Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ. 6
Глава 1. ОСНОВНАЯ ПРОБЛЕМА И КОНЦЕПЦИЯ ЕЕ РЕШЕНИЯ
Объект и предмет исследования. Основные понятия и определения 17
Характеристика сложных промышленных объектов (СПО) как объектов мониторинга и диагностирования 22
Классификация систем мониторинга и диагностирования (СМД)
СПО 30
Проблема мониторинга и диагностирования СПО 39
Традиционные пути решения основной проблемы, их ограничения и
недостатки 44
1.6. Содержательная постановка задачи построения адаптивных СМД СПО...49
Принципы самоорганизации и их значимость для создания адаптивных СМД СПО 52
Основная концепция решения проблемы 58
1.9. Выводы 59
Глава 2. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СМД СПО
СМД как подсистема АСУ ТП 62
Организация и архитектура СМД СПО 68
Классификация, характеристика и анализ режимов работы СМД СПО 78
Анализ факторов, определяющих эффективность СМД СПО 85
Анализ и синтез критериев оценки качества СМД СПО 91
Формальная постановка и декомпозиция основной задачи
разработки методов и средств построения адаптивных СМД СПО 96
2.7. Выводы 106
Глава 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МОДЕЛИ
АДАПТИВНОЙ СМД И ЕЕ КОМПОНЕНТОВ
3.1. Разработка модели сложного промышленного объекта 109
3.1.1. Концептуальная модель СПО 109
Автоматная модель СПО 113
Имитационная модель СПО 115
СМД СПО как многофазная адаптивная система массового обслуживания 118
Исследование адаптивных характеристик модели СМД СПО 131
Комбинаторно-вероятностный метод анализа и исследования маршрутов в СМД с циклическим обслуживанием объектов 144
Моделирование остаточного ресурса СПО 152
3.6. Разработка модели для прогнозирования режимов загрузки СМД СПО
на основе полигармонического полинома 159
3.7. Принятие решения о выборе оптимальной стратегии устранения нерег-
ламентированных состояний на основе морфологического анализа и
игрового подхода 164
3.8. Выводы 169
Глава 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
ПОСТРОЕНИЯ АДАПТИВНЫХ СМД СПО НА ОСНОВЕ САМООРГАНИЗАЦИИ И КОЛЛЕКТИВНОГО ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ
4.1. Модель самоорганизующейся технической системы для распознавания
образов 171
Разработка алгоритмов синтеза разделяющей функции мажоритарного вида на основе метода группового учета аргументов (МГУА) 174
Исследование характеристик комбинаторного и итерационного
алгоритмов МГУА 183
Сопоставление способов распознавания состояний СПО на основе метода Байеса и метода разделяющих функций мажоритарного вида 190
Исследование адаптивной самоорганизующейся технической
системы для распознавания образов 194
Метод дихотомического диагностирования состояний СПО 199
Принципы построения адаптивных устройств распознавания
4
образов 205
Принципы разработки средств имитации СПО ....219
Особенности построения программных средств диагностирования
и прогнозирования СМД СПО 228
4.10. Выводы 233
Глава 5. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ БАЗИС ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ
АДАПТИВНЫХ СМД СПО
Организационно-технические принципы построения СМД СПО 237
Декомпозиция процесса проектирования СМД 243
Распределение стоимостного ресурса между подсистемами СМД 247
5.4. Характеристика методологического базиса СМД СПО 250
5.5. Выводы 254
Глава 6. РАЗРАБОТКА АДАПТИВНЫХ СМД СПО НА ОСНОВЕ
МЕТОДОВ И СРЕДСТВ САМООРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ
6.1. Разработка адаптивной СМД состояния алюминиевых электро
лизеров 256
Алюминиевые электролизеры как объекты мониторинга и диагностирования 256
Нерегламентированные состояния алюминиевого электролизера и методы их диагностирования 262
Подсистема сбора, регистрации и первичной обработки данных об объекте 269
Минимизация признакового пространства состояний алюминиевого электролизера на основе корреляционного метода 273
Планирование и организация эксперимента по сбору, регистрации
и первичной обработке исходных данных 276
6.1.6. Способы диагностирования анодного эффекта на алюминиевом
электролизере на основе корреляционного и дихотомического методов
распознавания образов 282
6.1.7. Способ диагностирования состояния "подмыкание анода"
алюминиевого электролизера 293
6.1.8. Прогнозирование анодного эффекта на алюминиевом электро
лизере 299
6.1.9. Алгоритм и программы диагностирования технологического состояния
алюминиевого электролизера 303
6.2. Применение метода дихотомического распознавания образов в
диагностике оборудования для нефтедобычи 310
Особенности мониторинга и технического диагностирования оборудования для нефтедобычи 310
Метод дихотомического диагностирования насосно-компрессорных труб на основе разделяющей функции мажоритарного вида 315
6.2.3. Способ оценки и прогнозирования технического состояния долота
буровой установки с использованием дихотомического метода
диагностирования 318
6.3. Выводы 327
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 330
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 335
ПРИЛОЖЕНИЕ А 355
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 359
ПРИЛОЖЕНИЕ В 364
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 366
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 370
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 377
Введение к работе
Актуальность проблемы:
Одним из основных факторов повышения эффективности производства является обеспечение работоспособности и оптимальных технологических режимов промышленного оборудования с использованием АСУ ТП, оснащенных современными средствами технической диагностики (ТД).
