Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Роль аналитических информационных технологий в управлении промышленным предприятием 19
1.1 Основные этапы системного анализа в исследовании и построении информационных систем 19
1.2 Аналитические информационные технологии 21
1.3 Иерархическая структура информационных систем предприятий промышленного сектора 27
1.4 Оценка проблемной ситуации для технологических информационных систем на примере задач трубопроводного транспорта нефти 32
1.5 Морфологический анализ информационных архитектур повышающих эффективность технологического мониторинга 37
1.6 Цель, задачи и методы исследования 45
Выводы 47
Глава 2. Теоретические основы построения информационных систем анализа технологических данных 49
2.1 Аналитические задачи мониторинга состояния сложных технологических процессов 49
2.2 Критерии эффективности и модель аналитической обработки технологических данных 64
ж 2.3 Концепция аналитической информационной системы технологического мониторинга 86
2.4 Общие принципы построения аналитических информационных систем технологического мониторинга 90
2.5 Вопросы интеграции аналитических модулей и ядра информационной системы 100
2.6 Информационный процесе аналитической обработки технологических данных 105
Выводы 111
Глава 3. Методика построения и алгоритмизация работы аналитической информационной системы технологического мониторинга 114
3.1 Общая архитектура аналитической информационной системы технологического мониторинга 114
3.2 Возможности архитектуры системы по организации распределенных информационных процессов 118
3.3 Структура и алгоритм работы управляющей оболочки аналитических модулей 128
3.4 Унификация структуры и алгоритма работы аналитических модулей на базе единого шаблона 133
3.5 Общая структура аналитической подсистемы модулей 138
3.6 Особенности информационного процесса единого модуля сбора технологических данных 140
Выводы 144
Глава 4. Исследование информационных процессов в аналитических модулях на примере задачи обнаружения утечек из магистральных нефтепроводов ... 146
4.1 Сравнительный анализ достоинств и недостатков существующих систем обнаружения утечек 147
4.2 Анализ особенностей задачи обнаружения утечек и недостатки стандартной параметрической модели 157
4.3 Построение статистико-параметрической модели и синтез расчетно-аналитической подсистемы модуля обнаружения утечек 164
4.4 Алгоритмизация работы расчетно-аналитической подсистемы модуля обнаружения утечек 191
4.5 Классификация и взаимосвязь аналитических подзадач модуля обнаружения утечек 202
Выводы 204
Глава 5. Реализация, внедрение в эксплуатацию и оценка эффективности аналитической информационной системы технологического мониторинга ...207
5.1 Реализация компонент ядра системы и аналитического модуля обнаружения утечек 207
5.2 Инсталляция аналитической информационной системы технологического мониторинга на базовом предприятии 215
5.3 Экспериментальная проверка функциональности реализованной системы 216
5.4 Оценка эффективности внедрения в эксплуатацию и перспективы расширения возможностей аналитической информационной системы 225
Выводы 233
Заключение 235
Список литературы 239
Приложения 255
- Оценка проблемной ситуации для технологических информационных систем на примере задач трубопроводного транспорта нефти
- Общие принципы построения аналитических информационных систем технологического мониторинга
- Унификация структуры и алгоритма работы аналитических модулей на базе единого шаблона
- Построение статистико-параметрической модели и синтез расчетно-аналитической подсистемы модуля обнаружения утечек
Введение к работе
Современные требования, направленные на повышение эффективности и безопасности управления промышленными объектами приводят, как следствие, к резкому увеличению информационной загруженности технологических информационных систем (ИС). Наиболее заметно проблемная ситуация проявляется в задачах мониторинга состояния сложных технических систем (ТС), для которых актуален не только контроль состояния больших объемов технологических параметров, но и их совместный анализ, получение на основе исходных данных некой совокупной информации аналитического характера, необходимой для принятия решений по управлению динамическими процессами, протекающими в системе. Указанные особенности сложных ТС находятся в контексте общих результатов исследования сложных систем, которые показывают, что с ростом сложности структуры, доля информации, заключенной в связях системы, значительно возрастает. С целью общего обозначения задач, требующих совместного анализа взаимосвязанных параметров сложных технических систем и применения соответствующих моделей процессов в ТС, в работе предложен термин аналитические задачи технологического мониторинга.
Проведенные в работе системные исследования показывают, что с ростом количества контролируемых параметров ТС и их взаимосвязей, наступает потребность в качественном изменении организации информационных процессов в технологических ИС, поскольку архитектура применяющихся на уровне технологического управления SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)-cncTeM существенно ограничена в аналитической функциональности. Эффективность технологического мониторинга может быть повышена введением в общую систему технологического управления ИС, производящей аналитическую обработку исходной информации, преобразуя ее объем и структуру к виду, оптимальному для этапа
ситуационного анализа и принятия решений. Это позволяет представлять персоналу наиболее важную информацию более компактно и систематично относительно конкретных производственных задач. Предлагаемая в работе концепция может быть представлена как расширение достаточно хорошо исследованного и получившего широкое практическое распространение класса ИС по анализу процессов с использованием оперативных данных применительно к задачам технологического мониторинга. Разработка принципов построения систем подобного класса - аналитических информационных систем (АИС) и последующее их внедрение на крупных промышленных предприятиях может существенно повысить эффективность обработки технологической информации, а в итоге повысить эффективность и безопасность эксплуатации сложных промышленных объектов (СПО).
