Рассмотрено современное состояние развития компьютерных тренажерных систем и систем поддержки принятия решений (ИСППР) при управлении технологическим процессом компримирования газа. Проведен анализ разработок, научных трудов и публикаций касающихся проблемной области.
Ключевые слова: система поддержки принятия решений, компьютерная тренажерная система, оперативно-диспетчерский персонал, процесс компримирования газа.
С развитием компьютерно-информационных технологий области применения компьютерных тренажерных систем (КТС) и систем поддержки принятия решений (СППР) при управлении технологическими процессами постоянно расширяются. Причина их растущей популярности заключается в возможности реализовать с их помощью принципиально новые и эффективные способы обмена информацией, перевести управление сложными системами и комплексами на качественно новый уровень.
При этом возможности исследования, анализа и запоминания информации в несколько раз превышают традиционные способы обучения. Это достигается благодаря использованию при разработке КТС и СППР современных SCADA-систем (WinCC, Simplicity, Genesis и др.), пакетов моделирования систем (MATLAB, Maple, Modelica и др.), а также профессиональных проблемно-ориентированных пакетов Exsys Corvid, NeuroPro.
Применение КТС имеет большое значение при подготовке и проведению повышения квалификации оперативно-диспетчерского персонала (ОДП), работающего на опасных участках производства и там, где цена ошибки значительно превышает затраты на обучение. Применение СППР при управлении технологическими процессами позволяет ОДП получать дополнительную информацию о технологических ситуациях, возникающих на технических объектах управления и помогает, тем самым, принимать правильные и адекватные решения в конкретный момент времени.
В настоящее время нефтяная и газовая промышленность является крупнейшей отраслью, динамично развивающейся во всем мире. Разрабатываются новые месторождения нефти и газа, строятся новые и реконструируются существующие трубопроводные системы, внедряется новое оборудование.
Несмотря на то, что работа в нефтегазовой промышленности в настоящее время является достаточно высокооплачиваемой, в тоже время она является достаточно сложной и опасной для здоровья обслуживающего персонала. Кроме того, стоимость современного оборудования применяемое в этой отрасли довольно значительная и предполагает наличие высоко квалифицированного обслуживающего персонала. При этом большое значение имеет так называемый «человеческий фактор» и, соответственно, качество профессиональной подготовки оперативно-диспетчерского персонала, поскольку его ошибки могут привести не только к аварийным ситуациям и авариям, ликвидация которых требует значительных материальных затрат, но зачастую и к человеческим жертвам. Для предотвращения возникновения опасных ситуаций на производстве и для обучения ОДП целесообразно использование специальных тренажерных комплексов, а также системы поддержки принятия решений при управлении технологическими процессами.
В данной статье анализируются особенности функционирования известных тренажерных комплексов и систем поддержки принятия решений при управлении технологическим процессом компримирования газа.
Среди рассмотренных ниже систем особого внимания заслуживает разработка ЗАО «АтлантикТрансгазСистема», которая представляет комплексное решение: систему поддержки принятия решений и тренажер диспетчера для повышения надежности АСУТП газодобывающих и газотранспортных предприятий [1,2] в которой диспетчер непосредственно включается в контур управления, а СППР помогает ему принимать решения при оперативном управлении предприятием в штатных и нештатных режимах. Также анализируется режим работы компрессорной станции (КС) на основе информации, поступающей от датчиков, систем автоматики и сравнивается с результатами компьютерного моделирования.
В [2] рассматривается тренажер диспетчера, в основу функционирования которого заложена нестационарная математическая модель трубопроводной системы «Веста-М», включающей КС. Интерфейс диспетчера на тренажере полностью аналогичен реальному интерфейсу АСУТП. При выполнении прогнозного расчета задается так называемый временной масштаб, или коэффициент ускорения, который может варьироваться в диапазоне от 1:1 до 10:1. Анализ решений, предлагаемых обучающимся сотрудникам, проводит экспертная система.
В [3] разрабатываются методы и алгоритмы информационной поддержки диспетчера при штатных и нештатных ситуациях, а также решается задача практической реализации системы ППР диспетчера линейного производственного управления магистральных газопроводов (ЛПУ МГ) на примере моделирования реальной аварийной ситуации с частичным разрывом газопровода.
