушекия; Я„{ - нижний порог регулирования воды в канале, при достижении которого необходимо включать насосный

агрегат; в^ - вбржний порог регулирования воды в канале,

зхрв'досетшзшш которого кеобходано откввчать насосный агре-ö '

гат; Л - нормальный уоовень'воды в канале; й - число нерэ-

jUCLI

кдючений насосв; К - число вариантов значений регулирующей вшкостк; Н - оператор математического окадания случайной величины; Н0- фактическое (случайное) значение уровня воды в канале..

Согласно принимаемой стратегии переключения насосных агрега-

р р

тов лгоисходят при достикении уровней , Я . Колебание

ö ö

.уровня воды :в пределах от Н до й___ считается допустимым.

Выход уровня за эти пределы свидетельствует о наступлении отказа.

Функция потерь выражает сумму потерь (затрат), связанных с функционированием ' МХС за каждая период между переключениями насосных агрегатов с учетом затрат на устройство регулирующей емкости. Для расчета потерь используем.имитационное моделирование.

р р д д к сп д д

WW^wW 'W W * < 8 >

1/ (2) р р (3) р р (4) р. р

¡_г ' та£п толзг "С nin mos ü Ria шаг 6

ги •

где: / - капитальные затраты кг, устройство регулирующей емкости;

гг.) '.

/t - затраты, связанные с подачей воды насоснж.® агрегатам

■ (3) . (dj

в канал;-/t - потери года за i-й период; / - потери уро-

:кзя от смещения сроков полива по при1г.шз сдвига • срока вапол-. нения заявки BSG (сткааа-вытянись заявку BSC); i - порядко-.выЗ номер -переключения' засосных агрегатов;.? - порядковый номер варианта значения регулирующей емкости.

'За'основу, исследования надежности функционирования оросительной .система' взят ютацисшо-моделзарукжой принцип. Являясь универсальным способом, а в нашем случае и незаменимым, имитационное •.*юделиразаша :шзет существенный .недостаток - слозасо осздаествлять .тиатаз глаяная тех или иных параметров, на конечный результат, /механизма из. взаимодействия; они слаооооогриыы. Для преодоления -этого недостатка треоуется очень большей объем экспериментальных .^наследований на ЭВй. Поэтому представляется целесообразным полу-

':es;e ояаЕггпче^кгх завастазстей. веля это воз?,rosno, которые бы позволяли учитывать стсхзстачеснпЗ характер происходящих ка оросительной системе явлений.

■ В основе -управления оросительной системой, для оценка ее надежности легат детерминированная модель водного баланса:

i7r = 'V, + f Р, - Ei t G, í 9 )

где: Я^ - запас влаги в псчге на конец т-ых суток (расчетного периода); i*x_(- запас влага в почве яа начало расчетного периода (или конец предыдущего периода); 0Т - сумма внпатавг осадков за расчетный период; Ет - суммарное испарение еоды с поля за этот период; ff^ - приток Сии отток) влаги в корне-ссйтгемпЗ елей почвы (из керяеобатаекого слоя почвы) за счет влагообмэна с вязни:.® слоя.я почвы; р - величина поливной еоемы.

В настоящее время в мелиоративной практике по данной дотер-КЕстрозанноП модели ебьем влаги в почве, сроки поливов определяются однозначно. Считается, что возможные отклонения фактических значений влажности почвы, сроков полива от расчетных значений зависят лнзь от точности эмпирических формул и они незначительны. Однако, как показывает анализ точности определения элементов водного баланса и возможных значений обьемз влаги в почве, сроков полива, это условие не выполняется.

Требуется вероятностное представление моделей водного баланса п расчета срока полива, что достигается пг рандомизацией. 3 этом случае значения искс?.их функций характеризуется вероятностная величина?® (математическое ожидание, дасаерсия к др.), определяемых по вероятностны?.! значениям аргументов..

Если подойти к процессу рандомизации моделей водного баланса, влзгоперекоса, определения срока полива строго теоретически, то получить эти ггоделя в стохастическом варианте практически невозможно . Поэтому получешк достаточно простых и точных стохастических моделей осуществлялось в следующей последовательности: до» пускалась независимость всех аргументов, нормальный закон распределения их случайных значений; еивсдаись фзртгуяц расчета вероят-шетяшс' хзрзктерасткх функций данных иодел^й при skis допуввнняг; гооводхяась для определенных условий (исходах давних) численные ргсчета вероятностшх характеристик иско?га ®якаяй на аналитической к 'имитационной моделях; на оснований полученных результатов и их анализа уточнялись аналитические модели введением в шк ьи-

лирических коэффициентов; проверялась точность расчетов по данной формуле на шзтацконяоа модели для иных условий расчета.

В данном разделе получены стохастические модели влагояерено-са, водного баланса, расчета срока полива для упрощенных условий. Для нелинейных функций (влагопереноса, расчета срока полива) при определении основных-вероятностных характеристик (математического ожидания, дисперсии) использовался метод разложения функции в ряд Тейлора в окрестности математического ожидания аргумента.

Формулы расчета математического ожидания и дисперсии влаго-■ переноса (при глубоком залегании грунтовых еод) имеют вид:

"о =

Г*

ПВ - №

10 к

(ПВ - Г/0Г

ПВ -

о»

( ю )

5 Я

(ПВ - Ю-'

ПВ - п„

+ (11 }

где: я , Шу - математические ожидания, соответственно, объемов влагопереноса и влаги в почве; ос, о^ - сраднвквадратические отклонения, соответственно, обьемов Елагопереноса и влаги в почве; № - влажность почвы; 9' - максимальная молекулярная влзгоемкость;. ДВ - полная влагоег,кость; К - коэффициент фильтрации. ' •

Формула расчета среднеквздратического отклонения обьема влаги в почве. (водного баланса) имеет следующий вид:

I Р р ' ' ? р

Ч= V4<у+ °/+0о <12>

ГАе: с!7,.' • о„. ор. о0 - орвднекЕадратическив отклонения обьема влаги в почве на конец расчетного периода (искомой функции). на начало расчетного периода; осадков, поливной вода, суммарного испарения, влагопереноса. Расчет срока ножа:

«г

к"-

У1"

И - + !К , ¡рр

№ + я

( 13 )

7Л

гг1

а + я

о"

гг ■ га"

В 2 О ^ я

? + -, у + -5 7г +

Упр (п + я )г. Епр (ш т ш ■ ) апр

цПР апр' рпр спр

+ -. V )л + (т -7 ;4}

(а ' + п г 1 апр опр 1 . ( 14 )

в"р апр

В главе 4 сформулированы цель и задачи имитационного . эксперимента для оценки, анализа и оптимизации параметров оросительной системы, выработки управляющих воздействий; раскрыт смысл тегазэоз "сценка", "анализ", "оптимизация" применительно к рассматриваемым вопросам; дано формализованное списание разработанных имитационных стохастических моделей для внутрихозяйственной и мегхозяйствекной частей оросительной4 систем (модель для ЕХС доведена до программной реализации на языке Си1ск Ваз 1с); дан подход к плакирования экспериментов на этих моделях.

