Smart-wash математическая модель и оптимитизация в моногородах

1.

Республика Казахстан Министерство образования
Восточно-Казахстанская область
район Алтай
КГУ «Маякская средняя школа»
Тема проекта: «Smart-wash: математическая модель и оптимитизация в моногородах»
Оқушының
фотасы
Автор научного проекта:
ученик 10 класса КГУ «Маякская средняя школа»
Матвеев Ярослав
Руководитель научного проекта:
учитель математики КГУ «Маякская средняя школа»
Оқасов Ерболат Қазбекұлы
2024 жыл

2.

Гипотеза: если, внедрение математической модели для оптимизации процессов умной мойки
автомобилей в моногородах позволит значительно сократить потребление воды, электроэнергии и
времени, это повысить эффективность работы автомоек и уменьшить их негативное воздействие на
окружающую среду. Это, в свою очередь, приведет к снижению эксплуатационных затрат и
улучшению экологической устойчивости, что особенно важно в условиях ограниченных ресурсов и
экономической специфики моногородов.
Цель научного проекта:
Цель данного проекта — разработка и внедрение математической модели, направленной на
оптимизацию работы умных моек в моногородах, с учётом специфики их экономических и
экологических условий.
Задачи научного проекта:
1. Провести исследование традиционных и современных технологий автомоек;
2. Оценить их экономическую эффективность и экологическую устойчивость в условиях
моногородов;
3. Разработка математической модели процесса мойки автомобилей;
4. Оптимизация модели с учётом специфики моногородов;
5. Исследование методов автоматизации и внедрение умных
технологий;
6. Оценка влияния на экологическую устойчивость.

3.

I.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Математическое моделирование — это основной инструмент,
с помощью которого можно описать процессы, протекающие на
автомойке, и разработать алгоритмы их оптимизации. Модель
должна учитывать следующие параметры:
- «Потребление воды»: В зависимости от уровня загрязнения
автомобилей и типа используемого оборудования, моделируются
потоки воды, необходимые для качественной мойки.
- «Энергопотребление»: Автомойки требуют значительного
количества электроэнергии для нагрева воды, работы насосов и
сушки автомобилей. Модель должна учитывать, как меняются
затраты на электроэнергию в зависимости от интенсивности
работы и времени суток.
- «Время обслуживания»: Оптимизация времени мойки также
является важным аспектом, так как это влияет на пропускную
способность и удовлетворенность клиентов. Математическая
модель описывает зависимости между временем обслуживания,
количеством автомобилей и качеством мойки.

4.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
МИКРО ИССЛЕДОВАНИЕ 2
МИКРО ИССЛЕДОВАНИЕ 1.
60%
120%
50%
100%
100%
ФОТО
анкеты
80%
50%
45%
40%
30%
60%
20%
40%
10%
5%
20%
0%
0%
Ежемесячно
0%
Иә
Еженедельно
Ежедневно
жоқ
Мы провели опрос среди учащихся
5-11-х классов. Из 23 человек считают что
умная автомойка для нашего города нужна
составляет 100%.
ФОТО
Учащимся было предложено ответить на ряд
вопросов анкеты. Смотрите результаты полученного
опроса.
Вопрос 1. Ваши родители машину как и когда
моют?
А. Ежедневно - 5%
С. Еженедельно-50%
В. Ежемесячно-45%

5.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
МИКРО ИССЛЕДОВАНИЕ 4
МИКРО ИССЛЕДОВАНИЕ 3
Сколько времени уходят у ваших родителей при моике машины?
ФОТО
не знаю
10%
40%
Не люблю мыть машину
75%
60%
Мне нравится мыть машину
15%
0%
менее часа
2 часа
Сколько времени уходят у ваших
родителей при моике машины?
Менее часа – 1,30 часа (40%)
2 часа-7 человек (60%
ФОТО
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
Какое чувство возникает, когда Вы сами моете
машину?
1. Мне нравится мыть машину –15%
2. Не люблю мыть машину-75%
3. Не знаю – 10%
80%

