ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Сегодня, ведется активное развитие нефтегазопромыслового направления в Западно-Сибирском регионе. Согласно энергетической стратегии России, объемы добычи нефти и газа в ближайшие 20 лет будут увеличиваться. «Главной нефтяной базой страны на весь рассматриваемый период останется Западно-Сибирская нефтегазоносная провинция. Добыча нефти в регионе будет расти до 2010 - 2015 годов при всех вариантах, кроме критического, а затем несколько снизится и составит в 2020 году 290 - 315 млн. т.» [36]. Основным газодобывающим районом страны остается Ямало-Ненецкий автономный округ, где сосредоточено 72 процента всех запасов России. Для поддержания добычи на месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки, а также принятия дополнительных мер по использованию остающегося на них низконапорного газа потребуются новые технологические решения и значительные дополнительные средства [3].
Наступает период разработки, обустройства и ввода в эксплуатацию большого количества месторождений с трудно-извлекаемыми запасами нефти и газа. Основная часть средних и крупных месторождений, находящихся в эксплуатации, нуждается в модернизации и реконструкции. Все это требует выполнения больших объемов и широкого цикла проектных работ по обустройству месторождений [1,3,4,26]:
• полевые топографические, геологические и геофизические изыскания;
• проектирование объектов сбора, подготовки нефти и газа, систем поддержания пластового давления, межпромысловых и магистральных нефтепроводов и газопроводов;
• проектирование систем электроснабжения;
• проектирование систем автоматизации промышленных объектов;
5
• проектирование объектов теплогазоснабжения и вентиляции;
• проектирование автомобильных дорог;
• проектирование жилых и общественных зданий;
• авторский надзор за ходом строительства и эксплуатации. Объектом обустройства может быть [1,4,26,58]:
• кустовая площадка;
• установка комплексной подготовки нефти (УКПН);
• установка комплексной подготовки газа (УКПГ);
• дожимная насосная станция (ДНС);
• компрессорная насосная станция (КНС);
• центральный пункт сбора (ЦПС);
• нефтебазы и нефтехранилища;
• магистральные и внутрипромысловые трубопроводы;
• отдельные элементы: насосная, площадка сепараторов, блок подготовки газа и пр.
Проекты обустройства нефтяных и газовых месторождений значительно отличаются друг от друга, имеют отраслевую и региональную специфику, а проектирование и строительство индивидуальны и осложняются технико-экономическими условиями. В связи с этим, повышение эффективности работы проектных организаций становится важной задачей.
Поиск методов повышения эффективности проектного производства является одним из приоритетных направлений при проектировании объектов обустройства нефтяных и газовых месторождений. Соответственно, актуальной является задача развития технологии процесса проектирования путем привлечения новых информационных технологий [20,21,22,23,30,31,34].
В условиях жесткой конкуренции, внедрение новых информационных технологий в проектирование позволит:
6
• повысить техническое качество проектов;
• применить новые технические решения;
• сократить сроки проектирования;
• эффективнее реагировать на выдвигаемые заказчиком требования;
• оперативные и качественнее выполнять необходимые изменения и корректировку проектов;
• выдавать заказчику проектно-сметную документацию в современных цифровых форматах;
• насыщать проектную документацию дополнительной, атрибутивной, информацией, используемой, в дальнейшем, в строительстве и эксплуатации;
• повысить эффективность управления проектированием; Успешное решение вышеперечисленных задач основывается на
широком применении средств вычислительной техники, оснащенной современным программным обеспечением [25,27,30,40,42,43].
Информационные технологии коренным образом меняют технологию проектирования и роль проектировщиков. Из техников, чертежников, расчетчиков, выполнявших работу на кульмане, они превращаются в инженеров-конструкторов, полностью моделирующих с помощью компьютера условия строительства, объект проектирования.и процессы, происходящие в нем. Успех работы проектного института в настоящее время определяется не только научным потенциалом, инженерными кадрами, но и способностью эффективно использовать новые информационные технологии. Для сохранения конкурентоспособности проектные институты должны постоянно обновлять технологию проектирования. Она должна всегда соответствовать быстро меняющимся условиям, технологическим аспектам объектов проектирования при постоянном росте уровня компьютеризации.
Общие методы повышения проектного производства путем
разработки информационной системы управления проектным документооборотом и внедрением системы автоматизированного проектирования (САПР), детально проработаны в диссертационной работе Пальянова П.А. [52].
Динамика роста объема выпуска проектно-сметной документации (ПСД) средствами САПР за последние 9 лет по данным института Гипротюменнефтегаз представлена на рис. 1.
—•— Количество ПК —¦— Лист.черт./день —а— Лист.текст/день - Колич.проектировщ.
