CC BY
50
УДК 622.691/.692+528.83
Плюснин И.И., Бушмелева К.И., Увайсов С. У., Бушмелев П.Е., Назаров Е.В.
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЛАЗЕРНО-ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ
Проведено сопоставление ожидаемых показателей качества технических средств для разработки и изготовления новой технической продукции, мобильного аппаратно-программного комплекса лазерного зондирования «ЛИС» объектов газотранспортной сети с борта летательного аппарата, с существующими показателями изделий-аналогов и с действующей нормативнотехнической документацией.
Ключевые слова: оценка качества технических средств, магистральный газопроводов, газотранспортная сеть, средства лазерного зондирования, программное обеспечение.
A comparison of expected parameters of the quality of technical resources for the development and manufacture of new technical products, mobile hardware-software complex of laser sensing of the «LIS» the objects of the gas transmission network from the board of the aircraft, with the existing indicators goods-analogues and with acting normative-technical documentation.
Key words: assessment of the quality of technical equipment, main pipelines, the gas transportation network, means of laser sensing, software.
Основными проблемами, возникающими при разработке лазерных комплексов (локаторов) осуществляющих дистанционное зондирование
подстилающей поверхности с борта летательного аппарата и решающих часть задач мониторинга объектов газотранспортной сети (ГТС) по обнаружению утечек газа являются:
• эксплуатация локаторов не эффективна в заводненных условиях (реки, озера, болота, лужи и т.п.) и в населенных пунктах, имеющих покрытия (бетон, металл и т.п.) - из-за ложного срабатывания, в основном от зеркального отражающих поверхностей;
• разработка и внедрение данных устройств проводится на интуитивном уровне, с учетом возникшего спроса на дистанционные устройства обнаружения утечек газа из газопроводов и наличия лазерных источников излучения, имеющих линии поглощения газа (в основном метана);
• отсутствие теоретических основ по созданию лазерных локаторов ближнего действия, для мониторинга окружающей среды, за исключением фундаментального издания [1], где рассмотрены в основном локационные вопросы (обнаружение физических объектов, определение расстояний до них и т.п.);
• существующие локаторы, из-за своей уникальности не технологичны в производстве, сложны в эксплуатации, требуют высококвалифицированное и регулярное техническое обслуживание. В локаторах отсутствует какая-либо унификация на системном уровне, они не могут эксплуатироваться в автономном режиме (без оператора). В каждом локаторе используются оригинальные обработка и представление информации, поэтому их сложно адаптировать под известные геоинформационные технологии;
• точностные характеристики локаторов априорные и почти не поддаются проверке, а тем более сертификации. В данных устройствах практически полностью отсутствует пост обработка результатов дистанционного зондирования;
• разработка локаторов на базе полупроводниковых и газовых лазеров с использованием вычислительной техники полностью исключается, из-за отсутствия какой-либо теории проектирования конкретных устройств, а тем более комплексов в целом. В настоящее время только эффективное использование вычислительной техники, позволит оптимизировать и значительно ускорить процесс внедрения изделий (особенно с лазерными технологиями) в производство, а значит и в народное хозяйство, яркий тому пример - массовое создание в мире различного высокоэффективного обрабатывающего оборудования, использующего лазерные технологии.
В связи с этим был сделан вывод, о том, что решить все поставленные задачи мониторинга магистральных газопроводов (МГ), а также значительно повысить достоверность и эффективность работы лазерных устройств, их эксплуатационные возможности, позволит НИР проводимая в рамках ФЦП, государственный контракт №14.740.11.0068 от 6 сентября 2010г. по теме «Разработка методов и аппаратурных средств лазерно-информационной технологии мониторинга газотранспортных объектов» основанная на системном подходе к выше перечисленным проблемам.
На сегодняшний день существует множество различных способов и алгоритмов расчета показателей качества технических средств (КТС) используемых для мониторинга и определения утечек газа из МГ [2-4], спектр продукции, предлагаемой для этих целей также широк и разнообразен [5].
