Система мониторинга состояния газотранспортных сетей с применением транкинговых средств связи

На правах рукописи

БУШМЕЛЕВА Кия Иннокентьевна СИСТЕМА МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТРАНКИНГОВЫХ СРЕДСТВ СВЯЗИ Специальность: 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2011 -2

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики (технический университет) Научный консультант - доктор технических наук, профессор Увайсов Сайгид Увайсович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Саксонов Евгений Александрович доктор технических наук, профессор Черевков Константин Владимирович доктор технических наук, профессор Краснов Андрей Евгеньевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» (МИРЭА, г. Москва)

Защита состоится « » _ 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 Московского государственного института электроники и математики по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технический университет).

Автореферат диссертации разослан «» 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.133.06, кандидат технических наук, профессор Н.Н. Грачев -3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Потребление углеводородного сырья является важнейшим индикатором промышленного развития различных стран мира. Добываемый в РФ природный газ поступает в магистральные газопроводы (МГ), объединенные в Единую систему газоснабжения (ЕСГ) (рис. 1). Газопроводы относятся к ответственным энергетическим сооружениям, к надежности, работы которых предъявляются повышенные требования. Это обусловлено как причинами технического, экологического характера, так и масштабным ущербом в случае аварии.

Рис. 1. Фрагмент Единой системы газоснабжения России Общая протяженность МГ на сегодняшний день в РФ составляет порядка 160тыс. км., из них более 60% линейной части (ЛЧ) газопроводов эксплуатируется свыше 20 лет, при этом более четверти выработали свой номинальный ресурс, который составляет 33 года.

Как показывает практика, при добыче, транспортировке и переработке углеводородов могут возникнуть утечки загрязняющих веществ. Причиной утечек (аварий) являются различные дефекты, в частности, возникающие вследствие коррозии стенок трубопроводов из за повреждений изоляционных покрытий или нарушений в сварных соединениях и др.

дефекты. Своевременное обнаружение утечек газа из МГ позволяет уменьшить риск возникновения аварийных ситуаций.

В связи с этим появился комплекс научно-технических проблем по обеспечению надежности МГ, устойчивости их работы и безопасности, оценкам остаточного ресурса и рисков. Основным направлением деятельности для решения этих проблем является совершенствование системы мониторинга и управления техническим состоянием (ТС) объектов газотранспортной сети (ГТС) на основе развития и создания новых методов и средств неразрушающего контроля (НК) и технического диагностирования (ТД).

В настоящее время существуют различные устройства и методы НК и ТД газопроводов, которые отличаются принципом действия, чувствительностью, областью применения и др.

Метрически, в смысле масштабов охвата географической территории прокладки сети, все методы условно можно разделить на методы локального и глобального диагностирования.

В зависимости от физических явлений и принципа работы методы диагностирования и НК МГ подразделяются на девять основных видов. Наибольшее распространение получили четыре метода: акустический, магнитный, вихретоковый и оптический. На базе этих методов реализованы основные контактные и бесконтактные средства диагностирования, которые, однако, имеют существенный недостаток, состоящий в локальности их применения.

Однако, именно огромная протяженность и разветвленность ГТС в РФ и странах ближнего зарубежья, прохождение по территориям с неблагоприятными климатическими и -4 рельефно - ландшафтными условиями, а также отсутствие развитой и разветвленной системы коммуникаций, существенно ограничивает или делает невозможным их применение.

Более эффективными, с точки зрения оперативности обследования протяженных участков ГТС, являются глобальные - аэрокосмические методы (АКМ), которые с помощью различных летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, беспилотных летательных аппаратов, искусственных спутников Земли и т.п.) могут дистанционно осуществлять мониторинг подстилающей поверхности средствами фото-, видеонаблюдения, а так же устройствами тепловизионного, радиолокационного или лазерного зондирования.

Имея преимущества по основным технико-эксплуатационным характеристикам, в настоящее время наиболее интенсивно развиваются методы лазерной локации. Большой вклад в развитие этого направления внесли Бубличенко И.А., Бондаренко П.М., Гумеров А.Г., Гурари М.Л., Егурцов С.А., Ионин Д.А., Клюев В.В., Козинцев В.И., Косицын В.Е., Медведев Е.М., Орлов В.М., Плюснин И.И., Солдатов А.Н., Самохвалов И.В. и др.

Успешно работают коллективы научно-технического центра уникального приборостроения РАН, института проблем нефти и газа РАН, института лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова», Московского государственного инженерно физического института, Московского государственного технического университета им. Н.Э.

Баумана, Московского института электроники и математики, Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Сургутского государственного университета, Томского государственного университета, Тюменского государственного университета, НПО «Спектр», компании «ПЕРГАМ–Инжиниринг», «Геолидар» и др.

В ОАО «Газпром» эффективно эксплуатируют при обслуживании и ремонте своих газовых коммуникаций лазерные устройства типа «Аэропоиск», «Поиск», «Обзор», «Пергам», «ЛГАУ», «ЛУГ» и др., одним из разработчиков последнего является автор.

Вместе с тем не до конца исследованными и решенными остаются вопросы, связанные с разработкой общих теоретических и методологических основ проектирования автоматизированных комплексов дистанционного зондирования МГ на основе двухлучевых гелий-неоновых лазерных установок.

Однако АКМ, обладая бесспорным преимуществом по масштабам охватываемой территории, уступают локальным мобильным и стационарным средствам диагностирования МГ по точности и достоверности получаемой информации о характере и месте дефекта.

Таким образом, возникает задача объединения методов и средств локального и глобального диагностирования в единую систему мониторинга состояния технологических объектов (ТО) ГТС и, получение на этой основе эмерджентного эффекта. Решение этой задачи предполагает использование передовых достижений в области телекоммуникаций, в частности развитой корпоративной сети транкинговых средств связи (ТСС).

Обслуживание газотранспортной системы требует наличия ведомственной связи практически в любой точке газопровода. В связи с этим корпоративная сеть транкинговой связи (КС ТC) и оборудование используемое в ней является составной частью системы управления добычи, транспортировки, хранения и переработки газа в ОАО «Газпром». Она служит объединяющим звеном деятельности всех предприятий газотранспортной отрасли и оказывает значительное влияние на эффективность, техническую и экологическую безопасность ЕСГ России. Кроме того, КС ТС используются для передачи данных для автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами и систем линейной телемеханики, передачи данных для АСУ административно-хозяйственной и планово-экономической деятельности газотранспортных предприятий.

Компоненты КС ТС уже сегодня широко внедряются в газотранспортную отрасль при организации диспетчерской и внутриобъектной оперативной связи основного производственного персонала и ремонтно-восстановительных бригад на МГ, отводах, промышленных площадках, компрессорных станциях, подземных хранилищах и др.

объектах, обеспечивая контроль и управление производственными процессами при эксплуатации, ремонте, реконструкции и строительстве газотранспортных объектов, а также -5 при осуществлении быстрой связи и взаимодействия различных служб при кризисных и чрезвычайных ситуациях.

Научная проблема заключается в противоречии между назревшей необходимостью оценки текущего и прогнозного технического состояния МГ и отсутствием общих методологических основ построения систем мониторинга состояния газотранспортных сетей.

Объектом исследования является процесс мониторинга технического состояния магистральных газопроводов.

Предметом исследования являются методы, модели, алгоритмы, аппаратно программные и методические средства мониторинга состояния ТО газотранспортной сети.

Цель и задачи диссертационного исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы мониторинга и управления состоянием технологических объектов ГТС посредством комплексирования локальных и глобальных методов диагностирования в единую систему с применением транкинговых телекоммуникационных средств связи и создание для этого соответствующих методов, моделей и алгоритмов, а также программно-аппаратного и методического обеспечения.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ особенностей ЕСГ РФ, как объекта диагностирования и управления ТС, исследование видов и причин дефектов в ней.

2. Исследование современного состояния ТД в области существующих методов и средств неразрушающего контроля ТО ГТС.

3. Анализ возможностей современных телекоммуникационных систем и транкинговых средств связи в аспекте создания на их основе системы мониторинга состояния структурных элементов линейной части (ЛЧ) МГ.

4. Разработка концепции системы управления обслуживанием ТО ГТС на основе комплексирования эффективных методов обнаружения дефектов средствами телекоммуникаций.

5. Разработка методологии непрерывной информационной поддержки диагностического обеспечения сети на протяжении всего жизненного цикла.

6. Разработка метода дистанционного зондирования (ДЗ) ТС МГ.

7. Проведение экспериментальных исследований для определения характеристик газового облака, образованного в месте утечки из МГ.

8. Моделирование и анализ чувствительности устройства дистанционного зондирования (УДЗ).

9. Расчет массового расхода газа и моделирование профилей концентрации стравливаемого метана из объектов МГ.

10. Создание аппаратно-программного комплекса лазерного зондирования дефектов МГ.

