Введение к работе
Актуальность проблемы. Нефтегазовое производство занимает ключевое место в топливно-энергетическом комплексе экономики России. Удельный рост природного газа в структуре ' производства первичных энергоресурсов страны составляет около 5055.
Обслуживание- нефтегазовых технологических процессов и производств, являясь их неотъемлемой частью и отражая их специфические особенности, носит многоплановый, сложный характер и во многом обеспечивает условия прогрессивного развития самой нефтегазовой отрасли.
В настоящее время производственные потери, связанные с обслуживанием нефтегазового производства, достаточно велики.
Одними из ведущих подотраслей нефтегазового производства являются добыча и транспорт нефти и газа, в которые производится около 60 его капиталовложений.
В обеспечении эффективного функционирования этих и других видов нефтегазового производства одно из значительных мест занимает эффективнее проведение таких процессов обслуживания, как техническое обслуживание и ремонт (ТОР) технологического оборудования и геофизические исследования скважин (ГИС), ЯВЛЯЮЩИХСЯ необходимым и наиболее капиталоемким видом информационного обслуживания как процессов бурения, так и процессов добычи нефти и газа.
Отличительные особенности условий осуществления процессоз обслуживания заключается в том, что в настоящее-время в нефтегазовой отрасли имеет место высокая изношенность основных фондов (оборудования я сооружений), увеличение числа простаивающих скважин, трехкратное уменьшение эксплуатационного бурения и взо-да в работу новых скванин. Согласно данным правительства России болез ВС% установленного оборудования нуждается в .обновлении илі. nojfiiofi замене.
- 4 - .
Производственные объекты нефтегазовых предприятий, являющиеся также и объектами обслуживания, в большей своей части разобщены и расположены на значительных территориях страны. Число и разнообразие этих объектов исчисляется сотнями и тысячами, а проведение их обслуживания (в том числе ГИС и ТОР) требует больших материально-технических и трудовых ресурсов. Технологические и организационные условия проведения,как основных производственных процессов, так и процессов обслуживания (включая ГИС и ТОР) таковы, что они сопровождаются, с одной стороны, статистической неопределенностью, а с другой - неопределенностью, связанной с нечеткостью (размытостью) информации, на основании которой принимаются управленческие решения.
В этих условиях приобретают особую важность проблемы авто- . матизации управления процессами обслуживания с целью повышения их эффективности.
В автоматизации управления проведением геофизических исследований скважин сложилось положение , при котором основное внимание специалистов было сосредоточено на методических и экономических аспектах моделирования и оптимизации проведения отдельных геофизических работ, позволяющих наиболее полно решить поставленные геологические, задачи, и на разработке более совершенных аппаратуры и оборудования, обеспечивающих внедрение передовых методик в практику полевых работ. В автоматизации управления техническим обслуживанием и ремонтом объективная необходимость в наибольшей степени учитывать специфику различных групп технологических объектов ТОР данной подотрасли привела к тому, что основное внимание специалистов сосредоточилось на автоматизации управления проведением ТОР на отдельно взятых объектах (или их небольших группах). Моделированию и оптимизации проведения ГИС и ТОР для всей совокупности технологических объектов, имеющихся на предприятии, то есть для предприятия в целом, с целью обеспечения наиболее эффективного его функционирования, уделялось недос-
таточное внимание.
Проблема заключается в том, что повышение эффективности обслуживания (включая ГИС и ТОР) нефтегазовых технологических процессов и производств не обеспечивается только этой одной ее составляющей - оптимизацией обслуживания на отдельно взятых объектах. Необходимо также оптимизировать соотношение количества объектов обслуживания, материально-технических и трудовых ресурсов в конкретной системе обслуживания (предприятии) и взаимодействие этих элементов системы в процессе обслуживания, увязав их с задачами обслуживания отдельных объектов.
Поэтому в настоящее время ключевой является проблема эффективного решения организационно-технологических задач процессов обслуживания определенного целевого назначения, всей большой совокупности технологических объектов нефтегазового предприятия, с определением соотношения количества и взаимодействия в процессе проведения обслуживания объектов обслуживания, бригад обслуживания и материально-технических ресурсов (МТР).
Одним из основных препятствий на пути автоматизации решения этой поставленной проблемы является отсутствие:
концепции моделирования и оптимизации организационно-технологических задач обслуживания определенного целевого назначения ( в частности, задач по проведению ГИС и ТОР);
системы адекватных математических моделей, которые, обеспечивая анализ и оптимизацию решения отдельных организационно-технологических задач управления процессами обслуживания, определенного целевого назначения, позволяли бы осуществить их комплексное решение;
методов и решений по созданию информационного и программного обеспечения системы моделей автоматизации управления процессами обслуживания.
