автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление безопасностью магистральных газопроводов

Министерство общего и профессионального образования _ _ Российской Федерации

РГБ ОД

2 2 ФЕВ 1999

Тульский государственный университет

на правах рукописи УДК 621.643:658.51.011.56

Морозов Константпп Анатольевич

УПРАВЛЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТЬЮ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизированные системы управления »

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Туля -1999

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Фатуев Виктор Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Прусенко Борис Ефимович

кандидат технических наук, профессор Моторнн Вячеслав Валентинович

Ведущая организация: Предприятие « Мострансгаз»

Зашита состоится «/<?» марта 1999 года на заседании диссертационного совета К 063.47. 10 в Тульском государственном университете в ауд. 101 , по адресу: г.Тула, пр. Ленина, 92,9 уч. корпус

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета

Автореферат разослан « 10 » февраля 1999 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Л _ ___ Ковешников В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Магистральные газопроводы относятся к категории сложных эиергоналряженных объектов, отказы на которых сопряжены со значительным материальным и экологическим ущербом Аварии на магистральных газопроводах, транспортирующих пожаро - взрывоопасные вещества, могут привести к загрязнению окружающей среды, создают повышенный риск с точки зрения безопасности персонала и населения. По данным статистики за период с 1993 по 1997 год на магистральных газопроводах России произошло 166 крупных аварий. Материальный ущерб составил около 200 млн рублей, имели место значительные человеческие жертвы. Однако анализ отказов и аварий показал, что расследуется всего не более 20%-30% от общего количества аварийных ситуаций.. В этой связи особую остроту и актуальность приобретает проблема обеспечения безопасности магистральных газопроводов. До настоящего времени эта проблема решалась лишь с точки зрения сравнения данных, полученных в результате эксперимента и нормативных данных. Но в такой методологической постановке безопасность газопроводов являлась категорией слабоуправляемой и в большей степени формальной, так как всего лишь давала представление о том, насколько конструктивные и технологические решения соответствуют требуемым показателям безопасности. Это обстоятельство привело к тому, что отраслевая наука по обеспечению эксплуатационной безопасности магистральных газопроводов достигла кажущегося насыщения, исчерпала свои методологические резервы и определила круг задач, неразрешимых в рамках классической теории и традиционных методов расчет;!.

Проведенный автором анализ существующих методов управления безопасностью магистральных газопроводов, показал, что задачи повышения уровня их эксплуатационной безопасности наиболее эффективно решаются с использованием интеллектуальных автоматизированных систем ситуационного управления (ИАССУ), построенных по мно-гоуровнерому функциональному принципу и увязанных в единый иерархический комплекс управления. Завершающим этапом такого подхода к решению проблемы управления безопасностью магистральных газопроводов является разработка комплекса мероприятий, снижающих вероятность возникновения аварии.

Целью исследования является разработка ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов, обеспечивающей безаварийный режим эксплуатации объектов транспорта газа, выбор оптимальной стратегии управления в условиях возникновения нештатной ситуации и повышение оперативности реагирования ЛПР- диспетчера на ту или иную аварийную ситуацию.

Методы исследования. В настоящей работе использован системный подход к решению проблемы управления безопасностью магистральных газопроводов. Для определения вероятности возникновения аварии на магистральном газопроводе использован метод построения и анализа дерева неполадок, а для разработки моделей элементов системы безопасности магистральных газопроводов - теория надежности, теория графов, теория вероятностей, математическая статистика и современная теория управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана семантическая модель обеспечения безаварийной работы магистральных газопроводов, позволяющая по показателям безотказной работы конструктивных элементов определить показатель безотказной работы линейной части магистрального газопровода (ЛЧМГ).

2. Разработана кибернетическая модель управления безопасностью магистральных газопроводов.

3. Разработан граф аварийной разгерметизации магистрального газопровода, на основе которого исследователь получает четкое представление о взаимосвязях внутри системы, о том, по каким причинам возникают различные нежелательные события, которые могут повлиять на потерю герметичности магистральных газопроводов.

4. Разработаны авторегрессионные модели, позволяющие прогнозировать аварийные выбросы газа на магистральных газопроводах, эксплуатируемых Тульским управлением магистральных газопроводов (ТУМГ).

5. Разработаны продукционно - фреймовые модели, необходимые для формирования оптимальных управленческих решений с целью обеспечения безопасности ЛЧМГ.

6. Разработана интеллектуальная автоматизированная система ситуационного управления (ИАССУ) безопасностью магистральных газопроводов, использование которой позволит существенно уменьшить риск возникновения аварийных ситуаций.

Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечиваются корректностью постановки теоретических задач, принятыми допущениями и использованием современного математического аппарата для их решения, проверкой результатов работы интеллектуальной автоматизированной системы управления безопасностью магистральных газопроводов на практике.

Практическая полезность работы. Разработанная интеллектуальная автоматизированная система ситуационного управления безопасностью магистральных газопроводов позволяет ЛПР -диспетчеру повысить качество и оперативность принятия управленческих решений по предотвращению аварийных ситуаций ЛЧМГ. Использование ИАССУ

безопасностью магистральных газопроводов дает возможность эксплуатационным службам более рационально планировать режимы эксплуатации и профилактические мероприятия на объекте, что подтверждается опытом использования ИАССУ на объектах Тульского управлении магистральных газопроводов.

Апробация результатов исследований. Важнейшие положения диссертации были доложены автором на Вссрюссийской молодежной научно-технической конференции «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы»(г. Уфа, 1995 г.), на Всероссийской молодежной научной конференции «XXII Гагарииские чтения» ( г Москва, 1996 г.), на Международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученмч «Молодежь и чгута - третье тысячелетие» (г. Москва, 1996 г.), на X Международной конференции «Математические методы в химии и химических технологиях» (г. Тула, 1996 г.), на Международном научном форуме «Экобалтика - XXI век» ( г. Санкт-Петербург, 1996 г.), на Всероссийской научной конференции «ХХШ Гагаринские чтения» (г. Москва, 1997 г.), на Международном научном семинаре «Новые информационные технологии» (Крым, г. Судак, 1997 г.), на XI Международной научной конференгош «Математические методы в химии и химических технологиях» (Тульская обл., г.Новочосковск, 1997 г.), на Всероссийской научной конференции «XIV Гагаринские чтения» (г. Москва, 1998 г ), на научных чтениях Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности «Белые ночи» ( г. Санкт- Петербург, 1998 г.) и на ХП Международной научной конферегпши «Математические методы в химии и химических технологиях» (г. Владимир, 1998 г.).

Публикации. По теме исследования азтором опубликовано четыре статьи и одна монография. Общий объем публикаций 10 условных печатных листов.

Объем и структура работы. Общий объем диссертации 184 страницы машинописного текста, включая 28 таблиц, 27 рисунков и библиографический список.

Автор выражает глубокую благодарность за ценные методологические советы при проведении научных исследований академику РАЕН, профессору В. И. Бушнн-скому.

ОСИОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «С овременное состояние проблемы обеспечения безопасности магистральных газопроводов» приведен обзор информационных источников по проблеме обеспечения безопасности магистральных газопроводов, анализ аварийных ситуаций на магистральных газопроводах России за период с 1990 по 1997 годы и анализ сущест-

вутощих методов управления безопасностью магистральных газопроводов, из которого вытекает необходимость применения автоматизированного управления при повышении уровня эксплуатационной безопасности магистральных газопроводов.