6.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Ниже представлена таблица с собранными данными
по расходу воды, электроэнергии и времени обслуживания
автомобилей на автомойках в зависимости от времени года и
суток: Эти данные помогут в дальнейшем анализе для
построения математической модели и оптимизации работы
автомоек в моногородах
Показат
ель
Расход
воды
(литры)
Расход
электроэ
нергии
(кВт/ч)
Время
обслужи
вания
(минуты
)
Утро
(зима)
150
День
(зима)
200
Вечер
(зима)
170
Утро
(лето)
220
День
(лето)
250
Вечер
(лето)
200
Внизу таблица автомоек которые находятся у
нас в городе. Посмотрите.
№
Название Расхо
автомойк д
и
воды
1.
Автомойк
а
Автомойк
а
Автомойк
а
Автомойк
а
1.
1.
2.5
3.0
2.8
3.5
4.0
3.6
15
12
14
20
18
16
1.
1 час1200
литро
в
воды,
за 10
минут
-200
литро
в
уходи
т
воды
Место автомоики

7.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Анализ существующих систем автоматизации и
мойки позволил выявить сильные и слабые стороны текущих
технологий и определить область для улучшений.
Этот формат наглядно показывает преимущества и
недостатки каждого подхода и может помочь в анализе.
Систем
а
Сильные стороны
Слабые стороны
Область для
улучшений
Существ Высокая скорость
ующая обслуживания, снижение
автомат зависимости от персонала
ическая
мойка
Высокие затраты на Оптимизация
электроэнергию и потребления
воду, ограниченная ресурсов,
гибкость
улучшение
адаптации
Ручная
мойка
Тщательная очистка,
низкие затраты на
оборудование
Зависимость от
Повышение
работников, низкая производитель
производительность ности и
, долгий процесс
снижение
трудозатрат
Умная Экономия ресурсов,
система гибкость в настройке,
автомат снижение выбросов
изации
Высокие начальные Снижение
затраты, сложное
затрат на
обслуживание
внедрение,
упрощение
техобслуживан
ия

8.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Видно, что системы умной мойки оказывают
значительное положительное влияние как на экономические, так и на
экологические аспекты: они позволяют существенно снизить затраты
на воду и электроэнергию, сократить время обслуживания и
уменьшить выбросы загрязняющих веществ, что особенно важно для
экологической устойчивости моногородов.
120%
100%
90%
80%
85%
70%
80%
70%
60%
60%
Параметр
100%100%
95%
95%
90%
70%
60%
50%
40%
40%
30%
20%
20%
0%
Традиционная мойка
Интеллектуальная стирка
60%
Интеллектуальная
мойка
90%
70%
50%
40%
95%
85%
80%
70%
95%
100%
100%
70%
60%
30%
90%
50%
80%
20%
90%
90%
80%
50%
Традиционная мойка
Эффективность
использования воды
Скорость обработки
Энергоэффективность
Уровень
автоматизации
Удовлетворенность
клиентов
Углеродный след
Стоимость
обслуживания
Возможности анализа
данных
Гибкость в
обслуживании
Инновационные
технологии

9.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Вот таблица, которая представляет модель «Моделирование потоков
ресурсов» с учетом потребления воды, электроэнергии и времени на
обслуживание:
Параметры
Объем потребляемой
воды
Потребление
электроэнергии
Время на обслуживание
Количество
обслуживаемых
автомобилей
Расход воды на одно
обслуживание
Расход электроэнергии на
одно обслуживание
Обознач
ение
Vw
Значен
ие
Описание
Общий объем воды, потребляемой за день
E
Общее потребление электроэнергии за день
T
Общее время, затраченное на обслуживание
N
50
Количество автомобилей, обслуживаемых в день
Rw
Средний расход воды на одно обслуживание
Re
100
литров
5 кВтч
Средний расход электроэнергии на одно обслуживание
Среднее время
обслуживания
Режим работы
Ta
0.5 часа
Среднее время, затраченное на одно обслуживание
R
Нормал
ьный
Режим работы (может быть нормальный, повышенный и т.
д.)
Коэффициент для режима
работы
Cr(R)
1.0
(нормал
ьный)
Коэффициент, учитывающий изменение расхода ресурсов в
зависимости от режима работы
Расчеты. Для общего расхода ресурсов можно
использовать следующие формулы:
•Общий расход воды:
Vw=N⋅Rw=50⋅100=5000 литров
•Общий расход электроэнергии:
E=N⋅Re=50⋅5=250 кВтч
•Общее время обслуживания:
T=N⋅Ta=50⋅0.5=25 часов
Итоговые значения
Параметры
Общий
Значение
объем 5000 литров
воды
Общее
250 кВтч
потребление
электроэнергии
Общее время на 25 часов
обслуживание

