Разработка программных средств для актуализации структур баз данных при расчётах и оптимизации трубопроводных систем

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра Автоматизированных систем Дипломный проект Разработка программных средств для актуализации структур баз данных при расчётах и оптимизации трубопроводных систем Иркутск 2008

Реферат Данный дипломный проект содержит 133 страницы, 25 рисунков, 10 таблиц и состоит из следующих разделов:

1.

Введение

которое содержит в себе вводную информацию о предметной области и поставленной задаче.

2. В первой части выполнен анализ в области ТПС энергетики. Дана краткая характеристика ТПС как объекта моделирования. Рассмотрены задачи моделирования (синтез, анализ, управление), области применения методов моделирования (проектирование ТПС, эксплуатация, диспетчерское управление, исследовательские и обучающие цели применения), требования к программному средству, а также информационно-вычислительный комплекс «Ангара» для компьютерного моделирования ТПС (назначение, функции, организация БД).

3. Во второй главе выполнен анализ существующих подходов для обновления структуры пространственно распределённых БД. Рассмотрена общая характеристика современной теории баз данных. Рассмотрены существующие технологии.

4. В третьей главе произведено обоснование выбора инструментальных средств, дана характеристика реализации.

5. Этот раздел содержит определение оптимальных условий труда инженера — программиста, описание эргономики рабочего помещения.

6. Экономическая часть содержит расчет затрат на создание программных средств для актуализации структур баз данных трубопроводных систем.

7. В приложении приведен листинг программы.

Результаты дипломного проектирования содержат перечень работ проведенных в ходе дипломного проектирования.

• Раздел 1. Анализ предметной области
• 1.1 Краткая характеристика ТПС энергетики
• 1.2 ТПС как объект моделирования
• 1.2.1 Задачи моделирования
• 1.2.1.1 Синтез
• 1.2.1.2 Анализ
• 1.2.1.3 Управление
• 1.2.2 Области применения методов моделирования
• 1.2.2.1 Проектирование ТПС
• 1.2.2.2 Эксплуатация
• 1.2.2.3 Диспетчерское управление
• 1.2.2.4 Исследовательские и обучающие цели применения
• 1.3 Информационно вычислительный комплекс «Ангара» для компьютерного моделирования ТПС
• 1.3.1 Назначение ИВС «Ангара»
• 1.3.2 Функции ИВС «Ангара»
• 1.3.3 Организация БД
• 1.4 Постановка вопросов
• 1.4.1 Требования к программному средству
• Раздел 2. Анализ существующих подходов для обновления структуры пространственно распределённых БД
• 2.1 Общая характеристика современной теории баз данных
• 2.1.1 Реляционные СУБД
• 2.1.2 Объектно-ориентированные СУБД
• 2.1.3 Объектно-реляционные СУБД
• 2.2 Существующие технологии
• 2.2.1 Генерации SQL скрипта структуры БД
• 2.2.2 Microsoft SQL Server 2005
• 2.2.3 SQL-запросы
• 2.2.4 Средства программного доступа к структуре баз данных
• 2.2.4.1 OLE DB
• 2.2.4.2 ADO (Active Data Objects)
• 2.2.4.3 ADOX (ADO Extension for DDL and Security)
• Раздел 3. Описание разработки
• 3.1 Основные системно-концептуальные соглашения
• 3.2 Блок схема
• 3.3 Характеристика реализации
• 3.3.1 Назначение
• 3.3.2 Условия выполнения
• 3.3.3 Порядок генерации SQL-скрипта
• 3.3.4 Порядок переноса данных
• 3.3.5 Ограничения
• 3.3.6 Описание интерфейса пользователя и его режимы генерации
• 3.3.7 Присоединение к БД
• 3.3.8 Режимы генерации структуры SQL БД
• 3.3.9 Настройки
• 3.3.10 Выполнение программы
• 3.4 Перенос структуры БД
• 3.5 Перенос данных
• Раздел 4. Безопасность жизнедеятельности
• 4.1 Характеристика условий труда программиста
• 4.2 Требования к производственным помещениям
• 4.2.1 Производственный микроклимат
• 4.2.2 Освещение
• 4.2.3 Шум
• 4.2.3.1 Расчет уровня шума
• 4.2.4 Электромагнитное и ионизирующее излучения
• 4.3 Эргономические требования к рабочему месту
• 4.4 Окраска и коэффициенты отражения
• 4.5 Режим труда и отдыха
• 4.6 Электробезопасность
• 4.7 Пожарная безопасность
• 4.7.1 Действия персонала в условиях ЧС
• Раздел 5. Экономическая часть
• 5.1 Анализ технико-экономических показателей разработки программного продукта на основе «актуализация структур баз данных при расчётах и оптимизации трубопроводных систем»
• 5.1.1 Краткая характеристика разработки и её назначение
• 5.1.2 Определение затрат на создание программного продукта
• Заключение
• Список литературы
• Приложение

компьютерный моделирование скрипт программный

Введение

Компьютерное моделирование является одним из наиболее мощных средств исследования поведения сложных динамических систем. Это утверждение в полной мере относится и к моделированию трубопроводных систем энергетики (ТПС) при решении задач управления их развитием и функционированием.

На данный момент, программное обеспечение, предназначенное для решения этих задач, находится в стадии развития. Соответственно и информационное обеспечение этих задач не может быть однократно структурировано в соответствующих реляционных базах данных.

В связи с этим возникает проблема синхронной поддержки соответствия структур баз данных развивающегося программного обеспечения.

Второй особенностью проблемы является то, что базы данных рассредоточены по разным организациям, предприятиям и городам.

Целью данной работы является исследование возможных подходов и разработка программных средств для обновления структуры баз данных для расчёта и оптимизации ТПС.

Исследования в работе производились на примере информационно вычислительной системы (ИВС) «Ангара» разработанной ИСЭМ СО РАН и предназначенной для решения разнообразных задач расчёта ТПС и использующейся на практике во многих организациях страны.

