автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Разработка компьютерных имитаторов технологических процессов и оборудования предприятий нефтегазовой отрасли

На правах рукописи

фг-

ЧЕРЕЗОВ Кирилл Михайлович

РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНЫХ ИМИТАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Специальность 05.02.22 - Организация производства

(нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ЛЕК 2011

Тюмень 2011

005005364

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» на кафедре «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Сызранцев Владимир Николаевич Заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кустышев Александр Васильевич Заведующий отделом эксплуатации и ремонта скважин и скважинного оборудования ОАО «ГАЗПРОМ» ООО «Тюменниигипрогаз» г. Тюмень

кандидат технических наук, доцент Волынец Игорь Григорьевич Ген. директор ООО «ИВА» (Проектирование, строительство и эксплуатация объектов нефтегазового комплекса), г. Тюмень

Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг», г. Москва

Защита диссертации состоится » декабря 2011 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.08 в Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, Россия, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал им. А.Н. Косухина.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре ТюмГНГУ по адресу г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Автореферат разослан «ЯЬ» ноября 2011 года.

Ученый секретарь ____

диссертационного совета Л.Н. Руднева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Постоянное увеличение доли высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования, его сложность и энергоемкость, опасность целого ряда производственных процессов, как в нефтегазовой, так и других отраслях промышленности, вызвало появление программно-аппаратных средств, имитирующих и отображающих реальные процессы в виртуальной среде. Применение таких средств позволяет проводить мониторинг, исследование и анализ технологических процессов, оценивать эффективность новых технологических и технических решений, совершенствовать основные и вспомогательные производственные процессы. Решение указанных задач на основе компьютерных имитаторов не требует вмешательства в производственные процессы, исключает в процессе имитации возможность возникновения реальных инцидентов и аварий в случае неверных технических и технологических решений и ошибочных действий персонала. Материальные затраты при компьютерной имитации значительно меньше, чем при выполнении аналогичных работ на реальном оборудовании.

Проблемы разработки компьютерных имитационных тренажеров и их программного обеспечения приведены в работах Дозорцева В. М., Луценко Е.В., Башкова К.А., Казака А.Б., Вигера И.Н., Т. Kanade, P.J. Narayanan, Р. Rander. Вопросами разработки и производства компьютерных имитаторов занимаются такие известные фирмы, как Honeywell, Boeing, British Petroleum, Total, DrillSim и другие.

Несмотря на эффективность имитаторов, их внедрение осложнено отсутствием описания специфики имитаторов как класса программного обеспечения, отсутствием пользовательских требований и требований к составу имитаторов, методов реализации его составных элементов. Указанные затруднения сдерживают разработку и внедрение имитаторов, позволяющих повысить уровень производственной деятельности предприятий нефтегазовой отрасли.

Цель работы. Обоснование и разработка методов компьютерного имитирования технологических процессов и оборудования предприятий нефтегазовой отрасли.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

1. исследование современного состояния вопроса по разработке и применению имитаторов в нефтегазовой отрасли;

2. определение специфики имитаторов, как класса программного обеспечения (классификация);

3. выявление и систематизация пользовательских требований к создаваемым имитаторам для нефтегазовой отрасли;

4. обоснование принципиального состава имитаторов, определение методов реализации их элементов;

5. на основе полученных результатов разработать имитатор установки штангового скважинного насоса (УШСН).

Объект исследования: компьютерная имитация процесса эксплуатации и обслуживания УШСН.

Предмет исследования: программно-аппаратная платформа и методы разработки компьютерных имитаторов.

Методы исследования. При исследовании использованы методы теории графов, математического моделирования, теории компьютерной графики, теории алгоритмов и программирования.

Научная новизна

1. Систематизированы пользовательские требования к компьютерной имитации технологических процессов и оборудования в нефтегазовой отрасли.

2. Предложена классификация структуры имитаторов, обеспечивающая определение его составных элементов и их взаимосвязей в зависимости от целевого назначения.

3. Обоснована формализованная последовательность построения имитаторов, основанная на интеграции технологии распределенного имитационного моделирования и технологии предоставления электронного образовательного контента.

Практическая значимость

1. Систематизация пользовательских требований к имитаторам для нефтегазовой отрасли позволяет устранить проблемы, возникающие между разработчиками, заказчиками и конечными пользователями имитаторов.

2. Унификация структуры имитаторов и методов реализации их элементов позволяет многократное применение отдельных модулей при описании различных производственных процессов.

3. Формализованная последовательность построения имитаторов реализована на примере УШСН, позволяющего осуществлять имитацию основных технологических операций обслуживания установки в процессе эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту

1. Классификация имитаторов технологических процессов и оборудования для нефтегазовой отрасли;

2. Систематизация пользовательских требований к компьютерным имитаторам.

3. Обоснование выбора технологии распределенного имитационного моделирования при создании имитаторов производственных процессов;

4. Имитатор установки скважинного глубинного насоса (УШСН).

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты работы используются при разработке компьютерных имитаторов в Научно-исследовательском институте электронных образовательных ресурсов Тюменского государственного нефтегазового

университета (НИИ ЭОР ТюмГНГУ), внедрены в ООО «Газпром трансгаз Югорск» в виде имитатора «Поиск неисправностей при обходе оборудования компрессорного цеха», в учебный центр ОАО «Сибнефтепровод» в виде имитаторов «Техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонт интеллектуального преобразователя давления УОКХЮАХУА ЕК 430», «Техническое обслуживание, текущий ремонт, подключение и настройка электропривода задвижки ЭПЦ-100», «Технология процесса пуска и приема средств очистки и диагностики трубопроводов». Компьютерный имитатор кинематики станка-качалки передан для внедрения в учебный процесс РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Разработанный компьютерный имитатор УШСН применяется в учебном процессе ТюмГНГУ. В настоящее время на основе результатов исследований для ОАО «Сургутнефтегаз» создается комплекс компьютерных имитаторов для различных технологических процессов и применяемого оборудования.

