Использование задачи статического оценивания при технической диагностике с целью обеспечения безопасности функционирующих гидравлических систем

ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

УДК 614.8:69

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАДАЧИ СТАТИЧЕСКОГО ОЦЕНИВАНИЯ ПРИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ

С.А. Сазонова

Рассматриваются подходы к решению задач статического оценивания состояния гидравлических систем. Предлагается для определения вычисленного значения узлового потенциала применять универсальную модель потокораспределения на базе применения энергетического эквивалентирования. Практическое применение задачи статического оценивания состояния предполагается при выполнении технической диагностики функционирующих гидравлических систем. Рассматриваются дополнительные задачи, которые могут возникать в случае аварий гидравлических систем, комплексное решение которых необходимо для обеспечения надежности и безопасности функционирования объектов защиты.

Ключевые слова: гидравлические системы, статическое оценивание, математическое моделирование, безопасность, мониторинг технического состояния.

Введение. В инженерном смысле задача статического оценивания [1] является основополагающей при диагностике технического состояния функционирующих систем тепло-, водо-, газоснабжения. Результаты ее решения используются в задачах планирования [2, 3] и стабилизации режимов [4, 5], формирующих комплекс основных функций диспетчерских служб или автоматизированных систем управления рассматриваемыми объектами. Цель задачи оценивания сводится к определению быстро меняющихся параметров режима по результатам измерений, получаемых от имеющегося в наличии комплекса контрольно-измерительных приборов.

Подходы к решению задач оценивания состояния. Рассмотрим традиционные подходы к решению задачи оценивания [6]: метод взвешенных наименьших квадратов (МНК) и метод максимального правдоподобия, которые можно считать идентичными с точки зрения получаемых результатов, однако каждый из них обладает определенными преимуществами в зависимости от объема и качества исходных данных. Метод наименьших квадратов в общем случае требует меньше априорной информации о распределении

величин, для которых должны быть найдены оценки, однако получаемые оценки более обоснованы в статистическом смысле для метода максимального правдоподобия. При неудачно выбранном соотношении весов отдельных измерений МНК может дать существенное искажение результатов. Указанные различия подходов определяют их области использования. Если есть возможность получить информацию о функции распределения ошибок измерений, то целесообразнее применять метод максимального правдоподобия. В противном случае необходимо ориентироваться на метод наименьших квадратов. Применительно к гидравлическим

трубопроводным системам тепло-, водо- и газоснабжения, степень оснащенности контрольно-измерительными приборами которых относительно невысокая, а погрешность измерения может быть весьма существенной, предпочтение следует отдать методу взвешенных наименьших квадратов.

Целевая функция для решения задачи статического оценивания. С учетом возможного перечня измеряемых параметров режима целевая функция в МНК для решения задачи оценивания будет иметь вид

т in{F = Zjej - H] 2 eJ (q ^[q] - q] (^Q)2 +ZjeJ (Т)±[Т? - Tf (з&) ] 2

где H, q, T - узловой параметр (давление или напор, отбор, температура соответственно); верхние индексы «э» «в» - обозначают экспериментальное и вычисленное значение параметра; ] - элемент множества узлов расчетной схемы объекта; J(x), ^ ЕН,ц,Т) - подмножество узлов, оснащенных приборами для измерения соответствующего параметра; ц - весовая функция, задающая качество измерения. Обычно в качестве весовой функции при обработке экспериментальных данных используется

с элементами диагональных матриц:

дг = 81<2Г1о?ь1(Т1/тст),в1 = кпв¡¿г/(ср  а^),

где к - коэффициент теплопередачи между транспортируемой и окружающей средами; Ср -изобарная теплоемкость транспортируемой среды; в = Т ¿ — Т0 - средний температурный напор; Т1 -средняя температура транспортируемой среды в пределах участка, Т0 - температура окружающей среды); ТСТ - стандартная температура для приведения расхода к стандартным условиям; -фиксируемая температура потока, подаваемого от источника питания; д, д - сток от энергоузла к потребителю и приток от источника соответственно; а, в - коэффициент нелинейности при расходе и диаметре, зависящие от вида транспортируемой среды, материала труб и режима течения; Б, - диаметр трубопровода и его длина на участке /; нижние индексы в матрицах указывают на их размеры (число строк и столбцов соответственно), «», «/» - символы, обозначающие диагональную матрицу и матрицу-столбец, верхние индексы: «/» указывает на процедуру транспонирования; « » - помечаются фиксируемые узловые параметры, являющиеся исходными данными, то есть граничными условиями к решению задачи; С, К - матрицы смежности независимых цепей и контуров; А -матрица инциденций; - подматрицы матрицы инциденций участков и узлов с притоком и

