ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
СКАРГА-БАНДУРОВА ІННА СЕРГІЇВНА
УДК 004.896
АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА ПІДВИЩЕННЯ БЕЗПЕКИ ФУНКЦІОНУВАННЯ ЕКОЛОГІЧНО НЕБЕЗПЕЧНИХ ХІМІЧНИХ ВИРОБНИЦТВ (НА ПРИКЛАДІ ВИРОБНИЦТВА ФОРМАЛІНУ)
Спеціальність 05.13.06 – "Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології"
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Сєвєродонецькому технологічному інституті Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент
Рязанцев Олександр Іванович
Сєвєродонецький технологічний інститут,
завідувач кафедри компютерної інженерії.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Скобцов Юрій Олександрович,
Донецький національний технічний університет,
завідувач кафедри автоматизованих систем управління;
кандидат технічних наук, доцент
Гавриленко Олег Іванович
Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”,
доцент кафедри систем управління літальних апаратів.
Провідна установа – Кафедра автоматизації проектування обчислювальної техники,
Харківського національного університету радіоелектроніки,
Міністерства освіти і науки України, м. Харків.
Захист відбудеться “29”__червня___2006 р. о __1400__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.051.08 у Донецькому національному університеті за адресою: 83055 м. Донецьк, пр. Театральний, 13, корп. 4, ауд. 416.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного університету за адресою: 83055 м. Донецьк, вул. Університетська, 24.
Автореферат розіслано “_27_” __травня___2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Шевцов Д.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Безпека функціонування хіміко-технологічних систем є складною проблемою, кількісна і якісна оцінка якої формується аналізом відношень між множиною небезпек і дій, здатних нейтралізувати ці небезпеки. Вартість однієї аварійної зупинки багатотоннажних хімічних виробництв виміряється десятками, а іноді й сотнями тисяч гривень. Крім того, неполадки на таких виробництвах постійно пов'язані з небезпекою аварії і важких наслідків як для самого виробництва, так і для навколишнього середовища і людей.
Значний обсяг інформаційних потоків, складність розв'язуваних задач в аварійних і передаварійних станах збільшують навантаження на оперативний персонал і ставлять задачу автоматизованого вибору адекватного рішення з використанням ЕОМ.
Одним зі шляхів рішення цієї задачі є розробка і застосування систем аналізу даних, що можуть бути складовою частиною комплексної системи запобігання аварійних ситуацій.
Розширення задач традиційних моніторингових систем здатні принципово підвищити чутливість, надійність і швидкодію систем виявлення неполадок за рахунок оперативного виявлення порушень технологічних режимів.
У дисертаційній роботі репрезентовано результати теоретичних і експериментальних досліджень, присвячених розробці й обґрунтуванню методології, аналітичного апарата й організаційної структури одного з засобів підвищення ефективності і безпеки функціонування хімічних виробництв – функціональній діагностиці.
Діагностування хімічного виробництва, будучи, по суті, одним з основних механізмів оцінки його відповідності пропонованим вимогам, значною мірою визначає реальні можливості в підвищенні необхідного рівня безпеки. У той же час діагностування для складних систем є важко формалізованим і слабко структурованим видом діяльності. При цьому найбільш проблематичними залишаються питання повноти і вірогідності результатів. У цих умовах основним напрямком підвищення якості й оперативності діагностування і, як наслідок, підвищення безпеки функціонування хімічних виробництв є розробка і впровадження об'єктивних інструментальних методів оцінок і засобів підтримки процедур пошуку і підтримки прийняття рішень на аналітичному, інформаційному й організаційному рівнях.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до координаційного плану науково-дослідних робіт Сєвєродонецького технологічного інституту в рамках госпдоговірної роботи №172-2100 від 5.12.2002р. "Програмно-технічний комплекс систем аналізу альдегідних виробництв (на прикладі виробництва формаліну)" і в рамках наукового напряму "Системний аналіз у проектуванні технозонних інформаційних систем керування і виробництва": "Аналіз стану і розробка інформаційної структури технозони" (реєстраційний № 0104U00390), "Розробка програмно-технічного комплексу хімічного виробництва" (реєстраційний № 0104U00390).
Автор брав участь у виконанні зазначених робіт як виконавець.
Мета роботи і задачи досліджень.
Мета дисертаційної роботи – розробка методів математичного моделювання і засобів функціональної діагностики характерних порушень технологічних режимів хімічного виробництва.
Основні задачі дослідженя:
1. Аналіз існуючих методів і засобів підвищення безпеки і запобігання аварійних ситуацій на хімічних виробництвах.
2. Виявлення і класифікація видів і причин порушень технологічних режимів виробництва формаліну.
3. Розробка моделей і методів для організації параметричного контролю і локалізації поступових відмовлень технологічного процесу з урахуванням невизначеностей за запасами каталізатора.
4. Розробка моделей і методів для оперативної діагностики і стратегії безперебійного функціонування технологічного процесу при виникненні раптових відмовлень.
5. Синтез структури автоматизованої системи забезпечення безпеки і діагностування несправностей при порушенні технологічного процесу.
6. Проведення експериментальних досліджень і оцінка практичної реалізації розробленої автоматизованої системи.
Об'єктом дослідженя дисертаційної роботи є екологічно небезпечні порушення технологічного процесу виробництва формаліну.
