WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:     || 2 |

«Беспроводная сенсорная телекоммуникационная система контроля утечек метана из магистралей газотранспортной сети ...»

-- [ Страница 1 ] --

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского

автономного округа - Югры»

и

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный исследовательский университет

«Высшая школа экономики»

На правах рукописи

Бушмелев Петр Евгеньевич Беспроводная сенсорная телекоммуникационная система контроля утечек метана из магистралей газотранспортной сети Специальность: 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Увайсов Сайгид Увайсович Москва –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………… Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ……………………………………………... 1.1. Место и роль линейных участков в газотранспортной системе……………………………………………………………………….. 1.2. Дефекты, методы и средства контроля технического состояния линейных участков газопровода……………………………….. Применение беспроводных сенсорных сетей в 1.3.

газотранспортной отрасли………………………………………………….. 1.4. Постановка задачи исследования………………………………. 1.5. Вывод по главе…………………………………………………... Глава 2. СЕНСОРНАЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ УТЕЧЕК ГАЗА………………………………. Требования, предъявляемые к сенсорной 2.1.

телекоммуникационной системе контроля утечек газа………………….. 2.2. Концепция построения системы автоматического контроля утечек газа и управления состоянием магистрального газопровода……. 2.3. Структура распределенной системы контроля утечек газа…. 2.4. Аналитическая оценка сенсорной телекоммуникационной системы……………………………………………………………………… 2.5. Выводы по главе………………………………………………. Глава 3. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА СЕНСОРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ……………………… 3.1. Требования к аппаратным средствам………………………… 3.2. Структура беспроводного модуля контроля утечек газа…… 3.3. Принцип размещения беспроводных модулей ……………… 3.4. Разработка измерительного преобразователя………………... 3.5. Приемо-передающий модуль…………………………………. 3.6. Характеристика информационного потока сенсорной сети… 3.7. Разработка системы электропитания беспроводного модуля. Оценка качества аппаратных средств сенсорной 3.8.

телекоммуникационной системы………………………………………….. 3.9. Выводы по главе……………………………………………….. Глава 4. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА СЕНСОРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ……………………….. 4.1. Требования к программным средствам………………………. 4.2. Автоматизированная система мониторинга и управления состояния магистральных газопроводов…………………………………... 4.3. Программное средство «Проектирование СТС»…………….. 4.4. Программное средство «Оператор СТС»…………………….. 4.5. Инженерная методика автоматизированного мониторинга магистральных газопроводов………………………………………………. 4.6. Выводы по главе……………………………………………….. ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………... ПРИЛОЖЕНИЯ:…………………………………………………………… ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Свидетельство о регистрации программы…………… ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акты внедрения в отрасль и учебный процесс………

ВВЕДЕНИЕ

Магистральный трубопроводный транспорт является важнейшей составляющей топливно-энергетического комплекса России. В стране создана разветвленная сеть магистральных нефтепроводов, нефтепродуктопроводов и газопроводов, которые проходят по территории большинства субъектов.

Магистральные трубопроводы являются самыми капиталоемкими сооружениями нефтегазового комплекса, и продление их функционирования обеспечивает огромный выигрыш для экономики страны. Одной из важнейших проблем трубопроводного транспорта является сохранение нормального состояния линейных участков (ЛУ) промысловых и магистральных газопроводов (МГ).

Подземные газопроводы, эксплуатируемые при нормальных режимах, могут сохраняться несколько десятков лет в рабочем состоянии. Этому способствует большое внимание, которое уделяется систематическому контролю технического состояния (ТС) подземных и надземных МГ и своевременная ликвидация появляющихся дефектов.

Как правило, чаще дефекты на МГ появляются в результате коррозии и реже из-за механических воздействий. Определение места коррозии и повреждений всегда связаны с большими трудностями и материальными затратами. Вскрытие газопровода, для его непосредственного визуального обследования, экономически невыгодно. Кроме того, обследование только внешней поверхности трубы, как правило, ничего не дает. Поэтому, актуальной является проблема мониторинга технического состояния подземных и надземных промысловых, магистральных продуктопроводов без их вскрытия. Эта проблема связана с большими техническими трудностями, однако бурно развивающиеся современные методы и средства измерительной техники, позволяют её решить. Данные технические средства в свою очередь отличаются заложенными в методы исследования физическими явлениями, принципом действия устройств, чувствительностью, областью применения, локальностью или глобальностью диагностирования, в газотранспортной сети, и другими характеристиками.

Однако именно огромная протяженность и разветвленность газопроводов в РФ, прохождение их по сложным территориям и различным климатическим зонам, а также отсутствие развитой и разветвленной системы коммуникаций, диагностировании технического состояния магистралей.



Решение этой проблемы лежит в том, что дополнительно к существующим методам и средствам ввести в работу распределенную сеть дополнительных устройств, которые, не нарушая технологических режимов эксплуатации контролировать утечки газа (КУГ) из объектов газотранспортной сети (ГТС) и телекоммуникационных технологий.

характеристикам, в настоящее время наиболее интенсивно развиваются методы и средства беспроводных сенсорных сетей. Большой вклад в развитие этого направления внесли Плюснин И.И., Демко А.И., С.С. Баскаков, В.И. Органов, Л.С. Восков, М.М. Комаров, Бушмелева К.И., Увайсов С.У. и др.

Успешно работают коллективы научно-технического центра уникального приборостроения РАН, института проблем нефти и газа РАН, Московского государственного инженерно-физического института, Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана, Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», СанктПетербургского государственного политехнического университета, Сургутского государственного университета, Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Тюменского государственного университета, ООО «БИТ» и др.

В настоящее время использование сенсорных сетей, представляющих собой распределенные самоорганизующиеся сети, устойчивые к отказу отдельных устройств и передающих информацию используя технологию беспроводной связи, является актуальной областью исследований. Каждый элемент данной сети имеет автономный источник энергии, приемо-передающее устройство, микрокомпьютер и составляет область покрытия от нескольких метров до десятков и сотен километров, в зависимости от типа беспроводного модуля и антенны, а также за счет ретрансляции пакета данных от одного элемента к другому с учетом топологии сети. Для расширения радиуса действия сенсорной сети между конечными устройствами используются ретрансляторы, позволяющие увеличить дальность работы и качество принимаемого сигнала.

В связи с этим, объектом исследования является процесс мониторинга технического состояния ГТС.

автоматизированного контроля утечек газа из протяженных линейных участков МГ, а также способы передачи информации в беспроводных сетях.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации и обслуживания линейных участков МГ на основе создания средств автоматического контроля утечек газа с использованием телекоммуникационных средств беспроводной связи.

Для достижения цели в работе решены следующие задачи:

Анализ проблемы, методов и средств контроля состояния ГТС.

Разработка концепции системы автоматического контроля утечек газа из магистрали, со сроком эксплуатации, превышающим нормативный.

Разработка метода контроля ТС МГ, основанного на применение беспроводных модулей (БМ) сенсорной телекоммуникационной системы (СТС).

Разработка алгоритма функционирования БМ.

Разработка сенсорного устройства детектирования утечек метана.

Разработка способа и метода передачи информации, а также системы электроснабжения БМ.

Разработка алгоритма влияния розы ветров, при размещении БМ вблизи газопровода.

чувствительность датчика метана; мощность приемопередатчика.

Апробация и внедрение результатов исследования.

использованы принципы системного подхода и методы общей теории систем и технической диагностики, теории математического и диагностического моделирования, теория чувствительности и возмущений, теория оптимизации и методы математического программирования, теории управления, вероятностей и математической статистики, теории систем массового обслуживания, теории принятия решений, методы численных и экспериментальных исследований, методы построения телекоммуникационных систем и методы объектноориентированного программирования.

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты.

выработавших номинальный срок службы, которая в отличие от известных основана на технологиях и средствах беспроводных сетей телекоммуникаций.

Разработана автоматическая система, которая в отличие от известных позволяет контролировать утечки метана в непрерывном режиме и при этом учитывает розу ветров, чувствительность датчика метана, мощность приемопередатчика беспроводной сети и ограничения, накладываемые особенностями рельефа местности вдоль трассы газопровода.

телекоммуникационной системы, который заложен в аппаратно–программную реализацию детектора утечки метана.

Предложено решение по организации электропитания БМ сенсорной телекоммуникационной системы, включающего в себя возобновляемые источники энергии.

разработана имитационная модель распределенной беспроводной сети, учитывающая возможность моделирования взаимодействующих параллельных процессов с реализацией логики преобразований во времени.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований предложена инженерная методика контроля утечек метана из газовых магистралей беспроводными модулями сенсорной телекоммуникационной системы.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что разработанная в ней сенсорная телекоммуникационная система контроля утечек газа позволит, объединить в едином пространстве территориально разнесенные технические, телекоммуникационные, диагностические и информационные средства, а также автоматизировать процесс сбора, обработки и визуализации информации, оценки объемов утечки метана в реальном масштабе времени, для организации эффективного централизованного управления техническим состоянием, обслуживанием и ремонтом ЛУ МГ.

диссертационной работе методы, алгоритмы, аппаратно-программный комплекс и методическое обеспечение использованы при выполнении научноисследовательских и опытно-конструкторских работ, в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, государственный контракт № 14.740.11.0068 от сентября 2010г. на выполнение НИР по теме: «Разработка методов и аппаратурных средств лазерно-информационной технологии мониторинга газотранспортных объектов», в рамках Государственного задания Правительства ХМАО-Югры, утвержденное 01.07.2010г. № 116, на НИР СурГУ «Организация и проведение научных исследований, научно-технических и опытно-экспериментальных рабо на период 2012-15гг.» по теме «Мониторинг парниковых газов в Югре с помощью лазерно-информационных технологий», а также в рамках хоздоговоров № 177-08-10/ВОУ/В22-252310 от 31.08.2010 года по теме «Оказание услуг по проведению экспертизы эмиссии метана из крановых узлов на соответствие требованиям СТО Газпром 031-2007».

Основные результаты диссертационной работы внедрены в ООО «ЛИТТ» при Томском государственном университете, в научном центре лазерных технологий Сургутского государственного университета, в учебный процесс ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХантыМансийского автономного округа – Югры» на кафедре «Автоматизированные системы обработки информации и управления».

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено актами внедрения, приведенными в приложении 1.

За период с 2004 по 2014 годы работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на международных, в том числе в и всероссийских научно-практических конференциях и симпозиумах.

По теме диссертации опубликовано 29 работ, в том числе 2 учебных пособия, 6 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов диссертаций, 6 отчетов по НИР. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованной литературы, состоящего из наименований, и приложений, включающих в себя акты внедрения.

Во введении обоснована актуальность темы, описана краткая характеристика области исследования, изложены цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость результатов работы, представлены научные результаты, выносимые на защиту, показана логическая связь глав диссертационной работы.

Первая глава посвящена характеристике современного технического состояния линейных участков МГ России и анализу особенностей эксплуатации ЛУ МГ. Отмечается, что крупнейшей газовой компанией России является ОАО «Газпром», которая располагает лицензией на разработку месторождений.

Основная задача ОАО «Газпром» - максимально эффективно и сбалансировано обеспечивать газоснабжение потребителей РФ.

компрессорных станций, которые объединены в крупнейшую Единую систему газоснабжения (ЕСГ) Российской Федерации, представляющую собой комплекс, включающий в себя месторождения газа, объекты переработки и транспортировки природного газа.

