Устройство для моделирования задачи о размещении

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для решения задачи определения оптимального распределения заданного потока продукции между ветвями многополюсных транспортных сетей со сложной структурой. Техническим результатом является расширение класса решаемых задач путем обеспечения исследования многоканальных транспортных сетей. Устройство содержит электрическую модель транспортной сети, модели пунктов производства, модели пунктов потребления и общий регулируемый источник тока. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано при создании специализированных вычислительных устройств, решающих задачи определения оптимального распределения заданного потока продукции между пунктами производства, пунктами потребления и ветвями (коммуникациями) многоплюсных транспортных сетей сложной структуры. Распределяемым потоком может быть поток как всевозможных однотипных материальных объектов, так и информационных сообщений.

Известно "Устройство для моделирования задачи о размещении производства" [1] , содержащее источники тока, матрицу, состоящую из диодов и источников ЭДС, и нелинейные двухполюсники, состоящие из последовательно соединенных нелинейных резисторов и источников тока с подключенными к ним параллельно диодами.

Недостатком этого устройства является то, что оно не позволяет решать задачи, которые сводятся к распределению одного общего заданного потока продукции при известных характеристиках пунктов производства, пунктов потребления и коммуникаций транспортной сети.

За прототип данного изобретения принято "Устройство для моделирования задачи о размещении" [2], содержащее регулируемый источник тока, электрическую модель транспортной сети, выполненную в виде двух параллельных ветвей, состоящих из соединенных последовательно диода, нелинейного резистора и источника тока, параллельно которому подключен второй диод, модели пунктов производства и модели пунктов потребления, выполненный в виде нелинейных двухполюсников из соединенных последовательно нелинейного резистора и двух источников тока, параллельно каждому из которых подключен диод, при этом к входным шинам модели транспортной сети подключены выходы моделей пунктов производства, к выходным шинам подключены выходы моделей пунктов потребления, а входы моделей пунктов производства и входы моделей пунктов потребления подключены к регулируемому источнику тока.

Работа устройства-прототипа представляет собой процесс распределения по элементам замкнутых электрических цепей электрического тока, генерируемого регулируемым источником тока, имитирующий оптимальное распределение заданного потока продукции по пунктам производства, пунктам потребления и ветвям транспортной сети.

Основными недостатками устройства-прототипа являются: ограниченность области применения устройства, обусловленная примитивностью модели транспортной сети, состоящей всего лишь из двух параллельных ветвей; высокие сложность и стоимость конструкции, обусловленные использованием в составе каждой модели пункта производства, каждой модели пункта потребления и модели транспортной сети по два активных электрических элемента в виде регулируемых источников тока, а также сравнительно сложных пассивных элементов в виде нелинейных резисторов; низкая устойчивость функционирования устройства, обусловленная наличием в моделях пунктов производства, моделях пунктов потребления и в модели транспортной сети цепей из параллельно соединенных между собой источника тока и диода при совпадающих направлениях их проводимости, что приводит к образованию короткозамкнутых цепей соответствующих источников тока; большие трудности фиксирования результатов моделирования, обусловленные отсутствием в цепях устройства приборов измерения и индикации величины протекающего тока.

Целью данного изобретения является: расширение области применения устройства для моделирования задачи о размещении, заключающееся в обеспечении возможности исследования многополюсных транспортных сетей со сложной структурой; снижение сложности и уменьшение стоимости конструкции; повышение устойчивости функционирования устройства; и облегчение фиксирования результатов моделирования.

Указанная цель в заявляемом устройстве достигается благодаря введению в состав электрической модели транспортной сети электрических моделей ветвей, соединяемых между собой в соответствии с топологией исследуемой транспортной сети, и дополнительному введению в состав его составных частей переменных резисторов, регулируемых ограничителей тока по максимуму и амперметров при соответствующей схеме соединения их между собой и с другими элементами устройства.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием дополнительных элементов при соответствующем схемном решении. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого устройства с другими аналогичными техническими решениями показывает, что наличие в подобных устройствах общего регулируемого источника тока, моделей пунктов производства, моделей пунктов потребления и модели транспортной сети известно. Однако благодаря дополнительному введению в состав устройства моделей ветвей, а также переменных резисторов, регулируемых ограничителей тока по максимуму и амперметров при соответствующем схемном соединении их между собой и с другими элементами устройства, появляются новые свойства заявляемого устройства, проявляющиеся в расширении области его применения, снижении сложности и уменьшении стоимости конструкции, повышении устойчивости функционирования и облегчения фиксирования результатов моделирования. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства для моделирования задачи о размещении, где обозначено: 1 - общий регулируемый источник тока; 2₁ - 2_m - модели пунктов производства; 3₁ - 3_n - модели пунктов потребления; 4 - модель транспортной сети; 5 - модели ветвей транспортной сети 4.