В промышленной отрасли существует большое количество СПО с высоким уровнем автоматизации и сложностью реализуемых технологических процессов (ТП). Одним из примеров могут служить различные транспортные ТС, характеризующиеся не только большим количеством составных объектов автоматизации и значительным объемом контролируемых параметров, но и реальной пространственной распределенностью составляющих систему объектов и, соответственно, технологических процессов. В частности, указанными характеристиками обладает такой СПО как магистральный трубопровод, на примере которого может быть проведено исследование различных аспектов функциональности связанных с ним технологических ИС с целью последующего обобщения полученных результатов. В связи с этим, в настоящей работе было решено сосредоточиться на общих вопросах анализа и синтеза АИС, и для практической проверки результатов исследования ограничиться реализацией одной аналитической задачи. В настоящее время большую актуальность для трубопроводного транспорта имеет задача оперативного обнаружения утечек, возникающих при нарушении герметичности магистральных нефтепроводов и наносящих большой
экологический и финансовый ущерб. В последствии, полученные результаты исследования могут быть обобщены и для решения других актуальных задач технологического мониторинга СПО.
Объектом исследования диссертационной работы является аналитическая информационная система технологического мониторинга сложных промышленных объектов.
Предметом исследования диссертационной работы является методика анализа и синтеза аналитической информационной системы технологического мониторинга сложных промышленных объектов.
Целью работы является разработка методов построения и реализация аналитической информационной системы в составе системы технологического управления.
Задачи исследования:
Анализ и оценка проблемной ситуации и морфологический анализ путей повышения эффективности технологического мониторинга.
Разработка системы критериев оптимизации аналитической обработки и представления информации для этапа ситуационного анализа состояния сложных промышленных объектов.
Синтез информационной модели АИС технологического мониторинга сложных промышленных объектов.
Разработка архитектуры АИС технологического мониторинга СПО и алгоритмизация работы базовых подсистем.
Исследование информационных процессов в аналитических модулях на примере актуальной задачи обнаружения утечек в нефтепроводах с целью апробации разработанной информационной модели АИС.
Разработка программного обеспечения базовых подсистем АИС и аналитического модуля обнаружения утечек в магистральных нефтепроводах.
Комплексная экспериментальная проверка работоспособности АИС и оценка эффективности и перспектив расширения возможностей разработанной системы.
Методы исследования. Теоретическая часть исследования проведена на основе теории информационных систем и методов системного анализа с использованием функционально-структурного подхода (определение проблемной ситуации, формирование целей и критериев системы, анализ и синтез системы). Задача оптимизации структуры АИС решена с привлечением математического аппарата теории принятия решений, теории множеств, теории вероятности, математического анализа, математической статистики. При разработке конкретного аналитического модуля использованы методы гидродинамики, математического моделирования, математической статистики, теории принятия решений. Практическая реализация АИС выполнена с привлечением методов объектно-ориентированного программирования и теории баз данных.
Научная новизна работы. В результате проведенного в работе системного исследования достигнуты следующие новые научные результаты:
Выделен класс аналитических задач технологического мониторинга СПО и класс ИС автоматизации данных задач.
Разработана концепция, методика анализа и синтеза, а также принципы построения АИС, выполняющей аналитическую обработку информации систематично относительно ТП.
Выполнен синтез универсальной комплексной распределенной архитектуры АИС технологического мониторинга СПО.
Разработана статистико-параметрическая модель и методика обнаружения утечек в магистральных нефтепроводах.
На примере задачи обнаружения утечек в магистральных нефтепроводах исследованы общие принципы организации информационных процессов в аналитических модулях.
Практическую значимость имеют следующие результаты работы:
Методика построения АИС технологического мониторинга СПО.
Программная реализация оболочки АИС, единого модуля сбора технологических данных и единого программного шаблона аналитических модулей.
Аналитический модуль обнаружения утечек в магистральных нефтепроводах.
На защиту выносится:
Информационная модель аналитической обработки технологических данных.
Методика построения АИС технологического мониторинга СПО.
Архитектура АИС технологического мониторинга СПО.
Статистико-параметрическая модель и методика обнаружения утечек в магистральных нефтепроводах.
Программный комплекс АИС в составе системы технологического управления трубопроводным транспортом нефти.
