автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка тренажерного комплекса для повышения безопасности в системе трубопроводного транспорта

На правах рукописи

/Л

7/г;

и

Кудрявцев Александр Алексеевич

РАЗРАБОТКА ТРЕНАЖЕРНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ В СИСТЕМЕ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

.1 6 ИЮН 2011

Уфа-2011

4850435

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом

университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Хафизов Фаниль Шамильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мугаллимов Фанзиль Мавлявиевич доктор технических наук, профессор Тян Владимир Константинович

Ведущая организация - ГУЛ «Институт проблем транспорта

знергоресурсов», г. Уфа

Защита состоится «1» июля 2011 года в 11-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 31 мая 2011 года.

Ученый секретарь совета, д.т.н. /',,/•- Лягов A.B.

Актуальность темы

В современных условиях деятельность нефтегазовых компаний имеет стратегическое значение для развития экономики страны, а их надежная и безаварийная работа в значительной степени определяет энергетическую безопасность и устойчивое социально-экономическое развитие России.

Однако уровень аварийности и травматизма в отрасли остается высоким. По данным Ростехнадзора в нефтегазовом комплексе ежегодно происходят десятки аварий, смертельно травмируются работники. На предприятиях нефтегазодобычи и магистрального трубопроводного транспорта в 2007 году произошло 50 аварий (19 и 31 соответственно), погибло 32 человека (25 и 7 соответственно). При этом известно, что более 70% аварий и несчастных случаев происходит по причинам, связанным с человеческим фактором. В настоящее время признан тот факт, что использование тренажеров при обучении специалистов является безусловно полезным. Шесть - восемь недель компьютерного тренинга эквивалентны одному году обучения на реальном объекте; компьютерные тренажеры могут окупиться за полгода и т.д. Однако строгих методик оценки эффективности на этапе проектирования тренажеров для подготовки специалистов трубопроводного транспорта нефти и целесообразности тех или иных функций тренинга в настоящее время нет. Не учитывается и ограниченность ресурсов на тренинги по времени и финансам. Поэтому проблема снижения риска аварийности и травматизма на предприятиях нефтегазовой отрасли путем использования оптимизационного подхода к тренингу специалистов является важной и актуальной.

Основу исследований в диссертации составили теоретические и практические работы в области оценки надежности и риска отечественных и зарубежных ученых, в числе которых: Банков И.Р, Бодров В.А., Бурдаков Н.И., Гендель Г.Л., Глебова Е.В., Губинский А.И., Гумеров А.Г., Гумеров P.C., ДозорцевВ.М, Дулясова М.В., Елохин А.Н., Зараковский Г.М., Идрисов Р.Х., Измалков A.B., Измалков В.И., Кловач Е.В., Короленок A.M., Котик

М.А., Кузеев И.Р., Кумамото X. (Kumamoto Hiromitsu), Ломов Б.Ф., Мартынюк В.Ф., Маршалл В. (Marshall V.C.), Мастрюков Б.С., Махутов H.A., Одишария Г.Э., Сафонов B.C., Хафизов Ф.Ш., Хенли Дж.Э.(Неп1еу J. Ernest), Хуснияров М.Х., Черноплеков А.Н. и др.

Цель работы. Разработка научных основ стратегии подготовки оперативного персонала объектов трубопроводного транспорта нефти с использованием оптимизационного подхода к времени и стоимости обучения, направленных на снижение влияния человеческого фактора на общий уровень промышленной безопасности путем тренинга персонала.

Задачи исследования. Указанная цель определила постановку и решение следующих основных задач:

/. Анализ существующих тренажерных систем, тенденций их развития и общих составляющих программно-технических тренажерных комплексов.

2. Разработка алгоритма построения оптимального множества тренингов, обеспечивающего максимальное снижение влияния ошибок персонала объектов трубопроводного транспорта нефти на общий уровень промышленной безопасности при ограничении ресурсов на тренинги по времени и финансовым затратам.

3. Разработка и обоснование концепции интегрированной обучающей системы для подготовки персонала объектов трубопроводного транспорта нефти, обеспечивающей оптимальный баланс интеграции и специализации элементов - математических моделей технологических процессов и систем управления, эмуляторов оборудования, приборных стендов и других средств по критерию максимальной эффективности при ограничении ресурсов.

4. Экспериментальное подтверждение эффективности предложенных процедур и концепций на основе анализа результатов обучения персонала объектов трубопроводного транспорта нефти

(операторов, диспетчеров, ремонтного персонала, специалистов КИПиА, энергетиков) на интегрированных обучающих системах.

Методы решения поставленных задач.

В основе проводимых в диссертационной работе исследований используются методы системного анализа, математического моделирования, ситуационного и автоматизированного компьютерного обучения, теория баз данных и методы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна.

Научная новизна и теоретическая значимость результатов исследования состоит в следующем:

1. Разработан алгоритм построения комплексного генератора аварийных событий на базе множества карт тренинга с возможностью автоматизированного проектирования отдельных аварийных событий и всего оптимального множества тренингов, обеспечивающего максимальное снижение влияния ошибок обученного персонала объектов транспорта нефти на общий уровень промышленной безопасности при ограничении ресурсов на тренинги по времени и финансовым затратам.

2. Предложена концепция интегрированной обучающей системы для персонала объектов трубопроводного транспорта нефти на базе комплексного генератора аварийных событий, обеспечивающая оптимальный баланс интеграции и специализации элементов -математических моделей технологических процессов и систем управления, эмуляторов оборудования, приборных стендов и других средств по критерию максимального снижения влияния ошибок персонала объектов транспорта нефти на общий уровень промышленной безопасности при ограничении ресурсов.

