Интеллектуальная система диагностирования состояния поверхностей нагрева котлов ТЭС.
Быстрый переход:
Основная информация
Название :
Интеллектуальная система диагностирования состояния поверхностей нагрева котлов ТЭС.
Автор предложения:
Основное технологическое направление :
Информационно-телекоммуникационные системы и программное обеспечение
Дополнительные технологические направления :
ESG и рациональное природопользование
Дата
публикации:
03.04.2025
Видимость :
Да
Аннотация:
Проект направлен на повышение надёжности функционирования котельного оборудования тепло-электростанций путём разработки и внедрения программно-аппаратного комплекса на базе систем технического зрения с использованием методов искусственных нейронных сетей для проведения мониторинга и интеллектуальной диагностики открытых поверхностей в режиме реального времени и внутренних поверхностей при проведении профилактических работ. Цифровая система, в состав которой входит аппаратный комплекс и программное обеспечение с модулем распознавания дефектов на основе обработки изображений искусственными нейронными сетями, производит бесперебойный высокоскоростной сбор данных о состоянии котельного оборудования. Программное обеспечение с функциями интеллектуальной обработки больших массивов данных и прогнозирования состояния на базе обученных искусственных нейронных сетей обрабатывает изображение, определяя возможные очаги возникновения дефектов. Программное обеспечение позволяет качественно повысить безотказность функционирования котельного оборудования и предотвратить аварийные ситуации путём своевременного предупреждения и создания достаточных условий для вывода котельного оборудования в ремонт по фактическому состоянию.
Результаты проекта могут быть использованы в составе программно-аппаратного комплекса обеспечения безопасности турбогенератора, разработанного коллективом НОЦ интеллектуальных технологий мониторинга и диагностики энергогенерирующего оборудования в рамках проекта №05.607.21.0303 "Разработка интеллектуальной технологии мониторинга и прототипа программно-аппаратного комплекса безопасности объектов энергетического комплекса" ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно - технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы".
Результаты проекта могут быть использованы в составе программно-аппаратного комплекса обеспечения безопасности турбогенератора, разработанного коллективом НОЦ интеллектуальных технологий мониторинга и диагностики энергогенерирующего оборудования в рамках проекта №05.607.21.0303 "Разработка интеллектуальной технологии мониторинга и прототипа программно-аппаратного комплекса безопасности объектов энергетического комплекса" ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно - технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы".
Решаемые проблемы и области применения
Решаемые проблемы :
Повышение безопасности эксплуатации объекта энергогенерации в целом.
Повышение достоверности информации о качестве металла и остаточном ресурсе узлов котлов.
Снижение издержек на планирование и организацию ремонта котельного оборудования.
Актуальность проблемы:
Общемировые тенденции демонстрируют необходимость внедрения информационных систем и использование новейших технологий, таких как облачные дата-центры, промышленный интернет вещей, машинное обучение, нейронные сети и обработка больших данных для управления объектами энергетики и повышения эффективности работы энергетического комплекса в целом. Отдельные вызовы концепции Индустрии 4.0 нашли отражение в стратегии развития электросетевого комплекса РФ, включающей переход к управлению производственными активами по фактическому техническому состоянию. Переход от планово-предупредительных ремонтов к ремонту по фактическому техническому состоянию требует хранения, обработки и передачи значительных объёмов информации, что стало реалистичным только сейчас, с развитием компьютерных систем и методов анализа и обработки больших данных с помощью технологий машинного обучения и нейронных сетей. Это позволяет осуществлять комплексный мониторинг и прогнозирование с учётом взаимного влияния всех систем. Использование цифровой интеллектуальной технологии, основанной на методах машинного обучения, которые, опираясь на данные мониторинга в режиме реального времени и статистику огромного массива данных по отказам совместно с математическим аппаратом, описывающим комплекс механических, тепло-физических и динамических процессов в турбоагрегате совместно с трактовками экспертного сообщества смогут дать синергетический эффект более раннего прогнозирования катастрофических отказов энергетического оборудования и, тем самым, снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций с тяжёлыми техногенными и экономическими последствиями. Информация о состоянии объектов энергетики должна обеспечивать прозрачность логики систем принятия решений и не должна выходить за пределы аккредитованных организаций. При этом нельзя забывать, что ответственность в принятии решений лежит на конкретных должностных лицах, которые должны руководствоваться заключениями только от сертифицированных автоматизированных систем и отраслевых экспертов.Энергогенерирующая отрасль, более чем другие, нуждается в построении новой глобальной системы обеспечения безопасности, основанной на постоянном мониторинге и предиктивной диагностике, кластерной диагностике и адаптивном реагировании на развивающиеся катастрофические сценарии отказов технического оборудования.Котельное оборудование тепловых электростанций является сложнейшей технической системой, подверженной существенным тепловым нагрузкам, химическим и механическим воздействиям. Прогнозирование состояния ключевых деталей и узлов, своевременный мониторинг и диагностика должны качественно повысить уровень безопасности и безотказности функционирования топок котлоагрегатов, водяных труб, пароперегревателя и др. критических элементов.
