Методическое пособие 80
.pdf
На правах рукописи
КУЗНЕЦОВА ГАЛИНА АЛЕКСАНДРОВНА
УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ ВНУТРИДОМОВОГО ГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2013
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».
Научный руководитель: Мелькумов Виктор Нарбенович, доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Шитов Виктор Васильевич доктор технических наук, профессор
Воронежский государственный университет инженерных технологий, заведующий кафедрой промышленной энергетики
Лукьяненко Владимир Ильич, кандидат технических наук, доцент
Воронежский государственный технический университет, кафедра теоретической и промышленной теплоэнергетики, доцент
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Юго-Западный государственный университет
Защита диссертации состоится «21» марта 2013г. в 1000 час. на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 в Воронежском государственном архитектурно - строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20летия Октября, 84, корп. 3, аудитория 3220, тел.(факс) (8-473)271-53-21.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.
Автореферат разослан «18» февраля 2013г.
Ученый секретарь |
|
диссертационного совета, |
|
кандидат технических наук, |
|
доцент |
А.И. Колосов |
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На российском рынке природного газа для социально значимых категорий потребителей - населения, организаций коммунального комплекса и бюджетных потребителей, с каждым годом поставляется все больше газа. Внутридомовое газовое оборудование, эксплуатируемое населением, потребляет значительный объем газа, поставляемого ООО «Газпром межрегионгаз».
Безопасная эксплуатация внутридомового газового оборудования приобретает в Российской Федерации все большую актуальность. В последние годы регулярно происходят взрывы бытового газа в помещениях, связанные с эксплуатацией внутридомового газового оборудования, особенно в осеннее - зимний период, что указывает на то, что проблемы технического состояния и обслуживания внутридомового газового оборудования имеют системный характер. Статистика пожаров и взрывов, связанных с использованием природного газа, показывает, что наибольший риск аварий по сравнению с газораспределительными сетями, объектами энергетики, промышленности и транспорта имеется при использовании внутридомового газового оборудования.
Наиболее часто различные инциденты и аварии возникают в местах непосредственного контакта газораспределительных сетей и потребителей газа, т.е. в местах прокладки внутридомовых газовых сетей и установки внутридомового газового оборудования. Также растет количество аварий, вызванных неудовлетворительным техническим состоянием и обслуживанием внутридомового газового оборудования.
Вэтих условиях средством повышения надежности эксплуатации оборудования наряду с заменой устаревшего оборудования становится улучшение обслуживания, использование новых критериев оценки надежности внутридомового газового оборудования и новые методики оценки работы ремонтных служб. Все эти задачи требуют разработки новых методик, алгоритмов и программ.
Вконтексте рассматриваемых задач необходимы дальнейшие комплексные междисциплинарные исследования проблем обеспечения надежности внутридомового газового оборудования.
Вэтой связи управление надежностью внутридомового газового оборудования является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы: Управление надежностью внутридомового газового оборудования.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи исследо-
вания:
-разработка модели управления надежностью внутридомового газового оборудования;
-создание методики прогнозирования параметра потока отказов внутридомового газового оборудования;
4
-разработка методики прогнозирования параметра потока восстановления внутридомового газового оборудования;
-создание алгоритма определения оптимальной структуры и параметров работы ремонтных служб;
-реализация модели управления надежностью внутридомового газового оборудования на ЭВМ.
Научная новизна:
∙Предложена модель управления надежностью внутридомового газового оборудования, отличающаяся от существующих использованием разработанных автором методики прогнозирования потока отказов, методики прогнозирования потока восстановления и алгоритма прогнозирования параметров работы ремонтных служб.
∙Новизной разработанной методики прогнозирования параметра потока отказов внутридомового газового оборудования является использование нейросетевых технологий, не зависящих от распределения исходных данных и способных выполнить прогноз в случае большого числа влияющих факторов. Методика прогнозирования реализована в виде программы в среде пакета MatLab - Simulink - Neural Network Toolbox.
∙При разработке новой методики прогнозирования параметра потока восстановления внутридомового газового оборудования использовано полученное с помощью метода динамики средних обыкновенное дифференциальное уравнение, определяющее связь параметра потока восстановления
скритерием надежности и параметром потока отказов. Начальным условием для решения уравнения является начальное значение критерия надежности.
∙На основе теории массового обслуживания разработан алгоритм определения оптимальной структуры и параметров работы ремонтных служб, обеспечивающих заданный уровень надежности внутридомового газового оборудования. Для прогнозирования параметров работы ремонтных служб разработана программа в среде пакета MatLab - Simulink, дающая возможность гибкого управления надежностью внутридомового газового оборудования в зависимости от изменяющихся условий его эксплуатации.