Апробация научных положений и результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на региональной научно-технической конференции «Информационные технологии в образовании» (Тюмень, 2004 г.); международной научно-практической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2005 г.); Всероссийском форуме «Современная образовательная среда — 2006» (Москва, 2006 г.); Всероссийском форуме «Современная образовательная среда - 2010» (Москва, 2010 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, из которых четыре в рекомендованных ВАК РФ изданиях, на созданные имитационные комплексы получены четыре свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ (№2010612983, 2010613033,2010613035,2006611727).

Комплекс компьютерных имитаторов по работе и обслуживанию УШСН экспонировался на Всероссийской выставке «Современная

образовательная среда - 2010» и награжден золотой медалью и дипломом первой степени.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, изложенных на 141 странице машинописного текста, содержит 40 рисунков и графиков, 8 таблиц. Список литературы состоит из 105 источников.

Содержание работы.

Во введении приводится общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируются современные тенденции программно-аппаратной имитации производственных процессов.

Проведенные исследования показывают, что такие термины, как «компьютеризация производственного процесса», «виртуальный технологический процесс», «имитаторы», «информационная обучающая система», «автоматизированная обучающая система», «интерактивные обучающие системы», «системы формирования виртуальной реальности» и т.д., приводимые в проанализированных работах, в настоящее время трактуются совершенно по-разному, либо приводятся вообще без определения. В значительной степени это связано с тем, что программно-аппаратные средства для имитации технологических процессов (имитаторы) развиваются в контексте разнонаправленных научных векторов - информатика, компьютеризация, компьютерная графика, инженерная психология, эргономика, когнитивная наука, и т.д.

Отсутствие точной и однозначной трактовки термина «имитатор» вызывает множество трудностей, как при разработке, так и при внедрении средств компьютерной имитации и приводит к взаимонепониманию между разработчиками, заказчиками и конечными пользователями имитаторов.

Для решения указанной проблемы предложена классификация, основанная на рассмотрении имитаторов с двух позиций:

• имитаторы - как отдельный класс программно-аппаратного обеспечения, имеющий множество отличительных признаков (рисунок 1).

• имитаторы - как структурные компоненты технологического процесса, определяемые целевым назначением имитатора (рисунок 2).

Рисунок 1. Классификация имитаторов как отдельного класса программного обеспечения

Рисунок 2. Классификация имитаторов, как структурных компонентов технологических процессов в соответствии с целевым назначением

Пример структурного компонента одного из вспомогательных процессов - подготовка и тренинг персонала, приведен на рисунке 3. — Подготовка персонала -

по видам обучения | -¥ по целевому назначению |

-> на производстве подготовка нового персонала

-* вне производства повышение квалификации

самообучение -> переподготовка

по форме обучения | и по месту обучения |

с отрывом от производства на рабочем месте

1—*■ без отрыва от производства 1-» вне рабочего месте

Рисунок 3. Пример структурного компонента процесса подготовки и тренинга персонала предприятия

На схеме (рисунок 4) представлены области применения компьютерных имитаторов в производственном процессе нефтегазового предприятия.

Рисунок 4. Схема «Области применения имитационного моделирования в производственном процессе»

Таким образом, определена специфика имитаторов как класса программного обеспечения и области их применения в производственном процессе.

Для решения задачи определения и систематизации требований к имитаторам с точки зрения различных категорий пользователей -заказчиков, обучаемых, инструкторов и разработчиков, проанализированы и изучены материалы зарубежных конференций, данные фирм, занимающихся разработкой и производством имитаторов, обобщен опыт проектирования и применения имитаторов в Научно-исследовательском институте электронных образовательных ресурсов Тюменского государственного нефтегазового университета. Выявлены следующие основные пользовательские требования: • общие эргономические требования (индивидуализация, удобство тренинга, ясность, четкость, облегчение понимания, устранение

перегрузки восприятия, учет психофизиологических особенностей людей с ограниченными возможностями и т.д.);

• уровень соответствия (подобия) синтезируемого изображения оригиналу;

• уровень соответствия синтезируемого звукового окружения оригиналу;

• уровень соответствия механизмов управления оригиналу (ввод информации, перчатки, VR);

• адекватность и универсальность математической модели;

• возможность работы в реальном времени, а также в ином масштабе времени;

• многопользовательский доступ.

Перечень пользовательских требований определяется целевой группой при составлении технического задания на имитатор. Вторая глава посвящена определению и обоснованию принципиального состава имитаторов и формализованной последовательности разработки их составных элементов.

Структура применяемых в настоящее время имитаторов зависит от набора ограничений, накладываемых техническим заданием и областью применения. За основу при построении структуры имитаторов принята высокоуровневая архитектура (HLA).

Для исследования структуры имитаторов применена теория графов. Граф рассматривается как множество элементов и связей между ними, что соответствует архитектуре HLA:

Graph = (Elem, Link), (1)

где Elem - множество элементов модели;

Link - множество связей, демонстрирующих взаимоотношения элементов модели между собой.

Elem = fed + Fed'd +Fed'dspcc +Math + Object' + Atrib', (2)

где fed - федерация;

Fed'd - множество федератов;

Fed'dspec - множество специальных федератов (пользователи, участники); Math' - множество математических имитационных моделей; Object' - множество объектов; Atrib' - множество атрибутов. Рассмотрена структура каждого элемента модели (рисунок 5).

