CC BY
7
УДК 004.942 ББК 32.965-024 В 58
Власенко Александра Владимировна
Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой компьютерных технологий и информационной безопасности института компьютерных систем и информационной безопасности Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: Alex_Vlasenko@list.ru Жданов Андрей Андреевич
Аспирант кафедры компьютерных технологий и информационной безопасности института компьютерных систем и информационной безопасности Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: Zhdanovandrey234@mail.ru
Структурная декомпозиция производственной системы с применением двухкритериального параметрического оценивания
(Рецензирована)
Аннотация. Решение задачи прогнозирования временных рядов производственных систем представляет собой сложную задачу, обусловленную, с одной стороны, неоднородностью отдельных компонентов в структуре процесса выполнения строительных работ и, с другой стороны, воздействием нерегулярных факторов случайного характера, связанных с отклонением от планового режима выполнения работ, что в совокупности приводит к неустранимой нестационарности и нелинейности. С целью автоматизации процесса структурной идентификации однородных компонентов в структуре производственной системы предложена методика двухкритериального параметрического оценивания на примере строительства нефтегазовых скважин, основанная на оценке фактического значения измеряемого показателя и расчете меры приближения системы к границам ресурсных ниш, соответствующих отдельным видам строительных работ. Применение разработанной методики позволит в автоматизированном режиме определить текущее состояние системы и спрогнозировать динамику ее будущего развития для объектов-аналогов. Эксперименты, подтверждающие эффективность разработанной методики структурной идентификации, проведены для 54 объектов, временные ряды которых представлены 2430 измерениями, средняя относительная ошибка идентификации составила 3%.
Ключевые слова: временной ряд, производственная система, строительство нефтегазовых скважин, структурная декомпозиция, алгоритм двухкритериальной параметрической идентификации, фазовый переход, прогнозирование.
Vlasenko Aleksandra Vladimirovna
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Computer Technologies and Information Security Department, Institute of Computer Systems and Information Security, Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: Alex_Vlasenko@list.ru
Zhdanov Andrey Andreevich
Post-graduate student of Computer Technologies and Information Security Department, Institute of Computer Systems and Information Security, Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: Zhdanovan-drey234@mail. ru
Structural decomposition of the production system with the use of two-criteria parametric estimation
Abstract. Solving the problem offorecasting the time series of production systems is a complex task, due, on the one hand, to the heterogeneity of individual components in the structure of the construction process and, on the other hand, to the effect of irregular random factors associated with deviations from the planned mode ofperformed works, which together leads to irremovable nonstationarity and nonlinearity. In order to automate the process of structural identification of homogeneous components in the structure of the production system, a two-criterion parametric estimation method is proposed based on the example of construction of oil and gas wells, based on estimating the actual value of the measured indicator and calculating the measure of approaching the system to the limit of resource niches corresponding to individual types of construction works. The application of the developed method will allow us to determine in the automated mode the current state of the system and predict the dynamics of its future development for objects-analogues. Experiments confirming the effectiveness of the developed method of structural identification were carried out for 54 objects, the time series of which are represented by 2430 measurements, the average relative identification error was 3%.
Keywords: time series, production system, construction of oil and gas wells, structural decomposition, algorithm of two-criteria parametric identification, phase transition, forecasting.
Введение
Производственные циклы предприятий, осуществляющих отдельные виды строительных работ, состоят из периодически повторяющихся совокупностей производительных и непроизводительных последовательно-параллельных технологических операций, отдельные группы которых в зависимости от промежуточной цели объединяются в виды этапов работ, а виды этапов работ в зависимости от общности условий протекающих процессов - в виды строительных работ.
Фактический состав информации, передаваемой с производственных объектов в базу данных предприятия, не несет в себе прямую информацию о структуре выполняемых работ, которая выражается категориальными переменными, а содержит в себе количественные характеристики об объеме выполненных работ, затратах времени на их выполнение, а также о количестве непроизводительного времени, связанного с отклонениями от хода работ, регламентированного рабочей, проектной и иной документацией.
Структура типовых технологических операций в каждой паре «вид строительных работ - вид этапа работ» уникальна и зависит от конкретных условий протекания процессов в производственных системах. В то же время объекты-аналоги характеризуются сопоставимым объемом работ в пределах однородных компонентов производственного цикла, что позволяет формировать прогнозы для временных рядов измеряемого показателя при идентификации текущего положения системы.
В указанных условиях с целью автоматизации процесса структурной идентификации принадлежности фактически выполняемых работ к одному из заранее определенных классов пары «вид строительных работ - вид этапа работ» в статье предложена методика двухкрите-риального параметрического оценивания, учитывающая степень ресурсных ограничений и фактическое значение измеряемого показателя, которые в совокупности определяют точку фазового перехода системы при достижении границы ресурсных ограничений.