Практическая ценность.

Практическая ценность исследования состоит в том, что предложенные процедуры, концепции и подходы к разработке технических средств обучения позволили сформулировать и выполнить достижимые на

сегодняшний день требования к обучающим системам и тренажерным комплексам для подготовки персонала опасных объектов трубопроводного транспорта нефти, обеспечивающие максимальное снижение влияния ошибок обученного персонала на общий уровень промышленной безопасности при ограничении ресурсов на тренинги.

В настоящее время обучение, переподготовка и повышение квалификации специалистов с использованием разработанных тренажерных комплексов ведется в следующих учебных заведениях: НОУ «Тюменский учебный центр» ОАО «Сибнефтепровод», НОУ «Новокуйбышевский нефтетехнический учебный комбинат» ОАО «Приволжскнефтепровод», ГОУ СПО «Томский государственный промышленно-гуманитарный колледж», НОУ «Региональный учебный центр» ОАО «Северные магистральные нефтепроводы», ГОУ СПО «Профессиональное училище №36» п. Винзили, ГОУ СПО «Профессиональное училище №22» п. Канаш, ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

Апробация работы.

Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Конгрессе нефтегазопромышленников России на конференции «Метрология, автоматизация, связь в нефтегазовом комплексе» (г. Уфа, Большой зал Федерации профсоюзов Республики Башкортостан, 19 мая 2004 г.), на VI Конгрессе нефтегазопромышленников России на конференции «Автоматизация и метрология в нефтегазовом комплексе» (г. Уфа, Большой зал Федерации профсоюзов Республики Башкортостан, 25 мая 2005 г.), на I Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, УГНТУ, 3 декабря 2009г.) и на 10 International Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT 2008) (Antaliya, Turkey, September 15-17).

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК Минобразования и науки РФ, отражающих основные результаты работы, 4 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (107 наименований) и 2-х приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 120 страницах машинописного текста, иллюстрированного таблицами и рисунками.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы сформулированы цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая значимость.

Первая глава посвящена анализу влияния человеческого фактора на возникновение и развитие аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазового комплекса. Рассмотрены существующие обучающие системы оперативного и диспетчерского персонала в нефтегазовом комплексе. Выведены общие требования к тренажерным системам, предназначенным для подготовки специалистов объектов транспорта нефти.

В современных условиях энергетический сектор экономики нашей страны играет фактически ключевую роль, и снижение темпов развития в этой отрасли отрицательно скажется на экономике в целом. С другой стороны, общее техническое состояние отрасли характеризуется большим износом оборудования и недостаточными темпами обновления основных фондов, возрастают риски возникновения аварийных ситуаций. Средства автоматизации, широко внедряемые в последние годы, позволяют потенциально уменьшить риск возникновения аварий и значительно локализовать последствия нештатных ситуаций. Однако эта техника

предъявляет повышенные требования к уровню квалификации персонала, как обслуживающего агрегаты, датчики, контроллеры и средства связи, так и персонала, грамотно использующего всю поступающую на диспетчерский пункт информацию. В этих условиях особое значение приобретают вопросы подготовки квалифицированных кадров, способных грамотно и безопасно проектировать, обслуживать оборудование и управлять сложной современной техникой, насыщенной средствами автоматизации и компьютерной техникой. Согласно исследованиям, профессиональное обучение и переподготовка кадров ТЭК проводится и будет проводиться при существенном дефиците ресурсов. Можно отметить прогнозируемое сокращение числа соискателей и их уровня образования, дефицит времени подготовки, финансовые ограничения. Единственным решением является интенсификация процесса обучения с использованием всех возможностей современных технологий.

Сформулируем требования к техническим средствам обучения, выполнение которых возможно с учетом развития современных технологий: Полнота представления. Современная обучающая система или тренажер должны обладать возможностью проработки полного списка всех возможных платных режимов, переключений и аварийных ситуаций.

Восприимчивость, доходчивость информации. Проведенные в США в 1980-х годах исследования (National Training Laboratories in Bethel, Maine) позволили обобщить данные относительно эффективности (средний процент усвоения знаний) различных методов обучения взрослых. Эти результаты представлены на схеме «Пирамида обучения» {Learning Pyramid, рисунок 1).

Обучающая система для подготовки современных специалистов должна предусматривать дополнительно интеграцию, одновременное совмещение разных презентаций «пирамиды обучения», чем достигается наибольшая восприимчивость информации.

Степень освоения матер

5%

10%

20%

Вк

30%

50%

/ Групповое обсуждение

75%

Выполнение конкретной практики

90%

"У ~ Обучение других/ немедленное /_применение знаний на практике

Рисунок 1 - Пирамида обучения.

Глубина и адекватность представления. Физические параметры, важные для математического представления технологического процесса, совершенно неравнозначны с точки зрения подхода к их представлению и визуализации (презентации).

Универсальность представления. Для сокращения разницы в качестве подготовки и, соответственно, в надежности персонала разных специальностей и разного уровня подготовки, универсальная система «Комплексная модель - тренажер - приборные стенды - автоматизированные обучающие системы (АОС)», фактически имитирующая реальный объект с максимально достижимой достоверностью при ограничении на пространство аудитории и стоимость, не должна иметь «узких мест» в качестве проработки тех или иных элементов тренинга. Специалист по автоматике должен проходить не менее качественную подготовку, чем оператор сложного комплекса.

