автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системотехническая методология оптимизации надежности технических систем(на примере нефтегазовых комплексов)

ой

а ^ МП

АКДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН Научно-производственное объединение "КИБЕРНЕТИКА"

На правах рукописи УДК 658.62-505

БУССАХРА НАУФАЛЬ

Системотехническая методология оптимизации надежности технических систем (на примере нефтегазовых комплексов)

Специальность 05.13.01 Управление в технических системах

АВТОРЕФЕРАТ I

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТАШКЕНТ -2000

. Работа выполнена в Ташкентском Государственном Техническом Университете им. Абу Райхана Беруни

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Валиев Т.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор

Ведущая организация: Институт энергетики и автоматики

А.Н. РУз

на заседании специализированного Совета Д.015..12.01 при НПО «Кибернетики» Академии наук Республики Узбекистан по адресу: 700143, Ташкент, ул. Ф. Ходжаева, 34. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Салихов З.М.

г

Кандидат технических наук Исматуллаев Х.Н. .

Защита состоится

к

2000г. в" " час

Кибернетики НПО "КИБЕРНЕТИКА" АН РУз.

Автореферат разослан

и

и

2000г.

Ученый секретарь специализированного совета д.т.н., проф.

Исмаилов М. А.

14561-5-021.1,0 И362 -5-021.1,0

О^ЧШ^-он^о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Одним из важнейших технических показателей сложных промышленно-технологических производственных систем, определяющих эффективность их функционирования, является надежность. Повышение надежности системы, которое может достигаться повышением надежности составляющих систему частей (элементов), совершенствованием структуры и внутри- и межэлементных связей, резервированием элементов и компонентов системы, технико-эксплуатационными, диагностическими,

профилактическими, мониторинговыми, организационными и другими мерами, требует увеличения капитальных и эксплуатационных расходов на реализацию упомянутых мероприятий. Игнорирование вопросов надежности или стремление к экономии за счет снижения расходов на надежность может привести к существенному • производственному и экономическому-ущербу, намного превышающему упомянутую мнимую экономию, полученную за счет использования ненадежных дешевых элементов и процедур. Естественно, исследователи в области надежности стремятся найти научно-обоснованные пути решения противоречивой задачи поиска и определения наилучшего сочетания показателя надежности и других (в первую очередь экономических) факторов создания и функционирования системы в соответствий с ее предназначением.

Существующие методы оценки и выбора надежности технологического оборудования и эксплуатационных процедур направленных на повышение надежности не в полной мере позволяют осуществить объективный выбор оптимальных показателей по надежности отдельных компонентов (технических и технологических элементов системы) нефтегазовых комплексов с учетом затрат на надежность и конечного экономического эффекта мер по повышению надежности.Поэтому привлечение к задаче анализа и синтеза надежности современных системотехнических подходов является актуальной.

Цель исследования Цель настоящего диссертационного исследования заключается в разработке методологии расчета оптимальных надежностных характеристик систем нефтегазового комплекса, основанной на современной системотехнической концепции, учитывающей как технические, так и экономические факторы при проектировании, модернизации и эксплуатации систем.

В основу системотехнического методологического подхода взято концептуальное положение о взаимосвязи технических показателей системы и ее экономической эффективности через призму стоимостных оценок расходов на реализацию, создание и эксплуатацию системы с соответствующими этим расходам надежностными показателями и оценок стоимостных потерь системы от остаточной ненадежности.

Объект исследования. Объект настоящего диссертационного исследования - \нёфтегазовый промышленный комплекс.Он рассматривается как сложная многокомпонентная технико-экономическая производственная система,требующая для своего создания и функционирования затрат большого количества различных ресурсов,которые,в принципе.могут оцениваться стоимостными показателями.Одним из наиболее трудных и важных вопросов,ответ на который необходимо найти разработчику любой технической системы,является вопрос о том,как определить наилучшее сочетание ее технических,эксплуатационно-производственных и экономических показателей для наиболее успешного и эффективного решения целевой задачи. . .

Методология исследования базируется на системном подходе к-задаче оптимизации показателей надежности технических систем с привлечением современного аппарата компьютерной алгоритмизации.

