Содержание к диссертации
Список принятых сокращений 2
Введение 7
Глава 1.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ
МОДЕЛИРОВАНИЯ 15
1.1. Определение остаточного ресурса ірубопроводов (задача
прої позирования) 15
Оценка опасности коррозионных дефектов 28
Постановка задачи построения ирої но зной нейросегевой модели коррозионных разрушений магистральных трубопроводов 31
Формализованная постановка задачи нейросетевою моделирования .36
Анализ особенностей моделирования 37
Постановка многокри і ериальной задачи ранжирования учас і ков с учетом технического и техногенної о рисков коррозионных повреждений 39
1.7. Основные результаты и выводы но главе 1 43
Глава 2.ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ME ГОДЫ ПО РППЕНИК) 110С ІАВЛЕІ И1ЫХ
ЗАДАЧ 44
Системный подход 44
Описание теоретической основы построения нейросеїевой прогнозной многофакюрной модели 46
Решение многокритериальных задач методом ЛПХ- поиска 53
Струкіурно - функциональная схема информационной системы диагностики коррозионных повреждений 56
Метод нейросетевої о моделирования 62
Алгоритмы нечеікой логики 70
Основные результаты и выводы по і лаве 2 77
Глава З.ВЫЧИСЛИ 1ЕЛЫ1ЫЕ ЭКСПЕРИМЕЫIЫ НО 11АХОЖДЕНИЮ
ПРОГНОЗНОГО РАЗМЕРА КОРРОЗИОННОГО ДЕФЕКТА 78
Сравнение данных наі>рньіх жсперименюв с расчеіами но реірессионнои модели 78
Этапы нейросетевою моделирования коррозионных процессов 83
Рабочий алюри їм формирования «русел» . 86
Вычислительные зксперимешы но апробации концепции формирования «русел» 89
Метод модифицированною обобщенного перекрестного подтверждения нейросеїевьіх моделей . 98
Получение прогнозных оценок глубины коррозионных повреждении на основе нейросеіевой модели 103
Синтез комплексной модели ранжирования учасіков трубопроводов с
учетом технического и техногенного рисков 110
3.7 1. Математическая модель прогноза глубины коррозии дчя \ час і ков
магистральных ірубопроводов 110
3.7.2. Очистка кластера от аномальных ючек 111
3.7.3. Определение риска аварии в условиях неопределенное і и
112
3.7.4. Задача ранжирования 112
3.8. Основные результаты и выводы по і лаве 3 113
Г л а в а 4. ME IОДИКА ВЫВОДА В PEMOI11 У ЧАС I КОВ
ТРУБОПРОВОДОВ 114
4.1. Решение задачи многокриіериальной оптимизации с применением
процедуры ЛПХ - поиска 114
4.2. Постановка и подходы к решению задачи выбора 117
Алгоритм построения комплексной модели ранжирования участков магистральных ірубопроводов по техническому и техногенном) рискам 123
Оценка техническою риска коррозионного разрушения магисіральньїх ір>бопроводов 127
4.5. Составление оптимальною плана ремоніа 132
4.6. Основные результаты и выводы по главе 4 138
Заключение 139
Список литературы 141
Приложение .. . 150
Введение к работе
Прикладная и теоретическая актуальность темы исследований
Интенсивная .зксплуаіация маїистральньїх трубопроводов России с ежегодной транспортировкой более 500 млн. гонн неф і и [36] привела к юм>, чю основная часіь магистральных нефтепроводов требует выполнения значитель-ного объема работ по реконструкции. Средняя стоимость ремонта составляет $140-150 тыс/км. Практика показала, что выборочным ремонтом на предприятиях "Газпрома" и "Транснефти" охвачено около 1,5% от общего числа обнаруженных дефектов. Таким образом, основная масса обнаруженных дефектов не ремонтируется. В основном, ло коррозионные дефекты [61,97] Дня ремонт-но-воссіановиїельньїх рабо і всех эксплуатируемых нефіепроводов погребує і -ся свыше ЗО лет. В 2001 году на долю коррозии приходилось до 40% аварийных сиіуаций оі всех аварий на российских газопроводах [36] Из-за опасное і и серьезных аварий в связи с развивающейся коррозией производительность газотранспортной системы уже уменьшилась на 60 млрд. кубических метров газа в год. Очевидно, что для устойчивого функционирования и развития нефтегазовой промышленности необходимо в кратчайшие сроки восстановить проектую производительность магистралей Для этого требуется провести ремонт и реконструкцию действующих ірубоироводов. На большинстве предприятий неф-іеіазового комплекса не представляется возможным проведение сплошною ремонта участков магистральных трубопроводов В сложившихся человиях крайне важно иметь достоверную оценку коррозионных повреждений и скорости распространения коррозии трубопроводов. Необходимо создание научной основы определения остаточного ресурса трубопроводов, выбора оптимальных технологий ремонтных работ в различных природно-климатических условиях. В іакой ситуации представляє і ся единственно возможным классификация дефектов по степени их «опасности» для принятия оптимальных решений приоритетного, последовательного устранения наиболее опасных учасіков с учетом технических и финансовых возможное і ей Таким образом, прогнозирование остаточною ресурса жсп і\ліациіі і р\сопроводив п сосків теине трафиков
