ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Міністерство освіти і науки України
Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “
Харківський авіаційний інститут”
Рамірес Малдонадо Томас
| УДК 519.876.2 :004.358 + 65.012.34 |
АНАЛІЗ, моделЮВАННЯ TA УПРАВЛІННЯ ПОТОКОВИМИ ПРОЦЕСАМИ АВТОМАТИЗОВАНОГО КОМПЛЕКСУ ТРАНСПОРТУВАННЯ НАФТИ
05.13.06 - Автоматизовані системи управління та
прогресивні інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Федорович Олег Євгенович,
Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”,
завідувач кафедри інформаційних управляючих систем.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Петров Едуард Георгійович,
Харківський національний університет радіоелектроніки,
завідувач кафедри системотехніки;
доктор технічних наук, професор
Краснобаєв Віктор Анатолійович,
Харківський державний технічний університет сільського господарства,
професор кафедри автоматизації та комп’ютерних технологій.
Провідна установа
Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра системного аналізу і управління, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.
Захист відбудеться “_14_” _листопада_ 2003р. о _14 00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.01 в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”.
Автореферат розісланий “_23_” __вересня_ 2003р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради __________________ Чумаченко І.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми досліджень. Однією з найважливіших, складових, паливно-енергетичного комплексу будь-якої країни є нафтовидобувна і нафтопереробна промисловість. Попит на енергоносії та сировину для нафтопереробних підприємств, що постійно збільшується, диктує необхідність пошуку нових рішень у задачах організації й управління технологічним комплексом видобутку, переробки і транспортування нафти (ТКВПТН).
У розвитку нафтовидобувної промисловості відбувається новий етап, пов'язаний з комплексуванням та інтегрованим автоматизованим управлінням процесів видобутку, переробки і транспортування нафти. Створення інтегрованого автоматизованого комплексу видобутку, переробки і транспортування нафти вимагає вирішення цілого ряду наукових і прикладних проблем і задач, основними з яких є:
-
системне комплексування потокових процесів видобутку, переробки і транспортування нафти;
-
розробка підходів, методів створення інтегрованих інформаційно-управляючих систем, що враховують специфіку і розподілений характер нафтовидобувних і нафтопереробних виробництв;
-
створення математичних методів аналізу ТКВПТН і синтезу інтегрованих управляючих систем.
Існуючі підходи до аналізу і створення складних розподілених технологічних комплексів в основному спрямовані на розв’язання окремих задач. В них не повною мірою використано системні технології, методи промислової логістики, крім того, відсутній інструментарій моделювання потокових процесів ТКВПТН. Тому актуально створення таких методів і моделей, що дозволили б системно проаналізувати розподілений технологічний комплекс, використовуючи сучасні інформаційні технології, підвищити ефективність роботи управлінського персоналу інтегрованих автоматизованих інформаційно-управляючих систем (ІАІУС) ТКВПТН.
У зв'язку з цим тема дисертації має важливе наукове та прикладне значення, оскільки вона спрямована на вирішення актуальної наукової прикладної задачі розробки системних методів аналізу та моделювання потокових процесів для управління технологічним комплексом транспортування нафти, які дозволяють підвищити ефективність управління в розподілених системах, враховуючи сучасні ринкові відносини.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у межах НДР, здійснюваних у 1999-2003 рр. у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” на кафедрі інформаційних управляючих систем відповідно до планів держбюджетних НДР Міністерства освіти і науки України “Методологічні основи синтезу системних технологій управління проектами та програмами щодо створення складних аерокосмічних комплексів” (ДР №0100U003443), “Системні та інформаційні технології формування та управління великомасштабними проектами та програмами” (ДР №0102U004181), “Розробка методологічних принципів, методів і математичних моделей логістичного аналізу та управління складними технологічними комплексами” (ДР №0103U004180), національної програми розвитку нафтовидобувної промисловості Мексики, програми розвитку Державної компанії PEMEX (Мексика).
Особистий внесок автора в зазначених НДР полягає в розробці: системних принципів створення складних технологічних систем; архітектури інтегрованих автоматизованих систем управління; моделей аналізу розподілених технологічних систем; структури імітаційної моделі аналізу управління потоковими процесами; вимог до початкових даних і результатів моделювання потокових процесів.
Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності управління ТКВПТН з урахуванням його розподіленості і багаторівневості шляхом використання системних уявлень процесів управління, імітаційного моделювання потокових процесів і прикладних інформаційних технологій планування, прогнозування і управління.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
1)
аналіз сучасних технологій і методів аналізу й управління ТКВПТН;
2)
формування системного подання процесів управління транспортуванням нафти;
3)
розробка системної імітаційної моделі аналізу і управління потоковими процесами транспортування нафти;
4)
синтез знанняорієнтованних інформаційних структур для дослідження динамічних процесів транспортування нафти;
5)
формування складу і структури програмно-алгоритмічного забезпечення моделювання процесів управління транспортуванням нафти;
6)
проведення комплексу моделюючих досліджень процесів управління транспортуванням нафти;
7)
впровадження результатів дослідження в практику розробки і експлуатації ІАІУС ТКВПТН.
Об'єктом дослідження є потокові процеси транспортування нафти.
Предметом дослідження є методи, моделі й прикладні інформаційні технології аналізу, прогнозування, планування і управління транспортуванням нафти.