Первая глава посвящена рассмотрению ТПС как объекта компьютерного моделирования. В этой главе даётся краткая характеристика ТПС энергетики, рассмотрены задачи моделирования, области применения методов моделирования (проектирование ТПС, эксплуатация, диспетчерское управление, исследовательские и обучающие цели применения методов моделирования), рассмотрен информационно-вычислительный комплекс «Ангара» для компьютерного моделирования, также его назначение и функции, организация баз данных.

Вторая глава посвящена анализу существующих подходов для обновления структуры пространственно распределённых баз данных. В данной главе рассмотрены: общая характеристика современной теории баз данных, существующие технологии для обновления и редактирования структур баз данных, которые включают в себя средства автоматизированного переноса данных, генерации SQL-скрипта, а так же SQL-запросы, ADO, ADOX.

Третья глава посвящена описанию разработки. В этой главе проводится выбор основных системно-концептуальных соглашений, вопросы проектирования и разработки программы.

Четвёртая и пятая главы посвящены рассмотрению экономических вопросов, а также вопросов безопасности и жизнедеятельности в контексте предметной области.

Раздел 1. Анализ предметной области

1.1 Краткая характеристика ТПС энергетики

Трубопроводные системы тепло-, водо-, нефте-, газоснабжения — это крупномасштабные, сложные инженерно-технические сооружения, представленные широким спектром объектов, которые отличаются своим назначением, размерами, принципами построения и условиями функционирования. Формированию таких систем способствовал целый ряд причин:

· неравномерность распределения ресурсов на территории страны, что вызывает необходимость их перераспределения из мест добычи к местам потребления с помощью систем дальнего транспорта (магистральные системы нефте-, газоснабжения);

· необходимость повышения экономической эффективности вызвало повышение уровня централизации систем теплоснабжения, водоснабжения сопровождающееся уменьшением удельных капитальных затрат на сооружение и обслуживание источников теплоты, водозаборных и очистных сооружений и других элементов;

· рост потребления ресурсов, который вызывает дальнейшее развитие и усложнение систем и ведет к их территориальному расширению, появлению новых связей;

· экологические, вызванные необходимостью укрупнения источников ресурсов, вынесения их за пределы жилых массивов и концентрации на них суммарной нагрузки разрозненных объектов потребления.

Приведем некоторые цифры, характеризующие ТПС. Трубопроводный транспорт газа, нефти, нефтепродуктов занимает важное место в ТЭК России. Созданная еще в СССР единая система газоснабжения (ЕСГ) включает газовые промыслы, газотранспортные системы с подземными хранилищами и множество потребителей: городов и населенных пунктов, предприятий всех отраслей промышленности. Газотранспортная система ОАО «Газпром» ЕСГ составляет 155 тыс. км. В нее входят 268 компрессорных станций с общей мощностью газоперекачивающих агрегатов в 44,8 млн. кВт. На 2004 год эксплуатировалось около 64 тыс. км магистральных нефтепроводов.

Пропускная способность ЕСГ в настоящее время составляет около 600 млрд. куб. м. В состав ЕСГ сегодня включены 25 подземных хранилищ газа.

Тепловое хозяйство включает в себя 485 ТЭЦ, около 6,5 тыс. котельных мощностью более 20 Гкал/час, более 100 тысяч мелких котельных, около 600 тысяч автономных индивидуальных теплогенераторов, 183 тыс. км тепловых сетей. Это наиболее энергоемкая отрасль ТЭК, расходующая до 50% добываемого в стране топлива, что в 1,6 раза превышает затраты на выработку электроэнергии. Современные системы теплоснабжения (ТСС) обеспечивают тепловой энергией жилые, административные здания, промышленные предприятия и представляют собой сложные технические сооружения. Технологические связи в них ограничиваются, как правило, масштабами города или крупного промышленного предприятия, в этом смысле они носят локальный характер. Структура ТСС может быть, как простой разветвленной, так и сложной многоконтурной. Протяженность магистральной тепловой сети г. Иркутска составляет 120 км, распределительных сетей — более 300 км, магистральных ТСС г. Москвы — более 2000 км.

Годовое потребление воды в России составляет порядка 500 км³. Системы водоснабжения призваны обеспечить водой питьевого качества население и промышленные предприятия. Протяженность водопроводных сетей составляет порядка 523 тыс. км. Вместе с тем ресурсы воды распределены неравномерно, что вызывает необходимость в создании систем, транспортирующих воду на большие расстояния от ее источников до удаленных потребителей. Такими системами являются системы групповых водопроводов (СГВ) — чрезвычайно сложные и дорогостоящие объекты с протяженными магистральными сетями большого диаметра. Например, Казахстано-Сибирская система водоснабжения охватывает территорию 18 млн. га с протяженностью магистральных водопроводов более 13 тыс. км, снабжая водой более 2600 городов и поселков с населением более 2 млн. человек.

В настоящее время в нефтяной промышленности для повышения темпов отбора нефти из залежей используются системы поддержания пластового давления. В мировой практике наиболее широкое распространение получил метод, основанный на закачивании в пласт воды через нагнетательные скважины, расположенные в комплексе с нефтяными в определенном порядке. Многочисленные долговременные экспериментальные исследования показывают, что наилучшей средой для закачивания в нефтяные пласты является подземная минерализованная вода. При этом достигается не только основная задача — поддержание пластового давления, — но и повышается нефтеотдача. В 1990 году в протяженность таких систем, находящихся в эксплуатации, составляла более 2,5 тыс. км. Особенностью СППД является большой расход воды (300−400 тыс. м³ в сутки) и высокое давление (до 200 атм.), наличие нескольких источников, работающих на общую сеть. Потребление электроэнергии в СППД составляет до 30%-40% от общего ее потребления в нефтедобыче. Развитие добычи и экспорта нефти и нефтепродуктов требует соответствующего развития инфраструктуры трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. В настоящее время система трубопроводного транспорта включает около 350 тыс. км трубопроводов технологического назначения (нефтесборные, по доставке воды для поддержания пластового давления, для транспортировки подготовленной нефти), около 2,5 тыс. км магистральных трубопроводов, принадлежащих нефтяным компаниям, в том числе иностранным (трубопроводы Уса-Ухта, Сахалин — Де-Кастри, КТК), а также 50 тыс. км трубопроводов, принадлежащих ОАО «АК «Транснефть», которая обеспечивает экспортные поставки нефти и доступ к трубопроводным мощностям, регулируемый государством. В системе функционируют 355 станций по перекачке нефти, 861 резервуар для хранения нефти общей емкостью около 14 млн. кубометров. Прирост мощностей за счет комплекса работ по расширению действующей системы магистральных нефтепроводов в период 2003; 2005 гг. составил около 16 млн т, а с учетом выполняемых работ в 2006 г. — 23 млн т.

