УДК 681.51: 622.276.55 – 048.34

Ягубов З. Х., Ягубов Э. З., Шичев П. С., Филиппов Д. Д.
К вопросу оптимизации информационно-управляющей системы нефтяной шахты

К вопросу оптимизации информационно-управляющей системы нефтяной шахты

On the issue of optimization of information-management system of oil mines

З. Х. Ягубов, Э. З. Ягубов, П. С. Шичёв, Д. Д. Филиппов

Z. H. Yagubov, E. Z. Yagubov, P. S. Shichev, D. D. Filippov

Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта

Ukhta State Technical University,
Ukhta

В работе авторами рассматривается вопрос обеспечения эффективного функционирования информационно-измерительных и управляющих систем предприятий на примере нефтяной шахты, являющейся объектом с рассредоточенными параметрами технологического процесса. Общую эффективность работы информационно-управляющей системы предлагается оценивать с помощью реального интегрального полезного эффекта, зависящего от величины интегрального полезного эффекта за все время функционирования системы, а также от величин стоимостных расходов на создание и эксплуатацию системы и интегральных стоимостных потерь от неидеальности средств контроля и управления. В свою очередь задача оптимизации системы сводится к минимизации величин стоимостных расходов и потерь, что обеспечивает положительный рост значения реального интегрального полезного эффекта от функционирования информационно-управляющей системы предприятия.

In this paper the authors deals with the effective functioning of information and measurement and control systems on the example of the oil companies of the mine, which is the object with distributed parameters of the process. The overall efficiency of the information management system is proposed to estimate using real integral beneficial effects, depending on the value of the integral beneficial effect for the time of operation of the system, as well as the values of cost expenditure on establishment and operation of the system and the integral cost of losses from non-ideal tools for monitoring and control. In turn, the problem of optimization of the system is reduced to minimize the quantities of cost expenditure and losses, which ensures positive growth of real value integral beneficial effect on the functioning of the management information system of the enterprise.

Ключевые слова: информационно-управляющая система, помехоустойчивость, надёжность, информационный канал, интегральный полезный эффект.

Key words: information-control system, noise immunity, reliability, information channel, integral beneficial effect.

Правильный выбор параметров информационно-управляющей системы подземного нефтепромысла должен базироваться на объективном критерии оценки эффективности.

Поскольку основными задачами функционирования комплекса технических средств является сбор, передача, обработка, отображение и выдача информации, т. е. различные фазы её преобразования, то для каждой подсистемы этого комплекса желательно сформулировать общий критерий оценки качества функционирования всей системы.

В большинстве исследований, посвящённых проблеме оптимизации информационных систем, вопросы оптимизации отдельных параметров (скорости передачи информации, помехоустойчивости, надёжности) рассматриваются в отрыве от экономических факторов, связанных с построением и эксплуатацией системы. Главным при построении АСУ является некоторая цель, реализация которой в процессе создания и эксплуатации системы позволяет получить определённый экономический эффект. Согласно критерий оценки эффективности информационно-управляющих систем не может определяться в отрыве от конечного назначения добываемой, передаваемой и перерабатываемой информации. Предполагается, что информация как непременный элемент построения моделей какого-либо объекта и процесса управления имеет определённую стоимость и ценность [1].

Стоимость информации определяется затратами энергии, материалов, труда и т. д., связанными с получением информации. Все эти затраты в конечном счёте можно свести к затратам человеческого труда в стоимостном выражении.

Ценность информации измеряется экономией материальных, энергетических и трудовых затрат при использовании информации для достижения определённой цели.

Обобщённым критерием выбора оптимального варианта построения информационно-управляющей системы является минимизация суммы затрат на добывание информации и потерь от её несовершенства этой системы и недостаточного количества аппаратурных средств. Этот критерий является обобщённым и может определяться для всего периода существования системы (её жизни) или приводиться к определённому достаточно продолжительному периоду (например, к 1 году).

Количество, качество и дислокации следящих за состоянием рассредоточенного объекта источников информации являются определяющими факторами эффективного управления. Однако чрезмерное увеличение плотности и качественных показателей технических средств источников информации влечёт за собой неоправданное повышение расходов на информационную систему.

Рассмотрим на примере нефтяной шахты практическую реализацию методики определения условия оптимизации информационно-управляющей системы (ИУС) в зависимости от различных компонентов системы. Обозначим E0 интегральный полезный эффект за все время функционирования (или приведённый к определённому интервалу времени, например, к 1 году), получаемый нефтешахтным управлением при использовании ИУС с идеальными качественными показателями, структурой и алгоритмами (с нулевой стоимостью, бесконечной скоростью передачи и переработки информации и полным отсутствием в ней ошибок). Если учитывать такие качественные показатели аппаратуры, как вес и габариты (что особенно важно для объектов подземных промыслов), то идеальная аппаратура должна иметь нулевой вес и точечный объем.

