Оценка результатов деятельности оператора-технолога нефтегазопромысла по данным архива scada -системы
На правах рукописи
БОЯРКИН МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ОЦЕНКА результатов деятельности
оператора-технолога нефтегазопромысла
по данным архива SCADA-СИСТЕМЫ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Специальность 05.13.01 – системный анализ, управление и обработка
информации (нефтегазовая отрасль)
Тюмень 2007
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» на академической кафедре технической кибернетики (ТюмНЦ СО РАН).
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Шапцев Валерий Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор
Борзых Владимир Эрнестович
кандидат технических наук
Хартьян Денис Юрьевич
Ведущая организация: ООО “Гипротюменьнефтегаз”,
г. Тюмень
Защита состоится 31 мая 2007 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.08 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72, конференц-зал, каб. 46.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.
Автореферат разослан 30 апреля 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Т.Г. Пономарева
Общая характеристика работы
Актуальность темы. По данным Госгортехнадзора количество аварий на промышленных предприятиях остается стабильно высоким. При этом отмечается, что наибольшее количество аварий происходит на объектах добычи нефти, химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Например, в 2002 г. произошло 207 аварий. При этом материальный ущерб от аварий в виде прямых потерь (без учета ущерба для окружающей природной среды, затрат на ликвидацию последствий и других затрат) превысил 447 млн. руб. Следует учесть, что приведены лишь официальные данные. В действительности количество аварий, в том числе связанных с серьезными последствиями, скрыто по субъективным причинам.
Одну из основных причин аварийности и травматизма на объектах нефтегазодобычи специалисты связывают с неэффективностью организации систем управления (СУ). Таким образом, повышение качества и безопасности систем управления производством остается весьма актуальной задачей. Определение путей повышения эффективности систем управления невозможно без надёжной оценки качества работы системы. Оператор-технолог (далее, оператор) занимает ведущее место в СУ и непосредственно включен в процесс управления. Поэтому при оценке работы всей системы одной из важнейших составляющих является оценка деятельности оператора.
Исследованиям деятельности операторов в СУ и, в частности, оценке их деятельности при ликвидации Аварийных, Предаварийных и Нештатных Ситуаций (АПНС) посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. Наиболее значимыми теоретическими работами в этой области являются труды Т.П. Зинченко, В.М. Мунипова, А.Г. Чачко, С.А. Чачко, А.Н. Анохина, В.А. Острейковского, Г.Е. Панова, Ц. Оцука, С. Ёсимура. Обзор работ этих авторов, а также работ, связанных с исследованием архивов SCADA-систем (далее SCADA-архивов), показал, что при оценке операторов не используются возможности современных SCADA-систем.
В то же время одной из важнейших функций SCADA-систем является архивирование и возможность фиксации в SCADA-архиве практически всех действий оператора, реализуемых посредством консоли. При оценке деятельности операторов традиционно используется две группы критериев: субъективные и объективные, которые в совокупности определяют профессиональную пригодность (рис. 1).
Рис. 1. Классификация критериев профессионализации
Использование фактографических данных SCADA-архивов позволяет объективизировать Оценку Результатов Деятельности (ОРД) оператора-технолога нефтегазопромысла (рис. 1).
В связи с этим актуальна задача разработки методики ОРД оператора, объективность которой (оценки) обеспечена использованием ретроспективных данных, содержащихся в SCADA-архивах.
Цель работы: оценить результаты деятельности оператора нефтегазопромысла по разработанной методике.
Основные задачи исследования:
- Разработать модель оценки результатов деятельности оператора.
- Обосновать возможность использования данных SCADA-архивов для оценки результатов деятельности оператора нефтегазопромысла и разработать методику трансформации SCADA-архивов для выделения данных о деятельности оператора.
- Разработать методику оценки результатов деятельности оператора нефтегазопромысла по данным SCADA-архива и реализовать ее программно.
При решении поставленных задач использовались методы: системного анализа, математической статистики; теории массового обслуживания и нечетких множеств; программный инструментарий хранения и обработки данных (СУБД).
Научная новизна работы заключается в следующем.
- Проведен системный анализ данных и структур SCADA-архивов, в результате чего обосновано использование информации архивов для объективизации оценки результатов деятельности оператора.
