CC BY
4
AUNIVERSUM:
№ 9 (126)_m ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_сентябрь. 2024 г.
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
DOI - 10.32743/UniTech.2024.126.9.18214
ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА И АНАЛИЗА ДАННЫХ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕМЕТРИИ ГАЗОПРОВОДОВ
Конохов Андрей Владимирович
директор департамента по работе с ключевыми клиентами
Сектор нефти и газа, ООО «ОриксТех», РФ, г. Москва E-mail: konokhov. andrey@gmail. com
TECHNOLOGIES FOR MONITORING AND DATA ANALYSIS IN GAS PIPELINE TELEMETRY SYSTEMS
Andrey Konokhov
Director of Key Accounts Department, Oil and gas sector, OOO OryxTech, Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
В статье рассматриваются современные технологические разработки и инициативы, позволяющие осуществлять мониторинг и анализ данных в системах телеметрии газопроводов, которые играют ключевую роль в обеспечении безопасной и эффективной эксплуатации трубопроводных систем. Актуальность данного исследования обусловлена существенным ужесточением требований к надежности и безопасности транспортировки газа, а также необходимостью интеграции передовых информационных технологий для предупреждения аварийных ситуаций. Целью является исследование и характеристика технологических аспектов мониторинга, анализа в рассматриваемой области. В результате автор приходит к выводу о необходимости комплексного применения различных технологий в зависимости от специфики участка газопровода и аналитико-мониторинговых задач. Особое внимание уделено следующим вопросам: основные компоненты систем телеметрии газопроводов, инновационные технологии мониторинга, методы анализа данных в телеметрических системах, интеграция данных и поддержка принятия управленческих решений. В качестве новизны выступает то, что автором систематизированы преимущества и недостатки технологий мониторинга и анализа данных в системах телеметрии газопроводов. Помимо этого, выделены перспективы дальнейшего развития в области повышения точности и результативности мониторинговых действий за счёт интеграции инновационных методов.
ABSTRACT
The article discusses modern technological developments and initiatives that allow monitoring and analysis of data in gas pipeline telemetry systems, which play a key role in ensuring safe and efficient operation of pipeline systems. The relevance of this study is due to a significant tightening of requirements for the reliability and safety of gas transportation, as well as the need to integrate advanced information technologies to prevent emergencies. The purpose is to study and characterize the technological aspects of monitoring and analysis in the field under consideration. As a result, the author comes to the conclusion about the need for the integrated application of various technologies, depending on the specifics of the gas pipeline section and analytical and monitoring tasks. Special attention is paid to the following issues: the main components of gas pipeline telemetry systems, innovative monitoring technologies, data analysis methods in telemetry systems, data integration and management decision support. The novelty is that the author systematized the advantages and disadvantages of monitoring and data analysis technologies in gas pipeline telemetry systems. In addition, prospects for further development in the field of improving the accuracy and effectiveness of monitoring actions through the integration of innovative methods are highlighted.
Ключевые слова: авторегрессионные модели, анализ данных, беспилотные летательные аппараты, газопроводы, мониторинг, системы управления, телеметрия.
Keywords: autoregressive models, data analysis, unmanned aerial vehicles, gas pipelines, monitoring, control systems, telemetry.
Библиографическое описание: Конохов А.В. ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА И АНАЛИЗА ДАННЫХ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕМЕТРИИ ГАЗОПРОВОДОВ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2024. 9(126). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/18214
Введение
В современном мире газотранспортная система играет фундаментальную роль в обеспечении энергетической безопасности и экономического развития многих государств. Результативное функционирование столь сложной инфраструктуры невозможно без применения передовых технологий в области мониторинга, а также анализа данных. Системы телеметрии газопроводов представляют собой комплекс технических средств и программного обеспечения, позволяющий осуществлять непрерывный контроль за состоянием трубопроводов, оборудования, качеством транспортируемого газа.
Проблема исследования заключается в том, что существующие системы телеметрии газопроводов не всегда обеспечивают достаточную эффективность и точность мониторинга параметров трубопроводной сети в режиме реального времени, что затрудняет оперативное выявление и предупреждение аварийных ситуаций, а также оптимизацию эксплуатационных процессов. В дополнение к отмеченному, большие объемы собираемых телеметрических данных требуют разработки более совершенных методов их анализа и интерпретации для принятия аргументированных управленческих решений.