Качество функционирования и использования средств ТД в условиях крупных производств, техногенных систем, со сложной топологией расположения большого количества объектов в свою очередь определяется эффективностью организации систем ТД и управления режимами диагностирования на основе мониторинга общего состояния объектов.
Интеграция подсистем мониторинга и диагностирования в настоящее время обусловила острую необходимость создания методов и средств построения систем мониторинга и диагностирования (СМД), как единых систем, на основе общих критериев, принципов построения с учетом современного уровня развития техники и достижений в смежных областях науки.
Особую актуальность на современном этапе приобретает проблема разработки методологических принципов построения автоматизированных СМД для класса сложных промышленных объектов (СПО), характеризуемых сложным математическим описанием и дефицитом информации, необходимой и доступной для контроля. К данному классу относятся, в частности, объекты цветной металлургии и нефтедобычи.
Вопросам технической диагностики посвящен обширный перечень работ отечественных и зарубежных ученых. К этому перечню относятся работы Мозгалевского А.В., Пархоменко П.П., Согомоняна Е.С., Биргера И.А., Фомина Я.А., Глазунова Л.П., Павлова Б.В., Клюева В.В. Большую значимость при решении вопросов организации систем имеют работы Богданова А.А., Л. фон Берталанфи, Хакена Г., Пригожина И.Р., Клира Д., Флейшмана Б.С. Следует
7 особо отметить работы Эшби У.Р., Глушкова В.М, Ивахненко А.Г., Бусленко В.Н., Ту Д., Гонсалеса Р., Горелика А.Л., Воинова Б.С., Симанкова B.C., Луценко Е.В. - в которых большое внимание уделено теоретическим и практическим аспектам построения автоматизированных управляющих систем. Вопросам практической разработки, внедрения и эксплуатации средств контроля и диагностики в составе АСУ ТП цветной металлургии и нефтедобычи посвящены работы Деркача А.С., Гарнова В.К., Громыко А.И., Шайдурова Г.Я., Рабиновича Б.В., Туринского З.М., Баркова А.В., Тимашева С.А., Кузякина В.И., Алиева Т.М. и целого ряда других ученых.
Анализ известных работ показал, что существующие в теории технической диагностики методы не полностью учитывают специфику построения СМД СПО как единой сложной системы, выполняющей функции контроля, диагностирования, оценки состояния, прогнозирования и принятия решений, как на уровне всей техногенной системы, так и на уровне каждого объекта в частности, адаптирующейся к пространственно-временным изменениям параметров объектов. Интеграция частных методов в одну методологию не всегда приводит к методологии построения оптимальной системы. Для построения СМД СПО нужна единая методология, позволяющая на основе системных принципов и обобщенного критерия определять оптимальную организацию систем и эффективные режимы их функционирования, осуществлять поиск технических решений при разработке средств обеспечения систем на различных этапах проектирования.
Цель работы: разработка новых методов и средств построения эффективных адаптивных систем мониторинга и диагностирования сложных промышленных объектов.
Объектом исследования в работе являются системы мониторинга и диагностирования сложных промышленных объектов, в частности: алюминиевых электролизеров, оборудования для нефтедобычи.
8 Предметом исследования являются модели СПО и СМД, методология
построения организации и архитектуры СМД, а также аппаратно-программных
средств СМД.
