Системный подход к управлению ликвидацией аварий на нефтепроводах Текст научной статьи по специальности «Математика»

Раздел 7

ЭКОЛОГИЯ. ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА И ГИГИЕНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Редакторы раздела:

АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ ПУЗАНОВ - доктор биологических наук, профессор, зам директора по научной работе Учреждения Российской академии Института водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН (г. Барнаул)

НИКОЛАЙ АЛЕКСЕЕВИЧ МЕШКОВ - доктор медицинских наук, профессор Научно-исследовательского института экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН, член Российской научной комиссии по радиационной защите (г. Москва)

УДК 51-74

Vragov A.V., Vragova E.V. SYSTEM APPROACH TO MANAGEMENT EMERGENCY RESPONSE ON THE PIPELINE. The paper analyzes the methodological problems of decomposition of the problem of identification characteristics of liquidation of the accident on the pipeline and conduct remediation on the basis of a comparison of technical and economic indices of different options for achieving regulatory state of the object management.

Key words: liquidation of the accident on the pipeline, management system, object state management.

А.В. Врагов, канд. тех. наук, генеральный директор ОАО «Запсибнипиагропром», Е.В. Врагова,

канд. тех. наук, зав. каф. системного анализа НФ ФАОУ ДПО ГАСИС, г. Москва, E-mail: [email protected]

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К УПРАВЛЕНИЮ ЛИКВИДАЦИЕЙ АВАРИЙ НА НЕФТЕПРОВОДАХ

В статье анализируются методологические проблемы декомпозиции задачи идентификационных характеристик системы ликвидации аварии на нефтепроводе и проведение рекультивационных работ на основе сопоставления технико-экономических показателей различных вариантов достижения нормативного состояния объекта управления.

Ключевые слова: ликвидации аварии на нефтепроводе, системы управления, состояние объекта управления.

В ряду наиболее острых проблем экологической безопасности ТЭК выделяются вопросы ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов и их последствий. Число аварийных ситуаций в последние годы закономерно увеличивается в связи со значительным возрастом трубопроводов и износом оборудования. Износ промысловых трубопроводов достигает около 80%. При крупных аварийных ситуациях размер разливов нефти и нефтепродуктов варьирует от нескольких тонн до десятков тысяч тонн. Аварийные разливы нефти на объектах ТЭК являются неизбежным фактором, а нефтедобыча, переработка и транспорт нефти являются экологически опасным производством. В последние годы для решения вопросов ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов и их последствий разработаны и применяются специальные технические средства и материалы; внедряются специальные технологии, а также осуществляется экологическое обучение специалистов нефтяных компаний. В настоящее время в этой области сформировался рынок услуг и осуществляется деятельность различных организаций и компаний, существующие как структурные подразделения нефтяных компаний, так и независимые от них.

Анализ исследований загрязненных экосистем, методов, способов и технологий работ по ликвидации аварийных разливов нефти позволяют характеризовать природно-техническую систему ликвидации аварийных разливов нефти как сложную систему, обладающую следующими свойствами.

1. Специфичность системы, обусловленная:

- особенностями технологического процесса ликвидации аварийных разливов нефти;

- учетом комплекса природных факторов при ликвидации аварийных разливов нефти;

- вероятностным характером возникновения аварий и связанной с ним системой организации, планирования, управления, согласования, регулирования в подразделениях аварийно-восстановительных служб нефтяных компаний;

- сложной системой федеральных, региональных, местных, меж- и внутриотраслевых законодательных нормативных актов, норм и нормативов, применяемых при ликвидации аварийных разливов нефти;

- многообразием и вариантностью применяемых стратегий, технологий, техники, квалификации персонала, вариантностью используемых экономических механизмов;

- разнообразием экологических условий в районах действия служб системы ликвидации аварийных разливов нефти.

2. Динамичность процессов - действия системы ликвидации направлены на ликвидацию последствий нефтеразливов, динамичных по своей природе.

