автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Развитие теории и методов сетевой идентификации трубопроводных систем

ВВЕДЕНИЕ. I

СПИСКИ ОСНОВНЫХ ОПРЕДЕЛЕНИИ, СОКРАЩЕНИИ И ОБОЗНАЧЕНИИ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ПОЛОЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ОЦЕНИВАНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ РАЗЛИЧНОГО ТИПА И НАЗНАЧЕНИЯ.

1.1. Краткая, характеристика современных ГШ и проблемы их идентификации.

1.2. Обзор основных научно-методических разработок и направлений исследований.

1.3. Проблема комплексной сетевой идентификации ТПС и постановка задач ее исследования

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДИКА ГИБКОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО ОЦЕНИВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

2.1. Общая постановка задачи статистического оценивания параметров ГЦ.■.

2.2. Об ограниченности традиционных статистических методов для численного оценивания параметров ГЦ

2.3. Основные положения методики приведенной линеаризации

2. 4. Статистические характеристики и свойства решений по

ГЛАВА 3. РАЗВИТИЕ МОДЕЛЬНОГО АППАРАТА ТЕОРИИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ

ЦЕПЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОЦЕНИВАНИЯ.

3.1. Модели для оценивания ГЦ с сосредоточенными параметрами . . . ,.

3. 2. Модели для оценивания ГЦ с переменными параметрами

3. 3. Модели для оценивания ГЦ с распределенными парамет

ГЛАВА 4. МОДИФИКАЦИИ МПЛ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСЛОВИИ ОЦЕНИВАНИЯ.

4.1. Оценивание при разнохарактерных данных . —

4.2. Оценивание при многократных измерениях

4.3. Оценивание при неизвестных параметрах распределения ошибок измерений.

4. 4. Методы решения основных подзадач МПЛ и их модификации . . • '. •

ГЛАВА. 5. РЕШЕНИЕ СОДЕРЖАТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ СЕТЕВОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ

ТИС НА БАЗЕ МГУ!.

5.1. Оценивание состояния.—

5.2. Прогнозирование состояний.

5.3. Параметрическая идентификация.

5.4. Структурная идентификация.

5.5. Диагностика технического состояния.

5.6. Расчет потокораспределения

5. 7. О применимости МПЛ для задач управления режимами ТЛС

ГЛАВА 6. МЕТОДЫ АНАЛИЗА И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИДЕНТИФИЦИРУЕМОСТИ ТПС

6.1- Проблема идентифицируемости и ее структуризация . . —

6. 2. Качественный анализ и синтез идентифицируемости ГЦ

6.3. Количественный анализ идентифицируемости ГЦ . . . . 279 6. 4. Планирование экспериментов для обеспечения идентифицируемости

6.5. Обеспечение устойчивости процедур оценивания и идентификации

ГЛАВА 7. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ МЕТОДОВ СЕТЕВОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ТПС.

Т.1. Сетевая идентификация нефте- и газоснабжающих систем —

7.2. Идентификация параметров и режимов работы водо- и теплоснабжающих систем

7.3. Краткая характеристика программных реализаций

Актуальность. Современные трубопроводные системы (ТПС) тепло-, водо-, нефте-, газоснабжения и др. представляют собой уникальные по своим масштабам и сложности инженерно-технические сооружения, являющиеся неотъемлемыми подсистемами энергетики и народного хозяйства. Они характеризуются структурной неоднородностью, пространственной разнесенностью, иерархичностью, переменностью структуры, параметров и режимов работы, наличием множества других свойств, предполагающих необходимость их рассмотрения как больших и сложных физико-технических систем.

Эффективность решения задач развития, реконструкции и управления функционированием ТПС при постоянном повышении требований к их надежности и экономичности напрямую связана с уровнем применения методов математического моделирования и вычислительной техники, степени достоверности информации о фактических характеристиках и параметрах ТПС, адекватности применяемых моделей их реальному состоянию.

Проблема идентификации фактических параметров и состояний ТПС все более выдвигается на передний план в последнее время, что, с одной стороны, связано с интенсивными, неконтролируемыми процессами старения ТПС, а с другой, появлением необходимых предпосылок для своего решения на базе внедрения современных технических средств количественного учета, дистанционного контроля и измерения параметров, автоматизации диспетчерского управления и локального регулирования.