Линейные участки являются основной составляющей МГ и представляет собой непрерывную нить, сваренных друг с другом отдельных труб или секций, уложенных в траншею. Длина ЛУ из районов добычи природного газа в районы его потребления может составлять от 100 до нескольких 1000 км, а диаметр трубы варьируется от 150 до 1420 мм. Протяженность всех ЛУ и отводов, входящих в ЕСГ РФ, сегодня составляет более 171,0 тыс.км, при этом газопроводы диаметром 1020, 1220 и 1420 миллиметров составляют более 62%.

Линейные участки МГ, являются стареющими, основные из них были введены в эксплуатацию в 1960–1980-х гг., сегодня порядка 35% МГ отработали более 33 лет. Анализ данных показал, что за последние 10 лет в ОАО «Газпром», возраст МГ, на который приходится наибольшее количество аварий, составляет для труб диаметром: 1020 мм 16-20 лет; 1220 мм 20-24 лет; 1420 мм 12-16 лет.

Как показывает практика, аварии на МГ связана с большим её возрастом, но большая часть причин это коррозия и повреждения труб из-за выхода из строя изоляционных покрытий. Второе место занимают дефекты в сварных стыках. В работе приведена обобщенная классификация дефектов и повреждений, которые могут возникнуть при эксплуатации газотранспортных объектов, причины их возникновения. Проведён анализ существующих методов диагностирования технического состояния магистралей, а также средств измерений используемых для анализа утечек природного газа. Анализ показал, что эти методы являются малоэффективными, так как в отдельности позволяют получить лишь разнородные параметры, не обеспечивая при этом всего объема необходимой информации о техническом состоянии газотранспортной системы и динамике их изменения.

В связи с этим было предложено дополнительно использовать возможности современных телекоммуникационных систем, построенных на основе распределенных беспроводных сенсорных сетей в аспекте создания на их основе системы контроля утечек газа и мониторинга технического состояния структурных элементов ЛУ МГ.

телекоммуникационную систему обусловлена следующими преимуществами:

высокой надежностью; многоуровневой системой безопасности; способностью к самоорганизации и самовосстановлению в случае сбоев; большим количеством поддерживаемых узлов; возможностью организации сети различной топологии; увеличение дальности связи без дополнительного усиления радиосигнала; простотой установки, настройки и обслуживания оборудования; длительным сроком автономной работы; низкой стоимостью;

широкой областью использования; обеспечение взаимозаменяемости сетей и узлов; независимостью от производителя оборудования; контроль целостности данных; низкое энергопотребление.

телекоммуникационной системы контроля утечек газа из объектов ГТС, в соответствии с требованиями цифрового открытого стандарта беспроводной связи ZigBee, на основе беспроводных модулей. Система строится так, чтобы сбалансировано дополнять существующие и разрабатываемые сети связи, охватывая с различной плотностью протяженные участки МГ. Для повышения эффективности мониторинга, за основу были взяты цифровые методы передачи информации и интеграция служб по обслуживанию системы.

В состав такой многоуровневой системы должны входить: устройства локального диагностирования утечек газа/метана; автономные источники телекоммуникационные устройства – обеспечивающие беспроводную связь на близкие расстояния; сеть стационарных и мобильных пунктов приема, обработки и распределения полученной информации; программные средства автоматизированную систему управления. Преимущество предлагаемых решений состоит в их системности, а также адаптации к местным условиям российской территории. Система строится так, чтобы сбалансировано дополнять существующие и разрабатываемые сети, охватывая с различной плотностью значительную часть территории России, с местами прокладки МГ.

Реализация инфологической модели предметной области проводилась проектирования, предназначенного для управления данными газотранспортного предприятия, посредством интуитивно понятного графического интерфейса, обеспечивая эффективный процесс организации, управления и администрирования таких аспектов деятельности, как диагностирование и мониторинг технического состояния ЛУ МГ.

Описаны три основных уровня управления, локальный, аппаратный и клиентский, автоматической телекоммуникационной системы контроля утечек газа. Управление создано на базе информационно-телекоммуникационных технологий, которые позволили осуществлять сбор, посредством беспроводной сенсорной сети и отображение, обработку, анализ, прогнозирование и распространение информации, посредством программно-аппаратных средств.

На основе проведенного анализа разработана функциональная структура модели сенсорной телекоммуникационной системы, позволившая используя возможности диаграммы IDEF0, графически отразить информационные связи, потоки данных между элементами системы и внешней средой, а также бизнеспроцессы, происходящие в системе.

телекоммуникационной системы, предназначенной для непрерывного контроля и оценки ТС МГ, с учетом параметров окружающей среды, построенной на основе совокупности различных аппаратно-программных средств и, представляющую собой беспроводную сенсорную сеть, состоящую из множества распределенных в пространстве беспроводных модулей, точек сбора информации, серверов, Web-сайта клиента.

На основе анализа вычислительных систем массового обслуживания была проведена аналитическая оценка сенсорной телекоммуникационной системы контроля утечек газа, позволившая сделать вывод о предпочтительном использовании БСС при данной реализации, в основу которой должны быть заложены функции управления процессом обмена и преобразования информации между различными устройствами.

В третьей главе сформулированы требования, представлен состав, технические характеристики и функциональные возможности основных сегментов телекоммуникационной системы, разработан принцип размещения беспроводных модулей вдоль магистрали на основе учета метрологических и эксплуатационных факторов, который в свою очередь положен в основу технологии проектирования СТС КУГ.

Приведена обобщенная структура беспроводного модуля, главного обнаружение утечки газа, фиксирование время обнаружения, зарядка устройств, передача собственной и ретрансляционной информации, и состоящего из:

детектора утечки метана; приемо-передающего устройства; автономного источника питания.

Приведен анализ выбора основных элементов ДУМ, а также схема подключения. Описан метод обнаружения утек метана в газоанализаторе, основанный на математической модели диффузионного рассевания газообразных примесей в атмосфере, позволивший рассчитать концентрации газов в вертикальном и горизонтальном сечение облака метана, а также поля концентраций, создаваемые точечными источниками выбросов из труб. При этом учет таких метеорологических характеристик как роза ветров и роза скорости ветра, а также таких эксплуатационных характеристик как подстилающая поверхность, чувствительность датчиков газа, позволили уточнить на стадии проектирования СТС процесс позиционирования беспроводных модулей. Приведена схема приемо-передающего устройства, состоящего из управляющего микроконтроллера, приемопередатчика, встроенной антенны, флэш-памяти, внешних схем согласования уровней USB, RS232, цифрового порта. Описан способ и метод передачи информации в беспроводной сенсорной сети.

Разработана структура автономного источника питания, состоящего из аккумулятора, солнечной батареи (ветрогенератора), гибридного регулятора, с приведенной схемой подключения данных устройств, рассчитана системы электропитания БМ контроля утечек газа.

На основе программного средства «Контроль КАС», была произведена оценка эксплуатационных возможностей аппаратных средств сенсорной телекоммуникационной системы, с существующими аналогами, основными критериями сравнения являлись: технические и эксплуатационные характеристики, информационные свойства и программное обеспечение, позволившая сделать вывод о высоком уровне новизны решений.

Данная СТС КУГ обеспечивает качественное обследование состояния объектов МГ за счет: автоматизации поиска утечки газа; точной локализации места утечки газа; низкой вероятности появления ложных дефектов (утечек);

обнаружения и идентификации объектов МГ, на которых образуются дефекты, а также позволяет оценить и прогнозировать техническое состояние газопровода.

телекоммуникационной системой КУГ осуществляется автоматизированной системой (АС) «Мониторинг», построенной на базе сервис - ориентированных технологий, которые являются наиболее перспективными, за счет реализации мобильных компонентов, повышающих степень интеграции системы с другими информационными системами газотранспортной отрасли. Автоматизированная система имеет модульную архитектуру, настраиваемую под специфичные требования пользователя, взаимосвязь осуществляется посредством использования хранилища данных.

Ядром системы является хранилище графических и алфавитно-цифровых данных реализованное посредством специализированной СУБД позволяющей использовать систему для проектов любого масштаба, от локальных сетей до магистральных международных газопроводов.

Входной информацией для АС являются: сигналы, текст, цифровые данные, технические характеристики оборудования, справочники дефектов, электронные карты, координаты, время, метеоданные, постилающая поверхность и др.

Выходные данные могут быть представлены в виде: таблиц, графиков, отчетов, технических характеристик оборудования, информацией об утечках, электронными картами, координатами, сигналов, времени, розы ветров, прогнозных моделей, оценкам по отказам, управленческих решений и др.

Дана характеристика и решаемые функциональные задачи следующих подсистем: «Линейный участок магистрального газопровода», позволяет просматривать, выбирать, размещать и структурировать все виды географических и пространственных и любых других данных, связанных с газопроводом; «Мониторинг СТС», предназначена для объединения различных данных по обследованию и оценке ТС объектов ГТС, контролю утечек газа, инспекционным проверкам ЛУ МГ и телекоммуникационных средств связи, что в свою очередь предоставляет возможность с высокой точностью определить местоположение проблемного участка; «Угроза», объединяет в себе задачи по отслеживанию и управлению информацией об отказах на МГ и оборудовании сенсорной сети, ведущихся или планируемых работах по ремонту и замене объектов и оборудования СТС, возникающим угрозам, чрезвычайных ситуациях, вмешательстве третьих лиц; «Эксперт», предназначена для принятия оперативного решения пользователями и позволяет присваивать различные категории утечкам газа из ЛУ МГ, на основе анализа данных полученных при обследовании СТС, для повышения эффективности работы и снижения нагрузки на оператора системы и лица принимающего решения; «Контроль оборудование», позволяет взаимодействовать и управлять различным технологическим оборудованием, установленным на газопроводе и используемом в телекоммуникационной системе посредством интеграции со SCADA – системами газотранспортного предприятия; «Администратор», выполняет обработку алфавитно-цифровых данных, и предназначена для работы с административной информацией с осуществлением управления управления документами и отчетами.

«Проектирование СТС», которая позволяет автоматизировать процесс проектирования сенсорной телекоммуникационной системы с учетом влияния распространение газового облака и типов подстилающих поверхностей для принятия решения по оптимальному размещению БМ используемых для определения утечек газа из МГ.

Отмечается, что основной задачей подсистемы «Оператор СТС» является получение и представление оперативной информации об обстановке на объектах ГТС, посредством анализа информации от БМ (в виде наличия утечки газа), которая в свою очередь регистрируется с помощью датчиков (сенсоров) утечки метана. При этом данная задача решается посредством: обеспечения стабильной работы беспроводной сенсорной сети; обеспечения mesh-топологии пользователей об авариях на ЛУ МГ и работоспособности СТС в целом.

Инженерная методика функционирования системы мониторинга МГ, представлена в рамках CALS-технологий. Информация в виде сигналов, полученная с различных датчиков и телекоммуникационных устройств, преобразовывается символически на основе математического аппарата, сравнивается с эталонными значениями и на основании правил формирования отказов поступает на выход в виде данных: о текущем состоянии БМ;

сигнализации нештатных ситуаций; подробности отказов; история отказов. По результатам анализа формируются предложения о дополнительном диагностировании зарегистрированных утечек газа, которые передаются в центр управления и принятия решения в режиме реального времени.

