CC BY
52
УДК 614.8:69
КОМПЛЕКС ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ БЕЗОПАСНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
С.А. Сазонова
Рассматриваются три иерархических уровня прикладных задач оперативного управления функционирующих гидравлических систем. Первый уровень охватывает задачи поиска рациональных путей перевода системы из неблагоприятных режимов в состояние нормального функционирования. Второй уровень включает группу задач прогноза изменений состояний системы, связанных с воздействием возмущающих факторов. Третий уровень включает сбор, обработку, хранение и фильтрацию технологической информации, характеризующей состояние функционирующей системы. Комплексное решение поставленных задач будет обеспечивать высокий уровень безопасности при прогнозировании и ликвидации аварий и чрезвычайных ситуаций на объектах защиты.
Ключевые слова: иерархия задач, гидравлические системы, управление, эксплуатация, промышленная безопасность, надежность.
Введение. Современные системы нефте-, газо-, тепло- и водоснабжения весьма распространены на практике, имеют сложную конфигурацию и особенности функционирования, зависящие от вида конкретной гидравлической системы (ГС). Для ГС на стадии эксплуатации необходимо решать целый ряд технических задач. С целью определения разновидностей и приоритетности решения задач управления требуется четко представлять их иерархию и уметь выбирать наиболее рациональные подходы к их численной реализации. Умение оперативно принимать решение для прогнозирования или устранения аварий на функционирующих системах нефте-, газо-, тепло- и водоснабжения в целом обеспечивает высокий уровень промышленной безопасности объектов защиты.
Иерархические уровни прикладных задач оперативного управления ГС. Прикладные задачи моделирования современных ГС из области оперативного управления компонуются по трем иерархическим уровням (рис.).
Первый уровень охватывает задачи поиска рациональных путей (траекторий) перевода системы из неблагоприятных режимов в состояние нормального функционирования [1, 2].
Структура процесса дискретного оперативного управления реализуемого в режиме реального времени объединяет два подуровня [1]: оперативного планирования, заключающегося в соблюдении режима функционирования с учетом превалирующего влияния одного из критериев и стабилизации всех или наиболее существенных параметров в окрестности номинальных значений [2]. Решение задач оперативного планирования потокораспределе-ния в инженерных сетях удается, как правило, свести к методу динамического программирования [1]. Задачи второго подуровня оперативного управле-
ния ГС могут решаться только в классе динамических моделей [1]. Их построение и математическая формулировка, как задач управления объектами с такими условиями в рамках классической теории управления, приводит к серьезным математическим проблемам, практически не позволяющим получить решение. Это связано с тем, что любые ГС должны рассматриваться как системы с распределенными параметрами, где течение среды на отдельно взятом участке описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных. Известны также подходы к решению, использующие методы стохастического программирования.
Второй уровень включает группу задач прогноза изменений состояний системы, связанных с воздействием возмущающих факторов: стохас-тичность режима потребления, аварийные ситуации, циклы ремонтных работ и тому подобное. Эти задачи относятся к классу задач анализа возмущенного состояния системы.
Третий уровень включает сбор, обработку, хранение и фильтрацию технологической информации, характеризующей состояние функционирующей системы [1]. Цикл этих задач непосредственно связан с качеством (степенью достоверности) оперативной информации поступающей от контрольно-измерительной аппаратуры.
Обработку относительно медленно изменяющихся параметров элементов принято называть задачей идентификации [3], а быстро изменяющихся - оценкой состояния [4]. Задачам идентификации и оценки состояния свойственны факторы неопределенности, влияющие на результаты и требующие специфических подходов к решению. Цикл этих задач относится к классу так называемых обратных задач анализа, когда искомые и задаваемые величины в исходных математических моделях
полностью или частично меняются ролями и изучается возможность их численного определения и взаимного влияния при варьировании [3]. Известно, что обратные задачи часто оказываются плохо обусловленными и неустойчивыми с точки зрения получаемых решений, то есть к ним применимо определение некорректно поставленных задач [5].
