CC BY
41
ВЕСТНИК ПНИПУ
2016 Химическая технология и биотехнология № 3
Б01: 10.15593/2224-9400/2016.3.10
УДК 519.81
Е.Р. Мошев, М.А. Ромашкин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ООО «УралПромБезопасность», Пермь, Россия
В.П. Мешалкин
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва, Россия
Е.Г. Прегаева
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
МОДЕЛИ И ЭВРИСТИЧЕСКО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ ПРИНЯТИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ИНТЕГРИРОВАННОЙ ЛОГИСТИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ
Показана роль интегрированной логистической поддержки трубопроводных систем для промышленных предприятий. Даны результаты анализа состояния практических достижений и научных исследований по компьютеризации интегрированной логистической поддержки технических объектов различной отраслевой направленности. На основании результатов проведенного анализа показано, что существующие комплексы программ проектного и эксплуатационного назначения не позволяют без дополнительной доработки решать специфичные для многих отечественных предприятий задачи компьютеризированной поддержки трубопроводных систем. Наименее теоретически и практически разработанным направлением интегрированной логистической поддержки трубопроводных систем является компьютеризация принятия инженерных решений по определению технико-технологических характеристик трубопроводов, а также характеристик конструкционных элементов и их соединений, осуществляемых в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. Интегрированная логистическая поддержка трубопроводных систем будет оптимальной, если ее осуществлять на основе подхода к жизненному циклу трубопроводов как к единой системе принятия инженерных и организационно-технологических реше-
ний, а компьютеризация интегрированной логистической поддержки станет эффективной, если ее реализовать с учетом концепций интегрированной информационной среды, современных методов обработки информации и методов теории искусственного интеллекта.
Поставлены и решены научно-технические задачи исследования, имеющие конечной целью совершенствование интегрированной логистической поддержки промышленных трубопроводных систем. В процессе исследований получены: комплексная модель жизненного цикла промышленных трубопроводных систем; функциональная модель интегрированной логистической поддержки жизненного цикла промышленных трубопроводов; фреймовые и продукционные модели представления знаний о трубопроводных системах; эвристическо-вычислительные алгоритмы принятия решений по интегрированной логистической поддержке жизненного цикла трубопроводов.
Ключевые слова: системный анализ, интегрированная логистическая поддержка, функциональные модели, модели представления знаний, фреймы, продукционные правила, эвристическо-вычислительные алгоритмы.
E.R. Moshev, M.A. Romashkin
Perm National Research Polytechnic University, LCC
«UralPromBezopasnost», Perm, Russian Federation
V.P. Meshalkin
Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Nikolay Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian
Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation
E.G. Pregaeva
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
MODELS AND HEURISTIC COMPUTATIONAL ALGORITHMS FOR MAKING ENGINEERING DECISIONS IN THE FIELD OF INTEGRATED LOGISTICS SUPPORT OF INDUSTRIAL PIPING SYSTEMS
The role of integrated logistics support of piping systems for industrial enterprises are shown. The article presents the results of analysis of practical achievements and scientific research on the computerization of integrated logistics support technical objects in various industries. Based on the results of the analysis shows that the existing
program design and operational purposes without further reworkings do not allow to solve specific for many domestic enterprises objectives of the computerized support of piping systems; the least developed theoretically and practically the direction of integrated logistics support pipeline systems is the computerization of making engineering decisions to determine the technological characteristics of the pipeline and the performance of structural elements and their compounds, which carried out in accordance with the requirements of normative-technical documentation; integrated logistics support pipeline systems will be optimal if it is implemented based on the approach to the life cycle of pipelines as a single system making engineering and technological solutions, and computerization of integrated logistics support will be effective if it is implemented in view with the concept of integrated information environment, of modern methods of information processing and techniques of artificial intelligence theory.
Set and solved scientific and technical objectives of the study, with the ultimate goal of improving the integrated logistics support of industrial piping systems. During the research are received: an integrated life cycle model of industrial piping systems; functional model of the integrated logistics support life cycle of industrial pipelines; frame and production models of knowledge representation of pipeline systems; heuristic computational algorithms of decision-making on integrated logistics support life cycle of pipelines.
Keywords: system analysis, integrated logistics support, functional models, model of knowledge representation, frames, production rules, heuristic and computational algorithms.
1. Постановка научно-технических задач исследования
Благодаря важнейшей роли трубопроводных систем (ТС) в осуществлении технологического процесса их высокая надежность является неотъемлемым условием рентабельности, а также промышленной и экологической безопасности производственных предприятий [1, 2]. Существенным фактором обеспечения надежности ТС является интегрированная логистическая поддержка (ИЛП), проводимая на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ). В общем случае под ИЛП понимается совокупность видов инженерной деятельности, реализуемых посредством управленческих, инженерных и информационных технологий, которые обеспечивают высокий уровень готовности ТС при одновременном снижении затрат на эксплуатацию [3-5]. Применительно к промышленным трубопроводным системам ИЛП позволяет оптимизировать деятельность субъектов жизненного цикла за счет минимизации материальных и временных ресурсов при выполнении инженерно-
технических расчетов, разработке технической документации, а также при осуществлении процедур обслуживания ремонта и эксплуатации ТС.
ИЛП промышленных трубопроводных систем осложнена следующими специфическими особенностями этого вида технических устройств: уникальность трубопроводных конструкций; многообразие транспортируемых рабочих сред с индивидуальными вещественными и режимными характеристиками; сотни субъектов, обслуживающих ТС на всех этапах жизненного цикла; значительный объем формируемой паспортно-технической и эксплуатационно-технической документации; большое количество управленческих и инженерных решений, принимаемых в ходе ЖЦ трубопроводов.
Комплексы программ общего назначения («AutoCAD», «Компас-График», «Microsoft Office») не обладают информационно-технологическими инструментами, позволяющими автоматизировать учет указанных выше особенностей, что отрицательно влияет на качество проведения ИЛП, и, как следствие, падают показатели надежности эксплуатации, промышленной безопасности и экономической эффективности действующих производств.