Гибкость и сравнительная простота перенастройки - важнейшее свойство системы, обеспечивающее возможность реализации эффективного множества тренингов.

Максимальная удельная дешевизна. Представление информации в виде обучающих комплексов, совмещающих АОС для различных специальностей, тренажерные комплексы и стенды, ядром которых служат полные

математические модели процессов, включая ЗБ-модели или действующие макеты, имеет гораздо меньшую удельную стоимость в сравнении с набором разрозненных обучающих систем, стендов и тренажеров для специалистов разных специальностей и категорий.

Адаптивность. Современная обучающая система должна иметь выраженную целевую направленность и, одновременно, гибкость, отвечать всем требованиям учебного процесса и обеспечивать получение конкретных знаний и навыков. Для выполнения данного условия необходимо перевести абстрактные общие требования в форму конкретных тренингов. Как один из вариантов решения указанной проблемы предлагается «Комплексный генератор аварийных событий» (ГАС). Составляющий элемент ГАС -«Генератор тренингов», позволяет сформировать оптимальное множество тренингов, обеспечивающее максимальную эффективность, т.е. максимальное снижение количества и удельного веса ошибок персонала и их влияния на общий уровень промышленной безопасности при ограничении ресурсов на общее время проведения тренингов и финансовые затраты.

Вторая глава посвящена процедуре построения комплексного генератора аварийных событий с возможностью автоматизированного проектирования отдельных аварийных событий и всего оптимального множества тренингов, обеспечивающего максимальное снижение влияния ошибок обученного персонала объектов транспорта нефти на общий уровень промышленной безопасности при ограничении ресурсов.

Концепция исполнения данного модуля базируется на использовании инструментария, так называемого, «дерева отказов». Основными элементами для построения являются внутренние события системы (внезапные отказы, постепенное изменение параметра до сигнального уровня), внешние события (указания на смену режима, внешние воздействия) и действия самого обучаемого (правильные и своевременные или нет).

Построение системы тренингов начинается с построения многоуровневого дерева отказов для каждого типа значимых событий - от

смены штатных режимов до локализации аварийных ситуаций (этап «Построение множества карт тренингов»). Отметим, что генератор событий реализуется в виде программного модуля, и разработка карт тренинга может производиться как разработчиками, так и преподавателями. На рисунке 2 показан общий вид карты тренинга с множеством возможных исходных ситуаций, наступающих событий, весовых коэффициентов и логических элементов. Цветом подчеркивается различный тип событий - независимые от действий обучаемого, закладываемые в алгоритм карты тренинга (например, события, срабатывающие в определенное время и в определенном порядке), и зависимые события, итог которых зависит от правильности действий обучаемого в пределах выделенного лимита времени.

Каждой ветке «дерева» (графа) может быть присвоен весовой коэффициент (например, вероятность наступления события), позволяющий распределить оценку общего ущерба (штрафной функции) от возможного наступления итогового события или риска по веткам и, соответственно, по отдельным действиям обучаемого.

¡Карточка тренинга 2

Уровень в Р8С > так

СА. Откл. насосов, подкачки нефти от нефтедобычи. Автомат. закр, задвйжки подклнь чеиий нефтедобычи, нефтепереработки.

СА. Одновременное закр. задвижек резервуара и откр. задвижек резёр&уара г аварийного сброса. ;

СА. Отключение системы размыва донных отложений

Параметр

Параметр

Оператор. Одновременное закр. | Оператор. Откл. насосов, подкачки нефти

задвижек резервуара и откр. ; от нефтедобычи. Автомат! закр. задвижки ' подключения нефтедобычи; у'' ... 1. .... 1...»'.I..-,|Л..^ нефтетеревэботкв. .

Рисунок 2- Карта тренинга

После этапа построения карт тренинга проводится этап обучения «Генератора событий». Тестовая группа обучаемых, прошедших предварительное теоретическое обучение, проходит тренинги, и итоги этой работы фиксируются на графике (см. рисунок 3).

М >5

41а

в» 3

г"

Ийяя

\ . Ттах Т, время

\

Суммарные затраты натри»!.

--—> Д

Тмх Т 56 А Время с а д-

Среднее кол-во наступлений итогового события в тренинге вида М

Рисунок 3 - Результаты тестового Рисунок 4 - Модель оценки

тренинга эффективности занятия

Пусть формализованная цель занятия (тренинга) вида X; - это

предотвращение происшествий (итоговых событий) вида У, при тренинге

группы М операторов, впоследствии работающих на N объектах. Соотнесем

выбранную интегральную оценку, например, оценку предотвращенного

ущерба от происшествия вида У, со стоимостью обучения Ц. Оценка

предотвращенного ущерба Б, может быть произведена, например, методом

экспертных оценок. Для оценки Б: средняя величина ущерба от происшествия

вида У| умножается на количество объектов Ы, а стоимость обучения Ъ

представляет собой сумму стоимости «простоя» обучаемого, средней

стоимость учебного процесса без учета технических средств, стоимости

использования учебных технических средств. Оценки 8| и Ь,, отнесенные

ко времени обучения Т^, превращаются в удельные величины.

Общая эффективность процесса обучения при таком подходе

приобретает вполне объективную оценку - разницу между удельным

предотвращенным ущербом и удельной стоимостью обучения.

Эффективность учебного процесса отличается неоднородностью по времени.