Методи досліджень. Проведені дослідження ґрунтуються на використанні методів системного аналізу і теорії ієрархічного управління для системного подання процесів управління ТКВПТН; для опису механізмів управління потоковими процесами в ТКВПТН на всіх рівнях використовують логічні уявлення у вигляді алгоритмічних моделей; імітаційного моделювання для аналізу динаміки процесів управління транспортуванням нафти; сучасні інформаційні технології для розробки програмних засобів аналізу процесів управління транспортуванням нафти. Ці методи дозволили найбільш повно, адекватно і коректно описувати й аналізувати ТКВПТН.
Наукова новизна одержаних результатів:
1)
одержали подальший розвиток:
-
системний підхід у галузі формалізації, структуризації та деталізації ІАІУС, що дозволяє підвищити ефективність і якість аналізу ТКВПТН;
-
метод імітаційного моделювання, оснований на знанняорієнтованому поданні, що дає можливість з високим ступенем деталізації, докладно й адекватно описувати потокові процеси та управління в ТКВПТН;
2)
удосконалено уявлення процесів управління транспортуванням нафти за допомогою побудови алгоритмічних моделей, що дозволяє формалізувати опис процесів управління ТКВПТН на всіх рівнях його системного подання;
3)
вперше комплексно, за допомогою структурного, логічного і динамічного уявлень описано ТКВПТН у вигляді потокових процесів закінченого логістичного ланцюга видобуток – переробка – транспортування – збут, що забезпечує, в порівнянні з існуючими методами, системність досліджень, підвищує адекватність моделей і вірогідність результатів.
Усі перераховані результати досліджень з урахуванням досягнутого рівня новизни є теоретичною основою для вирішуваної науково-прикладної задачі.
Багаторічний досвід автора в області досліджень процесів управління видобутком, переробкою і транспортуванням нафти дозволив коректно системно уявити ТКВПТН і вибрати адекватні методи аналізу і моделювання. В основі розроблених методів і моделей закладені уявлення про ТКВПТН, що багаторазово апробувалися в практиці створення ТКВПТН і вирішенні задач управління.
Вірогідність моделей підтверджується близькістю розрахункових значень і значень, одержаних у результаті роботи систем управління ТКВПТН.
Запропоновані методи і моделі дозволяють науково обґрунтовано підходити до дослідження потокових технологічних процесів і процесів управління ТКВПТН, удосконалюють методи системного моделювання розподілених технологічних комплексів і доповнюють наукові знання в області створення багаторівневих систем управління.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблені методи і моделі являють собою науково-методичну основу для аналізу ІАІУС ТКВПТН. Методики доведені до рівня використання фахівцями ІАІУС ТКВПТН. Запропоновані моделі описані алгоритмічно й оформлені у вигляді комп'ютерної методики аналізу, планування і прогнозування ТКВПТН.
Запропонований підхід можна використовувати як у задачах аналізу і синтезу окремих підсистем управління, так і при створенні ІАІУС ТКВПТН у цілому.
Одним із важливих практичних результатів дисертаційного дослідження є комп'ютерна підсистема аналізу, прогнозування і планування на організаційному й організаційно-технологічному рівнях управління, яку використовують у Державній компанії PEMEX (Мексика).
Науково-технічний ефект полягає в удосконаленні задач управління ТКВПТН шляхом моделювання і прогнозування реалізації планів виробництва нафти в умовах постійної зміни кон'юнктури ринку та планових показників виробництва.
Економічний ефект пов'язаний з підвищенням ефективності управління видобутком, переробкою і транспортуванням нафти, зменшенням витрат через раціональне планування і управління та забезпечення конкурентоспроможності компанії.
Соціальний ефект пов'язаний з поліпшенням якості роботи управлінського персоналу нафтокомплексу за допомогою автоматизації задач аналізу, прогнозування і планування ТКВПТН.
Результати дисертаційної роботи впроваджені на підприємствах і в організаціях у вигляді методик, результатів аналізу, комп'ютерних програм аналізу й управління розподіленими технологічними комплексами:
1) у Державній компанії PEMEX (акт впровадження від 12.12.2001 р.);
2) у Державному науково-дослідному Інституті Нафти Мексики (акт впровадження від 10.12.2002 р.).
3) у Національному політехнічному інституті Мексики (акт впровадження від 4.12.2001 р.);
4) у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є.Жуковського “ХАІ” (акт впровадження в навчальний процес від 18.02.2003 р.).
Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, результати, висновки та рекомендації дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У публікаціях, що написані в співавторстві, автору дисертації належить: вирішення задачі планування виробничої діяльності за допомогою імітаційного моделювання [1]; структура комп'ютерного моделюючого комплексу [2]; системне уявлення ТКВПТН [3]; постановки задач аналізу складних транспортних мереж [4]; особливості потокового уявлення транспортування нафти [5]; модель аналізу розподілених комплексів з позицій промислової логістики [6]; потокове уявлення інформаційних обмінів у телекомунікаційних мережах інформаційних управляючих систем [7]; структура імітаційної моделі аналізу ТКВПТН [8]; архітектура інтегрованої автоматизованої системи управління ТКВПТН [9]; вимоги до складу програмно-апаратних засобів ІАІУС ТКВПТН [10]; склад вхідних даних і параметрів для моделювання ТКВПТН [11]; механізми моделювання динаміки процесів управління в ТКВПТН [12]; механізми моделювання аварійних ситуацій на нафтопроводах [13]; функціональні вимоги до інструментарію системного моделювання потокових процесів транспортування нафти [14].
