Система поддержки принятия решений диспетчера по выходу из нештатных ситуаций на магистральном газопроводе

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. НАУЧНАЯ ЗАДАЧА.

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:

1. Проведен анализ средств информационной поддержки диспетчера газотранспортной системы с целью определения их возможностей в части локализации нештатных ситуаций на ЛЧ МГ.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. На собранном технологическом имитационном комплексе линейно-производственного управления магистрального газопровода на основе тренажера диспетчера производства ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седако-ва» (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 МГопределению 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.

7. Выполнены расчеты объемов экономического ущерба при использовании различных сценариев устранения разрывов на JI4 МГ, что позволило оценить эффективность 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:

1. Математическая модель базы прецедентов и основанный на ней реализующий прецедентный подход к формированию рекомендаций по устранению НС в виде единичных разрывов на JI4 МГ алгоритм вычисления степени соответствия каждого прецедента из множества имеющихся в базе конкретной нештатной ситуации, отличающийся возможностью однозначного определения наиболее близкого к НС прецедента.

2. Метод ранжирования сформированных волновым методом потенциально возможных сценариев локализации единичного разрыва на JI4 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.

3. Алгоритм прогнозирования состояния МГ на основе итерационного алгоритма моделирования процесса транспорта газа по JI4 МГ для отбора пригодных сценариев выхода из нештатной ситуации, особенностью которого является возможность предсказывать в реальном времени применимость конкретных сценариев устранения НС на JI4 МГ на заданный временной промежуток.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

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:

1. 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».

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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 «Распределенные информационные системы» и «Представление знаний в ИС» направления 230 400 — «Информационные системы и технологии» подготовки магистров и бакалавров 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 № 3.2.3/10 553 «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 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 итерационного 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 № 1 200 959 379 «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 продуктыпроект 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:

1. Математическая модель базы прецедентов и основанный на ней алгоритм вычисления степени соответствия каждого прецедента из множества имеющихся в базе конкретной нештатной ситуации.

2. Метод ранжирования сформированных волновым методом потенциально возможных сценариев локализации единичного разрыва на ЛЧ МГ и соответствующего перераспределения газовых потоков.

3. Алгоритм прогнозирования состояния МГ на основе итерационного алгоритма моделирования транспорта газа по ЛЧ МГ с целью отбора пригодных сценариев выхода из нештатной ситуации.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

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 технологиях» (Ростов-на-Дону, 2007 г.) — III международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (ОТ8−2009) (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» ф18СОМ-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 (О18СОМ-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.

Выводы по главе 4.

В главе проведены исследования результатов работы алгоритмов, реализованных в рамках диссертации. На примере конкретных НС показана эффективность методов поиска точек локализации и обвода газа по графу МГ. В результате сравнительной оценки рациональности различных способов локализации и перенаправления газа в обход места разрыва внесены изменения в метод ранжирования сценариев. Совокупность рекомендаций, выдаваемых на основе корректного поиска наиболее рациональных сценариев выхода из НС и анализа прецедентов, способствует более эффективному и надежному решению задач по устранению разрывов на ЛЧ МГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведен анализ средств информационной поддержки диспетчера газотранспортной системы с целью определения их возможностей в части локализации нештатных ситуаций на МГ.

2. Построена математическая модель базы прецедентов и основанный на ней алгоритм подбора наилучшего прецедента (наиболее «близкого») для НС на ЛЧ МГ, который позволяет вычислять степень соответствия НС каждому прецеденту и однозначно определять наиболее рациональный вариант устранения НС из множества имеющихся.

3. Разработаны алгоритм формирования сценариев выхода из нештатной ситуации, вычисляющий полный набор потенциальных сценариев устранения НС, связанной с единичным разрывом и метод их ранжирования, который позволяет четко расставить их по приоритету в зависимости от эффективности применения.

4. Создан алгоритм прогнозирования состояния МГ с целью определения сценариев выхода из НС, особенностью которого является возможность его работы в реальном времени. Алгоритм основан на моделировании транспорта газа и позволяет предсказывать возможность использования конкретных сценариев устранения разрыва на некоторое время вперед.

5. Разработан программный модуль системы поддержки принятия решений диспетчера ГТС по выходу из НС, генерирующий возможные сценарии выхода из НС с выводом в графическом виде.

6. На собранном при участии автора технологическом имитационном комплексе из ПЭВМ оператора с разработанным прототипом СППР и ПЭВМ с установленным тренажером диспетчера транспорта газа разработки ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю. Е. Седакова» (г. Н. Новгород) в процессе моделирования единичных разрывов на ЛЧ МГ протестированы алгоритм формирования сценариев выхода из НС, связанных с разрывом, в части перенаправления газа в обход аварийного участка трубопровода и метод ранжирования этих сценариев.

7. Проведен ряд машинных экспериментов: по подбору из базы наиболее подходящих прецедентов для НС в виде разрывов на различных километрах МГпо измерению объема утечек газа и времени восстановления значений давления на датчиках МГ при использовании различных сценариев устранения разрывов на разных километрах МГпо определению времени работоспособности сценариев устранения разрывов на некоторых местах газопровода с помощью алгоритма прогнозирования состояния МГ при разрыве. Результаты этих экспериментов позволили удостовериться в корректности разработанных алгоритмов и метода ранжирования сценариев выхода из НС, а также на основе результатов отдельных экспериментов были внесены необходимые корректировки в данный метод.

8. На основе реальных данных ТМ, зафиксированных во время единичного частичного разрыва на линейной части ЛПУ МГ «Уренгой — Грязо-вец» ГТП ООО «Тюментрансгаз») подтверждена корректность работы алгоритма формирования сценариев выхода из НС данного вида.

9. Выполнен расчет объемов экономического ущерба при использовании различных сценариев устранения разрывов на ЛЧ МГ. Оценена эффективность каждого конкретного сценария устранения НС, взятого для расчета, и показана целесообразность применения вышеуказанных алгоритма поиска сценариев устранения разрыва и метода их ранжирования.