АС мониторинга ТС ЛУ МГ являются необходимыми для лиц, принимающих решения, таких, например, как главный диспетчер газотранспортного предприятия или компании по продаже газа. Они облегчают управление обширными газотранспортными сетями в условиях недостаточно полной информации о них. При этом в большинстве случаев, наряду с количественной информацией, получаемой от различных датчиков, систем, устройств, присутствует также вербальная информация, что не позволяет использовать обычные диагностические системы.

В заключении перечислены основные научные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

В приложении диссертации приведены акты внедрения результатов работы, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе приведен анализ особенностей линейных участков магистральных газопроводов и состояния газотранспортной системы России. Приведена классификация дефектов и тех повреждений, которые могут возникнуть при эксплуатации газотранспортных объектов, причины их возникновения.

Приведен анализ существующих методов диагностирования технического состояния магистралей, а также средств измерений используемых для анализа утечек природного газа. Дается анализ возможностей современных телекоммуникационных систем, в частности беспроводных сенсорных сетей, в аспекте создания на их основе сенсорной телекоммуникационной системы контроля утечек газа и мониторинга структуры МГ. Сформулированы задачи, решаемые в работе.

1.1. Место и роль линейных участков в газотранспортной системе Нефтегазовая отрасль России составляет порядка 20% поступлений в федеральный бюджет, доля природного газа при этом составляет 50%, оценочные запасы более 3 трлн. куб. м, потенциальные ресурсы достигают порядка 8 трлн.куб.м. Крупнейшая газовая компания России - ОАО «Газпром», которая располагает лицензией на разработку месторождений, (запасы природного газа порядка 70%, это составляет 19,4% от всего добываемого в мире природного газа) [18,55,61,68,79]. Основная задача ОАО «Газпром» максимально эффективно обеспечивать газоснабжение потребителей РФ, а также выполнение контрактов по поставкам газа на экспорт [76,79].

Газ перекачивается по 1, 2, 3-х ниточным магистральным газопроводам (МГ), посредством компрессорных станций (КС), которые объединены в крупнейшую Единую систему газоснабжения (ЕСГ) Российской Федерации, представляющую собой технологический комплекс, включающий в себя месторождения, предприятия переработки и транспортировки природного газа.

В состав МГ входят объекты, представленные на рисунке 1.1, а также объекты:

связи, системы электрозащиты, вспомогательных сооружений, ремонтноэксплуатационных служб, административных и жилищно-бытовых сооружений.

Линейные участки (ЛУ) являются основной составляющей МГ и представляет собой непрерывную нить, сваренных друг с другом отдельных труб или секций, уложенных в траншею. Длина ЛУ из районов добычи природного газа в районы его потребления может составлять от 100 до нескольких 1000 км, а диаметр трубы варьируется от 150 до 1420 мм.

Протяженность всех ЛУ и отводов (или весь МГ), входящих в ЕСГ РФ, сегодня составляет более 171,0 тыс.км, при этом газопроводы диаметром 1020, 1220 и 1420 миллиметров составляют более 62% [60,76,86].

Линейные участки МГ, как и вся техносфера, являются стареющими, основные из них были введены в эксплуатацию в 1960–1980-х гг., сегодня порядка 35 % МГ отработали более 33 лет, номинальный срок службы.

Проведенный анализ технического состояния (ТС) ЛУ МГ ОАО «Газпром» представлен на рисунке 1.2, где условно изображена труба, в торце которой (по часовой стрелке) изображены различные толщины труб, начиная с участка синего цвета, трубы находящиеся в эксплуатации 10 лет и менее (всего – 14,56% и общая длина 24,9 т.км). Далее, в торце, условное уменьшение толщины трубы (из-за старения, а значит появления ржавых каверн, стресскоррозии и т.п., в этих местах, фактически труба будет тонкой), это же показано в цилиндрической части трубы (одновременно указан % таких труб и соответствующая их длина, в т.км). Перемещаясь по трубе, начиная с красного цвета:

красным цветом выделены трубы (всего – 4,91%, и общая длина 8,4 т.км), находящиеся в эксплуатации около 50 лет, которые в свою очередь находятся в аварийном состоянии – требуют срочной замены;

Рисунок 1.2 - Техническое состояние МГ ОАО «Газпром»

оранжевым цветом выделены трубы (всего – 10,9%, и общая длина 18, т.км), находящиеся в эксплуатации от 40 до 50 лет, которые также находятся в предаварийном состоянии;

эксплуатации от 30 до 40 лет (всего – 21,5%, и общая длина 36,8 т.км);

эксплуатации от 20 до 30 лет (всего – 36%, и общая длина 61,7 т.км);

эксплуатации от 10 до 20 лет (всего – 12%, и общая длина 20 т.км);

синим цветом отражено количество ЛУ МГ, находящихся в эксплуатации от порядка 10 лет (всего – 14,6%, и общая длина 24,9 т.км);

фиолетовым цветом отражено количество восстановленных ЛУ, после капитального ремонта (всего – 2,5%, и общая длина 2,5 т.км), как правило, замены трубопроводов, т.е. новые трубы, но в пределах существующей длины МГ [2,9,24,44,48].

В связи с этим ЛУ, отмеченные красным, оранжевым, да желтым цветом, а это почти 38%, в пределах всей ЕСГ РФ, требуют срочного проведения реконструкции и модернизации, чтобы повысить надежность, экологическую и экономическую эффективность.

В 90-х годах доминантой по аварийным факторам [1,48,59] на ЛУ МГ была общая коррозия, однако, анализ ТС данных объектов показал, что в первую очередь сказывается возрастной фактор структуры МГ (рисунок 1.2).

Сегодня среди основных факторов аварийности можно выделить следующие: а) технологический фактор, это дефекты, вызванные браком строительномонтажных работ или браком изготовления труб и оборудования; б) природный фактор, который связан с наличием динамически-напряженных зон; стихийных бедствий; в) фактор срока эксплуатации «возрастной фактор МГ» влияет на появление наружной и внутренней коррозии (в т.ч. стресс-коррозия) или в связи с нарушениями условий и режимов эксплуатации.

Анализ данных и результатов из работ [17,33,39,42,49,] показал, что за последние 10 лет в ОАО «Газпром», возраст МГ, на который приходится наибольшее количество аварий, составляет для труб диаметром: 1020мм 16- лет; 1220мм 20-24 лет; 1420мм 12-16 лет (рисунок 1.3).

Из рисунка 1.3 следует, в конечном итоге, что количество аварий непрерывно снижается, хотя очевидным является то, что в начальный период эксплуатации больше проявляются технологические факторы, в то время как срок эксплуатации МГ очень мал, а поэтому возрастной фактор еще не проявляется.

Рисунок 1.3 – Аварийность на МГ в зависимости от срока эксплуатации Так как, влияние возрастного фактора неизбежно, это показано в работах [17,18], отсюда можно сделать следующий вывод, что характер дефектов МГ будет иметь вид «туннельной характеристики», т.е. в первые десять лет проявляются технологические факторы, после их устранения аварийность снижается, но начинает сказываться возрастной фактор. Из-за возрастного фактора (а это в основном из-за коррозии и стресс-коррозии) количество технических отказов ЛЧ МГ растет, а в конце срока, порядка 30-50 лет, эксплуатация таких МГ становится очень опасна. Подтверждением этого является динамика аварийности на МГ, которая за последние годы, по причине коррозии, непрерывно растет [1,9,40,45,56,84,96].

Однако, как видно из схемы (рисунок 1.2), только 1,5% МГ (из 28% находящихся в аварийных зонах) ежегодно ремонтируется, а оставшаяся часть (это почти 50 тыс. км.), требует особо повышенного внимания и непрерывного контроля ТС МГ современными средствами технической диагностики и мониторинга. Кроме того, увеличение вероятности возникновения аварии, приведенной на рисунке 1.3, эту проблему существенно обостряют. Учитывая, что в настоящее время, промышленностью и малым бизнесом средства непрерывной диагностики и контроля состояния МГ не выпускаются и даже не разрабатываются, актуальным становится задача создания таких средств.

«Беспроводная сенсорная телекоммуникационная система контроля утечек телекоммуникационная система контроля утечек метана из магистралей газотранспортной сети не только эффективно решает задачу непрерывного контроля и мониторинга, но и обладает такими достоинствами, как: высокая чувствительность; оперативность и круглосуточность контроля; автоматизация процесса мониторинга; низкая стоимость системы; малые затраты как финансовых, так и людских ресурсов при размещении такой системы на МГ;

система не требует высококвалифицированных кадров её установки и обслуживания.

1.2. Дефекты, методы и средства контроля технического состояния линейных участков газопровода Главной причиной возникновения дефектов, является качество изоляции и ее толщина. Чем лучше качество изоляции труб, тем выше защитные свойства, продолжительнее срок службы газопровода. С течением времени противокоррозионная изоляция ухудшается.

Когда коррозионные каверны достигают диаметра 30-40 мм и глубины 4- мм при толщине стенки 9-10 мм., такая коррозия становится опасной.

Трещины металла, находящегося под напряжением, называемые стресскоррозийными, находятся в основном в нижней части сечения трубы.

Скорость роста глубины стресс-коррозии составляет от 0,15 до 1,5 мм/год.

И может сопровождаться взаимодействием и объединением соседних трещин.

Размер развивающейся трещины может достигнуть критического состояния, пока не произойдет потери несущей способности дефектной трубы [57-59,77].

Динамика аварийности на объектах магистральных газопроводов ОАО «Газпром» с 1991 по 2000г.г. показывает (рисунок 1.4), что наибольшее количество аварий 17 приходилось на 2000г. и связаны они были с наружной коррозией [54,75,79,97].

Рисунок 1.4 - Динамика аварийности на газопроводах (всех диаметров) К дефектам потери металла относятся как коррозионные дефекты, так и механические повреждения, полученные при транспортировке, так и при выполнении строительно-монтажных работах и эксплуатации труб (таблица 1.1). Любая трещина, возникающая из-за случайного повреждения, может развиться (например, из-за перепада климатических температур, колебаний давления в газопроводе, возможного дополнительного внешнего нагружения изгибающим моментом) и вызвать значительные разрушения вследствие большой упругой энергии газопровода. Особенно часты разрушения по этой причине в период предпусковых испытаний.

Задир Дефекты, связанные с потерей металла Зашлифовка Дефекты, возникающие при различных видах обработки деталей - трещины – после термообработки металла - группа мелких и тонких разрывов, после шлифовки металла К дефектам нарушений сплошности относятся дефекты (таблица 1.2) литейного происхождения (трещины, раковины, пористость и т.п.).

Включения Это дефект, обычно металлургического производства (таблица 1.3) Раковины Нарушения округлой формы, газовые, так и усадочные раковины Газовые поры Это поверхностные или внутренние поры, возникающие вследствие попадания в металл шва атмосферных газов или газов, образованных Эксплуатационные дефекты: от усталости металла; коррозионные;

надрывы поверхности из-за одноразового приложения напряжения;

механические – забоины, вмятины, риски, наклеп и др. [2,43,62,74,94].

Известно, что одной из частых причин разрушения газопроводов, связанной с качеством стали и технологией производства труб, является именно расслоение. По опубликованным данным, второе место занимают разрушения, вызванные дефектами сварки газопроводов (рисунок 1.5) Таблица 1.3 – Дефекты металлургического производства Расслоения Дефекты, уменьшающие площадь сечения, которые являются очагами Расслоение с выходом на поверхность (закат, плена прокатная) –Данный класс дефектов включает в себя плены, некоторые виды закатов и др.