Потенциальный экономический эффект:
Снижение затрат эксплуатанта на аварийный ремонт, оптимальное планирование планового ремонта, повышение доверительной оценки потребителей, снижение затрат на привлечении аутсорсинговых компаний и специалистов для мониторинга и диагностики котельного оборудования.Оценка экономического эффекта в денежном выражении затруднена из-за закрытости информации о финансовых затратах Заказчика на проведение аварийных и плановых ремонтов котельного оборудования.
Технологическая схема:
Устройство для мониторинга котельного оборудование представляет собой камеру высокого разрешения, размещаемую стационарно на открытых поверхностях котельного оборудования или на телескопическом устройстве, помещаемом внутрь диагностируемого объекта. Устройстов по проводному/беспроводному каналу связи передаёт изображение поверхностей узлов котельного оборудования, которые автоматически сравниваются с шаблонами дефектов посредством обученной нейросети. На выходе формируется информация о площади возникновения дефекта и степени деградации металла.
Технология
Описание технологии и ее ценность :
Основная идея технологии заключается в сборе и обработке данных мультисенсорных измерений с применением искусственных нейронных сетей. Ценность технологии определяется следующими пунктами:
1) возможность полной автоматизации процесса выявления дефектов, получения диагностической информации в режиме реального времени и беспроводной передачи данных в центр сбора информации;
2) мультисенсорность системы диагностирования подразумевает возможность получения и обработки любой диагностической информации – акустических сигналов, видеоизображений в широком диапазоне длин волн, в том числе в инфракрасном;
3) система диагностирования позволяет не только установить наличие дефекта, но и определить его конкретный тип из перечня, который может включать тысячи наименований при условии наличия базы данных подобных дефектов;
4) точность системы диагностирования превышает точностиь экспертной оценки.
Варианты оценки дефектов при помощи нейронных сетей:
1) Визуальная диагностика по фото/видео с применением сверточной нейросети. Ставится задача – определить наличие и тип дефекта (задача классификации). Нейронную сеть можно обучить основе необходимого объема данных с изображениями искомых типов дефектов (крип, коррозия, побежалость, трещины, разрывы и т.д.). В случае обнаружения дефекта его необходимо локализовать (указать в каком именно месте он находится), в этом случае решается задача «objectdetection». На изображение в необходимом месте накладывается «бокс», чтобы оператор видел, где именно располагается повреждение.
2) Система поиска аномалий (СПА) позволит постепенно нарастить базу данных и последовательно перейти к определению конкретного типа дефектов, или же позволит определить новый, не входивший в начальную классификацию, тип повреждения (аномалию). В первом случае алгоритм действия следующий: СПА находит «неизвестный дефект», после чего квалифицированные работники визуально оценивают и определяют тип найденного повреждения. Информация о каждом найденном повреждении вносится в систему. Таким образом, происходит последовательное наращивание базы данных и обучение сети. Во втором случае СПА можно использовать как дополнение к нейронной сети, обученной классифицировать дефекты.
3) Визуальный контроль можно совместить с дополнительной измерительной системой, например, в местах, недоступных камерам, недостаточно освещённым, можно использовать другие датчики для выявления дефектов в структуре и на поверхности металла.
