Магистерская работа по математике на тему Модели оптимизации сложных систем в условиях нестохастической неопределенности.

Введение

Так как нефтегазовое дело по определению имеет сильное влияние на окружающую среду, перед тем, как проводить любую хозяйственную деятельность в этой сфере, следует провести оценку возможного влияния планируемого проекта на экологию.
В данной работе в качестве объекта, а именно, в качестве сложной системы, будет подразумеваться сливная эстакада с процессами, осуществляющимися на ней. Нестохастически неопределенными будут факторы влияния сливной эстакады на окружающую среду, а предметом, при этом, будет модель оптимизации этой сложной системы.
Обычно рассматриваются постановки и методы решения детерминированных задач, хотя в большинстве практических задач содержится неопределенность в том или ином виде.
Неопределенность - это неотъемлемое свойство объективной действительности вообще и нефтегазового сектора, в частности - из-за наличия большого числа действующих факторов различной природы и направленности, в связи с этим, данная тема является актуальной. Кроме того, так как в виде неопределенности подразумеваются условия влияния на экологию, вопросам которой в последнее время в нашей стране начало уделяться повышенное внимание, то результаты данной работы могут иметь практическую ценность.
При неопределенности нестохастического вида классическая статистическая выборка отсутствует: в этом случае либо нет достаточного количества наблюдений, чтобы подтвердить тот или иной закон распределения, либо наблюдаемые объекты нельзя считать однородными. Имитационные и оптимизационные модели упомянутой системы являются детерминированными, что не совсем корректно.
Для такого объекта, как сливная эстакада, некоторые характеристики, которые отвечают за экологическую безопасность объекта, более правильно
рассматривать как недетерминированные (неопределенные). К ним относятся: риск взрыва, риск пожара, риск вытекания нефтепродуктов, риск выхода из строя систем пожаротушения и т. д.
Обычно для учета неопределенностей (в т.ч. в нефтегазовой сфере) используется аппарат теории вероятностей. Но в последнее время за рубежом и в России стали появляться работы по применению аппарата нечетких множеств.
Так как целью данной работы является изучение модели оптимизации сложных систем в условиях нестохастической неопределенности, то будет рассмотрен как подход с использованием аппарата теории вероятностей, так и с использованием аппарата нечетких множеств и выявлена модель, позволяющая наилучшим образом оптимизировать рассматриваемую сложную систему в условиях нестохастической неопределенности.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
- Провести анализ выбранной сложной системы нефтегазового комплекса
- Исследовать возможное влияние объекта анализа на окружающую среду
-Провести анализ модели с использованием аппарата теории вероятности
-Провести анализ модели с использованием аппарата нечетких множеств
-Осуществить сравнение исследованных моделей
- Сформулировать рекомендации по оптимизации выбранной сложной системы в условиях нестохастической неопределенности.
Кроме того, в работе анализируется как набор признаков и требований к сложным нестохастическим системам, так и ряд возможных моделей оптимизации.
Структура работы состоит из введения, двух глав, заключения и списка используемой литературы.
Первая глава представляет собой теоретическое исследование всех аспектов, затрагиваемых в работе, а практическая часть (глава 2) посвящена реализации рассмотренных в теоретической части моделей, на практике.

