Интерактивная автоматизированная система для проведения научных исследований, проектирования и обучения персонала эксплуатации электротехнических комплексов в нефтяной отрасли
INTERACTIVE AUTOMATED SYSTEM FOR THE CONDUCT OF RESEARCH, DESIGN AND STAFF TRAINING OF OPERATION OF ELECTROTECHNICAL COMPLEXES IN OIL INDUSTRY

Изобретение относится к автоматизированным учебно-тренировочным средствам обучения персонала научно-исследовательских институтов, проектных организаций и нефтегазодобывающих предприятий и может быть использовано для обучения проведению научных исследований, проектированию и эксплуатации электротехнических комплексов в нефтяной отрасли и контроля знаний по их эффективному и безопасному ведению работ.
Уровень техники
Известен автоматизированный стенд для обучения персонала по эксплуатации нефтепромыслового оборудования (патент РФ №2611275, дата публ. 21.02.2017, МПК G09B 19/00), содержащий интерактивное оборудование и действующее оборудование, размещенное на обучающем полигоне, оснащенном системой управления. Обучение первоначально производят на 3D-тренажере, выполненном в виде программного продукта, представляющего совокупность данных и команд, предназначенных для функционирования компьютерных устройств в целях получения определенного результата в виде описания работы и управления нефтепромысловым оборудованием, размещенным на 3D-тренажере, создающим виртуальную среду (аудиовизуальные отображения), имитирующую работу виртуального нефтепромыслового оборудования в реальных условиях под управлением обслуживающего его персонала.
При обучении работе с нефтепромысловым оборудованием виртуального 3D-тренажера осуществляют действия, необходимые для проведения обучения персонала и получения в последующем допуска для работы на действующем реальном нефтепромысловом оборудовании обучающего полигона.
Обучение персонала проведению работ на скважине производят с использованием запрограммированных средств автоматизации с использованием соответствующего оборудования, а также реализуют ситуации, связанные с неисправностью оборудования. При выполнении операций на 3D-тренажере на экране монитора прописывается анализируемая операция и, одновременно с этим, на изображении оборудования ярким цветом, например, красным, указывается, какие элементы оборудования должны быть проверены (или с каким оборудованием произвести действие, указанное на экране). Протокол с перечнем операций и процентом выполнения заданий высвечивается на мониторе преподавателя в режиме реального времени, после чего преподаватель оценивает уровень знаний обучаемого по выполнению данной операции.
Недостатком предлагаемого способа является то, что обучение производится только с целью улучшения качества обучения при подготовке специалистов для работы на нефтепромысловом оборудовании.
Известен способ автоматизированного обучения персонала морских нефтегазодобывающих платформ действиям в экстремальных и аварийных условиях (патент РФ №2455699, дата публ. 10.07.2012, МПК G09B 19/00), включающий использование компьютерной системы для формирования гибкого информационного пространства, снабженной базой знаний, предусматривающей систематизацию аварийных ситуаций и соответствующих им симптомов нарушений хода технологических процессов, устройством генерации аварийных ситуаций, устройством генерации симптомов, устройством оценивания знаний и навыков обучаемого в режимах тренировки и экзамена, устройством настройки пользователем параметров оценивания знаний и навыков обучаемого; устройством протоколирования тренировки, интерфейсом обучаемого с устройством генерации аварийной ситуации, с устройством генерации симптомов и с устройством оценивания, интерфейсом пользователя с базой знаний, с устройством оценивания и с устройством протоколирования тренировки, при этом гибкое информационное пространство формируют путем создания виртуальной среды, для которой синтезируют симптомы аварийной ситуации и предъявляют обучаемому, а затем, с целью обнаружения источника аварийной ситуации, предоставляют обучаемому средства взаимодействия с виртуальной средой для перемещения, одновременно предоставляют обучаемому возможность виртуального применения средств индивидуальной защиты и средств спасения, учитывая воздействия поражающих факторов аварии на виртуальную модель обучаемого, фиксируют каждое выполненное действие обучаемого устройством протоколирования, моделируют процесс развития аварийной ситуации и осуществляют адаптивное управление процессом обучения, оценивают своевременность и правильность последовательности принятия решений, причем предоставляют пользователю возможность выбора из базы данных подготовленных сценариев аварий и генерации для виртуальной среды места и параметров аварийной ситуации в произвольный момент времени.