Задачи исследований. Проблема создания методологии построения
адаптивных СМД СПО предполагает решение целого ряда задач, основными из
которых являются:
разработка обобщенной функционально-логической модели СПО;
анализ существующих методов и средств построения систем мониторинга и диагностики СПО и определение научной концепции создания единой методологии построения адаптивных СМД СПО;
разработка обобщенного критерия оценки эффективности СМД СПО, как сложной системы, и на его основе системы частных критериев для каждой подсистемы;
разработка математических моделей СМД СПО и ее компонентов для исследования и разработки оптимальной организации и архитектуры систем и обеспечивающих подсистем;
разработка и исследование методов и средств организации адаптивных СМД СПО и выбора эффективных режимов их работы;
разработка и исследование эффективных аппаратных и программных средств СМД СПО;
исследование и апробация разработанных методов и средств при построении адаптивных СМД состояния алюминиевых электролизеров и оборудования для нефтедобычи.
Методы исследований. В работе синтез и исследование моделей распознавания состояний объектов проведены с использованием теории вероятности, комбинаторики и метода группового учета аргументов. При разработке технического и программного обеспечения систем диагностики применен канонический метод проектирования цифровых автоматов, а также элементы теории множеств и теории графов.
Научная новизна. В диссертации впервые поставлена и решена комплексная задача построения адаптивных систем мониторинга и диагностирования СПО как интегрированных систем на основе принципов самоорганизации сложных систем. При этом:
предложена двухуровневая самоорганизующаяся система мониторинга и диагностирования состояния СПО, отличающаяся от аналогов способностью автоматического выбора оптимальных режимов работы подсистем при изменении характеристик входного потока заявок;
предложен единый подход, обеспеченный соответствующими методами и средствами, позволяющий синтезировать оптимальную структуру систем на этапе проектирования и выбирать оптимальные режимы работы подсистем в процессе эксплуатации.
представлен метод исследования СМД на основе многофазной конвейерной модели массового обслуживания с использованием блока адаптации к изменению интенсивности входного потока;
разработан комбинационно-вероятностный метод анализа режимов работы СМД с циклической дисциплиной обслуживания заявок;
разработан алгоритм вычисления числа маршрутов обслуживающего устройства в системе с циклическим обслуживанием заявок, обоснованный соответствующей теоремой;
- разработан новый подход для синтеза разделяющих функций мажоритарного
вида, позволяющий на основе метода группового учета аргументов с высокой
степенью достоверности и производительности решать задачу распознавания
образов по спектру случайных признаков распознавания.
- разработан дихотомический метод диагностирования СПО на основе
разделяющей функции мажоритарного вида;
- разработаны новый способ диагностирования и ряд оригинальных технических решений для построения адаптивных СМД СПО, защищенные патентами и авторскими свидетельствами на изобретение.
Практическая значимость и реализация результатов работы
10 Практическая ценность работы заключается в разработке современных научно обоснованных методов и средств для создания и эффективной эксплуатации адаптивных СМД СПО, в частности: алюминиевых электролизеров, оборудования для нефтедобычи.
Научные и практические результаты получены при проведении работ в рамках следующих бюджетных и хоздоговорных тем:
- № 01814014251 "Разработка типовых алгоритмов и программ прогнозирования
технологического процесса электролиза алюминия и внедрение их в АСУ ТП
Таджикского алюминиевого завода Минцветмета СССР", утвержденной ГКНТ
СССР за № 287 от 29.07 1981 г.,
№ 01870000447 "Исследование особенностей моделирования и синтеза оптимального управления технологическим процессом электролиза алюминия", утвержденной постановлением Президиума АН Таджикской ССР за № 213 от 18 декабря 1987 г.,
№ 01.990000102 от 01.10.98 "Исследование и разработка унифицированных методов и средств вычислительной техники для спектральной диагностики сложных объектов" в Оренбургском государственном университете (ОГУ);
по хоздоговору № 665 между Институтом кибернетики Украины и предприятием ТУЯ В-2289 "Разработка подсистемы связи с объектом управления наземного комплекса автоматизированной системы управления" (индекс темы ДЕ 0411-003);
- по хоздоговору № 19/85 между Математическим институтом АН Республики
Таджикистан и ТадАЗом по теме "Исследование нестабильности тока серии и
напряжения электролизеров с использованием средств микропроцессорной
техники с целью повышения технико-экономических показателей
технологического процесса электролиза на ТадАЗе";
- по хоздоговору № 1/95 от 16.01.95 между ОГУ и АО "ОРОПАЛ" в г. Орске:
"Техническая экспертиза линии автоматизированной сварки и разработка
технических предложений по вводу ее в действие" (номер госрегистрации
отчета - № 02.960.005268);
- по бюджетной теме ОГУ "Исследование и разработка унифицированных методов и средств вычислительной техники для спектральной диагностики сложных объектов", номер госрегистрации 01990000102.