Дефекты Трещины, образованные в результате механической обработки прокатанного и (прокатке, ковке), представляют собой: рванины, закаты, волосовины, кованого расслоения, трещины, плены.

металла Волосовины – мелкие внутренние или поверхностные трещины.

Флокены – волосяные (очень тонкие) внутренние трещины.

Дефект поверхности - дефект проката на поверхности трубы поверхности, вкатанная окалина, раковины от окалины, раковины вдавливания), не выводящий толщину стенки трубы за предельные Описание и состав классов дефектов кольцевых сварных швов приводится в таблице 1.4 [50,67,72]. Из выше приведенного списка самыми опасными являются: непровар шва, несплавления, подрезы и т.п. Нарушения технологии сварки, приводят к разрушению сварки газопроводов. Дефекты, даже не прочность стыков.

Изгиб газопроводов, уложенных в грунт, приводит в результате неравномерной осадки, к появлению различных дефектов, связанными со строительством МГ.

Смещение Несовпадение уровней стыковых сварных соединений.

кромок Косой стык Соединение с углом расположения осей труб друг к другу в 3 градуса и более классифицируется как дефект «косой стык» поперечного сварного Утяжина Канавка со стороны корня сварного шва, образовавшаяся в результате Непровар Непровар основного металла в корневой части шва из-за большой корня шва скорости сварки и др.

Непровар по Неровар по линии сплавления металла сварного шва и основного металла разделке трубы Трещина вдоль Несплошность, вызванная местным разрывом шва. Трещина может оси шва располагаться, в металле сварного шва, на границе сплавления, в зоне Подрез Узкое продольное углубление по линии сплавления с основным металлом, Провис корня Избыток металла на обратной стороне шва сверх установленного значения шва Зашлифовка Механическое полное и или частичное удаление валиков усиления продольных сварных швов на концах трубы. Место ремонта шва или Нарушение Отклонение формы наружных поверхностей сварного шва или геометрии формы соединения от установленного значения (усадочная канавка, усадочная сварного шва раковина, избыток направленного металла и др.) Трещина Непровар по разделке (подрез, непровар, трещина вдоль оси шва) Потеря металла - уменьшение толщины стенки трубы из-за коррозии, изготовления или проката. Вид дефектов геометрии стенки трубы приведены на рисунке 1.6.

Характеристика геометрических дефектов трубы приведена в таблице 1.5.

Вмятина Местное уменьшение проходного сечения трубы на длине меньшей, чем 1,5 номинального диаметра трубы Dн Гофр Уменьшение внутреннего сечения трубы Отклонение от окружности (Dн-d) / Dн, 2% и более, где Dн - номинальный Сужение наружный диаметр трубы, d - минимальный измеренный наружный Стандартом организации ОАО «Газпром» определены основные методы и приведенные в рисунке 1.7 [18,24,26,32], однако современное развитие науки и техники предлагают существенно доработать этот стандарт предприятия.

Конечно, можно было бы решить эту задачу кардинально, т.е. внести изменения в стандарт, но как показывает практика, новые решения должны не только поэтапно вводиться в систему мониторинга, но и широким внедрением подтвердить свою эффективность. Как, например, с появлением средств внутритрубной диагностики, многие прогнозировали, что все остальные способы и средства диагностирования очень быстро сойдут с «трубы», это не произошло по двум причинам: первая - очень высокие затраты на выполнение внутритрубной диагностики; вторая – информация, получаемая с помощью этих средств, не обеспечивает полную диагностику МГ. Поэтому успешно продолжаются развиваться и другие направления мониторинга. Большую перспективу, в настоящее время, имеют наземные средства мониторинга линейных участков МГ.

Рисунок 1.7 - Основные методы и средства мониторинга ЛУ МГ В основном это связано с появлением беспроводных сенсорных сетей (БСС), т.е. установкой различных датчиков как непосредственно на (ретранслируется) по различным беспроводным каналам связи (в радио или оптическом диапазоне) на большие расстояния.

БСС легко решается задача тотального контроля всех линейных участков МГ. Результаты мониторинга будут концентрироваться на операторских пунктах, размещаемыми на компрессорных станциях. В перспективе данные БСС будут оснащаться, кроме датчиков, и видеокамерами, которые, наконец-то, решат и проблему тотальной видео охраны всех линейных участков МГ, а в конечном итоге, и всех объектов и сооружений магистральных газопроводов и даже газопроводов, размещаемых в населенных пунктах, т.е. в системе ЖКХ. В свое время, специалисты нефтегазовой отрасли ставили такую задачу, но в связи с огромной стоимостью, на тот момент, вынуждены были от идеи видео охраны МГ отказаться.

Актуальным также, на данном этапе, является развитие комплексных систем мониторинга МГ, а именно - лазерных, наземных и мобильных (средствами малой авиации) измерений. Это должно способствовать развитию и внедрению наземных средств мониторинга и постепенным сокращением, по мере их развития, дистанционных, в т.ч. и спутниковых систем мониторинга.

Таким образом, информация, представленная на рисунке 1.7, будет расширена применением БСС, а в способах и методах будут сокращены дистанционные системы мониторинга МГ, к которым относятся аэрокосмические и лазерные способы, тепловые и радиолокационные методы обследования МГ из-за их высокой стоимости и ограниченной эффективности.

Как ясно из вышесказанного, комплексная методика будет базироваться на дистанционных (в основном размещаемых на средствах малой и беспилотной авиации) и непосредственных – наземных методах обследования МГ и их рациональном использовании. На начальном этапе необходимо будет разбить обследуемую трассу МГ на участки, на которых оба метода принесут максимальный эффект. Очевидно, что наземный метод, с помощью БСС, в первую очередь должен использоваться в местах, где малоэффективно использование дистанционных методов, это: переходы через различные препятствия (дороги, водные участки, сложные рельефы местности, и т.п.) и расположение МГ вблизи населенных пунктов. Кроме этого, применение БСС в качестве реперных точек, особенно при использовании тепловизионнотелевизионных устройств значительно повысит точность обследования.

1.3. Применение беспроводных сенсорных сетей в газотранспортной отрасли Ранее отмечалось, что магистральные газопроводы эксплуатируются в тяжелых условиях. По данным изложенным в пункте 1 первой главы, основными причинами аварий на МГ являются:

влияние внешних воздействий - 33%;

нарушение режима эксплуатации - 6% [18,24,40,44,48].

На сегодняшний день наиболее эффективными являются дистанционные методы обнаружения утечек газа (с борта вертолета), с использованием лазерных и тепловизионных устройств, однако их низкая эффективность, в основном из-за периодического характера контроля, требует разработки новых методов и устройств. А наиболее перспективным направлением внедрения технических средств в процесс мониторинга МГ, является разработка специализированных телекоммуникационных технических средств, в данном случае автономных устройств, использующих радиоканал для передачи информации. При решении данной проблемы важным является выбор структуры таких средств. В основу данной структуры должны быть заложены принципы типового, и даже желательного, стандартного комплекса технических средств на базе беспроводных сенсорных сетей (БСС) [5,12,36,65,90,114], сориентированного полностью на специфику использования их в газотранспортной отрасли. Только такой подход, в конечном итоге, даст желаемые результаты автоматизации процесса контроля утечек из МГ.

проектировании структуры сенсорной телекоммуникационной системы (СТС) контроля утечек газа из МГ являются следующие: системный подход к многофункциональность (гибкость); модульность и стандартизация;

универсальность по отношению к вычислительным средствам; территориальная распределенность.

Поясним назначение и сущность предложенных принципов типовой структуры СТС. Основополагающим принципом является системный подход к структуре, как поясняется в [90,100] системный подход, в настоящее время, является более общим подходом и предполагает, что разработка начинается, прежде всего, с определения цели, которую должна решать данная телекоммуникационная система. В отличие от классического подхода, т.е.

объединение отдельных подсистем как компонентов в единую систему, системный подход исходит из тех целей и задач, которые должна решить данная система, как составная часть более сложной системы. Системный подход позволит создавать технические средства, удовлетворяющие не только поставленным задачам, но различным критериям эффективности, техникоэкономическим требованиям, эксплуатационным требованиям, т.е. как по функциональному признаку, так и с точки зрения возможности их реализации и эксплуатации. Очевидно, основными целями создания технических средств СТС являются: обнаружение утечки метана из ЛУ МГ и передача информации в ЭВМ, для дальнейшей ее обработки и предоставления оператору. Поэтому важной задачей реализации поставленной цели становится выбор критериев эффективности, которые занимают существенную часть при системном подходе к проектированию [90], по которым можно оценить качество системы и получить, в конечном итоге, интегральный критерий эффективности разрабатываемой структуры технических средств. Любая проектируемая система представляет собой определенную модель поведения, включающую ряд подсистем, в связи с этим, системный подход позволяет наиболее полно учесть взаимодействия этих подсистем между собой и внешней средой.

Принцип многофункциональности, заложенный в структуру СТС, позволит реализовать в процессе функционирования телекоммуникационной системы выполнение нескольких технических задач одним устройством, а значит, и повысить эффективность мониторинга ТС МГ. Среди этих задач:

простые – обнаружение утечки метана и контроль работоспособности оборудования, увеличение срока службы системы электропитания и увеличение интервала обслуживания, использование зарядного устройства на базе ветрогенераторов также, в качестве датчика параметров ветра (скорости и направления); сложные – передача и контроль информации в сети, адаптивное управление системой питания за счет изменения алгоритма обмена информацией, учет внешних факторов (метеопараметры, время суток и сезон), адаптивное управление режимом работы с учетом сезона, времени суток и погодных условий.

Степень многофункциональности технических средств находится в прямой зависимости, как от характера сгруппированных задач, так и от их свойств. Например, при установке цифровой фотокамеры, по фотографии можно судить как о проникновении в зону размещения МГ, а по флажку на многофункциональность не означает простого арифметического сложения из функциональных компонентов системы, многофункциональность несет в себе возможность решения различных функций минимальным количеством компонентов (узлов, элементов и т.п.) и подсистем.

Специфика эксплуатации технических средств, установленных в зоне МГ, на передний план ставит необходимость модульного построения в рамках определенных стандартов [76]. Такой подход к построению комплекса технических средств СТС даст значительный эффект и при серийном производстве. Важным в данной проблеме является соотношение требований эксплуатации и производства. Если тенденцией современного производства является высокая степень стандартизации за счет укрепления и увеличения функциональных возможностей периферийных устройств вычислительной техники [100], то особенности эксплуатации технических средств, в зоне МГ, ставят обратную задачу - разделение данных функций и обеспечения хорошей ремонтной способностью и взаимозаменяемостью.

В связи с тем, что в настоящее время существует большой парк различных технических средств, практически любых размеров, и в ближайшем будущем есть надежда на его увеличение, поэтому выбор аппаратных средств для решения поставленных задач должен быть ориентирован на возможность работы практически с любыми - универсальными техническими устройствами.

В процессе проектирования СТС необходимо формализовать структуру обмена данными, либо обеспечить возможность эмулировать сети под технические средства различных типов устройств и ЭВМ. Наиболее простым путем является формализация структуры обмена данными, хотя это значительно увеличит время обмена информационными потоками между СТС и ЭВМ, но в связи с тем, что такой обмен будет эпизодическим, поэтому существенно не отразится на времени обслуживания заявок – информационных потоков.