Недостатком предлагаемого способа является то, что обучение персонала производится только с использованием виртуальной модели оборудования.
Известна автоматизированная система обучения (патент 2271040, дата опубл. 27.02.2006, МПК G09B 9/00, 19/00), в которой содержится:
- по крайней мере, один проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающего в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний обучающихся,
- информационные входы и выходы которого соединены со всеми элементами системы, согласно изобретению проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса выполнен в виде модуля вычислительной системы управления процессом обучения, снабженного программным обеспечением системы, а система дополнительно снабжена, по меньшей мере, тремя функциональными модулями, модулем группового обучения, модулем индивидуального обучения,
модулем процедурного тренажера, причем все модули системы выполнены автономными и соединены между собой коммуникационными связями, и своими информационными входами и выходами, при этом модуль вычислительной системы управления процессом обучения снабжен электронными блоками: обучающим блоком, технологическим блоком, ремонтным блоком, блоком электронной документации, контрольным блоком, блоком режимов, управляющим блоком, блоком тестирования, коммутационным блоком, каждый из которых имеет свои информационные входы и выходы.
Недостаток такой системы, принятой за прототип, состоит в том, что обучение проводят на конкретных сложных технических системах и, как следствие, при изменении конструкции сложной технической системы необходимо корректировать проблемно-ориентированный программно-технический комплекс, а также обучающийся не может смоделировать и провести исследования полученной модели системы.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является обеспечение эффективной профессиональной деятельности проектировщиков, эксплуатантов и повышение уровня, качества обучения, разработки и проверки новых конструкторских и технологических решений, стратегий управления, тестирования различных устройств, подключаемых к объекту управления.
Техническим результатом является повышение качества обучения специалистов за счет обеспечения возможности проведения научных исследований, проектирования и изучения конструкции и внутренних связей между составными частями оборудования в процессе обучения эксплуатации сложных технических систем.
Технический результат достигается тем, что создают интерактивную автоматизированную систему для проведения научных исследований, проектирования и обучения персонала эксплуатации электротехнических комплексов в нефтяной отрасли, выполненную в виде взаимосвязанных между собой базы данных, модуля научных исследований, блока принятия решений о результатах научного исследования, модуля проведения проектных работ, модуля обучения, блока интегральной оценки и принятия решений, блока визуализации итогового результата, каждый из которых имеет свои входы и выходы, при этом база данных, являющаяся входом интерактивной автоматизированной системы, связана с входом модуля научных исследований, выход из которого связан с входом модуля проведения проектных работ по электротехническому комплексу через блок принятия решений, при этом выход из модуля проведения проектных работ связан с входом модуля обучения, выход из которого связан с входом блока интегральной оценки и принятия решений, выход которого связан как с блоком визуализации итогового результата, так и с модулем обучения, при этом модуль научных исследований включает в себя блок приема-передачи данных и блок системы информационной поддержки управления, модуль проведения проектных работ включает в себя блок приема-передачи данных и блок моделирования режимов электроэнергетической системы, а модуль обучения включает в себя вычислительную систему обучения процессом и электронные блоки.
Указанный технический результат достигается также тем, что блок моделирования режимов электроэнергетической системы интерактивной автоматизированной системы для проведения научных исследований, проектирования и обучения персонала эксплуатации электротехнических комплексов в нефтяной отрасли включает
- блок хранения математических моделей, технологических регламентов, параметров и характеристик различных типов электрооборудования, в котором также установлены связи между элементами электротехнического комплекса;
- блок составления и редактирования моделей элементов и схем электротехнического комплекса;
-блок моделирования, обеспечивающий перевод математического описания модели в последовательность операций по моделированию различных режимов системы электротехнического комплекса и расчету параметров релейной защиты и автоматики;
-блок индикативного анализа и анализа комплекса мероприятий по обеспечению работоспособности;
-конвертер с системами мониторинга и диагностики, SCADA-системами, Smart/MicroGrid,
-блок отображения информации, обеспечивающий графическое отображение элементов спроектированной схемы, формирование отчетов, расчет межремонтных интервалов электрооборудования и определение видов обслуживания и материалов для них, при этом каждый из блоков имеет свои информационные входы и выходы,
при этом энергоинформационная модель является основой системы информационной поддержки управления.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежом. На Фиг. 1 изображена принципиальная блок-схема предлагаемого тренажера для проведения научных исследований, проектирования и обучения персонала эксплуатации электротехнических комплексов в нефтяной отрасли. На Фиг. 2 представлена структурная схема блока принятия решений о результатах научного исследования.
