Прогноз аварийных событий трубопроводного транспорта ЖКХ в системе автоматизированного мониторинга Академгородка г. Новосибирска

Бебешев, Константин Анатольевич

Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Прогноз аварийных событий трубопроводного транспорта ЖКХ в системе автоматизированного мониторинга Академгородка г. Новосибирска

кандидата технических наук: Бебешев, Константин Анатольевич
город: Новосибирск
год: 2010
специальность ВАК РФ: 05.13.18

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Прогноз аварийных событий трубопроводного транспорта ЖКХ в системе автоматизированного мониторинга Академгородка г. Новосибирска»

Автореферат диссертации по теме "Прогноз аварийных событий трубопроводного транспорта ЖКХ в системе автоматизированного мониторинга Академгородка г. Новосибирска"

На правах рукописи УДК 681.3.06:378.11(043.3)

□034Э1624

Бебешев Константин Анатольевич

Прогноз аварийных событий трубопроводного транспорта в системе автоматизированного мониторинга ЖКХ Академгородка г. Новосибирска

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ.

1 1 фсд 2010

Барнаул - 2010

003491624

Работа выполнена на кафедре коммунального хозяйства Новосибирского филиала Государственной академии профессиональной переподготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы.

Научный руководитель: кандидат технических наук

Набивич Вячеслав Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Цхай Александр Андреевич

доктор технических наук, профессор Бобко Игорь Максимович

Ведущая организация: Институт Теплофизики СО РАН

Защита диссертации состоится 26 февраля 2010 года в15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.005.04 при ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

Автореферат разослан_января 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф-м.н., профессор

С.А. Безносюк

Общая характеристика работы

Актуальность диссертационного исследования. Россия обладает развитой сетью трубопроводного транспорта водо и теплообеспечения предприятий и жилищ, относимых к коммунальной отрасли экономики. Систему централизованного трубопроводного транспорта теплоносителя составляет более 200000 км, в том числе 90% транспортной инфраструктуры образуют водяные теплосети, по которым ежегодно передается около 2000 млн. Гкал тепловой энергии. Столь масштабная трубопроводная структура ЖКХ объясняется тем, что практически вся страна находится в климатической зоне с преобладанием низких температур достаточно длительный период. Например, в Новосибирской области, средняя расчетная температура наружного воздуха в зимнее время принимается на уровне (- 41 °С), а максимальная продолжительность отопительного сезона составляет 272 дня. Температурный режим функционирования теплосети установлен на уровне 150/70°С, со срезкой на 125°С . Около четверти магистралей являются теплонапряженными. Практически весь зимний период в них держится температура около 138°С и давление 14-15кгс/ см1. В остальной части сохраняются средние показатели: температура и давление, соответственно, 107°С и 11 кгс/см2 , Средний уровень потерь в теплосети составляет около 10% с колебаниями от 14% до 8,6%, около 44,6% трубопроводов служат более 20 лет и являются потенциально опасными. По данным Счетной палаты РФ в 2007 году: «Тепловые потери в трубопроводах магистральных тепловых сетей составляют около 10-11% произведенной энергии, а суммарные потери с учетом распределительных сетей - до 30 %. На каждые 100 км. теплопроводов ежегодно регистрируется более 70 повреждений. В 2004 году в г. Новосибирске было выявлено 423 повреждения, в 2005 году - 415, а в 2006 году - 469 повреждений. В 2007 году на ряде участков испытательное давление было снижено с 20 до 16 кгс ¡см2 , что привело к снижению числа повреждений до 280 шт./год.

Усиление внимания государства к развитию социальных функций актуализирует проблему бесперебойного теплообеспечения населения страны в условиях существенного физического износа трубопроводного транспорта. Эффективное решение этой социально-экономической и технической задачи оказалось затруднено в силу следующих обстоятельств:

1) системы трубопроводного транспорта ЖКХ в период плановой экономики создавались и эксплуатировались в условиях финансирования «по остаточному принципу», что проявлялось в некачественном проектировании, в использовании труб с отклонениями от стандартов, в многочисленных нарушениях тепло и во-доизоляции;

2) в условиях рыночной экономики эксплуатация и развитие трубопроводных систем ЖКХ были переданы в частные структуры и муниципальные образования. Во время организационной перестройки управления транспортными системами ЖКХ была утрачена часть проектной документации, снизился объем ресурсов направляемых на эксплуатацию системы;

3) трубопроводный транспорт вводился в эксплуатацию в середине XX века и к настоящему времени находится в состоянии «критического износа», однако средств на его восстановление у собственников нет. Так, при общей изношенности трубопроводов г. Новосибирска свыше 60%, объем замены теплотрасс в 2002 году составил 2,3% общей протяженности, в 2003 году 1,7%, в 2004 году 1,5%, в 2005 году 1,6%.

4) отсутствуют достоверные данные о тепловых нагрузках объектов теплопо-требления, для которых энергопаспортизация не проводилась вообще. Поэтому нет возможности составить энергобаланс системы, следовательно, контролировать и регулировать расход энергоресурсов. При этом в силу развития строительства новых объектов нарастает дефицит пропускной способности тепломагистра-лей;

5) образовавшиеся частные предприятия, эксплуатирующие трубопроводный транспорт малочисленны, малоресурсны, не имеют возможности содержать высококвалифицированных специалистов и решать задачи комплексного управления надежностью трубопроводов в автоматизированном режиме. Постановки задач прогноза аварийных ситуаций на трубопроводном транспорте ЖКХ не осуществлялись и в литературе практически отсутствуют сведения об их решении.

На этом фоне возрастает актуальность и важность задач по эффективной эксплуатации существующих магистралей трубопроводного транспорта, сохранению уровня их надежности в условиях ограниченных ресурсов. Очевидно, что выполнение этих задач обеспечивается взаимоувязанным решением организационных и технических (технологических) проблем управления системами транспорта и распределения теплоносителя (СТРТ), к которым отнесем автоматизированный мониторинг состояния трубопроводной системы на основе прогноза аварийного состояния фрагментов трубопроводного транспорта, как наиболее значимых факторов устойчивого теплоснабжения. Однако, до настоящего времени нет достаточно аргументированных и научно обоснованных методов прогноза аварийных событий для объектов типа трубопроводный транспорт и, следовательно, нет рациональных методов принятия решений по их предотвращению. Актуальность настоящего исследования подтверждает и то обстоятельство, что в конце XX века в Советском районе г. Новосибирска была внедрена «автоматизированная графическая системы «Дежурный генеральный план Академгородка»», осуществляющая контроль и диспетчеризацию распределения теплоносителя потребителям. Решение задач мониторинга аварийных событий трубопроводного транспорта - есть логическое продолжение этого проекта направленное на повышение эффективности функционирования инженерных транспортных потоков, как в части снижения аварийности, так и в части выбора и реализации планов оптимального теплоснабжения.

Степень изученности проблемы. В силу и.ирокого использования СТРТ в стране и практически одинаковых условий эксплуатации проблема обеспечения безопасности и эффективного функционирования трубопроводного транспорта ЖКХ поднимается, прежде всего, в прикладном и, соответственно, теоретиче-

ском плане. Однако в силу сложившихся к настоящему времени условий эксплуатации СТРТ ЖКХ работы по постановке и реализации задач методологического обоснования оперативного прогнозирования, планирования и осуществления мероприятий по предотвращению аварий ведутся в ограниченном объеме. Об этом свидетельствуют труды Ю.С. Гайстера, С.А. Михайлова, A.C. Некрасова, В.Г. Семенова, К.Ф. Ридера, B.C. Ромейко, В.И. Шарипова. Вопросы коммунальной энергетики рассмотрены в трудах A.A. Ахтырского, А. Блохина, М.Б. Иванова, A.C. Чистовича, С.С. Мазанова. Известно также мнение Цветкова В.А., утверждающего, что к настоящему времени не существует разработанной теории риска промышленных аварий, равно как и риска других неблагоприятных казуальных явлений. Наконец, отметим работы М.М Андрияшева, И.Е. Идельчика, А.П. Зегжды, И.С. Квасова, В.Г. Лобачева, Л.Ф. Мошнина, М.А. Сомова, М.Я., Панова, Ф.А.Шевелева, В.Я. Хасилева, В.И Щербакова разработавших модели по-токораспределент и методы расчета водопроводных сетей с учетом влияния гидравлических сопротивлений и утечек транспортируемого агента.

Цель исследования. Разработка математического обеспечения подсистемы мониторинга СТРТ ЖКХ в составе «Автоматизированной информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск), использующей модели бифуркационной динамики развития аварийной ситуации трубопроводного транспорта.

Сформулированная цель достигается выполнением следующих задач:

1. Анализ современного состояния трубопроводной инфраструктуры ЖКХ, выявление экономических, социальных, технологических и психологических факторов появления аварий трубопроводного транспорта.

2. Изучение актуальной научно методологической и нормативной литературы, опыта эксплуатации трубопроводного транспорта, в том числе с использованием автоматизированного контроля и диспетчеризации. Изучение моделей коррозионного поражения труб, в том числе, и по исследованиям в других отраслях промышленности.

3. Разработка модели потокораспределения теплоносителя для исследования влияния режимных параметров на устойчивость функционирования трубопроводной системы.

4. Построение модели прогноза аварийного события, как следствия коррозии в системе «вода - стенка трубы», исследование факторов определяющих траекторию движения системы к аварийному состоянию.

5. Реализация подсистемы мониторинга аварии в составе автоматизированной информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск).

Объект исследования - системы мониторинга трубопроводного транспорта водо и теплоснабжения ЖКХ.

Предмет исследования - модели, методы и информационные системы мониторинга аварийных событий трубопроводного транспорта водо и теплоснабжения ЖКХ.

Методология работы. Выполнение задач диссертационного исследования осуществлялось на основе комплексного использования методов системного анализа, моделирования и конструирования элементов технологии мониторинга состояния трубопроводного транспорта, экспериментальной отработки и анализа полученных результатов. При построении моделей потокораспределений применены модели на основе ориентированных графов, анализ моделей достижения аварийных событий осуществлен с использованием теории катастроф.

Научная новизна

1. Определены условия, при которых аварийные события трубопроводного транспорта рассматриваются как рисковые. Показано, что рисковый подход к описанию аварийных событий необходим в системах прогноза и управления природными ЧС, в то время как техногенные аварии, как правило, проявляются как результат старения (износа) технологических аппаратов либо нарушений технологических режимов. Следовательно, при надлежащем оперативном учете производственных факторов (мониторинге) техногенные аварии могут быть предсказаны с помощью математических моделей развития аварийных ситуаций.

2. Предложена графовая модель потокораспределения, позволяющая обосновать перечень параметров мониторинга аварийных событий СТРТ.

3. Разработана модель динамики формирования аварийного события как следствия коррозионного поражения материала трубопровода в системе «вода-стенка трубы», использующая теорию катастроф и бифуркаций. Разработанная модель позволяет исследовать траектории «достижения» аварийных событий, факторы, определяющие характер движения системы «теплоноситель — стенка трубы» к аварии, обосновать закономерности развития аварийных процессов, полученные ранее статистическими методами.

4. Разработана структура задач программного обеспечения мониторинга для реализации в автоматизированной системе контроля и диспетчеризации функционирования трубопроводного транспорта ЖКХ информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск).

Автор выносит на защиту следующие положения:

1. Техногенные события типа «аварии трубопроводного транспорта» есть следствие естественного старения оборудования технологического объекта, которое может быть достаточно надежно предсказано с помощью математических моделей прогноза аварийных событий при надлежащем использовании проектно - конструкторской документации и осуществлении оперативного контроля технологических параметров функционирования.

2. Графовая модель теплораспределения позволяет описать трубопроводную инфраструктуру ЖКХ с любой степенью детализации, что создает предпосылки для анализа влияния технологических факторов на режимы транспорта теплоносителя и условия идентификации фрагментов трубопроводной сети с существенно отклоняющимися режимами функционирования, что в свою очередь обеспечивает первичный мониторинг системы (мониторинг на уровне фрагмента сети).

