автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ устойчивости систем трубопроводного транспорта по данным телеметрии

На правах рукописи

ЛЮТИКОВА МАРИНА НИКОЛАЕВНА

АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА ПО ДАННЫМ ТЕЛЕМЕТРИИ

Специальность 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 МЮН 2012

Ставрополь - 2012

005046023

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Плонский Александр Филиппович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Лубенцов Валерий Федорович, заместитель директора по научно-исследовательской работе Невиномысского

технологического института (филиал) ФБГОУ ВПО «СевКавГТУ», г. Невинномысск

доктор технических наук, профессор Иванченко Юрий Сергеевич, профессор кафедры «Электроэнергетика» ФГБОУ ВПО «ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова», г. Новороссийск

Ведущая организация: Государственный научный центр ФГУГП «ЮЖМОРГЕОЛОГИЯ», г. Геленджик

Защита состоится 29 июня 2012 года в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.245.09 при Северо-Кавказском государственном техническом университете по адресу: 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова 2, СевКавГТУ, ауд. 305.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Кавказского государственного технического университета

Г ]

Автореферат разослан «-¿7» мая 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент /V/

О.С. Мезенцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На протяжении всего срока службы система трубопроводного транспорта (СТТ) подвергается различным воздействиям (антропогенные и техногенные факторы, коррозия), изменяется его пространственное положение из-за подвижек, оползней грунтов, что приводит к возникновению напряжений в конструкции н в итоге потере устойчивости. Анализ устойчивости необходимо проводить для предотвращения разрушения трубопровода из-за превышения допустимых напряжений в стенке трубопровода при изгибе или возможного скидывания трубопровода со скользящих опор. Значительный износ магистральных и технологических трубопроводов (МТТ) требует системного анализа их функционирования с целью эксплуатации с рациональными технологическими режимами, т.е. с целесообразной пропускной способностью.

Получивший в последнее время широкое применение метод внутритруб-ной дефектоскопии позволил повысить безаварийность линейной части МТТ. Однако не все участки линейной части СТТ могут быть диагностированы с использованием внутритрубного инспекционного снаряда (ВИС). Системы контроля, основанные лишь на регистрации акустических сигналов, в том числе оптоволоконная система, не эффективны для анализа устойчивости трубопроводов из-за фоновых шумов. Применение кратномасштабного анализа (КМА), как принципиально нового метода обработки информации, позволяет решить проблему фильтрации сигналов антропогенного и техногенного характера в информационных системах мониторинга линейной части МТТ.

Однако несмотря на то, что данная методика анализа может существенно повысить эффективность обработки диагностической информации при анализе устойчивости СТТ, а следовательно, обеспечить безопасность эксплуатации МТТ, вопросы анализа устойчивости СТТ по данным телеметрии остаются не полностью решенными.

Проблеме анализа устойчивости системы трубопроводного транспорта посвящены работы ученых А.Г. Гумерова, В.В. Клюева, P.A. Алиева, П.П. Бо-родавкина, Б.Е. Патана, С.И. Левина, М.Н. Мансурова, С.А. Оруджева, P.A. Рустамова, A.M. Синюкова, П.И. Тугунова и др. Анализ опубликованных работ показал, что проблему устойчивости МТТ необходимо решать не только на стадии проектирования, но и в период эксплуатации СТТ при нарушении проектного положения участков трубопроводов или при повторной их укладке на болотистых и обводненных участках трассы. При этом решение задачи анализа устойчивости требует разрешения противоречий в практике и теории, обусловленных следующими двумя основными группами противоречивых факторов:

- с одной стороны, требования к максимизации рабочего давления до допустимого, определяемого конструктивными параметрами, при этом расчетные технологические параметры уточняются по данным исследованиям ВИС типа «Магпескан» или «Ультроскан», а модель устойчивости строится на статистических оценках износа и прочности (эта группа факторов практики эксплуатации сложной СТТ);

— с другой стороны, требования к минимизации опасного состояния системы, возникающего вследствие износа и потери металла (эта группа факторов обусловлена несовершенством метода анализа устойчивости СТТ, вследствие недостаточной точности аналитической модели устойчивости).

Разработанные на этапе проектирования модели не позволяют судить об устойчивости трубопровода при его эксплуатации, поскольку при создании расчетной схемы проектировщики применяют идеальную модель трубопровода, не содержащую отклонений, напряжений в стенке трубопровода при изгибе и деформации, которые являются факторами возможной потери устойчивости трубопровода в реальных условиях.

Таким образом, разработка методов анализа устойчивости трубопроводов в сложных условиях эксплуатации на основе повышения точности методов диагностики сложных СТТ (в данном случае подсистем MIT) и рекомендаций для принятия управленческих решений по реализации технологических режимов эксплуатации магистральных продуктопровйдов с номинальной пропускной способностью является актуальной задачей, решение которой имеет существенное значение для обеспечения безаварийной эксплуатации МТТ и безопасности жизнедеятельности персонала.

Работа выполнялась в соответствии с научным направлением «Инновации в транспортных системах», утвержденным научно-техническим советом ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».

Объектом исследования являются системы трубопроводного транспорта.

Предметом исследований являются методы и алгоритмы анализа устойчивости СТТ с использованием данных телеметрии.

Целью работы является разработка методов и модели устойчивости трубопроводного транспорта, а также алгоритмов обработки диагностической информации на основе морфологического анализа параметров телеметрических сигналов и принятие решений по обеспечению устойчивости трубопроводного транспорта.

Научная задача исследований состоит в разработке методов и алгоритмов анализа устойчивости СТТ при наличии причин, осложняющих его эксплуатацию с номинальной пропускной способностью, на основе цифровой обработки данных телеметрии с использованием морфологического анализа параметров сигнала во всплесках Добеши четвертого порядка.

Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:

— системный анализ и количественная оценка параметров формирующих признаков природных и антропогенных факторов в информационной системе мониторинга МТТ с точки зрения устойчивости системы МТТ на базе решения задачи линейного программирования в рамках теории устойчивости второго рода;

— разработка алгоритма решения двойственной задачи максимизации рабочего давления в системе МТТ и минимизации механических напряжений,

возникающих в теле МТТ при нормированных значениях износа стенки трубопроводов;

— разработка алгоритмов определения количественных характеристик механических напряжений в системе МТТ с учётом коррозионного износа;

- построение модели устойчивости системы МТТ на основе цифровой обработки данных телеметрии методами морфологического анализа сигналов по всплескам Добеши четвертого порядка.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории информационных систем, теории вероятности, статистического анализа данных, исследования операций, функционально-структурный подход, методы теории линейного программирования и цифровой обработки сигналов.

Достоверность И обоснованность полученных в диссертационной работе результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате статистического анализа данных, математического программирования, кратно-масштабного анализа и исследования операций. Справедливость выводов относительно эффективности предложенных методов и алгоритмов подтверждена математическим моделированием.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Разработан метод анализа устойчивости СТТ по когнитивным признакам оценок качества системы на основе эксплуатационных, антропогенных и техногенных факторов, позволяющий выбрать оптимальные способы продления эксплуатационных сроков СТТ и снижения экологического риска.

2. Впервые разработан метод определения количественных параметров формирующих признаков техногенных и антропогенных факторов путем мониторинга линейной части MIT с помощью декомпозиции сигналов во всплесках Добеши четвертого порядка как альтернатива классическому анализу Фурье, что позволяет проводить более глубокий анализ состояния СТТ во время эксплуатации за счет учета большего набора спектральных инвариантов.

3. Разработана методика определения параметров оценивания устойчивости СТТ на основе морфологического анализа, которая использует в качестве аппарата приближения функций информацию о всплесках Добеши четвертого порядка. Методика позволяет дать оценку устойчивости СТТ как в целом, так и по отдельным ее подсистемам, имеющим уникальный набор морфологических признаков.

4. Разработана математическая модель устойчивости магистральных и технологических трубопроводов с учетом износа стенки трубопровода и влияния динамических воздействий, которая, в отличие от известных моделей, учитывает статику и динамику МТТ. Эта модель применима для построения технической системы непрерывной диагностики состояния СТТ и системного анализа устойчивости СТТ в условиях, осложняющих режимы эксплуатации трубопроводов с номинальной пропускной способностью.