1. Структура производственной системы строительства нефтегазовых скважин
Структура временного ряда строительства нефтегазовых скважин может быть представлена чередующимися интервалами с положительной проходкой и длительными интервалами нулевой проходки, что отвечает, соответственно, участкам бурения и крепления скважины.
В то же время процесс строительства нефтегазовых скважин характеризуется наличием участков непроизводительного времени, связанного с отказами в работе оборудования, нарушением технологии, сложностью геологических условий бурения, организации производственного процесса и режима работы персонала, а также влиянием внешних природно-климатических факторов.
Обобщенная структурная схема цикла строительства нефтегазовых скважин приведена на рисунке 1 [1-4].
Типовой состав информации, передаваемой с производственных объектов-скважин, включает в себя отметку о номере скважины, проходку за прошедшие сутки Hi, а также
грНПВ грПВ
продолжительность непроизводительного 11 и производительного 11 времени, что
является недостаточным для определения участков однородного поведения динамики проходки отдельно взятых нефтегазовых скважин.
2. Описание методики двухкритериальной структурной декомпозиции производственной системы на примере строительства нефтегазовых скважин
Рассмотрим временной ряд динамики проходки отдельно взятой скважины, график которой приведен на рисунке 2.
Точкам фазового перехода между участками с различным поведением соответствует один из двух факторов:
1) снижение величины ежесуточной проходки Hi до нуля, что соответствует или на-
чалу непроизводительного времени, или переходу к виду этапа работ - крепление скважины;
2) достижение границы ресурсной ниши, соответствующей проектной глубине спуска обсадных колонн, что соответствует фазовым переходам между отдельными видами строительных работ.
Рис. 1. Структурная схема цикла строительства нефтегазовых скважин
Рис. 2. Структурный анализ строительства нефтегазовой скважины
По результатам проведенного анализа геолого-технической информации, проектной документации и временного ряда динамики проходки установлена следующая структура производственного процесса строительства скважины [5]:
Участок № 1 соответствует виду строительных работ - направление, виду этапа работ - бурение. Для рассмотренного участка характерны следующие характеристические показатели:
И > 0, ¿И < «1, (1)
г=1
где «1 - граница ресурсной ниши, пересечение которой соответствует фазовому переходу с вида строительных работ - направление - к виду строительных работ - кондуктор.
Точка фазового перехода с вида этапа работ - бурение - к виду этапа работ - крепление - соответствует времени ^ = г, г = 1,2,...,Т, для которого Иi = 0.
Участок № 2 соответствует виду строительных работ - направление, виду этапа работ - крепление. Для рассмотренного участка характерны следующие характеристические показатели:
И > 0, ¿И < «1. (2)
г=1
Точка фазового перехода с вида строительных работ - направление - к виду строительных работ - кондуктор - соответствует времени 12 = г, г = 1,2,...,Т, для которого выполняется условие:
Т
«1 <Е Иг < «2 , (3)
г=1
где «2 - граница ресурсной ниши вида строительных работ - кондуктор.
Участок № 3 соответствует виду строительных работ - кондуктор, виду этапа работ - бурение. Для рассмотренного участка характерны следующие характеристические показатели:
Иг > 0, «1 <^Иг < «2. (4)
г=1
Точка фазового перехода с вида этапа работ - бурение - к виду этапа работ - крепление - соответствует времени t3 = г, г = 1,2,...,Т, для которого Иi = 0.
Участок № 4 соответствует виду строительных работ - кондуктор, виду этапа работ - крепление. Для рассмотренного участка характерны следующие характеристические показатели:
Иг = 0, «1 <^Иг < «2. (5)
г =1
Точка фазового перехода с вида строительных работ - кондуктор - к виду строительных работ - эксплуатационная - соответствует времени = г, г = 1,2,...,Т, для которого выполняется условие:
ЪИг > «2 . (6)
г =1
Участок № 5 соответствует виду строительных работ - эксплуатационная, виду этапа работ - бурение. Для рассмотренного участка характерны следующие характеристические показатели:
Иг > 0, ^Иг > «2. (7)
г=1
Точка фазового перехода с вида этапа работ - бурение - к виду этапа работ - крепление - соответствует времени t5 = г, г = 1,2,..., Т, для которого Иi = 0 .
Участок № 6 соответствует виду строительных работ - эксплуатационная, виду этапа работ - крепление. Для рассмотренного участка характерны следующие характеристические показатели:
И = 0, £Иг > а2. (8)
г=1
Рассмотренный алгоритм определения точек фазовых переходов в отдельных случаях может предоставлять ошибочные результаты, что связано с искажением общей картины производственного процесса по причине разрывов данных из-за непроизводительного времени, для которого характерны следующие особенности в зависимости от вида этапов работ:
1) на участках крепления - приводит к необоснованному увеличению продолжительности работы, которая на графике динамики проходки выражается ростом продолжительности нулевых циклов;
2) на участках бурения - приводит к снижению объемов суточной проходки.
