Обеспечение безопасности гидравлических систем при реализации задач управления функционированием и развитием

Вестник Воронежского института ГПС МЧС России

ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

УДК 614.8:69

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ И РАЗВИТИЕМ

С.А. Сазонова

Рассмотрены задачи математического моделирования гидравлических систем в областях управления функционированием и развитием. С целью обеспечения безопасности при проектировании и эксплуатации сформулированы приоритетные направления математического моделирования трубопроводных гидравлических систем.

Ключевые слова: промышленная безопасность, гидравлические системы, управление, математическое моделирование, развитие, функционирование.

Введение. Задачи моделирования гидравлических систем (ГС) обычно делят на две области: управления функционированием (эксплуатация) и управления их развитием (проектирование) [1]. В первой области реализуются задачи подготовки, обоснования, принятия и реализации решений по созданию новых и расширению существующих систем. Вторая область объединяет планирование производства целевого продукта, координацию деятельности сетевых предприятий и оперативно -диспетчерское управление работой ГС.

Поскольку ГС отождествляются со сложными системами [1, 2], для которых свойственна: иерархичность, информационная неопределенность, автономность, динамичность и т.д., то в последнее время стал широко использоваться системный подход к управлению, отличающийся комплексным анализом внутренних связей между отдельными элементами системы и внешнего взаимодействия ГС с окружающей средой. Системный подход устанавливает иерархический принцип не только структуры самих ГС, но и всего многообразия задач управления этими объектами. Вопросы построения иерархии задач проектирования и оперативного управления ГС разработаны в настоящее время далеко не полностью [3, 4], однако смысл рационализации этого процесса очевиден и заключается в уменьшении информационной неопределенности решения каждой задачи в отдельности, то есть в обеспечении корректности ее постановки и формализации.

Иерархия задач в области проектирования и оперативного управления ГС уже неоднократно исследовалась [1, 4]. В значительной мере уяснены постановки задач, принципы их увязки, вид необходимых математических моделей, однако эти представления существенно различаются, что обусловлено прежде всего субъективным характером состава задач. Конкретный вид иерархии должен изменяться по мере совершенствования структуры управления, улучшения параметров ЭВМ, создания автоматизированных систем и т.д. Иерархию задач можно рассматривать как своего рода методологическую декомпозицию некоторой обобщающей задачи, выражающей конечную цель управления в конкретной области, причем ее конфигурация должна не только учитывать взаимосвязь отдельных задач, но и четко устанавливать последовательность их решения.

Приоритетные направления математического моделирования трубопроводных гидравлических систем в областях управления функционированием и развитием. В виде тезисов сформулируем основные приоритетные направления математического моделирования трубопроводных гидравлических систем.

1. Из трех известных подходов к формированию эталонных математических моделей потокораспределения (на основе укрупнения разностных схем на графах, применения вариационных принципов механики и второго закона термодинамики) лишь первые два отвечают предъявляемым требованиям. Термодинамический подход в том виде, в котором он известен в настоящее время, пока не

23

Выпуск 1(18), 2016

может конкурировать с остальными, поскольку он преследует совершенно другие цели - получение конкретного решения, а не формирование математических моделей. Его теоретическая основа не вызывает сомнений, однако корректность ее применения требует дополнительных обоснований. Во всяком случае, данный подход находится пока в стадии становления.

В свою очередь, два первых подхода не могут считаться независимыми, поскольку основой укрупнения разностных схем на графах является уравнение движения Навье-Стокса, подлежащее численному интегрированию, в котором (исходя только из физического смысла) усматривается аналогия с уравнением Лагранжа для механических систем, если касательные составляющие сил трения считать заданными активными силами. С другой стороны, известно [5], что результатом применения вариационных принципов в гидромеханике является уравнение Эйлера, то есть оно представляет собой экстремаль, приводящую к стационарности (минимальности) энергетического функционала. Поскольку это уравнение есть частный случай уравнения Навье-Стокса (без учета трения), то при рассмотрении сугубо гидромеханических процессов оба подхода абсолютно равносильны с точки зрения теоретических представлений, и считать их альтернативными нет оснований.

В вычислительном плане от непосредственного (численного) интегрирования уравнений движения на каждом участке едва ли можно ожидать позитивных результатов в смысле улучшения их качества, поскольку эмпирические соотношения, основанные на обработке экспериментальных данных и определяющие недостающие переменные (активные силы) в рамках вариационных задач, могут быть получены практически с любой степенью точности.

