Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ МОДЕЛИ НЕПРЕРЫВНЫХ ХТС НА ОСНОВЕ
НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ 11
1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ОСНОВЕ ТЕОРЕТИКО-МНОЖЕСТВЕННОГО ПОДХОДА.. 11
/./. / Обобщенное понятие технологической безопасности 12
1.1.2 Основные операции и отношения на множествах, формирующих оценку безопасности 12
1.1.3 Теоретико-множественные свойства управляющих воздействий по обеспечению технологической безопасности 21
1.1.4 Концептуальная модель технологической безопасности 22
1.2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОІ IF.CCOB ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ. ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАТОРОВ 24
1.2.1. Модели идеального смешения 24
1.2.2 Модели идеального вытеснения 26
1.2.3 Дискретные автоматные модели непрерывных ХТС. Метод разделения состояний 27
1.2.4 Построение дискретных моделей на основе теории нечетких множеств 35
1.3 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЗАДАЧАХ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ 40
1.3.1 Логические модели для диагностирования непрерывных динамических систем 41
1.3.2 Причинно-следственные модели объекта диагностирования 43
1.3.3 Модели в пространстве состояний 51
1.3.4 Параметрическая диагностика на основе интервального анашза 55
1.4 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ и 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 59
ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ХТС 61
2.1 ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ 61
2.1.1 Основные составляющие систем диагностики и управления технологической безопасностью 61
2.1.2 Классификация возмущающих и управляющих воздействий в системах обеспечения технологической безопасности 68
2.1.3 Основные задачи управления технологической безопасностью и многоуровневый подход к управлению ХТС. 7/
2.2 ПОСТРОЕНИЕ КАЧЕСТВЕННОЙ МОДЕЛИ РАЗВИТИЯ ОПАСНОСТЕЙ В ХТС, НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ МОДЕЛЕЙ 75
2.3 ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕНТРА и ИНДЕКСА БЕЗОПАСНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ХТС 78
2.4 ПОСТРОЕНИЕ ОБЛАСТИ БЕЗОПАСНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 86
2.5 ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 92
ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЯ НЕЧЕТКИХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЙ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ 94
3.1 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРЫ ОПАСНОСТЕЙ ХТС КАК ЧАСТИ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 94
3.2 МЕТОДИКИ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕИСПРАВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР И СВЯЗЕЙ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ и ПОИСКА ПЕРВИЧНОЙ НЕИСПРАВНОСТИ в ХТС 98
3.3 МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ФУНКЦИЙ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ ХТС в УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ 106
3.4 ВЫДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ БЕЗОПАСНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НА МНОЖЕСТВЕ ЭТАЛОННЫХ СОСТОЯНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КИСЛОТНОГО ОТДЕЛЕНИЯ
ПРОИЗВОДСТВА ВИСКОЗНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ 120
4.1 ОБОБЩЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ЗАДАЧІ І УПРАВЛЕНИЯ СУЛЬФИТНОГО ПРОИЗВОДСТВА ВИСКОЗНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ.. 120
4.2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.. 1 4.2.1 Общая характеристика задачи регулирования подачи серы и описание технологии кислотного отделения 123
4.2.2 Процесс плавления серы 126
4.2.3 Процесс получения сернистого газа 130
4.2.4 Процесс очистки сернистого газа .132
4.2.5 Операция приготовления сырой сульфитной кислоты 1
4.3 ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ДИСКРЕТНОЇ! МОДЕЛИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА РАЗДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЙ 138
4.4 НЕЧЕТКИЕ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ХТП И УПРАВЛЕНИЯ ТБ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ МОДЕЛЕЙ 156
5.1 СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В СОЗДАНИИ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ХТП 157
5. /. / Традиционные средства построения систем диагностики и управления ТП 157
5.1.2 Современные CASE— средства для разработки ИС технической диагностики ТП 159
5.1.3 SCADA-системы как средства построения систем диагностики и управления ТП 162