11. Разработка системы мониторинга и управления состоянием технологических объектов ГТС на основе транкинговых средств связи.

12. Разработка методов валидации данных и калибровки измерительного оборудования с целью повышения достоверности результатов диагностирования технологических объектов ГТС.

13. Разработка методического обеспечения для обследования протяженных участков ЛЧ МГ.

14. Апробация и внедрение результатов работы в газотранспортную отрасль.

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач 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 нечетких множеств, нейронных сетей, распознавания образов и принятия решений, методы численных и -6 экспериментальных исследований, методы построения телекоммуникационных систем и методы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна результатов работы. Главным научным результатом является разработка концепции создания телекоммуникационной системы мониторинга состояния объектов ГТС и развитие идеологии и научных основ технической диагностики.

При этом в диссертационной работе были получены следующие новые научные результаты:

1. На основе системного анализа предложена классификация современных методов и средств НК и ТД, отличающаяся от известных критериями сравнения, соответствующими особенностям объектов ГТС.

2. Разработана концепция системы управления ТС ГТС, отличающаяся комплексированием эффективных инструментов обнаружения дефектов на основе интеграционных возможностей транкинговых средств связи.

3. Разработана методология диагностического обеспечения объектов сети, которая отличается предложенной в работе технологией непрерывной информационной поддержки на протяжении всего жизненного цикла.

4. Разработан метод ДЗ подстилающей поверхности, основанный на лазерной локации утечек газа. Отличительная особенность метода заключается в использовании гелий неоновой лазерной установки, работающей на двух длинах волн. При этом один из лучей установки имеет длину волны, соответствующую максимальному коэффициенту поглощения метана.

5. Разработаны метод и программа экспериментальных исследований характеристик газового облака, образованного в месте дефекта ЛЧ МГ на основе измерения концентрации метана. Метод базируется на экспоненциальных зависимостях мощности излучения, возвращаемого на приемник. В отличие от известных методов учтено влияния коэффициента отражения от подстилающей поверхности, закона квадрата расстояния и флуктуации расстояния (высоты полета). Корреляционная обработка сигналов позволяет повысить вероятности выделения или исключения предполагаемой утечки газа.

6. Разработана математическая модель УДЗ, отличающаяся от известной учетом влияния коэффициента отражения от подстилающей поверхности. Это позволяет исследовать чувствительность системы и осуществлять регулировку электронной части лазерной установки, производя ее настройку и юстировку непосредственно перед применением по назначению.

7. Получены выражения для вероятностей пропуска дефектов и ложной тревоги, рассчитываемые при различных значениях мощности зондирующего излучения.

Подтверждено предположение о пуассоновском законе распределения отсчетов, регистрируемых локатором.

8. Для определения величины массового расхода метана из ЛЧ МГ разработана модель в виде двухслойной нейронной сети с прямой передачей данных. Отличительной особенностью модели является учет различных условий дистанционного зондирования (скорости ветра, температуры окружающей среды, характеристик подстилающей поверхности, расстояния от трека зондирования до газопровода, давления и температуры транспортируемого метана, диаметра стравливающего отверстия).

9. Получено расчетное выражение для компьютерного моделирования профилей концентрации стравливаемого газа, которое позволяет учитывать климатические условия, интенсивность сепарации частиц и высоту подъема газового облака над местом дефекта.

10. Разработаны структура и алгоритм мобильного аппаратно-программного комплекса ДЗ, который в составе бортового оборудования летательного аппарата (самолета, вертолета и др.) может осуществлять оперативный мониторинг МГ. В отличие от известных в комплекс включены средства фото-, видеонаблюдения, приемник глобальной спутниковой системы позиционирования, которые позволяют получать полную информацию о характере и месте -7 дефекта на МГ, и транкинговые средства связи, для оперативной передачи информации в центр сбора и обработки.

11. Для повышения эффективности автономной бортовой автоматизированной системы регистрации и обработки данных разработана кластерная модель распознавания утечек метана из ЛЧ МГ от фоновой концентрации газа, отличающаяся использованием аппарата нечетких множеств для формализации экспертных знаний.

12. Разработана система мониторинга и управления ТС объектов сети на основе транкинговых средств связи. Новизной является объединение в едином пространстве территориально разнесенных информационных и измерительных ресурсов для организации централизованного управления диагностическим обеспечением, обслуживанием и ремонтом ЕСГ РФ.

13. Для оценки валидности данных разработан метод сравнения результатов косвенных дистанционных измерений параметров газового облака с измерительной информацией, полученной прямыми измерениями с помощью мобильных газоанализаторов непосредственно в месте модельной утечки.

14. Разработана методика калибровки и соответствующие средства автоматизированной обработки и интеллектуализации измерительной информации для снижения систематической погрешности и повышения достоверности получаемых УДЗ данных.

15. Разработано методическое обеспечение, которое в отличие от известных позволяет заложить на стадиях проектирования и строительства требуемую контролепригодность ТО ГТС и организовать эффективное оперативное обследование протяженных участков МГ.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что разработанные в ней методология и система мониторинга позволяют, автоматизировать процесс сбора, обработки и визуализации информации, оценивать объемы утечек метана в реальном масштабе времени и, на этой основе осуществлять оперативное диагностирование и управление ТС технологических объектов ГТС, посредством принятия необходимых мер по устранению и предотвращению утечек.

Внедрение разработанной системы, методов, моделей, алгоритмов, аппаратно программных средств и методического обеспечения направленно на решение задач эффективной и безаварийной эксплуатации ЕСГ РФ.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе методы, алгоритмы, программно-аппаратный комплекс и методическое обеспечение использованы при выполнении научно-исследовательских 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 6 сентября 2010 года по теме: «Разработка методов и аппаратурных средств лазерно информационной технологии мониторинга газотранспортных объектов», шифр заявки «2010-1.1-122-084-032», а также в рамках хоздоговоров № 177-08-10/ВОУ/В22-252310 от 31.08.2010г. по теме «Оказание услуг по проведению экспертизы эмиссии метана из крановых узлов на соответствие требованиям СТО Газпром 031-2007 и обработка результатов с использованием информационных технологий» и № 013/04/Л от 2 июня 2004г.

по теме «Создание трех лазерных локаторов для комплекса обследования магистральных газопроводов».

Основные результаты диссертационной работы внедрены в ООО «Газпром-трансгаз Сургут», в ООО «ЛИТТ» при ТГУ, в центре лазерных технологий СурГУ, а также в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики на кафедре «Радиоэлектронных и телекоммуникационных устройств и систем» и Сургутского государственного университета на кафедре «Автоматизированные системы обработки информации и управления».

Внедрение результатов диссертационной работы в газотранспортную отрасль и учебный процесс вузов подтверждено соответствующими актами внедрения.

-8 Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты с 2000 по 2011 годы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно практических конференциях: XIII и XIV научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Судак, 2001, 2002), Межвузовская конференция молодых ученых. «Научная молодежь–XXI веку» (Сургут, 2001), The International Conference «Lasers 2001» (Tucson, Arizona, 2001), The 7-th, 9 th Russia-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technologies (Tomsk, 2004, 2008), IV научно-практическая конференция «Инновации в условиях развития информационно коммуникационных технологий» (Сочи, 2007), III и VI Всероссийская научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инноватика» (Томск, 2007, 2010), Международный симпозиум «Новые информационные технологии и менеджмент качества» (Турция, 2008), XVIII Международная конференция-выставка «ИТО-2008» (Москва, 2008), XV Всероссийская конференция «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна, 2008), научно-техническая конференция «Инновации в условиях развития информационно коммуникационных технологий» (Сочи, 2008), V Всероссийский конгресс женщин математиков (Красноярск, 2008), Международный симпозиум «Надежность и качество» (Пенза, 2008-2011), Международный форум «Новые информационные технологии и менеджмент качества» (Египет, Шарм-эль-Шейх, 2009), научно-техническая конференция «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» (Сочи, 2009), Международная научно-техническая конференция «Аэрокосмические технологии в нефтегазовом комплексе» (Москва, 2009), IX Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010), Международная научно-практическая конференция «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2010).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 66 работ, в том числе 1 монография, 3 учебных пособия, 29 статей, из них 17 в изданиях из перечня российских рецензируемых научных журналов рекомендованных ВАК.

Получены 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами, заключения, списка использованной литературы, состоящего из 291 наименования, и приложений, включающих в себя акты внедрения.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Классификация методов и средств НК и ТД технологических объектов ГТС.

2. Концепция построения системы управления ТС объектов ГТС.

3. Методология диагностического обеспечения МГ на протяжении всего жизненного цикла.

4. Система мониторинга и управления ТС объектов сети на основе ТСС.

5. Структура, метод, модель и алгоритм УДЗ по идентификации дефектов МГ.

6. Алгоритм экспериментальных исследований характеристик газового облака в месте дефекта ЛЧ МГ и расчетное выражение для компьютерного моделирования профилей концентрации стравливаемого газа.