Реализация и внедрение работы. Разработанные методы построения АИС технологического мониторинга СПО применены в практической реализации системы, которая внедрена в эксплуатацию на нефтепроводах регионального оператора ОАО «Черномортранснефть». Протокол испытаний и
акт о внедрении в эксплуатацию аналитического модуля обнаружения утечек в составе АИС прилагается.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских отраслевых конференциях:
III НТК ОАО «АК Транснефть», Москва, 2003, (III место);
XII НТК Минэнерго РФ «ТЭК-2003», Москва, 2004, (I место);
IV НТК ОАО «АК Транснефть», Москва, 2004, (I место); «. VI НТК ОАО «АК Транснефть», Москва, 2006, (II место).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ общим объемом 27 печатных листов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, изложенных на 316 страницах. Работа содержит 93 рисунка, 12 таблиц, библиографию из 216 наименований на 15 страницах и приложение на 62 страницах.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, определена научная проблема, поставлены цели и задачи исследования, дан обзор содержания работы.
В первой главе проведен обзор проблемной ситуации, связанной с ограничениями стандартной архитектуры и функциональности технологических ИС. На данном этапе работы показано, что применяющиеся в системе технологического управления SCADA-системы неэффективны для задач совместного анализа взаимосвязанных параметров ТП, поскольку их архитектура оптимизирована на решение задач контроля и управления технологическими объектами и существенно ограничена в аналитической
функциональности. Сравнительный обзор существующих информационных решений повышения эффективности технологического мониторинга показал, что на современном этапе в составе технологической ИС актуальна подсистема анализа технологических данных сложной структуры - АИС. Сформулированная концепция может быть охарактеризована как расширение сферы применения аналитических информационных технологий (АИТ) на уровень технологического управления предприятием. В данном направлении была проведена декомпозиция общей системы АИТ предприятия, и выделена подсистема аналитической обработки технологических данных, преобразующая информационный поток к оптимальному для этапа ситуационного анализа виду. Соответственно, необходимые для синтеза эффективной архитектуры АИС критерии, формируются как из числа общих требований к подобным системам, представленным на этапе анализа проблемной ситуации, так и исходя из места и связей АИС в общем информационном процессе АИТ.
В заключении первой главы на основании проведенного обзорного исследования сформулирована цель и задачи дальнейшей работы, а также определены методы их решения.
Во второй главе диссертации рассмотрены теоретические основы построения АИС технологического мониторинга СПО. На первом этапе теоретической части работы проведена классификация задач управления ТП, которая показала, что для простых ТП, понятие процесса может быть однозначно связано с понятием объекта, который реализует данный процесс. Стандартная задача состоит в контроле текущего n-мерного вектора параметров ТП на нахождение n-мерной сфере допустимых значений. Архитектура SCADA-систем подходит для автоматизации именно такой задачи, поскольку допускает смысловую группировку параметров через операцию логической свертки, снижая тем самым кардинальное число
контролируемого множества. Напротив, мониторинг состояния сложных ТП требует рассмотрения всего процесса как целого, поскольку их информационные потоки не поддаются однозначной декомпозиции относительно технологических объектов. Для аналитических задач помимо стандартной функциональности, необходим учет взаимосвязей процесса и выявления на основе известных взаимосвязей неких критических состояний процесса, возможных даже для случая когда все контролируемые параметры находятся в области допустимых значений. Следовательно, необходима аналитическая обработка исходных данных и синтез нового аналитического информационного потока, множество параметров которого не только имеет меньшее кардинальное число, но и принципиально иную структуру, оптимальную для этапа ситуационного анализа и принятия решений.
Проведенное исследование позволяет выделить класс аналитических задач технологического мониторинга СПО и класс соответствующих ИС, оптимизированных для автоматизации данного класса задач.
Дальнейшее исследование было направлено на анализ и синтез оптимальной информационной модели АИС. Используя процедуры системного анализа, от критериев снижения производственных рисков из-за потери контроля над ТП, и снижения общей стоимости владения ИС, было построено иерархическое дерево критериев эффективности исследуемого класса ИС. Ввиду масштаба рисков, критерий сохранения контроля над ТП был принят в качестве приоритетного. Данный критерий был декомпозирован на подкритерии:
вероятности потери контроля над ТП из-за задержки по времени обработки информации,
вероятности потери контроля над ТП из-за степени достоверности информации.
По приведенным критериям была проведена оптимизация и построена модель аналитической обработки данных. Основные этапы оптимальной обработки исходных данных в синтезированной модели это:
Систематизация технологических данных относительно ТП,
Приведение информационного потока по однотипным данным к однородному виду,
Аналитическая проверка достоверности исходных данных,
Расчетно-аналитическая обработка технологических данных в соответствии с моделью конкретного ТП,
Синтез аналитического информационного потока для этапа ситуационного анализа.
Очевидно, что первые два из перечисленных этапов инвариантны относительно аналитических задач и могут выполняться централизованно, остальные являются процесс-ориентированными, следовательно, должны реализовываться по модульному принципу.