величина, обратная среднеквадратической погрешности, устанавливаемой исходя из класса точности прибора (датчика) для измерения.

Универсальная модель

потокораспределения. Для определения вычисленного значения узлового потенциала необходимо привлекать математические модели анализа параметров режима [7, 8, 9]. Выберем среди известных моделей так называемую универсальную модель потокораспределения, имеющую следующий матричный вид:

оттоком от узла соответственно; размеры матриц смежности в (2)-(7): р - определяется числом энергоузлов с фиксируемым узловым потенциалом без единицы; г - цикломатическое число, устанавливаемое по соотношению Эйлера для плоских графов; m - число узлов с фиксируемым отбором; п - количество участков.

Типовая схема решения рассматриваемой задачи согласно [6] заключается в выборе совокупности искомых (оцениваемых) величин и выражении через них с помощью модели (2)-(7) измеряемых параметров. По полученным таким образом зависимостям из условия экстремума (1) составляется система нормальных уравнений, решение которой является искомым для поставленной задачи.

Очевидно, что для выражения расчетных параметров через искомые необходима явная форма зависимости, которая позволит из традиционных условий экстремума составить систему нормальных уравнений. Между тем конфигурация используемой модели

потокораспределения обеспечить выполнение этого условия не в состоянии, то есть возможно лишь численное решение. Поэтому традиционный подход к оцениванию в гидравлических системах на основе МНК, опирающийся на модель (2)-(7), возможен лишь в линеаризованном варианте, то есть в результате установления явной зависимости после разложения модели потокораспределения,

[СрХп] * [^n(d)] * [<2nXl] е X 1;

l^rXn\X n( d)] X [ QnX1 ] = [ 0 гX 1;

\AmXv\X\-QnXn\ = [<7mXn

[£n(d)]x{[ß„(d)]x[0nxl] + [^nXl]} = ~Kxm]X[Lx 1

[ÄmXn][Qn(d)]x[TnXl] ~ [A

mXn

AHi=siQ?,ieI,

например, в ряд Тейлора. Такой подход хотя и известен, но не может иметь широкое применение на практике, поскольку требует чрезмерно больших ресурсов вычислительной техники. Поэтому представляется перспективным поиск более удобных конфигурации математических моделей потокораспределения.

Комплексная задача обеспечения безопасности функционирования объектов защиты. Техническая диагностика выполняется для обеспечения надежности [10, 11] при функционировании гидравлических систем. Реализация поставленной задачи требует решения ряда дополнительных задач, обеспечивающих безопасность [12] таких сложных систем. Необходимо обеспечить требуемый уровень конструктивной надежности [13, 14] рассматриваемых систем, начиная со стадии проектирования и выбора современных материалов для изготовления конструкций [15, 16]. В случае возникновения аварий с выбросом опасных

Библиографический список

1. Сазонова С.А. Решение задачи статического оценивания систем газоснабжения / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 11. - С. 139-141.

2. Сазонова С.А. Комплекс прикладных задач в области проектирования, обеспечивающих безопасность функционирования гидравлических систем / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2015. - № 3 (16). - С. 30-35.

3. Сазонова С.А. Методы обоснования резервов проектируемых гидравлических систем при подключении устройств пожаротушения / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2015. - № 4 (17). - С. 22-26.

4. Сазонова С.А. Комплекс прикладных задач оперативного управления, обеспечивающих безопасность функционирования гидравлических систем / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2015. - № 2 (15). - С. 37-41.