Таким образом, вариационные принципы аналитической механики представляют собой наглядный, удобный и практически не уступающий в точности по сравнению с другими подходами механизм генерирования эталонных моделей для анализа гидравлических систем. Однако процедура их применения требует дальнейшего развития как с точки зрения выбора рациональной формы используемого принципа, так и в плане расширения спектра рассматриваемых процессов.

2. Для установленного понятия исследуемого фрагмента системы (ИФС) и совокупности известных форм граничных условий в составе краевых условий при решении любых задач анализа потокораспределения перечисленных форм оказывается недостаточно, если требуется декомпозиция этого фрагмента. Таким образом, необходимо качественно определить новую форму граничных условий, сформулировать принцип и разработать метод их генерирования.

3. Для преодоления проблемы размерности, определяемой порядком систем уравнений в соста-

ве математических моделей при исследовании больших энергетических систем пока известны и применяются три группы методов преобразования этих моделей, построенных на идеях эквиваленти-рования, диакоптики и кибернетического моделирования. Все три группы разработаны применительно к системам электроэнергетики. Их непосредственная адаптация к гидравлическим системам не всегда гарантирует позитивные результаты, а в некоторых случаях они вообще оказываются неприемлемыми в силу специфики исследуемых систем. Поэтому принципиально решить эту проблему размерности, то есть таким образом, чтобы на результат не влиял вид поставленной задачи, можно только на основе создания качественно новых методов преобразования исходных моделей.

4. Аналитический подход к формализации задач анализа потокораспределения, в основе которого постулируются только законы Кирхгофа, ограничен в возможностях, поскольку применим исключительно для стационарных и изотермических течений среды. Получаемые в рамках этого подхода математические модели не обладают универсальностью, так как подчинены условию замкнутости ИФС, позволяющему рассматривать систему как транспортную. В свою очередь, указанные ограничения препятствуют совершенствованию известных и созданию новых методов для решения ряда технически важных задач. Преодолеть эти ограничения можно в рамках и этого подхода, если для формирования моделей потокораспределения вместо законов Кирхгофа использовать их первооснову - вариационные принципы аналитической механики.

5. Для решения задач параметрической оптимизации известны два подхода: экстремальный и аналитический. Первый базируется на методе динамического программирования и его модификациях, основой которых является допущение об аддитивности целевой функции, справедливое исключительно для разветвленных систем. При переходе к многоконтурным системам в рамках этих методов приходится прибегать к не всегда однозначным алгоритмическим приемам так называемого «разрезания» и «склеивания» расчетных схем и т.д. В этом случае реализация условий экстремума, а в конечном итоге и самих методов динамического программирования требует дополнительных обоснований. В аналитическом подходе вышеуказанные проблемы не возникают, однако на современном уровне его развития не удается обеспечить всего многообразия технологических и режимных ограничений. Тем не менее, аналитический подход в отличие от экстремального допускает возможность дальнейшего развития на основе аппроксимационных преобразований математической модели и в этом смысле его можно считать более предпочтительным.

6. Использование в задачах анализа и синтеза комплексных критериев эффективности, часто

24

Вестник Воронежского института ГПС МЧС России

включающих конфликтующие свойства экономичности и надежности, считается основной причиной отказа от аналитического подхода к оптимизации в пользу эвристических процедур поиска решений. Обусловлено это тем, что совокупность применяемых критериев обычно не выражается в сопоставимых единицах, поскольку привлечение категории ущербов пока не обеспечено соответствующими техническими и социологическими исследованиями. Поэтому для исследуемых систем при любом подходе (в том числе и аналитическом) приоритетными остаются методы скалярной оптимизации (по критерию экономичности) с нормированием показателей надежности, которое формально адекватно учету соответствующих ограничений.

Для оценки показателя надежности проектируемых и функционирующих ГС традиционным является проведение обширного вычислительного эксперимента, включающего имитационные расчеты аварийных ситуаций в условиях ординарности отказов структурных элементов. В связи с этим актуальными становятся любые формы обобщения результатов такого эксперимента, что позволит избавиться от необходимости этих расчетов (вне зависимости от конфигурации системы и характера задач управления) и тем самым создать альтернативный механизм определения уровня надежности.

