№ 1 ЕДИНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ СООТВЕТСТВИЯ Безопасность Труда в Промышленности Единая система оценки соответствия УДК 519.6+622.691.4 © В.Е. Селезнев, 2007 НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В.Е. СЕЛЕЗНЕВ, проф., д-р техн. наук (ЗАО «Физико-технический центр») П редупреждение аварийных ситуаций и эффективное управление промышленными трубопроводными системами топливно-энергетического комплекса (ТЭК) — актуальные задачи устойчивого развития промышленности в XXI в. В свете поставленных проблем качественное обучение специалистов трубопроводного транспорта навыкам оптимальной и безаварийной эксплуатации трубопроводных сетей служит одним из наиболее важных инструментов повышения промышленной безопасности энергетических объектов и снижения затрат на их функционирование. Быстрый и эффективный процесс обучения может быть построен на базе широкого использования компьютерных тренажерных комплексов. Создание тренажеров и компьютерных обучающих систем для обеспечения промышленной безопасности функционирования магистральных и промысловых трубопроводов выделено Ростехнадзором в качестве одной из приоритетных задач развития российских добывающих отраслей промышленности [1]. В отечественной научно-технической литературе методы построения и использования компьютерных тренажеров для обучения специалистов трубопроводного транспорта рассматриваются с конца XX в. Здесь следует отметить работу [2], которая по своей сути является одним из первых систематизированных описаний постановки проблемы и путей ее решения применительно к задачам диспетчеризации трубопроводных сетей газотранспортных предприятий. Основой для построения и эксплуатации компьютерных тренажеров служит системный анализ. Он предусматривает комплексные исследования не только газотранспортной сети (ГТС) как объекта управления, но и системы обучения, что означает определение целей и критериев образовательного процесса. Основная задача преподавателя в этом случае сводится к поддержанию познавательной активности обучающегося и организации совместной творческой работы [2]. Парк существующих для этих целей тренажерных комплексов довольно многогранен. Здесь можно выделить универсальные и специализированные тренажеры с виртуальными или реальными аппаратными интерфейсами пользователя. Различают два обобщенных типа тренажеров [2]: полномасштабные, отображаюwww.safety.ru 24 щие реальную обстановку работы эксплуатационного персонала, и компьютерные исследовательские. Тренажеры первого типа, как правило, используются для подготовки дефектоскопистов ТЭК, операторов бурильного оборудования, ремонтного персонала. Замена реальных объектов (например, фрагментов дефектных труб), составляющих основу полномасштабных тренажеров, на их виртуальные аналоги может позволить частично или полностью преобразовать тренажеры первого типа в исследовательские. Тренажеры второго типа до настоящего времени в основном предназначались для подготовки специалистов в области управления технологическими процессами, т.е. для подготовки диспетчеров [2]. Данные тренажеры также могут использоваться эксплуатационным персоналом ТЭК для выработки навыков работы, например, по оценке прочности трубопроводов при переизоляции или при проведении экскавации по результатам выполнения внутритрубной дефектоскопии [3–5]. В соответствии с предложенной в работе [2] классификацией основное содержание данной статьи будет посвящено теоретическим аспектам построения современных тренажеров исследовательского типа. С конца XX в. в практику численного решения производственных задач трубопроводного транспорта вошли высокоточные компьютерные газодинамические и прочностные симуляторы трубопроводных сетей [3, 6]. Под высокой точностью компьютерных симуляторов в данном случае подразумеваются наиболее достоверные описание и прогнозирование реальных процессов в системах трубопроводов, которые можно выполнить благодаря современным методам математического моделирования, технической диагностики и доступной специалистам ТЭК компьютерной техники. Накопленный в последние годы опыт широкого использования современных достижений вычислительной механики и математической оптимизации при решении производственных задач ТЭК