Таким образом задачи разработки методов и моделей для автоматизации управления процессами обслуживания определенного
целевого назначения (в частности. ГИС и ТОР), всей соответствующей большой совокупности технологических обьектоз предприятия нефтегазового производства, являются крупной научно-технической проблемой, имеющей большое научное и народно-хозяйственное значение. На данном этапе она является актуальной и неотложной.
Цель настоящей диссертационной работы состоит в разработке методов, и моделей автоматизации.управления_„оіслуживанием нефтегазовых технологических процессов и производств применительно к проведению геофизических исследований скважин и техническому обслуживанию и ремонту объектов добычи и транспорта нефти и газа, которые обеспечивают анализ и оптимизацию структур и процессов управления обслуживанием всей соответствующей этим видам обслуживания совокупности технологических объектов нефтегазового предприятия, с учетом факторов, определяемых технологией и условиями реализации процессов обслуживания.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие логически связанные между собой задачи:
провести анализ, обобщение и классификацию видов процессов и задач обслуживания нефтегазовых технологических процессов и производств: выявить и обобщить особенности задач автоматизации управления процессами обслуживания применительно к условиям проведения ГИС и ТОР технологических объектов добычи и транспорта нефти и газа;
разработать концепцию моделирования и оптимизации организационно-технологических задач обслуживания определенного целевого назначения ( ГИС и ТОР) и соответствующую этой концепции систему математических моделей, которая обеспечизала бы комплексное решение, входящих в нее задач;
разработать в соответствии с предложенной концепцией методы, математические модели и алгоритмы реализации системы математических моделей;
- разработать методы и создать информационное и программное обеспечение разработанной системы моделей автоматизации управления процессами обслуживания;
Методы исследований. Для достижения поставленной цели использованы методы системного анализа, теории массового обслуживания, теории марковских случайных процессоз с непрерывным временем и дискретными состояниями, динамики средних, математического программирования, теории нечетких множеств, линейных экономических моделей и экспертных систем.
Основные научные положения, выносимые на зашиту.
-
Общесистемные принципы автоматизации управления процессами обслуживания нефтегазовых технологических процессов и производств применительно к' проведению ГИС и ТО?.
-
Математические модели функционирования систем обслуживания.
-
Математические модели и методы оптимизации структуры систем обслуживания.
-
Математические модели и методы оптимизации текущего, календарного планирования и оперативного регулирования процессоз обслуживания (ПІС и ТОР) объектов добычи и транспорта нефти и газа.
-
Архитектура специализированной гибридной экспертной системы и ее математические модели и алгоритмы для выделения обобщенных элементоз системы обслуживания и оценки эффективнее;:: (качества) операций обслуживания.
Научная новизна. В работе проведено теоретическое обобщение исследований по созданию и развитии методов и средств автоматизации управления процессами обслуживания нефтегазовых технологических процессов и производств.
Впервые получены следующие научные результаты.
1. Созданы общесистемные основы автоматизации управления обслуживанием нефтегазоЕЬК технологических процессоз и про;::--
водстз применительно к процессам проведения ГИС и ТОР объектов добычи и транспорта нефти и газа, то есть:
разработана концепция моделирования и оптимизации организационно-технологических задач обслуживания нефтегазового производства, которая основана на принципиальном положении о выделении среди элементов системы обслуживания (объектов обслуживания, бригад обслуживания_и_МТР) обобщенных (типовых) элементов - однородных по своим характеристикам, в зависимости от решаемой задачи, групп (классов) этих элементов, относительно которых решаются все необходимые организационно-технологические задачи;
разработана иерархическая система моделирования, в которой на первом, уровне - модели функционирования и оптимизации структуры систем обслуживания, модели оценки эффективности (качества) операций обслуживания и выделения обобщенных элементов системы обслуживания, на втором уровне - модели текущего планирования процессов обслуживания, на третьем уровне - модели календарного планирования и оперативного регулирования.
предложен функционально-объектный метод построения унифицированного программного и информационного обеспечений системы моделей автоматизации управления процессами обслуживания, состоящий в построении этих обеспечений в виде открытой системы проблемно-ориентированных АРМ, включающих в свой состав гибридную экспертную систему.
