Влияние розы ветров на проектирование распределенной

УДК 622.691
Бушмелева К.И., Гуревич Э.Л., Бушмелев П.Е., Плюснин И.И., Увайсов С.У.
СургутГУ, МИЭМ
ВЛИЯНИЕ МЕТЕОДАННЫХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ГАЗОПРОВОДОВ
НА ОСНОВЕ БЕСПРОВОДНЫХ МОДУЛЕЙ
Аннотация. В работе оценивается и учитывается влияние метеорологических факторов на распространение газового облака при проектировании оптимальной траектории и расположения беспроводных измерительных модулей распределенной системы мониторинга магистральных газопроводов.
Сегодня основной отраслью производства в России является газодобывающая промышленность.
Приоритетную роль в производственной деятельности газотранспортных предприятий занимает добыча
и поставка газа с северных месторождений на индустриальный Урал и в Центральные регионы страны. Их важнейшая задача – это обеспечение стабильной и надежной работы магистральных газопроводов (МГ), которые эксплуатируется в основном в жестких климатических и рельефно-ландшафтных
условиях при отсутствии развитой и разветвленной системы коммуникаций.
К сожалению, на сегодняшний день, никто не застрахован от различного рода аварий связанных
с утечкой газа в окружающую среду. Такого рода происшествия несут как значительный материальный, так и трудно оценимый экологический ущерб. Вовремя обнаружить утечку газа, оценить объемы, а по возможности и предотвратить подобные ситуации задача не последней важности.
Существующие средства и методы диагностирования МГ [1], отличающиеся принципом действия,
чувствительностью, областью применения и др., имеют существенные недостатки, состоящие в локальности их применения, отсутствие доступа к любому аварийному объекту и периодичности контроля объектов. Однако, для безопасной эксплуатации газотранспортных систем необходимо регулярное патрулирование газопроводов с целью своевременного обнаружения утечек газа. Наиболее
привлекательным вариантом в данном случае является метод дистанционного обнаружения утечек
газа посредством беспроводных измерительных модулей (БИМ).
БИМ являются основным элементом распределенной системы мониторинга магистральных газопроводов, которые устанавливаются вблизи трубы (5-10м), через определенное расстояние (около 100м),
соединяются между собой беспроводной радиосвязью [2], образуя последовательную сеть приемопередающих устройств, передающих информацию от точки к точке посредством ретрансляции.
Распределенная система мониторинга построена на основе совокупности различных аппаратных и
программных средств, предназначенных для автоматизированного получения данных об утечках газа
из МГ, передачи, обработки, централизованного накопления этих сведений, осуществления контроля
и принятия управленческих решений [3]. Система представляет собой: сенсорную сеть, построенную
на основе топология Mesh [4], где в режиме реального времени производится сбор информации с
распределенных в пространстве БИМ; шлюз (точки сбора информации); сервер и web-сайт клиента
обеспечивающих связь БИМ – базы данных (БД) – клиентских приложений (КП).
Архитектура системы мониторинга МГ состоит из трех основных уровней: клиентский уровень;
серверный уровень; уровень беспроводных измерительных модулей.
На клиентском уровне архитектуры, система находится на web-сайте под управление CMS (система управления содержимым) WordPress. На территории, покрываемой областью действия модулей беспроводной передачи данных, возможно подключение любого устройства (персонального компьютера ПК, карманного персонального компьютера - КПК, ноутбука и др.) с установленным специализированным программным обеспечением, что в свою очередь позволит синхронизировать работу системы,
обеспечивая получение необходимой информации с последующей ее обработкой.
На серверном уровне система обеспечивает связь цепочки БИМ - БД - КП. Программное обеспечение (ПО) выполнено в виде сервиса, написанного на языке программирования Java под Eclipse IDE,
что обеспечивает не только быструю интеграцию с различными технологиями, но делает данную систему кроссплатформенной. В свою очередь БД реализуется с использование СУБД MySQL и хранилищ
в формате XML. На серверном уровне представлен web-сервер и сервер БД.
БИМ представляет собой устройство, работающее от автономного источника питания и обладающее
набором основных компонентов детектора утечек метана, работающее под операционной системой
реального времени TinyOS. ПО отвечает за работоспособность устройства, осуществляя прием и
передачу данных. БИМ состоит из: микроконтроллера; высокочувствительного датчика обнаружения
утечек газа - метана; радиопередающего устройства (с функцией ретрансляции); блока автономного
питания (на базе аккумулятора, солнечной батареи и ветряной установки); памяти.