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях (МНТК): 1-й МНТК “Information Systems Technologies and its Applications” (Харків, 2001), МНТК з обчислювальної техніки “Simposium International de Computation (CIC-97)” (Мехіко, Мексика, 1997), МНТК “Congreso de Instrumentacion” (Мехіко, Мексика, 1999), 4-й МНТК “Congreso y Expo Internacional de Ductos” (Мексика, 1999), МНТК “Modelling and Simulation Technology Conference” (Портланд, США, 1999), 23-й МНТК “Thermosence XXIII” (Орландо, США, 2001), 1-й МНТК “Mathematical Modeling of Physical Processes in Inhomogeneous Media” (Мексика, 2001), МНТК “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні” (Харків, 2001).
Публікації. Результати досліджень опубліковані в 14 друкованих працях, із них 7 статей – у збірках наукових праць, 7 – у матеріалах конференцій.
Структура роботи. Дисертаційна робота містить вступ, 4 розділи, висновки і 2 додатка. Результати досліджень викладено на 191 сторінці друкованого тексту, з них: 5 малюнків на 5 сторінках, 3 таблиці на 3 сторінках, бібліографія з 108 найменувань на 10 сторінках, 2 додатка на 23 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ дисертаційної роботи містить: актуальність теми й наукової задачі; зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мету і задачі дослідження; об'єкт, предмет і методи дослідження; наукову новизну й практичне значення одержаних результатів; особистий внесок здобувача; інформацію про реалізацію, апробацію та публікацію результатів.
У першому розділі проведено аналіз існуючих і перспективних технологій видобутку переробки і транспортування нафти. Розглянуто сучасні підходи та математичні методи дослідження процесів управління складними розподіленими технологічними комплексами.
Особлива увага приділяється використанню сучасних інформаційних технологій для задач аналізу, прогнозування і планування ТКВПТН.
Підвищення ефективності ТКВПТН безпосередньо пов'язано з удосконалюванням управління на всіх рівнях подання складної системи.
Створення і впровадження інтегрованих автоматизованих систем управління трубопровідними транспортними об'єктами дозволить: систематизувати вирішення як планових, так і нових технічних і економічних задач, що виникають у процесі удосконалювання стратегії і тактичних прийомів управління у ринкових умовах; знаходити оперативні раціональні рішення з управління в умовах аварійних і збійних ситуацій; прогнозувати окремі параметри системи і завчасно приймати раціональні рішення щодо управління об'єктів і системи в цілому; виявляти економічні резерви транспортної системи і раціонально їх використовувати; прискорити збір і обробку статистичної інформації про роботу ТКВПТН; оцінювати ступінь впливу різних факторів на основні планові показники системи й оперативно приймати рішення щодо ліквідації наслідків негативних впливів.
Далі в розділі проведено аналіз підходів і математичних методів, використовуваних для дослідження складних розподілених технологічних комплексів. Велику увагу приділено системному підходу, що дозволяє уявити первісний вигляд досліджуваної системи. Серед математичних методів, які можна використовувати для розрахунку основних характеристик складних розподілених систем, виділяються мережі Петрі, Е-мережі, методи теорії графів. Для урахування імовірнісних властивостей розподілених систем аналізуються системи і мережі масового обслуговування. Залучення методів експертного оцінювання дозволяє раціонально сполучити інтуїтивно-логічний аналіз проблеми з кількісними і якісними методами обробки інформації для наведення результатів рішення і управління складними об'єктами і процесами. Для формалізованого опису ІАІУС ТКВПТН можна скористатися алгебричними зображеннями структури, алгоритмів управління і контролю об'єктів ТКВПТН. Досить зручним для опису і дослідження управління в розподілених технологічних комплексах є формалізована мова регулярних схем алгоритмів, що дозволяє здійснити формальні перетворення, структурний синтез ІАІУС ТКВПТН.
Проведений аналіз методів дослідження складних розподілених технологічних комплексів, що існують, показав, що вони не дозволяють повною мірою створювати адекватні для розроблювачів моделі, в яких би бралися до уваги системні аспекти ІАІУС ТКВПТН. Тому актуальною є розробка методів дослідження, основаних на уявленнях фахівців і керівників ТКВПТН і нового класу системних моделей, за допомогою яких через розвитий графічний інтерфейс можна впритул наблизитися до створюваної ІАІУС. Запропонована методика системного моделювання може бути ефективно використана на всіх етапах створення і функціонування ІАІУС ТКВПТН: на етапах початкового синтезу для вибору структури, розрахунку основних характеристик; на етапах проектних робіт для докладного моделювання й обґрунтування раціональних проектних рішень; під час експлуатації - для моделювання і прийняття раціональних управлінських рішень, а також при модернізації, переналагодженні і реконструкції ІАІУС. Така різноманітність задач, що реалізуються за допомогою пропонованого підходу, пов'язана з рядом переваг у порівнянні зі строгими формальними методами: можливість створити системний первісний вигляд ІАІУС з урахуванням думок фахівців; сформувати стратифіковану системну модель; можливість ефективного візуального уявлення ІАІУС ТКВПТН у вигляді багаторівневого графа на екрані дисплея; можливість опису складної динаміки функціонування за допомогою спеціальної імітаційної моделі ТКВПТН. У пропонованій методиці одержали подальший розвиток методи системного підходу і моделювання складних комплексів, графічні методи уявлення моделі і створені інструментальні засоби аналізу потокових процесів функціонування і управління ТКВПТН.