Предметом дослідженя – моделі, методи і процедури визначення видів і причин порушень технологічного процесу виробництва формаліну
Методи рішення поставлених задач базуються на комплексному використанні математичного апарата теорії графів, теорії нечіткої міри, нечітких множин, методів узагальнення результатів опитів на підставі теорії свідчень Демпстера-Шеффера.
Наукова новизна отриманих результатів.
Уперше розглянуто і досліджено специфічні зв'язки і сполучення несправностей матеріальної структури об'єкта з порушеннями технологічного процесу з позицій побудови системи функціональної діагностики, що дозволяє розширити можливості традиційних моніторингових систем.
Уперше виявлено і класифіковано основні причини порушень і ускладнень технологічних режимів виробництва формаліну на основі оцінки параметрів з урахуванням невизначеностей за запасами каталізатора.
Уперше запропоновано метод оперативного групування діагностичної інформації для визначення можливих стратегій пошуку несправностей, що дозволяє зменшити час на пошук найбільш небезпечних порушень.
Одержали подальший розвиток моделі для організації параметричного контролю припустимих значень за рахунок вибору нечіткого порогу для інтервальної функції, що дозволяє на ранніх стадіях прогнозувати появу відмовлення.
Модифіковано існуючі діагностичні моделі для одержання якісної і кількісної оцінки порушень технологічного процесу з урахуванням ступеня відхилення діагностованих параметрів, що сприяє підвищенню стійкості системи до помилкових рішень і підвищення точності пошуку несправностей.
Практичне значення роботи.
Проведені в роботі теоретичні дослідження становлять методичні основи для побудови систем технічної діагностики в складі АСУ ТП хімічних виробництв, дозволяють підвищити безпеку їхньої роботи за рахунок скорочення кількості незапланованих зупинок і зменшення часу на пошук несправностей. У роботі проведено розробку й експериментальну перевірку методики побудови діагностичних моделей для підвищення безпеки функціонування хімічних виробництв, виконано розробку алгоритмічного і програмного забезпечення системи діагностики станів і прийняття рішень з керування технологічною безпекою виробництва формаліну. Отримані в роботі теоретичні і практичні результати використано при розробці програмно-технічного комплексу системи аналізу альдегідних виробництв і знайшли застосування на Рубіжанському казенному хімічному заводі "Зоря" (РКХЗ "Зоря").
Методичні і теоретичні результати роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі комп'ютерної інженерії Сєвєродонецького технологічного інституту в навчальних курсах "Основи системного аналізу об'єктів і процесів комп'ютеризації", "Основи автоматизованого проектування засобів обчислювальної техніки", "Моделювання і керування у виробництві електронних засобів".
Особистий внесок здобувача.
Усі основні результати дисертації отримані особисто здобувачем. У роботі [2] запропоновано концепцію створення та використання інформаційних технологій у запобіганні техногенних катастроф, в [3] – моделі для організації параметричного контролю з урахуванням невизначеностей за запасами каталізатора; [4] – дослідження моделей реалізації стратегії раціональної поведінки при виникненні раптових відмов; [5] – алгоритми діагностування та модель процесу керування безпекою хіміко-технологічної системи при організації контролю параметрів і пошуку несправностей; [1, 6] – запропоновано власний варіант розробки сегмента комплексної системи автоматизації, розглянуто передумови й можливості успішного впровадження системи, [7,8] – засоби для підвищення безпеки функціонування виробництв, [9] – моделі для урахування невизначеностей за запасами каталізатора; [10] – алгоритм діагностування. Здобувачем самостійно розроблено основні положення роботи, подано рекомендації, виконано розрахунки.
Апробація результатів роботи.
Основні результати роботи доповідалися на VІІ науково-технічній конференції "Технологія – 2004" (м. Сєвєродонецьк), VІ,VІІ науково-практичних конференціях "Інформаційні технології в управлінні і освіті" (НКПІ м. Нова Каховка 2004, 2005 рр.), III міжнародному форумі "Інформаційні технології в XXI столітті '2005", (м. Дніпропетровськ, 2005р.), IX міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка й молодь у ХХІ столітті" (ХНУРЕ м. Харків, 2005 р.), ІІІ міжнародній конференції "Моделі й інформаційні технології у керуванні соціально-економічними, технічними й екологічними системами" (м. Луганськ, 2005р.), II Всеукраїнській науково-практичній конференції "Інформаційні технології й безпека в управлінні" (Крим, м. Севастополь, 2005р.).
Публікації.
Результати, що відбивають основний зміст дисертаційної роботи, викладено в 10 публікаціях, серед яких – 6 статей у збірниках наукових праць, що включені в список ВАК України і 4 публікації в збірниках праць наукових конференцій і форумів.
Структура й обсяг роботи.
Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів основного змісту, висновку та додатків. Загальний обсяг 137 с. Робота містить 32 рисунка, 21 таблицю, список використаних літературних джерел із 131 найменування.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність роботи і важливість проблеми створення й удосконалення засобів оперативної діагностики порушень, що виникають у процесі функціонування виробництва. Сформульовано мету і задачі дослідження, викладено основні результати, отримані в роботі, показано їх новизну, а також відзначено їх наукову і практичну значимість.
Перший розділ дисертації присвячений огляду стану вивчення проблеми й постановці задачі дослідження. Проведено аналіз існуючих засобів і підходів до підвищення безпеки й запобіганню виникнення аварійних ситуацій на хімічних виробництвах. Розглянуто засоби запобігання аварійних ситуацій із позицій керування параметрами, керування структурою й керування персоналом. Обґрунтовано необхідність обліку людського фактору.