Обозначим E{Si} – интегральный полезный эффект от функционирования реальной ИУС с определёнными значениями множества качественных показателей {Si}, i = 1,7. Отсюда следует, что чем меньше этих параметров, тем ближе к совершенству использованная информационная система. Очевидно, что при эксплуатации необходимо стремиться к совершенствованию системы, т. е. к минимизации выражения:

[E0 – E({Si})] → min.    (1)

Для определения интегрального полезного эффекта от функционирования реальной ИУС введём следующие обозначения:

– затраты на создание и эксплуатацию технических средств информационно-управляющей системы в шахте (стоимостные расходы);

– интегральные стоимостные потери от неидеальности (ввиду наличия ошибок) средств контроля и управления.

Тогда реальный интегральный полезный эффект, получаемый от ИУС, можно определить соотношением:

        (2)

Функция оптимизации приводится к следующему виду:

СИ(n,{PОШ},{S}, B) + CШ(n,{PОШ},{S}, B) → min     (3)

где    СИстоимость информационной системы;
CШоценка возможных потерь производства от некачественности каналов и аппаратуры;
n – количество датчиков;
{S} – множество качественных показателей;
{PОШ} – характеристика достоверности;
B – скорость передачи информации.

Приведённая функция даёт возможность подобрать число измерителей и информационных каналов, их точность для данного производства и надёжность с таким условием, чтобы минимизировать сумму.

С помощью выбора оптимального варианта насыщенности, дислокации и качественных показателей источников контрольной информации значение этого выражения можно свести к минимуму.

Блок-схема алгоритма оптимизации ИУС шахты представлена на рис. 1.

Определение в формуле не представляет трудности. Оно в первую очередь зависит от решения задачи определения насыщенности и дислокации измерителей, т. е. от количества средств контроля, передачи информации и управления.


Рисунок 1. Блок-схема алгоритма оптимизации ИУС шахты

Зависимости в стоимостном выражении от качественных показателей ИУС могут быть получены:

1) методом непосредственного эксперимента на исследуемой системе с использованием накопленных эксплуатационных статистических данных по эффективности функционирования обслуживаемой системы при естественных или искусственных измерениях различных показателей ИУС;

2) методом статистического моделирования на ЭВМ функционирования обслуживаемой системы при разных значениях показателей ИУС. Для определения расходов информация подвергается воздействию ошибок, сравнивается с истинной и анализируются экономические последствия от появления ошибок [2].

Ошибка в любом элементе приводит к увеличению потерь, т. е. увеличивается .

Так, например, вследствие ошибки показания измерительного устройства (определяемая погрешность датчика метана) может ошибочно сработать аварийная сигнализация. Это ложная сигнализация поступает в корректирующее устройство. Увеличивается мощность вентилятора, что приводит к потере дополнительной электрической или пневматической энергии (пневматическая энергия необходима для вентиляторов местного проветривания). Кроме того, работа на данном участке приостанавливается, люди выводятся на участки со свежей струёй воздуха и только после ликвидации данной «аварийной» ситуации опять продолжается работа. Отсюда следует, что стоимость электроэнергии и потерянного рабочего времени необходимо предусмотреть при определении потерь из-за неидеальности ИУС. Ущерб зависит от параметров аппаратуры и может быть подсчитан в стоимостных оценках .

Аналогичные потери могут возникнуть из-за несовершенства любого другого элемента рассмотренной функциональной схемы. Из-за наличия ошибки в системе связи или из-за воздействия помех в информационную систему может поступить ложная информация о взрывоопасной концентрации метана на данном участке шахты.

Другой вариант возможен, когда из-за несовершенства датчика или канала связи информация о взрывоопасной концентрации метана на поступает в корректирующее устройство и скопление метана может создать аварийную ситуацию. Это приводит к опасности уничтожения аппаратуры, материальных ценностей, но самое главное – угрожает жизни обслуживающего персонала. Кроме того, это вызывает обвал на рассмотренном участке шахты, для ликвидации последствий которого требуется определённое время. Потери рабочего времени, оплата по листу нетрудоспособности учитываются в виде .

Вместе с тем обвал вызывает помехи передачи информации о состоянии другого участка, т. е. при обвале изменяются свойства среды, по которой передаётся информация. Это вносит погрешность при передаче информации вдоль горных выработок в виде мультипликативных помех. В течение таких периодов информация может вообще теряться, и значительно возрастает вероятность ошибки. Из-за изменения свойства среды отношение сигнал/помехи может достигать минимального значения, и не рассчитанная на такой случай избирательность радиоприёмного устройства не позволяет выделять сигнал из помех. Как ошибки, так и прерывание информационной связи из-за ненадежности функционирования приводят к ошибкам при управлении концентрацией метана. В конечном итоге это сводится к излишним затратам (потерям) общественно-полезного труда. Снижения стоимости потерь можно добиться повышением точности и помехоустойчивости переданной информации с применением различных методов, реализация которых требует определённых затрат.