Методы и материалы
При написании статьи автором применены методы сравнения, анализа научных публикаций, а также обобщения. Литература, посвященная технологиям мониторинга и анализа данных в системах телеметрии газопроводов, охватывает множество подходов — от интеллектуальных систем до использования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и авторегрессионных моделей. Эти исследования уместно сгруппировать по тематикам.
Так, А.Б. Васенин и соавторы подробно рассматривают систему интеллектуального мониторинга магистрального газопровода. Они делают акцент на применении современных информационных технологий для обеспечения безопасности и эффективной эксплуатации. В их работе особое внимание уделяется интеграции различных систем и использованию искусственного интеллекта для прогнозирования возможных аварийных ситуаций [1]. Исследования
В.А. Вуколова [3] и В.А. Хмелевской [10] посвящены характеристике роли систем телеметрии в обеспечении надежности функционирования газопроводов. В.Ю. Иткин и коллеги исследуют возможность использования авторегрессионных моделей для выявления недостоверных показаний телеметрии, что является важным шагом в направлении повышения точности и достоверности данных [5]. В этом контексте работа К. Ли и А.М. Короленка дополняет данный подход, предлагая задачи аналитической системы мониторинга, что позволяет глубже анализировать работоспособность газопроводов [7]. А.А. Ливин и соавторы описывают опыт использования цифровых данных, полученных с беспилотных летательных аппаратов, для мониторинга в рассматриваемой сфере. Они подчеркивают действенность этого метода в условиях, где традиционные методы могут быть менее эффективными или недоступными [8]. Аналогично С.Л. Голофаст исследует методы мониторинга надежности линейных участков газопровода, делая акцент на различных эксплуатационных периодах [4].
Противоречия в научных трудах касаются, главным образом, выбора оптимальных методов и подходов к мониторингу, анализу. В частности, существуют разногласия относительно необходимости внедрения интеллектуальных систем и задействования сложных аналитических моделей.
Результаты и обсуждение
Телеметрия газопроводов представляет собой систему дистанционного измерения и передачи данных о параметрах их работы (давление, температура, скорость потока, состояние оборудования и прочее). Эти сведения передаются в реальном времени на центральные диспетчерские пункты для мониторинга, анализа, управления эксплуатацией трубопроводов, что позволяет оперативно реагировать на возможные аварийные ситуации, а также оптимизировать процесс транспортировки газа.
В первую очередь, необходимо отметить, что современные системы телеметрии газопроводов представлены следующими базовыми элементами (рис. 1):
7universum.com
№ 9 (126)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
сентябрь, 2024 г.
Рисунок 1. Элементы современной системы телеметрии газопроводов (составлено автором на основе [3, 5, 6,10])
Так, сенсоры, датчики представляют собой устройства, преобразующие физические параметры (давление, температуру, расход газа) в электрические сигналы.
В свою очередь, контроллеры и устройства сбора данных — оборудование, обеспечивающее первичную обработку и накопление информации с датчиков.
Относительно каналов связи речь идёт о средствах передачи сведений от удаленных объектов к центрам управления:
• спутниковая связь;
• оптоволоконные линии;
• радиоканалы.
Серверы и базы данных — весьма значимая инфраструктура для хранения и обработки больших объемов телеметрической информации.
Программное обеспечение для визуализации и анализа данных характеризуется инструментарием, позволяющим операторам и аналитикам интерпретировать полученную информацию.
Далее следует перейти к рассмотрению инновационных технологий мониторинга, описываемых во множестве научных работ [1, 2, 4, 7, 8, 9].
Так, одной из наиболее перспективных из них является применение оптоволоконных систем распределенного измерения. Принцип их работы базируется
на анализе обратного рассеяния света в оптическом волокне, проложенном вдоль трубопровода. Эта технология позволяет:
• определять температурный профиль по всей длине газопровода с разрешением до 1 метра;
• выявлять участки с аномальным распределением температуры, что может свидетельствовать об утечках или других нарушениях;
• обнаруживать деформации трубопровода, вызванные внешними воздействиями или изменениями грунта.
Помимо этого, использование дронов для инспекции газопроводов становится все более распространенной практикой. Как отмечают А.А. Ливин с соавторами, беспилотники, оснащенные высокоточными камерами и тепловизорами, способны:
• проводить регулярные облеты трассы газопровода, выявляя несанкционированные работы в охранной зоне;
• осуществлять тепловизионную съемку для обнаружения утечек газа;
• создавать детальные 3D-модели местности для оценки геологических рисков.