Таким образом, современные ТПС представляют собой разнообразные, уникальные системы, характеризующиеся наличием многих источников добычи, производства или поступления топлива, воды или газа, функционально-технологической целостностью при сложной иерархической структуре и разнообразии элементов, существованием внешних (межсистемных) связей, постоянным расширением и адаптацией к изменяющимся внешним условиям.

1.2 ТПС как объект моделирования

1.2.1 Задачи моделирования

1.2.1.1 Синтез

Оптимальный синтез состоит в нахождении оптимальных реализаций системы в виде ее структуры и параметров элементов. В соответствии с этим, методологически задача синтеза часто решается в два этапа (в особенности на макроуровне):

1) Структурный синтез, на котором происходит формирование собственно принципиальной структуры, определяющей основной элементный состав системы и связи между отдельными элементами, звеньями и подсистемами; при существенной сложности системы или при необходимости учета ее внешних связей этот этап рассматривается сначала на метауровне, когда требуется найти иерархическую структуру набора схем, реализующих заданную внешнюю функцию системы, с последующей проработкой каждой из этих схем на более низких уровнях. Задачи оптимального структурного синтеза чрезвычайно сложны, до конца не исследованы и в большинстве случаев не имеют удачных методических и алгоритмических реализаций, поэтому часто структурный синтез конкретных систем (в частности, ТПС) заменяется структурной верификацией;

2) Задача параметрического синтеза состоит в выборе таких параметров проектирования, при которых создаваемая система удовлетворяет требованиям технического задания, причем обеспечивается оптимальность решения по принятым критериям качества; часто эту задачу называют оптимальным проектированием или задачей параметрической оптимизации. Иногда при решении задач проектирования на микроуровне используется так называемый квазикомплексный синтез, когда явной и полной декомпозиции задачи синтеза на структурный и параметрический нет.

3) Для постановки и решения задачи синтеза сложных ТПС необходим системный подход, в связи с чем требуются совместные усилия специалистов в конкретной технической области, исследователей операций, математиков-" оптимизаторщиков" и специалистов по системному анализу.

1.2.1.2 Анализ

Анализ как проектная задача заключается в определении выходных параметров системы при ее фиксированной функционально-структурной модели и по заданным значениям всех остальных (кроме выходных) переменных. Иными словами, полученные на этапе синтеза структура и параметры элементов системы подвергаются анализу на их соответствие законам природы, функциональному назначению и свойствам ТПС.

Подобно синтезу, задача анализа может рассматриваться и решаться на разных уровнях: мета-, макро или микро-. С помощью различных критериев, экспертных заключений или соображений здравого смысла каждый из рассматриваемых вариантов проекта подлежит оценке дли формирования зависимости от этой оценки, которая характеризует качественные и количественные стороны варианта (свойства систем и), он либо выбирается как возможная модель будущей системы, либо отвергается, и тогда синтезируется очередной вариант или корректируется рассмотренный. Одновременно уточняются цели проектирования.

1.2.1.3 Управление

Среди множества требований, предъявляемых к режимам работы ТПС, можно выделить три основные группы:

· требования, вытекающие из функционального назначения ТПС — обеспечение всех подключенных потребителей целевым продуктом в требуемом количестве заданного качества;

· технологические требования, определяемые допустимыми условиями работы оборудования;

· экономические требования, вытекающие из стремления минимизации издержек на транспортировку целевого продукта потребителям.

Функционирование ТПС осуществляется в условиях постоянного изменения множества факторов систематического или случайного характера, влияющих на режимы их работы. Такими факторами могут быть:

· изменение уровня добычи или производства транспортируемой среды;

· изменение структуры и объемов потребления транспортируемой среды;

· плановые ремонтно-профилактические работы;

· аварийный выход из строя, износ и старение оборудования ТПС;

· перебои в работе смежных систем (электроэнергетических, топливоснабжающих и др.);

· организационные, хозяйственные, природно-климатические и др.

Постоянно меняющиеся условия эксплуатации ТПС требуют организации непрерывного процесса управления режимами их работы.

Способы управления в ТПС варьируют в зависимости от уровня принятия решений во временной иерархии, запаса времени на реализацию управления и предполагаемой продолжительности работы системы в созданном режиме. Традиционно в ТПС выделяют долгосрочное, краткосрочное и оперативное управление.

Краткосрочное управление связанно с планированием режима на достаточно удаленный интервал времени (месяц, квартал, сезон). Для реализации планового режима применяются как оперативные управления, связанные с изменением состояний оборудования, так и изменение конструктивных параметров элементов. Так к конструктивным параметрам элементов можно отнести:

· обточку рабочих колес, применение сменных роторов, изменение конструкции лопаток насосных агрегатов;

· переключения на сетях с целью их зонирования или секционирования;

· установку дросселирующих устройств (штуцеров, шайб), регуляторов у потребителей или на участках ТПС.