Рисунок 5. Классификация элемента HLA - федерации

Федерация:

к' к fed ={Feddspec uFedJ, Fedd =Qfedd, Feddspcc 4Jfeddspcc, (3)

¡=i ¡=i

где fed - федерация в общем виде;

к' - количество федератов, входящих в текущую федерацию; к - количество специальных федератов, входящих в текущую федерацию;

Feddspcc - множество специальных федератов (пользователей); feddspc(. - специальный федерат; Fedd - множество федератов; fedd - федерат.

При этом если Feddspcc = 0 или Fedd = 0 - имитатор не имеет смысла; Feddspcc > 1 - это многопользовательский имитатор; Fedd >1 - это распределенный имитатор; Fedd = const - статическая структура, Fedd Ф const - структура динамическая.

Специальный федерат - федерат, отражающий взаимодействие пользователя с рассматриваемой системой компьютерной имитации (вместо пользователя это может быть, например, другой имитатор или другая система). Как правило, функциями данного федерата являются синтезирование графики или звука, взаимодействие с устройствами ввода-вывода, обмен информации с другими системами (например, LMS-системой) и т.д., которые описываются следующим множеством:

fedd = {Object; и Math и Objectispec и Mathspec j, (4)

где fedd - федерат в общем виде; Object; - множество объектов; Math - имитационная модель; Objectispcc - заранее заложенные в систему объекты; Mathspcc - заранее заложенная имитационная модель.

При этом, если Math = 0 - без имитационной модели, иначе с мат. мод.; Objectispcc Ф 0 Mathspcc Ф 0 - специальный федерат (с заранее

определенными объектами и специальной имитационной моделью); Objectispcc = 0 Mathspcc = 0 - обычный федерат (рисунок 6).

Объекты представлены следующим множеством:

Object = {object, uObject2 иObject 3 иObjectispcc} , (5)

где Object - множество объектов модели в общем виде;

Object j - множество объектов, описывающих геометрию и внешний вид оборудования или процессов (3D объекты);

Object 2 - множество объектов, описывающих звуковые излучатели;

Objectj - множество объектов, описывающих текстовые данные;

Objectispec - заранее заложенные в систему объекты.

Object, = {objj}, Objcct2 ={obj,'}, Object3 ={obj,"}, (6)

где objj - множество атрибутов объекта.

objj ^atrib, +atrib2 +... + atribn}, (7)

где at rib | - атрибуты.

Федерат

Специальный

Objectispcc Ф О Mathjspcc Ф О

Обычный Objectispcc = О Mathispcc = О

Без мат. модели Math = О

С мат. моделью Math ф О

Рисунок 6. Классификация элемента HLA - федерата -Множество ребер графа описывается выражением:

Link = Link ronsl + Link vai + Link make (8)

где:

- постоянные ребра (Linkconst) - связь однажды закрепляется в модели и не изменяется в процессе функционирования имитатора;

- перенаправляемые ребра (Linkvar) - возникают, когда в процессе работы имитатора управление объектами переходит от одного федерата другому;

- создаваемые (1-лпктаке) - когда мощность множества федератов, входящих в федерацию, увеличивается в процессе функционирования имитатора.

Определение множества вершин и ребер позволяет классифицировать внутреннюю структуру имитаторов (рисунок 7) и построить модель, на основе которой формулируются ограничение на процессы композиции - декомпозиции, выбираются направления декомпозиции и определяются рекомендации по созданию имитаторов.

Рисунок 7. Внутренняя структура имитаторов

Статическая структура применяется в имитаторах, когда происходит имитация единичного неделимого объекта (или процесса), структура взаимодействий которого не изменяется. Например, имитация кинематики станка качалки. Динамическая структура с перераспределением применяется для имитации процессов, в которых происходит передача одного федерата к другому, например, запуск очистного устройства и его прием. Динамическая структура с порождением применяется для имитации в случаях, когда в процессе имитации появляются новые объекты или федераты. Например, появление нового очага пламени на объекте. Примером имитации с перераспределением и порождением может служить появление нового очага пламени и его переход на другой производственный объект.

Применение спецификации НЬА позволяет формализовать процесс проектирования имитаторов к следующей последовательности: - определение состава федерации,

- создание математических моделей федератов,

- определение атрибутов объектов и т.д.

Таким образом, решена задача обоснования принципиального состава имитаторов, определение методов реализации их элементов.

Третья глава посвящена разработке имитационной модели УШСН. На основе предложенной классификации рассматривается построение имитационной модели, приводится структура ее элементов и их объединение (рисунок 8).

На этапе составления технического задания установлены необходимые параметры имитатора на основе определенных пользовательских требований. Степень соответствия синтезируемого изображения оригиналу принята как психофизическое подобие. Степень соответствия синтезируемого звукового окружения - объемное звуковое сопровождение. Степень соответствия механизмов управления оригиналу -базовые устройства ввода-вывода ПК (монитор, клавиатура, манипулятор).

При разработке имитаторов принято, что адекватность математических моделей кинематических и силовых параметров УШСН должна составлять не менее 95%.

В качестве примера на рисунке 9 приведены фактическая (полученная, в результате измерений на реальном объекте, при заданных условиях) и полученная на имитаторе динамограммы, показывающие изменение нагрузки в точке подвеса насосных штанг в зависимости от их перемещения. Отклонение значений не превышает 3%. Масштаб времени - реальное время.

Имитационная модель УШСН содержит следующие основные модули: привод штангового скважинного насоса (ПШСН), станция управления, оборудование устьевое (ОУ), колонна штанг, скважина, штанговый скаженный насос (ШСН), динамограф. Кроме перечисленных, имитатор содержит модули вспомогательных объектов (стяжка балансира со стойкой, гаечные ключи и др.).