С целью поиска информационно-технологических инструментов и комплексов программ, позволяющих более эффективно осуществлять интегрированную логистическую поддержку промышленных ТС, был выполнен анализ состояния практических достижений и научных исследований по компьютеризации ИЛП технических объектов различной отраслевой направленности [1, 5-22]. По результатам анализа сделаны следующие выводы:
1. Рассмотренные комплексы программ, включая «MicroStation» (Bentley Systems, США), программные продукты компаний «Аскон» и НТП «Трубопровод» (РФ), «Model Studio CS Трубопроводы» (ЗАО CSoft Development, РФ), «PLANT-4D Pipe» и «PLANT-4D Personal Isogen» (CEA Technology, Нидерланды), «Isogen» (Alias Ltd, Великобритания), «AVEVA Plant» и «AVEVA Enterprise» (AVEVA, Великобритания), «Global-EAM» (Бизнес Технологии, РФ), «SAP» (SAP AG, ФРГ) и «PCMS» (PCMS, США), имеют высокую практическую значимость. Однако по причине своей широкой направленности либо узкой специализации, либо недостаточной адаптации к российским стандартам перечисленные комплексы программ не позволяют без дополнительной доработки решать специфичные для многих отечественных предприятий задачи компьютеризированной поддержки
ТС, включая следующие: определение характеристик классификации трубопроводов, а также характеристик конструкционных элементов и их соединений в соответствии с нормативно-техническими требованиями; расчет характеристик технических устройств снижения энергии колебаний давления в ТС поршневых компрессорных агрегатов; ускоренный ввод больших объемов паспортно-технических и эксплуатационно-технических данных, представленных преимущественно в рукописном или электронном, но не структурированном виде; формирование большого количества специфических технических документов.
2. Наименее теоретически и практически разработанным направлением по ИЛП трубопроводных систем является компьютеризация принятия инженерных решений по определению характеристик классификации трубопроводов, а также характеристик конструкционных элементов и их соединений, осуществляемых в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.
3. ИЛП будет оптимальной, если ее осуществлять на основе подхода к жизненному циклу трубопроводов как к единой системе принятия инженерных и организационно-технологических решений. А компьютеризация ИЛП станет эффективней, если ее реализовать с учетом современных концепций ИЛП [13-15], концепции интегрированной информационной среды (ИИС), современных методов обработки информации и методов теории искусственного интеллекта [16-18].
Исходя из сказанного, предметом рассмотрения в настоящей статьи являлись ЖЦ промышленных трубопроводных систем, а также процедуры принятия инженерных решений по определению характеристик классификации и конструкционных элементов трубопроводов, осуществляемые в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. Цель - разработка информационно-технологических инструментов принятия инженерных решений по интегрированной логистической поддержке, позволяющих минимизировать материальные и временные ресурсы, затрачиваемые на выполнение инженерно-технических расчетов, разработку технической документации, а также на осуществление процедур обслуживания ремонта и эксплуатации ТС. Для реализации сформулированной цели были поставлены и решены следующие научно-технические задачи исследования:
1) осуществить тщательный системный анализ ЖЦ трубопроводных систем как объекта компьютеризации;
2) руководствуясь результатами системного анализа ЖЦ трубопроводных систем, разработать:
• комплексную модель ИЛП, отображающую жизненный цикл сложных промышленных трубопроводов как единый организационно-технологический процесс, осуществляемый с учетом концепции ИИС и взаимных связей между этапами ЖЦ трубопроводных систем;
• функциональную модель ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем, отображающую целенаправленное воздействие человека на объект исследования и взаимные связи в процедурах принятия решений по ИЛП на всех этапах жизненного цикла промышленных трубопроводов;
• фреймовые модели представления знаний о промышленных ТС, отображающие производственный, технологический и конструкционный типы структур трубопроводов, а также взаимные связи между характеристиками трубопроводов и характеристиками их конструкционных элементов;
• продукционные модели представления знаний о промышленных ТС, отображающие целенаправленное воздействие человека на объект исследования, а также взаимные связи между нормативно-техническими и технико-технологическими характеристиками трубопроводов, с одной стороны, и конструкционными характеристиками элементов трубопроводов, с другой стороны;
• эвристическо-вычислительные алгоритмы, формализующие интеллектуальные процедуры принятия инженерных решений по ИЛП промышленных трубопроводных систем с учетом всех этапов ЖЦ.
Ниже приведены примеры решения указанных выше научно-технических задач.
2. Разработка комплексной модели интегрированной логистической поддержки жизненного цикла промышленных трубопроводных систем
Разработка комплексной модели осуществлялась с помощью тщательного системного анализа ЖЦ трубопроводных систем как объекта компьютеризации. Анализ проводился в соответствии с принципами и методиками, изложенными в источнике [2], а также согласно концепции «редукционизма», предложенной академиком А.Л. Буча-ченко для исследования сложных физико-химических процессов. При этом по аналогии с химико-технологической системой ЖЦ трубопроводов рассматривалась как распределенная во времени и пространстве совокупность информационно-вычислительных процессов, моделей
и внешних информационных систем, обеспечивающих целенаправленную переработку входной технической информации в промежуточную и выходную информацию, а также в различные виды технической документации по трубопроводным системам. Результат разработки комплексной модели ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем приведен на рис. 1, где входные информационные переменные представлены данными технического задания на проектирование и технологического регламента, а также данными внешних информационных систем.