Научная новизна результатов исследования заключается:

в разработке системотехнической методологической концепции для решения задачи оптимизации показателей надежности^ сложных технических систем, основанной на минимизации суммы расходов на

повышение надежности и вмененных потерь (ущерба) от остаточной ненадежности;

- разработке алгоритма оптимального выбора элементов, входящих в систему (или методов повышения надежности) из диапазона возможных вариантов, исходя из конечного построения системы с оптимальной надежностью;

- попутно решается задача оптимального выбора кратности резервирования в непрерывном (нецелочисленном) интервале возможных значений.

Практическая Ценность работы заключается в том, что проектирование и эксплуатация производственно-технологических объектов нефтегазовых комплексов, основанные на системотехнической методологии оптимизации надежности, позволят существенно повысить их экономическую эффективность. Результаты работы переданы для использования в Национальную корпорацию "Узнефтегаз".

Апробация работы. Основные результаты исследования были доложены в двух докладах на Республиканской конференции "Математическое моделирование и вычислительный эксперимент" (9-11 сентября 1997 г. г. Ташкент) и отражены в тезисах этой конференции обсуждались на научных семинарах в НПО "Кибернетика" АН РУз.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 3 научные статьи (в том числе 2 в "Докладах Академии наук РУз) и 2 тезиса докладов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность научно - технической проблемы, ее значимость " для Республики Узбекистан, кратко излагается цель исследования и дается краткое содержание диссертации по главам.

Первая глава диссертации посвящена критическому обзору существующих подходов к исследованию и выбору показателей надежности технических систем , базирующихся, в основном, на

понятии, так называемой, требуемой надежности, намечает пути корректировки известных теоретико-методологических решений и обосновывает системотехническую концепцию оптимизации надежности технических систем, позволяющую рассматривать надежность системы в тесной связи с эффективностью функционирования и экономическими показателями.

Основным слабым звеном в установившихся и практикуемых подходах при решении задач надежности, на наш взгляд, является доминирование показателя требуемой надежности, которая в подавляющем большинстве случаев выставляется как начальное, заранее заданное условие. Хотя в некоторых работах и упоминается об оптимизационных подходах при определении надежности систем с учетом ■ влияния различных факторов и экономических оценок эффективности, однако при разработке практических рекомендаций специалисты вновь обращаются к, так называемой, классической постановке с заранее задаваемыми требованиями по надежности или стоимостными ограничениями.

Предлагаемый йами подход концептуально основывается на системотехнической методологии и предусматривает непосредственный учет связных отношений мееду целевыми факторами Ф и ресурсами С.

Интегрированная постановка задачи оптимизации надежности •• (фактора Ф ) и стоимости С возможна только при условии, когда оба вида показателей измеряются единой мерой. Такой единой мерой может служить стоимостная оценка.

Возникает проблема установления некоторого жесткого соотношения мееду принятыми, привычными оценками факторов Ф (в частности, надежности как вероятностного показателя) через стоимостные оценки типа

Ф С(ф) , . .

то есть, необходимо выразить влияние факторов Ф на "достижение целевой функции через стоимостные показатели С (ф)

Ф С (ф) { Р,, i = 1,N }, при формировании самой целевой функции в комплексной форме g = {С, Ф} = { С , С(ф)}.

надлежащий выбор стоимостного показателя С (ф) позволяет формулу целевой функции свести к вид у

g = {С + С (ф)}.

В общем же виде системотехническая концепция позволяет свести постановку определения оптимальной (не максимальной при заданной С, и не заданной надежности при минимальной С) надежности к поиску вектора Р,оптимизирующего некоторый комплексный показатель С{С,С(ф)},

с {р,, i = о?}, е {р) opt с (р).

Этот комплексный показатель, конкретизации и содержательному раскрытию которого посвящено изложение последующих разделов, и является основой системотехнической методологии оптимизации надежности технических систем.