Рисунок 8. Структура имитатора УШСН

—•— Фактическая Имитируемая

Рисунок 9. Сравнение фактической и имитируемой динамограммы работы

УШСН

В диссертации представлены другие примеры адекватности математических моделей.

В четвертой главе представлены результаты апробации имитатора (рисунок 10) УШСН при выполнении следующих технологических операций основных процессов по ее эксплуатации и обслуживанию:

1. пуск и останов УШСН, в том числе останов в необходимом положении (рисунок 10, «а»);

2. изменение режима работы УШСН в зависимости от объема добываемой нефти, включая операции по изменению длины хода точки подвеса штанг, изменение количества двойных ходов (рисунок 10, «б»);

3. ремонтные операции по замене двигателя и шкивов УШСН;

операции по балансировке УШСН, включающие помимо перемещения грузов на кривошипе и интерпретацию показаний амперметра (рисунок 10, «в» и «г»);

РШ

Рисунок 10. Рабочие экраны имитатора УШСН

5. динамометрирование и выявление характерных неисправностей погружной части УШСН, определение параметров добываемой жидкости (газовый фактор, парафины и т.д.), включая операции монтажа динамографа, записи динамограммы, демонтажа динамографа и отображение полученных данных (рисунок 10, «д» и «е»);

6. моделирование аварийных ситуаций, возникающих при работе УШСН, и устранение возникающих неисправностей (обрыв штанг, перегрев или перегрузка электродвигателя, техническое состояние: устьевого оборудования, редуктора, клапанных узлов насоса, плунжерно-цилиндровой пары) (рисунок 10, «г»).

Рисунок 11. Рабочий экран имитатора УШСН

Выводы по работе

1. Установлено, что компьютерные имитаторы для нефтегазовой отрасли являются эффективным инструментарием отработки технологических и технических решений функционирования и совершенствования производственных процессов и оборудования.

2. Определена специфика имитаторов как класса программного обеспечения и области их применения в производственных процессах.

3. Исходя из целевого назначения имитаторов, выявлены и обоснованы предъявляемые к ним пользовательские требования.

4. Определен принципиальный состав и предложена формализованная последовательность разработки имитаторов и их элементов.

5. Результаты исследований реализованы на примере имитатора технологических операций при эксплуатации, обслуживании и ремонте установки штангового скважинного насоса.

Список работ по теме диссертации

1. Сызранцев В.Н. Компьютерные тренажеры для обучения студентов нефтегазового направления / Сызранцев В.Н., М.Д. Гаммер, K.M. Черезов // Бурение и нефть. - 2006. - №10. - С.34-36.

2. Черезов K.M. Компьютерный имитационный тренажер для исследования работы установки скважинного глубинного насоса / K.M. Черезов // Известия вузов. Нефть и газ. - 2010. - №3. - С. 101-106.

3. Черезов K.M. Опыт проектирования и использования тренажеров по работе установки штангового глубинного насоса / K.M. Черезов, В.Н. Сызранцев // Известия вузов. Нефть и газ. - 2010. - №4. - С.40-44.

4. Черезов K.M. Использование имитаторов в процессе управления рисками (менеджмент риска) / K.M. Черезов, В.Н. Сызранцев II Известия вузов. Нефть и газ. - 2011. - №2. - С.127-129.

5. Черезов K.M. Компьютерное моделирование расчета кинематики станка-качалки / K.M. Черезов, М.Д. Гаммер // Нефть и газ Западной

Сибири: Матер, межд. Науч.-техн.конф. (25-27 окт.2005 г.) Т.1. -Тюмень «Феликс», 2005. - С.113.

6. Черезов K.M. Компьютерное моделирование устройства и работы автоматической групповой замерной установки / K.M. Черезов, A.A. Безус // Нефть и газ Западной Сибири: Матер, межд. Науч.-техн.конф. (25-27 окт.2005 г.) Т.1. - Тюмень «Феликс», 2005. - С.112.

7. Сызранцев В.Н., Черезов K.M. Анимационная модель процесса сборки и разборки насоса НТП-75 / В.Н. Сызранцев, K.M. Черезов // Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения: Материалы Всероссийской науч.-техн.конф. (4-5 ноября 2004г.) - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. -С.169-171.

8. Черезов K.M. Виртуальная модель промывки скважины / K.M. Черезов // Информационные технологии в образовании: Тез. докл. регион, науч.-практич. конф. (20 мая 2004 г.) Т.1. - Тюмень «ТюмГНГУ», 2004. - С. 18-20.

9. Черезов K.M. Анимационная модель процесса сборки и разборки насоса НТП-75 / K.M. Черезов // Информационные технологии в образовании: Тез. докл. регион, науч.-практич. конф. (20 мая 2004 г.) Т. 1. - Тюмень «ТюмГНГУ», 2004. - С.68-69.

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612983 Лабораторная работа «Уравновешивание привода УШСН» Зарегистрировано 4.05.2010 г.

11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010613033 Лабораторная работа «Изменение режима работы эксплуатации УШСН (изменение длины хода)» Зарегистрировано 7.05.2010 г.

12.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010613035 Лабораторная работа «Динамометрирование УШСН» Зарегистрировано 7.05.2010 г.

13.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2006611727 Лабораторная работа «Кинематика станка-качалки» Зарегистрировано 24.05.2006 г.

Подписано в печать: 18.11.2011. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ .

Библиотечно-издательский комплекс государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет». 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.

Типография библиотечно-издательского комплекса. 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Тенденции проектирования компьютерных имитаторов. Классификация имитаторов. Систематизация пользовательских требований

1.1. Имитаторы - как отдельный класс программно-аппаратного обеспечения.

1.2. Имитатор как структурный компонент технологических процессов.