3. Процессы возникновения аварийных событий вследствие коррозий в системе «теплоноситель - стенка» трубы (СТС) являются нелинейными и могут быть объяснены на основе теории катастроф. Стремление СТС к аварийному состоянию описываются бифуркационными траекториями, что позволяет построить модели прогноза аварийных событий и обосновать принципы мониторинга трубопроводных магистралей по причине коррозийных процессов.

4. Разработанная подсистема мониторинга аварийных состояний в составе «Автоматизированной информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск) повысила точность идентификации «аварийных труб» на прогнозный интервал «один год» на 20%.

Практическая значимость. Уточнены понятия «риск», «управление риском» техногенной аварии, разработана структура автоматизированной системы мониторинга трубопроводного транспорта ЖКХ на основе моделей теплораспре-деления и бифуркационного движения системы «теплоноситель - стенка» трубы к зоне повышенной опасности и событию аварии. Модели динамики СТС, описывающие процесс перехода системы по четырем выделенным областям функционирования: «норма», «среднее», «предаварийное», «авария» упрощают алгоритмы мониторинга, повышают достоверность прогноза и, следовательно, уточняют выбор наиболее опасных фрагментов трубы в смысле прорыва её стенки. Алгоритмы и структура подсистемы мониторинга аварийных событий СТС использованы для развития аналогичных автоматизированных систем диспетчеризации трубопроводного транспорта. Разработанные модели и теоретические положения могут быть использованы в учебном процессе в системах высшего и среднетехнического профессионального образования, а также для повышения квалификации специалистов ЖКХ, обслуживающих трубопроводный транспорт.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов: обеспечивается корректной постановкой задачи прогнозирования техногенной аварии с использованием моделей теории катастроф, многочисленных экспериментальных данных полученных в процессах анализа надежности оборудования химической, нефтехимической промышленности, транспорта нефти и газа.

Реализация работы. Результаты использованы при выполнении договора с отчет по договору НИР № 37 от 12.10. 2005 г. выполняемым Новосибирским филиалом Государственная академия профессиональной переподготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы для ФГУП Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Тепловые сети. Современные практические решения», состоявшейся 11-13 марта 2008 года в г. Москве, всероссийских, межвузовских и региональных конференциях в гг. Новосибирске (2005, 2006 г.), Барнауле (2006 г.), Тюмени (2008 г.), Якутске (2006, 2007 г.), Всероссийском совещании по теплоэнергетике (г. Кемерово, 2005), семинарах работников ЖКХ в г. Новосибирске (2006 г.), г. Томске (2008 г.) и Якутске (2005-2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях рекомендованных ВАК

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 134 страницах. Библиографический список содержит 97 источник. В работе имеется 28 рисунков и 8 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования, объект и предмет, научная новизна и положения, выносимые на защиту, теоретическая и практическая значимость, апробация результатов исследования.

В первой главе диссертации: «Безаварийное теплообеспечение населения как актуальная социально - экономическая и техническая задача» уточнено состояние трубопроводного транспорта ЖКХ и причины высокой аварийности трубопроводных систем в условиях реформы ЖКХ, в том числе, вследствие физического износа, который в период с 1997 по 2007 год достиг 54,2%. На основе изучения опыта эксплуатации трубопроводного транспорта теплоносителя в различных регионах Сибири и нормативных источников определены основные причины его высокой аварийности:

а) в период плановой экономики финансирование затрат на развитие и эксплуатацию СТРТ осуществлялось по остаточному принципу, поэтому трубопроводы монтировались с грубейшими нарушениями СНиПов, в последующие периоды финансирование ремонтно-восстановительных работ еще более сократилось;

б) произошла децентрализация услуг теплообеспечения населения, эксплуатация тепломагистралей возложена на муниципальные образования страны содержание и население, оперативная деятельность передана в частные кампании, не имеющих достаточных средств и квалифицированного персонала, в) утеряна значительная часть проектной и эксплуатационной документации, что затрудняет изучение истории функционирования отдельных фрагментов сетей, нет паспортов энергопотребления, отсутствует система контроля и регулирования температуры и давления транспортируемого теплоносителя.

В результате в относительно благополучном районе г. Новосибирска - Академгородке, согласно отчета ГУП УЭВ СО РАН за 2007 год в замене нуждалось 68,3 км. труб, на 31.12.2007 заменено 2,676 км. и отремонтировано хозяйственным способом (мелкий профилактический ремонт) - 113,951 км. При этом, как следует из отчета, объем транспортируемого теплоносителя за последние шесть лет практически не изменился, не изменились и потери при передаче тепловой энергии потребителям, что соответствует общероссийской статистике. В денежном выражении эти показатели смотрятся следующим образом: объем товарной продукции / услуг в 2007 г. в стоимостном выражении составил 560376.0 тыс. руб., число аварий за 2007 году составило 286 шт. Вследствие аварий было потеряно более 45 млн. руб., в тоже время объем ремонтных работ составил около 57 млн. рублей. Таким образом, не смотря на высокие потери «на ремонт» теплотрасс работы по превентивному обслуживанию трубопроводных систем ведутся ограниченно. Мы связываем это с отсутствием достоверных методов прогноза

места и времени возможного проявления события «авария», соответствующего планирования предупредительных работ.

В первой главе диссертации описаны результаты внедрения в Академгородке в 1996 году информационно-графической системы управления «Дежурный генеральный план» Академгородка Советского района, которая была модифицирована и принята как базовая система для г. Новосибирска в 2003 году. Автоматизированная графическая система (АГС) предоставила автоматизированные рабочие места для инженерных и диспетчерских служб, служб режимов, производственно-технических отделов Новосибирского Академгородка на базе общей для всех коммуникаций информационной среды в топографическом плане масштаба 1:500. Как показал опыт эксплуатации разработанной системы, использование современных ГИС технологий для обработки данных о состоянии рассосредото-ченного объекта контроля обеспечивает наглядное и информативное представление инженерных объектов с помощью разномасштабного картографирования объектов (участков), и возможность оперативной выдачи инженерным подразделениям данных по участкам городской застройки. В работе отмечается, что развитие описанной АГС должно осуществляться в направлении прогнозирования аварийных событий трубопроводов, для чего необходима разработка соответствующего математического программного обеспечения подсистемы мониторинга трубопроводного транспорта в составе функционирующей АГС.

Основу математического обеспечения автоматизированного мониторинга трубопроводного транспорта составляют математические модели аварийных событий, разработке которых посвящена вторая глава диссертации «Модели аварийных ситуаций и мониторинга работоспособности трубопроводного транспорта». В связи с широким использованием в современной технической литературе понятий «риск проигрыша», «риск потери», «риск аварии», «риск катастрофы», «экологический риск» и т.д., в том числе и при описании аварийных ситуаций трубопроводной инфраструктуры коммунального хозяйства (Логов Б.А., Крумгольц А.Р.) в работе осуществлен анализ правомерности описания рисковыми моделями аварийных ситуаций объектов исследуемого класса. В настоящее время признается, что не существует разработанной теории риска промышленных аварий, равно как и риска других неблагоприятных явлений (Цветков В.А.), поэтому в исследовании принята рабочая гипотеза, что техногенные аварии на объектах промышленного производства, возникают вследствие нарушений технологического регламента и действия (бездействия) производственного персонала. Техногенные аварии в большинстве своем предсказуемы и могут быть предотвращены с помощью соответствующих мер безопасности, что обосновывает активный подход, состоящий в анализе и предотвращении опасностей, проистекающих от человеческой деятельности. Обосновывается тезис, что безаварийная эксплуатация трубопроводного транспорта «впрямую» определяется возможностью своевременной обработки данных при принятии решения о мерах предотвращения нерегламентных событий, однако персонал, обслуживающий трубопроводную систему, объективно не имеет информационной возможности мониторинга её функционирования. Поэтому как альтернатива рационалисти-

ческой деятельности персонала неизбежно возникает другая — рефлексивная деятельность, приводящая к ситуациям риска. В работе приведено утверждение; Риск аварии - это рефлексия лица принимающего решение об обслуживании технологического объекта в условиях неполной или недостоверной или несвоевременной информации о состоянии оборудования. Количественно риск оценивается вероятностью отсутствия информации об аварийном состоянии объекта и социально - экономическим ущербом от случившейся аварии.

Предложен алгоритм управление процессами снижения уровня техногенной опасности (управление процессами снижения уровня риска):

1) определить максимально обоснованный набор сведений, обстоятельств, параметров, определяющих состояние опасности производства;

2) разработать способы контроля части параметров, стремясь к минимизации, тех факторов, которые контролировать невозможно вследствие неизвестности соответствующей причинно-следственной связи;

3) построить и реализовать модели комплексной обработки данных с целью прогноза аварийной ситуации;

4) принять решение: а) о высокой вероятности наступления события «авария» на некотором участке технологического процесса; б) о мерах (сценарии) предотвращения прогнозируемой аварийной (опасной) ситуации, в) об отсутствии угрозы аварии о продолжении наблюдения за состоянием потенциально опасного объекта.

Показано, что выполнение этого довольно простого алгоритма связано с тем, что информация, которую необходимо иметь для принятия управленческих решений объективно или не доступна, или имеется не в полном объеме, или значительным образом зашумлена, или не своевременна. Тем самым создается ситуация неопределенности и возникновение решений с высокой долей риска. Для снижения неопределенности прогноза аварии в работе предложены две модели трубопроводного транспорта. Обобщенная модель системы трубопроводного транспорта тепла описывает взаимодействие множества узлов генерации тепло-энергии .....gП), множество потребителей теплаР(р1,р2......рп), множество узлов распределения тепла между потребителями (У (и,, и2......ип) и множество транспортных коммуникаций между всеми узлами трубопроводной сети IV .....м>п). Ребра графа, описывающего теплосистему, это трубы, обеспечивающие транспорт тепла и в соответствии с функциональным назначением, различающимися множеством характеристик и параметров. К числу наиболее значимых параметров, определяющих функционирование труб и, следовательно, подлежащих учету в графовой модели СТРТ отнесем: длину трубы Ь и её диаметр И. Длина трубы определяется как фрагмент сети от одного узла раздачи теплоносителя до следующего. Давление жидкости на входе Рвх и (или) выходе Ршх трубы длины Ь. Температуру теплоносителя на входе 0"' и (или) выходе б""трубы длиной Ь. Расход жидкости через поперечное сечение трубы С. При описании функционирования ребра модели должно быть учтено множество

факторов, определяющих состояние трубы в каждый момент эксплуатации, в том числе интенсивность процессов зашлаковывания и коррозионного зарастания труб, питтинговой коррозии, утечки жидкости через коррозионные, сварные и другие трещины, нарушение гидроизоляции, потери тепла за счет некачественной теплозащиты и т.д. Свойства этих факторов определяются проектными, конструктивными, технологическими и эксплуатационными характеристиками, условиями эксплуатации, качеством ремонтных и строительных работ, связанных с обслуживанием трубопроводов. Построенный граф является деревом, которое можно представить левой или правой скобочной записью, либо списком предшественников. Левое скобочное представление дерева Т (обозначается 1гер(Т)) можно получить, применяя к нему следующие рекурсивные правила: 1) Если корнем дерева Т служит вершина А с поддеревьями Т1 и Т2, расположенными в этом порядке (их корни - прямые потомки вершины А), то 1гер(Т)=А(1гер(Т1),1гер(Т2)). 2) Если корнем дерева Т служит вершина А, не имеющая прямых потомков, то 1гер(Т)=А. Для подсети, представленной на рис. 1 левая скобочная запись будет выглядеть следующим образом:

V1 (у2(У4(У5 ,У6),УЗ (У7(У8(У 1 2,У9(У 13 ,У 1 0(У 1 4,У 11 (У 1 5,У 16)))))))).

