Актуальность темы
.
В настоящее время эффективность освоения нефтегазовых месторождений в значительной степени зависит от совершенства техники и технологии бурения скважин с большими отклонениями стволов от вертикали и с горизонтальными участками сравнительно большой протяженности, что связано с использованием контроля забойных параметров непосредственно в процессе бурения. Разработкой систем контроля и управления траекторией ствола скважин занимаются фирмы Schlumberger, Sperry-Sun, Baker Hughes, General Electric, Mobil Development, Exxon Production Research, ОАО НПП «ВНИИГИС», ОАО НПФ «Геофизика», НИИ ТС «Пилот» и другие. Современная тенденция построения систем бурения такова, что непрерывно возрастает количество информации, которую необходимо получать непосредственно в скважине. С другой стороны, существуют жесткие условия эксплуатации и ограничения, связанные, в частности, с проблемой передачи информации из скважины на поверхность с достаточно высокой скоростью. Это инклинометрические и геофизические параметры, информация о расходе бурового раствора, частоте вращения турбобура, окружающей температуре и давлении, вибрациях и т. д. Одним из перспективных направлений является создание буровых роботов — специализированных спускаемых программно-аппаратных вычислительных комплексов (ПАВК) систем управления бурением (СУБ) для обработки и анализа полученной с датчиков информации, а также принятия управляющих решений и их осуществления непосредственно в скважинной зоне. ПАВК СУБ работают в тяжелых условиях (в забойной части таких систем температура достигает 150−200°С, давление — 150 МПа, действуют вибрации и ударные нагрузки) [38,112].
ПАВК СУБ относятся к классу неоднородных специализированных систем реального времени, осуществляющих мониторинг и управление объектом в условиях временных ограничений, к которым предъявляются повышенные требования надежности, так как отказы могут привести к чрезвычайным последствиям и/или значительным материальным затратам. Задача обеспечения отказоустойчивости в таких системах особенно актуальна, причем особое внимание уделяется времени реагирования на поток внешних событий, времени решения задач. Отказ или недостоверность информации в ПАВК СУБ, как правило, приводит к нарушению процесса бурения и/или выходу из строя бурового оборудования. Замена оборудования забойной части в случае отказа связана со спуско-подъемными операциями, ремонтом бурового оборудования, временными простоями в работе и является трудоемкой и дорогостоящей операцией [52,112]. В целом, такие системы характеризуются тремя основными элементами и их взаимодействием: ресурсом времени, надежностью и внешним окружением. Повышение отказоустойчивости может быть достигнуто благодаря использованию средств обеспечения функциональной надежности (гарантоспособности) на различных этапах жизненного цикла [74,90,101,121].
В настоящее время, как правило, для обеспечения требуемого уровня надежности используются электронные компоненты, имеющие достаточно высокие характеристики надёжности. Однако возможности такого подхода ограничены, и необходимо использовать структурные методы, связанные с введением различных видов избыточности, методы обеспечения отказоустойчивости.
ПАВК СУБ создаются в рамках жестких габаритных ограничений, имеют ограниченные программно-аппаратные ресурсы и функциональные возможности. С другой стороны, возможности современной элементной базы и методов iV-версионного проектирования позволяют в пределах одного кристалла получать значительную аппаратную, алгоритмическую, временную и информационную избыточность [18,39,67,73,75]. ПАВК СУБ представляет собой систему со сложной неоднородной структурой, имеющую множество разнородных вариантов реконфигурации (путей), которые сводятся не только к дублированию однородных элементов. Применение существующих методов обеспечения отказоустойчивости не позволяет в полной мере обеспечить учет динамики изменения характеристик системы и её элементов, влияния отказавших элементов системы на характеристики других элементов, прогнозирование отказов, функционирование в условиях неопределенности, оценку эффективности использования резервов во времени и т. п. Это, в свою очередь, вызвано применением «жестких» средств, не учитывающих предысторию поведения системы и, как следствие, не обладающих достаточной гибкостью и адаптивностью к изменяющимся условиям работы и собственному состоянию. Кроме того, применение многих методов затруднено ввиду их ресурсоёмкости, сложности реализации, недетерминированности системы.
