Методи та програмні засоби обробки даних цифрового двійника конфайнменту чорнобильської атомної електростанції

Ескіз

Файли

Loboda_dys.pdf (7.25 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Коваль, Олександр Васильович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Дисертаційна робота присвячена розробці науково-методичних підходів до створення цифрового двійника Нового безпечного конфайнменту ЧАЕС. Аварія на четвертому реакторі Чорнобильської атомної електростанції (ЧАЕС) в квітні 1986 році стала однією з найбільших техногенних аварій в історії людства. З метою захисту населення та оточуючого середовища над зруйнованим четвертим енергоблоком ЧАЕС було збудовано спеціальну споруду, що отримала назву Об’єкт «Укриття». Однак плановий термін експлуатації Об’єкту «Укриття» (ОУ) становив лише 30 років, тому з допомогою світового співтовариства було побудовано нову захисну споруду «Новий безпечний конфайнмент» (НБК). НБК є унікальною великою складною системою підвищеної небезпеки з плановим терміном експлуатації 100 років. Основною метою функціонування НБК є захист населення й довкілля від шкідливого радіоактивного забруднення та забезпечення виконання робіт з перетворення ОУ на екологічно безпечний об’єкт. В результаті впливу різноманітних факторів (метеорологічні, радіаційні, роботи по демонтажу нестабільних конструкцій ОУ та інші) в НБК виникають процеси, що збільшують кількість та складність експлуатаційних задач і вимагають оперативного прийняття рішень персоналом на основі аналізу поточних та накопичених історичних даних. Однією з таких задач є управління вентиляційними установками НБК під впливом певного вітрового навантаження.Питанням моделювання, автоматизації управління процесами НБК, розвитку його інформаційних систем присвячені роботи таких українських та закордонних вчених як П.Г. Круковський, Є.В. Дядюшко, Д.І. Скляренко, В. О. Краснов, А. В. Носовський, В. М. Рудько, В. М. Щербіна, В.Г. Батій, А.О. Сізов, Д. В. Федорченко, А.О. Холодюк, Є.М. Письменний, Роберт Уоррен, Джозеф Карсон, Клаус Шлайдер, Жан-Жак Габріель Bernd Kratz, Florian Wieduwilt та інші. Визнаючи наукову і практичну цінність наявних робіт, слід зазначити, що існуючі моделі дозволяють прогнозувати та оцінювати різні характеристики НБК, однак вони не утворюють єдиної інтегрованої системи моделювання. Інформаційні системи НБК реалізують управління його процесами, однак деякі процеси (наприклад, управління вентиляцією) потребують автоматизації та забезпечення підтримки прийняття рішень. Крім того, наявні інформаційні системи мають недостатні можливості для 3D візуалізації інформації та прогнозування. Таким чином, виникає протиріччя між збільшенням кількості та складності задач обробки даних при експлуатації НБК в умовах обмежених можливостей його інформаційних систем та потребою в зменшенні часу на прийняття обґрунтованих рішень персоналом при вирішенні цих задач. Враховуючи сучасний стан методів та засобів програмної інженерії, в якості базової концепції вирішення цього протиріччя та відповідного розвитку інформаційних технологій НБК в осяжному майбутньому була обрана технологія цифрових двійників. Проблематиці розробки та застосування цифрових двійників присвячені роботи Сулеми Є. С., Дички І.А., Grieves M., Traar G., Karner M., Kritzinger W., Henjes J., Sihn W., M.Grieves, J.Vickers, A.Saddik, H. Zhang, Madni Azat M., Madni C., Гаврилка Є.В., Савельєва М.В. та багатьох інших. Цифрові двійники застосовуються для інтелектуалізації управління експлуатацією об’єктів, навчання персоналу, візуалізація інформації, прогнозування, підтримки прийняття рішень, запобігання надзвичайних ситуацій та їх подоланню. Існує достатньо велика кількість програмних продуктів для побудови цифрових двійників. Однак на сьогодні відсутні узагальнені комплексні наукові дослідження в галузі інженерії програмного забезпечення, що формують цілісне бачення проблематики створення цифрових двійників надвеликих, радіаційно і ядерно небезпечних об'єктів, яким є єдиний у світі НБК ЧАЕС, тому актуальним є вирішення наукового завдання з розробки архітектури, методу і програмного забезпечення обробки даних цифрового двійника НБК ЧАЕС. Метою дисертаційної роботи є покращання можливостей обробки даних для аналізу і управління станом НБК шляхом розробки пов'язаних за єдиними концептуальними підходами архітектури, методів, моделей та програмних засобів його цифрового двійника. Для досягнення поставленої мети виконано часткові завдання: аналіз призначення, функціональних можливостей, архітектури та основних характеристик існуючих інформаційних систем управління та обробки даних НБК; дослідження сучасних підходів до обробки даних при моделюванні та управлінні процесами НБК; огляд концепції цифрових двійників та особливостей обробки даних в них; формування вимог до цифрового