потребовал внесения некоторых корректив в первоначальный вариант концепции построения тренажеров исследовательского типа [2]. Рассмотрим это требование более детально. Так, в соответствии с монографией [2] ядром автоматизированного тренажерного комплекса должна быть имитационная модель, основой которой служит набор математических схем, позволяющих воспроизводить технологические процессы в условиях стационарного и нестационарного режимов функционирования трубопроводных систем, а также в штатных, нештатных и аварийных ситуациях в ГТС. Производственная практика численного анализа функционирования и состояния трубопроводных систем с использованием компьютерных симуляторов [7, 8] указывает на необходимость коррекции данного положения. Такая коррекция, прежде всего, заключается в том, что для адекватного описания работы ГТС в первую очередь нужно с максимально возможной достоверностью описывать физические процессы течения газа в сети (а не технологические процессы перекачки газа), возникающие при различных режимах работы оборудования газотранспортного предприятия. Имитация технологии управления при правильном описании физики транспортирования газа в сети не представляет сложности и является достаточно легко формализуемой надстройкой над моделью физических процессов функционирования трубопроводной системы. Здесь надо отметить, что в расчетных ядрах компьютерных газодинамических симуляторов (ГДС) реализован именно такой подход к математическим моделям газодинамического анализа параметров работы трубопроводных сетей [3, 6–8]. Вторая коррекция связана с представлением об области применения тренажеров. В соответствии с работой [3] компьютерный тренажер может быть использован в трех аспектах: для обучения диспетчерского персонала; для проведения исследований; для реального управления газотранспортными сетями в режиме советчика. По мнению автора [3], включение в функции тренажеров двух последних пунктов списка ошибочно. Так, для реального управления газотранспортными сетями в режиме советчика необходимо использовать ГДС, а не тренажер. По второму пункту списка можно сказать следующее. Не вызывает сомнения положение, по которому процесс обучения диспетчеров на тренажерах должен содержать исследовательскую составляющую. Однако эта составляющая должна быть ограничена только кругом учебно-тренировочных задач (УТЗ), реализованных в тренажере. В противном случае, процесс обучения специалиста на тренажере может привести к нежелательным последствиям, когда вместо приобретения навыков эффективного исполнения функций диспетчера обучаемый получит искаженные представления о физических процессах в трубопроводных системах. Это, как правило, происходит в результате отсутствия у диспетчерского персонала навыков организации и проведения научных исследований (особенно в области численных экспериментов, касающихся вопросов газодинамики функционирования трубопроводных сетей). В дальнейшем выработанные искаженные представления о физических процессах в трубопроводах, происходящих при транспортировании газов, могут привести к ошибкам диспетчера, сопровождающимся тяжелыми аварийными ситуациями. Формированию при обучении у диспетчерского персонала ошибочных представлений о физических процессах транспортирования природного газа в ГТС способствует использование в расчетных ядрах трена- www.safety.ru жеров упрощенных математических моделей. В настоящее время, к сожалению, достаточно широко распространено мнение об использовании математических моделей, построенных на базе существенных упрощений и допущений, для детального анализа физических процессов, протекающих в трубопроводных сетях при транспортировании различных продуктов. Недостатки в применяемых методах математического моделирования, как правило, вуалируются утверждениями о том, что в данных моделях учтены основные физические особенности транспортирования продуктов по трубопроводам [9, 10]. Однако, как показано в работах [4, 7, 8], при описании реального спектра режимов функционирования трубопроводных сетей широко используемые в настоящее время модели часто искажают сущность физических процессов и дают грубые, а в ряде случаев неприемлемые, оценки параметров течений по трубопроводным сетям. Основная причина