Создание многоуровневыхинформационно-управляющих систем реального времени на основе методов оптимизации и математического моделирован

На правах рукописи

 

 

 

 

 

Костюков Валентин Ефимович

 

 

Создание МНОГОУРОВНЕВЫХ

информационно-управляющих систем реального времени  
НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ оптимизации  
и МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

 

 

 

Специальность: 05.13.18 –

Математическое моделирование, 
численные методы и комплексы программ

 

 

 

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород - 2008

 

Работа выполнена в Федеральном  государственном унитарном 
предприятии федеральном научно-производственном центре 
«Научно-исследовательский институт измерительных систем 
им. Ю.Е. Седакова» (НИИИС).

 

 

 

 

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., академик РАН, Бетелин Владимир Борисович

д.т.н., профессор, Лопатин Алексей Сергеевич

д.т.н., профессор, Швецов Владимир Иванович

Ведущая организация:  
      Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН

 

 

 

 

 

Защита состоится « 5 » июня 2008 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д.212.166.13 в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, конференц-зал.

 

С диссертацией можно  ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного университета.

 

Автореферат разослан «____» _______________ 2008 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Ученый секретарь 

диссертационного совета     В.П. Савельев

 

 

 

 

Общая характеристика работы

 

Актуальность исследования. Современный подход к комплексной автоматизации газодобывающих (ГДП) и газотранспортных (ГТП) предприятий характеризуется переходом от локальных систем управления отдельными технологическими процессами и объектами к многоуровневым информационно-управляющим системам (МИУС) диспетчерского управления технологическими комплексами. За последние годы технический уровень и качество работ по автоматизации предприятий ОАО «Газпром» значительно повысились.

В составе ГДП создаются автоматизированные системы управления объектами основного  технологического оборудования кустов газовых скважин, установок предварительной и комплексной подготовки газа, дожимных компрессорных станций.

ГТП является многофункциональным  производственным объединением и включает в себя технологические объекты транспорта газа и переработки газового конденсата.

К основным технологическим объектам относятся газоперекачивающие агрегаты компрессорных станций, осуществляющие транспортировку газа посредством повышения его давления. Магистральные газопроводы (МГ), являющиеся основными объектами ГТП, эксплуатируются в сложных климатических условиях, рассредоточены на значительной территории и представляют собой сложный комплекс технологических установок.

Управление объектами транспорта газа осуществляется на следующих иерархических уровнях.

Первый (нижний) уровень управления объектами основного производства реализуется диспетчерскими службами компрессорных цехов, обеспечивающими непосредственное управление технологическими процессами транспорта газа и конденсата.

Основными службами двух верхних уровней управления являются диспетчерская служба линейного производственного управления МГ (КС) и центральный диспетчерский пункт (ЦДП) газотранспортного предприятия, которые являются органами оперативного управления производства, осуществляющими выполнение плановых заданий по транспорту и реализации газа с соблюдением заданных технологических режимов всех технологических объектов.

 

Несмотря на масштабы и распределенную структуру, ОАО  «Газпром» необходимо рассматривать как единое предприятие, представляющее собой сложный и неразрывный производственно-технологический комплекс, который включает в себя объекты добычи, транспорта и переработки газа.

На данном этапе развития эффективное функционирование отрасли  в значительной степени зависит  от правильной организации управления информацией. Поэтому в целях успешной реализации вопросов управления технологическими процессами и решения финансово-экономических задач необходимо осуществление комплексного подхода к проблемам информатизации отрасли на базе многоуровневых информационно-управляющих систем с помощью современных информационных технологий и нового поколения программно-технических средств (ПТС) автоматизации технологических процессов и объектов.

Одним из основных требований к МИУС является обеспечение ее функционирования в режиме реального времени, поэтому оптимизация технических решений по организации информационного обмена между уровнями управления является первоочередной задачей.

В настоящее время  практически во всех структурных  подразделениях администрации ОАО «Газпром» и на всех основных предприятиях отрасли внедрены комплексы средств автоматизации. Однако они обеспечивают только часть информационных потребностей компании. Достигнутый уровень автоматизации не позволяет в полном объеме объединить функции управления отраслью как единым технологическим комплексом.

На крупных предприятиях отрасли созданы вычислительные системы, обеспечивающие автоматизацию управления как производственно-хозяйственной и финансовой деятельностью, так и технологическими объектами Единой системы газоснабжения (ЕСГ) РФ.

Однако автоматизация  на этих предприятиях, как правило, направлена на решение проблем отдельных структур предприятия и лишь на некоторые фрагменты производства, его отдельные процессы, а не на охват всего производственного цикла и организацию комплексной системы управления, обеспечивающей интеграцию разрозненных компонентов в единый производственный организм.

В настоящее время  при создании систем диспетчерского управления газодобывающими и газотранспортными организациями широко используются современные SCADA-системы, средства автоматизации и телемеханики, высокоскоростные сети передачи данных, в результате чего качественно изменилось информационно-программное и аппаратное обеспечение диспетчерских служб. Однако при этом возник разрыв между теми возможностями, которые предоставляют современные SCADA-системы, и существующим уровнем автоматизации диспетчерского управления, выполняющим, в основном, функции контроля и протоколирования, а не автоматизированного управления как такового. Этот разрыв связан в значительной мере с отсутствием в системах управления математических моделей и алгоритмов оптимизации диспетчерского управления, охватывающих совокупность объектов добычи, переработки и транспорта газа.

Таким образом, проблема интеграции различных систем автоматизации предприятия выходит на первый план, и сложились все объективные условия для ее решения. Имеющиеся на сегодняшний день единые сетевые протоколы, международные стандарты открытых систем и информационные технологии обмена создали необходимые предпосылки формирования единой информационной управляющей системы предприятий.

