Методология построения автоматизированной информационной системы принятия решений по обеспечению экологической безопасности

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

05.25.05 - Информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики;

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Немтинов Владимир Алексеевич

Тамбов 2006

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированное проектирование технологического оборудования» Тамбовского государственного технического университета.

Научные консультанты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Малыгин Евгений Николаевич;

Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Попов Николай Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессорЕгоров Александр Федорович;

доктор технических наук, профессор Попов Игорь Иванович;

доктор химических наук, профессор Килимник Александр Борисович

Ведущая организация Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ), г. Москва

Защита диссертации состоится 17 марта 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени доктора технических наук Д 212.260.05 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, Большой актовый зал.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью) просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.05 З.М. Селивановой. E-mail: nemtinov@mail.gaps.tstu.ru Факс: 8-4752-72-18-13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ.

Автореферат разослан «___» февраля 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

канд. техн. наук, доцент З.М. Селиванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и состояние проблемы. Экологическая безопасность - это проблема взаимоотношений общества и природы, сохранение окружающей природной среды. Ее целью является обеспечение устойчивого и оптимального на длительном периоде времени равновесия между природными и антропогенными системами, техносферой и обществом. В соответствии с принятой Концепцией экологической безопасности Российской Федерации, важной стратегической задачей является предупреждение загрязнения окружающей среды при размещении новых производственных технических систем (ПТС) и обезвреживание ее компонентов в местах повышенной экологической опасности (в местах наибольшей концентрации населения, промышленного и сельскохозяйственного производства) на базе нормирования качества окружающей среды, внедрения систем очистки и ресурсосберегающих технологий. Решение такой задачи в настоящее время невозможно без использования автоматизированных информационных систем интеллектуального уровня.

Основными антропогенными объектами, функционирование которых во многих случаях приводит к нарушению состояния равновесия природной среды, являются промышленные предприятия. Одним из основных средств исследования взаимодействия ПТС с природной и социальной средой является математическое моделирование. Оно позволяет прогнозировать возможные изменения физических, химических и биологических состояний окружающей среды, вызванные деятельностью ПТС.

Предусмотренные на ближайшие годы увеличение выпуска и расширение номенклатуры промышленной продукции, обусловливающие значительное увеличение объема проектных и конструкторских работ - с одной стороны, необходимость решения экологических проблем - с другой, требуют: разработки новых принципов и методов расчета; использования комплексных критериев оценки принимаемых проектных решений, составляющими которых являются экономические затраты и экологическая безопасность проведения технологических процессов, что особенно важно в современных рыночных отношениях. В свою очередь, это требует создания специального математического и программного обеспечений, позволяющих решать задачи промышленной экологии, связанные с проектированием и эксплуатацией ПТС и обеспечением экологической безопасности включающих их природно-промышленных систем (ППС). Решение проблемы обеспечения экологической безопасности ППС является важным и актуальным научно-техническим направлением устойчивого развития субъектов РФ, однако, оно сдерживается отсутствием прикладных автоматизированных информационных систем (АИС) поддержки принятия проектных и управленческих решений, использующих современные информационные технологии: ГИС-технологии, SQL-ориентированные инструментальные системы и др. В связи с этим выполненная работа посвящена разработке методологических основ и созданию проблемно-ориентированной АИС, используемой при решении задач территориального развития и промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС. Результаты, полученные автором, базируются на достижениях многих научных школ. Решению проблемы сохранения окружающей среды большое внимание уделяли ведущие отечественные ученые: академики В.И. Вернадский, Н.Н. Моисеев, Г.И. Марчук, С.В. Яковлев, Б.Н. Ласкорин и др. В частности, в решение проблемы синтеза малоотходных химических производств большой вклад внесли такие российские ученые, как: академик В.В. Кафаров; профессора: В.Л. Перов, В.И. Бодров, Л.С. Гордеев, А.Ф. Егоров, Е.Н. Малыгин, Н.С. Попов, В.В. Макаров, И.Н. Дорохов и др. Среди ведущих ученых в области теории информатики и АИС следует отметить академика Ю.М. Арского, профессора Р.С. Гиляревского и др.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационным планом Межвузовских НТП «Ресурсосберегающие технологии машиностроения» на период 1994 - 1997 гг., «Теоретические основы химической технологии» на период 1995 - 2000 гг., а также по хоздоговорным планам НИР Тамбовского института химического машиностроения в 1981- 1993 гг. и Тамбовского государственного технического университета в 1994 - 2003 гг.

Объектом исследования в работе является ППС в масштабе субъекта РФ и/или промышленного узла, включающая в себя совокупность объектов различного назначения, образующих единую технико-экономическую и экологическую структуру территории, взаимодействующих друг с другом в процессах обмена информацией, потребления материально-энергетических ресурсов и переработки отходов.

Предметом исследования являются математические методы и модели, лежащие в основе разработки автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных и управленческих решений, непосредственно связанных с экологической безопасностью окружающей среды.