Для обеспечения требуемых уровней надежности в настоящее время ведутся исследования по созданию на базе методов динамического программирования работоспособных алгоритмов формирования резерва пропускной способности системы для аварийных ситуаций. Совершенно очевидно, что указанные выше недостатки этих методов скажутся и в данной области моделирования. Поэтому представляет интерес разработка аналогичных алгоритмов, но в рамках аналитического подхода.

7. Проблема несанкционированных отборов естественного и искусственного характера имеет ключевое значение при управлении функционирующими гидравлическими системами. Тем не менее, в настоящее время известные результаты исследований в этой области свидетельствуют, что ее решение ограничивается в лучшем случае идентификацией утечек, под которой подразумевается

Библиографический список

1. Беляев Л.С. Решение сложных оптимизационных задач в условиях неопределенности / Л.С. Беляев. - Новосибирск: Наука, 1978. - 128 с.

2. Мелентьев Л.А. Системные исследования в энергетике. Элементы теории, направления развития / Л.А. Мелентьев. - М.: Наука, 1983. -456 с.

3. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д., Дубровский В.В. Моделирование и оптимизация потокораспределения в инженерных сетях / А.Г. Евдокимов, А.Д. Тевяшев, В.В. Дубровский. - М.: Стройиздат, 1990. - 368 с.

4. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория

установление факта их существования, а также выделение от стохастической составляющей общего потребления. Качественно новым уровнем решения этой проблемы следует считать диагностику утечек, включающую одновременное определение их координат (точек приложения) и объемов. Развитие этого направления, и создание методов, в основе которых лежит статистическая обработка данных по манометрической съемке объекта представляется достаточно актуальной задачей.

Несмотря на многочисленные исследования в области теории и практики математического моделирования гидравлических трубопроводных систем, методологическая база решения ряда технически важных задач еще далека от завершения.

В работе [6] рассмотрена иерархия прикладных задач оперативного управления, обеспечивающих безопасность функционирования гидравлических систем. Решению прикладных задач управления функционированием ГС на основе применения энергетического эквивалентирования [7] посвящена работа [8]. На основе разработанных математических моделей потокораспределения [9, 10] возможно комплексное решение целого ряда прикладных задач для ГС: диагностика утечек, статического оценивания состояния, транспортное и структурное резервирование.

Рассмотренные задачи весьма разнообразны, все они направлены на обеспечение надежности и требуемого уровня безопасности [11, 12] ГС при их при проектировании, строительстве и эксплуатации. Поставленные задачи могут решаться комплексно с рядом сопутствующих задач. В качестве примера можно рассмотреть и оценить возникающие в результате аварий в ГС экономический ущерб [13] и экологические проблемы [14].

Выводы:

1. Рассмотрены задачи математического моделирования гидравлических систем в областях управления функционированием и развитием.

2. С целью обеспечения безопасности при проектировании и эксплуатации сформулированы приоритетные направления математического моделирования трубопроводных гидравлических систем.

References

1. Beljaev L.S. Reshenie slozhnyh optimizacionnyh zadach v uslovijah neopredelennosti / L.S. Beljaev. - Novosibirsk: Nauka, 1978. - 128 s.

2. Melent'ev L.A. Sistemnye issledovanija v jenergetike. Jelementy teorii, napravlenija razvitija / L.A. Melent'ev. - M.: Nauka, 1983. - 456 s.

3. Evdokimov A.G., Tevjashev A.D., Dubrovskij V.V. Modelirovanie i optimizacija potokoraspredelenija v inzhenernyh setjah / A.G. Evdokimov, A.D. Tevjashev, V.V. Dubrovskij. - M.: Strojizdat, 1990. - 368 s.

4. Merenkov A.P., Hasilev V.Ja. Teorija gidravlicheskih cepej / A.P. Merenkov, V.Ja. Hasilev.

25

Выпуск 1(18), 2016

гидравлических цепей / А.П. Меренков, В.Я. Ха-силев. - М.: Наука, 1985. - 278 с.

5. Полак Л.С. Вариационные принципы механики / Л.С. Полак // Вариационные принципы механики: Сб. статей под ред. Полака Л.С. -М.: Изд-во физ. мат. литер, 1959. - С. 781-879.

6. 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.