Рис. 1. Блок-схема комплексной модели ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем: ТЗ - техническое задание; ТР - технологический регламент; НТД - нормативно-техническая документация; ПТД - проектно-техническая документация; ЭД - эксплуатационная документация; ЭП -электронный паспорт; БД - база данных; БЗ - база знаний; ВИС - внешние информационные системы; ТС - трубопроводные системы; АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом
Управляющая информация представлена нормативно-технической, проектно-технической и эксплуатационной документацией, выходные информационные переменные - результатами выполнения процедур ИЛП на различных этапах жизненного цикла ТС. В качестве аналога крупных технологических блоков выступают блоки моделей ИЛП, адаптированные к соответствующим этапам жизненного цикла трубопроводных систем и внешние информационные системы. При этом принималось, что модели технического обслуживания и ремонта входят в состав блока эксплуатации. В качестве информационно-
вычислительных процессов выступают процедуры ИЛП, формализованные в виде математических и эвристическо-вычислительных алгоритмов, которые совместно с вышеуказанными моделями обеспечивают интеллектуальную поддержку принятия решений на всех этапах жизненного цикла ТС.
Таким образом, в виде разработанной комплексной модели получено формализованное описание, позволяющее оптимизировать и автоматизировать ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем как организационно-технологический процесс, что будет способствовать минимизации материальных и временных ресурсов, затрачиваемых на выполнение инженерно-технических расчетов, разработку технической документации, осуществление процедур обслуживания ремонта и эксплуатации ТС.
В процессе системного анализа ЖЦ трубопроводов также установлено следующее:
1) на всех этапах жизненного цикла ТС существует большое количество инженерно-технических и организационно-технологических задач, решение которых требует интеллектуальной поддержки;
2) между характеристиками трубопроводов, конструкционных элементов и рабочей среды существуют зависимости, которые в большинстве случаев дискретны, имеют экспертное происхождение и могут быть описаны с помощью моделей представления знаний (МПЗ) в виде фреймов и продукционных правил;
3) многие задачи ИЛП не поддаются формализации и решению с помощью числовых математических методов, но могут быть решены с помощью методов теории искусственного интеллекта. Большую часть подобных задач составляют задачи, решение которых основано на использовании экспертных знаний, например: определение характеристик классификации трубопроводов; расчет или выбор характеристик десятков типов конструкционных элементов; расчет и выбор характеристик фланцевых соединений, в том числе характеристик крепежа (шпильки, гайки, прокладки); определение характеристик сварных соединений, включая выбор электродов, форм разделки кромок свариваемых элементов и режимных параметров сварки. Формализация решения задач указанного типа позволит осуществить автоматизацию принятия решений ИЛП на всех этапах ЖЦ трубопроводов.
3. Разработка функциональной модели интегрированной логистической поддержки жизненного цикла трубопроводных систем
Разработка детализированной модели ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем как организационно-технологического процесса осуществлялась с использованием методов функционального моделирования [19, 20]. Функциональные модели широко применяются при разработке сложных систем и рассматриваются в стандартах семейства IDEF (Integrated Computer Aided Manufacturing Definition) как неотъемлемая составляющая CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support) технологий [21].
Основой для создания функциональной модели ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем являлась комплексная модель, представленная на рис. 1. С целью снижения высокой размерности процесса ИЛП с помощью метода декомпозиции общая функциональная модель была сведена к трем взаимосвязанным моделям: проектируемых, монтируемых и эксплуатируемых трубопроводов (рис. 2).
В общей сложности указанные модели содержат более ста функциональных блоков, которые взаимно связаны двумя сотнями информационных потоков [22]. При разработке моделей широко использовалась методология системного подхода, предполагающая учет сложных взаимосвязей как внутри, так и между структурными составляющими ЖЦ трубопроводов.
Представленная функциональная модель позволяет с помощью специально разработанных алгоритмов автоматизировать процедуры принятия инженерных решений по ИЛП и одновременно обеспечить оперативное информационное взаимодействие всех субъектов ЖЦ трубопроводных систем в соответствии с концепцией ИИС. При этом достигается высокая скорость обмена данными и полностью исключается дублирование процедур ИЛП.
При разработке структуры и алгоритмов функциональных моделей конечной целью было повышение надежности эксплуатируемых ТС. Исходя из этого, все аспекты реализации процедур ИЛП жизненного цикла ТС рассматривались с точки зрения отдела технического надзора - службы предприятия, отвечающей за техническое состояние трубопроводов. При разработке моделей принималось, что все входные, промежуточные и выходные информационные переменные записываются и хранятся в электронном паспорте (ЭП) трубопровода.
Рис. 2. Декомпозиция блоков Ао функциональной модели ИЛП жизненного цикла ТС
Под ЭП понимались структурированные паспортно-технические сведения о трубопроводе, включая топологию, представленные в виде электронного документа, содержащего согласно источнику [23] интерпретируемое формализованным способом представление информации, пригодное для коммуникации, интерпретации или обработки. Электронный паспорт можно также назвать электронной моделью изделия [24].
4. Разработка фреймовых моделей представления знаний о трубопроводных системах
В соответствии с постановкой задач исследования осуществлена разработка МПЗ, в качестве которых были выбраны фреймы и продукционные правила. Указанные типы моделей широко используются при разработке систем искусственного интеллекта и экспертных систем [16, 25]. При этом выбор фреймов был обоснован модульностью их структуры, а также естественностью и наглядностью представления с их помощью декларативных знаний. Разработанная фреймовая МПЗ о трубопроводных системах состоит из трех ассоциативно связанных блоков или фреймов-прототипов (рис. 3) общей емкостью более ста характеристик и нескольких десятков взаимных связей между ними [22].
Рис. 3. Блок-схема фреймовой модели представления знаний
Фрейм-прототип «Конструкционные характеристики трубопровода»
Рис. 4. Блок-схема фрейм-прототипа «Конструкционные характеристики
трубопровода»
При этом каждый из указанных блоков является сетью фреймов. Пример представления одного из блоков в виде сети фреймов приведен на рис. 4. Общей отличительной особенностью разработанных фреймовых МПЗ является учет производственной, технологической и конструкционной структур ТС; нормативно-технических требований к проектируемым, монтируемым, эксплуатируемым и ремонтируемым трубопроводам промышленных предприятий, а также отображение взаимных связей между технологическими и конструкционными характеристиками трубопроводов.