1.3. Определение и систематизация требований к имитаторам.

Глава 2. Определение и обоснование принципиального состава имитаторов и формализованной последовательности разработки их составных элементов

2.1. Построение математической модели.

2.2. Программная реализация.

2.3. Формирование изображения (синтез изображения).

2.4. Формирование звукового окружения (синтез звука).

2.5. Реализация механизмов взаимодействия между пользователем и имитатором.

2.6. Построение систем распределенной имитации.

2.7. Реализация возможности использования имитаторов в системах управления обучением.

Глава 3. Разработка имитационной модели УШСН.

3.1. Описание объекта имитации.

3.2. Формализованное описание объекта имитации.

3.3. Определение требований к универсальности.

3.4. Определение состава модели и взаимосвязи её элементов.

3.5. Имитационная модель УШСН.

3.6. Модель имитации оборудования устья.

3.7. Модель имитации колонны штанг.

3.8. Модель имитации системы скважины.

3.9. Модель имитации работы ШСН.

ЗЛО. Модель имитации динамографа.

Глава 4. результаты апробации имитатора УШСН.

4.1. Описание имитатора.

4.2. Изменение длины хода.

4.3. Динамометрирование УШСН.

Постоянное увеличение доли высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования, его сложность и энергоемкость, опасность целого ряда производственных процессов, как в нефтегазовой, так и- других отраслях промышленности, вызвало появление программно-аппаратных средств; имитирующих и отображающих реальные процессы в виртуальной среде. Применение таких средств позволяет проводить мониторинг, исследование и анализ технологических процессов, оценивать эффективность новых технологических и технических решений, совершенствовать основные и вспомогательные производственные процессы. Решение указанных задач на основе компьютерных имитаторов не требует вмешательства в производственные процессы, исключает в процессе имитации возможность возникновения реальных инцидентов* и аварий в случае неверных технических и технологических решений и ошибочных действий персонала.

Проведение' имитации на реальных объектах и оборудовании сопряжено с существенными трудностями технического плана и значительными материальными затратами:

1. Высокой стоимостью оборудования и его эксплуатации.

2. Морально-устаревшим оборудованием, малым* спектром имеющегося оборудования по сравнению с условиями производства:

3. Большой удаленностью от места расположения оборудования.

4. Высокой опасностью выполняемых работ.

5. Высокой» сложностью изменения конфигурации оборудования и параметров среды.

6. Большой длительностью проведения работ.

7. Невозможностью визуального наблюдения внутренней структуры имитируемого оборудования, микро- и макрообъектов и процессов, быстрых или медленных технологических и природных процессов или явлений.

8. Невозможностью визуального наблюдения абстрактных понятий или концепций (например, визуализация накопления усталостных повреждений).

9. Сложностью показа и оценки возможных последствий альтернативных условий и направлений деятельности.

10. Необходимостью быстрогополучения результатов.

Проблемы-разработки компьютерных имитационных тренажеров и их программного обеспечения приведены в' работах Дозорцева В. М. [50], Луценко Е.В. [65], Башкова К.А. [16], Казака А.Б. [16], Вигера И.Н. [20], Т. Kanade, P.J. Narayanan, Р. Rander. Вопросами разработки- И' производства компьютерных имитаторов занимаются* такие известные фирмы, как Honeywell, Boeing; British Petroleum, Total1, DrillSim и*другие.

По мере роста вычислительных мощностей интерес-к таким средствам имитации только-увеличивается. Материалы международных конференций в области современных средств . моделирования и имитации, каких как, International- Training and Education* Conference (ITEC), The Society for Modeling and Simulation International (SCS), Special Interest Group on Graphics and. Interactive Techniques (SigGraph), International Conference on Artificial Reality and'Tele-existence свидетельствуют о том, компьютерные имитаторы находят все большее применение в авиации, судовождении, энергетике, вооруженных силах, медицине; космонавтике и тех областях, где проведение физического эксперимента сопряжено с отмеченными ранее трудностями либо строго регламентируется законодательством (тренажеры).

Несмотря на эффективность имитаторов, их разработка и внедрение сдерживаются следующими факторами:

1. отсутствием классификации имитаторов;

2. отсутствием описания специфики имитаторов как класса программного обеспечения и методов реализации его составных элементов;

3. отсутствием систематизации пользовательских требований к имитаторам (адекватность математической модели, качество синтеза графики, звука, взаимодействия и т. д.), что затрудняет, например, проведение тендеров на разработку или поставку;

4. несогласованностью интерфейсов взаимодействия существующих имитаторов друг с другом, что затрудняет их интеграцию и дальнейшее совместное использование;

5. низким уровнем владения технологией практического использования имитаторов специалистами предприятий;

6. низким уровнем владения технологией проектирования имитаторов специалистами предприятий;

7. отсутствием универсальных систем автоматизированного проектирования для создания имитаторов;

8. отсутствием оценки экономической эффективности от применения имитаторов;

Указанные затруднения сдерживают разработку и внедрение имитаторов, позволяющих повысить уровень производственной деятельности предприятий нефтегазовой отрасли.

Цель настоящей работы заключается в: обосновании и разработке методов компьютерного имитирования технологических процессов и оборудования предприятий нефтегазовой отрасли.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

1. исследование современного состояния вопроса по разработке и применению имитаторов в нефтегазовой отрасли;

2. определение специфики имитаторов, как класса программного обеспечения (классификация);

3. выявление и систематизация пользовательских требований к создаваемым имитаторам для нефтегазовой отрасли;

4. обоснование принципиального состава имитаторов, определение методов реализации их элементов;

5. на основе полученных результатов разработать имитатор установки штангового скважинного насоса (УШСН).