- Разработана методика трансформации SCADA-архивов в совокупность данных, пригодных для решения задачи по оценке результатов деятельности оператора.
- Разработана методика качественной оценки результатов деятельности оператора посредством данных SCADA-архивов.
Практическая ценность работы состоит в том, что программная реализация разработанных методик может быть использована на объектах нефтегазового комплекса (НГК) как компонент SCADA для получения и визуального представления объективизированной (за счет использования ретроспективы SCADA-архивов) ОРД оператора. Такая оценка позволяет исключить как предвзятость со стороны руководства, так и подозрения в ней со стороны оператора при оценке результатов его работы.
Положения, выносимые на защиту
- Методика трансформации SCADA-архива для получения информации о работе оператора, которая обеспечивает возможность использовать эти данные для оценки результатов деятельности оператора.
- Информация, полученная из SCADA-архивов, обеспечивает объективность оценки результатов деятельности оператора.
- Создан прототип модуля SCADA-системы для оценки результатов деятельности оператора.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на международном технологическом семинаре «Устойчивое развитие в нефтегазовой промышленности» (Тюмень, 2004г.), круглом столе «Компьютерная поддержка профессиональной деятельности» международной конференции «Модернизация образования в условиях глобализации» (Тюмень, 2005г.), конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2005г.), международной научно-практической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень, 2006г.). Различные аспекты работы обсуждались на заседаниях городского научного семинара «Интеллектуальные информационные системы» (ТюмГУ, Тюмень, 2003-2006 гг.).
По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка используемой литературы, включающего 66 наименований и одного приложения. Общий объем работы: 101 страница текста, 32 рисунка, 32 таблицы.
ОСНОВНОЕ Содержание работы
Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цели и задачи работы, указаны методы исследования, приведены выносимые на защиту научные положения, структура исследований.
В первом разделе проведен анализ особенностей современных АСУ ТП, функций оператора в структуре АСУ, существующих методов оценки деятельности операторов. Определен перечень задач, требующих решения.
В последнее время все более актуальным становится повышение эффективности организационного управления. Ключевой задачей и первым шагом на пути создания систем управления персоналом являются реализация обратной связи, измерение уровня соответствия деятельности работников требованиям к их должности, к рабочим местам или иначе оценка (Г.А. Реймаров, Р.К. Грицук). Вместе с тем прием на работу и оценка деятельности операторов, как правило, сводится к наличию документа об образовании, субъективного мнения руководителя, периодической аттестации и подготовки на тренажерах. Соответствующие показатели относятся к косвенным характеристикам работы персонала и не отражают реальную оценку результатов работы оператора.
Модель оценки результатов деятельности оператора по данным SCADA-архива состоит из пяти основных этапов (рис. 2).
- Анализ SCADA-архива на предмет адекватности его использования для задачи ОРД оператора. Следует отметить, что архив содержит различного рода нечеткости и не дает представление о требуемых данных в явной форме. Для этой задачи использовались методы статистического анализа.
- Выделение из SCADA-архива количественных данных о деятельности оператора. Для решения этой задачи в рамках исследовательской работы создана методика трансформации архива.
3. Преобразование количественных показателей деятельности оператора в качественные. Для этой задачи использовались методы нечетких множеств.
- Формирование из полученных данных качественной ОРД оператора средствами нечеткой логики.
- Визуальное отображение оценки для представления ее операторам и руководителям.
Данные этапы отражают весь процесс проведенного исследования.
Во втором разделе проводится анализ представления данных в SCADA-архиве. Рассмотрены возможности формирования архивов современными средствами проектирования SCADA-систем на примере пакета RSView32 и Trace Mode 6.04; фрагменты реальных архивов некоторых предприятий нефтегазового комплекса. В результате делается вывод об адекватности использования SCADA-архивов для ОРД оператора, подтвержденный теоретическими и практическими результатами. Описывается разработанная методика трансформации SCADA-архивов с целью выделения данных по оценке результатов деятельности оператора.
В диссертации проанализированы структуры и наполнение архивов SCADA-систем нескольких предприятий. Были определены общие для всех архивов информационные поля, отображающие данные о технологическом процессе на предприятии: дата и время поступления события; тип события; источник события; описание события. Исследование ретроспективы функционирования АСУ ТП проведено на фрагменте архива, созданного SCADA-системой в процессе функционирования объекта управления (реальный архив Alarm_History). В нем – 290 678 записей, полученных в период с 03.02.2003 по 25.04.2004. Каждая запись имеет 6 полей (табл. 1.).
