Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ
Газотранспортная сеть России по своей протяженности не имеет аналогов в мире, объемы поставок газа по прогнозам к 2020 г. увеличатся до 670 млрд. м3. По опубликованным данным доля магистральных газопроводов (МГ) старше 33 лет (нормативный срок службы) составляет более 21 % от общего объема. Изношенность трубопровода может привести к его повреждению, особенно в условиях зон геодинамической активности и участках напряженного состояния недр. Аварийные ситуации на газопроводе приводят к значительным финансовым потерям, чреваты экологическими катастрофами и даже могут привести к человеческим жертвам. При полном разрыве трубы только за первую минуту компания, эксплуатирующая газотранспортную сеть, теряет порядка 1 млн. рублей. Технологии реконструкции и ремонта, а также антикоррозионный мониторинг магистральных газопроводов снижают риск возникновения аварий, но полностью предотвратить их не в силах.
При возникновении аварийной ситуации ответственность по ее оперативному устранению ложится на диспетчера линейно-производственного управления (ЛПУ). В силу психологического давления, условий жесткого лимита времени, фактора неожиданности и большой информационной нагрузки в ходе ликвидации аварии диспетчер может совершать ошибки. Поскольку аварийные ситуации на магистральном газопроводе возникают редко, а последствия их могут быть катастрофическими, возникает острая необходимость в обучении диспетчерского персонала распознаванию аварийной ситуации, принятию срочных и адекватных мер по ее локализации (перекрытию труб, ведущих к месту разрыва). Решение поставленной задачи может быть достигнуто путем постоянного тренинга диспетчеров на имитаторах аппаратно-программных средств диспетчерского пункта, работающих в режиме реального времени. Развитием идей подготовки диспетчерского персонала является ускорение и повышение качества обучения путем автоматизации анализа моделируемых данных телемеханики.
Диссертация посвящена развитию методов, моделей и алгоритмов информационной поддержки управления газотранспортной системой, работа над которыми ведется на кафедре ИСИМ с 2006 г. в рамках научного направления «Интеллектуальные системы поддержки принятия решений диспетчера газотранспортной сети».
В развитие современных автоматизированных методов проектирования информационных систем, основанных на использовании новейших разработок в области теории и практики управления, большой вклад внесли зарубежные ученые Е. Кодд, Д. Росс, Т. Рэмей, Е. Йордан, Т. Де Марко, К. Гейн, Т. Сарсон, М. Джексон, Дж.-Д. Варнье, К. Орр, Дж. Мартин, П. Чен, Р. Баркер, Д. Марка, К. Мак- Гоуэн, М. Хаммер, Дж. Чампи, И. Якобсон, М. Эриксон и другие. Вопросы управления сложными объектами рассматривались в трудах отечественных ученых В.Е.Селезнева, В.В.Алешина, В.М. Глушкова, А.Г. Мамиконова, Б.Я. Советова, Г.Г.Куликова, О.Б. Низамутдинова, К).А. Кафтанюка, О.В. Логиновского, А.В. Кострова, Р.И. Макарова, Е.Р. Хорошевой, В.А. Горбатова, С.А. Редкозубова и других.
ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ является информационный поток в процессе моделирования нештатной ситуации (11С), связанной с единичным разрывом газопровода, на технологическом имитационном комплексе диспетчера.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ - модели и алгоритмы системы поддержки принятия решений (СППР) диспетчера.
Целью диссертации является повышение эффективности оперативного восстановления работоспособности МГ при нештатных ситуациях, связанных с частичным или полным разрывом МГ. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научно-технические задачи:
Анализ информационного потока в технологическом имитационном комплексе линейно-производственного управления магистрального газопровода на основе тренажера диспетчера производства ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Ce- дакова» (г. Н. Новгород) в процессе моделирования единичных разрывов на линейной части магистрального газопровода (ЛЧМГ).
Анализ методов обнаружения места (координаты) разрыва на МГ, обоснование выбора градиентного метода, исследование точности и эффективности выбранного метода обнаружения координаты разрыва посредством машинного эксперимента, формирование математических моделей совершенствования градиентного метода в части повышения точности его работы.