Розглянуто й проаналізовано сполучення несправностей матеріальної структури об'єкта й порушень технологічного процесу, що викликають розвиток несприятливих ситуацій.
Обґрунтовано необхідність створення системи функціональної діагностики. Сформульовано задачу діагностування як задачу синтезу математичної моделі для реалізації контролю параметрів і локалізації поступових відмов і моделі прийняття рішень при аналізі виникнення раптових відмов. Проведено аналіз методів і моделей, які використовуються для опису потенційно-небезпечних об'єктів хімічної промисловості. Визначено методологію побудови діагностичних алгоритмів.
На прикладі виробництва формаліну проведено декомпозицію технологічної структури, подано класифікацію порушень технологічних режимів.
Поставлено задачі й визначено етапи розробки системи діагностування несправностей.
Другий розділ присвячений побудові моделей для організації контролю параметрів і локалізації поступових відмов.
Метою побудови моделей для організації контролю й локалізації поступових відмов є одержання об'єктивних кількісних характеристик процесу, визначення їх інтенсивностей і виділення домінуючих факторів.
Загальна постановка задачі контролю викладена у наступних положеннях.
Будемо вважати, що об'єкт описується кінцевою сукупністю параметрів, що приймають значення з кінцевої множини X. Нехай Т - кінцева множина параметрів, tT - позначення одного параметра, x(t) - значення параметра з індексом t.
Тоді повний опис об'єкта – це функція , що для кожного параметра вказує його значення x(t).
Нехай об'єкт спостереження характеризується ?|?T?| параметрами (x(t)|tT), які характеризують його стан. Цей стан може бути припустимим або неприпустимим і це визначається в такий спосіб. Нехай для множини T визначена множина підмножин. Множину назвемо структурою множини T або структурою спостережуваного об'єкта представленої у вигляді набору інтервальних оцінок. Для кожного параметра зазначений список припустимих значень. Вважається, що об'єкт у цілому перебуває в припустимому стані, якщо для будь-якого параметра є справедливим
. | (1)
Отже, якщо для кожної змінної задати інтервали, визначені на множині , то справному стану системи відповідає задоволення значень всіх діагностичних змінних діапазонам бажаних значень
, | (2)
де x(t) – поточне значення діагностичної змінної X
- інтервал припустимих значень параметра t.
Тоді ознакою порушень у системі є вихід значення діагностичної змінної за припустимі технологічні границі.
Для кожної діагностичної змінної введемо індикаторну функцію , визначену на інтервалі [0,1], що характеризує ступінь порушення діагностичної змінної таку, що =0, якщо значення змінної перебуває в діапазоні нормальної працездатності.
Тоді задача контролю параметрів зводиться до обчислення її значення:
. | (3)
Важливим результатом проведених досліджень є побудова моделі для контролю параметрів при обмеженому наборі спостережуваних змінних з урахуванням невизначеностей за запасами каталізатора. При цьому використовується стратегія обліку найгіршого порушеного обмеження для виключення неактивних обмежень.
Для рішення задачі контролю при обмеженому наборі спостережуваних змінних на підмножині ?T?T пар взаємозалежних параметрів локальні функції допустимості подаються у вигляді приватних критеріїв . У цьому випадку рішення багатокритеріальної задачі може бути представлене у вигляді:
. | (4)
Глобальною умовою включення в список діагностованих ускладнень погіршення характеристик каталізатора (Хк) є збільшення масової частки реагента або зменшення масової частки вихідних речовин у готовому продукті. На підставі експериментальних даних визначено, що під час відсутності порушень у технологічних зв'язках при регламентному рівні вхідних впливів граничний стан системи може бути наслідком:
а) спікання часток активних компонентів (каталізатора);
б) старіння (природного виснаження запасів) каталізатора.
Алгоритм контролю характеристик каталізатора оснований на оцінці допустимості температурних режимів і кількісної оцінки активного шару каталізатора. Згідно з (4) визначається як , де – функція приналежності для припустимих режимів роботи контактного апарата, – оцінка ступеня приналежності системи до граничних станів за запасами каталізатора, яка обчислюється з використанням рівняння матеріального балансу.
Для комплексної оцінки відхилень параметрів і локалізації поступових відмов запропоновано метод оперативного групування інформації (метод експрес-аналізу).
Завдання першого рівня моделювання становить теоретико-графову модель задачі діагностування системи з нечіткими даними. Для математичної постановки уводяться наступні позначення.
Вважається заданим n-верховий двочастковий граф G(Н,Р,E), у якому вершини першої частки H={h1,…...hi,…hn} становлять множину проявів несправностей (висновків), i=1,…,n – індекс, яким пронумеровані прояви несправностей у системі, а вершини другої частки P={p1,…pj,…,pm} становлять множину причин несправностей (передумов), j=1,…,m – індекс, яким пронумеровані причини несправностей, E={e} множина ребер. Графу G відповідає деяке бінарне нечітке відношення PG, що складається із всіх пар виду <hi,pj>, для кожної пари <hi,pj> визначене деяке дійсне число з інтервалу [0,1], що дорівнює значенню функції приналежності мG(ek) для дуги ek E яка відповідає цій парі вершин. Cд – ціна помилки діагностування, яка є експертно-визначеною величиною, що залежить від обраного напрямку пошуку: за найнебезпечнішим неліквідованим порушенням, за найбільш імовірним дефектом й т.д., kд – коефіцієнт упевненості діагностичного пошуку, визначений як відношення кількості розрізнюваних порушень на виділеній множині до загальної кількості можливих порушень, викликаних появою несправності.