∙На основе полученных методик и алгоритма разработаны программные модули управления надежностью внутридомового газового оборудования
сиспользованием быстрого и надежного сервера системы управления базами данных MySQL, не имеющего лицензионных ограничений и языка программирования С++, обеспечивающего эффективное выполнение расчетов. Использование программных модулей управления надежностью внутридомового газового оборудования позволяет повысить эффективность работы ремонтных подразделений газораспределительной организации и поддерживать на высоком уровне безопасность эксплуатации внутридомового газового оборудования.
5
Достоверность результатов. Теоретическая часть работы базируется на методах теории вероятностей, математической статистики, теории систем массового обслуживания и математического моделирования. Основные допущения, принятые в работе, широко используются в работах других авторов. В работе используется широко распространенный пакет для математических расчетов MatLab. Адекватность моделей оценивалась путем сопоставления расчетных данных с реальными показателями.
Практическое значение и реализация результатов. Разработанные в диссертации теоретические положения и практические результаты обеспечивают повышение надежности эксплуатации внутридомового газового оборудования. Получены методики, комплексно увязывающие повышение надежности эксплуатации внутридомового газового оборудования и проблемы его обслуживания. Полученные результаты могут использоваться в производственной практике эксплуатации пространственно распределенного оборудования.
На защиту выносятся:
- модель управления надежностью внутридомового газового оборудова-
ния;
-методика прогнозирования параметра потока отказов внутридомового газового оборудования;
-методика прогнозирования параметра потока восстановления внутридомового газового оборудования;
-алгоритм определения оптимальной структуры и параметров работы ремонтных служб;
-программные модули управления надежностью внутридомового газового оборудования.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Воронеж 20092012).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 научных работ общим объемом 37 стр. Личный вклад автора составляет 24 стр.
Три статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов: «Вестник Воронежского государственного технического университета», «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура».
Встатьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] приведены результаты анализа состава внутридомового газового оборудования на примере г. Воронежа и распределение общего количества оборудования по срокам эксплуатации; в работе [2] предложен критерий оценки надежности внутридомового газового оборудования, получены дифференциальные уравнения для определения критерия надежности и решения этих уравнений; в работе [3] разработана модель выполнения заявок на ремонт оборудования на основе теории массового обслужива-
6
ния и рассчитаны основные характеристики этой модели аналитически и в среде моделирования пакета MatLab – Simulink.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 107 наименований и приложения. Общий объем работы составляет 117 страниц машинописного текста, включая 3 таблицы и 58 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность работы, определена цель и за-
дачи исследования, характеризуется научная новизна и практическая значимость результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены проблемы безаварийной эксплуатации внутридомового газового оборудования, которые приобретают в последнее время все большее значение. В последние годы постоянно ухудшаются показатели аварийности внутридомового газового оборудования, особенно в осеннее - зимний период, что указывает на то, что проблемы его технического состояния и обслуживания имеют системный характер.
Выполнен анализ аварийности при использовании внутридомового газового оборудования. Рассмотрены основные направления снижения аварийности внутридомового газового оборудования.
Существующие методы оценки надежности внутридомового газового оборудования имеют ряд недостатков, так как оно потребляет относительно небольшое количество газа в сравнении с его потенциальной опасностью и числом аварий, с ним связанных.
Рассмотрены возможности использования методов теории массового обслуживания для анализа организации обслуживания внутридомового газового оборудования.
Проведен анализ специализированных пакетов для имитационного моделирования систем массового обслуживания, предоставляемый набор инструментов которых может быть частично или полностью перекрывающим друг друга или быть устаревшим. Выбран наиболее мощный пакет математических вычислений MatLab.
Выполненный анализ позволил сформулировать цель и задачи настоящего исследования.
Во второй главе проведен анализ состояния состава внутридомового газового оборудования на примере г. Воронежа. Распределение внутридомового газового оборудования по основным видам приведено на рис. 1.
Распределение общего количества оборудования по годам ввода в эксплуатацию приведено на рис. 2. Рост общего количества эксплуатируемого оборудования приведен на рис. 3.