Далее на основе проведенного системного исследования сформулирован ряд концептуальных принципов построения архитектуры АИС, основные из которых это: модульная обработка информации, единство обработки оперативных и ретроспективных данных, организация информационного обмена посредством общей БД под управлением внешней СУБД.
Завершающей частью представленного этапа исследования стал синтез общей информационной модели системы. Синтезированный информационный процесс АИС обладает четкой логической структурой и может быть представлен в виде нескольких последовательных уровней обработки информации.
Третья глава диссертационной работы посвящена методике построения и алгоритмизации работы АИС технологического мониторинга СПО. В начальной части данного этапа исследования рассмотрены общие вопросы
организации системы, от реализации локального аналитического информационного процесса, до развертывания универсальной комплексной распределенной архитектуры системы.
В общей архитектуре разработанной АИС можно выделить три основные подсистемы: ядро АИС, аналитические модули, СУБД. База данных АИС содержит структуры данных трех типов: технологические, аналитические и служебные. Благодаря организации информационного обмена с привлечением функционала СУБД и реализации принципа модульной обработки информации, архитектура АИС позволяет синтезировать эффективные распределенные аналитические информационные процессы, гибко учитывая современные практические потребности. Высокая эффективность архитектуры АИС достигается благодаря возможностям: комплексной автоматизации аналитических задач, интеграции в общий информационный процесс предприятия, многопользовательского режима, горячего резервирования всех компонентов, работоспособности системы при отказах или корректировках, простоте сопровождения, низким аппаратным требованиям, сбалансированной нагрузке по ресурсам, хорошей масштабируемости, информационной защищенности.
Результатом дальнейшего исследования стал синтез структуры всех базовых подсистем АИС, проведенный на базе разработанной информационной модели и принципов построения системы. Ядро АИС содержит шесть основных подсистем: сбора технологических данных, управления модулями, регистрации системных событий, конфигурирования, сопряжения с СУБД, интерфейса пользователя. Управление модулями организовано на основе стандартного механизма сообщений операционной системы в рамках единой управляющей оболочки. Информационный обмен со SCADA реализован на базе протокола ОРС, как фактического стандарта межсистемного обмена технологическими данными.
Любой аналитический модуль в составе АИС содержит семь основных подсистем: управления, синхронизации, конфигурирования, сопряжения с СУБД, расчетно-аналитическую, интерфейса пользователя, регистрации событий. Проведенная в работе унификация аналитических модулей на базе единого шаблона позволяет не только гарантированно стандартизировать и логически отделить служебные функции и базовые интерфейсы от реализации аналитических задач, но и существенно повысить возможности масштабирования при сохранении функциональной стабильности АИС.
В четвертой главе работы представлено исследование вопросов построения моделей обработки данных в аналитических модулях. В соответствии с оптимизированной информационной моделью АИС на уровне модулей системы реализуется аналитическая проверка достоверности исходных данных, расчетно-аналитическая обработка технологических данных в соответствии с моделью конкретного ТП и синтез аналитического информационного потока. Для дальнейшего исследования указанных этапов обработки данных и последующего обобщения полученных результатов была выбрана актуальная для базового предприятия задача обнаружения утечек в нефтепроводах.
С точки зрения физико-математической модели, нефтепровод представляет собой единую систему, параметры которой тесно взаимосвязаны и нарушение в одной точке устоявшегося режима работы, получает отклик на всей протяженности нефтепровода. Несмотря на достаточность технологической информации, гидравлическая модель утечки достаточно сложна для применения в неавтоматизированном анализе данных по ТП. Следовательно, в контексте ТП перекачки нефти, обнаружение утечек является характерным практическим примером аналитической задачи технологического мониторинга СПО.
Можно выделить два основных подхода к построению систем обнаружения утечек (СОУ). Это распределенные СОУ, требующие установки специальных взаимосвязанных датчиков и параметрические СОУ, базирующиеся на стандартном объеме технологической информации и гидравлической модели ТП в нефтепроводе. Помимо существенных достоинств экономического плана, с точки зрения реализации в рамках аналитического модуля идеология параметрической СОУ является наиболее близкой и интересной.
В основе стандартной параметрической модели ТП перекачки нефти по участку трубопровода, лежит уравнение Бернулли, описывающее потерю напора при течении вязкой жидкости в трубопроводе. В соответствии с данной гидравлической моделью, стандартная параметрическая методика заключается в регистрации снижения давления вдоль трассы нефтепровода, причиной которого является изменение его гидравлического сопротивления потоку жидкости, вызванное образованием утечки. Поскольку до и после утечки в одинаковом сечении трубы пропускается разный объем жидкости, линия гидроуклона имеет излом в месте утечки, следовательно, зная распределение давления вдоль трассы нефтепровода, и определяя экспериментально вид линии гидроуклона можно рассчитать точку утечки.