У другому розділі дано системне уявлення процесів управління транспортуванням нафти. Використовуючи принципи системного аналізу, такі, як декомпозиція й стратифікація, сформовано комплекс системних моделей ТКВПТН. Сформовано цільову та функціональну моделі управління транспортуванням нафти. Побудовано модель організаційної структури управління ТКВПТН. Формалізовано алгоритмічну модель управління і представлено інформаційну модель для опису управління транспортуванням нафти.
Аналіз складного розподіленого технологічного об'єкта, яким є ТКВПТН, показав, що для аналізу потокових процесів необхідно сформувати моделі подій, які за допомогою алгоритмів і подій описують процеси управління, що відбуваються в ІАІУС. Для подання основних системних страт (цільової, функціональної, організаційної структури, комплексу технічних засобів) необхідно сформувати структурні моделі, що описують архітектуру ІАІУС. У роботі використовано єдиний математичний апарат для подання структурних моделей і моделей подій. Для опису системних моделей був вибраний математичний апарат мови регулярних схем алгоритмів (РСА).
Структурні моделі ІАІУС ТКВПТН являють собою дерева, формалізація яких у мові РСА здійснюється таким чином: вузол верхнього рівня з позицій теоретико-множинного уявлення, на наступному рівні декомпозиції, описується підмножиною вузлів , що у мові РСА зв'язані операцією кон’юнкції
,
де n – кількість вузлів на i+1 рівні декомпозиції.
Моделі подій відбивають послідовність у часі вирішення задач досягнення цілей ІАІУС ТКВПТН. У мові РСА переходи між задачами (чи елементами ІАІУС) описуються повним базисом операцій, що описані в роботі.
Взаємозв'язки описуються системою бінарних чи n-арних відносин. Прикладом може служити відображення множини задач управління на безліч елементів організаційно-технологічної системи ІАІУС
,
де - множина функціональних задач; - множина елементів організаційно-технологічної структури ІАІУС.
Глобальна мета ІАІУС ТКВПТН полягає в забезпеченні споживачів необхідними обсягами нафти в заданий термін з мінімальними витратами при забезпеченні необхідних вимог щодо екологічної безпеки. Декомпозуємо глобальну мету на підсистему цілей наступного рівня: забезпечити централізоване управління розробкою родовищ для одержання необхідних обсягів нафти (Ц1.1); централізоване управління видобутком і первинною переробкою нафти (Ц1.2); централізоване управління транспортуванням нафти до споживачів (Ц1.3)
.
Подальша декомпозиція по цілях даного рівня приводить до складної багаторівневої системи цілей.
У результаті системної декомпозиції отримано формалізовану системну ієрархічну цільову модель, що є основою для розробки системної функціональної моделі (СФМ).
Як приклад розглянемо транспортування нафти:
,
де – основна функція i-ї головної перекачувальної станції; – основна функція j-го резервуарного парку; – основна функція k-ї магістральної експлуатаційної ділянки.
З урахуванням складності й розподіленості ТКВПТН, організаційна структура (ОС) ІАІУС має яскраво виражений ієрархічний характер. На верхніх рівнях ієрархії вирішуються задачі стратегічного планування видобутку і продажі нафти споживачам; на нижніх рівнях – задачі оперативного управління й автоматизованого регулювання з постійним моніторингом стану технологічного устаткування.
Для рівня технологічного уявлення системна модель має вигляд:
,
де - система управління i-м резервуарним парком; - система управління j-ю насосною станцією; - система управління k-ю перекачувальною насосною станцією; - система управління l-ю підпірною насосною станцією; - система управління m-ю наливною насосною станцією.
Створення системної алгоритмічної моделі дозволяє представити алгоритми роботи ІАІУС на всіх рівнях ієрархії і надалі робити з ними тотожні, еквівалентні і слабкоеквівалентні перетворення з метою оптимізації та раціоналізації комплексу задач управління; сформувати формалізований опис і здійснити закріплення задач за всіма елементами організаційної структури ІАІУС ТКВПТН; одержати алгоритми функціонування системи для наступного комп'ютерного моделювання потокових процесів у ТКВПТН.
Як приклад наведемо алгоритмічну модель перекачувальної станції (ПС), що складається в мові РСА:
де - умовні та безумовні переходи по управлінню ПС; - події страхового заповнення резервуарного парку (РП); - події, пов'язані з входом у лінійну ділянку (ЛД) магістрального нафтопроводу; - події паралельного поповнення нафтою РП; - події послідовного поповнення нафтою РП; - формування заявки для роботи РП; - подія повного заповнення РП; - формування заявки для активізації ЛД; - подія ідентифікації витоку нафти; - подія для включення в роботу попередньої ПС з формування запасів нафти; - подія відкачки нафти з РП.
В кінці розділу наведено ієрархічну структуру ІАІУС ТКВПТН.
Третій розділ присвячений розробці системної динамічної моделі ІАІУС ТКВПТН. Для дослідження потокових процесів транспортування нафти у вигляді логістичного ланцюга найбільш доцільно застосувати методи теорії імітаційного моделювання.
З позицій сучасного імітаційного моделювання створюється програмний макет розподіленого технологічного комплексу, в якому відбиті структура, характеристики окремих елементів, алгоритми процесів управління ТКВПТН у часі. У ході моделювання відтворюються всі основні моменти (події, стани) ТКВПТН зі строгим урахуванням і дотриманням послідовності технологічних дій. Рівень деталізації необмежений, все залежить від тих знань, що існують на сучасний момент дослідження. Моделювання ІАІУС ТКВПТН може проводитися на різних рівнях ієрархії, при цьому на нижніх рівнях ієрархії тривалість імітованих алгоритмів управління мінімальна, а на верхніх рівнях управління вона має максимальну тривалість.