Что касается методов анализа данных в системах телеметрии, то речь идёт о следующих вариантах (рис. 2):
Рисунок 2. Методический инструментарий анализа данных в системах телеметрии (составлено автором на основе [3, 5, 6,10])
Так, применение алгоритмов машинного обучения позволяет существенно повысить эффективность анализа телеметрических данных: прогнозирование отказов оборудования на основе анализа ретроспективной информации и текущих показателей; оптимизация режимов работы компрессорных станций с учетом множества параметров; выявление аномалий в функционировании системы, не обнаруживаемых традиционными методами. Создание «цифровых двойников» — виртуальных моделей реальных
объектов газотранспортной инфраструктуры — открывает дополнительные возможности для анализа и оптимизации: моделирование различных сценариев работы системы в режиме реального времени; проведение виртуальных испытаний новых режимов эксплуатации без риска для оборудования; обучение персонала с опорой на симуляции нештатных ситуаций.
На основе рассмотренного выше была составлена сравнительная таблица 1.
Таблица 1.
Характеристика преимуществ и недостатков технологий мониторинга и анализа данных в системах телеметрии газопроводов (составлено автором)
Технология Описание Преимущества Недостатки
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) Система сбора, передачи и анализа данных в реальном времени с различных датчиков и устройств. Высокая скорость передачи данных. Встроенные инструменты для анализа. Широкая масштабируемость. Высокая стоимость внедрения. Сложность интеграции с новыми системами. Требует высокой квалификации операторов.
GIS (Geographic Information Systems) Система для мониторинга и анализа пространственных данных (географическое расположение трубопроводов). Визуализация на основе карт. Точное определение местоположения аномалий. Простота анализа данных. Высокие затраты на получение и обновление геоданных. Ограниченная аналитика вне геоконтекста.
Системы оптоволоконного мониторинга (DTS, DAS) Использование оптоволокна для мониторинга температуры и акустических сигналов по всей длине трубопровода. Высокая чувствительность к изменениям температуры и звука. Возможность мониторинга в режиме реального времени. Высокая стоимость установки. Требуется сложная калибровка и интерпретация данных.
Ультразвуковые системы мониторинга Использование ультразвуковых сенсоров для контроля толщины стенок труб и обнаружения утечек. Высокая точность измерений. Возможность раннего обнаружения дефектов. Ограниченная область применения (только участки трубопровода). Высокая стоимость сенсоров.
Технология Описание Преимущества Недостатки
Системы на основе беспилотников (дронов) Использование дронов для визуального и термографического мониторинга трубопроводов. Возможность мониторинга труднодоступных участков. Быстрая реакция на аварии. Ограниченное время полета. Зависимость от погодных условий. Необходимость частого обслуживания.
Системы мониторинга на основе1оТ (Интернет вещей) Сеть датчиков, объединенных через Интернет для сбора и передачи данных. Низкая стоимость установки. Гибкость и масштабируемость. Мгновенная передача данных. Потенциальные риски безопасности. Зависимость от качества интернет-соединения.
Аналитика на основе искусственного интеллекта (ИИ) Использование ИИ для анализа больших объемов данных и прогнозирования аварийных ситуаций. Высокая точность прогнозов. Автоматическое выявление аномалий. Снижение операционных затрат. Высокие требования к качеству данных. Сложность внедрения и настройки алгоритмов.
Целесообразно обратить внимание на нюансы интеграции данных и системы поддержки принятия решений. Эффективное управление газотранспортной системой требует комплексного подхода к анализу данных. Современное сопровождение основывается на интегрировании сведений из различных источников:
• телеметрические данные реального времени;
• ретроспективная информация касательно работы оборудования и инцидентов;
• метеорологические прогнозы;
• геологические данные;
• сведения о планируемых ремонтных работах и техническом обслуживании.
Рассматриваемая интеграция позволяет: оперативно реагировать на изменения в работе системы, оптимизировать график технического обслуживания и ремонтов, повышать энергоэффективность транспортировки газа.
