CC BY
54
УДК 614.8:69
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ОЦЕНИВАНИЯ СОСТОЯНИЯ
С.А. Сазонова, Е.А. Сушко, К.А. Скляров
Рассматривается проблемы, возникающие при моделировании и практической реализации задачи оценивания состояния гидравлических систем. В математической модели оценивания сделано разделение на быстро и медленно меняющиеся параметры состояния систем. В совокупности решаемых задач как отдельная задача выделена задача диагностики утечек. При выполнении технической диагностики необходимо учитывать весь спектр комплексных задач с целью обеспечения надежности и безопасности объектов защиты.
Ключевые слова: гидравлические системы, статическое оценивание, математическое программирование, безопасность, мониторинг технического состояния.
Введение. Традиционно рассматривается стратегия решения задач статического и динамического оценивания и возникающие при этом проблемы по существу безотносительно специфики функционирования гидравлических систем (ГС). Привязка к исследуемым системам ограничена лишь составом измерений. Между тем именно особенности их функционирования вынуждают принципиально пересмотреть методологию оценивания в целом.
Формулировка задачи статического оценивания. Математическая формулировка задачи статического оценивания заключается в следующем [1]. Будем понимать под параметрами режима функционирования быстро изменяющуюся информацию о состоянии ГС. К ней относятся значения: узловых потенциалов (Я,), отборов или притоков (£,), расходов транспортируемой среды на участках сети (<2,). Совокупность этих величин обозначим вектором 2. Остальная информация, касающаяся характеристик элементов ГС (сопротивления и проводимости участков сети, характеристики регуляторов, и т.д.), меняется относительно медленно. Ее будем обозначать компонентами вектора £>.
Сазонова Светлана Анатольевна,
канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет. Россия, Воронеж, e-mail: Sazonovappb@vgasu.vrn.ru Сушко Елена Анатольевна,
канд. техн. наук, Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет,
Россия, Воронеж.
e-mail: u00075@vgasu.vrn.ru
Скляров Кирилл Александрович,
канд. техн. наук,
доцент Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, Россия, Воронеж, e-mail: vgasupb@.mail.ru
© Сазонова С.А., Сушко Е.А., Скляров К.А., 2015
Связь между параметрами режима и характеристиками элементов выражается в виде системы уравнений, которая образует математическую модель процессов, протекающих в ГС. В векторной форме эту модель будем представлять в виде
ш(г,о) = 0. (1)
Возможность декомпозиции на быстро и медленно меняющиеся параметры существует и для ГС. Часть компонентов вектора £> остается неизменной (топология системы, длины участков, размещение источников питания и потребителей). Другая часть компонентов хотя и изменяется, но крайне медленно в результате увеличения срока эксплуатации (диаметры труб на участках, характеристики насосов, регуляторов, резервуаров и т.д.).
Однако такая ситуация справедлива лишь при нормальном режиме функционирования ГС, которая на практике реализуется далеко не всегда. Принадлежность ГС к классу восстанавливаемых систем допускает их функционирование в режимах частичного отказа. С позиций возможности дифференциации параметров режима на быстро и медленно меняющуюся информацию интерес представляет явление утечек. Будем интерпретировать утечку как особую категорию потребителей, которую как обычно можно характеризовать местоположением в системе (координатой), величиной отбора и, кроме того, моментом возникновения или фактом существования. Определение влияния утечек на процедуру оценивания осложняется тем обстоятельством, что сами утечки могут быть естественного (собственно утечки) и искусственного (несанкционированные отборы) характера. Величину утечки, в силу ее разнообразного характера, невозможно однозначно причислить либо к медленно, либо к быстро меняющимся параметрам режима. Для естественных утечек можно считать гидравлическое сопротивление истечению до атмосферного давления величиной постоянной. Тогда постулируя незначительность колебаний давления в любой точке системы во времени, величина утечки оказывается практически неизменной. В
то же время для несанкционированных отборов свойственна стохастичность значения во времени (суточная, сезонная и т.д.) как и для обычного потребителя.
Координата утечки уже представляет собой не параметрическую, а структурную информацию о системе, наличие которой в задаче оценивания постулируется. Неопределенность с этой точки зрения автоматически исключает возможность корректного решения.