5. Разработка продукционных моделей представления знаний о трубопроводных системах
Выбор продукционных МПЗ или продукционных правил был обоснован тем, что они хорошо подходят для представления экспертных знаний о предметной области, а также их наглядностью и высокой модульностью, позволяющей добавлять, удалять или изменять отдельные логические правила в базе знаний независимо от других правил. Обобщенные результаты разработки продукционных МПЗ представлены на рис. 5.
Рис. 5. Блок-схема базы продукционных знаний
Пример продукционной МПЗ о характеристиках классификации ТС приведен в табл. 1 и 2, где использованы следующие обозначения: I = 1... С - идентификатор строки в массиве нормативных отношений; С - количество строк в массиве нормативных отношений; Тср; - нормативно-справочное значение типа рабочей среды по классу опасности в 1-м отношении; До; - нормативное значение диаметра, используемого при определении типа трубопровода; Р™", Р™* и ¿™п, ^ - граничные нормативные значения давления и температуры рабочей среды, определяющие область существования искомых характеристик классификации трубопровода соответственно; Тт, Гр и Кт - тип, группа и категория трубопровода соответственно.
Таблица 1
Пример продукционной МПЗ о характеристиках классификации трубопроводов пара и горячей воды
1 Условия применимости Искомые характеристики
Тср/ Р шт Р шах > шт 11 .шах 11 До1 Тт Гр Кт
1 Пар водяной 0,170 1000 560,1 1000 51 ТПГВ 1 i
2 Пар водяной 0,170 8,100 350,1 450 76 ТПГВ 1 ii
3 Вода 0,000 1000 560,1 1000 51 ТПГВ 1 i
4 Вода 0,000 8,100 350,1 450 76 ТПГВ 1 ii
Таблица 2
Пример продукционной МПЗ о характеристиках классификации технологических трубопроводов
1 Условия применимости Искомые характеристики
Тср1 ршт Р1 ршах Р1 > шт 11 .шах 11 Тт Гр Кт
1 1 класс опасности 10,10 320,1 -196 700 тт* А твд
2 Горючий газ 0,080 2,600 -196 -40 ТТ Б i
3 Сжиженные углеводороды 2,600 10,10 -196 700 ТТ Б i
4 Легко воспламеняемые жидкости 0,100 1,700 -40 120 ТТ Б iii
5 Горючие жидкости 0,100 1,700 -40 120 ТТ Б iv
6 Пар водяной 0,080 1,700 120 250 ТТ В iv
Разработанные продукционные правила образуют массив нормативно-справочных отношений или строк, в которых одна часть характеристик представляет условия применимости, а другая - соответствующие им искомые характеристики. При этом методика определения искомых характеристик сводится к поиску соответствующих им условий применимости с помощью специально заданных аргументов. В частности искомые характеристики классификации трубопровода будут находиться в той строке, для которой выполнится одно из следующих условий:
• для трубопроводов пара и горячей воды (см. табл. 1):
(Тср/ , (р, #0, (Ь, #2), До/, Тт/, Гр/, Кт) п (Тср, Р, и До) Ф 0;
• для технологических трубопроводов (см. табл. 2):
(Тср1 , (Р1, #2), (Ь #2), Тт1, Гр1, Кт) п (Тср, Р, I) Ф 0,
где Тср, Р и t - фактические значения типа, давления и температуры рабочей среды; До - фактическое значение диаметра трубопровода; Я2 - отношение бинарности, которое показывает, что соответствующий ему параметр имеет два значения, в данном случае - минимальное нормативное и максимальное нормативное.
Аналогичным образом были разработаны продукционные правила с целью определения нормативно-технических характеристик конструкционных элементов, сварных и фланцевых соединений, а также периода ревизии трубопровода. Для всех указанных продукционных правил были также разработаны условия, с помощью которых осуществляется поиск требуемых характеристик. Ниже в качестве примера приведены условия поиска характеристик фланцев и некоторых элементов крепежа фланцевых соединений:
• условия выбора фланцев:
(Тср, (Ру1, #2), (и, #2), Трл, СТТ, СКРЛ исп1, Ст1, ССт) п (Тср, Р, О Ф 0;
(СКР1, Ду, Ру1, йн, йвТ, Ъь М) п (СКР, Ду, Ру) Ф 0; (СПР1, исп1, Ду1, Ру1, А, БЦ П2и йь щ, Н, Мл) п (СПР, исп, Ду, Ру) Ф 0;
• условия выбора материала и размеров фланцевых прокладок:
(ТсВ1, исп1, (Р1, #2), Ш, #2), Мш, СтП1) п (ТсВ, исп, Р, () (исп1, Ду1, Ру, Мп1, Стш, Дср1, Бш, Вш, Марш) п (исп, Ду, Ру, Мп, Стп)
• условие выбора размеров гаек:
йп п (СТТ, Си, ССц, Срт, ДрЛ М1, Н, ШрЛ пгЦ п (Ст, ССт) Ф 0,
где использованы следующие новые условные обозначения: Трг - тип фланца; СТТ, СКР, ССт, СПР, СтП - стандарты на технические требования, конструкцию и размеры, сталь, присоединительные размеры, материал прокладки; исп - номер исполнения фланца; Ст - марка стали; Ду, Ру - условные диаметр и давление; йн, йв, Ъ, М, Б, Б1, Б2, й, п, Н - геометрические характеристики фланцев, приведенные в нормативно-технической документации; Мг - марка (диаметр) болтового отверстия фланца; ТсВ - тип рабочей среды по веществу; МП - марка
прокладки; Дср, 5П, ВП, МарП - средний диаметр, толщина, ширина и марка прокладки; ^ - диаметр болтового отверстия фланца; Др -диаметр резьбы; М - марка гайки; Н - высота гайки; Шр - шаг резьбы гайки; пг - количество гаек во фланцевом соединении.