Оперативное управление заключается в поддержании (стабилизации) плановых (расчетных) режимов. Управляющие воздействия при оперативном управлении по типу переключения можно разделить на дискретные и непрерывные управления. К дискретным управляющим воздействиям относятся:

· переключения оборудования на сети путем открытия или закрытия перемычек, включение-выключение участков, подключение-отключение потребителей, источников, насосных станций, аккумулирующих емкостей, и других элементов ТПС;

· изменения схем соединения оборудования внутри основных элементов ТПС, например переключение насосов и внутренней обвязки насосов на источнике или насосной станции (НС) приводящие к дискретным изменениям характеристик элементов.

К непрерывным управляющим воздействиям можно отнести управления, основанные на постепенном изменении характеристик элементов ТПС. Наиболее распространенными способами непрерывного управления являются дросселирование потока автоматическим регулятором или задвижкой, изменение оборотов рабочего колеса насосного агрегата или перепуском части расхода из нагнетательной линии в обратную (байпассирование).

При оперативном управлении можно выделить две группы задач: управление в штатном режиме, т. е. коррекция режима с учетом технологических ограничений и управление в аварийном режиме — локализация и предотвращение каскадного развития аварий, ограничение снабжения потребителей в соответствии с их категоричностью, поиск управлений для ввода режима в допустимую область. Наиболее сложным представляется управление в аварийных ситуациях, что вызвано нестандартностью возникающих ситуаций и ограниченностью времени для принятия решения.

1.2.2 Области применения методов моделирования

1.2.2.1 Проектирование ТПС

Проектирование ТПС можно рассматривать с двух сторон:

· Компьютерное проектирование ТПС;

· Технологическое проектирование ТПС.

Сложившиеся в настоящее время традиционные процессы проектирования ТПС различного назначения имеют много общего. Эта общность проявляется в первую очередь в расчленении процесса проектирования на отдельные части и дальше — на отдельные проектные операции, причем большую долю этих частей и операций составляют процедуры, связанные с составлением и оформлением различного рода документации, что характерно для большинства технических систем. Анализ этого положения свидетельствует о том, что при проектировании сложного объекта 30—40% времени тратится на согласование отдельных частей проекта, 50—60% — на выполнение эскизов, чертежей, счетов, составление проектной документации и лишь порядка 10% для создания единого проекта между отдельными его частями.

Исполнителями и разрабатывающими подразделениями должно возникать множество информационных связей самого разного характера. Только при разработке, например, технологической части проекта системы групповых водопроводов число работ и связей может превышать сотни.

При традиционном проектировании весьма сложно не только учесть, но и оценить требующийся в таком случае объем данных. Поэтому в целях упрощения задачи проектировщики отсеивают часть связей на основе своего опыта и интуиции, пользуются типовыми проектами, привлекают аналогии. Такому подходу свойственны консерватизм и инерция мышления, невозможность проработки альтернативных вариантов, длительные сроки проектирования, неоправданно большой объем проектно-сметной документации и ряд других негативных черт. Проектирование конкретной развивающейся системы может длиться несколько лет, и естественно, что за это время информация устаревает, морально устаревшими становятся и некоторые технические решения.

Главным методом проектировщика является расчет. Однако в традиционном проектировании рекомендуемые методики и пособия по проектному делу базируются на упрощенных подходах, не предусматривают использования современных математических методов и ориентируются на ручной счет.

Существующая методология проектирования систем групповых водопроводов обесценивается тем, что отдельные проектные задачи решаются изолированно, многие — вручную и на основе интуиции.

Да и само понятие «оптимальный вариант» при таких условиях во многих случаях становится бессмысленным, поскольку организации современного процесса проектирования предполагает, как правило, выпуск заказной документации на оборудование, материалы и технику до начала проектной проработки. Очевидно, что в подобной ситуации часто приходится лишь подгонять проект под заказанные (или имеющиеся) материальные ресурсы.

Чтобы как-то выйти из положения, связанного со сложностью и объемностью проектных задач, специалисты-проектировщики интуитивно применяют функциональную декомпозицию, представляя общую задачу в виде последовательности более простых подзадач. Часть подзадач, решение которых затруднительно или которым считаются второстепенными, из рассмотрения исключаются. Например, недостаточное внимание при проектировании систем теплоснабжении уделяется вопросам функционирования: не проверяется реализуемость расчетных гидравлических режимов и управляемость системы в целом, при ее эксплуатации; не проводится обоснованный учет требований надежности и не оцениваются мероприятия и затраты, связанные с его повышением, не говоря уже об учете такого фактора, как динамика развития системы на перспективу, отказ от которого приводит в дальнейшем при реализации проекта к большим издержкам.

Блок-схема проектирования технологических трубопроводных систем (ТТС) представлена на рис. 1. Разбивка на этапы имеет условный характер, для упрощения на схеме показаны не все связи между этапами.

Выбор принципиальных технических решений базируется на использовании способов регулирования расхода или давления перекачиваемого продукта, поддержания или изменения его температуры, уменьшения вязкости, компенсации температурных расширений трубопроводов, снижения пульсаций давления и гашения гидроударов и др. Данный этап особенно важен для ТТС, которые отличаются от магистральных трубопроводов более высокими давлениями и температурами, усложненной конструкцией, характером нестационарных процессов.

Рисунок 1 Блок-схема проектирования ТТС Выбор структуры ТТС зависит от ее функционального назначения, соотношения параметров перекачиваемого продукта в начальных и конечных точках системы, наличия избыточной энергии движущегося потока и целесообразности ее использования, производительности, числа и расположения источников и потребителей, характеристик нагнетательных машин и требуемого диапазона регулирования рабочих параметров, состава и теплофизических свойств перекачиваемого продукта, работы системы при стационарном и нестационарном режимах, типа регулирующей, предохранительной и запорной арматуры.