подобных ошибок моделирования заключается в том, что разработчики моделей игнорируют ограничения, накладываемые принимаемыми при их создании упрощениями, неправомерно считая их несущественными. При таком подходе нарушаются границы допустимых областей применения упрощенных моделей, что приводит к ошибочным результатам численного анализа параметров функционирования систем трубопроводов ТЭК. Представленные выше замечания по концепции построения тренажеров распространяются не только на тренажеры для диспетчерского персонала, но и на новые тренажеры, предназначенные для обучения специалистов навыкам эффективного анализа ресурса трубопроводов. Для исправления указанных замечаний целесообразно в качестве расчетных ядер современных тренажеров исследовательского типа применять компьютерные газодинамические и прочностные симуляторы ГТС. Рассмотрим обобщенную структуру современного тренажера, построенного на базе компьютерных симуляторов трубопроводных сетей. В целях повышения наглядности изложение материала данной статьи проводим на примере газодинамического тренажера (ГДТ) для обучения диспетчерского персонала газотранспортного предприятия. Этот тренажер, с одной стороны, базируется на использовании основных функций ГДС, с другой — обладает рядом дополнительных возможностей методического плана, предназначенных для обучения. Следует напомнить, что, в соответствии с работой [6] компьютерный газодинамический симулятор является специализированной компьютерной аналитической системой, обеспечивающей высокоточные оценки фактических распределений (во времени и по длине трубопроводов) газодинамических параметров полного спектра режимов транспортирования газовых смесей по разветвленной ГТС при условии адекватного моделирования функционирования газоперекачивающего оборудования, работы запорно-вентильной арматуры и динамики отборов смеси потребителями с учетом возможности возникновения аварийных разрывов или течей трубопроводов. В общем случае ГДС для конкретного газотранспортного предприятия строится в результате объединения математических моделей компрессорных станций (КС) ЕДИНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ СООТВЕТСТВИЯ 2 007 Безопасность Труда в Промышленности 25 № 1 ЕДИНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ СООТВЕТСТВИЯ Безопасность Труда в Промышленности в единую модель ГТС с помощью моделей многониточных линейных частей магистральных газопроводов (ЛЧМГ). При этом модели газоперекачивающих станций в соответствии с их технологическими схемами строятся в результате объединения моделей газоперекачивающих агрегатов (ГПА), аппаратов воздушного охлаждения (АВО) и пылеуловителей с помощью математических моделей технологических газопроводов. Управление модельным транспортированием природного газа через КС и их сети осуществляется подачей управляющих команд: на изменение частоты вращения валов ГПА или их включение (выключение); открытие или закрытие кранов на КС и крановых площадках ЛЧМГ; изменение объемов потребления газа промышленными предприятиями и социальными объектами; изменение заданий на редуцирование газа в узлах редуцирования, на газораспределительных станциях, а также на режимы работы АВО и т.д. Таким образом, модельное управление адекватно отражает реальное управление транспортированием природного газа через индивидуальную КС и газотранспортное предприятие. Детальное описание теоретических основ, структуры и функциональных возможностей ГДС представлено в монографии [4]. С учетом рекомендаций по методическому, информационному и инженерно-психологическому обеспечению тренажеров, приведены в работе [2], современный ГДТ можно условно представить в виде композиции следующих элементов: так называемой специализированной ограниченной версии ГДС; базы данных ГДТ; построителя УТЗ; средств контроля обучения; модуля взаимодействия преподавателя и обучающихся специалистов; средств помощи в решении УТЗ; средств взаимодействия с внешними устройствами. Рассмотрим содержательную сущность данных элементов более подробно. В специализированной ограниченной версии ГДС отсутствуют: функциональные возможности и необходимые исходные данные для построения ГДС сети конкретного газотранспортного предприятия (или фрагмента