Это означает, что: 1) корнем дерева является вершина VI, а единственная ветвь (поддерево) начинается в вершине у2; 2) поддерево с корнем в вершине v2 имеет две ветви, начинающиеся в вершинах у4 и уЗ соответственно; и так далее

Аналогично, правое скобочное представление дерева Т (обозначается ггер(Т)) можно получить, применяя к нему следующие рекурсивные правила:

1. Если корнем дерева Т служит вершина А с поддеревьями Т1 и Т2, расположенными в этом порядке (их корни - прямые потомки вершины А), то ггер(Т)=(ггер(Т1 ),ггер(Т2» А.

2. Если корнем дерева Т служит вершина А, не имеющая прямых потомков, то ггер(Т)=А.

Для подсети, представленной на рисунке 1 ТС_2 правая скобочная запись будет выглядеть следующим образом:

(((у5,У6)У4,((((((У 15,VI 6)У1 1 ,у1 4)У1 0,У1 3)У9,У12)У8)У7)УЗ)У2)У1 .

114 VII

И 5

Рис. 1. Граф фрагмента теплосети

Наиболее информативным параметром, характеризующим состояние сети, считается расход теплоносителя. При нормальном состоянии сети, значения этих параметров должны удовлетворять следующим уравнениям баланса для каждого

узла: ^ г* = 0, где к - номер узла, ¡к - набор трубопроводов, связанных с

данным узлом, расход во входящей трубе учитывается со знаком «минус», а в выходящих - со знаком «плюс». Нарушение этой зависимости в некотором узле сети сигнализирует об утечках в каких-то трубопроводах связанных с этим узлом, что и используется в системах прогноза и предотвращения аварий. Другим информативным параметром считается давление теплоносителя в каждом фрагменте трубопроводнодной сети. Однако в обработке этого параметра следует учитывать разницу в показаниях датчиков на входе и выходе трубы, что связано с изменениями гидравлического сопротивления (коррозионные и мазутные пробки), отбором теплоносителя потребителями, протечками и «воздушными пузырями». Для отображения СТРТ в информационную среду необходимо образовать пятиуровневую структуру хранимой информации:

Сеть->Подсети-^Узлы->Трубопроводы-^Трубы. Этой структуре соответствует следующая иерархия абстрактных объектов:

Лес-> Дерево->Вершина-> Дуга-^ Фрагмент дуги.

Причем на каждом уровне иерархии объектам сопоставляется свой набор хранимых параметров. Для хранения и обработки (моделирования, анализа, прогнозов, принятия решений) этой информации предложена реляционная база данных структуры, представленной рисунком 2.

. ( II пси

х_координата у_координата 2_координата

1|>/1Ч|

1('УОУ11|>'!ЕЧДИ

Умы

Млям__________I

начало ;

конец

трубопровод параметр_1 параметру др_параметры_звена :

Й_участка

начало

конец

параметр _1

параметр_2

параметру

др_праиетры_участка

Й_узпа

Х_координатэ

У_координата

г.координата

Параметр_1

Параметру

Др_Параметры_Уз

Рис. 2. Структура данных описывающих ТПС База данных описывает отдельно взятую подсеть как единое целое и позволяет вычислять все данные, необходимые как для моделирования состояний сети, так и для проведения работ на местности. А именно: связи между полями «начало» и «конец» таблицы «Трубопроводы» и полем «¡с1_узла» таблицы «Узлы» задают топологию сети в соответствии со схемами на рисунках ТС_0, ТС_1, ТС_2; связь между полем «трубопровод» таблицы «Трубы» и полем «¡с1_вершины» таблицы «Трубопроводы» указывает на нахождение конкретного звена трубы в том или ином трубопроводе; связи между полями «начало» и «конец» таблицы «Трубы» и полем «¡с!_узла» таблицы «Стыки» указывают на расположение конкретной трубы в пространстве, что обеспечивает доступ к ней при проведении тех или иных работ.

В процессе исследования было установлено, что неустойчивые режимы транспорта воды интенсифицируют процессы изменения сечения труб как результат коррозионного зарастания и питтинговой коррозии. Это, в свою очередь, приводит к отклонениям режимов трубопроводного транспорта от заданных норм, предаварийному состоянию фрагментов транспортной системы и к авариям, которые, естественно, требуют изменения режимов транспортировки теплоносителя и т.д. Таким образом, процессы в системе трубопроводного транспорта необходимо рассматривать как нелинейные со сложным взаимодействием внутренних положительных и отрицательных технологических и физико-химических обратных связей. Существенные нелинейности этих процессов и явлений, а также нахождение физических характеристик процессов ржавления труб вдали от точки равновесного состояния являются причинами внешне непредсказуемых аварий. Можно утверждать, что риск аварий трубопроводов на самом деле есть следствие старения труб в условиях агрессивной среды и изменений режимов транспорта жидкости. Разработке метода прогнозирования аварии вследствие коррозии труб посвящена третья глава диссертации: «Система мониторинга аварийных ситуаций трубопроводного транспорта». На основании литературных и экспериментальных данных показано, что стохастическими факторами неравномерности разрушения различных участков поверхности трубы, находящихся в одинаковых условиях нагружения, являются технологии изготовления, структурная и химическая неоднородность металла трубы и сварных соединений (наличие в металле различных структурных фаз, неметаллических включений, пор, ликвации и др.), отклонение геометрических размеров в элементах оборудования и сварных швов (в пределах допусков) и связанное с этим различие в них деформаций и напряжений, случайные колебания распределения технологических потоков по поверхности оборудования, режимы транспортировки теплоносителя и его состав. Прогнозирование времени работы такого оборудования «до отказа» обычно осуществляется по следующей схеме: через определенные периоды эксплуатации 11, и т. д. измеряют максимальные величины 'возникших повреждений (износа, коррозии, деформаций) Иь Ь2 и т, д. и экстраполируют зависимость до предельно допустимой величины повреждений Ьп. Как подчеркивается в литературе, метод позволяет получить достаточно точные оценки показателей надежности, если известен вид зависимости и при измерениях значений Ь определяются действительно максимальные значения повреждений, т.е. осуществляется сплошной контроль поверхностей оборудования.

Пусть объектом прогнозирования аварии будет трубопроводная система, каждая труба которой, в соответствии с проектом, имеет свои геометрические характеристики: длину, диаметр и толщину стенки, а в зависимости от технологии изготовления уникальный химический состав стали, микроструктуру, чистоту по традиционным неметаллическим включениям. Для определенности трубой назовем фрагмент трубопроводной системы, выполненный из однородного материала «от задвижки до задвижки» или «от задвижки до вставки», выполненной из материала с отличающимися характеристиками (врезка в трубу отремонтированного участка). В процессе эксплуатации стенка трубы взаимодействует с внешней сре-

дой, находящейся как внутри трубы (теплоноситель) так и снаружи (влага). Состав внешней среды и режимы взаимодействия для каждого элементарного участка могут существенно различаться. В процессе функционирования труба корродирует с обеих сторон, что приводит к свищевым дефектам и аварии. Предотвращение аварии считается одной из основных задач служб эксплуатации. Для описания механизма формирования аварийных событий (АС) применены модели бифуркаций теории катастроф (Аршинов В.И. , Буданов В.Г., Капицы С.П., Кур-дюмов С.П., Малинецкий Г.Г., Пригожин И.). Представим процесс достижения АС для элементарного участка трубопровода рисунком 3. Процесс достижения устойчивого состояния (события А), называемого «узел» осуществляется из практически любого состояния системы «стенка - теплоноситель» (СТС), образуя множество состояний, каждое из которых является бифуркационными. Это свойство следует из модели Э. Лоренца, согласно которой процесс из некоторой точки Б может продолжаться по различным направлениям, определяемым мо-ментным состоянием активной среды. Переход процесса в некоторое другое состояние неизбежно изменяет среду, что вызывает очередную бифуркацию и т.д. Другими словами в сплошных средах изменение одних структур изменяет окружающую среду (элементы сами являются частью среды), поэтому бифуркации представляют собой совместный процесс трансформации СТС вместе с окружением. Таким образом, развитие коррозионных процессов можно представить, как последовательность изменения состояния трубы и теплоносителя между моментами бифуркаций этой системы, усредненную на достаточно длительном временном интервале наблюдения.

Пусть известно состояние СТС в координате $(Р), где Р - вектор параметров, определяющий координату события (рис. 4) 5 , ¿у - прогнозное и фактическое развитие событий, Ру - фактическая траектория, с!Б - погрешность (риск) прогноза. Различие между прогнозом события и фактическим его проявлением определяется: во-первых, координатами исходного события, т.е. набором параметров, его определяющих, во-вторых, в силу бифуркаций траектория достижения фактического состояния СТС в следующий момент его идентификации будет отличаться на некоторую величину, которая свидетельствует о точности прогнозной методики и горизонте прогноза. Величина расхождения между прогнозным и фактическим состоянием СТС определяется не только методом прогноза, а, пре-

Рис. 3. Фазовый портрет СТС около «аварии»

Рис. 4. Прогнозное и фактическое развитие событий СТС

Рис. 5. Прогноз как последовательность событий

жде всего, изменениями в системе СТС: «две близкие в начале процесса траектории расходятся и от этой скорости расходимости зависит интервал времени, на который может быть дан прогноз. Для каждой системы есть свой горизонт прогноза» (Г.Г. Малинецкий и С.П. Курдюмов). Следовательно, для повышения точности оценки координат состояния СТС в будущем необходимо искусственно уменьшить горизонт прогноза. Тогда прогноз аварийного события может быть реализован разбиением бифуркационной траектории на несколько последовательных участков (стадий), которые для определенности назовем: нормальным, удовлетворительным, критическим и аварией (см. рис. 5) и для которого можно установить интервальные границы. Тогда можно построить жизненный цикл СТС (рис. 6) и ввести некоторые корректирующие систему воздействия (ремонты). С помощью модели ЖЦ методом имитационного моделирования были рассчитаны прогнозы развития СТС из различных состояний трубопровода, что было положено в подсистему мониторинга аварий информационно-графической системы управления «Дежурный генеральный план» Академгородка.

таимо сть

Рис. 6. ЖЦ системы с целенаправленными корректирующими воздействиями

Рис. 7. Зависимость от времени вероятностей перехода СТС из нормального в среднее, предава-рийное и аварийное состояния

В заключительном разделе диссертации описывается структура программного обеспечения подсистемы мониторинга и обсуждаются результаты опытной эксплуатации подсистемы. На рисунке 8 приведен фрагмент внутриквартальной сети трубопроводного транспорта по ул. Золотодолинская. На экранной форме красным цветом помечен прогноз аварийного участка по данным мониторинга в апреле 2008 года и участки транспортной сети который будет выведен из эксплуатации на время ликвидации аварийной ситуации. По результатам прогноза в начале мая была осуществлена дефектоскопия участка, в результате было найдено место наиболее вероятной протечки теплоносителя, подготовлены необходимые материалы и оборудование для её ликвидации. Во время гидроиспытаний выделенного участка сети (июнь 2008 г.) труба протекла в двух местах на расстоянии 76 метров друг от друга (при прогнозируемой длине участка 201 метр).

Рис. 9. Прогноз развития СВС до момента наступления события авария

н 2 с;

~ 1

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 | Х0.01 мм/год ^

Влияние постоянного и переменного внутреннего давления

Рис. 8. Отображение прогноза аварийного участка теплопроводной сети Академгородка При этом первая течь совпала с местом идентифицированным дефектоскопией, вторая течь во время дефектоскопии не была обнаружена. Расчет прогнозных характеристик ТСТ (времени до события аварии, состояния зарастания трубопровода, скорости коррозии и т.д.) осуществляется по формулам, используемым для оценки надежности оборудования в химической промышленности и выводится диспетчеру по форме приведенной на рисунке 9. На основании расчета диспетчер может изменить режимы работы оборудования тем самым сместить бифуркационную траекторию в область щадящих режимов транспорта тепла.