Общей отличительной особенностью разработанных продукционных МПЗ является отображение взаимных связей между нормативными, технологическими и конструкционными характеристиками ТС, а также учет нормативно-технических требований к проектируемым, монтируемым, эксплуатируемым и ремонтируемым трубопроводам.
6. Разработка эвристическо-вычислительных алгоритмов принятия решений по интегрированной логистической поддержке жизненного цикла трубопроводных систем
Для формализации процедур принятия решений по ИЛП жизненного цикла ТС была разработана база специальных эвристическо-вычислительных алгоритмов (рис. 6). Создание эвристическо-вычис-лительных алгоритмов обусловлено тем, что большая часть знаний о ТС имеет экспертное происхождение и не поддается обработке числовыми математическими методами. Разработанные алгоритмы отличаются применением фреймовых и продукционных моделей представления знаний о характеристиках трубопроводов, а также баз данных, содержащих нормативно-техническую информацию по ТС и конструкционным элементам трубопроводов. Ниже даны примеры эвристическо-вычислительных алгоритмов, формализующих процедуры принятия решений по ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем.
Одной из важнейших задач ИЛП трубопроводных систем является определение характеристик классификации трубопроводов. Важность решения этой задачи обусловлена тем, что в соответствии с требованиями нормативно-технической документации по значениям указанных характеристик устанавливают технические нормы, предъявляемые к конструкции, монтажу, объему контроля и условиям технического обслуживания трубопроводов [26-28].
Рис. 6. Блок-схема базы эвристическо-вычислительных алгоритмов принятия решений по ИЛП жизненного цикла ТС
Блок-схема эвристическо-вычислительного алгоритма для определения характеристик классификации трубопровода приведена на рис. 7, где обозначение КС представляет название вещественного компонента, с помощью которого определяется класс опасности рабочей среды; ТПГВ - индекс, используемый для обозначения строк, относящихся к трубопроводам пара и горячей воды; ТТ - индекс, используемый для обозначения строк, относящихся к технологическим трубопроводам; пК1 - количество строк в массиве нормативных отношений, используемых для определения характеристик классификации трубопроводов пара и горячей воды; пК2 - количество строк в массиве нормативных отношений, используемых для определения характеристик классификации технологических трубопроводов.
На рис. 8 приведена блок-схема алгоритма решения другой важной задачи ИЛП - определения проектных характеристик конструкционных элементов трубопровода (на примере элемента «Труба»).
А Р
,1< Р
111111 - - п. I < t < ^
Рис. 7. Блок-схема эвристического алгоритма определения характеристик классификации трубопровода: ОЗУ - оперативное запоминающее устройство; ПБЗ - продукционная база знаний
Начало
Тср, Р, t, Ду, ТЭ, # =0
ОЗУ: ЭП
ТЭ=труба
Труба
Фланец
^ Отвод ^ Переход^ Тройник^
1 = 1...пт
I
((Ду ,#2),Тсрг ,(t/#2),РУ1 ^ #2),(а1 ПБЗ
Дн1,5н1 ,Ст1 ,ССт1 ,СТТ1 ,Гт1 ,Тт1 ,Срт1) Г
Конец
Рис. 8. Блок-схема эвристическо-вычислительного алгоритма определения проектных характеристик конструкционного элемента «Труба»
В алгоритме использованы следующие условные обозначения: Ду -условный диаметр трубы; Я - промежуточная переменная; ТЭ - тип элемента; пТ - количество элементов трубопровода; 5 - значение толщины стенки элемента; о - нормативно-справочное напряжение в трубе; Дн - наружный диаметр трубы; 5н - номинальная толщина стенки трубы; Ст - марка стали; ССт - стандарт на сталь; СТТ - стандарт на технические требования; Гт - группа труб по стали; Срт - стандарт на сортамент труб; Р20 - рабочее давление, приведенное к температуре 20 °С; БМСС - база механических свойств стали; 5о - отбраковочная толщина стенки; [а]^ - допускаемое напряжение при температуре
20 °С; [о]1 - допускаемое напряжение при рабочей температуре;
5Ш1„(Дн) - нормативная функция зависимости минимально допустимой толщины стенки от наружного диаметра трубы.
Одним из распространенных недостатков эксплуатационной документации является отсутствие и недостоверность представленной в ней информации по элементам трубопроводов. Например, на практике часто встречаются следующие виды ошибок: номинальная толщина стенки элемента имеет ссылку на стандарт, в котором отсутствует указанное значение толщины стенки; не указан или неверно указан стандарт на марку стали; вместо стандарта на технические требования указан стандарт на сортамент или наоборот. Наличие приведенных ошибок снижает качество ИЛП трубопроводных систем, а следовательно, падают показатели экономической эффективности и промышленной безопасности производственных предприятий. Задача приведения эксплуатационной документации в соответствие с регламентируемыми техническими нормами требует анализа большого количества первичных нормативных источников, что в условиях действующих производств осуществить вручную практически невозможно. С целью компьютеризации решения этой задачи были разработаны специальные эвристическо-вычислительные алгоритмы. Пример одного из таких алгоритмов приведен на рис. 9, где даны следующие новые обозначения: ^п - номер позиции конструкционного элемента трубопровода; пТ -количество нормативных отношений для элемента «Труба» в продукционной базе знаний. Алгоритм отличается тем, что по известным значениям характеристик конструкционного элемента «Труба» с помощью продукционной базы знаний позволяет автоматизировать определение неизвестных значений его характеристик в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.
Аналогичным образом были разработаны эвристическо-вычисли-тельные алгоритмы для решения других актуальных задач ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем промышленных предприятий.
