автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Разработка и практическая реализация методики проектирования комплекса экологической защиты на морских месторождениях нефти и газа

,-с он

> \ о

_ ^ ¿'1нкт-петербургскии государственный морской технический университет

СКРИПЧЕНКО

Юрий Михайлович

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ НА МОРСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ НЕФТИ И ГАЗА

05.08.03 — проектирование и конструкция судов

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре Тэкеанотехники" и морских техно- — логий Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Ю. Н. СЕМЕНОВ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

П. А. ШАУБ; кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Ю. А. СИМОНОВ.

Ведущая организация — Северное ПКБ.

Защита состоится « » 1996 г. в час.

в ауд, на заседании специализированного совета Д 053.23.04

Санкт-Петербургского государственного морского технического университета по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ.

Автореферат разослан « » 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор техн. наук, профессор В. Б. АМФИЛОХИЕВ

ИЦ СПбГМТУ. Зак. 721. Тир. 100.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Месторождения нефти и газа являются основными источниками энергетических ресурсов в нашей стране. Нефтегазовая промышленность (НГП), в силу своей специфики, является отраслью-загрязнителем. Все технологические процессы в ней (разведка, бурение, транспорт и хранение нефти) могут вызвать нарушение естественной экологической обстановки. На морских нефтепромыслах, как подотрасли НГП, также существует опасность попадания нефти в море в результате аварий или утечек. Опасность загрязнения окружающей среды в море больше, чем на суше, и возрастает с расширением масштабов работ, увеличением концентрации скважин и ростом объемов транспорта нефти.-Для борьбы с загрязнениями окружающей среды на морских месторождениях должен функционировать комплекс технических средств (КТС) борьбы с загрязнением окружающей среды, в состав которого входят морские технические средства локализации аварийных разливов нефти, а также многофункциональные и специализированные суда, предназначенные для ликвидации разливов нефти. Задача выбора рационального состава комплекса экологической защиты (КЭЗ), решение проблемы его сбалансированности, технического и технологического соответствия его компонентов условиям эксплуатации приобретает важное значение.

Тема диссертации посвящена разработке методического аппарата формирования флота для ликвидации разливов нефти (ЛРН), созданию аналитических моделей, описывающих процесс функционирования средств ЛРН, созданию методики проектирования современных многоцелевых судов для ЛРН и определения их элементов на уровне технического предложения, разработке практических рекомендаций по применению существующих в Российской Федерации технических средств JIPH.

Цель диссертации. Целью диссертационной работы является создание методического аппарата формирования КТС ЛРН на морских нефтепромыслах путем построения моделей проектирования технических средств и их функционирования—на—основе ___ системной организации процесса проектирования, а также создание методики и построение практических рекомендаций по оценке эффективности отдельных технических средств и надежности комплекса ЛРН в целом.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем:

- создана математическая модель функционирования КТС ЛРН, основанная на применении методов математического программирования и имитационного моделирования, позволяющая исследовать сложные процессы функционирования и взаимодействия элементов комплекса ЛРН с учетом динамики внешней среды для рационализации состава комплекса;

- разработана математическая модель проектирования морских судов для ЛРН в море, основанная на использовании аппарата многокритериальной оптимизации, и создана на ее основе методика проектирования морских многоцелевых судов-нефтесборщиков (НС);

- разработана математическая модель, основанная на применении методов теории принятия решений, и создана на ее основе методика оценки эффективности плавучих технических средств для ЛРН в условиях открытого моря;

- разработана математическая модель, основанная на методах статистического моделирования, и создана методика оценки надежности технических средств ЛРН;

- создана методика формирования КТС ЛРН в море, базирующаяся на разработанной двухуровневой математической модели, включающей модели функционирования НС и его проектирования, и позволяющая решать как

внешнюю, так и внутреннюю задачу проектирования судов, применительно к исследуемому комплексу.