Рассмотрим в системотехническом плане однозвенную техническую производственную систему (ТПС), предназначенную для выпуска некоторой продукции. \ Эта продукция может или непосредственно являться потребительским товаром или быть промежуточным продуктом (полуфабрикатом, комплектующим изделием и т.п.) для дальнейшего преобразования в потребительскую продукцию. Как потребительский товар выпускаемая продукция будет иметь потребительскую стоимость (ценность) Ст , по которой владелец технической производственной системы может реализовать ее покупателям.

Введем в употребление оценку С {С}, которая характеризует уровень стоимостных потерь (издержек), возникающих вследствие ненадежного функционирования ТПС:

C{Cj}(i) = C° -CT{Cj}(l! . (1 )

Уменьшаемым С° * в этом соотношении является товарная стоимость продукции при идеальном построении и функционировании ТПС, вычитаемая величина CT{Cj}(l) является товарной стоимостью продукции для реального ¡-го варианта построения и функционирования ТПС с затратами на повышение надежности равными Cj (и i-м вариантом распределения общих затрат Cj по элементам мер повышения надежности).

Как видим, увеличение расходов на повышение надежности приводит к снижению потерь от ненадежности и увеличению товарной стоимости продукции. Чистая прибыль от создания и функционирования ТПС можно оценить величиной

Д C{Cj}(i) = CT{Cj}w-C,;(1) . . . (2)

Заменяя С^Сйд через его значение из выражения ( 1 ) будем иметь:

Cr{Cj}(i) = С° - C{Cj}(i) . . (3)

Подставляя значение СЛСДф из (3) _ в (2) получим: ЛC{Cj}(i) = С° - C{Cj}(0 - Сш

или

ДС{СЛМ = С° -(Сш + C{Cj}(i)) . (4) Максимальная чистая прибыль будет достигаться при минимальном значении суммы С^)+С{Сйй так как величина С° является постоянной. Следовательно, процедуру оптимизации ТПС по показателям надежности можно выразить формулой -max ДС{СДя —► min (Сш+ C{Cj}0)), где Cj,()) - расходы на создание vi функционирование ТПС с надежностью, определяемой j-м значением расходов при i-м распределении этих расходов по направлениям (элементам, способам) повышения надежности, C{Cj)w - потери системы от ненадежности вследствие падения количества и качества выпускаемой продукции при j-м значении расходов на ТПС с достигаемым уровнем

надежности и ¡-м варианте их распределения по мерам повышения надежности.

Потери от ненадежности С будут измеряться теми издержками производственной системы, которые являются следствием полных или частичных (параметрических) отказов отдельных элементов системы и определяются не только снижением производительности и качества выпускаемой конечной продукции, но и другими нежелательными факторами, связанными с выходом из строя,, разрушением или снижением функциональной эффективности отдельных частей (элементов) системы или всей системы в целом. Такими факторами, приводящими к ущербу; могут быть безвозвратные потери продукции от разрушения оборудования, необходимость восстановительных ремонтных работ, санкции клиентуры (потребителей продукции) за недопоставку или задержку в доставке продукции, необходимость возмещения ущерба экологии среды и т.д. и т.п. Все возможные негативные последствия, возникающие вследствие ненадежности функционирования системы, должны учитываться стоимостными оценками вмененных издержек С.

. На рис. приводится характер зависимостей расходов С на реализацию и эксплуатацию системы от достигаемых показателей надежности, вмененных потерь (издержек) от остаточной ненадежности при соответствующих расходах и суммы обеих величин, характеризующих экономическую эффективность (оптимальность) системы. Оптимальная величина суммы расходов и потерь (С + с) приходится на минимум кривой.с= (С +С). Соответственно координаты расходов С и надежности Н для данной системы будут определять их оптимальные значения.

Вторая глава включает рассмотрение специфики конкретного исследуемого объекта - технологической схемы нефтегазового V производственного комплекса . - с системотехнических позиций с акцентированием обзора на вопросах надежности. В этой же главе дается схема системного аналитического подхода при оценке . надежности нефтегазового технологического комплекса и его оптимизации, рассматриваются вопросы характера зависимостей величины затрат на повышение показателей надежности от достигаемых значении этих показателей. Далее в главе рассмотрены вопросы связанные с. определением вмененных потерь от остаточной ненадежности и интерпретации решения задачи оптимизации надежности как задачи оптимального распределения ресурсов.

