Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ
Россия является крупнейшим в мире поставщиком природного газа. Практически весь природный газ предприятия нефтегазовой промышленности поставляют через сеть газопроводов. По прогнозам в 2015 г. объем добычи газа «Газпромом» достигнет 610-615 млрд. куб. м, в 2020 г. - 650 - 670 млрд. куб. м, что потребует развития газотранспортной системы (ГТС), т.к. в таких условиях необходимо обеспечить стабильную работу газопроводов и своевременную подачу необходимых объемов газа. Учитывая, что протяженность только магистральных газопроводов (МГ) в России составляет 754 тыс. км, неблагоприятные географические и природные условия (например, низкие температуры или высокая влажность в различных регионах, нестабильные тектонические условия), которые могут приводить к повреждениям МГ, данная задача является довольно сложной. Газопроводы необходимо постоянно поддерживать в надлежащем состоянии, своевременно обнаруживая и устраняя неизбежные нештатные ситуации (НС).
В настоящий момент изношенность российской ГТС составляет до 56 %. Доля МГ старше 33 лет (нормативный срок их службы) составляет более 21,3 % от общего объема. Кроме того, в результате анализа наиболее известных современных зарубежных и отечественных систем автоматизации работы диспетчерских служб газотранспортных предприятий (ГТП) установлено, что одним из их существенных недостатков является отсутствие автоматизированной функции поддержки принятия решений (ППР) диспетчера в случае НС в режиме реального времени. Этот недостаток приводит к информационным перегрузкам диспетчера как элемента человеко-машинной системы, которому для принятия адекватного решения по управлению ГТС приходится анализировать большой объем информации для обнаружения НС, распознавания типа, определения места ее возникновения и локализации.
Таким образом, становятся очевидными необходимость развития и совершенствования диспетчерских комплексов управления газотранспортными системами и актуальность темы исследования.
Учет реальных особенностей ГТС при формировании управления является первой важной задачей обеспечения эффективности транспортировки газа. Установлено, что наиболее частые аварии приходятся на трубопроводы, находящиеся в зонах геодинамической активности, в местах напряженного состояния недр. При этом на отдельных участках линейных частей (ЛЧ) трубопроводов аварии происходят каждые 3-4 года, на других участках - один раз в 10 - 12 лет, на третьих -15-20 лет. Поэтому второй основной задачей управления транспортом газа является минимизация его потерь в случае возникновения нештатных ситуаций в газотранспортной системе, что связано с первой выше обозначенной задачей. Для решения последней необходимо разработать, в частности, методы устранения аварий, при использовании которых потери газа и время восстановления штатного процесса его транспортировки по трубопроводу будут минимальны, что и является основным предметом исследования в данной диссертационной работе. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: данные технологического имитационного комплекса диспетчера, полученные в процессе моделирования утечек на ЛЧ МГ. ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ: модели, методы и алгоритмы поддержки диспетчерских решений при устранении НС на ЛЧ МГ в части локализации разрыва и перенаправления потоков газа в обход места утечки.
Разработка новых алгоритмов поддержки принятия диспетчерских решений при возникновении нештатных ситуаций, связанных с единичным частичным или полным разрывом ЛЧ МГ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью диссертации является повышение эффективности оперативного поиска наиболее рациональных выходов из нештатных ситуаций на ЛЧ МГ, связанных с единичным разрывом, в части локализации места утечки и перенаправления газа в обход локализованного участка. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научно-технические задачи:
-
Проведен анализ средств информационной поддержки диспетчера газотранспортной системы с целью определения их возможностей в части локализации нештатных ситуаций на ЛЧ МГ.
-
Построена математическая модель базы прецедентов и основанный на ней алгоритм подбора прецедентов из базы, позволяющий вычислять степень соответствия конкретной НС каждому прецеденту и однозначно определять из множества имеющихся в базе наиболее подходящий вариант для устранения НС, связанных с единичным разрывом ЛЧ МГ.
-
Разработаны алгоритм формирования сценариев выхода из нештатной ситуации, вычисляющий полный набор потенциальных сценариев устранения НС, связанной с единичным разрывом, и метод ранжирования этих сценариев, который позволяет упорядочить их по критерию эффективности применения.
-
Создан алгоритм прогнозирования состояния МГ с целью последующего отбора сформированных волновым методом сценариев выхода из НС, особенностью которого является возможность работы в реальном времени, при этом алгоритм основан на численном моделировании процесса транспорта газа и позволяет предсказывать возможность использования конкретных сценариев устранения нештатной ситуации на заданный временной промежуток.
-
В части совершенствования технологического имитационного комплекса линейно-производственного управления (ЛПУ) МГ разработаны графический пользовательский интерфейс системы ППР диспетчера ГТС и программный модуль, генерирующий возможные сценарии выхода из НС с выводом в графическом виде, удобном для восприятия диспетчером.