В решение проблемы обеспечения эксплуатационной безопасности магистральных газопроводов весомый вклад внесли работы О.М. Иванцова, Е.Р. Ставровского,

A.M. Зиневича, И.И. Мазура, О.И. Молдаванова, Дж. Д. Маккендрика, В.В. Притула,

B. В. Харионовского и др. Однако проблема обеспечения эксплуатационной безопасности объектов транспорта газа еще далека от своего окончательного решения. Исследования автора показали, что существенного повышения уровня эксплуатационной безопасности магистральных газопроводов можно достичь при применении интеллектуальных автома-тазированных систем ситуационного управления безопасностью, построенных по многоуровневому функциональному принципу и увязанных в единый иерархический комплекс управления.

Изучение причин крупных аварий на магистральных газопроводах свидетельствует, что их развитие и последствия во многом зависят от степени проработки организационных и управленческих вопросов при эксплуатации магистральных газопроводов, подготовки и координации действий в аварийной ситуации и реальной оценки риска возникновения аварии.

Анализ аварийных ситуаций на магистральных газопроводах показал, что причины отказов конструктивных элементов ЛЧМГ в основном обусловлены дефектами в- самих трубах и сварных соединениях или вызваны браком изоляционных покрытий, дефектами электрохимзащиты (ЭХЗ), траншей, грунтовой засыпки, балластирующих устройств, нарушений правил эксплуатации и позволил оценить распределение отказов по различным причинам за достаточно большой промежуток времени, а также определить известные тенденции и выявить наиболее неблагополучные проявления аварийных ситуаций при функционировании газопровода. Использование традиционных методов управления в задачах обеспечения безопасности магистральных газопроводов неэффективно в связи с иеформализуемосгью описания, функциональной ситуационностъю, рациональностью законов управления и неполнотой исходной информации.

Анализ свойств и особенностей функционирования магистральных газопроводов, который необходимо учитывать при управлении безопасностью ЛЧМГ, показывает, что данные объекты относятся к категории организационно - ситуационных. Поэтому для решения задачи управления безопасностью магистральных газопроводов в настоящей работе используется метод ситуационного управления.

Во вгороЯ главе «Методика построения интеллектуальной автоматизированной системы ситуационного управления (ИАССУ) безопасностью магистральных

газопроводов» с позиций системного подхода изложены вопросы ргшения проблемы управления безопасностью магистральных газопроводов, приведена аротктура и режимы функционирования ИАССУ безопасностью магистральньге газопроводов и кибернетическая модель управления безопасностью ЛЧМГ.

l ia рисунке 1 представлена с<ема решения задачи управления безопасностью магистральных газопроводов. Описание текущей ситуации, сложившейся на ЛЧМГ, подается на вход анализатора H го задача состоит в оценке сообщения и определении необходимости вмешательства сис!емы управления в процесс, протекающий на объекте управления. Если текущая ситуация не требует такого вмешательства, то анализатор не передает ее на дальнейшую обработку. В противном случае описание текущей ситуации nociynaeT в классификатор. Используя информацию, хранящуюся в нем, классификатор относит текущую ситуацию к одному или нескольким классам, которым соответствуют одношаговые решения. Эта информация передается в коррелятор, в котором хранятся все логик о-ттрансформациошялс правила (ЛТП). Коррелятор определяет ЛТП , которое должно быть использовано.

Схема решения задачи управления безопасностью магистральных газопроводов

Рис.1

Если такое правило единственное, то оно выдается для исполнения. Если лее таких правил несколько, то выбор лучшего из них производится после обработки предварительных решений в экстралоляторе, после чего коррелятор выдает решение о воздействии на

объект. Если коррелятор и классификатор не справляются с поступившим описанием текущей ситуации, то срабатывает блок случайного выбора, где вырабатывается одно из воздействий, оказывающих не слишком большое влияние на объект, или же система отказывается от какого- либо воздействия на объект. ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов является открытой системой, что позволяет корректировать свои знания об объекте и методах управления им. Описанный выше метод основан на введении понятия ситуации, классификации ситуаций и их преобразовании.

Функциональная структура ИАССУ может быть представлена следующим кортежем:

и = <В,М,0,У,М,Н>, (1)

где В - база знаний; У- блок вывода управляющих решений , Б- блок анализа ситуаций; Л- лингвистический процессор; Н- компонента объяснений, О - база данных, Нематематическая модель объекта.

ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов функционирует в следующих режимах: 1) пополнение базы знаний (ЛЛР - диспетчер столкнулся с незнакомой текущей ситуацией на ЛЧМГ); 2) поиск противоречий в продукционных правилах, осуществляемый экспертом на этапе представления знаний; 3) интеллектуальный диалог ЛПР - диспетчера с ИАССУ, осуществляемый в режиме меню блоком вывода управляющих решений, а также объяснение сгенерированных ИАССУ управленческих решений.

Рассмотрим архитектуру ИАССУ безопасностью ЛЧМГ, режимы функционирования и взаимосвязи основных блоков (рис. 2).

База знаний (БЗ) "В" включает все программно- реализуемые фреймы, отражающие декларативные знания о структуре газотранспортных систем и о целях управления безопасностью. Анализ ситуаций на разных уровнях газопроводной системы отображается фреймами, которые могут преобразовываться в предикатные формулы при выводе решения.

Существенным отличием ИАССУ от традиционных АСУ является принцип работы блока математических моделей - "М". Задачи из "М" решаются по запросу из БЗ при необходимости генерации новых знаний и данных. Это обеспечивается наличием в БЗ фреймов, описывающих знания о математических моделях прогноза аварийных выбросов газа на магистральных газопроводах, оценки индивидуального остаточного ресурса ЛЧМГ, условиях применения моделей и выходных данных, получаемых при решении задачи управления безопасностью.

Архитектура интеллектуальной автоматизированной системы ситуационного управления безопасностью ЛЧМГ

Рис. 2

БПЗ ■■ блок преобразования знаний; БО - блок объяснения; БВУ - блок вывода управляющего решения; БАС - блок анализа ситуаций, БЗ - база знаний; БОД- блок обработки данных; БД- база данных; БМ- блок математических моделей;

(3- потоки дачных; г- потоки знаний; и- потоки управляющих решений.

База данных (БД) - "Д" храпит фактографическую и числовую информацию, поступающую с реального магистрального газопровода, результаты решения математических задач, данные, полученные от ЛПР, а также ретроспективные данные об отказах и авариях ЛЧМГ, позволяющие ИАССУ решать задачи прогнозирования развития возможных аварийных ситуаций на магистральных газопроводах. Поиск решений в ИАССУ обеспечивается блоком анализа ситуаций (БАС) - "Б" и блоком вывода управляющих решений (БВУ) - "У", которые составляют двухэтапную процедуру смыслового вывода.

На первом этапе, на основе данных из БД, осуществляется семантический анализ нестандартных ситуаций на магистральных газопроводах. В результате смыслового анализа ситуаций, ЛПР может получить весь список возможных неисправностей ЛЧМГ и причин их возникновения. На втором этапе процедуры вывода по смысловому описанию ситуаций на магистральных газопроводах в интерактивном режиме выбираются критерии управления безопасностью ЛЧМГ, в соответствии с которыми формируются конкретные управляющие решения.

