На правах рукописи Ковардаков Алексей Викторович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ

На правах рукописи
Ковардаков Алексей Викторович
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ
АНАЛИТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СЛОЖНЫХ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Специальность 05.13.01 – «Системный анализ,
управление и обработка информации
(информационные и технические системы)»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2007
2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
«Кубанский государственный технологический университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Симанков Владимир Сергеевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Ключко Владимир Игнатьевич
кандидат технических наук, профессор
Сингаевский Николай Алексеевич
Ведущая организация:
ФГУП КБ «Селена» г. Краснодар
Защита диссертации состоится « 23 » мая 2007 года в 14:00 на
заседании диссертационного совета Д 212.100.04 в Кубанском государственном технологическом университете по адресу:
350072, г. Краснодар, ул. Московская 2а, конференц-зал
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского
государственного технологического университета по адресу:
350072, г. Краснодар, ул. Московская 2а
Автореферат разослан « 23 » апреля 2007 г.
Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения просьба
направлять по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2а, ученому
секретарю диссертационного совета Д 212.100.04, канд. техн. наук,
доценту Власенко А.В.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.100.04,
канд. техн. наук, доцент
А.В. Власенко
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современные требования, направленные на
повышение эффективности и безопасности управления промышленными
объектами
приводят,
информационной
как
следствие,
загруженности
к
резкому
технологических
увеличению
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
динамическими
для
принятия
решений
процессами, протекающими
по
управлению
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
информационных
в
качественном
процессов
в
изменении
технологических
организации
ИС,
поскольку
архитектура применяющихся на уровне технологического управления
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)-систем существенно
ограничена
в
аналитической
функциональности.
Эффективность
технологического мониторинга может быть повышена введением в общую
систему технологического управления ИС, производящей аналитическую
4
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
5
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 является аналитическая информационная
система
технологического
мониторинга
сложных
промышленных
объектов.
Предметом исследования 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:
1. Анализ и оценка проблемной ситуации и морфологический анализ
путей повышения эффективности технологического мониторинга.
2. Разработка
системы
критериев
оптимизации
аналитической
обработки и представления информации для этапа ситуационного
анализа состояния сложных промышленных объектов.
3. Синтез
информационной
модели
АИС
технологического
мониторинга сложных промышленных объектов.
4. Разработка архитектуры АИС технологического мониторинга СПО и
алгоритмизация работы базовых подсистем.
6
5. Исследование информационных процессов в аналитических модулях
на примере актуальной задачи обнаружения утечек в нефтепроводах
с целью апробации разработанной информационной модели АИС.
6. Разработка программного обеспечения базовых подсистем АИС и
аналитического модуля обнаружения утечек в магистральных
нефтепроводах.
7. 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
гидродинамики,
модуля
математического
использованы
моделирования,
методы
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.
7
 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
нефтепроводах
обнаружения
исследованы
утечек
общие
в
магистральных
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
8
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 и заключения, изложенных на 304 страницах.
Работа содержит 93 рисунка, 12 таблиц, библиографию из 216
наименований на 15 страницах и приложение на 5 страницах.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
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
технологических
ИС.
На
архитектуры
данном
этапе
и
функциональности
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
9
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 Р на нахождение n-мерной сфере допустимых
значений N. Архитектура SCADA-систем подходит для автоматизации
именно такой задачи, поскольку допускает смысловую группировку
10
параметров через операцию логической свертки F, снижая тем самым
кардинальное число контролируемого множества V:
P  { pi : i  I }, N  {nk : k  K} : N  P,  F : P  V  {v j : j  J }   i   j (1)
Напротив, мониторинг состояния сложных ТП требует рассмотрения
всего процесса как целого, поскольку их информационные потоки не
поддаются однозначной декомпозиции относительно технологических
объектов.
Для
функциональности
аналитических
(1),
задач
необходим
учет
помимо
стандартной
взаимосвязей
процесса
и
выявления на основе известных взаимосвязей неких критических
состояний
процесса
X,
возможных
даже
для
случая
когда
все
контролируемые параметры находятся в области допустимых значений.