Генератор событий производит взвешенную оценку длительности курса и

удельной оценки ущерба, при которой общая оценка ущерба распределяется

(взвешивается) согласно графику (рисунок 3), и равномерно снижается,

вплоть до нуля, при максимальной продолжительности курсов, когда самый отсталый обучаемый прекращает допускать ошибки (рисунок 4). Дальше обучать не имеет смысла, и средства расходуются впустую. При этом оптимальная продолжительность курса Т011Г может быть оценена как время, при котором удельный ущерб равняется удельной стоимости обучения.

Рисунок 5 - Оптимальное множество для оценки эффективности занятий Отметим, что эффективность конкретного тренинга зависит, прежде всего, от времени Топт, так как оценка предотвращенного ущерба (как некая функция штрафа) является исходной информацией и коррекции не подлежит, и площадь «красного треугольника» на рисунке 4, остается неизменной, при этом значение удельного ущерба сЙЛЗТ при Т=Тмах равно нулю, а при Т=0 значение с18/сГГ фактически является функцией от Тмах. Построим методику распределения учебного времени и средств, оптимальную по предложенному критерию эффективности. Построим интервальные оценки для всего множества 1 возможных видов занятий, включая теоретические занятия, практику и тренинги, оценивая возможный предотвращенный ущерб и удельную стоимость занятий, по методике, описанной выше. Разбив данные множества на временные отрезки, получаем множество некоторых численных величин. Введем понятие селектора максимума как алгоритма, последовательно на каждом шаге ] отбирающего из всего множества графиков пару 8УД ¡ (ёЭ/ёТ для точки Т) и Ц.д ; (с1Ь/с!Т для точки Т) с наибольшей величиной соотношения 8ул ¡/Ьуд ¡, начиная с максимальной

величины. Добавив эту пару к оптимальному множеству за номером] и изъяв ее из общего множества графиков, повторяем процедуру для шага до полного исчерпания множества интегральных оценок.

Получаем оптимальное множество для всех видов занятий Х;. Итоговое время, является суммой всех Тош. для всех графиков вида, показанного на рисунке 5. Теперь приступаем к процедуре ограничения справа этого множества по критерию максимально допустимой длительности учебных курсов Т или по максимально допустимой общей стоимости обучения.

В результате получается подробный план, в котором описано общее количество часов занятий каждого вида X;. При построении практических планов, если по какому-то виду занятий количество часов меньше Ттт, то необходимо либо убрать эти часы, либо иным образом скорректировать планы за счет допустимого сокращения часов занятий другого вида. Имея такие оптимальные планы, можно оценивать эффективность использования тех или иных технических средств и тренажеров, а также целесообразность их реконструкции и разработки новых средств. Если в совокупности оптимальных планов общее количество часов с использованием этих средств мало, значит, средство используется неэффективно. Также можно самым общим образом оценить необходимость гипотетической реконструкции существующих или разработки новых технических средств обучения.

При практической реализации ГАС были выработаны следующие рекомендации к процессу построения оптимального множества тренингов:

1. Агрегирование видов отказов. Развертывание сценариев «дерева отказов» с детализацией аварийных событий приведет к увеличению числа тренингов до многих тысяч и времени отработки до тысяч часов, причем при прохождении последнего тренинга обучаемый может забыть про первый.

2. Концепция «дерева отказов» подразумевает присваивание ветвям некоторой вероятности возникновения событий. Анализ происшествий на объектах трубопроводного транспорта нефти показывает, что разнообразие причин конкретных отказов и редкая, а порой и уникальная, цепочка

развития событий не позволяет корректно ставить вопрос о расчете априорной вероятности из-за недостаточности статистических данных. Более правильным является придание ветвям некоторых весовых коэффициентов, оценки которых производятся по методу экспертных оценок. Также метод экспертных оценок следует использовать при априорной оценке ущерба (функции штрафа) от того или иного события.

3. Оценка финансовых ресурсов на проведение тренингов должна учитывать не только стоимость тренажеров, но и стоимостную составляющую самой инфраструктуры процесса обучения (здания, помещения, территория, электроэнергия, отопление, административные работники, преподавательский состав и т. д), а также стоимость отрыва от производства с сохранением заработной платы групп обучаемых.

4. Оценка времени тренингов должна производиться на основе эмпирических данных по результатам анализа тренингов групп обучаемых.

5. Предварительный профессиональный отбор и тренинг профессионально значимых качеств, являются критически важными мероприятиями, так как прямо влияют на длительность тренинга Тма_„ стоимость и, следовательно, количество тренингов, которые можно провести в ограниченный отрезок времени. В рамках концепции использования ГАС, это непосредственно влияет на общий уровень промышленной безопасности.

6. Возможности кадрового отбора ограничены проблемой фактического дефицита кадров и их общего уровня образованности. Единственным решением является интенсификация процесса обучения с использованием всех возможностей современных технологий. В рамках предлагаемой концепции экспериментально показано, что серьезным ресурсом сокращения времени тренинга Тмах, а, следовательно, и повышения эффективности всего курса обучения, является степень реализации в реальном тренажерном комплексе элементов концепции интегрированной обучающей системы.

В третьей главе рассматривается концепция интегрированной обучающей системы для персонала объектов трубопроводного транспорта

нефти на базе комплексного генератора аварийных событий, обеспечивающая оптимальный баланс интеграции и специализации элементов - математических моделей технологических процессов и систем управления, эмуляторов оборудования, приборных стендов и других средств по критерию максимального снижения влияния ошибок персонала объектов транспорта нефти на общий уровень промышленной безопасности при ограничении ресурсов.