Методологической базой диссертационной работы являются:

- в области теории проектирования судов труды: Л.М.Ногида, В.В.Ашика, А.В.Бронникова, В.М.Пашина, Ю.Н.Семенова, Б.А.Царева, И.В.Челпанова;

в области автоматизации проектирования труды: А.Н.Вашедшенко, А.11.Гайковича, И.Г.Захарова, В.М.Пашина, Ю.Н.Семенова, П.А.Шауба;

- в области формирования комплексов морских технических средств труды: СШ.Лисагора, Л.Н.Мучника, Ю.Н.Семенова, И.В.Челпанова;

- в области прикладной экологии труды: И.В.Алешина, А.И.Альхименко, С.М.Нунупарова, Д.Кормака, Д.Фея, Д.Джеффери.

Практическая ценность работы заключается в практических рекомендациях по использованию разработанных математических и имитационных моделей, методик и созданного на их основе прикладного программного обеспечения в проектно-конструкгорских организациях судостроительной промышленности и нефтедобывающей промышленности для обоснования выбора проектных характеристик многоцелевых судов для ЛРН в условиях открытого моря; в чаучно-исследовательских организациях при обосновании и планировании зазвития региональных комплексов морской техники НГФ; в региональных вправлениях морской нефтегазадобычи и подразделениях Госморспецслужбы 1ри прогнозировании эффективности мероприятий ЛРН; а также в учебном фоцессе вузов по направлению «Океанотехника» и «Прикладная экология».

Внедрение. Материалы диссертации были использованы в практике научно-юследовательских и проектно-конструкгорских работ ВНИПИморнефтегаз, Ш «Российская морская техническая компания», АО «Туапсинский морской орговый порт», а также- в учебном процессе Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета в курсах лекций по

специальности 1412 «Океанотехника» и Николаевского кораблестроительного института.

Апробация работы. Основные положения и результата диссертационной работы были доложены:

- на 2-й Всесоюзной конференции «Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР»(Москва, 1990 г.);

- на Всесоюзной конференции «Океанотехника» (Ленинград, 1991 г.);

- на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГМТУ (Санкт-Петербург, 1990-1993 гг.);

- на международной конференции «Морские месторождения нефти и газа в России. Состояние и перспективы развития.»(Санкт-Петербург, 1994 г.);

- на 15-й международной конференции по судоходству и освоению шельфа (Осло, 1995 г.);

- на международной конференции, посвященной 300-летию Российского флота (Санкт-Петербург, 1996 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 печатных работах.

Объем и структура работы. Основной материал диссертации состоит из введения, 4 глав, заключения (138 стр. машинописного текста, 3S рис., 25 табл.) Список литературы содержит 133 наименования. Объем приложений составляет 348 сЧгр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи исследования, описывается объект исследования, его назначение, определяется место КЭЗ морских месторождений нефти и газа в общей

структуре нефтегазопромыслового флота и выделяется его основная часть -комплекс технических средств для ЛРН в море.

В перзой главе анализируется современное состояние и перспективы развития морских КЭЗ. Рассматриваются перагаггивы освоения морских нефтегазовых месторождений с точки зрения определения районсв повышенного экологического риска.

Исследовано влияние внешней среды как определяющего технологического фактора на производственный процесс при выполнении работ по ЛРН в море. Выполнен анализ внешних факторов, показана аналитические зависимости их воздействия на распространение загрязнений в морской среде. Приведена классификация морских загрязнений и выделены виды загрязнений на морских нефтепромыслах.

Рассмотрены особенности различных методов борьбы с разливами нефти и нефтепродуктов и функциональное оборудование, используемое при ЛРН. Проведен анализ специальных средств для ограничения разлива нефти, нефтесборщиков, систем транспорта собранной нефти.