Поэтому для повышения отказоустойчивости ПАВК СУБ необходимо провести исследование возможности применения методов и средств обеспечения отказоустойчивости и системы принятия решения о реконфигурации для неоднородной вычислительной среды на основе обработки информации о результатах тестирования и оценки эффективности применения резервов с использованием средств искусственного интеллекта, придающих системе свойства интеллектуального поведения.
Значительный вклад в теорию надежности технических систем внесли зарубежные и российские ученые А. Авиженис, Г. Майерс, Б. В. Гнеденко, Ю. К. Беляев, А. Д. Соловьев, A.M. Половко, К. А. Йыуду, И. А. Ушаков и др., в теорию систем искусственного интеллекта, интеллектуальных систем принятия решений и управления большой вклад внесли JI. Заде, Б. Коско, Э. Мамдани, В. И. Васильев, А. И. Галушкин, Б. Г. Ильясов, В. В. Круглов и др.
Объектом исследования являются отказоустойчивые программно-аппаратные вычислительные комплексы систем управления бурением.
Предмет исследования — методы и средства обеспечения отказоустойчивости, алгоритмы обработки информации, направленные на повышение эффективности процесса принятия решения о реконфигурации программно-аппаратных вычислительных комплексов систем управления бурением.
Цель работы.
Целью работы является повышение отказоустойчивости программно-аппаратных вычислительных комплексов систем управления бурением с использованием интеллектуальной поддержки принятия решений.
Основные задачи исследования.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе на основе проведенного анализа существующих методов обеспечения отказоустойчивости применительно к программно-аппаратным вычислительным комплексам систем управления бурением решаются следующие задачи:
1. Разработка структуры системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением на базе нечеткой когнитивной карты.
2. Разработка метода обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса на базе нечёткой когнитивной карты.
3. Разработка методики проектирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением на базе нечёткой когнитивной карты.
4. Разработка математического и алгоритмического обеспечения процесса функционирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением на базе нечёткой когнитивной карты.
5. Экспериментальное подтверждение теоретических результатов.
Методы исследования.
При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались методы линейной алгебры, систем искусственного интеллекта, системного анализа, теории надежности, имитационного моделирования и программирования.
Результаты, выносимые на защиту.
1. Структура системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением, осуществляющей реконфигурацию его модулей на основе нечеткой когнитивной карты.
2. Метод обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса на основе блока восстановления и алгоритмов реконфигурации на базе нечеткой когнитивной карты.
3. Методика проектирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением с использованием нечеткой когнитивной карты, системы обеспечения отказоустойчивости и предложенного метода обеспечения отказоустойчивости.
4. Алгоритм реконфигурации блока обеспечения отказоустойчивости с использованием нечеткой когнитивной карты и матрицы запретов, алгоритм функционирования системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением.
5. Результаты исследования эффективности предложенного метода обеспечения отказоустойчивости на базе разработанной методики и алгоритмического обеспечения отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением, проведенного с помощью имитационного моделирования и разработанного программного обеспечения.
Научная новизна.
1. Предложена структура системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением: принятие решения о реконфигурации осуществляется с использованием нечеткой когнитивной карты и обработки информации о результатах тестирования элементов, что позволяет обеспечивать отказоустойчивость с необходимым качеством обслуживания или живучесть комплекса.
2. Предложен метод обеспечения отказоустойчивости, основанный на применении Диверсионного проектирования и блока восстановления, отличающийся тем, что управление избыточностью во времени осуществляется с помощью оценки эффективности использования резервов на основе значений концептов нечеткой когнитивной карты и контролируемых параметров, что позволяет увеличить коэффициент готовности системы.
3. Предложена методика проектирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением, отличающаяся тем, что расчетные характеристики элементов и структура этого комплекса используются для создания нечеткой когнитивной карты, что позволяет реализовать систему обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением с использованием предложенного метода обеспечения отказоустойчивости.
4. Разработано алгоритмическое обеспечение: алгоритм реконфигурации блока обеспечения отказоустойчивости с использованием нечеткой когнитивной карты и матрицы запретов, алгоритм функционирования системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением, позволяющее повысить отказоустойчивость этого комплекса.
Практическая ценность и внедрение результатов.
