Введение к работе
Актуальность работы. Распределенная система представляет собой
сложную систему, состоящую из множества компонентов, расположенных в
пространстве и работающих автономно, но взаимодействующих для
выполнения общей задачи. Данный подход позволяет разработать систему,
структура которой становится подобна самому объекту автоматизации, что
повышает эффективность её работы. В настоящее время данный класс систем
широко применяется в химической промышленности, энергоснабжении,
металлургии, эксплуатации нефтяных, газовых и минеральных
месторождений. Так как все вышеперечисленные сферы производства подразумевают сложные, многоступенчатые технологические процессы, использование распределенных систем для организации управления такими процессами особенно эффективно. В этом случае все функции сбора, обработки и управления данными распределяются между контроллерами, каждый из которых управляет собственной группой устройств ввода-вывода и отвечает за определенную часть объекта управления.
В данной работе описан алгоритм и результаты разработки системы
управления сложным гидрогеологическим объектом. В качестве объекта
исследования выбрано Нагутское месторождение минеральных вод,
расположенное в регионе Кавказские Минеральные Воды (КМВ).
Месторождения минеральных вод характеризуются определенной
пространственной протяженностью, что приводит к необходимости
рассматривать их как распределенную систему. Выбор этого направления
исследований обусловлен актуальностью проблемы организации безопасной
эксплуатации месторождений минеральных вод ввиду наблюдаемой
тенденции ухудшения качества воды, связанной с плохой экологией и
несогласованными параметрами добычи, а также с проблемами
сертификации гидроминеральных ресурсов.
Предлагается рассмотреть результаты применения методов
распределенных систем управления в области эффективного
недропользования, в частности, организации рациональной добычи минеральной воды.
В качестве решения проблемы организации управления
гидрогеологическими объектами предлагается разработать распределенную
систему, способную управлять параметрами режима эксплуатации
месторождения, сохраняя тем самым стабильность его структуры и характер
протекающих в нем гидродинамических процессов. Актуальность данной
задачи обусловлена последствиями, к которым может привести
некорректный режим эксплуатации месторождения (проникновение бытовых и техногенных загрязнений в эксплуатируемые пласты, разрушение пластов месторождения). Для региона КМВ минеральная вода является экономически важным ресурсом, так как на территории данного региона расположено более 100 предприятий, занимающихся её добычей и розливом, а также, более 120 санаториев и здравниц, в которых минеральная вода используется в лечебных целях.
Значительный научный вклад в исследование распределенных систем
управления внесли отечественные и зарубежные исследователи:
Бутковский А.Г., Сиразетдинов Т.К., Летов А.М., Хорошевский В.Г., Бессекерский В.А., Рапопорт. Э.Я., Беллман, Р.Э., Калман Р.Е., Найквист Г. Финкбайнер Б., Шеве С. Также необходимо выделить труды Першина И.М. и Малкова А.В., внесших наибольший научный вклад в исследование распределенных систем управления гидрогеологическими объектами.
Цель диссертационной работы – повышение эффективности управления сложным гидрогеологическим объектом с использованием методов системного анализа и синтеза.
Предмет диссертационных исследований – совокупность
математических моделей, алгоритмов и программ для решения задач системного анализа и синтеза распределенной системы управления дебитом месторождения минеральных вод.
Объект исследований – Нагутское месторождение минеральных вод.
Научная задача исследований – повышение эффективности управления сложным гидрогеологическим объектом с целью обеспечения устойчивого режима эксплуатации месторождения на основе использования методов системного анализа и синтеза.
Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:
-
Разработка методов математического описания пространственной неоднородности сложного гидрогеологического объекта.
-
Синтез распределенной системы управления для повышения эффективности управления сложным гидрогеологическим объектом.
-
Анализ эффективности работы распределенной системы управления при изменении величины параметрического возмущения и компенсационного запаса устойчивости системы.
Методы исследования. Для решения научных задач, поставленных в диссертационной работе, были использованы методы математического моделирования, синтеза систем автоматического управления и системного анализа.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
-
Математическая модель Нагутского месторождения минеральных вод, позволяющая наиболее точно отразить структуру объекта и характер протекания гидродинамических процессов внутри него.
-
Дискретная модель сложного гидрогеологического объекта, впервые разработанная для Нагутского месторождения минеральных вод.