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Рис. 1. Эффективность внедрения информационных технологий в
проектном институте
Анализируя характеристики роста показателей (рис.1), видно, что на интервале D, наблюдается значительное снижение темпов выпуска ПСД, несмотря на непрерывное увеличение числа компьютеров, развитие информационной среды, повышение компьютерной грамотности исполнителей. Это происходит потому, что на этом интервале в основе автоматизации лежит «ручная» технология проектных работ: произошла замена «бумажного» кульмана на «электронный», а печатающей машинки на электронный офис.
Для дальнейшего повышения эффективности проектного производства необходимы изменения в самой технологии проектных работ, а именно внедрение интеллектуальных технологий проектирования.
8
Объектом исследования является технология комплексного проектирования объектов обустройства нефтяных и газовых месторождений.
Целью диссертационной работы является разработка интеллектуальной информационной системы автоматизированного проектирования, обеспечивающей возможность принятия проектных решений на основе базы знаний технологического оборудования.
Задачи исследования. В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработать концепцию системной методологии автоматизированного проектирования объектов обустройства нефтегазовых месторождений.
2. Разработать структуру информационной системы автоматизированного проектирования (САПР) с элементами интеллектуальности, обеспечивающей возможность принятия проектных решений на основе базы знаний (БЗ) технологического оборудования.
3. Разработать принципы формирования и применения базы знаний технологического оборудования, как ключевого элемента экспертной системы (ЭС) на базе САПР объектов обустройства.
4. Разработать структуру, этапы реализации и внедрения информационной системы комплексного проектирования объектов обустройства нефтегазовых месторождений на базе САПР с применением базы знаний технологического оборудования (БЗТО).
5. Реализовать информационную среду для комплексного моделирования объектов обустройства нефтегазовых месторождений в ОАО "Гипротюменнефтегаз".
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается использованием современных методов системного подхода к анализу процесса проектирования обустройства нефтегазовых
9
месторождений, объектно-ориентированной технологии, теории и практике автоматизации проектирования, детальном анализе и классификации оборудования, применяемого в обустройстве месторождений при разработке информационной систем.
На защиту выносятся
1. Концепция системной методологии автоматизированного проектирования объектов обустройства нефтегазовых месторождений, включающая базу знаний основньк технологических элементов, структуру информационной сети для коллективного построения виртуальных моделей объектов обустройства, классификатор, позволяющий в автоматизированном режиме производить подбор основных элементов технологической схемы проектируемого процесса.
2. Основные требования к моделям элементов оборудования, их атрибутивная информация и правила взаимодействия для интеллектуального проектирования. Создание достаточной базы знаний основных технических и технологических элементов оборудования.
3. Принцип атрибутивного насыщения создаваемой модели проектируемого объекта обустройства нефтегазовых месторождений, позволяющий более эффективно использовать результаты проектирования на этапах строительства и эксплуатации объекта.
4. Организация структуры ввода, хранения и накопления базы знаний по технологическому оборудованию, информационных потоков между исполнителями и/или информационными ресурсами при построении виртуальных моделей объектов.
5. Пример реализации информационной среды для коллективного моделирования объектов обустройства с элементами интеллектуального проектирования.
Научная новизна результатов решения поставленных задач заключается в следующем.
10
1. Определена концептуальная схема информационной среды комплексного моделирования объектов обустройства месторождений, отличающаяся тем, что в ее основе лежит достаточная БЗ об элементах обустройства нефтяных и газовых месторождений.
2. Впервые создана достаточная БЗТО включающая более 100 000 элементов, около 3 000 номенклатурных единиц с атрибутивной информацией геометрического, физического и экономического характера и правила взаимодействия элементов оборудования между собой.
3. При реализации предлагаемой информационной системы интеллектуальная составляющая, включающая атрибутивную информацию, правила взаимодействия и использования элементов, переходит на создаваемые объекты обустройства, что отличает виртуальную модель объекта от традиционной проектно-сметной документации.
Практическая значимость выполненной работы заключается в максимально возможной автоматизации процесса коллективного проектирования. Создании объектно-ориентированного подхода к организации функционирования информационной системы, обеспечивающей сокращение издержек при создании проектов. Реализации и внедрении в ОАО «Гипротюменнефтегаз» информационной системы комплексного моделирования объектов обустройства на этапе проектирования, позволившей снизить время выполнения проекта в среднем в 1,5 раза и поднять качество проектирования на 70%.
С применением разработанной информационной системы выполнено и защищено более 20 проектов обустройства нефтяных и газовых месторождений, среди них:
• проектирование системы утилизации попутного нефтяного газа Приобского и Приразломного месторождений. Проект компрессорной станции на Приобском месторождении;
11
• проект обустройства Сортымской площади Западно-Асомкинского месторождения. Проект ДНС-2
• проектирование установки предварительного сброса воды на ДНС— 13 Суторминского месторождения.
• проектирование установки предварительного сброса воды на ДНС-4 Суторминского месторождения.