( Начало )
^ Конец
Рис. 9. Блок-схема алгоритма определения неизвестных характеристик конструкционного элемента «Труба»
7. Выводы
В процессе научно-технического исследования показана роль ИЛП трубопроводных систем для промышленных предприятий.
Даны результаты анализа практических достижений и состояния научных исследований по компьютеризации ИЛП технических объектов различной отраслевой направленности. На основании результатов проведенного анализа поставлены научно-технические задачи исследования, имеющие своей конечной целью совершенствование управлением ИЛП.
В процессе решения научно-технических задач получены:
• комплексная модель ИЛП жизненного цикла промышленных ТС, отличающаяся учетом системных связей между структурными единицами ЖЦ, а также позволяющая оптимизировать и автоматизировать ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем как организационно-технологический процесс, что способствует минимизации материальных и временных ресурсов, затрачиваемых на выполнение инженерно-технических расчетов, разработку технической документации, осуществление процедур обслуживания ремонта и эксплуатации ТС;
• функциональная модель ИЛП жизненного цикла промышленных трубопроводных систем, разработанная на основе комплексной модели жизненного цикла ТС и отличающаяся учетом системных связей между процедурами ЖЦ, что позволяет с помощью специально разработанных алгоритмов автоматизировать процедуры принятия инженерных решений по ИЛП и обеспечивать оперативное информационное взаимодействие всех субъектов ЖЦ трубопроводных систем в соответствии с концепцией ИИС;
• фреймовые МПЗ о трубопроводных системах, отличительной особенностью которых являются: учет производственной, технологической и конструкционной структур ТС; учет нормативно-технических требований к проектируемым, монтируемым, эксплуатируемым и ремонтируемым трубопроводам; отображение взаимных связей между технологическими и конструкционными характеристиками трубопроводов;
• продукционные МПЗ о трубопроводных системах, отличительной особенностью которых является отображение взаимных связей между нормативными, технологическими и конструкционными характеристиками ТС, а также учет нормативно-технических требований к проектируемым, монтируемым, эксплуатируемым и ремонтируемым трубопроводам;
• эвристическо-вычислительные алгоритмы принятия решений по ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем, которые отличаются применением фреймовых и продукционных МПЗ о характеристиках трубопроводов, а также баз данных, содержащих нормативно-техническую информацию по ТС и конструкционным элементам трубопроводов, что позволяет автоматизировать принятие инженерных решений по определению характеристик классификации трубопроводов и конструкционных характеристик элементов трубопроводов.
Рассмотренные в статье модели и эвристическо-вычислительные алгоритмы были использованы при создании проблемно-ориентированной системы принятия решений по ИЛП жизненного цикла трубопроводных систем [29, 30], которая внедрена и используется на нескольких промышленных предприятиях, в частности на ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» и АО «Сибур-Химпром».
Список литературы
1. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов. - М.: Химия, 1991. -362 с.
2. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. - М.: Химия, 1991. - 432 с.
3. ГОСТ Р 53393-2009. Интегрированная логистическая поддержка. Основные положения. - М.: Стандартинформ, 2010. - 15 с.
4. ГОСТ Р 53394-2009. Интегрированная логистическая поддержка. Основные термины и определения. - М.: Стандартинформ, 2010. - 28 с.
5. ГОСТ Р 55933-2013. Интегрированная логистическая поддержка экспортируемой продукции военного назначения. План интегрированной логистической поддержки. Общие требования. - М.: Стан-дартинформ, 2014. - 15 с.
6. СА 03-005-07. Технологические трубопроводы нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности. Требования к устройству и эксплуатации / Ассоциация «Ростехэксперти-за». - М., 2007. - 233 с.
7. Бром А.Е., Колобов А.А., Омельченко И.Н. Интегрированная логистическая поддержка жизненного цикла наукоемкой продукции. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 295 с.
8. Технологии интегрированной логистической поддержки изделий машиностроения / Е.В. Судов [и др.]. - М.: Информбюро, 2006. -232 с.
9. Трубопроводные системы энергетики: математическое моделирование и оптимизация / Н.Н. Новицкий [и др.]. - Новосибирск: Наука, 2010. - 419 с.
10. Выбор модели и использование знаний в задаче идентификации / Ф.Ф. Пащенко [и др.] // Вестник международной академии системных исследований. Информатика, экология, экономика. - 2010. -Т. 12, № 1. - С. 35-40.
11. Системы информационной поддержки принятия решений в энергетике / Ф.Ф. Пащенко [и др.] // Датчики и системы. - 2014. -№ 6. - С. 24-33.
12. Новиков Д.А. Иерархические модели военных действий // Управление большими системами: сб. тр. - 2015. - № 37. - С. 25-62.
13. Бром А.Е., Александров А.А. Разработка экономико-математической модели интеграции участников и процессов жизненного цикла наукоемкой продукции в систему логистической поддержки // Известия вузов. Машиностроение. - 2008. - № 3. - С. 73-92.
14. Мешалкин В.П., Дли М.И. Логистика и управление конкурентоспособностью предприятий нефтехимического комплекса. - М.: Химия, 2010. - 452 с.
15. Мешалкин В.П. Логистика и электронная экономика в условиях перехода к устойчивому развитию / РХТУ им. Д.И. Менделеева. -М., 2004. - 573 с.
16. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. Основы теории, опыт разработки и применения. - М.: Химия, 1995. - 368 с.
17. Сухарев М.Г. Информационные технологии в транспорте и распределении природного газа // Газовая промышленность. - 2010. -№ 13. - С. 84-88.
18. Берман А.Ф., Николайчук О.А. Модели, знания и опыт для управления техногенной безопасностью // Проблемы управления. -2010. - № 2. - С. 53-60.
19. Р 50.1.028-2001. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 49 с.
20. Марка Д.А., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования БЛБТ. - М.: Метатехнология, 1993. - 239 с.