5. Сазонова С.А. Обеспечение безопасности гидравлических систем при реализации задач управления функционированием и развитием / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. -2016. - № 1 (18). - С. 22-26.

6. Гамм А.З. Оценивание состояния в электроэнергетике / А.З. Гамм, Л.Н. Герасимов, И.И. Голуб. - М.: Наука, 1983. - 302 с.

7. Сазонова С.А. Модели оценки возмущенного состояния системы теплоснабжения / С.А. Сазонова // Инженерная физика. - 2010. - № 3 - С. 45-46.

8. Сазонова С.А. Обеспечение безопасности функционирования трубопроводных систем при реализации математических моделей на основе функционального эквивалентирования / С.А. Сазонова, В.Я. Манохин, М.В. Манохин // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2015. - № 2 (15). - С. 32-36.

9. Сазонова С.А. Математическое моделирование резервирования систем теплоснабжения в аварийных ситуациях / С.А. Сазонова // Известия

веществ [17] на объектах защиты необходимо решить комплексно целый ряд инженерных задач, таких как задачи по обеспечению безопасности труда [18] и экологические задачи [19, 20, 21]. По данному направлению актуальны также исследования, рассмотренные в работах [22, 23], необходимые для решения комплексных задач.

Выводы:

1. Обоснован подход к решению задач статического оценивания состояния гидравлических систем.

2. Выбраны целевая функция и универсальная модель потокораспределения для решения задачи статического оценивания состояния гидравлических систем.

3. Рассмотрены дополнительные задачи, которые могут возникать в случае аварий гидравлических систем, комплексное решение которых необходимо для обеспечения надежности и безопасности функционирования объектов защиты.

References

1. Sazonova S.A. Reshenie zadachi staticheskogo ocenivanija sistem gazosnabzhenija / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2011. - T. 7. - № 11. - S. 139-141.

2. Sazonova S.A. Kompleks prikladnyh zadach v oblasti proektirovanija, obespechivajushhih bezopasnost' funkcionirovanija gidravlicheskih sistem / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii. - 2015. - № 3 (16). - S. 30-35.

3. Sazonova S.A. Metody obosnovanija rezervov proektiruemyh gidravlicheskih sistem pri podkljuchenii ustrojstv pozharotushenija / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii. - 2015. - № 4 (17). - S. 22-26.

4. Sazonova S.A. Kompleks prikladnyh zadach operativnogo upravlenija, obespechivajushhih bezopasnost' funkcionirovanija gidravlicheskih sistem / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii. - 2015. - № 2 (15). - S. 37-41.

5. Sazonova S.A. Obespechenie bezopasnosti gidravlicheskih sistem pri realizacii zadach upravlenija funkcionirovaniem i razvitiem / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii. - 2016. - № 1 (18). - S. 22-26.

6. Gamm A.Z. Ocenivanie sostojanija v jelektrojenergetike / A.Z. Gamm, L.N. Gerasimov, I.I. Golub. -M.: Nauka, 1983. - 302 s.

7. Sazonova S.A. Modeli ocenki vozmushhennogo sostojanija sistemy teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Inzhenernaja fizika. - 2010. - № 3 - S. 45-46.

8. Sazonova S.A. Obespechenie bezopasnosti funkcionirovanija truboprovodnyh sistem pri realizacii matematicheskih modelej na osnove funkcional'nogo jekvivalentirovanija / S.A. Sazonova, V.Ja. Manohin, M.V. Manohin // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii. - 2015. - № 2 (15). - S. 32-36.

9. Sazonova S.A. Matematicheskoe modelirovanie rezervirovanija sistem teplosnabzhenija v

Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2015. - №4(34). - С. 440-448.

10. Сазонова С.А. Оценка надежности систем газоснабжения при проведении вычислительных экспериментов с ординарными отказами линейных элементов / С.А. Сазонова, В.Я. Манохин // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Серия: Высокие технологии. Экология. - Воронеж: ВГАСУ, 2015. - №1, - С. 138-147.

11. Надежность технических систем и техногенный риск: учебн. пособие / сост.: С.А. Сазонова, С.А. Колодяжный, Е.А. Сушко. - Воронеж: Изд-во Воронежский ГАСУ, 2013. - 148 с.