В случае длительных перерывов связи, вызванных полным отказом каналов, при отсутствии возможности передачи информации другими средствами вероятность ошибки Рош =0,5.

Для получения требуемой помехоустойчивости или надёжности применяются многократное повторение однотипных сигналов, т. е. используют устройства повторной передачи информации. Чтобы принимаемые сообщения на общем диспетчерском пункте точно соответствовали передаваемым, необходимо обеспечить фазирование преобразовательно-распределительных узлов, для чего можно использовать устройства фазирования циклов.

В обоих случаях значительно уменьшается вероятность ошибки, но это вызывает усложнение аппаратуры, в связи с чем возрастают затраты на создание и функционирование помехоустойчивой системы.

Ущерб от ошибки измерителя {Риз}, информационного канала ({Ри.к}) и регулирующего устройства ({Рр.у.}) приведённый к одному году по средним потерям, в стоимостном выражении обозначаем С({Р′из}, {Ри.к.}, {Рр.у}). Из-за инерционности датчика метана происходит запаздывание информации на время Δτ. Потери от запаздывания составляют (Δτ).

Учитываем влияние параметров надёжности шахтной аппаратуры в виде расходов на соответствующие потоки отказов ({О′из}, {Ои.к.}, {Ор.у}) внесением дополнительного составляющего в выражении потерь:

({Р′из}, {Ри.к.}, {Рр.у }, {О′из}, {Ои.к.}, {Ор.у }, Δτ)

Затраты на достижение требуемых значений качественных показателей {Р′из}, {Ри.к.}, {Рр.у}, {О′из}, {Ои.к.}, {Ор.у} могут учитываться соответствующими приведёнными к одному году расходами:

({Р′из}, {Ри.к.}, {Рр.у}, {О′из}, {Ои.к.}, {Ор.у})

или

({Р′из}, {Ри.к.}, {Рр.у}, С{О′из}, С{Ои.к.}, С{Ор.у}).

Отметим, что недостаточное число измерителей (датчиков метана) не позволяет получить реальную информацию о концентрации метана на всех участках шахты, потери которых обозначим .

На основании изложенного общую формулу для определения потерь от неидеальности измерителя, информационного канала и регулирующего устройства в стоимостном выражении запишем в следующем виде:

(n,{Р′из}, {Ри.к.}, {Рр.у }, {О′из}, {Ои.к.}, {Ор.у }, Δτ).

Тогда условие совершенствования системы записываем так:

(n,{Р′из}, {Ри.к.}, {Рр.у }, {О′из}, {Ои.к.},
{Ор.у }) + (n,{Р′из}, {Ри.к.}, {Рр.у },
    C{О′из}, C{Ои.к.}, C{Ор.у }, Δτ) → min.    (4)

Минимизация данного выражения позволяет увеличить интегральный полезней эффект от функционирования реальной информационно-управляющей системы нефтяных шахт [3].

Статья поступила в редакцию: 28.12.2015

Список литературы

1. Валиев Т. А., Ягубов З. Х. К вопросу об оптимизации информационных систем // Теория информационных систем устройств с распределительными параметрами. Уфа, 1974.

2. Валиев Т. А. Опыт использования системного подхода при оптимизации СПД // Вопросы кибернетики. 1980. Надёжность информационного обмена в вычислительных сетях / Под ред. С. И. Самойленко. М., 1980.

3. Ягубов З. Х. Оптимизация параметров технических средств систем контроля и управления при шахтной добыче нефти. СПб., 1994. 168 с.

List of references

1. Valiev, T. A, Yagubov, Z. H., «To a question about the optimization of information systems,» Theory of information systems device with the distribution parameters. Ufa, 1974.

2. Valiev, T. A., «The experience of using a system approach when optimizing SAP,»
Problems of Cybernetics, Reliability data exchange in computer networks, ed. Samojlenko S. I., Moscow, 1980.

3. Yagubov, Z. H. Parameter optimization hardware monitoring and control systems in the mine oil, SPb., 1994, 168 p.

VN:F [1.9.17_1161]
Rating: 0.0/10 (0 votes cast)
VN:F [1.9.17_1161]
Rating: 0 (from 0 votes)
VN:F [1.9.17_1161]
Стиль изложения
Информативность
Сложность вопроса
Научная новизна
Коммерциализуемость
Rating: 0.0/5 (0 votes cast)