8 ремонтных работ является важной научно-технической проблемой, требующей разрешения в ближайшее время. Вопросы оценки осіаточного ресурса участков трубопроводов рассмоіреньї в работах [36,64,77,93,97]. Рабоїьі [64,65,68,77] отражают различные аспекты іехнической диагносіики трубопроводов Работы [46,49,77] посвящены численному моделированию и информационным іех-нологиям режимов зксплуаіации маїистральньїх трубопроводов Однако вопросы оперативного приняшя решений по сосіавлеиию планов выборочною ремонта участков трубопроводов не являются достаточно широко рассмотренными. В настоящей работе предлагается на основе прогнозных оценок, полученных в результате нейросетевою моделирования коррозионных дефекюв, ранжировать участки нефтепроводов для определения очередности их вывода в ремонт. Поскольку в литераіуре нет публикаций по созданию динамических многофакторных нелинейных протозных моделей коррозионных разрушений подземных ірубопроводов, имеющих к<ш)дн>ю запит, і ем а рабо і ы лк\\л іьнл
Цель и задачи исследования
Целью исследования являеіся оценка технического и іехногенною рисков на основе динамической многофакторной маїематической модели коррозионных повреждений участков магисіральньїх ірубопроводов.
Для достижения этих целей были поставлены и решены следующие задачи:
Провести анализ условий возникновения и развиїия коррозионных повреждений участков магистральных трубопроводов и выяви і ь факюры, описывающие коррозионную сиіуацию на моделируемом объеме
Разработать специальные методы пред- и постпроцессорной обработки данных и на их основе создаїь нейросеїевьіе динамические многофакюрные моде і и относительной глубины коррозионных повреждений участков магисіральньїх трубопроводов, которые должны обладать высоким качеством (адекватностью и точностью) в условиях сильного зашумления данных.
Разработать вероятностную модель для оценки технического риска аварии участка маїистрального трубопровода на основе взвешенною показаіеля, со-
держащею свертку прогнозной величины глубины коррозии и расчешой скорости коррозии.
Разработать оптимизационную модель определения наиболее опасных учасі-ков трубопровода.
Разработать на основе применения нечеткой лоїики модель ранжирования участков маїистральньїх трубопроводов с учеюм обобщенного показателя технического и іехногенною рисков и синіезироваїь на ее основе н іан вывода в ремоні учасшж
Провести апробацию разработанных моделей и оцени і ь их зффекіивность на основе натурных экспериментов для отдельных участков трубопроводов.
Научная новизна
1 Новизна предложенной экспершой процедуры формирования пространства входных факторов заключаеіся в том, чю в этой процедуре спецификация модели связывается с показателями качества обучения вспомоіаіельньїх нейросеїей (субмоделей), чю позво іяеі }іірав іяіь качесівом моде ш >же \\л стадии посіановки задачи прогнозирования технического риска разрушения трубопровода.
Новизна построенной нейросетевой динамической многофакторной модели (НСМ) оценки относительной ілубиньї коррозионных повреждений состойI во введении оригинальной итерационной процедуры очистки клас і ера базы данных от аномальных точек, что предопределяет требуемое качество аппроксимации; а іакже процедуры модифицированною обобщенною перекрестного подтверждения резулыаюв моделирования, чю позволяеі пол>-чить количественную оценку доверительною интервала прогноза
Новизна вероятностной модели технического риска состоит в выборе его числовой меры в виде взвешенною криіерия, первая сосіавляющая ко юрою равна коэффициенту риска превышения прогнозной глубиной коррозионного разрушения заданного уровня, а вторая - равна относительной скорости развития коррозии, что позволяет приблизить оценку технического риска к реальным условиям.