Характер нефтеразливов имеет вероятностный характер и слабую предсказуемость на современном уровне прогнозирования. При организации работ по ликвидации аварийных разливов и их последствий важное значение в последние годы приобретают принципы экологизации технологий - мероприятия по предотвращению отрицательного воздействия производственных процессов на природную среду.

В этом плане нами выделены следующие основополагающие принципы экологизации технологий:

- экосовместимость технических средств и материалов;

- применение принципов экотехнологий с использованием потенциальной способности природной среды к самоочищению от аварийных разливов нефти;

- оптимальное материально-техническое обеспечение работ с применением мобильных комплексов технических средств и материалов;

- научное и методическое сопровождение работ по рекультивации нефтезагрязненных участков.

Кроме оптимизации самого процесса проведения рекульти-вационных работ (инновационно-методического) необходимо рассмотреть предпосылки совершенствования организационной структуры управления, методов управления, принципов управления и т.д.

Система управления в зависимости от объекта управления, кроме общих характеристик, может иметь специфичные, позволяющие идентифицировать ее по виду предметной области. Существуют такие объекты управления, как системы ликвидации аварии на нефтепроводе и проведение рекультивационных работ, которые принципиально отличаются от промышленных предприятий и каких-либо других организаций.

Основными видоопределяющими идентификационными характеристиками данной системы являются:

- случайный характер поступления и обслуживания заявок;

- зависимость количества отказов от срока, прошедшего с момента укладки труб и климатических условий;

- сложный технологический процесс рекультивационных работ.

Процесс моделирования надежных характеристик и оптимизации параметров управления должен осуществляться с учетом указанных идентификационных характеристик.

Наличие видоопределяющих идентификационных характеристик системы ликвидации аварии на нефтепроводе и проведение рекультивационных работ требует создания отдельного инструментария по совершенствованию системы управления,

,n I

использование которого позволит сократить расходы нефтяной компании и повысить эффективность управления.

Не смотря на заманчивую идею оптимизации всего жизненного цикла системы, востребованной на практике является задача совершенствования ее управления на стадии ликвидации аварии на нефтепроводе и проведение рекультивационных работ и даже на этой стадии совершенствование управления является сложной технической проблемой [1].

В основе современных подходов к ее решению выступает тип моделей и технологии математического моделирования больших систем.

Методологические проблемы математического моделирования и оптимизации больших систем рассмотрим в соответствии с рекомендациями работы [2; 3]. Согласно существующим представлениям основной идеей исследования таких задач являются методы декомпозиции или разбиения задачи большой размерности на совокупность отдельных (в общем случае взаимосвязанных) задач меньшей размерности. Если в структуре оптимизационной задачи выделяется п блоков условий, то при декомпозиции эта задача может быть разбита на п + 1 задачи оптимизации. При этом п задач объединяют условия исходной задачи, относящиеся к соответствующим блокам, а координирующая задача существенно зависит от характера межблочных (глобальных) ограничений. При этом в отдельных случаях координирующая задача может быть вырожденной. Можно привести примеры больших задач, в которых процедура координации может быть определена на эвристическом уровне исследования. Свойства и методы декомпозиции определяются структурой исходной п блочной задачи, среди которых базовыми являются:

- задачи большой размерности с аддитивно-блочной структурой;

- задачи оптимизации сетевой структуры;

- композиционно-блочные задачи оптимизации.

Рассмотрим методологические проблемы декомпозиции

задач указанных классов. Класс блочных задач аддитивной структуры в общем виде записывается так:

(1)

Е 8i (X)- В , (2)

/=1

где п - число блоков; - допустимое множество свободных переменных блока i ( = 1,..., П); f (xj) - часть

общей целевой функции задачи, относящаяся к i -му блоку. Множество Xi описывает блочные ограничения, выражение

(3)- межблочные связи. Отметим, что многие экстремальные задачи формально могут быть представлены выражениями (1)-(2). Приведем пример такого представления для обычной задачи линейного программирования:

{П П I

Е с1х1 /Е аих1 - Ь];у = 1,...,т;х1 > 0,i = 1,...,п |.