Выделение процедур вывода управляющих решений и анализа ситуаций в самостоятельные блоки дает возможность программно реализовать в ИАССУ различные стратегии вывода решения. В результате этого в ИАССУ знания отделяются от способа их переработки, что позволяет качественно изменять и настраивать эвристический алгоритм функционирования ИАССУ при изменении ситуации и условий работы магистрального газопровода. ИАССУ генерирует для ЛПР - диспетчера рекомендации по управлению безопасностью ЛЧМГ и конкретные способы их реализации. При сомнениях в правильности сгенерированного ИАССУ управляющего решения, на основе переработки знаний и данных об аварийных ситуациях на магистральных газопроводах, ЛПР имеет возможность с помощью блока объяснения (БОУ "Н" получить описание хода рассуждении при выводе, а также после внесения дополнительных данных или знаний повторить вывод.

Реализация изложенного подхода позволит существенно облегчить контроль за состоянием безопасности газопроводных конструкций, обеспечить снижение риска возникновения аварийных ситуаций и тем самым значительно повысить безопасность при эксплуатации магистральных газопроводов.

В третьей главе «Основные элементы ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов» приведены классификация отказов ЛЧМГ, статистический анализ отказов ЛЧМГ с учетом причин их возникновения, методы обеспечения конструктивной надежности магистральных газопроводов, расчетные модели безопасной эксплуатации ЛЧМГ и ее элементов, методы количественной оценки последствий и риска возникновения аварий на ЛЧМГ, модели, позволяющие осуществить оценку индивидуального остаточного ресурса и продукционно - фреймовые модели представления знаний для формирования оптимальных управленческих решений с целью обеспечения безопасности магистральных газопроводов.

Разработка научно обоснованной системы критериев отказа как для конструктивных элементов ЛЧМГ, так и для системы в целом , т.е. установление групп показателей, характеризующих предельные значения для параметров, определяющих работоспособ-

ность магистрального газопровода и его конструктивных элементов , является одной из важнейших научно- практических проблем надежности.

В результате решения задачи ранжирования текущих ситуаций на магистральных газопроводах, было установлено, что наиболее опасной, с точки зрения тяжести последствий, является текущая ситуация магистрального газопровода «обнаружен дефект сварного соединения: горячая или холодная трещина»: Полученная информация имеет достаточно важное значение , так как существенно повышает быстродействие ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов. Когда на ЛЧМГ во время эксплуатации складывается сразу несколько нештатных ситуаций, КАССУ вначале обрабатывает ту из mix, которая чмеет наибольшую степень опасности

Установлено, что регистрируемые в настоящее время отказы ЛЧМГ являются в основном отказами двух ее основных конструктивных элементов — металла трубы или сварных соединений, которые возникают как в результате достижения предельных состояний непосредственно этими элементами при сохранении работоспособности других, так и вследствие отказов остальных конструктивных элементов, влияющих на потерю работоспособности двух основных. Таким образом, следует различать отказы ЛЧМГ двух принципиально разных групп:

•Отка'1 ЛЧМГ вследствие отказа собственно металла трубных секций или отказа сварных соединений- элементы группы А.

«Отказ ЛЧМГ вследствие отказа остальных конструктивных элементов — изоляции, балластировки, ЭХЗ, траншеи - элементы группы Б. Очевидно, что в настоящее время отказы второй группы еще не могут фиксироваться непосредственно, а проявляются кос-вето через отказы конструктивных элементов группы А.

Надежность магистрального газопровода — одна из важнейших составляющих его безопасности и качества. Разработанная автором ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов решает следующие задачи исследования надежности газопроводных систем:

- концептуальные задачи, включающие определите места проблемы надежности в системе управления безопасностью магистральных газопроводов. Сюда же входят задачи формирования основных терминов и понятий системы надежности;

- информационные задачи, рассматривающие вопросы сбора, обработки статистических данных об отказах и авариях, являющихся основой для получения вероятностных характеристик этих событий, законов распределения и их числовых параметров;

- функциональные задачи, связанные с определением фактического уровня надежности газопроводных систем. Решение этих задач позволяет сравнить полученные значения показателей надежности с нормативными значениями, найти причины отклонений и скорректировать методы принятия решений в области повышения надежности;

- нормативные задачи, вхлючакяцие выбор показателей и критериев надежности, используемых для системы в целом и ее элементов, а также для определения их нормативных уровней. К этим же задачам относится разработка нормативных требований к структурному строению газопроводных систем и значениям показателей надежности ее составных частей, обеспечивающих качественное функционирование объекта;

- оптимизационные задачи, связанные с выбором оптимальных уровней надежности газопроводной системы и ее элементов, с учетом экономической эффективности, обоснованием средств и методов управления этими показателями.

Решение перечисленных выше задач в настоящей работе осуществлялось с позиций единого системного подхода к вопросам обеспечения надежности магистральных газопроводов.

Рассмотрение линейной части магистрального газопровода, как системы последовательно и параллельно соединенных между собой элементов, дает основание представить вероятностную модель безопасной работы ЛЧМГ. Модель представляет собой три соединенных между собой блока, отличающихся друг от друга природой связей составляющих их элементов. В первом блоке моделируются связи физико- химического характер» (металл, сварка), во втором — электрохимического (изоляция, катодная защита), в третьем — механические связи (траншея с уложенным газопроводом, грунтовая засыпка и балластирующие конструкции). При этом учитывается, что последовательное соединение блоков обеспечивает безопасное функционирование всей системы при безотказной работе этих блоков, а в параллельно соединенных элементах, при появлении отказов в одном из них, увеличивается интенсивность отказов элементов, продолжающих работать. Полученная в модели комбинация блоков с последовательным и параллельным соединением элементов может быть описана математически путем поэтапного объединения в группы эквивалентных элементов. Вероятность безотказной работы первого блока определяется выражением:

Вероятность безотказной работы второго и третьего блоков следует принимать

Кмс=Ям*Ке

(2)

равной: Яиэ= 41- Ки)'(1-Из)

Кгбт= Ь (1 -Яг)*(1 -Кб)*( 1 -11т),

(3)

(4)

где Rm, Rc; Rh, R3, Rr, R6, Rt — показатели безотказности элементов системы соответственно - основного металла труб, сварных соединений, конструкции изоляции, устройств электрохимзащиты, грунтовой засыпки, балластирующих устройств, транше?'.

Показатель безопасной работы системы в целом будет равен

R= Rmc*Rh3*Rt6t (5)

Разработанная таким образом модель позволит осуществить оценку безаварийной работы ЛЧМГ на основе известных показателей безотказности ее консгрустивных элементов, что даст возможность эффективнее планировать график проведения профилактических мероприятий.

