1 Задание Предотвращение аварийности на коммунальных сетях водоснабжения и водоотведения мегаполиса. Постановка задачи

Работа охватывает исследование системы водоснабжения и водоотведения государственного унитарного предприятия "Водоканал Санкт-Петербурга" (далее – Водоканал) с фокусом на аварийных ситуациях, возникающих в его водопроводных и канализационных сетях.

Водоканал является сложным инженерным объектом, обеспечивающим водоснабжение для 5 миллионов человек и имеющим общую протяжённость сетей более 16 тысяч километров. В его состав входят насосные станции, очистные канализационные сооружения и другие объекты. Водоканал разделён на три основные зоны: Южную, Северную и Центральную, каждая из которых включает несколько областей. Например, в Южной зоне находятся производственные управления "Кронштадт", "Петродворец", "Колпино" и "Пушкин".

Возможности, предоставляемые ФОС: реализовать потенциал аналитического превосходства технологий физики открытых систем (ФОС) в нематериальные активы предприятия – научно-достоверное, полное, завершённое системное знание об аварийности в ЮЗВ, её экологических, социальных и корпоративных последствиях. Обеспечить на основе полученного знания создание лидирующей системы менеджмента аварийности сетей водоснабжения и водоотведения мегаполиса.

Носителем смыслов системы выбраны сами ПУ (производственные управления), каждое наблюдаемое состояние ПУ является единичным объектом наблюдения. Каждое состояние системы ПУ описывается единым фиксированным набором показателей. Все показатели распределены по образующим эмпирического контекста, внутри каждой образующей – по сегментам контекста. Для каждого сегмента указано количество входящих в него показателей.

Формирование полного представительного эмпирического контекста и информационного ресурса системного знания об аварийности на коммунальных сетях водоснабжения и водоотведения юзв.

ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»:

• количество работающих ~ 6000 человек;

• количество зданий и сооружений ~ 1000;

• протяжённость сетей водоснабжения ~ 8000 км;

• протяжённость сетей водоотведения ~ 8000 км;

• две автоколонны (в каждой ~ 500 автомобилей).

ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» имеет дивизиональную организационную структуру (дивизионы водоснабжения и водоотведения). Каждый дивизион имеет группу производственных управлений (ПУ), осуществляющих управление сетями и сооружениями ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» в конкретных территориальных районах мегаполиса.

В предлагаемом решении ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» представлен «Юго-Западным Водоканалом» (далее ЮЗВ). ЮЗВ – единица бизнеса ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», описывается в прямых показателях, рассматривается как система.

В состав ЮЗВ входят: ПУ «Кронштадт»; ПУ «Колпино»; ПУ «Пушкин»; ПУ «Петродворец». Каждое ПУ – субъект производственно-хозяйственной деятельности ЮЗВ, описывается в прямых показателях, характеризуется в целом как единая система, являющаяся частью единой системы Водоканала Санкт-Петербурга.

Эмпирические описания получены для всех ПУ ЮЗВ ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга». На основе эмпирических контекстов ПУ выявляются аварийные состояния, проводится системный анализ причин возникновения рисков аварийности на сетях водоснабжения и водоотведения, производится полное завершённое научно-достоверное знания о нежелательных и угрожающих последствиях аварийности в каждом ПУ.

Эмпирические контексты ПУ включают:

• нормативное представление ПУ как «системы в данных»;

• эмпирический портрет «системы в данных»;

• статистический портрет «системы в данных»;

• нормативное представление ПУ как «системы в отношениях»;

• структурный портрет «системы в отношениях».

Таблица 1. Данные о системе ПУ «Кронштадт»

Сегменты	Число показателей	Пропусков значений
Сооружения	52	143
Персонал	31	55
Источник воды. 1-й подъем	64	772
Производство воды	92	1801
2-й подъем	94	1074
Водоподача	146	1885
Перекачка сточной воды	159	3494
Механическая очистка	49	335
Биологическая очистка	58	375
Выпуск	218	5672
ИТОГО	963	15606 (30%)

Значение каждого показателя измеряется 1 (один) раз в месяц, т. е. всего мы получим 54 значения. В данных для ПУ «Кронштадт» имеется 15606 (30%) пропусков значений (это – плохой показатель качества исходных данных о системе). Количество пропусков данных в исходном эмпирическом описании системы каждого ПУ различается. В каждом ПУ попуски значений по-разному распределены на множестве показателей и между сегментами эмпирического описания. Количественные характеристики пропусков получены в эмпирическом портрете системы каждого ПУ. Кроме этого, в эмпирическом портрете системы каждого ПУ для каждого показателя определён вид шкалы его измерения. Метод ФОС использует только количественные и порядковые шкалы. Переменные, принимающие значения на иных шкалах, должны быть перекодированы.

У набора данных, которые мы получили есть проблема. Заключается она в том, что за счёт повторений и иных показателей количество этих данных очень велико. Чтобы сформировать исходное эмпирическое описание каждого ПУ ЮЗВ, надо:

1. завершить поставку исходных данных о производственно-хозяйственной деятельности каждого ПУ за период наблюдения;

2. значения всех показателей, измеренных на порядковых шкалах перевести в числовой код, т.е. закодировать;

3. сгенерировать нормативный отчёт – структурный портрет, провести структурную фильтрацию исходных данных. По результатам структурной фильтрации удалить все «лишние» показатели;

4. сгенерировать нормативный отчёт – структурный портрет, провести структурную фильтрацию исходных данных. По результатам структурной фильтрации удалить все «лишние» показатели;

5. устранить избыточность исходного эмпирического описания, сократить число неопределённых связей между показателями, уменьшить количество неразрешённых треугольников противоречий. Эмпирическое описание готово для применения;

6. выявить дефекты эмпирического описания;

7. получить оценки качества эмпирического описания с позиций его достаточности для понимания и объяснения сложности системы;

8. завершить аналитическое исследование качества и потенциала представлений системы в форматах «система в данных» и «система в отношениях». Установить дефекты представлений системы в этих форматах;

9. передать эмпирический контекст системы в Аналитическое ядро Технологической платформы ФОС.