Такой подход позволит внедрять такие средства практически на любых участках МГ, как ОАО «Газпром», так и в системе ЖКХ, и в перспективе, при смене вычислительной и аппаратной базы, не потребуется значительной перестройки телекоммуникационной системы. Принцип универсальности также исходит из того, что моральный износ современно аппаратно-программных средств БСС составляет обычно менее 10 лет, в связи с бурным ее развитием, в то время как технические средства, используемые в технологическом процессе – транспортировке газа по МГ, должны быть рассчитаны на эксплуатацию в течение длительного времени, желательно соизмеримым со сроком службы трубопроводов, а это десятки лет.

Протяженность и разветвленность газопроводов, прохождение их по сложным территориям и отсутствие транспортной коммуникации, ограничивает применение многих стандартных методов диагностирования технического дополнительно к существующим методам и средствам ввести в работу распределенную сеть дополнительных устройств, которые, не нарушая технологических режимов эксплуатации газовых коммуникаций, в режиме реального времени позволили бы контролировать утечки газа из объектов газотранспортной сети и передавать данную информацию посредством беспроводных телекоммуникационных технологий.

органичного слияния возможностей существующих структур комплексов технических средств связи, вычислительной техники и требований условий функционирования и эксплуатации их в сложной газотранспортной системе МГ.

функциональные; программные технические и эксплуатационные.

Функциональные требования включают в себя: автоматическое измерение уровня концентрации утечки газов; точная привязка места повреждения объектов МГ, по информации обнаруженной утечке газа и метеоданных;

использование видеоданных; передача, отображение, хранение, систематизация и аналитическая обработка информации о техническом состоянии объектов МГ;

оперативная переналадка СТС, под несколько задач (возможность подключения различных сенсоров и других); высокая надежность информационного обмена с ЭВМ, определяемая помехоустойчивостью канала связи и работой средств хранения информации; автоматическое управление режимами работы – адаптивные свойства; маломощные приемо-передатчики; надежность и отказоустойчивость СТС; диалог оператора с автоматизированными системами управления технологическим процессами газотранспортного предприятия.

Функциональные требования к СТС должны расширить возможности повышения качества технического контроля работоспособности МГ за счет:

непрерывности контроля – круглосуточный и всесезонный режим контроля;

автоматический контроль – непрерывность контроля можно реализовать только при наличии автоматический режима работы технических средств.

Программный продукт, например, автоматизированное рабочее место (АРМ) «Оператор системы» [10,14,22], позволяет оперативно решать задачу идентификации места повреждения. Модуль метеоданных по данным, обработанных и записанных в виде трендов («розы» ветров, скорости ветра, температуры и др.), динамика выводимой информации, редактирование, высокая надежность информационного обмена с ЭВМ, определяемая помехоустойчивостью канала связи и работой средств хранения информации, значительно расширяют функциональные возможности системы.

Технические и эксплуатационные возможности СТС и комплекса аппаратно-программных средств должны быть взаимоувязаны и соответственно функционирования; сопряжение с ЭВМ любого типа; программную совместимость; высокую скорость передачи информацией; стандартизацию и унификацию основных узлов; минимальное количество электрических связей;

высокую ремонтопригодность, наиболее приемлемым вариантом может быть замена неисправленных устройств; незначительное потребление мощности;

низковольтное питание; удобство в эксплуатации и обслуживании;

незначительные монтажно-наладочные.

К неосновным, относятся экономические требования: низкая стоимость;

минимум обслуживающего персонала, особенно высокий квалификации;

высокая эффективность использования, которая определяется возможностью использования различных сенсоров и других гаджетов.

В настоящей работе предлагается система автоматического мониторинга магистрального газопровода посредством беспроводных модулей (БМ). Система (рисунок 1.8) состоит из двух одинаковых ветвей с N количеством БМ, каждая ветвь охватывает половину расстояния (в среднем 50 км) до следующей и предыдущей компрессорной станции (КС), при этом первый БМ каждой ветви, установлен вблизи ЭВМ и подключается к ЭВМ через интерфейс USB. ЭВМ размещаются на КС и оснащаются пакетом программного обеспечения АРМ «Оператора системы».

Предлагаемая система предназначена для непрерывного наблюдения за состоянием газопровода посредством выявления утечек транспортируемого газа с помощью локальных средств контроля БМ, размещаемых вблизи газопровода и объединенных беспроводной связью в систему мониторинга.

Одним из важных объектов исследования является архитектура СТС, которая определяет структуру функциональных компонентов системы в соответствии с технологическими и эксплуатационными требованиями, логическую структуру информационных потоков, физическую структуру средств информационного обмена и системную структуру, также учитывает требования к стандарту передачи данных по радиоканалу, требования к средствам информационного обмена, системные требования.

Рисунок 1.8. – Архитектура системы мониторинга МГ Основной задачей СТС является обеспечение многофункционального доступа большого количества сенсоров (пользователей) к ЭВМ, организованной на принципах поэтапного формирования информации, за счет передачи ее по беспроводному каналу связи.

Структурная схема с учетом размещения аппаратуры на МГ, т.е. СТС, представляет собой протяженную систему: средства связи, сенсорные устройства (датчики метана, цифровые фото или видеокамеры), высокопроизводительную ЭВМ, которая обеспечивает информационный обмен между ЭВМ и БСС, обработку, поступающей из БСС информации и сервис необходимый для формирования исходных документов.

На СТС возлагается обязанность обеспечения мониторинга МГ согласно вышеперечисленным требованиям. При необходимости можно создавать автономный контролирующий комплекс в составе одной ветви СТС и микроЭВМ. Данная структура позволяет: сосредоточить все вышеперечисленные требования на одном специализированном комплексе технических средств телекоммуникационной системы, стандартизировать технические средства, либо созданием несколько различных типов СТС отдельно для каждой задачи, либо объединением некоторых форм в одном типе СТС. Таким образом, комплексу технических средств можно придать функцию типовой структуры БСС, что позволит сосредоточить максимальные усилия по развитию возможностей БСС, а значит и повысить эффективность СТС в целом.

1.4. Постановка задачи исследования Анализ газотранспортной отрасли РФ, исследование видов и причин дефектов и повреждений, существующих методов и средств контроля МГ показал, что из-за длительного срока эксплуатации МГ, надежность данных объектов находится в критическом состоянии, при этом промышленностью не выпускаются эффективные средства для ее повышения. В основном проблема решается заменой дефектных участков газопроводов.

В связи с этим появился комплекс научно-технических проблем по увеличению срока службы газопроводов, повышения устойчивости их работы, обеспечения безопасности, как функционирования МГ, так и влияния на окружающее ее пространство.

Существуют различные устройства и методы мониторинга МГ, которые отличаются принципом действия, чувствительностью, областью применения и др., однако, их существенный недостаток - локальность применения, а учитывая огромную протяженность и разветвленность МГ в России, все это существенно ограничивает или делает невозможным применение современных устройств методов мониторинга МГ.

Эффективными, являются средства контроля в режиме реального времени на основе детекторов по обнаружению утечек газа, которые могут быть установлены вдоль МГ и диагностировать ее ТС, данные системы учитывают специфику объекта диагностирования, измеряемых характеристик и параметров. Отсюда актуальной становиться задача разработки такой системы, которая способна в комплексе решить существующую проблему.

Существующие и развивающиеся передовые достижения в области телекоммуникаций, а именно эффективные распределенные беспроводные сети связи способны обеспечить оперативную связь и передавать технологическую информацию между основными объектами, отвечающими за диагностирование ГТС – беспроводными модулями и основным персоналом газотранспортного предприятия, который может принимать управленческие решения в случае выхода из внештатной ситуации, например при обнаружении утечки газа.

Телекоммуникационная система позволит создать централизованное управление ресурсами систем контроля в целях повышения эффективной работы ЕСГ России.

На основании вышеизложенного можно сформулировать цель и задачи, требующие решения в диссертационной работе.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации и обслуживания линейных участков МГ на основе создания средств автоматического контроля утечек газа, и использования телекоммуникационных средств беспроводной связи.

Для достижения цели в работе решены следующие задачи:

анализ проблемы, методов и средств контроля состояния ГТС;

разработка концепции системы автоматического контроля утечек газа из магистрали, со сроком эксплуатации, превышающим нормативный;

разработка метода контроля ТС МГ, основанного на применение беспроводных модулей (БМ) сенсорной телекоммуникационной системы;

разработка алгоритма функционирования БМ;

разработка сенсорного устройства детектирования утечек метана;

разработка способа и метода передачи информации, а также системы электроснабжения БМ;

разработка алгоритма влияния розы ветров, при размещении БМ вблизи газопровода;

разработка автоматизированной системы проектирования СТС учитывающей: розу ветров, рельеф местности вдоль трассы МГ, чувствительность датчика метана, мощность приемопередатчика;

апробация и внедрение результатов исследования.

1.5. Выводы по главе В главе дается характеристика современного состояния газотранспортной отрасли России, отмечается, что ее важнейшими целями и приоритетами развития являются: увеличение доли природного газа в суммарном производстве энергоресурсов; расширение экспорта российского газа;

укрепление сырьевой базы газовой промышленности; реконструкция Единой системы газоснабжения с целью повышения ее надежности и экономической эффективности.

Анализ особенностей МГ Единой системы газоснабжения России, показал, что данные сооружения, представляют собой систему линейных объектов, подверженных внутренним и внешним неблагоприятным воздействиям, проявляющимся в виде дефектов. Приведена подробная классификация дефектов, возникающих при эксплуатации газопроводов, отмечается, что основными причинами их появления, являются высокие значения механических и природно-климатических воздействий на объекты, нарушения условий и режимов эксплуатации, дефекты, вызванные браком при проведении строительно-монтажных работ и изготовлении труб.

Описаны современные методы и средства технической диагностики, отличающиеся от известных критериями сравнения, соответствующими особенностям технологических объектов ГТС.

Анализ показал, что эти методы и существующие средства являются неэффективными в условиях катастрофического старения МГ России, т.к. не предоставляют всего объема необходимой информации о состоянии газотранспортной системы и динамике её изменения. В связи с этим было предложено дополнительно использовать возможности современных телекоммуникационных систем, построенных на основе распределенных беспроводных сенсорных сетей в аспекте создания на их основе системы контроля утечек газа и мониторинга технического состояния любых структурных элементов ЛУ МГ.

Беспроводная сенсорная телекоммуникационная система контроля утечек метана из магистралей газотранспортной сети не только эффективно решает задачу непрерывного контроля и мониторинга, но и будет обладать такими достоинствами, как: высокая чувствительность; оперативность и круглосуточность контроля; автоматизация процесса мониторинга; низкая стоимость системы; малые затраты как финансовых, так и людских ресурсов высококвалифицированных кадров её установки и обслуживания.

Глава 2. СЕНСОРНАЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА

КОНТРОЛЯ УТЕЧЕК ГАЗА

По результатам проведенных исследований в данной главе были сформулированы основные требования, предъявляемые к сенсорной телекоммуникационной системе контроля утечек газа, представлена концепция построения системы автоматического контроля утечек газа и управления техническим состоянием линейного участка магистрального газопровода.

Реализована инфологическая модель предметной области посредством CASEсредства, которое представляет собой среду моделирования и проектирования, предназначенную для управления данными газотранспортного предприятия по мониторингу объектов газотранспортной сети на наличие утечек газа беспроводными модулями.