-
На собранном технологическом имитационном комплексе линейно-производственного управления магистрального газопровода на основе тренажера диспетчера производства ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» (г. Н. Новгород) в процессе моделирования единичных разрывов на отдельных участках МГ проведен ряд машинных экспериментов: по измерению объема утечек газа и времени восстановления значений давления на датчиках МГ при использовании различных сценариев устранения разрывов на разных километрах МГ; определению времени актуальности сценариев устранения разрывов с помощью алгоритма прогнозирования состояния МГ при разрыве. Результаты этих экспериментов позволили подтвердить корректность разработанных автором метода и алгоритмов, а в отдельных случаях внести в них уточнения. Кроме того, проведены вычислительные эксперименты по подбору наиболее близких по степени соответствия НС, связанным с разрывом на различных километрах МГ, прецедентов, результаты этих исследований также подтвердили корректность разработанных автором модели прецедентной базы и основанного на ней алгоритма подбора прецедентов.
-
Выполнены расчеты объемов экономического ущерба при использовании различных сценариев устранения разрывов на ЛЧ МГ, что позволило оценить эф-
фективность применения каждого конкретного сценария устранения НС, и показать целесообразность разработанных алгоритма поиска сценариев устранения разрыва и метода их ранжирования.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, теории множеств, теории вероятностей и математической статистики, системного анализа, теории проектирования систем, объектно-ориентированного проектирования, метода вывода знаний, основанного на прецедентах (Case Based Reasoning).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научную новизну представляют следующие результаты диссертации:
-
Математическая модель базы прецедентов и основанный на ней реализующий прецедентный подход к формированию рекомендаций по устранению НС в виде единичных разрывов на ЛЧ МГ алгоритм вычисления степени соответствия каждого прецедента из множества имеющихся в базе конкретной нештатной ситуации, отличающийся возможностью однозначного определения наиболее близкого к НС прецедента.
-
Метод ранжирования сформированных волновым методом потенциально возможных сценариев локализации единичного разрыва на ЛЧ МГ и соответствующего перераспределения газовых потоков, особенностью которого является упорядочивание их в соответствии с критериями эффективности применения: минимизацией потерь газа и времени полного либо частичного восстановления нормальной работоспособности МГ.
-
Алгоритм прогнозирования состояния МГ на основе итерационного алгоритма моделирования процесса транспорта газа по ЛЧ МГ для отбора пригодных сценариев выхода из нештатной ситуации, особенностью которого является возможность предсказывать в реальном времени применимость конкретных сценариев устранения НС на ЛЧ МГ на заданный временной промежуток.
Основные полученные результаты представлены в виде модели, алгоритмов и программного прототипа модуля поддержки принятия диспетчерских решений в нештатных ситуациях на ЛЧ МГ. Применимость предложенных алгоритмов доказывается результатами их экспериментальных имитационных исследований, в т.ч. на основе реальных данных, зафиксированных телемеханикой, установленной на одном из участков ЛЧ МГ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ диссертации заключается в следующем:
-
В рамках прототипа СППР реализованы графический пользовательский интерфейс системы ППР диспетчера ГТС и программный модуль визуализации состояния МГ в процессе мониторинга транспорта газа в целях оперативного обнаружения НС по показаниям датчиков давления подсистемы мониторинга ГТС, обеспечивающий наглядность отслеживания состояний МГ в штатном режиме работы ЛЧ МГ и в процессе выполнения операций диспетчером по выходу из НС. Прототип интегрирован с промышленным тренажером, реализованным ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю. Е. Седакова» (г. Н. Новгород), позволяющим имитировать работу МГ и нештатные ситуации в реальном времени с высокой точностью и используемым на ряде дочерних предприятий ОАО «Газпром».
-
В рамках прототипа СППР создан работающий в реальном масштабе времени программный модуль, генерирующий возможные варианты выхода из НС с
выводом результатов в графическом виде, удобном для восприятия диспетчером, на основе алгоритма формирования сценариев выхода из НС, связанной с разрывом ЛЧ МГ, и метода ранжирования сценариев локализации и перенаправления потоков газа в обход аварийного участка трубопровода в системе информационной поддержки диспетчера ЛПУ МГ.
-
Проведен вычислительный эксперимент по подбору наиболее близкого по степени соответствия нештатной ситуации на ЛЧ МГ прецедента, результаты которого показали возможность использования прецедентного метода в качестве дополнительного средства наряду с более точными альтернативными методами формирования рекомендаций по устранению НС в виде разрывов.
-
Проведены вычислительные эксперименты по оценке объема утечки газа и времени восстановления значений давления на датчиках МГ для различных сценариев устранения НС в виде разрывов на МГ и определению актуальности отдельных сценариев устранения НС, результаты которых показали корректность и работоспособность соответствующих алгоритмов, либо позволили их скорректировать.
-
Выполнены расчеты объемов экономического ущерба при моделировании различных сценариев устранения разрывов на ЛЧ МГ, результаты которых показали эффективность использования разработанных алгоритма формирования и метода ранжирования сценариев устранения НС.