7. Двухслойная нейронная сеть для определения величины массового расхода стравливаемого газа и нечеткая кластерная диагностическая модель распознавания утечек метана из МГ, а также выражения для моделирования вероятностей пропуска дефектов и ложной тревоги при идентификации утечек газа.

8. Методы оценки валидности данных и автоматизированной калибровки информационно-измерительного тракта локатора.

9. Методическое обеспечение процессов контролепригодного проектирования, строительства и обслуживания ЛЧ МГ.

-9 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава диссертации содержит характеристику современного состояния газотранспортной отрасли РФ и анализ особенностей сети МГ как сложной системы.

Анализ последних лет мирового нефтегазового рынка показывает опережающее развитие газовой промышленности по отношению к производству и потреблению других видов энергоносителей. Для России все более перспективным энергоносителем становится природный газ, разведанные и оценочные запасы которого составляют около 3,3трлн.куб.м, а потенциальные ресурсы достигают 6-8трлн.куб.м. В соответствии с инвестиционной программой «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» планируемый уровень добычи газа к 2020 году по России составит от 650 до 670млрд.куб.м и будет обеспечиваться за счет действующих и вводимых в разработку новых месторождений.

Природный газ поступает в МГ, объединенные в ЕСГ России, которая в свою очередь является крупнейшей в мире системой транспортировки газа и представляет собой уникальный технологический комплекс, включающий в себя объекты добычи, переработки, транспортировки, хранения и распределения газа. ЕСГ включает в себя разрабатываемые месторождения, сеть 1, 2, 3-х и более ниточных МГ, компрессорные установки, подземные газохранилища и другие сооружения.

Хотя при формировании газотранспортной системы в 70-80-х гг. прошлого века в нее был заложен значительный запас прочности, вместе с тем известно, что ЕСГ России является стареющей в связи, с чем повышается аварийность на ее объектах. Так например, объективным свидетельством стабильной работы ЕСГ является снижение количества технических отказов на газопроводах с 0,21/1000км эксплуатируемых газопроводов в 2001г.

до 0,11 в 2007г., однако в 2008г. отмечено увеличение числа аварий до 0,13/1000км (рис. 2).

Рис. 2. Динамика аварийности ЕСГ в год/1000км, за период с 2001 по 2008гг.

Как показывает практика, отказы на МГ с большим сроком эксплуатации имеют много причин (рис. 3), но большая их часть связана с коррозионными повреждениями стенок труб по причине выхода из строя изоляционных покрытий. Второе место занимают разрушения, вызванные наличием дефектов в сварных стыках. В работе приведена обобщенная классификация дефектов и повреждений, возникающих при эксплуатации, причины их возникновения и анализ параметров ТС МГ.

Отмечается, что традиционный способ поддержания работоспособности газопроводов с помощью капитальных ремонтов, на сегодняшний день предпочтительно заменить выборочным «точечным» ремонтом элементов и участков МГ по результатам 100% комплексного диагностического обследования. В связи с этим появился комплекс научно - 10 технических проблем по обеспечению надежности и устойчивости работы газопроводов.

Основным направлением деятельности для решения этих проблем является развитие и создание новых методов и средств диагностирования технического состояния МГ.

Рис. 3. Причины возникновения аварий на МГ: 1-наружная коррозия;

2-повреждения при эксплуатации;

3-нарушение условий и режимов эксплуатации;

4-строительные дефекты;

5-дефекты изготовления труб и оборудования;

6-стихийные бедствия Предложена структурно-технологическая схема диагностирования МГ, отражающая комплексный характер проводимых исследований, их состав и порядок выполнения, а также этапы оценки. Приведен анализ существующих устройств и методов НК и ТД газопроводов используемых при диагностировании ТС МГ, которые отличаются принципом действия, чувствительностью, областью применения и др. Показано, что метрически, в смысле масштабов охвата географической территории прокладки газотранспортной сети, все методы условно можно разделить на методы локального (наземные) и глобального (авиационные, космические и др.) диагностирования (рис. 4).

Рис. 4. Методы диагностирования МГ Анализ традиционных методов диагностирования показал, что они позволяют получить лишь частные параметры тех или иных дефектов и не обеспечивают получения общего объема необходимой информации о состоянии протяженных участков ГТС и динамике их изменения. Главный же недостаток этих методов состоит в локальности их применения, что делает их малоэффективными, когда необходимо осуществить мониторинг на протяженных и труднодоступных участках газопроводов, в отсутствие развитой сети коммуникаций.

Поэтому проблема разработки новых методов и средств диагностирования МГ, позволяющих с приемлемой достоверностью осуществлять их мониторинг, является весьма актуальной на сегодняшний день.

Более эффективными, с точки зрения оперативности обследования протяженных участков магистрали, являются аэрокосмические методы, которые с помощью различных летательных аппаратов (ЛА) могут дистанционно осуществлять мониторинг подстилающей поверхности средствами фото-, видеонаблюдения, а так же устройствами тепловизионного, радиолокационного или лазерного зондирования. Для обеспечения надежной и экологически безопасной эксплуатации МГ предложена классификация и сравнительный анализ дистанционных АКМ оценки ТС газотранспортной системы, который позволил сделать - 11 вывод о необходимости разработки дополнительных диагностических признаков и методов обработки данных производственного мониторинга МГ, позволяющих повысить достоверность оценки ТС газопроводов.

Отражено, что имея преимущества по основным технико-эксплуатационным характеристикам, в настоящее время наиболее интенсивно развиваются методы лазерной локации, которые способны быстро и эффективно обнаруживать утечки газа из МГ с борта летательного аппарата, в связи с высоким уровнем чувствительности измерений при относительно малых габаритных размерах. Однако обладая бесспорным преимуществом по масштабам охватываемой территории, глобальные АКМ уступают локальным мобильным и стационарным средствам диагностирования по точности и достоверности получаемой информации о характере и месте дефекта.

Таким образом, возникает задача объединения методов и средств локального и глобального диагностирования в единую систему мониторинга состояния объектов ГТС и, получение на этой основе эмерджентного эффекта. Решить эту задачу позволяют передовые достижения в области телекоммуникаций, в частности использование сети ТСС, которые служат объединяющим звеном деятельности всех предприятий газотранспортной отрасли, предоставляя оперативную связь и передавая технологическую информацию между основным персоналом и ремонтно-восстановительными бригадами газотранспортного предприятия.

С учетом результатов проведенного анализа сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе предложена концепция системы мониторинга и управления ТС объектов сети, отличающаяся комплексированием эффективных локальных и глобальных методов и инструментов обнаружения дефектов на основе интеграционных возможностей ТСС. Система строится так, чтобы сбалансировано дополнять существующие и разрабатываемые сети связи, охватывая с различной плотностью значительную часть территории России, с местами прокладки МГ. При построении системы выбрана ориентация на цифровые методы передачи информации в соответствии с требованиями стандарта ТЕТRА, разработанного Европейским Телекоммуникационным Институтом Стандартов.

Очевидно, что сегодня успешность любого нефтегазового предприятия во многом зависит от своевременного и оперативного получения необходимой информации и правильной организации производства. Современные транкинговые системы являются действенными средствами для достижения указанных целей. В то же время средства оперативной радиосвязи, используемые в газовой отрасли, зачастую несовершенны, применяемые телекоммуникационные технологии морально устарели и не позволяют спроецировать эффективные организационные структуры на пользователей радиосистем.

В настоящее время и в мире, и в России достаточно широко распространены аналоговые транкинговые системы радиосвязи, такие как SmarTrunk, системы протокола MPT 1327 (ACCESSNET, ACTIONET и др.), системы фирмы Motorola (Startsite, Smartnet, Smartzone), системы с распределенным каналом управления (LTR и Multi-Net фирмы E.F.Johnson Co и ESAS фирмы Uniden). Наибольшее распространение в России получили системы MPT 1327, что объясняется значительными преимуществами данного стандарта по сравнению с другими аналоговыми системами.

Однако аналоговые транкинговые системы имеют ряд ограничений по: передаче данных (отсутствует возможность одновременной передачи речи и данных, транспортный уровень не поддерживает пакетную передачу данных, ограниченный сервис передачи коротких сообщений и др.), малому количеству терминалов, обеспечивающих дуплексную связь, емкости системы при одинаковом количестве рабочих каналов, функциональным характеристикам, возможностям управления системой.

В связи, с чем ведущие мировые производители оборудования ТСС объявили о переходе к цифровым стандартам радиосвязи, предусматривая при этом либо выпуск принципиально нового оборудования, либо адаптацию аналоговых систем к цифровой связи.

- 12 К наиболее популярным, заслужившим международное признание стандартам цифровой транкинговой связи, относятся: EDACS (фирма Ericsson), TETRA (Европейский институт стандартов связи ETSI), APCO 25 (Ассоциация официальных представителей служб связи органов общественной безопасности), Tetrapol (фирма Matra Communication, Франция), iDEN (фирма Motorola, США).

