Модели и методы анализа и прогнозирования технического состояния магистральных газопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Жуков, Александр Сергеевич

• Жуков, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жуков, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Исследование проблем диагностики технического состояния и эксплуатации магистральных газопроводов.

1.1 Исследование проблем функционирования Единой системы газоснабжения России.

1.2 Исследование типов дефектов возникающих на теле труб газопроводов.

1.3 Анализ существующих методик диагностики и прогнозирования технического состояния трубопроводных систем.

1.4 Актуальность разработки новой методики анализа и прогнозирования технического состояния магистральных трубопроводов.

Выводы по ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. Разработка модели и метода определения технического состояния магистральных газопроводов.

2.1 Исследование существующих методов анализа технического состояния магистральных газопроводов.

2.2 Разработка метода классификации дефектов по степени их опасности.

2.2.1 Анализ существующих методов классификации дефектов.

2.2.2. Разработка метода и алгоритма обработки результатов внутритрубных диагностических обследований.

2.3 Разработка метода расчёта технических параметров труб газопроводов и их дефектов.

Выводы по ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. Разработка моделей и алгоритмов прогнозирования технического состояния и аварийности магистральных трубопроводов.

3.1 Выявление факторов способствующих возникновению аварий магистральных газопроводов.

3.2 Определение степени влияния различных факторов на техническое состояние трубопроводов.

3.3 Разработка модели и алгоритма определения вероятных причин возможной аварии.

3.4 Прогнозирование наиболее вероятного количества аварий для крупных фрагментов газотранспортной системы.

3.4.1 Разработка вероятностной модели прогнозирования количества аварий.

3.4.2 Обоснование допустимой глубины вероятностного прогнозирования аварийности.

3.4.3 Проверка правильности вычислений по асимптотическим соотношениям.139'

3.4.4. Разработка алгоритма прогнозирования вероятного количества аварий.

3.5. Выработка комплексных рекомендаций о целесообразности ремонта участка газопровода.

Выводы по ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. Разработка алгоритма и инструментальных средств для реализации комплексной методики анализа и прогнозирования технического магистральных газопроводов.

4.1. Разработка ГШПч<Безопасный газопровод».

4.2. Разработка алгоритма реализации ШШ «Безопасный газопровод».

4.3. Описание прецедентов ШШ «Безопасный газопровод».

4.4 Моделирование процесса обработки эксплуатационных данных магистральных газопроводов.

Выводы по ГЛАВЕ 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и методы анализа и прогнозирования технического состояния магистральных газопроводов»

Актуальность работы

Единая газотранспортная система России (ЕСГ) - структурно сложная техническая система. В ней могут происходить отказы элементов и подсистем, связанные либо с нарушением условий безопасности (аварии), либо с недопустимым снижением эффективности или прерыванием газоснабжения.

Выбор оптимальных стратегий капитального ремонта и реконструкции всегда сопряжен с необходимостью затрат времени- и средств на повышение надежности элементов линейной части газопроводов при условии минимизации аварий, обеспечивающей' эффективность функционирования газопровода и поддерживающей её не ниже допустимого уровня. Для решения таких задач необходимо применять методы экономико-математического моделирования и использовать современные инструментальные средства.

С учетом указанной специфики* функционирования системы газоснабжения при выборе стратегии планирования капитальных ремонтов и реконструкции возникают задачи::

• по выявлению в системе элементов, находящихся в! наихудшем техническом состоянии в сочетании с наиболее тяжелыми' условиями эксплуатации;

• анализу допустимости остановок перекачки газа и прогнозирования возможности возникновения аварийных ситуаций;

• планированию мероприятий по ремонту и реконструкции.

Первую задачу принято решать методами* диагностики. В большинстве случаев диагностическая информация состоит из большого объёма данных, но является не полной, так как некоторые дефекты, находящиеся на трубопроводе, не выявляются. Вместе с тем даже при наличии исчерпывающих диагностических сведений о техническом состоянии трубопровода для полноценного прогноза аварийности требуется знание важности элементов в системе, условий их работы, возможных изменений техногенной обстановки и окружающей среды. Это требует, как показали исследования, применения современных экспертно-аналитических моделей и методов.