Объект исследования: компьютерная имитация процесса эксплуатации и обслуживания УШСН.

Предмет исследования: программно-аппаратная платформа и методы разработки компьютерных имитаторов.

Методы исследования. При исследовании использованы методы теории графов, математического моделирования, теории компьютерной графики, теории алгоритмов и программирования.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Классификация имитаторов технологических процессов ' и оборудования для нефтегазовой отрасли;

2. Систематизация пользовательских требований к компьютерным имитаторам.

3. Обоснование выбора технологии распределенного имитационного моделирования при создании имитаторов производственных процессов;

4. Имитатор установки скважинного глубинного насоса (УШСН).

Научная новизна:

1. Систематизированы пользовательские требования к компьютерной имитации технологических процессов и оборудования в нефтегазовой отрасли.

2. Предложена классификация структуры имитаторов, обеспечивающая определение его составных элементов и их взаимосвязей в зависимости от целевого назначения.

3. Обоснована формализованная последовательность построения имитаторов, основанная на интеграции технологии распределенного имитационного моделирования и технологии предоставления электронного образовательного контента.

Практическая ценность результатов:

Систематизация пользовательских требований к имитаторам для нефтегазовой отрасли позволяет устранить проблемы, возникающие между разработчиками, заказчиками и конечными пользователями имитаторов.

Унификация структуры имитаторов и методов реализации их элементов позволяет многократное применение отдельных модулей при описании различных производственных процессов.

Формализованная последовательность построения имитаторов реализована на примере УШСН, позволяющего осуществлять имитацию основных технологических операций обслуживания установки в процессе эксплуатации.

Результаты работы используются при разработке компьютерных имитаторов в Научно-исследовательском институте электронных образовательных ресурсов Тюменского государственного нефтегазового университета (НИИ ЭОР ТюмГНГУ), внедрены в ООО «Газпром трансгаз

Югорск» в виде имитатора «Поиск неисправностей при обходе оборудования компрессорного цеха», внедрены в учебный центр ОАО «Сибнефтепровод» в виде имитаторов «Техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонт интеллектуального преобразователя давления УОКОСА\¥А ЕЖ 430», «Техническое обслуживание, текущий ремонт, подключение и настройка электропривода задвижки ЭПЦ-100», «Технология процесса пуска и приема средств очистки и диагностики трубопроводов». Созданный компьютерные имитаторы кинематики станка-качалки внедрен в учебный процесс РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Созданный компьютерный имитатор УШСН применяется в учебном процессе ТюмГНГУ.

Апробация научных положений и результатов работы:

Основные положения и результаты' работы докладывались на региональной научно-технической конференции «Информационные технологии в образовании» (Тюмень, 2004 г.); международной научно-практической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 2005 г.); Всероссийском форуме "Современная образовательная среда - 2006" (Москва, 2006 г.); Всероссийском форуме "Современная образовательная среда - 2010" (Москва, 2010 г.).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, из которых четыре в рекомендованных ВАК РФ изданиях, на созданные имитационные комплексы получены четыре свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ (№2010612983, 2010613033, 2010613035, 2006611727).

Комплекс компьютерных имитаторов по работе и обслуживанию УШСН экспонировался на Всероссийской выставке «Современная образовательная среда - 2010» и награжден золотой медалью и дипломом первой степени.

Структура диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 141 странице машинописного текста, содержит 40 рисунков и графиков, 8 таблиц, список литературы из 105 наименований.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлено, что компьютерные имитаторы для нефтегазовой отрасли являются эффективным инструментарием отработки технологических и технических решений функционирования и совершенствования производственных процессов и оборудования.

2. Определена специфика имитаторов как класса программного обеспечения и области их применения в производственных процессах.

3. Исходя из целевого назначения имитаторов, выявлены и обоснованы предъявляемые к ним пользовательские требования.

4. Определен принципиальный состав и предложена формализованная последовательность разработки имитаторов и их элементов.

5. Результаты исследований реализованы на примере имитатора технологических операций при эксплуатации, обслуживании и ремонте установки штангового скважинного насоса.

1. "Extendible Tracking by Line Auto-Calibration" / Jiang Bolan, Neumann Ulrich // Proceedings of International Symposium on Augmented Reality, pp:97-103, New York, NY, October 2001.

2. Advanced Distributed Learning. Sharable Content Object Reference Model (SCORM) 2004 / Перевод с англ. E.B. Кузьминой. M.: ФГУ ГНИИ ИТТ "Информика", 2005. - 29-с.

3. Burdea- G., Coiffet P. Virtual Reality Technology. New York: John Wiley&Sons, Inc, 1994.

4. IEEE Recommended Practice for High Level Architecture (HLA) Federation Development and Execution Process (FEDEP)

5. IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA) Federate Interface Specification 1516.2-2000

6. IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA) Framework and Rules 1516.1-2000*

7. IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA) Object Model Template (OMT) Specification 1516.32003

8. IMS Global Learning Consortium, Inc Electronc resource. — Electronic data. Режим доступа: http://www.imsproject.org/

9. ISO 10075 Ergonomic principles related to mental workload.lO.ISO 13407 Human centred design processes for interactive systems .

10. ISO 9241-10 (1996) Ergonomic requirements for office work with visual display terminals (VDT)s.

11. J. W. Lee, S. You, and U. Neumann,"Tracking with Omni-Directional Vision for Outdoor AR Systems," IEEE ACM International Symposium on Mixed- and Augmented Reality (ISMAR 2002), pp. 47-56, Darmstadt, Germany, October 2002.

12. S. You and U. Neumann. "Fusion of Vision and GyroTracking for Robust Augmented Reality Registration"IEEE Virtual Reality 2001, pp.71-78, Yokahama Japan, March 2001.