Из всех выше перечисленных именно TETRA (TErrestrial Trunked RAdio/Наземной Транкинговой Подвижной Радиосвязи) - открытый стандарт, предполагающий, что оборудование различных производителей будет совместимо, является наиболее перспективным для построения систем связи на предприятиях быстрорастущего нефтегазового сектора России.

Целесообразность внедрения транкинговых средств в систему мониторинга ГТС обусловлена объективными преимуществами: многозоновым покрытием обслуживаемых территорий;

повышенной производительностью;

качеством сигнала;

оперативностью;

надежностью;

защищенностью от несанкционированного доступа;

наличием беспроводной телефонии и телеметрии;

дополнительными сервисами.

Новизной является объединение в едином пространстве территориально разнесенных информационно-измерительных ресурсов, систем и сетей, основных элементов наземной и аэрокосмической инфраструктуры транкинговой радиосвязи и абонентских радиостанций, средств диагностирования и позиционирования, расположенных на различных носителях и обеспечение централизованного управления данными ресурсами в целях повышения эффективной работы ЕСГ России.

В состав системы мониторинга ТС МГ (рис. 5) входят четыре основных сегмента:

Рис. 5. Обобщенная схема системы мониторинга ТС объектов ГТС: КЛА – космические летательные аппараты;

АЛА – авиационные летательные аппараты;

ПАК «ЛУГ» - программно аппаратный комплекс;

НПБ – наземные передвижные бригады;

ОК - оптический канал;

ВОЛС – волоконно-оптический канал;

РРС – радиорелейная связь;

РТС – радиотелефонная связь;

СС – спутниковая связь;

GSM – мобильная связь;

GPRS – мобильный интернет;

ГТЦ – главный телекоммуникационный центр;

ЦПР – центр принятия решений;

ИАЦ – информационно аналитический центр;

ЦУНС – центр управления наземной сетью;

ЛВС – локальная вычислительная сеть;

ККУ - комплекс контроля и управления;

КС – комплекс сопряжения;

ССС – станции спутниковой связи;

КРРС – комплекс радиорелейной связи;

ТМС – телеметрические станции;

ЦУКОГ – центр управления и контроля орбитальной группировкой - 13 объект диагностирования – газотранспортная система, представляющая собой сеть 1, 2-х… и 6-ти ниточных МГ, отводов, компрессорных установок, подземных газохранилищ и других сооружений;

аэрокосмический сегмент – космические и авиационные летательные аппараты, оснащенные бортовым пилотажно-навигационным и другим оборудованием;

пользовательский сегмент – аппаратура, представляющая собой средства глобального и локального диагностирования оснащенные разнообразными видами приемоиндикаторов, а также телекоммуникационными устройствами осуществляющими прием и передачу информации по различным каналам связи;

наземный сегмент – основные и телекоммуникационные территориально разнесенные центры управления, станции сопряжения, стационарные и мобильные пункты, предназначенные для накопления и передачи всех видов информации, включая телеметрическую, позиционную, осуществляющие планирование и контроль работы целевой аппаратуры.

В главе приводится классификация, технические характеристики и функциональные возможности основных сегментов телекоммуникационной системы мониторинга объектов ГТС. На рис. 6. представлена схема пользовательского сегмента телекоммуникационной системы, содержащая средства глобального и локального диагностирования используемые для осуществления мониторинга ТС ГТС, а также GPS приемники и основные устройства транкинговой связи, позволяющие осуществлять прием и передачу информации по различным каналам связи.

Рис. 6. Пользовательский сегмент телекоммуникационной системы мониторинга В свою очередь управление данной системой основано на базе геоинформационных технологий, позволяющих осуществлять сбор, отображение, обработку, анализ, прогнозирование и распространение информации посредством программно-аппаратных комплексов на основе электронных карт, баз данных и сопутствующих материалов с географически организованной информацией.

Достоинство системы мониторинга и управления ТС объектов ГТС на основе ТСС состоит в том, что она позволит организовать и автоматизировать процесс сбора и обработки информации с территориально распределенной сети газотранспортных и подвижных объектов, оснащенных средствами диагностирования и приемо-передающими устройствами, - 14 использующими различные каналы связи, с одновременным отображением на электронной карте текущего положения и состояния объектов.

На сегодняшний день в нефтегазовом секторе наблюдается повышенный спрос на комплексные многофункциональные решения безопасность, мониторинг и информационные услуги, которые в свою очередь, могут осуществляться с использованием современных навигационных и телекоммуникационных технологий, позволяющих получать и обрабатывать оперативную информацию в формате единого интерфейса и минимизировать влияние «человеческого фактора» на принятие управленческих решений. Примером такого взаимодействия и является система мониторинга объектов ГТС, совмещающая сразу несколько разработок и технологий:

спутниковый контроль подвижных объектов и работников линейных производственных управлений, осуществляющих оценку ТС МГ устройствами локального и глобального диагностирования (при наличии GPS-приемников), в том числе с помощью российской системы ГЛОНАСС;

оперативную профессиональную радиосвязь для взаимодействия диспетчера с операторами, экипажем подвижных объектов и др.

Таким образом, налицо интеграция двух технологий, модуля ГЛОНАСС как ключевой части современных комплексных систем безопасности и управления с абонентскими терминалами стандарта TETRA, являющихся телекоммуникационной транспортной средой для передачи информации. При этом преимущества сопряжения TETRA и ГЛОНАСС для групп специальных пользователей неоспоримы.

Так как основными потребителями услуг профессионального ГЛОНАСС являются государственные структуры, ведомства, крупные отраслевые предприятия и т.п., которые предъявляют повышенные требования к устойчивости связи и качеству профессионального абонентского оборудования и специализированных программных продуктов. В свою очередь стандарт TETRA по функционалу и характеристикам в полной мере отвечает этим высоким требованиям и может служить надежной транспортной средой для передачи навигационных данных от спутников ГЛОНАСС. В результате можно сделать вывод, о том, что симбиоз двух быстро развивающихся технологий позволяет принимать оперативные решения на основе полной информированности и в режиме реального времени.

В главе рассмотрена проблема диагностирования ТС МГ, показано, что отсутствие непрерывной информационной поддержки диагностического обеспечения на протяжении всего жизненного цикла, начиная от формирования технического задания на разработку МГ и до ремонта, ведет к существенным экономическим и временным потерям.

Основной задачей комплексного диагностирования газопроводов является своевременное выявление изменений его ТС с использованием технологии непрерывной информационной поддержки на протяжении всего жизненного цикла: при условии взаимодействия с окружающей средой, оценкой остаточного ресурса, а также выбором наиболее эффективных методов диагностирования для обеспечения безопасной эксплуатации и надежной работоспособности ГТС.

Предлагаемая технология (рис. 7) предполагает переход от проверки и оценки запасов прочности и работоспособности газопроводов к проверке его исправности на стадии эксплуатации и ремонта. При этом появляется возможность перейти от календарно-плановой технологии обслуживания и ремонта к более эффективной технологии обслуживания МГ по фактическому состоянию, что позволит реализовать надежностно-ориентированную технологию проектирования, строительства, эксплуатации, ремонта или реконструкции МГ.

В основе технологии лежит методология диагностического обеспечения объектов сети устройством дистанционного зондирования, которая в свою очередь поддерживается автоматизированной системой обработки и регистрации данных. Возможность непрерывного и глубокого исследования объектов ГТС средством ДЗ на предмет выявления дефектов, служащих причинами отказов и предвестниками аварий, позволяет своевременно принимать - 15 эффективные меры по их устранению и предотвращению, а также принимать решения о дальнейшей эксплуатации МГ.

Рис. 7. Структура технологии непрерывной информационной поддержки диагностического обеспечения МГ на протяжении всего жизненного цикла Мониторинг посредством УДЗ органично вписывается в систему управления (СУ) ТС объектов ГТС, позволяя обрабатывать ранее полученные результаты при очередном обследовании газопровода. В самом общем виде диагностическая модель ГТС может быть представлена кортежем в виде упорядоченной шестерки: M X, Y, Z, Q, H, T, где X вектор входных, функциональных воздействий представляющий собой выборку X (t)=(х1,х2,…хL), где L – число различных параметров, характеризующих объект диагностирования;

Y - вектор выходных функциональных характеристик или реакций объекта на различные внешние воздействия. Связь входов и выходов МГ представляется уравнением, описывающим систему мониторинга ТС объектов ГТС Y (t ) f ( X, Z, Q, H, T ), где f – оператор связи;

Z - вектор внешних возмущающих факторов, представляющих собой совокупность возмущающих воздействий внешней среды на ТО ГТС Z (t)=(z1,z2,…zР), определяемых условиями эксплуатации газопровода, каждое из которых может быть охарактеризовано Р параметрами;

H - множество технологических объектов ГТС;

T моменты времени, в которые наблюдается объект;

Q - множество внутренних модельных параметров ТО ГТС в виде возникающих дефектов МГ, которые могут быть описаны как Q(t)=(q1,q2,…qn), при qi[qiн,qiв], i=1, n, где n – количество всех параметров дефектов, характеризующих техническое состояние МГ и проявившихся в виде утечки газа из газопровода, которые, в свою очередь, могут быть качественно и количественно оценены по следующим критериям: объем утечки, вид дефекта, место дефекта, климатический сезон, опасность дефекта, наличие оборудования, погодные условия и периодичность обследования и т.д. Множество внутренних параметров, в свою очередь, связано с вектором состояний, т.е.