Цель работы. Целью работы является создание методологии построения автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта Российской Федерации.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1 Разработаны теоретико-аналитические основы построения интегрированной АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности в масштабе субъекта РФ.

2 Развиты теория и методы автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС.

3 Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий машиностроения.

4 При создании подсистем поддержки принятия решений разработаны:

- математические модели синтеза химико-технологических процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС;

- математические модели синтеза экологически безопасных технологических процессов получения целевой продукции (на примере производства изделий из металлов);

- экономическая модель принятия решений при регулировании взаимоотношений между природопользователями;

- информационная система автоматизированной обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных объектов;

- процедурная модель оценки качества воды в компонентах гидросферы окружающей среды.

5 Разработано программное обеспечение АИС для решения задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС.

Решение поставленных в работе задач позволяет на этапе принятия проектных и управленческих решений оценить риск экологической опасности ПТС и предложить меры по предотвращению загрязнения окружающей среды.

Научная новизна. 1) На базе системного анализа, методов математического моделирования, теории оптимального управления и теории принятия решений разработана методология построения интегрированной автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ, открытой для дальнейшего развития и реализующей научные принципы:

- при принятии проектных и управленческих решений по обеспечению устойчивого развития территории приоритет должен отдаваться экологической безопасности перед технико-экономическими показателями;

- проектные и управленческие решения должны проходить комплексную оценку (экологическую, технологическую, социально-экономическую);

- целостность ППС должна отображаться в виде единого информационного пространства;

- проектные и управленческие решения должны обеспечиваться интегрированной информационной системой поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.

При решении сложного комплекса задач промышленной экологии использованы и адаптированы следующие подходы: теории иерархических систем (на всех этапах принятия проектных и управленческих решений), анализа альтернативных вариантов принятия решений (при проектировании ПТС), предложен новый подход к построению экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем, для которых информация об их поведении носит неопределенный характер из-за отсутствия достаточного количества систематических и надежных данных; поставлены и формализованы задачи и реализованы методики их решения. автоматизированный информационный система экологический

2) Развиты теория и методы автоматизированного синтеза систем очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС, охватывающие все основные этапы проектирования и учитывающие особенности их технологических процессов. Осуществлены постановки задач, решаемых с помощью АИС: обеспечения экологической безопасности ППС при размещении ПТС; автоматизированного формирования структуры технологических схем (СТС) очистки сточных вод и газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления схем; автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод. В качестве составляющих векторного критерия оптимальности использованы: приведенные затраты на реализацию совокупности стадий очистки; экономический ущерб, наносимый окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы и газовых выбросов в атмосферный воздух; надежность функционирования системы очистки; технологичность и безопасность процессов очистки.

3) Впервые разработаны модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС с применением продукционных правил, используемых при создании экспертных систем.

4) Создана процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод, базирующаяся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций, учитывающая функциональные особенности объектов, природно-климатические отличия территории и реализуемая с помощью АИС принятия решений.

5) Разработаны экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денитрификаторе и реке с малым расходом воды, с учетом кинетических закономерностей и вероятностного характера их протекания.

6) Впервые создана информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере ПТС, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.

7) Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства машиностроительных изделий из металлов, охватывающий все основные этапы технологической подготовки производства и учитывающий комплексную оценку альтернатив при принятии решений, условия эксплуатации изделий, возможность использования различных технологий и видов оборудования. Осуществлены постановки задач и предложены модели принятия их решений: автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения изделий; автоматизированного выбора экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

Таким образом, методология построения АИС поддержки принятия решений в сфере экологической безопасности включает в себя совокупность принципов, подходов, аналитических и процедурных моделей различных процессов объектов, входящих в состав ППС. С помощью АИС можно: создавать модели ППС в автоматизированном варианте, проводить имитационные исследования, генерировать ответы по сценарию и т.д.

На защиту выносятся основные положения:

1 Научно обоснованная методология построения интегрированной автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ и/или промышленного узла, открытой для дальнейшего развития и реализующей следующие научные принципы:

- при принятии проектных и управленческих решений по обеспечению устойчивого развития территории приоритет должен отдаваться экологической безопасности перед технико-экономическими показателями;

- проектные и управленческие решения должны проходить комплексную оценку (экологическую, технологическую, социально-экономическую);

- целостность ППС должна отображаться в виде единого информационного пространства;

- проектные и управленческие решения должны обеспечиваться интегрированной информационной системой поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.

При решении сложного комплекса задач промышленной экологии предложен новый подход к построению экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем, для которых информация об их поведении носит неопределенный характер из-за отсутствия достаточного количества систематических и надежных данных.

2 Методология автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов.

3 Модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов.

4 Процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод.

5 Экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денитрификаторе и реке с малым расходом воды.

6 Информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере предприятий, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.

7 Научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства машиностроительных изделий из металлов.