Практическая значимость. Разработанный метод анализа устойчивости на основе цифровой обработки сигналов по данным телеметрии является сред-

ством для повышения безопасности эксплуатации СТТ путем раннего обнаружения осложнений технологических режимов, а также повышения оперативности принятия решений в различных ситуациях и эффективности применяемых мер для устранения причин снижения пропускной способности участков неф-тепродуктопроводов. Практические результаты диссертационной работы использованы при проектировании и реконструкции трубопроводов спецморнеф-тепорта (СМНП) «Козьмино» (морской порт Восточный), что подтверждено документально.

На защиту выносятся:

1. Метод системного анализа устойчивости .СТТ как сложной технической системы в период эксплуатации, учитывающий нарушения проектного положения участков трубопроводов или их повторной укладки включающий анализ влияющих факторов природного, антропогенного, эксплуатационного характера и обеспеченности инженерной инфраструктуры как альтернативы формирования когнитивных признаков устойчивости по инспекциям ВИС.

2. Метод определения количественных параметров устойчивости сложной технической системы МТТ с обработкой спектров информационных сигналов по декомпозиции Добеши четвертого порядка, как альтернатива классическому анализу Фурье, в задаче повышения точности аналитической модели устойчивости.

3. Методика определения параметров оценивания устойчивости СТТ на основе морфологического анализа, которая использует в качестве аппарата приближения функций информацию о всплесках Добеши четвертого порядка. Методика позволяет дать оценку устойчивости СТТ в целом, так и по отдельным ее подсистемам, имеющим уникальный набор морфологических признаков.

4. Математическая модель устойчивости функционирования СТТ, реализующая анализ устойчивости второго рода для повышения аналитической точности.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: V Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах», Анапа, 2008; XVI Международной конференции «Математика. Экономика. Образование», V Международном симпозиуме «Ряды Фурье и их приложения», Абрау-Дюрсо, 2008; XVII Международной конференции «Математика. Экономика. Образование», VI Международном симпозиуме «Ряды Фурье и их приложения», Абрау-Дюрсо, 2010; XV региональной НТК «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону», Ставрополь, 2011; V Международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании», Кисловодск, 2012.

Публикации. Полученные автором результаты изложены в 10 научных работах, в том числе 5 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Реализация результатов исследования. Основные результаты исследований внедрены в ООО «ТРАНСНЕФТЬ - СЕРВИС» (филиал в г. Находка) при

стендовых испытаниях комплектующего оборудования системы управления технологическими процессами трубопроводов СМНП «Козьмино» (морской порт Восточный). Результаты исследования реализованы в учебном процессе по направлениям подготовки кафедры "Системный анализ, управление и обработка информации на транспорте" в ФГБОУ ВПО "ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова" г. Новороссийск, что подтверждено актами о внедрении.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Ее содержание изложено на 155 страницах, включая 17 страниц приложений, проиллюстрировано 39 рисунками и 9 таблицами. Библиографический список содержит 105 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и основные задачи работы, аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту основные положения.

В первой главе выполнен анализ структуры СТТ как объекта системного анализа. Проведен аналитический обзор существующих и модернизируемых систем мониторинга СТТ. Рассмотрены статистические модели устойчивости, применяемые при исследованиях ВИС типа «Магнескан».

Результатом формализации задачи принята модель, учитывающая разнородные по своему составу факторы, образующие полную группу совместных событий. В качесгве базисного плана принимается задача максимизации рабочего давления в условиях двойственной задачи минимизации напряжений на теле трубопроводов.

Оценивание вероятности потери устойчивости, осуществляется посредством действующей модели, применяемой в системном анализе устойчивости трубопроводов на базе технологий ВИС:

Fu F» F» F„ P,

0(0 = Fn F 12 F.и F» X s,

Гп F,2 F.„ F, 4

где <2(') - математическая модель оценивания потери устойчивости; - — факторы антропогенного воздействия; факторы коррозионного износа;

конструктивно-технологические факторы; рп б1г а,- переменные функций рабочего давления, износа и механических напряжений.

Влияющие факторы модели (1) сведены в таблицу 1. Исходя из назначения параметра р - рабочего давления, можно записать выражение:

А1р+А1р + ... + А11р~* шах, (2)

удовлетворяющее линейным равенствам:

апР + апр + ... + аир = Ь„

ап5 + а225 + ... + а1п6 = Ь2, (3)

а31оч-азгс7 + ... + а.л<т = 6з,

где ЬХ,Ь2,ЬЪ- вектора состояния системы по параметрам рабочего давления, износа и динамики системы; ап..мгп~ коэффициенты целевой функции р, величины износа тела трубопровода, механических напряжении 8 и О", возникающих в теле трубопровода под действием рабочего давления.

Таблица 1 — Влияние значимости параметров модели на вероятность потери устойчивости__

Обозначение фактора Наименование фактора в группе Его доля в группе

Внешние антропогенные и природные факторы /•"'

F» Степень охранных мероприятий трубопроводной системы 0,5

Fn Степень защищенности наземного оборудования 0,1

F» Уровень антропогенной активности 0,2

Fu Минимальная глубина заложения подземного трубопровода 0,2

Коррозия F1

■ Fn Качество и своевременность восстановления защитных покрытий 0,4

f-n ..." Степень коррозионного износа внутренней поверхности трубопровода 0,2

F2i Степень влияния инженерных сооружений на уровень коррозии 0,14

F» Качество мониторинга остаточных толщин стенки трубопровода 0,26

Конструктивно-технологические факторы F3

Fn Степень влияния на прочность гидравлических ударов 0,15

Fn Обеспеченность нагрузки при усталостных процессах 0,3

Fn Отношение фактической толщины стенки трубы к требуемой 0,35

F» Уровень автоматизации мониторинга 0,2

С учётом анализа конструкции трубопровода каноническая задача симплекс-метода (1-3) может быть дополнена применением аппарата двойственных задач. Действительно, в (1-3) переход к двойственной задаче заключается в формировании m вектора потенциалов v = v (/) для матрицы (1):

V ЛБ = аБ,

VA„=a„, (4)

где а б — вектор оценок; V — вектор коэффициентов функции базового плана ЛБ ; c'v = aBA~ç с - линейная функция базового плана (3); Ан- функция

двойственной задачи; ан - вектор оценок двойственной задачи.

Однако двойственность канонической задачи состоит в минимизации c'v—»min, при ограничении В v>a, где В - матрица решений линейных уравнений параметров 5,а.

Расширение схемы мониторинга 5 и <У обеспечивается на основе решения уравнения-F(p, <т) = а' р+<т'(с-Лр), причем учёт уменьшения толщины стенки можно задать в виде заранее рассчитанного вектора.

Тогда прямая функция принимает вид <p{p)->mах, а двойственная -y(cr)-» min, при р > О и сг>0.

Необходимую толщину стенки определим по формуле, в основе которой лежит третья теория прочности:

h = PDcpAcre+Ah» (5)

где А- толщина стенки трубопровода; средний диаметр трубопровода; а-допускаемые напряжения; ДИк- прибавка толщины стенки на коррозионный износ; в- коэффициент прочности;/5- предельное рабочее давление в трубопроводе. Для напряжений перепишем формулу (5):

СТ = %-ДА>> (6)

PD /

где G = /2$ ~ ПРИ неизменном давлении величина постоянная, тогда

= при р = const. (7)

Устойчивость трубопроводной системы определим в виде неизменности геометрических форм под действием нагрузки, которая относится к методам определения устойчивости второго рода, принятой в строительной механике сложных систем. Внешняя нагрузка (обусловленная напряжением, в трубопроводе под действием внешних сил) возникает по причине сейсмических и температурных воздействий. Напряжения, возникающие в трубопроводах под действием прокачиваемого продукта, определим как внутренние. В результате анализа установлено, что устойчивость подсистемы МТТ в целом становится функцией двух связанных процессов распределения внутренних и внешних напряжений.

Из-за сложности процессов, происходящих в СТТ, алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) не может дать надежной классификации динамических воздействий на систему. Расширение возможностей телеметрии СТТ достигается применением вложенных множеств, полученных путем сжатий и отображений материнской функции. В качестве параметра анализа принята спектральная плотность мощности (СИМ) сигнала.