За допомогою пропонованої системної імітаційної моделі ІАІУС ТКВПТН вирішують такі задачі: прогнозування основних показників видобутку, транспортування і продажу нафти з урахуванням можливих перебоїв і зривів; аналіз результатів управління запасами нафти і вільними ємностями резервуарних парків; аналіз роботи ТКВПТН у короткостроковому і довгостроковому аспектах (прогнозування наявності й обсягів постачань нафти з урахуванням зміни характеристик родовища); урахування впливу основних аварійних ситуацій: витоки і розриви нафтопроводів; відмова основного устаткування перекачувальних і наливних станцій; відмовлення основного устаткування резервуарних парків; порушення енергопостачання; планово-попереджувальні роботи.
Системна імітаційна модель ТКВПТН формується на основі аналізу розподіленої й розгалуженої структури нафтокомплексу. Архітектуру системи магістральних нафтопроводів наведено як сукупність наступних основних множин: постачальників - ; споживачів - ; резервуарних парків - ; перекачувальних станцій - ; наливних станцій - . Елементами цих множин є відповідно: постачальник - , споживач - , резервуарний парк - , перекачувальна станція - , наливна станція - .
Цих елементів цілком достатньо для моделювання ТКВПТН, оскільки вони універсальні і є основою для формування більш складних групових елементів. Зазначені вище множини, що формують склад і структуру системи, знаходяться у визначених відносинах між собою (таблиця).
Відображення | Зв'язки | Значення
1-1 | Постачальник передає нафту перекачувальній насосній станції (ПНС)
N-1 | Кілька постачальників передають нафту ПНС
1-1 | Одна ПНС перекачує нафту іншій ПНС
1-N | Одна ПНС перекачує нафту декільком ПНС
N-1 | Кілька ПНС перекачують нафту окремої ПНС
1-1 | Резервуарний парк установлено на станції
1-1 | Наливна станція комутується з резервуарним парком
1-1 | Споживач підключений до окремого термінала відвантаження нафти наливної станції
N-1 | Кілька споживачів підключені до одного термінала відвантаження нафти наливної станції
1-N | Споживач підключений до декількох терміналів відвантаження нафти наливної станції
Завдання множин , , , , і зазначених відносин між ними цілком описує структуру будь-якої розподіленої системи нафтопроводів.
Розроблена внутрішня структура системної імітаційної моделі являє собою знанняорієнтованну фреймову структуру, що формується автоматично при побудові користувачем візуальних образів розподіленої системи нафтокомплексу.
Оснований на фреймових структурах підхід до побудови імітаційних моделей ТКВПТН складається з трьох етапів. На першому з них аналізується об'єкт - складна система нафтокомплексу, в результаті чого визначаються формалізовані описи - фреймові моделі основних подій і об'єктів системи, у другому – алгоритми функціонування, в результаті чого утворюються фреймові моделі динаміки поведінки системи, а в третьому - типові елементи системи (засоби, черги тощо).
У роботі ТКВПТН описується п'ятьма об'єктними фреймовими мережами: родовищ, резервуарних парків, перекачувальних станцій, наливних станцій, магістральних нафтопроводів.
Наприклад, фрейм резервуарного парку виглядає таким чином:
{<РП><ВХОДИТЬ У><Значення слота><ОБСЯГ><Значення слота><ЧИСЛО ЄМНОСТЕЙ><Значення слота><МІН><Значення слота><МАКС><Значення слота> <ЕНЕРГОСПОЖИВАННЯ><Значення слота> <СКЛАДАЄТЬСЯ ІЗ><Значення слота>},
де <ВХОДИТЬ У> - перекачувальна станція, на якій територіально розташований резервуарний парк; <СКЛАДАЄТЬСЯ З> - список складових частин (ємностей); <ОБСЯГ> - сумарний обсяг.
Як видно, фрейм резервуарного парку має вкладену структуру, а зв'язок здійснюється через слот <СКЛАДАЄТЬСЯ З>, де як значення вказується ім'я наступного фрейму, що являє собою ємність РП.
{<ЄМНІСТЬ РП><ОБСЯГ><Значення слота><ТИП СИРОВИНИ><Значення слота><СОРТ><Значення слота><МІН><Значення слота><МАКС><Значення слота> <ТЕМПЕРАТУРА><Значення слота><ТИСК><Значення слота> <СТАН><Значення слота>},
де <ТИП СИРОВИНИ> - тип природної сировини, що зберігається в ємності (нафта, або один із нафтопродуктів).
Для подання типових інформаційних елементів моделі у вигляді фреймів використано ієрархічні деревоподібні структури, логічне уявлення яких пов'язане з мультисписковою організацією даних.
База знань для моделювання ТКВПТН складається з трьох рівнів. На першому рівні містяться структурні уявлення об'єктів системи. На другому рівні задачі управління і функціонування наводяться у вигляді ситуаційних і рольових фреймів, а також бази правил, що лежить в основі логічного інтерпретатора, який переробляє знання і формує вхідні дані для внутрішніх структур моделювання. Нарешті, на третьому рівні знаходяться безпосередньо самі типові елементи внутрішньої структури системної імітаційної моделі.
В кінці розділу наведено комп'ютерну систему імітаційного моделювання (КСІМ), що являє собою інтегровану графічну оболонку для швидкого створення інтерактивних візуальних моделей складних розподілених систем транспортування нафти і нафтопродуктів і проведення обчислювальних експериментів з ними.