При этом можно отметить, что однотипное оборудование, выпущенное различными фирмами-производителями, имеет разные функциональные
возможности, близкие технические и эксплуатационные характеристики и разные размеры. В такой ситуации необходимо определить критерии оценки и выбора технических средств (ТС), удовлетворяющих некоторой поставленной задаче, учитывая, что сопоставление будет производиться на основе ожидаемых показателей разрабатываемой лазерно-информационной системы «ЛИС» с существующими показателями изделий аналогов.
Если учитывать специфику устройств, наиболее близко соответствующих по выполняемым функциям к разрабатываемому техническому средству - «ЛИС», оценка которых будет осуществляться, то анализ параметров ТС показывает, что сравнение надо проводить по четырем основным группам: технические
характеристики; информационные свойства; программное обеспечение (ПО);
эксплуатационные характеристики. Чтобы сравнительная оценка различных ТС была корректной, для каждого критерия сравнения [4] устанавливаются параметры, которые в одинаковой мере характерны для всех сравниваемых устройств.
Современные достижения в области информационных технологий позволяют легко проводить различные расчеты, а разрабатывать специальные программы, типа «Эксперт» [2], облегчают процесс выбора эффективного оборудования, для автоматизированной системы управления технологическим процессом, включая, например, контроллеры для систем управления и контроля
[4], а также других элементов системы [3]. В данной работе был задействован алгоритм относительной аналитической оценки качества технических средств «Алгоритм-КТС», который использует для своих расчетов табличный процессор M.Excel и базируется на оценке числовых X и функциональных Y параметров -большее значение соответствует лучшему ТС. Оценка осуществляется в реальном масштабе времени, т.е. непосредственно после ввода любого из параметров или коэффициентов. Далее табличный процессор осуществляет вычисления и формирует результаты, при этом неправильный или некорректный ввод информации приведет к формированию ошибки, которая будет выводиться процессором в виде сообщения для оператора программного продукта. Оперативность вычислительных операций позволяет корректировать требования к ТС и тем самым добиваться лучшего конечного результата.
Функциональным параметрам присваиваются числовые экспертные коэффициенты. Данные из исходной таблицы 1 «Технические характеристики средств мониторинга» преобразуются оператором и переносятся в таблицу 2 «Алгоритм-КТС», в которой производятся расчеты относительной оценки качества ТС. Результаты расчетов представление в таблице 2 содержат: последние строки каждого критерия, в виде их нормированных коэффициентов gH и в
последней строке коэффициенты GH - общий результат оценки качества всех ТС, данные коэффициенты позволяют судить, во сколько раз качество различных ТС отличается друг от друга.
Рассмотрим этапы расчета относительной аналитической оценки качества технических средств.
Этап 1. Формирование исходной таблицы «Технические характеристики выбранных средств мониторинга». Технические характеристики выбранных ТС, после объединения заносятся в таблицу 1, после чего происходит распределение данных по четырем основным группам - критериям. Правилами заполнения строк таблицы для каждого критерия являются:
• каждый параметр конкретного ТС имеет 2 ячейки, в первой его название, размерность (для числового параметра), во - второй - его значение (числовое или функциональное);
• в первую очередь заполняются строки, имеющие одноименные параметры;
• затем заполняются строки параметров, имеющих одинаковые размерности или параметры близкие по их назначению и функциональной принадлежности;
• ячейки параметра, который отсутствует у конкретного ТС, не заполняются, отсутствие параметра характеризуют его недостатки.