сети); функциональные возможности для решения исследовательских задач по анализу режимов транспортирования газов по трубопроводной сети (за исключением упрощенных исследовательских УТЗ, предусмотренных учебной программой); компьютерный редактор расчетной схемы трубопроводной сети (этот редактор может присутствовать (но с минимальными функциональными возможностями) только при условии необходимости обучения специалистов ТЭК работе с редакторами топологий ГДС). При этом в нее могут быть включены: фрагмент базы данных с исходной и оперативной информацией об изменяющейся во времени топологии ГТС, о параметрах трубопроводов, технологических режимах и правилах управления транспортированием природного газа для конкретного предприятия; существенно ограниченная по функциональным возможностям версия расчетного ядра ГДС (используются только необходимые функции решателя); значительно ограниченная версия компьютерной интерфейсной оболочки. Модуль ГДТ для взаимодействия преподавателя и обучающихся специалистов строится в соответствии www.safety.ru 26 с рекомендациями работы [2]. С его помощью преподаватель контролирует и управляет процессом обучения и решением конкретных УТЗ для группы обучаемых специалистов или для каждого обучаемого в отдельности. Контроль и управление учебным процессом проводятся с рабочего места преподавателя интерактивно в режиме реального времени. Тренажер позволяет преподавателю контролировать и анализировать действия обучаемого специалиста с использованием так называемого интерфейса преподавателя, реализуемого на его рабочем месте (рис. 1 и 2). Преподаватель может видеть как «картинку» на мониторе обучающегося, так и дополнительную информацию о процессе обучения, например, иллюстрации действий обучающегося по решению УТЗ, статисти- Рис. 1. Пример экранной формы ГДТ «Alfargus/Dispatcher TrainingSystem» для углубленного обучения диспетчерского персонала оптимальному безопасному управлению неизотермическими нестационарными режимами транспортирования природного газа Рис. 2. Пример экранной формы ГДТ «Alfargus/Dispatcher TrainingSystem», предназначенной для преподавателя ку решенных им задач, уровень прогресса в обучении и т.д. Дополнительно преподавателю предоставляется возможность менять условия УТЗ в процессе ее решения специалистом. Тренажер на базе ГДС может работать как с реальным, так и с виртуальным преподавателем. В роли виртуального преподавателя выступает система контроля обучения, обеспечивающая специалисту так называемую компьютерную «обратную связь». Система контролирует процесс обучения, «сохраняя» историю обучения и анализируя действия обучающегося при решении задач. На основе данного анализа виртуальный преподаватель по заложенным в нем алгоритмам может менять индивидуальную методику обучения и давать рекомендации по ходу решения УТЗ. База данных ГДТ включает в себя УТЗ и так называемые профили обучающихся специалистов, представляющих собой набор специализированной информации, необходимый для организации и проведения учебного процесса [2]. Учебно-тренировочные задачи повторяют реальные или потенциальные, например, аварийные [11] производственные ситуации, возникающие при эксплуатации ГТС. Каждая задача, как правило, включает описание и набор сценариев ее изменения и решения. Построитель УТЗ в компьютерном тренажере позволяет формулировать постановку решаемых задач и описывать сценарии их решения. С помощью этого модуля имеется возможность формулировать задачи, отлаживать их и заносить в базу данных для последующего решения обучающимися специалистами. База данных УТЗ помимо постановок задач включает некоторые типовые варианты их решений. Обучаемый специалист может их просмотреть на экране компьютера в режиме анимационного фильма и сравнить их с собственным подходом к решению поставленной УТЗ. Такое сравнение позволит обучаемому специалисту сделать самооценку правильности и эффективности своих действий по решению УТЗ, что очень важно для процесса самообразования. Система (средства) помощи в решении УТЗ — еще одна составляющая виртуального преподавателя. Ее основные функциональные возможности можно записать так: формирование рекомендаций обучаемому специалисту по выполнению учебно-тренировочных задач; поддержание