Теоретические результаты и разработанные технические средства использовались при создании управляющих подсистем нижнего уровня АСУ испытаниями сложных объектов, разработанной при участии автора в Институте кибернетики АН Украины и внедренной на предприятии П/Я В-2289 в г. Днепропетровске. Подтвержденный актом о внедрении реальный экономический эффект от разработанных технических средств составляет 105 тысяч рублей.
Новизна и значимость технических решений подтверждается патентами, авторскими свидетельствами и публикациями в научных изданиях.
Представленные в диссертации методы, способы, алгоритмы и аппаратно-программные средства апробированы и используются при создании многоцелевого учебно-исследовательского стенда "Спектр".
Научные аспекты исследований нашли отражение в учебно-методическом материале и используются в учебном процессе в Оренбургском государственном университете.
Основные защищаемые положения диссертационной работы: 1. Двухуровневая адаптивная СМД СПО, содержащая на верхнем уровне подсистему мониторинга, а на нижнем уровне - подсистему диагностирования, причем функциями подсистемы мониторинга являются: управление режимами работы подсистемы диагностирования на основе регулярного контроля и прогнозирования общего технического и технологического состояния СПО производственного подразделения (цеха, участка, предприятия), а также -выбор глобальной стратегии по предупреждению и ликвидации нерегламентированных состояний объектов, а функциями подсистемы диагностирования являются: контроль, диагностирование, прогнозирование и выдача рекомендаций по устранению нерегламентированного состояния по конкретному объекту.
2. Совокупность методов для выбора оптимальной организации СМД СПО на
этапе проектирования и эффективных режимов работы - на этапе
эксплуатации, составляющих методологический базис для построения СМД
СПО. Основными элементами разработанного методологического базиса
являются:
метод классификации СМД с использованием качественных классификационных признаков и фасетной системы кодирования классов;
метод двухэтапного моделирования СПО с использованием автоматной и имитационной модели объекта;
метод исследования СМД на основе многофазной конвейерной модели массового обслуживания с использованием блока адаптации к изменению интенсивности входного потока;
комбинационно-вероятностный метод исследования маршрутов обслуживающего устройства в СМД с циклической дисциплиной обслуживания заявок;
дихотомический метод диагностирования СПО на основе разделяющей функции мажоритарного вида;
метод прогнозирования временных рядов на основе полигармонического полинома;
метод выбора стратегии упреждения и ликвидации последствий от аварии;
метод синтеза разделяющей функции мажоритарного вида на основе МГУА.
3. Система имитационных моделей для исследования, анализа и выбора
проектных решений при построении СМД СПО, содержащая следующие
модели:
автоматно-имитационную модель СПО, позволяющую моделировать поведение объекта и синтезировать сигналы его технологических состояний;
модель СМД как многофазной конвейерной системы массового обслуживания;
модель подсистемы диагностирования с циклической дисциплиной обслуживания для анализа и исследования маршрутов обслуживающего устройства,
модель прогнозирующей системы на основе полигармонического полинома и итерационной процедуры определения параметров модели, позволяющая определять в перспективе характер загрузки СМД;
модель выбора рациональной стратегии на основе морфологического подхода и теории игр, позволяющую принимать решения по выбору оптимальной стратегии на перспективу для предупреждения и ликвидации отрицательных последствий от нерегламентированных состояний СПО;
модель самоорганизующейся технической системы (СТС) на основе устройства для распознавания образов с переменной структурой и алгоритмом работы, позволяющую исследование экстремальных режимов СТС и выбор оптимального режима, соответствующего текущим характеристикам СПО.
4. Алгоритмическое обеспечение, содержащее перечень алгоритмов для выполнения расчетных процедур, выбора проектных решений и синтеза оптимальных разделяющих функций:
алгоритм вычисления числа маршрутов обслуживающего устройства в системе с циклическим обслуживанием заявок;
комбинаторный и итерационный алгоритмы синтеза оптимальной функции мажоритарного вида для построения устройств распознавания образов.
5. Результаты использования методов и средств построения СМД в виде способов контроля и диагностирования состояний СПО, аппаратных и программных средства для обеспечивающих подсистем СМД.