12. Колотушкин В.В. Безопасность жизнедеятельности при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений / В.В. Колотушкин, С.Д. Николенко. - Воронеж: ВГАСУ, 2014. - 194 с.

13. Николенко С.Д. К оценке надежности пневматической опалубки / С.Д. Николенко, В.Я. Манохин, А.С. Коптелова // Высокие технологии в экологии. Труды 10-ой Международной научно-практической конференции. - 2007. - С. 188-194.

14. Пат. № 2371555 Российская Федерация МПК7 Е 04 О 11/04. Сооружение, возведенное на несъемной пневматической опалубке / Николенко С.Д., Казаков Д.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ВГАСУ. - № 2008122797/03; заявл. 05.06.2008; опубл. 27.10.2009, бюл. № 30.

15. Николенко С.Д. Особенности технологических схем приготовления фибробетона / С.Д. Николенко, А.Н. Ткаченко, Д.В. Федулов // Актуальные проблемы современного строительства: Материалы Международной научно-технической конференции. - Пенза, 2007. - С. 320-323.

16. Ткаченко А.Н. Теоретическая оценка распределения фибр в дисперсно-армированных бетонах / А.Н. Ткаченко, С.Д. Николенко, Д.В. Федулов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - Воронеж: ВГАСУ, 2010. - №4. - С. 54-58.

17. Прогнозирование влияния выбросов аварийно химически опасных веществ на людей и экологию с программной реализацией / В.Л. Золотарев [и др.] // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология. - 2015. - № 1. - С. 8-16.

18. Сазонова С.А. Результаты вычислительного эксперимента по оценке условий труда операторов смесителей асфальтобетонных заводов / С.А. Сазонова [и др. ] // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. - 2016. - № 1 (12).

19. Иванова И.А. Анализ критериев экологической опасности на асфальтобетонных заводах / И.А. Иванова, С.А. Колодяжный, В.Я. Манохин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2009.-№ 3. - С. 125131.

20. Жидко Е.А. Совершенствование организации управления экологическими рисками промышленного предприятия / Е.А. Жидко, В.Я. Манохин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология. - 2010. - № 1. - С. 1317.

avarijnyh situacijah / S.A. Sazonova // Izvestija Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. - 2015. - №4(34). - S. 440448.

10. Sazonova S.A. Ocenka nadezhnosti sistem gazosnabzhenija pri provedenii vychislitel'nyh jeksperimentov s ordinarnymi otkazami linejnyh jelementov / S.A. Sazonova, V.Ja. Manohin // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo GASU. Serija: Vysokie tehnologii. Jekologija. - Voronezh: VGASU, 2015. -№1, - S. 138-147.

11. Nadezhnost' tehnicheskih sistem i tehnogennyj risk: uchebn. posobie / sost.: S.A. Sazonova, S.A. Kolodjazhnyj, E.A. Sushko. - Voronezh: Izd-vo Voronezhskij GASU, 2013. - 148 s.

12. Kolotushkin V.V. Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti pri stroitel'stve i jekspluatacii zdanij i sooruzhenij / V. V. Kolotushkin, S.D. Nikolenko. -Voronezh: VGASU, 2014. - 194 s.

13. Nikolenko S.D. K ocenke nadezhnosti pnevmaticheskoj opalubki / S.D. Nikolenko, V.Ja. Manohin, A.S. Koptelova // Vysokie tehnologii v jekologii. Trudy 10-oj Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. - 2007. - S. 188-194.

14. Pat. № 2371555 Rossijskaja Federacija MPK7 E 04 G 11/04. Sooruzhenie, vozvedennoe na nes 'emnoj pnevmaticheskoj opalubke / Nikolenko S.D., Kazakov D.A.; zajavitel' i patentoobladatel' GOU VPO VGASU. - № 2008122797/03; zajavl. 05.06.2008; opubl. 27.10.2009, bjul. № 30.

15. Nikolenko S.D. Osobennosti tehnologicheskih shem prigotovlenija fibrobetona / S.D. Nikolenko, A.N. Tkachenko, D.V. Fedulov // Aktual'nye problemy sovremennogo stroitel'stva: Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii. -Penza, 2007. - S. 320-323.