Этап 2. Формирование таблицы «Алгоритм-КТС» (таблица 2). Числовые параметры заносятся в строку bj, при этом:
• параметр, max значение которого соответствует лучшему качеству ТС, заносится без изменений;
• параметр, min значение которого соответствует лучшему качеству ТС, заносится по формуле bj=1/X (1) [2,3], при этом в номере параметра ставится знак инверсии - 5 (это означает, что сначала нужно пересчитать значение по формуле 1), например, для параметра №5 лучшее качество соответствует минимальному значению X (т.е. значение X5=1,2, при пересчете получим 0,833);
• параметр, состоящий из нескольких значений, пересчитывается в однозначный: перемножением (например, габариты в объем), либо сложением.
Функциональным параметрам присваиваются экспертные (анализ проводился 3 экспертами) коэффициенты b1, b2, b3 для соответствующих ТС по
j max
условию I bj = 1, значения записываются в столбец j, номер параметра jп
J =jmin
подчеркивается.
Параметры, влияние которых на качество ТС не существенно для характеризующих особенностей конкретного ТС в таблицу не вводятся.
Критерии п оцениваются экспертными коэффициентами кп по условию
4
I кп = 1.
п=1
Параметры aj оцениваются коэффициентами по условию I aj =1.
j = jmin
Этап 3. Нормирование параметров. Все параметры X и Y преобразуются в единую оценочную форму в виде коэффициентов от 0 до 1. После чего проводится усреднение экспертных коэффициентов bj = b1+ b2+ b3/3 (с точностью до 3 знака). Далее необходимо произвести нормирование bj каждого параметра aj по формуле uH = bM , при этом должно выполняться условие
bjf = ~в
I bjf
f=1
Ixbj = 1 (с точностью до 2 знака), результат отображается в столбце b jH .
j=jmin
Этап 4. Оценка ТС по критериям. Для выполнения данного этапа необходимо произвести относительную оценку ТС по каждому критерию, с целью выявления качества ТС в пределах конкретного критерия. Результат оценки, в виде нормируемого коэффициента gH, заносится в строку j’n, каждого критерия.
6 J max
Вычисление весов производится по формуле gn = Т Та ■ bf , с учетом
f=1J= _Jmin
веса параметра а и нормированного значения bf (с точностью до 3 знака) для
всех f. Далее необходимо осуществить нормирование gn по каждому критерию, в результате чего находим H bf , при этом должно выполняться условие
Sn ~ 6
Т bf
f=1
6
Т gff = 1 (с точностью до 2 знака). Результаты заносятся в ячейках столбцов bf
f=i
и строк Jn, каждого критерия.
Этап 5. Оценка КТС. Завершающим этапом оценки КТС является получение ряда относительных коэффициентов bf для всех f при условии Gf = Gnf , когда
J Gn 6
Т Gnf
f=1
максимальное значение коэффициента характеризует лучшее качество ТС. Для
6 4
этого вычисляется вес Gn = ТТ kn ■ gff с учетом веса критерия kn и
f=1n=1
нормированного значения {5} (с точностью до 3 знака) для всех f. Далее производится нормирование Gn. по каждому критерию, после чего находят
G 6
GH = Gnf , в результате должно выполняться условие Т Gff = 1 (с точностью
й Т Gnf f=1
f=1
до 2 знака). Результаты представляются в столбце b Jf строки Gnf таблицы 2.
Как показали численные эксперименты, проведенные по сопоставлению КТС посредством ПО «Алгоритм-КТС», данное средство оперативно реагирует на все изменения, вносимые в таблицу и формирует правильный результат.
Корректность выше приведенного алгоритма «Алгоритм-КТС»
подтверждается результатами совместных сравнительных испытаний 6-ти различных устройств, организованных ОАО «Газпром» над модельной утечкой газа из МГ (г. Москва) в 2006г. В этих испытания участвовали, из таблицы 1, два ТС: «ДЛС-Пергам» (компания «ПЕРГАМ-Инжиниринг», г. Москва) и экспериментальный лазерный локатор утечек газа «ЭЛУГ» (Центр лазерных технологий, Сургутский государственный университет, г. Сургут), последний в свою очередь был признан лучшим устройством, используемым для мониторинга МГ ОАО «Газпром». По результатам испытаний был заключен контракт с аффинированной структурой ОАО «Газпром» на разработку и изготовление 3 экземпляров лазерного локатора утечек газа «ЛУГ», на который в свою очередь были получены 3 патента.