Теоретико-графова постановка становить задачу покриття двочасткового графа G(Н,Р,E) підграфом G’(Н’,Р’,E’), G’ G, що містить тільки множину вершин виділених у результаті виявлених порушень, причому припустиме рішення становить впорядковану множину, що характеризує всі можливі несправності в системі при заданому граничному значенні стійкості зв'язку (ступеня приналежності мG(<hi,рi>)), кожен компонент якого об'єднаний у групу gi=({hi},Pi,Ei), hi H’, Pi P’, Ei E’ із центром у певній вершині hi з першої частки й множиною Pi вершин із другої частки P.
На множині припустимих рішень графа G визначена цільова функція F, що є узагальненим критерієм оптимальності
, | (5)
де = - вектор приватних критеріїв (ризиків);
– вагові коефіцієнти відносної важливості приватних критеріїв.
Завдання полягає в тому, щоб знайти таке рішення, при якому виявляються малими як ризик R1, так і ризик R2.
Відповідно до уведених критеріїв, це позначає вибір такої послідовності передумов, щоб на множині припустимих рішень графа G одержати максимальну величину коефіцієнта впевненості діагностичного пошуку (kд) при мінімальній ціні помилки (Cд): |
(6)
Алгоритм групування інформації включає 3 стадії знаходження рішення.
На початковому етапі для кожного зареєстрованого відхилення діагностичної змінної проводиться процедура попереднього групування. Для рішення першої частини задачі використані основні властивості нечітких відносин, зокрема узагальнення поняття б-рівня, під яким розуміється звичайне відношення Pб={(<hi,pj>|мХ<hi,pj>)?б} ( <hi,pj> PG), де б – деяке дійсне число з інтервалу [0,1], тобто б [0,1].
Характерною рисою використовуваної моделі є дворівнева структура однієї із часток графа, зумовлена наступними об'єктивними факторами: множина причин несправностей Р може містити як прості (мають тільки одну вершину), так і складові Р*, Р* Р передумови, існування яких зумовлено наявністю в складі діагностованого об'єкта резервних елементів, що забезпечують йому додаткову функціональну надійність, при цьому множину складених передумов описано у вигляді бінарних нечітких відносин Н?Р*: P1 і
Р*?Р: P2.
Рис.1. Спрощена модель задачі діагностування
Для зменшення трудомісткості алгоритмів процес аналізу складних передумов оформляється у вигляді композиції бінарних нечітких відношень Н?Р: P1P2 з функцією приналежності, зумовленою операцією макси-мінної згортки нечітких відношень. Таким чином, кожному кортежу нечіткого відношення <hi,pj> PG буде відповідати дуга графа ek=<hi,pj> з початком у вершині hi, кінцем у вершині pj і значенням функції приналежності мP(<hi,рi>).
Далі, для кожного зареєстрованого порушення будуються нечіткі матриці, які декомпозуються на відношення еквівалентності, що становлять відповідні б-рівні. Для всіх можливих б-рівнів будується система класів (груп), що описує порушення, які можуть виникнути при тому або іншому розвитку процесу. Ця процедура має на меті розподіл вихідної множини рішень на групи за принципом приналежності б-рівню.
Результати виконання алгоритму попереднього угруповання можуть бути використані як вихідні дані для вирішення задачі оптимізації, як попередні результати діагностування системи, виступаючи множиною претендентів на рішення.
Другий етап – процедура впорядкування вершин графа виконується тільки за наявності двох і більше зареєстрованих порушень.
Ітеративний алгоритм упорядкування вершин двочасткового графа G=(H,P,E) полягає в почерговій фіксації однієї із груп уздовж координатної осі й переміщенні кожної вершини іншої групи в геометричний центр координат пов'язаних з нею вершин протилежної групи.
Аналогом упорядкування вершин нечіткого двочасткового графа буде перенумерація рядків і стовпців його матриці з умови: чим більше значення елемента, тим ближче він повинен бути до головної діагоналі. Формально ця мета представлена задачею мінімізації функції (m+1)(n+1) змінних:
, | (7)
де ij - елемент матриці нечіткого графа, що визначає ступінь зв’язності i-ї вершини з j-ю;
pj й hi - номера (координати) строк і стовпців, які упорядковуються.
Переупорядкована матриця дозволяє кожному зареєстрованому порушенню зіставити список можливих причин (діагнозів) відповідно до послідовності віддалення від головної діагоналі. З її допомогою можна також визначати групові внески найбільш близьких пар "висновок-передумова", формуючи уздовж діагоналі блоки заданих розмірів.
На заключному етапі вирішується задача оптимізації (5). Результатом рішення задачі (5) є остаточне ранжирування приватних оцінок у послідовності зменшення їхньої важливості відповідно до обраних критеріїв пошуку. Перед рішенням багатокритеріальної задачі проводиться нормалізація локальних критеріїв.
З огляду на проведене нормування приватних показників, задача визначення найбільш критичних вершин зводиться до рішення однокритеріальної задачі оптимізації виду
, | (8)
і може бути вирішена за допомогою відомих методів оптимізації.
Цикл групування завершується поданням послідовності діагностованих неполадок у вигляді ланцюжків передумов, близьких до шуканого рішення.