На основании проведенного обзора имеющихся результатов теоретического и прикладного исследований системных связей, закономерностей функционирования МТТ и характера развития процессов в трубопроводах, осложняющих технологические режимы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены теоретические аспекты системного анализа устойчивости линейной части М и ТТ. Каноническая задача максимизации целевой функции управления рабочим давлением при формировании векторов условий учитывает комплекс влияющих параметров, приведенных в таблице 1.

Прямая каноническая задача (1-4), формирующая базисный план максимизации целевой функции с учётом влияющих факторов (таблица 1), сведена к двойственной задаче путём следующих преобразований:

F\p,a) = a'p + aXc-Ap)- (8)

F\p,a) = a'p+ гГ(с-Ар). (9)

где функция F'(p,a) - решает задачу максимизации рабочего давления при минимизации предельных напряжений в теле трубопровода, связанных с внешними и антропогенными факторами; функция F2 (p,S) - минимизирует обратную задачу по степени износа линейной части М и ТТ при тех же требованиях к прямому базисному плану.

Для F' (р, сг) максимизации целевой функции

F(p,a)=<p(p) + Z'y(a), (10)

где <р(р) - функция давления в системе; у{а)~ функция механических напряжений; Я - вектор коэффициентов, прямая функция имеет вид:

ip{p)=supF(p,A,), Л> 0,

Л (П)

—> шах, двойственная задача:

^(A)->min, Л> 0, (12)

где У(Х) — функция изменения степени коррозии.

1 Дгся fi2(j>,$), по частным решениям которого формируются определители факторов коррозии

F(p,S) = <p(p)+A'z(S), (13)

где <р(р) - функция давления в системе, z(<5)- функция износа, Л — вектор коэффициентов, прямая функция имеет вид:

<р(р)= sup F(p,X), Я > 0,

(14)

-» max, двойственная задача:

(i/(A)->min,A£0. (15)

Задача оценивания износа тесно связана с качеством трубной стали, степенью коррозии тела трубы в определённых геологических, природных и других условиях. Поэтому в большинстве случаев коррозия рассматривается как случайный процесс с нормальным законом распределения. Функцию изменения степени коррозии будем исследовать по трендам полиноминального приближения вида:

(16)

где (/(Л)- функция параметров износа; х-толщина стенки; с0- произвольная постоянная.

Точность аппроксимации функций случайных величин примем, исходя из степени приближения тренда распределений случайной функции к реально на-

ч\р)

Hp)

блюдаемому процессу. Окончательно процесс износа записан в виде матричного уравнения:

(17)

Конструктивно-технологические факторы также описываются распределениями функций случайных величин.

Оптимизация задачи распознавания решается методом кратномасштабно-го анализа в пространстве всплесков. Разложения в базисе всплесков позволяют за счёт сдвигов и отображений материнской функции (маски сигнала), на основе масштабирующего уравнения добиться быстрого затухания неиспользуемых гармоник на пространственном или временном участке анализа сигнала.

Рассмотрим функцию вида:

/(0=

(18)

гДе Яз.. <Ро, ~~ масштабирующие функции; у/г, ортогональная система всплесков разложения функции /(г).

Коэффициенты масштаба разложения:

с]01 = (/('Ы,,) = 2'°п ']г(О■ф(глI + я)л = 2~]°п г-'"п)2"<р(г>'* )А. (19)

где сы =(/(<),- векторное произведение исходной функции и масштабирующей в которой элементы j=0,...,jo - конечный набор коэффициентов.

Основой кратномасштабного алгоритма является сжатие и отображение одной единственной фиксированной, генерирующей всплеск функции. По этой причине вычисление уровня преобразования можно выполнить в виде каскадного алгоритма, как показано на рисунке 1.

На основе каскадного алгоритма достигается декомпозиция входных потоков данных в цифровых фильтрах Добеши. Данный подход позволяет получать оценки спектральной плотности, аппроксимированные значения трендов в зависимости от динамики системы.

В качестве критерия разности сигналов (их различия на основании количественных оценок СПМ) принят доверительный интервал, соответствующий степени накрытия оценки 0.8, а разность (шаг оценок) между исходной и последующей реализацией сигнала, отражающих динамику системы, зафиксируем критерием в виде неравенства:

Х( - Хм > 0.2Х,. (20)

Таким образом, целевая функция определения устойчивости системы но давлению на основе функционального анализа осуществляется по матрицам оценок функций случайных величин, учитывающих антропогенные, техногенные и природные факторы.

пэ я о Ч

я

0 я

1

я

s

s

Е

H 2 я "ТЗ

а

X

о

s

р

Ol

s о

а "О

о о о» ■тз

8 о

и р

s s

С помощью системного подхода исследована базисная задача с учётом балльных оценок организационных и антропогенных факторов, статистических оценок износа и интерполированных оценок телеметрии, фиксирующих потерю прочности и динамику системы по сформированным морфологическим оценкам системы, и реализована модель информационной системы мониторинга

стт.

В третьей главе представлены результаты по обработке данных натурных измерений, исследованию основных совокупностей сигналов и соответствующих им значений СПМ по спектру. Измерения получены с системы телеметрии участка магистрального нефтепровода линейной производственно-диспетчерской станции Хадыженская (нефтебаза «Заречье» ОАО «Транснефть»), Вибрационная динамика фиксировалась виброакустическим акселерометром фирмы «Брюль и Къер» типа 4321.

В таблице 2 приведена сравнительная характеристика среднеквадратиче-ского значения (СКЗ) виброскорости сигналов, разложенных по всплескам До-беши с1к..А,, которая реализуется в алгоритме кратномасштабного анализа.

Декомпозиция во всплесках сигнала по коэффициентам интерполяции 64-го порядка реализует спектр наиболее мощной гармоники, относящейся к спектру роторной частоты магистрального насоса. Наиболее информативная часть спектра обрабатывается в фильтрах до четвертого порядка. Практический интерес представляет более высокочастотная часть спектра, реализующая удар или шумы несанкционированного доступа. Из проведенного численного анализа совокупностей сигналов можно сделать вывод: процедура создания фильтра не выше четвертого порядка достаточна для решаемой задачи.

Таблица 2 — Расширенный подход к формированию параметров для проведения морфологического анализа, полученных в фильтрах Добеши 4-го порядка

Сигнал СКЗ спектра по коэффициентам разложения [мм/с]

А 4 4 4

2,846-КГ'8 0.0303 0.0405 0.0775

Е 1,5882-10-" 0.0063 0.0061 0.0157

Я 7,401-10" 0.0105 0.0045 0.0188

0 1,0577-Ю"18 0.0235 0.0250 0.0565

Т 3,259-10"18 0.0246 0.0382 0.0675

У 9,2877-10""' 0.0521 0.0091 0.0765

и 1,693-10"'" 0.0016 0.0081 0.0033

I 1,4008-Ю"'8 0.0099 2,5887-10"1 0.0161

о 1,1905-Ю"17 0.0972 0.1454 0.02674

р 1,6072-10"18 0.0177 0.0234 0.0457

р 9,8468-10"" 0.0126 0.0158 0.0314

Для дальнейшего анализа выявления оценок сигнала и их классификации сформирована морфологическая таблица 3, в которой параметры Дг- П4 — вы-

численные значения СПМ по всплескам. Параметр с![ вносит наименьший вклад в.СМП сигнала и из анализа исключён как шум.

Таблица 3 - Морфологическая таблица__

Параметр Альтернативы

d г D, < 0.01 D, >0.01

dy D, < 0.03 D, >0.03

d. Dt < 0.05 D, >0.05

На основании классифицированных выборок сигнала организуем процедуру морфологического анализа совокупностей полученных измерений. По принятой на основании критерия (20) классификации, совокупности оценок можно отнести к пяти группам событий, как показано в таблице 4.

Спектры всех рассмотренных совокупностей перекрываются между собой, поэтому определение принадлежности выборок сигнала осуществляется в комбинации альтернатив и} - 044. Наиболее мощный акустический сигнал соответствует глухому удару по телу трубопровода.