В заключении сделаны общие выводы по результатам работы. Отмечено, что рисковый подход к описанию аварийных событий целесообразен в системах прогноза и управления природными ЧС, в то время как техногенные аварии, как правило, проявляются как результат старения (износа) технологических аппаратов либо нарушений технологических режимов. При надлежащем оперативном учете производственных факторов (мониторинге) техногенные аварии могут быть предсказаны. Использование графовой иерархической модели СТРТ создает базу для оперативного управления потокораспределением теплоносителя и позволяет обосновать перечень технологических параметров, описывающих состояние трубопроводов и режимов транспорта тепла, для подсистемы мониторинга аварийных событий.

Бифуркационная модель возникновения аварийного события вследствие коррозионного поражения материала трубопровода в системе «вода-стенка трубы» позволила исследовать на качественном уровне механизм динамики аварийных событий, факторы, определяющие характер движения, обосновать закономерности развития аварийных процессов, полученные ранее статистическими методами.

На основании исследований разработаны структура и алгоритм решения задач прогноза аварий в подсистеме мониторинга автоматизированной системы контроля и диспетчеризации функционирования трубопроводного транспорта автоматизированной системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск), что подтверждает практическую направленность и значимость исследования в создаваемых автоматизированных системах и в учебном процессе.

Вместе с тем, опыт внедрения разработанных моделей и подсистем даже в достаточно отработанную) выявил многие организационные, технические, экономические проблемы, снижающие эффективность разработанного подхода. Эти проблемы связаны, прежде всего, со сложностью сбора, и ввода информации о состоянии объекта мониторинга. К апрелю 2008 года в базу данных подсистемы мониторинга «Дежурный генеральный план Академгородка» необходимо было внести сведения о 1864 фрагментах труб, однако были внесены реквизиты 344 фрагмента, т.е. менее 15% данных. Ввод данных о других фрагментах затруднен отсутствием необходимых сведений и экономических ресурсов для обследования транспорта и теплопотребителей, поиска, восстановления документации, её оцифровки и ввода. В силу экономических причин оснащено контрольно измерительной аппаратурой с дистанционной передачей цифровых данных примерно половина узлов ввода тепла потребителям, в том числе 201 фрагмент из 344 полностью внесенных базу данных подсистемы мониторинга. Поэтому к настоящему времени можно говорить об экспериментальной проверке найденных решений, но не полномасштабной реализации разработанной системы.

Публикации по теме диссертации

Работы, опубликованные автором в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Бебешев, К.А. Моделирование динамики развития процессов коррозии трубопроводов / К.А. Бебешев, A.B. Врагов, Е.В. Врагова // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Информационные технологии. -2009. - Т. 7, вып. 3. -С. 23-39.

2. Бебешев, К.А. К формированию базы данных транспортной системы заданной ориентированным графом / К.А. Бебешев, Г.Г. Скулкин // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Информационные технологии. - 2009. - Т. 7, вып. 1. - С. 52-56.

3. Бебешев, К.А. Обоснование выбора размещения территориально-ограниченного бизнеса как задача информационных технологий / Г.Г. Скулкин, Ю.И. Титаренко, К.А. Бебешев, A.B. Врагов // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Информационные технологии. - 2008. - Т. 6, вып. 1.-С. 65-73.

Другие работы, опубликованные автором по теме диссертации:

4. Бебешев, К.А. Повышение эффективности бизнеса услуг методом формирования пространства возможностей / К.А. Бебешев, С.Ю. Лисовец., Г.Г. Скул-

кин // Информационные технологии в социально значимых отраслях экономики : межвузовский сборник научных трудов / часть 2: Информационные технологии в исследовании сложных систем. - Новосибирск : Сиб. универ. изд-во, 2007. - С. 34-44.

5. Бебешев, К.А. Проблемы реализации личностных целей городского населения / К.А. Бебешев // Информационные технологии в социально значимых отраслях экономики : межвузовский сборник научных трудов / часть 2: Информационные технологии в исследовании сложных систем. - Новосибирск : Сиб. универ. изд-во, 2007. - С. 49-55.

6. Бебешев, К.А. Формализация изустной информации в диалоге предпринимателя и инженера по знаниям / К.А. Бебешев, Г.Г. Скулкин // Информационные технологии в социально значимых отраслях экономики : межвузовский сборник научных трудов / часть 2: Информационные технологии в исследовании сложных систем. - Новосибирск : Сиб. универ. изд-во, 2007. - С. 55-61.

7. Бебешев, К.А. Геоинформационные системы в оперативном управлении транспортом в городском массиве [текст] / К.А. Бебешев, В.А. Вигуль // Информационные технологии в социально значимых отраслях экономики: межвузовский сборник научных трудов / часть 2: Информационные технологии в исследовании сложных систем. - Новосибирск : Сиб. универ. изд-во, 2007.- С. 89-97.

8. Бебешев, К.А. О возможности оптимизации размещения территориально ограниченного сервиса услуг / Г.Г. Скулкин, К.А. Бебешев., Ю.И. Титаренко // МАК-2008 : материалы одиннадцатой региональной конференции по математике.

- Барнаул : Изд-во Алт. ун-та, 2008. - С. 117-119.

9 Бебешев, К.А. Теория катастроф при моделировании аварий коммунального трубопроводного транспорта / К.А. Бебешев, Ю.И. Титаренко // Региональные проблемы управления природопользованием : доклады региональной конференции (Тюмень, 24-25 ноября 2008 г.), Тюменский нефтегазовый гос. университет.

- Тюмень : Изд-во ТНГУ, 2008. - 12 с.

10. Бебешев, К.А. Модель транспортной системы теплоснабжения жилмассива / К.А. Бебешев, A.B. Врагов., С.Ю. Лисовец // Региональные проблемы управления природопользованием : доклады региональной конференции (Тюмень, 2425 ноября 2008 г.), Тюменский нефтегазовый гос. университет. - Тюмень : Изд-во ТНГУ, 2008. 7 с.

11. Бебешев, К.А.Соотношение понятий «техногенная авария» и «риск» функционирования трубопроводного транспорта ЖКХ / К.А. Бебешев, С.Ю. Лисовец // Региональные проблемы управления природопользованием : доклады региональной конференции (Тюмень, 24-25 ноября 2008 г.), Тюменский нефтегазовый гос. университет. - Тюмень : Изд-во ТНГУ, 2008. - 5с.

12. Бебешев, К.А. Обобщенная модель транспортной системы теплоснабжения жилмассива / К.А. Бебешев, A.B. Врагов / препринт №11/06. - Новосибирск : Изд-во Новосибирского филиала ГАСИС, 2006. - 10 с.

Подписано к печати 18 января 2010г. Тираж 100 экз. Заказ № 012. Отпечатано "Документ-Сервис", 630090, Новосибирск, Институтская 4/1, тел. 335-66-00

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Бебешев, Константин Анатольевич

Введение.

Глава 1 Безаварийное теплообеспечение населения как актуальная социально-экономическая и техническая задача.

1.1 Проблемы повышения эффективности и надежности теплосетей на современном этапе развития коммунального хозяйства.

1.2 Особенности эксплуатации тепловых сетей в Советском районе г. Новосибирска (Академгородка СОР АН).

Глава 2 Модели аварийных ситуаций и мониторинга работоспособности трубопроводного транспорта.

2.1 Проблемы описания аварий трубопроводного транспорта как риска неблагоприятных ситуаций.

2.2 Методы принятия управленческих решений по предотвращению аварийных событий на трубопроводном транспорте.

2.3 Обобщенная модель транспортной системы теплоснабжения жилмассива.

Глава 3 Система мониторинга аварийных ситуаций трубопроводного транспорта.

3.1 Моделирование динамики развития процессов коррозии трубопроводов как основного фактора, приводящего к аварии.

3.2 Основные подходы и результаты реализации автоматизированного мониторинга аварийного состояния трубопровода.

Введение 2010 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Бебешев, Константин Анатольевич

Столь масштабная трубопроводная структура ЖКХ объясняется тем, что практически вся страна находится в климатической зоне с преобладанием низких температур достаточно длительный период. Например, в Новосибирской области, средняя расчетная температура наружного воздуха в зимнее время принимается на уровне - 41°С, а максимальная продолжительность отопительного сезона составляет 272 дня. Температурный режим функционирования теплосети установлен на уровне 150/70°С, со срезкой на 125°С. Около четверти магистралей являются теплонапряженными, практически весь зимний период там держится 13 8° С и давление \А-\5кгс/ 2 • В остальной части сохраняются см средние показатели: 107°С,\\кгс/ 2. Средний уровень потерь в теплосети со/ см ставляет около 10% с колебаниями от 14% до 8,6%. При общем удовлетворительном состоянии тепловых сетей около 44,6% трубопроводов служат более 20 лет и являются потенциально опасными. По данным Счетной палаты Российской Федерации в 2007 году: «Тепловые потери в трубопроводах магистральных тепловых сетей составляют около 10-11 произведенной энергии, а суммарные потери с учетом распределительных сетей - до 30%. На каждые 100 км. теплопроводов ежегодно регистрируется более 70 повреждений. Повреждаемость тепловых сетей постоянно растет и составляет в среднем 2,5-3 шт. на каждый километр трассы в год, что на порядок превышает аналогичные показатели стран Западной Европы». В 2004 году в г. Новосибирске было выявлено 423 повреждения, в 2005 году - 415, а в 2006 году - 469 повреждений. В 2007 году на ряде участков испытательное давление было снижено с 20 до 16 2, что привело к снижению числа повреждений до 280 шт./год. Недостаток ресурсов пытаются компенсировать «щадящими» режимами функционирования, что приводит к естественному «недотопу» значительной части жилищ.

Усиление внимания государства к развитию социальных функций в условиях децентрализованной рыночной экономики актуализирует проблему бесперебойного теплообеспечения населения страны в условиях существенного физического износа трубопроводного транспорта. Вместе с тем, эффективное решение этой социально-экономической и технической задачи оказалось затруднено в силу следующих обстоятельств:

2) в условиях рыночной экономики эксплуатация и развитие трубопроводных систем ЖКХ была передана в частные структуры, а их содержание в большей мере возложено на жителей муниципальных образований. Во время организационной перестройки управления транспортными системами ЖКХ была утрачена часть проектной документации, снизился объем ресурсов направляемых на сопровождение системы;

4) выборочное обследование потребителей показало, что отсутствуют достоверные данные о тепловых нагрузках. Для большинства объектов теплообеспечения, энергопаспортизация не проводилась вообще. В такой ситуации достаточно сложно составить энергобаланс системы, следовательно, контролировать и регулировать расход энергоресурсов. При этом в силу развития строительства новых объектов нарастает дефицит пропускной способности теплома-гистралей, связанный с инженерным обеспечением перспективных территорий.

5) образовавшиеся частные предприятия, эксплуатирующие трубопроводный транспорт малочисленны, малоресурсны, не имеют возможности содержать высоко квалифицированных специалистов и решать задачи комплексного управления надежностью трубопроводов в автоматизированном режиме. Постановки задач прогноза аварийных ситуаций на трубопроводном транспорте ЖКХ не осуществлялись и в литературе практически отсутствуют сведения об их решении.

На этом фоне возрастает актуальность и важность задач по эффективной эксплуатации существующих магистралей трубопроводного транспорта, сохранению уровня их надежности в условиях ограниченных ресурсов. Очевидно, что выполнение этих задач обеспечивается взаимоувязанным решением организационных и технических (технологических) проблем управления системами транспорта и распределения теплоносителя (СТРТ), к которым отнесем автоматизированный мониторинг состояния трубопроводной системы на основе прогноза аварийного состояния фрагментов трубопроводного транспорта, как наиболее значимых факторов устойчивого теплоснабжения. Однако, до настоящего времени нет достаточно аргументированных и научно обоснованных методов прогноза аварийных событий для объектов типа трубопроводный транспорт и, следовательно, нет рациональных методов принятия решений по их предотвращению. Известные нам методики в основном базируются на моделях оценки «риска аварии», возможно эффективных в управлении ликвидацией чрезвычайных ситуаций, управлении финансовой деятельностью и других направлений экономики, но мало полезных в системах мониторинга трубопроводного транспорта, которые, прежде всего, являются техническими системами. Исследование этих проблем и разработка моделей автоматизированного мониторинга состояния трубопроводной сети ЖКХ и отражены в настоящей работе.