В физическом исполнении ПАК может представлять из себя зонд (возможно телескопический) с камерами, датчиками и системой освещения, погружаемый внутрь неработающего котла в период проведения обязательного визуального контроля за оборудованием. При этом зонд можно монтировать на опоры самого котла, так как, по сравнению с котлом, зонд будет существенно компактнее. Можно разработать систему приводов для автоматической подачи зонда в полость котла. Разработка подобной системы поможет сократить временные и финансовые затраты на операции ремонта и технического обслуживания, а также уменьшить влияние человеческого фактора на качество проведения визуального контроля. При этом диагностирование можно проводить удаленно, данные с ПАК можно передавать в любую точку ТЭС. Отсутствует необходимость находиться в непосредственной близости к котлу для проведения визуального контроля.
Научная база :
Научной базой системы диагностики являются методы математической статистики для обработки больших объемов данных (от англ. bigdata – большие данные) с применением современных архитектур искусственных нейронных сетей, таких как сверточные нейронные сети, автоэнкодеры, сети долгой краткосрочной памяти и другие.
Конкурентные технологии :
В настоящее время подобные технологии диагностики применяет большинство исследователей в технике, медицине и других областях. Однако, несмотря на объединяющие основы методов исследований, готовые системы диагностики применимы только в той области, в которой производилось их обучение и тестирование. Обучение и тестирование подразумевают сбор и обработку диагностических данных, их экспертную оценку. Таким образом, универсальные технологии позволяют создавать индивидуальный инструмент. В частности, инструмент диагностирования состояния поверхностей нагрева котлов.
Инновационность технологии, конкурентные преимущества
Технология относится к области искусственного интеллекта и позволяет перевести техническую систему на высший уровень иерархии – уровень обучающихся систем.
Инновационность технологии, конкурентные преимущества :
Технология относится к области искусственного интеллекта и позволяет перевести техническую систему на высший уровень иерархии – уровень обучающихся систем.
Текущее состояние
Описание текущего состояния :
Сформулирована концепция технологии и конечного продукта. Выполнен аналитический обзор, показавший правомочность предлагаемых решений и отсутствие на рынке законченных продуктов по диагностике дефектов металла узлов котельного оборудования на базе обработки изображения. Определены основные компоненты программно-аппаратного комплекса, разработано базовое программное обеспечение по анализу видеоизображений и выявлению дефектов с использованием искусственный нейронных сетей. Разработаны топологии микросхем для реализации компактного устройства диагностики.
Методологическая, программная и инструментальная база частично готовы. Для полной готовности необходимо установить перечень измерительного оборудования, произвести сборку оборудования, затем сбор и разметку диагностической информации в условиях производства.
Нужно описать не только состояние исследований в научной области, а готовность технологии, состояние в области научных интересов.
План развития в рамках текущего финансирования:
год, основной результат проекта (что случится в указанном году).
Можно расписать несколько лет
Первый этап (12 месяцев).
Разработка прототипа системы диагностирования. Создание инфраструктуры для сбора, передачи и хранения диагностических данных. Сбор информации и создание базы данных диагностической информации.
Второй этап (12 месяцев).
Внедрение разработанной системы диагностики, оценка точности по сравнению с экспертами. Регистрация результатов интеллектуальной деятельности. Разработка протокола технической поддрержи системы диагностики.