Интегрированная обучающая система подразумевает интеграцию и взаимное проникновение подсистем, отвечающих как за внутреннее содержание процесса обучения, удовлетворяющее требованиям полноты, адекватности, гибкости и т.д., так и за внешние средства представления информации обучаемому, среди которых отметим стенды, действующие макеты, мнемосхемы АРМ, автоматизированные системы обучения, тесты и т.д. Иерархическое представление интегрированной обучающей системы показано на рисунке 6.

Предлагаемая структура позволяет обеспечить в совокупности выполнение указанных в первой главе требований.

Рассмотрим ядро интегрированной обучающей системы более подробно. Основой системы является модуль ГАС, методика построения которого подробно рассмотрена в главе 2. В системе трубопроводного транспорта количество возможных действий оператора по управлению оборудованием очень высоко, к тому же достичь одного и того же результата часто можно разными способами. В случае аварии действия оператора могут привести к разным последствиям и различной обширности развития.

Основой расчетной части системы является модель технологических процессов, которая определяет основные исходные данные и взаимосвязь между ними. Для опасных объектов трубопроводного транспорта нефти -это, прежде всего, математические модели гидродинамики процессов в разветв ленных трубопроводах, модели агрегатов, регуляторов и систем управления.

Генератор событий

Рисунок 6 - Иерархическое представление структуры интегрированной системы Решение задач создания инструментария, построения математических

моделей для тренажеров операторов и диспетчеров трубопроводного

транспорта в условиях сокращенных временных и финансовых ресурсов

является важным вкладом в обеспечение высокого уровня промышленной

безопасности. Результатом успешного решения этих задач является

снижение требований к квалификации разработчика (настройщика) новой

схемы в тренажере, например, до уровня преподавателя, который работает с

прикладным инструментарием разработки тренажеров, что позволит

удешевить и распараллелить процесс разработки. Должны быть отчасти

снижены требования к информационному обеспечению проекта, разработка

должна опираться на доступные данные от эксплуатирующей организации

(например, данные архивов системы диспетчерского управления), а не от

производителя оборудования (данные вообще могут быть закрыты или

отсутствовать). При этом некоторые закрытые модели оборудования и

систем управления должны реконструироваться по данным

производственного процесса. Некоторое упрощение при таком подходе

компенсируется самой возможностью и ускорением разработки моделей, максимально адекватных реальным и удовлетворяющих требованию полноты для проведения оптимального множества тренингов. К такому инструментарию можно отнести следующие компоненты:

1. Построение моделей трубопроводов. Стационарные модели. Динамические модели.

2. Уточнение (идентификация) параметров по данным архивов.

3. Построение моделей отдельных агрегатов, насосов и энергосистем.

4. Построение модели информационных каналов (структура, дискретизация, полнота и надежность, запаздывание).

5. Построение алгоритмов иерархических и распределенных систем автоматического управления (САУ).

6. Построение алгоритмов логического управления и защит. Использование регламентов. Использование доступных данных по структуре систем управления.

7. Оценка отклонений параметров от оптимальных по данным архивов.

8. Идентификация динамических звеньев по данным архивов.

9. Определение структуры оптимальных параметров регуляторов динамических САУ.

В четвертой главе приводится анализ эффективности предложенной концепции интегрированной обучающей системы для персонала объектов трубопроводного транспорта нефти на основе двухнедельного обучения групп операторов 4-х учебных центров ОАО «АК «Транснефть» с различной комбинацией элементов интегрированной обучающей системы.

В каждом учебном центре анализировались два подхода к организации занятий:

1. Преподаватели самостоятельно определяли план занятия и проводимые тренинги в соответствии с единой программой обучения, утвержденной в ОАО «АК «Транснефть».

2. Занятия проводились по оптимизированным тренингам, сформированными ГАС в соответствии с единой программой обучения, утвержденной в ОАО «АК «Транснефть».

В таблице 1 приведен сравнительный анализ усредненных по группе обучаемых результатов проведения тренингов в отдельных учебных центрах. Разное количество тренингов, пройденных учениками за время обучения, объясняется различным уровнем реализации интегрированной обучающей системой в учебных центрах. Более широкое представление интегрированной обучающей системы позволяет быстрее усваивать материал. При организации занятий по оптимальному плану, сформированному ГАС, достигается минимум ущерба (штрафа).

Таким образом, при реализации подобных комплексов в одной аудитории можно проводить общие обзорные лекции для нескольких специальностей, пользуясь макетом или экраном для иллюстрации информации. Ученик, обучаясь, например, по специальности оператор, понимая, как работает тот или иной датчик и система автоматики в целом, быстрее усваивает принципы и работу автоматизированного управления технологическим объектом, а также назначение и устройство какого-либо датчика и его роль в технологическом процессе.