Приведена и описана структура, а также функциональная модель распределенной системы контроля утечек газа из магистрали. Аналитическая оценка разрабатываемой сенсорной телекоммуникационной системы проводилась на основе понятий моделирования систем массового обслуживания.

2.1. Требования, предъявляемые к сенсорной телекоммуникационной системе контроля утечек газа телекоммуникационной системы (СТС) при контроле утечек газа (КУГ) из ЛЧ МГ на базе беспроводного модуля (БМ) можно найти путем выявления основных требований и характеристик аппаратно-программных средств (АПС) используемых в системе и определения важности их применения в конкретной реализации. Совокупность ниже приведенных требований позволит не только исследовать и моделировать СТС для КУГ из объектов ГТС, но и определить взаимодействия между видами сетей, характером их применений, а также аппаратно-программными средствами.

Перечислим основные требования, предъявляемые аппаратнопрограммным средствам сенсорной телекоммуникационной системы контроля утечек газа из ЛУ МГ.

1. Типовая структура. Реализация АПС для СТС КУГ должна идти с учетом технологических особенностей эксплуатации ЛУ МГ по пути создания типовой структуры. Создание типовой структуры АПС позволит ускорить массовое внедрение ее в газотранспортную отрасль и максимально сосредоточить усилия по разработке и модернизации наиболее совершенных технических средств, при этом большие усилия будут направлены именно на модернизацию, на развитие функциональных возможностей АПС для СТС КУГ. В этом случае важно отметить, что устраняются многие проблемы, связанные с несовременностью технических и программных средств, используемых при разработке и реализации СТС. В нашем случае разрабатываемая структура СТС КУГ является типовой для телекоммуникационных систем, используя единые стандарты и программное обеспечение для передачи информации между техническими и аппаратными средствами.

2. Время внедрения. Один из серьезных недостатков существующих систем мониторинга объектов ГТС, сегодня, состоит в том, что они требуют значительного времени для внедрения новых технических и программных средств в газотранспортную отрасль. Составляющим здесь является: время проектирования (период от составления заявки до ее исполнения, в случае наличия получение оборудования или разработки нового оборудования, или элементов в случае их отсутствия); время, затраченное на монтажные и пусконаладочные работы. Серьезные трудности здесь связаны с последним, это объясняется неприспособленностью многих технических средств для эксплуатации при диагностировании объектов ГТС. Поэтому АПС, обладающие малым временем внедрения, будут всегда иметь максимальный приоритет при внедрении их газотранспортную отрасль.

3. Локальность. Под локальностью понимается размещение АПС в пределах одного ЛУ МГ, от одной компрессорной станции до другой. Требование локальной сети в основном связано с трудностями организации связи и соответственно передачи информации, между техническими средствами, размещенными на разных площадках. При этом трудности носят как технический, так и конструктивный характер. В нашем случае при использовании технологий открытого стандарт беспроводной связи ZigBee для систем сбора данных и управления, позволяет создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений и поддержкой мобильных узлов.

4. Условия эксплуатации. Известно, что любое техническое средство обладает конечной надежностью, для обеспечения бесперебойной работы и функционирования, разрабатываемые АПС должны обладать высокой ремонтопригодностью. Конструкция должна обеспечить минимум затрат на замену и ремонт вышедшего из строя любого функционального узла, тем самым упрощается проблема подбора обслуживающего персонала.

5. Надежность. АПС обладающие, по сравнению с аналогичными большей надежностью дают более высокий эффект эксплуатационного характера. В нашем случае АПС обеспечивают бесперебойность процесса контроля и управления по определению утечек газа из ЛУ МГ, тем самым повышая степень доверия к СТС, при этом также повышаются характеристики, указанные в п. 4.

6. Универсальность. В связи с тем, что АПС СТС КУГ, будут эксплуатироваться в течение длительного периода времени (не менее 15-20 лет, за который успеют измениться эксплуатационные требования, как к самим газопроводам, так и к техническим и программным средствам). Поэтому при наличии жесткой структуры функционирования, АПС будут подвержены более быстрому моральному и функциональному старению и износу. Предлагаемая структура АПС, обеспечивает универсальность функционирования, позволяя без больших материальных затрат подстраивать и перестраивать ее под насущные и актуальные задачи.

7. Количество устройств. До определенных пор существенным фактором, сдерживающим развитие телекоммуникационных систем на основе стационарных устройств, содержащих датчики определения метана, является трудность с подключением большого количества устройств (более 500 шт.) в пределах одного ЛУ МГ (в среднем 50 км), при использовании проводных технологий связи, особенно при эксплуатации устаревшего парка газопроводов.

Тенденция увеличения количества устройств КУГ, для более качественного диагностирования ТС МГ, также являлась сдерживающим фактором. Однако в данном случае реализуется использование сенсорных сетей, позволяющих на большом расстоянии между узлами сети, более тысячи метров, на открытом пространстве, производить приема - передачу сигналов, при этом за счет ретрансляции, зона покрытия сети может быть значительно увеличена.

Единственным ограничением по количеству используемых датчиков по обнаружению утечек газа является их чувствительность к концентрациям газа.

8. Возможность построения иерархической структуры. Организация статистической обработки хранилищ данных, с высокой скоростью, невозможно без построения иерархических структур. Только структура АПС, позволяющая выходить на высокопроизводительные средства обработки информации, имеет большую перспективу.

9. Обработка информации. Под данной характеристикой понимается обеспечение возможности автоматизированной обработки информации, поступившей от беспроводных модулей СТС КУМ, как для оперативного контроля, так для управления ТС МГ.

12. Высокая информационная скорость. Когда система работает в обычном интерактивном режиме диагностирования ТС МГ, не требуется больших скоростей передачи информации. Но если понадобится передавать информацию в случае обнаружения утечек газа, то в этом случае такая характеристика как высокая скорость передачи информации будет являться определяющей при принятии решений административным персоналом на организацию и отправку ремонтных бригад.

13. Низкая стоимость. Стоимость АПС СТС КУГ является существенным параметром. В принципе в настоящее время нет препятствий с точки зрения функциональных возможностей применения при проведении мониторинга МГ современных телекоммуникационных, диагностических и вычислительных средств. Главным сдерживающим фактором широкого внедрения предлагаемых АПС является высокая стоимость данной СТС. Поэтому целесообразно опробовать данную технологию на проблемных участках газопровода, там, где местность обладает заболоченность, где на больших расстояниях отсутствуют какие-либо системы коммуникаций, на старых магистралях с большим сроком эксплуатации, где не могут использоваться современные методы и средства диагностирования МГ, например, дефектоскопы, внутритрубные сканеры и др.

14. Простота обслуживания. Не на последнем месте стоит проблема обслуживания технических и программных средств СТС. Значительно сократить численность и уровень квалификации обслуживающего персонала можно на базе унификации и типизации структуры, которые позволят организовать централизованное обслуживание и ремонт оборудования.

2.2. Концепция построения системы автоматического контроля утечек газа и управления состоянием магистрального газопровода телекоммуникационной системы автоматического контроля утечек газа разработанная в соответствии с требованиями цифрового открытого стандарта беспроводной связи ZigBee [6,87,88,90], новизной является объединение в едином пространстве территориально разнесенных технических, телекоммуникационных, диагностических и информационных средств для организации наиболее эффективного управления ТС, обслуживанием и ремонтом ЛУ МГ.

Целесообразность внедрения беспроводной связи в СТС КУГ из объектов ГТС обусловлена следующими преимуществами: высокой надежностью;

многоуровневой системой безопасности; способностью к самоорганизации и самовосстановлению в случае сбоев; масштабируемостью; большим количеством поддерживаемых узлов; возможностью организации сети различной топологии; увеличение дальности связи без дополнительного усиления радиосигнала; простотой установки, настройки и обслуживания оборудования; длительным сроком автономной работы; низкой стоимостью;

широкой областью использования; обеспечение взаимозаменяемости сетей и узлов; независимостью от производителя оборудования; контроль целостности данных; низкое энергопотребление [28-30].

В состав такой комплексной многоуровневой системы должны входить:

устройства локального диагностирования утечек газа/метана; автономные источники питания, поддерживающие данную систему в рабочем состоянии;

радиопередающие средства, осуществляющие прием и передачу информации по различным каналам связи; стационарные пункты приема, распределения и обработки данных; программные средства обеспечивающие обработку информации и объединенные в единую автоматизированную систему мониторинга и управления газотранспортным предприятием. Преимущество состоит в том, что предлагаемые решения обладают системностью, и адаптированы к эксплуатации объектов на Российской территории.

Предлагаемая телекоммуникационная система позволяет сбалансировано дополнять существующие и разрабатываемые сети связи, ориентирована на цифровые методы передачи информации, охватывает значительную часть территории России, где проложены МГ.

При этом СТС КУГ будет решать следующий круг задач: осуществлять мониторинг, контроль, обнаружение и локализацию мест утечки газа из ЛУ МГ;

производить эффективную передачу сообщений/пакетов по различных каналам связи; осуществлять мониторинг и контроль состояния средств диагностирования, приемопередающих устройств, источников питания и вспомогательного оборудования в режиме реального времени; обеспечивать управление и контроль эксплуатации ЛУ МГ в режиме реального времени на основе беспроводных технологий, техническими службами и диспетчерскими сервисам; обеспечивать пользователей системы постоянной, мгновенной и качественной связью; осуществлять обеспечение информационного телекоммуникационными устройствами и центральным пунктом управления, анализа и принятия решений; производить сохранение, систематизацию и анализ данных за различные периоды; осуществлять анализ информации по неисправностям, возникающим как на объектах диагностирования, так и на самом оборудовании СТС; производить мониторинг экологической ситуации, а в случае выявления отклонений осуществлять оперативное реагирование и предупреждение чрезвычайных ситуаций; разрабатывать и уточнять требования по контролепригодности при проектировании новых ЛУ МГ.

Для более глубокого понимания разрабатываемой структуры и компонентов СТС КУГ использовалась инфологическая модель предметной области, представляющая собой описание структуры и динамики происходящих процессов, характера информационных потребностей пользователей в терминах, понятных пользователю и не зависимых от реализаций. Этап инфологического проектирования начинается с моделирования структуры объекта исследования. Проектировщик разбивает ее на ряд локальных областей, каждая из которых включает в себя информацию, достаточную для обеспечения запросов отдельной группы будущих пользователей или решения отдельной задачи/подзадачи. Каждое локальное представление моделируется отдельно, затем они объединяются. Одной из наиболее популярных семантических моделей является модель «Сущность-связь» (ER-модель). Основными понятиями ER-моделей являются сущности их атрибут и связь [78].

Сущность – это объект, реальный или представляемый, информация о котором должна сохраняться и быть доступна. Сущность представляется в виде прямоугольника, в диаграммах ER-модели, который содержит имя данной сущности. При этом имя сущности – это имя типа, а не некоторого конкретного экземпляра этого типа. В данном случае используются стержневая сущность, являющаяся независимой сущностью. Характеристическая сущность представляет связь «многие к одной» или «одна к одной» между двумя сущностями.

Атрибут – является свойством сущности. Для конкретного типа сущности наименование атрибута должно быть уникальным. Как токовых различий между типами сущностей и атрибутами нет. Только в связи с типом сущности атрибут является актуальным. В другом случае он может выступать как самостоятельная сущность.

Связь – это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя сущностями, она всегда является бинарной и может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой.