Разработка статистической модели расчета вероятности наличия разрыва на интервале между кранами, повышающей корректность принятия решений диспетчера при локализации определенного участка.
Разработка приближенной математической модели оценки площади сечения разрыва с учетом скорости падения давления газа в трубопроводе, а также модели и алгоритмов динамического формирования проранжированных по эффективности сценариев выхода из НС, связанной с единичным разрывом МГ, с учетом прогнозирования времени актуальности каждого из сценариев.
В части совершенствования технологического имитационного комплекса ЛПУ МГ разработка программных модулей: коррекции результатов работы градиентного метода обнаружения места разрыва, позволяющего также рассчитывать вероятности наличия утечки на интервалах между кранами для всех ниток линейной части магистрального газопровода (ЛЧМГ) на основе скорректированного значения; и генерации проранжировапного по убыванию эффективности списка сценариев выхода из HC с прогнозом времени их актуальности на основе экстраполяции показаний датчиков давления газа в трубопроводе.
При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, численные методы приближенного решения уравнений и методы оптимизации, теории вероятностей и математической статистики, теории графов, классификации, системного анализа, теории проектирования систем, объектно- ориентированного анализа и проектирования.
Автор выражает глубокую признательность профессору кафедры ИСИМ ВлГУ Романову В.Ф. за помощь в освоении математических основ постановки и решения сложных технических задач.
В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной.
Предложен алгоритм совершенствования градиентного метода обнаружения места разрыва на МГ; данный алгоритм описывает формирование статистических моделей коррекции в зависимости от структуры МГ; построенные с его помощью модели для конкретной структуры МГ характеризуются полиномиальной вычислительной сложностью, а также возможностью сведения ошибки метода обнаружения разрыва к статистически оцениваемой ошибке конкретной модели.
Сформулирована задача определения вероятности наличия утечки на каждом интервале нитки МГ между основными кранами и предложена математическая модель решения данной задачи, основанная на доверительном интервале модели регрессии.
На основе гипотезы о линейной зависимости скорости падения давления на датчиках от площади сечения разрыва разработана математическая модель определения площади сечения разрыва с первой минуты после его обнаружения; особенностью применения данной модели является то, что с течением времени точность результата повышается.
Разработана методика динамического формирования сценариев выхода из HC на основе предложенных модели, использующей взвешенный орграф (и классические алгоритмы поиска кратчайших путей на нем), и алгоритмов динамического формирования проранжированных по эффективности сценариев выхода из НС, позволяющая находить наиболее рациональный сценарий перераспределения газовых потоков для возобновления работоспособности МГ при единичном разрыве и рассчитывать время его актуальности.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ диссертации заключается в следующем:
1. Проведены вычислительные эксперименты по оценке точности работы градиентного метода обнаружения координаты утечки на МГ, результаты которых позволили выявить снижение точности обнаружения места разрыва с увеличением расстояния до ближайшего датчика давления и достаточно высокую точность работы метода при больших размерах утечки. Данные статистические закономерности положены в основу предложенных моделей.
В рамках прототипа СППР реализованы программные модули коррекции градиентного метода обнаружения места утечки; расчета вероятности наличия утечки в интервале между основными кранами нитки ЛЧМГ; генерации сценариев выхода из HC с прогнозом времени их актуальности в течение ближайших IO минут. Прототип интегрирован с промышленным тренажером, реализованным НИИИС им. Ю.Е. Седакова, позволяющим имитировать работу МГ и аварийные ситуации в реальном масштабе времени с достаточной точностью и используемым на дочерних предприятиях ОАО «Газпром».
Подтверждена эффективность предложенных моделей и алгоритмов с помощью машинных экспериментов, в том числе на данных реального частичного разрыва на участке Пангодинского JlI ІУ Ml' «Уренгой -1 рязовец» ООО «Тюмен- трансгаз» в 17 км после КС Пангодинская (11.02.2004).