Результаты оценки 4-х различных ТС (таблица 1.2) с помощью ПО «Алгоритм-КТС» подтверждают, что разрабатываемая лазерно-информационная
система «ЛИС» имеет высокое качество (G„”=0,31), она в 1,5 раза обладает лучшим качеством, по сравнению с ближайшим ТС «ДЛС-Пергам», коэффициент качества которого равен 0,2. Существенное превышение относительного коэффициента качества характеризует, что «ЛИС» имеет высокий уровень новизны, в т.ч. и научной, а также хорошую перспективу внедрения его в народное хозяйство.
Подводя итог можно отметить, что данный «Алгоритм-КТС» универсален и может использоваться для сравнительной оценки любых ТС, а также любых других структур (технических, экономических, организационных и т.п.) - из-за возможности использования оценки посредством экспертных коэффициентов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мусьяков М.П. Проблемы ближней лазерной локации /М.П. Мусьяков, И. Д. Миценко, Г.Г. Ванеев - М.: МГТУ им. Баумана, 2000. - 295 с.
2. Митин, Г.П. Как выбрать программируемый логический контроллер /Г.П. Митин //Мир компьютерной автоматизации. - 2000. - № 1. - С. 66-69.
3. Преснухин, Л.Н. Конструирование электрических вычислительных машин и систем /Л.Н. Преснухин, В.А. Шахнов. - М.: Высшая школа, 1986. - 512 с.
4. Плюснин И.И., Бушмелева К.И., Чурсин И.И. Методика оценки показателей качества комплекса технических средств //Сборник научных трудов. Вып.13. Физико-математические и технические науки. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2003. - С. 121 - 126.
5. Бушмелева К.И. Методы и средства диагностирования магистральных газопроводов: монография /К.И. Бушмелева; Сургут.гос. ун-т ХМАО-Югры. - Сургут: ИЦ СурГУ, 2011. - 215 с.
Таблица 1
Технические характеристики средств мониторинга
№ «ДЛС-Пергам» Вертолетный лазерный локатор утечек газа «Аэропоиск-3» Экспериментальный лазерный локатор утечек газа «ЭЛУГ» Лазерно-информационная система «ЛИС»
1 2 3 4 5
Технические характеристики
1 Длина волны излучения лазера, мкм 1,65 Длина волны излучения лазера, мкм 3,3912; 3,3922 Длина волны излучения лазера, мкм 3,3912; 3,3922 Длина волны излучения лазера, мкм 3,3912; 3,3922
2 Мощность лазера, мВт 15 Мощность излучения лазеров, мВт 10; 16 Мощность излучения лазеров, мВт 10; 16 Мощность излучения лазеров, мВт 1,5x5; 2,5x5
3 Апертура приемника, мм 300 Апертура приемника, мм 300 Апертура приемника, мм 300 Апертура приемника, мм 250
4 Фокусное расстояние объектива приемника, мм 400 Фокусное расстояние объектива приемника, мм 300 Фокусное расстояние объектива приемника, мм 300 Фокусное расстояние объектива приемника, мм 250
5° Угол поля зрения, мин 3,0 Угол поля зрения, мин 1,5 Угол поля зрения, мин 1,5 Угол поля зрения, мин 1,2
6 Динамический диапазон 2*104
7° Чувствительность, ррт*м 50 Чувствительность, ррт*м 200 Чувствительность, ррт*м 100 Чувствительность, ррт*м 50