Реализация инфологической модели исследуемой предметной области проводилась посредством CASE-средства, программного обеспечения CA ERwin® Data Modeler 8 (ERwin) [78], которое представляет собой среду моделирования и проектирования, предназначенную для управления данными предприятия, в частности газотранспортного, посредством интуитивно понятного графического интерфейса. Разрабатываемые в этой среде модели позволяют визуализировать структуру предметной области, тем самым администрирования различных аспектов деятельности предприятия. Веб-портал и устанавливаемые на компьютер инструменты проектирования вместе с репозиторием моделей обеспечивают технических специалистов общими представлениями об отображении информации в нужном контексте.

ERwin позволяет создавать логическую, физическую модели и модель, совмещающую логический и физический уровни. Логический уровень - это абстрактный взгляд на то, как анализируемые данные выглядят в реальном мире, и то, как они могут называться в виртуальном, создаваемом мире.

Логическая модель данных является универсальной и никак не связана с реализацией в области информационных технологий.

Для описания работы СТС контроля утечек газа из ЛУ МГ используется 26 стержневых сущностей, обобщенная структура инфологической модели приведена на рисунке 2.1, из них: для ввода информации о пользователях и их степени ответственности используется сущность «Пользователи»; далее сущности характеризующие объект исследования, линейные участки магистрального газопровода, трубы из которых изготовлен МГ, способы его прокладки, «Участок МГ», «Труба», «Категории МГ», Подземные трубопроводы», «Подземные переходы», «Переходы через водные преграды»;

далее сущности характеризующие аппаратные средства, используемые в СТС, а также условия, которые влияют на эксплуатацию данных устройств: «БМ», «ДУМ», «ППУ», «АИП», «Аккумулятор», «СБ», Ветрогенератор», «Подстилающая поверхность», «Метеоданные»; далее сущности характеризующие состояние сенсорной сети и системы мониторинга с указанием причин аварий, дефектов, оценкой степени риска и отказами на МГ, «Сенсорная сеть», «Система мониторинга», «Мнемосхема», «Состояние», «Аварии», «Причины аварий», «Дефекты», «Отказы на МГ», Степень риска».

Рисунок 2.1 - Инфологическая модель предметной области Стержневая сущность «Пользователи» позволяет распределять роли между пользователями системы, такими, например, как, администратор, оператор, руководитель и описывает список зарегистрированных в системе пользователей. Атрибутами данной сущности являются: номер записи в журнале, логин, пароль, роль с доступом в управлении, ФИО и др.

Часть инфологической модели отводится характеристике объекта исследования, линейным участкам магистрального газопровода, а также тому из чего они изготовлены, способам прокладки эксплуатации (рисунок 2.2).

Рисунок 2. - Инфологическая модель. Характеристика объекта эксплуатационных и технических характеристиках линейных участков магистрального газопровода, атрибутами являются: номер записи в журнале, пользователи, номер участка МГ, название участка, номер трубы, участок от КС, категория МГ, близость НП (населенных пунктов), пересечение с ТП (трубопроводами), наличие ЛЭП (линий электропередач), количество консервативных элементов, рабочее давление, наружное давление, температурный режим, агрессивность грунтов, дата диагностики, остаточный ресурс, срок службы, гарантийный срок.

Стержневая сущность «Труба» содержит информацию о технических характеристиках труб, из которой состоят газовые магистрали, и которые приводятся в технических условиях на эксплуатируемые объекты, атрибутами являются: номер записи, номер трубы, тип трубы, диаметр трубы, марка стали, состав стали, номер ТУ (технических условий), рабочее давление, амплитуда колебаний, температурный режим, изоляционное покрытие, состояние изоляции, ресурсы механических испытаний, ресурсы гидравлических испытаний, дата диагностики, остаточный ресурс, месяц изготовления, год изготовления, предприятие изготовитель, срок службы, гарантийный срок.

Характеристическая сущность «Категория МГ» содержит информацию о различных категориях МГ, в соответствии со способом прокладки трубы, атрибуты: номер записи, подземные трубопроводы, переходы через водные преграды, подземные переходы, надземные переходы, охраняемые территории.

Стержневая сущность «Подземные переходы» содержит информацию о подземной прокладке газопроводов с учетом переходов, атрибутами являются:

номер записи, через ЖД (железные дороги), через АД I и II категории (автомобильные дороги), через АД III и IV категории, через АД V категории.

Стержневая сущность «Переходы через водные преграды» содержит информацию о прокладке газопроводов с учетом переходов через водные преграды, атрибуты: номер записи, суходонные преграды, несуходонные преграды, водные преграды в 1 нитку, водные преграды в 2 и более.

информацию о подземной прокладке газопроводов, атрибутами являются:

номер записи, по болотам с неустойчивым грунтом, по болотам с устойчивым грунтом, в тоннелях, пересечение с ЛЭП до 500 кв, пересечение с ЛЭП 500 кв и более, в земляных насыпях, населенные пункты в R2000 м.

Часть инфологической модели отводится характеристике аппаратных средства, используемые в СТС, а также условиям, при которых эксплуатируются данные устройства (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Инфологическая модель. Характеристика аппаратных Характеристическая сущность «БМ» содержит общую информацию об устройствах входящих в состав беспроводного модуля и условиях эксплуатации данных аппаратных средств, атрибутами являются: номер записи, номер БМ, номер участка МГ, положение от МГ, координаты установки, высота установки БМ, состояние БМ, пользователи, АИП (автономные источники питания), ППУ (приемо-передающее устройство), ДУМ (датчик утечки метана), АЦП (аналогоцифровой преобразователь), метеоданные, подстилающая поверхность, ввод в эксплуатацию, дата поверки, год выпуска, срок службы, гарантийный срок, масса, размеры.

Стержневая сущность «ДУМ» содержит информацию о технических характеристиках датчика утечки метана входящего в состав беспроводного модуля, атрибутами являются: номер записи, номер ДУМ, модель, состояние ДУМ, емкость памяти, время автономной работы, температурный диапазон, напряжение питания, принцип измерения, диапазон измерений, приведенная погрешность, время зарядки, определяемый газ, концентрация газа, быстродействие, год выпуска, срок службы, гарантийный срок, масса.

Стержневая сущность «ППУ» содержит информацию о технических характеристиках приемо-передающего устройства входящего в состав беспроводного модуля, атрибутами являются: номер записи, номер ППУ, модель, состояние ППУ, емкость памяти, топология передачи данных, число каналов, чувствительность приемника, скорость передачи данных, выходная мощность, мощность передатчика, ток, напряжение питания, антенный интерфейс, тип антенны, дальность действия, цифровые и аналоговые выходы, частота опроса, тип приемо-передатчика, тип радиоканала, тип управляющего микроконтроллера, внешние схемы согласования, длина пакета, диапазон частот, режимы ожидания, МАС-уровень, год выпуска, срок службы, гарантийный срок, размеры, масса.

Характеристическая сущность «АИП» содержит общую информацию и об автономном источнике питания входящего в состав беспроводного модуля, атрибутами являются: номер записи, тип источника, состояние АИП, аккумулятор, СБ (солнечная батарея), ветрогенератор, гибридный регулятор.

Стержневая сущность «СБ» содержит информацию о технических характеристиках солнечной батареи, входящей в состав АИП беспроводного модуля, атрибутами являются: номер записи, номер СБ, модель, состояние СБ, номинальная мощность, максимальная мощность, рабочий ток, ток короткого замыкания, тип фотоэлемента, количество фотоэлементов, оптимальная температура, напряжение холостого хода, состояние питания, КПД, год выпуска, срок службы, гарантийный срок, размеры, масса.

технических характеристиках аккумулятора входящего в состав АИП беспроводного модуля, атрибутами являются: номер записи, номер аккумулятора, модель, состояние аккумулятора, емкость, напряжение питания, допустимый ток заряда/разряда, диапазон рабочих температур, КПД, год выпуска, срок службы, гарантийный срок, размеры, масса.

Стержневая сущность «Ветрогенератор» содержит информацию о технических характеристиках ветрогенератора входящего в состав АИП беспроводного модуля, атрибутами являются: номер записи, номер ветрогенератора, модель, состояние ветрогенератора, максимальная мощность, рабочий диапазон температур, ток заряда, электрическая нагрузка, исходное напряжение, номинальная скорость ветра, тип ветротурбины, количество лопастей, рабочий диапазон скоростей, диаметр ротора, скорость вращения ротора, направление, высота установки, КПД, год выпуска, срок службы, гарантийный срок, размеры, масса.

Стержневая сущность «Подстилающая поверхность» содержит общую информацию об условиях эксплуатации БМ и способах установки вдоль МГ с учетом подстилающих поверхностей, атрибутами являются: номер записи, номер участка МГ, тип, влияние, координаты начала, координаты окончания.

Стержневая сущность «Метеоданные» содержит общую информацию об условиях эксплуатации БМ и способах установки вдоль МГ с учетом метеоданных (розы ветров, розы скорости ветра и др.), атрибутами являются:

номер записи, номер участка МГ, метеостанция, координаты расположения, время, дата, год, температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность воздуха, осадки, направление ветра, скорость ветра, роза ветров.

Часть инфологической модели отводится описанию информационных средств, используемых при работе с СТС, в частности оценке состояния сенсорной сети с отображением этой информации на мнемосхеме, а также оценке состоянию системы мониторинга, которая является автоматизированной системой управления, с учетом аварий, отказов и степеней риска, рассчитываемых для эксплуатируемых объектов ГТС (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Инфологическая модель. Характеристика информационных Характеристическая сущность «Сенсорная сеть» содержит общую информацию о состоянии автоматической телекоммуникационной системы с учетом информации об эксплуатационных характеристиках БМ и способов приема-передачи информации по сенсорной сети, атрибутами являются: номер записи, состояние сенсорной сети, скорость передачи данных, время реакции сети, объем информации по сети, режимы ожидания, продолжительность работы БМ, частота опроса БМ, период передачи пакетов, период опроса пакетов, время обработки пакетов, время фиксирования пакета, ограничения объема пакета, количество пакетов.

Характеристическая сущность «Система мониторинга» содержит общую информацию о состоянии автоматизированной системы с учетом информации о техническом состоянии оборудования, причинах выхода из строя объектов ГТС и аппаратных средств СТС, с обеспечением управляющих воздействий, атрибутами являются: номер записи, состояние системы, состояние БМ, степень риска, аварии, причины аварий, отказы на МГ, ошибки диагностики, журнал состояний, журнал управлений.

Стержневая сущность «Отказы на МГ» содержит информацию по характеристикам отказов и их последствий на ЛУ МГ, атрибутами являются:

номер записи, номер участка МГ, частота возникновения, этап формирования, эффективность функционирования, влияние отказов, последствия отказов, время безотказной работы.

Стержневая сущность «Степень риска» содержит информацию по характеристикам степеней рисков, их оценке и степени последствий, методах защиты, рекомендациях по принятию вариантов решений на ЛУ МГ, атрибутами являются: номер записи, частота, величина, последствия, показатель риска, техническое состояние, режимы эксплуатации, опасности, методы защиты, оценка риска, варианты решений, рекомендации.

Стержневая сущность «Аварии» содержит информацию об авариях, возникающих в результате эксплуатации ЛУ МГ, атрибутами являются: номер записи, пожар, взрыв, выброс газа, потеря герметичности, разрушения.