2. Разработаны математические модели и алгоритмы, описывающие функционирование систем обслуживания как марковских замкнутых СМО, у которых как источники заявок, так и каналы обслуживания имеют различные интенсивности, а также математические модели, позволяющие осуществить оптимизацию на основе метода дихотомии структуры этих СМО, то есть рассчитать экономически оптимальное соотношения как числа объектов обслуживания и каналов обслуживания, так и разбиение всей системы обслуживания (СМО) на подсистемы.
-
Разработаны математические модели и алгоритмы, описывающие методом динамики средних взаимодействие в процессе обслуживания трех марковских случайных процессов {объекты обслуживания, материально-технические и трудовые ресурсы) и позволяющие на основе метода дихотомии находить их экономически оптимальное соотношение.
-
Разработаны математические модели и алгоритмы автоматизации решения организационно-технологических задач текущего планирования процессов обслуживания нефтегазовых технологических процессов и производств, которые являются моделями нечеткого дискретного математического программирования с булевыми переменными.
-
Предложена архитектура специализированной гибридной экспертной системы и разработаны, включаемые в ее состав оптимизационные модели и экспертные процедуры, позволяющие:
оптимизировать выделение (расчет) обобщенных агрегированных (типовых) элементов системы обслуживания, обеспечивавших оптимизацию, решения ее основных организационно-технологических задач: -
осуществить оценку комплексной полезности (эффективности) операций обслуживания и выделение и ранжирование признаков классификации элементов системы обслуживания при их типизации (агрегировании), получая компромиссные решения двух экспертных групп с (возможно) противоположными интересами.
6. Разработаны математические модели и алгоритмы оптимиза
ции расписаний работы бригад обслуживания, которые учитывают
специфику проведения операций обслуживания на предприятиях неф
тегазового производства применительно к проведению ГИС и ТОР.
Практическая ценность работы заключается в том, что использование разработанных в ней методов, моделей, алгоритмов и программных средстз позволяет повысить эффективность работы служб производственно-технического обслуживания (и в частности ГИС ;:
ТОР) объектов добычи и транспорта-нефти и газа за счет оптимизации их структуры и оптимального управления процессами обслуживания заявок, адаптирующихся как к реальным техническим и технологическим условиям работы, так и к условиям рыночной конкуренции при планировании и организации их проведения. Модульность и универсальный характер предложенных теоретических и технических решений по разработанных программных средств предоставляют возможность их использования и в других отраслях промышленности, а также в учебном процессе при подготовке и переподготовке инженерных кадров по специальности 22.02, 21.02.
В диссертационную работу включены результаты, полученные азтором в ГАНГ им. И.М.Губкина в период с 1980 по 1997 год в процессе выполнения хоздоговорных и госбюджетных НИР, а также в порядке личной инициативы.
Теоретические и практические результаты работы нашли применение в работе ассоциации "Газпромгеофизика" и "Производственном объединении транссибирских магистральных нефтепроводов", производственном объединении "Татнефть", а также при преподавании автором дисциплин "Проектирование АСУ", "Надежность функционирования АСУ", "Математические модели информационных процессов и управления".
Апообаиия работа. Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных, Всероссийских и Международных научно-технических конференциях, совеканиях к семинарах, таких как: Ш-е Всесоюзное совещание "Надежность и эффективность АСУ ТП и АСУП" (г.Суздаль, 1934); Всесоюзный семинар "Опыт безвахтной эксплуатации автоматизированных УКПГ с внедрением периодического технического обс-"/лнзания (г.Москва. ВДНХ. 1988г.); Всесоюзная научно-техническая конференция "Теория и практика автоматизации управления отраслями народного хозяйства" (г.Москва, 1988г.); Научно-техническая конференция "Автоматизация управления объектами газовой
промышленности (г.Калининград. 1991г.); Всесоюзная научно-техническая конференция "Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов" (г.Новосибирск. 1991г.); Всесоюзная научная конференция "Интеллектуализация систем управления" (г.Баку, 1991г.); Всероссийская научная конференция "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса" (г. Москва. 1994г.); Twenty First International Conference Macrora6del'94 (Lodz. Poland." 1994y.): ICAFS'96. Second International Conference on Application of Fussy Systems and Sort Computing (Slegen. Germany. 1996y.); Всероссийская научная конференция "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (г.Москва, 1997г.) и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы 359 страниц, в том числе 27 рисунков и 24 таблицы. Список использованной литературы включает 198 наименований.