Общую структуру ТПС выбирают на стадии разработки технологической схемы установки. При этом рассматривают варианты использования в ТТС нагнетательных машин, устройств, для изменения температуры (теплообменников, обогревающих труб-спутников и т. п.), расхода, давления потока и пр. Автоматизированный выбор структуры ТТС при заданном размещении источников и потребителей можно выполнить по методике избыточных проектных схем.

Структуру ветвей выбирают с учетом особенностей функционирования ТТС; в соответствии с действующими нормами и правилами устанавливают арматуру, а при необходимости — устройства для гашения пульсаций давления и гидравлических ударов. При этом прорабатывают компоновку элементов ТТС, трассировку трубопроводов и выбирают параметры ТТС. Для автоматизированного решения этой сложной задачи можно применять, например, метод «покоординатного спуска» .

Компоновку элементов ТТС и трассировку трубопроводов выполняют при разработке генерального плана (для межцеховых трубопроводов) и проектировании технологических установок (для внутрицеховых трубопроводов). Указанные задачи эффективно решают с помощью эвристики — декомпозиционного алгоритма, применение которого позволяет существенно сократить объем расчетов.

Затем выбирают основные конструктивные и эксплуатационные параметры ТТС. Конструктивные параметры — диаметры и длины всасывающих и нагнетательных трубопроводов, материал и толщина стенки труб, координаты расположения и число нагнетательных машин, материал и толщина теплоизоляции, типы и размеры устройств, для попутного подогрева, число и типы регулирующих клапанов, число и типы опор и компенсаторов температурных расширений. Эксплуатационные параметры — расход, давление и температура продукта в заданных сечениях трубопровода: до и после нагнетательных машин, регулирующих клапанов и аппаратов[15].

Особенность задачи оптимизации ТТС состоит в том, что схема сети более простая, чем у систем газои теплоснабжения, но трубопроводы имеют большое число элементов, которые необходимо учитывать при определении технико-экономических показателей ТТС. Например, в ТТС на долю местных гидравлических сопротивлений может приходиться до 50% от общих потерь давления, а в стоимость ТТС на долю тепловой изоляции с покровным слоем и обогревающими трубами-спутникамиболее 50% стоимости ТТС.

Из оптимизируемых параметров определяющими являются диаметр D и давление нагнетания р_я насосов и компрессоров, а также температура продукта Т при неизотермическом процессе перекачки. Эти параметры выбирают с учетом материала и толщины стенки трубы и тепловой изоляции, длины всасывающего и нагнетательного трубопровода, числа и марки нагнетательных машин, регулирующих клапанов, компенсаторов температурных расширений, опор и т. п. Параметры выбирают с учетом выпускаемых промышленностью труб, насосно-компрессорного оборудования, арматуры, теплоизоляционных материалов.

Выбор оптимальных параметров элементов трубопроводной системы оказывает значительное влияние на экономичность и надежность ТТС. При выборе элементов трубопроводной системы (арматуры, отводов, тройников, фланцев, компенсаторов и т. п.) необходимо обеспечить условия равнопрочности и равнонадежности. Для этого определяют предельные нагрузки, передаваемые от трубопроводов на фланцы арматуры, штуцера насосов, компрессоров и аппаратов.

Выбор параметров трубопроводной системы завершают определением сортамента и марок всех элементов ТТС с использованием информационного фонда и нормативов.

Проверку работоспособности спроектированной или реконструируемой ТТС, а также определение имеющихся запасов по ее производительности и прочности осуществляют по результатам поверочных расчетов. Нестационарные процессы рассчитывают для определения пульсации давления и вибрации трубопроводов и подтверждения достаточности принятых в проекте мер для обеспечения устойчивой и надежной работы ТТС, расчеты на прочность — для сопоставления усилий, деформаций и напряжений с допустимыми при различных сочетаниях нагрузок и проведения необходимой корректировки ТТС.

При проектировании широко применяют автоматизированное составление текстовой технической документации и чертежей трубопроводов.

Рисунок 2 Структура программного обеспечения автоматизированного проектирования ТПС Структура программного обеспечения автоматизированного проектирования ТТС приведена на рис. 2.

1.2.2.2 Эксплуатация

Во временном аспекте выделяются уровни развития и эксплуатации (функционирования). Управление развитием в свою очередь включает этапы:

а)перспективного проектирования на период 10−15 лет;

б)текущего проектирования на период до 5 лет.

Методическая сторона решения задач развития достаточно хорошо исследована и реализована в комплексе математических моделей и программ.

Управление эксплуатацией ТПС, включает этапы:

а)реконструкции (долгосрочное управление);

б)наладки (среднесрочное управление);

в)оперативного управления (в масштабе реального времени).

Практика эксплуатации современных ТПС показывает, что нельзя ограничиться решением технико-экономических задач, их реконструкции только при проектировании. Необходимо систематическое решение этих задач в процессе эксплуатации каждые 1−2 года. Только такая периодичность позволит производить своевременную корректировку решений с учетом уточненных величин тепловых нагрузок, их распределения на плане города и других изменившихся условий. При этом производится уточнение зон действия источников теплоты и располагаемых напоров на их коллекторах, выбор схемы коммутации сети, определение напоров насосных станций и необходимой реконструкции участков сети. Основой для решения задач этого этапа являются методическая и вычислительная базы, разработанные для уровня развития.

Этап наладки должен осуществляться ежегодно при подготовке к очередному отопительному сезону. Он включает расчет и анализ режимов эксплуатации системы на текущий отопительный сезон и корректировку сопротивлений дроссельных устройств. В силу инерционности тепловых режимов, большого времени пуска котлоагрегатов на ТЭЦ и в котельных и неэффективности их частого пуска и останова задача оптимизации состава работающих источников теплоты и их загрузки в разрезе отопительного сезона также должна решаться заблаговременно на этапах реконструкции и наладки системы. Решение этой задачи должно обеспечивать базисный режим работы более экономичных источников и пиковый — менее экономичных. Корректировка зон действия источников теплоты может производиться в процессе эксплуатации системы на этапе оперативного управления (вплоть до суточного разреза).