Апробация результатов работы
Основные научные положения и результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на 18 научно-практических конференциях и
семинарах, из которых 10 - с международным участием. В частности:
третья Всероссийская научно-практическая конференция с международным
участием: "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов"
(Красноярск, 2001), Международная научно-практическая конференция "Учебная, научно-производственная и инновационная деятельность высшей школы в современных условиях" (Оренбург, 2001), Международная конференция по индуктивному моделированию "ICIM - 2002" (Львов, 2002), Международная научно-практическая конференция "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (Волгоград, 2002), III Международная научно-практическая конференция "Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах" (Пенза, апрель, 2002), II Всероссийская научно-практическая конференция "Инновации в машиностроении" (Пенза, 2002), Межвузовская научно-практическая конференции "Компьютерные технологии в науке и образовании" (Самара, 2002), III Международная научно-техническая конференция "Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков" (Пенза, 2003), VI Международная научно-методическая конференция "Новые информационные технологии в электротехническом образовании (НИТЭ-2003" (Астрахань, 2003), Международная научно-техническая конференция "Современные информационные технологии" (Пенза, 2003).
Результаты работы представлены в 44 публикациях, в числе которых одна монография /22/, семь авторских свидетельств и патентов на изобретение.
Разработанные алгоритмы, программы и технические средства апробированы с использованием технических средств АСУ ТП Таджикского алюминиевого завода, технологической информации Волгоградского алюминиевого завода, экспериментальных данных, полученных при бурении скважины № 826 Туймазинского управления буровых работ, а также при диагностировании насосно-компрессорных труб в лаборатории вибродиагностики Октябрьского филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 383 страницах, в том числе: основной текст на 334 страницах, 16 таблиц, 63
рисунка, библиографический список из 220 наименований на 20 страницах, приложения на 29 страницах.
В первой главе приводится характеристика СПО, представлены результаты классификации СМД СПО. На основе анализа исторического развития отечественных и зарубежных средств технической диагностики и методологии их построения определена проблема построения СМД на современном этапе, исследованы традиционные пути решения данной проблемы, определены их ограничения и недостатки, определена содержательная постановка задачи синтеза АСМД СПО и основная концепция ее решения.
Вторая глава посвящена анализу эффективности функционирования СМД СПО. При этом СМД рассматривается как подсистема АСУ ТП. На основе анализа факторов, определяющих эффективность систем, рассмотрены экономические и технические критерии оценки качества СМД, определена целевая функция СМД, а также перечень проектных параметров. В качестве обобщенного критерия предложен технико-экономический критерий мультипликативного вида, содержащий в себе параметры оценки достоверности принятых решений в подсистемах СМД. На основе анализа целевой функции осуществлена формальная постановка задачи синтеза адаптивной СМД и произведена ее декомпозиция.
Третья глава посвящена вопросам разработки и исследования модельного базиса для построения адаптивной СМД, включающего: модель СПО, модель СМД как системы массового обслуживания, модели подсистем. Представлены результаты разработки номограммного подхода к выбору оптимального режима подсистемы диагностирования, комбинаторно-вероятностного метода анализа и исследования маршрутов обслуживающего устройства в задаче с циклическим обслуживанием объектов, а также результаты разработки метода выбора стратегии предупреждения аварийной ситуации на основе морфологического анализа и игрового подхода.
В четвертой главе представлены результаты разработки и исследования методов и средств построения подсистем СМД на основе принципов
самоорганизации и коллективного принятия решений. В частности: представлена модель распознающей технической системы и результаты ее исследования, позволяющие определить возможности самоорганизации системы при различных условиях задачи. Предложен метод построения разделяющих функций мажоритарного вида для решения задачи распознавания образов. Рассмотрены результаты сопоставления этого метода с классическим методом Байеса и применения его при дихотомическом диагностировании состояний сложного объекта.
Пятая глава посвящена характеристике разработанной системы методов и средств, составляющих методологический базис для построения адаптивных СМД СПО. В частности: рассмотрены основные организационно-технические принципы построения СМД, произведена структурная, временная и функциональная декомпозиция процесса проектирования систем и привязка разработанных методов и средств к конкретным этапам проектирования.
В шестой главе представлены результаты разработки адаптивных систем для автоматизации процессов мониторинга и диагностирования конкретных промышленных объектов: алюминиевых электролизеров и оборудования для нефтедобычи.
В заключении приведены основные результаты и выводы по работе. Приложения содержат результаты моделирования метода номограмм, описание способа расчета маршрутов обслуживающего устройства, листинги программ, акты апробации и внедрения результатов работы.