В качестве составных элементов в состав моделей составных частей устройства входят:
6 - переменные резисторы;
7 - регулируемые источники тока;
8 - диоды;
9 - регулируемые ограничители тока по максимуму;
10 - амперметры.

Каждая модель пункта производства (2₁-2_m) и каждая модель пункта потребления (3₁-3_n) характеризуется наличием входа и выхода и представляет собой соединенные последовательно переменный резистор 6, регулируемый ограничитель тока по максимуму 9, амперметр 10 и регулируемый источник тока 7, параллельно к которому подключен диод 8, причем оба они включены направлением проводимости от входа к выходу соответствующей модели.

Каждая модель ветви 5 состоит из двух параллельных цепей, каждая из которых содержит соединенные последовательно переменный резистор 6, диод 8, регулируемый ограничитель тока по максимуму 9 и амперметр 10, причем диоды 8 обеих цепей включены относительно друг друга в противоположных направлениях проводимости.

Под регулируемым ограничителем тока по максимуму 9 в предлагаемом устройстве понимается пассивный электрический прибор, внутреннее сопротивление которого равно нулю, пока величина проходящего через него тока не превышает установленного значения, и увеличивается до необходимой величины при возникновении предпосылок увеличения проходящего тока сверх установленного значения (максимума) так, чтобы в итоге величина тока не превысила установленного допустимого значения.

Составные части, образующие предлагаемое устройство, соединены между собой следующим образом.

Модели ветвей 5 соединяются между собой в соответствии с топологией исследуемой многополюсной сети, образуя тем самым модель транспортной сети 4.

Входы всех моделей пунктов производства (2₁-2_m) объединены между собой и подключены к выходу общего регулируемого источника тока 1.

Выходы всех моделей пунктов потребления (3₁-3_n) объединены между собой и подключены ко входу общего регулируемого источника тока 1.

Выходы моделей пунктов производства (2₁-2_m) и входы моделей пунктов потребления (3₁-3_n) подключаются к соответствующим узловым точкам модели транспортной сети 4.

В качестве примера на фиг. 1 изображена модель транспортной сети 4 в виде многополюсника ABCDFN, при этом выходы моделей пунктов производства подключены к узловым точка A, F и N, а входы моделей пунктов потребления подключены к узловым точкам B, C и D.

Структурная схема каждой модели ветви 5 показана на фиг. 1 на примере ветви AB.

Исходными данными для решения задачи оптимального распределения заданного потока являются:
общая величина Q распределяемого потока;
перечень пунктов производства (i=1, m) составных частей общего распределяемого потока Q, стоимость производства единицы величины потока C_пр.1.i, минимально-обязательное q_min.i и максимально допустимое q_max.i значения производимого потока на каждом из них;
перечень пунктов потребления (j = 1, n) составных частей общего распределяемого потока Q, стоимость потребления единицы величины потока C_пот.1.j, минимально-обязательное q_min.n.j и максимально допустимое q_max.j значения потребляемого потока на каждом из них;
для каждого направления передачи каждой yk ветви транспортной сети - стоимость передачи C_пер.1yk единицы величины потока и максимально допустимое значение величины передаваемого по нему потока q_max.yk.

В процессе подготовки устройства к работе необходимо выполнить следующие три операции:
1. В каждой модели пункта производства (2₁- 2_m), в каждой модели пункта потребления (3₁-3_n) и в каждой цепи (направлении) каждой модели ветви 5 транспортной сети устанавливаются определенные значения сопротивления соответствующих переменных резисторов 6, соответствующие заданным в исходных данных стоимости производства, потребления или передачи в соответствующем направлении единицы величины распределяемого потока. Величина устанавливаемого сопротивления обратно пропорциональна стоимости единицы обрабатываемого (производимого, передаваемого, потребляемого) потока; значение коэффициента пропорциональности рассчитывается применительно к каждому конкретному исполнению предлагаемого устройства.

2. В каждой модели пункта производства (2₁-2_m), в каждой модели пункта потребления (3₁-3_n) и каждой цепи (направлении) каждой модели ветви 5 транспортной сети устанавливаются определенные значения максимально допустимого тока соответствующего регулируемого ограничителя тока по максимуму 9, соответствующие заданным в исходных данных максимально-допустимым значениям величин производимого, потребляемого или передаваемого в соответствующем направлении потока. Значение коэффициента соотношения между величиной потока и величиной максимально допустимого тока также определяется исходя из конкретного исполнения предлагаемого устройства.

3. В моделях каждого пункта производства (2₁-2_m) и каждого пункта потребления (3₁-3_n) устанавливаются определенные значения величины генерируемого тока соответствующими регулируемыми источниками тока 7 согласно заданным в исходных данных значениях величин минимально-обязательно производимых q_min.i и минимально-обязательно потребляемых q_min.j потоков соответственно. Значение коэффициента соотношения между величиной потока и величиной генерируемого тока также определяется для каждого конкретного исполнения предлагаемого устройства.

Работает предлагаемое "Устройство для моделирования задачи о размещении" следующим образом.