Стохастический имитационный эксперимент представляет собой численное моделирование на ЭЕМ с целью воспроизведения динамики реальных состояний гидромелиоративной - системы с учетом, воздействия кэ нее различных возмущающих факторов и управлявших воздействий; способствует решению основных трех задач: оценке надежности функционирования гидромелиоративной системы,- анализу надежности функционирования систем, оптимизации параметров системы; позволяет устанавливать корреляционные связи мезду параметрами и переменней! модели; слуанг проверкой тех аналитических математических моделей, которые удалось полутать в результате упрощения слоеных аналитических зависимостей. Икитащгакный эксперимент. в нагем случае это своего рода натурный эксперимент в укороченном масштабе времени, который в реалышх условиях провести практически невозможно (для относительной системы даке при ограниченна числе научаемых параметров потребовалось он проведение полевых экспериментов в течение многих десятков л сотен лет).

Оснсёной целью функционирования ВХС является' подцеркание объема влаги в почве в необходимых пределах. Учитывая слохзшй ха-^ рактер влггообыенз в почве и задачи эксперимента (необходимо учитывать влияние тех ялп иных факторов на динамику влага в почве, а

через нге - на давааику и других процесса-) расчет объема влаги з почве 0с,ушств85лсягпэ методике А.и.Голованова, з основе которой лежи* рэаевде одномерного да^ерэшивдьнзго уравнения злагопере-.носа. "Расчет суммарного недопотребления многолетних траз осуществлялся по шгодаке автора (излагается б рсзделз 6) с исполъзова-шем общих методических подходов Укр©ЕГй£.

Отдагаа'ельной особенностью предлагаемой гжгацаодяоа модели, ,как к всего подходе к исследованию фракцааазровзгия тефсшлагора-тивной системы, является учет в процессе юитзди кногзява различных возмущаяцкх факторов, которые иаеют место 2 настоящее время в процессе эксплуатации оросительной систзггы и выводят ее из .состояния планового рекпмз.

Для учета suae факторов в модели используется вероятностнс-статйстетесккй щдацап. 3 этой случае Осдьеинотео возкуцанзих факторов в имитационной кодела представляются как случайные величины, появление которых (их численных значении) задается определенным законом. Такой подход упрскае-т процесс имитации, перенося более глубокое изучение казкого фактора, если это необходимо, в разряд сакостойтельаой задачи. В ..конечном итоге нее фактора (явные вдо скрытые) проявляются взидз точности учета элементов водного баланса, переносе срокоз полива сельскохозяйственных культур.

С помощь» различных угоавднюакх воздействий сштаэтся (или полностью устраняется) влияние тех ели ишх всгиугаксск Факторов. При изменении упровлгасшг воздействий будет меняться закон рас-предьленвя случайной величина или лгаь его параметры. Используемая в имитационной модели функция распределения случайной.велачи-

• вы фактора учитывает не только вяхяяио этого фактора ("нагрузку" на систему), но и определенную систему управления - влияние уп-

• равляади. вэздейетвзй ("сопротивлений" скотома). Характер управ-лвоздействий в - значительная степевк загасит от явного или скрытого характера проявления вогг^ахищх факторов.

Верятностао-ствтисх* <иввк& .;.-._-1цпп дает возможность tskss объединять временнкую и пространственную (по ллоцгди поля) вариацию объома влаги в тючка, что ¿•.•-..с-ляет •м^де.тироазть его в одной точке поля (взрпацгп объема влага в почве ш аясадда поля такгз задается определенным законом распределения случайных величин).

V.:: всех вэзмувдяцше факторов следует выделить динамику т-георал&г/'&аох условий, опрзделягтпую как естественный водный пеним почв, так к искусственный (е тэгаэесэ проведения просительных . м^лиораций).- Динамический характер мзтзофзкторов уг;е нельзя пред-

ставить как случайную величину. Это сложная нестационарная случайная функция, которая практически не поддается ни" аналитическому описанию, ни статистическому. В этом случае метеорологические факторы вводятся в имитационную модель как детерминированные для конкретных реальных лет.

В общем виде имитационный эксперимент состоит з следукцем.

Имитируется динамика влаги в почве с учетом принятой стратегии назначения сроков полива. Одновременно имитируется воздействие на систему различных возмущапцих■факторов, проявление которых носит или скрытый характер (точность учета элементов еодрсго баланса), или явный (отказы технических элементов, нарушение технологии пслкЕа и др.). На рис. 2 приведена укрупненная блок-схема •стохастической имитационной модели внутрихозяйственной части оросительной системы.

Ввиду наличия явных и скрытых проявлений отказов имитационная модель работает в двух режимах: "эксплуатационный режим" и "контрольный режим" (или "контроль"). При "эксплуатационном рег-ме" учитываются лишь явные отказы, влияющие на срок провед-" .¿ия полива. Этот режим-используется при назначении сроков полива, для оценки надежности функции "планирование", анализа и оптимизации этой функции. При "контроле" учитываются и скрытые отказы, т.е. имитируется как бы фактический режим влага в почве. Используется этот режим для оценки, анализа и оптимизации всех функций управления, степени влияния на надежность системы технических объектов.

В процессе имитации набирается статистика отклонений объема влага в почве от установленных уровней (ст оптимального или допустимого) и связанных с ними ущербов; ведется расчет критериев надежности. Оптимизируемые управляющие воздействия могут учитывать-■ ся в шк* ¿иконной модели или ввиде выбора стратегии назначения сроков полива, или через параметры (законы) случайных значений. Рассмотрсл функционирование имитационной модели по блокам.

БЛОК I. ввод исходных д31шкх.

Блок 2. Циклы по времени (по суткам, декадам, сезонам).

Блок 3. Выбор режима расчета ("эксплуатационный" - нет, "контрольный " - да).

Блек 4. всЕМкрозание случайных отклонений элементов водного баланса.

Елок 5. Расчет объема влага в почЕе (используется программа расчета нз ЭВМ А.И.Голованова с некоторыми уточнениями для сопряжения с другими программными модулями модели}.

-Рис.2. Укрупнен- ^^ ■ нзя блок-схема стохастической имитационной модели .внутрихозяйственной части оросительной системы

АА ^ А А

Елок 6. Проверка условия ка наличие отклонения значений элементов водного баланса от принятых пределов.

Блек 7. Расчет отклонений влаги в почеэ (ведется для двух вариантов: отклонение объема влаги ¡У от оптимального уровня для сельскохозяйственной культуры и нулевого уровня для влагопереноса <3; отклонение Я, О от уровней регулирования влаги в почве, при достижения которых назначается полив, величина поливной нормы).

Блок 8. Проверка условия на выпадение естественных осадков в течение прогонозируемого периода.

Блок 9. Уточнение срока полива в связи с выпадением естественных осадков.

Блоки 10, П, 19. Проверка условий на окончание: прогонози-руекого периода (декада), сезона, эксперимента.

Блок 12. Прогноз сроков полива.

Блок 13. Проверка условия на "выход" прогнозируемого срока полива за пределы прогнозируемого периода (декады или др.).

Блока 14, 16. Формирование времени наступления явных отказов и их восстановления.

Блок 15. Проверка -условия на появление явных отказов.'

Блок 1?. Уточнение срока полива по причине явного отказа.

Блок 18. Расчет критериев надежности (расчет производился на основании накапливаемых данных об ущербах по "урожаю", "гумусу", "воде" за декадные периоды и за год; расчет урожая, его ущербов проводится по модели и методике В.В.Шабанова; расчет ущербов по гумусу определяется по балансовой модели с учетом Еымыва его нисходящими потоками воды и изменения величины остатков растительности в псчве, участвующих в формировании его).