Пропоновані алгоритми використовують обмежену кількість елементів, що входять у множини передумов (причин порушень) і висновків (проявів порушень), а також експертно-визначені коефіцієнти. Очевидно, що якість групування й оцінки істотно залежить від вибору початкових параметрів і структури моделі.
Результати виконаних розрахунків показали, що ця методика дозволяє оперативно визначати можливі напрямки пошуку несправностей залежно від попередньо обраної стратегії, що дуже важливо для оперативної локалізації найнебезпечніших порушень.
У третьому розділі наведено результати розробки моделей реалізації стратегії раціональної поведінки при виникненні раптових відмов. Запропоновано структуру автоматизованої системи підвищення технологічної безпеки й механізм діагностування несправностей.
Процедуру прийняття рішень в умовах технічних обмежень на доступну інформацію й досить великого списку можливих порушень, що підлягають ідентифікації, пропонується структурувати на два етапи.
На першому етапі формується множина альтернативних діагнозів, що відповідають множині зареєстрованих відхилень. Задача другого етапу полягає у виборі стратегії поведінки, тобто на основі аналізу прийняти ефективне рішення.
Проблема містить три задачі:
- формування множини зареєстрованих відхилень;
- формування множини гіпотез про несправності (альтернативних діагнозів);
- вибір правила (алгоритму) ухвалення рішення.
1. Формування множини відхилень.
Для кількісної оцінки величини відхилення діагностичної змінної на інтервалі спостереження вводиться функція розвитку відмови , що характеризує ступінь порушення змінної.
Показник максимального відхилення обчислюється як різниця між максимальним значенням параметра й зареєстрованим, приведена до нормалізованого вигляду:
При x=[dmin,xmax] й xmax>dmax визначається у такий спосіб
, | (9)
при x=[xmin,dmax] й xmin<dmin відповідно
. | (10)
Таким чином, для кожного зареєстрованого відхилення формується множина у вигляді трійки значень "регламентне значення – зареєстроване значення – величина відхилення".
2. Формування множини гіпотез про несправності проводиться проведенням процедури експертного опитування, мета якої полягає в тому, щоб, розміщуючи на вході дані про спостережувані відхилення в поводженні, скласти набір припущень про одне або декілька збурювань в описі системи, які могли б пояснити ці відхилення й сформувати пари "ознака – діагноз".
Оцінка можливих діагнозів визначалася через ступінь упевненості експерта в наявності джерела порушення в j-му зв'язку на множині виділених технологічних зв'язків:
, | (11)
де сj – зв'язки, порушення в яких можуть викликати порушення обмежень за i-й діагностичною змінною; – ступінь приналежності елемента сj множині Сi (ступінь упевненості експерта в наявності джерела порушень у зв'язку); С – множина технологічних зв'язків.
3. Модель прийняття рішень оператором.
Для того щоб визначити, як задаються переваги оператора під час пошуку несправностей у просторі технологічних зв'язків, уведемо наступний опис взаємодії оператора з його обстановкою.
Нехай оператор здатний вибирати деякий діагноз із множини всіх можливих у системі, тобто визначати технологічні зв'язки із множини С, виділені на етапі декомпозиції системи. Вибір будемо позначати с, сС. Під впливом обстановки реалізується результат відхилень параметрів zС f, де С f – множина зв'язків у яких є дійсно несправні елементи. Можлива розбіжність оцінок оператора й дійсного результуючого діагнозу може бути зумовлена множиною факторів: впливом обстановки, зовнішнього середовища, недостатньою кількістю інформованості та ін.
Будемо вважати, що оператор має переваги над множиною результатів zС f, тобто має можливість порівнювати різні результати. Переваги оператора позначимо множину можливих переваг – . При виборі діагнозу сС оператор керується перевагами, тобто деяким законом W пошуку порушень у системі залежно від поточних значень параметрів і можливих порушень, інформація про які відбита змінною I. При цьому вибір оператора визначається правилом індивідуального раціонального вибору , що виділяє множину найбільш можливих з погляду оператора несправностей (діагнозів).
Правило індивідуального раціонального вибору оптимального діагнозу полягає у виборі оператором оцінок, що доставляють екстремум його цільовій функції
. | (12)
Гіпотеза раціональної поведінки проявляється в тому, що оператор вибирає оцінки, найкращі з погляду його переваг з урахуванням інформованості про стан системи й можливих порушень. Однак при усуненні невизначеності головною проблемою виявилася не точність діагнозу, а відсутність правил, які дозволяли б судити про серйозність ситуації й сформувати оптимальну множину переваг. Особливо гостро ця проблема проявляється в ситуації, коли існує кілька зареєстрованих порушень Н і, як наслідок, множина взаємовиключних гіпотез про несправності (діагнозів) Р. Крім того, незважаючи на те, що згідно з (12) оператора цікавить тільки одне, найбільш ефективне із всіх можливих рішення (точний діагноз), пропоноване рішення принципово не може бути винятковим через складність об'єкта й багатоваріантність подій. Тому навіть досвідченому операторові для впевненості в прийнятому рішенні звичайно необхідно розглянути й малоймовірні варіанти. З формальної точки зору це означає, що оператора цікавить повний набір елементів упорядкованого ряду рішень. При цьому бажано визначити не тільки яке рішення з набору запропонованих експертних оцінок ефективніше, але й ступінь переваги, тобто на скільки або в скільки разів одне рішення ефективніше іншого.
Для вирішення проблем інтерпретації результатів експертних оцінок у роботі використана технологія узагальнення результатів опитувань на підставі теорії Демпстера-Шеффера.