Согласно данным статического портрета, была получена таблица представления ПУ «Кронштадт» в показателях и ПУ «Кронштадт» в отношениях

Таблица 2. ПУ «Кронштадт» в показателях (согласно данным статистического портрета)

Признак характерного множества показателей	Категории признака	Число показателей
Постоянные значения величин	Нет значений Одно значение	254 – исключены из исследования 96 – исключены из исследования
Малая изменчивость: преобладает одно значение	Других разных значений ≤ 7	29 .- исключены из исследования
Много повторяющихся значений	Всего	113
Наличие показателей с аномальными значениями	3 выброса 2 выброса 1 выброс	1 4 103
Показатели с нормальным распределением	Всего	49
Группы показателей с равными частотами	2 группы 3 группы 4 группы	95 27 289
Равномерность групп	Неравномерных	72
Интенсивность вариаций в группах	Большая Малая	154 103
Итого показателей деятельности ПУ «Кронштадт»		411

Таблица 3. ПУ «Кронштадт» в отношениях (согласно данным структурного портрета)

Признак множества структур	Категория признака	Число элементов множества
Парные связи	Информационная мера (по К. Э. Шеннону)	22162
	Непараметрические статистки	9742
	Положительные	17239
	Отрицательные	14082
	Сильные	640
	Сложные	3032
	Монотонные	18392
Звездные структуры графа связей	Подобные	12
Структуры в двухдольных графах	Треугольники	От 19 до 956346
	Вхождение вершин в треугольники	От 14 до 22506
	Треугольники противоречий	От 0 до 87200
	Вхождение вершин в треугольники противоречий	От 0 до 6078
Граф связей	Вершины	411
	Ребра	31904
	Степени вершин	От 9 до 292

Таблица 4. ПУ «Кронштадт» (проявленность системы)

Элементы эмпирического контекста системы			Оценка проявленности
Сегменты	Лучшие	«Персонал», «Производство воды», «2-й подъем», «Биологическая очистка»
	Худшие	«Сооружения», «Выпуск»
Пропуски данных			Большое количество пропусков
Представительность данных			Недостаточная
Показатели с малой изменчивостью			40 показателей
Показатели с большим числом повторяющихся значений			Среднее число повторяющихся значений - 113
Показатели с аномальными значениями			108 показателей
Группирование показателей			Неудовлетворительное
Неинформативные показатели			Отсутствуют
Сложность системы			Проявлена недостаточно
Граф связей			Пригоден для выявления системных реконструкций
Плотность графа связей			Удовлетворительная (0,379)
Треугольники противоречий			Доля треугольников противоречий – невелика
Двухслойные графы			Сбалансированные графы – имеются
			Треугольники противоречий без выделенной вершины – много. Графов с малой долей противоречивых рёбер – много

Эмпирический контекст системы готов для передачи в Аналитическое ядро Технологической платформы ФОС.

Таблица 5. ПУ «Кронштадт» (сегменты системы).

Образующая системы	Сегменты		Количество показателей
Состояние системы ПУ «Кронштадт»	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	Сооружения Персонал Источник воды. 1-й подъем Производство воды 2-й подъем Водоподача Перекачка сточной воды Механическая очистка Биологическая очистка Выпуск	35 20 36 31 34 46 43 32 47 87
Всего показателей состояния системы			411
Окружение системы	1	Температура, осадки	9
ИТОГО показателей			420

По результатам систематизации данных, можно увидеть их уменьшение, это можно увидеть в таблице, представленной ниже.

Таблица 6. Карта решения проблем аварийности на основе ФОС

Этапы цепочки ценности	Результаты
1.Целевые показатели	Выбраны	Области критических значений установлены	Охват и оценка проблем согласованы с экспертами предметной области
2.Вовлечен-ные показатели	Количество и состав вовлеченных показателей установлены	Распределение показателей по видам деятельности и характеру воздействия установлено		Главное подмножество вовлеченных показателей найдено
3.Модели знания	Все модели знания получены и ранжированы	Целевые модели знания найдены и ранжированы	Свойства целевых моделей знания раскрыты		Все лучшие и хорошие модели знания получены
4.Эталонные состояния	Эталонные состояния всех локальностей системы установлены	Эталонные состояния ядер всех локальностей системы установлены			Диаграммы знаний для всех целевых локальностей системы получены
5.Реальные состояния	Реконструкции всех актуальных состояния получены	Все целевые реконструкции актуальных состояний получены	Получены упрощенные реконструкции актуальных состояний (при необходимости)		Эволюция системы представлена
6.Знание об аварийности	Знание о факторах, показателях и механизмах получено	Знание обо всех ПЭУ ЮЗВ получено	Управление рисками и менеджмент аварийности обеспечены полученными знаниями		Ценность системного знания об аварийных ситуациях, рисках аварийности, авариях и эволюции состояний определена