 
Глава 1 Сложные производственные системы нефтегазовой промышленности

1.1. Обзор сложных производственных систем нефтегазовой промышленности

Современный производственный процесс – это сложный процесс по превращению начальных «сырых» материалов в готовый продукт и состоит он в том, чтобы преобразовать вложенные затраты труда, энергии, знаний, материала, финансов и т.д. в результат, с учетом маркетинговых исследований и внедрения новых технологий [1,2]. В связи с вышеуказанной сложностью, важно понимать, в чем состоят частные задачи, формирующие этот процесс, для лучшего понимания его организации.
По роли в общем процессе изготовления, производственные процессы делаться на основные (связанные с непосредственным процессом производства), обслуживающие (в частности, транспортировка), вспомогательные (поддерживающие бесперебойный ход базового процесса) и управленческие (принятие стратегических решений и контроль за их исполнением).
В нефтяной отрасли основной производственный процесс это, непосредственно, процесс по бурению скважин и последующей добычи нефти и газа и процессом транспортировки нефти и газа, а далее следует переработка углеводородного сырья.
По характеру воздействия на предмет труда производственные процессы делятся на: технологические (при которых происходит изменение предмета труда) и естественные (когда предмет труда меняется под воздействием естественных(природных) факторов). Если появление природных залежей нефти и относится к процессам естественным, то такие процессы, как добыча, так и переработка нефти относятся к процессам технологическим.
По формам взаимосвязи со смежными процессами, производственные процессы делятся на: аналитические (когда в результате первичной обработки начального продукта получают продукт вторичный), синтетические (при объединении разных полу-готовых продуктов в едином готовом продукте) и прямые (когда из одного материала получается один полуфабрикат или готовый продукт). Исходя из приведенных определений можно заключить, что процесс переработки нефти – аналитический, а процесс ее добычи – прямой.
По степени непрерывности, производственные процессы делятся на: дискретны (нуждающиеся по свое технологии в периодических остановках) и непрерывные (имеющие непрерывное производство, непрерывную подачу материалов и получение готового продукта). Примером типичного непрерывного процесса в нефтяной промышленности может служить непосредственное бурение скважин, добыча нефти и газа, перекачка нефти и газа.
По характеру используемого оборудования производственные процессы делятся на: аппаратурные (сам производственный процесс проходит при помощи аппаратов, а функция человека лишь следить за четкостью их работы), открытые (рабочий проводит обработку при помощи механизмов), а по уровню механизации производственные процессы делятся на: ручные, машинно-ручные, машинные, автоматизированные, комплексно автоматизированные.
Автоматизированные производственные процессы, это такие процессы, при которых основные работы по изготовлению продукции автоматизированы полностью, а вспомогательные – полностью или частично, а функция рабочего сводится к наблюдению и контролю за работой машин-автоматов, а также загрузке сырья и выгрузке готовой продукции. Относительно процесса бурения, к этому виду процессов можно отнести спускоподъемные операции с помощью автомата АСП. В свою очередь, аппаратурные процессы протекают в аппаратах, печах и т. д., где под воздействием тепла, давления, электрической или химической энергии предмет труда изменяется качественно, где в задачу рабочего входят наблюдение и контроль за параметрами технологического режима (примером могут служить обезвоживание, обессоливание нефти).
По масштабам производства однородной продукции, производственные процессы делят на: массовые (при широком масштабу выпуска однородной продукции), серийные (при широкой номенклатуре выпускаемых продуктов) и индивидуальные (при постоянно меняющейся номенклатуры без алгоритма чередования).
По своему содержанию производственные процессы делятся на: механические (изменение с исходным материалом происходят под воздействием механических усилий) и физико-химические (под воздействием энергии меняются свойства и структура исходного материала).
Для удобства понимания производственного процесса, также важно знать из каких элементов он состоит (рис. 1).
Как видно из рисунка, производственные процессы состоят из частичных процессов, которые, в свою очередь состоят из производственных операций, которые расчленяются па приемы (по трудовому признаку), и далее- на переходы (по технологическому признаку).
Расшифровка понятия «производственная операция»такова: операция будет частью процесса, если она характеризующаяся несменяемостью орудия труда, предметов труда и рабочего места.
Подобное расчленение производственного процесса дает возможность всесторонне его изучить, что очень важно при установлении рациональной организации производства и труда.
