Как представляется, в перспективе развитие систем телеметрии газопроводов будет происходить в следующих направлениях:
• увеличение автономности мониторинга за счет применения энергоэффективных датчиков и альтернативных источников питания;
• развитие технологий «Edge computing» для предварительной обработки данных непосредственно на удаленных объектах;
• внедрение квантовых сенсоров, обладающих сверхвысокой чувствительностью для обнаружения микроутечек газа;
• использование технологий дополненной реальности в целях визуализации телеметрических данных при проведении ремонтных работ;
• интеграция систем с глобальными разработками в области экологического мониторинга для оценки влияния газотранспортной инфраструктуры на окружающую среду.
Выводы
Развитие технологий мониторинга и анализа данных в системах телеметрии газопроводов играет ключевую роль в обеспечении надежности и результативности газотранспортной инфраструктуры. Интеграция передовых сенсорных технологий, методов машинного обучения, систем поддержки принятия решений позволяет не только повысить безопасность эксплуатации газопроводов, но и оптимизировать экономические показатели их работы. В будущем ожидается дальнейшее совершенствование характеризуемых технологий, что приведет к выработке ещё более интеллектуальных и автономных систем управления газотранспортными сетями.
Также очень важно сосредоточиться и на последующей проработке концептуальных положений, принимая в учёт существующие противоречия, обнаруживаемые в научных публикациях, когда одни исследователи настаивают на важности применения авторегрессионных моделей для повышения точности данных, а другие фокусируются на использовании более традиционных или инновационных (но менее аналитически сложных) подходов (системы на основе ИИ либо применение БПЛА). Эти различия в позициях и взглядах указывают на необходимость дальнейших исследований — в целях определения наиболее эффективных и надёжных методов мониторинга и анализа данных в системах телеметрии газопроводов.
Список литературы:
1. Васенин А.Б. Система интеллектуального мониторинга состояния магистрального газопровода «Сахалин-Хабаровск-Владивосток» / А.Б. Васенин, С.Е. Степанов, О.В. Крюков // Автоматизация и 1Т в нефтегазовой области. - 2019. - № 2 (36). - С. 40-53.
2. Василенко А.Ф. Анализ состояния защиты газопроводов и особенности управления и связи с высшими звеньями их мониторинга / А.Ф. Василенко, Н.В. Василенко, В.В. Богданов // Научные чтения имени профессора Н.Е. Жуковского. Сборник научных статей IX Международной научно-практической конференции. - Краснодар: 2019. - С. 320-324.
№ 9(126)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
• 7univer5um.com
сентябрь, 2024 г.
3. Вуколов В.А. Система телеметрии на газопроводе / В.А. Вуколов // Вестник магистратуры. - 2020. -№ 2-6 (101). - С. 19-20.
4. Голофаст С.Л. Мониторинг надежности линейных участков магистрального газопровода в различные периоды эксплуатации / С.Л. Голофаст // Безопасность труда в промышленности. - 2019. - № 7. - С. 7-14.
5. Иткин В.Ю. Выявление недостоверных показаний данных телеметрии магистрального газопровода с использованием авторегрессионных моделей / В.Ю. Иткин, М.С. Ульянов, В.В. Южанин // Сборник докладов IV Региональной научно-технической конференции «Губкинский университет в решении вопросов нефтегазовой отрасли России». - Москва: 2020. - С. 270.
6. Кузнецова Г.А. Влияние систем телеметрии пунктов редуцирования газа на параметры эксплуатации газораспределительных систем / Г.А. Кузнецова, Д.Ю. Шафеев, С.Н. Кузнецов // Градостроительство. Инфраструктура. Коммуникации. - 2022. - № 1 (26). - С. 23-27.
7. Ли К. Задачи аналитической системы мониторинга работоспособности магистральных газопроводов / К. Ли, А.М. Короленок // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. - 2022. - № 2 (128). - С. 88-93.
8. Ливин А.А. Опыт мониторинга магистральных газопроводов с применением цифровых данных беспилотного летательного аппарата / А.А. Ливин, Ю.В. Кудинов, В.Ф. Баширов, Р.Р. Гайнетдинов // Газовая промышленность. - 2023. - № 7 (851). - С. 80-84.
9. Сямро Н.И. Информационная модель систем мониторинга магистральных нефте- и газопроводов / Н.И. Сямро // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. -Белгород: 2019. - С. 3007-3010.
10. Хмелевская В.А. Система телеметрии в эксплуатации газопроводов / В.А. Хмелевская // Актуальные проблемы строительства, ЖКХ и техносферной безопасности. Материалы X Всероссийской (с международным участием) научно-технической конференции. - Волгоград: 2023. - С. 92-94.