Поскольку в задаче обнаружения утечек речь идет об изменениях технологических параметров менее 1% от абсолютного значения, этап повышения достоверности в ходе аналитической обработки исходных данных очень важен. В данном направлении стандартная параметрическая модель была улучшена путем перехода к модели, описывающей поведение разностных величин снижения давления по датчикам в процессе утечки, что исключает систематические погрешности, а также применением цифровой фильтрации наборов показаний датчиков, что снижает случайные погрешности.
В направлении повышения качества аналитической обработки, стандартная параметрическая модель была улучшена путем применения методов корреляционного анализа для вероятностной оценки наборов характеристических величин, полученных на основе обработки экспериментальных данных относительно модели процесса, а также синтетическому применению нескольких алгоритмов выделения признаков утечек с целью максимально полного извлечения информации по утечке из общего объема технологических данных.
По смыслу проведенной оптимизации, разработанная модель определения и расчета характеристик утечек в нефтепроводах была названа статистико-параметрической. На основе обработки данных с использованием представленной модели, синтезируется компактный и оптимальный для этапа ситуационного анализа набор аналитических величин.
Пятая глава диссертации представляет результаты реализации и внедрения в эксплуатацию разработанной системы. На заключительном этапе работы реализованы базовые компоненты АИС: интегрирующая и управляющая программа-оболочка, унифицированный шаблон аналитических модулей, единый модуль сбора технологических данных, а также аналитический модуль обнаружения утечек. В состав АИС, в соответствии с практическими потребностями, может быть интегрирована любая промышленная СУБД, поддерживающая стандартный структурированный язык запросов.
Поскольку экспериментальная проверка функциональности АИС должна включать одновременную проверку всех звеньев аналитического информационного процесса от сбора технологических данных до получения аналитического информационного потока для конкретной задачи, наиболее приближенной к условиям реальной эксплуатации является проверка при
которой в реальном ТП имитируются условия, требующие анализа данных в рамках модуля системы.
Проведенная на этапе внедрения в эксплуатацию экспериментальная проверка показала эффективность информационного процесса обработки технологических данных, нормальное управление компонентами АИС, синтез адекватного аналитического информационного потока модулем СОУ. Решением производственной комиссии разработанная АИС внедрена в эксплуатацию.
Поскольку изначально при синтезе системы важная роль была отведена критерию масштабируемости по функциональности, объективная оценка экономической эффективности, возможна, вероятно, только на конечном этапе жизненного цикла системы. В числовом виде был проведен расчет экономической эффективности внедрения относительно одного разработанного аналитического модуля в масштабах одного базового предприятия. Для этого на основе существующих отраслевых методик была проведена оценка снижения производственных и экологических рисков предприятия (~1 млн. руб. в год), а также средней стоимости альтернативного программного обеспечения СОУ (-17 млн. руб. с учетом длины контролируемого участка нефтепровода -2000 км.).
В заключении диссертационной работы приводится обобщение основных результатов работы.
В приложении приводится детализация ряда практических вопросов, связанных с алгоритмами работы, конфигурированием и интерфейсом подсистем разработанной АИС, а также протоколы испытаний и акт о внедрении аналитического модуля обнаружения утечек в составе АИС в эксплуатацию на базовом предприятии.
Оценка проблемной ситуации для технологических информационных систем на примере задач трубопроводного транспорта нефти
Можно ожидать, что в наибольшей мере проблемная ситуация обусловленная несовершенством архитектуры существующих технологических ИС будет проявляться при управлении критичными ТП, характеризующимися сложными взаимосвязями параметров ТП и высокой скоростью их изменения. В промышленности есть много примеров крупных технических систем с высоким уровнем автоматизации и сложностью ТП. Одним из примеров могут служить различные транспортные ТС, характеризующиеся не только большим количеством составных объектов автоматизации и значительным объемом контролируемых параметров, но и реальной пространственной распределенностью составляющих систему объектов и, соответственно, технологических процессов. В частности, указанными характеристиками обладает такой промышленный объект как магистральный трубопровод, на примере которого может быть проведено исследование различных аспектов функциональности связанных с ним технологических ИС с целью последующего обобщения полученных результатов.
Рассмотрим кратко существующую практику организации ТП транспортировки нефти с точки зрения информационного обеспечения задач управления [25]. Использующиеся в области трубопроводного транспорта нефти системы по обработке технологической информации, являются типовыми решениями, применяемыми в промышленности, и в этом смысле представляются удобным объектом для анализа более общей ситуации.
В целях повышения эффективности и безопасности ТП, на предприятиях трубопроводного транспорта, за последние годы, был проведен значительный объем работ по реконструкции и дополнительной автоматизации производственных объектов. Данные мероприятия существенно повысили качество диагностики и надежность работы оборудования на местах, однако значительно возросший объем технологической информации предъявил новые, жесткие требования к эффективности анализа данных в тех диспетчерских пунктах, где сходится информация с многих производственных объектов. В силу распределенного характера самого ТП, во многих практических ситуациях для поддержания оптимальных параметров работы нефтепровода как единого объекта, требуется одновременный анализ большого количества технологических параметров. Еще более заметно «человеческий фактор» проявляется при возникновении различных нештатных ситуаций, когда в кратчайшие сроки необходимо выработать адекватную стратегию действий - в то время как объем входной информации достаточен для принятия оптимального решения, он оказывается непомерно большим для быстрого и эффективного анализа человеком [32, 95]. Рассмотрим несколько примеров производственных ситуаций, требующих анализа значительных объемов технологической информации.
