Введение к работе
Актуальность темы исследования. Значительную часть системы газоснабжения России составляют газотранспортные объекты (ГТО), изолированные от окружающей среды металлической оболочкой. На этапе длительной наработки, вследствие тяжелых условий эксплуатации, агрессивности внешней и внутренней сред, характерным для металлических оболочек является множество повреждений, определяющих в конечном итоге техническое состояние объектов. В настоящее время по стране в среднем около 14 % ГТО находятся в эксплуатации более 30 лет, 56 % - от 10 до 30 лет, и только 30 % - до 10 лет. Значительная наработка привела к необходимости выполнять большие и непрерывно возрастающие объемы дорогостоящих диагностических и ремонтных работ. Обеспечение приемлемого уровня эффективности функционирования ГТО выдвигает идентификацию технического состояния в ранг наиболее важных научных проблем.
Контроль технического состояния ГТО ведут преимущественно по отдельным повреждениям, которые системой методов безопасной эксплуатации относят к критическим и потенциально-опасным. Переход эксплуатирующих организаций к оценке технического состояния ГТО по результатам внутритрубных диагностирований предоставил обширные разновременные данные об имеющихся повреждениях, но их объективный анализ затруднен из-за большой размерности задачи идентификации. Метод аналитической идентификации технического состояния ГТО по агрегированным моделям позволяет выявить подконтрольные участки и определить ежегодный объем диагностических и восстановительных работ. Однако метод не позволяет определить величины управленческих воздействий в организационно-технологической системе управления, так как не конкретизирует число и параметры повреждений, требующих восстановления. Принципиальный выход из создавшегося положения заключается в разработке методологии непараметрической идентификации состояний ГТО на основе многодольных муль-тиграфовых моделей, позволяющей существенно сократить затраты материальных и временных ресурсов при проведении технического диагностирования, обслуживания и ремонта.
Работа выполнена в соответствии с перечнем критических технологий федерального уровня и ОАО «Газпром» («Технологии создания интеллектуальных систем управления», «Технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф», «Научно-техническое и методическое обеспечение эксплуатации и технического обслуживания газопроводов и компрессорных станций»), в рамках НИР, проводимых лабораторией «Надежность» Технопарка Государственного образовательного учреждения «Оренбургский государственный университет» (ГОУ ОГУ) и ООО «Газпром добыча Оренбург» по теме «Определение коррозионной стойкости и дефектности материалов конструкций, проведение входного контроля и оценка эффективности...», 2000-2009 гг.; НИОКР, проводимых
той же лабораторией и ОАО «Оренбургэнерго», - «Создание программного обеспечения ПЭВМ по идентификации и прогнозированию состояния металла теплоэнергетического оборудования» и «Автоматизированный расчет остаточного ресурса пароперегревателей котлов электростанций ОАО «Оренбургэнерго», 2001-2004 гг., а также госбюджетными НИР № ГР 01200606123 «Агрегированные модели и методы аналитической идентификации технического состояния промышленных объектов», 2006-2010 гг.
Цель работы - повышение эффективности функционирования газотранспортных объектов на этапе длительной эксплуатации за счет разработки и использования методологии непараметрической идентификации состояний на многодольных мультиграфовых моделях.
Задачи исследования:
разработать методологию непараметрической идентификации состояний газотранспортных объектов;
разработать методы построения мультиграфовых моделей по геометрическим характеристикам повреждений оболочек;
провести непараметрическую идентификацию состояний газотранспортных объектов на мультиграфовых моделях;
разработать методы прогнозирования состояний газотранспортных объектов, а также метод формирования структурированной управленческой информации;
спроектировать и реализовать структуры данных и модулей программного комплекса для организационно-технологической системы управления;
оценить эффективность функционирования газотранспортных объектов с использованием разработанной методологии.
Объект исследования - техническое состояние газотранспортных объектов в организационно-технологической системе управления.
Предмет исследования - мультиграфовые модели состояний ГТО и методы непараметрической идентификации.
Методы исследования. Решение поставленных в диссертации задач основано на использовании современных методов и теорий: идентификации, управления, случайных функций, графов, надежности и эффективности функционирования, прогнозирования, вероятности и математической статистики, имитационного моделирования, эксперимента, проектирования автоматизированных и программных систем.