У структурному плані КСІМ являє собою програмний комплекс, що складається з таких основних компонентів: інтерфейсного модуля, бібліотеки типових елементів, графічного редактора, що моделює комплекс, блока формування програми постачань нафти, блока автоматичного завдання витоків і розривів, блока формування вхідних даних, модуля діагностики, модуля реконфігурації моделі, модуля управління ходом моделювання, блока спостереження за ходом моделювання, блоку аналізу результатів моделювання, бази даних програми. Для візуального проектування моделі ТКВПТН програмний комплекс пропонує бібліотеку типових елементів (блоків) із настроюваною поведінкою.
Реалізацію програмної моделі здійснено за допомогою сучасної технології об’єктно-орієнтованого модульного програмування. На рис. 1 показано структуру програмної моделі.
Рис. 1. Структура програмної моделі
У четвертому розділі проведено дослідження на основі розробленого комплексу математичних методів і побудованої системної імітаційної моделі.
Виділено основні події для моделювання процесів управління ТКВПТН: генерація обсягів нафти, що добувається; генерація витоку нафти; генерація відмови устаткування; генерація вимог від споживача; заповнення ємності резервуарного парку; відкачка нафти з резервуарного парку; активізація перекачувальної станції; включення насосної станції; вимикання насосної станції; перекачування нафти споживачу тощо.
Події ініціюють дії, реалізація яких змінює стани структурних елементів моделі ТКВПТН.
Кожний елемент ТКВПТН може знаходитися в одному з таких станів: норма; закрито; ремонт; часткова відмова устаткування; повна відмова устаткування. Розроблено модулі для імітації відмов устаткування: відмова наливної насосної станції; відмова устаткування резервуарного парку; відмова перекачувальної насосної станції; аварія на магістральному нафтопроводі.
Моделюючий комплекс забезпечує дослідження процесів функціонування і управління ТКВПТН. Заявки (барелі нафти), керовані внутрішніми механізмами моделювання дискретних подій, генеруються генераторами заявок (джерела, споживачі), проходять через структурні елементи моделі (блоки) і обробляються ними, акумулюючи значення статистики на кожному кроці моделювання. Таким чином, у системі виникають потокові процеси у вигляді руху партій (заявок) нафти від постачальників до споживачів.
Взаємодія та координація окремих складових у ході моделювання здійснюється за допомогою монітора моделювання, що організує список подій з урахуванням фреймів динаміки поведінки системи і системного часу.
В результаті системного моделювання розподіленого нафтокомплексу визначається: прогноз виконання планових показників щодо видобутку і продажу нафти споживачам; наявність “вузьких” місць з пропускної здатності системи; втрати нафти через витоки і розриви нафтопроводів; стан запасів нафти і наявність вільних ємностей у резервуарних парках; стан черг споживачів у терміналів забору нафти; обсяги переданої та проданої нафти з урахуванням сортності; надійністні показники роботи структурних елементів нафтокомплексу; ряд допоміжних показників.
Були проведені дослідження різних структур ТКВПТН. Для кожного варіанта дослідження складалося з таких етапів: розробка графічної схеми імітаційної моделі, що відбиває структуру ТКВПТН; опис і параметризація моделі; налагодження моделі; проведення імітаційного експерименту з моделлю; збирання, обробка й інтерпретація результатів моделювання.
Система має можливість прив'язки структури до цифрової карти місцевості (рис. 2).
Дослідження проводили на реальних фрагментах системи нафтопроводів Державної компанії PEMEX (Мексика).
Приклади моделювання підтвердили адекватність розроблених системних моделей, показали універсальність і достатність типових блоків імітаційної моделі. Запропонований підхід був використаний у задачах стратегічного планування і прогнозування, оперативного і диспетчерського управління видобутком, переробкою і транспортуванням нафти Державної компанії PEMEX.
Рис. 2. Фрагмент графа моделі
Запропонований підхід, методи і прикладна інформаційна технологія моделювання потокових процесів можуть використовуватися для аналізу і управління складними розподіленими технологічними комплексами різного призначення, а також при створенні інтегрованих систем управління виробництвом.
ВИСНОВКИ
У роботі вирішено науково-прикладну задачу аналізу, прогнозування і управління потоковими процесами технологічного комплексу транспортування нафти. Ця задача має важливе значення для країн, в яких істотною часткою в економіці є видобуток, переробка і транспортування нафти.
Основними результатами дослідження є.
1.
Проведено системний аналіз розподіленого технологічного комплексу транспортування нафти, виділено задачі управління потоковими процесами, пов'язаними з доставкою нафти споживачам.
2.
Обґрунтовано вибрано методи дослідження процесів управління ТКВПТН. До них відносяться методи системного аналізу, методи формалізованого опису алгоритмів управління транспортуванням нафти, динамічний аналіз на основі імітаційного моделювання.
3.
Побудовано системні моделі ТКВПТН, що дозволяють одержати уявлення складної системи для різних аспектів (страт) опису.
4.
Наведено архітектуру інтегрованої автоматизованої інформаційно-управляючої системи ТКВПТН.
5.
Розроблено основні компоненти, знанняорієнтований механізм моделювання, алгоритми дискретного моделювання для динамічного аналізу потокових процесів ТКВПТН.
6.
Сформовано структуру програмного моделюючого комплексу для вирішення задач аналізу, прогнозування і управління транспортуванням нафти.
7.