Рисунок 7 - Пример реализации интегрированной обучающей системы

Таблица 1- Сравнительный анализ учебных центров

Названия учебных центров

Региональн ый учебный центр Томский государствен н ый промышленно гуманитарный колледж Тюменский учебный центр Самарский государственный технический университет

Состав интегрированной обучающей системы 1.Тренажер операторов иефтеперек зчивзющей станции 1. Тренажер операторов нефтеперекач ивающей станции 2. Автоматизи рованная обучающая система 1. Тренажер операторов нефтеперекачив ающей станции 2. Автомэтизир ованная обучающая система 3. Тренажер системы микропроцессо рной автоматики 1. Тренажер операторов нефтеперекачивающей станции 2. Автоматизированная обучающая система 3. Тренажер системы микропроцессорной автоматики 4. Интерактивный макет

Количество групп 4 5 6 5

Длительность курсов, часы 40 40 40 40

о т § 1 г Количество пройденных тренингов 202.75 205.04 214.5 228.25

Преподаватели самосто! определяли план заня проводимые трени( Максимально возможный ущерб по выбранным тренингам, в условных единицах 7108771 7135989 7256316 7266925

Предотвращенный ущерб в конце курсов, в условных единицах 5216017 5301886 5681919 5807660

£ ю Э х О 5 5 < Количество пройденных тренингов 208.25 212.97 224.33 238.62

1 5 ? ■» 5 ^ 1 о 3-х 5 1 8 О I в а га о о ш а. ПС й Е Максимально возможный ущерб по выбранным тренингам, в условных единицах 8015463 8015463 8015463 8015463

* 11 1 х о Я 1 " Е: а Предотвращенный ущерб в конце курсов, в условных единицах 6155219 6405275 6883327 7178316

Тренажерные комплексы, объединяющие в себе возможности и достоинства физических моделей, измерительных стендов, тренажеров на

базе математических моделей, действующих макетов и виртуальных пространственных моделей, трехмерного представления объекта, позволяют наиболее полно и всесторонне представить динамик)' технологического процесса трубопроводного транспорта нефти. Действующие макеты позволяют наглядно увидеть расположение различного оборудования, движение потоков в трубопроводах, понять технологию, наблюдать различные физические явления (например, самотечный участок), управлять технологическим оборудованием с сенсорных панелей, расположенных непосредственно перед макетом и в динамике видеть изменение состояний оборудования и всей технологии в целом.

На рисунке 8 показан принцип работы программного модуля ГАС, в котором составляются аварийные ситуации на основе «дерева отказов», выбирается оптимальное множество тренингов, и задаются штатные и нештатные ситуации ученикам.

Выводы и результаты

1. Разработана автоматизированная процедура построения карты тренинга с множеством возможных исходных ситуаций, наступающих событий, весовых коэффициентов и логических элементов, позволяющая производить оценку действий в зависимости от времени реакции ученика и различного состояния технологического объекта.

2. Разработан алгоритм построения оптимального множества тренингов, позволяющий оптимизировать время обучения с точки зрения допустимой длительности учебных курсов или по максимально допустимой общей

Карта тренинга

Множество Реализация тренингов в тренажере

Рисунок 8 - Принцип работы ГАС

стоимости обучения. Такая процедура позволяет снизить возможный вероятностный ущерб от ошибок оператора на производстве.

3. Выработаны практические рекомендации к построению оптимального множества тренингов, позволяющие максимально эффективно производить тренинг обучаемых и повысить уровень промышленной безопасности.

4. Разработана концепция интегрированной обучающей системы для подготовки персонала объектов трубопроводного транспорта нефти, позволяющая всесторонне представить обучаемым технологический объект, что обеспечивает более быстрое усваивание учебного материала.

5. Концепция интегрированной обучающей системы позволяет обеспечить баланс между скоростью разработки и стоимостью тренажерного комплекса за счет модульности, глубины моделирования и представления данных, снижения требований к квалификации разработчика.

6. Концепция интегрированной обучающей системы обеспечивает оптимальный баланс интеграции и специализации элементов -математических моделей технологических процессов и систем управления, эмуляторов оборудования, приборных стендов, средств визуализации и т.д. по 1фитерию максимальной эффективности при ограничении ресурсов.

7. Доказана эффективность предложенной концепции построения интегрированной обучающей системы и эффективность применения оптимизированного плана тренингов на примере четырех учебных центров. Список публикаций по теме диссертации:

1. Кудрявцев A.A., Шевченко Д.И., Ахряпов B.C., Гиниятов И.Г. Имитационные тренажеры и автоматизированные системы обучения // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». -М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2005. - №3. С. 26-30.

2. Кудрявцев A.A., Хафизов Ф.Ш., Шевченко Д.И., Гиниятов И.Г. Использование обучающих систем и тренажерных комплексов в процессе обучения // Сб. научных трудов «Обеспечение промышленной безопасности на предприятиях нефтегазовой отраслю>-Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. С. 80-83.

3. Кудрявцев А.А., Хафизов Ф.Ш., Сафончик Е.И., Гиниятов И.Г. Имитационные тренажеры для обучения технического персоналаОАО «АК «Транснефть» // Журнал «itech - интеллектуальные технологии». 2008. -№9. С. 70-71.

4. Кудрявцев А.А., Хафизов Ф.Ш., Гиниятов И.Г. Подготовка и тренинг персонала объектов нефтегазового комплекса с использованием имитационных тренажеров // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов». - Уфа: Изд-во ГУП «ИПТЕР». - 2008г. -№4(74).-С. 115-118.

5. Kudryavtsev А.А., Schevchenko D.I., Nugumanov V.G., Giniyatov I.G. Computer-aided training systems and simulators // Antaliya, Turkey, CSIT. -September 15-17. -2008. -V.3. -P. 123-127.

6. Кудрявцев A.A., Хафизов Ф.Ш., Фролов И.В. Использование модели обучаемого при построении имитационных тренажеров объектов нефтегазового комплекса // Сб. трудов I Всероссийской конференции молодых ученых. - Уфа: УГНТУ, 2009. -206 с. - С.115-116.