Таблица 1
Фрагмент архива Alarm_History
| Тип | Качество | Дата/время | Источник | Состояние | Сообщение |
| … | … | … | … | … | … |
| Состояния | Норма | 13.02.03/4:23 | L5_Di01_3 | Дискретное состояние | НВО 7. Агрегат остановлен |
| Состояния | Норма | 13.02.03/9:50 | L5_Di04_2 | Дискретное состояние | НВО 2. Агрегат остановлен |
| … | … | … | … | … | … |
Факты вмешательства оператора в процесс управления определялись по записям поля «Тип». Если Тип = «Взаимодействие», то вмешательство оператора в процесс управления осуществлено с его рабочего места. Ненормальные режимы работы объекта идентифицированы аварийными состояниями дискретных датчиков или предупредительными и аварийными уровнями аналоговых датчиков (Состояние = «Дискретное состояние» или «Выход за предел»), а также содержанием поля «Сообщение».
Была разработана методика и программа получения данных из SCADA-архива для оценки результатов деятельности оператора АСУ по трем параметрам: время квитирования - tk; адекватность действий - A; время реализации действий оператором, направленных на устранение аварии - Т. Методика извлечения данных для показателя время квитирования содержит 6 основных этапов (рис. 3).
Методика реализована программно.
Адекватность действий и общее время ликвидации аварии.
Режим работы оператора-технолога определяется требованием немедленного реагирования на информацию, поступившую на пульт управления. При этом действия, выполняемые оператором при возникновении нештатных или аварийных ситуаций, регламентируются инструкциями, которые содержат типовой набор ситуаций и решений. Фрагмент такой инструкции «План ликвидации возможных аварий» (ПЛВА) одного из предприятий НГК ХМАО приведен в табл. 2.
Таблица 2
Фрагмент плана ликвидации возможных аварий
| Вид аварии и ее место | Мероприятия по спасению людей и ликвидации аварии | Ответ- ственный |
| Полная остановка УПН | 1.1. Квитировать сигналы консоли. | Оператор |
| 1.2. Сообщить в центральную инженерно-технологическую службу (№ тел.), руководству цеха, технологу. | Оператор | |
| 1.3. Согласовать с операторами УПСВ"Б",УПСВ"С", УПСВ"2а" свои действия, закрыть задвижки № 4, 2, …, 122. | Оператор, технолог | |
| 1.4. Остановить печи ПТБ-10, отключить электродегидраторы. | Оператор | |
| 1.5. Остановить технологические насосы 300\120. | Оператор | |
| 1.6. Закрыть задвижку № 259. | Оператор | |
| 1.7. Стравить давление в аппаратах. | Оператор |
Наличие такой инструкции дает возможность извлечь данные из SCADA-архива, позволяющие определить А и Т во время ликвидации аварии. Последовательность действий приведена на рис. 4.
Методика апробирована на архиве SCADA-системы предприятия НГК и реализована программно.
В третьем разделе приведена разработанная методика ОРД оператора по трем параметрам: tk, А, Т.
Для оценки качества работы операторов существуют две группы показателей: объективные и субъективные (рис. 1). Для каждого вида деятельности эти показатели специфичны. Исходя из показателей качества системы человек-машина, зависящих от результатов деятельности операторов, выделены три показателя эффективности деятельности операторов:
1. Время реакции оператора на АПНС (tk);
2. Адекватность действий оператора при ликвидации аварий – полнота и последовательность действий согласно регламенту (A);
3. Время реализации действий оператором, направленных на устранение аварии (T).
Эти показатели относятся к результатам деятельности операторов (рис. 1).
ОРД оператора по данным электронного архива базируется на величинах, связанных с совокупностью значений всех показателей: Оt (время квитирования); ОA (адекватность); ОT (время при решении задачи ликвидации аварии), - за определенный период времени. При этом учитываются:
1. специфика деятельности оператора-технолога: принято, что все показатели: tk, A, T, - имеют одинаковый «вес».
2. разные размерности показателей: требуют приведения их значений к безразмерному и нормированному виду.