Вопросам идентификации ТПС различного типа и назначения посвящено достаточно много работ. Однако полученные к настоящему времени научно-методические результаты носят разрозненный характер, направлены на решение частных прикладных задач, не покрывают всей проблематики идентификации ТПС, во многом дублируют друг друга и в целом не отвечают современным запросам практики. Такое положение определяется, с одной стороны, сложностью и многообразием задач идентификации, а с другой - отсутствием межотраслевых исследований и разработок, посвященных комплексному рассмотрению этой проблемы.

Несмотря на разнообразие содержательных формулировок и целей решения задач идентификации, их объединяет ряд общих свойств, определяемых стохастическим характером используемой информации, единством привлекаемого математического описания ТПС в виде моделей потокораспределения, вариабельностью искомых и задаваемых величин в этих моделях, их сетевой спецификой.

Этим определяется актуальность разработки и применения общей теории идентификации ТПС, обеспечивающей обоснованную дифференциацию задач и методов, регламентирующей процессы формирования процедур идентификации для конкретных целей и условий, включающей в себя проблематику анализа и обеспечения идентифицируемости ТПС за счет целенаправленного воздействия на эти условия.

Цели и задачи работы. Основной целью работы является разработка и развитие теоретических и методических основ сетевой идентификации ТПС как комплексной проблемы, имеющей межотраслевое значение для ТПС различного типа и назначения. Для достижения этой цели в работе ставились следующие задачи:

1) разработка методического аппарата гибкого статистического оценивания параметров гидравлических цепей (ГЦ);

2) разработка математических моделей для оценивания и идентификации ТПС как ГЦ с сосредоточенными, переменными и распределенными параметрами;

3) исследование содержательных задач сетевой идентификации ТПС и разработка методов их решения-,

4-) структуризация проблемы идентифицируемости ТПС и разработка основных подходов, методов и алгоритмов для ее анализа и Обеспечения;

5) аппробация и применение разработанных моделей и методов для решения практических задач сетевой идентификации ТПС конкретных типов.

Методология. В качестве использованной методической базы следует специально выделить:

1) сформулированную и развиваемую в ИСЭМ (СЭИ) СО РАН теорию гидравлических цепей (ТГЦ) как межотраслевую научно-техническую дисциплину, обеспечивающую единый векторно-матричный язык и модельный аппарат для описания широкого класса ТПС различного типа и назначения с учетом накопленного здесь методического и практического опыта (в том числе с участием автора) в области моделирования, анализа и идентификации ТПС различных типов;

2) общую теорию оценивания и идентификации систем, обеспечивающую фундамент для формулировок задач на языке математической статистики, построения стохастических моделей изучаемых объектов или процессов» применения универсальных методов статистического вывода и интерпретации результатов;

3) разрабатываемые в ИСЭМ теорию и методы оценивания состояния электроэнергетических систем.

Для решения отдельных вопросов и задач широко используются также: теория графов, линейная алгебра, алгебра разреженных матриц, метода безусловной оптимизации и нелинейного программирования, теория вероятностей и математическая статистика, теория планировния экспериментов и др.

Научная новизна и значимость работы. Впервые на межотраслевой основе выполнено комплексное исследование проблемы идентификации ТПС сложной сетевой структуры, что позволило получить следующие качественно новые результаты:

1. Разработан методический аппарат синтеза процедур оценивания параметров ТПС. Получаемые по этой методике процедуры обладают качественно новыми свойствами, в частности, они инвариантны относительно возможных сочетаний искомых и задаваемых величин в исходных моделях, чем обеспечивается их применимость для решения широкого класса прямых и обратных задач потокораспределения, одновременно обладают высокой вычислительной эффективностью, обеспечивают получение статистически оптимальных решений, а также полного набора характеристик для статистического анализа результатов оценивания.

2. Разработаны принципы формирования моделей для оценивания, а также сами модели для наиболее важных случаев математического описания ТПС как ГЦ с сосредоточенными, переменными и распределенными параметрами, чем обеспечивается применимость предложенных методики и получаемых на ее базе процедур оценивания и идентификации для широкого спектра трубопроводных и гидравлических систем различного типа и назначения.