Актуальность настоящего исследования подтверждает и то обстоятельство, что в конце XX века в Советском районе г. Новосибирска была внедрена «автоматизированная графическая системы «Дежурный генеральный план Академгородка»», осуществляющая контроль и диспетчеризацию распределения теплоносителя потребителям. Решение задач мониторинга аварийных событий трубопроводного транспорта - есть логическое продолжение этого проекта направленное на повышение эффективности функционирования инженерных транспортных потоков, как в части снижения аварийности, так и в части выбора и реализации планов оптимального теплоснабжения.

Степень изученности проблемы. В силу широкого использования СТРТ в стране и практически одинаковых условий эксплуатации проблема обеспечения безопасности и эффективного функционирования трубопроводного транспорта ЖКХ поднимается, прежде всего, в прикладном и, соответственно, теоретическом плане. Однако в силу сложившихся к настоящему времени условий эксплуатации СТРТ ЖКХ работы по постановке и реализации задач методологического обоснования оперативного прогнозирования, планирования и осуществления мероприятий по предотвращению аварий ведутся в ограниченном объеме. Об этом свидетельствуют труды Ю.С. Гайстера, С.А. Михайлова, A.C. Некрасова, В.Г. Семенова, К. Ф. Ридера, B.C. Ромейко, В.И. Шарипова. Вопросы коммунальной энергетики рассмотрены в трудах A.A. Ахтырского, А. Бло-хина, М.Б. Иванова, А. С. Чистовича, С.С. Мазанова. Общее положение дел в целом по отрасли охарактеризовал академик В.Е. Накоряков, который констатировал, что «отечественная энергетика стала быстро терять свои преимущества. Не пошли ей на пользу ни начатая в 1992-1993 гг. децентрализация, ни акционирование вкупе с приватизацией». Эти проблемы и возможные пути выхода из кризиса теплообеспечения населения подробно обсуждались на международной конференции, состоявшейся 11-13 марта 2008 года, «Тепловые сети. Современные практические решения»1, в которой приняло участие около 250

1 Организатор конференции некоммерческое партнерство «Российское теплоснабжение» специалистов из 65 регионов России и ближнего зарубежья. В тоже время имеется достаточный объем публикаций, отражающих решение аналогичных проблем в технологических процессах транспорта нефти и газа, обеспечения надежности функционирования химических аппаратов (В.Н. Бабенко, П.Г Белов, Б.Г Волик, Ф.Э. Гербек, А.И Гражданкин, Э.М. Гутман, Ц.И. Залкинд, P.C. Зайнуллин, В.И. Измалков, P.C. Кузнецов, Я.М. Колотыркин, А.Е. Кузьмак, A.B. Кожеуров, Р.Г. Маннапов, В. Маршалл, С.И. Орлов, В.И Позняк, В.П. Чи-пулис, Л.И. Фрейман). Очевидно, что предложенные в этой литературе решения могут быть использованы и в исследуемой проблеме.

Определенную методологическую ценность имеют работы посвященные описанию аварий трубопроводного транспорта как рисков управленческого персонала. Среди этих работ выделим труды А.Б. Логова, Р. Крумгольца, которая побудила нас подробно исследовать возможность представления аварий СТРТ с рисковых позиций. С другой стороны молено сослаться на мнение Цветкова В.А., утверждающего, что к настоящему времени не существует разработанной теории риска промышленных аварий, равно как и риска других неблагоприятных явлений. Наконец, отметим работы М.М. Андрияшева, И.Е. Идельчика, А.П. Зегжды, И.С. Квасова, В.Г. Лобачев, Л.Ф. Мошнин, М.А. Сомова, М.Я. Панова, Ф.А. Шевелева, В.Я. Хасилева, В.И. Щербакова разработавших модели потокораспределения и методы расчета водопроводных сетей с учетом влияния гидравлических сопротивлений и утечек транспортируемого агента. Особый интерес для развития целей настоящей работы представляют труды A.C. Алексеева, И.И. Гейци, В.Д. Набивича, В.П. Пяткина, С.Я. Панасю-ка, посвященные разработке и реализации автоматизированных систем контроля и диспетчеризации трубопроводного транспорта Академгородка (г. Новосибирск).

Сформулированная цель достигается выполнением следующих задач:

5. Реализация системы мониторинга аварии в составе автоматизированной информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск).

Объект исследования — системы мониторинга трубопроводного транспорта водо и теплоснабжения ЖКХ.

Методология работы. Выполнение задач диссертационного исследования осуществлялось на основе комплексного использования методов системного анализа, моделирования и конструирования элементов технологии мониторинга состояния СТРТ, экспериментальной отработки и анализа полученных результатов. При построении моделей потокораспределений применены модели на основе графов, анализ моделей достижения аварийных событий осуществлен с использованием теории катастроф.' Научная новизна

Автор выносит на защиту следующие положения:

1. Техногенные события типа «аварии трубопроводного транспорта» есть следствие естественного старения (деградации) технологического объекта (аппаратуры), которое при надлежащем использовании проектно — конструкторской документации и оперативного контроля технологических параметров функционирования могут быть достаточно надежно предсказаны в отличие от «рисковых» решений, проявляющихся как рефлексия ЛПР в условиях недостатка информации в момент принятия управленческого решения.

2. Графовая модель потоко (тепло) распределения позволяет описать трубопроводную инфраструктуру ЖКХ с любой степенью детализации, что создает предпосылки для анализа влияния технологических факторов на режимы транспорта теплоносителя и условия идентификации фрагментов трубопроводной сети с существенно отклоняющимися режимами функционирования, что в свою очередь обеспечивает первичный мониторинг системы (мониторинг на уровне фрагмента сети).

3. Процессы возникновения аварийных событий вследствие коррозий в системе «теплоноситель — стенка трубы» (ТСТ) являются нелинейными и могут быть объяснены на основе теории катастроф. Стремление ТСТ к аварийному состоянию описываются бифуркационными траекториями, что позволяет обосновать принципы мониторинга на уровне коррозийных процессов.

Практическая значимость. Уточнены понятия «риск», «управление риском» техногенной аварии, разработана структура автоматизированной системы мониторинга трубопроводного транспорта ЖКХ на основе моделей теп-лораспределения и бифуркационного движения системы «теплоноситель -стенка» трубы к зоне повышенной опасности и событию аварии. Модели динамики СТС, описывающие процесс перехода системы по четырем выделенным областям функционирования: «норма», «среднее», «предаварийное», «авария» упрощают алгоритмы мониторинга, повышают достоверность прогноза и, следовательно, уточняют выбор наиболее опасных фрагментов трубы в смысле прорыва её стенки. Алгоритмы и структура подсистемы мониторинга аварийных событий СТС использованы для развития аналогичных автоматизированных систем диспетчеризации трубопроводного транспорта. Разработанные модели и теоретические положения могут быть использованы в учебном процессе в системах высшего и среднетехнического профессионального образования, а также для повышения квалификации специалистов ЖКХ, обслуживающих трубопроводный транспорт.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается корректной постановкой задачи прогнозирования техногенной аварии с использованием моделей теории катастроф, многочисленных экспериментальных данных полученных в процессах анализа надежности оборудования химической, нефтехимической промышленности, транспорта нефти и газа.

Реализация работы. Результаты использованы при выполнении договора НИР № 37 от 12.10. 2005 г. выполняемым Новосибирским филиалом Государственной академии профессиональной переподготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы для ФГУП Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова. Методика оценивания рисков принята и утверждена.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Заключение диссертация на тему "Прогноз аварийных событий трубопроводного транспорта ЖКХ в системе автоматизированного мониторинга Академгородка г. Новосибирска"

ты и выводы иллюстрируются простыми геометрическими образами . При построении модели прогноза катастроф на трубопроводном транспорте будем использовать также работы Арнольда В.И., Аршинова В.И. , Буданова В.Г., Кур-дюмова С.П., Малинецкого Г.Г., Пригожина И., Стенгерс И. и др. [6, 37, 52, 70, 93].

57 Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса.- М.: Эдиториал УРСС, 2000. - 310 с.

58 Чуличков А. И. Теория катастроф и развитие мира // Новый Акрополь. - 2001. - С 34-52. www.nkj.ru/archive/articles/6068/

Представим процесс достижения АС для элементарного участка трубопровода рисунком 3.4. Процесс достижения устойчивого состояния (события А), называемого «узел»59 [6, с. 17] осуществляется из практически лю-Рисунок 3.4 - Фазовый портрет в окрестно- бого состояния системы «стенка - тести события «А» плоноситель» (СТС).

При этом, как мы выяснили выше, множество состояний СТС, каждое из которых в свою очередь является бифуркационными. Это свойство следует из модели Э. Лоренца60, согласно которой процесс из некоторой точки 8 может продолжаться по различным направлениям, определяемым моментным состоянием активной среды. Переход процесса в некоторое другое состояние неизбежно изменяет среду, что вызывает очередную бифуркацию и т.д. Другими словами в сплошных средах изменение одних структур изменяет окружающую среду (элементы сами являются частью среды), поэтому бифуркации представляют собой совместный процесс трансформации объекта вместе с окружением. Следовательно, развитие коррозионных процессов можно представить, как последовательность изменения состояния трубы и теплоносителя между моментами бифуркаций этой системы (см. рисунок 3.5), усредненную на достаточно длительном временном интервале наблюдения. Поэтому траектория движения СВС к аварийному событию можно представить некоторой кривой, как это показано на рисунке 3.4. Исследуем с помощью этих моделей возможность прогноза некоторой будущей ситуации. Пусть известно состояние СТС в координате Я(Р), где Р - вектор параметров, определяющий координату события (см. рисунок 3.6).

59 Арнольд В.И. Теория катастроф. - М.: Наука, 1998. - 128 с.

Малинецкий Г.Г., Курдюмов С.П. Нелинейная динамика и проблемы прогноза // Вестник Российской академии наук. Том 71. — 2001. — № 3. - С. 210-232.

Хж

Эр

0.4

0.6

0.8

0.2С

Рисунок 3.6 - Соотношение прогнозных оценок и фактического развития событий СТС. - прогнозное и фактическое

12 3 4

Рисунок 3.5 - Формирование траектории развитие событий, Р/ - фактическая траек-развития бифуркационного процесса (ил- тория стс? с18 погрешность (рИСк) про. люстрация взята из работы В.И. Арнольда гпта

Как следует из рисунка, различие между прогнозом события и фактическим его проявлением определяется: во-первых, координатами исходного события, т.е. набором параметров, его определяющих, во-вторых, в силу бифуркаций траектория достижения фактического состояния СТС в следующий момент его идентификации будет отличаться на некоторую, может быть, весьма значительную (или незначительную) величину, которая свидетельствует о точности прогнозной методики и горизонте прогноза.

Однако величина расхождения между точным и фактическим состоянием СТС определяется не только методом прогноза, а, прежде всего, изменениями в системе СТС, которые как показано Г.Г. Малинецким и С.П. Курдюмовым «две близкие в начале процесса траектории расходятся. Скорость расходимости определяется так называемым ляпуновским показателем, и от этой величины зависит интервал времени, на который может быть дан прогноз. Можно сказать, что для каждой системы есть свой горизонт прогноза62». Из данного утвержде

61 Арнольд В.И. Теория катастроф. - М.: Наука, 1998. - 128 с.

62 Малинецкий Г.Г., Курдюмом С.П. Нелинейная динамика и проблемы прогноза // Вестник российской академии наук. Том 71. - 2001. -№3. - С. 210-232.

Малинецкий Г.Г. Хаос. Структуры. Вычислительный эксперимент. Введение в нелинейную динамику. — М.: Эдиториал УРСС, 2000.