Имитационная модель позволяет вносить разные значения ее параметров (параметры: к отказов техники, параметры нормального распределения случайных'отклонений элементов водного баланса; за-блзговременность прогноза; стратегию назначения сроков полива и поливной нормы; длительность полней; продолжительность полива в течение суток; стратегии корректировки\ естественных .осадков к -др.). При этом отдельная информация✓ значения параметров для удобства проведения экспериментов .вводится в модель-с экрана компьютера: эксплуатационный или контрольный реки расчета; полный (за Еесь поливной сезон) или неполный период расчета; прогнозируемые или назначаемае • сроки полявз; отказы технических объектов учитываются или не учитывается; исходное число для формирования случайных чисел. Если расчет зедэтся за целый вегетационный перк-

од, то с экрана вводится команда на расчет для определенного года обеспеченности по дефициту водного баланса (5,25,50,75,95%); если расчет ведется за короткий период времени, то с экрана еводигся исходная информация о суммарном испарении, осадках и др.).

^Имитационная модель в начале эксперимента с экрана также позволяет задать число прогонов модели, меняя автоматически в начале кавдого прогона исходное число для формирования случайных чисел; задается вариант выводимой информации (неполный - с выводом информации подекадно и за сезон об ущербах, коэффициенте эффективного использования; влакности почвы в расчетном слое в последние сутки декада; данные выводятся при расчете от оптимального уровня и от допустимых пределов; выводится информация о балансе гумуса в почве и величине суммарного испарения, вероятности безотказной работы системы в конце сезона; полный - с выводом еще и динамики элементов водного баланса, влажности почвы за заданный период времени, сведений об отназах техники); выдаются результаты статистической обработки информации:-математическое ожидание, коэффициент вариации, коэффициент ассиметрии случайных чисел.

Программа написана на языке Quick Вазtc, предназначена для работы на пероснальных ЭВМ класса IBM PC ХТ/А1.

По МХС имитируется динамика вода в канале,' а именно - реким обьема вода в бьефах канала и связанный с ним уровневый резким. Подход к разработке имитационной модели МХС аналогичен подходу при разработе имитационной модели ВХС.

В общем виде имитационный эксперимент состоит в следующем.

Имитируется водный реким воды в канале (уровневый и объемный) по. бьефам с учетом принятой стратегии управления (включения и отключения насосных агрегатов в голове канала). Регулирующие сооружения работает в автоматическом реЕЕме. Одновременно имитируется воздействие на систему различных возмуцакцях факторов, появление которых носит или скрытый характер (точность регулирования сооружений, точность контроля уровнеЕого рехима воды в канале и связанного с ним объемного режима) или явный (забор еоды в ВХС внеплановый, нарушение технологии регулирования, полные отказы технических элементов). Ввиду наличия явных и скрытых проявлений отказов имитационная модель работает в двух реазмах: "эксплуатационный режим" и "контроль" (аналогично ВХС). В работе описание имитационной модели дано на уровне формализации. На рис.3 приведена укрупненная блок-схема стохастической имитационной модели МХС.

Рис.3. Укрупненная блок-схема стохастической имитационной моделт мзгхозяйстЕешой части оросительной система.

Блок I. Ввод исходных данных. •

Блок 2. Цикл но времени.

Блок 3. Формирование забора еоды в ВХС.

Блоки 4, 6. Формирование времени наступления явных отказов (технических элементов и др.) и их восстановления.

Блок 5. Проверка условия на появление явных отказов.

Блок 7. Введение управляющих воздействий.

Блок 8. Режим расчета '"эксплуатационный" - нет, "контрольный" - да).

Блок Э. Формирование случайных отклонений параметров.

Блок 10. Расчет режима воды в канале.

Блок II. Проверка условия наличия скрытых отказов (отклонения параметров от принятых уровней).

Блок 12. Расчет величины отклонений параметров.

. Блоки. 13,, 14, 16. Проверка условий на окончание: декады, сезона, эксперимента.

Блоки. 15, 17. Расчет критериев надежности, вероятностных характеристик, оптимизационные расчеты.

В главе 5 приводится описание организации сбора и первичной обработки статистической информации с надежности обьектов на оросительной системе, осуществляемой в производственных условиях: планирование наблюдений, сбор и учет информации, контролируемые параметры, Форш учета информации, методы обработки информации.

В главе 6 даны, результаты натурных экспериментов по•установлении факторов, влияющих на надежность функционирования оросительной" системы, установлен® показателей надежности ее объектов; приводится программа и методика полевых исследований; дан краткий анализ методов расчета суммарного испарения сельскохозяйственных культур.•

Цель натурного эксперимента - получение исходной информации для .проведения численных экспериментов на имитационной модели по оценке и анализу современного уровня надежности функционирования внутрихозяйственной части оросительной системы,-оптимизации уровней регул!г,-'зания влаги в почве на многолетних травах в условиях юга Украины. Натурный'эксперимент репал две основные задачи: 1) установление основных факторов, влияниях на надежность функционирования оросительной системы; 2) получение математических, зависимостей и численных значений параметров, характеризующие влияние возмущающих факторов на функционирование оросительной 'системы.

Эксперименты проводились с 1972 года на оросительных систе-

мах юга Украины: Каховская оросительная система (Херсонская со- ■ .часть), Краскознекенскзя оросительная система (Херсонская область), Дунай-Днестровская оросительная система (Одесская область), локальная оросительная система в колхозе мл-Кирова Вознесенского района Николаевской области. Основной обьем исследований проводился на территории Каховской оросительной системы.

Программа полевых исследована заключалась в следухием:

1) установление основных факторов, влияющих на надежность функционирования оросительной системы; 2) анализ математических моделей расчета суммарного водопотреблекия сельскохозяйственных культур (на примере многолетних трав) с оценкой точности расчета и прогноза его, выбор модели для условий юга Украины; 3) установление численных значений вероятностных характеристик точности учета поливной воды при дождевании; 4) установление численных значений вероятностных характеристик точности учета естественных осадков; 5) установление вероятностных характеристик появления полных отказов :: времени ах устранения для основных технических объектов внутрихозяйственной части система: насосная станция подкачки; трубопроводная оросительная сеть; дождевальная машина.

Установление основных факторов, влияющих на надежность функционирования оросительной системы, осуществлялось в результате обследования оросительных систем на юге Украины и в процессе проведения на них различных полевых экспериментов. Вопрос установления вероятностных характеристик надежности технических обьектов ВХС решался на основе хронометража по методике, изложенной в гла-Ее 5. Для количественной оценки зависимостей мевду показателями и влияющими на них факторами использован корреляционный метод, дающий возможность оценить тесноту .взаимосвязи между несколькими величинам и затем найти формулы корреляционной связи.

В данном разделе приведен качественный анализ надежности функционирования оросительной системы на примера участка Каховской системы. ^ .