8° Объем обнаруживаемых утечек метана, м3/час 8 Объем обнаруживаемых утечек метана, м3/час 60 Объем обнаруживаемых утечек метана, м3/час 30 Объем обнаруживаемых утечек метана, м3/час 10
9 Приемник излучения фоторезистор Приемник излучения фоторезистор (охлаждаемый ) Приемник излучения п/п ДИОД (охлаждаемый)
10 Коэффициент использования излучения 1.0 Коэффициент использования излучения 0,5 Коэффициент использования излучения 0,5 Коэффициент использования излучения 1.0
Информационные свойства
и Идентификация места утечки газа Координаты GPS Идентификация места утечки газа Электронная карта; фотокадр; лазер с красным лучом
12 Разрешение фотоизображения, Мпиксел Не менее 4 Разрешение фотоизображения, Мпиксел Не менее 10
13° Задержка съемки кадра, мсек 300 Задержка съемки кадра, мсек 100
14 Режим покадровой съемки, период, сек 2,5 Режим покадровой съемки, период, сек 0,5; 1,0
15 Определение координат GPS Система спутниковой ориентации GPS Система спутниковой ориентации ГЛОНАСС и GPS
16 Привязка измерений По данным GPS Геоинформационное ПО Maplnfo; Cashmir 3D
17 Максимальная скорость полета при обследовании, км/час 150 Максимальная скорость полета при обследовании, км/час 100,0 Максимальная скорость полета при обследовании, км/час 100,0 Максимальная скорость полета при обследовании, км/час 120,0
18 Минимальная высота полета, м 50 Минимальная высота полета, м Ниже 50 Минимальная высота полета, м Ниже 50 Минимальная высота полета, м 50
19 Максимальная высота полета, м 250 Максимальная высота полета, м 90 Максимальная высота полета, м 100 Максимальная высота полета, м 120
20 Точность определения места утечки, м 25 Точность определения места утечки, м 100 Точность определения места утечки, м 25 Точность определения места утечки, м 15
21 Быстродействие, сек 0,5 Быстродействие, сек 0,1 Быстродействие, сек 0,07 Быстродействие, сек 0,05
22 Частота модуляции (He-Ne источники), кГц 7,0 Частота модуляции (He-Ne источники), кГц 7,0 Частота модуляции (He-Ne источники), кГц 7,0
Программное обеспечение
23 Специализированное ПО Преобразовани е аналоговой информации в цифровую Специализированное ПО Преобразовани е аналоговой информации в цифровую Специализированное ПО Формирования базы данных для ввода в ЭВМ Автоматизированное рабочее место (АРМ) на базе СУБД и ГИС-технологий Постполетная обработка
Эксплуатационные характеристики
24 Энергопотребление (+27В), Вт 160 Энергопотребление (+27В), Вт 350 Энергопотребление (+27В), Вт 300 Энергопотребление (+27В), Вт 200
25 Устройство регистрации -рабочая станция 1 Устройство регистрации и отображения информации Самописец Устройство регистрации и отображения информации Ноутбук Устройство регистрации и отображения информации iPad (фирма Apple), КПК