Немаловажным аргументом в пользу экспертно-аналитических методов является то, что затраты на аналитическую работу по обобщению имеющихся сведений о техническом состоянии объекта с применением той или иной экспертной системы несравнимо ниже по сравнению с затратами на практическую диагностику. Следует также учесть, что в настоящее время ведется целенаправленный мониторинг технического состояния опасных производственных объектов. Организованы электронные базы, в которых ведется сбор большого объема, данных по различным технико технологическим и природно-климатическим факторам, авариям, инцидентам и другим обстоятельствам, сопутствующим эксплуатации трубопроводов. Поэтому разработка эффективных моделей и методов и необходимых инструментальных средств обработки больших объёмов такой-информации и её дальнейшее использование для прогнозирования-аварийности и планирования ремонтов* - актуальная задача для систем магистральных газопроводов большого диаметра.

Большой вклад в исследование проблем обработки больших объёмов информации, прогнозирования аварийности, а также управления своевременным ремонтом трубопроводов внесли видные российские ученые, такие как В.В. Харионовский, Е.М. Гурленов, И.И. Вилиюлин, З.Т. Галлиулин, М.В. Лисанов, Т.С. Есиев, Н.И. Федунец, В.Н. Решетников, Л.А. Бахвалов, Ф.Г. Тухбатуллин, В.Д. Шапиро, Чувильдеев В.Н. и др.

Цель- данного научного исследования- заключается, в разработке комплексной методики прогнозирования технического состояния ос газопроводов, позволяющей определить не только аварийноопасные участки, но и возможные причины, и количество аварий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• анализ и исследование проблем технического состояния^ и возникающих дефектов линейной части газопроводов;

• разработка метода идентификации труб и дефектов, эксплуатирующегося газопровода и расчёта их основных технических характеристик по результатам внутритрубных диагностических обследований;

• выявление факторов; влияющих на развитие дефектов и возникновение аварий;

• исследование структуры взаимосвязей между различными: факторами, влияющими нашозникновение аварий;

• разработка; модели прогнозирования;типа аварий; с учетом влияния; природно-техногенных факторов и взаимосвязей между ними;

• разработка модели прогнозирования количества аварий на крупных элементах газотранспортной системы;

• разработка комплексной; методики прогнозирования технического состояния и аварийности газопроводов, включающей в себя независимые модели прогноза;

• разработка инструментальных средств обработки^ эксплуатационных данных газопровода; и прогнозирования? технического состояния элементовгазотранспортнойсистемы.

Идея; работы заключается в определении значимых природно-технологических факторов, анализе степени их влияния; на техническое состояние газопроводов; системных связей; между ними * и использовании результатов обработки больших объёмов ретроспективных данных об авариях, а также текущих сведений об условиях функционирования г трубопроводов, что впервые позволит осуществить прогноз типа и числа аварий газопроводов.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Разработан* метод обработки эксплуатационных данных, позволяющий впервые рассчитывать и анализировать технические характеристики труб газопроводов и возникающих на них дефектов по результатам внутритрубных диагностических обследований.

2. Выявлен ряд природно-климатических, технико-технологических и организационных факторов, оказывающих значимое влияние на развитие аварий, которые до настоящего времени не принимались во внимание при формировании прогнозов.

3. Разработана модель распознавания причины аварии по факторам, сопутствующим эксплуатации трубопровода.

4. Получены математические выражения позволяющие прогнозировать общее количество аварий на крупных фрагментах газотранспортной системы.

5. Разработана комплексная методика обработки эксплуатационных данных, включающая новые модели и методы, учитывающие особенности конкретных трубопроводов, и позволяющая в отличие от существующих определять не только аварийноопасные участки, но и прогнозировать возможные причины и количество аварий.

