Имитационное моделирование воздействий на импактную экосистему на всех этапах жизненного цикла ТЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность: 03.00.16 - Экология

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ИМПАКТНУЮ ЭКОСИСТЕМУ НА ВСЕХ ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ТЭС

Шагов Константин Евгеньевич

МОСКВА - 2006

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы подтверждается наметившимся ростом экономики в Российской Федерации, вызывающим необходимость строительства энергетических объектов. В современных условиях Россия обязана учитывать повышение требований к экологической безопасности строительства и эксплуатации объектов энергетики. В России приняты современные законодательные акты в сфере охраны окружающей среды. Подготовлены к принятию на государственном уровне технические регламенты в сфере экологической безопасности. Меры по улучшению среды обитания, принимаемые на государственном уровне, требуют от науки разработки новых, более эффективных методов экологической безопасности.

Актуальность темы обусловлена отсутствием на сегодняшний день эффективных методов оценки воздействий строительства и эксплуатации крупных энергетических объектов на экосистему региона их расположения. Действующая в России методика проведения оценки воздействий на окружающую среду не дает достоверных результатов для принятия проектных решений по указанным объектам. Обязательная процедура оценки воздействий на окружающую среду позволяет оценить методами интерполяции возможные изменения состояния загрязнения окружающей среды в результате хозяйственной деятельности. Однако такой подход для сложных природно-технических систем (комплексы ТЭС) не дает достоверного результата. Очевидна необходимость создания модели воздействий ТЭС на окружающую среду с использованием современных программно-технических средств, которая позволит осуществить оценку с требуемой достоверностью.

Обзор научных работ и публикаций отечественных (Преображенский В.С., Максименко Ю.Л., Горкина И.Д., Дайман С.Ю., Стремберг Л.М., и др.) и зарубежных (Cherp A., Canter L.W., Lee N., George C., и др.) ученых и анализ программных пакетов показал, что для сложных природно-технических систем появились новые способы оценки и моделирования воздействий, но отсутствуют методики их применения. Иными словами, не описано, как для определенной предметной области создать имитационную модель процессов воздействия на окружающую среду, заполнить её данными и найти зависимости для принятия экологически безопасных проектных решений.

Целью диссертации является разработка положений и научно - методических основ принципиальной схемы имитационного моделирования процессов воздействия на импактную экосистему в результате строительства и эксплуатации тепловых электростанций для анализа, разработки и принятия экологически безопасных проектных решений.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

· исследовать и классифицировать основные виды воздействий тепловой электростанции на динамику экосистемы окружающей среды;

· проанализировать методы оценки воздействий хозяйственной деятельности на окружающую среду в результате строительства и эксплуатации тепловых электростанций;

· проанализировать компьютерные системы для информационной поддержки экологической безопасности строительных объектов энергетической отрасли и близлежащих территорий на этапах жизненного цикла;

· разработать принципиальную схему моделирования воздействий от проектируемой тепловой электростанции, с учетом системности и зависимости факторов влияния от состояния окружающей среды и применяемых технологий, для оценки воздействий, разработки и принятия экологически безопасных проектных решений;

· построить с помощью разработанной схемы имитационную модель и получить практические проектные рекомендаций.

Объект исследования: природно-техническая система, подвергающаяся воздействию хозяйственной деятельности в результате строительства и эксплуатации тепловой электростанции.

Предмет исследования: имитационное моделирование воздействий строительства и эксплуатации объекта на окружающую среду для определения негативных факторов и способов их смягчения.

Методология исследования: системный анализ, математическое и компьютерное моделирование, экспертные системы, прикладные исследования, методы ранжирования данных, матрицы анализа и оценки воздействий, потоковые диаграммы и контрольные списки.

Автор рассматривает взаимоотношение строительства и эксплуатации тепловой электростанции с импактной экосистемой, как сложную взаимосвязанную систему, зависящую от элементов технологической схемы и условий окружающей среды. В работе ставится задача создать имитационную модель процессов воздействия таким образом, чтобы на основе системного анализа всех основных факторов воздействия на протяжении всего жизненного цикла объекта обеспечить смягчение воздействий до минимума путем разработки экологически безопасных проектных решений. С учетом сложности исследуемой предметной области разрабатываемая методика должна позволить учесть неформальные знания, накопленные специалистами.