Теория катастроф»

61 ния может быть сделан важный вывод: для повышения точности оценки координат состояния СВС необходимо искусственно уменьшить горизонт прогноза.

3-4 О:-!-^)

Рисунок 3.7 - Прогноз как последовательность событий

Это требование может быть реализовано разбиением бифуркационной траектории на несколько последовательных участков (стадий), которые для определенности назовем:

- нормальное состояние СТС в момент времени 1 + (далее на схемах — норма). Для этой стадии выполняется условие Х\ (t + tJ)>X1 , где / — начало бифуркационной траектории; tJ — длительность интервала «нормального состояния» от начала процесса до момента перехода системы в удовлетворительное состояние; Х\{1 + - фактическое состояние трубопроводного транспорта, выраженное через вектор характеристик непосредственно конкретной трубы и среды, определяющей её функционирование; Xх — вектор физических характеристик нормативного состояния трубопроводного транспорта.

- удовлетворительное (далее на схемах — среднее):

Х2<Х2^ + 1к)<Х1 , здесь Хг^ч-^) - фактическое состояние трубопроводного транспорта, выраженное через вектор характеристик непосредственно конкретной трубы и среды, определяющей её функционирование; ^ - длительность интервала «удовлетворительного состояния» от начала процесса до момента перехода системы в критическое состояние; X2 - вектор физических характеристик критического состояния трубопроводного транспорта.

3 - критическое (предаварийное) X3 < Хъ{1 + < X2 , здесь Хз(/ + ?„) фактическое состояние трубопроводного транспорта, выраженное через вектор характеристик непосредственно конкретной трубы и среды, определяющей её функционирование; - длительность интервала «критического состояния» от начала процесса до момента перехода системы в аварийное состояние; Хъ — вектор физических характеристик критического состояния трубопроводного транспорта.

4 - авария Х4(/ + ?у)<Х4 , здесь Х4(/ + /у) - фактическое состояние трубопроводного транспорта, выраженное через вектор характеристик непосредственно конкретной трубы и среды, определяющей её функционирование или в результате экспертного оценивания, например, по выражению (3.2); — момент проявления аварийного состояния системы; X4 - вектор физических характеристик аварийного состояния трубопроводного транспорта.

Исходя из рисунков 3.6, 3.7 определим прогноз аварийного события как оценку длительности интервалов до момента tj■ проявления события «авария», т.е. каждый прогноз будет определяться как сумма интервалов нахождения СТС в трех предыдущих стадиях процесса. Однако, проблема состоит в том, что в силу модели Э. Лоренца бифуркационные траектории происходящих в СТС процессов динамично изменяются, следовательно состояния каждый момент времени не могут быть установлены однозначно, можно лишь говорить о некоторой вероятности аварийного события как обобщения прогнозов поведения СТС за некоторый период мониторинга СТРТ. Для оценки обобщенной вероятности проявления определенных выше событий и предназначена предлагаемая модель (рисунок 3.8).

Введем в модель состояния СТС (см. рисунок 3.8) превентивные управленческие воздействия, определяющие текущий (10), профилактический (8) ремонт и эксплуатационное обслуживание (9), а также ремонт капитальный различной степени сложности (5, 6, 7). Будем считать, что в зависимости от качества и объема ремонтных работ СТС переходит в состояния или £2, как это показано на рисунке 3.9: пусть СТС в период ¿1,^2 перешла в £;(72)для которого назначен некоторый ремонт ^(2)в соответствии с рисунком 3.8.

Рисунок 3.8 — Модель функционирования СТС в соответствии с бифуркационной траекторией, показанной на рисунке 3.7

В результате превентивных управленческих воздействий (ремонтов различного уровня) СТС переходит в состояние из которого в дальнейшем возобновляет траекторию достижения аварийной ситуации. ремонта

Аналогичным образом изменяются координаты события 5 (*„)> определяющие каждый раз начало новой траектории движения СТС к аварийной ситуации, если событие SJ(tn) является следствием изменения режимов транспорта теплоносителя и соответственно условий, вызывающих ржавление стенки трубы. Наиболее типичными примерами изменения режима можно назвать гидравлические испытания трубопровода, летнюю подачу теплоносителя, режимы заполнения трубопровода теплоносителем и т.д. Заметим также, что прекращенис или изменение любого из названных выше режимов приводит к формированию нового события

Кроме того, при анализе механизма коррозионной деградации труб (раздел 3.1 настоящей работы) было установлено, что питтинговая коррозия стенки трубы происходит и с внешней её поверхности (под теплоизоляцией). Описанная выше бифуркационная модель аварийного события для системы «стенка -внешняя среда» (СВС) будет подобна описанной и отличается лишь интенсивностью процессов коррозии и местом её возникновения (здесь в отличие от равномерной коррозии, происходящей в системе СТС «внутри трубы» наиболее вероятна очаговая коррозия). И в этом случае необходимо констатировать, что современные, доступные службам ЖКХ, технические средства непрерывного выявления аварии отсутствуют, что затрудняет применение описываемой задачи мониторинга в этом приложении.

Таким образом, разработанная модель множественных преобразований бифуркационных траекторий состояний СТС объясняет отсутствие реальной возможности точного прогноза аварии на длительном временном интервале функционирования СТС, а также необходимость изменения концепции «прямого прогноза события» на модель оценки принадлежности события некоторому выделенному ранее участку траектории согласно рисунку 3.8. При этом становится очевидным, что назначение последовательных стадий движения СТС к аварийной ситуации может быть различным, а их число, соответственно, сколь угодно большим. Проблема состоит в оперативной идентификации стадии в момент г, например, средствами автоматизированного мониторинга состояния трубопровода. Вторая проблема заключается в необходимости принятия управленческого решения на каждой идентифицированной стадии функционирования трубопроводной системы. Так как количество и содержание управленческих сценариев по предотвращению аварий ограничено и невелико63, то и число идентифицируемых стадий увеличивать не целесообразно.

63 Возможными вариантами управления предотвращающего аварии могут быть:

На стадии «норма» регулирование и оптимизация режимов распределения тепла потребителям.

Возвращаясь к описанию модели, представленной рисунком 3.8, рассмотрим смысл обозначений переходов между определенными выше событиями. В общем случае запись IJI означает: / — интенсивность перехода из состояния J в состояние /(например, /12 означает интенсивность перехода из состояния «1» в состояние «2») и рассчитывается как отношение событий перехода ко времени наблюдения. Однако выше было указано на некорректность использования статистических данных, относящихся к различным условиям их генерации. С другой стороны в силу приведенных выше особенностей бифуркационного описания траектории достижения аварийной ситуации в модели не могут быть учтены вероятностные характеристики того или иного события или его принадлежности к зафиксированной стадии процесса. Поэтому исследование построенной модели не может быть осуществлено на основе теории массового обслуживания, либо марковских процессов.

Построим алгебру случайных событий описывающих наступление аварийной ситуации. Пусть участок трубопровода состоит из элементарных участков, на каждом из которых возможно наступление аварийной ситуации с некоторой вероятностью. То есть элементарным событием является наступление аварийной ситуации на элементарном участке wl, а его вероятность pt — P(wl). Можно считать, что возникновение аварийной ситуации на любых двух элементарных участках являются независимыми событиями. А событие, заключающееся в наступлении аварийной ситуации на протяженном участке трубопровода, будет являться объединением соответствующих элементарных собыN тий W = [Jw(., так как возникновение аварийной ситуации на хотя бы одном j=i участке трубопровода, означает возникновение аварийной ситуации на всем трубопроводе. Тогда вероятность этого сложного события можно рассчитать следующим образом:

На стадии «среднее» снижение технологических параметров в трубопроводном фрагменте. На стадии «иредаварийное» замена части трубопровода, оборудования либо подготовка байпаса При событии «авария» капитальный ремонт фрагмента сети.

1) вероятность нормальной (неаварийной) работы элементарного участка равна: = (3.3)

2) событие IV, заключающееся в нормальной (безаварийной) работе протяженного участка трубопровода, является произведением (пересечением) независимых событий, заключающихся в нормальной работе элементарных участков - 1= ;

3) в соответствии с утверждениями (1) и (2) вероятность нормальной работы протяженного участка равна:

Р(¥)=ГРЙ>=П(1 - Рд; (3.4)

1 /=1

4) следовательно, вероятность возникновения аварийной ситуации на протяженном участке равна: рт = \-ру¥) = 1-1[р{. (3.5)

1=1

Особенностью описанного подхода к идентификации события «авария» является «масштабируемость» результата, в том плане, что понятиям «элементарный участок» и «протяженный участок» можно придавать различный физический смысл. Например, отрезок трубы как отдельное изделие можно считать протяженным участком, состоящим из последовательно расположенных кольцевых сегментов - элементарных участков. Или считать отрезок трубы - элементарным участком, а ветку трубопровода, состоящую из таких отрезков -протяженным участком. И даже принять за элементарный участок целую ветку трубопровода, а за протяженный несколько таких веток последовательно соединенных. Для всех этих примеров из формул приведенных выше следует, что с увеличением числа элементарных участков (на каждом из них не нулевая вероятность возникновения аварии), из которых состоит протяженный участок трубопровода, вероятность аварии трубопровода в целом возрастает. Аналогично, если рассматривать отдельную трубу, как состоящую из набора последовательно соединенных кольцевых сегментов, вероятность аварии на длинной трубе выше, чем на короткой, при прочих совпадающих условиях. Прологарифмировав (3.4) можно получить выражение:

ЬР(Ж) = |>Р(<), (3.6) 1 в соответствии с которым можно утверждать, что логарифм вероятности нормальной работы трубопровода, состоящего из последовательно расположенных участков (труб) функция аддитивная по отношению к соответствующей характеристике своих составных частей. Поскольку вероятность безотказной работы

Р(м>.) < 1, то логарифм этой величины 1пР(и>.)< Ои добавление к трубопроводу еще одного участка уменьшает соответствующую характеристику и, тем самым, уменьшает вероятность безотказной работы трубопровода в целом.

Аналогичные рассуждения можно провести для отдельной трубы, рассматривая ее как систему, состоящую из последовательно расположенных кольцевых сегментов. Результатом будет вывод о том, что вероятность безотказной эксплуатации трубы будет тем ниже, чем больше длина трубы, т.е. чем из большего числа элементарных кольцевых сегментов она состоит. При неограниченном росте числа сегментов (длины трубы) вероятность безотказной эксплуатации имеет вид, показанный на рисунке 3.10. р ы-ЩШЩ

НИВШШпНИ

ЮЕВШ

ШвШШш нннр

--- ■ ииииира . . -

Рисунок 3.10 — Зависимость вероятности безотказной работы от числа сегментов трубопровода (длины трубы)

2. Рассмотрим, чем определяется вероятность наступления аварийного события на элементарном участке трубопровода. В соответствии со сказанным выше, будем принимать во внимание два фактора:

1) процессы «естественного» ухудшения состояния трубы в процессе эксплуатации, зависящие от времени, химического состава теплоагента, качества трубы и т.д.;

2) нагрузки, зависящие от режима эксплуатации.

Влияние первого фактора, точнее совокупности большого числа разнообразных факторов, описать крайне сложно. Очевидно одно - в промежутках между ре-монтно-восстановительными работами функция у = /(0> описывающая зависимость «качества», «состояния», «способности противостоять нагрузкам» от времени, является невозрастающей. Следует даже предположить, что она убывает и, более того, способность противостоять нагрузкам в силу расширения зоны коррозии, изменения состава и механических свойств материала снижается с достаточно большим ускорением64. То есть ее и первая и вторая производ

1 с12 ные отрицательны: — < 0, —< 0. График функции имеет при этом характерам Л ный вид представленный рисунком 3.11.

