CC BY
7
УДК 658.514 : 004.8
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2023-5-6-109-113
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕФТЕТРАНСПОРТНЫМ ПРЕДПРИЯТИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА
IMPROVEMENT OF THE AUTOMATED DISPATCHING CONTROL SYSTEM OF AN OIL TRANSPORTATION ENTERPRISE BASED ON ARTIFICIAL INTELLIGENCE
Чижевская Е.Л.
Институт транспорта Тюменского индустриального университета, 625039, г. Тюмень, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0158-3538, E-mail: chizel76@yandex.ru
Резюме: В статье рассмотрены вопросы обеспечения эффективности диспетчерского управления предприятия трубопроводного транспорта за счет разработки комплексной автоматизированной системы. Представлены результаты анализа существующих систем, применяемых на разных уровнях управления предприятия, отражено дублирование функций. Обосновано, что предлагаемая система, объединяя функционал каждой из существующих, не столько устраняет их недостатки, сколько использует достоинства и возможности развития. Синергетиче-ский эффект будет достигнут за счет слияния данных и функций, выполняемых каждой из существующих информационных систем диспетчерского контроля и управления, а также использования инструментов искусственного интеллекта.
Ключевые слова: диспетчерское управление, искусственный интеллект, оперативный контроль и регулирование, автоматизированная система управления.
Для цитирования: Чижевская Е.Л. Совершенствование автоматизированной системы диспетчерского управления нефте-транспортным предприятием с использованием искусственного интеллекта // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 5-6. С. 109-113.
D0I:10.24412/0131-4270-2023-5-6-109-113
Благодарность: Автор благодарит за поддержку данного исследования национальный проект «Наука и университеты» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (FEWN-2021-0012).
Chizhevskaya Elena L.
Institute of Transport of Tyumen Industrial University, 625039, Tyumen, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0158-3538, E-mail: chizel76@yandex.ru
Abstract: The article deals with the issues of ensuring the efficiency of dispatching management of a pipeline transport enterprise through the development of an integrated automated system. The results of the analysis of existing systems used at different levels of enterprise management are presented, the duplication of functions is reflected. It is proved that the proposed system, combining the functionality of each of the existing ones, does not so much eliminate their shortcomings as uses the advantages and development opportunities. The synergetic effect will be achieved by merging the data and functions performed by each of the existing dispatching control and management information systems, as well as the use of artificial intelligence tools.
Keywords: dispatching control, artificial intelligence, operational control and regulation, automated control system.
For citation: Chizhevskaya E.L. IMPROVEMENT OFTHE AUTOMATED DISPATCHING CONTROL SYSTEM OF AN OIL TRANSPORTATION ENTERPRISE BASED ON ARTIFICIAL INTELLIGENCE. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2023, no. 5-6, pp. 109-113.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-5-6-109-113
Acknowledgments: The authors are grateful for the support of this study to the national project «Science and Universities» of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (FEWN-2021-0012).
В современных реалиях санкций и политической неопределенности, поиска новых рынков сбыта в рамках масштабной системы трубопроводного транспорта требуется разработка системы диспетчерского контроля и управления технологическими процессами нового поколения для предприятий отрасли, основанной на использовании искусственного интеллекта, внедрение которой способствует повышению эффективности основных процессов при расчете оптимального маршрута и затрат на транспортировку и эксплуатацию оборудования. Актуальность создания интеллектуальных систем управления стратегически важными объектами РФ обозначена в Национальной программе «Цифровая экономика РФ» (утв. президиумом Совета при президенте РФ по стратегическому развитию и национальным проектам, протокол от 04.06.2019 № 7), Национальной
стратегии развития искусственного интеллекта на период до 2030 года (указ президента РФ от 10.10.2019 г. № 490), программах нефтегазовых компаний и других документах. Современная стратегия цифровизации предусматривает разработку систем сбора и обработки информации как для оперативного регулирования производства, так и для принятия решений на кратко-, средне- и долгосрочную перспективу [1].
Для отраслевых предприятий, которые относятся к числу опасных производственных объектов, применение автоматизированных систем управления позволяет не только осуществлять эффективное управление техническим состоянием объектов в целях надежности и безопасности, но и обеспечивать возможности наиболее полного использования ресурсов в меняющихся условиях.