Сведения о моменте возникновения или факте существования утечек являются логическими и в принципе не могут быть согласованы со структурой модели (1). Их вероятностный смысл достаточно очевиден, а если это так, то вопрос их определения относится к задачам математической статистики.
На основании такого элементарного анализа необходимой информации об утечках очевидно, что проблема их учета является самостоятельной комплексной задачей, получившей название диагностики [2]. Разумеется, эта проблема имеет самостоятельное значение, но в силу объективного существования понятия координаты утечек, являющегося структурной информацией, декомпозиция оценивания в форме (1) для ГС принципиально невозможна по причине топологической неопределенности.
Все отмеченные факторы применительно к ГС имеют противоположные тенденции. Известно, что утечки естественного характера в системах водоснабжения считаются ординарным явлением и могут достигать 20-30% от общего потребления. Разумеется, что при таком уровне утечек трудно рассчитывать на качественные результаты оценивания без их учета, то есть они могут оказаться даже абсурдными. Тем не менее, в силу разнородности информации об утечках, очевидно, что их учет не вписывается в общую формулировку задач как статического, так и динамического оценивания. Иными словами совместная формализация обоих задач с диагностикой утечек невозможна. Поэтому естественным способом преодоления этой проблемы можно считать их математическую декомпозицию при объединении на алгоритмическом уровне, когда автономное решение одной из них выполняет функцию информационного обеспечения для другой, причем этот процесс, скорее всего, должен быть циклическим и взаимным.
Второй важной особенностью гидравлических трубопроводных систем, оказывающей влияние на решение задач оценивания, является «скудность» экспериментальной информации о параметрах режима, как в количественном, так и в качественном отношении, поскольку при этом возникаю проблемы обеспечения топологической и нелинейной наблюдаемости объекта управления. Рассмотрим подробнее причины отмеченного обстоятельства.
Первое условие соблюдения топологической наблюдаемости - инвариантность к конфигурации системы, потребность в обеспечении которого возникает в результате различного рода коммутаций схемы объекта посредством любых манипуляций с задвижками в процессе эксплуатации, практически предопределяет выбор состава независимых переменных - совокупность отборов транспортируемой среды потребителями. Однако в этом случае возникает неизбежный конфликт с выполнением второго условия, поскольку их связь с компонентами вектора телеизмерений (формируемых на основе манометрической съемки) оказывается неявной и более того, нелинейной с учетом структуры известных моделей потокораспределения. В результате возникают негативные перспективы трудоемких вычислительных операций с дифференцированием неявных функций в методе наименьших квадратов.
Дефицит телеизмерений в количественном отношении вынуждает планировать его ликвидацию посредством динамического оценивания. Однако на сегодняшний день для решения этой проблемы предложены далеко не самые удобные в реализации многофакторные адаптивные модели определения нагрузок потребителей. Учет влияния лишь метеорологических факторов недостаточен, модели трудно приспосабливаются к неожиданным изменениям условий, поскольку не рассчитаны на постоянную коррекцию эмпирических коэффициентов. Существуют также проблемы получения самих факторов, поскольку последние носят характер прогнозов. Но главный недостаток применения динамического оценивания для обеспечения топологической наблюдаемости заключается в необходимости установки расходомеров хотя бы у части абонентов для адаптации самих моделей. Заметим также, что полученные в этом случае динамические оценки неудобны и в плане последующей реализации статического оценивания, поскольку целевая функция должна в этом случае формироваться на неоднородных данных с возникающей отсюда проблемой согласования их весовых функций и размерностей.
Дефицит экспериментальных данных в качественном отношении обусловлен не столько сложностью обработки разнородных данных (помимо сведений по манометрической съемке может применяться и температурная съемка), сколько слабой информативностью этого параметра для исследуемых объектов. Проблема нелинейной наблюдаемости для ГС имеет место, но возможность ее преодоления за счет избыточности исходных данных вызывает сомнение.