26° Время размещения на борту, мин 20 Время размещения на борту, мин 15 Время размещения на борту, мин 15 Время размещения на борту, мин 10
27° Количество операторов 1 Количество операторов 1 Количество операторов 1 Количество операторов 1
28 Рабочая температура, °С от -10 до +40 Рабочая температура, °С от -15 до +35 Рабочая температура, °С от -15 до +35 Рабочая температура, °С от -15 до +35
29 Предельная температура окружающей среды, °С от -40 до +50 Предельная температура окружающей среды, °С от -40 до +50 Предельная температура окружающей среды, °С от -40 до +50 Предельная температура окружающей среды, °С от -40 до +50
30 Габариты, мм ф450х 600 Габариты, мм 1400x350x400 Габариты, мм 1250x350x400 Габариты, мм 1050x300x350
31 Вес, кг 45 Вес, кг 45 Вес, кг 35 Вес, кг 22
Таблица 2
«Алгоритм-КТС»
f «і «ДЛС-Пергам» Вертолетный лазерный локатор «Аэропоиск-3» Экспериментальный лазерный локатор утечек газа «ЭЛУГ» Лазерно-информационная система «ЛИС»
j bi Ьг Ь3 bj bjH bi Ьг Ь3 bj bjH bi Ьг Ь3 bj bjH bi Ьг Ь3 bj bjH
Критерий n= 1 Технические характеристики к,= 0,35
5 0,25 3,0 0,12 0,03 1,5 0,25 0,06 1,5 0,25 0,06 1,2 0,31 0,08
7 0,34 50 0,33 0,11 200 0,17 0,06 100 0,17 0,06 50 0,33 0,11
8 0,31 8 0,27 0,08 60 0,04 0,01 30 0,06 0,02 10 0,10 0,03
10 0,10 1,0 0,20 0,02 0,5 0,10 0,01 0,5 0,10 0,01 1,0 0,20 0,02
gnl 0,24 0,14 0,15 0,24
gmH 0,25 0,14 0,16 0,25
Критерий п= 2 Информационные свойства к2= 0,27
12 0,11 0,16 0,18 0,17 0,17 0,02 0,18 0,16 0,17 0,17 0,02 0,17 0,17 0,17 0,17 0,02 0,23 0,21 0,22 0,22 0,02
13 0,09 - - 4 0,71 0,07 10 0,29 0,03
14 0,11 - - 300 0,23 0,03 100 0,77 0,08
15 0,12 - - 0,19 0,22 0,19 0,20 0,02 0,46 0,45 0,44 0,45 0,05
16 0,09 0,13 0,12 0,17 0,14 0,01 0,14 0,14 0,14 0,14 0,01 0,15 0,14 0,13 0,14 0,01 0,20 0,22 0,18 0,20 0,02
18 0,10 150 0,22 0,02 100 0,15 0,01 100 0,15 0,01 120 0,18 0,02
19 0,07 250 0,16 0,01 90 0,06 0,00 100 0,06 0,00 120 0,08 0,01
20 0,17 25 0,19 0,03 100 0,05 0,01 25 0,19 0,03 15 0,33 0,06
21 0,14 0,5 0,03 0,01 0,1 0,10 0,01 0,07 0,17 0,02 0,05 0,20 0,03
gn2 0,10 0,07 0,21 0,32
gn2H 0,10 0,07 0,22 0,33
Критерий n= 3 Программное обеспечение k3= 0,21
23 1,00 0,15 0,15 0,15 0,15 0,25 0,25 0,45 0,45
gn3
gn3H 0,15 0,15 0,15 0,15 0,25 0,25 0,45 0,45
Критерий n= 4 Эксплуатационные характеристики k,= 0,17
24 0,19 160 0,29 0,06 350 0,11 0,02 250 0,18 0,03 200 0,22 0,04
25 0,12 0,15 0.02 0,12 0,01 0,23 0,03 0,25 0,03
26 0,10 20 0,16 0,02 15 0,21 0,02 15 0,21 0,02 10 0,32 0,03
27 0,15 1 0,18 0,03 1 0,18 0,03 1 0,18 0,03 1 0,18 0,03
28 0,11 0,16 0,16 0,13 0,15 0,02 0,17 0,17 0,17 0,17 0,02 0,15 0,18 0,18 0,17 0,02 0,17 0,17 0,17 0,17 0,02
30 0,17 0,095 0,21 0,04 0,196 0,10 0,02 0,175 0,11 0,02 0,11 0,20 0,03
31 0,16 45 0,13 0,02 45 0,13 0,02 35 0,17 0,03 22 0,29 0,05
gn4 0,21 0,14 0,18 0,23
gn4H 0,20 0,14 0,17 0,22
Gn 0,18 0,10 0,20 0,31
G„H 0,18 0,10 0,20 0,31