Различие каждой операции ЛРН по всему спектру показателей (объем разлитой нефти, ее тип, гидрометеоусловия и т.п.) приводит к невозможности однозначного определения типа технического средства, способного наилучшим образом удовлетворить все предъявляемые требования. В работе, для выбора типа функционального оборудования, наилучшим образом удовлетворяющего требованиям каждой конкретной ситуации, предложены системы бальных оценок, учитывающие результаты практической эксплуатации каждого типа оборудования.

Выполнен анализ современного состояния развития специализированных и многоцелевых судов для ЛРН на морских месторождениях нефти. Рассмотрены архитектутно-койструктивные типы судов. Сформулированы требования к энергетическим и пропульсивным установкам НС, которые должны

обеспечивать достоточную скорость на переходе и возможность длительного движения на малых ходах. Выполненный анализ оборудования НС позволил сформулировать основные требования к его составу, необходимые для дальнейшей разработки методики проектирования НС.

Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой методической базы проектирования многоцелевых судов для ЛРН в открытом море.

Показано, что основой методологии проектирования КС является системный подход. Задача проектирования приобретает содержательность при рассмотрении противоречивых свойств НС как системы, удовлетворить требованиям к которым невозможно. Решением этой задачи может быть только некоторый компромисс между интересами подсистем НС. Для технических

средств, подобных судам-нгфтеьборщикам, однозначный выбор целевой *

функции невозможен. Постановка задачи оптимизации с конечным числом целевых функций, т.е. многокритериальной, позволяет рассмотреть значительно большее число вариантов характеристик НС (рис.1). В главе приведена критериальная оценка характеристик судов-нефтесборщиков и подробно рассмотрены проблемы многокритериальное™ в задаче проектирования НС.

Реализованный в диссертационной работе подход базируется на теории многокритериальной (векторной) оптимизации, разработанной д.ф.-м.н. И.М.Соболем и д.т.н. Р.Б.Статниковым. Основой этой теории служит понятие Парето-оптимального (эффективного) решения:

Ха е{х}|Ф,(хХФ,(*.),у* = 1,2,..:,5

где Х0 - эффективное решение, X - вектор оптимизируемых характеристик судна, { х} - множество исходных вариантов, { Xе} - множество Парето-

Алгоритм построения множества эффективных решений характеристик НС.

Рис. 1.

Функциональная модель комплекса ЛРН.

Комплекс технических средств ЛРН ¡Обеспечивающая подсистема I

Исполнительная подсистема

Т 1-1=

Внешняя среда

Рис.2.

оптимальных вариантов, ФДх) - локальный критерий, { - знак предпочтения показателей.

Большое внимание уделено основным процедурам принятия решений в многокритериальной задаче оптимизации характеристик НС.

Рассмотрены особенности методологии проектирования многоцелевых судов для ЛРН. Сделан вывод о выделении подсистемы «нефтесборный комплекс» в разряд функционально-доминирующей и изменении характера подсистемы «корпус», что вносит поправки в методологию проектировочных обоснований. Эти и другие особенности методологии обоснования характеристик судов-нефтесборщиков вносят изменения в методический аппарат и требуют формирования ряда дополнительных условий, что позволяет правильно отразить структуры формул и, формулируя новые обобщенные характеристики, приводить в едилуто систему различные критериальные условия. В диссертации показано, что математическая модель проектирования судов-нефтесборщиков имеет качественные и структурные изменения, определяющие рациональный порядок анализа проектных разделов.

В то же ьремя, составление уравнений нагрузки для судов ЛРН не имеет принципиальных отличий от аналогичной процедуры для других судов технического флога и зависит от детализации разбивки и объема имеющейся у проектанта информации. Проведенный анализ позволил получить систему измерителей для составляющих нагрузки масс многоцелевых судов ЛРН в условиях открытого моря.

В диссертации также предложена математическая модель определения сопротивления движению НС и.выбора требуемой мощности СЭУ с учетом

I

использования в операциях ЛРН навесных нефтесборных систем.

Создана математическая модель выбора типа и характеристик подруливающих устройств многоцелевых НС.