16. Tkachenko A.N. Teoreticheskaja ocenka raspredelenija fibr v dispersno-armirovannyh betonah / A.N. Tkachenko, S.D. Nikolenko, D.V. Fedulov // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura. - Voronezh: VGASU, 2010. - №4. - S. 5458.

17. Prognozirovanie vlijanija vybrosov avarijno himicheski opasnyh veshhestv na ljudej i jekologiju s programmnoj realizaciej / V.L. Zolotarev [i dr.] // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Serija: Vysokie tehnologii. Jekologija. - 2015. - № 1. - S. 8-16.

18. Sazonova S.A. Rezul'taty vychislitel'nogo jeksperimenta po ocenke uslovij truda operatorov smesitelej asfal'tobetonnyh zavodov / S.A. Sazonova [i dr.] // Modelirovanie, optimizacija i informacionnye tehnologii. - 2016. - № 1 (12).

19. Ivanova I.A. Analiz kriteriev jekologicheskoj opasnosti na asfal'tobetonnyh zavodah / I.A. Ivanova, S.A. Kolodjazhnyj, V.Ja. Manohin // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura. -2009.-№ 3. - S. 125-131.

20. Zhidko E.A.. Sovershenstvovanie organizacii upravlenija jekologicheskimi riskami promyshlennogo predprijatija / E.A. Zhidko, V.Ja. Manohin // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Serija: Vysokie tehnologii. Jekologija. - 2010. - № 1. - S. 13-17.

21. Nikolenko S.D. Vlijanie parametrov avtomobil'nyh dorog na jekologicheskuju bezopasnost' /

21. Николенко С.Д. Влияние параметров автомобильных дорог на экологическую безопасность / С.Д. Николенко // Научно-методическое обеспечение создания военной инфраструктуры вооруженных сил Российской Федерации. - Москва, 2009. - С. 229-236.

22. Жидко Е.А. Разработка математической модели рассеивания в приземном слое атмосферы частиц золы и технология ее утилизации в строительстве: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Е.А. Жидко. -Воронеж, 2002.

23. Геоэкологические факторы и нормы накопления твердых бытовых отходов / М.В. Манохин [и др.] // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2015. -№4(34). - С. 370-376.

S.D. Nikolenko // Nauchno-metodicheskoe obespechenie sozdanija voennoj infrastruktury vooruzhennyh sil Rossijskoj Federacii. - Moskva, 2009. - S. 229-236.

22. Zhidko E.A. Razrabotka matematicheskoj modeli rasseivanija v prizemnom sloe atmosfery chastic zoly i tehnologija ee utilizacii v stroitel'stve: dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk /E.A. Zhidko. - Voronezh, 2002.

23. Geojekologicheskie faktory i normy nakoplenija tverdyh bytovyh othodov /M. V. Manohin [i dr.]// Izvestija Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. - 2015. -№4(34). -S. 370-376.

USING THE OBJECTIVES OF STATIC EVALUATION IN TECHNICAL DIAGNOSTICS IN ORDER TO ENSURE SAFETY FUNCTIONING HYDRAULIC SYSTEMS

Approaches to solving the problems of static state estimation of hydraulic systems. It is proposed to determine the calculated value of the node potential to use a universal model offlow distribution on the basis of the use of energy equivalenting. Practical application of static state estimation problem is expected when performing technical diagnostics of functioning of hydraulic systems. We consider the additional problem that may arise in the event of an accident of hydraulic systems and components, which is necessary to ensure the reliability and safety of the protection of objects.

Keywords: hydraulic system, static assessment, mathematical modeling, security, technical condition monitoring.

Сазонова Светлана Анатольевна,

доцент, к.т.н.,

Воронежский государственный технический университет,

Россия, Воронеж;

e-mail: Sazonovappb @vgasu. vrn. ru

Sazonova S.A.,

Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof., Voronezh State Technical University, Russia, Voronezh,

e-mail: Sazonovappb @vgasu. vrn. ru

© Сазонова С.А., 2016