Научная новизна выносимых на защиту результатов работы заключается в том, что:

· разработан и применен новый подход к созданию имитационной модели, на основе причинно - следственных изменений реализованных по принципу минимакса;

· для существующих частных методик оценки и моделирования применены новые методы сбора и обработки информации, такие как: системы быстрой оценки состояния окружающей среды, системы поддержки принятия проектных решений, геоинформационные технологии, метод Дельфи, статистический аппарат обработки данных и согласованности экспертов;

· применена методология стандарта IDEF0 для графического описания разработанной принципиальной схемы моделирования;

· предложенная принципиальная схема имитационного моделирования позволяет не только оценить и спрогнозировать воздействия на окружающую среду, но и моделировать их последствия, оценивать, отбирать экологически безопасные проектные решения;

· разработана принципиальная схема моделирования воздействий от проектируемой тепловой электростанции на этапе строительства и эксплуатации, с учетом системности воздействий, зависимости факторов влияния от состояния окружающей среды и применяемых технологий.

Практическая значимость исследования заключается:

· в разработке принципиальной схемы моделирования воздействий от проектируемой тепловой электростанции на этапе строительства и эксплуатации (с учетом системности и зависимости факторов влияния от состояния окружающей среды, и применяемых технологий), позволяющей оценивать и прогнозировать, моделировать и отбирать экологически безопасные проектные решения;

· в рекомендациях по моделированию воздействий энергетических объектов на импактную экосистему окружающей среды на этапе разработки реальных проектов;

· в применении результатов исследования для учебного процесса в МГСУ по специализации «экологическая безопасность строительства».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на заседании кафедры Строительства тепловых и атомных электростанций МГСУ, опубликованы в печатных изданиях - 4 печатные работы, представлены на научно - практических конференциях: «Научно - Технической конференции по итогам научно - исследовательских работ студентов, аспирантов МГСУ» в период с 2002 г. по 2004 г.; «IX Международной выставке молодежных научно - технических проектов, ЭКСПО - наука 2003»; «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в период с 2004 г. по 2006 г..

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и предложений, списка литературы и трех приложений. Объем диссертации 161 страница, основной текст содержит 127 страниц, 10 таблиц, 46 рисунков, список литературы из 128 наименований, в том числе 25 ссылок на нормативно - правовую и нормативно - техническую документацию, а также 17 ссылок на иностранную литературу.

Автор глубоко благодарен профессору кафедры Строительства тепловых и атомных электростанций к.т.н. М.Ю. Слесареву, под руководством которого проводилась научно-исследовательская работа. Автор искренне признателен научному консультанту диссертационной работы зав. каф. Строительства тепловых и атомных электростанций МГСУ проф. д.т.н. В.И. Теличенко, а также проф. д.т.н. А.С. Павлову.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

имитационный моделирование импактный экосистема

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определена цель и задачи исследования, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализировано понятие окружающей среды и структуры экосистемы. Приняты и определены: характеристики и классификация форм загрязнения, основные виды воздействий тепловой электростанции, влияющие на динамику состояния окружающей среды, а также описана роль предприятий энергетического комплекса в загрязнении окружающей среды.

Анализ состояния энергетической отрасли показал тенденцию возможного увеличения антропогенной нагрузки на окружающую среду, что подчеркивает актуальность решения поставленных задач.

Рассмотрены и проанализированы основные методы оценки и моделирования, используемые для отдельных этапов системы оценки воздействий на окружающую среду - ОВОС (матрицы анализа и оценки воздействий, потоковые диаграммы и контрольные списки); определены их преимущества и недостатки.

Проведенный анализ научных и нормативных методологий оценки воздействий и прогнозирования показал, что их основной недостаток заключается в системном анализе воздействии на окружающую среду, не учтена структурная взаимосвязь экосистем, поскольку нарушение или уничтожение одной экосистемы влечет, как правило, необратимые изменения в сопряженных с ней экосистемах. Разрабатываемая модель должна учесть системность факторов воздействия от рассматриваемого объекта на окружающую среду.

Подробно рассмотрены современные компьютерные методики моделирования воздействий. Выполнено сравнение основных программных комплексов; поставлены задачи по внедрению систем поддержки принятия решений «полного цикла» в России применительно к строительному комплексу с учетом подотраслевых отраслей.

Таким образом, проведенный анализ позволил детализировать область исследования и окончательно сформировать методологическую схему выполнения исследования (рис. 1).

Представленная схема исследования (рис. 1) является методологической основой диссертационной работы и направлена на разработку концепции и математического описания предметной области с использованием теории оценки и моделирования на основе экспертных систем и учета системности воздействий.

Во второй главе для оценки экологических последствий от строительства и эксплуатации тепловой электростанции сформулированы и применены пять видов экологических оценок: общая природная, специальная природная - применительно к энергетическим объектам, технологическая, экономическая и социальная оценка.

Проанализированы схемы проведения ОВОС и представлены схемы возможных моделей. Согласно поставленной цели исследования приняты критерии, которым должна удовлетворять разрабатываемая модель:

1. описывать все жизненные циклы объекта;

2. учитывать природно-социальные и технологически-производственные условия;

3. должна быть основана на математических вероятностных, или/и статистических данных;

4. учитывать системность воздействий и внешних условий;

5. должна быть объектно-ориентирована на применение современных компьютерных моделирующих комплексов с учетом экспертной подосновы.