3. На основе предложенного методического и модельного аппарата статистического оценивания параметров ГЦ впервые на единой методической основе выполнена дифференциация и разработаны подходы, методы и их модификации для решения содержательных задач, составляющих общую проблему сетевой идентификации ТПС, включая задачи.- расчета режимов работы ТПС по данным измерений; статического, квазидинамического и динамического оценивания состояния-, прогнозирования и предсказания состояний; ретроспективной, текущей, динамической и адаптивной параметрической идентифика ции; анализа адекватности моделей и структурной идентификации; системной диагностики технического состояния ТПС. Показана потенциальная перспективность предложенного аппарата для решения нетрадиционных задач потокораспределения, расчета управляющих воздействий для реализации и поддержания заданных режимов при оперативном управлении и др.

4. Выполнен комплексный анализ проблемы идентифицируемости ТПС. Предложена система критериев, методов и алгоритмов качественного и количественного, априорного и апостериорного анажза идентифицируемости. В рамках выделенных направлений обеспечения требуемого уровня идентифицируемости ТПС (за счет целенаправленного воздействия на экспериментальные условия и применения устойчивых процедур оценивания и идентификации), предложен комплекс новых подходов, методов и алгоритмов для: синтеза состава и свойств измерений; планирования режимов активной идентификации; робастного оценивания; регуляризации задач идентификации на основе использования априорной информации количественного и качественного характера.

В целом, разработаный методический и модельный аппарат для решения общих и содержательных задач идентификации ТПС создает необходимую основу нового научного направления - теории и методов сетевой идентификации ТПС - как относительно самостоятельного раздела ТГЦ.

Защищаемые положения.

1. Формулировка задачи и методика гибкого статистического оценивания параметров ГЦ.

2. Принципы построения моделей для оценивания, а также сами модели для наиболее важных случаев математического описания ТПС как ГЦ с сосредоточенными, переменными и распределенными параметрами.

3. Результаты исследований содержательных задач сетевой идентификации ТПС и методы их решения на базе разработанного аппарата оценивания параметров ГЦ.

4. Структуризация проблемы идентифицируемости ТПС и система подходов, методов и алгоритмов ее анализа и обеспечения.

Практическая ценность и реализация. Полученные теоретические и методические результаты могут быть использованы в следующих основных направлениях: при проектировании АСДУ и АСУ ТП для оптимального синтеза информационно-измерительных систем; при разработке математического обеспечения АСДУ и АСУ ТЩ при планировании и обработке результатов специальных испытаний и натурных обследований ТПС с целью идентификации их параметров и состояний, выявления "узких мест" и общего анализа эффективности работы. В целом, это позволит обеспечить обоснованность и эффективность решения задач реконструкции, эксплуатации и диспетчерского управления ТПС за счет повышения общего уровня достоверности информации о их фактических параметрах и характеристиках.

В том числе, применение разработанного методического обеспечения в АСДУ и АСУ ТП, при соответствующем уровне его реализации, позволит:

1) повысить эффективность управления режимами работы ТПС за счет повышения адекватности моделей и более полного информационного обеспечения задач АСДУ и АСУ ТП, возможности осуществлять непрерывный контроль режимов и их прогнозирование для своевременного принятия решений об управлении;

2) осуществлять текущее слежение за параметрами элементов и оборудования и устанавливать более обоснованные сроки проведения ремонтно-профилактических мероприятий для повышения пропускной способности ТПС и снижения эксплуатационных энергозатрат;

3) решать задачи системной диагностики, оперативного обнаружения и локализации аварийных ситуаций, связанных с разрывами трубопроводов, их внезапной закупоркой, отказами насосно-силового и запорно-регулирующего оборудования;

4) контролировать качество функционирования метрологического оснащения ТПС и формировать рекомендации по его совершенствованию и развитию.