Интеллектуальная собственность :
Название документа | 1. База данных мониторинга функциональных характеристик роторно-опорных систем. Корнаев Н.В., Корнаев А.В., Казаков Ю.Н., Фетисов А.С. Свидетельство огосударственной регистрации базы данных RU 2019621728, 08.10.2019. Заявка № 2019621670 от 01.10.2019. |
Номер | 1. База данных мониторинга функциональных характеристик роторно-опорных систем. Корнаев Н.В., Корнаев А.В., Казаков Ю.Н., Фетисов А.С. Свидетельство огосударственной регистрации базы данных RU 2019621728, 08.10.2019. Заявка № 2019621670 от 01.10.2019. |
Название документа | 2. Программа обработки выходных данных информационно-измерительной системы роторно-опорной установки. Корнаев А.В., Фетисов А.С., Корнаева Е.П., Савин Л.А. Свидетельствоо государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2018666314, 14.12.2018. Заявка № 2018663630 от 29.11.2018. |
Номер | 2. Программа обработки выходных данных информационно-измерительной системы роторно-опорной установки. Корнаев А.В., Фетисов А.С., Корнаева Е.П., Савин Л.А. Свидетельствоо государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2018666314, 14.12.2018. Заявка № 2018663630 от 29.11.2018. |
Название документа | 3. Программа обработки данных роторной системы в режиме реального времени. Токмаков Н.В., Корнаев А.В., Савин Л.А., Фетисов А.С. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2018618524, 13.07.2018. Заявка № 2018615749 от 05.06.2018. |
Номер | 3. Программа обработки данных роторной системы в режиме реального времени. Токмаков Н.В., Корнаев А.В., Савин Л.А., Фетисов А.С. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2018618524, 13.07.2018. Заявка № 2018615749 от 05.06.2018. |
Название документа | Программный модуль автономного устройства сбора диагностических данных энергетических роторных машин. Попов С.Г., Стебаков И.Н., Корнаев А.В., Поляков Р.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2020660798 от 11 сентября 2020 г. |
Номер | Программный модуль автономного устройства сбора диагностических данных энергетических роторных машин. Попов С.Г., Стебаков И.Н., Корнаев А.В., Поляков Р.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2020660798 от 11 сентября 2020 г. |
Название документа | Программа регистрации вибрационного сигнала и прогнозирования состояния подшипника скольжения. Бондаренко М.Э., Поляков Р.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2020611157. |
Номер | Программа регистрации вибрационного сигнала и прогнозирования состояния подшипника скольжения. Бондаренко М.Э., Поляков Р.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2020611157. |
План развития :
2023 | Экспериментальный образец программно-аппаратного комплекса, результаты тестовых испытаний |
Команда проекта
Численность проектной команды :
9
Структура и компетенции команды :
Руководитель проекта, ведущий научный сотрудник НОЦ интеллектуальных технологий мониторинга и диагностики энергогенерирующего оборудования, д-р техн. наук Поляков Р.Н., является соавтором 30 статей в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и WoS (из них 2 имеющих квартили Q1, Q2), более 100 научных работ в предметной области проекта, является соавтором более 30 патентов на изобретения, полезные модели и авторских свидетельств на программное обеспечение, подготовил 2 кандидатов технических наук. В настоящее время руководитель 9 аспирантов и 1 докторанта, член 2 диссертационных советов.
В состав научного коллектива входит в качестве старшего научного сотрудника Савин Л.А., д.т.н., профессор, профессор кафедры мехатроники, механики и робототехники, член высшего инженерного совета России, действительный член Российской инженерной академии, почётный работник высшего профессионального образования РФ, с 2019 г. – заслуженный деятель науки РФ. Основатель научной школы, подготовил 3 докторов и 25 кандидатов технических наук. Научный руководитель 8 аспирантов, 6 докторантов и соискателей. Член 3 диссертационных советов. Научный консультант докторантов и аспирантов в ряде университетов РФ. Председатель Орловского отделения Российской инженерной академии. Научный руководитель научно-методического семинара по моделированию гидродинамических и мехатронных систем. Член редакционного совета журнала "Мир транспорта и технологии машин". Эксперт РИНКЦЭ. Автор более 420 научных работ, в том числе 12 монографий, 75 патентов и авторских свидетельств, более 120 научных и методических статей в российских и зарубежных журналах. За последние годы руководил выполнением 24 научно-технических проектов в рамках НТП министерства образования и науки РФ, РФФИ, РНФ, хозяйственных договоров с российскими и зарубежными партнёрами. Принял участие в 70 научных конференциях, в том числе за рубежом. Проводил научную работу в качестве приглашённого профессора в университетах Индии и Китая. За последние годы выступал в качестве официального оппонента 9 докторских и более 20 кандидатских диссертаций, рецензент 12 монографий.
НОЦ интеллектуальных технологий мониторинга и диагностики энергогенерирующего оборудования стал самым масштабным структурным научным подразделением в истории ОГУ им. И.С. Тургенева. Использование в рамках проекта производственно-технологической базы центра коллективного пользования ОГУ им. И.С. Тургенева, его материально-технической базы и кадрового потенциала обеспечит высокий уровень прикладных теоретических исследований, экспериментального производства проектных макетов, экспериментальных исследований и испытаний.