Системы, возникшие в результате развития информационных систем управления путем внедрения инструментов управления массивами данных, - системы поддержки принятия решений (СППР). Основным их назначением является представление исходных данных в форме, которая за счет удобства восприятия обеспечивает оперативность и качество принимаемых решений.
Для повышения эффективности системы диспетчерского контроля и управления на предприятиях трубопроводного транспорта используют такие системы, как: программный комплекс «Система поддержки принятия решений» (ПК СППР), система обнаружения утечек (СОУ), посуточный график движения нефти (ПГДН), автоматизированная система оперативного учета нефти (АСОУН), автоматизированная система контроля гидравлического уклона (АСК «Гидроуклон»), контроль нормативных параметров (КНП), централизованная система противоаварийной автоматики (ЦСПА). Каждая из указанных систем имеет свои функциональные особенности.
Программный комплекс «Система поддержки принятия решений» (ПК СППР) в трубопроводном транспорте - это непрерывно функционирующий программный комплекс, работа которого основана на использовании в качестве исходных данных технологических параметров работы трубопровода и физических свойств перекачиваемых углеводородов, а также на применении математической модели теплогидравлических расчетов по определению давлений, расходов и температур по длине трубопровода с учетом профиля трассы и эксплуатируемого оборудования.
Непрерывный мониторинг герметичности технологического участка магистрального трубопровода (МТ) на всех режимах его функционирования, включая нестационарные режимы и режим остановленной перекачки, осуществляется с помощью систем обнаружения утечек (СОУ). Особенностью таких систем является то, что контроль параметров осуществляется в режиме реального времени, что в условиях круглосуточного мониторинга и постоянного получения данных о состоянии объекта позволяет контролировать параметры работы и оперативно выявлять факты их отклонения от нормальных с выяснением причин (аварии, несанкционированные врезки и пр.).
Информационная поддержка деятельности сотрудников диспетчерских подразделений при оперативном контроле и диспетчерском сопровождении работы системы магистральных трубопроводов по обеспечению исполнения графика транспортировки углеводородов в соответствии с регламентом по технологическому управлению и контролю работ осуществляется посредством автоматизированной системы формирования, контроля и корректировки посуточного графика движения углеводородов (ПГДН).
Верхним уровнем автоматизированной системы оперативного учета углеводородов является программный комплекс «Автоматизированная система оперативного учета нефти» (АСОУН). Он предназначен для организации различных процессов и операций: централизованного анализа, управления учетными операциями и контроля деятельности персонала; централизованного контроля баланса углеводородов, транспортируемых по системе магистральных трубопроводов; централизованной оперативной инвентаризации углеводородов, транспортируемых по системе магистральных трубопроводов; сбора аналитических данных
для принятия решений и подведения итогов инвентаризации углеводородов, транспортируемых по системе магистральных трубопроводов и др.
В связи с этим достаточно сложно выделить главную цель создания АСОУН из общего многообразия решаемых задач: унификация расчета оперативного и ежемесячного исполнительного баланса углеводородов; автоматизация подготовки данных и отчетных форм для проведения инвентаризации углеводородов; минимизация человеческого фактора и ручного ввода данных; автоматизация учетных операций; контроль за системой транспортировки углеводородов и др.
Работа автоматизированной системы контроля гидравлического уклона (АСК «Гидроуклон») направлена на повышение безопасности эксплуатации МТ, достигаемой за счет: сокращения времени реакции диспетчерского персонала на возникновение аварийных ситуаций; автоматизации процесса контроля отклонений значений давлений и напоров на линейной части МТ от установившихся значений; унификации процесса контроля функционирования технологических участков МТ в организации.
АСК «Гидроуклон» является подсистемой единой системы диспетчерского управления и предназначена для контроля отклонений значений давлений и напоров на линейной части МТ от установившихся значений и соблюдения допустимых режимов перекачки по МТ. Неотъемлемой частью АСК «Гидроуклон» является визуализация отклонений от зафиксированных значений параметров режима, скорости изменения давлений в МТ и событий, связанных с изменением состояния оборудования СДКУ. Возможность представления данных с помощью графических средств существенно облегчает анализ истории изменения гидравлического режима на МТ.