-
Метод описания пространственной неоднородности гидрогеологической структуры пластов месторождения, отличающийся от известных возможностью отражения неровностей и разрывов в водоносных и водонепроницаемых пластах посредством пространственного изменения коэффициента перетекания.
-
Распределенная система автоматического управления сложным гидрогеологическим объектом, способная корректировать параметры режима добычи для обеспечения стабильной эксплуатации месторождения.
-
Анализ зависимости показателей эффективности работы системы управления от изменений соотношения величины параметрического возмущения и компенсационного запаса устойчивости, достаточного для сохранения устойчивости распределенной системы управления в условиях, близких к реальным.
Научная новизна диссертационной работы обоснована следующими результатами:
-
Разработана математическая модель месторождения минеральных вод с высоким уровнем сложности строения (Нагутского месторождения).
-
Впервые предложена методика учета пространственной неоднородности объекта управления, позволяющий повысить точность результатов моделирования.
-
Впервые разработана система управления параметрами режима эксплуатации Нагутского месторождения минеральных вод.
-
Впервые проведено исследование реакции системы управления на изменение соотношения величин параметрического возмущения и компенсационного запаса устойчивости системы.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным
использованием математического аппарата, системного анализа и теории
управления. Достоверность результатов моделирования объекта
подтверждается согласованностью результатов проведенного компьютерного моделирования и реальных ретроспективных данных.
Практическая значимость. Практические результаты, полученные в
работе, могут быть применены для решения задач автоматизации процессов
управления сложными объектами с распределенными параметрами.
Разработан новый метод учета пространственной неоднородности
гидрогеологического объекта, который может быть использован для решения научных задач в данной предметной области. На основе теоретических исследований получен практический метод, позволяющий производить анализ систем управления применительно к природным объектам со сложной пространственной структурой.
Внедрение. Результаты диссертационного исследования внедрены в
учебный процесс кафедры управления в технических системах ФГАОУ ВО
«СКФУ» ИСТиД (филиал) в г. Пятигорске. Результаты исследования
распределенных систем используются в учебном процессе Пятигорского
медико-фармацевтического института – филиала ГБОУ ВПО «ВолгГМУ».
Также результаты исследования были внедрены в ООО «Объединенная
водная компания», которое занимается эксплуатацией Нагутского
месторождения минеральных вод.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих научных конференциях:
II Национальный научный форум «Нарзан-2013» - «Техногенные процессы в гидролитосфере». - Кисловодск, 2013.
V Международная конференция «Системный анализ и прикладная синергетика». – Пятигорск, 2013.
VII Всероссийский семинар-совещание "Информационные системы в фундаментальной науке. Большие данные" САО РАН, 2014.
VII Всероссийская научная конференция «Системный синтез и прикладная синергетика» (ССПС-2015). Таганрог, 2015.
2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (February 2-3). Санкт-Петербург, 2016.
2016 IEEE Conference on Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies (October 4-11). Эльбрус, 2016.
Результаты диссертационной работы послужили основой разработки проектов на соискание грантов по конкурсам УМНИК 2015, СТАРТ 2016:
Программа «У.М.Н.И.К.» (статус – победитель, г. Ставрополь, 2015 г.).
Программа «СТАРТ 2016». Проект «Разработка информационной
системы управления технологическими параметрами месторождения
"Регулятор гидролитосферных процессов"» (статус – победитель,
г. Ставрополь, 2016 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 18 в журналах и трудах конференций, индексируемых РИНЦ. Семь работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации научных положений диссертационных работ, пять работ опубликовано в изданиях, индексируемых базами цитирования Scopus и Web of Science. По теме диссертации получено 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад соискателя. Основные результаты и выводы
диссертационной работы получены лично автором. Авторским вкладом в
предметную область является разработка математической модели сложного
гидрогеологического объекта, дискретизация математической модели
объекта, разработка метода учета пространственной неоднородности объекта
управления, синтез распределенной системы управления дебитом
месторождения, анализ эффективности работы разработанной системы управления в условиях параметрического возмущения.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка сокращений, списка условных обозначений, списка литературы из 104 наименований. Основная часть работы содержит 141 страницу машинописного текста. Работа содержит 41 рисунок, 6 таблиц и 2 приложения.