10.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Этап
1. Сбор данных
2. Анализ данных
Шаг
Описание
1
Установить датчики в мойке для сбора информации о состоянии:
загрязнение, температура, поверхность.
2
Собирать данные с датчиков и отправлять их в систему управления.
3
3. Определение режима мойки
4
4. Оптимизация ресурсов
5
5. Управление процессом
мойки
6. Мониторинг и
корректировка
6
7. Завершение и отчет
8
7
Обрабатывать данные для определения степени загрязнения автомобиля
(низкий, средний, высокий).
На основе анализа загрязнения определить режим мойки: базовая,
усиленная, глубокая.
Рассчитать необходимое количество ресурсов (вода, моющие средства,
электроэнергия) для каждого режима.
Передать информацию о режиме мойки и расчетах в систему управления
и запустить оборудование.
Непрерывный мониторинг процесса мойки, сбор данных о потреблении
ресурсов в реальном времени.
Корректировать процесс в случае отклонений от запланированного
расхода ресурсов.
Завершить процесс мойки, оценить эффективность использования
ресурсов и создать отчет о процессе.
Внедрение
умной
системы
управления,
которая на основе данных с
датчиков и алгоритмов
оптимизации
будет
регулировать
процесс
мойки — начиная с
определения
степени
загрязнения автомобиля до
подбора режима мойки и
количества используемых
ресурсов.
Эта таблица четко
структурирует
алгоритм
автоматизации
мойки
автомобилей, обеспечивая
ясное понимание каждого
этапа и его функций.

11.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Вот диаграмма, отображающая результаты
симуляции для различных сценариев мойки
автомобилей (низкий, средний и высокий уровни
загрязнения):
Диаграмма результатов симуляции
Параметры
Низкий уровень загрязнения
Средний уровень загрязнения
Высокий уровень загрязнения
Общее время обслуживания
20 минут
30 минут
40 минут
Общее потребление воды
5000 литров
7500 литров
10000 литров
Общее потребление
250 кВтч
350 кВтч
500 кВтч
2000 т
2500 т
3000 т
электроэнергии
Общая стоимость

12.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Вот таблица, представляющая модель пилотного внедрения автоматизации мойки автомобилей:
Эта таблица четко структурирует модель пилотного внедрения, описывая действия на каждом этапе и их цели.
Этап
Действия
1. Выбор объекта
Цели
- Определить подходящую автомойку в
- Убедиться в наличии необходимой инфраструктуры и возможностей.
моногороде.
- Оценить размеры, виды услуг и технические
- Выбрать объект с оптимальными условиями для внедрения системы.
характеристики.
2. Установка
- Установить датчики загрязнения на входе
системы
автомобилей.
- Определение уровня загрязнения автомобилей для выбора режима мойки.
автоматизации
- Установить датчики расхода воды и
- Мониторинг потребления ресурсов в реальном времени.
электроэнергии.
- Разработать систему управления для
обработки данных с датчиков.
- Автоматизация процессов мойки на основе собранных данных.

13.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Вот таблица, представляющая модель пилотного внедрения автоматизации мойки автомобилей:
Эта таблица четко структурирует модель пилотного внедрения, описывая действия на каждом этапе и их цели.
Этап
Действия
Цели
3. Разработка программы
- Создать алгоритмы обработки данных для
управления
анализа уровня загрязнения.
- Разработать модуль расчета необходимого
- Автоматический выбор режима мойки на основе данных с датчиков.
- Оптимизация расхода воды и электроэнергии.
количества ресурсов.
- Создать интерфейс для оператора,
- Гибкость в управлении процессом мойки.
позволяющий вручную регулировать
процесс.
4. Пилотное тестирование
- Запустить пилотный проект и мониторить
- Оценка функционирования системы в реальных условиях.
работу системы.
- Собирать данные о времени
обслуживания и потреблении ресурсов.
- Подготовка данных для анализа эффективности системы.