Ряд значимых проблем обеспечения безопасной эксплуатации МТ и оборудования НПС решают с помощью системы «Контроль за нормативными параметрами работы» МТ (КНП). Она необходима для мониторинга соответствия фактических значений параметров работы оборудования МТ их нормативным значениям. Этот мониторинг осуществляет диспетчерский персонал управляющего диспетчерского пункта посредством тестирования. Основными функциями визуального представления результатов проводимого мониторинга являются: извещение о нарушениях нормативных параметров; квитирование аварийных сообщений; включение и выключение объектов в контроль; просмотр данных о состоянии нормативных параметров.
Система верхнего уровня АСУ ТП с исполнительной логикой, состоящая из комплекса программных и технических средств, интегрированных с системой диспетчерского контроля и управления, называется централизованной системой противоаварийной автоматики (ЦСПА). Она основывается на контроллере, который использует «горячее» резервирование, то есть дополнительные информационные мощности и поддерживает их в активном режиме с целью гибкого и оперативного увеличения пропускной способности и надежности автоматизированной системы.
Контролируя надежную и эффективную работу магистрального трубопровода, при возникновении аварийных ситуаций ЦСПА автоматически останавливает эксплуатацию проблемного технологического участка.
При внимательном рассмотрении функционала представленных систем можно заметить, что он в некоторых случаях
I
дублируется, причем представление информации в разных формах в ряде случаев не только не повышает, а даже, наоборот, снижает оперативность принятия решений.
Кроме того, следует отметить, что указанные системы используются на разных уровнях управления нефте-транспортным предприятием:
- районный диспетчерский пункт -ПГДН, АСОУН, АСК «Гидроуклон»;
- территориальный диспетчерский пункт - ПК СППР, СОУ, ПГДН, КНП, ЦСПА, СДКУ, АСОУН, АСК «Гидроуклон»;
- центральный диспетчерский пункт -ПГДН, СДКУ, АСОУН.
С учетом вышеприведенного возникают сомнения в системной комплексной эффективности применяемых программных продуктов, основной целью которых является обеспечение оперативности принятия решений на разных уровнях управления [2]. В рамках проведенного исследования был выполнен сравнительный анализ отдельных систем и дана оценка по ряду важных для диспетчерского управления критериев, к числу которых относятся: время на принятие решения, трудоемкость управления, высокая вероятность ошибки при корректировке, удобство восприятия, трудоемкость корректировки и др.
Из результатов анализа функций существующих информационных систем диспетчерского контроля и управления
Таблица 1
Функции существующих систем диспетчерского контроля и управления
Функция ПК СППР СОУ ПГДН АСОУН АСК ГУ КНП ЦСПА
Контроль показания датчиков давления + + + + +
Контроль состояния запорной арматуры + + + + +
Контроль состояния оборудования + + +
Контроль расхода углеводородов + + + +
Контроль плотности углеводородов + + + +
Контроль сбалансированности движения углеводородов + + +
Исходные данные по технологическим схемам
можно сделать вывод, что большая часть из них дублирует друг друга (табл. 1).
Системы ПГДН и АСОУН дополняют друг друга, ПГДН предназначен для планирования перекачки, АСОУН - для контроля фактического объема перекачиваемой продукции, КНП, АСК «Гидроуклон», ЦСПА обеспечивают контроль датчиков давлений.