Новизна отими рационной модели определения наиболее опасных учасіков трубопроводов заключается во введении векіорноіо криіерия оніимизации, равного взвешенной сумме глубины коррозии и ее скорости, а также в применении метода ЛПт-поиска, обеспечивающего равномерное зондирование многомерной области поиска пробными точками.
Новизна модели ранжирования учасіков трубопроводов сосюит во введении в процедуру ранжирования комплексною показателя, >чиіьівающего как технический, іак и техногенный риски. Это позволяет количественно учесть факторы неопределенное і и при планировании ремонтных работ.
Научная новизна рабо і ы подіверждаеіся приоршешыми публикациями автора [6-8,23-31].
Практическая значимость работы
I. Нейросетевая динамическая модель коррозионных повреждений позволяеі получать прогнозное значение ілубиньї коррозии учасіков магистральных трубопроводов, что необходимо для оценки остаточного ресурса учасіка трубопровода.
2 Предложенная методика ранжирования учасіков по степени оиасносіи аварии позволяеі составить план выборочного ремоніа нефіепроводньїх \ час і ков, имеющих коррозионные повреждения.
3.Разработанный подход к моделированию коррозионных повреждении може і использоваться при построении моделей друїих прикладных объекюв и процессов (коррозионных процессов подземных и надземных хранилищ, стальных строительных конструкций и др.).
Практическая значимость рабо і ы подтверждается актом об использовании результатов диссеріации в НИР № 0134/1ІР-03, а іакже одобрением доклада автора на Международной научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт -2005» в г. Уфе (8-9 декабря 2005 і.).
Научные положения, выносимые на защиту
1. Итерационная процедура формирования пространства входных факторов для нейросетевои модели оценки глубины коррозии.
Нейросетевая динамическая многофакюрная модель оценки о і постельной глубины коррозионных повреждений магистральных трубопроводов.
Вероятностная модель оценки технического риска аварии на участке магистрального трубопровода.
Ошимизационная модель определения наиболее опасных учасіков трубопровода.
Модель ранжирования участков трубопроводов по век і орному критерию технического и техногенною рисков
Результаты апробации разработанных моделей и мегодов и оценка и\ зф-фективносіи
Использованные методы
При решении поставленных в работе задач использовались: іеория вероятностей и математическая сіаіистика, методы нейросеїевого моделирования, меюды системного анализа, методы нечеткой логики, методы прогнозирования, методы корреляционного и регрессионного анализа, методы имитационного моделирования, методы ошимизации.
Апробация работы
Работа апробировалась в процессе выполнения прикладной научно-исследоватетьской рабо і ы на тем> «Меюдики нрове гения факюрною ана пил коррозионных повреждений магистральных нефтепроводов, выявление причин возникновения и развития коррозии и выработка рекомендаций по ее предотвращению», которая была выполнена с участием автора в Башкирском государственном университеїе в 2004г. (Заказчик - Всероссийский научно-исследовательский институт строительства трубопроводов, г. Москва) Технический отчет принят и одобрен Заказчиком (см. копию акта-приемки сдачи НИР). В материалах диссертации имеется акт о внедрении результатов диссертации в исследовательской деятельности ООО «Инсіиі>т ВІІИИСI»
Результаты и положения исследовательской рабо їм докладыва шсь и обсуждались на следующих научно-технических и научно-пракіических конференциях:
XIV Международная конференция но нейрокибернеіике, і. Ростов-на-Дону, 2005.
Международная >чебно-научно-пракіическая конференция « I psoonpo-водный транспорт- 2005», т. Уфа, 2005.
VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Нейроинформа-тика - 2006», г. Москва, 2006
По теме диссертационного исследования опубликовано 11 печатных ра-бої.
Объем и структура работы
Диссертационная работа включає і в себя Введение, четыре главы, Заключение, список литературы и Приложение и содержит 152 с границы сквоз-ной нумерации, из коюрых 9 стр. списка лиіерагурьі, 3 с і р. Приложении.
Краткое содержание работы по главам
В первой главе содержи іся обзор литературы по меюдам оценки остаточного ресурса участков трубопроводов, выработавших нормативный срок, но определению прочности конструкции сеіей магистральных трубопроводов. Осуществляется содержательная и формализованная постановка задачи нейро-сетевого моделирования коррозиционных процессов участков магистральных трубопроводов. Проведена декомпозиция общего риска аварии участка на технический и іехногенньїй риски, рассмотрена возможность числовой оценки обоих видов риска. Предлаїаеіся в качесіве числовой меры техническою риска использовать коэффициент риска, определяемый на основе закона распределения плотное і и вероятности относительной глубины коррозионных дефектов. Оценка техногенного риска аварии на участке трубопровода производится \\л основе мнений экспертов. Сформулирована задача по ранжированию у час і ков магистральных трубопроводов с учеюм техническою и техногенною рисков коррозионных повреждения учаегков магистральных трубопроводов.