Обнаружение утечек в магистральных трубопроводах. Происходящий в результате нарушения герметичности магистрального нефтепровода выход нефти наносит большой экологический ущерб окружающей среде и обращается значительными финансовыми потерями для предприятия. Вследствие этого, крайне важной задачей является оперативное определение наличия утечки в нефтепроводе. При этом сокращается время выхода нефти под давлением, а достаточно точное определение координаты повреждения нефтепровода, позволяет аварийным бригадам быстрее приступить к ликвидации последствий выхода нефти. Перечисленные факторы снижают экологический и материальный ущерб как за счет уменьшения потенциальных масштабов аварии, так и за счет сокращения времени простоя нефтепровода во время ликвидации последствий аварии [137,148, 212].
С точки зрения физико-математической модели [12, 17, 19, 24, 34, 42, 80, 81, 84, 93, 101, 131, 142, 151, 160, 183, 190], нефтепровод представляет собой единую систему, параметры которой тесно взаимосвязаны и нарушение в одной точке устоявшегося режима работы, получает отклик на всей его протяженности. В частности, возникновение утечки в нефтепроводе сопровождается изменением ряда параметров (как работы нефтепровода, так и окружающей среды). Однако непрерывный мониторинг параметров работы нефтепроводов в объеме, достаточном для надежной регистрации факта утечки, и тем более оперативного определения ее местоположения по трассе нефтепровода, является для диспетчера весьма трудоемкой задачей, отвлекая его от выполнения других обязанностей. Примером сложности и неэффективности проведения неавтоматизированных расчетов может служить методика, приведенная в публикации [134]. В тоже время, существующая система телемеханизации нефтепроводов передает в диспетчерский пункт достаточный объем информации для решения задачи обнаружения утечек. Таким образом, представляется возможным организация автоматизированного анализа входных технологических параметров работы нефтепровода, выявления признаков возникновения утечек, и расчета их местоположения [4, 10,25,75,94,100, 160,171,202, 207,212,213]. Контроль движения внутритрубных снарядов и партий нефти. В производственной практике эксплуатации магистрального нефтепровода нередко возникает необходимость пропуска очистных устройств и инспекционных снарядов по нефтепроводу [25, 198]. Ввиду высокой стоимости как самих этих устройств, так и оборудования нефтепровода, необходимо осуществлять подобные производственные мероприятия с максимальным вниманием и ответственностью. Диспетчер рассчитывает прогноз движения снаряда и сообщает персоналу ожидаемое время прохождения снарядом следующих контрольных точек и время прохода нефтеперекачивающих станций (ЫПС), для своевременной подготовки и перестройки оборудования. Однако существует ряд факторов затрудняющих расчет, особенно вручную, кроме того, такой расчет дает время прохождения одной конкретной точки, для получения общей картины необходимо многократное и утомительное повторение расчета [74].
В целях более рационального использования рабочего времени диспетчера и исключения ошибок в расчетах, назрела необходимость в автоматизации производства подобных расчетов. При этом диспетчер был бы освобожден от рутинных вычислений, сосредоточив больше внимания на оперативном управлении технологическим процессом.
Общие принципы построения аналитических информационных систем технологического мониторинга
В данном пункте на основе разработанной модели обработки технологических данных и современных требований к ИС предметной области, рассмотрим основные предпосылки и соответствующие концептуальные принципы построения эффективной архитектуры АИС технологического мониторинга.
Проведенное системное исследование проблемной ситуации показывает, что основополагающим принципом, на котором должна строиться АИС, является принцип модульной обработки информации, а именно, предварительной систематизации всего производственного информационного потока и последующего анализа в рамках конкретных аналитических задач.
Принцип модульной обработки информации хорошо сочетается с общими современными тенденциями создания модульных систем. В отличие от монолитной ИС, принцип модульности подразумевает несколько более сложную архитектуру ИС, однако данный недостаток перевешивается значительными преимуществами в возможностях модернизации функциональности, добавления новых функций, настройке и реконфигурации ИС. В конечном итоге, это обеспечивает больший жизненный цикл программного продукта, поскольку функциональные требования к подобным системам неизбежно изменяются со временем [103,140].