7. Кудрявцев А.А., Хафизов Ф.Ш., Шевченко Д.И. Внедрение тренажеров для обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти // Сб. трудов Всероссийской научной конференции «Экологические проблемы нефтедобычи». - Уфа: УГНТУ, 2010. - С. 19-21.

8. Кудрявцев А.А., Хафизов Ф.Ш., Шевченко Д.И. Практические аспекты разработки технических средств обучения специалистов трубопроводного транспорта нефти // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело", 2011. №1. URL:http://\vww.0gbus.ru/'auth0rs/Khafi20vFSh/Khafiz0vFSh_l.pdf

9. Кудрявцев А.А., Хафизов Ф.Ш., Шевченко Д.И. Интегрированные обучающие системы для специалистов трубопроводного транспорта нефти // Научно-производственный журнал «Безопасность труда в промышленности». -Москва: - 2011. - №1 - С. 30-38.

Ю.Кудрявцев А.А., Хафизов Ф.Ш., Шевченко Д.И. Определение структуры и параметров регуляторов для задач моделирования процессов в компьютерных тренажерах при ограниченном информационном обеспечении // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело", 2011. №1. URL: http://www.ogbus.ru/authors/KhafizovFSh/KhafizovFSh_2.pdf

11. Кудрявцев А.А., Хафизов Ф.Ш., Шевченко Д.И. Интегральные оценки стартового тестирования, индивидуальной эффективности обучения и эффективности обучающих методик и тренингов операторов

трубопроводного транспорта нефти // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2011. №2. URL:

http://w\vw.ogbus.ru/authors/KhafizovFSh/KhafizovFSh_3.pdf

12. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005611823. TransNNP. Программа имитации объектов трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. /Кудрявцев A.A., Шевченко Д.И., Гиниятов И.Г. - Заявка №2005611724 от 11.07.2005 г.: зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 25.07.2005 г.

13. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007612079. TransNNP RP. Программа моделирования и имитации объектов трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. / Кудрявцев A.A., Шевченко Д.И., Гиниятов И.Г. - Заявка №2007611555 от 23.04.2007 г.: зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 22.05.2007 г.

14. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011610562. ArgoPM. / Кудрявцев A.A., Шевченко Д.И.- Заявка №2010617033 от 10.11.2010 г.: зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 11.01.2011г.

15. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011610561. DMPipe. / Кудрявцев A.A., Шевченко Д.И. - Заявка №2010617032 от 10.11.2010 г.: зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 11.01.2011г.

Подписано в печать 25.05.11. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Times». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Тираж 90. Заказ 86.

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА; 1. ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННЫМ ТРЕНАЖЕРНЫМ СИСТЕМАМ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ОПЕРАТОРОВ И ДИСПЕТЧЕРОВ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА НЕФТИ.

1.2 Существующие обучающие системы оперативного и диспетчерского персонала нефтегазового комплекса и их классификация.

1.3 Общие требования к тренажерным системам-для подготовки*специалистов. объектов транспорта нефти и анализ обучающих компьютерных тренажеров предприятий России и за рубежом.,.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ГЕНЕРАТОР АВРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ, РАЗРАБОТКА КАРТ ТРЕНИНГА И ПОСТРОЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО МНОЖЕСТВА ТРЕНИНГОВ!.

2.1 Общая структура карты тренинга.

2.2 Построение оптимального множества тренингов.

2.3 Рекомендации к построению оптимального множества тренингов.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ ТРЕНАЖЕРОВ ОПЕРАТОРОВ И ДИСПЕТЧЕРОВ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА НЕФТИ В КЛАССЕ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ.

3.1 Алгоритм построения тренажера с использованием ГАС.

3.2 Сравнительная характеристика эффективности тренажерных комплексов».583.3 Структура интегрированной обучающей системы.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ; ПОСТРОЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕНЕРАТОРА АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ.

4.1 Анализ организации учебного курса с применением генератора аварийных ситуаций.

4.2 Анализ эффективности предложенной концепции интегрированной обучающей системы.

Выводы по четвертой главе:.

Выводы и результаты.

В современных условиях деятельность нефтегазовых компаний имеет стратегическое значение для развития экономики страны, а их надежная и безаварийная работа в значительной степени определяет энергетическую безопасность и устойчивое социально-экономическое развитие России.

Однако уровень аварийности и травматизма в отрасли остается высоким. По данным Ростехнадзора, в нефтегазовом комплексе ежегодно происходят десятки аварий, смертельно травмируются работники. На предприятиях нефтегазодобычи и магистрального трубопроводного транспорта в 2007 году произошло 50 аварий (19 и 31 соответственно), погибло 32 человека (25 и 7 соответственно). При этом известно, что более 70 % аварий и несчастных случаев происходит по причинам, связанным с влиянием человеческого фактора. В настоящее время большинством специалистов признан тот факт, что использование тренажеров при обучении специалистов является, безусловно, полезным. В публикациях приводятся оценки, что шесть-восемь недель компьютерного тренинга эквивалентны одному году обучения на реальном объекте; компьютерные тренажеры могут окупиться за полгода и т.д. Однако строгих методик оценки эффективности на этапе проектирования тренажеров для подготовки специалистов объектов трубопроводного транспорта нефти и целесообразности тех или иных функций тренинга пока нет. Не учитывается и ограниченность ресурсов на тренинги по времени и финансам. Поэтому проблема снижения риска аварийности и травматизма на предприятиях нефтегазовой отрасли путем использования оптимизационного подхода к тренингу специалистов является важной и актуальной.