В БИМ выполняются следующие функции: обнаружение утечки газа посредством датчика; фиксирование времени обнаружения (начало и окончания) утечки в микроконтроллере; зарядка аккумулятора
устройств БИМ посредством солнечных элементов и других источников автономного питания; передача собственной и ретрансляция информации, полученной из предыдущего на следующий БИМ, и т.д.
для ввода ее в ЭВМ.
Принцип обнаружения утечек газа с помощью БИМ основывается на процессе диффузионного рассеяния газа в атмосфере (рис. 1). Для этого использовался метод расчета М. Берлянда, базирующийся на математической модели рассеивания газообразных примесей в атмосфере воздуха и поставленных натурных экспериментах, подтвердивших эти результаты [5].
1
Рис. 1. Принцип обнаружения утечки газа из МГ
Данный метод позволил рассчитать концентрации выбрасываемых газов в вертикальном и горизонтальном сечении облака метана, а также поля концентраций - изолинии, создаваемые точечными
источниками выбросов из МГ.
При проектировании распределенной системы мониторинга МГ такженеобходимо учитывать влияние
метеорологических факторов, особенностей рельефа подстилающей поверхности на формирования облака утечки газа, его распространение в зоне мониторинга и соответственно на расстановку БИМ
вдоль трубы.
Основными критериями, влияющими на поведение газового облака, являются: направление ветра;
скорость ветра; порывы ветра; давление; осадки; относительная влажность; температура; состояние почвы; подстилающая поверхность и др. Среди них одним из важнейших факторов является
направление ветра, т.к. оно оказывает максимальное влияние на распространение газового облака,
в связи с тем, что выборка метеоданных производится на большом промежутке времени (1 год и
более), регулярно (ежемесячно, ежедневно), это в свою очередь уменьшает значимость остальных
критериев. При статистической обработке значений ветра, метеорологи используют построение розы
ветров, которая проводится по специально разработанному модулю векторного анализа метеорологических данных.
Для оценки поведения газового облака необходимо построить модель розы ветров для каждого
участка МГ. Роза ветров, построенная по реальным данным наблюдений, позволяет по длине лучей
построенного многоугольника (контурной линии) выявить направление господствующего, или преобладающего ветра, со стороны которого чаще всего приходит воздушный поток в данную местность.
Обозначенная контурная линия - результат обработки метеорологических данных, по восьми
направлениям ветра (места перегибов ломаной линии). Чем ближе точка перегиба к линии окружности (радиус окружности в процентах, показывает долю ветра в данном направлении за конкретный
период), тем больше случаев этого направления ветра регистрировалось, пример на рис. 2. Для
проведения мониторинга МГ достаточно определять минимальное и максимальное значения ветра в
данном направлении.
Алгоритм построения розы ветров состоит в следующем: выбор модели розы ветров; сбор необходимой информации из базы метеоданных (направление, дата и время измерения); обработка информации (подсчет количества дней, соответствующих тому или иному направлению ветра); усреднение
направления ветра в соответствии с выбранной моделью розы ветров; суммирование количества
дней, соответствующих каждому усредненному значению направления ветра; введение лингвистических переменных для каждого направления ветра; построение розы ветров (лепестковая диаграмма).
Анализируя метеорологические данные, были построены розы ветров для протяженных линейных
участков МГ по выше изложенному алгоритму. Так, например, в результате построения векторных
диаграмм направлений ветра в районе г. Сургута (рис. 2.а) за 2010 год, было установлено, что
здесь преобладает западное и северо-западное направление ветра.
Конечно, роза ветров является важным фактором планирования мониторинга и последующей обработки ее результатов, однако, из-за большой протяженности, изменения направления МГ и постилающей поверхности этой информации бывает недостаточно. В результате кроме розы ветров необходимо учитывать и скорость ветра, хотелось бы также отметить, что в сложных условиях Северной
части России безветренная погода редка. Так, например, в ветреную погоду изменение скорости
ветра на холмистой местности может изменяться почти в три раза в зависимости от угла склона,
на фиксированной высоте и в низкой ее части скорость ветра может быть выше или ниже на 50% от
набегающего потока соответственно.
Розой скорости ветров (рис. 2.б) также является контурная линия - результат обработки метеорологических данных по восьми направлениям (векторам) ветра, модулями которых будут средние
значения величин скорости данного направления, за определенный период.
2
С
10
8
СЗ
6 4,5
5
4
3
2
З 5,38
0
0
3
ЮЗ
а.
4,33
СВ
В
4
ЮВ
Ю
б.