Досліджено приклади розподілених комплексів транспортування нафти з використанням розробленої системи моделювання, що підтверджує практичне значення, одержаних результатів.
Результати роботи можуть бути використані фахівцями в області управління матеріальними, інформаційними й іншими потоковими процесами в різних виробничих системах (нафто- і газопроводах, транспортних і складських виробничих системах, під час перевезення вантажів різними видами транспорту тощо).
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Федорович О.Е., Прохоров А.В., Рамирес Томас. Решение задач планирования и анализа программы развития предприятия с помощью системного моделирования // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – Вип. 14. - Харків: Держ. аерокосм. ун-т "Харк. авіац. ін-т". – 1999. – С. 190-194.
2.
Федорович О.Е., Прохоров А.В., Рамирес Томас. Системное моделирование распределенного технологического комплекса добычи, переработки и транспортировки нефти // Авіаційно-космічна техніка і технологія.– Вип. 21.- Харків: Нац. аерокосм. ун-т "Харк. авіац. ін-т". – 2000. – С. 205-213.
3.
Прохоров А.В., Рамирес Томас. Системная модель анализа сложных технических комплексов // Авіаційно-космічна техніка і технологія.– Вип. 20.- Харків: Нац. аерокосм. ун-т "Харк. авіац. ін-т". – 2000. – С. 122-126.
4.
Федорович О.Є., Прохоров О.В., Рамирес Томас. Багаторівневе моделювання складних транспортних мереж // Машинобудування та прогресивні технології: Вісті Академії інженерних наук України. – 2000. – Вип. 4. –Харків: ХДАДТУ. – С. 137-141.
5.
Прохоров А.В., Рамирес Томас. Моделирование процессов управления технологическим комплексом добычи, переработки и транспортировки нефти // Вісник Харківського національного університету ім. В.М. Каразіна. – 2001. – №506. Частина 2. – Харків: ХНУ. – С. 171-173.
6.
Прохоров А.В., Рамирес Томас, Руденко Л.В. Логистическая модель анализа виртуальных распределенных производственных комплексов // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – Вип. 24. - Харків: Нац. аерокосм. ун_т "Харк. авіац. ін-т". – 2001. – С. 45-51.
7.
Федорович О.Е., Прохоров А.В., Рамирес Томас. Системное моделирование глобальной телекоммуникационной сети // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – Вип. 22. - Харків: Нац. аерокосм. ун-т "Харк. авіац. ін-т". – 2001. – С. 117-121.
8.
Fedorovich O.E., Prohorov A.V., Ramirez Thomas. The methodology of distributed technological complex system simulation // Lecture Notes in Informatics - Proc. of the 1-st International Conf. on Information System Technologies and its Applications. – 2001. – Vol. P-2. –Bonn. – P. 115-125.
9.
Sadovnitchiy S., Ponomaryov V., Maldonado T., Herrera E. Automation of Pipeline Inspection // Proc. of the Simposium Internacional de Computaciуn. -Mexico City (Mexico). – 1997. – P. 242-252.
10.
Sadovnitchiy S., Ponomaryov V., Maldonado T., Herrera E. Aspectos del Desarrollo de un Sistema de Navegaciуn Para la Automatizaciуn de Inspecciуn de Tuberнas // Proc. of Congreso de Instrumentacion. – Puebla (Mexico). – 1999. – P.648-652.
11.
Fedorovich O.E., Prohorov A.V., Ramirez T. Simulation system toolkit of distributed technological complex of oil production activity, waste-handling and haul // Proc. of the 1-st International Workshop on Mathematical modeling of physical processes in inhomogeneous media. -Guanajuato (Mexico). – 2001. – P.96-98.
12.
Sadovnychiy S., Burdun I., Krivtsov V., Ramirez T. Hybrid flight simulator based on unmanned aerial vehicle and autonomous flight situation modeling // Proc. of Modeling and Simulation Technology Conference. –Portland (U.S.A.).–1999. P. 257-267.
13.
Sadovnychiy S., Ramirez T. Theoretical base for pipeline leakage detection by means of IR camera // Proc. of SPIE International Society for Optical Engineering, Thermosence XXIII Conference. – Orlando (U.S.A.). – 2001. – P. 177-183.
14.
Прохоров А.В., Рамирес Томас, Федорович О.Е. Знаниеориентированная система имитационного моделирования процессов управления и функционирования распределенных технологических комплексов // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2001”. – Харків: Нац. аэрокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”. – 2001. – С. 133.
АНОТАЦІЯ
Рамірес Малдонадо Томас. Аналіз, моделювання та управління потоковими процесами автоматизованого комплексу транспортування нафти. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – “Автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології”. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2003.
У дисертаційній роботі розроблено методи, моделі й інструментальні засоби у виді прикладної інформаційної технології аналізу, прогнозування і планування на організаційному, організаційно–технологічному рівнях управління технологічного комплексу видобутку, переробки і транспортування нафти (ТКВПТН).
Науковими результатами дисертації є: системні моделі ТКВПТН, що дозволяють формалізувати, структурувати, деталізувати і, в підсумку, підвищити ефективність і якість аналізу ТКВПТН; імітаційна знанняорієнтована модель, що дозволяє з високим ступенем деталізації, докладно описувати потокові процеси ТКВПТН; алгоритмічні моделі, що формалізовано описують процеси управління ТКВПТН по всіх рівнях системного подання; уперше комплексно, за допомогою структурного, логічного і динамічного уявлень описано ТКВПТН у вигляді потокових процесів закінченого логістичного ланцюга видобуток–переробка–транспортування–збут, що забезпечує системність досліджень, підвищує адекватність моделей і вірогідність результатів.