Техническая диагностика выполняется для обеспечения надежности и безопасности функционирования ГС. Для реализации комплексной проблемы требуется совместное решение задач статического оценивания [3] на основе применения энергетического эквивалентирования [4, 5] с реализацией математических моделей анализа потокораспре-
деления и учетом транспортного резервирования [6]. В указанных работах рассматриваются системы газоснабжения и теплоснабжения. Реализация поставленной задачи требует решения ряда дополнительных задач, обеспечивающих надежность функционирования и безопасность таких сложных систем. Задача диагностики утечек решается в интервале между двумя опросами системы при мониторинге текущего состояния по результатам статического оценивания [3]. Актуален также ряд исследований [7, 8, 9, 10, 11], необходимых для решения комплексных задач.
В заключение отметим, что в практике эксплуатации исследуемых систем в составе вектора телеизмерений обычно фигурируют данные о притоках транспортируемой среды через источники питания. Совместная обработка разнородных экспериментальных данных требует дополнительных вы-
числительных операций. Значимость этих данных весьма существена даже при крайней малочисленности. Поэтому представляет интерес поиск способов более эффективного их применения, нежели прямое включение в целевую функцию.
Выводы
1. Задача оценивания гидравлических систем представлена в виде модели оценивания с быстро и медленно меняющимися параметрами состояния систем.
2. В совокупности решаемых задач оценивания как отдельная задача выделена задача диагностики утечек.
3. При выполнении технической диагностики необходимо учитывать весь спектр комплексных задач с целью обеспечения надежности и безопасности объектов защиты.
Библиографический список
1. Гамм А.З., Герасимов Л.Н., Голуб И.И.
Оценивание состояния в электроэнергетике / А.З. Гамм, Л.Н. Герасимов, И.И. Голуб. - М.: Наука, 1983. - 302 с.
2. Евдокимов А.Г. Оптимальные задачи на инженерных сетях / А.Г. Евдокимов. - Харьков: Вища школа, 1976. - 153 с.
3. Сазонова С.А. Разработка методов и алгоритмов технической диагностики систем газоснабжения: автореф. дис. ... канд. техн. наук / С.А. Сазонова. - Воронеж, 2000. -15 с.
4. Квасов И.С. Энергетическое эквивалентирование больших гидравлических систем жизнеобеспечения городов / И.С. Квасов, М.Я. Панов, В.И. Щербаков, С.А. Сазонова // Известия высших учебных заведений. Строительство. -2001.- № 4. - С. 85-90.
5. Колодяжный С.А. Применение энергетического эквивалентирования для формирования граничных условий к модели анализа потокораспределения системы теплоснабжения / С.А. Колодяжный, Е.А. Сушко, С.А. Сазонова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. -2013. - № 3 (12). - С. 8-15.
6. Сазонова С.А. Разработка модели структурного резервирования для функционирующих систем теплоснабжения / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института высоких технологий. - 2008. - № 3. - С. 82 - 86.
7. Михневич И.В., Николенко С.Д., Попов В.А. К вопросу о защитных свойствах быстровозводимых сооружений на основе пневмоопалубки / И.В. Михневич, С.Д. Николенко, В.А. Попов // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы: сборник статей по материалам III всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 20 сентября 2012 года. ФГБОУ ВПО Воронежский институт противопожарной службы МЧС России. Воронеж, 2012. - С. 234-237.
8. Николенко С.Д., Михневич И.В. Разработка конструкций пневматических опалубок / С.Д. Николенко, И.В. Михневич // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2014.- № 2 (15). - С. 18-22.
9. Жидко Е.А. Экологический менеджмент как фактор эколого-экономической устойчивости предприятия в условиях рынка: монография / Е. А. Жидко. - Воронеж: ВГАСУ, 2009. - 183 с.
10. Жидко Е.А., Колотушкин В.В., Соловьева Э.В.
References
1. Gamm A.Z., Gerasimov L.N., Golub I.I.
Ocenivanie sostojanija v jelektrojenergetike / A.Z. Gamm, L.N. Gerasimov, I.I. Golub. - M.: Nauka, 1983. - 302 s.
2. Evdokimov A.G. Optimal'nye zadachi na inzhenernyh setjah / A.G. Evdokimov. - Har'kov: Vishha shkola, 1976. - 153 s.
3. Sazonova S.A. Razrabotka metodov i algo-ritmov tehnicheskoj diagnostiki sistem gazosnabzhenija: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk / S.A. Sazonova. - Voronezh, 2000. - 15 s.