7. Квасов И.С. Анализ и параметрический синтез трубопроводных гидравлических систем на основе функционального эквивалентирования: автореф. дис. доктора технических наук: 05.13.16 / И.С. Квасов. - Воронеж, 1998. - 30 с.

8. Сазонова С.А. Решение прикладных задач управления функционированием системами теплоснабжения / С.А. Сазонова // Инженерные системы и сооружения. - 2013. - № 2 (11). - С. 59-63.

9. Сазонова С.А. Моделирование неустановившегося и установившегося потокораспределения систем теплоснабжения / С.А. Сазонова // Инженерные системы и сооружения. - 2013. -№ 1 (10). - С. 55-60.

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

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

12. Жидко Е.А., Попова Л.Г. Методологические основы обеспечения информационной безопасности инновационных объектов / Е.А. Жидко, Л.Г. Попова // Информация и безопасность. - 2012. - Т. 15. - № 3. - С. 369-376.

13. Барковская С.В., Жидко Е.А., Попова Л.Г. Высокие интеллектуальные технологии интегрированного менеджмента XXI века / С.В. Барковская, Е.А. Жидко, Л.Г. Попова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 9. - С. 28-32.

14. Прогнозирование влияния выбросов аварийно химически опасных веществ на людей и экологию с программной реализацией / В.Л. Золотарев, В.Я. Манохин, С.Д. Николенко, С.А. Сазонова // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология. - 2015. - № 1. - С. 8-16.

- M.: Nauka, 1985. - 278 s.

5. Polak L.S. Variacionnye principy mehaniki / L.S. Polak // Variacionnye principy mehaniki: Sb. statej pod red. Polaka L.S. - M.: Izd-vo fiz. mat. liter, 1959. - S. 781-879.

6. 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.

7. Kvasov I.S. Analiz i parametricheskij sintez truboprovodnyh gidravlicheskih sistem na osnove funkcional'nogo jekvivalentirovanija: avtoref. dis. doktora tehnicheskih nauk: 05.13.16 / I.S. Kvasov. -Voronezh, 1998. - 30 c.

8. Sazonova S.A. Reshenie prikladnyh zadach upravlenija funkcionirovaniem sistemami teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Inzhenernye sistemy i sooruzhenija. - 2013. - № 2 (11). - S. 59-63.

9. Sazonova S.A. Modelirovanie neustanovivshegosja i ustanovivshegosja potokoraspredelenija sistem teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Inzhenernye sistemy i sooruzhenija. -2013. - № 1 (10). - S. 55-60.

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

- S. 45-46.

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

12. Zhidko E.A., Popova L.G. Metodologicheskie osnovy obespechenija informacionnoj bezopasnosti innovacionnyh ob'ektov / E.A. Zhidko, L.G. Popova // Informacija i bezopasnost'. - 2012. - T. 15. - № 3. - S. 369-376.

13. Barkovskaja S.V., Zhidko E.A., Popova L.G. Vysokie intellektual'nye tehnologii integrirovannogo menedzhmenta HHI veka / S.V. Barkovskaja, E.A. Zhidko, L.G. Popova // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2010.

- T. 6. - № 9. - S. 28-32.

14. Prognozirovanie vlijanija vybrosov avarijno himicheski opasnyh veshhestv na ljudej i jekologiju s programmnoj realizaciej / V.L. Zolotarev, V.Ja. Manohin, S.D. Nikolenko, S.A. Sazonova // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Serija: Vysokie tehnologii. Jekologija. - 2015. - № 1. - S. 8-16.

26

Вестник Воронежского института ГПС МЧС России

SECURITY AT HYDRAULIC SYSTEMS IMPLEMENTING CONTROL TASKS OPERATION AND DEVELOPMENT

The article deals with the problem of mathematical modeling of hydraulic systems in the areas of operation and development. In order to ensure safety in the design and operation of the articulated priorities of mathematical modeling ofpipeline hydraulic systems.

Keywords: industrial safety, hydraulic system, control, mathematical modeling, development, operation.

Сазонова Светлана Анатольевна,

доцент, к.т.н.,

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,

Россия, Воронеж;

e-mail: Sazonovappb @vgasu. vrn. ru

Sazonova S.A.,

Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof.,

Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Voronezh,

e-mail: Sazonovappb @vgasu. vrn. ru

© Сазонова С.А., 2016 г.

27