7
|
Аппарат |
|
отопительный |
Универсальная |
газовый (с |
горелка |
водяным |
отопительной |
контуром) |
печи |
6,3% |
0,3% |
Водонагреватель |
|
|
|
газовый |
|
проточный |
|
20,2% |
Плита газовая 4-х конфорочная
52,3%
Газовый счетчик
12,4%
Котел газовый
3,2%
Плита газовая 2-х конфорочная
5,0%
Плита газовая 3-х конфорочная
0,3%
Рис. 1. Распределение внутридомового газового оборудования по основным видам
ВДГО |
45000 |
|
количество |
40000 |
|
35000 |
||
|
||
Общее |
30000 |
|
25000 |
||
|
||
|
20000 |
15000
10000
5000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1958 |
1960 |
1962 |
1964 |
1966 |
1968 |
1970 |
1972 |
1974 |
1976 |
1978 |
1980 |
1982 |
1984 |
1986 |
1988 |
1990 |
1992 |
1994 |
1996 |
1998 |
2000 |
2002 |
2004 |
2006 |
2008 |
2010 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Год |
|
|
Рис. 2. Распределение общего количества внутридомового газового оборудования по годам ввода в эксплуатацию
|
450000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВДГО |
400000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
количество |
350000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
300000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
250000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Общее |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
150000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1958 |
1960 |
1962 |
1964 |
1966 |
1968 |
1970 |
1972 |
1974 |
1976 |
1978 |
1980 |
1982 |
1984 |
1986 |
1988 |
1990 |
1992 |
1994 |
1996 |
1998 |
2000 |
2002 |
2004 |
2006 |
2008 |
2010 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Год |
|
Рис. 3. Рост общего количества эксплуатируемого внутридомового газового оборудования
Продолжительность эксплуатации 62,6% внутридомового газового оборудования составляет менее 10 лет; 15,2% - от 11 до 20 лет; 10,4% - от 21 года до 30 лет; 8,2% - от 31 года до 40 лет; 3,3% - от 41 года до 50 лет; 0,2% - старше 50 лет. В последние 10 лет наблюдается рост количества оборудования от 6,4% до 13,5% в год. С 2002 года по 2011 год рост общего количества оборудования составил около 150%, что привело к росту числа неисправностей внутридомового газового оборудования и росту нагрузки на ремонтные подразделения.
В третьей главе выполнен анализ потока неисправностей внутридомового газового оборудования на примере г. Воронежа. На рис. 4 показано распределение общего объема ремонтных заявок по месяцам. Наблюдается увеличение количества ремонтных заявок в феврале-марте и сентябре-ноябре до 50%.
На рис. 5 приведено распределение общего объема ремонтных заявок по дням недели.
8
|
9000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
заявок |
8000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
количество |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Общее |
4000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Месяц |
|
Рис. 4. Распределение общего объема ремонтных заявок на внутридомовое газовое оборудование по месяцам
заявок |
350 |
|
|
|
|
|
|
300 |
|
|
|
|
|
|
|
Количество |
|
|
|
|
|
|
|
250 |
|
|
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
150 |
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Пн |
Вт |
Ср |
Чт |
Пт |
Сб |
Вс |
|
|
|
|
|
|
|
День недели |
Рис. 5. Распределение общего объема ремонтных заявок на внутридомовое газовое оборудование по дням недели
Резкий рост количества ремонтных заявок в понедельник и постепенное его снижение к пятнице связан с режимом работы ремонтных служб.
Разработана методика прогнозирования параметра потока отказов внутридомового газового оборудования на основе нейросетевых технологий, не зависящих от распределения исходных данных и способных выполнить прогноз в случае большого числа влияющих факторов. Методика прогнозирования реализована в виде программы в среде пакета MatLab - Simulink - Neural Network Toolbox. На рис. 6 приведен полученный месячный прогноз параметра потока отказов для четырехконфорочных газовых плит.
1/год |
0,17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
отказов, |
0,168 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
потока |
0,166 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметр |
0,164 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,162 |
|
|
|
|
|
|
|
0,16 |
|
|
|
|
|
|
|
1.9.11 |
11.9.11 |
21.9.11 |
1.10.11 |
11.10.11 |
21.10.11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Дата |
Рис. 6. Месячный прогноз параметра потока отказов для четырехконфорочных |
|||||||
|
газовых плит: |
- реальные данные за 1 месяц; |
- месячный прогноз; |
||||
|
- начало зоны прогноза; |
- границы доверительного интервала |
|||||
9
Разработана методика прогнозирования параметра потока восстановления внутридомового газового оборудования. В качестве критерия надежности внутридомового газового оборудования предлагается использовать отношение математического ожидания количества исправных элементов группы оборудования к общему числу элементов в группе:
Ki |
(t) = |
mi1 (t ) |
. |
(1) |
|
||||
|
|
Ni |
|
|
Каждый элемент внутридомового газового оборудования может находиться в каком-либо из двух возможных состояний: исправен или неисправен.