3. разнообразие шкал измерения показателей.
Проблема разных шкал решена использованием теории нечетких множеств и лингвистических переменных.
Нечеткое лингвистическое моделирование основано на наборе лингвистических правил и оперирует понятием лингвистической переменной (ЛП). ОРД оператора во время АПНС представлена лингвистической переменной. Ее значениями являются не числа, а лингвистические термы: неудовлетворительная (Неуд.); удовлетворительная (Уд.); хорошая (Хор.). ОРД является функцией оценок частных показателей:
M = F (Ot,OA,OT).
Ниже приведены методики оценок по трем показателям.
Методика получения персональных оценок деятельности
Показатель - «время квитирования» (Ot).
Задано: вид функций принадлежности термов, порог П значений ФП для принятии решения о значении ЛП, область значений ЛП (аргументов ФП).
I. Формируется таблица соответствия между значением оцениваемого параметра и его лингвистическим термом (табл. 3).
Таблица 3
Соотношение значений параметра и лингвистических термов
| Терм | Неуд. | Уд. | Хор. |
| Границы tk, сек | tk > Г2 | Г1 < tk Г2 | tk Г1 |
Пороги задаются коллегиально методом экспертного анализа:
Гj = i ijЭij / i ij,
где i [1,m], j = 1,2; m – число экспертов; Эij – значение j-го порога, задаваемое i-м экспертом, ij – весовой коэффициент, отображающий степень доверия i-му эксперту.
II. Определяется процент квитирований, соответствующих каждому терму.
Таблица 4
Пример распределения квитирований по термам
| Оценка | Неуд. | Уд. | Хор. |
| % квитирований | 5 | 6 | 89 |
III. Получение значений функций принадлежности
Правило вывода (конкретизация значения) ЛП Ot формализовано методом нечеткой логики. Базовое терм-множество (область значений) Ot составляют термы: Неудовлетворительно, Удовлетворительно, Хорошо. Область рассуждений х = [0; 100][%]. Функции принадлежности (x) для каждого лингвотерма заданы трапециидально:
(x) = 
На рис. 5 приведено графическое отображение значений ЛП Ot (совокупность (x) для каждого терма представлена на одном графике).
Рис. 5. Графическое отображение лингвистической переменной Ot
Механизм принятия решения демонстрирует следующий пример. Для x = 85%: 1(x) = 0 - степень принадлежности терму «Неудовлетворительно», 2(x) = 0,25 - степень принадлежности терму «Удовлетворительно», 3(x) = 0,75 - степень принадлежности терму «Хорошо». Решение выглядит так: «Хор.» (0,75), «Уд.» (0,25), «Неуд» (0).
IV. Определение значения Оt по совокупности правил.
Правило 1: Определяется терм, степень принадлежности к которому максимальна i(x) = max (i). В нашем случае это терм «Хорошо».
Правило 2: Задается условие: если для некоторого i и х i (x) < K, где K заданный экспертами порог степени принадлежности, то ЛП Ot равна терму, степень принадлежности которого максимальна из оставшихся двух: Ot мах(j i) i (x). Иначе: Ot равна терму, степень принадлежности которого j(x) K и максимальна.
Оценка оператора по параметру «общее время» реализуется аналогичным способом. Разница заключается в том, что лингвистическая оценка формируется (пункт 1) для каждой отдельно взятой аварии (предаварии) по проценту превышения нормативного времени ее ликвидации.
При оценке адекватности действий оператора определяется процент неадекватных действий оператора, затем методом экспертных оценок формируется таблица соответствия между количественным значением параметра и его лингвистическим термом. Границы определяются аналогично лингвистической оценке tk Ot.
Формирование интегральной оценки
В результате по каждому показателю получена оценка в виде одного лингвотерма: Неуд., Уд. или Хор. При равной значимости (веса) показателей деятельности построена алгебра лингвистических величин: задается операция сложения нижеследующей таблицей.
Таблица 5
Правило сложения в алгебре лингвистических термов
| Слагаемые | Неуд. | Уд. | Хор. |
| Неуд. | Неуд. | Неуд. | Неуд. |
| Уд. | Неуд. | Уд. | Уд. |
| Хор. | Неуд. | Уд. | Хор. |
В этом случае Неуд.+Уд.+Хор. = Неуд., Хор.+Хор.+Уд. = Уд. и т.д. Эта оценка может быть получена как за определенный интервал времени, так и за время ликвидации одной аварии. На рис. 6 представлена блок-схема процесса формирования ОРД оператора.