Моделирование рассматриваемой природно-техногенной системы невозможно выполнить путем создания одной модели, т.к. затруднительно выявить все зависимости между принимаемыми проектными решениями и изменениями состояния окружающей среды сразу. Границы нашей модели - импактной экосистемы - ограничены зоной влияния проектируемого объекта. Как показало проведённое исследование, зона влияния рассматриваемого объекта (Калининградская ТЭЦ-2), охватывает территорию радиусом 14 км. Получается, что модель объекта исследования должна моделировать импактную экосистему (объект оригинал) площадью 615, 5 км².

Для решения поставленных задач был разработан комплекс макромоделей, состоящий из совокупности имитационных моделей, где каждая модель имитирует отдельный элемент системы (рис. 2), а взаимодействие внутри комплекса происходит на основе причинно - следственных изменений.

Для решения поставленных задач разработаны:

· принципиальная структура предметно специализированной имитационной макромодели (рис. 2);

· причинно-следственный механизм функционирования предлагаемой модели на основе принципа минимакса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Структурная схема предметно специализированной имитационной макромодели.

Причинно-следственный механизм позволит при моделировании модели элемента макромодели выявить зависимости состояния окружающей среды от технологии строительства (в макромодели n+1), технологической схемы оборудования (в макромодели n+2), ..., и наложить ограничения - следствие на моделирование последующих элементов макромодели.

Известный из математики принцип минимакса - принцип получения максимума из минимума, представленный на рисунке 3 в самом общем виде отражает взаимодействия между полюсами двойственного отношения системы «тепловая электростанция - импактная экосистема». Так, если одна сторона системы придерживается достижения «максимального» положительного значения целевой функции двойственного отношения

F (X, Y), то противоположная сторона, наоборот, стремится достичь «максимального» отрицательного значения этой функции. В результате рождается принцип минимакса. Это область пересечения «интересов» точка «А» фиксирующая баланс между противоположными целями рассматриваемой системы.

Рис. 3. Взаимоотношения между полюсами двойственного отношения принципа минимакса, где функция F(X, Y) по Y - тепловая электростанция, по X - импактная экосистема

При проектировании рассматриваемого объекта, в результате предлагаемого моделирования воздействий на окружающую среду принимаются такие проектные решения, которые соответствуют области пересечения интересов - точке А.

Данный принцип описан математически. Минимаксная задача общего вида:

где Щ - выпуклое замкнутое множество Е_n (Е_n - n-мерное Эвклидово пространство), а G - ограниченное замкнутое множество Е_m.

Если функция F (X, Y) линейна по X при каждом фиксированном , а множество Щ задается с помощью линейных равенств и неравенств, то исходная задача (1) представляется линейной минимаксной задачей. В противном случае задача является нелинейной. В зависимости от того, будет ли или , говорят о минимаксной задаче с ограничениями или без ограничений. Переменная X называется параметром.

Имеются две основные идеи, которые могут быть использованы для решения данной минимаксной задачи:

1. Поиск экстремального базиса. Области допустимых решений.

Пусть функция F(X, Y) выпукла по X на Щ при каждом фиксированном см. рис 3. Тогда на G можно найти r точек Y₁, .., Y_r, где , таких, что исходная минимаксная задача (1) равносильна следующей задаче:

где . Множество G_r называется экстремальным базисом. Если экстремальный базис известен, то, решая обычно простую задачу (2), получим решение и исходной задачи (1).

2. Нахождение седловой точки.

Точка А [X*, Y*] рис. 3 называется седловой точкой функции F(X, Y) на множестве Щ х G, если F(X*, Y) ? F(X*, Y*) ? F(X, Y*) для всех и . Допустив, что у функции F(X, Y) существует седловая точка А [X*, Y*] на Щ х G, будем иметь:

Таким образом, в рассматриваемом случае минимаксная задача (1), а также двойственная к ней задача:

сводится к задаче об отыскании таких проектных решении, которые соответствовали бы седловой точки или экстремальному базису.

Приведенная выше принципиальная структура предметно - специализированной имитационной макромодели и причинно - следственный механизм функционирования применены для моделирования воздействий, их оценки и прогноза, и принятия оптимальных проектных решений.

В третьей главе для достижения поставленной цели исследования, с учетом разработанной принципиальной схемы предметно - специализированной имитационной макромодели и принятых критериев, описывается структура функционирования модели. Для описания организационно-технологической структуры, разработанной имитационной модели, применена методология структурного анализа и проектирования SADT и созданные на её основе стандарт IDEF0.

На рис. 4 представлена контекстная диаграмма предметно - специализированной имитационной макромодели, которая описывает механизм её функционирования.