В работе [4] разрабатывается система ППР при автоматизированном оперативно-диспетчерском управлении объектами добычи и транспорта газа. Разработка такой системы обеспечивает повышение оперативности диагностики состояния производственных объектов, выявление аварийных и нештатных ситуаций, а посредством этого — повышение степени аварийной защиты оборудования, повышение качества управления технологическим процессом и сокращение ошибок диспетчерского персонала при действиях в различных ситуациях за счет информационно-аналитической поддержки и предоставления персоналу подробной информации о состоянии оборудования. При этом рассматриваются вопросы взаимодействия диспетчера газотранспортной системы с АСУТП, и конкретные задачи, которые он решает, контролируя работу газотранспортной системы (ГТС), а также вопросы обоснованности принятия диспетчером управляющих решений при возникновении нештатных ситуаций, определения последовательности управляющих воздействий, максимально нивелирующих неблагоприятное развитие процесса и возвращающих его на стабильный уровень, возможно не оптимальный, но лучший в данной конкретной ситуации, и оценки результата.
В [5] разработано алгоритмическое и программное обеспечение для автоматизированной системы ППР диспетчерами ГТС по решению задачи оперативного планирования режима работы ГТС, которое одновременно является средством исследования качественных и количественных характеристик работы ГТС при различных условиях функционирования. В данном случае ГТС рассматривается как многомерная нелинейная стохастическая система с распределенными параметрами, для которой характерны сетевая многоуровневая структура, наличие непрерывных и дискретных управляющих воздействий, высокий уровень неопределенности структуры, параметров, состояния, а также воздействий со стороны окружающей среды.
Известны также работы, посвященные разработке СППР при управлении КС с использованием средств искусственного интеллекта [6, 7].
В [6] рассматривается методика построения отказоустойчивой системы автоматического управления газотурбинными двигателями с использованием нейронных сетей на основе метода FDI. Для обучения нейросети используются данные, полученные с помощью известных математических моделей ГТД и исполнительных механизмов, с последующей адаптацией полученных нейросетевых моделей к конкретным объектам идентификации. Обученная нейронная сеть помогает принимать решения при управлении ГТД.
В [7] разработано интеллектуальную компьютерную программу диагностирования производительности газовой турбины с использованием искусственной нейронной сети, а также разработана методология, на основе которой можно оценивать техническое состояние не только отдельных узлов ГПА, но и его техническое состояние в целом.
Отдельно рассмотрим функционал специализированных компьютерных учебно-тренажерных комплексов без привязки к системам поддержки принятия решений, а именно: тренажер САУ ГПА «Квант-6" [8], информационно-поисковую програму «КС-39А «У-П-У» [9] и комплексную обучающую систему ГПУ-16 [10].
Тренажер САУ ГПА «Квант-6" [8] создан на базе одной из современных микропроцессорных систем автоматического управления ГПА «Квант-6" и представляет собой операторную компрессорного цеха с агрегатами ГТК-10И (ИР), которая в учебных целях дополнительно оборудована мультимедийным проектором с экраном и рабочей станцией инструктора, что позволяет демонстрировать всей учебной группе действия оператора, который управляет работой ГПА, и неисправности, вводимые инструктором.
В состав тренажера входят:
- станция инструктора, позволяющая осуществлять контроль за действиями оператора и создавать сценарии нештатных ситуаций;
- станция оператора для мониторинга и управления агрегатом;
- станция для отработки навыков системных программистов по работе с программным обеспечением, настройке и конфигурации устройств управления.
Информационно-поисковая программа «КС-39А «У-П-У» (BPPPG «Plenty») разработана специально для Богородчанского ЛПУМГ КС-39 газопровода» Уренгой-Помары-Ужгород " [9].
Данная версия информационно-поисковой системы включает:
- детализированную технологическую схему блока подготовки топливно-пускового газа;
- отдельные технологические схемы КС с различной степенью детализации;
- описание элементов запорной арматуры;
- описание предохранительных клапанов;
- описание соединений и конечных выключателей;
- описание оборудования КИПиА;
- описание фильтров.
Кроме того, в данной программе реализовано улучшенную навигацию по технологической схеме, быстрое отображение информации по всем типам оборудования, фильтрацию отдельных слоев технологического оборудования [9].
Комплексная учебная система ГПУ-16 используется как для обучения студентов, так и для повышения квалификации, переподготовки и проверки компетентности и аттестации специалистов. Она в полной мере воспроизводит все функции и замеры контролирующих параметров, имитацию типичных отказов и аварийной работы [10].