21. Управление техническим документооборотом на основе CALS-технологий / С.Г. Емельянов [и др.]. - М.: Славянская школа, 2005. - 295 с.
22. Мошев Е.Р. Информационно-эвристическо-вычислительные модели и алгоритмы принятия решений по интегрированной логистической поддержке жизненного цикла трубопроводных систем нефтехимических предприятий: дис. ... д-ра техн. наук. - М., 2015. - 468 с.
23. ГОСТ Р 52292-2004. Информационная технология. Электронный обмен информацией. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 2005. - 15 с.
24. ГОСТ 2.052-2006. Электронная модель изделия. Общие положения. - М.: Стандартинформ, 2007. - 12 с.
25. Мешалкин В.П., Митин С.Г., Клименкова Л.А. Принципы создания экспертных систем в химической промышленности // Химическая технология. - 2004. - №2. - С. 42-47.
26. ПБ 03-585-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов. - М., 2003. - 64 с.
27. ПБ 09-563-03. Правила промышленной безопасности для нефтеперерабатывающих производств. - М., 2003. - 28 с.
28. ПБ 10-573-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды. - М., 2003. - 60 с.
29. Мешалкин В.П., Мошев Е.Р. Режимы функционирования автоматизированной системы «Трубопровод» при интегрированной логистической поддержке трубопроводов и сосудов промышленных предприятий // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2014. -№ 1. - С. 64-73.
30. Мошев Е.Р. Разработка автоматизированной системы для интегрированной логистической поддержки технологических трубопроводов // Химическая промышленность сегодня. - 2014. - № 5. - С. 32-43.
References
1. Kafarov V.V., Meshalkin V.P. Proektirovanie i raschet optimalnykh sistem tekhnologicheskikh truboprovodov [Design and analysis of optimal systems of technological pipelines]. Moscow: Khimiya, 1991. 362 p.
2. Kafarov V.V., Meshalkin V.P. Analiz i sintez khimiko-tekhnolo-gicheskikh system [Analysis and synthesis of chemical-technological systems]. Moscow: Khimiya, 1991. 432 p.
3. GOST R 53393-2009. Integrirovannaya logisticheskaya podderz-hka. Osnovnye polozheniya [The integrated logistic support. The main provisions]. Moscow: Standartinform, 2010. 15 p.
4. GOST R 53394-2009. Integrirovannaya logisticheskaya podderz-hka. Osnovnye terminy i opredeleniya [The Integrated Logistic Support. Basic terms and definitions]. Moscow: Standartinform, 2010. 28 p.
5. GOST R 55933-2013. Integrirovannaya logisticheskaya podderz-hka eksportiruemoj produktsii voennogo naznacheniya. Plan integrirovannoj logisticheskoj podderzhki. Obshchie trebovaniya [Integrated logistics support eksportere my military products. Plan integrated logistics support. General requirements]. Moscow: Standartinform, 2014. 15 p.
6. SA 03-005-07. Tekhnologicheskie truboprovody neftepererabaty-vayushchej, neftekhimicheskoj i khimicheskoj promyshlennosti. Tre-bovaniya k ustroistvu i ekspluatatsii [Technological pipelines of refining, petrochemical and chemical industries. Requirements for design and operation]. Moscow: Assotsiatsiya «Rostekhekspertiza», 2007. 233 p.
7. Brom A.E., Kolobov A.A., Omelchenko I.N. Integrirovannaya lo-gisticheskaya podderzhka zhiznennogo tsikla naukoemkoj produktsii [Integrated logistics support life cycle of high technology products]. Moscow, 2008. 295 p.
8. Sudov E.V. [et al.]. Tekhnologii integrirovannoj logisticheskoj podderzhki izdelij mashinostroeniya [Technology integrated logistics support engineering]. Moscow: Informbyuro, 2006. 232 p.
9. Novitskij N.N. [et al.]. Truboprovodnye sistemy energetiki: mate-maticheskoe modelirovanie i optimizatsiya [Pipeline energy systems: mathematical modelling and optimization]. Novosibirsk: Nauka, 2010. 419 p.
10. Pashchenko F.F. [et al.]. Vybor modeli i ispolzovanie znanij v zadache identifikatsii [The choice of model and the use of knowledge in problem identification]. Vestnik mezhdunarodnoj akademii sistemnykh issledovanij. Informatika, ekologiya, ekonomika, 2010, vol. 12, no. 1, pp. 35-40.
11. Pashchenko F.F. [et al.]. Sistemy informatsionnoj podderzhki prinyatiya reshenij v energetike [Information support system of decisionmaking in power engineering]. Datchiki i sistemy, 2014, no. 6, pp. 24-33.
12. Novikov D.A. Ierarkhicheskie modeli voennykh dejstvij [Hierarchical model of military action]. Upravlenie bolshimi sistemami, 2015, no. 37, pp. 25-62.
13. Brom A.E., Aleksandrov A.A. Razrabotka ekonomiko-matemati-cheskoj modeli integratsii uchastnikov i protsessov zhiznennogo tsikla nau-koemkoj produktsii v sistemu logisticheskoj podderzhki [Development of mathematical models for the integration of participants and processes in the life cycle of high technology products in the logistic support system]. Izves-tiya vuzov. Mashinostroenie, 2008, no. 3, pp. 73-92.
14. Meshalkin V.P., Dli M.I. Logistika i upravlenie konkurentospo-sobnost'yu predpriyatij neftekhimicheskogo kompleksa [Logistics and management of competitiveness of enterprises of petrochemical complex]. Moscow: Khimiya, 2010. 452 p.
15. Meshalkin V.P. Logistika i elektronnaya ekonomika v usloviyakh perekhoda k ustoichivomu razvitiyu [Logistics and e-economy in the transition to sustainable development]. Moscow, 2004. 573 p.