Вопрос выбора математической модели расчета суммарного водо-потреблеяия многолетних трав с оценкой точности' расчета включал в себя параллельные наблюдения: за метеорологическими фактора;,® (осадки, температура и влажность.воздуха,' испаряемость), для расчетного определения суммарного недопотребления, и за динамикой влажности почвы для получения фактических данных о суммарном Еодопотреблении ююголетних трав. При.расчетах.суммарного водопотреблекия использовались зависимости, 'выведенные' Й.В.Данильченко,

Д.А.Штойко, УкрШИГШ, как наиболее часто прЕкешгвмые в нашей практике в последние годы при оперативном формировании поливных режимов сельскохозяйственных культур, в частности - многолетних трав. На основании анализа полученных результатов автором предложен метод расчета суммарного вбдопотребления многолетних трав с использованием 2-й форели Д.Л.Итсйко и полученных автором биологических коэффициентов к ней:

■ Е = К0-Я'1О,1 ге + (1 - ( 15 )

где: Е - суммарное водопотреблениэ; ££ - сумма среднесуточных . температур воздуха за период; ь - средняя суточная температура воздуха этого периода; а - относительная влазаость воздуха; Кд - биологический коэффициент.

^ Предложенная модель (методика расчета по ней), полоштельно отличается от других моделей достаточно высокой точностью в сухие и влагше годы, в-целом за сезон и за декадные периоды.

Из основных факторов, влияксих на величину подаваемой оросительной воды на поле дождевальной техникой ("Болванка", "Фрегат", "Днепр") следует выделить следующие: 1) гидравлический реки трубчатой оросительной сети (динамика напора веды в сети); 2) ме-теофэкторы (испарение воды при поливе, влияние Еетра на равномерность распределения доздя; влияние Еетра на скорость передвижения доздевашюй кашшш "Срегат"); 3) рельеф.' поля (влияет на скорость перэдошения-ДИ "Фрегат"); 4)оршЕ232цконнае причина (пару-сете технологии полива, отсутствие нздлзеодзго периодического техобслуживания, настройка доадевальных аппаратов Щ "Фрегат").

С учетом этих факторов били получена згвпайхзсти расхода дождевальной техники от давления вода на входе в кзе; установлена равномерность слоя дождя, испарение вода прз: повгзе, влияние колебания напора в сета на расход доздевальной техники; дана оценке степени влияния на точность учета поливной вода этих факторов. Е дополнение к полевым иследозанкям, проведенных, авторок, о или использованы результаты исследований В.А.Ступака по занзрзк интенсивности доздя, учету воды при поливе ДМ"Фрзггт", с последующе? их интерпретацией в соответствии с целью наследований.

При оценке равномерности полива в настоящее время используются коэффициенты аффективного и недостаточного полива. Установлена корреляционная связь иеаду коэСЙВДиентом эффективного полив; и коафрщиеатом вариации, Ноэффвдиент корреляции г = - 0,75, чте свидетельствует о достаточно тесной связи экг показателей.

Получены веооятносные характеристики равномерности полива, естественых осадков, точность расчетных методов суммарного недопотребления многолетних трав, точность прогноза сухарного водо-потребления по среднемноголетяим данным за декадные периоды, случайные значения которых подчинены нормальному закону.

В результате хронометража получены параметры экспоненциального распределения наработки на отказ и времени восстановления для осноеных технических обьектов внутрихозяйственной части оросительной системы (насосных агрегатов, дождевальных мазик, закрытой оросительной сети). В дополнение использовались также резуль-■ тэты исследований, проведенных Украинским институтом инженеров водного хозяйства (В.А.Ступак - по дождевальной машине "Фрегат" н насосным агрегатам; В.А.Гурин - по закрытой трубчатой оросительной сети); Укргипроводхозом и УкрНИИГиМ. Для последующих расчетов были использованы средние значения параметров, полученных на Каховской оросительной системе.

В глава 7 приведены результаты численных экспериментов по оценке, анализу и оптимизации надежности функционирования оросительной системы на призере Каховской системы. Дан расчет стскмос-ти оросительной воды; получены оптимальные значения уровней регулирования объема влаги в почве на многолетних травах для условий Каховской оросительной системы с учетом стохзстичкости проте-кгздих процессов на ней; дан анализ влияния стохастичности протекающих процессов на расчет объема влаги в почве, влагопереноса, сроков полива, ущербов; дан анализ надежности оросительной системы с установление!,! наболее "слабого звена" в ее составе, лимитирующего общую нздеккссть системы; оценено влияния на надекность системы надежности технических обьектов, функции "планирование"; приведен пример расчета нормативных значений критериев надежности сросителыюй системы для условий Каховской система.

Эксперименты на имитационной модели проводились для разных лет обеспеченности по дефициту водного баланса (5,25,50,75,958). Число прогонов-модели, точность расчетов определялись в соответствии с требованиями теории вероятности и математической статистики.

При выборе оптимальных уровней регулирования обьема влаги в почЕэ на многолетних травах для сравнения также был проведен эксперимент и без учета надежности оросительной системы. При учете надежности оросительной системы особенно резко'увеличиваются потери боды на влагопаренос (математическое ожидание Елагопереноса)

по сравнению с вариантом расчета без учета надежности оросительной системы (детершшрованным значением влагопереноса). Этот факт в основном и обусловил значительное увеличение суммарных ущербов, сказался на подсчете баланса гумуса. Выбор оптимальных уровней регулирования обьема влаги в почве необходимо осуществлять в соответствии с целью ведения сельского хозяйства: получения максимального урожая сельскохозяйственных культур при недопущении сработки гумусового слоя в, многолетнем разрезе; максимального повышения плодородия почвы или др. Если за критерий выбора принять суммарный ущерб, то с учетом точности расчетов за оптимальные уровни регулирования обьема влаги в почве следует взять следующие варианты: Яп1п= 0,65 НВ при величине полиеной нормы 45 ...55 мм; ¡7п{п= 0,70 НВ при величине поливной нормы 45...50 км.

В настоящее врем на Украине в степной зоне при поливе многолетних трав на среднесуглинистых почвах рекомендуется за пред-поливной порог брать влажность 0,75 НВ, а величину поливной нормы - 55. ..60 м. Рекомендуемый автором диапазон изменения объема влаги в почве по сравнению с принятой практикой в настоящее время как снижает ущербы по. урожаю, так и, что особенно вакно, значительно сникает потери на сброс воды за пределы корнеобитаемого слоя почвы (в два раза), предотвращая сработку гумусового слоя.

Обьем влаги в почве .при орошении, его динамика является определяющими как при выборе оптимальных уровней его регулирования, так и, особенно, при выборе сроков полива. Для этой цели была проведена серия экспериментов по оценке точности учета объема влаги в почве, закономерностей его изменения, проверки аналитических стохастических моделей, полученных в главе 3.

Задача имитационных экспериментов состояла в.получении данных о влажности почвы, объемах влагопереноса подекадно и за сезон при рззном сочетании случайных факторов, характеризующих, надежность оросительной системы.

Анализ результатов, свидетельствует о том, что в дополивной период математическое ожидание случайных значений влажности почвы практически совпадает со значениями влажности без учета надежности системы (учета случайных факторов) - с детерминированным значением. Закон распределения случайных значений - нормальный. В период поливов математическое ожидание влакности почвы увеличивается по отношению к детерминированному значению. Случайные значения имеют явно ассиметритаый характер, причем степень ассимет-рии не постоянна. Бри удалении момента определения влажности поч-

вы от полива закон распределения случайных значений приближается к саяветрячноку - нормальному закону. Этот вывод в дальнейшем бил подтвержден з процессе экспериментов по установлению оптимальных сроков полива.