Под идентификацией в широком смысле понимают процесс приближенного отображения (отождествления) функционирующей системы в
виде соответствующих математических (или физических) моделей, способных замещать реальный объект в процессе его анализа. Исходя из факторов неопределенности, формируются и принципиальные требования к методам их решения, заключающиеся в том, чтобы «... наполнять реальным содержанием математические модели, обеспечивая их адаптацию как к обратным связям с объектом, так и применительно к целям и задачам управления [3]».
Рис. Иерархия прикладных задач в области управления развитием распределительных гидравлических систем
Содержательная постановка рассматриваемого класса задач заключается в восстановлении полного решения математической модели через множество ее частичных решений, замеренных на реальном объекте. Естественно, что натурные испытания для замеров всех величин, составляющих полное решение задачи анализа (потокораспреде-ления) невозможно по вполне понятным причинам. Практически осуществимыми являются только: манометрическая съемка или ее сочетание с температурной съемкой (если течение нельзя считать изотермическим). Эти данные могут быть иногда дополнены одновременными замерами расходов
через источники и стоки у наиболее крупных потребителей.
Достаточно высокий уровень исследований и разработок по проблеме оценивания и идентификации имеет место в области электроэнергетических систем. Работа [4] в теоретическом и алгоритмическом планах опережает аналогичные зарубежные исследования и представляет интерес, хотя непосредственно неприменима для гидравлических систем.
Для изучаемых объектов впервые была поставлена и решена задача идентификации гидравлических сопротивлений трубопроводов, известная
под названием «математического расходомера» для систем с сосредоточенными параметрами [6]. В моделях потокораспределения величины гидравлических сопротивлений (а в конечном итоге диаметров труб) считаются известными. Однако при длительной эксплуатации трубопроводов происходит естественный процесс их «зарастания» и значения действительных диаметров могут весьма существенно отклоняться от первоначальных. Установление реальных значений гидравлических сопротивлений на текущий момент и составляет сущность математического расходомера как задачи идентификации. Ее практическая значимость обуславливает многочисленные исследования, направленные на развитие методов решения, как в плане реализации нелинейной постановки так и для расширения сферы применимости, например, к системам с переменными параметрами.
Специфика задач оценивания [4, 7] состоит в определении допустимых для их решения сочетаний объема и типа входных данных измерений и наблюдений. К их числу относятся такие задачи как: анализ допустимости заданного варианта снятия измерений при восстановлении полной (или частичной) картины потокораспределения; анализ разрешимости задачи идентификации при ограничениях на число привлекаемых режимов; выявление наиболее предпочтительных мест установки контрольно-измерительных приборов и т.д. Основное требование, предъявляемое к методам решения задач этого класса, состоит в обеспечении инвариантности относительно аналитического вида характеристик отдельных элементов моделируемого объекта. Практика показывает, что в основе таких методов чаще всего лежит процедура линеаризации моделей установившегося потокораспределения (например [7]). Таким образом, задачи оценивания состояния и идентификации взаимно дополняют друг друга с точки зрения информационной обеспеченности.
Особый класс задач в рамках первого уровня составляет диагностика «несанкционированных» отборов целевого продукта (ЦП) естественного (утечки) и искусственного (сверхлимитное потребление) характера. В термин «несанкционированный» вкладывается тот смысл, что отбор не предусмотрен в целевом назначении системы. В технической литературе речь идет не столько о методах решения задач, относящихся к этой области моделирования, сколько об установлении их инженерной сущности и обусловлено это, прежде всего, спецификой функционирования ГС. Например, в системах водоснабжения утечки - явление ординарное (иногда до 20-40% от общего объема подачи ЦП) и, более того, применяется их нормирование, поэтому вполне понятным становится подход [8], осуществляющий их разделение на стохастическую и детерминированную составляющие. В системах тепло-, газо-, нефте- снабжения такая содержа-
тельная постановка задачи принципиально неприемлема, поскольку здесь важно своевременно установить место и величину утечки из-за возможности серьезных последствий. В работе [9] для систем газоснабжения предложен метод определения факта существования утечек и решена задача статического оценивания состояния. В работе [10] задача статического оценивания состояния решена для систем теплоснабжения. в целом, по мере развития системы управления ГС, их ведомственная принадлежность станет менее ощутимой и содержательная постановка задач статического оценивания и диагностики утечек должны приобрести более общие очертания.