Третья глава посвящена разработке модели функционирования КТС ЛРН. В работе рассмотрение КТС ЛРН и его структуры проведено с позиций системного подхода на основании рекомендаций д.т.н. Ю.Н.Семенова по системному представлению объектов морской техники. При этом сделаны следующие выводы:

1. В общесистемном плане КТС ЛРН понимается как нерасчлененное целое, вступающее во взаимоотношения «система-системное окружение», под которым понимается НГФ, окружающая среда, береговая инфраструктура.

2. В функциональном плане КТС ЛРН должен рассматриваться как динамическая система, т.е. система, реализующая совокупность процессов, характеризуемых последовательностью работ ЛРН во времени.

3. В структурном плане КТС ЛРН понимается как совокупность взаимосвязанных элементов (НС, вспомогательных судов и т.д.), неразделимых в рамках рассматриваемой задачи далее.

Основным методическим приемом, используемым в диссертационной работе для решения данной задачи, является выделение в составе КТС ЛРН двух подсистем: исполнительной (ИП), непосредственно выполняющей задачу ЛРН, и обеспечивающей (ОП), играющей в функционировании КТС ЛРН вспомогательную роль (береговая инфраструктура и т.п.) (рис.2).

Показано, что при построении функциональной модели возможно ограничиться рассмотрением только ИП, задав ОП в виде исходных данных, начальных условий и ограничений. Принцип системности требует рассматривать и объект работ (ОР) как сложную систему, находящуюся во взаимосвязи с другими системами. Поэтому в схеме функционирования, наряду с прямыми связями ИП и ОР, определяющими процесс взаимодействия, рассматриваются и обратные связи от ОР к ИП, которые, с точ$и зрения функционирования ИП представляются в качестве условий первого порядка.

В работе проведен анализ функционирования ИП и выбора критериев эффективности функционирования КТС ЛРН, а также рассмотрены особенности функционирования ИП при групповом использовании технических средств ЛРН в море и основные организационные схемы работы. Сложность и многообразие процессов функционирования реального КТС ЛРН не позволяет построить для него абсолютно адекватную математическую модель, поэтому сделан вывод о возможности использования имитационного моделирования для реализации ситуаций, которые могут возникать при разливе нефти, т.к. в данном случае имитационная модель: служит средством изучения явления; дает более простой способ решения по сравнению с построением адекватной аналитической модели; позволяет наблюдать за поведением составляющих КТС ЛРН в течении определенного периода; создает

возможность контроля за протеканием процесса путем ускорения или »

замедления явлений; создает условия для изучения новых ситуации при функционировании КТС ЛРН. Под имитацией понимается численный метод проведения на ПЭВМ'экспериментов с моделями, описывающими поведение системы в течении заданного времени с целью решения задачи сравнения вариантов структуры ИП КТС ЛРН, оценки ее эффективности и степени влияния изменения параметров системы на показатели эффективности.

Статистический анализ распределения случаев аварийности на морских месторождениях, сопровождающихся загрязнением окружающей среды, позволил вывести закон распределения вероятности аварии:

где I - номер месяца эксплуатации, / = Т,Т2.

При определении потребного количества НС в диссертационной работе учитывались не только размеры разлива нефти, удаленность НС от места работ и их характеристика, но и гидрометеоусловия в момент аварии, которые не

только снижают скорость судов на переходе к месту работ, но и их производительность при ЛРН. Выполненные исследования показали, что эффективность работы НС существенно зависит от внешних условий, т.е. решение вопроса о целесообразности проведения операций ЛРН практически зависит от величины вертикальной дисперсии нефти.

Модель проектирования КТС ЛРН относится к технико-экономическим системам, для которых выбор основного критерия оптимальности затруднен. Сведение различных по физической природе критериев в единый функционал, , подлежащий. дальнейшей оптимизации, не позволяет достичь приемлемого решения. В работе проведен анализ различных критериев эффективности, даны рекомендации по их применению.