Сравнение вероятностных характеристик влажности почвы, полученных на имитационной модели и рассчитанных по предложенной в главе 3-методике, показало, что фактические значения коэффициента вариации (полученные на имитационной модели) оказались значительно меньше расчетных. Это вызвано регулирующей ролью влагопе-реноса, учесть которую аналитически выражением очень сложно. Фактически на данный момент можно получить значение лишь для элементарного промежутка времени, равномерного по влажности элементарного слоя почвы, что и было(сделано в главе 3.

Однако анализ результатов исследований показал, что . между расчетными значениями влажности почвы и полученными в процессе эксперимента на имитационной модели существует достаточно тесная прямая корреляционная связь. С учетом изложенного для расчета среднеквадратического отклонения влажности почвы предложена формула:

V, - + (16 5

^де: Яс -эмпирическая коэффициент сглаживания, равный для декадного периода 0,65 (учитывает регулирующую роль влагопе-реноса).

Данная аналитическая зависимость еще до проведения, имитацк->яного эксперимента позволяет провести анализ и выявить наиболее ;лабое звено в системе управления по степени влияния того или нога среднеквадратического отклонения рассматриваемых факторов :а конечное значение среднеквадратического отклонения влажности 'очвы (оценка на чувствительность).

Результаты исследований показали, что-наибольший вес в зна-ении коэффициента вариации (среднеквадратического отклонения) лажности почвы имеет коэффициент вариации шлиеной воды. При альнейшем снижении коэффициента вариаций поливной вода с 0,53 до ,30 этот вес снижается и возрастает роль точности учета влажнос-и почвы на начало расчетного периода; точности расчета я прогно-э суммарного испарения влаги с сельскохозяйственных полей.

В прэдпсдввной период значения математического ожидания вла-эпереноса практичесгси совпадают с детерминированными значениями Зез учета случайных факторов^. В поливной период математическое

ожидание объема влагопереноса. значительно выше расчетного без учета случайных факторов. Эти результаты подтверждают вывода, сделанные на основании анализа аналитической стохастической модели влагопереноса, приведенной в главе 3. Такое различие вызвано появлением и увеличением ассиметричности в распределениях случайных значений влагопереноса в период поливов (в дополивной период закон распределения случайных значений симметричный - нормальный) Детерминированное значение влагопереноса близко к модальному значению плотности распределения случайных значений влагопереноса. На рис.4 приведена гистограмма распределения случайных значений влагопереноса за сезон; на рис.5 приведен график сеязи среднего значения коэффициента■вариации влакности почвы с математическим ожиданием влагопереноса (за сезон). •

Более глубокий анализ с соответствующим решением задач по влагояереносу выходит за рамки настоящей работы. Это самостоятельная сложная задача, требующая своего решения. При ее решении могут быть использованы аналитические зависимости и результаты имитационного эксперимента, приведенные в данной работе.

В соответствии с принятой стратегией назначения сроков поливов по величине минимума вероятного ущерба был проведен эксперимент по определению вероятностных характеристик времени снижения влаги в почве до предполивного уровня и определения вероятного значения ущерба.

Результаты эксперимента свидетельствуют о достаточно слабой чувствительности точности расчета сроков полива на выходной эффект системы при современном уровне ее надежности (диапазон оптимальных сроков полива-составляет 5...6'суток). При"' снижении коэффициента вариации поливноа еоды (повышении точности учета влаги в почве) повышается и точность определения оптимального срака полива. При повышениии надежности оросительной системы диапазон оптимальных сроков полива будет сукаться и в предельном: случае (при абсолютно надежной системе) будет сходиться к расчетному сроку по детерминированной модели. При сукении этого диапазона повышается чувствительность уровня надежности-функционирования оросительной системна-к точности определения сроков полива.

Был проведен эксперимент по оценке влияния надежности технических обьектов на надежность оросительной системы при разных сочетаниях возникновения отказов технических обьектов. Эксперимент проведен для коэффициентов вариации поливной воды 0,59 и 0,30. Результаты эксперимента показывают, что отклонения значений ущер-

У, раз

4 3

20 40 60 80 100 120 14Ú 160 180 200 220 240 260 G,mm ^ Рис.4. Гистограмма случайных значений влагопереноса за сезон

Рис.5. График связи среднего значения коэффициента вариации влажности почвы и математического ожидания влагопереноса (за сезон).

+ - экспериментальные точки при доверительной вероятности, соответственно, 0,ЭУ и 0,80.

Сов от значений контрольного варианта (проведенного оез учета от казов техники) лежат в пределах допусков (точности расчетов» свидетельствуют о незначительном влиянии надежности технически: объектов на надежность функционирования оросительной систем пр; современном ее уровне.

С учетом полученных результатов был также проведен эксперимент при разных стратегиях назначения сроков полива. Пожен назначались в пределах ранее-полученных диапазонов их оптимальны: значений. Результаты эксперимента полностью подтвердили ранее полученные результаты о чувствительности систеш к точности назначения сроков полива.

Для сравнения был проведен эксперимент по учету влияния заблаговременное™ прогноза на надежность оросительной системы (зг 1,.5, 10 суток). Результаты свидетельствуют, что изменение срокг заблзговременности прогноза при современном уроане надежности оросительной системы не влияет на результаты расчета.

Для сравнения произведен расчет вероятностных характеристик срока полива.по формулам. С 12 ), ( 13 ) (математического ожидания и среднеквадратичесхого отклонения срока полива) для условии, при которых проходил имитационный эксперимент. Значения коэффициента вариации практически совпали. Различия среднеквадратических отклонений обусловлены различиями значений математических ожиданий (на 20%). В значительной степени зти расхождения объясняются неучетом снижения величины суммарного испарения при снижении влажности почвы'ниже критического уровня (математическое ожидание величины суммарного испарения оказалось меньше его детерминированного прогнозируемого значения). С учетом полученных результатов и их анализа для расчета математического ожидания срока снижения объема влаги в почве до предполивного уровня предлагается следующая формула:

гпт = К-

Г К , , ^ .

спр (Етгр+ С"-р)3 апр

( 17 )

где: й^, ¡Г'р, £?пр - детерминированные значения, соответственно, полезного объема влаги в почве, прогнозируемых значений суммарного испарения и влагопереноса; Я - поправочный эмпирический коэффициент (для условий проводимого эксперимента равен 1,20).

Оценка, анализ надежности функционирования оросительной систем осуществлялись как в многолетнем разрезе (для лет разной обеспеченности по дефициту водного баланса), так и в течение поливного сезона за короткие периода (по декадам). Для оценки использовались обтаз критерии надежности (коэффициент эффективного, использования, вероятность безотказной работы); для анализа -критерий чувствительности выходного эффекта к изменению параметров или возмущающее факторов; использовались полученные зависимости возмущающих факторов с выходным эффектом. Установлена связь между средними значениями коэффициента вариации влажности почвы-и. суммарным ущербом от оптимального уровня (рис.6).