Разработанные алгоритмы применены в учебном процессе кафедры ИСИМ ВлГУ в лабораторных и практических работах по дисциплинам «Управление данными» и «Представление знаний в ИС».
Полученные научные результаты использованы в инновационной компании ООО «Бизнес.РФ» (г. Владимир) в рамках выполнения НИОКР №01200959379 «Разработка моделей и алгоритмов мониторинга линейной части магистрального газопровода на предмет обнаружения нештатных ситуаций, определения места разрыва и формирования сценариев локализации нештатной ситуации» по государственному контракту № 7029р/9332 от 25.06.2009 г. при создании информационной системы мониторинга газотранспортной системы (ГТС).
Автор принимал участие в НИР № 3.2.3/10553 «Развитие технологий моделирования сетевых интегрированных структур образования, науки и производства в технопарковой зоне ведущего регионального вуза с использованием высокопроизводительных параллельных вычислений» в рамках аналитической ведомственной целевой программы (АВЦП) «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по разработке пользовательского интерфейса для программы моделирования сетевых структур на суперЭВМ «СКИФ Мономах», используемой в вычислительном центре ВлГУ. Данная программа использована автором при проведении вычислительных экспериментов.
По результатам исследований, проведенных автором в рамках диссер тации, получены два свидетельства об официальной регистрации на разработанные с его участием программные продукты; проект с участием автора завоевал специальный диплом конкурса инновационных проектов в номинации «Инновационный проект» на Окружном молодежном инновационном конвенте I (ентрального федерального округа; работа была поддержана персональной стипендией администрации Владимирской области «Надежда земли Владимирской» в номинации «Молодой исследователь в области технических наук»; отмечена свидетельством финалиста конкурса «УМНИК 2012» по Владимирской области, подчеркивающим высокий уровень проекта.
8. Результаты научных исследований можно использовать для реализации дополнительного программного модуля тренажера диспетчера ЛПУ многониточным МГ при подготовке диспетчерского персонала к работе в нештатных режимах, а также для создания и внедрения на предприятиях нефтегазовой промышленности реально действующей системы мониторинга и ПГІР диспетчера ЛПУ, адаптированной под конкретный комплекс телемеханики (ТМ).
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV MHTK «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами (DISCOM-2009)» (Москва: ВНИИГАЗ, 2009); III MHTK «Газотранспортные системы: настоящее и будущее (GTS-2009)» (Москва: ВНИИГАЗ, 2009); V, VI, VII MHTK «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (г. Вологда, 2009, 2010, 2012); XXIII MHK «Математические методы в технике и технологиях» (г. Саратов, 2010); Молодежных форумах «селигер-2010» и «Селигер 2011» (р-он г. Осташков, 2010, 2011); межвузовской НПК «Социально-экономические системы: особенности развития, функционирования и управления в условиях инновационной направленности» (г. Владимир, 2010); межвузовской НПК «Современные проблемы экономического и социального развития России глазами молодежи» (г. Владимир, 2010); молодежной научно-практической школе «Информационный менеджмент социально-экономических и эргатических систем» (г. Владимир
; Всероссийской научно-методической конференции «Творчество молодежи в создании информационных образовательных технологий» (г. Анапа, 2011); VI МНПК «Современные информационные технологии и ИТ образование » (Москва,
; II Международной молодежной научно-практической школе «Информационный менеджмент социально-экономических и технических систем» (Москва,
. Доклад на I Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург,
был признан лучшим на секции «Современные методы теории автоматического управления». Технические аспекты созданного с участием автора прототипа системы обсуждались на организованной автором совместно с компанией Oracle межрегиональной конференции разработчиков «Java Day.Vladimir». В процессе разработки прототипа комплекса автором была освоена платформа Java и успешно сдан экзамен на сертификат «Sun Certified Programmer for the Java 2 platform, SE 5.0 on march 24, 2010».
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 27 работах, среди них 4 статьи в изданиях из перечня ВАК.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 134 страницах, включающих 80 рисунков, 13 таблиц, список использованных литературных источников, состоящий из 103 наименований, а также приложение.