Поскольку практическое воплощение представленной выше модели аналитической обработки технологических данных может быть выполнено только в рамках внешнего (по отношению к SCADA-системе) программного обеспечения. Проведем сравнительную оценку эффективности модульного решения относительно существующей альтернативы совокупности аналитических программ-надстроек. Действительно, ряд разработанных программных решений, по-сути реализует определенную аналитическую функциональность для одной, либо узкого круга задач. Однако такие подкритерии ТСО как стоимость разработки Рв, администрирования Ра и модернизации Рм при условии потребности в автоматизации N аналитических задач приводят к линейной зависимости стоимости Р от N:
С учетом оптимальной модели аналитической обработки данных, в стоимости этапов разработки и модернизации можно выделить вклад стоимости следующих подсистем: сбора и систематизации данных Рссд, аналитической обработки данных Раод, служебной подсистемы Pcin. При средней частоте модернизации f за год и эксплуатации системы в течении Т лет, окончательное выражение для ТСО совокупной системы примет вид:
Унификация структуры и алгоритма работы аналитических модулей на базе единого шаблона
Поскольку объем требований, предъявляемых к модулю для работы в составе АИС, довольно обширен, но стандартизован, представляется возможным реализовать общий шаблон модуля, включающий всю базовую логику работы в составе АИС. В основе данного направления развития архитектуры АИС лежит сформулированный ранее принцип унификации служебных функций и базовых интерфейсов аналитических модулей в рамках единого программного шаблона. Тщательная разработка единого шаблона модулей позволит не только гарантированно унифицировать и логически отделить служебные функции и базовые интерфейсы от реализации аналитических задач, но и существенно повысить возможности масштабирования при сохранении функциональной стабильности системы. На основании единого шаблона могут в последствии строиться реальные аналитические модули. Рассмотрим общие принципы построения аналитических модулей для работы в составе АИС, более подробно.
В первую очередь отметим, что для реализации предложенного выше механизма управления модулями, должен быть реализован (на уровне шаблона модулей) механизм регистрации окном модуля управляющих сообщений оболочки АИС и выработки соответствующих алгоритмов действий.
Далее рассмотрим ряд вопросов касательно типового интерфейса аналитических модулей. Помимо основополагающего требования унификации всех стандартных элементов интерфейса, выделим еще ряд важных особенностей.
Понятие модуля системы неразрывно связано с понятием ТП, данные по которому обрабатывает модуль. В общем виде можно предположить, что сходные процедуры анализа данных могут применяться для целой совокупности однотипных производственных объектов. Следовательно, наибольшая эффективность использования модулей может быть достигнута при группировке обработки данных по сходным ТП для сходных объектов в рамках одного модуля. Данная модель обработки может быть охарактеризована двойной вложенной структурой систематизации данных: на первом этапе данные систематизируются относительно производственной задачи, на втором этапе эти данные систематизируются по производственным объектам, для которых актуальна производственная задача. Исходя из этого, типовой интерфейс аналитических модулей должен предусматривать возможность реализации по многооконному принципу [103]: главное окно обеспечивает общие в рамках модуля функции, каждое дочернее окно соответствует выводу аналитической информации по одной конкретной аналитической задаче из совокупности.
В соответствии со сформулированным ранее принципом интерактивной взаимосвязи аналитических подзадач, прогнозируя возможные операции по анализу данных, можно предположить, что в ряде случаев все процедуры анализа не смогут быть однозначно организованы в рамках монолитной экранной формы. Для таких задач интерфейс пользователя должен предусматривать контекстный механизм перехода от одной подзадачи к другой с автоматической передачей набора исходных данных между подзадачами. Данный подход позволит организовать работу пользователей максимально эффективно за счет сокращения времени подготовительных операций и интуитивно понятной последовательности действий. Кроме того, по результатам аналитической работы, должны быть предусмотрены возможности формирования различных печатных отчетов, а также экспорта данных во внешние приложения.
На крупных предприятиях, количество одновременно функционирующих аналитических модулей в составе АИС может быть значительным. При этом, очевидно, что далеко не всегда пользователям системы необходимо непрерывное взаимодействие с каким-либо из модулей. Для того, чтобы не загромождать рабочее пространство на экране монитора, модули системы должны реализовывать функции скрытия до момента их вызова пользователем, либо до момента возникновения критических событий, о которых пользователь должен быть проинформирован в обязательном порядке. Для критических событий должно быть также предусмотрено и звуковое оповещение персонала.
К следующей группе рассматриваемых вопросов относятся особенности реализации работы с данными.
По аналогии с общими принципами функционирования АИС, по всем критичным событиям в работе модулей, как вызванным внутренними причинами, так и действиями пользователей, должна вестись журнализация событий в общий журнал АИС (с указанием модуля-собственника события).