7,5 7,0 6,5 6,0 5 5

1200 1250 '1300 1350 1400 1450 1500у(7>руб

Рис.6. График зависимости суммарного ущерба (от оптимума) и среднего значения за сезон коэффициента вариации влажности активного слоя почвы

При выборе численного значения коэффициента эффективного использования, относительно которого необходимо;определять вероятность безотказной работы системы, исходили из следующих соображений:- значение вероятности- безотказной работы должно быть наиболее чувствительно к изменению факторов," влияющих'на надежность системы;. коэффициент вариации этого критерия должен быть минимальным. Предпочтение было отдано значению 0,80. :

В таблице 6 приведены значения1 китериев надежности : для года 75% обеспеченности по дефициту водного баланса при разных значениях точности учета поливной вода.- Мекду;.общими критериями, на-

деяности и средним значением коэффициента вариации■влаги в почЕе существует тесная корреляционная связь.

Таблица 6

Значения общих критериев' нздеяяости функционирования оросительной системы в зависимости от точности учета объема поливной воды

& ■ пп Критерии надекности

Коэффициент вариации схТьема поливной еоды. Коэффициент 'эффективного использования, Вероятность безотказной работы,

V ",■'.■ р кэ.и. р(кэ.и> °-80)

1 ■г а ' 4

1 0,59 ' 0.86 0,84

2 0,40 0,92 0,88

3 0,30 0,94 0,90

В таблице 7 приведены значения коэффициента эффективного использования оросительной системы и ее функции "планирование" в года разной обеспеченности по дефициту водного баланса для совре-' менного уровня надекности системы. В среднем функция "планирование" на треть, определяет значение коэффициента эффективного, использования при современном уровне надежности функционирования оросительной системы.

■' . ' • Таблица V

Коэффициент эффективного использования в годы разной обеспеченности по'Дефициту водного баланса

Л пп Объект Коэффициент эффективного использования в годы разной обеспеченности Среднее значение коэффициен-

5%г 25% 50й 755 95% та эффективного коп.

1 2 3 4 5 У а

1 Оросительная система 0,92 0,90 0,86 0,88 0,80 1 0,88 -

2 Функция "планирование" системы упрг>вления 1,00 .0,98 0,95 0,98 0,86 0,96

•Зоскуда расчета ксзффадкнта эффективного использования всея системы как функции когфйщкен'гов аффективного использования ее

составляисих элементов (функций управления, технических ооьектов) •

„ = ' - - ^ .,) <■ 18 >

1=1

где: К'; ,, - коэффициент эффективного использования системы;

л* - коэффициент эффективного использования 1-го элемента.'

Расчет вероятности безотказной работы системы как функции вероятностей безотказной работы ее элементов определяется по известной формуле теории вероятностей (для независимых элементов).

Рс<*ЭМ.> \1Р1<КЭМ> ( 19 1

где: Р„(КЭ и ) - вероятность безотказной работы системы;

Р (Кэ и ) - вероятность безотказной работы (-го элемента.

Полученные значения критериев надежности оросительной системы могут быть "разложены" По всем элементам, определяющими ее надежность. Это в свою очередь позволяет находить наиболее слабое ЗЕено в составе системы, лимитирующее ее надежность.

Методом наименьших квадратов получен полином связи коэффициента вариации влажности почвы с суммарным ущербом от оптимального уровня. Анализ на чувствительность данного полинома показал, что уровень надежности функционирования оросительной системы (величина суммарных ущербов) очень чувствителен к изменению коэффициента вариации влажности почвы на нынешнем уровне ее надежности. По мере снижения коэффициента вариации влажности почвы чувствительность снижается. Снижение коэффициента вариации ниже 6,4% (см. рис.6) при современном уровне надежности функционирования оросительной системы не целесообразно (изменение суммарного ущерба в этом случае будет находиться в пределах точности расчетов).

Для последующего уточнения влияния факторов на надежность функционирования оросительной системы проведен анализ ее нэдежо-сти по аналитическомувыражению ( 16 ): анализ чувствительности функции (среднеквадратического отклонения влаги' в почве или ее коэффициента вариации) к ее аргументам (коэффициентам вариации элементов водного баланса). Анализ осуществлялся ухе на более низком уроше: коэффициент вариации влажности почзы, который раньше рассматривался как аргумент, теперь уке рассматривается

KSK искомая функция. Анализ на чувствительность был провела на одном примере из ранее иолучензшх результатов. Результаты расчетов приведены в таблице 8.

Таблица к

Удельный вес факторов, влияющих на точность учета влэгк в почве

Je пп Коэффициент Еариации поливной воды (среднее значение) Удельный вес, %

точность учета исходного объема влаги е почве точность учета естественных осадков точность учета поливной воды точность учэта суммарного водз-потрео-ления точность прогноза суммарного недопотребления

1 2 а 4 b t> 7

1 0,59 29 0 50 8 13

2 0,40 35 0 ' 34 11 20

3 .0,30 40 0 23 14 23

Результаты экспериментов показывают, что в настояазе время лимитирующим фактором, сдерживающим повышение уровня надежности функционирования оросительной системы является высокий уровень вариации значений поливной воды.

Для дальнейшего анализа надежности функционирования оросительной системы следует перейти ешэ' на оолео низкий уровень - перейти к анализу результатов- натурного эксперимента по учету точности полиеной воды (глава 6). Анализ результатов показывает,что при поливе ДМ"Фрегат" основным лимитирующим фактором является низкая равномерность слоя дождя машин по длине крыла, неравномерная скорость движения машины по полю. Сами по себе эти оба фактора сложные и состоят из множества элементарных факторов. Для дальнейшего анализа факторов требуется проведение целой серии натурных экспериментов, что не входило в задачу данной работы.

Основным критерием выбора оптимального (нормативного) уровня надежности функционирования оросительной системы является сумма затрат, сзязанная, с одной стороны, с затратами ка позыиение уровня надежности системы, а с другой, - снижением суммарного ущерба на системе по основным параметрам: урожаю, почве, воде. И те и другие затраты связаны, как показали исследования, с точностью

регулирования влаги в почве. По полученной зависимости (см. рис. б) можно определить снижение суммарного ущерба от повышения точности учета влаги в почве. Для проведения оптимизационных расчетов необходимо также знать влияние тех или иных мероприятий на точность регулирования влаги в почве, ззтраты связанные с их внедрением.

Одним из основных условий • оптимальности функционирования системы следует считать равноценность влияния надежности ее эле-дентов на надежность всей системы; поэтому первостепенной задачей 1ля повышения уроЕня надежности функционирования оросительной си-:темы следует считать повышение точности учета поливной воды.

Учитывая результаты анализа на чувствительность суммарного черба, анализ результатов экспериментов на стохастической анали-ическсй модели (16) в настоящее время за оптимальный (нормативна) уровень надежности оросительной системы следует принять зна-зния критериев надежности, соответствуюте коэффициенту вариации эливной воды 0,40 <кэ-1л= 0.92; Р(&эм2 0,8) = 0,88).

В общем случае данные значения критериев надежности функцио-грозания оросительной системы еще нельзя принять за оптимальные, гитывая ограниченность условий, при которых они были получены, [я их уточнения, решения других задач надежности гидромелиорати-их систем требуется проведение значительного объема исследова-Я с учетом предложенных в работе теоретических положений, мзте-тических моделей, методов и методик.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ, ПРЕДЛОНЕНМЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Существующие технические и экономические. показатели ги-зкелиоративной системы и методы их расчета отражают лишь от-аше стороны ее работы без взаимосвязи явлений, не учитывает !яние возмущающих факторов на функционирование системы; фунх-даированиа гидромелиоративной систем рассматривается з слишком ализированных условиях. И как результат, ?шйгочисленяые прини-ше в настоящее время меры по повышению' эффективности гидроме-ративной системы приводят лишь к улучшению работы отдельных ее ектоз, не решая практически основной задачи - повышения эффек-ности функционирования гидромелиоративной систегш в целом.