13. The Society for Modeling and Simulation InternationalElectronc resource. Electronic data. - Режим доступа: http://www.scs.org/Publications.cfm

14. Артоболевский И. И. ТММ./учебник для вузов/.-4-e изд., перераб. и доп.-М.: Наука, 1988.

15. Башков К.А., Казак А.Б. Генераторы изображения для авиатренажеров // Зарубежная радиоэлектроника. 1984, №8. - С. 60 - 68.

16. Белоконев И. М. ТММ: Методы автоматизированного проектирования. Уч. пособие для техн.вузов. Киев: Высшая школа, 1990.

17. В.А. Кравец. Системный анализ безопасности в нефтяной и газовой промышленности. М.: "Недра"" 19841 121 стр.

18. Вермишев Ю.гХ. Основы автоматизации проектирования / Ю.Х. Вермишев. М.: Радио и связь, 1988. — 279 с.

19. Вигер И.Н. Реальные деньги виртуальной реальности. Компьютерра Электронный ресурс. // Электрон, журн. - свободный. - 24 февр. 2004 г. - Режим доступа: http://oldwww.computerra.ru/hitech/perspect/32083/.

20. Википедия свободная, энциклопедия Электронный ресурс. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/CUDA

21. Википедия свободная энциклопедия Электронный ресурс. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/GPGPU

22. Википедия свободная энциклопедия Электронный ресурс. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/IDEF

23. Википедия свободная энциклопедия Электронный ресурс. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/LevelofDetail

24. Википедия свободная энциклопедия Электронный ресурс. - Режим доступа: http ://ru. wikipedia.org/wiki/MessagePassingInterface, свободный. Message Passing Interface• ■ ' 133

25. Википедия свободная энциклопедия Электронный ресурс. - Режим; доступа: http://m.wikipedia.org/wiki/]V[PICH:27:Википедия свободная энциклопедия; Электронный ресурс. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/NVIDIA Тез1а

26. Википедия свободная энциклопедия Электронный: ресурс. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/OpenCL

27. Википедия свободная; энциклопедия; Электронный ресурс. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/BOKCEJI

28. Википедия свободная энциклопедия Электронный ресурс. - Режим-, доступа: http://ru.wikipediaюrg/wiki/Диcтaнциoннoeoбyчeниe

29. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р. и др. Приемы, объектно-ориентированного программирования:. Паттерны проектирования / Э. Гамма; Р. Хелм, Р; Джонсон и др. Пер., с англ. СПб;-: Питер, 2004.-зббс. ■

30. Гаммер М.Д. Виртуальный стенд для испытаний компрессора 4ВУ1-5/9 / М.Д. Гаммер // Проектирование и эксплуатация? нефтегазового оборудования:; проблемы и решения: Материалы Всероссийской науч.-техн Конференции 4-5 ноября 2004 г.- Уфа; 2004. С. 166-168.

31. Гаммер. М;Докомпьютерные, имитационные тренажеры» в открытом профессиональном образовании. Научно-практический журнал "Открытое образование" (ШМ 1818-4243, УДК 004:378 N0.5 за 2009 / Сызранцев В.Н. Колесов В.И.

32. Зб.Гаммер. М.Д.Опыт проектирования распределенных тренажерных систем для обучения студентов нефтегазового направления. Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. / Тюмень, ТюмГНГУ 2009 №3 стр 103-108. /Сызранцев В.Н. Колесов В.И. Гильманов Ю.А.

33. Гаммер. М.Д.Создание и использование электронных образовательных ресурсов в формате SCORM. Материалы региональной научно-практической; конференции-выставки конференции «Инновации в образовании». — Тверь, 18 декабря 2008.

34. ГОСТ 22487-77. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.

35. ГОСТ 23501.119-83. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы.

36. ГОСТ 26387-84. Система человек-машина. Термины и определения // Государственный комитет СССР по стандартам. М.: Изд-во стандартов, 1984.

37. ГОСТ 26387-84. Система человек-машина. Термины и определения.

38. ГОСТ 34.003-90. Информационная технология. Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы // Комитет стандартизации -и метрологии СССР по стандартам. М.: Изд-во стандартов, 1991.

39. Гуревич С. Б. и др. Голографическое телевидение / С. Б. Гуревич // Техника кино и телевидения. 1970. - №7. - С.59-66.

40. Жук Д. М. Технические средства и операционные системы САПР / Д. М. Жук. М.: Высшая школа, 1986.

41. Иванов В: П., Батраков А. С. Трехмерная компьютерная графика / В.11. Иванов, А. С. Батраков. М.: Радио и связь, 1995. - 225 с.

42. Информационно-интерактивный . портал . "Российские электронные библиотеки" Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа:: http://www.elbib.ru/. ,

43. Комплекс виртуального макетирования многоцелевого самолета-амфибии Бе-200 Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: http://www.jcsi.ru/vr/products/projects/be200/be200.htm

44. Кроссплатформенная графическая библиотека Электронный ресурс. -Электрон, дан. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Trolltech

45. Кроссплатформенная программная библиотека для работы с аудио аппаратурой компьютера OpenAL Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/OpenAL

46. Кудрявцев. Е.М. Имитационное моделирование производственных процессов: учеб. пособие / Е.М. Кудрявцев. М.: МИСИ, 1985. - 88 с.

47. Луценко Е.В., Критерии реальности и принцип эквивалентности виртуальной и "истинной" реальности. Электронный ресурс.: научный электронный журнал / Е.В. Луценко. Электрон, дан. - КубГАУ, 2004. - № 06(8)

48. Марр Д. Зрение. Информационный подход к изучению представления и обработки зрительных образов / Д. Марр М.: Радио и связь, 1987.