Основу исследований составили теоретические и практические работы в области оценки надежности и риска трубопроводного транспорта нефти отечественных и зарубежных ученых, в числе которых: Байков И.Р., Бодров В.А., Бурдаков Н.И., Гендель Г.Л., Глебова Е.В., Губинский А.И., Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Дозорцев В.М., Дулясова М.В., Елохин А.Н., Зараковский Г.М., Идрисов Р.Х., Измалков A.B., Измалков В.И., Кловач Е.В., Короленок A.M., Котик М.А., Кузеев И.Р., Кумамото X. (Kumamoto Hiromitsu), Ломов Б.Ф., Мартынюк В.Ф., Маршалл В.

Marshall V.C.), Мастрюков Б.С., Махутов H.A., Одишария Г.Э., Сафонов B.C., Хафизов Ф.Ш., Хенли Дж.Э. (Henley J. Ernest), Хуснияров М.Х., Черноплеков А.Н. И др.

Цель работы - разработка научных основ стратегии подготовки оперативного персонала объектов трубопроводного транспорта нефти с использованием оптимизационного подхода к времени и стоимости обучения, направленных на снижение влияния человеческого фактора на общий уровень промышленной безопасности путем тренинга персонала.

Задачи исследования

Указанная цель определила постановку и решение следующих основных задач:

1. Анализ существующих тренажерных систем, тенденций их развития и общих составляющих программно-технических тренажерных комплексов;

2. Разработка алгоритма построения оптимального множества тренингов, обеспечивающего максимальное снижение влияния ошибок персонала объектов трубопроводного транспорта нефти на общий уровень промышленной безопасности при ограничении ресурсов на тренинги по времени и финансовым затратам;

3. Разработка и обоснование концепции интегрированной обучающей системы для подготовки персонала объектов трубопроводного транспорта нефти, обеспечивающей оптимальный баланс интеграции и специализации элементов -математических моделей технологических процессов и систем* управления, эмуляторов оборудования, приборных стендов и других средств по критерию максимальной эффективности при ограничении ресурсов;

4. Экспериментальное подтверждение эффективности предложенных процедур и концепций на основе анализа результатов обучения персонала объектов трубопроводного транспорта нефти (операторов, диспетчеров, ремонтного персонала, специалистов КИПиА, энергетиков) на интегрированных обучающих системах.

Методы решения поставленных задач

В основе проводимых в диссертационной работе исследований используются методы системного анализа, математического моделирования, ситуационного и автоматизированного компьютерного обучения, теории баз данных и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна

Научная новизна и теоретическая значимость результатов исследования состоит в следующем:

1. Разработана процедура автоматизированного построения карты тренинга, позволяющая производить оценку действия ученика в зависимости от различных состояний технологического объекта;

2. Разработан алгоритм построения комплексного генератора аварийных событий с возможностью автоматизированного проектирования отдельных аварийных событий и всего оптимального множества тренингов, обеспечивающего максимальное снижение влияния ошибок обученного персонала объектов трубопроводного транспорта нефти на общий уровень промышленной безопасности при ограничении ресурсов на тренинги по времени и финансовым затратам;

3. Предложена концепция интегрированной обучающей системы для персонала' объектов^ трубопроводного транспорта нефти на базе комплексного генератора аварийных событий, обеспечивающая оптимальный баланс интеграции и специализации элементов - математических моделей технологических процессов и систем управления, эмуляторов оборудования, приборных стендов и других средств — по критерию максимального снижения влияния ошибок персонала объектов транспорта нефти на общий уровень промышленной безопасности при ограничении ресурсов.

Практическая, ценность

Практическая ценность исследования состоит в том, что предложенные процедуры, концепции и подходы к разработке технических средств обучения позволили сформулировать и выполнить достижимые на сегодняшний день требования к обучающим системам и тренажерным комплексам для подготовки персонала опасных объектов1 трубопроводного транспорта нефти, обеспечивающие максимальное снижение влияния ошибок обученного персонала на общий уровень промышленной безопасности, при ограничении ресурсов на тренинги.

В настоящее время обучение, переподготовка и повышение квалификации специалистов с использованием разработанных тренажерных комплексов ведутся в следующих учебных заведениях: НОУ «Тюменский учебный центр» ОАО «Сибнефтепровод», НОУ «Новокуйбышевский нефтетехнический учебный комбинат» ОАО «Приволжскнефтепровод», ГОУ СПО «Томский государственный промышленно-гуманитарный колледж», НОУ «Региональный учебный центр» ОАО» «Северные магистральные нефтепроводы», ГОУ СПО «Профессиональное училище №36» п. Винзили, ГОУ СПО «Профессиональное училище № 22» п. Канаш, ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

Апробация работы

Основные положения и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались и обсуждались на V Конгрессе нефтегазопромышленников России на конференции «Метрология, автоматизация, связь в нефтегазовом комплексе» (г. Уфа, Большой зал Федерации профсоюзов Республики Башкортостан, 19 мая 2004 г.), на VI Конгрессе нефтегазопромышленников России на конференции «Автоматизация и метрология в нефтегазовом комплексе» (г. Уфа, Большой зал Федерации профсоюзов Республики Башкортостан, 25 мая 2005 г.), на I Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, УГНТУ, 3 декабря 2009 г.) и на 10 International Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT-2008) (Анталия, Турция, 15-17 сентября 200S г.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 11 научных трудов, в том числе в, 4 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 4 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.