Методика исследования основана на использовании методов математического моделирования; методов системного анализа, линейного, нелинейного и дискретного программирования, методик экспериментального исследования процессов химической и биохимической природы; методов имитационного эксперимента.

Практические результаты работы. На основе предложенной методологии, разработанных аналитических и процедурных моделей принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС создано программное обеспечение АИС, включающее пакеты программ:

- автоматизированной компоновки СТС очистки сточных вод и газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления этих схем; автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод;

- распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки и регулирования взаимоотношений между природопользователями;

- исследования процессов естественного самоочищения воды в реке;

- обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных предприятий;

- автоматизированного выбора: марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения; экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки;

- оценки качества воды в компонентах гидросферы окружающей среды.

Разработанный комплекс программ передан в Тамбовский филиал Московского научно-производственного объединения НИОПиК (в настоящее время ОАО «Экохимпроект»), отдельные пакеты программ - ОАО «Пигмент», г. Тамбов, «Гипрополимер», г. Дзержинск Нижегородской обл., ОАО «Тамбовполимермаш»; Главному управлению природных ресурсов и охраны окружающей среды по Тамбовской области, Территориальному центру государственного мониторинга геологической среды Тамбовской области; отдельные компоненты комплекса - в вузы страны: Тамбовский государственный технический университет, Курганский государственный университет, где используются студентами при выполнении лабораторных и курсовых работ. Учебная подсистема «Эколог» доступна всем пользователям сети Internet (http://www.gaps.tstu.ru/win-1251/lab/ekolog/index_ecolog.html).

За период эксплуатации пакетов программ по заказу МНПО НИОПиК выполнены расчеты по выбору района размещения ряда химических производств, по заказу ОАО «Экохимпроект» выполнены проекты реконструкции нескольких станций биохимической очистки сточных вод, на ОАО «Тамбовполимермаш» осуществлена технологическая подготовка производства более 50 машиностроительных изделий, в состав каждого из них входит более 100 деталей из металлов и др.

Экономический эффект от использования программного обеспечения АИС составил более 800 тыс. рублей.

Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты обсуждались на Всесоюзной конференции «Реахимтехника-2» (Днепропетровск, 1985 г.), I, II Всесоюзных конференциях «Автоматизация и роботизация в химической промышленности» (Тамбов, 1986, 1988 гг.), Всесоюзной конференции «Охрана от загрязнения сточными водами водоемов бассейнов внутренних морей (Тбилиси, 1987 г.), Всесоюзной конференции «Математическое моделирование сложных химико-технологических систем» (Казань, 1988 г.), Всесоюзной конференции «Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем, научных исследований и гибких автоматизированных производств» (Тамбов, 1989 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Математические методы в химии» (Тула, 1993 г.), IV Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов (Москва, 1994 г.), I, II, III Международных конференциях «Математические методы в химии и химической технологии» (Тверь, 1995 г.; Новомосковск, 1997 г.; Владимир, 1998 г.), III Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика» (Москва, 1996 г.), II Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM-99 (Санкт-Петербург, 1999 г.), XII, XIII, XIV, XV Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Великий Новгород, 1999 г.; Санкт-Петербург, 2000 г.; Смоленск, 2001 г.; Тамбов, 2002 г.; Казань, 2005 г.), I, II Международных конференциях «Математические методы в образовании, науке и промышленности» (Тирасполь, 1999, 2001 гг.), I, II Международных конференциях «Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне» (Томск, 2000, 2002 гг.), Международной конференции «Геоинформатика-2000» (Томск, 2000 г.), Международной конференции «Экология и образование» (Петрозаводск, 2000 г.), Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, 2000 г.), IV Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2000 г.), I, II Международных научных конференциях и выставке CAD/CAM/PDM «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» (Москва, 2001, 2002 гг.), Международной научно-технической конференции «Современные системы управления предприятием - CSBC'2001» (Липецк, 2001 г.), Международной научной конференции по телематике и Web-средствам в обучении - «Телематика 2001» (Санкт-Петербург, 2001 г.), III Международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении» (Николаев, 2002 г.), II Международной конференции по экологической химии (Кишинев, Молдова, 2002 г.) и др.