Под диагностикой несанкционированных отборов рабочей принято понимать определение величины и координаты отбора на топологической схеме гидравлической системы. Задачу диагностики нельзя безоговорочно отнести ни к типу задач оценивания состояния, ни к задачам идентификации согласно принятой терминологии [4], поскольку утечки бывают различными по характеру. Диагностику отборов искусственного характера следует квалифицировать как оценку состояния, поскольку им свойственна стохастичность. Что касается естественных утечек, то они могут существовать (и более того изменяться) достаточно длительное время и задачи их обнаружения целесообразнее квалифицировать как идентификацию. Таким образом, методы диагностики утечек должны сочетать в себе приемы решения и задач идентификации и оценивания состояния.
Приведенная иерархия задач является одним из возможных вариантов моделируемых систем на основе ранее выполненных исследований в работах, посвященных математическому моделированию на основе применения энергетического экви-валентирования [11, 12]. Задачи оперативного управления ГС возникают в условиях реальных функционирующих систем. Для любых технических систем, в том числе и для ГС, применяют математический аппарат теории надежности [13]. Можно рассмотреть целый ряд актуальных технических задач [14, 15, 16]. Применительно к ГС задачу надежности в основном реализуют с помощью структурного [17] и параметрического резервирования.
Выводы:
1. При решении прикладных задач в области управления развитием распределительных гидравлических систем необходимо четко представлять иерархию этих задач с целью выбора отдельно поставленных или комплексных задач в зависимости от возникающих проблем при эксплуатации таких систем.
2. Решение задач оперативного управления функционирующими гидравлическими системами будет способствовать повышению уровня безопасности объектов защиты.
Библиографический список
1. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д., Дубровский
B.В. Моделирование и оптимизация потокораспределе-ния в инженерных сетях / А.Г. Евдокимов, А.Д. Тевяшев, В.В. Дубровский. - М.: Стройиздат, 1990.- 368 с.
2. Артюх Л.Ю., Гринчак Л.В. Стабилизация режимов водопроводной сети // Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем / Л.Ю. Ар-тюх, Л.В. Гринчак // Тез. докл. Всесоюзн. школы-семинара / Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1990. - С. 2224.
3. Меренков А.П. Теория гидравлических цепей / А.П. Меренков, В.Я. Хасилев. - М.: Наука, 1985. - 278 с.
4. Гамм А.З. Оценивание состояния в электроэнергетике / А.З. Гамм, Л.Н. Герасимов, И.Н. Голуб. -М.: Наука, 1983. - 302 с.
5. Тихонов А.Н. Методы решения некорректных задач / А.Н. Тихонов, В.Я. Арсенин. - М.: Наука, 1986, 287 с.
6. Меренков А.П. «Математический расходомер» и его применение в тепловых сетях / А.П. Меренков, К.С. Светлов, В.Г. Сидлер, В.Я. Хасилев // Теплоэнергетика. - 1971. - №1. - С. 70-72.
7. Новицкий Н.Н., Шлафман В.В. Методические вопросы оценивания состояния водоснабжающих систем / Н.Н. Новицкий, В.В. Шлафман // В кн.: Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем. Тез. докл. Всесоюзн. школы-семинара.-Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1990. - С. 20-22.
8. Тевяшев А.Д., Козыренко С.И., Гринчак Н.В. Идентификация технического состояния водопроводной сети / А.Д. Тевяшев, С.И. Козыренко, Н.В. Гринчак // В кн.: Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем. тез. докл. Всесоюзн. школы-семинара.- Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1990. - С. 1720.