Запропонований підхід, методи і прикладна інформаційна технологія моделювання потокових процесів можуть використовуватися для аналізу і управління складними розподіленими технологічними комплексами різного призначення, а також при створенні інтегрованих систем управління виробництвом.
Ключові слова: потокові процеси, інтегрована інформаційно–управляюча система, розподілений технологічний комплекс, імітаційне моделювання.
АННОТАЦИЯ
Рамирес Малдонадо Томас. Анализ, моделирование и управление потоковыми процессами автоматизированного комплекса транспортировки нефти. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – “Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии”. – Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2003.
Постоянно увеличивающийся спрос на энергоносители и сырье для нефтеперерабатывающих предприятий диктует необходимость поиска новых решений в задачах организации и управления технологическим комплексом добычи, переработки и транспортировки нефти (ТКДПТН).
Существующие подходы к анализу и созданию сложных распределенных технологических комплексов в основном направлены на решение отдельных задач и не в полной мере используют системные технологии, методы промышленной логистики. Кроме того, отсутствует инструментарий моделирования потоковых процессов ТКДПТН. Поэтому актуально создание таких методов и моделей, которые позволили бы системно проанализировать распределенный технологический комплекс и, используя современные информационные технологии, повысить эффективность работы интегрированных автоматизированных информационно-управляющих систем (ИАИУС) ТКДПТН.
В диссертационной работе разработаны методы, модели и инструментальные средства в виде прикладной информационной технологии анализа, прогнозирования и планирования на организационном, организационно – технологическом уровнях управления ТКДПТН. При этом получили дальнейшее развитие методы анализа распределенных технологических комплексов и методы имитационного моделирования управления потоковыми процессами производства.
На основе методов системного анализа, таких, как декомпозиция и стратификация, построен комплекс системных представлений ТКДПТН. Сформированы целевая и функциональная модели управления транспортировкой нефти. Построена модель организационной структуры управления ТКДПТН. Формализована алгоритмическая модель управления и представлена информационная модель для описания управления транспортировкой нефти.
Получены структурные модели ИАИУС ТКДПТН, представляющие собой деревья, формализация которых осуществлена с помощью математического аппарата языка регулярных схем алгоритмов.
Разработана системная динамическая модель исследования потоковых процессов транспортировки нефти с помощью методов имитационного моделирования. В ходе моделирования воспроизводятся все основные моменты (события, состояния) ТКДПТН со строгим учетом и соблюдением последовательности технологических действий. Внутренняя структура системной имитационной модели представляет собой знаниеориентированную фреймовую структуру, которая формируется автоматически при построении пользователем визуальных образов распределенной системы нефтекомплекса. С помощью предлагаемой системной имитационной модели ИАИУС ТКДПТН решают следующие задачи: прогнозирование основных показателей добычи, транспортировки и продажи нефти с учетом возможных перебоев и срывов; анализ результатов управления запасами нефти и свободными емкостями резервуарных парков; анализ работы ТКДПТН в краткосрочном и долгосрочном аспектах (прогнозирование наличия и объемов поставок нефти с учетом изменения характеристик месторождения); учет влияние основных аварийных ситуаций: утечки и разрывы нефтепроводов, отказ основного оборудования перекачивающих и наливных станций, отказ основного оборудования резервуарных парков, нарушение энергоснабжения, планово-предупредительные работы.
Научными результатами исследования являются:
-
системный анализ ТКДПТН, что позволило формализовать, структурировать и детализировать и, в итоге, повысить эффективность и качество анализа распределенного технологического комплекса;
-
имитационная модель, основанная на знаниеориентированном представ-лении, которая позволяет с высокой степенью детализации, подробно описывать потоковые процессы ТКДПТН;
-
алгоритмические модели, которые формализованно описывают процессы управления ТКДПТН на всех уровнях системного представления;
-
впервые комплексно, с помощью структурного, логического и динамического представлений описан ТКДПТН в виде потоковых процессов законченной логистической цепи добыча – переработка – транспортирование - сбыт, что обеспечивает, в сравнении с существующими методами, системность исследований, повышает адекватность моделей и достоверность результатов.
Реализация предложенных методов и моделей осуществлялась с помощью разработанной компьютерной системы имитационного моделирования (КСИМ) управления потоковыми процессами добычи и транспортировки нефти, которая представляет собой интегрированную графическую оболочку для быстрого создания интерактивных визуальных моделей сложных распределенных систем транспортировки нефти и нефтепродуктов и проведения вычислительных экспериментов с ними.
Анализ эффективности применения предложенного подхода и полученных результатов показал, что разработанные модели позволяют повысить адекватность представления потоковых процессов, а также достоверность результатов моделирования и совершенствуют процессы управления нефтекомплексами.
Предложенный подход, методы и прикладная информационная технология моделирования потоковых процессов могут использоваться для анализа и управления сложными распределенными технологическими комплексами различного назначения, а также при создании интегрированных систем управления производством.
Ключевые слова: потоковые процессы, интегрированная информационно–управляющая система, распределенный технологический комплекс, имитационное моделирование.
ABSTRAСT
Ramirez Maldonado Tomas. Analysis, simulation and control of streaming processes of automatized oil transportation complex. – Manuscript.
Thesis on competition of scientific degree of Candidate of Technical Science by speciality 05.13.06 – “Automated control system and progressive information technologies”. – National Aerospace University “Kharkov Aviation Institute”,