В силу локальности ТПС в качестве территориальных уровней управления здесь рассматриваются:

а) ТПС в целом;

б) подсистемы ТПС — источники теплоты, тепловые сети, системы, теплопотребления;

в) отдельные сооружения, установки, оборудование, насосные станции, котлоагрегаты, подогреватели, насосы, задвижки и т. п. Многообразие разнородных потребителей тепловой энергии, необходимость учета большого числа влияющих факторов делают необходимым основываться на рациональном сочетании в ТПС нескольких ступеней (уровней) управления:

1. Центральное — на источниках теплоты;

2. Районное — на контрольно распределительных пунктах;

3. Групповое — на центральных тепловых пунктах;

4. Местное — на индивидуальных тепловых пунктах;

5. Пофасадное — на индивидуальных тепловых пунктах;

6. Индивидуальное — на отопительном приборе.

Каждой ступени управления соответствует свой объект управления, в качестве которого может выступать: система в целом, источник теплоты, тепловые сети или абонентские установки. В каждой конкретной теплоснабжающей системе в зависимости от ее особенностей могут присутствовать какая-либо часть из них. Практическая реализация многоступенчатого регулирования позволяет обеспечить выполнение основных целей теплоснабжающей системы.

1.2.2.3 Диспетчерское управление

Диспетчерское управление — это организация централизованного, круглосуточного и непрерывного управления технологическими режимами работы и эксплуатационным состоянием энергетической системы, осуществляемого для обеспечения бесперебойного и надёжного энергоснабжения. Основными задачами оперативно — диспетчерского управления являются: разработка и ведение режимов работы энергосистем, обеспечивающих заданные условия энергоснабжения потребителей; планирование и подготовка ремонтных работ; обеспечение устойчивости энергосистем; предотвращение и ликвидация технологических нарушений при производстве, преобразовании, передаче и распределении тепловой энергии.

1.2.2.4 Исследовательские и обучающие цели применения

Научно-методические исследования по вопросам автоматизации ТСС развиваются в трех относительно самостоятельных направлениях.

Первое направление связано с принципами построения теплоснабжающих систем и с их адаптацией к требованиям, предъявляемым автоматизированными системами управления режимами. Эффективность функционирования ТСС, как известно, во многом определяется схемой и параметрами тепловых сетей и системой распределения сетевой воды, включающей размещение и схему контрольно-распределительных пунктов. Первые работы по рациональному построению тепловых сетей были выполнены в рамках разработки схемы теплофикации г. Москвы. В ней предлагалось сооружение кольцевой схемы тепловых сетей, что обеспечивало двусторонние снабжение потребителей, тепловой энергией. Однако реальное развитие ТСС пошло по другому пути, по пути сооружения разветвленных (без колец) схем тепловых сетей. Исследования по резервированию и надежности функционирования тепловых сетей были продолжены на новом этапе в Институте систем энергетики имени Л. А. Мелентьева (ИСЭМ) [7−9, 11]. В этих работах были предложены основные принципы резервирования тепловых сетей с учетом возможной совместной работы источников, гидравлических режимов и надежности теплоснабжения потребителей. Рассматривалось нагруженное и ненагруженное резервирование. Был сделан вывод, о том, что обеспечение надежности теплоснабжения потребителей невозможно без сооружения автоматизированных узлов распределения теплоносителя и дистанционного управления ими. Научно-методические разработки, выполненные в ИСЭМ, получили практическое применение при решении вопросов теплоснабжения гг. Новосибирска, Киева, Омска, Тюмени, Салавата, Ишимбая, Стерлитамака и других. Вопросы построения тепловых сетей с учетом размещения и особенностей схем автоматизированных узлов управления (КРП, ЦТП) рассматриваются в монографии Громова И. К. Фактически в ней сформулированы принципы построения ТСС, определены мощности и схемы контрольно-распределительных пунктов.

Эти же вопросы разрабатывались во Всероссийском научно-исследовательском теплотехническом институте имени Ф. Э. Дзержинского (ВТИ), Московском инженерно-строительном институте имени В. В. Куйбышева (МИСИ) и других организациях. Выполненные исследования в данном направлении позволили сформулировать основные принципы иерархического построения теплоснабжающих систем.

Второе направление исследований связано с разработкой структуры систем управления режимами работы ТСС. Они включают уровни управления технологическим процессом, их функциональное назначение, структуру диспетчерского управления и ее связь с теплоснабжающей системой. Эти работы ведутся в Научно-исследовательском институте гидромеханизации санитарно-технических и специальных строительных работ (ВНИИГС), Научно-исследовательском проектном институте энергетической промышленности (ВНИПИ Энергопром), Сибтехэнерго [12, 13]. Каждой из этих организаций предложена своя структура системы управления. Наиболее сложная и идеализированная схема управления функционированием ТСС предложена ВНИПИ Энергопромом. Работы ВНИИГС и Сибтехэнерго в большей мере соответствуют сложившейся организационной структуре управления теплоснабжением городов страны.

Третье направление исследований связано с разработкой методического, алгоритмического и программного обеспечения задач управления функционированием ТСС. Наиболее комплексное решение задач управления режимами с практической реализацией в теплоснабжающей системе одного из районов г. Санкт-Петербурга предложено ВНИИГС. Однако эти работы не охватывают всего многообразия систем, работающих в нашей стране, и применимы для небольших систем от котельных. Они ориентированы на решение задач управления по принципу «черного ящика» и в полной мере не могут быть адаптированы для других и, в первую очередь, крупных ТСС.

Из числа системных задач в настоящее время решена задача анализа режимов работы ТСС. Развитием методов решения этой задачи в разное время занимались и продолжают заниматься ИСЭМ, ВТИ, Карагандинский политехнический институт, ВНИПИ Энергопром. Разработанные для анализа режимов функционирования ТСС программные комплексы успешно используются в эксплуатационных, наладочных и проектных организациях.