-
С помощью машинных экспериментов подтверждена эффективность разработанных на основе волнового метода алгоритмов, реализующих поиск сценариев локализации разрыва и перенаправления газа в обход места утечки, в том числе на данных реального одиночного частичного разрыва 11.02.2004 на 140 км МГ «Уренгой - Грязовец» (на участке Пангодинского ЛПУ ООО «Тюментрансгаз»).
7. Разработанные алгоритмы применены в учебном процессе кафедры
ИСИМ ВлГУ в лабораторных и практических работах по дисциплинам «Распреде
ленные информационные системы» и «Представление знаний в ИС» направления
230400 - «Информационные системы и технологии» подготовки магистров и бака
лавров соответственно.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ получены автором при выполнении:
хоздоговорной НИР №3411/06 «Теоретическое обоснование матричного метода моделирования магистральных газопроводов для тренажера диспетчера КС ООО «Тюментрансгаз» по заказу Научно-исследовательского института измерительных систем им. Ю. Е. Седакова Росатома (г. Нижний Новгород);
госбюджетной НИР № 104 (Г-663) «Ранжирование и выбор сценариев локализации и обвода газа при разрыве на магистральном газопроводе» на кафедре ИСИМ ВлГУ по именному гранту губернатора Владимирской области на проведение научных исследований;
госбюджетной НИР №3.2.3/10553 «Развитие технологий моделирования сетевых интегрированных структур образования, науки и производства в технопар-ковой 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 информационно-вычислительном центре ВлГУ. Структура данного многопотокового приложения в части распараллеливания вычислений была принята за основу при разработке автором алгоритма прогнозирования состояния МГ на основе итерацион-
ного алгоритма моделирования процесса транспорта газа по ЛЧ МГ для отбора пригодных сценариев выхода из нештатной ситуации.
госбюджетной НИР № МД-781 «Исследование и разработка методов, моделей и алгоритмов реализации комплексных интеллектуальных программно-технических систем» на кафедре ИСИМ ВлГУ по гранту Президента РФ для государственной поддержки научных исследований молодых российских ученых - докторов наук (договор № 16.120.11.5155-МД от 01.02.2012) в рамках I этапа «Создание информационного обеспечения и прототипа системы поддержки принятия решений диспетчером газотранспортной системы для работы в нештатных ситуациях»;
госбюджетной 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 и поддержки принятия решений диспетчера газотранспортной системы, позволяющей в случае возникновения разрывов газопровода обнаруживать место аварии и предлагать возможный сценарий устранения НС, и внедрены в инновационной компании ООО «Бизнес.РФ» (г. Владимир).
По результатам исследований, проведенных автором в рамках диссертации, 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 Центрального федерального округа РФ.
Результаты научных исследований можно использовать для создания и внедрения на предприятиях нефтегазовой промышленности реально действующей системы ППР диспетчера ЛПУ, адаптированной под конкретный комплекс телемеханики (ТМ), а также для реализации специального программного модуля тренажера диспетчера ЛПУ многониточным МГ для подготовки диспетчерского персонала к работе в нештатных ситуациях.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие результаты:
-
Математическая модель базы прецедентов и основанный на ней алгоритм вычисления степени соответствия каждого прецедента из множества имеющихся в базе конкретной нештатной ситуации.
-
Метод ранжирования сформированных волновым методом потенциально возможных сценариев локализации единичного разрыва на ЛЧ МГ и соответствующего перераспределения газовых потоков.
-
Алгоритм прогнозирования состояния МГ на основе итерационного алгоритма моделирования транспорта газа по ЛЧ МГ с целью отбора пригодных сценариев выхода из нештатной ситуации.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на межвузовской научно-практической конференции «Трансформация экономики регионов в условиях устойчивого развития: теория и практика» (г. Владимир, 2008 г.); III международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2007 г.); XX международной научной конференции «Математические методы в технике и тех-
нологиях» (Ростов-на-Дону, 2007 г.); III международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2009) (Газпром ВНИИГАЗ, 2009 г.); XI всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2009 г.); IV международной конференции «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» (DISCOM-2009) (Москва, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Системы промышленного и информационного сервиса (инфраструктура, объекты, процессы)» (Кострома, 2008 г.); IV Международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2008 г.); межвузовской научно-практической конференции «Социально-экономические системы: особенности развития, функционирования и управления в условиях инновационной направленности» (Владимир, 2010 г.); юбилейной выставке научных достижений Владимирского государственного университета (Владимир, 2008 г.); V международной научно-технической конференция «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (г. Вологда, 2009 г.); II Молодежной научно-практической школе «Информационный менеджмент социально-экономических и технических систем - 2011» (г. Москва, 2011 г.); V международной конференции «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами (DISCOM-2012)» (г. Москва, 2012 г.). ПУБЛИКАЦИИ
Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 18 печатных работах, в том числе в четырех статьях в изданиях перечня ВАК. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 132 страницах, включающих 26 рисунков, 12 таблиц, список использованных литературных источников, состоящий из 101 наименования, а также включает 3 приложения.