Однако спектр этого типа сигналов также перекрывается спектрами других типов сигналов. Каждая группа оценок перекрывается с предыдущей, существует ряд сигналов, которые система воспринимает как воздушный шум, в то же время имеется сигнал, классифицируемый как признак несанкционированного доступа, типа удар металла о металл трубопровода (СКЗ -0,133 мм/с), эти оценки имеют границы разброса виброскорости в пределах от 0,2 0,3 мм! с.

Таблица 4 — Морфологическая матрица

Параметр Признаки Альтернативы

D* <0.01 Dj >0.01 0/ < 0.03 Dl > 0.03 D' <0.05 £>4 > 0.05

Л Фоновый сигнал на линейной части трубопровода Ai(W) 0.0303 0.0405 0.0775

А2(Е) 0,0063 0.0061 0.0157

A3(R) 0.0105 0.0045 0.0188

Б Удар металл о металл Bi(Q) 0.0235 0.0250 0.0565

Б2(Т) 0.0246 0.0385 0.0675

В Удар камнем о металл BI(Y) 0.0521 0.0091 0.0765

B2(U) 0.0016 0.0081 0.0033

Г Сейсмический сигнал г,(1) 0.0099 2,5887-10-' 0.0161

r2(0) 0.0972 0.1454 0.02674

Д Режим полной тишины Д.(Р) 0.0177 0.0234 0.0457

A(F) 0.0126 0.0158 0.0314

В группе оценок, классифицируемой как «сейсмические», непосредственно не происходит воздействие на тело трубопровода, но природа сигнала кроется в подвижках грунта, вызванных движением железнодорожного состава вблизи трассы трубопровода. СКЗ виброскорости составит величину 0,2+3,1 лш/с. Значения СПМ позволяют определить группу сигналов соответствующих режиму тишины. СКЗ виброскорости, как следует из таблицы 4, находится в пределах 0,5 + 0.1 мм/с. В этом режиме прослушиваются шумы от работающих магистральных насосов в 58 км на ЛПДС «Хадыженская».

В четвертой главе рассмотрена реализация предложенного системного подхода к исследованию устойчивости МТТ, осуществлено моделирование состояния системы трубопроводов под давлением внешней динамической силы. С использованием полученной модели определены области возможных решений, соответствующих устойчивости и неустойчивости системы при заданных нормированных механических напряжений, износа и рабочего давления.

Критерием устойчивости трубопровода под действием внешней динамической силы является условие <?рп <&„р. При рабочем давлении механические напряжения в теле трубы должны быть меньше предельных.

Функция коррозионного износа определяется на основании данных телеметрии, полученных с системы мониторинга остаточной толщины трубопровода. В данной работе применялся волоконно-оптический датчик ВОД VI 10 -дюймовая линия фирмы Рох-Тех (США), а значения динамической силы взяты из таблицы 3.

На основании трендов распределения СПМ получены аппроксимирующие уравнения, соответствующие определённому типу динамики СТТ, и вычисленные СПМ акустического сигнала, которые показаны на рисунке 2.

у о=-0.054хя + 0.2В27* . 0 23 у» = 0.0ф7<2 + 0.0|16Эх - 0.0^1

0.0<|11хг * 0.М85Х - 0.0Й8! = 0.и02хг + 0.0071 X - 0.0068 -

Полиномиальный (О) Полиномиальный (V) Полиномиальный (У) Полиномиальный (Л) 'Полиномиальный (О) 1 Полиномиальный (Я) 'Полиномиальный (Г; 'Полиномиальный (Е) 'Полиномиальный (Р) 'Полиномиальный (I) Полиномиальный (О) Полиномиальный (Б) -Полиномиальный (Т)

к преобразования

Рисунок 2 - Распределение СПМ акустического сигнала, вычисленного по всплескам при аппроксимации уравнением второй степени

Совместное решение уравнений, полученных по аппроксимации оценок динамики системы :(х), соответствующих СПМ построенных по декомпозиции во всплесках Добеши 1-4-го порядка, изображенных на рисунке 2, и износа у(х)позволяют применить геометрический критерий оценки решений, показанный на рисунке 3. Линейный участок кривой соответствует пропорциональности системы (устойчивому состоянию в рамках теории устойчивости второго рода) в виде линейного отклика на возмущение системы. Наоборот, выход кривой решений на нелинейный участок при заданном шаге уменьшения толщины стенки на 0,01 мм соответствует потере устойчивости. В этом случае устойчивость МТТ определяют связи системы (опоры, фундамент, если имеется рубашка и другие элементы строительной конструкции трубопровода).

В результате моделирования установлено, что изменение распределения сигнала вследствие коррозии соответствует практически линейной зависимости до участка сброса нагрузки (наступления предела текучести - потери устойчивости), при этом толщина стенки должна уменьшиться до 6,5 мм (при номинальном размере 10 мм).

Модель (1) с учётом значимости факторов (см. таблицу 1) принимает вид: 0.5Д,, 0.1Д„ 0.2Д„ 0.2А,,

где Д,, ...Д34—определители, соответствующие задаче базисного плана (8-9): оп-а.

ределитель Дп = ¿г = —-— нормированная величина механических напряжении,

F= 0.4Дг1 0.2Дгг 0.14Д25 0.26Д 0.15Д,, 0.3Д,, 0.35Д,, 0.2Д,

(21)

определитель Д23 = Д,2 = 9 = —'-— нормированная величина износа.

Асимптота участка упрочнения, вызван ного внешней дина-

мической силой

Асимптота роста напряжений при коррозионном из-

У(х)

Рисунок 3 — Моделирование состояния системы трубопровода под действием внешней динамической силы (криволинейный участок)

Для решения задачи многомерной интерполяции совместного распределения нормированных величин необходимо задать «сетку» поверхности интерполяции данных функций распределений (рисунок 4). Матрица F содержит

элементы, полученные моделированием нагрузок и износа (д32 = и

о"«

А» = А» =« = -£-)•

о/

Область возможных решений (21) при заданной сетке нормированных значений параметра выделена на рисунке 4 кружками, возможные решения, лежащие вне сетки, соответствуют неустойчивости системы. Набор решений в виде двумерной интерполяции на шаге износа и изменения напряжений, как следствие динамической силы, определяет оптимальное давление в СТТ при минимизации механических напряжений и изменении прочности вследствие коррозии.

напряжения

давление

Рисунок 4 — Двумерная интерполяция данных механических напряжений, износа и рабочего давления

В результате моделирования определены величины износа, при которых наблюдается потеря устойчивости. Во всех моделях рабочее давление соответствовало величине 2,5 МПа.

На основе предложенной в работе концепции обеспечения устойчивости СТТ разработана схема системного анализа устойчивости систем трубопроводного транспорта. Полученные результаты согласно схеме используются для выработки и принятия управленческих решений по обеспечению номинальной пропускной способности магистральных продуктопроводов.

Заключение н основные выводы по работе

В результате проведенных исследований системных связей и закономерностей функционирования СТТ на основе реализации современных методов обработки информации, оценивания и классификации телеметрических сигналов, измеренных на теле магистральных и технологических трубопроводах при рабочих процессах и коррозионном износе, получены следующие теоретические и практические результаты:

1. На основе проведенного системного анализа объектов MIT выявлены и классифицированы факторы снижения пропускной способности МТТ, дана количественная оценка параметрам формирующих признаков природных и антропогенных факторов в информационной системе мониторинга устойчивости и контроля за состоянием МТТ.

2. Разработаны методы анализа устойчивости МТТ по когнитивным признакам балльных и количественных оценок качества системы: влияющих эксплуатационных, антропогенных и природных факторов на базе решения задачи линейного программирования в рамках теории устойчивости второго рода.

3. Разработан алгоритм решения двойственной задачи максимизации рабочего давления в СТТ и минимизации механических напряжений, возникающих в теле МТТ при нормированных значениях износа стенки трубопроводов, что обеспечивает эксплуатацию МТТ со стабильной пропускной способностью.

4. Разработан алгоритм определения количественных характеристик механических напряжений в системе МТТ с помощью декомпозиции соответствующих сигналов по Добеши четвертого порядка в СТТ с учетом динамики системы, что учитывается в модели оценки устойчивости системы МТТ.

5. Построена модель оценивания устойчивости системы МТТ на основе цифровой обработки данных телеметрии методами морфологического анализа сигналов по всплескам Добеши четвертого порядка с помощью базисного плана максимизации рабочего давления в системе и двойственной задачи минимизации напряжений в теле трубы с учётом износа.

