Заключение

Исходя из условий реализации обобщенной модели управления функционированием системами газоснабжения, в монографии выбраны приоритетные прикладные задачи, возникающие при эксплуатации рассматриваемых объектов: статическое оценивание параметров состояния и диагностика утечек с целью обеспечения нормативных уровней надежности и безопасности.

Разработаны методы технической диагностики, обеспечивающие дистанционный контроль параметров режима работы систем газоснабжения с учетом утечек и их реализации в виде программного обеспечения для автоматизированных систем управления.

В монографии приведены следующие научные результаты:

• математическая модель для задачи контроля параметров состояния систем газоснабжения и метод ее реализации, использующий в качестве исходных данных сведения по манометрической съемке;

• способ получения псевдоизмерений для восполнения дефицита экспериментальных данных при реализации задач технической диагностики систем газоснабжения;

• метод диагностики утечек, обеспечивающий комплексное решение трех основных вопросов: установление факта утечки, определение ее местоположения в системе газоснабжения и величины;

• разработанный комплекс программ, реализующих перечисленные задачи технической диагностики для систем газоснабжения.

В настоящее время получило широкое распространение при решении комплекса технически важных задач идея энергетического эквивалентирования [34], поскольку большинство из них формулируется как анализ внештатных ситуаций функционирования транспортных объектов. Разумеется, это касается и систем газоснабжения. Такие ситуации возникают в результате воздействия на систему любых возмущающих факторов как структурного, так и параметрического характера.

Новизна предлагаемого подхода к решению задачи статического оценивания прежде всего состоит в нетрадиционном выборе вектора оцениваемых параметров. В качестве компонентов последнего предлагается использовать нагрузки потребителей и их гидравлические характеристики. В этом случае на оцениваемые параметры не влияет коммутация запорно-регулирующей арматуры, а зависимость компонент вектора телеизмерений от них оказывается явной.

Нетрадиционный выбор вектора оцениваемых переменных позволил создать весьма удобный и простой способ борьбы с информационной неопределенностью, типичной для всех задач обратного анализа. Она заключается в дефиците экспериментальных данных о состоянии объекта управления. Основой последних для систем газоснабжения являются телеизмерения при манометрической съемке. В монографии показаны преимущества восполнения этого дефицита за счет формирования псевдоизмерений.

Другой прикладной задачей исследований являлась разработка метода обнаружения утечек, в основе которого лежит классическая задача проверки двухальтернативной гипотезы. Статистическая проверка гипотез состоит в процедуре классификации наблюдаемого сигнала от объекта управления. К таким задачам относится обнаружение сигналов в шумах (помехах), то есть обнаружение объектов, связанных с этими сигналами, а также обнаружение дефектов в объектах наблюдения.

В традиционных информационных системах обнаружения наблюдаемые сигналы являются физическими, получаемыми от различных приборов: оптических, лазерных или радиолокаторов. Применительно к ГС предлагается использовать математический приемник информации, реализующий метод диагностики утечек, изложенный в [32], на основе манометрической съемки.

Помимо изложенного механизма проверки двухальтернативных гипотез на основе выборки X_n, в монографии рассматриваются алгоритмы последовательной и рекуррентной процедуры анализа, когда не безразличен момент принятия решения и желательно получить результат обнаружения утечки на любом шаге наблюдения за системой. Кроме того, в работе приводятся алгоритмы обнаружения утечек в двух частных случаях формулировки рассматриваемой задачи. В первом случае полагается, что помехи от стохастичности потребления отсутствуют, погрешность приемника информации известна и оценке подлежит лишь амплитуда утечки. Во втором случае известной считается дисперсия σ₁, а искомой величиной являются помехи в системе газоснабжения от стохастичности потребления.

Итак, в монографии рассмотрены: комплексный алгоритм технической диагностики систем газоснабжения; программное обеспечение, реализующее задачи статического оценивания и диагностики утечек; результаты вычислительного эксперимента по апробации разработанных моделей и методов.

В комплексном алгоритме применяется структуризация задач технической диагностики. Статическое оценивание на первом этапе алгоритма совмещено с формированием псевдоизмерений. Задача реализуется в предположении отсутствия утечек. На втором этапе, используя два последовательных результата статического оценивания, выполняется диагностика величины и местоположения утечки на основе метода, изложенного в [32]. Третий этап алгоритма может быть реализован в трех вариантах. В первом случае, если требуется принять решение на первом шаге, то применяется последовательная процедура анализа. Во втором случае (по трем и более реализациям оценивания) выполняется рекуррентная проверка гипотезы. В третьем случае устанавливается конкретная длина выборки (по числу реализаций диагностики утечек).

Программное обеспечение разрабатывалось в виде самостоятельных вычислительных комплексов (загрузочных модулей), реализующих каждый в отдельности этап комплексного алгоритма. Основой вычислительных комплексов являлся пакет прикладных программ HYDROGRAPH [69].