Новизна и оригинальность научных исследований, выполненных в диссертации, отмечены и поддержаны грантом Министерства образования РФ по исследованиям в области машиностроения в 1995 г. Биографические сведения о В.А. Немтинове включены в издание «Who is Who in Science and Engineering» 7^th Edition, 2003 - 2004 (By Marquis Edition Who is Who in Science and Engineering (USA)). International Biographical Center (Cambridge, England) номинировал В.А. Немтинова как «International Scientist of the Year for 2003» и включил его в список «Leading Scientists of the World 2005».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 100 печатных работ, в том числе монография, статьи в центральных и международных журналах, доклады на конгрессах и конференциях различного уровня, учебные пособия и учебно-методические издания. В основном все научные результаты получены автором. Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве и содержащиеся в них результаты, состоит в постановке задач, разработке теоретических положений, а также - в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Материал изложен на 400 страницах основного текста, содержит 81 рисунок и 38 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении, исходя из анализа состояния теории и практики автоматизации разработки и организации процессов ПТС, обоснована актуальность решаемой проблемы в современных рыночных условиях, сформулирована цель работы, показана ее актуальность, научная новизна, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ информационного наполнения проектируемой АИС - традиционных подходов к решению задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС, являющихся элементами ППС промышленного узла. В его состав типично входят промышленные предприятия, являющиеся в основном источниками образования сточных вод и газовых выбросов (химические, машиностроительные и др.). При рассмотрении ППС в данной работе приняты следующие допущения: в нее входят ПТС, сточные воды которых могут быть очищены с использованием известных методов очистки, в том числе и биохимических; приемником очищенных сточных вод является река с малым расходом воды, для которой гидродинамическая структура потоков описывается моделью идеального вытеснения; газовые выбросы ПТС могут быть очищены с использованием известных методов системами газоочистки, являющимися общими для отдельного производственного комплекса (цеха). Отмечены общие недостатки, имеющие место при проектировании отдельных производств получения целевой продукции и производств по утилизации отходов ПТС:

- в большинстве случаев при формализованном описании задач используют упрощенные математические модели, применение которых часто не приводит к выполнению требованию по охране окружающей среды при реализации проектов ПТС; решения принимаются на основе только экономического критерия оптимальности, который недостаточен для решения экологических задач;

- известные методики решения задач промышленной экологии ориентированы на традиционные подходы к расчетам, использующие справочную литературу, диаграммы, таблицы и т.д., что затрудняет их применение при решении конкретных задач;

- при решении задачи проектирования станции биохимической очистки (БХО) очень часто не проводится исследование и моделирование природного водоема - приемника очищенных сточных вод.

Анализ литературных источников, посвященных математическим методам решения задач промышленной экологии при проектировании и эксплуатации ПТС, доказал необходимость разработки математического и программного обеспечений для комплексного решения этих задач на расширенном пространстве состояний ППС. Были отмечены основные характеристики ППС: большая размерность; неопределенность поведения экосистем, входящих в ППС; действие случайных факторов и т.д. Показано, что для решения задач промышленной экологии необходимо располагать научно обоснованными методическими положениями, обширным информационным фондом и программным обеспечением АИС, используемой при принятии решений.

Исходя из этого, а также учитывая традиции выполнения проектно-конструкторских работ, задачу обеспечения экологической безопасности ППС при размещении новых и функционировании действующих ПТС следует рассматривать как совокупность задач, решаемых на региональном (в масштабе субъекта РФ или промышленного узла) и локальном (в масштабе предприятия) уровнях (рис. 1).

Рис. 1 Перечень комплекса задач АИС, решение которых направлено на обеспечение экологической безопасности субъектов РФ

Вторая глава посвящена разработке и развитию методологических основ построения АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе промышленного узла. К особенностям принятия решений в сфере экологической безопасности следует отнести: сложность и большую размерность ППС; неопределенность поведения экосистем, входящих в ППС; открытый характер ППС; действие случайных факторов; отдаленные последствия принятых решений; множество критериев оценки различной природы. Методология базируется на следующих подходах:

- использования теории иерархических систем на всех этапах принятия проектных и управленческих решений задач промышленной экологии;

- комплексной оценки альтернатив при принятии решений в задачах обеспечения экологической безопасности ППС;

- разработки экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем.

Единое информационное пространство (ЕИП) ППС в масштабе промышленного узла представляет собой совокупность информационных средств и ресурсов, интегрируемых в единую систему, а именно:

- собственно информационные ресурсы (массивы документов, базы и банки данных и пр.), содержащие информацию, зафиксированную на соответствующих носителях;

- сетевое и специальное программное обеспечение;

- сеть телекоммуникаций (территориально распределенные корпоративные компьютерные сети, телекоммуникационные сети и системы специального назначения и общего пользования, сети и каналы передачи данных, средства коммутации и управления информационными потоками).

В основе ЕИП лежит цифровая пространственная модель территории ППС в масштабе промышленного узла с включением в нее всех объектов, образующих единую технико-экономическую и экологическую структуру рассматриваемого района, упорядоченно взаимодействующих друг с другом в процессах обмена информацией, потребления материально-энергетических ресурсов и переработки отходов.

Каждая -я точка ЕИП может быть представлена следующим образом: ; где - координаты ; - множество точек ЕИП; - тип объекта определенного назначения, которому принадлежит , ; - множество типов объектов, входящих в пространственную модель ППС; - -й объект -го типа, ; - множество объектов типа ; - множество атрибутивных данных об -м объекте, имеющем отношение к -й точке ЕИП. Фрагмент пространственной модели Тамбовского промышленного узла приведен на рис. 2.