6. Определены количественные оценки параметров формирующих признаков природных и антропогенных факторов в информационной системе мониторинга МТТ методом декомпозиции во всплесках Добеши четвертого порядка, что позволило добиться улучшение соотношения сигнал/шум до 6-10 дБ в сравнении с классическим спектральным анализом (10-15%).

7. Разработан алгоритм классификации качественного состояния систем трубопроводного транспорта на базе метода морфологического ящика, с применением количественного сравнения альтернатив параметров во всплесках Добеши четвертого порядка.

8. Разработана структура информационной системы мониторинга устойчивости и контроля за состоянием магистральных и технологических трубопроводов на базе применения метода морфологического ящика по классифицированным параметрам динамики системы и современных возможностей системы телемеханики, обеспечивающей оперативность получения, обработки, передачи

и представления информации о различных аномальных ситуациях на участках МТТ диспетчеру для принятия своевременного решения, что способствует эффективности функционирования МТТ.

Полученные результаты использованы для выработки рекомендаций принятия управленческих решений по реализации технической эксплуатации магистральных продуктопроводов для обеспечения номинальной пропускной способности.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: статьи в ведущих рецензируемых журналах:

1. Лютикова, М.Н. Организация динамических протоколов в каналах телеметрии с использованием функций Бесселя первого рода / М.Н. Лютикова // Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Спецвыпуск. Технические науки: - Ростов на Дону. РГУ, 2008. - С. 108-110.

2. Данцевич, И.М. Адаптация функции Бесселя первого рода к передаче бинарных кодов в телеметрических сетях низшего уровня / И.М. Данцевич, М.Н. Лютикова // Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Спецвыпуск. Технические науки: - Ростов на Дону. РГУ, 2008. - С. 96-97.

3. Лютикова, М.Н. Определение спектральной плотности мощности акустических сигналов по декомпозиции во всплесках Добеши / М.Н. Лютикова, И.М. Данцевич // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Теоретические и прикладные проблемы математики, экономики, образования. Естественные науки: - Ростов на Дону. Издательство ЮФУ 2011 -С. 36-39.

4. Лютикова, М.Н. Модель влияния оценки трещиноподобных дефектов на прочностные и гидравлические свойства трубопроводов / М.Н. Лютикова // Автоматизация, телемеханизация и связь п нефтяной промышленности. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012. № 2. - С. 38-40.

5. Лютикова, М.Н. Использование морфологического анализа в определении параметров оценивания устойчивости сложной технической системы / М.Н. Лютикова, И.М. Данцевич // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012. - С. 24 - 30.

публикации в журналах, сборниках трудов, материалах конференций:

6. Лютикова, М.Н. Об уменьшении времени адаптации в вычислителях стандарта величины применением БГ1Ф / М.Н. Лютикова // Сборник научных трудов. Выпуск 12. - Новороссийск. РИО ГМУ им. ад. Ф.Ф. Ушакова, 2007. - С 68-71.

7. Данцевич, И.М. Интегральные характеристики акустических сигналов в спектральном анализе и в всплесках Баттла-Лемарье / И.М. Данцевич, М.Н. Лютикова // XVI Международная конференция «Математика. Экономика. Образование». V Международный симпозиум «Ряды Фурье н их приложения». Труды. - Ростов на Дону. 2008. - С. 9-14.

8. Лютикова, М.Н. Оценивание акустических сигналов в спектральном анализе и в всплесках Баттла-Лемарье / М.Н. Лютикова // Материалы V Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов: «Современное состояние и

приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». Краснодар. ООО «Просвещение-Юг», 2008. - С. 49-51.

9. Лютикова, М.Н. Оценивание устойчивости трубопроводов при коррозионном износе и рабочих процессах / М.Н. Лютикова, A.B. Бачище //Сборник научных трудов. Выпуск 15. - Новороссийск. РИО ГМУ им. ад. Ф.Ф. Ушакова, 2010. -С. 103-106.

10. Лютикова, М.Н. Модель устойчивости систем трубопроводного транспорта по данным телеметрии / М.Н. Лютикова // V Международная научно - техническая конференция «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании». Кисловодск, 2012. — С. 83-87.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве: обоснование проблемы передачи телеметрической информации в сетях низшего уровня [2]; разработка метода определения количественных параметров информационных сигналов по декомпозиции Добеши четвертого порядка [3]; разработка метода оценивания устойчивости С'1Т на основе морфологического анализа по всплескам Добеши четвертого порядка [5]; построение математической модели устойчивости сложной технической системы с учетом влияния динамических воздействий [9].

I [счатается в авторской редакции

Подписано и печать 23.05.2012 Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. - 1,25 Уч.- изд. л. - 1 Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ № 145. Тираж 100 экз. ФГБОУ ВПО « Северо-Кавказский государственный технический университет» 355028. г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» Отпечатано в типографии СевКавГТУ

Введение.

1 Аналитический обзор информационных систем трубопроводного транспорта и методов системного анализа информации.

1.1 Анализ структуры систем трубопроводного транспорта, как объекта системного анализа.

1.2 Обоснование актуальности выбора объекта исследования технологического мониторинга систем трубопроводного транспорта.

1.3 Анализ противоречия в практике функционирования объекта и постановка цели.

1.4 Обзор информационных потоков в системе диагностики и телеметрии.

1.5 Постановка научной задачи.

2 Теоретические аспекты системного анализа устойчивости линейной части магистральных и технологических трубопроводов.

2.1 Функционально-структурный анализ устойчивости магистральных и технологических трубопроводов.

2.2 Исследование эффективности информационной системы мониторинга линейной части МТТ.

2.3 Принятие решений на основе оценок с применением спектрального анализа.

2.4 Альтернатива принятия решений на основе текущей и ретроспективной информации.

2.5 Выводы по главе 2.

3 Натурные измерения и построения моделей сигналов оценивания устойчивости в информационной системе трубопроводного транспорта.

3.1 Исследование альтернативных алгоритмов обработки информации в информационно-управляющей системе мониторинга.

3.2 Декомпозиция исходных сигналов во всплесках Добеши четвертого порядка.

3.3 Формирование модели информационных сигналов во всплесках Добеши четвертого порядка.

3.4 Формирование оценок сигналов с использованием морфологического ящика.

3.5 Выводы по главе 3.

4 Проверка адекватности моделей.

4.1 Декомпозиция сигналов в модулях первичной цифровой обработки информации.

4.2 Определение статистических характеристик решающих правил по всплеск-преобразованиям

4.3 Анализ устойчивости сложной механической системы по всплескам сигналов телеметрии.

4.4 Выводы по главе 4.

Актуальность темы. На протяжении всего срока службы система трубопроводного транспорта (СТТ) подвергается различным воздействиям (антропогенные и техногенные факторы, коррозия), изменяется его пространственное положение из-за подвижек, оползней грунтов, что приводит к возникновению напряжений в конструкции и в итоге потере устойчивости. Анализ устойчивости необходимо проводить для предотвращения разрушения трубопровода из-за превышения допустимых напряжений в стенке трубопровода при изгибе или возможного скидывания трубопровода со скользящих опор. Значительный износ магистральных и технологических трубопроводов (МТТ) требует системного анализа их функционирования с целью эксплуатации с рациональными технологическими режимами, т.е. с целесообразной пропускной способностью.

Получивший в последнее время широкое применение метод внутритруб-ной дефектоскопии позволил повысить безаварийность линейной части МТТ. Однако не все участки линейной части СТТ могут быть диагностированы с использованием внутритрубного инспекционного снаряда (ВИС). Системы контроля, основанные лишь на регистрации акустических сигналов, в том числе оптоволоконная система, не эффективны для анализа устойчивости трубопроводов из-за фоновых шумов. Применение кратномасштабного анализа (КМА), как принципиально нового метода обработки информации, позволяет решить проблему фильтрации сигналов антропогенного и техногенного характера в информационных системах мониторинга линейной части МТТ.

Однако несмотря на то, что данная методика анализа может существенно повысить эффективность обработки диагностической информации при анализе устойчивости СТТ, а следовательно, обеспечить безопасность эксплуатации МТТ, вопросы анализа устойчивости СТТ по данным телеметрии остаются не полностью решенными.