6. Разработаны инструментальные средства прогнозирования технического состояния газопроводов большого диаметра, позволяющие повысить точность прогноза на основе параметров природно-техногенных факторов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается корректным использованием методов статистического анализа, теории многофакторной оптимизации, теории распознавания образов, численного анализа, компьютерного моделирования, теории восстановления, а также положительными результатами экспериментального моделирования разработанного пакета прикладных программ и внедрением его на ряде газотранспортных предприятий России и зарубежья.

Научная значимость диссертации состоит в разработке новой методики обработки эксплуатационных данных трубопроводов, полученных в результате мониторинга, внутритрубной дефектоскопии и ретроспективных сведений об авариях, позволяющей впервые комплексно анализировать динамику влияния совокупности наблюдаемых факторов, а также прогнозировать аварийность с учетом выявленных природно-техногенных факторов, не учитывавшихся ранее.

Практическая значимость диссертации заключается в создании методики позволяющей, определить как в краткосрочной, так и в среднесрочной перспективе, участки газопровода для обследования и ремонта, что позволяет предотвратить, аварии, связанные с развитием дефектов, и планировать затраты на капитальный ремонт.

Реализация. и внедрение результатов. Разработанный 111111 «Безопасный газопровод» применяется для» прогнозирования технического состояния трубопровоов «Ухта-Торжок», «Пунга - Ухта -Грязовец» и др.

Разработанные модели и методы обработки данных используются- в учебном процессе для- подготовки специалистов и магистров по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника» специальности 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МГГУ, включены в разделы дисциплин «Методы оптимизации» и «Компьютерные системы поддержки принятия решений» по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника».

Апробация, работы: Основные результаты диссертации и ее отдельные положения докладывались на семинарах кафедры АСУ МГТУ, международных симпозиумах «Неделя горняка» (2007 - 2010 гг., Москва) и отраслевых конференциях ОАО «Газпром».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы и получено одно свидетельство №2010620553 о регистрации базы данных «Единый реестр по декларациям промышленной безопасности опасных производственных объектов и паспортам безопасности опасных объектов ОАО «Газпром».

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 68 наименований, содержит 32 таблицы и 52 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Жуков, Александр Сергеевич

Выводы по ГЛАВЕ 4

1. Разработан пакет прикладных программ «Безопасный газопровод», реализующий новую методику обработки и анализа эксплуатационных данных и прогнозированию технического состояния магистральных газопроводов. Разработанный пакет принят в эксплуатацию ООО НТЦ «Транскор-К» в рамках внедрения «Комплексной программы диагностирования и прогнозирования технического состояния газотранспортных систем». Кроме того разработанные модели и методы использованы при разработке 2 стандартов организаций ООО Севергазпром» и ООО «Каспийгазпром - «Комплексная оценка технического состояния магистральных газопроводов».

2. Проведённое моделирование работы 111111 «Безопасный газопровод» доказало работоспособность разработанных моделей, методов и алгоритмов анализа эксплуатационной и ретроспективной информации о магистральных газопроводах и прогнозирования их технического состояния.

3. Результаты моделирования выявили, что получаемый прогноз совпадает с реальными показателями аварийности, с ошибкой прогноза не более 15% от фактической ситуации, что является весьма хорошим результатом для таких пространственно распределённых и технологически сложных объектов, как магистральные газопроводы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится теоретическое и практическое решение актуальной научной задачи разработки новой методики обработки ретроспективных данных об авариях и текущих сведений о газопроводе, с целью контроля и прогнозирования технического состояния магистральных газопроводов, что вносит существенный вклад в исследование системных связей и закономерностей функционирования газотранспортных систем и методов обработки больших объёмов информации.

Основные научные и практические выводы, полученные автором в ходе выполнения'работы:

1. Определены технико-технологические, природно-климатические и организационные факторы, оказывающие существенное влияние на развитие дефектов трубопроводов и возникновение аварийных ситуаций, которые до настоящего времени не принимались во внимание при формировании прогноза технического состояния магистральных газопроводов.