Установлено, что д;ш оценки индивидуального остаточного ресурса магистральных газопроводов наиболее эффективной является гипотеза линейного суммирования повреждений, согласно которой при эксплуатации газопровода в сложном циклическом режиме нагружения происходит накопление повреждений в дефектных местах. Как только на каком- то дефекте функция накопления повреждений будет равна единице, происходит разрыв трубы. Согласно гипотезе линейного суммирования повреждений, оценка индивидуального остаточного ресурса ЛЧМГ производится по формулам: 1 Nn

oi= Y. , (6)

i = 1N pt

где Нп - характеристика спектра нагруженности магистрального газопровода; N р, • число циклов до разрушения, которое можег выдержать труба с заданным дефектом при данном режиме эксплуатации

СО

вос,К)е

исходная глубина дефекта; а^ - критическая глубина дефекта;

AATj:

где а» -

КХЬ

da /

dN е\

* (8)

Считая, что режимы транспортировки газа в течение эксплуатации магистрального газопровода изменятся незначительно, его индивидуальный остаточный ресурс определяется как: Т-—гг, ' (9) етИ

где пИ- коэффициент запаса по долговечности, определяемый экспертным путем ' (для магистральных газопроводов, эксплуатируемых ТУМГ, он принят равным 7,0). В ре-

зулътате расчетов были определены графические зависимости долговечности эксплуатации ЛЧМГ от глубины различных дефектов конструктивных элементов (рис. 3 и рис.4). Зависимость долговечности эксплуатации ЛЧМГ от глубины трещины для газопровода при давлении 5,4 МПа и толщиной стенки трубы 12мм

Рис.3

Зависимость долговечности эксплуатации ЛЧМГ при рабочем давлении 5,4 МПа от глубины дефекта

1 2 3 4 5 а/мм

Рис.4

Эти данные позволят ЛПР - диспетчеру более рационально планировать режимы эксплу атации и профилактические мероприятия.

Было разработано дерево отказов магистрального газопровода, на основе которого можно оценить вероятность возникновения аварии, в зависимости от совокупного влияния дефектов конструктивных элементов, механических повреждений, ошибок при проведении технической диагностики и различного рода нагружений . В результате расчета уста-

ковлено, что вероятность аварийной разгерметизации равна - 2.81*10° По результатам численного анализа дерева неполадок были выработаны различные рекомендации вариантов решений по управлению процессом эксплуатации магистральных газопроводов, I приняты корректирующие изменения и сделана проверка правильности этих изменений путем модификации дерева неполадок и повторного его оценивания. Эту процедуру необходимо повторять до тех пор, пока вероятность аварии на ЛЧМГ не достигнет приемлемого уровня риска.

Вследствие труднодоступности полной и достоверной информации об авариях и уягрбе па гл^ниральлих газопроводах, оценка риска опирается на физические потери или денежное выражение наносимого совокупного ущерба. Физические потери можно представить регулярными и случайными характеристиками. Учитывая, что возмо;кность аварийного выброса определяется частотой аварий, оценка представляет собой математическое ожидание. В таком приближении случайные выбросы могут учитываться поправкой к размеру регулярных потерь, т.е. при штатной работе газопровода. Учет случайных воздействий может рассматриваться на основе использования методики регрессионного анализа соответствующих временных рядов. Для ситуации, когда систематические данные имеют вид равномерно распределенных величин с " нулевым" математическим ожиданием, анализируется модель, связывающая переменные: "потери продукта - транспортная работа- средний возраст трубопровода". Приемлемый прогноз потерь » результате аварийных выбросов '¿а, получается в пределах авторе!рессионной модели:

2, - а, +а2 ■:1_г+.. +ап ■::,_„ + у,, где (10)

У( - случайное воздействие в момент времени I,

аь аз,...,От, - неизвестные коэффициенты, учитывающие влияние эксплуатационных

параметров магистрального газопровода на аварийный выброс транспортируемого продукта.

Отбор оптимальной модели осуществляется на основе сравнения дисперсий предсказания на проверочной последовательности данных. Сравнение результатов расчетов в

настоящей работе проводилось па примере моделей, построенных по выборке данных об аварийных ситуациях на магистральных газопроводах, эксплуатируемых ТУМГ за восьмилетий период:

г, =-0,4

г, =-0,35--,^ + 0,

г, = -0,1 • г,., + 0,2 • :„2 + 0,03 - г,.,2;

г, = -0,05 • г,., + 0,1 ■ г,+ 0,04 • г,., • .

(И) (12)

(13)

(14)

Дисперсии ошибок прогнозирования по этим формулам на проверочной последовательности соответственно равны: 19,8; 18,2; 15,3; 12,1- Следовательно оптимальный прогноз дает соотношение (14). Результаты математического моделирования временных рядов приведены на рисунках 5 и 6.

Зависимость дисперсии предсказания временного ряда от числа п учитываемых членов в

авторегрессионной модели

1,6 1,2 0,8 0,4 "

О

7

Рис.5

Зависимость дисперсии предсказания временного ряда от числа N наложения модели

Рис.6

Для вывода управляющих решений в ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов были разработаны следующие продукционно - фреймовые модели: « линейная часть магистрального газопровода» (рис.7), «текущие ситуации на ЛЧМГ» (рис.8), «правила вывода управляющих решений в нештатных ситуациях на ЛЧМГ» (рис.9).

Информационная структура фрейма (ФР) - прототипа « линейная часть магистрального газопровода»

Фр - прототип « линейная часть магистрального газопровода»

ч' Металш трубы

а1 1 Слот-

42 Сварные соединения

а2.! Слот

чз Изоляция

а3.1 Слот

44 Балластирующие устройства

а4.1 Слот

41 ЭХЗ

а5.1 Слот

Ф Траншея

аб.1 Слот

Я? Грунтовая засыпка

а7Л Слот

Ч» Диаметр трубы

а8.1 Слот

Ч9 Давление

а9.1 Слот

дЮ Температура газа

аЮЛ Слот

чП Пропускная способность

а! 1.1 Слот

• Рис.7

Информационная структура фрейма - прототипа «текущие ситуации на ЛЧМГ»

Фр - прототип «текущие ситуации на ЛЧМГ»

Ч! Безаварийный режим эксплуатации

а1.1 Слот

Обнаружены дефекты металла трубы

а2 1 С лот

чз Обнаружены дефекты сварных соединений

а3.1 Слот

Ч4 Обнаружены дефекты балластнруюших УСТРОЙСТВ

а4 1 Слот

45 Обнаружены дефекты изоляции

а5.1 Слот

Ч6

Обнаружены дефекты

эхз

аб.1 Слот

I Обнаружены дефекты

тграншеи

а7.1 | Слот

Ч8 Обнаружены дефекты грунтовой засыпки

Ч8.1 Слот

49 Произошла разгермети -зация ЛЧМГ

а9.1 Слот

Рис.8

ц10 Произошло пад*нне давления

аЮ.1 Слот

чп Зарегнстрировэ но изменение темпеоаггуоы таза

а11.1 Слот

ч'- Произошло падкнкб: пропускной способности

а12.1 Слот

Информационная структура фрейма-операции «правила вывода управляющих решений в нештатных ситуациях на ЛЧМГ»

Фр - операция «правила вывода управляющих решений в нештатных ситуациях на ЛЧМГ»