Идентификация и удаление участков непроизводительного времени требует проведения процедуры предварительной подготовки данных.
3. Обсуждение результатов
Полученные после работы классификационного алгоритма структурные составляющие производственной системы включают в себя шесть групп данных, соответствующих уникальным комбинациям типа «вид строительных работ - вид этапа работ», для каждой из которых характерно однородное протекание процессов строительства скважин.
Покажем результаты работы предложенного алгоритма классификации и проведем оценку его эффективности. Для этого сопоставим фактические сведения о принадлежности работ к заданным классам с результатами работы алгоритма для набора данных, представленного N = 2430 измерениями в дискретные моменты времени, соответствующие шагу г = 1 сут для выборки из 54 объектов-скважин, характеризующихся схожими геологическими, технологическими, техническими и организационными условиями строительства.
Результаты сравнительного анализа представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты работы классис шкационного алгоритма
Вид строительных работ Вид этапа работ ^факт N 1 vпрогноз Абсолютная ошибка классификации Относительная ошибка классификации, %
Направление Бурение 111 109 2 1,8
Направление Крепление 164 172 8 4,9
Кондуктор Бурение 356 339 17 4,8
Кондуктор Крепление 354 365 11 3,1
Эксплуатационная Бурение 839 822 17 2,0
Эксплуатационная Крепление 606 623 17 2,8
Итого 2430 2430 72 3,0
Анализ полученных результатов показал приемлемую точность работы классификационного алгоритма, средняя относительная ошибка которого для всей выборочной совокупности составила 3%. Ошибки классификации связаны с отдельными изменениями глубины спуска обсадных колонн, а также остаточным влиянием граничных эффектов, соответствующих фазовым переходам.
4. Заключение
Таким образом, в ходе проведенного структурного анализа производственной системы строительства нефтегазовых скважин на примере ретроспективных данных, представленных выборкой из 54 объектов-аналогов, установлено 6 участков однородного поведения системы.
С целью автоматизированной идентификации точки фазового перехода и разделения временного ряда на отдельные участки, соответствующие однородным условиям протекания процессов, предложено проведение двухкритериального анализа, включающего оценку еже-
суточного показателя проходки и меру достижения границ ресурсных ниш.
Для повышения точности идентификации структурных составляющих производственной системы показана необходимость проведения предварительной подготовки данных, включающая процесс удаления из временного ряда непроизводительного времени и исключение влияния граничных эффектов, связанных с асимметрией шага дискретизации.
Примечания:
1. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин: учеб. для вузов. М.: Недра-Бизнесцентр, 2000. 679 с.
2. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: учеб. для вузов. М.: Недра-Бизнесцентр, 2001. 679 с.
3. Булатов А.И., Демихов В.И., Макаренко П.П. Контроль процессов бурения нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1998. 345 с.
4. Мартынюк В.Ф. Методология применения анализа риска в целях обеспечения промышленной безопасности на объектах нефтегазового комплекса: дис. ... д-ра техн. наук / Рос. гос. ун-т нефти и газа им. И.М. Губкина. М., 2009. 318 с.
5. Власенко А.В., Жданов А.А. Формализация представлений о производственной системе на примере процесса бурения нефтяных и газовых скважин // Евразийское научное объединение. 2018. Т. 1, № 5 (39). С. 43-46.
References:
1. Basarygin Yu.M., Bulatov A.I., Proselkov Yu.M. Complications and accidents during the drilling of oil and gas wells: a texbook for higher schools. M.: Ne-dra-Business Center, 2000. 679 pp.
2. Basarygin Yu.M., Bulatov A.I., Proselkov Yu.M. Technology of drilling oil and gas wells: a texbook for higher schools. M.: Nedra-Business Center, 2001. 679 pp.
3. Bulatov A.I., Demikhov V.I., Makarenko P.P. Control of processes of drilling oil and gas wells. M.: Nedra, 1998. 345 pp.
4. Martynyuk V.F. Methodology of applying risk analysis to ensure industrial safety at facilities of oil and gas complex: Diss. for the Dr. of Techn. Sciences degree / Russian State University of Oil and Gas of I.M. Gubkin. M., 2009. 318 pp.
5. Vlasenko A.V., Zhdanov A.A. Formalization of ideas about the production system based on the process of drilling of oil and gas wells // Eurasian Scientific Association. 2018. Vol. 1, No. 5 (39). P. 43-46.