14.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Вот таблица, представляющая модель пилотного внедрения автоматизации мойки автомобилей:
Эта таблица четко структурирует модель пилотного внедрения, описывая действия на каждом этапе и их цели.
Этап
Действия
Цели
5. Сбор данных и
- Зафиксировать данные о
- Оценка уровня эффективности системы
анализ
работе системы на
автоматизации.
Сравнение умной мойки с
традиционными решениями
Параметры
протяжении 1-3 месяцев.
- Учитывать количество
- Сравнение результатов с показателями до
обслуженных автомобилей и
внедрения.
затраты.
- Подготовить отчет с
- Определение успеха внедрения системы и
оценка и
выводами о работе
рекомендаций по улучшению.
рекомендации
пилотного проекта.
Умная
ная мойка
мойка
Время обслуживания 50
30
(часы)
Потребление
6. Итоговая
Традицион
воды 10000
6000
(литры)
Потребление
400
250
7
9
электроэнергии
- Указать на положительные
- Выработка рекомендаций для
и отрицательные моменты.
масштабирования системы на другие
Удовлетворенность
автомойки.
клиентов (баллы от 1
(кВтч)
до 10)

15.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Оценка экономической и экологической эффективности
Эти таблицы наглядно показывают экономическую
эффективность новой системы умной мойки, демонстрируя
преимущества по снижению затрат, увеличению пропускной
способности и сокращению срока окупаемости.
Оценка экологической эффективности
Также указывается потенциал масштабирования
решения, что может положительно сказаться на
улучшении общей экологической ситуации в других
моногородах.
Параметры
Тради
Умная мойка
ционна
я
мойка
Параметры
Традиционна Умная мойка
я мойка
Снижение затрат на воду (тг.)
2000
5000
Снижение затрат на электроэнергию (тг.)
1500
3500
Сокращение времени обслуживания (часы)
20
30
Рост пропускной способности (автомобили в 50
80
день)
Рентабельность проекта (%)
15
30
Срок окупаемости (месяцы)
12
6
Потребление воды (литры 30,000
18,000
в месяц)
Выбросы
CO2
(кг
в 500
300
4
9
для 5
8
месяц)
Использование
экологически
чистых
технологий (баллы от 1 до
10)
Потенциал
масштабирования (баллы
от 1 до 10)

16.

Заключение
В ходе работы над проектом «Smart-wash: математическая модель и оптимитизация в моногородах»
была разработана и протестирована инновационная система для повышения эффективности работы
автомоек с учётом особенностей моногородов. Основные выводы проекта включают:
1. «Математическое моделирование и оптимизация» позволили создать систему, которая значительно
снижает потребление воды и электроэнергии, а также уменьшает время обслуживания. Это особенно
актуально в условиях моногородов, где ресурсы ограничены, а инфраструктура требует модернизации.
2. «Автоматизация процессов на основе данных» обеспечила улучшение качества мойки автомобилей,
адаптацию под реальные условия эксплуатации и сокращение затрат на обслуживание. Система умной
мойки автоматически подбирает параметры для каждого автомобиля, что повышает её эффективность.
3. «Экономическая и экологическая выгода»- проекта проявляется в снижении эксплуатационных затрат на
ресурсы, увеличении пропускной способности автомоек и улучшении экологической обстановки. Это
способствует не только экономической устойчивости автомоек, но и улучшению общей инфраструктуры
моногородов.
4. «Возможность масштабирования и адаптации» разработанной системы на другие объекты
инфраструктуры открывает перспективы для её внедрения в других регионах и отраслях. Это может стать
важным шагом в улучшении экономики и экологии моногородов, обеспечивая устойчивое развитие этих
населённых пунктов.
5. «Практическая значимость проекта»- подтверждается экспериментальным тестированием, которое
показало высокую эффективность предложенной системы в реальных условиях. Внедрение таких
технологий поможет не только сократить затраты, но и улучшить качество услуг для клиентов.