ч1 Если безаварийный режим эксплуатации

а!.! Эксплуатация ЛЧМГ при прежних режимах

42 Если обнаружены дефекты металла трубы

а2.1 Слот

чз Если обнаружены де-фееты сварных швов

аЗ 1 Слот

Ч4 Если обнаружены дефекты балластирующих УСТРОЙСТВ

а4.1 Слот

Чб Если обнаружены дефекты ЭХЗ

аб.1 Слот

47 Если обнаружены дефекты траншеи

а7.1 Слот

4« Если обнаружены дефек -гы грунтовой засыпки

Слот

Ч9 Если произошла разгерметизация ЛЧМГ

а.9.1 Слот

чю Если произошло падение давления

а!0.1 Слот

Ч»

а!1.1

Если зарегистрировано изменение температуры газа_

Слот

412 Если про из (Лило па« цение пропускной способности

а12.1 Слот

Я5 Если обнаружены дефекты изоляции

а5.1 Слот

Рис.9

В процессе генерации семантических решений по управлению безопасностью магистральных газопроводов после «означивания» ФР - прототипы превращаются во ФР -примеры; образуется взаимосвязанная совокупность родственных ФР, называемая сетью ФР. Каждый ФР и сеть ФР комплексно отображают как декларативные, так и процедурные знания о предметной области: «управление безопасностью магистральных газопроводов». Основной особенностью фреймов является их иерархическая структура. Особенность такой структуры состоит в том, что информация об атрибутах, которую содержит ФР верхнего уровня, совместно используется всеми ФР нижних уровней, связанными с ним. Так, значения атрибутов фрейма «линейная часть магистрального газопровода» совместно используются фреймами «текущие ситуации на ЛЧМГ» и «правила вывода управ-

ля-ющих решений в нештатных ситуациях на ЛЧМГ». Такой подход упрощает обнаружение противоречий в знаниях и управление последовательностью этих знаний.

В четвертой хлапе «Программно - техническое обеспечение ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов» представлено описание комплекса программных :редсгв ИАССУ и описание пользовательского интерфейса системы управления безопасностью магистральных газопроводов.

Программное обеспечение ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов чоточгет п себя глелугощне модули: модуль добавления нового узла в вершину списка эбьектов и установления указателя на объект, поименованный в этом узле, модуль помещения в список какого - либо объекта, модуль для извлечения имени объекта и вывода его з отдельные строки, модуль проверки истинности пары «объект - значение», модуль до-эавления имени объекта к списку сцепленных объектов и вставки имени данного значения ) соответствующий список значений узла объекта, модуль вывода списка значений и объ-;ктов базы знаний, модуль-вывода на экран имен всех объектов и имен значений, введен-)ых на данный момент в базу знаний, модуль, который используется для извлечения ко-»ффициента доверия из пары «объект- значение», модуль, позволяющий изменять сущест-¡ующнй козффичиепт доверия, объединяя новое значение с ранее введенной величиной соэффиииента доверия, модуль, записывающий новый коэффициент доверия в список ^объект - значение».

Для того, чтобы выяснить, является ли объект в сцепленном списке многозначным, ; ИАССУ использованы следующие модули: модуль, определяющий статус любого задан-юго имени объекта в списке для выяснения: многозначный он или нет, модуль, меняю-иий статус объекта с «немногозначного» на «многозначный».

Модули, описанные ниже, позволяют ИАССУ воспринимать ввод оператора, со-:ержащий имя объекта и список разрешенных значений и подсоединять имена этих зна-ений к сцепленному списку объектов: модуль, находящий разрешенное значение в стро-с, содержащей имя объекта и список разрешенных значений, модуль, добавляющий раз-ешенное значение к имени оп}>еделенчого объекта, модуль, находящий конкретное раз-ешенкое значение в списке ра?[>ешенчых значений объекта, модуль воздействующий на троку, содержащую имя объекта и перечень разрешенных значений для выделения каж-ого имени списка, модуль, запоминающий введенный оператором вопрос об определен-ом объекте, модуль, выводящий на экран существующий вопрос о названном объекте, одуль, позволяющий оператору ответить на вопрос, поставленный программой.

Далее приведены модули, которые позволяют ИДССУ читать, сохранять и извлекать правила из базы знаний: модуль, выполняющий некоторые простые вспомогательные операции, такие, как преобразование букв вводимой строки в строчные и удаление пробелов, модуль, использующийся для добавления к текущему правилу предпосылки, модуль, добавляющий соответствующее заключение, модуль, обрабатывающий указатель правила для вывода назначенного правила на экран дисплея, модуль, позволяющий читать правило из текстового файла и заносить его в список правил базы ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов, модуль, использующийся для чтения всего содержимого файла правил в базе знаний.

Программные модули, приведенные ниже, осуществляют вывод управляющих решений при возникновении тех или иных нештатных ситуаций на ЛЧМГ: модуль, осуществляющий просмотр списка правил в поисках первого правила, содержащего объект, значение которого устанавливается в данный момент времени, модуль, обрабатывающий имя объекта и применяющий правила для присвоения объекту значения, модуль, обеспечивающий вывод на экран рекомендаций по предотвращению нештатных ситуаций на ЛЧМГ.

Перечисленные выше модули являются составными частями единой ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов, т.е. программно реализуют Анализатор, Классификатор, Коррелятор, Экстраполятор и Блок случайного выбора (см. рис.1).

Разработанный пользовательский интерфейс ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов позволяет удобно вводить необходимую информацию и наглядно отображать результаты исследования. Тем самым достигается необходимая оперативность при принятии решений по предотвращению аварийных ситуаций на магистральных газопроводах.

Корректность работы программного обеспечения ИАССУ проверена на соответствующих контрольных примерах для участка магистрального газопровода, эксплуатируемого ТУМГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований, проведенных автором в диссертационной работе, был сделан ряд теоретических и практических выводов по повышению уровня эксплуатационной безопасности магистральных газопроводов.

1. Использование традиционных методов управления в задачах обеспечения безопасности магистральных газопроводов неэффективно в связи с неформализуемостью опи-

сания, функциональной ситуацнонностью, рациональностью законов управления и неполнотой исходной информации. Анализ свойств и особенностей функционирования магистральных газопроводов, который необходимо учитывать при управлении безопасностью ЛЧМГ, показываем что данные объекты относятся к категории организационно - ситуационных Поэтому для решения задачи управления безопасностью магистральных газопроводов в настоящей работе был использован метод ситуационного управления.

2. Изучение причин крупных аварий и технологических катастроф на объектам нефтегазового комплекса свидетельствует, что их развитие и последствия во многом лависат 01 степени проработай организационных и управленческих вопросов, подготовке и координации действий в аварийной ситуации и реальной оценки риска возникновения аварий. Для решения этой задачи автором разработана кибернетическая модель управления безопасностью магистральных газопроводов, наглядно показывающая пути достижения цели и решения задач повышения экономической эффективности управления объектом в условиях аварийной ситуации.