Установив на общем регулируемом источнике тока 1 величину генерируемого тока, соответствующую заданной величине распределяемого потока Q, на всех элементах устройства практически мгновенно установится протекание тока определенной величины, соответствующее принципу наименьшего теплового действия в электрических цепях (принцип Максвелла). При этом, в силу тождественности моделирования, величина и направление протекания тока по составным частям устройства будут соответствовать оптимальному распределению заданного потока по исследуемым пунктам производства, ветвям транспортной сети и пунктам потребления. Следовательно, остается лишь зафиксировать показания амперметров 10, входящих в состав моделей составных частей устройства, и, используя единый для конкретного исполнения устройства коэффициент соответствия между величиной потока и силой тока, получить искомое распределение заданного потока между пунктами производства, пунктами потребления и коммуникациями (ветвями) исследуемой транспортной сети, которое в силу изложенного выше и будет оптимальным.

Как видно из приведенного описания, предлагаемое устройство является вполне работоспособным.

При этом в отличие от прототипа можно отметить следующие его достоинства:
1. Модель транспортной сети 4 благодаря возможности соединения между собой моделей ветвей 5 в любой комбинации позволяет моделировать многополюсную транспортную сеть с какой угодно сложной структурой, в результате чего существенно расширяется область возможного применения предложенного устройства.

2. Предложенное устройство характеризуется более простой конструкцией и меньшей стоимостью по сравнению с устройством-прототипом, поскольку:
а) в каждой модели пункта производства и каждой модели пункта потребления вместо двух активных электрических элементов (источников тока) и двух диодов используются только один активный элемент - регулируемый источник тока, выполняющий функцию ограничителя тока по минимуму, один пассивный элемент в виде регулируемого ограничителя тока по максимуму и один диод;
б) в моделях ветвей вместо активных элементов в виде источников тока используются пассивные элементы в виде регулируемых ограничителей тока по максимуму и вместо двух диодов в каждой цепи используется только по одному диоду;
в) в моделях всех составных частей устройства вместо нелинейных резисторов используются обычные переменные резисторы.

3. Предложенное устройство отличается более высокой устойчивостью функционирования, поскольку в его составе отсутствуют цепи из параллельно соединенных источников тока и диода при совпадающих направлениях их проводимости.

4. В предложенном устройстве процедуре фиксирования результатов моделирования не вызывает затруднений благодаря наличию в составе каждой модели составной части устройства амперметра.

Следовательно, можно сделать вывод, что цель, поставленная перед предлагаемым изобретением - расширение области применения устройства, заключающееся в обеспечении возможности исследования многополюсных транспортных сетей со сложной структурой, снижение сложности и уменьшение стоимости конструкции, повышение устойчивости функционирования устройства и облегчение фиксирования результатов моделирования - достигнута.

Предложенное устройство может найти применение на пунктах управления различными сложными действующими объектами и процессами, а также в проектных организациях, занимающихся их разработкой.

Технико-экономический эффект, обусловленный применением предложенного устройства, заключается в повышении оперативности и качества принимаемого решения при управлении соответствующими сложными объектами, а следовательно, в повышении эффективности их функционирования.

Количественная величина ожидаемого технико-экономического эффекта от использования предложенного устройства зависит в первую очередь от назначения, важности и сложности исследуемых объектов; ее определение возможно только после внедрения предложенного устройства на конкретных объектах.

Источники информации:
1. А.с. СССР N 224918, МКИ G 06 G 7/122, 1968, БИ N 26.

2. А.с. СССР N 477429, МКИ G 06 G 7/48, 1975, БИ N 26 (прототип).

Формула изобретения

Устройство для моделирования задачи о размещении, содержащее электрическую модель транспортной сети, модели пунктов производства, модели пунктов потребления и общий регулируемый источник тока, выход которого соединен со входами всех моделей пунктов производства, а вход соединен с выходами всех моделей пунктов потребления, в состав каждой модели пункта производства и каждой модели пункта потребления входят регулируемый источник тока и диод, соединенные между собой параллельно и включенные в направлении от входа к выходу соответствующей модели, отличающееся тем, что в состав электрической модели транспортной сети введены электрические модели ветвей, соединенные между собой в соответствии с топологией исследуемой транспортной сети, выходы моделей пунктов производства и входы моделей пунктов потребления подключены к соответствующим узловым точкам электрической модели транспортной сети, в состав каждой модели пункта производства и каждой модели пункта потребления введено по переменному резистору, по регулируемому ограничителю тока по максимуму и по амперметру, которые соединяются последовательно друг с другом и с соединенными параллельно между собой регулируемым источником тока и диодом, каждая модель ветви состоит из двух параллельных цепей, каждая из которых содержит соединенные последовательно диод, переменный резистор, регулируемый ограничитель тока по максимуму и амперметр, причем диоды обеих цепей включены относительно друг друга в противоположных направлениях проводимости.

РИСУНКИ

Рисунок 1