Рисунок 3.11 - Зависимость изменения состояния стенки трубы от времени

Этот факт подтверждается результатами имитационного моделирования и натурного эксперимента, выполненного на предприятиях ЦНИИчермет им. И.П.Бардина, НИФХИ им. Л.Я.Карпова, ОАО «Северсталь» Родионова И.Г., Бакланова О.Н., Липовских В.М. О коррозии теплотрасс http://www.td-trubotorg.ru/analvtics/qualitv.htm

С другой стороны, аварийная ситуация возникает при определенном соотношении «состояния трубы» и действующей на нее нагрузки. А именно когда нагрузка Р превышает некоторое пороговое значение, зависящее от состояния = g(y), т.е. факт наличия аварии65 определяется условием:

ГО ,P<z

А = \' . (3.6) l,P>z

Ранее это условие было записано в субъективной интерпретации (3.2), которое, кстати, используется при обработке устной информации жителей о замеченных ими случаях аварии.

Эти зависимости, а также способ расчета вероятностей использован при моделировании и прогнозе поведения системы трубопроводов тепловых сетей. Для уточнения вида и параметров рассмотренных зависимостей можно воспользоваться результатами наблюдений за поведением трубопроводов в режиме штатной эксплуатации и при проведении испытаний ТС при допущении о достаточно длительных временных интервалах сохранения полученных экспериментальных данных. Ранее нами со ссылкой на работы И.Г. Овчинникова, Х.А. Сабитова66 отмечалось, что для описания динамики коррозийных процессов применяют линейные, показательные, логарифмические и экспоненциальные модели (раздел 3.1 настоящей работы). В частности показательные модели рекомендуется применять при описании многих видов коррозии поверхностей металлов (как сплошной, так и локальной), а также при коррозии под напряже

67 нием и изнашивании . Воспользовавшись этими рекомендациями функцию y = f(t) в первом приближении будем считать показательной, т.е. предполагать, что она имеет вид у = \ — ка! для t > 0, где к > 0 и а > 1. Параметры этой

65 См. условие 3.1 в настоящей работе.

66 Овчинников И.Г., Сабитов Х.А. Моделирование и прогнозирование коррозионных процессов. - Деп. ВИНИТИ, 1982, № 1342 - 82.

67 ГОСТ 27.302-86. Надежность в технике. Методы определения допускаемого отклонения параметра технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса составных частей агрегатов машин. - М. : Издательство стандартов, 1987. функции можно принять воспользовавшись рекомендациями И.Г. Овчинникова, Х.А. Сабитова и в последующем уточнить по статистическим экспериментальным данным, полученным в процессе мониторинга системы.

Момент времени, когда значение функции становится равным нулю, соответствует состоянию элементарного участка трубопровода, при котором он разрушается без внешних воздействий с вероятностью равной единице. И это состояние достоверно наступит с течением времени без проведения ремонтно-профилактических работ. В соответствии со сказанным выше, разобьем шкалу состояний элементарного участка на несколько интервалов, вообще говоря, нечетких: нормальное состояние, удовлетворительное, критическое, аварийное. Тогда жизненный цикл элементарного участка трубопровода, соответствующий бифуркационной траектории, можно представить в следующем виде (рисунок 3.12):

Раварии

Рисунок 3.12 - Жизненный цикл фрагмента трубы с постепенной деградацией

В таком виде тепловая сеть представляет собой систему с постепенной деградацией, причем локализация нарушений ведущих к деградации и их последствий случайна. Однако для целей прогноза возможности перехода события из одной состояния в другое, необходимо оценить длительности интервалов, (стадий) в которых состояния СВС не изменят область своего функционирования (см. рисунок 3.9). На основании рисунка 3.12 и описанных выше вероятностных соотношений, построим имитационную модель динамики СВС по выделенным стадиям. Начальные условия для имитационного эксперимента заданы таблицей 3.1.

Заключение

В настоящем исследовании осуществлен анализ возможности прогнозирования аварийных ситуаций, происходящих во время эксплуатации трубопроводного транспорта коммунальных предприятий ЖКХ. Обоснована крайняя актуальность проблемы при условии децентрализации обслуживания трубопроводных магистралей, усиленного внимания государства к развитию социальных функций в децентрализованной рыночной экономике, при существенном физическом износе трубопроводного транспорта и недостатка средств для комплексного предупредительного ремонта например, по этой причине в г. Новосибирске заменяется в год менее 2.5% трубопроводов. Трубопроводный транспорт эксплуатируется в условиях отсутствия достоверной информации о необходимых тепловых нагрузках объектов теплообеспечения, энергопаспортизация которых не производилась вообще, что не позволяет контролировать и регулировать расход энергоресурсов, повышает режимные параметры сети и их перегрузку.

Сформулирована задача оценки уровня надежности и обеспечения функциональной надежности трубопроводного транспорта в условиях ограниченных ресурсов, решение которых обеспечивается комплексом организационных и технологических проблем управления СТРТ, в том числе развитием систем автоматизированного мониторинга состояния трубопроводной системы и прогноза аварийного состояния фрагментов трубопроводного транспорта, как наиболее значимых факторов устойчивого теплоснабжения. Показано, что до настоящего времени нет достаточно аргументированных и научно обоснованных методов прогноза аварийных событий для объектов типа трубопроводный транспорт и, следовательно, нет рациональных методов принятия решений по их предотвращению. Известные методики в основном базируются на моделях оценки «риска аварии», возможно эффективных в управлении ликвидацией чрезвычайных ситуаций, финансовой деятельностью и других направлениях экономики, но мало полезных в системах мониторинга трубопроводного транспорта, которые, прежде всего, являются техническими системами.

Разработке методов прогноза аварий трубопроводного транспорта и системы мониторинга СТРТ ЖКХ в составе «Автоматизированной информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск) и посвящена настоящая работа, в процессе выполнения которой были решены задачи:

- анализа современного состояния трубопроводной инфраструктуры ЖКХ, выявления экономических, социальных, технологических и психологических факторов способствующих появлению аварий трубопроводного транспорта.

- анализа научной, методологической и производственной литературы, опыта эксплуатации трубопроводного, подтвердившего отсутствие описания этой проблемы в литературе, ориентированной на службы ЖКХ,

- доказательства возможности использования моделей коррозионного поражения труб, разработанных в других отраслях промышленности.

- разработки модели СТРТ для исследования влияния режимных параметров на устойчивость функционирования трубопроводной системы.

- разработки методологии и модели прогноза аварийного события, как следствия коррозии в системе «теплоноситель - стенка трубы», на основе теории катастроф, исследование факторов определяющих бифуркационные траектории движения ТСТ к аварийному состоянию.

- разработки и внедрения подсистемы мониторинга аварии в составе автоматизированной информационно-графической системы «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск).

В процессе настоящего исследования показано, что рисковый подход к описанию аварийных событий целесообразен в системах прогноза и управления природными ЧС, в то время как техногенные аварии, как правило, проявляются как результат старения (износа) технологических аппаратов либо нарушений технологических режимов. Из этого сделан вывод, что при надлежащем оперативном учете производственных факторов (мониторинге) техногенные аварии могут быть предсказаны.

Использование графовой иерархической модели СТРТ создает базу для оперативного управления потокораспределением теплоносителя и позволяет обосновать перечень технологических параметров, описывающих состояние трубопроводов и режимов транспорта тепла, для подсистемы мониторинга аварийных событий.

Бифуркационная модель возникновения аварийного события вследствие коррозионного поражения материала трубопровода в системе «вода-стенка трубы» позволила исследовать на качественном уровне механизм динамики аваг рийных событий, факторы, определяющие характер движения, обосновать закономерности развития аварийных процессов, полученные ранее статистическими методами.

Все эти результаты позволили обосновать структуру и алгоритм решения задач прогноза аварий в подсистеме мониторинга автоматизированной системы контроля и диспетчеризации функционирования трубопроводного транспорта, что подтверждает практическую направленность и значимость исследования в создаваемых автоматизированных системах и в учебном процессе в системах высшего и среднетехнического профессионального образования, а также для повышения квалификации специалистов ЖКХ, обслуживающих трубопроводный транспорт.

Вместе с тем, опыт внедрения разработанных моделей и подсистем даже в достаточно отработанную автоматизированную систему «Дежурный генеральный план Академгородка»» (г. Новосибирск) выявил многие организационные, технические, экономические проблемы, снижающие эффективность разработанного подхода. Эти проблемы связаны, прежде всего, со сложностью сбора, и ввода информации о состоянии объекта мониторинга. В работе отмечалось, что к апрелю 2008 года в базу данных подсистемы мониторинга «Дежурный генеральный план Академгородка» необходимо было внести сведения о 1864 фрагментах труб, однако были внесены реквизиты 344 фрагментов (описание каждого фрагмента состоит из 100 реквизитов), т.е. менее 15% данных. Ввод данных о других фрагментах затруднен отсутствием необходимых сведений и экономических ресурсов для обследования транспорта и теплопотребите-лей, поиска, восстановления документации, её оцифровки и ввода.

Кроме того, в силу экономических причин оснащено контрольно измерительной аппаратурой с дистанционной передачей цифровых данных примерно половина узлов ввода тепла потребителям, в том числе 201 фрагмент из 344 полностью внесенных базу данных подсистемы мониторинга. Поэтому к настоящему времени можно говорить об экспериментальной проверке найденных решений, но не полномасштабной реализации разработанной подсистемы.

126

Библиография Бебешев, Константин Анатольевич, диссертация по теме Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

1. Алексеев A.C. Академическая региональная сеть Сибири (проект АРСС). - Новосибирск, 1983. - 40 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд. ВЦ №467).

2. Алексеев A.C. и др. Академическая региональная сеть Сибири (проект АРСС). Новосибирск, 1983. - 40 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд. ВЦ №467).

3. Алексеев A.C. Опыт проектирования и эксплуатации автоматизированной системы управления городского района на базе региональной информационно-вычислительной сети // Проблемы создания распределенных вычислительных сетей. -М., 1987. С. 40^5.

4. Анализ временных рядов: http://www.statsoft.ru/home/textbook/modules.

5. Ануфриева Н.Ю., Зельцер И.М., Лисовец С.Ю., Титаренко Ю.И. Информационные системы в обеспечении качества персонифицированных услуг. Т. 1, т. 2 .- Новосибирск : РИЦ НГУ, 2004. 420 с.

6. Арнольд В.И. Теория катастроф. М. : Наука, 1998. -128 с.

7. Артамонцев А.И. Коррозионные проявления микроструктурных повреждений в трубах тепловоспринимающих элементов и трубопроводных систем : ав-тореф. дисс. . к.т.н. / Томский политехнический университет. Томск, 2007. -20 с.

8. Архипова Н.И., Кульба В.В. Управление в чрезвычайных ситуациях.- 2-е изд., перераб. и доп. М. : Рос. гос. гуманит. ун-т, 1998. - 316 с.

9. Бабенко В.Н., Гербек Ф.Э., Кузнецов P.C., Орлов С.И., Позняк В.И., Чи-пулис В.П. Опыт эксплуатации и развитие системы мониторинга и анализа режимов функционирования источников теплоты. Владивосток : ИАПУ ДВО РАН, 2007.

10. Бебешев К.А. Скулкин Г.Г. К формированию базы данных транспортной системы заданной ориентированным графом // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии 2009. - Т. 7, вып. 1. - С. 52-56.

11. Бебешев К.А., Врагов A.B., Врагова Е.В. Моделирование динамики развития процессов коррозии трубопроводов // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. — 2009. — Т. 7, вып. 3. — С. 23-40.

12. Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере. — М.: Академия, 2003. — 512 с.

13. Белов П.Г., Гражданкин А.И. Менеджмент техногенного риска: категории, принципы, методы // Стандарты и качество. 2004. — №7. - С. 36^11.

14. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М. : Машиностроение, 1984.

15. Бромвич М. Анализ экономической эффективности капиталовложений : пер с англ. М.: 1996 - 432 с.

16. БыковА.А., МурзинН.В. Проблемы анализа безопасности, человека, общества и природы. — СПб.: Наука, 1997.

17. Ван Хорн Дж. Основы управления финансами : пер. с англ. / под ред. И.И. Елисеевой М. : Финансы и статистика, 1997 — 800 с.