Фрагментарно исследуемый . комплекс условно можно разбить 1 на три основных блока - добычу, транспортировку и х / ¡газораспределительный потребительский блок. . На, каждом из этих блоков могут производиться определенные операции с основной и побочной продукцией иногда одинакового'характера (очистка, сжатие и т.п.).

, Так, для удобства системного исследования промысел, где добывается нефтегазовое сырье и^ первичный газоперерабатывающий завод отнесены к блоку "добыча". ' Газовые хранилища,, служащие для временной (сезонной, суточной, почасовой) балансировки^ при неравномерности (флюктуациях) потребительских запросов на

снабжение могут быть отнесены к блоку газораспределения или к другим блокам в зависимости от дислокации, объемов и других показателей (например, для обеспечения непрерывности газоснабжения при выходе из строя отдельных блоков).

Для системотехнического метода анализа и синтеза нефтегазового- технологического комплекса с позиций оптимизации показателей надежности комплекса, его блоков и составных частей блоков необходимо выявить технические и экономические последствия от ненадежного функционирования упомянутых структурных элементов.

Суммарные расходы на повышение надежности нефтегазового технологического комплекса С состоят из расходов на повышение надежности компонентов блоков

с=£с,

¡■Л

где п- количество блоков.

В свою очередь в расходы на повышение надежности блоков входят расходы на повышение надежности составляющих эти блоки отдельных подблоков (подсистем)

с,-1с,

где тг количество подблоков.

Так, например, блок транспортировки можно разбить на

2 подблока- линейную часть и компрессорную станцию. !

И, наконец, расходы на повышение надежности подблоков суммируются из расходов на повышение надежности технологических элементов, вхрдящих в подблоки как составные части, и выполняющих определенные функции в общем рабочем цикле возложенном на подблок:

С у' ~ С ijk к=1

Где ггколичество элементов в j-m подблоке.

.' Таким образом суммарные расходы на повышение надежности являются суммой множества слагаемых:

ni т, г, ,=1 j=l к=1

Индексы m i и г j предусматривают возможность различного числа подблоков в блоках и элементов в подблоках.

В системной постановке задача определения оптимального значения расходов на повышение надежности системы должна базироваться на принципе оптимального распределения ресурсов (выделяемых на повышение надежности и оцениваемых в стоимостных показателях) меаду всеми составляющими элементами системы.

В системной постановке задача определения оптимального значения расходов на повышение надежности системы должна базироваться на принципе оптимального распределения ресурсов (выделяемых на повышение надежности и оцениваемых в стоимостных показателях) между всеми составляющими элементами системы.

Задача оптимизации надежности состоит из двух основных подзадач:

1) подзадача оптимального . распределения ресурсов повышения надежности по элементам системы;

2) подзадача определения оптимальной величины общих суммарных расходов на повышение надежности всей технологической системы (в частности - нефтегазового комплекса).

Первая, подзадача влагается во вторую и является базой для решения последней.

Задача распределения расходов Cj, выделяемых на повышение надежности по элементам (частям) системы (или подсистемы ) газового производственного комплекса по минимуму потерь сj. от остаточной ненадежности решается известными методами оптимального распределения ресурсов (градиентным методом, использованием динамического программирования).

Оптимизационная схема предполагает рассмотрение дискретного ряда значений Cj, при каждом из которых решается задача оптимального распределения средств Cj по элементам расходов на повышение надежности по минимуму потерь от остаточной ненадежности Cj.

Распределение затрат С, может производится как по отдельным функциональным частям( элементам ) технологической системы, так и по методам (мерам, способам) повышения надежности.

Процесс оптимизации системы по надежности сводится к минимизации суммы затрат на повышение надежности Сщ > и потерь от остаточной ненадежности C{Cj}(i):

Ст + C{Cj}(,)-> min.

Далее во второй главе раскрываются вопросы, касающиеся определения зависимостей затрат от показателей надежности, вмененных потерь от остаточной ненадежности и дается методика использования динамического- программирования для решения задачи оптимального распределения ресурсов для повышения надежности.