Проблеме анализа устойчивости системы трубопроводного транспорта посвящены работы ученых А.Г. Гумерова, В.В. Клюева, P.A. Алиева, П.П. Боро-давкина, Б.Е. Патана, С.И. Левина, М.Н. Мансурова, С.А. Оруджева, P.A. Рус-тамова, A.M. Синюкова, П.И. Тугунова и др. Анализ опубликованных работ показал, что проблему устойчивости МТТ необходимо решать не только на стадии проектирования, но и в период эксплуатации СТТ при нарушении проектного положения участков трубопроводов или при повторной их укладке на болотистых и обводненных участках трассы. При этом решение задачи анализа устойчивости требует разрешения противоречий в практике и теории, обусловленных следующими двумя основными группами противоречивых факторов:

- с одной стороны, требования к максимизации рабочего давления до допустимого, определяемого конструктивными параметрами, при этом расчетные технологические параметры уточняются по данным исследованиям ВИС типа «Магнескан» или «Ультроскан», а модель устойчивости строится на статистических оценках износа и прочности (эта группа факторов практики эксплуатации сложной СТТ);

- с другой стороны, требования к минимизации опасного состояния системы, возникающего вследствие износа и потери металла (эта группа факторов обусловлена несовершенством метода анализа устойчивости СТТ, вследствие недостаточной точности аналитической модели устойчивости).

Разработанные на этапе проектирования модели не позволяют судить об устойчивости трубопровода при его эксплуатации, поскольку при создании расчетной схемы проектировщики применяют идеальную модель трубопровода, не содержащую отклонений, напряжений в стенке трубопровода при изгибе и деформации, которые являются факторами возможной потери устойчивости трубопровода в реальных условиях.

Таким образом, разработка методов анализа устойчивости трубопроводов в сложных условиях эксплуатации на основе повышения точности методов диагностики сложных СТТ (в данном случае подсистем МТТ) и рекомендаций для принятия управленческих решений по реализации технологических режимов эксплуатации магистральных продуктопроводов с номинальной пропускной способностью является актуальной задачей, решение которой имеет существенное значение для обеспечения безаварийной эксплуатации МТТ и безопасности жизнедеятельности персонала.

Работа выполнялась в соответствии с научным направлением «Инновации в транспортных системах», утвержденным научно-техническим советом ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».

Объектом исследования являются системы трубопроводного транспорта.

Предметом исследований являются методы и алгоритмы анализа устойчивости СТТ с использованием данных телеметрии.

Целью работы является разработка методов, модели устойчивости трубопроводного транспорта, а также алгоритмов обработки диагностической информации на основе морфологического анализа параметров телеметрических сигналов и принятие решений по обеспечению устойчивости трубопроводного транспорта.

Научная задача исследований состоит в разработке методов и алгоритмов анализа устойчивости СТТ при наличии причин, осложняющих его эксплуатацию с номинальной пропускной способностью, на основе цифровой обработки данных телеметрии с использованием морфологического анализа параметров сигнала во всплесках Добеши четвертого порядка.

Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:

- системный анализ и количественная оценка параметров формирующих признаков природных и антропогенных факторов в информационной системе мониторинга МТТ с точки зрения устойчивости системы МТТ на базе решения задачи линейного программирования в рамках теории устойчивости второго рода;

- разработка алгоритма решения двойственной задачи максимизации рабочего давления в системе МТТ и минимизации механических напряжений, возникающих в теле МТТ при нормированных значениях износа стенки трубопроводов;

- разработка алгоритмов определения количественных характеристик механических напряжений в системе МТТ с учётом коррозионного износа;

- построение модели устойчивости системы МТТ на основе цифровой обработки данных телеметрии методами морфологического анализа сигналов по всплескам Добеши четвертого порядка.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории информационных систем, теории вероятности, статистического анализа данных, исследования операций, функционально-структурный подход, методы теории линейного программирования и цифровой обработки сигналов.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате статистического анализа данных, математического программирования, кратно-масштабного анализа и исследования операций. Справедливость выводов относительно эффективности предложенных методов и алгоритмов подтверждена математическим моделированием.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Разработан метод анализа устойчивости СТТ по когнитивным признакам оценок качества системы на основе эксплуатационных, антропогенных и техногенных факторов, позволяющий выбрать оптимальные способы продления эксплуатационных сроков СТТ и снижения экологического риска.

2. Впервые разработан метод определения количественных параметров формирующих признаков техногенных и антропогенных факторов путем мониторинга линейной части МТТ с помощью декомпозиции сигналов во всплесках Добеши четвертого порядка как альтернатива классическому анализу Фурье, что позволяет проводить более глубокий анализ состояния СТТ во время эксплуатации за счет учета большего набора спектральных инвариантов.

3. Разработана методика определения параметров оценивания устойчивости СТТ на основе морфологического анализа, которая использует в качестве аппарата приближения функций информацию о всплесках Добеши четвертого порядка. Методика позволяет дать оценку устойчивости СТТ как в целом, так и по отдельным ее подсистемам, имеющим уникальный набор морфологических признаков.

4. Разработана математическая модель устойчивости магистральных и технологических трубопроводов с учетом износа стенки трубопровода и влияния динамических воздействий, которая, в отличие от известных моделей, учитывает статику и динамику МТТ. Эта модель применима для построения технической системы непрерывной диагностики состояния СТТ и системного анализа устойчивости СТТ в условиях, осложняющих режимы эксплуатации трубопроводов с номинальной пропускной способностью.

Практическая значимость. Разработанный метод анализа устойчивости на основе цифровой обработки сигналов по данным телеметрии является средством для повышения безопасности эксплуатации СТТ путем раннего обнаружения осложнений технологических режимов, а также повышения оперативности принятия решений в различных ситуациях и эффективности применяемых мер для устранения причин снижения пропускной способности участков неф-тепродуктопроводов. Практические результаты диссертационной работы использованы при проектировании и реконструкции трубопроводов спецморнефтепорта (СМНП) «Козьмино» (морской порт Восточный), что подтверждено документально.

На защиту выносятся:

1. Метод системного анализа устойчивости СТТ как сложной технической системы в период эксплуатации, учитывающий нарушения проектного положения участков трубопроводов или их повторной укладки включающий анализ влияющих факторов природного, антропогенного, эксплуатационного характера и обеспеченности инженерной инфраструктуры как альтернативы формирования когнитивных признаков устойчивости по инспекциям ВИС.

2. Метод определения количественных параметров устойчивости сложной технической системы МТТ с обработкой спектров информационных сигналов по декомпозиции Добеши четвертого порядка, как альтернатива классическому анализу Фурье, в задаче повышения точности аналитической модели устойчивости.

3. Методика определения параметров оценивания устойчивости СТТ на основе морфологического анализа, которая использует в качестве аппарата приближения функций информацию о всплесках Добеши четвертого порядка. Методика позволяет дать оценку устойчивости СТТ в целом, так и по отдельным ее подсистемам, имеющим уникальный набор морфологических признаков.

4. Математическая модель устойчивости функционирования СТТ, реализующая анализ устойчивости второго рода для повышения аналитической точности.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: V Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах», Анапа, 2008; XVI Международной конференции «Математика. Экономика. Образование», V Международном симпозиуме «Ряды Фурье и их приложения», Абрау

Дюрсо, 2008; XVII Международной конференции «Математика. Экономика. Образование», VI Международном симпозиуме «Ряды Фурье и их приложения», Абрау-Дюрсо, 2010; XV региональной НТК «Вузовская наука - СевероКавказскому региону», Ставрополь, 2011; V Международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании», Кисловодск, 2012.

Публикации. Полученные автором результаты изложены в 10 научных работах, в том числе 5 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Реализация результатов исследования. Основные результаты исследований внедрены в ООО «ТРАНСНЕФТЬ - СЕРВИС» (филиал в г. Находка) при стендовых испытаниях комплектующего оборудования системы управления технологическими процессами трубопроводов СМНП «Козьмино» (морской порт Восточный). Результаты исследования реализованы в учебном процессе по направлениям подготовки кафедры "Системный анализ, управление и обработка информации на транспорте" в ФГБОУ ВПО "ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова" г. Новороссийск, что подтверждено актами о внедрении.