Відмінною рисою обраної технології є те, що вона надає засоби обчислення функції довіри на множині діагнозів і правила об'єднання функцій довіри, сформульованих на основі різних свідчень.
Для об'єднання різних свідчень із розподілами мір довіри й на користь однієї гіпотези використовується правило Демпстера:
/(1-), | (13)
де - міра довіри для кожної гіпотези піддається процедурі нормалізації й розраховується з урахуванням величини відхилень діагностичних змінних на інтервалі спостереження: |
(14)
Відповідно до проведених досліджень, урахування рівня відхилення параметрів сприяє підвищенню стійкості системи до помилкових рішень і підвищує якість алгоритмів пошуку несправностей. Елементами рішення є відмови, об'єднані в складену гіпотезу.
Таким чином, у результаті використання комбінованої моделі, для прийняття рішень операторові видається результат обчислень у вигляді кортежу, який складається з: множини зареєстрованих відхилень Н: (регламентне значення d(x)=[dmin,dmax]; зареєстроване значення x(t)=[xmin,xmax]; величини відхилення ); множини гіпотез про несправності Іс; множини міри довіри для всіх гіпотез за наявними джерелами свідчень m(сj).
Семантика додаткової множини відповідає ступеню надійності діагнозу за цією кількісною ознакою відхилення.
Розроблено структуру інформаційного забезпечення автоматизованої системи підвищення технологічної безпеки (рис. 2).
Рис.2. Структура інформаційного забезпечення
До складу інформаційного забезпечення оператора входять: підсистема контролю параметрів, головною задачею якої є попередня обробка даних, формування допоміжних функцій, що враховують для кожної технологічної змінної її номінальні, критичні й гранично припустимі значення; блок експрес-аналізу, що виконує функції угруповання інформації з метою локалізації поступових відмов. У випадку якщо стан основних параметрів виходять за рамки гранично припустимих, включається система пошуку несправностей.
Відповідно до обраної стратегії прийняття рішень у системі реалізовані два можливих підходи:
- визначення частини об'єкта, відмова якої викликала непрацездатність підсистеми (пошук несправного технологічного зв'язку);
- пошук дефекту.
Загальна схема процесу пошуку несправностей складається з наступних етапів:
1) визначення початкової множини факторів, що відповідають поточному стану;
2) реєстрація порушення діагностичної змінної (безпосередній вимір, порушення вихідних характеристик математичних моделей, порушення балансових співвідношень);
3) процедура пошуку несправностей:
- визначення початкової множини фактів несправностей і можливості наявності джерела порушень по кожному технологічному зв'язку;
- визначення несправної технологічної підсистеми (зв'язку), для якої найбільш імовірна наявність у її складі елемента, що відмовив;
- звуження області пошуку, визначення несправного вузла (декількох вузлів) із вказівкою розподілу ступенів упевненості в наявності дефекту за множиною несправних зв'язків;
4) процедура ухвалення рішення про наявність несправного зв'язку;
5) видача результатів діагнозу й рекомендацій з локалізації порушення.
У четвертому розділі представлено функціональну організацію й результати практичної реалізації розробленої автоматизованої системи підвищення безпеки функціонування виробництва формаліну.
Автоматизована система діагностики несправностей (рис.3) є частиною розробленого інформаційно-аналітичного комплексу, основними задачами якого є своєчасне забезпечення персоналу інформацією в обсязі достатньому для прийняття рішення через невідповідність, а також у зв'язку з виявленням і локалізацією цих несправностей при керуванні виробничою системою в режимах відмінних від номінальних.
Проведено оцінку трудомісткості алгоритмів, які реалізують методи пошуку несправностей на тестовому прикладі, а також оцінку придатності алгоритмів пошуку несправностей. Для оцінки придатності алгоритмів пошуку несправностей розглядалися результати пар активізованих множин відхилень діагностичних змінних. Для оцінки групового впливу параметрів як альтернатива запропонованим методам пошуку причин відхилень діагностичних змінних використовувалися стандартні операції розширеного мінімуму.
Рис.3. Функціональна структура автоматизованої системи підвищення безпеки функціонування хімічного виробництва
З метою дослідження ефективності розробленої системи було розглянуто основні критерії оцінки інформаційного забезпечення.
Ефективність інформаційного забезпечення для задач підвищення безпеки функціонування виробництв представлена сукупністю трьох основних аспектів: якісного, кількісного, просторово-часового.
Якісний аспект характеризується коефіцієнтом ефективності використання персоналом результатів діагностування. Результати пошуку несправності вважаються задовільними, якщо за всіма компонентами прийнятого рішення отримані достовірні відомості, тобто відомі визначальні характеристики цілі – першоджерела порушень й (або) несправностей процесу, способи їхньої локалізації й умови реалізації. Результативність показника ефективності дозволяє віднести процес інформування персоналу в позаштатних ситуаціях до класу задач стратегічного характеру, оскільки витрати від нереалізованих або реалізованих не вчасно рішень можуть бути досить значними.
Просторово-часовий аспект характеризується двома режимами інформування:
- безперервним режимом надходжень інформації (поточне інформування);
- дискретним режимом забезпечення конкретних задач (цільове інформування).
Результативність процесу – це відношення нормативного часу до фактично витраченого:
, | (15)
де tн– нормативний час на локалізацію порушення;
tф– фактично витрачений час.