Показано, что критерием эффективности операций по сбору нефта может служить количество нефти, находящейся на глубине не более 1 м. Если на этой глубине находится более 50 % нефти, то ЛРН целесообразна, в противном случае - нет. Приведенная цифра достаточно условна и в конкретных случаях может быть уточнена.

В диссертации предложен алгоритм в котором учитывается неодновременность подхода НС к месту аварии и включения их в рабфту, т.е. по мере подхода новых судов происходит рост числа НС, занятых ЛРН. Алгоритм предусматривает возможность как детерминированного поиска необходимого числа НС для ЛРН в плановые сроки, так и поиск с использованием датчика случайных чисел, что в ряде случаев оказывается более эффективным и по времени счета, и по полученным результатам.

В работе рассмотрены экономические аспекты.мероприятий по ЛРН в море. Особое внимание уделено оценке затрат на ЛРН при применении различных технологий.

Приведены расчетные схемы . для оптимизации показателя производительности судов и рационализации численного состава КТС ЛРН, представлены все расчетные процедуры и условия их использования.

Четвертая глава посвящена разработке, программной реализации методик, а также практическим рекомендациям по оценке эффективности и надежности технических средств (ТС) ЛРН.

Показано, что исходным моментом в реализации математической модели оценки эффективности ТС ЛРН является гипотеза эквивалентности ТС и соответствующих ему характеристик, т.е. постулируется, что интегральная эффективность ТС может быть отождествлена с совокупностью эффективностей его отдельных подсистем, образами которых являются частные характеристики ТС. Поскольку влияние различных подсистем на выполнение ТС его генеральной целевой функции различно, в работе вводится представление о приоритетности подсистем-характеристик по отношению друг к другу. Для решения задачи оценки эффективности в работе синтезируется целевая функция интегральной меры эффективности, которая определяется значениями и весомостью характеристик ТС, приведенных к сопоставимому виду.

В разработанной математической модели предложено использовать два вида функции интегральной меры эффективности:

I

1. Аддитивная функция сравнения р) = (д, = д,р,

<>)

где <7 - вектор частных показателей эффективности ТС,

р - вектор весомостей (весовых крэффициентов) частных показателей эффективности (характеристик) ТС.

I

2. Мультипликативная функция сравнения 0(ч, /») = П ЧГ

м

Показано, что первый вид функции сравнения подходит для анализа систем с нежесткими связями, а второй вид - для анализа «жестких» систем, т.е. таких,

где влияние отдельных подсистем друг на друга и на систему в целом значительно. Окончательный вывод делается, исходя из сравнения результатов, полученных при использовании обоих выражений.

Существенным моментом создания математической модели оценки эффективности ТС ЛРН является формирование модели получения частных показателей эффективности ТС, т.е. меры зависимости интегральной эффективности ТС по каждой из характеристик, соответствующих рассматриваемому классу ТС:

где Цц - 1-й частный показатель эффективности, соответствующий ]-му ТС; хч - значение ¡-й характеристики _|-го ТС;

хГ.хГ*- значения, определяемые на совокупности 1-х характеристик

Необходимость использования таких выражений для при различных видах 0(ч,р) объясняется необходимостью обеспечить различные диапазоны изменения .

Особенностью разработанной математической модели эффективности ТС ЛРН'является использование статистического значения сводного показателя ТС. Ранжирование рассматриваемого множества ТС ЛРН по величине интегральной меры эффективности производится с помощью вероятностных характеристик - математического ожидания и дисперсии 3] .

,/ = 1,7;У = 1,Л

рассматриваемых ТС.

где О, - система ограничений, накладываемых на изменения весовых коэффициентов р; //(О,) - количество испытаний в серии, т.е. количество возможных векторов р, удовлетворяющих йг ; - значение сводного показателя эффективности ]-го ТС, реализованного в п-ом испытании.