125 4.5 Выводы

Всплеск - преобразование Добеши позволяет добиться декомпозиции сигнала рекурсивно, в различных уровнях по всплеск функциям. При этом реализуется алгоритм фильтрации с учётом время-частотной локализации всплеск -функции.

Всё это решает задачу градиентного поиска целевой функции преобразования в адаптивном фильтре, задавая норму ошибки которого, можно определить качество случайного процесса распределения напряжений, зарегистрированного на теле магистральных или технологических трубопроводов.

Выполненное на этапе первичной обработки всплеск преобразование сигнала в различном масштабе, позволяет затем вычислить интегральные характеристики сигнала - СКЗ по спектру методом БПФ.

Анализ трендов распределения случайных функций сигналов зарегистрированных на теле трубопровода, позволяет совместно с функциями распределения износа определить возможные состояния трубопровода и отклик механической системы на внешнюю динамическую силу.

Принятие решения о возможном состоянии системы возможно в коалициях, когда имеет место комбинированное воздействие на систему, от двух или более значимых факторов. В основе анализа применена прямая задача - максимизация рабочего давления в системе и двойственная задача - минимизация напряжений при нормированной функции износа.

Заключение

В результате проведенных исследований системных связей и закономерностей функционирования СТТ на основе реализации современных методов обработки информации, оценивания и классификации телеметрических сигналов, измеренных на теле магистральных и технологических трубопроводах при рабочих процессах и коррозионном износе, получены следующие теоретические и практические результаты:

1. На основе проведенного системного анализа объектов МТТ выявлены и классифицированы факторы снижения пропускной способности МТТ, дана количественная оценка параметрам формирующих признаков природных и антропогенных факторов в информационной системе мониторинга устойчивости и контроля за состоянием МТТ.

2. Разработаны методы анализа устойчивости МТТ по когнитивным признакам балльных и количественных оценок качества системы: влияющих эксплуатационных, антропогенных и природных факторов на базе решения задачи линейного программирования в рамках теории устойчивости второго рода.

3. Разработан алгоритм решения двойственной задачи максимизации рабочего давления в СТТ и минимизации механических напряжений, возникающих в теле МТТ при нормированных значениях износа стенки трубопроводов, что обеспечивает эксплуатацию МТТ со стабильной пропускной способностью.

4. Разработан алгоритм определения количественных характеристик механических напряжений в системе МТТ с помощью декомпозиции соответствующих сигналов по Добеши четвертого порядка в СТТ с учетом динамики системы, что учитывается в модели оценки устойчивости системы МТТ.

5. Построена модель оценивания устойчивости системы МТТ на основе цифровой обработки данных телеметрии методами морфологического анализа сигналов по всплескам Добеши четвертого порядка с помощью базисного плана максимизации рабочего давления в системе и двойственной задачи минимизации напряжений в теле трубы с учётом износа.

6. Определены количественные оценки параметров формирующих признаков природных и антропогенных факторов в информационной системе мониторинга МТТ методом декомпозиции во всплесках Добеши четвертого порядка, что позволило добиться улучшение соотношения сигнал/шум до 6-10 дБ в сравнении с классическим спектральным анализом (10-15%).

7. Разработан алгоритм классификации качественного состояния систем трубопроводного транспорта на базе метода морфологического ящика, с применением количественного сравнения альтернатив параметров во всплесках Добеши четвертого порядка.

8. Разработана структура информационной системы мониторинга устойчивости и контроля за состоянием магистральных и технологических трубопроводов на базе применения метода морфологического ящика по классифицированным параметрам динамики системы и современных возможностей системы телемеханики, обеспечивающей оперативность получения, обработки, передачи и представления информации о различных аномальных ситуациях на участках МТТ диспетчеру для принятия своевременного решения, что способствует эффективности функционирования МТТ.

Полученные результаты использованы для выработки рекомендаций принятия управленческих решений по реализации технической эксплуатации магистральных продуктопроводов для обеспечения номинальной пропускной способности.

Автор

1. Александров J1.B., Карпова H.H. Рабочая книга по систематизации информации. - М., 1993.

2. Абрамов О.В., Здор В.В., Супоня A.A. Допуски и номиналы систем управления. — М.: Наука, 1976.

3. Антонов A.B. Системный анализ. М.: Высш. шк., 2004.

4. Анфилатов B.C., Емельянов A.A., Кукушкин. Системный анализ в управлении. М.: Финансы и статистика, 2007.

5. АСУ ТП ТРО предприятий по поставкам и транспортировке газа фирмы «Атлантик Транс Газ система» www, nprogress.htm

6. АСУ ТП ТРО «Красноярскнефтепродукт», ООО «Иркутск терминал». mklab@bk.ru.

7. Архитектура контроллеров «Торнадо», info@tornado.nsk.ru.

8. Ахметов P.M. Диспетчеризация и учет на нефтепроводах. М.: «ТТН», 2006.

9. Бабин J1.A., Быков Л.И., Волохов В.Я. Типовые расчеты по сооружению трубопроводов. М.: Недра, 1979

10. Баркова H.A. Виброакустические методы диагностики. Учебное пособие. -Л.: ЖИ, 1985.

11. Балакришнан A.B. Теория фильтрации Калмана М.: Мир, 1988.

12. Балашов Е.П. Эволюционный синтез систем. М.: Радио и связь, 1985.

13. Бородавкин П.И., Березин В.Л. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1977.

14. Васильева Р.В. Вибрационные методы неразрушающего контроля в энергомашиностроении. Труды ЦНИИТмаш. №146, 1978.

15. Ващенко Н.Д. и др. Применение системы АНАЛИЗАТОР в НИР // УС и М., 1978.

16. Вентцель Е. С., Овчаров JI. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения: М.: Изд. центр «Академия», 2003 г.

17. Волков И.К., Загоруйко Е.А. Исследование операций: М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

18. Вибрации в технике: Справочник в шести томах. М.: Машиностроение, 1990.

19. Габасов Р., Кирилова Ф.М. Методы оптимизации. Издание второе, переработанное и дополненное. Минск: Издательство БГУ им. В.И. Ленина, 1981г.

20. Герман-Шахлы Ю.Г. Современные методы технического контроля безопасности перевалки нефти на морском транспорте.- М: «РКонсульт», 2003.

21. Говорухин В., Цибулин В. Компьютер в математическом исследовании. Учебный курс. СПб.: Питер, 2001.

22. Горелова Г.В., Здор В.В., Свечарник Д.В. Метод оптимума номинала и его применение. -М.: Энергия, 1970.

23. Грешников В.А., Дробот Ю.В. Акустическая эмиссия. М.: изд-во Стандартов, 1976.

24. Громаков Ю.А. О конвергенции Интернета и сотовой связи// Мобильные системы, 2001.

25. Громаков Ю.А., Голяницкий И.А., Шевцов В.А. Оптимальная обработка радиосигналов большими системами-М.: Эко-Трендз, 2004.

26. Гуд Г.Х., Макол Р.Э. Системотехника. Введение в проектирование больших систем. М.: Сов. радио, 1962.

27. Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Гумеров K.M. Безопасность длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов. М.: ООО «Нефте-Биснесцентр», 2003.

28. Данцевич И.М., Лютикова М.Н. Адаптация функции Бесселя первого рода к передаче бинарных кодов в телеметрических сетях низшего уровня. Известия высших учебных заведений. Северо кавказский регион. Технические науки:- Ростов на Дону. ЮФУ, 2008.

29. ДНАОП 0.00-8.15-97 Порядок проведения экспертизы газотранспортного оборудования.

30. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. М.: Горячая линия - Телеком, 2009.

31. Демьянов В.В., Попов В.В. Научное осмысление опыта создания информационной сети на Юге России. Ростов на Дону, 1999.

32. Демьянов А. От VME к VPX новый модульный стандарт для военных компьютерных систем. «Современная электроника». М.: «СТА-пресс», 2008.

33. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. М.: Радио и связь, 1985.

34. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. М.: Солон-Р, -2002.

35. Дьяконов В.П. Maple 9.5/10 в математике, физике и образовании М.: Солон-Пресс, 2006.

36. Загоруйко Н.Г., Елкина В.Н., Лбов Г.С. Алгоритмы обнаружения эмпирических закономерностей. Новосибирск: Наука, 1985.