9. Сазонова С.А. Разработка методов и алгоритмов технической диагностики систем газоснабжения: автореф. дис. ... канд. техн. наук / С.А. Сазонова. - Воронеж, 2000. - 15 с.
10. Сазонова С.А. Статическое оценивание состояния систем теплоснабжения в условиях информационной неопределенности / С.А. Сазонова // Моделирование систем и информационные технологии: сб. науч. тр. М-во образования Российской Федерации. -М., 2005. - С. 128-132.
11. Квасов И.С. Энергетическое эквивалентиро-вание больших гидравлических систем жизнеобеспечения городов / И.С. Квасов, М.Я. Панов, В.И. Щербаков,
C.А. Сазонова // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2001.- № 4. - С. 85-90.
12. Колодяжный С.А., Сушко Е.А., Сазонова 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.
13. Сазонова С.А. Надежность технических систем и техногенный риск / С.А. Сазонова, С.А. Колодяж-ный, Е.А. Сушко. - Воронеж, 2013. - 148 с.
14. Николенко С.Д. Применение фибрового армирования в зданиях и сооружениях, расположенных в
References
1. Evdokimov, A.G., Tevjashev A.D., Dubrovskij
V. V. Modelirovanie i optimizacija potokoraspredelenija v inzhenemyh setjah / A.G. Evdokimov, A.D. Tevjashev, V.V. Dubrov-skij. - M.: Strojizdat, 1990.- 368 s.
2. Artjuh L.Ju., Grinchak L. V. Stabilizacija rezhimov vodoprovodnoj seti // Matematicheskie modeli i metody analiza i optimal'nogo sinteza razvivajushhihsja truboprovodnyh i gidravlicheskih sistem / L.Ju. Artjuh, L.V. Grinchak // Tez. dokl. Vsesojuzn. shkoly-seminara / Irkutsk: SJeI SO AN SSSR, 1990. - S. 22-24.
3. Merenkov A.P. Teorija gidravlicheskih cepej / A.P. Merenkov, V.Ja. Hasilev. - M.: Nauka, 1985. - 278 s.
4. Gamm A.Z. Ocenivanie sostojanija v jelektrojenergetike / A.Z. Gamm, L.N. Gerasimov, I.N. Golub. - M.: Nauka, 1983. - 302 s.
5. Tihonov A.N.Metody reshenija nekorrektnyh zadach / A.N. Tihonov, V.Ja. Arsenin. - M.: Nauka, 1986, 287 s.
6. Merenkov A.P. «Matematicheskij rashodomer» i ego primenenie v teplovyh setjah / A.P. Merenkov, K.S. Svetlov, V.G. Sidler, V.Ja. Hasilev // Teplojenergetika. -1971. - №1. - S. 70-72.
7. Novickij N.N., Shlafman V.V. Metodicheskie voprosy ocenivanija sostojanija vodo-snabzhajushhih sistem / N.N. Novickij, V.V. Shlafman // V kn.: Matematicheskie modeli i metody analiza i optimal'nogo sinteza razvivajushhihsja truboprovodnyh i gidravlicheskih sistem. Tez. dokl. Vsesojuzn. shkoly-seminara.- Irkutsk: SJeI SO AN SSSR, 1990. - S. 20-22.
8. Tevjashev A.D., Kozyrenko S.I., Grinchak N.V. Identifikacija tehnicheskogo sostojanija vodoprovodnoj seti / A.D. Tevjashev, S.I. Kozyrenko, N.V. Grinchak // V kn.: Matematicheskie modeli i metody analiza i optimal'nogo sinteza razvivajushhihsja truboprovodnyh i gidravlicheskih sistem. tez. dokl. Vsesojuzn. shkoly-seminara. - Irkutsk: SJeI SO AN SSSR, 1990. - S. 17-20.
9. Sazonova S.A. Razrabotka metodov i algoritmov tehnicheskoj diagnostiki sistem gazosnabzhenija: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk / S.A. Sazonova. - Voronezh, 2000. - 15 s.