Эта задача может быть непосредственно интерпретирована как аддитивно-блочная задача с п блоками, однако лучше укрупнить блоки до N ^ п, в каждом из которых вектор Xе содержит те компонент. Введем множество

L = {1,... , п}. Разобьем Ь на N непересекающихся подмножеств Ь„ т.е. Ь П ь, = 0; иЬ, = Ь .

e=1

Введем обозначения:

С- = (с, І є 4 ), Xе = (хг, І Є 4 ), А]. = (ал, І Є 4 ); Тогда исходная задача может быть переписана в виде:

Еcexe /ЕAexe ^ bj;j = ^..^m;xeУ 0,e = 1,...,N

max < > c x

I e = 1 i = 1 J

Частным случаем (1)-(2) являются экстремальные задачи, в которых ограничение (3) отсутствует. Эти задачи называются простейшими (тривиальными) аддитивно-блочными. Простейшие блочные задачи непосредственно распадаются на n независимых подзадач, т.е. для них справедливо равенство

max і Е f (xi) / xє X, i=l, n г=Е max{f■ (xi) / xє X}

І

которое широко используется при декомпозиции блочных задач.

Идею декомпозиции экстремальных задач легко проиллюстрировать на примере декомпозиции простейших задач. Рассмотрим в качестве исходной простейшую блочную задачу:

f '* = max Е {fi (xi) / xi є Xi} . (4)

i=1

Согласно равенству (З), решение задачи (4) можно получить раздельным решением задач блоков: f = max f (xi ),i = ^.^ n , (5)

*

В данном случае задача согласования отсутствует. Пусть Xt - решение задачи (5), тогда:

р* ж 1 р* * / * * \

f =Е f ;x xn)

i=l , (6)

*

где X - решение исходной задачи.

Обобщением аддитивно-блочных задач являются композиционно блочные задачи следующей структуры: f = max{/(zl(xlft..^ f(zn(xn))/xt є Xt е Rm,i = І,..., n}; (7)

g(zl (xl),..., zn (xn))є G, (8)

где zt (x, ) - отображенные множества Xt в множество Zt, являющегося подмножеством mt - мерного евклидового пространства; G - произвольное не пустое множество, выделяющее допустимые значения вектор функции g; f (•) - скалярная функция.

В задаче (7)-(8) наглядно представлена специфика блочной структуры экстремальных задач. Здесь zt (x, ) -вектор переменных блока i , существенных с точки зрения системы в целом; Xt - вектор свободных переменных блока

i ; функция g(z) и множество G характеризуют общесистемные связи. В [4] приведены примеры декомпозиции задач

(7)-(8), которых координирующая задача вырождается. Наиболее характерным является случай, когда блоки исходной задачи описываются одной агрегированной переменной. Другим случаем вырождения координирующей задачи является возможность применения приближенной декомпозиции.

Следующий класс блочных задач образуется при оптимизации производственной сети, которая задается

элементами П о.Пі,..., П n играющими роль блоков; переменными Xjp, yie, описывающими связи блоков свободными переменными U,i = 1,..., n ; параметрами Щ и характеристическими множествами P,Qt . Эти множества задаются в следующем виде: P = {eje є {0,1,...,n}} - индексы блоков, с которыми блок j связан по выходу i = 0,1,..., n ; Qt = \P |pє{0,І,... , n}} - индекс блока, с которым блок i связан по выходу i = 0,1,..., n . Опишем элементы П, сети в следующем виде: П, = ^Xjp,p є Qt;ye,e є P;U{,Щ^ , где выходы ye блока i являются функцией входа, т.е. ye = Fie (xjp, p є Qt, П, ,Щ,), e є Pt,i = 1,..., n . Эта функция определена на произведении X xU, xQ, , где Xi = {xlp, P є Qi}.