3. Для повышения уровня эксплуатационной безопасности магистральных газопроводов разработана интеллектуальная автоматизированная система ситуационного управления (ИАССУ), построенная по многоуровневому функциональному принципу. Основными элементами ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов явдяютс*: а) классификация и анализ причин возникновения отказов ЛЧМГ; б) идентификация и определение степени опасности возможных нештатных ситуаций при эксплуатации магистральных газопроводов; в) оценка индивидуального остаточного ресурса газопровода, г) расчет показателей надежности магистрального газопровода; д) определение вероятности аварийной разгерметизации газопровода от совокупного влияния дефектов его конструктивных элементов, ошибок при проведении контрольных мероприятий, внешни* воздействий и различных нагружений; е) оценка индивидуальною, социального и экологического риска; ж) выбор эффективной стратегии управления, направленной на повышение уровня эксплуатационной безопасности ЛЧМГ. ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов осуществляет вывод управляющих решений в интеллектуальном диглоге с ЛПР как на основе декларативных знаний о сущности процессов управления, так и с использованием данных и процедурных знаний. Поиск решений в ИАССУ обеспечивается блоком анализа ситуаций (БАС) и блоком вывода управляющих решений (БВУ), которые составляют двухэтапную процедуру смыслового вывода. На первом этапе на основе данных из БД осуществляется семантический анализ нестандартных ситуаций на магистраль. ных газопроводах. В результате смыслового анализа ситуаций, ЛПР может получить весь

список возможных неисправностей ЛЧМГ и причин их возникновения. На втором этапе процедуры вывода по смысловому описанию ситуаций на магистральных газопроводах в интерактивном режиме выбираются критерии управления безопасностью ЛЧМГ, в соответствии с которыми формируются конкретные управляющие решения.

4. Рассмотрение линейной части магистральных газопроводов как сложной динамической системы, состоящей из функционирующих конструктивных элементов, позволило классифицировать их в соответствии с выполняемыми функциями, определить главные диагностические показатели, характеризующие выполняемые функции и представить результирующую надежность ЛЧМГ как функцию надежности составляющих ее конструктивных элементов.

5. В результате решения задачи ранжирования текущих ситуаций на магистральных газопроводах было установлено, что наиболее опасной, с точки зрения тяжести последствий, является текущая ситуация магистрального газопровода « обнаружен дефект сварного соединения: горячая или холодная трещина». Полученная информация имеет достаточно важное значение , так как существенно повышает бйстродействие ИАССУ безопасно • стъю магистральных газопроводов. Когда на ЛЧМГ во время эксплуатации складываете» сразу несколько нештатных ситуаций, ИАССУ вначале обрабатывает ту из них, которая имеет наибольшую степень опасности.

6. Представление ЛЧМГ, как системы последовательно и параллельно соединенных^ между собой элементов, дает основание представить вероятностную модель безопасной работы ЛЧМГ. Полученная в модели комбинация блоков с последовательным и параллельным соединением элементов может быть описана математически, путем поэтапного объединения в группы эквивалентных элементов. Разработанная таким образом модель позволит осуществить прогноз безаварийной работы ЛЧМГ, что даст возможность эффективнее планировать режимы эксплуатации и профилактические мероприятия.

7. Установлено, что для оценки индивидуального остаточного ресурса магистральных газопроводов наиболее эффективной является гипотеза линейного суммирования повреждений, согласно которой при эксплуатации газопровода в сложном циклическом режиме нагружения происходит накопление повреждений в дефектных местах. Как только на каком- то дефекте функция накопления повреждений будет равна единице, происходит разрыв трубы. В результате расчетов были определены графические зависимости долговечности эксплуатации ЛЧМГ от глубины различных дефектов конструктивных элементов. Эти данные также позволят ЛПР - диспетчеру более рационально планировать режимы эксплуатации и профилактические мероприятия.

S. Разработанное дерево неполадок позволило оценить вероятность возникновения

аварии, в зависимости от совокупного влияния дефектов конструктивных элементов, механических гювреждеттй, ошибок при проведении технической диагностики и различного poja наг рулений В результате расчйта установлено, что вероятность аварийной разгерметизации равна - _ 81*10'5 По результатам численного анализа дерева неполадок бы ли выработаны различные рекомендации вариантов решений по управлению процессом эксш1>аташ:и магистральных газопроводов, приняты корректирующие изменения и еде-пана проверка правильности этих изменений путем модификации дерева неполадок и повторного его оценивания.

9 Дли вывода управляющих решений в ИАССУ безопасностью магистральных га-мпроводов были разработаны следующие продукционно - фреймовые модели: « линейная засть магистрального газопровода», «текущие ситуации на ЛЧМГ», «правила вывода управляющих решений в нештатных ситуациях на ЛЧМГ». В процессе генерации семан-гических решений по управлению безопасностью магистральных газопроводов образуется ¡заимосвязанная совокупность родственных фреймов (ФР), называемая сетью ФР. Каж-¡ь'й ФР и сеть ФР комплексно отображают как декларативные, так и процедурные знания > предметом облаете' «управление безопасностью магистральных газопроводов».

10 Корректность работы программного обеспечения ИАССУ безопасностью ма-задралиилх газопроводов проверена на соответствующих контрольных примерах для чаегка магистрально! о газопровода, экС1иуатируемого Тульским управлением мзгист-альных газопроводов

Таким образом, предложенные в диссертационной работе методы управления >езопасностыо магистральных газопроводов позволяют обеспечить сушествекное сни-ксние риска возникновения аварийных сизуодаЛ га» ЛЧМГ я лпа-тгсльНи повысить уро->еиь безопасности при эксплуатации объектов транспорта газа.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТА ЦИИ

1 Моро job К". А. Автоматизированная система управления безопасностью магист-)алып>тх газопроводов: Тезисы докл. Всероссийская молодежная конференция - Уфа 995 -С 5-6.

2. Фатуев В.А., Бушинский В.Й., Морозов К.А Моделирование развития аварий-ых ситуаций на магистральных трубопроводах: Тезисы докл. Международная научная юнференция - Тула, 1996,- С. 217.

3. Морозов К.А. Методы обеспечения коррозионной безопасности линейной части магистральных газопроводов: Тезисы докл. Международная научная конференция «Экобалтика - XXI век»- Санкт- Петербург, 1996 . С.78

4. Морозов К.А Научно- методические аспекты анализа экологической безопасности магистральных газопроводов: Тезисы докл. ХХШ Гагаринские чтения. Всероссийская молодежная конференция - M.:, 1997.-С.34.

5. Морозов К.А Автоматизированная система оценки риска возникновения аварийных ситуаций на магистральных газопроводах: Тезисы докл Международная научная конференция- Судак, 1997. -С.61.

6. Фатуев В.А, Бушинский В.И., Морозов К.А. Автоматизированная система прогнозирования индивидуального остаточного ресурса магистральных газопроводов: Тезисы докл. Международная научная конференция - Новомосковск, 1997. - С. 76.

7. Фатуев В.А., Бушинский В.И., Морозов К.А Автоматизированная система оценки индивидуального остаточного ресурса магистральных газопроводов: Тезисы докл. XI Международная научная конференция - Владимир, 1998. -С. 139.

8. Фатуев В.А, Бушинский В.И., Морозов К.А. Обеспечение экологической безопасности магистральных газопроводов: Тезисы докл. Международная академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности. Научные чтения «Белые ночи» - Санкт-Петербург, 1998,-С. 195.

9. Фатуев В.А., Бушинский В.И., Морозов К.А. Управление безопасностью магистральных газопроводов - Тула, 1997- 22с. : Деп. в ВИНИТИ 31.10. 97 № 3234- В97.