4. Kvasov IS. Jenergeticheskoe jekvivalentirovanie bol'shih gidravlicheskih sistem zhizneobespechenija gorodov / I.S. Kvasov, M.Ja. Panov, V.I. Shherbakov, S.A. Sazonova // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel'stvo. - 2001.- № 4. - S. 85-90.
5. Kolodjazhnyj S.A. Primenenie jenergetiche-skogo jekvivalentirovanija dlja formirovanija granichnyh uslovij k modeli analiza potokoraspredelenija sistemy teplosnabzhenija / S.A. Kolodjazhnyj, E.A. Sushko, S.A. Sazonova // Nauchnyj zhurnal. Inzhenernye sistemy i sooruzhenija. - 2013. - № 3 (12). - S. 8-15.
6. Sazonova S.A. Razrabotka modeli strukturnogo rezervirovanija dlja funkcionirujushhih sistem teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta vysokih tehnologij. - 2008. - № 3. - S. 82 - 86.
7. Mihnevich I.V., Nikolenko S.D., Popov V.A. K voprosu o zashhitnyh svojstvah bystrovozvo-dimyh sooruzhenij na osnove pnevmoopalubki / I.V. Mihnevich, S.D. Nikolenko, V.A. Popov // Pozharnaja bezopasnost': problemy i perspektivy: sbornik statej po materialam III vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem, 20 sentjabrja 2012 goda. FGBOU VPO Voronezhskij institut protivopozharnoj sluzhby MChS Rossii. Voronezh, 2012. - S. 234-237.
8. Nikolenko S.D., Mihnevich I.V. Razrabotka konstrukcij pnevmaticheskih opalubok / S.D. Nikolenko, I.V. Mihnevich // Nauchnyj zhurnal. Inzhenernye sistemy i sooruzhenija. - 2014.- № 2 (15). - S. 18-22.
9. Zhidko E.A. Jekologicheskij menedzhment kak faktor jekologo-jekonomicheskoj ustojchivosti predprijatija v uslovijah rynka: monografija / E. A. Zhidko. - Voronezh: VGASU, 2009. - 183 s.
10. Zhidko E.A., Kolotushkin V.V., Solov'eva Je.V.
Теоретические основы проектирования и конструкции жидкостных пылеулавливающих устройств / Е.А. Жидко, В.В. Колотушкин, Э.В. Соловьева // Безопасность труда в промышленности. - 2004. - № 2. - С. 8-11.
11. Жидко Е.А. Управление техносферной безопасностью: учебное пособие / Е.А. Жидко. - Воронеж, 2013. - 178 с.
Teoreticheskie osnovy proektirovanija i konstrukcii zhidkostnyh pyleulavlivajushhih ustrojstv / E.A. Zhidko, V.V. Kolotushkin, Je.V. Solov'eva // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. - 2004. - № 2. - S. 8-11.
11. Zhidko E.A. Upravlenie tehnosfernoj bezopasnost'ju: uchebnoe posobie / E.A. Zhidko. -Voronezh, 2013. - 178 s.
ENSURING THE SAFETY OF THE OPERATION OF HYDRAULIC SYSTEMS USING STATE ESTIMATION
Sazonova S.A.,
Ph. D. in Engineerin, Assoc. Prof.,
Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering,
Russia, Voronezh,
e-mail: Sazonovappb@vgasu.vrn.ru
Sushko E.A.,
Ph. D. in Engineering,
Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering, Russia, Voronezh, e-mail: u00075 Sklyarov K.A.,
Ph. D. in Engineerin, Assoc. Prof.,
Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering, Russia, Voronezh, e-mail: vgasupb@.mail.ru
We consider the problems arising in the modeling and implementation of state estimation problem of hydraulic systems. In the mathematical model evaluation is done on the separation of fast and slowly varying parameters of the systems. Together tasks as a separate task allocated task diagnostic leaks. When the technical diagnosis is necessary to consider the whole range of complex tasks in order to obespe-tion reliability and safety ofprotection.
Keywords: hydraulic system, static evaluation, a mathematical program-ming, security, monitoring, technical condition.