37. Иванов А.З., Круг Г.К., Филаретов Г.Ф. Статистические методы в инженерных исследованиях. Учебное пособие. М.: МЭИ, 1976.

38. Информационный обзор систем ЗАО «ТРАНЗАС». Береговые системы-СПб: «ТРАНЗАС», 2007.

39. Информационно-измерительный комплекс «Магистраль-2». http ://gazprom.ru.

40. Информационно-измерительный комплекс «МАГИСТР АЛЬ-3,0». http://gazprom.ru.

41. Каган Е.В. Алгоритмы распознавания и классификации непрерывных сигналов на основе неравновесных систем. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Таганрог. ТРТУ, 2004.

42. Кандрашина Е.Ю. Представление знаний о времени и пространстве в интеллектуальных системах / Под ред. Поспелова Д.А. М.: Наука, 1989.

43. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении- 3-е изд., перераб. и доп. JL: Судостроение, 1982.

44. Колос М.В., Колос И.В. Методы линейной оптимальной фильтрации. -М.: Изд-во МГУ, 2000.

45. Колемаева В.А. Математические методы и модели исследования операций М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2008.

46. Колмогоров А.Н. Основные понятия теории вероятностей. Издание второе-М.: «Наука», 1974.

47. Крамер Г., Лидбеттер М. Стационарные случайные процессы- М.: «Мир», 1969.

48. Кутуков С.Е. Информационно-аналитические системы магистральных трубопроводов. М.:СИП РИА, 2002.

49. Ланчаков Г.А., Зорин Е.Е., Степаненко А.И. Работоспособность трубопроводов. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003.

50. Лебедев A.A. Цифровые МЭМС акселерометры в automotive-исполнении. «Современная электроника». М.: «СТА-пресс», 2008.

51. Лютикова М.Н. Об уменьшении времени адаптации в вычислителях стандарта величины применением БПФ. Сборник научных трудов. Выпуск 12.- Новороссийск. РИО ГМУ им. ад. Ф.Ф. Ушакова, 2007.

52. Лютикова М.Н. Организация динамических протоколов в каналах телеметрии с использованием функций Бесселя первого рода. Известия высших учебных заведений. Северо кавказский регион. Спецвыпуск. Технические науки. Ростов на Дону. ЮФУ, 2008.

53. Лютикова М.Н. Классический спектральный анализ и параметрическое оценивание акустических сигналов. Материалы IX научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Молодая наука- 2009». Пятигорск. ПГЛУ, 2009.

54. Лютикова М.Н., Бачище A.B., Огурцов Д.В. О системном анализе устойчивости трубопроводов при коррозионном износе и рабочих процессах.

55. Сборник научных трудов. Выпуск 15 Новороссийск. РИО «ГМУ им. ад. Ф.Ф. Ушакова», 2010.

56. Лютикова М.Н. Модель влияния оценки трещиноподобных дефектов на прочностные и гидравлические свойства трубопроводов. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. Научно-технический журнал № 2 Москва ОАО "ВНИИОЭНГ", 2012.

57. Лютикова М.Н. Модель устойчивости систем трубопроводного транспорта по данным телеметрии. Сборник научных трудов, часть 1 Ставрополь. РИО «Северо-Кавказского государственного технического университета», 2012.

58. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат. 1990.

59. Мартынов В.А., Селихов Ю.И. Панорамные приёмники и анализаторы спектра. Под ред. Заварина Г.Д. М.: «Сов. Радио», 1964.

60. Материалы Государственного Совета Российской Федерации от 16.11.2007-М.: http://kremlin@gov.ru

61. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: Математические основы. Пер. с англ. под ред. С.В. Емельянова. М.: Мир, 1987.

62. Миркин А.З., Усиньш В.В. Трубопроводные системы: Справочник. М.: Химия, 1991.

63. Михайлов A.B. Эксплуатационные допуски и надежность в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Советское радио, 1970.

64. Моисеев H.H. Математические задачи системного анализа. М., 1981.

65. Мороз А.И. Курс теории систем. М.: Высш. шк.,1987.

66. Назаров A.B., Козырев Г.И., Шитов И.В., Обрученков В.П., Древин A.B., Краскин В.Б., Кудряков С.Г., Петров А.И., Соколов С.М., Якимов B.JL, Лоскутов А.И. Современная телеметрия в теории и на практике. Учебный курс. СПб.: Наука и Техника, 2007.

67. Новиков А.К. Корреляционные измерения в корабельной акустике. Л.: Судостроение, 1971.

68. Новиков И.Я., Протасов В.Ю., Скопина М.А., Теория всплесков. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.

69. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985.

70. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М.: Высшая школа, 1989.

71. Перминов В., Яковлев А., Чаков В., Фадеев В., Трошев Ю. Модернизация распределённой системы управления линейной части магистрального газопровода. «Современные технологии автоматизации». М.: «СТА-Пресс», 2002.

72. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. М.: Наука, 1986.

73. Промышленная безопасность в системе магистральных нефтепроводов/ Под ред. М.В. Шахматова. М.: РАЕН, 2001.

74. Пугачёв B.C. Статистические методы в технической кибернетике.- М.: «Советское Радио», 1971.

75. Растригин Л.А. Современные принципы управления сложными объектами. М.: Советское радио, 1980.

76. Растригин Jl.А. Адаптация сложных систем. Рига: Зинатне, 1981.

77. РД 153-39.4-035-99 «Правила технической диагностики магистральных нефтепроводов внутритрубными инспекционными снарядами».- М.: Издательство Стандартов, 1999.

78. РД 09-167-97 «Методические указания по организации и осуществлению надзора за конструированием и изготовлением оборудования для опасных производственных объектов в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности», 2002.

79. РД 03-131-97 «Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов». М.: изд-во Стандартов, 1986.

80. РД 03-418-02 «Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов», 2002.

81. Редькин П. Прецизионные системы сбора данных семейства MSC12xx фирмы Texas Instruments. «Современная электроника». М.: «СТА-пресс», 2006 .

82. Рыжов В.П., Федосов В.П. Статистические методы обработки сигналов: Конспект лекций. Таганрог: Издательство ТРТИ, 1984.

83. Рыжов В.П., Федосов В.П. Статистическая радиотехника- Таганрог. ТРТИ, 1978.

84. Рыжов Д.М. Опыт реализации автоматизированной системы управления технологическими процессами территориально распределённых объектов- М.: Сети и системы связи №12(132), 2005.

85. Саркисян С.А. Прогнозирование развития больших систем. М.: Статистика, 1975.

86. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2003.

87. Семёнов Ю.А. Преобразование, кодировка и передача информации. ГНЦ ИТЭФ. book.itep.ru

88. Ситчихин С.А. Любин А.П. Цифровые системы связи и их реализация на технологической части нефтепроводов М.: «ТТН» № 3, 2005.

89. СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы (с изменениями, утвержденным постановлением Минстроя России от 10.11.1996 г. № 18-78). -М.: Минстрой России, 1996.

90. Смирнов H.H., Тисленко Г.Л., Федосов В.П. Измерение характеристик случайных процессов. Учебное пособие. Таганрог. ТРТИ, 1978.

91. Соколов Г.В. Роль метазнаний в системах поиска решений. Сб. Материалы Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные САПР». Таганрог: ТРТУ, 2000.

92. Солодов A.B. Методы теории систем в задаче непрерывной линейной фильтрации. -М.: Наука, 1976.

93. Телемтаев М.М. Алгебраическая модель технологической системы// Электронное моделирование. 1990.

94. Теплинский Ю.А., Быков И.Ю. Управление эксплуатационной надежностью магистральных газопроводов. М.: ЦентрЛитНефтегаз, 2007.

95. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. М.: Мысль, 1978.

96. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1989.

97. Шевцов В.А., Рощин Б.В. Синхронизирующие свойства мажоритарных кодов//Развитие теории и техники сложных сигналов. Вторая научно-техническая конференция. М.: Радио и Связь, 1983.

98. Черняев В.Д. Системная надежность трубопроводного транспорта угле-родов / Под ред. М.: Недра, 1997.

99. Яне Б. Цифровая обработка изображений. М: Техносфера, 2007.