Q (t ) f (V ). На основе измерения вектора V формируется интегральный показатель q, имеющий количество градаций, на которое делится все многообразие состояний ГТС.

Появившийся дефект в виде утечки газа, регистрируется в данной СУ посредством УДЗ, при этом автоматически формируется массив данных о текущем ТС объекта. Для классификации дефектов их необходимо сравнить с номинальной величиной согласно техническим условиям (ТУ), применяемым к данному объекту qiqiном, при qiном [qiн,qiв].

После обработки информации по каждому дефекту системой принятия решений УДЗ выдается информация о текущем ТС МГ с оценкой аварийных или критических состояний.

- 16 Данная информация, а также предложения по проведению дополнительных работ по локальному диагностированию зарегистрированных дефектов, посредством использования ТСС поступает в центральный диспетчерский пункт анализа, управления и принятия решений в режиме реального времени.

Далее линейным отделом газотранспортного предприятия формируется приоритет устранения неисправностей R(t)=f(qi), в зависимости от сложности дефекта, градации состояния объекта и наличия оборудования, после чего формируется заявка Ri в исполнительный орган (ИО). Все ранее перечисленные разнохарактерные категории дефектов можно выявить только посредством дистанционного зондирования локатором RiDi с борта летательного аппарата. На следующем шаге информация из ИО в виде принятого решения поступает в аварийный поезд газотранспортного предприятия, для устранения дефектов на объектах ГТС. При необходимости проводится контрольное обследование устраненного дефекта. Критерием эффективности управления ТС ГТС является относительное количество выявленных дефектов, характеристики которых лежат в заданных пределах.

В третьей главе сформулированы требования и разработан метод дистанционного зондирования ТС объектов ГТС, который в свою очередь положен в основу технологии непрерывной информационной поддержки диагностического обеспечения МГ на протяжении всего жизненного цикла.

Разработка метода началась с создания математической модели (ММ) мобильного УДЗ позволяющей исследовать влияние коэффициента отражения (КО) от подстилающей поверхности на структуру лазерного локатора, а также решающая проблемы регулировки и настройки электронной части устройства применяемого для диагностирования ТС МГ. Учет влияния КО для реальных поверхностей, обладающих в той или иной мере как зеркальным, так и диффузным отражением, необходим для разработки основных узлов локатора с улучшенными технико-экономическими и эксплуатационными характеристиками, а также для контроля загазованности метаном атмосферы вблизи газопровода.

Принимаемая мощность отраженного сигнала P рассчитывалась с учетом коэффициента усиления оптической системы газового лазера, согласно уравнению P0 AT 2 ( R) P (k1 k 2 ), где P0 - мощность зондирующего сигнала;

А - площадь приемного R зеркала;

R – расстояние от локатора до поверхности земли;

T(R) - прозрачность слоя атмосферы протяженностью R;

k1 – КО атмосферы на трассе лазерного луча длиной 2R;

k2 – КО исследуемой поверхности.

Для получения информации о k2, необходимо сначала на одном и том же расстоянии провести калибровку локатора по двум эталонным мишеням, т.е. определить коэффициент, зависящий от параметров локационной установки, а затем на требуемых расстояниях с b b1 b помощью одного эталона определить k 2 x k i, и f cx, где b1, b2, bx d ( 1 2 ) f cx d отношения отраженного и опорного сигналов для первой и второй эталонных мишеней и исследуемой поверхности соответственно;

1, 2 - КО эталонных мишеней (в процессе эксперимента за эталон была выбрана поверхность листа ватмана);

fcx - коэффициент, зависящий от параметров локационной установки.

Величина прозрачности атмосферы T(R), зависящая от коэффициента ослабления дымкой в приземном слое атмосферы и метеорологической дальности видения, так же учитывалась при расчетах T(R) = exp (-0,782 R/Sm), где 0,782 R/Sm - коэффициент ослабления дымкой в приземном слое атмосферы для =3,39мкм.

Было установлено, что при мощности излучения от 10 до 15мВт, апертуре приемного зеркала телескопа диаметром 300мм и высоте полета вертолета 80м, мощность отраженного сигнала, попадающего на фотоприемник, лежит в пределах от 0,1 до 1х10 -9 Вт, в зависимости от величины КО земной поверхности k2=(0,1…1).

- 17 В реальных условиях, большое влияние на мощность регистрируемого сигнала оказывает тип подстилающей поверхности, в связи, с чем необходимо учитывать индикатрису рассеяния излучения подстилающей поверхности. На рис. 8 приведены индикатрисы рассеяния для трёх основных типов подстилающих поверхностей с диффузным, зеркальным и смешанным отражением, которые показали, что для диффузно отражающей поверхности излучение рассеивается по всем направлениям с одинаковой интенсивностью, для зеркальной поверхности характерен тонкий максимум в направлении рассеяния. Для поверхности смешанного отражения – имеется максимум и участок, где коэффициент отражения меняется незначительно.

Рис. 8. Индикатрисы рассеяния подстилающих поверхностей В качестве образцов подстилающих поверхностей использовались три класса природных образований (обнажения почвы, растительный покров, снег и др.), а также некоторые строительные материалы (бетон, асфальт и др.). Измерения зависимостей КО от направления зондирования показали, что чаще всего у подстилающих поверхностей наблюдается смешанное отражение, т.е. одновременно зеркальное, и диффузное, причем в зависимости от структуры поверхности одно из них может преобладать над другим, примером таких поверхностей могут служить снег, асфальт, кирпич.

Полученные результаты послужили исходными данными для разработки математической модели мобильного УДЗ объектов МГ, структурная схема (рис. 9) которой представлена в виде передаточной функции системы автоматического управления (САУ).

Рис. 9. Структурная схема устройства дистанционного зондирования Для решения проблемы регулировки электронной части УДЗ исследовались спектральные оптические свойства распространения лазерного излучений в газовой среде.

- 18 На графике (рис. 10) показана зависимость интенсивности мощности лазерного излучения Е для двух длин волн и 2 от концентрации газа с на фотоприемнике локатора, где измерительный, а 2 - эталонный канал.

Режим работы САУ задается в т. М, согласно значению функции отклика устройства, здесь М – точка равенства интенсивности принимаемого излучения при определенной Рис. 10. Изменение интенсивности концентрации газа.

мощности лазерного излучения Так как излучения лазеров имеют разную расходимость и его сложно совместить, необходимо учитывать, влияние вектора коэффициента отражения E i (t), значение которого зависит от свойств подстилающей поверхности, изменения по времени и влияние коэффициентов рассеяния каналов К1(t) и К2(t). Тогда мощность излучения лазеров на длинах волн 1 и 2 на входе фотоприемников определяется из выражения:

Pi Pi a Kn R exp 2 d c R R t2 K t dt, i i Ei A i a?

R2 t где Pi – флуктуация мощности;

А – коэффициент преобразования оптического сигнала в электрический (одинаков для обоих каналов);

di – коэффициенты ослабления излучения в метановом облаке на длинах волны 1(1=1,5 атм-1см-1) и 2(2= 9,8 атм-1см-1);

R – высота зондирования;

R – флуктуация R;

пер – коэффициент пропускания оптической системы.

В основе метода оценки концентрации стравливаемого газа (метана) в вертикальном и горизонтальном сечении газового облака из МГ, лежат известные математические выражения расчета рассеивания газообразных и аэрозольных примесей в атмосфере.

Максимальное значение приземной концентрации газа сm определялось из выражения:

, где Н — высота источника выброса над уровнем земли (для наземных источников принимается Н=2м);

М — расход выбрасываемого в атмосферу вещества;

T=Тг-Тв — разность температур выбрасываемых газов и атмосферного воздуха;

V1 — полный расход выбрасываемых газов на срезе трубы МГ;

A - климатический коэффициент (для территорий РФ севернее 52 северной широты равен А=160);

F - величина коэффициента, учитывающего сепарацию частиц;

К – величина приземной концентрации газов;

m и n, - значения коэффициентов учитывающих подъем факела над трубой.

В работе проведены расчеты распределения концентрации вытекающего из МГ газа в трехмерном случае cxyz=cm(x,y,z), с целью построения и оценки изолиний распределения концентрации стравливаемого газового облака (рис. 11).