Учебная система имеет возможность настройки для использования как в групповых, так и в индивидуальных занятиях и состоит из мультимедийного учебного комплекса, модуля проверки знаний и навыков операторов, а также имитатора пульта управления оператора. Отдельные блоки тренажера отражают различные режимы работы и системы ГПА: режимы запуска и остановки агрегата, топливную, пусковую, технологическую и другие системы ГПА.
Среди других КТС, разработанных для ОДП КС можно выделить работу [11].
В ней рассматривается компьютерный учебный тренажер без поддержки интеллектуальных функций, в который закладываются различные математические модели в зависимости от технологического режима: для пуска и остановки используются сети Петри, для аварийных ситуаций — ситуационная модель и для нормального режима — имитационная модель, построенная по блочно-модульному принципу. Особенностью этой работы является то, что помимо разработки математического обеспечения компьютерного тренажера строится также прогнозно-оптимизационная модель оператора.
Выводы
Из незначительного количества рассмотренных существующих и находящихся на стадии разработки СППР и КТС выделяется разработка ЗАО «АтлантикТрансгазСистема» для предприятий группы «Газпром», которая фактически является флагманским продуктом в отрасли построения тренажеров, обучающих систем и систем поддержки принятия решений.
Другие рассмотренные разработки решают более узкие задачи: в одних разработках акцент делается на обучение ОДП, в других — на создание оперативного «помощника» при принятии решений на производстве, в третьих — на осуществлении сбора, хранение и обработки информации для построения математических и эмпирических моделей функционирования КС, в остальных — большее внимание уделяют состоянию готовности человека-оператора.
Таким образом, актуальной остается задача построения интеллектуальной СППР для управления технологическим процессом компримирования газа с включением в ее структуру блока обучения диспетчера.
Литература:
1. ЗАО «АтлантикТрансгазСистема». Система поддержки принятия решений и тренажер диспетчера как средство повышения надежности АСУТП газодобывающих и газотранспортных предприятий [Электронный ресурс]. — Томск: Газпром трансгаз, 2010.
2. Бернер Л. И. Интегрированные системы поддержки принятия решений в многоуровневых АСУ непрерывными технологическими процессами: автореф. дисс. … докт. техн. наук: 05.13.06 / Л. И. Бернер. — Москва, 2010. — 46 с.: ил.
3. Бухвалов И. Р. Методы и алгоритмы информационной поддержки управления газотранспортной системой: дисс. … канд. техн. наук: 05.13.06 / И. Р. Бухвалов. — Владимир, 2007–133 с.
4. Балабанов А. А. Система поддержки принятия решений при автоматизированном оперативно-диспетчерском управлении объектами добычи и транспорта газа: дисс. … канд. техн. наук: 05.13.06 / А. А. Балабанов. — Москва, 2008. — 190 с.: ил.
5. Тевяшева О. А. Оперативне планування режимів роботи автоматизованої газотранспортної системи в умовах невизначеності газоспоживання: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.13.07 / О. А. Тевяшева. — Харків, 2004. — 21 с.
6. Идрисов И. И. Алгоритмы адаптации и обеспечения отказоустойчивости систем управления газотурбинными двигателями на основе нейросетевых технологий: автореф. дисс. … канд. техн. наук: 05.13.01 / И. И. Идрисов. — Уфа, 2009. — 19 с.: ил.
7. Горбійчук М. І. Метод інтегральної оцінки технічного стану газоперекачувальних агрегатів [Текст] / М. І. Горбійчук, І. В. Щупак, В. Л. Кімак // Нафтогаз. енергетика. — 2010. — № 2. — С. 38–43.
8. ОАО «Газпром трансгаз Ухта». Отделение повышения квалификации специалистов и персонала опасных технологий [Електронний ресурс] / Доступ до ресурсу: http://www.ukhta-tr.gazprom.ru/products/cok/otdel1.php.
9. КС-39А «У-П-У». Інформаційно-пошукова програма КС-39А «У-П-У» [Електронний ресурс].
10. Комплексна навчальна система ГПУ-16 [Електронний ресурс].
11. Тулупов В. В. Автоматизированная обучающая система для подготовки оперативно-диспетчерского персонала газотранспортных систем: дисс. канд. техн. наук: 05.13.06 / В. В. Тулупов. — Х., 2003. — 175 с.