При этом создание МИУС РВ, осуществляющих контроль и регулирование технологического оборудования, оптимизацию как программно-технических средств, так и эксплуатационных режимов, управление производительностью добычи и транспорта газа на основе методов оптимизации и математического моделирования технологических процессов газовой отрасли промышленности, является важной и актуальной задачей.

Методическую и теоретическую  базу диссертационной работы составляют подходы и инструментарий теории многоуровневых, иерархических, информационно-управляющих систем, методов математического моделирования технологических процессов реального времени, решения задач многокритериальной оптимизации систем информационной поддержки принимаемых решений. При выполнении исследования автор опирался на теоретические результаты отечественных ученых: в области развития теории информационно-управляющих систем реального времени и АСУ технологических процессов газовой отрасли – А.Г. Ананенкова, М.А. Балавина, С.В. Емельянова, И.А. Жученко, Я.Е. Львовича, С.Л. Подвального, В.Н. Фролова; в области теории математического моделирования – А.Д. Иванникова, Н.Н. Моисеева, И.П. Норенкова, А.А. Самарского, А.Н. Тихонова; в области применения численных методов оптимизации в прикладных задачах – Д.И. Батищева, Ю.Б. Гермейера, Ю.Г. Евтушенко, П.С. Краснощекова, В.С. Михалевича, В.В. Подиновского, Р.Г. Стронгина.

Исследования по теме диссертационной работы, выполняемые  в интересах газовой отрасли, отражены в Генеральном соглашении Росатома и ОАО «Газпром» и среднесрочной программе работ и соответствуют Концепции научно-технической политики ОАО «Газпром» до 2015 года. При этом обеспечивается принцип сдачи продукции «под ключ» и сопровождение проекта в течение всего жизненного цикла – от технико-экономического обоснования, разработки, изготовления и комплектования до гарантийного и послегарантийного обслуживания. НИИИС выступает в роли системного интегратора и генерального подрядчика, организуя взаимодействие предприятий как ОАО «Газпром», так и Росатома, а также в роли разработчика и изготовителя оборудования и программных средств.

Цель и задачи исследования. Основной целью диссертации является разработка и исследование комплекса математических моделей, алгоритмов решения задач многокритериальной оптимизации и поддержки принятия управленческих решений, направленных на обеспечение автоматизированного сквозного цикла разработки нового поколения программно-технических средств автоматизации и создание 
на их базе многоуровневых информационно-управляющих систем реального времени (МИУС РВ), обеспечивающих оптимизацию эксплуатационных режимов технологического оборудования и управления их производительностью.

Решение данной задачи имеет  важное народно-хозяйственное значение для повышения надежности, эффективности и безопасности систем управления технологическими объектами добычи и транспорта газа.

В соответствии с поставленной целью в работе сформулированы и решены следующие основные задачи исследования.

1.  Разработка концепции построения многоуровневых информационно-управляющих систем реального времени и их роли в повышении безопасности и эффективности управления технологическими процессами добычи, переработки и транспорта газа с помощью программно-технических средств информационной поддержки принимаемых решений.

2.  Разработка и доведение до коммерческого программного продукта конкурентоспособных отечественных SCADA-систем сбора информации,  
ее обработки и управления технологическими процессами в режиме реального времени.

3. Разработка и серийный выпуск конкурентоспособных и импортозамещающих объектно-ориентированных технических средств (микропроцессорные контроллеры, расходомеры, средства дистанционного управления, электронное оборудование и др.), используемых для создания МИУС РВ разных уровней управления.

4.  Построение математических моделей и разработка эффективных алгоритмом решения взаимозависимого класса оптимизационных задач добычи, транспорта и переработки газа (газового конденсата).

5. Разработка математических методов и программных комплексов диагностики и мониторинга прочностной надежности потенциально опасных участков линейной части магистральных газопроводов.

6. Создание и внедрение многоуровневых ИУС РВ на газодобывающих и газотранспортных предприятиях ОАО «Газпром», входящих в ОСОДУ Единой системы газоснабжения России.

Научная новизна работы заключается в решении ряда важных новых задач, связанных с проведением исследований и разработкой алгоритмов управления и регулирования технологическими процессами добычи, подготовки и транспортировки газа (газового конденсата) на основе методов оптимизации и математического моделирования; с повышением эффективности мониторинга информационно нагруженных технологических процессов на базе разработанного математического аппарата; с разработкой комплекса отечественных программно-технических средств нового поколения и созданием на этой основе, с использованием современных достижений теории управления и информационных технологий, нового класса систем – многоуровневых информационно-управляющих систем реального времени для крупных предприятий газовой отрасли.

Новизна научно обоснованных и впервые разработанных технических и технологических решений подтверждена четырьмя патентами РФ на изобретения, тремя сертификатами соответствия и двумя свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Обоснованность и достоверность сформулированных в диссертации научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также практической реализацией и промышленной эксплуатацией созданных многоуровневых ИУС РВ.

Основные положения, которые выносятся на защиту.

1.  Комплекс математических моделей и алгоритмы многокритериальной оптимизации проектирования объектно-ориентированного электронного оборудования МИУС.

2. Комплекс математических моделей и эффективные алгоритмы решения совокупности взаимозависимых оптимизационных задач распределения ресурсов в многоуровневых иерархических управляемых системах, формализующих процессы добычи, транспортировки и переработки газа (газового конденсата).

3. Математическая модель процесса разработка газовой залежи для основных эксплуатационных режимов дренирования.

4. Математическая модель помпажа, позволяющая проводить аналитические исследования помпажной границы и положения рабочей точки нагнетателей.

5. Алгоритмы многокритериальной оценки состояния прочностной надежности ЛЧ МГ с помощью методов математического моделирования.