Специальный вид функциональных (контекстных) диаграмм (ФД), состоящих из блоков, описывающих функции разных уровней, где входы и выходы информации моделирования осуществляются с помощью механизма причинно - следственных изменений, реализуемых с помощью принципа минимакса, обозначаются на рисунках следующим образом:

диаграмма А1: Проводит оценку экосистемы окружающей среды, выбор участка под строительство объекта.

1. Практика проведения процедур оценки воздействий на окружающую среду для крупных энергетических объектов и анализ действующих методов оценки воздействий показали несостоятельность существующих методик. Причина такого положения по убеждению автора диссертации заключается в том, что действующие методики оценки воздействий на окружающую среду не направлены на использование современных средств компьютерного моделирования и как следствие неэффективны и малодостоверны.

2. Проведенный анализ развития методов оценки воздействий показал необходимость применения: экспертных систем, аппарата математической статистики, современных компьютерных средств - геоинформационных систем, систем быстрой оценки воздействий на окружающую среду, а также средств графического описания функционирования имитационной модели.

3. Автором диссертации разработана и сформулирована концепция предметно специализированной имитационной макромодели, позволяющая не только оценивать и прогнозировать воздействия на импактную экосистему от строительства и эксплуатации ТЭС, но и моделировать их последствия, оценивать, разрабатывать и отбирать экологически безопасные проектные решения.

4. Автором доказано, что для учёта системности и зависимость воздействий механизм функционирования разработанной предметно - специализированной имитационной макромодели, должен осуществляться на основе причинно-следственного алгоритма. В работе разработано математическое описание причинно-следственного механизма, реализованного с помощью принципа минимакса.

5. Автором представлена графическая схема формирования предметно - специализированной имитационной макромодели, основанная на использовании стандарта IDEF0; построена декомпозиционная модель процесса имитационного моделирования, позволяющая выявить, описать, проанализировать основные взаимосвязи и зависимости внутри разработанной макромодели.

6. Обосновано, что эффективность имитационного моделирования воздействий на окружающую среду в результате строительства и эксплуатации тепловой электростанции зависит от:

· глубины структурирования системной идентификации воздействий, которая должна реализовываться с помощью потоковой диаграммы и модифицированной матрицы анализа и оценки воздействий, заполняемой методом Дельфи и обрабатываемой аппаратом математической статистики;

· выявленных взаимосвязей и зависимостей системы (окружающая среда - проектируемый объект), которые должны быть выявлены с помощью разработанной декомпозиционной модели.

7. Проведенный имитационный эксперимент показал, что:

· почти все негативные последствия от хозяйственной деятельности, если они выявлены на стадии проекта (при моделировании воздействий), можно снизить (до нормативных значений) или полностью ликвидировать технологическими мерами, что зависит от экономической составляющей и во многом от экологических воззрений;

· достоверность определения, анализа и оценки воздействий достигается обработкой полученных данных методом математической статистики, при достижении значения коэффициента конкордации равном единицы достоверность полученных данных равна 0, 95;

· предлагаемая автором имитационная модель позволит менеджерам и инженерам проекта соблюсти все существующие экологические требования, которые предъявляются к проекту уже на ранней стадии, и сэкономить время разработки проектной документации - «экологического раздела» - также это упростит процедуру прохождения общественной экологической экспертизы и государственной экологической экспертизы.

8. Результаты исследования автора применены в учебном процессе в МГСУ по специализации «экологическая безопасность строительства».

9. В качестве перспективы продолжения дальнейших исследований по избранной тематике автор видит следующие направления: адаптация и продвижение разработанной схемы имитационного моделирования на уровень строительных компаний, наработку типовых рекомендаций и решений при моделировании аналоговых объектов для схожих экосистем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Слесарев М.Ю., Шагов К.Е. Модель Парето для оценки параметров воздействия строительных объектов на окружающую среду. //Научно - Технической конференции по итогам научно - исследовательских работ студентов, аспирантов МГСУ за 2002/2003 стр. 230 - 232;

2. Шагов К.Е. Информационное моделирование процессов воздействия строительных объектов на окружающую среду. //IX Международной выставке молодежных научно - технических проектов «ЭКСПО - наука 2003» Москва 2003; 25-28 стр.

3. Шагов К.Е. Минимизация геоэкологической нагрузки, путем внедрения систем информационной безопасности, на основе ГИС. // Второй Международной (Седьмой межвузовской) научно - практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов, тема конференции - «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» Москва 2004 г. 266-269 стр.

4. Шагов К.Е. Минимизация процессов воздействия строительства на окружающую среду, путем создания имитационной модели.// Четвертая Международная (IX межвузовская) научно - практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов, тема конференции - «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» Москва 2006 г. стр. 119-123.

Размещено на Allbest.ru