Следовательно, необходима аналитическая обработка исходных данных и
синтез G нового аналитического информационного потока A, множество
параметров которого не только имеет меньшее кардинальное число, но и
принципиально иную структуру, оптимальную для этапа ситуационного
анализа и принятия решений:
X : X  N  P, G : Х  A  {al : l  L}  i   j  l (2)
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 изза 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:
11
 вероятности потери контроля над ТП – Wo из-за задержки по
времени обработки информации – Ta,
 вероятности потери контроля над ТП из-за степени достоверности
информации – Wс.
По приведенным критериям была проведена оптимизация и
построена
модель
аналитической
обработки
данных.
Результат
оптимизации иллюстрирует рисунок 1, представляющий совокупное
расширение Δn сферы применимости АИС по числу n параметров
аналитической задачи при наличии с взаимосвязей, относительно
совокупной вероятности потери контроля над ТП – W, при заданной
предельно допустимой вероятности – Wk, среднем периоде возникновения
критической ситуации в ТП – Tx, средних временах единичной выборки –
tв, расчета – tр, анализа – tи данных, и соответствующих степенях
достоверности выборки – wв , расчета – wр и анализа – wа данных.
Совокупное расширение
применимости технологической
ИС при оптимизации
информационного процесса
W
W = Wс Wо
Wo=F(Ta) Ta = ntв + ntр + cn2tи
…
Δn
1
max nв (tв )  tв 
max nа (t р , tu ) 
(tв  t р ) 2 4ctиTx  (t р ) 2 4ctиTx
2ctи
(tв  t р ) 2 4ctиTx
Tx

 (tв  t р )
tв
2ctи
…
Wс(n) = 1-(ωв)n(ωр)2сn
Область применимости
стандартной SCADAсистемы
min Wc  1  (в ) n (1c )
Δnв
Δnа
Δnр
Δnд
Wk
0
nk
n
Рисунок 1 - Расширение применимости АИС для решения n-мерных аналитических
задач, при оптимизации модели обработки технологических данных
Основные этапы оптимальной обработки исходных данных в
синтезированной модели это:
12
1. Систематизация технологических данных относительно ТП,
2. Приведение информационного потока по однотипным данным к
однородному виду,
3. Аналитическая проверка достоверности исходных данных,
4. Расчетно-аналитическая
обработка
технологических
данных
в
соответствии с моделью конкретного ТП,
5. 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
(рисунок
2).
Синтезированный информационный процесс АИС обладает четкой
логической структурой и может быть представлен в виде нескольких
последовательных уровней обработки информации.
13
Промышленный объект
Контроль обмена со
SCADA-системой
Технологический объект №1
Контроль
состояния АИС
Ядро
АИС
Условия
Условия
Коммуникационный
интерфейс
Систематизация данных по
технологическим процессам
Первичная проверка
достоверности данных
Унификация однотипных
технологических данных
Контроль
состояния БД
Условия
События
Запись ретроспективы данных
по техпроцессу
Журналирование событий
Р1
Технологические параметры
Рn
n
Коммуникационный интерфейс
Коммуникационный
интерфейс
SCADAсистема
Систематизация данных по
технологическим объектам
Информационный процесс
SCADA-системы
Служебный
информационный поток
Интерфейс управления
Контроль упр.
команд оператора
СУБД
Аналитический модуль
Условия
Выборка исходных данных по
аналитической задаче
Условия
Аналитическая проверка
достоверности данных
Условия
Анализ технологических
данных
Формирование
технол. «тревог»
Синтез
аналитического
информац. потока
Контроль управляющих
команд оператора
Запись
ретроспективы
аналитич. данных
БД
Управляющий
информационный поток
Технологический
информационный поток
Аналитический
информационный поток
Интерфейс визуализации
Интерфейс управления
Рисунок 2 - Информационная модель аналитической ИС
Оператор
14
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 (рисунок 3) 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.