Разработанные методы и алгоритмы реализованы под руководством и при непосредственном участии автора в виде исследовательских пакетов прикладных программ и программных комплексов с развитым пользовательским интерфейсом: "НОП" (Нелинейное Оценивание Параметров ГЦ); "АНИС" (Анализ Наблюдаемости и Идентифицируемости ГЦ); "ДИСИГР" (Диалоговая Система Гидравлических расчетов тепловых сетей); "ОСОН" (Оценивание Состояния Нефтепроводов); "ФАНТОМ" (Формирование Агрегированных Моделей водоснабжающих систем); "КОНТРОЛЬ" (ПВК для слежения за гидравлическими режимами работы систем водоснабжения ); "АРМ TTC" (Автоматизированное Рабочее Место Инженера Технолога Тепловых Сетей); "АРМ TBC" (Автоматизированное Рабочее Место Инженера Технолога Водопровод ных Сетей) и др.

Методические и программные разработки апробированы на реальных системах: магистральных нефтепроводов (Западной и СевероЗападной Сибири, Урала, Западно-Европейской части страны); водоснабжения (гг.Иркутска, Петрозаводска, Костомукши, Улан-Батора и др.); теплоснабжения (гг.Иркутска, Ангарска, Братска, Тамбова, Полярные Зори и др. ), промысловых и распределительных газовых сетях.

Основные результаты работы внедрены в ряде эксплуатационных, научно-исследовательских и проектных организаций, в том числе программные разработки переданы для практического использования в: УМН ЗиСЗС (г.Тюмень), УУСМН (г.Уфа), УМН "Дружба" (г.Львов), где разработанные программы включены в состав математического и алгоритмического обеспечения АСУ ОТ, а также в КИВЦ Тюменьгаз-прома; АО ЭиЭ "Иркутскэнерго", где разработанное информационно-вычислительное обеспечение внедрено в практику режимно-технологических расчетов и диспетчерского управления тепловыми сетями гг. Ангарска, Братска и Иркутска; Иркутское муниципальное предприятие ВКХ, - для расчета, анализа и слежения за режимами работы водоснабжаюших систем в АСДУ, а также в Управление Водоканала г. Улан-Батора; ГО "ВНИПИЭнергопром" (г.Москва) и II его региональных отделений, предприятия тепловых сетей г. Улан-Батора, г.Тамбова, "Иркутсктеплоэнерго", ГОК г. Костомукши и др. , - для расчета, анализа и наладки режимов работы теплоснабжающих систем; в ИФТПЭС КНЦ РАН (г.Аппатиты), Энергетический институт Монголии, ИрГТУ (г. Иркутск) и ВИСИ (г. Санкт-Петербург), - для проведения исследовательских работ и обучения студентов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на= Всесоюзном научном семинаре "Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем" (г. Иркутск, 1987); Всесоюзном научном семинаре "Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем" (г.Туапсе, 1989); Всесоюзной школе-семинаре "Опыт применения математических методов и ЭВМ в практике эксплуатации систем водоснабжения" (г.Иркутск, 1990); IV Региональной научно-практической конференции "АСУ и современные технологии водоснабжения и водоотведения в условиях Дальнего Востока", (г.Владивосток, 1990); 11-м международном форуме по экспертным системам и компьютерному моделированию в энергетике (г.Белград, Югославия, 1992);

Международной научно-практической школе-семинаре "Новые информационные, энергосберегающие и экологически безопасные технологии управления развитием и функционированием трубопроводных систем энергетики" {г.Туапсе, 1992); Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (г.Иркутск, 1994); Всероссийской школе-семинаре "Методы оптимального развития и эффективного использования трубопроводных систем энергетики применительно к современным условиям" (г.Иркутск, 1994); 1Х~й Всероссийской кон-ференции "Математическое программирование и приложения" (г. Екатеринбург, Т995); Х-й Всероссийской конференции "Математическое программирование и приложения" (г.Екатеринбург, 1997); Международной научно-практической конференции "Человек-среда-вселенная" (г.Иркутск, 1997); Всероссийской научной школе-семинаре "Теория гидравлических цепей: современное состояние, направления развития, приложения" (г.Иркутск, 1998); Заседаниях Ученого совета ИСЭМ (СЭИ) СО РАН и его секциях (г.Иркутск, I988-T999гг. ).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 30 работах, в том числе две за рубежом, одна персональная монография по методам оценивания параметров ТПС сетевой структуры и три монографии с соавторами.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы (205 наименований) и приложений. Изложена на 372-х страницах основного текста, включая 45 рисунков и 18 таблиц.