2. Разработан метод и сформулированы математические выражения, позволяющие впервые определить степень влияния различных групп факторов на-развитие различных типов аварий.

3. Разработаны математические модели и алгоритмы прогнозирования типа и количества аварий газопроводов, которые в отличие от существующих позволяют прогнозировать количество и типы аварий не только для участков трубопровода, но и для всего магистрального газопровода в границах газотранспортного предприятия в целом.

4. Разработан ППП «Безопасный газопровод», использующий современные методы теорий! восстановления, распознавания образов и* многофакторной оптимизации для обработки больших объемов* диагностических и эксплуатационных данных, а также графические и мультимедийные технологии для визуализации полученных результатов.

На основании полученных результатов разработано 2 стандарта организаций - «Комплексная оценка технического состояния магистральных газопроводов ООО «Каспийгазпром» и «Комплексная оценка технического состояния магистральных газопроводов ООО «Севергазпром», а также Комплексная программа диагностирования и прогнозирования технического состояния газотранспортных систем научно-технического центра ООО «НТЦ «Транскор-К».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жуков, Александр Сергеевич, 2010 год

1. Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев. Математические методы в теории надежности. «Наука». М., 1965 г .-с. 110-113.

2. А.Д. Соловьев. Основы математической теории надежности. Вып.2,3. «Знание». М., 1975 г.-с. 15-16.

3. А.Д. Соловьев. Математические методы анализа восстанавливаемых систем. «Знание». М., 1982 г.-с. 23-29.

4. Б.Р. Левин. Теория надежности радиотехнических систем. «Советское радио». М., 1978 г.-с. 156-158.

5. Н. Хастингс, Дж. Пикок. Справочник по статистическим распределениям. «Статистика». М., 1980 г.-с. 302-303.

6. Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. «Наука». М., 1969 г.-с. 119-129.

7. Дедешко В.Н. «Техническое состояние магистральных трубопроводов РАО "Газпром" и организация работ по внутритрубной диагностике». Сб. трудов международной деловой встречи "Диагностика-98".- М., ИРЦ Газпром, 1998. С. 3-31

8. Стратегия развития газовой промышленности России. Под общей редакцией Вяхирева Р.И. и Макарова A.A. // М: Энергоатомиздат, 1997.

9. A.JI. Горелик, В.А. Скрипкин «Об одном методе решения задачи классификации объектов и явлений» Техническая кибернетика №1 Известия Академии наук СССР. М. 1965

10. Абрамов JIM., Капустин В.Ф. "Математическое программирование", изд. ЛГУ, Л., 1981 г.

11. Большаков В.Д., Клюшин Е.Б., Васютинский И.Ю. Геодезия. Изыскания и проектирование инженерных сооружений: Справ.пособие -М.: Недра, 1991,-238с.

12. Буланже Ю.Д. К вопросу об исследовании современных движений земной коры // Современные движения земной коры:. Морфоструктуры, разломы, сейсмичность.- М.:. Наука, 1987.-е. 6-9.

13. Бурденкова Т.Н. "Разработка и исследование методики геодезических наблюдений за осадками и деформациями сухих доков", М., МИИГАиК, 1992г.

14. Валлнер JI.A., Торим A.A. 0 влиянии внешних условий на точность прецизионного нивелирования //Современные движения земной коры:. Морфоструктуры, разломы, сейсмичность. М.:. Наука, 11987.- с. 155-160.

15. Веселов ВВ., Пастушков С.А. О возможностях исследований динамических характеристик турбоагрегатов типа К-229-44/3000 ХТГЗ в процессе «пуска» и «останова». Тезисы докладов конференции, поев. 69-летию ВИСИ, Воронеж, 1991.

16. Веселов В.В., Пастушков С.А. О некоторых аспектах интерпретации вертикальных деформаций крупных инженерных сооружений. //Тез. докладов IX съезда ВАГО.:. BATO.- Новосибирск,- 1990.