Из-за технических сложностей реализации натурного эксперимента с системами газоснабжения для проверки работоспособности разработанных методов и алгоритмов применялось имитационное математическое моделирование.

Качество оценивания определялось путем сравнения получаемых результатов с эталонным расчетом, полученным в результате численного решения прямой задачи анализа потокораспределения. Результаты вычислительного эксперимента показали, что среднеквадратическая погрешность (СКО) между эталонными данными и расчетными (по программе статического оценивания) оказывается во всех трех первых вариантах в пределах погрешности исходной информации.

По результатам анализа современной методологической базы для реализации технической диагностики распределительных систем газоснабжения можно сделать следующие выводы:

1. Показано, что контроль быстро изменяющихся параметров режима в системах газоснабжения включает две алгоритмически взаимосвязанные задачи: статическое оценивание и диагностику утечек. Совместная формализация этих задач невозможна в силу их принадлежности к задачам разного класса.

2. Приведены результаты разработки математической модели и метода решения задачи статического оценивания, быстродействие которого обеспечивается за счет нетрадиционного выбора совокупности оцениваемых параметров, в качестве которых приняты отборы среды потребителями. Практическая ценность метода обусловлена тем, что в качестве оцениваемых параметров взяты узловые давления, позволяющие в качестве исходной информации о состоянии объекта использовать наиболее удобный способ контроля над режимом функционирования - манометрическую съемку.

3. Приведены результаты разработки математической модели формирования псевдоизмерений для преодоления дефицита экспериментальных данных о состоянии системы газоснабжения в задаче статического оценивания. В основу модели положен физически обоснованный принцип энергетического эквивалентирования абонентских подсистем.

4. Приведены результаты разработки математической модели и метода реализации диагностики утечек, включающий установление факта существования, определение местоположения и величины. Обоснована возможность квалифицировать обнаружение ординарных утечек в системах газоснабжения как задачу проверки двухальтернативной гипотезы. Нарушение ординарности не изменяет статус задачи, а только переводит ее в разряд проверки многоальтернативных гипотез или распознавания образов. Предложено в качестве оптимального приемника информации использовать известный алгоритм определения местоположения и величины утечки, основанный на формализации данной задачи в классе динамических обратных задач анализа возмущенного состояния.

5. Приведено описание разработанного программного обеспечения для реализации технической диагностики систем газоснабжения, на основе которого проведен вычислительный эксперимент, подтверждающий работоспособность комплекса предлагаемых моделей с погрешностью, отвечающей качеству исходных экспериментальных данных, полученных в результате манометрической съемки. Созданный вычислительный комплекс может быть использован для мониторинга городских систем газоснабжения. Его внедрение в практику эксплуатации позволит повысить надежность и экономичность функционирования таких объектов.

В заключение следует подчеркнуть практическую сторону монографии. Большинство выполненных теоретических исследований для систем газоснабжения доведены не только до уровня работоспособных алгоритмов, но и реализованы в виде программного обеспечения.

Выявление факта наличия утечек наиболее актуально именно для систем газоснабжения, так как аварии на распределительных системах газоснабжения не только могут привести к большому числу жертв и серьезным экономическим потерям, а также могут вызвать серьезные экологические проблемы. В данном направлении актуальны исследования [8, 9, 23, 24, 25, 26, 27, 42, 52, 72, 75, 155].

Дополнительно по вопросам разработки математических моделей для мониторинга технического состояния и обеспечения безопасности функционирования других гидравлических систем можно рассмотреть ряд работ.

Вопросам моделирования потокораспределения на основе принципа энергетического эквивалентирования [34, 37] для гидравлических систем, в том числе для систем теплоснабжения (СТС), посвящены работы [80, 81, 83, 84, 85, 86, 87, 97, 98, 103, 106, 110, 118, 119, 121, 123, 125, 128, 132, 133, 151]. Формирование структурных графов для СТС при решении задач анализа потокораспределения рассмотрено в работах [82, 99, 100].

Разработка математических моделей транспортного и структурного резервирования СТС приведена в работах [38, 88, 91, 92, 93, 105, 107, 108, 126].

Большое число исследований посвящено проблемам надежности и безопасности функционирования ГС [40, 41, 77, 78, 94, 95, 96, 120, 129] и СТС [39, 79, 89, 111, 134, 135, 136].

В рамках научного подхода, использующего математическое моделирование физических процессов, можно провести аналогии с научными подходами в других научных разделах, разрабатываемых для реализации сложных технических задач. Здесь представляют интерес примеры моделирования в области строительной механики и расчета строительных конструкций [76, 148], в области расчета пожарных рисков и смежных проблем [60, 61,65, 66, 67, 68, 70, 71, 142, 145], а также во многих других научных направлениях.

В целом, проблеме выбора подходов и методов решения прикладных задач управления функционированием СТС посвящены работы [130, 139].