15
SCADA
Сервер сбора данных
Сервер оперативного анализа
данных
Ядро АИС
Ядро АИС
Подсистема сбора
технологич. данных
БД
Управляющая
подсистема
БД
Управляющая
подсистема
АД
данные
СД
Аналитический
модуль задачи №1
СД
Сервер
СУБД
ТД
Сервер
СУБД
Аналитический
модуль задачи №N
Ядро АИС
Управляющая
подсистема
БД
СД
Обобщенные АД
данные
Сервер
СУБД
Модуль
аналитической
задачи №1
Модуль
аналитической
задачи №N
Терминал
специалиста
АРМ специалиста1
АРМ специалистаN
Ядро АИС
Управляющая
подсистема
Сервер
ретроспективного
и статистического
анализа данных
Монитор аналитической задачи №1
Ядро АИС
Управляющая
подсистема
Монитор аналитической задачи №N
АРМ оператора 1
ИС управленческого
уровня
Терминал
оператора
АРМ оператора N
Рисунок 3 - Универсальная комплексная распределенная архитектура АИС
16
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.
17
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 (x1,x2) трубопровода, лежит уравнение Бернулли, описывающее
потерю напора Δh при течении вязкой жидкости в трубопроводе:
h 
p1  p 2
8lQ 2
(3)
 ( z1  z 2 )   2 5
g
 d g
в котором p1, p2 – давления в сечениях х1, х2 соответственно; z1, z2 –
высотные отметки этих сечений; Q – удельная производительность
нефтепровода, l - длина участка нефтепровода, λ – коэффициент
гидравлического сопротивления, d - диаметр нефтепровода. Для удобства
анализа распределенных процессов в протяженных участках нефтепровода
вводят безразмерную величину гидравлического уклона (гидоуклона) – I,
характеризующую скорость линейной потери напора. Для актуального на
практике турбулентного режима течения нефти обычно используется
следующая приближенная формула для гидроуклона в зависимости от
расхода и вязкости ν перекачиваемой жидкости:
I 
8Q 2
Q 1,75 0, 25
dh
 2 5
 43,77
(4)
dx
 d g
d 4,75
В соответствии с приведенной гидравлической моделью, стандартная
параметрическая методика заключается в регистрации снижения давления
вдоль трассы нефтепровода, причиной которого является изменение его
гидравлического
сопротивления
потоку
жидкости,
вызванное
18
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 p(x), и определяя экспериментально вид линии
гидроуклона I можно рассчитать точку утечки:
Lx 
( g ( p 2  p1 )  l  I )
(5)
I
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 {mi}, описывающей
поведение разностных величин снижения давления по датчикам {Δpi} в
процессе утечки:
mi  pi  1  (1 
aL0
L l
) x i ; a, b  const (6)
Lx  bL0 Lx
что исключает систематические погрешности, а также применением
цифровой фильтрации наборов показаний датчиков вида P(t)={Pi}:
Pfi (t )  (1   ) Pfi 1  P(t ) (7)
с настраиваемой постоянной α, что снижает случайные погрешности.
В направлении повышения качества аналитической обработки,
стандартная параметрическая модель была улучшена путем применения
методов корреляционного анализа ρ для вероятностной оценки W наборов
характеристических величин {xi}={Δpi}, полученных на основе обработки
экспериментальных данных относительно модели процесса {mi}, в
предположении точки утечки с координатой Lx:
_
_


 (x i  x)( mi  m) 
(8)
max W ( x)  max  M , X (i)  max 
_ 
_
 n (x  x) 2 (m  m) 2 
i
i


19
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
и
представленная выражениями (3)-(8) модель определения и расчета
характеристик утечек в нефтепроводах была названа статистикопараметрической. На основе обработки данных с использованием
представленной модели, синтезируется компактный и оптимальный для
этапа
ситуационного
анализа
набор
аналитических
величин:
распределение снижения давления {Δpi}, объемный дебаланс ΔQ,
изменение напора ΔH, факт Al , время T, величина Qу, координата Lx,
вероятность W утечки в нефтепроводе.
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.
20
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 диссертации приводится обобщение основных
результатов работы.
В приложении приводятся протоколы испытаний и акт о внедрении
аналитического
модуля
обнаружения
эксплуатацию на базовом предприятии.