2. Для принятия реаений в процессе 'проектирования погроме-ээтивной систеш и ее эксплуатации требуется учет стохастиче-I'Связей между процессами,. происходящими на системе, учете шля на нее различных возмуиащих . воздействий (факторов);

за теоретическую основу такого подхода целесообразно взять прикладную теорию надежности гидромелиоративной система. Желание "втиснуть" решение вопроса надежности гидромелиоративной систем; в рамки общей теории надежности технических систем приводит к серьезным ошибкам; необходимо формировать прикладную теории надежности гидромелиоративной системы, учитывающую ее специфику.

3. Разработанные концептуальные и методологически? основа исследования надежности функционирования гидромелиоративной системы, основы прикладной теории надежности ее позволяют ь дальнейшем развивать эту теорию применительно к разным типам систем; эти положения явились отправным моментом разработки приведенных в ва~ боте и предлагаемых для использования моделей и методов, полученных результатов применительно к водоподающей части Каховской оросительной системы.

4. Современную практику ^ршятия решений на основе детерминированных моделей и полученным по ним точечным-значениям оптимальных параметров уже нельзя признать правомерной. С учетом особенностей функционирования гидромелиоративной системы, подходов ее исследования в основе стратега-! управления системой и ее подсистем должен лежать риск принимаемых решений с учетом влияния на систему различных возмущающих воздействий. Учитывая специфику функционирования оросительной система, характер происходящее процессов на ней задачи оптимального управления целесообразно резать как динамическую стохастическую задачу "управления запасам!". Основным способом реализации предлагаемой стратегии управления, поиска оптимальных значений параметров является.шшташюнное моделирование .

5. Разработаны динамические стохастические модели оптимального управления применительно к функции "планирование": выбор уровней регулирования влаги в почве и стратегии назначения оптимальных сроков полива (для ВХС); выбор оптимальной регулирующей емкости канала и уровней'регулирования вода в нем (для МХС). Данные модели, общий подход к их разработке приемлем для решения и других оптимизационных задач надежности ©акционирования оросительной системы.

6. .Разработаны имитационные стохастические модели функционирования оросительной системы (для ВХС и МХС) в условиях возмуща-шшх факторов, методический подход к плашрсвзида проведения имитационных экспериментов на ней; они позволяют анализ1фовать функционирование системы в динамике, изменяя значения параметров еоз-

мущающих и управляющих воздействий на систему, получая на выходе значения различных ущербов, критериев надежности; конечная цель данного анализа - поиск и принятие наиболее эффективных решений по совершенствованию гидромелиоративной системы (на стадии проектных работ и в процессе эксплуатации).

7. Получены стохастические аналитические модели водного ба-лзнса, расчета срока снижения влаги в почве до предполквного уровня, которые позволяют рассчитывать стохастические параметры объема влаги в почЕе, срока снижения его до минимального уровня в зависимости от стохастических параметров составляющих их элементов; позволяют, аналогично имитационному эксперименту, осуществлять анализ надежности функционирования•оросительной системы.

3. Дано описание организации сбора, учета и первичной обработки статистической информации о надежности объектов на оросительной системе, осуществляемых в производственных условиях с целью установления характера влияния на функционирование оросительной системы внутренних и внешних факторов, их вероятностных характеристик.

9. В процессе натурных,полевых экспериментов установлены основные возмущающие факторы, оказывающие влияние на протекание технологических процессов на оросительной система; получены вероятностные характеристики элементов водного баланса (суммарного Еодоштреблешя многолетних трав, осадков, поливной воды, надек-гости технических объектов внутрихозяйственной части оросительной системы в условиях юга Украины; предложен новый метод расчета суммарного водопотреблеяия многолетних трав, наиболее приемлемый ц1я. условий юга Украины (на основе 2-й формулы Штойко Д.А. с порченными автором биологическими коэффициентами к ней); получение результаты могут использоваться как исходная информация для роведения экспериментов на имитационной и аналитических моделях, слученных автором, так и самостоятельно при'разработке проектов

в процессе эксплуатации оросительных систем/ -

10. С учетом стохастичности протекающих процессов на ороси-зльной системе получены в процессе имитационных экспериментов. и з аналитических моделях оптимальные значения пределов изменения гаги в почва, оптимальных сроков полива, зависимости точности гета влаги в почве с ущербами, критериями надежности .системы. 1счеты проведены на примере многолетних трав. . . ■

11. Разработана методика поиска. оптимальных. значений искомых . рзметров, критериев по разработанным моделям, зависимостям, ко- '

торая рассмотрена, на примере■ расчетов для условий Каховской оросительной системы при поливе многолетних трав.

12. Наиболее слабым звеном в составе оросительной системы, как показали результата исследований, на современном уровне ее надежности является точность учета поливной еоды; этот фактор сдерживает . рост надежности функционирования оросительной системы, сдерживает эффект внедрения мероприятий по повышению эффективности различных сторон функционирования системы; предлагаемый метод поэтапного анализа данного лимитирующего фактора позволяет, в конечном итоге, в конкретном случае уточнить причину явления.

13. Полученные результаты анализа функционирования оросительной системы в.динамике (распределения случайных значений елзги в почве, влагопереноса, определения срока полива, аналитические стохастические модели влагопереноса, сроков полива), как и все вышеприведенные подходы, модели и методы могут быть использованы при проведении дальнейших исследований по разработке методов и моделей прикладной теории надежности гидромелиоративной системы.

14. Получены оптимальные значения обща критериев надежности функционирования оросительной системы для условий Каховской системы на примере мнолетних трав: Я, ц = 0,92; Р(К3 ц ? 0,80) = 0,88. Численные значения этих критериев установлены из условия обеспечения равного влияния возмущахщих факторов на конечный результат.

, 15. Анализ-полученных результатов исследований указывает на необходимость большого обьемз исследованй по уточнению, установлению нормативных и других показателей гадромелиоративных систем с позиции предложенных автором подходов,, иоде лей, методов.

ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТИЛЕ ДИССЕРТАЦИЯ

1. Кирьянов В.Н. Использование дождевальных кгшая "Волжанка" для орошения культурных пастбищ на юге УССР//Тезисы- докл.нзучн. конф.- Каунас,1975.- С.312...313.

2. Кирьянов В.Н. Орошение культурных пастбищ на юге Уграииы при поливе дондевальной машиной "Волжанкзп//Гезисы докл. нзучн.-техн.кокф.Укр.ин-та инз.водн.хоз-ва.- Львов, 1975.- С. 13...20.

3. Кирьянов В.Н. Полив машинами "Волжанка" на черяоззкгг. агэ усср/'/Гидромелиорация и гидротехническое строительство. - Львов: Вида школа, 1976.- вып. 4.- С.16...19.