двійника НБК та розробка його архітектури; розробка моделі обробки даних у базах даних та знань цифрового двійника НБК; розробка архітектури програмного забезпечення 3D візуалізації інформації стану цифрового двійника НБК; розробка методу і програмного забезпечення цифрового двійника для керування вентиляцією НБК та його перевірка. Наукова новизна результатів дослідження полягає в наступному. Вперше розроблено багаторівневу архітектуру цифрового двійника НБК, яка враховує особливості об’єкту автоматизації, взаємодію з наявними інформаційними системами, моделі та алгоритми управління та прийняття рішень, що дозволило визначити підходи до розробки програмного забезпечення цифрового двійника. Отримала подальший розвиток модель бази даних НБК ЧАЕС, що на відміну від відомих побудована за рахунок інтеграції в структурах даних його цифрового двійника інформації з різних підсистем з врахуванням просторових координат, часової динаміки та змін обладнання, що поліпшило можливості обробки історичних даних, візуалізації та прогнозування стану НБК ЧАЕС. Вперше розроблена архітектура програмного забезпечення 3D візуалізації інформації стану цифрового двійника НБК, що побудована на основі технології мікросервісів з використанням цифрових геометричних моделей НБК та ОУ, яка дозволила реалізувати 3D візуалізацію даних та покращило можливості аналізу стану НБК. Вперше розроблено метод керування вентиляцією НБК на основі його цифрового двійника, новизна якого полягає в використанні нейро-нечітких моделей для розрахунку витрат вентиляційних установок, що враховують стан тисків в основному і кільцевому просторі НБК, що дозволило покращити процес прийняття рішень персоналом. Перевірка на контрольній вибірці показала, що похибка розрахунків по розроблених нейро-нечітких моделях не перевищує 2.5% та 3.2%, що свідчить про їх адекватність та можливість практичного застосування. Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що їх використання підвищило рівень автоматизації проектувальних робіт, розширило можливості обробки даних та підтримки прийняття рішень в задачах управління вентиляційними системами та дозволило поліпшити навчальний процес з підготовки виробничого персоналу НБК ЧАЕС. Застосування запропонованого методу нейро-нечіткого управління вентиляційними системами дозволяє скоротити неорганізовані викиди повітря з радіоактивними аерозолями із Нового безпечного конфайнмента ЧАЕС в оточуюче середовище в середньому на 17,2%. Результати дослідження прийнято до впровадження в Державному спеціалізованому підприємстві «Чорнобильська АЕС» (№ 6700-149 від 29.06.2023); в Інституті технічної теплофізики НАН України (акт реалізації від 08.09.2023 р.); в навчальному процесі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (акт реалізації від 13.09.2023 р.) при викладанні дисципліни «Проектування інформаційних систем з нечіткою логікою». Вирішене в дисертаційному дослідженні наукове завдання має істотне значення для теоретичних основ створення та удосконалення програмного і алгоритмічного забезпечення для аналізу, прогнозування та управління процесами НБК. Отримані наукові результати досліджень є вагомим внеском у розвиток теоретичних і прикладних основ програмної інженерії стосовно розробки цифрових двійників, моделювання та автоматизації управління, 3D візуалізації даних процесів НБК, що є складовою вирішення задачі забезпечення захисту населення та довкілля від наслідків аварії на ЧАЕС. В якості можливих подальших напрямків продовження дослідження можна відмітити наповнення бібліотеки моделей та бібліотеки алгоритмів цифрового двійника НБК шляхом систематизації існуючих моделей і алгоритмів та розробки нових, створення цифрової геометричної моделі устаткування НБК, постановки та вирішення задач розробки підсистем підтримки прийняття рішень в межах запропонованої в роботі архітектури цифрового двійника.

Опис

Ключові слова

цифровий двійник, програмне забезпечення, модель даних, новий безпечний конфайнмент, архітектура системи, інформаційна система, інформаційна технологія, нейро-нечітка мережа, нечітка логіка, база даних, моделювання, підтримка прийняття рішень, автоматизована система, обробка даних, 3D візуалізація, digital twin, software, data model, new safe confinement, system architecture, information system, information technology, neural fuzzy network, fuzzy logic, database, modeling, decision support, automated system, data processing, 3D visualization

Бібліографічний опис

Лобода, П. П. Методи та програмні засоби обробки даних цифрового двійника конфайнменту чорнобильської атомної електростанції : дис. … д-ра філософії : 121 Інженерія програмного забезпечення / Лобода Петро Петрович. – Київ, 2023. – 199 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/63995

DOI

Зібрання

Дисертації (ІПЗЕ)
Дисертації (вільний доступ)