Рис. 11. Распределение концентрации в сечении газового облака плоскостью xz при v=2м/с - 19 По изолиниям cm можно оценить геометрические размеры контура газового облака, зависящие от условий истечения метана в атмосферу, скорости ветра, а также от порога чувствительности локатора, в пределах которых устройство регистрирует выброс.

Полученные результаты распределения концентраций газа в трехмерном случае позволили оценить величину сигнала, получаемого в зондирующем локаторе, в зависимости от условий прохождения лазерного луча сквозь облако газа. Что в свою очередь позволило оптимизировать условия зондирования локатором возможных утечек газа при облете МГ.

Разработанный метод расчета также является основанием для создания модели, позволяющей восстановить распределение концентрации газа в трехмерном случае по результатам зондирования локатором газового облака выброса, что дает возможность количественной оценки утечки газа. Значение концентрации стравливаемого газа при его утечке из МГ через отверстие диаметром D определялось по формуле:

c(x,y,z)=r(v) cm Sx(x,v) Sy(x,y,v) Sz(x,z,v), где c(x,y,z) - концентрация газа в точке с координатами x,y,z;

r(v) - функция, учитывающая влияние скорости ветра v на максимальное значение приземной концентрации газа;

Sx(x,v) - функция, учитывающая распределение приземной концентрации газа вдоль оси облака выброса (ось x);

Sy(x,y,v) - функция, учитывающая распределение приземной концентрации газа поперек оси облака выброса (ось y);

Sz(x,z,v) функция, учитывающая распределение концентрации газа по высоте облака выброса (ось z).

Максимальное значение приземной концентрации газа при условии Т0 (температура газа в трубе МГ приблизительно равна температуре атмосферного воздуха) определялось из A M n формулы cm K, где величина приземной концентрации газов определяется как H D D, а объемный расход газа из газопровода w1.

V K 8 V Средняя скорость w1 вытекания газа из МГ в атмосферу через достаточно скругленное p, где р1 и отверстие площадью S определяется на основании уравнения 2 p0 1 w 1 p 0 0 р0 - атмосферное давление и давление газа в трубе;

0 - плотность газа в трубе;

- показатель адиабаты (для метана =1,33). Массовый расход газа определяется из выражения:

p, 2 p p 1 M S 1w1 S 1 p p0 0 где 1- плотность газа в атмосфере.

Для задач обнаружения и определения величины утечки газа из МГ с помощью локатора представляет интерес величина Cxy, представляющая собой проинтегрированную по h высоте h концентрацию метана в облаке газового выброса C xy ( x, y ) c( x, y, z ) dz.

h Приведенная к единице высоты величина C ( x, y ) Cxy / h представляет собой xy усредненное количество стравливаемого газа, содержащееся в слое толщиной 1м. Результаты h расчетов Cxy ( x, y ) содержащейся в приповерхностном слое толщиной 1м и высотой h=50м, для диаметра отверстия в МГ D=3мм и значении скорости ветра v=2м/с, приведены на рис.

12. Функция отклика локатора определялась при условиях пересечения зондирующим лазерным лучом локатора газового облака в направлении перпендикулярном оси факела ym h h (вдоль оси y) и рассчитывалась как C ( x) ( x, y )dy, где ym- величина пределов C x xy ym - 20 интегрирования, определяется в зависимости от величины порога чувствительности локатора. На рис. 13 приведены результаты расчетов функции отклика локатора на облако выброса газа, проведенные для диаметра отверстия в трубе 1мм и значения скорости ветра 5м/с, которые позволили определить оптимальный диапазон расстояний от газопровода до точки зондирования лазерным лучом 30-40м при полетном поиске утечки газа.

Рис. 12. Изолинии величины концентрации Рис. 13. Функция отклика локатора, h стравливаемого газа C xy ( x, y ) ym =10м Натурные эксперименты по рассеянию газового облака в окрестностях МГ были реализованы на основе методики формирования заданной концентрации метана. Баллон, являющийся источником природного газа (давлением 3атм) размещался на ровной песчаной поверхности размерами 100x100м2, определялись направление и скорость ветра в приповерхностном слое атмосферы. Газ истекал из трубки с отверстием диаметром 3мм, трубка была расположена на высоте 2см над поверхностью земли.

Параметры шлейфа газового облака определялись с помощью специального измерительного стенда, основой которого являлся портативный измерительный прибор – детектор метана, с помощью которого измерялась концентрация природного газа в воздухе, в диапазоне 20 10000ррm, и определялись контуры шлейфа газового облака по уровню 20ppm.

Полученные результаты усреднялись за время =10мин. В результате эксперимента при скорости ветра 3 6м/с, были получены параметры шлейфа газового облака, Рис. 14. Параметры шлейфа газового облака представленные на рис. 14.

Результаты расчетов позволили построить изолинии облака (факела) газа из одного и того же отверстия при разных скоростях ветра (рис. 15): распределения концентрации истекаемого газа вдоль оси облака выброса (ось x);

распределения концентрации метана по высоте облака выброса (ось z);

распределение концентрации примеси в сечении газового облака, совпадающей с осью факела.

В результате проведенного натурного эксперимента, была разработана методика измерения и оценки концентрации стравливаемого газа из МГ, которая базируется на известных экспоненциальных зависимостях мощности излучения, возвращаемого на фотодетектор. При этом существующие методики измерения концентрации метана были - 21 уточнены за счет учета влияния КО подстилающей поверхности, закона квадрата расстояния и флуктуации расстояния.

Рис. 15. Принцип обнаружения утечки газа из МГ, трехмерный случай В основе компьютерной модели лазерного локатора лежит лидарное уравнение, рассчитываемое по методу дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР), позволяющее определить мощность Р регистрируемого сигнала. За сигнал локатора принимается значение отношения мощностей лазерного излучения на длинах волн 1 и 2 с сильным и слабым поглощением в метане, соответственно, P (, R ) P0 K1 A( R )T (, R ) R 2, где P(,R) - мощность отраженного излучения;

P0 - выходная мощность лазера;

K 1 постоянная локатора;

A(R) - эффективная площадь телескопа локатора;

R - высота зондирования;

- коэффициент отражения от подстилающей поверхности. Множитель Т(,R), учитывает величину поглощения излучения метаном атмосферы на длине волны лазерного излучения и содержит в себе информацию о концентрации газа R T (, R ) exp 2 k (, h) dh, 0 при этом коэффициент поглощения лазерного излучения определяется как k (, h) kф (, h) N (h) n ( ), где kф(,h) – коэффициент ослабления атмосферы на длине волны лазерного излучения;

– длина волны излучения лазерного локатора;

h – высота над подстилающей поверхностью;

N(h) – концентрация молекул метана;

n() – сечение резонансного поглощения молекул метана. Расчет отношения мощностей излучения лазеров проводят по формуле:

R P ( 2, R) P02 K exp 2 [k ( 2, h) k (1, h)]dh, P(1, R) P01K111 0 где P(1,R), P(2,R) – мощности отраженного излучения на длинах волн 1, 2 со слабым и сильным поглощением в метане, соответственно;

P01, P02 – выходные мощности лазеров с излучениями на длинах волн со слабым и сильным поглощением в метане;

K11, K12 – постоянные локатора для лазеров, излучающих на длинах волн 1, 2;

1, 2 – КО от подстилающей поверхности для лазерного излучения на длинах волн 1, 2;

k(1,h), k(2,h) – коэффициенты поглощения лазерного излучения на длинах волн 1, 2.

При расчете коэффициента поглощения лазерного излучения k(,h) концентрация метана N(h) усредняется по площади сечения лазерного луча на высоте h, коэффициент kф(,h) принимают равным нулю, так как ослабление атмосферы на используемых длинах волн ничтожно мало;

n() – постоянная величина, зависящая только от длины волны лазерного излучения. Отношение мощностей лазерного излучения Р02К122/Р01К111 можно принять равным единице, поскольку постоянные параметры лазеров, применяемых в - 22 локаторе, приблизительно равны. Тогда выражение для дифференциального поглощения и рассеяния можно переписать в виде R P( 2, R ) P (1, R) exp 2[ n ( 2 ) n (1 )] N ( h)dh.

На основе компьютерной модели локатора проведены численные расчеты мощности отраженного сигнала на фотодетекторе для двух линий поглощения при различных модельных ситуациях: в первом случае задавались различные значения коэффициентов отражения;

во втором – различные значения средней концентрации метана.