Результаты сравнительной оценки позволяют заключить, что объективно актуальна разработка единой интегрированной системы, позволяющей с учетом уровня системы управления осуществлять подбор и обработку оперативных
I
Таблица 2
Оценка эффективности автоматизированных систем управления нефтетранспортного предприятия
Система Достоинства Недостатки Оценка эффективности по критериям*
1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 Итого
Информирование диспетчера о возникновении и/
или возможностях возникновения внештатных Требует корректировки при изменении
ПКСППР ситуаций, иформирование подсказок о его действиях. Формирование долгосрочных прогнозов режимов и параметров системы транспортировки продукта технологии. Мало распространена, реализована на отдельных ТУ 4 3 3 7 1 18
СОУ Определение координаты возникновения утечки, времени возникновения и величины утечки Требует корректировки при изменении технологии. Сообщения об утечке через 6 мин 1 4 2 3 1 11
Формирование на уровне ТДП филиала посуточного Ручной ввод данных «план-факт». Отсутствует
ПГДН графика движения углеводородов по системе МТ ПАО на расчетный период. оперативный учет и общая схема от поставщика до потребителя углеводородов 3 7 2 5 4 21
АСОУН Централизованный контроль баланса углеводородов, транспортируемых по системе магистральных трубопроводов Требует корректировки при изменении технологии. Не учитывается план перекачки. 3 9 4 6 9 31
АСК Гидроуклон Контроль отклонений значений давлений и напоров Требует корректировки при изменении технологии. Отсутствует контроль состояния запорной арматуры и технологии на площадочных объектах
на линейной части МТ от нормативных. Контроль 10 8 6 7 8 39
соблюдения допустимых режимов перекачки по МТ
Извещение о нарушениях нормативных параметров. Требует корректировки при изменении
КНП Просмотр данных о состоянии нормативных параметров технологии. На уровне ОСТ нефункционален, большое количество параметров 2 1 3 2 3 11
ЦСПА Контроль аварийного давления на ЛЧ МТ. Контроль перекрытия потока задвижкой на работающем трубопроводе. Аварийная остановка ТУ по сигналу от ЦСПА Требует корректировки при изменении технологии. В алгоритмах использует комбинации задвижек 9 8 2 9 6 34
* Оцениваемые критерии: 1 - время на принятие решения; 2 - трудоемкость управления; 3 - высокая вероятность ошибки при корректировке; 4 -удобство восприятия системы; 5 - трудоемкость корректировки.
+
+
+
+
+
Вывод об эффективности
данных, предоставляя возможности осуществления требуемой в каждой конкретной задаче выборки и подготовки обработанного массива данных для принятия управленческих решений [3].
На основе результатов проведенного подробного анализа каждой из существующих информационных систем контроля и управления производственными объектами, а также практики их применения представляется возможным выполнить сравнительную характеристику, оценивая при этом критериально достоинства и недостатки каждой системы. Оценка выполнена экспертами из числа ведущих специалистов отрасли по 10-балльной шкале с соблюдением требований к проведению экспертных оценок. В качестве примера в табл. 2 представлены достоинства и недостатки применяемых систем, а также результаты экспертной оценки их эффективности.
По результатам анализа эффективности существующих информационных систем можно сделать следующие выводы:
- системы дублируют друг друга, выполняя одни те же функции;
- большое количество систем увеличивает нагрузку на диспетчерский персонал и повышает потребность в нем;
- функционал систем диспетчерского контроля и управления технологическими процессами не соответствует современным требованиям оперативности, что во многом определяет корректность прогноза показателей развития предприятия;
- системы статичны, любые изменения требуют больших затрат ресурсов.
Наиболее проблемным является вывод о несоответствии некоторых систем современным требованиям. Естественно применяемые методы управления повышают информационную нагрузку на человека и, ограничивая эффективность принятия решения, увеличивают количество ошибок диспетчерского персонала.
В Тюменском индустриальном университете разработана оболочка интеллектуальной системы диспетчерского контроля и управления (ИСДКиУ). Построенная на принципах предиктивного контроля и машинного обучения, ИСДКиУ имеет некоторые отличительные особенности. Это единая система, куда поступают все данные, исключается дублирование систем и функций. Она позволяет работать с большим объемом данных и обладает динамичностью, адаптивностью и обучаемостью. Принятие решений, управление системой и оборудованием осуществляется в режиме реального времени с минимальным участием персонала за счет использования искусственного интеллекта. Применение системы позволяет осуществлять предиктив-ный мониторинг состояния системы в различных условиях эксплуатации, разных гидравлических режимах, с учетом влияния внешних факторов и др. [4].
