ВВЕДЕНИЕ 15
1 АЛГОРИТМЫ СПЕКТРАЛЬНОГО И ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОГО
КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА 17
1.1 Спектральный анализ 17
1.1.1 Ряды Фурье 17
1.1.2 Дискретное преобразование Фурье 19
1.1.3 Быстрое преобразование Фурье 21
1.1.4 Алгоритм Кули-Тьюки 23
1.1.5 Алгоритмическая реализация обработки сигналов при решении задачи
обнаружения утечек 26
1.1.6 Функции когерентности 28
1.2 Частотно-временной корреляционный анализ 30
2 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ СПЕКТРАЛЬНОГО И
ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОГО КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА 33
2.1 Исследование быстрое преобразование Фурье 33
2.1.1 Последовательная реализация быстрого преобразования Фурье 33
2.1.2 Реализация быстрого преобразования Фурье на параллельной архитектуре
путём распараллеливания обхода рекурсии в ширину 34
2.1.3 Анализ эффективности распараллеливания быстрого преобразования
Фурье 35
2.1.4 Вычисление обратного преобразования Фурье через прямое быстрое
преобразование Фурье 38
2.2 Исследование взаимнокорреляционной функции 40
2.2.1 Последовательная и параллельная реализация расчёта
взаимнокорреляционной функции 40
2.2.2 Анализ эффективности распараллеливания взаимнокорреляционной
функции 43
2.3 Исследование функций когерентности 48
2.3.1 Последовательная и параллельная реализация расчёта функций когерентности 48
2.3.2 Анализ эффективности распараллеливания функций когерентности 51
2.3.3 Оптимизация работы с памятью при расчёте функций когерентности 57
2.4 Исследование частотно-временных корреляционных функций 62
2.4.1 Последовательная и параллельная реализация расчёта частотновременных корреляционных функций 62
2.4.2 Применение архитектурных и компиляторных оптимизаций к
вычислению частотно-временных корреляционных функций 64
3 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 67
3.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 67
3.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 67
3.1.2 Анализ конкурентных технических решений 68
3.1.3 SWOT-анализ 68
3.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований 69
3.3 Планирование научно-исследовательских работ 70
3.3.1 Структура работ в рамках планируемого исследования 70
3.3.2 ГРАФИК ПРОВЕДЕНИЯ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 70
3.3.3 Бюджет научно-технического исследования 73
3.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 81
3.4.1 Расчёт интегральных показателей финансовой эффективности 81
3.4.2 Расчёт интегральных показателей ресурсоэффективности 81
3.4.3 Расчёт интегральных показателей эффективности вариантов исполнения разработки 82
3.5 Оценка научно-технического уровня научно-исследовательской работы 83
3.6 Оценка экономического эффекта 85
4 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 87
4.1 Введение 87
4.2 Производственная безопасность 87
4.2.1 Анализ вредных производственных факторов и санитарных норм 88
4.2.2 Анализ опасных производственных факторов 94
4.3 Экологическая безопасность 95
4.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях (техногенного, природного,
социального характера) 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
CONCLUSION 99
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА 100
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 106
Приложение А (Обязательное). Некоторые оконные функции 111
Приложение Б (Обязательное). Архитектурные и компиляторные оптимизации 113
Б.1 Архитектурные оптимизации 113
Б.1.1 Векторизация 113
Б.1.2 Упреждающее помещение данных в кэш первого уровня 114
Б.1.3 Уменьшение числа ветвлений 114
Б.2 Компиляторные оптимизации 115
Приложение В (Обязательное). Анализ эффективности распараллеливания вычисления частотно-временной корреляционной функции 116
Приложение Г (Обязательное). Application of time-frequency correlation analysis for leak detection 120
G.1 Time-frequency correlation analysis 120
G.2 Algorithm of the time-frequency correlation function acquisition 123
G.3 Informative assessment of time-frequency correlation function 126
G.4 The study of signals received during the leakage survey 129
Аварии на нефтепроводах и коммунальных трубопроводах, сопровождающиеся истечением жидкости, причиняют значительный экономический и экологический ущерб. Несмотря на контрольные, профилактические и иные мероприятия, направленные на оперативное выявление мест утонения стенок трубопроводов и их превентивный ремонт, полностью исключить аварии и прорывы не удается. Последнее, в том числе, связано с тем, что одной из ключевых причин аварийности были и остаются несанкционированные врезки.
Необходимым условием для своевременного устранения аварий и ликвидации их последствий является оперативное определение местоположения утечек и врезок. Для решения данной задачи разработано и применяется большое количество методов, отличающихся чувствительностью, помехозащищенностью, скоростью и точностью определения координат мест утечек и врезок. Важное место среди таких методов занимает корреляционно - акустический метод, основанный на приёме и корреляционной обработке сигналов акустической эмиссии источником которых является истекающая из трубопровода жидкость.
Благодаря высокой чувствительности и точности, средства контроля, основанные на применении корреляционно-акустического метода, находят применение, в том числе при поиске утечек на магистральных нефтепроводах. При этом, такие течеискатели могут быть реализованы и как портативные устройства, и как стационарные системы для непрерывного контроля. Последнее особенно актуально на подводных переходах нефтепроводов, а также переходов нефтепроводов через железные и автодороги.
Несмотря на принципиальную применимость метода для решения различных задач обнаружения утечек, качество их решения определяется эффективностью цифровой обработки сигналов. Данная работа посвящена исследованию, оптимизации и программной реализации алгоритмов
спектрального анализа и вычисления частотно-временной корреляционной функции, обладающей рядом преимуществ, по сравнению с традиционными подходами, для корреляционной обработки акустических сигналов в рамках проекта РФФИ (№16-37-00049 мола).
В настоящее время проблема эффективной и безаварийной эксплуатации нефтепроводов и продуктопроводов является актуальной не только в масштабе нефтегазовой отрасли, но и экономики РФ в целом. Ключевыми аспектами эффективной эксплуатации являются снижение риска возникновения аварий с одной стороны и минимизация негативных последствий при их возникновении - с другой. Последнее невозможно без разработки и применения эффективных средств непрерывного и оперативного контроля герметичности трубопроводов.
В качестве таких средств могут рассматриваться корреляционноакустические течеискатели и системы непрерывного акустико-эмиссионного контроля герметичности. В тоже время, несмотря на принципиальную применимость и достаточную эффективность, корреляционно-акустические методы и средства контроля до сих пор не получили широкого распространения в нефтяном хозяйстве. В качестве основных факторов, сдерживающих распространение обозначенных выше технических решений, можно привести следующие: недостаточная точность обнаружения утечек при контроле протяженных участков трубопроводов, относительно малое максимальное расстояние между датчиками, неприспособленность программного обеспечения представленных на рынке корреляторов для решения задачи поиска утечек в нефтепроводах.
Все указанные недостатки могут быть устранены путём разработки и внедрения эффективных программных решений, отвечающих следующим требованиям: использование развитого математического аппарата ЦОС, наличие возможностей гибкой настройки параметров анализа, оптимальное использование ресурсов вычислителя. Разрабатываемое автором ПО потенциально удовлетворяет всем перечисленным требованиям, что обеспечивается применением оригинального метода частотно-временного корреляционного анализа и комплексным подходом к оптимизации вычислений.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