Віорпи глава посвящена разработке методики определения прогнозною размера коррозионных дефектов на основе нейросеїевой моделирования. Кратко рассмотрены теоретические положения, сформулированные на основе сие-
темного подхода дія решения затач прогноза и синієш ПретіО/Кена сір>кі>р-но-функциональная схема информационной системы диагностики коррозионных повреждений. Излагаюіся основные принципы методики нейросеїевоіо моделирования. Для обоснования адекватности нейросегевой модели разработан метод обобщенного перекресіною подіверждении модели Рассмліривлюї-ся алгоритмы нечеткой логики.
В третьей главе содержатся результаты проведенных автором вычислительных экспериментов по проверке правильности предложенного подхода по сіруктурированию модели. Специально разработанные процедуры пред- и по-сіобработки данных являются эффекшвными и позволяют достичь приемлемых результатов по поставленным задачам. На основе разрабатываемой модели возможно с достаточной точностью оцениіь глубину коррозионных дефекюв в зависимосіи оі глубины залеіания грубы, харакіерисіик іруніа, марки сіали и др Отмечены особенносіи поставленной задачи моделирования 1) Большая размерность вектора независимых переменных; 2) Необходимость учета качественных переменных; 3) Зашумленносіь данных, связанная с іем, что рез>ль-таты измерений получены двумя способами; 4) Малое количесіво временных отсчетов, расположенных к тому же неравномерно в области эксперимента; 5) Большой объем выборки данных, на основе которой осуществляется моделирование; 6) Невозможное^ введения так называемых лаговых переменных; 7) Требование высокой точности моделирования.
На этапе предобрабоїки данных проведена их кластеризация по естественному морфолоіическому признаку (іип грунта, марка стали труб). Проведены эксперименты, подтверждающие правильное і ь предложенною меіода обобщенного перекрестного подтверждения нейросетей для обеспечения адекватности разработанной модели. Получена итоговая прогнозная нейросеть для определения глубины коррозии на конкретном участке трубопровода. Исследовано поведение модели при вариации входных факторов
В четвертой і лаве рассмотрена меюдика по составлению планов выборочного ремоша участков ірубонроводов. В настоящей работе предложено строить іибридную модель, сосюящую из дв>х блоков. Первый блок представ-
ляет нейросетевую прогнозную модель, позволяющую предсказать значение глубины коррозии в будущие моменты времени. Второй блок - это синтез оп-іимального п іанл вывода объекюв ірубогранспоріл в ремонт с >чеюм іехни-ческого и техногенного рисков. Величина техническою риска определяеіся при помощи оценок глубины коррозии, полученных в результате применения ней-росетевою моделирования. Величину показателя техногенного риска можно получить иуіем использования процед>р .экспертных оценок Іаким образом, предложены способы оценки технического и техногенною рисков коррозионного разрушения маїистральньїх трубопроводов. Изложен рабочий алюритм нахождения ироінозного размера коррозионного дефекіа С учетом техниче-ского и техногенною рисков проведена реализация предложенною алюритма синтеза плана вывода в ремонт объектов подземной транспортировки неф і и. При составлении плана вывода в ремонт участков магистрального ірубопрово-да использованы алюри і мы нечеткой логики Решена задача мноюкритериаль-ной оптимизации нахождения наиболее опасных >члсіков маїисірлчьньїх ір\-бопроводов методом ЛПХ - поиска.
В заключении кратко перечислены основные результаты работы, показана их досюверносіь, научная новизна и прлмическля ценное і ь.
Наиболее содержательные резульїаіьі получены во віорой, треіьеи и чеі-верюй главах диссеріации, в которых предложена оригинальная методика моделирования коррозионных повреждений магистральных трубопроводов на основе нейросеїевой технолоіии Модель рлзрлбоїлна с уїеюм обширных жс-периментальных данных о коррозионных дефектах, и представляет собой мощный инсгр>мент для исследования. На основе прогнозных оценок глубины коррозии, полученных при помощи итоговой нейросеги, проведена оценка технического риска аварии учасіка трубопровода Оценка іехноїенного риска аварии принята с использованием мнений экспертов о возможном ущербе оі аварии. Учет обоих видов рисков, рассматриваемых в работе, позволил построить нечеткую модель по синтезу плана вывода в ремонт участков трубопровода.
