МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

С. А. Сазонова, С. А. Колодяжный, Е. А. Сушко

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

ДЛЯ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

И ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

Монография

Воронеж 2015

УДК 614.8:696.2

ББК 38.763

С148

Рецензенты:

А.А. Атапин., заместитель начальника кафедры пожарной безопасности

технологических процессов Воронежского института государственной противопожарной службы МЧС России;

С.О. Потапова, к.т.н., доцент кафедры пожарной безопасности

технологических процессов Воронежского института государственной противопожарной службы МЧС России

Сазонова, С.А.

С 148 Разработка математических моделей для мониторинга технического состояния и обеспечения безопасности функционирования систем газоснабжения: монография / С.А. Сазонова, С.А. Колодяжный, Е.А. Сушко; Воронежский ГАСУ. – Воронеж, 2015. – 111 с.

Изложены теоретические основы и алгоритмические аспекты моделей и методов для технической диагностики систем газоснабжения, обеспечивающих: дистанционный контроль параметров режима функционирования; обнаружение утечек; определение их величины и местоположения. Основой разработанных методов является энергетическое эквивалентирование абонентских подсистем, что составляет принципиальное отличие от существующих аналогов.

Теоретические положения, развиваемые в работе, направлены на повышение надежности и безопасности функционирования систем газоснабжения. Это достигается за счет ориентации разработанных методов и алгоритмов на наиболее доступный вид исходной информации – манометрическую съемку.

Издание предназначено для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области эксплуатации распределительных систем газоснабжения, а также может быть полезно студентам, магистрантам и аспирантам, обучающимся по направлениям "Строительство", "Техносферная безопасность".

Ил. 14. Табл. 9. Библиогр.: 162: назв.

УДК 614.8:696.2

ББК 38.763

Печатается по решению учебно-методического совета

Воронежского ГАСУ

ISBN 978-5-89040-536-4

© Сазонова С. А., Колодяжный С. А., Сушко Е. А., 2015

© Воронежский ГАСУ, 2015

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ	4
Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ	6
1.1. Состав, содержательная сущность и методы решения задач технической диагностики систем газоснабжения	6
1.2. Особенности функционирования систем газоснабжения и их влияние на методологию технической диагностики	20
Глава 2. СТАТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ	24
2.1. Формулировка задачи статического оценивания	24
2.2. Статическое оценивание в условиях информационной неопределенности	30
2.3. Статистические свойства оценок параметров режима	34
Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК В СИСТЕМАХ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ	40
3.1. Методы математической статистики в задачах обнаружения утечек	40
3.2. Разработка алгоритма диагностики утечек без учета помех от стохастичности потребления в системе газоснабжения	50
3.3. Разработка алгоритма диагностики утечек с учетом помех от стохастичности потребления в системе газоснабжения	57
3.4. Разработка алгоритма диагностики утечек с неизвестной амплитудой при учете помех от стохастичности потребления в системе газоснабжения	63
Глава 4. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ	72
4.1. Алгоритм и программное обеспечение технической диагностики	72
4.2. Результаты вычислительного эксперимента по апробации алгоритма решения задачи статического оценивания	81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	94
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК	98

Введение

Распределительные системы газоснабжения (ГС) городов и промышленных предприятий в силу их назначения, масштабов, тенденций развития и условий функционирования квалифицируются как объекты жизнеобеспечения. Их надежность, безопасность и экономичность в эксплуатации невозможна без применения автоматизированных систем управления (АСУ), эффективность которых во многом определяется качеством алгоритмического и программного обеспечения, используемого для обработки информации о состоянии объекта управления.

Значимость проблемы развития математического аппарата АСУ и общность физических закономерностей, описывающих процессы, протекающие в любых транспортных системах (в том числе и ГС), стимулировали многочисленные исследования в отечественной и зарубежной практике, направленные на создание универсальной методологии решения ключевой проблемы технической диагностики - контроля параметров режима функционирования. Применение полученных результатов для ГС сдерживается двумя обстоятельствами.

Во-первых, для таких систем характерна проблема информационного обеспечения экспериментальными данными о параметрах режима, являющихся основой решения задачи контроля их состояния. По технологическим соображениям наиболее доступным способом получения опытных данных о ГС является манометрическая съемка, тогда как информативная ценность выше для данных о потреблении целевого продукта. Дефицит информации в настоящее время восполняется посредством прогноза потребления на основе построения эмпирических зависимостей от климатологических, метеорологических и социальных факторов. Погрешность в определении последних ставит под сомнение эффективность самого метода в условиях повышенных требований к точности результатов диагностики.

Во-вторых, спецификой функционирования ГС являются утечки, для которых информационная неопределенность о факте их существования, местоположении и величине обесценивает результаты контроля параметров состояния посредством математического моделирования, поскольку без учета утечек модель не в состоянии корректно отображать топологические свойства объекта управления. Между тем во всех известных методах диагностика утечек рассматривается как автономная задача, что противоречит принципам системного подхода.

Вышеизложенное дает основание считать, что исследования, направленные на решение указанных проблем, имеют актуальное научное и практическое значение.

Сферой исследований авторов монографии является методологическое обеспечение для задачи контроля параметров режима функционирования систем газоснабжения. Являясь по сути комплексной, эта задача лежит в основе информационной функции автоматизированных систем управления (АСУ) транспортировки и распределения целевого продукта (ЦП) конкретным объектом. Современные концепции АСУ предусматривают достаточно широкий спектр вопросов, решаемых в рамках информационной функции. Разумеется, лишь часть из них принадлежит к исследуемой задаче, а именно [18]:

1. Разработка быстродействующих методов расчета по данным измерений, включая доопределение параметров;

2. Разработка адаптивных методов сглаживания, фильтрации и прогнозирования процессов, протекающих в объекте управления, позволяющих восполнить недостаток телеметрической информации;

3. Увеличение надежности исходной информации, в частности, защита от грубых сбоев, обнаружение источников "плохих" данных, в том числе неисправных приборов;

4. Определение точностей получаемых исходных данных, выделение в них случайных и систематических погрешностей, а также точности результатов расчета с использованием этих данных;

5. Увеличение точности исходной информации за счет использования избыточных данных.

Акцент в монографии делается на первом и втором вопросах, поскольку остальные подробно изложены в работах [16, 17, 18], и опыт их решения может быть без особых проблем адаптирован к трубопроводным системам в силу электрогидравлической аналогии, обусловленной глубокой общностью физических закономерностей, описывающих процессы, протекающие в таких объектах. Предпосылкой к этому является то обстоятельство, что уровень развития методологической базы, достигнутый в отечественных исследованиях, опережает зарубежный [54, 57]. Между тем для рассматриваемых вопросов преемственность накопленного опыта маловероятна в силу специфики функционирования систем газоснабжения. Установить особенности протекания процессов в трубопроводных системах и выявить характер их влияния на традиционные приемы технической диагностики составляет основное содержание монографии.

В монографии приведены следующие научные разработки:

• модель для задачи дистанционного контроля параметров состояния систем газоснабжения и метод ее реализации;

• модель формирования псевдоизмерений для восполнения дефицита экспериментальных данных в задачах технической диагностики;

• комплексная модель диагностики утечек в системах газоснабжения, в которой их обнаружение выполняется как проверка двухальтернативной гипотезы.