В третьей главе диссертации излагаются вопросы алгоритмизации выбора оптимальных показателей (вариантов) надежности, показаны некоторые особенности системотехнического подхода при оптимизации надежности нефтегазового производственного комплекса, позволяющие упростить решение задачи оптимизации надежности. Особое место в главе занимает раздел, посвященный использованию резервирования при оптимизации надежности технологических производственных систем Системный подход позволяет свести задачу резервирования к классическим задачам использования избыточности с возможностью

замены резервирования с целочисленной кратностью резервированием с непрерывной кратностью, при которой кратность резервирования может меняться в интервале непрерывной шкалы значений от 0 до Такой подход является новым вкладом в теорию и методологию расчета надежности.

В глазе рассмотрен алгоритм выбора оптимального по сумме расходов на реализацию и потерь от остаточной ненадежности элемента Э системы из возможных М вариантов Э(1),Э!2),...Э!|),Э( м) ,

различающихся надежностными показателями 1-Р<1,1Р(2,,...Р(1).....Р(м) и

соответствующими стоимостями реализации С<1),С(2> ,...С(|), ...С(м>.

Надежностные показатели Р!0 и вмененные потери с определяются отдельными алгоритмами, основанными на данных эксплуатационного опыта, экспериментов (включая компьютерное моделирование) и приближенных расчетных формулах, полученных теоретическим путем.

Далее в главе раскрываются особенности системного подхода при оптимизации надежности ТПС и эффективности использования резервирования элементов системы.

Теория надежности дополняется введением нового понятия нецелочисленного резервирования, кратность которого может занимать диапазон от 0 до +°о включая дробные, нецелочисленные значения.

В конце главы дается алгоритм поиска оптимальных вариантов резервирования, который может легко компоноваться с основным алгоритмом оптимального выбора элементов ТПС по надежности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенная исследовательская работа является первой попыткой привлечения современной системотехнической методологии к решению задач оптимизации одного из важнейших показателей технических и технологических производственных систем - надежности их функционирования. Исследование, основной частью которого является разработка системотехнической методологической концепции для оптимизации надежности технических систем, базируется на

комплексном учете технических и экономических показателей как системы в целом, так и ее составляющих частей (элементов).

Разработанная методологическая концепция оптимизации надежности ТПС позволяет критически пересмотреть укоренившиеся классические подходы при выборе показателей надежности. Если в практикующихся до сих пор методах при определении показателей надежности упор делается на достижение, так называемой, "требуемой надежности", то данное исследование показало, что более объективный подход должен основываться на понятии "оптимальной надежности".

В отличие от требуемой надежности, определяемой в основном на базе экспертных оценок и не лишенных ошибок субъективного характера, оптимальная надежность является объективным показателем, учитывающим в комплексе технические и экономические параметры ТПС в тесной связи с целевым назначением последних.

Основные результаты диссертационного исследования заключается в следующем:

1. На основе критического анализа существующих методов выбора показателей надежности ТПС разработана теоретическая база системотехнической методологической концепции оптимизации надежности ТПС по минимуму суммы расходов на надежность и вмененных потерь (издержек) от остаточной ненадежности, учитывающей в комплексе технические и экономические параметры ТПС;

2. Разработанная методика позволяет технические, экономические, организационные, эксплуатационные, социальные, экологические и другие факторы функционирования ТПС к единой мере (размерности) - стоимостным оценкам, что позволяет включать в оптимизационную процедуру выбора надежности весь ансамбль показателей при ее создании и функционировании;

3. Разработана схема использования предлагаемого методологического системотехнического подхода при оптимизации показателей надежности нефтегазового технологического комплекса;

4. Разработан алгоритм процедуры выбора оптимального по надежности элемента (или метода повышения надежности) из множества возможных вариантов по минимуму суммы расходов на надежность и вмененных

Iй

потерь от остаточной ненадежности;

5. Показана эффективность использования нецелочисленного резервирования (в непрерывном интервале от 0 до да) элементов ТПС и разработан алгоритм поиска оптимальных значений кратностей нецелочисленного резервирования.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Буссахра Н. (соавтор Валиев Т.А.) Анализ существующих методов исследования надежности технических систем и пути их корректировки. Доклады Академии наук Республики Узбекистан.