Рис. 2. Роза ветров (а) и роза скорости ветра (б) в районе г. Сургут
Совместный анализ розы ветров и розы скорости ветров за 2010г показал, что наиболее предпочтительным является проведение мониторинга МГ в сентябре, поскольку преобладают ветра западного (З), северо-западного (СЗ) и восточного (В) направлений, при этом скорости этих ветров минимальны. Облако утечки газа в этом случае будет распространяться в сторону от трубы, скорость
движения облака минимально, таким образом, утечка может быть легко обнаружена БИМ.
Как показывают исследования, ежегодная повторяемость направлений и скоростей ветров для
каждого сезона имеет высокую вероятность, поэтому данную информацию можно рекомендовать для
включения в методику обследования МГ, а также при проектировании расстановки БИМ в распределенной системе мониторинга.
В перспективе представляет интерес построение розы ветров и розы скорости ветров по декадам, а лучше ведение статистики по каждому дню, для чего разрабатываться программное обеспечение (ПО) «Ветер» автоматизирующее это труд. В результате в автоматическом режиме можно будет
считывать, и обрабатывать информацию из сети Интернет, или подключаться к конкретной метеостанции, для формирования плана обследования МГ на текущий год и проектирования распределенной
системы мониторинга на основе беспроводных измерительных модулей.
Таким образом, основной целью создания автоматизированной системы (АС) учета розы ветров, и
розы скорости ветра является построение оптимальной траектории расположения мобильных средств
используемых при мониторинге МГ. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить ряд
задач: произвести экспорт метеоданных с электронных источников; осуществить добавление полученной информации в базу данных; выделить наиболее важные факторы, влияющих на распространение
газового облака; выбрать модели розы ветров и розы скорости ветра; обработать метеоданные и
построить модели для различных линейных участков МГ; спроектировать оптимальную траекторию
расположения мобильных средств мониторинга; осуществлять динамическое обновление базы данных
по метеоусловиям для различных участков МГ и производить корректировку оптимальной траектории.
Контур АС на сегодняшний день (рис. 3) состоит из 4х основных элементов.
Рис. 3. Функциональная модель АС
Специалист, осуществляющий работу с приложением по генерации розы ветров и розы скорости
ветра на заданных участках МГ и формированию оптимальной траектории расстановки стационарных
беспроводных измерительных модулей.
База данных, в которой хранятся измерения, полученные с метеостанций и БИМ.
3
Внешняя среда. Представляет собой метеостанции и стационарные БИМ. Именно с них поступает
вся информация о погоде и о состоянии участков газопроводов в базу данных.
Приложение для работы базой данных, которое состоит из 3х главных блоков: блока ввода, с
помощью которого специалист формирует необходимые для работы запросы; блок обработки, который
проверяет корректность поступившего запроса, и, в случае успешной проверки, работает с базой
данных или со следующим блоком – блоком вывода, который отвечает за отображение основной информации на дисплее или формирует подробный отчет.
В дальнейшем планируется модифицировать систему, добавив в нее влияние такого критерия, как
подстилающая поверхность, что также оказывает существенное влияние при проектировании оптимальной траектории и расположение беспроводных измерительных модулей распределенной системы
мониторинга МГ, когда метеорологические факторы невозможно будет учесть в силу отсутствия на
некоторых участках данных с метеостанций.
В данной работе использованы результаты проекта «Разработка методологии автоматизированного
надежностного проектирования электронных средств дистанционного мониторинга распределенных
систем», выполняемого в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ в 2013 году.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бушмелева, К.И. Дистанционное зондирование магистральных газопроводов: Учебное пособие
/К.И. Бушмелева, И.И. Плюснин; Сургут. гос. ун-т ХМАО – Югры. – Сургут: ИЦ СурГУ, - 2010. –
121 с.
2. Бушмелев, П.Е. Беспроводная система мониторинга магистральных газопроводов /П.Е. Бушмелев //Новые информационные технологии: тезисы докладов XVIII международной студенческой конференции – школы-семинара. – М.: МИЭМ, 2010. – С. 181 – 182.
3. Распределенная беспроводная система мониторинга технического состояния объектов газотранспортной сети /К.И. Бушмелева, И.И. Плюснин, П.Е. Бушмелев, С.У. Увайсов //Измерительная
техника. – 2013. - №3. – С. 7 – 11.
4. Осипов, И.Е. Mesh сети: технологии, приложения, оборудование /И.Е. Осипов //Технологии и
средства связи. – 2006. - № 4. – С. 38 – 45.
5. Плюснин, И.И. Компьютерная модель определения массового расхода метана при утечке из газопровода /И.И. Плюснин, А.Г. Заводовский, С.М. Сысоев //Качество, инновации, образование и
Cals Technology: Материалы III Международного симпозиума, Египет, 7-14 апреля 2007г. /Москва:
МИЭС, 2007. – С. 174 – 178.
4