1. Предложенная структура системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением на базе нечеткой когнитивной карты позволяет обеспечивать отказоустойчивость с необходимым качеством обслуживания или живучесть комплекса и может стать основой для создания специализированных программно-аппаратных вычислительных комплексов реального времени повышенной надежности.
2. Предложенный метод обеспечения отказоустойчивости на основе нечеткой когнитивной карты по сравнению с известным методом на базе блока восстановления позволяет увеличить коэффициент готовности программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением, увеличить в 1,9 раза время до фатального отказа системы, обеспечить необходимое качество обслуживания даже при ужесточении критерия качества обслуживания в 3 раза.
3. Предложенная методика проектирования, математическое и алгоритмическое обеспечение отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением позволяет реализовать систему обеспечения отказоустойчивости в программно-аппаратных вычислительных комплексах реального времени, имеющих сложную неоднородную структуру с множеством разнородных вариантов реконфигурации.
4. Разработанное алгоритмическое обеспечение составляет основу для реализации предложенной методики проектирования и системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратных вычислительных комплексов систем управления бурением.
Разработанная методика проектирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением с применением предложенного метода обеспечения отказоустойчивости на основе блока восстановления и алгоритмов реконфигурации на базе нечеткой когнитивной карты принята к использованию в НИИ ТС «Пилот» для повышения отказоустойчивости системы управления процессом направленного бурения. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе Уфимского государственного авиационного технического университета.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» (г. Уфа, 2003) — Международных молодежных конференциях «XXIX и XXX Гагаринские чтения» (г. Москва, 2003;2004) — XX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2004) — 6-й и 7-й Международных конференциях «Компьютерные науки и информационные технологии» (г. Будапешт, Венгрия, 2004; г. Уфа-Ассы, 2005) — 1-м и 2-м Региональных зимних семинарах аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальные системы обработки информации и управления» (г. Уфа, 2006;2007).
Публикации.
Основные положения и результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 12 работах, включая 1 статью в рецензируемом журнале из списка ВАК, 9 публикаций в центральных журналах, трудах и материалах конференций российского и международного значения, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ по теме диссертации.
Структура и содержание работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Основное содержание работы изложено на 125 страницах машинописного текста, включая иллюстрации, таблицы. Список.
Выводы.
1. На основе предложенной методики проектирования отказоустойчивого ПАВК СУБ и исходных данных разработана структура отказоустойчивого ПАВК СУБ, определены задачи системной гарантоспособности. Созданы структуры данных блоков обеспечения отказоустойчивости с использованием реконфигурации на основе НКК и учетом запрещенных путей. Рассчитаны значения элементов созданных структур данных на основе исходных параметров элементов ПАВК СУБ.
2. Для оценки эффективности использования предложенной методики проектирования, системы обеспечения отказоустойчивости и блоков обеспечения отказоустойчивости на основе НКК разработана методика проведения сравнительного имитационного моделирования процесса функционирования отказоустойчивого ПАВК СУБ с использованием разработанного и известного метода обеспечения отказоустойчивости. Разработано и реализовано на ПЭВМ программное обеспечение для проведения имитационных экспериментов согласно разработанной методике.
3. На основе данных имитационных экспериментов проведен анализ зависимости времени выполнения основного цикла от номера итерации. За счет использования предыстории отказов элементов ПАВК СУБ в методе обеспечения отказоустойчивости на базе RB-EKK по сравнению с методом RB, на итерациях после возникновения очередного невосстанавливаемого отказа не наблюдается значительное увеличение времени цикла. При использовании метода ЛЯ-НКК в ПАВК СУБ требуемое качество обслуживания обеспечивается при более жестких условиях. Экспериментальные данные подтверждают эффективность метода 7? Л-НКК по сравнению с методом RB.
— в 1,9 раза увеличено время до фатального отказа системы;
— необходимое качество обслуживания обеспечивается даже при ужесточении критерия качества (времени выполнения цикла) в 3 раза.
4. Исследована динамика выбора путей на основе значений концептов НКК и матрицы запретов. Приведенные зависимости качественно подтверждают теоретические предположения, приведенные на этапе разработки структур данных и алгоритмов функционирования отказоустойчивого ПАВК СУБ с использованием НКК.