Анализ зависимостей (рис. 16) мощности сигнала от расстояния зондирования для двух линий поглощения 1 и 2 лазерного излучения и для двух значений средней концентрации молекул метана N1=50ppm и N2=100ppm показал, что мощность сигнала убывает с увеличением как расстояния от подстилающей поверхности при зондировании. На основе приведенных зависимостей и в соответствии с динамическим диапазоном фотодетектора лазерного локатора было определено, что максимальная высота полета летательного средства при зондировании трассы МГ, при которой сигнал не выходит за пределы динамического диапазона фотодетектора, составляет 50–60м, что, в свою очередь, является предельной нижней границей высоты и, следовательно, допустимой дистанцией зондирования для заданных параметров системы. Предел чувствительности фотодетектора лазерного локатора составляет 10-11 Вт.

Рис. 17. Зависимость мощности сигнала на Рис. 16. Зависимость мощности сигнала фотодетекторе от угла между осью лазера и на фотодетекторе от расстояния зондирования направлением наблюдения В реальных условиях, одной из проблем лазерного зондирования является резкое увеличение сигнала при переходе лазерного луча на зеркально отражающую поверхность, что приводит к «засветке» фотодетектора, т.е. выходу за пределы динамического диапазона.

Конструктивным решением этой проблемы является расположение оптической приёмной системы под некоторым углом к оси лазера. Для зеркального и смешанного типов поверхности это решение позволит уйти от максимума индикатрисы рассеяния на склон.

Был проведен расчет зависимости мощности отраженного сигнала на фотодетекторе Pф от угла между осью лазера и направлением наблюдения для случаев зеркального и смешанного типов подстилающей поверхности (рис. 17), который позволил выбрать при конструировании лазерного локатора величину угла между осями лазера и приёмной системой, необходимую для предотвращения нежелательной засветки фотодетектора.

В работе были проведены расчеты мощности сигналов на фотодетекторе с учетом наличия утечки газа из МГ при следующих условиях: направление скорости ветра перпендикулярно газопроводу;

трасса зондирования проходит вдоль газопровода на небольшом расстоянии хо от трубы с подветренной стороны. На рис. 18 приведены значения мощности Рф отраженного сигнала на фотодетекторе вдоль трассы зондирования для двух линий поглощения 1 и 2 лазерного излучения при утечке метана из МГ.

- 23 В связи с тем, что излучения лазеров на длинах волн 1 и 2 имеют различную расходимость, при этом оба излучения сложно совместить, отраженные излучения каждого канала зависят от характера подстилающей поверхности, и будут иметь разные значения мощности в один и тот же момент времени.

Значения отношения мощностей Р2/Р1 сигналов ДПР вдоль трассы зондирования для двух скоростей ветра 1м/с, 3м/с при прочих равных условиях показали (рис. 19), что с увеличением скорости ветра максимум отношения мощностей уменьшается. Изменение значений мощностей сигналов на фотодетекторе и ДПР вдоль трассы зондирования обусловлено пространственным изменением концентрации метана в исследуемой области.

Проведенные расчёты позволяют делать выбор трассы зондирования, а также вырабатывать рекомендации для полёта летательного средства при заданной скорости ветра.

Рис. 19. Значения отношения мощностей Рис. 18. Значения мощности сигнала на сигнала на фотодетекторе фотодетекторе при наличии утечки из МГ Таким образом, был осуществлен выбор оптимальных параметров локатора и разработана модель УДЗ, которая учитывает конструктивные особенности системы локатор атмосфера (утечка газа) – подстилающая поверхность, которая является основой для разработки программы по определению мощностей и массового расхода утечек газа из МГ.

Для определения величины массового расхода газа M при утечке его из МГ разработана двухслойная нейронная сеть (НС) с прямой передачей данных. На вход НС подается оптический сигнал в виде вектора pk с лазерного локатора, рассчитанный методом ДПР.

P ( 2, R ) Элементами вектора pk являются значения отношения мощностей излучения на P (1, R ) одной трассе зондирования с порядковым номером k. На выходе НС получено значение величины массового расхода газа Mk. На схеме (рис. 20) pkj - j-ый элемент вектора pk;

Wi={Wij} - вектор весов i-го нейрона;

Wij - j-ый элемент векторы Wi;

Si=pkjWij - взвешенная S сумма i-го нейрона;

f r (Si ) e i - передаточная функция нейронов первого (скрытого) слоя;

yi - выход i-го нейрона;

w={wi} - вектор весов нейрона второго (выходного) слоя;

S=yiwi взвешенная сумма весов нейрона второго слоя;

fl(S)=S - передаточная функция второго слоя НС;

Ok - выход нейронной сети.

Для выполнения равенства OkMk необходимо обучить НС на выборке входных векторов pk. Основным критерием эффективности обучения является ошибка НС, которая равна [Ok-Mk]. Весовые коэффициенты НС рассчитываются квазиньютоновым методом поиска минимума функционала ошибок с использованием метода регуляризации Тихонова.

Выборка входных векторов pk, производилась при различных условиях утечки газа (диаметра отверстия в газопроводе, направления ветра) и расстояниях от трассы зондирования до МГ. Каждому входному вектору принято в соответствие значение выхода НС Ok равное целевому значению массового расхода метана Mk.

- 24 Рис. 20. Схема нейронной сети После обучения работа НС проверялась на контрольной выборке входных векторов pk и соответствующих им целевых значениях Mk. Качество НС оценивалось по величине относительного отклонения M k ( M k Ok ) / M k.. Контрольная выборка сигналов лазерного локатора показала, что относительное отклонение Mk лежит в пределах ±2%.

Так как реальный сигнал локатора искажен помехами, природа которых различна:

неоднородность подстилающей поверхности;

порывы ветра;

собственные шумы оптического приемника;

изменение диаграммы рассеяния отраженного излучения, при смене типа подстилающей поверхности и т.д. То для приближения модельных расчетов к реальным ~k k условиям зондирования были использованы искаженные векторы p j p j p j, где pj случайная величина с нормальным законом распределения и математическим ожиданием ~k равным нулю. Дальнейшее обучение НС осуществлялось на выборке входных векторов p и соответствующим им целевых значений Mk. В результате были обучены две НС для случая с pj=5% относительное отклонение Mk=±20%, при pj=10% относительное отклонение Mk=±30%.

Методика расчета, применяемая в данной модели, позволяет определять величину массового расхода метана по сигналу лазерного локатора в пределах некоторой погрешности. Величина погрешности зависит от помех, возникающих при приеме оптического сигнала и влияния искажающих факторов, которые учитываются в модели, как случайная величина с нормальным законом распределения. Получение экспериментальных данных, при зондировании утечек газа в полевых условиях, позволит исключить: неточности применения моделей для расчета концентрации метана в приземных областях атмосферы;

ограничения, наложенные методом дифференциального поглощения и рассеяния, и проверить стабильность функционирования нейронной сети.

В работе была исследована чувствительность УДЗ, исходя из требований к достоверности обнаружения утечки газа из МГ. Вероятности пропуска утечки и ложной тревоги, рассчитаны для различных значений мощности зондирующего излучения и расчёте величины вклада факторов мешающих обнаружению сигнала от вытекаемого газа. Из факторов, оказывающих возмущающее воздействие учитывался фон, создаваемый солнечным светом, отражённым от поверхности земли в направлении приёмной оптической системы УДЗ, установленного на борту летательного аппарата. Расчеты производились для самого неблагоприятного случая, когда поверхность земли покрыта белым снегом, небосвод не покрыт облаками, а солнце находится на высоте 22 над горизонтом.

Зависимость локаторного отклика газа как функция фокусного расстояния приёмной аппаратуры УДЗ (рис. 21) показала, что при фокусе оптической системы 0,6м из объёма атмосферы длинной 10м вдоль зондирующего луча лазера вблизи поверхности земли, на высоте 100м от подстилающей поверхности земли локатор зарегистрирует в среднем 18, отсчётов за один период.

- 25 20 18. 0.6 м Отношение сигнала к фону Сигнал, число отсчетов 0.6 м 18. 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.10 0.11 0. 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.10 0.11 0. Фокус приемной аппертуры, метры Фокус приемной аппертуры, метры Рис. 22. Отношение сигнал/шум приёмной Рис. 21. Локаторный отклик от газа как аппаратуры УДЗ функция фокусного расстояния приёмной аппаратуры УДЗ При этом отношение сигнала к фону солнечного света будет на уровне 18,3, как это следует из рисунка 22, где этот параметр представлен в виде функции фокусного расстояния приёмной аппаратуры УДЗ. Варьируя фокусное расстояние приемной аппаратуры локатора можно добиться определённого компромисса в габаритах устройства и, что не маловажно, в обеспечении достаточно свободных требований к постоянству высоты полёта вертолета.

Вертикальная черта на рис. 21 и 22 показывает, что при задании вероятности ложной тревоги на уровне 10-5 и частоте повторения зондирующих импульсов 20Гц, ложная тревога будет объявляться в среднем один раз за один час и 20 минут. При этом вероятность пропуска утечки газа составит величину порядка 210-3.

Расчёты вероятностей обнаружения утечек газа и ложной тревоги УДЗ рассчитанные для различных значений мощности лазерного излучения приведены на рис. 23, данные получены в предположении пуассоновской статистики отсчетов регистрируемых локатором.