Рисунок1 Общий набор элементов производственного процесса


Сегодняшняя реальность такова, что нефтяная отрасль существует в условиях жесткой конкуренции.Эта конкуренция растет за счет постоянно меняющейся ситуации, которая связана с ценами на данное сырье и условиями его продажи. Именно поэтому будущее нефтеперерабатывающего и нефтедобывающего предприятия напрямую зависит от качества производимого топлива. Вот почему от высокого качества топлива зависит будущая деятельность предприятия. Только серьезный контроль и умелое управление предприятием, что подразумевает, прежде всего правильно поставленную организацию производственного процесса, могут помочь достичь эффективной работы объекта и получение конкурентоспособного продукта.
Современная ситуация требует внедрения на предприятие нефтегазовой промышленности автоматизированной системы управления [3] (рис.2).
Данная система дает возможность повысить рентабельность предприятия, улучшить качество производимого продукта и образовать надежное и бесперебойное производство. Традиционные технологические процессы на предприятиях нефтегазовой промышленности подразделяются на три направления:
а)автоматика процесса добычи нефти и газа,
б)автоматика переработки нефтегазового сырья,
с)автоматика транспортировки нефти и газа к покупателю.














Рисунок 2 Система автоматизированного управления производственными процессами в нефтегазовой промышленности

Перечисленные направления характеризуются большими энергетическими затратами. Потребность сэкономить подталкивает к использованию новейшей энергосберегающей технологии, а это требует строго контроля и четкого управления хозяйством.Только автоматизированная система управления в данном случае может справиться на все 100% с данной задачей.
Благодаря подобной системе, работа объекта превращает его в эффективное и конкурентоспособное предприятие, выпускающее высококачественный продукт с минимальной себестоимостью и отвечающий мировым нормам экологической безопасности.


1.2. Выбор объекта анализа и его описание

Каждый из объектов нефтегазового комплекса несет в себе прямо или косвенно риски для экологии, однако эстакада является, наверное, одним из самых опасных в экологическом смысле объектов, в связи с постоянным открытием и закрытием резервуаров с легковоспламеняющимися и токсичными веществами в процессе слива, залива, при подготовке к транспортировке, в связи с чем, в качестве сложной системы была выбрана именно эстакадная система.
Широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ) относится к сжиженным углеводородным газам, для транспортировки которых существуют соответствующие автоцистерны, и для хранения которых используют специальные емкости ШФЛУ.
Эстакада автомобильная сливо-наливная - это сооружение, находящееся возле автодороги, оборудованное сливо-наливными устройствами, обеспечивающее выполнение операций по сливу или наливу нефтепродуктов или сжиженного газа в автомобильные цистерны.
Сливные устройства, а также насосное оборудование должны обеспечивать выполнение на эстакаде операций по сливу сжиженных углеводородных газов пожаробезопасным способом, а сами сливоналивные эстакады в целом и сливные, в частности, относятся, как правило, к объектам с технологическими процессами повышенной пожарной и экологической опасности.
В связи с этим, имеют место периодические дополнения в существующие ГОСТы по элементам сливо-наливных эстакад на предмет повышения пожаробезопасности и экологической безопасности объекта.
Известно, что сливо-наливной эстакадой является это надземное или надводное сооружение, состоящее из опор и пролета, оборудованное сливо-наливными устройствами, предназначенное для выполнения операций по наливу или сливу углеводородов в цистерны (автомобильные, железнодорожные и т.д.). Эстакады могут быть односторонними или двухсторонними. Таким образом, они обеспечивают слив (налив) на одном железнодорожном пути (подъездной автодороге), или на двух параллельных путях, соответственно [4].
Рассматриваемая в данной работе эстакада – надземная, сливная, автомобильная и односторонняя. Данная сливная эстакада, предназначенная для обеспечения бесперебойного слива ШФЛУ из автоцистерн в емкости ШФЛУ, и является объектом автоматизации при нашем исследовании.
При этом ШФЛУ является смесью, продуктом переработки попутного нефтяного газа и газового конденсата.
Соотношение в ней сжиженных углеводородных газов (пропана и бутана), более тяжёлых углеводородов (C5 и выше), а также изо- и нормальных углеводородов, соответствует составу исходного сырья.
Это - легкокипящая и легковоспламеняющаяся жидкость, пожаро- и взрывоопасная, имеющая 4-й класс токсичности [5] и предлагать модернизированную схему автоматизации будем исходя, прежде всего, из