Как уже было показано выше, в целях оптимизации конфигурационной информации, параметры подключения к базе данных АИС должны передаваться модулю при запуске. Наиболее простой и наиболее вписывающийся в общую концепцию путь организации передачи параметров доступа к БД, это стандартный механизм запуска исполняемых файлов с параметрами [103]. Помимо указанной цели, данное решение параллельно автоматически устраняет еще одну потенциальную проблему - корректность запуска аналитических модулей. При таком подходе модуль просто не будет запущен случайно, несанкционированно, либо в отсутствии соединения с БД. Для обеспечения возможностей резервирования, помимо подключения к БД «по умолчанию», в модулях, работающих на клиентских частях АИС, может предусматриваться и выбор альтернативного (резервного) сервера АИС.
В ряде практических случаев, пользователям системы может потребоваться запуск системы с чистой (пустой) базой данных. В целях обеспечения простоты сопровождения АИС, наилучшим представляется принятие соглашения об автоматической проверке существования необходимых для работы каждого модуля таблиц в БД, а также их автоматическое создание в случае необходимости.
Учитывая, что в ряде случаев, аналитический модуль может быть запущен только по факту необходимости, оптимальной представляется автоматическая ретроспективная выборка технологических данных при старте модуля. Это обеспечит максимальную степень готовности модулей к работе сразу после запуска. Особенно это актуально для аналитических задач, работающих автоматически, в режиме реального времени.
Необходимо также отметить, что для модулей, реализующих автоматический анализ параметров ТП в реальном времени, должна быть предусмотрена подсистема синхронизации циклов анализа данных.
В заключении отметим еще один важный вопрос, касающийся сопровождения модулей в составе АИС. А именно, в составе любого модуля должна быть предусмотрена подсистема конфигурирования, обеспечивающая возможность гибкой настройки работы модуля применительно к каждому конкретному ТП.
Построение статистико-параметрической модели и синтез расчетно-аналитической подсистемы модуля обнаружения утечек
Согласно разработанной в главе 2 модели обработки технологических данных АИС, на уровне аналитического модуля реализуются следующие этапы:
Аналитическая проверка достоверности технологических данных,
Расчетно-аналитическая обработка в соответствии с моделью ТП,
Синтез аналитического информационного потока для этапа ситуационного анализа.
Исследование вопросов организации информационного процесса аналитической обработки технологических данных начнем с построения эффективной модели обнаружения утечек.
С точки зрения физической модели [12, 17, 19, 24, 34, 42, 80, 81, 84, 93, 101, 131, 142, 151, 160, 183, 190], нефтепровод в процессе перекачки нефти, представляет собой единую систему, параметры которой тесно взаимосвязаны и нарушение в одной точке устоявшегося режима работы нефтепровода, получает отклик на всей протяженности нефтепровода. В частности, возникновение утечки в нефтепроводе сопровождается изменением ряда технологических параметров работы нефтепровода, которые регистрируются штатными системами телемеханики и передаются в SCADA-систему диспетчерского пункта управления нефтепроводом.
В основе гидравлических расчетов участка (xi,x2) трубопровода, по которому осуществляется перекачка нефти, лежит хорошо известное уравнение Бернулли [25] (здесь и далее размерность входящих в формулы величин указана в приложении 8 диссертационной работы): в котором pi, р2 - давления в сечениях Xi, х2 соответственно; zb z2 - высотные отметки этих сечений; Ah -потери напора на участке трубопровода. Отношение p/pg называется пьезометрическим напором, а величина z -геометрическим напором. Обе величины измеряются в метрах.
Потери напора на участке нефтепровода состоят из потерь на вязкое трение и потерь на преодоление местных сопротивлений:
Потери на преодоление местных сопротивлений при рассмотрении протяженных участков нефтепровода усредняют и включают в совокупный коэффициент гидравлического сопротивления А. Если учесть, что коэффициент гидравлического сопротивления зависит (через число Рейнольдса) от скорости жидкости и, следовательно, от пропускной способности трубопровода, то уравнение Бернулли может быть записано в виде:
Для удобства анализа распределенных процессов в протяженных участках нефтепровода вводят безразмерную величину гидравлического уклона (гидроуклона) /, характеризующую быстроту потери напора в трубопроводе в зависимости от его диаметра и производительности перекачки:
В общем случае коэффициент гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса. Для актуального на практике турбулентного режима течения нефти обычно используется следующая приближенная формула для гидроуклона в зависимости от вязкости v перекачиваемой жидкости: 01.75 0.25 / = 43 765 Используя типовые математические модели гидродинамических процессов в нефтепроводе, постараемся выделить все возможные для практического применения признаки выявления утечки, с целью максимально полного использования исходного объема технологической информации и применения эффективных способов обработки и представления итоговой аналитической информации. В результате проведенной работы были отобраны семь признаков возникновения утечки, на основе которых сформулированы либо оптимизированы методы, представленные ниже.
Метод контроля баланса продукта (рисунок 4.5) предполагает усреднение показаний расходомеров и регистрацию факта увеличения объемного расхода нефти в начале Qexod и его уменьшения в конце участка нефтепровода Qeb,XOd, т.е. признаком наличия утечки, является регистрация дебаланса между показаниями расходомеров на величину, равную производительности утечки [25,177]:
