автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка специализированной инструментальной среды для исследования проблем живучести больших трубопроводных систем

Список сокращений

Введение

1 Живучесть отраслевых систем как важная составляющая энергетической безопасности страны

1.1 Проблема исследования живучести систем энергетики

1.2 Сложившаяся схема исследований в этой области

1.3 Развитие инструментальных средств для исследования живучести систем энергетики и топливно-энергетического комплекса

2 Большие трубопроводные системы, как объект исследования и моделирования

2.1 Единая система нефте- и нефтепродуктоснабжения

2.1.1 Подсистема добычи нефти

2.1.2 Подсистема магистрального транспорта нефти

2.1.3 Подсистема переработки нефти

2.1.4 Подсистема нефтепродуктообеспечения

2.2 Единая система газоснабжения

2.2.1 Подсистема добычи газа

2.2.2 Подсистема магистрального транспорта газа

2.3 Система моделей для исследования экстремальных ситуаций в нефтегазовом комплексе

2.3.1 Модель оценки производственных возможностей системы нефте- и нефтепродуктоснабжения

2.3.2 Модель оценки производственных возможностей системы газоснабжения

2.3.3 Существующие инструментальные средства для исследования живучести систем газо-, нефте- и нефтепродуктоснабжения

2.3.4 Основные проблемы, возникающие при работе с комплексами "НЕФРИТ" и "ГАЗЕЛЬ"

3 Предлагаемый подход к комплексному исследованию работы больших трубопроводных систем с позиций обеспечения их живучести

3.1 Анализ применимости существующих подходов и инструментальных средств.

3.2 Суть предлагаемого подхода

3.2.1 Методика определения и ранжирования "узких" мест в работе больших трубопроводных систем с позиций обеспечения их живучести

3.2.2 Принципы построения и методика создания специализированной инструментальной среды для исследования проблем живучести больших трубопроводных систем

4 Разработка программно-вычислительного комплекса "Нефть и газ России"

4.1 Информационная поддержка исследований

4.2 Интерфейс пользователя

4.2.1 Структура конфигурационного файла

4.2.2 Основные возможности интегрированной инструментальной среды

5 Технология проведения исследования проблем живучести больших трубопроводных систем с помощью программно-вычислительного комплекса "Нефть и газ России"

5.1 Проведение исследований с помощью интегрированной инструментальной среды

5.2 Определение "узких" мест

5.3 Пример

5.3.1 Сценарий возмущения

5.3.2 Анализ результатов расчета

5.3.3 Анализ "узких" мест 98 Литература

Список сокращений

БД - база данных

БТС - большие трубопроводные системы

ЕСГ - единая система газоснабжения

ЕСН - единая система нефте- и нефтепродуктоснабжения

ИСС - интегрированная инструментальная среда

КС - компрессорная станция

ПВК - программно-вычислительный комплекс

СУБД - система управления базами данных

СЭ - система энергетики

ТЭК - топливно-энергетический комплекс

ЭБ - энергетическая безопасность

НПЗ - нефтеперерабатывающий завод

ТЭР - топливно-энергетический ресурс

НПС - нефтеперекачивающая станция

Актуальность проблемы. Актуальность исследований проблем живучести систем энергетики весьма высока и определяется значительным количеством угроз процессу нормального топливо- и энергоснабжения в нормальных условиях, и особенно в условиях чрезвычайных ситуаций. Это и старение оборудования, высокая концентрация энергетических мощностей и энерготранспортных коридоров, социальная и политическая напряженность в ряде регионов и т.д. Значительная роль при этом отводится работе ЕСН и ЕСГ, отвечающих за добычу и транспорт до основных мест потребления нефти и газа, удельный вес которых в балансе первичных ТЭР России составляет 32 и 50% соответственно. В силу специфики организации работы этих отраслей в России (когда основные места добычи находятся в тысячах километров от мест основного потребления) особую значимость приобретают вопросы исследования возможностей работы их транспортных составляющих - больших трубопроводных систем (БТС).

В силу невозможности проведения крупномасштабных экспериментов на федеральных технологических СЭ, наиболее удобным при исследовании живучести СЭ является использование имитационного подхода. Для проведения исследования возможностей функционирования ЕСГ и ЕСН как в нормальных условиях, так и в условиях чрезвычайных ситуаций используются ранее разработанные ПВК "НЕФРИТ" и "ГАЗЕЛЬ", позволяющие оценить возможности названных систем по удовлетворению потребителей газом, нефтью и нефтепродуктами.

При исследовании проблем живучести СЭ возможны ситуации, когда накладываемое возмущение может отразиться на работе не только одной, но и нескольких систем, например при расположении участков магистральных газо- и нефтепроводов на небольшом расстоянии друг от друга, либо их пересечении авария на одном из них может затронуть все магистральные трубопроводы. В таком случае необходимо одновременно исследовать работу двух или более СЭ 5 для того, чтобы оценить удовлетворение потребителей всеми исследуемыми видами энергоресурсов.

При анализе результатов расчета на ПВК "НЕФРИТ" и "ГАЗЕЛЬ" наиболее сложно определить ограничивающие поток энергоресурсов ("узкие") места и проследить логические цепочки, связывающие потребителя, недополучившего требуемое количество энергоресурса и "узкое" место, по вине которого это произошло, которое может быть отделено от него большим количеством дуг и пересечений. Связать эти факты воедино без достаточной степени наглядности - весьма трудоемкая работа. Кроме того, необходимо уметь ранжировать по результатам исследования "узкие" места в работе систем по приоритетности (очередности) применения мероприятий для минимизации дефицита энергоресурсов у потребителя. При использовании ПВК "НЕФРИТ" и "ГАЗЕЛЬ" эту задачу можно решить только путем многоитерационных расчетов, и то не всегда эффективно.

В процессе исследования с помощью ПВК "НЕФРИТ" и "ГАЗЕЛЬ" исследователь сталкивается с множеством проблем, связанных с обработкой результатов расчета, так как эти комплексы не имеют средств графической интерпретации расчетной информации.

ПВК "НЕФРИТ" и "ГАЗЕЛЬ" были построены по единым принципам, но являются отдельными программными продуктами, что ограничивает возможность их применения в "чистом виде" для решения взаимосвязанных задач.

Перечисленные обстоятельства определяют необходимость разработки специального инструментария, автоматизирующего процесс исследования проблем живучести СЭ с использованием возможностей современных информационных технологий.

Цель работы заключается в изучении и решении следующих проблем: • выявление основных требований к инструментарию, автоматизирующему процесс исследования проблем живучести СЭ и способному проводить комплексное исследование функционирования нескольких отраслевых СЭ в различных условиях с позиций ЭБ;

• определение возможности адаптации и использования существующего, либо разработка нового специализированного программного обеспечения для исследования проблем живучести СЭ;

• разработка принципов создания инструментария, автоматизирующего исследования проблем живучести СЭ, в частности БТС;

• разработка инструментария, позволяющего проводить комплексное исследование возможностей функционирования ЕСГ и ЕСН как в нормальных условиях, так и в условиях чрезвычайной ситуации.

В диссертации рассматриваются и защищаются следующие положения:

• Принципы построения и методика создания специализированной инструментальной среды для комплексного исследования проблем живучести СЭ на примере больших трубопроводных систем.

• Методика определения и ранжирования "узких" мест в работе больших трубопроводных систем с позиций обеспечения их живучести.

• Инструментарий для комплексного исследования проблем живучести больших трубопроводных систем, созданный на основе предложенных принципов и разработанной методики.

• Технология проведения исследования проблем живучести больших трубопроводных систем с помощью программно-вычислительного комплекса "Нефть и газ России".

Научная новизна работы:

1. Впервые выполнена содержательная постановка задачи комплексного исследования проблем живучести нескольких СЭ.

2. Предложена методика определения и ранжирования "узких мест" в работе больших трубопроводных систем с позиций обеспечения их живучести.

3. Предложены принципы построения и методика разработки инструментария для автоматизации комплекса исследований проблем живучести СЭ

4. Разработан инструментарий для комплексного исследования проблем живучести БТС.

Практическая значимость. На основе предложенной методики создания специализированной инструментальной среды для комплексного исследования проблем живучести СЭ была разработана интегрированная инструментальная среда программно-вычислительного комплекса "Нефть и газ России", который объединяет посредством графического интерфейса пользователя три основных блока:

• ПВК "НЕФРИТ" и "ГАЗЕЛЬ";

• базу данных для хранения необходимой информации об объектах ЕСГ и ЕСН;

• среду для отображения исходной информации и интерпретации результатов расчета на моделях ЕСГ и ЕСН.

Использование ПВК "Нефть и газ России" дает возможность провести менее трудоемкий, более качественный и эффективный анализ ситуации и осуществить выбор соответствующих первоочередных действий или мероприятий при различных сценариях возмущений, что позволит в дальнейшем, основываясь на многоитерационных расчетах экспертным путем выявить наиболее рациональные пути повышения живучести СЭ.

Апробация работы. Соответствующие результаты работы докладывались на:

27, 28, 29, 30 конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН г. Иркутск 1998-2001 гг.;

Всеросийских семинарах "Информационные технологии в энергетике" г. Иркутск 1999 г., 2000 г.; конференциях "Вычислительные технологии", г. Новосибирск 1998 г., 2000 г.

Основные результаты опубликованы в [1- 4].

Предлагаемая работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Во введении описана актуальность создания инструментария, автоматизирующего исследование проблем живучести ЕСГ и ЕСН.

В первой главе раскрыта суть проблемы исследования живучести отраслевых систем, как важной составляющей ЭБ страны, описана сложившаяся схема исследований в этой области, представлено краткое описание разработок, положивших начало современной информационной технологии исследований ТЭК с позиций обеспечения ЭБ.

Во второй главе рассмотрены ЕСН и ЕСГ как объекты исследования. Описаны технологические особенности систем, их современное состояние, рассмотрены положительные и отрицательные стороны существующего состояния ЕСН и ЕСГ с позиций обеспечения их живучести. Также дано описание методов и моделей, предназначенных для оценки производственных возможностей ЕСН и ЕСГ с позиций обеспечения их живучести при различного рода возмущениях и лежащих в основе существующих ПВК "НЕФРИТ" и "ГАЗЕЛЬ".

В третьей главе представлен предлагаемый подход к вопросу комплексного исследования проблем живучести СЭ, выражающийся в нахождении или создании инструментария, удовлетворяющего следующим требованиям:

• проведение комплексного исследования условий работы нескольких отраслевых СЭ;

• получение на картографической основе наглядного отображения исходной информации и графической интерпретации рассчитанной на моделях информации о работе любого из объектов ЕСГ и ЕСН;

• исследование возможностей удовлетворения спроса потребителей на тот или иной энергоресурс;

• оказание помощи в определении "узких" мест в работе СЭ в различных условиях;

• агрегирование результатов расчета по группам потребителей, задаваемых исследователем.

Также в третьей главе приведено описание существующего программного обеспечения, которое можно адаптировать для исследования проблем живучести больших трубопроводных систем (БТС), показана необходимость разработки нового инструментария, описываются разработанные автором принципы и методика создания необходимого инструментария, методика определения и ранжирования "узких" мест в работе больших трубопроводных систем с позиций обеспечения их живучести.

В четвертой главе приводятся структуры баз данных по ЕСГ и ЕСН, дается подробное описание пользовательского интерфейса ПВК "Нефть и газ России".

В пятой главе описывается технология исследования проблем живучести БТС при помощи этого комплекса и приведен пример использования программно-вычислительного комплекса "Нефть и газ России" для исследования последствий гипотетической аварии на пересечении магистральных нефте- и газопроводов.

В заключении приведены основные итоги, полученные при выполнении данной работы, подчеркнута новизна и актуальность предлагаемого подхода для решения проблемы комплексного исследования проблем живучести СЭ на примере БТС и обозначены направления развития исследований функционирования БТС с позиций обеспечения их живучести, как в методическом плане, так и в плане развития соответствующего инструментария.

Заключение

При выполнении настоящей работы были получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ особенностей схемы исследования живучести СЭ и современного уровня решения проблемы.

2. Проанализирована принципиальная схема работы ЕСГ и ЕСН и выделены особенности исследования возможностей функционирования этих систем с позиций обеспечения их живучести.

3. Разработаны принципы и методика создания специализированной графической инструментальной среды для комплексного исследования проблем живучести СЭ на примере ЕСГ и ЕСН.

4. Разработана методика определения "узких" мест в работе ЕСГ и ЕСН с позиций обеспечения их живучести.

5. Создана ИИС, автоматизирующая процесс комплексного исследования проблем живучести БТС и поддерживающая процесс принятия решений в этом аспекте.

6. На основе ПВК "НЕФРИТ" и "ГАЗЕЛЬ", БД и ИИС создан ПВК "Нефть и газ России", позволяющий:

- проводить комплексное исследование возможностей функционирования ЕСГ и ЕСН как в нормальных условиях, так и в условиях чрезвычайной ситуации;

- оперативно выявлять "узкие" места в работе исследуемых СЭ;

- графически отображать сеть системы трубопроводного транспорта в удобном для исследователя виде;

- представлять исследователю как исходную, так и расчетную информацию о любом объекте ЕСГ или ЕСН, а также подробную картину степени удовлетворения, как отдельных потребителей, так и их групп нефтью, газом и нефтепродуктами;

- автоматизировать рутинные операции при работе с ПВК "НЕФРИТ" и "ГАЗЕЛЬ";

- проводить поиск объектов по коду.

7. Разработана технология проведения исследования проблем живучести БТС с помощью ПВК "Нефть и газ России".

Несмотря на то, что работа в той постановке, которая была вынесена в название, по мнению автора, является законченной и достаточно полной, безусловно необходимым является ее продолжение, выражающееся в дальнейшем развитии ПВК "Нефть и газ России" в нескольких направлениях [53]. В первую очередь это связано решением проблемы подготовки исходных данных к расчету, что сейчас занимает продолжительное время. Во-вторых, в ИИС должна быть возможность визуального наложения сценариев возмущения. В третьих, необходима доработка ИИС, касающаяся проведения многовариантных расчетов и сохранения его результатов в БД, так как в настоящее время исследователь сам заботится о хранении исходной и расчетной информации, касающейся просчитанного варианта.

В качестве эксперимента можно рассмотреть возможность подключения соответствующей модели ЭЭС и исследовать при помощи ПВК "Нефть и газ России" зависимость нормальной работы ЕСН от ЭЭС (в плане поставок электроэнергии).

В дальнейшем можно рассматривать перспективу перевода БД, где хранится исходная информация, под управление СУБД ЫегЬазе, что позволит отказаться от морально устаревшей библиотеки ВБЕ, хранения копии БД на каждой локальной машине, а также автоматически решает проблему ее резервирования и восстановления.

Таким образом, целью дальнейшего развития ПВК "Нефть и газ России" является его постепенное превращение в некую "визуальную" среду для исследования проблем живучести СЭ.

1. Еделев A.B., Еникеева С.М., Сендеров С.М. Информационное обеспечение при исследовании вопросов функционирования больших трубопроводных систем // Вычислительные технологии. 1999. - том 4, N. 5. - С. 30 - 35.

2. Еделев A.B. Развитие интегрированной инструментальной среды ПВК "Нефть и газ России".//Системные исследования в энергетике. Иркутск: ИСЭМ СО РАН 1999.- 249 е.- (Труды молодых ученых; Вып. 29) - С. 176179.

3. Энергетическая безопасность России /В.В. Бушуев, Н.И. Воропай, A.M. Мастепанов, Ю.К. Шафраник и др. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1998.-302 с.

4. Energy Dictionary / World Energy Council. Paris: Jouve SI., 1992.-635 p.

5. Надежность систем энергетики: достижения, проблемы, перпесктивы / Г.Ф. Ковалев, Е.В. Сеннова, М.Б. Чельцов и др./ Под ред. Н.И. Воропая,- Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1999.- 434 с.

6. Надежность систем энергетики и их обрудования / Под общей редакцией Ю.Н. Руденко: В 4-х т. Т. 1: Справочник по общим моделям анализа и синтеза надежности систем энергетики / Под ред. Ю.Н. Руденко. -М.:Энергоатомиздат, 1994.-480 е.: ил.

7. Методы и модели исследования живучести систем энергетики /Антонов Г. Н., Черкесов Г.Н., Криворуцкий Л.Д. и др.- Новосибирск:Наука. Сиб. отд-ние, 1990.-285 с. С. 9-10.

8. Ю.Шрейдер Ю. А. Особенности описания сложных систем //Системные исследования. Методологические проблемы: Ежегодник 1984. М.: Наука, 1983.-С. 107-124.

9. Воропай Н.И. , Криворуцкий Л.Д., Руденко Ю.Н., Шер И.А. Основные методические принципы исследования и обеспечения живучести систем энергетики.- Новосибирск:Наука. Сиб. отд-ние, 1990.-С. 9-17.

10. Информационная технология исследований развития энергетики / Л.Д. Криворуцкий, Л.В. Массель. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995.-160 с.

11. Криворуцкий Л.Д. Имитационная система для исследований развития топливно-энергетического комплекса-Новосибирск: Наука, 1983.-125 с.

12. Антонов Г. Н. Автоматизация исследований развития топливно-энергетического комплекса СССР с учетом живучести. : Дис. . канд. тех. наук: 05.13.16. М., 1986,- 207 с.

13. Антонов Г. Н., Антонова Н. Н., Немоляев С. И., Фартышев Н.П. Вычислительный комплекс ЭНЕРГИЯ. Особенности реализации и разви-тия.//Автоматизация исследований развития энергетики. Иркутск. 1986 170 с. - С. 5-22.

14. Л. А. Мелентьев. Системные исследования в энергетике. Элементы теории, направления развития. М.:Наука, с. 415.

15. Алекперов В. Ю. Вертикально интегрированные нефтяные компании России. Москва 1996 г.

16. Гайдуш И. Итоги деятельности нефтяной промышленности в 1999 г. //Нефтегазовая вертикаль.-2000,- Ш-С. 92-102.

17. Газетная и журнальная информация (дайджест). Тема 3. Нефтегазовая промышленность в Российской федерации и за рубежом. ОАО "ВНИИОЭНГ". Москва 1999.

18. Итоги работы ТЭК в 1999 году. Нефтяное хозяйство. 4/2000.

19. Трубопроводный транспорт нефти и газа:Учеб. Для вузов/Р.А. Алиев, В. Д. Белоусов, А. Г. Немудов и др.-2-е изд., перераб. И доп.- М.:Недра, 1988.-366 е.: ил.

20. Агапкин В. М. Трубопроводный транспорт мазута. М.Недра. 1986. 140 с.

21. Транспорт и хранение нефти, нефтепродуктов и газа. /В.А. Бунчук.-М.-.Недра, 1977.-366 с.

22. Топливо и энергетика России. Справочник ТЭК. /Под ред. А. М. Мастепано-ва, М.: ИПРО Энерго, 1999, 411 с.

23. Энергетика и общество. Роль газовой промышленности в интеграции стран СНГ-М.: Газоил пресс, 1998.-164 е., ил. 4

24. Подмарков В. Ю., Ефремов В. А., Ракитина Г. С. Единая система газоснабжения в современных условиях. Газовая промышленность №6, 1998 г.

25. Ефанов В. И., Леонтьев Е. В., Стурейко О. П. Концепция и технические решения для реконструкции российских газопроводов //Сб. трудов международного симпопозиума "Реабилитация газотранспортных систем". Яремча, Украина, сентябрь 1997 г.

26. Топливно-энергетический комплекс России: вчера-сегодня-завтра. Взгляд из 1998 года. Министерство топлива и энергетики Российской федерации, Институт энергетичекой стратегии. Москва 1999.

27. А. В. Кочнев. Нефтянная промышленность: состояние и тенденции (19911998 гг.) Нефть, газ и бизнес. №5 1998.

28. Л.Р. Форд, Д.Р. Фалкерсон. Потоки в сетях. Пер. с англ. М.: Мир, 1966. 276 с.

29. Т. Ху. Целочисленное программирование и потоки в сетях. Пер. с англ. М.: Мир, 1974. 520 с.

30. Методы и модели исследования живучести систем энергетики /Антонов Г. Н., Черкесов Г. Н., Криворуцкий JI. Д. и др.- Новосибирск:Наука. Сиб. отд-ние, 1990.-285 с.

31. Разработка информационной среды для исследования живучести ЕСГ. : Отчет о НИР / Сиб. энергет. ин-т СО РАН. Иркутск, - 1991. - 58 с.

32. Калиниченко Л. Архитектуры и технологии разработки интероперабельных систем http://www.citforum.ru/programming/prg96/75.shtml - 10.03.2000.

33. ГИС от ESRI в нефтянной и газовой индустрии http://www.dataplus.ru/WIN/allgis/5oilgas/ESRIOIL2.htm 10.03.2000.

34. Мастепанов А. М. Региональные и внешнеэкономические аспекты энергетической политики России.-М.:ВНИИОЭЕОГ, 1997.-328 с. (13 табл., 48 рис., библ. 226 назв.)

35. Геоинформационная система для диспетчерских служб магистральных газопроводов http://www.gis.cctpu.edu.ru/labgis/WIN/transgasall.html -10.03.2000.

36. Программные продукты фирмы PROGIS http://www.progis.ru/koi/wingis34.htm 10.03.2000.47.http://www.caddy.ru/communic.html 10.03.2000.

37. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./ Пер. с англ. М:. "Издательство Бином", СПб: "Невский диалект", 1998 г. - 560 с.

38. Чернобаев А. А. AGraph: библиотека классов для работы с помеченными графами. -http://www.caravan.ru/~alexch/AGraph/article.htm 10.03.2000.

39. Еделев А. В. Разработка графической инструментальной среды для исследования проблем живучести больших трубопроводных систем. Семинар "Информационные технологии в энергетике". Иркутск-Байкал, 7-14 июля 2000 г. (в печати).

40. Еделев A.B. Модернизация ПВК "Нефть и газ России": основные проблемы и пути их решения.//Системные исследования в энергетике. Иркутск: ИСЭМ СО РАН 2000,- 328 е.- (Труды молодых ученых; Вып. 30) - С. 57-61.