В результате анализа было получено, что оптимальный диапазон высот применения локатора составляет 90-110м, при этом мощность зондирующего излучателя измерительного канала равна 15мВт, приведенные значения были заложены в основу создания УДЗ.

Рис. 23. Вероятности обнаружения и ложной тревоги УДЗ Анализ работы УДЗ в окрестности точки М (рис. 9) показывает наличие регулярных амплитудно-фазовых изменений сигналов, в том числе от утечек газа, для выделения которых в работе использована цифровая обработка. Алгоритм спектрального анализа сигнала в шумах, задается разностью абсолютных фаз выделенных гармоник эталонного и измерительного каналов, которые вычисляются соотношениями двух усредненных противоположных соседних отсчетов фаз сигнала в зависимости от длительности посегментной обработки. Результаты анализа, в виде фазовых портретов (рис. 24), демонстрируют эту зависимость.

- 26 Рис. 24. Фазовый портрет сигнала с длительностью посегментной обработки 1мс Посредством выражения Si посегментного амплитудного анализа, по методу Данелла, обрабатывается пакет длиной n1, который разбивается на n3 сегментов, результат n r j ( i 1) n представлен огибающей сигнала, где j=1,2…n;

n=n2f;

n2=n1/n3;

n3=50.

j Si n В качестве обнаружителя сигнала УДЗ с использованием амплитудных свойств используется известная процедура сравнения с порогом результата нахождения tН корреляционного интеграла вида P ( ) r (t )v(t )dt, где v(t ) – известная форма огибающей сигнала, r (t ) - огибающая обработанного сигнала с посегментным усреднением, t Н - интервал наблюдения.

На рис. 25 длительность сегмента обработки равна постоянной времени устройства дистанционного зондирования, а выделенный сигнал, с фазами в интервале 120- градусов, свидетельствует об утечке газа из МГ.

Рис. 25. Огибающая сигнала с посегментным усреднением длительностью 7,5мс Обработка сигнала с учетом фазовых свойств и корреляционная обработка результатов амплитудного анализа, позволили повысить вероятность обнаружения, а точнее вычисления, утечки газа из МГ с 50% до 80%.

В главе рассматриваются алгоритмы построения двух линейных регрессионных моделей основного метода калибровки технических средств локатора по стандартной методики ISO 11095 и процедура расчета калибровочных характеристик по РМГ 54-2002.

Данные алгоритмы в свою очередь были заложены в методику калибровки измерительной системы локатора и реализованы на базе программного продукта, позволяющего рассчитывать параметры различных калибровочных моделей, в том числе нижеследующих:

модель основного метода ISO с предложением о постоянстве среднеквадратичного отклонения (модель 1);

модель основного метода ISO с предложением о пропорциональности среднеквадратичного отклонения (модель 2);

алгоритм выбора метода усреднения оценок или наименьших квадратов для расчета калибровочных характеристик.

Главным показателем адекватности калибровочных характеристик в стандартных методиках является критерий Фишера. Каждая из перечисленных моделей предусматривает расчет данного критерия (Fрасч) и сравнение его с табличным значением (Fтабл), выбранным - 27 для N-2 и NK2-N степеней свободы (на основе дисперсионного анализа ANOVA) в соответствии с выражением:

Дисперсия " разброса средних значений ".

Fрасч Дисперсия " разброса внутри параллельных определений " Если полученное значение не превосходит заданное, неравенство Fрасч Fтабл (, N 2, NK 2 N ), где – требуемая вероятность, выполняется, то нет причин отказываться от полученной модели, т.е. на этом уровне надежности калибровочное уравнение адекватно и описывает исходные данные, в противном случае уравнение не адекватно, калибровочную функцию использовать нельзя, и следует искать другую калибровочную модель. Оптимальной считается та модель, у которой расчетное значение критерия Фишера наименьшее.

В четвертой главе описана геоинформационная система (ГИС) «Газ», используемая для осуществления непрерывного мониторинга, контроля, прогнозирования и управления ТС объектов ГТС в разрабатываемой телекоммуникационной системе с применением ТСС и реализованная на базе сервис - ориентированных технологий, которые являются наиболее перспективными, за счет реализации мобильных компонентов, повышающих степень распределенности и интеграции ГИС с другими информационными системами газотранспортной отрасли.

В работе представлена модель геоинформационной системы «Газ», основным назначением которой является, повышение эффективности мониторинга МГ для обеспечения длительной и безаварийной эксплуатации ГТС, в целях предотвращений аварий. На основе созданной модели уточняется функциональная схема системы (рис. 26), отображающая основные функциональные элементы ГИС, их взаимодействие, а также способы интеграции с другими информационными системами.

Рис. 26. Функциональная схема ГИС «Газ» Реализация системы ведется с использованием платформы MapInfo Professional представляющей богатый арсенал средств для подготовки и обработки ГИС-данных, централизованного ведения базы пространственных данных, оформления картографических проектов, организации удобного доступа к ним, включая Web-доступ.

Ядром системы является хранилище графических и алфавитно-цифровых данных.

Применяемая в качестве хранилища данных специализированная СУБД Microsoft SQL Server 2000 позволяет использовать систему для проектов любого масштаба, от локальных сетей до - 28 магистральных международных трубопроводов и совместно с возможностями используемой ГИС локализовать данные от уровня всей сети целиком, до отдельного сегмента, трубы или точки, с точностью определяемой используемым GPS оборудованием.

Система использует данные всех видов инспекционных проверок: космическое и авиационное патрулирование;

наземное инспектирование;

обследование внутритрубными снарядами и дефектоскопами;

исследование «закрытых потенциалов»;

катодное исследование и др.

ГИС «Газ» является системой настраиваемой под специфичные требования пользователя и организована в виде отдельных комплексов/подсистем, которые работают как совместно, реализуя свойство эмерджентности системы, так и независимо, решая частные задачи мониторинга, управления и контроля ТС объектов ГТС. Данная архитектура позволяет быстро осуществлять внедрение системы, адаптированной и соответствующей требованиям конкретного пользователя. Сами программные комплексы построены по модульному принципу, каждый из которых реализует свой функциональные возможности и основные задачи. Все комплексы взаимосвязаны между собой, посредством использования хранилища данных (рис. 27). Приведем характеристики основных подсистем.

Рис. 27. Принципиальная архитектура ГИС «Газ» Подсистема «Магистральный газопровод», является основой системы, позволяет просматривать, выбирать, размещать и структурировать все виды географических, пространственных и любых данных других, связанных с газопроводом, например:

топографическая информация (тип подстилающей поверхности, водные ресурсы, здания, линии электропередач, дороги и т.п.);

компоненты газопровода (класс, материал, диаметр, рабочее давление, способ изготовления);

тип газопровода (трубы, изгибы, стыки, отводы и т.п.);

временные характеристики (ввод в эксплуатацию, срок службы, аварии, ремонтные работы и т.п.);

способ прокладки, с уточняющими характеристиками (надземная, подземная, наземная, надводные, подводные);

оснастка газопровода (воздушные отметки, глубина залегания, обшивка, сварные швы и т.п.);

способ защиты от коррозии (тип изоляционных покрытий, производственный сертификат, ректификатор и т.п.) и другие данные.

Подсистема «Диагностика и мониторинг» предназначена для объединения различных данных по инспекционным проверкам газопровода и геоинформационной составляющей системы. Сочетание результатов исследований с возможностями пространственного анализа - 29 и линейной локализации позволяют с высокой точностью определить местоположение проблемного участка, а также выявить возможные утечки газа из МГ, что в свою очередь дает эксплуатирующим службам возможность управлять данной информацией. В результате система позволяет сопоставить результаты различных инспекций (космическое и авиационное патрулирование, наземное инспектирование, обследование внутритрубными снарядами и дефектоскопами и др.), проводимых обслуживающими организациями, тем самым повышая достоверность полученной информации и определяя возможные или предполагаемые проблемные зоны.

Составляющими компонентами данной подсистемы является комплекс программ (АРМ «Оператор ЛУГ», СОРД «Эксперт ЛУГ», ПК «Калибровка ЛУГ»), разработанный непосредственно для осуществления обработки и анализа результатов проведения вертолетных обследований на предмет выявления утечек газа из МГ УДЗ и принятия оперативного решения о присвоении категории выявленным утечкам газа из магистрали.

Подсистема «Угроза», объединяет в себе все задачи по отслеживанию и управлению сообщениями об ведущихся или планируемых работах по ремонту, угрозах, чрезвычайных ситуациях, вмешательстве третьих лиц. Предоставляется поддержка принятия решений при аварийных ситуациях, с возможностью оперативно реагировать в случае возникновения аварии на газопроводе, применяя все меры и средства для ее локализации. Основная цель данной подсистемы, сохранение целостности и безопасность газопровода.