Ограничения йр формируются в виде системы равенств и неравенств различного вида:

Рт>Р, , где 1,т,к,1,<р,1// е1,2.....1

В предлагаемой математической модели все ограничения, наложенные на изменения свесов» йр , сведены в единую матрицу (матрицу приоритетов)

Я'=11 <11 •

При решении задач по ранжированию реальных ТС ЛРН трудно аргументированно задать закон распределения величин, характеризующих весомость (значимость) различных характеристик ТС, что приводит к необходимости проведения псевдостатистического моделирования с использованием известных математических методов, например метода статистических испытаний или метода Монте-Карло.

Под вектором р понимается дискретная случайная величина. Количество вошедших в серию испытаний является функцией вида:

Я = ЛГ( £>,,,/,£), где I - количество компонент вектора р (количество частных показателей эффективности); I, - число градаций изменения компонент вектора р. Для оценки эффективности ТС необходимо задать:

- вид функции интегральной эффективности ТС 6(9,/>);

- вид функции для определения частных показателей эффективности я;

- систему ограничений, накладывающих на изменения «весов» £> ;

- число градаций Ь.

Каждая конкретная реализация задачи сводного показателя эффективности является случайной, а характеристики получаются как средние из серии испытаний. Физический смысл - средняя (наиболее вероятная)

.эффективность .¡-го ТС на допустимом множестве векторов р. Чем больше Р1 , тем эффективнее ТС ЛРН. При этом, для получения правильной оценки предпочтения одного ТС другому Играют значения величин дисперсии функции интегральной эффективности я*, которые характеризуют рассеивание ее значений относительно наиболее вероятного значения. Чем меньше тем больше вероятность того, что ТС имеет свойства, адекватные Тг При сравнении ¡-го и .¡-го ТС:

где ^ , - результирующие оценки эффективностиу-го и ¡-го ТС.

Возможен также вариант: ~ -

й 5', ' '

В данном случае, для более точного количественного определения лучшего варианта ТС, в предложенной математической модели используется более тонкий аппарат, связанный с определением частоты наступления заданного события А при анализе двух ТС. Результатом реализации этой модели является построение матрицы частот на ТС:

где рл - матрица частот на ТС, соответствующая наступлению события А, ] - количество анализируемых ТС, Рц - элемент матрицы частот на ТС.

Л =11^11. где/,; = 1,7

Элементы матрицы частот на ТС определяются следующим образом:

где ;,у = 1,/; N2 - количество испытаний, в которых для двух сравниваемых ТС наступило событие А. Под событием А понимаются события трех видов: 4, - строгое превосходство интегральной эффективности ¡-го ТС по сравнению с .¡-м ТС;

Аг- не строгое превосходство интегральной эффективности ьго ТС по

сравнению с .¡-м ТС; Д.-равенство интегральной эффективности ¡-го и]-го ТС.

В предложенной модели под функцией интегральной эффективности (сводного показателя эффективности) понимается величина Р = 0(д,р), поэтому наступление указанных событий равносильно следующему: РЛ>-.РЦ" = ДГ, > > й(ч,,р)]

= = Шя,,р) г <ЖчР р)}

РЛ,-.Р*' = = = 2(<?,,Р)]

Матрицы частот на ТС формируются перебором допустимых «весов» показателей эффективности. С увеличением Ь увеличивается число испытаний, при этом частота наступления события А будет стремиться к своей вероятности Р* -> Р* при Ь -у со. Учитывая, что число испытаний N сильно увеличивается при увеличении Ь, можно считать, что даже при небольших значениях Ь справедливо:

Р* ~ Р*, где Р* - частота наступления события А,

Р,' - вероятность наступления события А.

На основании анализа величин (/= !.-/) и матриц частот на ТС рлурл*>рл. в рамках математической модели проводится достаточно точное ранжирование сравниваемых ТС.