10. Фатуев В.А., Бушинский В.И., Морозов К.А. Анализ опасности и риска аварий на магистральных газопроводах / Известия ТулГУ,- Тула, 1997. С. 78- 94.

11. Фатуев В. А., Бушинский В.И., Морозов К.А. Применение метода анализа иерархий при возникновении аварий на магистральных газопровода / Известия ТулГУ.- Тула, 1997. С. 95-110.

12. Фатуев В. А., Бушинский В.И., Морозов К.А. Кибернетическая схема управления безопасностью магистральных газопроводов/Известия ТулГУ.- Тула, 1997. С. 111-121.

13. Фатуев В.А., Бушинский В.И., Морозов К.А Управление безопасностью магистральных газопроводов. Тула: ТулГУ, НПФ «ЛИДАР», 1997.- 96с.

14. Фатуев В.А, Бушинский В.И., Морозов К.А. Расчет вероятности аварийной разгерметизации магистральных газопроводов: Тезисы докл. Международная научная конференция - Тула, 1998. С.124.

ГУИПП "Тульский полиграфист. Заказ Ns 333 . Тираж 100 экз.



Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Морозов Константин Анатольевич

Управление безопасностью магистральных

газопроводов

Специальность 05.13.06 - «Автоматизированные системы управления»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тульский государственный университет

На правах рукописи

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.А. Фатуев

Тула -1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................4

Глава 1. Современное состояние проблемы управления безопасностью магистральных газопроводов.........................................................9

1.1 Обзор информационных источников по проблеме обеспечения безопасной эксплуатации объектов транспорта газа...............................................9

1.2 Анализ аварийных ситуаций на магистральных газопроводах России за период с 1990 по 1998 годы........................................................................19

1.3 Анализ существующих методик управления безопасностью магистральных газопроводов..........................................................................................25

1.4 Постановка задачи автоматизированного управления безопасностью магистральных газопроводов..............................................................................27

1.5 Выводы..........................................................................................................29

Глава 2. Методика построения интеллектуальной автоматизированной

системы ситуационного управления (ИАССУ) безопасностью магистральных газопроводов.......................................................32

2.1 Системный подход к решению проблемы управления безопасностью магистральных газопроводов.........................................................................32

2.2 Кибернетическая модель управления безопасностью магистральных газопроводов........................................................................................................41

2.3 Архитектура и режимы функционирования ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов...............................................................................44

2.4 Выводы..........................................................................................................47

Глава 3. Основные элементы ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов..........................................................................................50

3.1 Классификация отказов линейной части магистральных газопроводов (ЛЧМГ)..........................................................................................................50

3.2 Ранжирование текущих ситуаций на магистральных газопроводах по степени опасности их последствий..................................................................54

3.3 Статистический анализ отказов ЛЧМГ с учетом причин их возникновения..................................................................................................................60

3.4 Методы обеспечения конструктивной надежности магистральных газопроводов........................................................................................................65

3.5 Расчетные модели безопасной эксплуатации

ЛЧМГ и ее элементов......................................................................................72

3.6 Оценка индивидуального остаточного ресурса магистральных газопроводов..................................................................................................................76

3.7 Методы количественной оценки последствий и риска возникновения аварий на ЛЧМГ.................................................................................................82

3.8 Продукционно- фреймовые модели представления знаний для формирования оптимальных управленческих решений с целью обеспечения безопасности ЛЧМГ................................................................................................112

3.9 Выводы........................................................................................................116

Глава 4. Программно - техническое обеспечение ИАССУ безопасностью

магистральных газопроводов.......................................................122

4.1 Комплекс программных средств ИАССУ

безопасностью магистральных газопроводов..........................................122

4.2 Интерфейс системы управления безопасностью магистральных газопроводов................................................................................................125

4.3 Выводы........................................................................................................127

Заключение......................................................................................................130

Библиографический список..........................................................................135

Приложения....................................................................................................142

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Магистральные газопроводы относятся к категории сложных и энергонапряженных объектов, отказы на которых сопряжены со значительным материальным и экологическим ущербом. Аварийные ситуации на газопроводах, транспортирующих пожаро - взрывоопасные вещества, приводят к загрязнению окружающей среды, создают повышенный риск с точки зрения безопасности персонала и населения.

Аварии на магистральных газопроводах, проявляющиеся в потере герметичности стенки трубы, трубных деталей или в общей потере прочности в результате разрушения, могут привести к человеческим жертвам и значительному экологическому ущербу, с возможными непоправимыми последствиями для окружающей природной среды. Статистика свидетельствует, что за пе^йрд # 1987 г. Щ ]$95г. на магистральных газопроводах России зарегистрированы 383 аварии, которые привели к гибели людей, тяжелым экологич^Щим последствиям и материальному ущербу. В последнее десятилетие на газопроводах происходит от одной до пяти аварий в год. По данным Госкомстата в 1997 г. на объектах магистрального транспорта газа произошло 53 аварии. По сравнению с1996 г. их количество увеличилось на 40% [1] . Остановка на сутки газопровода диаметром 1420 мм. с давлением 7,5 Мпа приводит к недопоставкам

о

народному хозяйству до 100 млн. м. . Удельный ущерб (млн. руб./1 км) от кратковременного прекращения подачи газа предприятиям различных отраслей промышленности составляет:

Тяжелое машиностроение............................................................. 66

Электротехническая и электромашиностроение....................... 67

Прочее машиностроение.............................................................. 11

Химическая.................................................................................... 14

Радиотехническая.......................................................................... 33

Прочие отрасли.............................................................................. 12

Однако анализ отказов и аварий показал, что расследуется и анализируется всего не более 20%-30% от общего количества аварийных ситуаций. Кроме этого нередко допускаются неточности в классификации аварийных ситуаций, таких как «утечки» или неполадки. В большинстве случаев подобное толкование объясняют несущественным материальным ущербом, т. е. отсутствием жертв и серьезных последствий. Это приводит к тому, что причины возникновения данных событий не устанавливаются и меры по их предупреждению не принимаются. Однако, как установлено отечественной и зарубежной практикой, примерно одно из десяти несущественных событий приводит к тяжелым последствиям. Поэтому незначительное, казалось бы, нарушение в процессе эксплуатации не только не позволяет объективно оценивать состояний технической безопасности, но и своевременно принимать меры по предупреждению повторения аварий.

В этой связи особую остроту приобретает проблема управления безопасностью при эксплуатации магистральных газопроводов

До настоящего времени эта проблема решалась лишь с точки зрения сравнения данных, полученных в результате технического контроля с нормативными данными. Но в такой методологической постановке безопасность газопроводов являлась категорией слабоуправляемой и в большей степени формальной, так как всего лишь давала представление о том, насколько конструктивные и технологические решения соответствуют требуемым показателям безопасности.

Проведенный автором анализ существующих методов управления безопасностью магистральных газопроводов, показал, что задачи повышения уровня эксплуатационной безопасности магистральных газопроводов наиболее эффективно решаются с использованием интеллектуальных автоматизированных систем ситуационного управления (ИАССУ),

построенных по многоуровневому функциональному принципу и увязанных в единый иерархический комплекс управления. Завершающим этапом такого подхода к решению проблемы управления безопасностью магистральных газопроводов является разработка комплекса мероприятий, снижающих вероятность возникновения аварии.