Наприкінці розділу проаналізовано передумови й можливості успішного впровадження системи діагностики в діючу систему керування виробництвом. Відзначено, що для перетворення потенційних джерел росту ефективності в реально отримані результати є необхідним виконання ряду додаткових умов.
На етапі організації робіт зі створення й використання системи необхідно: забезпечити інтеграцію розроблюваної системи з існуючими автоматизованими системами; використати концепцію відкритих розподілених систем; забезпечити механізми адекватного діалогу "оператор – інформаційна система". Функції інтелектуального інтерфейсу в умовах невизначеності й неповноти вихідної інформації, коли персонал змушений приймати рішення на основі досвіду експлуатації й динаміки ситуації, полягають у забезпеченні оператора всіма доступними даними, включаючи результати проміжних розрахунків при виборі рішення.
На етапі використання системи зазначено на необхідність використання базових основ впровадження нових управлінських технологій. Незважаючи на задовільні результати досліджень якості роботи алгоритмів діагностування, розроблена інформаційна система є лише інструментом обробки інформації для підтримки діяльності конкретних фахівців. Як було відзначено раніше, наявність повної інформації про стан виробництва не є достатньою умовою для того, що б змусити персонал приймати оптимальні керуючі рішення. Таким чином, додатковими умовами ефективної роботи автоматизованої системи є: продумана кадрова політика; підготовка й навчання оперативного персоналу; внутрішня зацікавленість персоналу; використання внутрішніх економічних механізмів.
У висновках наведені основні наукові результати роботи. У додатках наведено перелік порушень діагностичних змінних та можливих причин відхилень; акти впровадження у виробництво та учбовий процес.
ВИСНОВКИ
Аналіз репрезентованих у дисертаційній роботі результатів досліджень дозволяє сформулювати основні висновки й рекомендації:
1. Аналіз існуючих засобів і методів підвищення безпеки й запобігання виникнення аварійних ситуацій на хімічних виробництвах показує, що більшість фаз керування бар'єрами безпеки ґрунтується на діях оперативного й адміністративного персоналу. Це є підставою для розробки системи функціональної діагностики, головною задачею якої є ефективне використання інформаційних ресурсів і зменшення часу пошуку несправностей. Наведено класифікацію причин порушень технологічних режимів й екологічної безпеки функціонування виробництва формаліну, що вимагають оперативної діагностики для їхнього усунення.
2. Розроблена модель для організації контролю параметрів і локалізації поступових відмов з урахуванням невизначеностей за запасами каталізатора дозволяє доповнити загальний список діагностованих станів тими станами, які викликані ускладненнями при поступовій втраті активності каталізатора.
3. Застосування методу оперативного групування інформації підтвердило доцільність такого підходу, показало, що ця методика дозволяє оперативно визначати можливі напрямки пошуку несправностей залежно від попередньо обраної стратегії, що дуже важливо для оперативної локалізації найнебезпечніших порушень. Якість аналізу сукупності ознак прямо пов'язана з повнотою моделі, що повністю залежить від результатів експертних оцінок.
4. Дослідженням моделей реалізації стратегії раціональної поведінки при виникненні раптових відмов показано, що для ефективного пошуку несправностей операторові необхідно надати повний набір елементів упорядкованого ряду рішень. Це дозволить установити відношення порядку на будь-якій парі рішень із множини доступних.
5. Розроблено комплексний алгоритм, реалізований у можливостях методології нечітких множин, нечіткої міри з використанням математичного апарата теорії графів, що дозволяє використати одночасно всі діагностичні ознаки для збалансованої оцінки внеску кожного із зареєстрованих порушень при їхньому одночасному виникненні.
6. Проведено синтез структури автоматизованої системи підвищення технологічнї безпеки й розроблено систему діагностики, що дозволяє:
- інтерпретувати основні технологічні дані виробництва формаліну;
- оперативно виявляти поступові відмови;
- відслідковувати тенденції до погіршення показників каталітичних характеристик;
- представляти результати діагностування в зручній для аналізу й подальшого прийняття рішення формі;
- заощаджувати значну кількість часу на пошук несправності.
7. Проведено оцінку ефективності використання розробленої системи, розглянуто передумови й можливості успішного впровадження системи діагностики в діючу систему керування виробництвом.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Рязанцев А.И., Скарга-Бандурова И.С. Интегрированный программно-технический комплекс химических производств в системе управления предприятием // Вестник ХНТУ.- 2004.- № 1 (19).- С. 256-259.
2. Рязанцев О.І., Скарга-Бандурова І.С. Концептуальні основи супроводження процесів створення програмно-інформаційного забезпечення системи екологічного моніторингу промислового регіону // Вісник СНУ ім. В.Даля.- 2005.- №5 (87).- С. 177-181.
3. Рязанцев А.И., Скарга-Бандурова И.С. Обеспечение безопасности функционирования химико-технологической системы в условиях априорной нечеткости // Вестник ХНТУ.- 2005.- № 1(21).- С. 68-72.
4. Рязанцев А.И., Скарга-Бандурова И.С. Принятие решений в системе управления безопасностью функционирования химико-технологической системы // Вісник СНУ ім. В.Даля.- 2005.- №9 (91).- С. 112-117.
5. Рязанцев А.И., Скарга-Бандурова И.С. Автоматизированная система обеспечения безопасности функционирования химико-технологического процесса // Вісник Донецького університету.- Серія А: Природничі науки.- 2005.- вип. 2.- С. 392-396.