• проект ДНС - ЗН Усть-Балыкского месторождения; Апробация работы
Работа выполнена в ОАО «Гипротюменнефтегаз» и в Тюменском государственном университете. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [13,21,22,23,30,31,32,33,34,47,50,51].
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
• на первом Всероссийском учебно-практическом семинаре 'ТИС и Интернет" (Москва, декабрь 2000 г.).
• на 28 международной конференции "Современные информационные технологии в нефтегазовой промышленности" (Будапешт, Венгрия, 1999 г.).
• на 32 международной конференции "Современные информационные технологии в нефтегазовой промышленности" (Лимасол, Кипр, 2003 г.).
• на 33 международной конференции "Современные информационные технологии в нефтегазовой промышленности" (Будва, Черногория, 2004 г.).
• на 34 международной конференции "Современные информационные технологии в нефтегазовой промышленности" (Валетта, Мальт, 2005 г.).
• на третьей пользовательской конференции "Информационные технологии в проектировании" (Тюмень, апрель 2003 г.).
12
• на четвертой пользовательской конференции "Информационные технологии в проектировании" (Тюмень, апрель 2004 г.).
• на пятой пользовательской конференции "Информационные технологии в проектировании" (Тюмень, апрель 2005 г.).
• на международной конференции пользователей программных продуктов Bentley System (Орландо, США, 2004 г.).
• на международной конференции пользователей программных продуктов Bentley System (Балтимор, США, 2005 г.).
Основные аспекты диссертационной работы неоднократно заслушивались на заседаниях научно-технического совета проектного института «Гипротюменнефтегаз».
Благодарности
Автор выражает благодарность научному руководителю, декану Физического факультета Тюменского госуниверситета, доктору физико-математических наук, профессору Константину Михайловичу Федорову за обсуждение постановки задачи, результатов работы, помощь и консультации.
Автор выражает благодарность генеральному директору ОАО "Гипротюменнефтегаз" Рафаилу Петровичу Киршенбауму за постоянное внимание и поддержку в работе.
Автор выражает благодарность заместителю генерального директора по информационным технологиям ОАО "Гипротюменнефтегаз", к.т.н.
Петру Александровичу Пальянову | за обсуждение результатов работы,
помощь и поддержку.
Автор выражает благодарность заместителю главного инженера ОАО "Гипротюменнефтегаз", начальнику отдела технологического проектирования Игорю Алексеевичу Щербинину за обсуждение результатов работы, консультации, помощь и поддержку.
13
ГЛАВА 1. ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОБУСТРОЙСТВА НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
1.1. Обзор технологий автоматизированного проектирования
Постоянно растущий уровень средств электронно-вычислительной техники влечет за собой бурный переход от традиционных ручных методов - проектирования к новым компьютерным системам разработки и выполнения инженерной документации. Уже более тридцати лет существуют компьютерные системы, позволяющие создавать электронные чертежи, вести сложные математические расчеты, что, без сомнения, облегчает труд инженера. Среди всего многообразия программного обеспечения системы автоматизации проектирования (САПР) занимают особое место [53,60,61,63,70]. С одной стороны это довольно специфическая область, стоящая особняком от других направлений программирования, с другой стороны она объединяет не только профессионалов в области компьютерных технологий, но и людей далеких от них - конструкторов, архитекторов, технологов.
САПР, как основной компонент автоматизированного производства, является структурой наиболее организованной методически и информационно. В САПР входят подсистемы - специализированные части, ориентированные на решение задач определенного этапа проектирования: инженерных расчетов, конструирования, технологической подготовки производства, изготовления изделия и др. Сама система выполняет ввод, хранение, обработку и вывод графической информации в виде инженерных документов. Для реализации системы необходимо следующее: документы, регламентирующие работу системы; исходная информация для формирования информационной базы; информационная база, содержащая модели графических объектов и изображений, элементы оформления
14
чертежа; технические и программные средства создания моделей и их вывода; интерфейс пользователя в виде графического диалога с компьютером. Все перечисленные составляющие образуют методическое, информационно—техническое, программное и организационное обеспечение системы.
Эффективность применения САПР обеспечивается следующими ее возможностями [15,16,29]:
• наличием средств преобразований: поворота, переноса, симметрирования, масштабирования, построения зеркального изображения;
• использованием готовых фрагментов чертежей: конструктивных и геометрических элементов,
• унифицированных конструкций, стандартных изделий;
• ведением диалога с компьютером в привычных для инженера терминах и с привычными для него объектами;
• получением чертежей высокого качества, путем вывода на плоттеры, принтеры и другие устройства.
Построение и дальнейшее использование таких систем для узкоспециализированного использования целесообразно выполнять в виде систем-надстроек над базовой графической системой - универсальной, открытой средой проектирования для реализации графических возможностей САПР, содержащей все необходимые возможности.