Целью исследования является разработка ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов, обеспечивающей безаварийный режим эксплуатации объектов транспорта газа, выбор оптимальной стратегии управления в условиях возникновения нештатных ситуаций и повышения оперативности реагирования ЛПР - диспетчера на ту или иную аварийную ситуацию.

Методы исследования

В настоящей работе использован системный подход к решению проблемы управления безопасностью магистральных газопроводов. Для определения вероятности возникновения аварии на магистральном газопроводе использован метод построения и анализа дерева неполадок, а для разработки моделей элементов системы безопасности магистральных газопроводов - теория надежности, теория графов, теория вероятностей, математическая статистика и современная теория управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана семантическая модель обеспечения безаварийной работы магистральных газопроводов, позволяющая по показателям безотказной работы конструктивных элементов определить показатель безотказной работы линейной части магистрального газопровода (ЛЧМГ).

2. Разработан граф аварийной разгерметизации магистрального газопровода, на основе которого исследователь получает четкое представление о взаимосвязях внутри системы, о том, по каким причинам возникают различные нежелательные события, которые могут повлиять на потерю герметичности магистральных газопроводов.

3. Разработаны модели, позволяющие прогнозировать индивидуальный остаточный ресурс ЛЧМГ, эксплуатируемых Тульским управлением магистральных газопроводов.

4. Разработаны продукционно- фреймовые модели, позволяющие осуществить вывод оптимальных управленческих решений с целью обеспечения безопасности ЛЧМГ.

5. Разработана интеллектуальная автоматизированная система ситуационного управления (ИАССУ) безопасностью магистральных газопроводов, использование которой позволит существенно уменьшить риск возникновения аварийных ситуаций.

Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечиваются корректностью постановки теоретических задач, принятыми допущениями и использованием современного математического аппарата для их решения, проверкой результатов работы интеллектуальной автоматизированной системы управления безопасностью магистральных газопроводов на практике.

Практическая полезность работы.

Разработанная интеллектуальная автоматизированная система ситуационного управления безопасностью магистральных газопроводов позволяет ЛПР -диспетчеру повысить качество и оперативность принятия управленческих решений по предотвращению аварийных ситуаций ЛЧМГ. Использование ИАССУ безопасностью магистральных газопроводов дает возможность эксплуатационным службам более рационально планировать режимы эксплуатации и профилактические мероприятия на объекте, что подтверждается опытом использования ИАССУ на объектах Тульского управления магистральных газопроводов.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены в Тульском управлении магистральных газопроводов.

Апробация результатов исследований. Важнейшие положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры автоматизированных информационных и управляющих систем ТулГУ (г. Тула, 1996 -1997 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско -преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1997 -1998 гг.), на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы»(г. Уфа, 1995 г.), на Всероссийской молодежной научной конференции «XXII Гагаринские чтения» (г. Москва, 1996 г.), на Международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (г. Москва, 1996 г.), на X Международной конференции «Математические методы в химии и химических технологиях» (г. Тула, 1996 г.), на Международном научном форуме «Экобалтика - XXI век» ( г. Санкт- Петербург, 1996 г.), на Всероссийской научной конференции «XXIII Гагаринские чтения» (г. Москва, 1997 г.), на Международном научном семинаре «Новые информационные технологии» (Крым, г. Судак, 1997 г.), на XI Международной научной конференции «Математические методы в химии и химических технологиях» ( Тульская обл., г. Новомосковск, 1997 г.), на Всероссийской научной конференции «XIV Гагаринские чтения» (г. Москва, 1998 г.), на научных чтениях Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности «Белые ночи» ( г. Санкт- Петербург, 1998 г.) и на XII Международной научной конференции «Математические методы в химии и химических технологиях» (г. Владимир, 1998 г.).

Глава 1. Современное состояние проблемы управления безопасностью магистральных газопроводов

1.1 Обзор информационных источников по проблеме обеспечения безопасной эксплуатации магистральных газопроводов

Магистральные трубопроводы — эффективнейший вид транспортировки газа, не имеющий других альтернатив. На территории России сложилась единая система газоснабжения (ЕСГ), обеспечивающая поставки газа во все экономические районы страны. Объекты транспорта газа представляют сложную систему, безопасность работы которой существенно влияет на стабильность экономической ситуации. В последние годы широкий общественный резонанс получили аварии и катастрофы, сопровождающиеся выбросом сырьевого и готового продукта. При существующих рабочих давлениях и производительности газопроводов выделяющаяся в момент разрушения энергия равноценна взрыву 3 т. тротила [2] . В девяти случаях катастроф из десяти происходит возгорание газа.

Изучение причин крупных аварий и технологических катастроф свидетельствует, что их развитие и последствия во многом зависят от степени проработки организационных и управленческих вопросов при эксплуатации магистральных газопроводов, подготовки и координации действий в аварийной ситуации и реальной оценки риска возникновения аварии. Направление работ по обеспечению безопасности газопроводов предусматривает анализ совокупности управленческих решений по преодолению материальных потерь и иных негативных последствий в результате отказов и аварий. Признание невозможности в индустриальном обществе достижения абсолютной безопасности определило задачи поиска приемлемого уровня риска при экономической целесообразности

принимаемых мер. Среди основных направлений исследования выделяются совокупность региональных аспектов, предрасположенных к негативным событиям, разработка методов, повышающих эффективность и оперативность управленческих решений в условиях аварийной ситуации.

Вследствие труднодоступности полной и достоверной информации об авариях и ущербе на магистральных газопроводах, оценка риска опирается на физические потери или денежное выражение наносимого совокупного ущерба. Физические потери можно представить регулярными и случайными характеристиками. Учитывая, что возможность выброса определяется частотой аварий, оценка представляет собой математическое ожидание. В таком приближении случайные выбросы могут учитываться поправкой к размеру регулярных потерь, т.е. при штатной работе газопровода. Учет случайных воздействий может рассматриваться на основе использования методики регрессионного анализа соответствующих временных рядов. Для ситуации, когда систематические данные имеют вид равномерно распределенных величин с " нулевым" математическим ожиданием, анализируется модель, связывающая переменные: "потери продукта -транспортная работа- средний возраст трубопровода". Принимая потери транспортируемого продукта (аварийный выброс) за стохастический временной ряд, а две другие переменные как детерминированные единицы (намеченное развитие транспортной системы и грузонапряженность), рассматривают построение регрессионных моделей. Приемлемый прогноз потерь в результате аварийных выбросов можно получить в пределах авторегрессионной модели:

Z — О, • Z + (Л ' Z +...+£? 'Z + У , (1)

( 1 (-1 2 í-2 п t-п У п' v 7

yt - случайное воздействие в момент времени t.

Детерминированная составляющая процесса и случайный остаток, используемые в (1), дополняются переменными, описывающими технические предпосылки предшествующего событию периода. Влияние управляющего

фактора учитывается эксплуатационными параметрами (аь а2, ... , ап ). Для усиления закономерности ряда и ослабления влияния случайных воздействий предлагается осуществить процедуру наложения моделей. Она позволяет экономично организовать перебор различных вариантов модели без их пересчета. Отбор оптимальной модели осуществляется на основе сравнения дисперсий предсказания на проверочной последовате