5.2 ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ХТС ; 166
5.3 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОІ ІНОЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОС ГИКИ ХТП и УПРАВЛЕНИЯ ТБ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ МОДЕЛЕЙ 168
5.4 АРХИ ҐЕКТУРД И РЕЖИМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ХТП И УПРАВЛЕНИЯ ТВ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ МОДЕЛЕЙ 169
5.5 ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ХТП И УПРАВЛПІИЯ ТБ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ МОДЕЛЕЙ 170
5.6 МЕТОДИКА ДИАГНОСТИКИ НЕИСПРАВНОС1 ЕЙ ХТС НА ОСНОВЕ ДЕРЕВЬЕВ ЛОГИЧЕСКОГО ВЫВОДА 174
5.7 РЕАЛИЗАЦИЯ МОДУЛЯ ВЫРАБОТКИ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ ВХОДНЫХ ДАННЫХ О
ПАРАМЕТРАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 177
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 180
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 182
ЛИТЕРАТУРА 184
Введение к работе
Эффективность современного химического производства, во многом зависит от соблюдения требований к обеспечению безопасности и эффективности функционирования химико-технологической процессов (ХТП). Для удовлетворения этих требований, необходимо разрабатывать новые подходы к диагностике состояний и управлению безопасностью ХТС на основе использования современных информационных технологий и интеллектуальных средств поддержки принятия решений.
Для большинства потенциально опасных производств, к которым относятся производства химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, химико-фармацевтической и других отраслей промышленности, задачи определения состояний для целей обеспечения безопасности в различных ситуациях, возникающих в технологическом цикле, являются актуальными.
Теоретические основы создания систем технической диагностики и управления технологической безопасностью химических производств разработаны и описаны в трудах академика В.В. Кафарова и учеников его школы проф. В.П. Мешалкина, Б.В Палюха, А.Ф. Егорова, Т.В. Савицкой и др.
Для решения проблем управления технологической безопасностью необходимо дальнейшее развитие методов диагностики состояний с учетом неопределенности функционирования технологического процесса, алгоритмов поиска источников нарушений, математических моделей используемых в решении задач определения состояний, а также разработка новых систем поддержки принятия решений на основе применения современных информационных технологий.
Диссертационная работа проводилась в рамках научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования технологических процессов КНЦ РАН по теме «Ситуационный синтез стратегий устойчивого развития региональных промышленных комплексов с учетом техногенно - природных рисков» в разделе «Методическое и программное обеспечение для прогнозирования развития, предупреждения и ликвидации техногенных аварии».
Цель диссертационной работы. Развитие методов и алгоритмов технической диагностики химико-технологических систем на основе построения и применения нечетких моделей для целей обеспечения безопасного функционирования ХТС.
Работа посвящена разработке методологического, алгоритмического и программного обеспечения автоматизированной информационной системы построения систем технической диагностики (СТД) для обеспечения безопасности функционирования технологических процессов в условиях неопределенности функционирования ХТС на основе теории нечетких множеств.
Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1)анализ современных методов, подходов и программных средств диагностики состояний ХТС;
2)развитие методов и алгоритмов диагностики состояний с использованием метода разделения состояний и математического аппарата нечеткой логики;
3)разработка методики построения нечетких моделей для анализа состояний ХТС. Построение на ее основе методики определения состояний для целей технической диагностики химико-технологических процессов (ХТП) и оценки уровня технологической безопасности;
4)разработка алгоритмов отображения и преобразования логико-лингвистических моделей, построенных на основе экспертных данных, в виде нечетких логических моделей для решения задач диагностики и определения областей безопасного функционирования ХТС:
5)на основе использования предложенных методов и алгоритмов разработать функциональную модель, архитектуру, информационное и программное обеспечение автоматизированной информационной системы построения СТД состояний и определения областей безопасного функционирования ХТС;
б)разработать модели диагностики конкретных ХТС и провести их апробация на контрольных наборах данных.