. Математика, технические науки, естествознание. №2. 1998, "Фан" (С24-27).

2. Буссахра Н. (соавтор Валиев Т.А.). Системотехнические аспекты оптимизации надежности технических систем. Вопросы кибернетики. Выпуск 156. Ташкент 1998. (с.77-81)

3. Буссахра Н. (соавтор Валиев Т.А.). Основные принципы системотехнической методологии оптимизации надежности производственных объектов. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Тезисы докладов Республиканской конференции (9-11 ноября 1997г.) Ташкент-1997 (с.88).

4. Буссахра Н. (соавтор Валиев Т.А.). Методологическая схема решения задачи системотехнической оптимизации надежности технических производственных систем. Математическое моделирование- и вычислительный, эксперимент. Тезисы докладов Республиканской конференции (9-11 сентября 1997г.). Ташкент-1997: (с.87).

5. Буссахра Н.(соавтор-Валиев Т.А)Особенности системного подхода при оптимизации надежности технико-производственных систем .Доклады Академии наук Республики Узбекистан №8. 1999 г.

Буссахра Н.

Техник тизимлар чидамлилигини системотехник оптималлаштириш методолгияси (нефт-газ комплекси мисолида)

Техника-^шлаб чикариш тизимларининг (ТИЧТ) самарадорлиги бошка

«

факторлар каторида маълум даражада уларнинг чидамлилик хусусиятига боглик. ТИЧТ ва унинг кисмлари чидамлилигини танлаб олишда хозиргача мутахассислар фойдаланиб келаетган методик услублардаги камчилик шундан иборатки, унда чидамлилик даражаси субъектив (асосан тажрибадан) ва аввалдан берилган холда (априори) аникланади. Мавжуд классик методлар асосида икки хил масала ечилади:

1. ТИЧТни тузиш учун берилган харажатларга асосланиб, энг чидамли хол аникланади. ,

2. Энг кам харажатларга асосланиб, берилган ва чекланган чидамлилик хусусияти аникланади.

Хар иккала методик услублар ТИЧТни чидамлилигини оптималлаштириш маса-ласига жавоб бермайди.

Диссертацияда ТИЧТни чидамлилик хусусиятларини оптимал даражаси-ни аниклаш муаммоси ечилган. Унда замонавий системотехника методология-сига асосланиб, тизимларни чидамлилик хусусиятини оптимал даражасини чи-дамлиликка сарф килинган харажатлар ва колдик чидамсизлик окибатида кел-тирилган зарарнинг жаъмини минималлаштириш йули билан аникланади.

Диссертацияда чидамлиликни ошириш учун резервлаш масаласи янги • нуктаи назардан ечилган ва резервланадиган бутун карра сонли элементларнинг урнига карра сонлиларини ишлатиш оптимал холатга олиб келиши тасдиклан-ган.

• Элементларни оптимал чидамлилигини топиш ва резервларни оптимал булинма сонини аниклаш алгоритмлари тавсия этилган. Диссертацияда келти-рилган ТИЧТ кисмларини оптимал чидамлилигини аниклаш кинг замонавий системотехник методологияси нефтегаз саноат тизимлари асосида келтирилган.

BOUSSAKHRA N.

Methodology of system technical optimization of technical system reliability

(On example of oil-gas complex)

i.

Efficiency of Production-Technical Systems (PTS) in the certain sense of .d gree with the other factors depends of its reliability. One of exist defect that is applii today is that degree reliability is determined beforehand (a priori) and subjective (from practice). Existing classical strategy allovvto decide problems in two event:

1. It is determined the most reliable case in condition limited expenses for consisti PTS.

2. It is determined beforehand given degree of reliability with least expenses.

Both methods fail put problems of optimization of reliability of PTS. The de cision of problem is founded on modem system technical method. Minimization amount expenses of reliability of system and the loss that is produced as effect of.re maining unreliability define the degree of reliability.

The problem of reservation for increasing of reliability, it has decided from point of new.

The process of substitution integer elements to fractions leads to optimizatio

It has suggested the algorithm of determination fraction element reserving ai getting optimization of reliability of element.