Рис. 6. Блок-схема получения ОРД оператора-технолога
Оценка является действительной, если по вине оператора не произошло ни одной аварии, повлекшей за собой человеческие жертвы, длительный останов технологического процесса и выход из строя дорогостоящего оборудования. Методики получения частных и интегральной оценок реализованы программно.
В четвертом разделе представлена структура программной реализации оценки деятельности оператора (рис. 7). Входной информацией являются: архив SCADA-системы, полнотекстовая база «План ликвидации возможных аварий» - ПЛВА (табл. 2). Далее уточняются: интервал времени, за который необходимо оценить работу оператора; дата и время первой рабочей смены оператора; порядок расположения полей SCADA-архива и ПЛВА; график работы оператора.
Необходимо, чтобы Архив обязательно содержал поля: дата и время, сообщение, источник (тег), тип события. При этом описание аварии в поле «Сообщение» должно совпадать с описанием этой же аварии в ПЛВА. Формулировки поля «Сообщение» должны соответствовать записям поля «Мероприятия по спасению людей и ликвидации аварии». Обязательно наличие в ПЛВА информации о времени, за которое необходимо выполнить каждое из оговариваемых в нем действий.
Рис. 7. Структура системы обработки информации
при оценке результатов деятельности оператора АСУ ТП НГК
Результатом работы программного комплекса являются следующие данные:
- Таблица оценок результатов деятельности группы операторов за выбранный интервал времени (неделя, текущий месяц, квартал);
- Таблицы оценок результатов деятельности группы операторов по отдельным показателям (А, Т, tk) за выбранный интервал времени;
- Визуальное представление ОРД каждого оператора.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
- Разработана модель оценки результатов деятельности оператора.
- Доказана адекватность применения SCADA-архивов для оценки результатов деятельности оператора и разработана методика трансформации SCADA-архивов в массив данных о деятельности оператора.
- Разработана методика, позволяющая получить оценку результатов деятельности оператора, объективизированную за счет использования данных SCADA-архива.
Результаты исследований рекомендованы для использования на предприятиях НГК с повышенным уровнем аварийности.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
- Бояркин М.А. Об одном из подходов к решению проблемы «человеческого фактора» на объектах нефтегазового комплекса / М.А. Бояркин, В.А Шапцев // Вестник кибернетики / Сб.н.трудов. - Тюмень: ИПОС СО РАН, 2004. – Вып. 3. – С.108-116.
- Бояркин М.А. Предварительное исследование данных архивов автоматического мониторинга объектов нефтегазового комплекса / М.А. Бояркин, В.А Шапцев // Вестник кибернетики / Сб.н.трудов. - Тюмень: ИПОС СО РАН, 2005. – Вып. 4. – С. 60-73.
- Бояркин М.А. Опыт работы с имитационной моделью «оператор-консоль» // Модернизация образования в условиях глобализации: Круглый стол «Компьютерная поддержка профессиональной деятельности». Тюмень, 14-15 сентября 2005г. - Тюмень: ТюмГУ, 2005. – С. 17-19.
- Бояркин М.А. Моделирование деятельности операторов АСУ технологического процесса нефтегазового комплекса / М.А. Бояркин, В.А. Шапцев // Горные ведомости. - Тюмень: ОАО СибНАЦ, 2006. – Вып. 24. – С. 58-65.
- Бояркин М.А. Моделирование деятельности операторов АСУ ТП НГК / М.А. Бояркин, В.А. Шапцев // Вестник кибернетики. - Тюмень: ИПОС СО РАН, 2006. - Вып. 5, - C.77-87.
- Бояркин М.А., Методика оценки деятельности операторов АСУ ТП нефтегазопромыслов по данным SCADA-архивов / М.А. Бояркин, В.А. Шапцев // «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: Сб. материалов II Международной научно-практической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. – С. 16-18.
- Бояркин М.А. Исследование деятельности оператора-технолога нефтегазопромысла по данным архива SCADA-системы / М.А. Бояркин, В.А. Шапцев // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. – Вып.3, - С. 96-103.