49. Мартынов А.П. Системное моделирование производственных процессов. Издательство "Гилем" Уфа-1998 212 стр.

50. Метадан учебного объекта (Learning Object Metadata) Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: IEEE PI484.12.1 Learning Object Metadata (LOM) ~ Data Model

51. Моделирование сложных систем и виртуальная реальность // Вопросы кибернетики: сб.к науч. ст. редкол.: Ю.М. Баяковский и А.Н.Томилин. М: Изд-во РАН, 1995. - №181. - 212с.

52. Общая характеристика систем виртуального окружения Электронный ресурс. Электрон. дан. - Режим доступа: www.sim-mfti.ru/content/972/node20.html

53. Описание инструментария разработчика VegaPrime Электронный ресурс. Электрон: дан. - Режим доступа: . 74.Портал разработчиков имитационных систем в образовательной сфере [Electronc resource]. — Electronic data. - Режим доступа: www.modsim.org

54. Почти совершенное виртуальное решение Электронный ресурс. // Директор ИС. Электрон, дан., - 2006. - №07. - Режим доступа: http://www.osp.ru/cio/2006/07/2545023/p3 .html

55. Привод штангового глубинного насоса ПШСН 8-3-5500. Техническое описание. Екатеринбург, ПО «Уралтрансмаш», 1996.

56. Применение компьютерных имитационных тренажеров и систем виртуальной реальности в учебном процессе Электронный ресурс. -Электрон. дан. Режим доступа: http://www.really.ru/kb.php?mode=article&k=41

57. Программно-аппаратный комплекс оперативного контроля штанговых глубиннонасосных установок. Динамограф СИДДОС-Автомат-3. Техническое описание. Томск, ТНПВО "Сиам", 1998.139

58. Программное обеспечение компании MultiGen-Paradigm, Inc. Электронный ресурс. Электрон, дан: - Режим доступа:; http://www.jcsi.ru/vr/products/index.htm

59. РД 50-34.698-90. Методические указания., Информационная; технология. Комплекс: стандартов и руководящих документов . на автоматизированные системы. Автоматизированные системы:

60. Рост Р. Дж. OpenGL. Трехмерная графика и язык программирования шейдеров. Для профессионалов / Р. Дж. Рост. СПб.: Питер, 2005. - 428 е.: ил.

61. С.Н. Рожков, Н:Л. Овсянникова. Стереоскопия в; кино-, фото-, видеотехнике. Терминологичёский;словарь. Mi: Парадиз, 20031

62. Сайт IASIG (Interactive Audio Special Interest Group) Electronc resource. — Electronic data. Режим доступа: http://www.iasig.org/

63. Сайт компании VE GROUP Электронный ресурс. Электрон, дан. -Режим доступа: http://www.ve-group.ru

64. Сайт Ml ТУ Гражданской авиации Электронный ресурс. Режим , доступа:http://www.mstuca.ru/rl/modules/smartsection/item.php?itemid=696 •

65. Сайт НИИ ЭОР ТюмГНГУ Электронный ресурс. Режим доступа: http://cdc.tsogu.ru/

66. Система поддержки учебного процесса Educon Электронный ресурс. -Электрон: дан. Режим доступа: http://educon.tsogu.ru:8081

67. Система разработки виртуальных окружений VR Juggler Electronc resource. Electronic data. - Режим доступа: http:// www. vrjuggler. org/ documentation .php#vrj uggler

68. Система разработки виртуальных окружений Аванго Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: http://www.sim-mfti.ru/content/?fl=326&doc=990

69. Системы автоматизированного проектирования. Кн. 1: учеб. пос. для втузов / И.П. Норенков. М.: Высшая школа, 1986.

70. Системы виртуальной реальности. Образовательный портал московского государственного института электроники и математики Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: http://dlc.miem.edu.ru/newsite.nsi7docs/CSD309'

71. Системы имитации осязания Электронный ресурс. Электрон: дан. -Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/Haptic

72. Современные звуковые технологии в* играх Электронный ресурс. -■Электрон. дан. Режим доступа: http://www.ixbt.com:80/multimedia/sound-technology-in-games-2003

73. Сызранцев В.Н., Гаммер М.Д. Виртуальный стенд для испытаний компрессора 4ВУ1-5/9 / В.Н. Сызранцев, М.Д. Гаммер // Региональная научно-практическая конференция "Информационные технологии в образовании". Тюмень: ТюмГНГУ, 2004.

74. Томилин А.Н., Афанасьев В.О. Виртуальная реальность / А.Н. Томилин, В.О. Афанасьев // Наука и жизнь. 1999. - №2. - с.112, с.58-60.

75. Техногенные аварии и катастрофы Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: http://m.wikipedia.org/wiki/ABapmi

76. Хилл Ф. OpenGL. Программирование компьютерной графики / Ф. Хилл. СПб.: Питер,2002.- 1088с.

77. Хуторский А.В. Современная дидактика.-СПб.,2001.

78. Черезов K.M. Компьютерное моделирование расчета кинематики станка-качалки / K.M. Черезов, М.Д. Гаммер // Нефть и газ Западной Сибири: матер, межд. науч.-техн.конф. 25-27 окт. 2005 г. Т.1. — Тюмень: Феликс, 2005. - С.113.

79. Шикин Е.В., Боресков A.B. Компьютерная графика. Полигональные модели / Е.В. Шикин, A.B. Боресков. М.: Диалог-МИФИ, 2001. - 464с.

80. Эйнджел Эдвард. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL, 2 изд.: Пер. с англ / Эдвард Эйнджел. -М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. 592с.: ил.

81. Экологический менеджмент Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: Ьйр://ги^1к1рес11а.ог§/ш1к1/Экологическийменеджмент

82. Язык программирования Lúa Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Lua