16. Meshalkin V.P. Ekspertnye sistemy v khimicheskoj tekhnologii. Osnovy teorii, opyt razrabotki i primeneniya [Expert systems in chemical engineering. Fundamentals of the theory, development experience and application]. Moscow: Khimiya, 1995. 368 p.
17. Sukharev M.G. Informatsionnye tekhnologii v transporte i raspre-delenii prirodnogo gaza [Information technologies in the transport and distribution of natural gas]. Gazovayapromyshlennost, 2010, no. 13, pp. 84-88.
18. Berman A.F., Nikolajchuk O.A. Modeli, znaniya i opyt dlya upravleniya tekhnogennoj bezopasnostyu [Models, knowledge and experience for control of technogenic safety]. Problemy upravleniya, 2010, no. 2, pp. 53-60.
19. R 50.1.028-2001. Informatsionnye tekhnologii podderzhki zhiznennogo tsikla produktsii. Metodologiya funktsionalnogo modelirovaniya [Information technology support of the product life cycle. Methodology of functional modeling]. Moscow: Izdatel'stvo standartov, 2001, 49 p.
20. Marka D.A., MakGouen K. Metodologiya strukturnogo analiza i proektirovaniya SADT [Methodology of structural analysis and design SADT]. Moscow: Metatekhnologiya, 1993. 239 p.
21. Emelyanov S.G. [et al.]. Upravlenie tekhnicheskim dokumento-oborotom na osnove CALS-tekhnologii [Management of technical document circulation on the basis of CALS-technologies]. Moscow: Slavyan-skaya shkola, 2005. 295 p.
22. Moshev E.R. Informatsionno-evristichesko-vychislitel'nye modeli i algoritmy prinyatiya reshenij po integrirovannoj logisticheskoj podderzhke zhiznennogo tsikla truboprovodnykh sistem neftekhimicheskikh predpriyatii
[Information and heuristic computational models and algorithms of decision-making on integrated logistics support life cycle of piping systems of petrochemical enterprises]. Thesis of doctor degree dissertation. Moscow, 2015. 468 p.
23. GOST R 52292-2004. Informatsionnaya tekhnologiya. Elektron-nyj obmen informatsiej. Terminy i opredeleniya [Information technology. The electronic exchange of information. Terms and definitions]. Moscow: Izdatelstvo standartov, 2005. 15 p.
24. GOST 2.052-2006. Elektronnaya model izdeliya. Obshchie poloz-heniya [Electronic model of product. General provisions]. Moscow: Stan-dartinform, 2007. 12 p.
25. Meshalkin V.P., Mitin S.G., Klimenkova L.A. Printsipy sozdaniya ekspertnykh sistem v khimicheskoi promyshlennosti [Principles of creation of expert systems in the chemical industry]. Khimicheskaya tekhnologiya. 2004, no. 2, pp. 42-47.
26. PB 03-585-03. Pravila ustroistva i bezopasnoj ekspluatatsii tekhnologicheskikh truboprovodov [Rules of arrangement and safe operation of industrial pipelines]. Moscow, 2003. 64 p.
27. PB 09-563-03. Pravila promyshlennoj bezopasnosti dlya neftepe-rerabatyvayushchikh proizvodstv [Industrial safety rules for oil refining industries]. Moscow, 2003. 28 p.
28. PB 10-573-03. Pravila ustrojstva i bezopasnoj ekspluatatsii truboprovodov para i goryachej vody [Rules of arrangement and safe operation pipelines of steam and hot water]. Moscow, 2003. 60 p.
29. Meshalkin V.P., Moshev E.R. Rezhimy funktsionirovaniya av-tomatizirovannoj sistemy «Truboprovod» pri integrirovannoj logisticheskoj podderzhke truboprovodov i sosudov promyshlennykh predpriyatii [Modes of operation of the automated system Piping with integrated logistic support for pipelines and vessels industrial enterprises]. Problemy mashinostroeniya i avtomatizatsii, 2014, no. 1, pp. 64-73.
30. Moshev E.R. Razrabotka avtomatizirovannoj sistemy dlya integrirovannoj logisticheskoj podderzhki tekhnologicheskikh truboprovodov [Development of an automated system for integrated logistics support of technological pipelines]. Khimicheskaya promyshlennost segodnya, 2014, no. 5, pp. 32-43.
Получено 19.09.2016
Об авторах
Мошев Евгений Рудольфович (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор кафедры машин и аппаратов производственных процессов Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; е-mail: [email protected]).
Ромашкин Макар Андреевич (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры машин и аппаратов производственных процессов, эксперт отдела информационных технологий ООО «УралПромБезопасность» (614013, Россия, г. Пермь, ул. Академика Королева, 4; e-mail: [email protected]).
Мешалкин Валерий Павлович (Москва, Россия) - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой логистики и экономической информатики Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева (125047, г. Москва, Миусская пл., 9; e-mail: clogist@мuсtr.ru).
Прегаева Елена Геннадьевна (Пермь, Россия) - студентка группы МАХП-15м Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; е-mail: [email protected]).
About the authors
Evgenij R. Moshev (Perm, Russian Federation) - Ph.D. of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Machines and apparatus of manufacturing processes, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation; е-mail: [email protected]).
Makar A. Romashkin (Perm, Russian Federation) - Ph.D. of Technical sciences, Expert of Department of information technology of LLC «Uralprombezopasnst», (4, Akademika Koroleva str., Perm, 614013, Russian Federation; e-mail: [email protected]).
Valerij P. Meshalkin (Moscow, Russian Federation) - Doctor of technical Sciences, Head of Department of Logistics and economic informatics, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia (9, Miuss-kaya sq., Moscow, 125047, Russian Federation; e-mail: clogist@мuсtr.ru).
Elena G. Pregaeva (Perm, Russian Federation) - Student, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation; е-mail: elena_pregaeva@ mail.ru).