Осуществление изобретения
Интерактивная автоматизированная система для проведения научных исследований, проектирования и обучения персонала эксплуатации электротехнических комплексов в нефтяной отрасли (далее-система) содержит базу данных (БД) 1 математических моделей элементов электротехнического комплекса (ЭТК), являющуюся входом системы, а также содержит модуль 2 научных исследований, модуль 3 проведения проектных работ по ЭТК, модуль 4 обучения, блок 5 интегральной оценки и принятия решений и блок 6 визуализации итогового результата, являющийся выходом системы.
Модуль 2 научных исследований состоит из последовательно соединенных блока приема-передачи данных 7 и блока 8 системы информационной поддержки управления (СИПУ), выполняющего следующие процедуры:
1. Расчет энергоинформационной модели (ЭИМ) на основе расчета режимов электроэнергетической системы (ЭЭС.)
2. Формирование и ранжирование целей, которым должен удовлетворять
ЭТК.
3. Синхронизация ЭИМ с информационно-аналитическими системами, имеющимися на предприятии. Выгрузка данных из баз данных и справочников (методов измерения, приборов, параметров, типов оборудования) из информационно-аналитических систем.
4. Вычисление оптимального значения для каждого показателя. Вычисление границ для верхнего, среднего и нижнего уровней.
5. Расчет комплексной оценки эффективности по вариантам.
6. Расчет коэффициентов регрессии для функции, характеризующей степень соответствия текущего состояния ЭТК заданным целям.
7. Принятие решения (лицо, принимающее решение, ЛПР).
Модуль 3 проведения проектных работ по ЭТК состоит из последовательно соединенных блока приема-передачи данных 10 и блока моделирования 11 режимов электроэнергетической системы ЭТК на основе следующих вычислительных процедур:
1) формирования расчетной схемы ЭЭС, формирования клеточной матрицы структуры (инцидентности);
2) формирования уравнений структурных элементов. Перевод паспортных значений параметров элементов ЭТК в параметры схемы замещения ЭЭС; расчет номинальных, переходных и сверхпереходных параметров схем замещения;
б
3) установления базисного уровня напряжения U;
4) формирования вектор-столбца Н, определяющий воздействие на элемент, например, со стороны регулирования электрических параметров;
5) формирования блочной квазидиагональной матрицы проводимостей А, размерность которой зависит От системы координат, в которой моделируется структурный элемент, а также от того, полные это уравнения или упрощенные;
6) формирования уравнения узловых напряжений (УУН);
7) расчета токов в элементах системы ЭТК;
8) расчета параметров ЭТК предприятия;
9) перехода от приведенных значений параметров i-го элемента к реальным с расчетом действующих значений тока и напряжения.
Модуль 4 обучения, содержащий программно-технический комплекс, включающий вычислительную систему управления процессом обучения 12, и электронные блоки, включающие обучающий, исследовательский, проектирования блоки и блоки оформления электронной документации 13 для визуализации полученных параметров и представления результатов оценки, каждый из которых имеет свои информационные входы и выходы.
В блоке 9 проводят экспертную оценку полученных результатов научных исследований. В случае отрицательного результата (не выполнены полностью или частично условия технического задания (ТЗ) идет возврат в блок 1, где в базе данных, содержащих математические модели элементов ЭТК, выбираются новые модели элементов, на основании которых проводятся научные исследования, анализируемые экспертами. В случае получения положительного результата (выполнены условия ТЗ), на основании проведенных научных исследований проводятся проектные работы.