Методы исследования. В рабо і е использовались методы концептуального моделирования и системного анализа, аппарат математической логики и теории нечетких множеств, методы оценки состоянии технологических процессов, а также методы проектирования сложных программных систем.
Научная новизна работы заключается в следующем:
2) разработаны методика и алгоритмы диагностики состояний на основе использования нечетких моделей для оценки уровня технологической безопасности;
3) предложены методика и алгоритмы построения нечетких моделей химико-технологических процессов;
4) предложен алгоритм определения области безопасного функционирования на основе построения эталонного набора состояний ХТС.
5) разработаны архитектура и программно-алгоритмическое обеспечение автоматизированной информационной системы построения систем технической диагностики состояний и определения областей безопасного функционирования ХТС.
Положения, выносимые на защиту.
1. Алгоритмы и методика формирования эталонного набора состояний ХТС на основе набора состояний выделенных с помощью экспертных знаний.
2. Методика определения области безопасного функционирования на базе эталонного набора состояний ХТС.
3. Meюдическое н программно-алгоритмическое обеспечение построения нечетких моделей ХТС для целей диагностики.
Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе предложенных в работе методов и алгоритмов разработана модель автоматизированной информационной системы построения систем технической диагностики состояний и управления технологической безопасностью. Данная система реализована в среде визуального программирования Borland C++Builder. Система позволяет проектировать СТД химико-технологических процессов на основе готовых программных модулей и может быть использована для создания систем диагностики ХТС, а также в системах поддержки принятия решений на крупных промышленных предприятиях.
Автоматизированная информационная система построения СТД включает в себя алгоритмы формализации и визуализации экспертных знаний, а так же алгоритмы для построения нечеткой модели ХТП и оценки состояний в условиях неопределенности.
В работе также предсіавленьї алгоритмы построения дискретных диагностических моделей управления технологической безопасностью ХТП на примере кислотного отделения целлюлозно-картонного комбината (ЦКК).
Разработана общая методика проектирования систем технической диагностики ТП на основе построения нечетких моделей.
Применение разработанной в диссертации системы позволяет снизить затраты труда и времени на создание систем технической диагностики ХТС на конкретном производстве.
Методические и теоретические результаты работы были использованы в учебном курсе «Проектирование Информационных Систем» в Кольском Филиале Петрозаводского Государственного Университет.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обс\ ждались на следующих конференциях, семинарах и научных школах:
1. II Школа молодых ученых и специалистов «Комплексность использования минерально-сырьевых ресурсов — основа повышения экологической безопасности региона» (Апатиты, 2004 г);
2. VI Всероссийская школа-семинар «Прикладные проблемы управления макросистемами». (Апатиты, 2006г.); 3. VI, VII, VIII, IX Региональная научная конференция КФ ПетрГУ. (Апатиты, 2003 - 2006 гг.)
4. X Международная научная конференция КФ ПетрГУ. (Апатиты, 2007 г.);
5. II Международная научно-практическая конференция «Интеллектуальные технологии в образовании, экономике и управлении» (Воронеж, 2005 г.);
6. XIV-я Международная конференция «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, 2006 г.);
7. II Конференции «Теория и практика системной динамики». (Апатиты, 2006 г.).
8. XV-я Международная конференция «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва. 2007 г.);
9. XI Международная научная конференция КФ ПетрГУ. (Апатиты, 2008 г.);
10. VII Всероссийская школа-семинар "Прикладные проблемы управления макросистемами" (Апати і ы, 2008 г)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 28 печатных работ. В том числе: 4 - в журналах рекомендованных ВАК. 6 - материалы международных конференций. 4 -материалы всероссийских конференций, 14 - в других сборниках.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, 6 приложений, заключения, списка литературы (192 наименования). Общий объем работы составляет 189 машинописных страниц, включая 79 рисунков и 23 таблицы.