Обозначим X, = (x,P,P є Qt),yt = (yip,P є P),i = 1,..., n - общие векторы входных и выходных

переменных. Описание элемента По отличается от выше приведенного тем, что вектор свободных переменных Uo в

соответствующих зависимостях отсутствует. Сетевая структура адекватно отражает условия оптимизации управления техническими подсистемами системы нефтепроводов. Эти связи установим в следующих разделах данной работы.

Задача оптимизации сети может ставиться различными способами. Пусть, например, заданы n функций pt (у,),

где Уj =(x,, Uj ,Щj, yj) и фиксированы векторы y,o, i є Po . Управление сети считается оптимальным, если выполнены условия:

у *=тах < Е (Ji0) ■- Е (vi) / мiе ; х, = ^Pi;,е б» г, (9)

1*в2о »=1 ]

где ^»о (У» о ) - функции, отражающие стоимость работ для нулевого блока.

Определение предметной области (объекта и субъекта управления)

Определение цели, задач и критериев функционирования ____________объекта и субъекта управления____________

Выбор фактического состояния объекта управления и его элементов

Определение характеристик фактического ______состояния объекта управления________

Определение и обоснование методов и средств достижения нормативного состояния Разработка сценариев задач определения основных параметров управления для рекультивации

і

Сопоставление экономичности различных вариантов достижения нормативного состояния т Разработка алгоритмов решения задач

Рис. 1. Схема оптимизации основных параметров управления ликвидации аварии на нефтепроводе и проведение рекультивационных работ

В задаче (9) целевая функция аддитивна (сепарабельна), имеются блочные и межблочные связи. Эту задачу можно было бы отнести к аддитивно-блочным, однако межблочные связи имеют специальный вид, и это обстоятельство является существенным при декомпозиции задач управления производственной сетью, которая принципиально не отличается от декомпозиции композиционно блочных и аддитивно блочных задач. В частных случаях можно провести декомпозицию этих задач с вырожденной координирующей задачей.

Оптимизация параметров управления техническим обслуживанием требует комплексного совместного исследования объекта и субъекта управления [5]. Анализ предметной области показывает, что исследования оптимизации параметров управления должно производится в следующих этапах (рис. 1):

1. Определение предметной области (объект и субъект управления);

2. Определение цели, задачи и критерий функционирования объекта и субъекта управления;

3. Выбор фактического состояния объекта управления и его элементов;

4. Определение характеристики фактического состояния объекта управления;

5. Определение и обоснование методов и этапов достижения нормативного состояния;

6. Сопоставление технико-экономических показателей различных вариантов достижения нормативного состояния объекта управления.

Рассмотрим проведение работ на каждом их этих этапов.

1. Определяется предметная область (объект и субъект управления). На этом этапе нефтепроводные сети с позиции технического обслуживания рассматриваются как отдельный объект управления, который находится под внутренними и внешними воздействиями и соответствующей управляющей системой. При этом управляющая система обеспечивает нормальное функционирование объекта управления и для этого располагает ресурсным, нормативным, правовым обеспечением и имеет аппарат управления, которые служат целям технической эксплуатации.

Системный подход позволяет рассматривать данную предметную область как совокупность взаимосвязанных элементов, выделяя их как составные части (элементы) системы. При этом функционирование объектов и субъекта управления рассматривается в организационно-экономическом и техническом аспектах.

Этим аспектам свойственны определенные показатели и характеристики взаимного функционирования объектов и субъектов управления. Выбранные показатели (количество) параметров управления должны обеспечить требуемый уровень надежностных характеристик объекта управления.

2. Определение цели, задачи и критериев функционирования объекта и субъекта управления. Цели, задачи и критерий функционирования объекта управления определяется на основе требований и указаний нормативных документов.