Работу в интерактивной автоматизированной системе осуществляют следующим образом. Обучаемому выдают техническое задание (ТЗ), согласно которому он из базы данных 1 математических моделей элементов ЭТК, содержащих исходные данные об исследуемых объектах, включая режимы электроэнергетической системы, технические характеристики, показатели надежности и другие аспекты, выбирает исходные данные для моделирования ЭТК.
Данная информация поступает в модуль 2 проведения научных исследований (НИ), в основе которого лежит СИПУ. В блоке производят моделирование режимов электроэнергетической системы (ЭЭС) ЭТК на основе следующих вычислительных процедур:
1. формирования расчетной схемы ЭЭС, формирования клеточной матрицы структуры (инцидентности);
2. формирования уравнений структурных элементов. Перевод паспортных значений параметров элементов ЭТК в параметры схемы замещения ЭЭС; расчет номинальных, переходных и сверхпереходных параметров схем замещения;
б
3. установления базисного уровня напряжения U,
4. формирования вектор-столбца Н, определяющего воздействие на элемент, например, со стороны регулирования электрических параметров;
5. формирования блочной квазидиагональной матрицы проводимостей А, размерность которой зависит от системы координат, в которой моделируется структурный элемент, а также от того, полные это уравнения или упрощенные;
6. формирования уравнения узловых напряжений (УУН);
7. расчета токов в элементах системы ЭТК;
8. расчета параметров ЭТК предприятия;
9. перехода от приведенных значений параметров /-го элемента к реальным с расчетом действующих значений тока и напряжения.
По результатам научных исследований обучающий принимает решение (блок 9):
- при отрицательном результате он делает возврат в базу данных 1 для выбора новых моделей элементов,
- при положительном решении он направляет информацию в модуль 3 проведения проектных работ ЭТК.
Модуль 3 содержит блок приема-передачи данных 10 и блок моделирования режимов электроэнергетической системы ЭТК 11, который включает в себя (Фиг. 2): блок 14, который обеспечивает хранение математических моделей, технологических регламентов, параметров и характеристик различных типов электрооборудования (ЭО), в котором также установлены связи между элементами ЭТК 1; блок редактирования 15, который обеспечивает составление и редактирование моделей элементов и схем ЭТК; блок моделирования 16, который обеспечивает перевод математического описания модели в последовательность операций по моделированию различных режимов системы ЭТК и расчету параметров релейной защиты и автоматики; блок 17 индикативного анализа и анализа комплекса мероприятий по обеспечению работоспособности ЭТК; конвертер 18 с системами мониторинга и диагностики, SCADA-системами, Smart/MicroGrid, развернутыми на предприятии; блок 19 отображения информации, обеспечивающий графическое отображение элементов спроектированной схемы, формирование отчетов, расчет межремонтных интервалов ЭО и определение видов обслуживания и материалов для них. Каждый из блоков имеет свои информационные входы и выходы. Вид обслуживания представлен упорядоченным набором типов действий, определяющим проведение комплекса ТОиР для какого-либо элемента ЭТК.
Информация с блока 19 отображения информации и представления результатов обработки данных конструкции ЭТК модуля 3 передается на вход модуля обучения 4.
Модуль обучения 4 содержит программно-технический комплекс, включающий вычислительную систему управления процессом обучения 12, и электронные блоки, включающие обучающий, исследовательский, проектирования блоки и блоки оформления электронной документации 13, для визуализации полученных параметров и представления результатов оценки, каждый из которых имеет свои информационные входы и выходы.
В блоке 5 интегральной оценки и принятия решений проводят оценку параметрических и физических свойств электротехнических комплексов и сравнение их с полученными в результате научных исследований разработанной модели, по результатам которой следует:
- при положительном решении информацию передают в блок 6 для оформления визуализаци итогового результата,
- при отрицательном решении идет возврат к модулю 4 для уточнения уровня знаний обучаемого и тем самым корректировки процесса обучения.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит достичь требуемого качества обучения за счет включения в интерактивную автоматизированную систему обучения (ИСАО) модулей научных исследований, проектных работ и обучения, позволяющих изучать конструкцию и внутренние связи между составными частями ЭТК, а также обеспечивать развитие навыков по проведению научных исследований, проектирования и, как результат, обучение всей стадии разработки ЭТК.