Представленная математическая модель позволяет проводить и более тщательный (в несколько этапов) анализ ТС ЛРН. Для этого производится предварительная обработка характеристик ТС с целью разбиения их на различные классы. После этого, используя данную модель, можно на каждом уровне генерировать интегральные меры эффективности ТС соответствующего уровня. При этом анализ ведется в направлении роста общности класса с точки зрения оценки интегральной эффективности ТС ЛРН.

В предложенную математическую модель введен также метод Монте-Карло для обеспечения единственности решения задачи. В случае полного отсутствия информации относительно приоритетов частных показателей эффективности, расчет оценочных величин производится с использованием метода Монте-Карло. Длина серии при этом задается маленькой, что обеспечивает случайность получаемого прогноза.

В диссертационной работе также рассматриваются вопросы, связанные с разработкой методической базы оценки надежности системы объектов КТС ЛРН, что особенно актуально при создании больших ордеров из судов и ТС для ЛРН. Для этого в разработанной математической модели использовался аппарат вероятностно-статистического анализа сложных систем, состоящих из большого числа разнородных физических объектов, определенным образом связанных между собой, который предусматривает решение двух взаимно-обратных задач: 1) вероятностной задачи - определение вероятности безотказной работы системы в течение заданного промежутка времени; 2) статистической задачи - определение выборочного времени безотказной работы системы в результате конечного числа статистический испытаний. По' полученной временной выборке определяется среднее время безотказного

функционирования системы, а также может быть проведена статистическая оценка распределения времени безотказной работы на основании того или иного критерия согласия.

При решении первой задачи вероятность безотказной работы ТС ЛРН определяется на основании теорем об умножении и сложении вероятностей. Для решения второй задачи используется вычислительная схема метода Монте-Карло для расчета надежности систем, состоящих из большого числа элементов, для которых в результате экспериментов удалось достаточно точно построить распределение времени их безотказной работы.

Для определения эффективности функционирования исследуемого КТС ЛРН в модели предусматривается задание списка начальных (входных) элементов, устанавливающих начальные точки путей функционирования этого комплекса, II список конечных элементов, устанавливающий конечные пункты этих пугей. Цредполагается, что КТС ЛРН сохраняет работоспособность в случае, когда работоспособны элементы, составляющие одну из цепочек, соединяющих начальные и конечные элементы.

Каждый элемент представляет собой ТС, имеющее конечный момент рабочего времени, по истечении которого оно выходит из строя. В предложенной математической модели предполагается, что выход из строя ТС происходит однократно и самовосстановление исключается. Каждое ТС характеризуется временем безотказной работы, задаваемым одним из двух способов: 1) в виде выборки случайных реализаций этой величины. Задается объем выборки п, и выборочный ряд { г|(:),г:(0,...,г„(') }, представляющий собой набор' случайных времен безотказной работы ТС с номером ¡. 2) в виде аналитического закона.

С целью стабилизации вычислительного процесса и уменьшения дисперсии , получаемых результатов, в предложенной модели применен стратифицированный метод Монте-Карло.

Кроме того, в разработанной математической модели реализованы одновременно шесть независимых гипотез о принадлежности генеральной совокупности времени безотказной работы КТС ЛРН шести стандартным распределениям. Степень соответствия экспериментальных выборочных данных с предполагаемой ишотезой решается с применением критерия согласия Колмогорова.

Практическая реализация математических моделей, разработанных во второй, третьей и четвертой главах, была выполнена в виде программного комплекса для ПЭВМ с использованием диалогового режима, позволяющего осуществлять контроль и вносить поправки в расчеты. Блок схема комплекса программ приведена на рис.3.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы. В результате выполненного в диссертационной работе исследования разработана методика проектирования регионального комплекса экологической защиты морских нефтегазовых месторождений и даны практические рекомендации по оценке его эффективности.

Основными результатами работы являются:

1. Методика формирования комплекса технических средств ликвидации разливов нефти в море, базирующаяся на математической и имитационной моделях, позволяющих решать внутреннюю и внешнюю задачи проектирования судов применительно к комплексу экологической защиты.