Стержневая сущность «Причины аварии» содержит информацию о причинах аварий, возникающих в результате эксплуатации ЛУ МГ согласно техническим условиям, атрибутами являются: номер записи, дефекты, брак строительно-монтажных работ, наружная коррозия, механические повреждения, стихийные бедствия, внешние воздействия, брак изготовления труб, динамически напряженные зоны, нарушения режимов/условий эксплуатации.

Стержневая сущность «Дефекты» содержит информацию о дефектах и их характеристиках, возникающих в результате эксплуатации ЛУ МГ, атрибутами являются: номер записи, номер трубы, длина участка МГ, местоположение, расстояние от шва, количество швов, дефекты труб, дефекты сварных швов, дефекты потери металла, вид коррозии, состояние изоляции, пропускная способность, степень опасности.

Характеристическая сущность «Мнемосхема» позволяет отображать на электронной топографической карте и технологической схеме информацию о состоянии технологического оборудования СТС на линейных участках МГ, атрибутами являются: номер записи, номер участка МГ, номер БМ, координаты установки, положением от МГ, план трассы МГ, технологическая схема, электронная карта, номер ДУМ, номер ППУ, номер АИП, состояние БМ, состояние ДУМ, состояние ППУ, состояние АИП, состояние системы, состояние сенсорной сети.

Стержневая сущность «Состояние» содержит информацию о технических состояниях аппаратных средств СТС, атрибутами являются: номер записи, утечка газа, работоспособное, неработоспособное, исправное, неисправное, отказовое, заменить, на замене, на диагностике, на поверке.

Можно отметить, что сегодня достаточно разработанными в научном и практическом плане являются вопросы, связанные с разработкой средств и методов диагностирования объектов ГТС, а также в области беспроводных сенсорных сетей связи. Которые в свою очередь, позволят связывать вопросы интеграции диагностической информации с картографической, используя GPS координаты, для уточнения местоположения детекторов по обнаружению утечек газа, и как следствие дефектов, с беспроводных технологиями передачи информации, посредством единой телекоммуникационной системы контроля утечек газа из ЛУ МГ, которая обеспечивает оперативное и быстрое диспетчерское соединение абонентов газотранспортной сети и осуществляя при этом передачу информации на основе телекоммуникационных средств.

В связи с этим в данной работе предусматривается комплексирование телекоммуникационных средств связи и программного обеспечения в единую систему СТС КУГ из МГ, обобщенная схема приведена рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Обобщенная схема телекоммуникационной системы Управление данной автоматической системой осуществляется на базе телекоммуникационных и информационных технологий, позволяющих осуществлять сбор, обработку, анализ, отображение, распространение и прогнозирование информации посредством программно-аппаратных средств на основе баз данных, электронных карт и другой информации [17].

В результате телекоммуникационную систему контроля утечек газа можно разбить на три основных уровня управления: локальный, аппаратный, клиентский (рисунок 2.6).

Локальный уровень – средства локального диагностирования, в виде беспроводного модуля состоящего из детектора утечки метана, радиопередающего устройства, автономных источников питания и всех их составных частей.

Рисунок 2.6 - Основные уровни управления СТС КУГ осуществляющие передачу и прием информации по различным каналам связи распределенной сенсорной сети.



Pages:     || 2 |


Похожие работы:

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Кислицын, Алексей Анатольевич Вводящая в заблуждение реклама: понятие и проблемы квалификации. Опыт сравнительно­правового исследования права России и США Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Кислицын, Алексей Анатольевич.    Вводящая в заблуждение реклама: понятие и проблемы квалификации. Опыт сравнительно­правового исследования права России и США  [Электронный ресурс] : Дис. . канд. юрид. наук...»

«Служак Ольга Юрьевна Миграционные процессы на Ставрополье во второй половине ХХ века: историко-культурный аспект. 07.00.02 – Отечественная история Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук Научный руководитель Доктор исторических наук, профессор А.А. Кудрявцев Ставрополь, 2004. Оглавление. Введение. 3 Глава I. Теоретические аспекты миграционных процессов: 1.1. Миграция как социально-демографический процесс....»

«Пронина Наталия Александровна ИММУНО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ТЕЧЕНИЯ АТОПИЧЕСКОГО ДЕРМАТИТА 14.00.16 – патологическая физиология 14.00.36 – аллергология и иммунология диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научные руководители: Доктор медицинских наук, Профессор Климов В.В. Доктор медицинских наук, Профессор Суходоло И.В. Томск -...»

«ЕФРЕМЕНКО Дмитрий Витальевич Совершенствование экспрессных методов индикации микобактерий туберкулеза 03.00.23 – биотехнология 03.00.07 - микробиология Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель :...»

«Рябова Александра Юрьевна РАСШИРЕНИЕ СЛОВАРНОГО ЗАПАСА УЧАЩИХСЯ ШКОЛ С УГЛУБЛЕННЫМ ИЗУЧЕНИЕМ ИНОСТРАННЫХ ЯЗЫКОВ НА ЗАНЯТИЯХ ХУДОЖЕСТВЕННОГО ПЕРЕВОДА АНГЛОЯЗЫЧНЫХ СТИХОТВОРЕНИЙ Специальность: 13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания (иностранный язык) Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель – доктор педагогических наук, профессор П. Б. Гурвич. Владимир -...»

«ЛИСЯНСКИЙ АЛЕКСАНДР СТЕПАНОВИЧ РАЗРАБОТКА МОЩНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН ДЛЯ БЫСТРОХОДНОЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ АЭС Специальность 05.04.12 Турбомашины и комбинированные турбоустановки Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Санкт-Петербург - 2014 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗРАБОТОК БЫСТРОХОДНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН ДЛЯ АЭС ВВЕДЕНИЕ 1.1 РАЗВИТИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ...»

«ПОПОВ Александр Николаевич ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве (по техническим наук ам) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учной степени кандидата технических наук Научный...»

«из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Урванцева, Марина Леонидовна 1. ОсоБенности проектирования одежды для горнык видов спорта 1.1. Российская государственная Библиотека diss.rsl.ru 2005 Урванцева, Марина Леонидовна ОсоБенности проектирования одежды для горнык видов спорта [Электронный ресурс] Дис.. канд. теки. наук : 05.19.04.-М. РГБ, 2005 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Швейное производство — Пошив отдельный видов швейнык изделий — Одежда специального назначения...»

«Бландов Алексей Александрович ПРАВОСЛАВНОЕ ДУХОВЕНСТВО В РОССИЙСКОМ ВОЕННО-МОРСКОМ ФЛОТЕ XVIII в. Специальность 07.00.02. Отечественная история Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук Научный руководитель : Кривошеев Юрий Владимирович, доктор исторических наук, профессор Санкт-Петербург СОДЕРЖАНИЕ...»

«ПЕТРОВА Татьяна Павловна ЭВОЛЮЦИЯ ВНЕШНЕЙ ПОЛИТИКИ И ДИПЛОМАТИИ ПЕРУ (1821-2013 гг.) Диссертация на соискание ученой степени доктора исторических наук Специальность: 07.00.15 – история международных отношений и внешней политики Москва – 2014 2 Содержание ВВЕДЕНИЕ 5 ГЛАВА 1 34 ФОРМИРОВАНИЕ МИНИСТЕРСТВА ИНОСТРАННЫХ ДЕЛ РЕСПУБЛИКИ ПЕРУ. ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ВНЕШНЕЙ ПОЛИТИКИ В НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД НЕЗАВИСИМОСТИ Раздел 1.1. Анализ начального этапа...»

«Блащинская Оксана Николаевна БАРЬЕРНЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА (сосна обыкновенная и береза повислая) УРБАНИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИИ (на примере города Ангарска Иркутской области) Специальность 03.02.08. – Экология Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель – доктор биологических наук, доцент...»

«из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Окулич, Иван Петрович 1. Депутат законодательного (представительного) органа государственной власти суБъекта Российской Федерации 1.1. Российская государственная Библиотека diss.rsl.ru 2003 Окулич, Иван Петрович Депутат законодательного (представ umeльног о) орг ана г осударств еннои власти субъекта Российской Федерации [Электронный ресурс]: Правовой статус. Природа мандата. Проблемы ответственности Дис.. канд. юрид. наук 12.00.02. -М. РГБ, 2003...»

«Плешачков Петр Олегович Методы управления транзакциями в XML-ориентированных СУБД 05.13.11 – математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель доктор технических наук Кузнецов Сергей Дмитриевич Москва 2006 1 Содержание Введение 1 Управление транзакциями и технологии XML 1.1...»

«Иванишин Дмитрий Александрович ЛЕКСИЧЕСКАЯ МНОГОЗНАЧНОСТЬ ПРИ ИСКУССТВЕННОМ БИЛИНГВИЗМЕ Специальность 10.02.19 – Теория языка ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата филологических наук Научный руководитель кандидат филологических наук, доцент В.С. Филиппов Орел — 2014 Содержание Введение Глава 1. Значение слова и лексическая многозначность §1 Лексическое значение слова и лексико-семантический вариант §2...»

«04.9.30 010404' ЗОЛОТАРЕВА Елена Константиновна ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОСОЗНАНИЯ РЕБЕНКОМ-ДОШКОЛЬНИКОМ НРАВСТВЕННОЙ ЦЕННОСТИ ПОСТУПКА ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Специальность 13.00.01 - Теория и история педагогики Научный руководитель : доктор психологических наук, профессор Т.А. РЕПИНА Москва - СОДЕРЖАНИЕ ВЕДЕНИЕ.... Глава I. ПРОБЛЕМА, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ...»

«Бибик Олег Николаевич ИСТОЧНИКИ УГОЛОВНОГО ПРАВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Специальность 12.00.08 — уголовное право и криминология; уголовно-исполнительное право Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель : кандидат юридических наук, доцент Дмитриев О.В. Омск 2005 СОДЕРЖАНИЕ Введение Глава 1. Понятие источника уголовного права § 1. Теоретические...»

«Лукичев Александр Николаевич Формирование системы местного самоуправления на Европейском Севере РФ в 1990-е годы (на материалах Архангельской и Вологодской областей) Специальность 07.00.02 – Отечественная история Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук Научный руководитель – доктор исторических наук профессор А.М. Попов Вологда – 2004 2...»

«ОБОСНОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ И ЛЕЧЕНИЯ ПАЦИЕНТОВ С АСИММЕТРИЕЙ ЗУБНЫХ ДУГ ОБУСЛОВЛЕННОЙ ОДНОСТОРОННИМ ОТСУТСТВИЕМ ПРЕМОЛЯРА 14.01.14 стоматология Иванова Ольга Павловна Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель : доктор...»

«Кайгородова Ирина Михайловна УДК 635.656 : 631.52 СОЗДАНИЕ ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА ГОРОХА ОВОЩНОГО (PISUM SATIVUM L.) РАЗНЫХ ГРУПП СПЕЛОСТИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ НА ПРИГОДНОСТЬ К МЕХАНИЗИРОВАННОЙ УБОРКЕ Специальность: 06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений 06.01.09 – овощеводство ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Научные...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Титаренко, Ирина Жоржевна Обоснование и использование обобщенных оценок производственного риска для повышения безопасности рабочей среды Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2007 Титаренко, Ирина Жоржевна.    Обоснование и использование обобщенных оценок производственного риска для повышения безопасности рабочей среды  [Электронный ресурс] : дис. . канд. техн. наук  : 05.26.01. ­ Калининград: РГБ, 2007. ­ (Из фондов...»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.