Будут использованы также наработки инжинирингового центра в области систем управления машинными и роботизированными комплексами с применением новейших интеллектуальных технологий.
В общей сложности за историю существования научный коллектив выполнил 34 научных проекта, в рамках которых были получены значимые научно-технические результаты по моделированию рабочих процессов в роторных машинах. Были созданы экспериментальные стенды по исследованию характеристик элементов роторно-опорных узлов при различных динамических, кинематических и температурных возмущениях.
В настоящее время выполняются следующие научные проекты.
1. Теоретическое и экспериментальное исследование применения реомагнитных жидкостей в мехатронных подшипниковых узлах. Код проекта 18-38-00465 мол_а (Российский фонд фундаментальных исследований), сроки проведения 2018 – 2020 гг.
2. Разработка мобильного ветрогенератора-трансформера для нужд Арктики и Крайнего Севера. Договор №13716ГУ/2018 с ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере», сроки проведения 2019 – 2020 гг..
3. Контроль и управление вибрацией высокоскоростного ротора. Код проекта №20190221006 (ГРАНТ Китайского научного фонда) сроки проведения 2019 – 2021 гг. Foreign Cooperation Projects of Fujian Science and Technology Program.
4. Исследование динамики ротора на подшипниках скольжения с реомагнитными жидкостями. Код проекта 19-38-90259 (Российский фонд фундаментальных исследований), сроки проведения 2019 – 2021 гг.
5. Обучаемые системы диагностики и управления роторными машинами с опорами жидкостного трения. Код проекта МД-129.2020.8. (Российский фонд фундаментальных исследований), сроки проведения 2020 – 2021 гг.
Поддержанный в 2019 году Министерством науки и высшего образования проекта №05.607.21.0303 "Разработка интеллектуальной технологии мониторинга и прототипа программно-аппаратного комплекса безопасности объектов энергетического комплекса" в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно - технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы" поставил перед коллективом ученых ОГУ им. И.С. Тургенева основной задачей создание наукоемкого инновационного продукта в виде интеллектуального программно-аппаратного комплекса мониторинга ключевых показателей работоспособности турбогенераторов и их анализа в режиме реального времени не только классическим методами прямого или спектрального анализа, но и новыми методами кластеризации с помощью обучаемых искусственных нейросетей. Данный продукт может быть востребован не только на внутреннем российском рынке, но и на рынках стран Евразийского союза. В рамках выполненного проекта была сформирована доказательная база применимость методов искусственного интеллекта для повышения эффективности систем мониторинга и диагностики энергогенерирующего оборудования. При этом были выявлены недостатки трудной совместимости разработанных программных модулей по анализу информации о состоянии турбогенератора с фактически закрытым кодом программно-аппаратных решений иностранных фирм производителей, уязвимость информации и риски нестабильной передачи данных. Данное положение, в свою очередь, определяет особенную актуальность достижение поставленных в настоящем проекте целей, а именно комплексную разработку «с нуля» аппаратных решений сбора данных о состоянии технического оборудования на базе отечественных микроконтроллеров и оригинального программного обеспечения, использующего методы искусственного интеллекта для обработки мониторинговой информации и прогнозной диагностики состояния технического оборудования.
Члены команды :
Поляков Роман Николаевич | руководитель | |
Корнаев Алексей Валерьевич | ответственный исполнитель | |
Пахолкин Евгений Васильевич | старший научный сотрудник | |
Бондаренко Максим Эдуардович | научный сотрудник | |
Фетисов Александр Сергеевич | младший научный сотрудник | |
Попов Сергей Георгиевич | младший научный сотрудник | |
Стебаков Иван Николаевич | младший научный сотрудник | |
Марахин Никита Алексеевич | младший научный сотрудник | |
Казаков Юрий Николаевич | стажёр-исследователь |
Предложение инвестору / партнеру
Необходимые ресурсы для реализации проекта :
10 млн. руб. в од
Дорожная карта развития проекта :
2021 | 2022 | 2023 |
Разработка экспериментального образца аппаратного комплекса. | Программное обеспечение по обнаружению дефектов с предварительно обученной нейросеть. | ПАК и результаты тестирования на объектах заказчика. |