6. Рязанцев А.И., Скарга-Бандурова И.С. Реализация средств рациональной автоматизации непрерывных технологических процессов производства формалина // Вісник СНУ ім. В.Даля. -2006.- №1 (95).- С. 191-198.
7. Скарга-Бандурова И.С. Програмне забезпечення інтеграційного рівня в системі керування підприємством // Технологія – 2004. Тез. доп. Науков.-техн. конф.- Сєвєродонецьк, 2004.- С. 37.
8. Рязанцев А.И., Скарга-Бандурова И.С. Проблемы информатизации промышленного региона // ІІ міжн. наук.-практ. конф. Тез.доп. – Дніпропетровськ, 2004.- С. 151-154.
9. Скарга-Бандурова И.С. Прогнозирование латентных параметров в квазиструктурированных процессах // Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст. Тез. доп. ІХ Міжн. молод. форум.- Харків: ХНУРЕ, 2005.- С. 547.
10. Рязанцев О.І., Скарга-Бандурова І.С. Моделювання стійких технологічних систем в умовах динамічної невизначеності // Прикладна радіоелектроніка-2005. Тез.доп. ІІ Міжн. радіоелектр. форуму.- Харків: АНПРЕ, ХНУРЕ, 2005.- Т. ІІІ.- С. 291-293.
АНОТАЦІЯ
Скарга-Бандурова І.С. Автоматизована система підвищення безпеки функціонування екологічно небезпечних хімічних виробництв (на прикладі виробництва формаліну). – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – "Автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології". – Донецький національний університет, Донецьк, 2006.
Дисертацію присвячено розробці методів математичного моделювання і засобів функціональної діагностики характерних порушень технологічних режимів хімічного виробництва. Вперше розглянуто і досліджено специфічні зв’язки і сполучення несправностей матеріальної структури об’єкта з порушеннями технологічного процесу з позицій побудови системи функціональної діагностики, що дозволяє розширити можливості традиційних моніторингових систем. Виявлено і класифіковано основні причини порушень й ускладнень технологічних режимів виробництва формаліну на основі оцінки параметрів, зокрема з урахуванням невизначеності за запасами каталізатора. Вперше запропоновано метод оперативного групування діагностичної інформації для визначення можливих стратегій пошуку несправностей, що дозволяє зменшити час на пошук найбільш небезпечних порушень. Модифіковано існуючі діагностичні алгоритми для отримання якісної і кількісної оцінки порушень режимів з урахуванням ступеня відхилення параметрів, що сприяє підвищенню стійкості системи до помилкових рішень і підвищенню точності пошуку несправностей. Виконано розробку алгоритмічного і програмного забезпечення системи діагностики і підтримки прийняття рішень щодо керування технологічною безпекою виробництва формаліну.
Ключові слова: хімічне виробництво, безпека функціонування, діагностування, інформаційна система, підтримка прийняття рішень.
АННОТАЦИЯ
Скарга-Бандурова И.С. Автоматизированная система повышения безопасности функционирования экологически опасных химических производств (на примере производства формалина). – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 – “Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии”. – Донецкий национальный университет, Донецк, 2006.
В диссертационной работе представлены результаты теоретических, экспериментальных и промышленных исследований, посвященных разработке и обоснованию методологии, аналитического аппарата и организационной структуры одного из средств повышения эффективности и безопасности функционирования химических производств – функциональной диагностике, позволяющей в ясных для пользователя понятиях интерпретировать информацию о состоянии технологического процесса, представлять результаты диагностирования в удобной для анализа и дальнейшего принятия решения форме, а так же эффективно устранять причины нарушений за счет организации автоматизированного анализа отклонений технологических переменных.
Впервые рассмотрены и исследованы специфические связи и сочетания неисправностей материальной структуры объекта с нарушениями технологического процесса с позиций построения системы функциональной диагностики, что позволяет расширить возможности традиционных мониторинговых систем. Выявлены и классифицированы основные причины нарушений и осложнений технологических режимов производства формалина на основе оценки параметров с учетом неопределенностей по запасам катализатора
Впервые предложен метод оперативного группирования диагностической информации для определения возможных стратегий поиска неисправностей, что позволяет уменьшить время на поиск наиболее опасных нарушений.
Получили дальнейшее развитие модели для организации параметрического контроля допустимых значений за счет выбора нечеткого порога для интервальной функции, что позволяет на ранних стадиях прогнозировать появление отказа. Модифицированы существующие диагностические алгоритмы для получения качественной и количественной оценки нарушений технологического процесса с учетом степени отклонения диагностируемых параметров, что способствует повышению устойчивости системы к ошибочным решениям и повышению точности поиска неисправностей.
В работе выполнена разработка алгоритмического и программного обеспечения системы диагностики состояний и принятия решений по управлению технологической безопасностью производства формалина. Полученные теоретические и практические результаты использованы при разработке программно-технического комплекса системы анализа альдегидных производств и нашли применение на Рубежанском казенном химическом заводе “Заря” (РКХЗ “Заря”). Методические и теоретические результаты работы используются в учебном процессе на кафедре компьютерной инженерии Северодонецкого технологического института в учебных курсах “Основы системного анализа объектов и процессов компьютеризации”, “Основы автоматизированного проектирования средств вычислительной техники”, “Моделирование и управление в производстве электронных средств”.
Ключевые слова: химическое производство, безопасность функционирования, диагностирование, информационная система, поддержка принятия решений.
ABSTRACT
Skarga-Bandurova I. Computer-aided system of increasing the operating safety for environmental