Для идентификации параметров ТСС в ИСЭМ разработан метод «математического расходомера». Он предназначен для определения установившихся расходов теплоносителя, коэффициентов гидравлического сопротивления на множестве участков и у потребителей в многоконтурных теплоснабжающих системах без массового применения расходомеров. Кроме того, на основе этого метода можно в рамках автоматизированной обработки данных измерений на ЭВМ расчетным путем устанавливать факты аварийных ситуаций и локализовать места аварий. В качестве основного источника информации для работы метода служат данные многократной манометрической съемки в узлах сети и показатели расходомеров, фиксирующие только отдельные расходы в системе. Эти работы в ИСЭМ получили дальнейшее развитие [15], что позволило расширить области применения этого метода и перейти к более сложной задаче идентификации режимов функционирования ТСС.

Заканчивая краткий анализ основных направлений исследования в области АСУ теплоснабжением можно сделать следующие выводы:

1. Выполненные работы носят в большей мере постановочный характер, что обусловлено невостребованностью научно-методических разработок и неготовностью систем к комплексной автоматизации.

2. Большая часть методических исследований посвящена оптимизации режимам работы источников теплоты, микроклимату в помещениях, теплообменным процессам в зданиях, прогнозированию тепловых нагрузок.

3. Недостаточно разработанными являются вопросы управления и оптимизации режимов функционирования сетевой части ТСС. Весьма ограничено в научно-методической литературе рассматриваются вопросы оперативного управления теплоснабжением потребителей. Отсутствует иерархия задач по уровням управления и их взаимоувязка.

1.3 Информационно вычислительный комплекс «Ангара» для компьютерного моделирования ТПС

Информационно-вычислительная среда «АНГАРА» (рис.3) (в дальнейшем ИВС), разработанна в лаборатории трубопроводных и гидравлических систем Института систем энергетики им. Л. А Мелентьева, позволяет решать, как информационные, так и расчетно-аналитические прикладные задачи в рамках единого интерфейса пользователя.

Основным отличием данной ИВС от многочисленных графических редакторов и геоинформационных систем является то, что создаваемые графические схемы являются активными. Манипулируя с конфигурацией и параметрами элементов схем, пользователь, фактически, манипулирует с уравнениями, которым должна удовлетворять реальная система, что, однако, остается для него незаметным.

Основное назначение ИВС «АНГАРА» состоит в том, чтобы освободить пользователя от необходимости знания программирования, методов расчета и математического моделирования, — позволяя решать содержательные инженерные задачи непосредственно на расчетных схемах, оперируя привычными понятиями и объектами. Таким образом, ИВС обеспечивает возможность создания и работы с компьютерной графической моделью реальной трубопроводной системы.

Принципиальной особенностью ИВС является ее открытость по данным, их совместимость с основными, стандартными форматами, а также возможность настройки и развития возможностей ИВС, в том числе силами самих пользователей.

Рисунок 3 Вид основного интерфейса при работе со схемой.

1.3.1 Назначение ИВС «Ангара»

Информационно-вычислительная среда предназначена для автоматизации процессов создания, поддержки и использования информационных моделей трубопроводных систем произвольного типа и сложности при решении разнообразных прикладных задач их исследования, проектировании и эксплуатации.

1.3.2 Функции ИВС «Ангара»

ИВС обеспечивает возможности работы с:

1) графическими изображениями схем ТПС;

2) данными по элементам схем ТПС;

3) планом местности;

4) расчетно-аналитическими задачами.

ИВС предоставляет удобный пользовательский интерфейс и разнообразные средства отображения, редактирования и вывода на печать схем, плана и данных, а также подключения и выполнения внешних расчетных задач.

1.3.3 Организация БД

При разработке ИВС закладывались следующие основные принципы:

1) моделируемая ТПС может состоять из множества расчетных схем различных типов (схемы сетей, насосных станций, источников и т. д.);

2) схема определенного типа собирается из своего набора условных обозначений типов элементов;

3) каждый тип элемента может быть задан в одном из двух форматов — узел (источник, потребитель, точка разветвления и т. п.) или связь (трубопроводный участок, задвижка, насосный агрегат и др.);

4) реальный элемент ТПС (например, источник) может быть представлен как элементом какой-либо схемы, так и собственной расчетной схемой;

5) каждый элемент может находиться в одном из нескольких состояний (включен, выключен и т. д.), что предполагает необходимость поддержки для него нескольких условных обозначений.

6) все элементы определенного типа имеют одинаковый состав числовых и символьных параметров;

7) информационная модель ТПС должна содержать не только данные по элементам ТПС, но и информацию о взаимосвязи:

a) графического изображения каждого элемента со своими данными;

b) элементов схемы между собой;

c) разных схем между собой;

d) каждой схемы со своим планом.

e) каждой схемы со своим набором задач

f) задач между собой ИВС обеспечивает автоматическое соблюдение всех этих требований. Так, взаимосвязь графики и данных, топологические отношения между элементами сети, отношения в иерархии, и принадлежности определенному фоновому рисунку автоматически формируются уже при создании и рисовании схем и плана.

Каждая схема может содержать произвольное число элементов и графических данных (элементов плана), а число уровней вложенности расчетных схем не ограничено.

Соответствие графических изображений схем и данных их элементам обеспечивается тем, что каждому типу элементов соответствует отдельная таблица базы данных (БД) с определенным набором столбцов (полей), соответствующих параметрам элемента, и строк (записей), — по числу элементов этого типа.

За настройку ИВС на конкретный тип ТПС и автоматическую поддержку указанных взаимосвязей отвечает ядро реляционной БД, состоящее из «системных» таблиц, рис. 4.

Рисунок 4 Схема ядра БД Результатом настройки ИВС на конкретный тип ТПС является состав и структура «пользовательских» таблиц, соответствующих определенным типам элементов со своим набором параметров. Состав этих параметров (полей пользовательских таблиц) определяется составом исходных данных и результатов расчетных задач. Таким образом, структура пользовательских таблиц ставится в соответствие прикладным программно-вычислительным комплексам.