По общепринятой терминологии, все системы автоматизированного проектирования (CAD системы) делятся на следующие группы [29]:
• CAD — программа или комплекс программ позволяющих автоматизировать процесс создания чертежа;
• САМ — приложения - выполняющие функции автоматизации производства;
• САЕ - выполнение инженерных расчетов на проектируемых моделях. С точки зрения размерности, выделяют двухмерные системы, системы
обрабатывающие информацию в изометрии (псевдотрехмерное
15
проектирование) и системы трехмерного проектирования. Последние получают все большее распространение и успешно вытесняют «плоские» системы.
Информационные технологии, непрерывно внедряются во все сферы производства, наиболее распространены САПР в следующих отраслях:
• машиностроение;
• автомобилестроение;
• самолетостроение;
• кораблестроение;
• нефтегазовая.
В рамках нефтегазовой отрасли, существует специализация по следующим направлениям:
• инженерные изыскания;
• сбор и транспорт нефти, технологическое проектирование;
• дорожное проектирование;
• электротехническое проектирование;
• проектирование АСУ ТП;
• архитектурно-строительное направление.
Мощность и надежность любой системы всегда оценивают по ее самому слабому элементу. В комплексах автоматизированного проектирования промышленных объектов, как и в любых других сложных многокомпонентных и многоцелевых системах, важнейшим показателем является архитектура (организация) ядра. Это сердце системы: именно архитектура ядра определяет наращиваемость функциональных возможностей и размерность решаемых задач. Понятие ядра САПР вмещает в себя следующие факторы [15]:
• применяемые алгоритмы моделирования объектов, определяющие скорость работы ядра;
• методы организации хранения данных, влияющие на возможность управления информацией;
16
• диапазон и специфика решаемых задач (2D/3D архитектурное, конструкторское, технологическое и прочее моделирование), определяющие масштабы применения системы;
• возможность интеграции или совмещения со смежными САПР (CAD/CAM/CAE/GIS), позволяет внедрять САПР в существующие на предприятии информационные системы;
• перспективность технологии, должна определять стабильность развития и продвижения технологий на предприятии в течение определенного времени;
• стоимость приобретения САПР;
• стоимость владения/поддержки САПР является еще более важным параметром при выборе продукта.
В CAD/CAM/CAE-системах всех уровней сложности геометрическое моделирование технических объектов, компьютерное решение геометрических и графических задач занимают центральное место [6,10,61]. При создании реального объекта в первую очередь формируется геометрия этого объекта, его составных частей, после этого решаются другие задачи проектирования, технологии и изготовления.
В системах геометрического моделирования используются три типа геометрических моделей конструируемых объектов: каркасные (проволочные), поверхностные и «твердотельные» [29].
Исторически первыми появились каркасные модели. Конструктивными элементами каркасной модели являются ребра и вершины. Основным преимуществом каркасных моделей является простота, но с их помощью можно моделировать ограниченный класс объектов с использованием в качестве аппроксимирующих поверхностей плоскостей и поверхностей второго порядка.
При использовании таких моделей возможны различные интерпретации одной модели, поскольку известны только ребра и вершины. В современных системах геометрического моделирования каркасные модели используются
17
при отображении конструируемых объектов, как один из методов визуализации.
Поверхностная модель, кроме вершин и ребер содержит грани (прямоугольные или треугольные), необходимые для аппроксимации поверхностей. Поверхностная модель позволяет описывать достаточно сложные поверхности. Такую возможность часто добавляют к каркасным моделям для описания поверхностей изделия, которые невозможно автоматически определить по каркасной модели. Однако такая гибридная модель (каркасная плюс поверхностная) не обеспечивает однозначности, которая позволяла бы определить, ограничивают ли заданные поверхности некоторый объем.
Поверхностная модель во многих случаях соответствует нуждам промышленности (авиационная промышленность, машиностроение, автомобилестроение, энергетическое машиностроение, сложное нефтегазовое оборудование и т.д.) при описании сложных форм и работе с ними. Возможны различные виды задания поверхностей (плоскости, поверхности вращения, линейчатые поверхности). Используются различные математические модели аппроксимации поверхностей (методы Кунса, Безье, В-сплайны) [10,29,46].
Сегодня, на смену традиционным системам автоматизированного проектирования приходят интегрированные CAD/CAM/CAE-системы, у которых функциональные возможности геометрического ядра настолько развиты, что позволяют формировать твердотельные модели, ограниченные произвольными криволинейными поверхностями.
Проблемам геометрического моделирования, в том числе самому новейшему его направлению - объемному твердотельному моделированию посвящено значительное число исследований [16,29,65,71].
В большинстве систем геометрического моделирования применяют метод конструктивной твердотельной геометрии. В этом случае объекты "собирают" из твердотельных базовых элементов и/или элементов тела,

Получить работу