Текущему состоянию системы i-й группы элементов внутридомового газового оборудования соответствует определенное количество элементов каждого состояния:
2 |
|
Ni = ∑ Nik (t). |
(2) |
k =1
Математическое ожидание количества элементов оборудования, находящихся в момент времени t в состоянии k, составит:
mik (t) = M (N ik (t )). |
(3) |
На основе метода динамики средних получено дифференциальное уравнение для определения математического ожидания численности исправных элементов оборудования i-й группы:
dmi1 (t ) |
= -λ × m1 |
(t) + μ |
× (N |
i |
- m1 |
(t )), |
(4) |
|
|||||||
dt |
i i |
i |
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где λi ×mi1 (t) - математическое ожидание численности вышедших из строя эле-
ментов оборудования i-й группы за время dt; μi × (Ni - mi1 (t)) - математическое ожидание численности отремонтированных элементов оборудования i-й группы за время dt.
Разделив обе части уравнения (4) на Ni получим:
|
m1 (t ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
d |
|
i |
|
|
|
|
|
(t) |
|
|
|
m1 (t ) |
|
|||||
|
N |
|
|
|
m1 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= -λ × |
i |
|
|
+ μ |
i |
×1 - |
i |
. |
(5) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
i |
Ni |
|
|
Ni |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Кроме того, в соответствии с (2), выполняется условие: |
|
||||||||||||||||||
|
mi1 (t) |
+ |
mi2 (t ) |
= 1. |
|
|
|
|
|
|
|
(6) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Ni |
|
|
|
|
|
Ni |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Учитывая соотношение (1), получим: |
|
||||||||||||||||||
|
dKi (t) |
= -λi × Ki (t ) + μi × (1 |
- Ki (t)). |
|
(7) |
||||||||||||||
|
dt |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Начальным условием для решения дифференциального уравнения (7) является значение критерия надежности внутридомового газового оборудования i- й группы в начальный момент времени:
|
10 |
Ki (t0 ) = K0i . |
(8) |
Таким образом, дифференциальное уравнение (7) связывает критерий надежности Ki (t) с параметром потока отказов λi , характеризующим частоту выхода из строя внутридомового газового оборудования, и параметром потока восстановления μi , характеризующим работу ремонтных служб по восстанов-
лению оборудования.
Решая дифференциальное уравнение (7) для постоянных чальном условии (8), получим:
|
(t) = |
|
μ |
i |
|
|
|
|
|
μ |
i |
|
|
Ki |
|
|
|
+ e |
−(λi + μi )(t −t0 ) K |
|
− |
|
|
. |
|||
λ + μ |
|
0i |
λ + μ |
|
|||||||||
|
|
i |
|
|
i |
|
|
|
|
i |
|
i |
|
При t → ∞ Ki (t) стремится к значению: |
|
||||||||||||
Ki |
(t ) = |
|
μi |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
λi |
+ μi |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
λi и μi при на-
(9)
(10)
которое характеризует значение критерия надежности внутридомового газового оборудования i-й группы при достаточно продолжительной эксплуатации.
Для этого случая можно определить необходимый поток восстановления через величину требуемого критерия надежности и имеющийся параметр потока отказов оборудования i-й группы:
μi = λi |
Ki |
|
. |
(11) |
1 − K |
|
|||
|
|
i |
|
|
На рис. 7. приведено сравнение критерия надежности, рассчитанного по формуле (10) и определенного по реальным данным для различных типов внутридомового газового оборудования.
Ki |
0,998 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,997 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,996 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,995 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,994 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,993 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,992 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,991 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,99 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,989 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.6.11 |
6.6.11 |
11.6.11 |
16.6.11 |
21.6.11 |
26.6.11 |
1.7.11 |
6.7.11 |
11.7.11 |
16.7.11 |
21.7.11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дата |
|
Рис. 7. Сравнение критерия надежности различных типов внутридомового газового оборудования: четырехконфорочные газовые плиты: - расчет, 
- реальные данные, λi= 0,165 год-1, μi=42 год-1; водонагреватели газовые про-
точные: |
- расчет, |
|
- реальные данные, λi= 0,251 год-1, μi =51год-1; газовые |
|
|||
|
|||
счетчики: |
- расчет, - реальные данные, λi= 0,281 год-1, μi =43 год-1 |
||