информационно-справочной службы, основанной на регламенте работы обучаемого персонала ГТС; организация помощи и подсказок для всех режимов и подсистем работы пользователя с ГДТ; демонстрация примеров решения типовых УТЗ с учетом необходимых пояснений. Система (средства) взаимодействия с внешними устройствами предназначена для обмена данными с расчетным ядром ГДТ и базой параметров типовых штатных, нештатных и аварийных режимов функционирования ГТС (имитатор обмена информацией между SCADA-системой и расчетным ядром компьютерного газодинамического симулятора). В заключение следует отметить, что фактически современный ГДТ представляет собой одно из направлений использования компьютерных газодинамических симуляторов [6], при котором применяется некоторая специализированная надстройка над интерфей- www.safety.ru сной оболочкой ГДС, расширяющая основные функции ГДС только в части методологии обучения диспетчерского персонала. Это заключение остается справедливым и для тренажеров эксплуатационного персонала ТЭК, построенным на базе компьютерных прочностных симуляторов [3]. Направленность современных тренажеров на изучение особенностей функционирования трубопроводной системы конкретного предприятия позволяет повысить качество обучения, снизить временные и финансовые затраты на подготовку специалистов для этого предприятия. Необходимо еще раз подчеркнуть, что качественное обучение специалистов с помощью тренажеров нового поколения возможно только при использовании устойчивых и высокоточных алгоритмов моделирования трубопроводных систем и оптимизации. Чем больше отклонение расчетных значений от аналогичных истинных величин, тем ниже эффективность обучения с помощью тренажеров, так как данные погрешности могут привести к неверному пониманию функционирования ГТС. Список литературы 1. Мокроусов C.Н. Промышленная безопасность опасных объектов // Технологии нефтегазового комплекса. — 2004. — Спец. изд. — М.: ООО «ИРЦ Газпром». — С. 10–13. 2. Григорьев Л.И., Сарданашвили С.А., Дятлов В.А. Компьютеризованная система подготовки диспетчерского персонала в транспорте газа. — М.: Нефть и газ, 1996. — 195 с. 3. Селезнев В.Е., Алешин В.В., Прялов С.Н. Основы численного моделирования магистральных трубопроводов / Под ред. В.Е. Селезнева. — М.: КомКнига, 2005. — 496 с. 4. Алешин В.В. Практическая технология численного прочностного анализа промышленных трубопроводов // Безопасность труда в промышленности. — 2004. — № 7. — С. 29–33. 5. Автоматизация численного прочностного анализа магистральных газопроводов / В.В. Алешин, В.В. Кобяков, К.И. Дикарев и др. // Диагностика оборудования трубопроводов: Науч.-тех. сб. — Приложение к журналу «Наука и техника в газовой промышленности». — М.: ООО «ИРЦ Газпром». — 2004. — № 3. — С. 34–46. 6. Селезнев В.Е. Использование компьютерных газодинамических симуляторов для повышения безопасности // Безопасность труда в промышленности. — 2004. — № 7. — С. 48–53. 7. Высокоточное моделирование газотранспортных сетей с помощью программно-математического комплекса «AMADEUS» / Я. Марко, М. Тирпак, Я. Янус и др. // Наука и техника в газовой промышленности. — 2003. — № 1. — С. 6–12. 8. Experiences with real time systems and their contribution to safe and efficient control of gas transport system / M. Tirpak, J. Marko, A. Heringh et al. // Papers book at 35 Annual Meeting of the Pipeline Simulation Interest Group (PSIG-2003) (October 2003, Bern, Switzerland). Paper № PSIG-0312. — PSIG, USA, 2003. — 8 p. 9. Трубопроводные системы энергетики: модели, приложения, информационные технологии / А.А. Атавин, С.А. Сарданашвили, М.Г. Сухарев и др. / Под общей ред. М.Г. Сухарева. — М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000. — 320 с. 10. Сарданашвили С.А. Расчетные методы и алгоритмы (трубопроводный транспорт газа). — М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. — 577 с. 11. Бойченко А.Л., Селезнев В.Е. Об одном из методов обнаружения и локализации разрывов магистральных газопроводов с использованием компьютерных газодинамических симуляторов // Безопасность труда в промышленности. — 2004. — № 6. — С. 29–32. ЕДИНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ СООТВЕТСТВИЯ 2 007 Безопасность Труда в Промышленности 27