2. Математическая модель, основанная на теории многокритериальной оптимизации и созданная на ее основе методика проектирования многоцелевых природоохранных судов, способных зыполнять весь комплекс работ по ЛРН в условиях открытого моря.

3. Имитационная модель, основанная на применении методов математического программирования, позволяющая исследовать динамику

Блок-схема взаимосвязи стадий проектирования КТС ЛРН.

Рис.3.

функционирования КТС, учитывая влияние внешних условий на весь ход проведения операций ЛРН в море-.

4. Методика оценки эффективное!* плавучих ТС ЛРН.

5.Математическая модель, аевовгвная на . методах статистического моделирования, и созданная на ее основе методика оценки надежности ТС ЛРН.

Для разработки методики проектирования комплекса экологической защиты и математических моделей выполнив» следующее:

1. Произведен анализ современного состояния и перспектив развития освоения морских нефтегазовых месторождений с точки зрения определения районов повышенного эколопгявхзга риска. Исследована роль и место комплекса ЛРН в море.

2. Рассмотрено влияние внешней среды, как определяющего фактора на проведение операций ЛРН. Произведет анализ моделей распространения нефти при разливе на акватории.

3. Проведена классификация теютческих средств, предназначенных для ЛРН в море. Выполнен анализ современного состояния развития нефтесборных систем, функционального оборудования и специализированных судов, и особенности их эксплуатации.

4. Разработаны системы бальянг оценок для всей гаммы условий применения по каждому типу функционального оборудования.

5. Разработана имитационная модель функционирования регионального комплекса ЛРН при групповом использовании специализированных судов. Сформулированы критерии эффективности функционирования КТС ЛРН. Сформулирован алгоритм принятия решений при разливах нефтепродуктов на акватории.

6. Разработана методика определения основных элементов многоцелевых судов-нефтесборщиков, позволившая получить достоверные зависимости для

Результаты анализа эффективности многоцелевых НС.

12 14:

ф. ф. ф. гр

Рис.4.

■ НС 1

вне 2

□ НС 5

□ НС« ВНС б

вне б

■ НС 7

Результаты ана.ъиа ь.ас- ' ^ости КТС ЛРН.

а ктс 1

■ КТС 2

□ ктез

□ КТС 4

■ КТС 5 ЫКТС6 И КТС 7

определения главных размерами"! п составляющих нагрузки. Разработана математическая модель сопротивления движению НС с учетом буксируемых нефтесборных систем. Разработана математическая модель расчета характеристик подруливающих устройств.

7. Сформулирована математическая модель проектирования НС на ранних на основе аппарата многокритериальной оптимизации. Рассмотрены вопросы определения строительной стоимости и эксплуатационных затрат. Предложена система определения критериев эффективности.

8. Ра ¡работаны методики: а) оценки эффективности ТС ЛРН; б) определения надежности применяемых ТС ЛРН.

9. Создан пакет программ для персональной ЭВМ на основе разработанных математических моделей.

10. Проведена серия численных экспериментов, результаты которых позволили сформулировать ряд практических рекомендаций по выбору рационального состава КТС ЛРН и проектированию НС.(Рис.4. и Рис.5.)

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах соискателя:

1. Состояние и перспективы в области экологической защиты .месторождений нефти на континентальном шельфе СССР // Тезисы докладов 2-й Всесоюзной конференции «Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР» / Москва, 1990, с.206-207.

2. Критериальная оценка судов-нефтесборщиков - в печати.

3. Особенности оценки эффективности плавучих технических средств ликвидации разливов нефти в море. - в печати.

4. Проблема определения надежности технических средств, применяемых в операциях ликвидации разливов нефти в море, -в печати.

5. Применение метода мног окритериальной оптимизации при • проектировании судов-нефтесборщиков.- в печати.