3. Выбор фактического состояния объекта управления и его элементов. На этом этапе фактическое состояние объекта управления также выбирается на основе правил технической эксплуатации.

4. Определение характеристики фактического состояния объекта управления. Основными характеристиками, определяющими фактическое состояние объекта управления являются: вероятность безотказной работы.

5. Определение и обоснование методов и этапов достижения нормативного состояния. На этом этапе, обосновывается выбор методов, необходимых для достижения нормативного состояния. Для разрешения выявленных проблем могут быть использованы организационно-экономические методы, технические и технологические решения, инновационные технологии на базе проведенных экспериментов и другие.

6. Сопоставление экономичности различных вариантов достижения нормативного состояния. На этом этапе обычно рассматриваются все возможные варианты достижения нормативного состояния и выбирается самый эффективный вариант.

Степень централизации ресурсов системы эксплуатации нефтепроводов определяется структурными и функциональными параметрами.

Библиографический список

1. Осипов, В.И. Природные катастрофы на рубеже XXI века // Вестник РАН. - 2001. - Т. - № 4.

2. Оптнер, С. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. - М., 1969.

3. Перегудов, Ф.И. Введение в системный анализ: учеб. пособие / Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко. - М., 1997.

4. Спицнадель, В.Н. Основы системного анализа: учеб. пособие. - СПб., 2000.

5. Врагова, Е.В. Сценарный подход к устойчивому развитию нефтегазового комплекса. - Новосибирск, 2011. Bibliography

1. Osipov, V.I. Prirodnihe katastrofih na rubezhe XXI veka // Vestnik RAN. - 2001. - T. - № 4.

2. Optner, S. Sistemnihyj analiz dlya resheniya delovihkh i promihshlennihkh problem. - M., 1969.

3. Peregudov, F.I. Vvedenie v sistemnihyj analiz: ucheb. posobie / F.I. Peregudov, F.P. Tarasenko. - M., 1997.

4. Spicnadelj, V.N. Osnovih sistemnogo analiza: ucheb. posobie. - SPb., 2000.

5. Vragova, E.V. Scenarnihyj podkhod k ustoyjchivomu razvitiyu neftegazovogo kompleksa. - Novosibirsk, 2011.

Статья поступила в редакцию 13.01.12

УДК: 635.21:631.529(571.151)

Opleukhin A.A., Streljcova T.A., Fedyunina M.V., Tazranova N.I., Obukhova I.V. DIFFERENT APPROACHES TO ASSESSING THE IMPACT OF ENVIRONMENTAL FACTORS IN MOUNTAIN AREAS ON VARIABILITY OF INTRODUCED CULTIVARS OF POTATO. An example of the integrated use of several statistical methods for analysis of ecological variety testing of potatoes for three years in areas with different altitudinal zones. In analyzing the methods used to assess the interaction of factors and all the variables, with subsequent evaluation of the variation of individual variable depending on environmental factors.

Key words: statistical processing, principal component analysis, testing of ecological.

А.А. Оплеухин, аспирант, E-mail: [email protected]; Т.А. Стрельцова, д-р биол. наук, проф.,

E-mail: [email protected]; М.В. Федюнина, аспирант, Горно-Алтайский государственный университет, г. Горно-Алтайск, E-mail: [email protected]; Н.И.Тазранова, аспирант; И.В.Обухова, аспирант,

Горно-Алтайский государственный университет, г. Горно-Алтайск, E-mail: [email protected]

РАЗЛИЧНЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ГОРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРИЗНАКОВ ИНТРОДУЦИРУЕМЫХ СОРТОВ КАРТОФЕЛЯ

Пример комплексного использования нескольких методов статистической обработки для анализа данных экологического сортоиспытания картофеля в течение трех лет в зонах различной высотной поясности. В процессе анализа использованы методы, позволяющие оценить взаимодействие факторов и всех признаков, с последующей оценкой вариации отдельных признаков в зависимости от факторов среды.

