Развитие теории и методов сетевой идентификации трубопроводных систем

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Методология. В качестве использованной методической базы следует специально выделить:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Защищаемые положения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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