Научную новизну представляют следующие результаты:
методология непараметрической идентификации состояний газотранспортных объектов, базирующаяся, в отличие от известных подходов, на многодольных мультиграфовых моделях;
метод построения одно- и многодольных мультиграфовых моделей по аналоговым переменным, характеризующим повреждения оболочки газотранспортных объектов, в котором в отличие от известных графов, построенных по дискретным переменным, на состояния отображают интервальные
представления и по каждому диагностическому срезу создают доли, связанные дугами, отмеченными переходными интенсивностями повреждений;
представления многодольных мультиграфовых моделей, которые, в отличие от известных, содержат зависящие от количества связей основных состояний структуры из динамических звеньев с сумматорами;
метод выявления доминирующего состояния, отличающийся тем, что состояния многодольной мультиграфовой модели позиционируют по вероятностной шкале и определяют направление тренда состояний;
метод прогнозирования состояний, отличающийся определением состояний, построением соответствующей доли и присоединением её к мультиграфовой модели ГТО;
метод формирования структурированной управленческой информации в организационно-технологической системе управления, отличающийся тем, что по результатам непараметрической идентификации и прогнозирования состояний определяют число и интервалы геометрических характеристик повреждений, подлежащих восстановлению на потенциально опасных участках оболочки ГТО.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в:
установлении закономерностей существования конечного множества состояний ГТО и появлении на этапе длительной эксплуатации доминирующего состояния, дополнении мультиграфовых моделей композиционными состояниями, привязке мультиграфовых моделей к наработке ГТО;
использовании научно обоснованных методов непараметрической идентификации состояний на многодольных мультиграфовых моделях для находящихся на этапе длительной эксплуатации ГТО с металлической оболочкой;
интеграции результатов аналитической и непараметрической идентификации состояний с выявлением повреждений, подлежащих восстановлению только для потенциально-опасных участков оболочки ГТО;
существенном снижении количества выбираемых повреждений, подлежащих восстановлению;
алгоритмизации разработанного математического обеспечения, реализации программного комплекса, а также структуры базы данных, хранящей параметры моделей, аналитические представления вероятностей состояний и интенсивностей повреждений;
внедрении результатов научных исследований на ряде ведущих предприятий отрасли и существенном повышении эффективности функционирования ГТО.
Внедрение результатов работы подтверждено актами:
- ООО «Газпром добыча Оренбург» - о передаче и использовании ин
женерной методики «Непараметрическая идентификация и прогнозирование
состояний трубопроводов Оренбургского нефтегазоконденсатного месторо
ждения на многодольных мультиграфах»;
000 «Газпром добыча Оренбург» - с результатами апробации научной работы на объектах Управления эксплуатацией соединительных продук-топроводов и повышении эффективности функционирования трубопроводов при работе организационно-технологической системы управления в среднем на 13,5 %;
000 НПП «Ресурс Сервис» - о внедрении результатов НИР на предприятии при идентификации состояний опасных производственных объектов с выработкой рекомендаций по ремонту соединительных газопроводов очищенного газа и соединительных нефтепроводов;
АНО «Технопарк ОГУ» - об использовании в НИР методики идентификации и прогнозирования коррозионных состояний трубопроводов Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения и существенном повышении эффективности функционирования с учетом управляющих воздействий;
ОАО «Челябинское специализированное предприятие «СВЭЧЕЛ» -об использовании результатов НИР в виде метода, инженерных методик и программного комплекса при автоматизированной идентификации по графовым моделям коррозионных состояний трубопроводов паровых котлов ТЭЦ ОАО «ЧМК»;
ЗАО «Силикатный завод» - о приемке - внедрении результатов НИР в производственных цехах при идентификации состояний металлических оболочек автоклавов, обрабатывающих продукцию насыщенным паром при температуре 180 - 184 С и давлении 0,95 - 1,0 МПа;
ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» - о внедрении в учебный процесс научных результатов диссертации.
За разработку методов аналитической идентификации технического состояния промышленных объектов автору присвоено звание «Лауреат премии администрации Оренбургской области в сфере науки и техники» (2004 г.).
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты исследования представлены, обсуждены и одобрены на: 13-м международном симпозиуме по информационным технологиям и управлению в промышленности, организованным Международной федерацией по автоматическому управлению IFAC "Information Control Problems in Manufacturing -INCOM'09"; международных конференциях: «Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях» AITA-2011; «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO'07, '09; «Управление развитием крупномасштабных систем» MLSD'2008, проведенных Институтом проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН в 2007 - 2011 гг.; «Техническое диагностирование оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред», проведенных ОАО «Газпром», 000 «Оренбурггазпром» в 2000, 2002 и 2004 гг., «Образовательные научные и инженерные приложения в среде LabView и технологии National Instruments» на базе Российского университета дружбы народов 2006-2008 гг.; всероссийских (1998, 2000, 2002 гг., г. Орск) и международных (2005 и 2007 гг.) НТК «Прочность и разрушение ма-
териалов и конструкций», всероссийской НІЖ «Современные аспекты компьютерной интеграции машиностроительного производства» (2003, 2005 и 2007 гг.) и других российских научно-технических конференциях. На защиту выносятся:
методология непараметрической идентификации состояний газотранспортных объектов на этапе длительной эксплуатации;
метод построения многодольных мультиграфовых моделей состояний газотранспортных объектов;
одно- и двудольные мультиграфовые модели газотранспортных объектов с тремя, четырьмя и пятью основными состояниями;
результаты непараметрической идентификации состояний газотранспортных объектов;
метод формирования структурированной управленческой информации в организационно-технологической системе управления;
метод оценки эффективности функционирования газотранспортных объектов в организационно-технологической системе управления.
Публикации и личный вклад соискателя. Содержание и результаты работы отражены в 79 основных публикациях, среди которых 17 статей в журналах из «Перечня ...» ВАК, две монографии (13 и 12,5 п.л.), 5 свидетельств о регистрации программных продуктов и баз данных, патент и решение о выдаче патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованных источников из 209 наименований и приложений. Общий объем работы 365 страниц, в том числе 142 рисунка, 46 таблиц, 16 страниц списка источников и 7 приложений на 73 стр.