5. Проведено сравнение параметров функционирования двух ПАВК СУБ на основе данных за 20 000 итераций. Сформулированные преимущества метода /?5-НКК по сравнению с методом RB подтверждают эффективность применения методики проектирования отказоустойчивого ПАВК СУБ с использованием метода обеспечения отказоустойчивости Лб-НКК по сравнению с классическим методом RB на основе блока восстановления:
— среднее время выполнения итерации ГСвып уменьшено на 63%, при этом отношение среднего времени выполнения задачи ГО к среднему времени выполнения итерации уменьшено на 6% и составило 16%;
— средняя наработка на отказ Гсн увеличена в 1,7 раза;
— среднее время восстановления (после отказа) Г0 уменьшено в 2,6 раза;
— коэффициент готовности системы Кг увеличен.
6. Оценка ресурсоемкости предложенного метода подтвердила возможность его реализации в ПАВК СУБ. Предложенная методика построения отказоустойчивого ПАВК СУБ с применением разработанного метода обеспечения отказоустойчивости RB-НКК принята к использованию в НИИ ТС «Пилот» для повышения отказоустойчивости системы управления процессом направленного бурения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе поставлена и решена актуальная задача построения отказоустойчивых ПАВК СУБ. Полученные результаты позволяют: на этапе проектирования — выбрать структуру и параметры ПАВК СУБ, обеспечивающие заданные характеристики по времени безотказной работына этапе эксплуатации — снизить эксплуатационные расходы за счет уменьшения числа подъемов скважинного оборудования, вызванного необходимостью замены отказавшего ПАВК СУБ. Полученные решения позволяют повысить отказоустойчивость ПАВК СУБ.
Предложен подход на базе интеллектуальной поддержки принятия решения о реконфигурации, основанный на оценке эффективности использования вариантов реконфигураций во времени, осуществляемой в рамках развития метода обеспечения отказоустойчивости на основе блока восстановления, применяемого на уровне задач основного цикла отказоустойчивого ПАВК СУБ, и использовании НКК.
1. Разработана структура системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ, основанная на программном и аппаратном тестировании его модулей, отличающаяся тем, что принятие решения о реконфигурации осуществляется с использованием НКК и обработки информации о результатах тестирования, что позволяет обеспечивать отказоустойчивость с необходимым качеством обслуживания или живучесть комплекса.
2. Разработан метод обеспечения отказоустойчивости, основанный на применении ./V-версионного проектирования и блока восстановления, отличающийся тем, что управление избыточностью во времени осуществляется с помощью оценки эффективности использования резервов на основе значений концептов НКК и контролируемых параметров. По сравнению с известным методом на базе блока восстановления предложенный метод позволяет увеличить коэффициент готовности ПАВК СУБ, увеличить в 1,9 раза время до фатального отказа системы, обеспечить необходимое качество обслуживания даже при ужесточении критерия качества обслуживания в 3 раза.
3. Разработана методика проектирования отказоустойчивого ПАВК СУБ, отличающаяся тем, что расчетные характеристики элементов и структура этого комплекса используются для создания НКК, что позволяет реализовать систему обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ с использованием предложенного метода обеспечения отказоустойчивости. Методика может быть использована для реализации системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК реального времени, имеющих неоднородную структуру с множеством разнородных вариантов реконфигурации.
4. Разработано алгоритмическое обеспечение: алгоритм реконфигурации блока обеспечения отказоустойчивости, отличающийся тем, что выбор вырианта реконфигурации осущесвтляется с использованием НКК и матрицы запретов, алгоритм функционирования системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ и соответствующее математическое обеспечение, позволяющие повысить отказоустойчивость комплекса и являющиеся основой для реализации предложенной методики проектирования и системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ.
5. Экспериментально подтверждена эффективность применения разработанной методики проектирования и системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ. Отличительной особенностью является использование метода на основе блока восстановления и алгоритмов реконфигурации на базе НКК. Проведенная оценка ресурсоемкости подтвердила возможность использования этого метода в ПАВК СУБ. Разработанная методика проектирования отказоустойчивого ПАВК СУБ с применением предложенного метода принята к использованию в НИИ ТС «Пилот» для повышения отказоустойчивости системы управления процессом направленного бурения.
