Интеллектуальная система диагностирования состояния поверхностей нагрева котлов ТЭС.

Основная информация

Название :
Интеллектуальная система диагностирования состояния поверхностей нагрева котлов ТЭС.
Основное технологическое направление :
Информационно-телекоммуникационные системы и программное обеспечение
Дополнительные технологические направления :
ESG и рациональное природопользование
Дата публикации:
26.04.2024
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".

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.
Контактная информация