17. Галушкин А.И. Теория нейронных сетей. Нейрокомпьютеры и их применение. Книга 1. М.гИПЖИР, 2000:

18. Галушкин А.И., Судариков В.В., Шабанов Е.В. Нейроматематика: методы решения задач на нейрокомпьютерах. //Математическое моделирование, №8,- М.:Наука, 1971;

19. Галушкин А.И;, Фомин Ю.И. Нейронные сети, как линейные последовательностные машины. М.:МАИ, 1991;24; Гантмахер Ф.Р. "Теория матриц", изд. "Наука", М., 1967 г.

20. Джонстон Дж. "Эконометрические методы", "Статистика" М., 1980г.

21. Дубров A.M. "Последовательный анализ в статистической обработке информации", "Статистика", М., 1976 г.

22. Езекиэл М:, Фокс К.А. "Методы анализа корреляций; и регрессий",

23. Статистика" М., 1966 г. (пер. с англ.)

24. Есиков Н.П. Тектонофизические . аспекты анализа современных движений земной поверхности. / Сиб.отд.АН СССР.- Новосибирск.- Наука, 1979.- 264с.

25. Ефимов Н.В. "Квадратичные формы и матрицы", изд."Наука",М, 1964.

26. Жуков Б.Н. Влияние продолжительности измерений осадок и деформаций на точность нивелирования при их контроле. // Межвуз.сб.

27. НИИГАиК, 1985. - N27/67.- с. 23-31.

28. Зацепина Р.К. Устойчивость стенных реперов, выявленная по результатам повторного нивелирования. //Геодезические методы контроля качества строительства.- Куйбышев, 1987,- с. 56-58.

29. Королев Ю.Г. "Метод наименьших квадратов в социально- экомических исследованиях", М., " Статистика", 1980 г.

30. Крылов В.И., Бобков В.В., Моностырный П.И. "Вычислительные высшей математики" т. I, изд. "Вышэйшая школа". Минск, 1972 г.

31. Кузьмич А.Н., Кацавец СИ. О влиянии некоторых факторов :на точность геодезических измерений в условиях вибрации. // Инж. :геодезия. /Киев/- 1988.- N31.- с. 38-41.

32. Левчук Г.П., Новак В.Е., Конусов В.Г. Прикладная геодезия. Основные методы и принципы инженерно-геодезических работ. -;М., Недра, 1981,- 438с.

33. Лилиенберг Д.А. Актуальные проблемы современной геодинамики рельефа //Современные движения земной коры:. Морфоструктуры, разломы, сейсмичность.- М., Наука, 1987.- с. 17-23.

34. Методические указания по организации и проведению наблюдений за осадками фундаментов и деформациями зданий и сооружений строящихся и эксплуатируемых тепловых электростанций СО 15334.21.322-2003. ЦПТИЭ и ТО ОРГРЭС- Москва, 2005.

35. Нечеткие множества и нейронные сети: Учебное пособие/Г.Э.Яхъяева.-М. :Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.-316 е.: ил., табл.

36. Оллиер К. Тектоника и рельеф./ Пер. с англ. В.В.Середина. М., Недра, 1984,- 369с- Пер. изд.:. Великобритания, 1981.

37. Панкрушин В.К. и др. Автоматизация математической обработки и интерпретации геодезических наблюдений за движениями и деформациями. НИИГАиК.- Новосибирск, 1989.- 88с.

38. Правила наблюдений за осадками зданий и сооружений тепловых электростанций. РТМ 34-001-73. -М., Энергия,- 1973.- 18с.

39. Ретхати Л. Грунтовые воды в строительстве./ Пер.с англ. В.З.Махлина и Н.А.Ярцева / Под. ред. В. А.Кирюхина. М., Стройиздат, 1989.- 432с.

40. Саяпова А.Р., Шамуратов Н.М., Гусельникова Е.А., Лакман И.А. Математические методы прогнозирования экономических показателей. Учебное пособие. Уфа:БашГУ, 2000;

41. Смоляк С. А., Титаренко Б.П. "Устойчивые методы оценивания", «Статистика"^ М., 1980 г.