Совокупность системной и пользовательской информации о схемах, параметрах и плане конкретной ТПС, которая формируется с помощью ИВС, — составляет проект, которому в стандартном случае соответствует единый файл с БД в формате MS Access.

Выводы по проведённому анализу:

ТПС разных типов могут отличаться по назначению, используемому оборудованию, принципам и задачам управления.

Для каждого из типов ТПС разрабатывается соответствующее программное обеспечение для проектирования, расчёта, оптимизации режимов и др. Так же постоянно появляются новые технические средства контроля и управления режимами ТПС, что открывает новые возможности.

Всё это приводит к необходимости постоянной модификации БД, появлению новых таблиц, атрибутов, связей.

1.4 Постановка вопросов

Для повышения эффективности применения методов математического моделирования требуется разработка соответствующих программных средств. Одной из задач, возникающих при разработке и использовании программ, является автоматизация процессов актуализации БД.

Для успешной реализации данной задачи необходимо выполнить следующие этапы:

1. Анализ предметной области:

· Краткая характеристика ТПС энергетики;

· ТПС как объект моделирования (задачи моделирования, области применения методов моделирования);

· Информационно вычислительный комплекс «Ангара» для компьютерного моделирования ТПС

2. Анализ возможностей современных информационных технологий;

3. Реализация программного средства для актуализации структур баз данных при расчётах и оптимизации трубопроводных систем.

1.4.1 Требования к программному средству

1. Работа в операционной системе Windows 2000, Windows XP, Windows Vista

2. Использование в качестве «шаблона» БД MS Access 2003.

3. Обновление БД MS Access (2003,2007); MS SQL Server 2000/2005.

4. Обновляемые объекты: таблицы, поля таблиц, связи, данные.

5. Выбор режимов, функций должен осуществлять пользователь (оператор). В случаях выбора вариантов программа должна запрашивать команду пользователя, предлагая при этом предпочтительный вариант действий.

6. Программное средство должно контролировать входные данные (команды пользователя, обрабатываемые и импортируемые файлы) на допустимость, корректность, непротиворечивость, обо всех обнаруженных несоответствиях выдавать соответствующие сообщения.

7. Во время исполнения программы на экране должны отображаться информационные сообщения о выполняемых операциях и обрабатываемых данных.

8. Управление программным средством должно осуществляться манипулятором типа «мышь» и/или с клавиатуры.

9. Возможность интеграции (совместимость) программного средства с другими программными средствами, применяемыми в информационных технологиях.

Раздел 2. Анализ существующих подходов для обновления структуры пространственно распределённых БД

2.1 Общая характеристика современной теории баз данных

Современная жизнь немыслима без эффективного управления. Важной категорией являются системы обработки информации, от которых во многом зависит эффективность работы любого предприятия или учреждения.

На сегодняшний день разработчик программ не связан рамками какого-либо конкретного пакета, а в зависимости от поставленной задачи может использовать самые разные инструментальные средства и СУБД.

База данных напоминает файл данных — это так же место хранения информации. Подобно большинству типов файлов данных, база данных не представляет информацию непосредственно пользователю — пользователь запускает приложение, которое обращается к данным базы и представляет их в понятном для него формате.

Системы на основе баз данных мощнее, чем просто файлы, поскольку данные в них лучше структурированы. В эффективно организованной базе данных отсутствуют дублирующиеся данные, которые пользователю или приложению приходится обновлять одновременно. Связанные данные сгруппированы в единую структуру — записи, причём между этими структурами (записями) можно определять связи.

При использовании файлов данных приложение необходимо запрограммировать для работы с конкретной структурой каждого файла данных, а база данных содержит каталог, с помощью которого приложения определяют способ организации данных. Кроме того, каталог позволяет приложениям баз данных динамически представлять пользователям информацию из различных баз данных, поскольку данные не связанны с каким-либо определённым форматом.

2.1.1 Реляционные СУБД

Реляционные СУБД основаны на реляционной модели, которая бала разработанная Э. Коддом в 1970 году. Реляционная модель позволяет представлять информацию в виде набора двумерных таблиц, связанных между собой посредством совместно используемых полей данных, называемых ключами. Реляционные базы данных предоставляют более простой доступ к данным и обеспечивают повышенную надежность и целостность благодаря отсутствию избыточной информации.

Реляционная модель опирается на систему понятий, важнейшими из которых являются отношение, кортеж, атрибут, первичный ключ, внешний ключ.

Отношение двумерная таблица специального вида, обладающая следующими свойствами:

* все значения атрибутов атомарны;

* отсутствуют одинаковые строки;

* столбцам однозначно присвоены имена;

* все значения каждого столбца однородные;

* все строки и столбцы могут просматриваться в любом порядке и любой последовательности безотносительно к их информационному содержанию и смыслу.

Кортеж соответствует строке отношения. Атрибут соответствует столбцу отношения. Количество кортежей называется кардинальным числом, а количество столбцов — степенью отношения.

Первичный ключ — уникальный идентификатор кортежей в таблице. Это может быть комбинация одного или нескольких столбцов.

Внешний ключ используется для ссылки на кортежи другого отношения, содержащие соответствующие значения первичного ключа.

Реляционная модель данных, содержащая набор четких предписаний к базовой организации любой реляционной СУБД, позволяет пользователям производить выборки информации из БД, указав только список интересующих таблиц и те условия, которым должны удовлетворять выбираемые данные. СУБД скрывает от пользователя выполняемые ею последовательные просмотры таблиц, выполняя их наиболее эффективным образом. Очень важная особенность реляционных СУБД состоит в том, что результатом выполнения любого запроса к таблицам БД является также таблица, которую можно сохранить в БД, а также по отношению к которой можно выполнять новые запросы.