18. Викторова B.C., Кунтшер Х.П., Петрухин Б.П., Степанянц A.C. RELEX -программа анализа надежности, безопасности, риска // Надежность. 2003. - №4.

19. Викторова B.C., Степанянц A.C. Использование модулей Relex при анализе надежности и безопасности систем // Надежность. 2004. - №2.

20. Венцель Е.С. Исследование операций. М. : Сов. Радио. - 1972. - 555 с.

21. Волик Б.Г. Проблемы анализа техногенной безопасности // Автоматика и телемеханика. 2002. - №12.

22. Волик Б.Г., Буянов Б.Б. Методы анализа и синтеза структур управляющих систем. — М.: Энергоатомиздат, 1988. С. 298.

23. Волченко В.Н. Контроль качества сварных конструкций. — М. : Машиностроение, 1986.

24. Гейци И.И. Совершенствование территориального управления на базе современных информационно-вычислительных технологий. Новосибирск, 1987. - 6 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 752).

25. Гермейер Ю.Б. Введение в теорию исследования операций. М. : Наука, 1971.-385 с.

26. Гольденберг И. Математическая модель местного коррозионного изнашивания трубопроводов, транспортирующих естественные электролиты // Коррозия и защита металлов : сб. научн. тр. — Калининград : Изд-во Калининградского ун-та, 1983. С. 77-84.

27. ГОСТ Р 51897-2002. Менеджмент риска. Термины и определения.

28. ГОСТ Р51901-2002. Управление надежностью. Анализ риска технологических систем».

29. Гражданкин А.И., Белов П.Г. Экспертная система оценки техногенного риска опасных производственных объектов // Безопасность труда в-промышленности. -2000. -№Ц. С. 6-10.

30. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C. Определение прибавки к толщине стенок сосудов и трубопроводов на коррозионный износ // Химическое и нефтяное машиностроение. 1983. — №11. - С. 38-40.

31. Дудин В.В. Энергетическая политика в условиях трансформации : авто-реф. дисс. . к. пол. наук / Сибирская академия государственной служы. Новосибирск, 2007. - 24 с.

32. Зайнуллин P.C. Определение прибавки к толщине стенок сосудов и трубопроводов на коррозионный износ // Химическое и нефтяное машиностроение. 1983. - №11. - С. 38-40.

33. Залкинд Ц.И., Колотыркин Я.М. Непрерывный контроль коррозии работающего оборудования // Итоги науки и техники. Серия : Коррозия и защита от коррозии. -М.: ВИНИТИ, 1981.-Т. 8.-С. 181-216.

34. Измалков В.И., Измалков A.B. Безопасность и риск при техногенных воздействиях. Часть I. — М. -СПб., 1994.

35. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. -М. : Гидрометеоиздат, 1984.

36. Капица С.П. Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. — М.: Эдиториал Урсс, 2001. — 285 с.

37. Ковалев В.В. Финансовый анализ: Управление капиталом. Выбор инвестиций. Анализ отчетности. М. : Финансы и статистика, 1997. - 512 с.

38. Козелецкий Ю. Психологическая теория решений. — М. : Прогресс, 1979 505 с.

39. Козлитин A.M. Попов А.И. Козлитин П.А. Теоретические основы и практика анализа техногенных рисков. Вероятностные методы количественной оценки опасностей техносферы. Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2002. - 178 с.

40. Колотыркин Я. М. Металл и коррозия. М. : Металлургия, 1985.

41. Консультационный центр MATLAB: http://matlab.exponenta.ru

42. Кошечкин С.А. Концепция риска инвестиционного проекта Электронный ресурс. http://www.aup.ni/articles/investment/l.htm.

43. Крумгольц А.Р. Оценка рисков функционирования трубопроводов для управления сетями теплоснабжения (на примере города Кемерово) : дисс. . к.т.н. / ИУУ СО РАН. Кемерово, 2006. - 137 с.

44. Кузнецов О.П., Адельсон-вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 498 с.

45. Кузьмак А.Е., Кожеуров A.B., Чебан Э.А. Методы и средства контроля коррозии нефтегазового оборудования в условиях эксплуатации. Обзорная информация. Сер. ХМ-9. -М. : ЦИНТИхимнефтемаш, 1985.

46. Лёвкин Н.Б. Предотвращение аварий и травматизма в угольных шахтах Украины. Донецк : Донбасс, 2002. - 392 с.

47. Логов А.Б. Замараев Р.Ю. Математические модели диагностики уникальных объектов. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 1999. - 228 с.

48. Лубков Н.В. Классификация материальных объектов городского хозяйства // Стандарты и качество. — 2002. — №11.

49. Лубков Н.В. Методы пошагового моделирования случайных событий. // Автоматика и телемеханика. 2002. — №9.

50. Малинецкий Г.Г. Хаос. Структуры. Вычислительный эксперимент. Введение в нелинейную динамику. М.: Эдиториал УРСС, 2000.

51. Малинецкий Г.Г., Курдюмов С.П. Нелинейная динамика и проблемы прогноза // Вестник Российской академии наук. Том 71.- 2001. №3. - С. 210-232.

52. Маннапов Р.Г. Оценка надежности аппаратов в условиях поверхностного разрушения технологическими средами // Химическое и нефтяное машиностроение. 1987. - №5. - С. 11-12.

53. Маннапов Р.М. Оценка надежности химического и нефтяного оборудования при поверхностном разрушении // Химическое и нефтеперерабатывающее машиностроение. Серия ХМ-1т. — М.: Цинтихимнефтемаш, 1988. С. 63.

54. Марчук Г.И. и др. Территориально-распределенный многомашинный вычислительный центр коллективного пользования СО АН СССР. Новосибирск. - 1980. - 80 с. - (Препринг / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ, 245).

55. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир, 1989.

56. Методы прогнозирования: http://www.anriintern.com/neuro/l-3.html

57. Можаев А.С. Технология и программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности систем : сб. трудов НПК «Информационные технологии, бизнес, наука, производство». М., 2003. - С. 36^42.

58. Набивич В.Д. Разработка основ оперативного управления инженерными городскими службами с использованием информационно графической системы "Дежурный генеральный план" Академгородка : автореф. дисс . к.т.н. / НГУ, 2000. С. 24.

59. Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности : тезисы докладов 1 Всесоюзной научно-технической конференции. Уфа-М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1987.

60. Накоряков В.Е. Пора перестать смотреть в рот государству // Литературная газета, 5-11.04.2000 г. http://www.iem.ac.ru.

61. Нейросети, проблемы их построения, обучения, моделирования и применения: http://neirosite.narod.ru/neirovyed.htm.

62. Николис Г., Прихожин И. Познание сложного. Введение : пер. с англ. — М. :Мир, 1990.-344 с.

63. Овчинников И.Г., Елисеев Л.Л. Применение логистического уравнения для описания процесса коррозионного разрушения // Физико-химическая механика материалов. 1981. - №6. - С. 30-35.

64. Овчинников И.Г., Сабитов Х.А. Моделирование и прогнозирование коррозионных процессов. Деп. ВИНИТИ, 1982, № 1342 - 82.

65. Олейников В.Т., Мосягин A.A. Возможность прогнозирования опасных ситуаций в субъектах РФ на основе нейронных сетей. http://www.ipb.mos.rU/konf/2004/sb-2004/sec-2-04/2.68.pdf.

66. Панасюк С.Я. Модели и инструментальные средства управления услугами технического сопровождения жилищного фонда муниципального образования : автореф. дисс. . к.т.н. / Новосибирский филиал ГАСИС. Барнаул, 2005.-20 с.

67. Полак Л.С., Михайлов A.C. Самоорганизация в неравновесных физико-химических системах. М. : Наука, 1983. - 282 с.

68. Поляк Г.Л., Лубков Н.В. и др. Компьютерные имитационные системы как инструментарий для выработки научно-технической политики // Сборник СПП РАН, 2002.

69. Пригожин И., Стенгерс И.'Порядок из хаоса. М.: Эдиториал УРСС, 2000, 310 с.

70. Пузаков Ю.В. Альтернативная концепция риска промышленных аварий. ВНИИ "Экология". М., 1992.

71. Пяткин В.П. Институт вычислительной математики и математической геофизики (Вычислительный центр) СО РАН http://www.sscc.ru/.

72. РД 03-418-01. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов (утв. Пост. Госгортсхнад-зора России № 30 от 10.07.2001).

73. РД 26-10-87. Методические указания. Оценка надежности химического и нефтяного оборудования при поверхностном разрушении. М. : НИИхим-маш, 1987.-С. 31.

74. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. -М.: Мысль, 1990.

75. Реформа ЖКХ в Москве проблемы и пути решения / под ред. П.Н. Аксенова, В.Ф. Пивоварова. - М. : Воениздат, 2004. — 616 с.

76. Рохч Б.Д. Расчет ожидаемой скорости местной коррозии стенок труб из малоуглеродистых сталей в потоке морской воды // Коррозия и защита металлов : сб. науч. тр. Калининград : Изд-во Калининградского ун-та, 1983. -С. 84-91.

77. Руководство по анализу и управлению риском в промышленном регионе. Т 3. Банки данных для анализа и оценки риска / ГК ЧС РФ.-М., 1992.

78. Салин В.Н. Математико-экономическая методология анализа рисковых видов страхования. М. : Анкил, 1997. — 126 с.

79. Сандаков В.А. Оценка склонности к замедленному разрушению объектов систем газораспределения : автореф. дисс. . к.т.н. / Уфимский гос. нефтяном тех. универ. 2005. — 24 с.

80. Синицын А.П. Расчет конструкций на основе теории риска. — М. : Стройиздат, 1985.

81. Сурис М. Защитим трубу // ККР. 2006. - №12(30). - С. 23-32. http://www.idreforma.ru/articles/61221.html

82. Скулкин Г.Г., Титаренко Ю.И., Бебешев К.А., Врагов A.B. Обоснование выбора размещения территориально-ограниченного бизнеса как задача информационных технологий // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. -2008. Т. 5, вып. №1. - С. 17-23.

83. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и коррозионно-стойкие сплавы. М. : Металлургия, 1986.

84. Фрейман Л.И. Об оценке вероятности питтинговой коррозии нержавеющих сталей по данным электрохимических испытаний // Защита металлов. -1987. т. XXIII, № 2. - С. 232-240.

85. Хаертфельдер М., Лозовская Е. Фундаментальный и технический анализ рынка ценных бумаг. СПб.: Изд-во "Питер", 2005. - 350 с.

86. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процессах / пер. с англ. Л.: Химия, 1983.

87. Хуссамов P.P. Разработка метода комплексной оценки риска инвестирования в промышленности : дисс. . к.э.н. Уфа, 1995.

88. Цветков В.А Основные направления обеспечения безопасности человека и окружающей среды при техногенных чрезвычайных ситуациях : учебное пособие / Ульяновский государственный технический университет. Уфа, 2001.-104 с.

89. Четыркин Е.М. Финансовый анализ производственных инвестиций. — М. : Дело, 1998.-256 с.

90. Чуличков А.И. Теория катастроф и развитие мира // Новый Акрополь, 2001. С. 34-52. www.nkj.ru/archive/articles/6068/

91. Шмырев Е. ОРГРЭС: Комплексный подход к теплоснабжению // Журнал промышленного, научно-технического и экономического развития. 2005. - №3. - С. 23-27. technopolis21.ru.

92. Щербаков В.И. Анализ, техническая диагностика и реновация систем подачи и распределения воды на основе принципов энергетического эквивален-тирования : автреф. дисс. . д.т.н. / Воронежский гос. архитект-строительный универ. Воронеж, 2002. - 43 с.

93. Щербаков В.И., Панов М.Я., Квасов И.С. Анализ, оптимальный синтез и реновация городских систем водоснабжения и газоснабжения. — Воронеж : Изд-во ВГУ, 2001.-304 с.

94. Щурин К.С. Социотехническое регулирование надежности // Методы оценки соответствия. 2008. - № 4. — С. 23-25.

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00