42. Гуляев Ю.П. "Алгоритм оценивания параметров динамической модели и прогнозирования процесса, перемещений наблюдаемых точек сооружения". «Известия ВУЗов", "Геод. и аэрофотосъемка" № 3, М., 1984 г.

43. Езекиэл М., Фокс К.А. "Методы анализа корреляций и регрессий",

44. Статистика" М., 1966 г. (пер. с англ.)

45. Есиков Н.П. Тектонофизические аспекты анализа современных движений земной поверхности. / Сиб.отд.АН СССР.- Новосибирск.- Наука, 1979.- 264с.

46. Ефимов Н.В. "Квадратичные формы и матрицы", изд."Наука",М., 1964.

47. Ефимов Н.В., Розендорн Э.Р. "Линейная алгебра и многомерная геометрия», изд. "Наука", М., 1970 г.

48. Терцаги.К. Теория механики грунтов. -М.,Госстройиздат.- 1961.-с.59.

49. Тихонов А.Н. и др. "Численные методы решения некорректных задач", изд. «Наука», М., 1990 г.

50. Уилкисон Дж. X. "Алгебраическая проблема собственных значений", изд. "Наука", М., 1970 г. (пер. с англ.)

51. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: теория и практика / Пер. с английского Ю.А. Зуев. М.: Мир, 1992.

52. Фильчаков П.Ф.-"Численные и графические методы прикладной математики" АН УССР, изд. "Наукова думка", К., 1970 г.

53. Хаин В.Е. Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. Учебник. 2-ое издание, испр. и доп. — Издательство «КДУ», М, 2005.

54. Цытович Н. А., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве.- М., Высш. школа, 1981.- с.31

55. Цюнько В.И., Скопин B.C. Корреляционный анализ факторов, влияющих на вертикальные смещения глубинных марок в условиях набухающих грунтов. // Геодезическое обеспечение строительства. М. 1987.- с. 83-88.

56. Яцкив Я. С. Современные проблемы глобальной геодинамики. //Современные движения земной коры:. Морфоструктуры, разломы, сейсмичность.- М., Наука, 1987.- с.43-51.

57. F. Rosenblatt. Principles of neurodynamics. Spartan Books, Washington, 1962. Русский перевод: Розенблатт Ф. Принципы нейродинамики. -М.:Мир, 1964.

58. Grossberg S. The Adaptive Brain, Т. 1,2, Advances in psychology, 1987.

59. Hagan M. Т., H. B. Demuth, M. H. Beale Neural Networks Design. Boston, MA: PWS Publishing, 1996.

60. Minsky M., Papert S. Perceptrons. An introduction to computational geometry, MIT Press, 1969. Русский перевод: Минский M., Пайперт С. Персептроны. -М., Мир, 1971.

61. Nillson N.J. Leaning Machines. McGraw-Nill Book Company, 1965; Русский перевод: Нильсон H. Обучающиеся машины. -М.:Мир, 1967.

62. Shumsky, S.A., Yarovoy, A.V. Kohonen Atlas of Russian Banks, in: Deboeck, G. and Kohonen, T. Visual Explorations in Finance with Self-Organizing Maps. Springer, 1998.

63. Trippi, R., and Turban, E. Neural Networks in Finance and Investing. -Probus Publishing, 1998.вшгайежАж ФВДЖАЩШШшшшшшш ш ш ш ш ш тшшш т т ш т ш ш5т ш ш ж ш ш й ж ш т1. СВИДЕТЕЛЬСТВОо государственной регистрации базы данных2010620553

64. Единый реестр ОАО «Газпром* по декларациям промышленной безопасности опасных производственных объектов и паспортам безопасности опасных объектов

65. Правообладателей): Общество с ограниченной ответственностью «Газпром газнадзор$> (Я11)

66. Дата поступления 5 августа 2010 Г. Зарегистрировано в Реестре баз данных27 сентября 2010 г.

67. Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам1. Б.П. Симонов