10. Sazonova S.A. Staticheskoe ocenivanie sostojanija sistem teplosnabzhenija v uslovijah informacionnoj neopredelennosti / S.A. Sazonova // Modelirovanie sistem i informacionnye tehnologii: sb. nauch. tr. M-vo obrazovanija Rossijskoj Federacii. - M., 2005. - S. 128-132.
11. Kvasov I.S. 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.
12. Kolodjazhnyj S.A, Sushko E.A., Sazonova S.A. Primenenie jenergeticheskogo 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.
13. Sazonova S.A. Nadezhnost' tehnicheskih sistem i tehnogennyj risk / S.A. Sazonova, S.A. Kolodjazhnyj, E.A. Sushko. - Voronezh, 2013. - 148 s.
14. Nikolenko S.D. Primenenie fibrovogo armirovanija v zdanijah i sooruzhenijah, raspolozhennyh v sejsmoopasnyh rajonah / S.D. Nikolenko // V sbornike: Sistemy zhizneobespechenija i upravlenija v
сейсмоопасных районах / С.Д. Николенко // В сборнике: Системы жизнеобеспечения и управления в чрезвычайных ситуациях: межвузовский сборник научных трудов. Воронежский государственный технический университет, Международная академия наук экологии безопасности человека и природы. - Воронеж, 2006. - С. 38-46.
15. Манохин В.Я., Манохин М.В. Эффективность улавливания гидрофобной пыли / В.Я. Манохин, М.В. Манохин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. - 2008. -№ 1. - С. 151-154.
16. Рябова О.В., Манохин М.В. Критерии оценки зрительного восприятия водителем дорожной обстановки / О.В. Рябова, М.В. Манохин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2012. - № 2. - С. 96-107.
17. Сазонова С.А. Разработка модели структурного резервирования для функционирующих систем теплоснабжения / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института высоких технологий. - 2008. - № 3. - С. 82 - 86.
chrezvychajnyh situacijah: mezhvuzovskij sbornik nauchnyh trudov. Voronezhskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet, Mezhdunarodnaja akademija nauk jekologii bezopasnosti cheloveka i prirody. - Voronezh, 2006. - S. 38-46.
15. Manohin V.Ja., Manohin M.V. Jeffektivnost' ulavlivanija gidrofobnoj pyli / V.Ja. Manohin, M.V. Manohin // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Serija: Fiziko-himicheskie problemy i vysokie tehnologii stroitel'nogo materialovedenija. - 2008. - № 1. - S. 151154.
16. Rjabova O.V., Manohin M.V. Kriterii ocenki zritel'nogo vosprijatija voditelem dorozhnoj obstanovki / O.V. Rjabova, M.V. Manohin // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura. - 2012. - № 2. - S. 96-107.
17. Sazonova S.A. Razrabotka modeli strukturnogo rezervirovanija dlja funkcionirujushhih sistem teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta vysokih tehnologij. - 2008. - № 3. - S. 82 - 86.
COMPLEX APPLIED TASKS OF OPERATIONAL MANAGEMENT, ENSURING THE SAFETY OF OPERATION OF THE HYDRAULIC SYSTEMS
Сазонова Светлана Анатольевна,
доцент, к.т.н.,
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,
Россия, Воронеж;
e-mail: Sazonovappb @vgasu. vrn. ru
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
Considers three hierarchical levels of applied problems of operational management function-centring hydraulic systems. The first involves the problem of searching for meaningful ways to re-water system from unfavorable behaviors to a state of normal functioning. The second level includes a group of tasks predict changes of the system States associated with the exposure perturbation-purification factors. The third level includes the collection, processing, storage and filtering of the processtion of information characterizing the state of a functioning system. A comprehensive solution of the given task will be to provide a high level of safety in the prediction and elimination of accidents and emergency situations on objects of protection.
Keywords: the task hierarchy, hydraulic system, control, operation, industrial security of, reliability.