утечек
в
составе
АИС
в
21
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ
1. В результате проведенного системного исследования показано, что
архитектура стандартных технологических ИС неэффективна для задач
анализа больших объемов взаимосвязанных данных сложных технических
систем, а также выделен класс аналитических задач и соответствующий
класс АИС технологического мониторинга СПО.
2. Разработана система критериев и проведен синтез оптимальной модели
обработки информации в АИС технологического мониторинга СПО,
включающей этапы систематизации относительно ТП, унификации и
аналитической
проверки
достоверности
входных
данных,
синтеза
аналитического информационного потока.
3. На основе разработанной информационной модели аналитической
обработки технологических данных и сформулированных принципов
построения АИС, основные из которых это: модульная обработка
информации, единство обработки оперативных и ретроспективных
данных, организация информационного обмена посредством общей БД под
управлением
внешней
СУБД,
выполнен
синтез
универсальной
комплексной распределенной архитектуры, которая позволяет наращивать
функциональность по мере производственных потребностей, а также
применять АИС на других промышленных объектах.
4. Эффективные
математические
модели
и
алгоритмы
обработки
информации в аналитических модулях исследованы на примере разработки
статистико-параметрической модели и методики обнаружения утечек в
магистральных нефтепроводах - актуальной для базового предприятия
задачи технологического мониторинга.
5. Реализованы базовые компоненты АИС: управляющая оболочка,
унифицированный шаблон аналитических модулей, единый модуль сбора
технологических данных, а также аналитический модуль обнаружения
22
утечек. В состав АИС, в соответствии с практическими потребностями,
может быть интегрирована любая промышленная СУБД, поддерживающая
стандартный структурированный язык запросов.
6. Практика эксплуатации и результаты испытаний реализованной АИС
показывают эффективность системы в плане снижения производственных
рисков, интенсификации труда специалистов, качества анализа данных.
Рассчитанный
на
основе
существующих
отраслевых
методик
экономический эффект в масштабах базового предприятия составил
порядка 17 млн. руб. по внедрению и порядка 1 млн. руб. в год по
эксплуатации системы.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Ковардаков А.В. Автоматизация расчета прохождения внутритрубных
снарядов по нефтепроводу. - Трубопроводный транспорт нефти.
Приложение к №6 M.: ТрансПресс. 2003, с.8-10.
2. Ковардаков А.В. Система обнаружения утечек в магистральных
трубопроводах на базе стандартных программных средств СДКУ. Трубопроводный транспорт нефти. Приложение к №6 M.: ТрансПресс.
2004, с.3-6.
3. Ковардаков
А.В.
Расширение
функциональности
СДКУ.
-
Трубопроводный транспорт нефти. Приложение к №12 M.: ТрансПресс.
2005, с.22-24.
4. Ковардаков А.В. Модульная система обработки технологической
информации как система поддержки принятия решений при управлении
технологическими процессами. - Сборник докладов XI научнотехнической
конференции
молодых
специалистов
«Транснефть». Уфа: РИЦ ИксПринт. 2006, с.197-295.
ОАО
«АК
23
5. Ковардаков А.В. Автоматизация аналитических задач управления
технологическими процессами. Трубопроводный транспорт нефти.
Приложение к №6 M.: ТрансПресс. 2006, с.10-15.
6. Симанков
В.С.,
Ковардаков
А.В.
Повышение
эффективности
параметрической системы обнаружения утечек в магистральных
нефтепроводах. Трубопроводный транспорт нефти. Приложение к №12
M.: ТрансПресс. 2006, с.13-17.
7. Симанков В.С., Ковардаков А.В. Аналитическая информационная
система управления технологическими процессами. Известия вузов.
Северокавказский регион. Технические науки. Приложение к №4
Новочеркасск: 2006, с.5-12
8. Симанков В.С., Ковардаков А.В. Аналитическая информационная
система
в
практике
управления
технологическими
процессами.
Автоматизация телемеханизация и связь в нефтяной промышленности.
№2 M.: ВНИИОЭНГ, 2007. с.4-9
9. Симанков В.С., Ковардаков А.В. Аналитические информационные
системы управления технологическими процессами. Монография.
Краснодар: КубГТУ, 2006. 274с.