Ключевые слова: статистическая обработка данных, метод главных компонент, экологическое сортоиспытание, картофель.

Во многих странах мира картофель возделывается по интенсивной технологии, что связано с ограниченностью земельных ресурсов. Это приводит к негативным последствиям, связанным с нарушением естественной экологической системы. В условиях Горного Алтая на высокогорных безвирусных полигонах эти ограничения отсутствуют. Здесь имеются реальные возможности для полной реализации ценных генотипов картофеля и создания новых, без нарушения равновесия в окружающей среде. Но горные районы очень разнообразны по экологическим условиям и различные генотипы по-разному реализуют свой генетический потенциал, клоны изменяют количественные и качественные признаки.

Благоприятные почвенно-климатические условия и уникальность географического расположения Республики Алтай уже давно привлекают внимание исследователей. Однако отрывочность полученных результатов, отсутствие системного подхода и широкомасштабной программы не позволяли до сих пор решить проблему эффективного использования климатических ресурсов региона для производства дешевого и качественного картофеля. Республике Алтай необходимы адаптированные к условиям горных регионов сорта картофеля, своевременная сортосмена и сортообновление, поэтому вопрос об интродукции ино-районных сортов для возделывания в конкретных экологических нишах становится исключительно актуальным.

Применение статистической обработки при анализе экспериментального материала позволяет представить скрытые закономерности и связи количественно. Сделана попытка комплексного использования нескольких методов статистической обработки для анализа данных экологического сортоиспытания картофеля.

При оценке влияния факторов высокогорья можно использовать различные подходы: как простое наблюдение за изменением результатов, в зависимости от колебания условий, так и различные методы статистической обработки для упрощения работы с большим массивом данных. В нашей практике наиболее часто применяется два статистических метода: дисперсионный анализ, позволяющий оценить достоверность отличий между выборками для одного признака и для выявления силы влияния факторов, а так же метод главных компонент позволяющий определить влияние факторов на всю совокупность фиксируемых признаков.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

При проведении статистической обработки использованы экспериментальные данные, полученные в лаборатории экологической генетики и селекции растений ГАГУ [1-3].

В 1999-2001 годах было проведено экологическое сортоиспытание и генетический мониторинг 14 сортов картофеля в трех пунктах Горного Алтая разных по высотной поясности — в Майме (350м над уровнем моря), Чемале (630м) и Усть-Кане (1100м). Испытания проводились согласно «Методическим указаниям по экологическому сортоиспытанию картофеля» (1982), с использованием и других современных методик [4-10]. Полевые опыты размещались синхронно по вертикальной зональности (площадь делянок 7,5м, повторность 4-х - кратная, размещение рендоми-зированное).

Испытуемая коллекция включала генотипы 3-х групп спелости - ранние (Приекульский ранний, Корине, Новосибирский, Алмаатинский и Уральский сувенир); среднеранние (Невский, Огонек, Адретта, Свитанок киевский, Эскорт и Гибрид 89/18) и среднеспелые - Луговской, Ласунок и Символ. Фиксировались показатели: продуктивность (масса клубней, г/куст), число клубней с одного куста, крупность (средняя масса 1 клубня), высота стебля, число стеблей. Статистическая обработка была проведена при помощи модулей ППП STATISTICA: факторный анализ, главные компоненты и классификационный анализ, дисперсионный анализ; для построения графика распределения вариантов эксперимента в пространстве главных компонент использовался Microsoft Excel.

Таблица 1

Факторные нагрузки

Признаки (среднее на 1 куст) Фактор 1 Фактор 2

Масса клубней 0,912 0,075

Число клубней 0,290 0,929

Число стеблей 0,246 -0,121

Высота стеблей 0,838 0,062

Крупность (ср. масса 1 клубня) 0,409 -0,870