В ИСДКиУ включены новые функции, значительно повышающие в целом эффективность работы системы и принятия решений. В числе задач, решаемых предлагаемой
Таблица 3
Оценка эффективности предлагаемой интеллектуальной системы диспетчерского контроля и управления
Критерий Значение
Время на принятие решения 10
Трудоемкость управления 9
Высокая вероятность ошибки при корректировке 9
Удобство восприятия 9
Трудоемкость корректировки 10
Итого 47
Эффективна
системой диспетчерского контроля и управления, можно выделить следующие наиболее актуальные:
- составление прогноза затрат на транспорт углеводородов;
- оптимизация транспортных потоков;
- составление прогноза затрат на строительство нового МТ;
- оценка рисков и возможного ущерба с учетом фактического состояния системы;
- оценка надежности оборудования и объектов в целом;
- составление прогнозов и трендов;
- расчет затрат на реконструкцию МТ и станционных объектов для реализации реверсной перекачки;
- расчет зависимостей и влияния факторов на выход из строя оборудования;
- составление прогнозов на основе предиктивного анализа трендов и сценариев.
Авторская методология предусматривает применение адаптивного математического аппарата анализа данных для решения конкретных групп задач. Оценка эффективности принятия системой решений может быть выполнена с использованием графовых моделей, в том числе с подкреплением, моделей нейродинамического программирования. Особенностью применения графовых моделей с подкреплением и нейродинамического программирования является возможность их использования в условиях неполной информации, а также адаптивный характер. Достоинство разработанной интегрированной системы заключается в том, что она может объединять матрицы существующих систем, дополняя и корректируя каждую из них в отдельности, используя достоинства и возможности развития. Синергетический эффект будет достигнут за счет слияния данных и функций, выполняемых каждой из существующих информационных систем диспетчерского контроля и управления.
В табл. 3 представлены результаты экспертной оценки внедрения предлагаемой системы.
Внедрение новой системы диспетчерского контроля и управления с использованием искусственного интеллекта обеспечит управление технологическими переключениями со снижением участия человека, что приведет к оптимизации мощностей используемых в настоящее время информационных систем, значительно повысит качество принимаемых решений и обеспечит управление как текущими оперативными данными, так и прогнозом развития ситуации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Квасов И.Н., Лучкин Н.А., Земенкова М.Ю. Автоматизация мониторинга состояния эксплуатации опасных производственныхобъектов газотранспортной системы // Изв. высш. учеб. заведений. Нефть и газ. 2022. № 2. С.61-74.
2. Zemenkov Yu.D., ShalayV.V., Zemenkova M.Yu. Expert Systems of Multivariable Predictive Control of Oil and Gas Facilities Reliability. Direct text. Procedia Engineering. 2015. Vol. 113.P. 312-315.
3. Земенкова М.Ю. Методологическое обеспечение экспертных систем мониторинга показателей надежности объектов трубопроводного транспорта углеводородов.Тюмень: Изд-во ТИУ, 2018. 411 с.
4. Земенкова М.Ю., Чижевская Е.Л., Земенков Ю.Д. Интеллектуальное управление состоянием систем транспорта углеводородов с использованием нейросетевой идентификации // Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2021. № 1(77). С. 50-55.
REFERENCES
1. Zemenkova M.YU. Metodologicheskoye obespecheniye ekspertnykh sistem monitoringa pokazateley nadezhnosti ob»yektov truboprovodnogo transporta uglevodorodov [Methodological support for expert systems for monitoring reliability indicators of hydrocarbon pipeline transport facilities]. Tyumen, TIU Publ., 2018. 411 p.
2. Zemenkova M.YU., Chizhevskaya YE.L., Zemenkov YU.D. Intelligent control of the state of hydrocarbon transport systems using neural network identification. Truboprovodnyy transport: teoriya ipraktikа, 2021, no. 1(77), pp. 50-55 (In Russian).
3. Zemenkov YU.D., Shalay V.V., Zemenkova M.YU. Expert systems of multivariable predictive control of oil and gas facilities reliability. Direct text. Procedia Engineering, 2015, vol. 113, pp. 312-315.
4. Kvasov I.N., Luchkin N.A., Zemenkova M.YU. Automation of monitoring the state of operation of hazardous production facilities of the gas transportation system. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Neft' i gaz, 2022, no. 2, pp. 61-74 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS ~
Чижевская Елена Леонидовна, к.э.н., доцент кафедры транспорта Elena L. Chizhevskaya, Cand. Sci. (Econ.), Assoc. Prof. of the Department
углеводородных ресурсов, Институт транспорта Тюменского of Transport of Hydrocarbon Resources, Institute of Transport of Tyumen
индустриального университета. Industrial University.