При разработке АИС ППС Тамбовского промышленного узла в качестве базового программного обеспечения использована ArcGIS корпорации ESRI. На рис. 3 приведена функциональная схема разрабатываемой интегрированной АИС, в состав которой входит базовое и прикладное, разработанное нами, программное обеспечение для решения перечисленных выше задач.

Рис. 2 Фрагмент пространственной модели Тамбовского промышленного узла

Рис. 3 Функциональная схема АИС ППС

При изучении процессов функционирования ППС нами был сделан вывод о том, что всю совокупность задач, решаемых на разных этапах принятия проектных и управленческих решений нужно рассматривать с позиций теории сложных иерархических систем. Для рассматриваемого класса задач справедливы следующие принципы:

- комплексное решение задачи промышленной экологии для ПТС на расширенном пространстве переменных состояния ППС;

- приоритет экологических закономерностей развития ППС перед технико-экономическими на этапе формализации задач;

- иерархичность структуры информационной системы, объединяющей весь комплекс локальных задач промышленной экологии;

- координируемость локальных задач относительно задач вышестоящего уровня; совместимость целей, стоящих перед рассматриваемыми задачами;

- модифицируемость множества задач для обеспечения совместимости и координируемости.

В соответствии с этими теоретическими положениями на рис. 4 представлена структурная схема подзадач разработки проекта промышленного производства (основной задачи, решаемой на локальном уровне) и определено место отдельных подзадач для АИС, непосредственно связанных с экологической безопасностью ППС.



Рис. 4 Структурная схема подзадач, решаемых АИС, при разработке проекта промышленного производства

Наличие множества различных критериев оптимальности при принятии решений задач обеспечения экологической безопасности ППС привело к необходимости использования методов многокритериальной оптимизации. При этом в каждом конкретном случае должны решаться проблемы выбора альтернативных вариантов, метода решения задачи с учетом оценки качества вариантов по всем рассматриваемым критериям; принципа нормализации, приводящего все критерии к единому масштабу измерения и позволяющего производить их сопоставление; принципа учета приоритета, позволяющего отдавать предпочтение более важным, по мнению экспертов, критериям.

Специфика многих задач промышленной экологии состоит в том, что они относятся к классу задач дискретного программирования. В тех случаях, когда множество вариантов решений невелико (не более 10³ - 10⁴), то, учитывая быстродействие современных ПЭВМ, искомое решение можно находить методом полного перебора вариантов. При более высокой размерности задач предлагается схема, основанная на последовательном анализе и отсеивании вариантов путем исключения бесперспективных, как по ограничениям, так и по целевой функции, без проработки начальных этапов и их дальнейшего развития. Особенностью некоторых задач промышленной экологии является то, что отдельные независимые переменные изменяются непрерывно в некотором диапазоне. В этом случае применение предложенной процедуры анализа вариантов для каждой из этих переменных предполагает использование их дискретных значений, которые могут быть получены как результаты измерений соответствующего параметра объекта ППС.

Для получения прогнозов изменения количественных показателей состояния компонент окружающей среды (качества воды, воздуха и т.д.) в результате строительства или модернизации ПТС, необходимо построение экспериментально-аналитических моделей процессов, протекающих в отдельных типах основного и вспомогательного технологического оборудования промышленных объектов и компонентах окружающей среды, которые учитывают гидродинамические особенности потоков в них, кинетические закономерности процессов и вероятностный характер их протекания. При разработке математических моделей предложен подход, согласно которому пользователь, на основе своих знаний об особенностях ПТС, осуществляет генерацию модели с помощью модулей АИС.

При решении задачи идентификации математических моделей объектов ППС в большинстве случаев используется неполная экспериментальная информация детерминированного и вероятностного характера по объекту исследования. В связи с этим разработана схема статистического испытания модели, позволяющая создать на базе имеющихся экспериментальных данных модель, адекватную исследуемому объекту.

Нахождение областей допустимых значений параметров модели осуществляется в ходе имитационного испытания, основу которого составляет метод Монте-Карло. Исходя из известных или правдоподобных диапазонов изменения начальных состояний, параметров и входных переменных с помощью датчиков случайных чисел генерируются их комбинации. Решение уравнений модели с этими значениями позволяет вычислить реакцию модели и проверить выполнение ограничений, известных на основе экспериментальных данных. Достаточная точность оценки количества испытаний получена с помощью интегральной теоремы Лапласа.

Третья глава посвящена решению задач по обеспечению экологической безопасности ПТС, при функционировании которых образуются сточные воды. В связи с этим рассмотрен комплекс задач, связанный с автоматизированным синтезом технологических процессов очистки сточных вод ПТС. В общем виде задачу автоматизированного проектирования системы очистки сточных вод можно сформулировать следующим образом. Для каждой стадии выбранной схемы очистки необходимо найти: тип, геометрические характеристики и количество каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки сточных вод от примесей, а также оптимальный вариант размещения оборудования станции очистки сточных вод на местности при соблюдении ограничений на выходные переменные, доставляющие минимум критерия. В качестве составляющих векторного критерия оптимальности использованы: приведенные затраты на реализацию совокупности стадий очистки; экономический ущерб, наносимый окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы; надежность функционирования системы очистки; технологичность и безопасность процессов очистки.

В формализованном виде постановка задачи заключается в поиске минимума целевой функции :

(1)

при выполнении санитарно-экологических ограничений:

; ; (2)

ограничений на показатели функционирования системы:

(3)

уравнений связи, представляющих математические модели:

- формирования вариантов структурных схем технологических процессов очистки

; (4)

- формирования вариантов аппаратурного оформления технологической схемы очистки

; (5)

- формирования вариантов размещения сооружений станции очистки сточных вод на генплане промышленной площадки

; (6)

- технологических процессов механической, биохимической очистки сточных вод и обработки осадка

; (7)

- процессов естественного самоочищения воды в природном водоеме (реке) - приемнике очищенных сточных вод

, (8)

где - множество возможных вариантов синтеза сооружений биохимической очистки сточных вод, ; - множество возможных вариантов структуры технологической схемы процессов очистки сточных вод; - множество возможных вариантов аппаратурного оформления технологической схемы очистки; - множество возможных вариантов размещения сооружений очистной станции на генплане промышленной площадки; - оптимальный вариант; - вероятность; - соответственно концентрация -й примеси в природном водоеме - приемнике очищенных сточных вод для w-го варианта сооружений, ее предельно допустимое значение и некоторый «запас»; - вероятности, с которыми обеспечивается запас по ; - количество примесей; - «запас» при оценке эффекта суммарного воздействия примесей на водные объекты; - количество лимитирующих показателей вредности (ЛПВ); - количество примесей в воде водоема для -го показателя ЛПВ; - соответственно функции концентраций вредных примесей на входе и выходе станции БХО и их фоновых значений; - расход сточных вод; - функция уровней качества сточных вод; - соответственно значения показателей функционирования w-го варианта системы очистки (надежность, технологичность, безопасность и т.п.) и их заданные значения; - соответственно количества показателей, для которых задаются условия (3); - множество геометрических и гидрологических характеристик промышленных площадок; - множество характеристик природного водоема (расход, скорость течения, скорость разложения примесей и др.); - нелинейные функции (математические модели процессов синтеза сооружений БХО); - знак декартова произведения.

При такой постановке задачи ее решение невозможно получить в связи с высокой размерностью пространства переменных состояния ППС, сложностью построения математических моделей распространения примесей в воде и т.д. Поэтому, для практического решения задачи синтеза сооружений биохимической очистки сточных вод в соответствии с иерархической структурой, заменим ее последовательным рассмотрением подзадач меньшей размерности, имеющих и самостоятельное значение в процессе проектирования: формирование варианта СТС, в состав которой должны войти все необходимые стадии механической, биохимической очистки и обработки осадка; расчет аппаратурного оформления для выбранной технологической схемы очистки; размещение сооружений станции очистки сточных вод на генплане; прогнозирование качества воды в контрольном створе природного водоема (реки).

В случае отсутствия решения на каждом следующем этапе синтеза сооружений БХО сточных вод лицом, принимающим решение, выбирается другой «оптимистичный» вариант решения задачи предыдущего этапа.

Наиболее прогрессивным подходом к решению задачи формирования варианта СТС очистки сточных вод является применение экспертных систем. Для системы очистки сточных вод предложено множество критериев оценки, которые объединены в 3 группы: «затраты», «технологичность», «безопасность». В таком случае рекомендуется использовать комплексную оценку, предполагающую распределение весов между этими суммирующими группами с учетом конкретных условий.

В работе предлагается следующая постановка задачи формирования варианта СТС: необходимо найти последовательность стадий процессов очистки сточных вод от примесей солей азота и фосфора до требуемых концентраций таких, что при выполнении условий:

(9)

справедливо следующее:

, (10)

при выполнении ограничений на показатели функционирования системы:

, , , (11)

где - весовые коэффициенты, ; - взвешенные потери по i-му критерию; , - монотонные функции, преобразующие каждую функцию цели к безразмерному виду; - критерий, включающий в себя укрупненные приведенные затраты на реализацию системы очистки; - критерий оценки надежности функционирования системы очистки; - критерий технологичности проведения совокупности процессов очистки; - их допустимые значения. Причем для функции цели находится минимум, а для , - максимум.

, (12)

где - наибольшее значение минимизируемой функции , на множестве допустимых альтернатив Т; - наименьшие значения максимизируемых функций , , ; - оптимальные значения функций цели соответственно , , , . Значения , лежат в пределах от 0 до 1.

Критерий оптимальности представляет собой сумму укрупненных приведенных затрат при проектировании совокупности стадий очистки и затрат на аренду земельного участка , имеющего площадь, необходимую для реализации этих стадий. Он не дает точной величины затрат, так как на данной стадии проектирования имеется лишь информация о стадиях очистки, на основании которой с помощью экспертных оценок можно приблизительно оценить стоимость реализации той или иной схемы очистки. Составляющие критерия представляют собой следующие зависимости:

(13)

Здесь - количество стадий для t-й комбинации стадий очистки сточных вод от примесей солей азота и фосфора; - соответственно начальный, конечный и требуемый уровень качества воды (табл. 1); - комбинация, состоящая из технологических x_i-х стадий, при которой критерий оптимальности достигает минимального значения, ; - множество технологических стадий очистки сточных от примесей солей азота и фосфора; - расход сточных вод x_i-й стадии; - коэффициенты, учитывающие зависимость величины затрат стадии i от уровня качества воды и расхода.

Критерий надежности оборудования для реализации совокупности процессов очистки

, (14)

где - вероятность безотказной работы оборудования на i-й стадии очистки. Данные о показателях надежности для отдельных процессов приведены в табл. 2.

1 Зависимости концентраций примесей от уровня качества воды

Уровень качества воды q	Концентрация БПК5, мг/л	Концентрация взвешенных веществ, мг/л	Концентрация общего фосфора,мг/л	Концентрация азота по Кьельдалю, мг/л	Концентрация общего азота, мг/л
0	250...280	230	11	30	30
1	70...170	30...110	2...10	30	30
2	30...40	30	8	30	30
3	15...20	15...20	2	30	30
4	10	10	1	30	30
…	…	…	…	…	...
20	5	3	<1	<1	1

2 Технологические процессы очистки сточных вод от примесей азота и фосфора

Код стадии	Наименование технологического процесса (стадии)	Предшествующая стадия	Качество воды до стадии	Качество воды после стадии	Надежность, (0 - 1)	Технологичность, балл (0 - 10)
aa	предварительное усреднение			0	0.83	6.4
ab	нагнетание воды	аa	0	0	0.84	7.3
a1	обычное осаждение	аa	0	1	0.82	9.1
a1	обычное осаждение	аb	0	1	0.82	9.1
a2	осаждение с коагуляцией известью	аa	0	1	0.90	8.3
a2	осаждение с коагуляцией известью	аb	0	1	0.90	8.3
…	…	…	…	…	…	…
b1	капельная биофильтрация	a1	1	2	0.75	6.4
b1	капельная биофильтрация	a3	1	3	0.75	6.4
c1	очистка активным илом	a1	1	2	0.82	6.3
…	…	…	…	…	…	…
g1	нитрификация	b1	2	8	0.66	6.5
g2	нитрификация	a3	1	7	0.66	6.5
…	…	…	…	…	…	…

Критерий технологичности совокупности процессов очистки

, (15)

где - технологичность i-го процесса очистки. Данные о показателях технологичности проведения отдельных процессов очистки приведены в табл. 2.

Используя опыт, накопленный при проектировании процессов очистки сточных вод в виде базы данных и задав некоторую цель, например, качество очищенной воды, при помощи механизма принятия решения, реализованного в АИС, можно найти сочетание стадий очистки, обеспечивающих достижение этой цели. Фрагмент базы данных приведен в табл. 2. В базе собрана информация, которой обладают специалисты.

Формирование множества допустимых вариантов технологических схем очистки осуществляется с применением продукционных правил. В заключение из всего множества возможных технологических схем выбирается та, для которой критерий F₁ достигает минимального значения. Так как в большинстве случаев размерность множества вариантов схем не превышает 10⁴, то, учитывая быстродействие современных ПЭВМ, решение сводится к последовательному их перебору. Если при пошаговом конструировании множества вариантов решений его размерность превышает 10⁴, то отсеивание бесперспективных частей вариантов решений на следующих шагах осуществляется с учетом дополнительного критерия - эффективности очистки.

Следующим этапом решения задачи синтеза сооружений БХО является расчет оборудования для выбранной технологической схемы. Задача оптимального проектирования комплекса сооружений для очистки сточных вод и обработки осадка заключается в определении аппаратурного оформления сооружений и их технологических параметров, обеспечивающих минимальное значение приведенных затрат при заданных входных и выходных переменных.

Данная задача формулируется следующим образом: для каждой стадии очистки необходимо найти тип, геометрические характеристики и количество каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки сточных вод от примесей азот- и фосфорсодержащих соединений:

(16)

при выполнении условий:

, (17)

где - соответственно приведенные затраты на строительство и эксплуатацию сооружений механической, биологической очистки и обработки осадка; - величина экономического ущерба, наносимого окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы; - соответственно множества вариантов аппаратурного оформления для стадий механической, биологической очистки и обработки осадка; - соответственно множества типов оборудования для выбранных стадий механической, биологической очистки и обработки осадка; - соответственно множества геометрических характеристик оборудования (габаритные размеры сооружения (такие как длина, ширина, диаметр и т.д.)); - соответственно количество единиц оборудования на каждой стадии; - соответственно совокупности требуемых и фактических характеристик (концентрации примесей, влажность осадка и др.) для каждой стадии очистки.

Математическая модель системы очистных сооружений включает зависимости для расчета объема сооружений и определения параметров оборудования, основанные на рекомендациях действующего СНиП с корректировками и дополнениями, которые базировались на результатах исследований ВНИИ ВОДГЕО. В связи с небольшим количеством стандартных сооружений очистки каждого типа при нахождении глобального минимума приведенных затрат использован метод полного перебора.

Формирование генерального плана станции очистки сточных вод с использованием средств вычислительной техники представляет собой сложную задачу размещения зданий и сооружений различных функциональных групп с учетом укрупненных технологических, инженерных и транспортных коммуникаций и природно-климатических особенностей территориального района. С точки зрения проектировщика, качество решения задачи зависит от числа размещаемых объектов и их габаритов, количества минимальных и максимальных разрывов между объектами, заполненности территории объектами других производств, конфигурации существующих на площадке магистралей и т.п.

Для формализации задачи размещения объектов станции на генплане введены допущения:

1) размещение объектов осуществляется в трехмерном пространстве с метрикой

,

где - координаты центра объектов с номерами - количество размещаемых объектов;

объекты, инженерные коммуникации, связывающие объекты и источники энергии, коллекторы подвода сточных вод, направляемых на очистку, задаются в форме параллелепипедов или цилиндров;

территория разбита на кварталы (модули) с заданными размерами, в процессе размещения объектов допускается изменение размеров кварталов;

фасады объектов максимально приближены к границам кварталов, на территории которых они размещаются;

подъездные пути проходят (преимущественно) по границам модулей;

в одном модуле размещается одна или несколько групп объектов основного и вспомогательного назначения; группа формируется по производственному принципу.

Вариант генплана представим как , где - вариант размещения объектов, ; - вариант трассировки инженерных коммуникаций, ; , где G - множество допустимых вариантов формирования генплана; - множество всех возможных вариантов формирования генплана; N_k1, N_k2 - соответственно число групповых и одиночных трасс инженерных коммуникаций; , где - соответственно множества вариантов размещения объектов и трассировки коммуникаций. Условия, характеризующие правила размещения объектов и трассировки инженерных коммуникаций, или назовем моделью проектного решения. С учетом приведенных обозначений, задача проектирования генплана станции БХО формулируется следующим образом. Найти

. (18)

В качестве целевой функции примем:

, (19)

где - соответственно стоимость территории, занятой под объекты и коммуникации; - стоимость коммуникаций; - удорожание (удешевление) стоимости объектов от деления их на части (блокировки с другими объектами).

Задача формирования генерального плана сооружений БХО относится к классу комбинаторных задач. Исходя из функциональных особенностей объектов, природно-климатических отличий территории, реализованных в математической модели формирования генерального плана сооружений БХО сточных вод, предлагается алгоритм решения задачи, базирующийся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций.

Из множества размещаемых объектов выделяются группы, относящиеся к отдельным производственным комплексам. Очередность размещения комплексов определяется из следующих соображений: комплекс, занимающий большую площадь с учетом величин технических разрывов между объектами, имеет более высокий приоритет при размещении. Для выбранного производственного комплекса определяется квартал (несколько кварталов, если комплекс занимает большую площадь), на территории которого он будет размещен. Критерием оценки выбора квартала является стоимость оптимальных трасс инженерных и транспортных коммуникаций от границы квартала до внешних источников энергии и транспортных коммуникаций. Поиск оптимального квартала осуществляется методом координатной релаксации. Далее производится оптимизация начального размещения комплексов с помощью итерационного алгоритма, основанного на парных перестановках комплексов. В целях получения наиболее качественного размещения объектов внутри кварталов производится предварительная трассировка внешних коммуникаций с целью получения точек подвода коммуникаций к границам квартала. Далее осуществляется оптимальное размещение внутри кварталов и трассировка коммуникаций. Предложенный алгоритм носит локальный характер, но, учитывая возможность получения «хорошего» начального размещения объектов с предварительной трассировкой коммуникаций и последующего улучшения решения за счет парных перестановок и окончательной трассировки, полученное решение достаточно близко к глобальному оптимуму.

Для получения прогнозов качества воды необходимо построение математических моделей технологических процессов, протекающих в очистных сооружениях и водоеме - приемнике сточных вод, которые бы учитывали гидродинамические особенности потоков в сооружениях и природном водоеме, кинетические закономерности процессов и вероятностный характер их протекания. В течение ряда лет автором накоплен опыт использования математических моделей наиболее часто используемых процессов: биоокисления углерод- и азотсодержащих органических соединений в аэротенке коридорного типа с распределенной подачей воды - ; осаждения суспензии в радиальном отстойнике - ; денитрификации в аппарате с перемешивающим устройством - ; самоочищения и распространения примесей в реке, среди которых выделены процессы аэробного окисления органических соединений, нитрификации, денитрификации, роста и отмирания планктона, фотосинтеза, ионного обмена и др. - . При разработке математических моделей предложен подход, описанный в главе 2.

...