4. Кцрьянов Б.Н. Установление показателей довдевальных мак-ш "Волжанка" при использовании на культурном пастбиде//Научше ис-

следования по гидротехнике в 1974 г.- Л., 1976.- £4.- С. 114.. 115..

5. Ступак В.А., Кирьянов В.Н. Организация и нормативные показатели эксплуатации закрытых систем дождевания на юге Украинской ссР//Научные исследования по гидротехнике в 1974 г. - Л., 1976.- М.~ С.115...116.

6. Кирьянов В.Н. Потребление вода многолетними травами на культурных пастбкщэх//Тезисы докл.научн. - произв. конфер. Волгоградского с-х ин-тз.- Волгоград,1976.- С.246...248.

7. Кирьянов В.Н. Оропение культурных пастбищ машинами ДКШ-64 в условиях юга Украины. Автореф;дис,..канд.техн.наук. - ?.!.: МШ1, 1978.- 24' с.

S. Кирьянов В.Н. Схема поливов культурных пастбищ дождеЕа-лъными маиинзми "Волжанка" в условиях юга Украины//Гидромелиора-ция и гидротехническое строительство.- Львов: Вища школа, 1979. -вып.7.- С.24...26.

9. Кирьянов В.Н. Основные причины низкого качества поливов машиной "Волжанка" и пути его улучшения//НТИ Минводхоза БССР.-шшок, 1979.- вып.4.- с.23...25.

10. Кирьяноз В.Н., Турин В.А. Применение вспомогательных трубопроводов к ДКШ-64//НТИ Нинводхоза БССР.- Минск,1980.- вып.З. - С.5 — 8.

11. Кирьяноз В.Н. К вопросу о применении вспомогательшх трубопроводов к дождевальной мазике иВолж2нка"//Тезисы докл. иа-учн.- произв.конф. Волгоградского с-х кн-та. - Волгоград, 1980. -0.161 .-..163.

12. Кирьянов В.Н. Организация поливов культурных пастбищ дождевальных машин "Волжанка" на юге Украинн/Л'езисы докл.нзучн.-гехн.конф. »йшводхоза РСФСР,- Казань, 1981.- С.223...224.

13. Рекомендации по орошению.культурных настоит доздевалыш-в: машинами "Волжанка" на юге Украит/Сост. Кирьянов В.Н. - Киев: йшводхоз УССР,1931,- 36 с.

14. Кирьянов В.Н. К вопросу уточнения расчетов суммарного ■лдопотребле ния многолетних трав//Гидромелиорация и гидротехническое строительство,- Львов: Взда пкола, 1981,- вып.9. - С.3...6.

15. Кирьянов В.Н. Влияние циклов стразливашя (скашивания) ноголетнкх траз на величину и динамику их суммарного водопотреб-вш1я//Тидромелиорзция и гидротехническое строительство.- Львов: ицз школа,1982.- aun.tO.- G.8...12.

16. ггетохпка сбора я -обработки статистической информации о адекности оросите льнах систем/Ссст. Кирьянов В.Н.- Каев: Минвод-

хоз УССР, 1983.- 31 с.

17. Кирьянов В.Н. Характер отказов' оросительной система// Гидромелиорация к гидротехническое строительство,- Львов: Вица школа,1987,- вып.15,- G.8...1Q.

18. Кирьянов В.Н. Уточнение методики оценки эксплуатационно» надежности доэдевзльных машин//Мелкорзция и водное хозяйство..-Киев: Урожай, 1988.- вал.68.- С.88...;90.

19. Кирьянов В.'Н. Критерии надежности оросительной системы// Гидромелиорация ж гидротехническое строительство.- Львов: Ыгда школа, 1988.- внп.16.- 0.28...32.

20. Кирьянов В.Н. Методика оценки надежности управления оросительной системой//Тидромелиорация и гидротехническое строительство.- Львов: В1сда школа, 1980, выпив.- С.32...36.

. 21. Кирьянов В.Н. О методическом подходе к оценке надаЕнаети: мелиоративных систем/Мелиорация в водное хозяйство..- Киев.- Ура-хай, 1990.- вып.73'.- С.86.. .89.

22. Кирьянов, В.Н. Функциональная надежность оросительной систеш//Тезисы докл.научн.-произв.кокфер.Шск.гидромел.. кн-тл:.. -

М., 1991.- С.25.

23. Кирьянов В.Н. Галаган О Л.. Организационная* надежность функционирования оросительной системы: на: примере.- Каховской*. .системы//Тезисы докл.нзучн.М'~„ 1991.- 0.25.

24. Кярьянов 8.Н.. Отдоюация паграче^фзз- управления- мзгдп-зяйственным водораспредолаяЕйМ' с; гшицкд- надежаости- технологического гфоцесса//аб..тр,.^крЩ0®'Д'..-- KEsa* 1991.- вьш.2.- С.87....33-

25. Кирьяной ЕЛ>. Вандрмкаация-: водаобалансовых расчетоз//Те-зисы докд.нзуте.кок®.. Жщ.. иа-тз.- инк., вода.хоз-ва.- Ровно, 1992.0.32,..

26. Кирьянси 5-.ÜL С&ошдагаеская модель водного • баланса// Тезиса. до1;л.н-аут,кон^Моок>гидроиел.ин-та.- М., 1992.- С.,30.

27.. Кирьявов.; В,.Н„ Ш*ож отзшизации принятия решений в про-if.ûc.ce упрааяедаш- орасяо^льной систешй//Мэлиорацая s водное хозяйство..- Кяэдк Хрйжай-,.15.32..- вып.77.- С.27...2Э.

28. Кирьянз&Е.'&. Оптимизация параметров управления, внутри-хо.зяйстьзнной частью оросительной системы с позиции надеиюстя-гашшзгаческого- цроцесса/Укр.кя-т ник.вода.хоз-ва.- Ровно, 1993. 16 е.- Деп. в УкрйНГЭИ £1215 УК93.

29. Кирьянов В.Н. Анализ надежности функционирования оросительной системы (на-примере условий участка Каховской системы)/

Укр.ин-Т яеж.еодн.хоз-еэ.- Ровно, 1993.- 7 с. - Дея. в УкрИНТЭИ Д1216 УКЭЗ.

30. Кирьянов В.Н. Имитационная стохастическая модель функционирования внутрихозяйственной части оросительной систем/ Укр. ин-т инк. вода.' хоз-ва. - Ровно, 1993. - 8 с. - Деп. в УкрИНТЭИ Л121Э УКЭЗ.

31. Кирьянов В.Н. Методика выбора оптимальных путей повкне-шя надежности функционирования оросительной систекы//Укр.ин-т инк.вода.хоз-ва.- Ровно.1993.- 7 е.- Деп. в УкрИНТЭИ Л1217 УКЭЗ.

32. Кирьянов В.Н. Установление оптимальных границ регулирования влаги в почве на многолетних травах с учетом надежности функционирования оросительной системы (на примере Каховской системы) /Укр.ин-т инж. вода, хоз-ва. - Ровно, 1993. - 12 с. - Деп. в УкрИНТЭИ Л1218 УКЭЗ. .

Информация о работе

Кирьянов, Виктор Николаевич
доктора технических наук
Москва, 1993
ВАК 06.01.02

Автореферат

Теоретические основы оценки и оптимизации надежности функционирования гидромелиоративной системы (на примере водоподающей части в условиях юга Украины) - тема автореферата по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы