Научные основы организации контроля и регулирования в системе экологической безопасности гражданской авиации

Геотехническая система, по определению, - это открытая система, в которой антропогенный (транспортный, промышленный или иной) объект обменивается массой и энергией с окружающей его средой. В ГТС процессы передачи массы, энергии и информации подчиняются тем же общим закономерностям, что и в искусственно созданных ФХС. Природную подсистему в ГТС можно считать химическим реактором с распределёнными параметрами, в котором протекают процессы, направленные на уменьшение материальной и энергетической техногенной нагрузки.

В диссертации разработана классификация физико-химических и геотехнических систем в ГА, приведённая в табл. 1. Показано, что узлы авиатранспортных предприятий относятся к физико-химическим системам 4-го уровня, в работе они рассмотрены наиболее подробно.

Для эффективной природоохранной деятельности предприятий необходим комплексный показатель экологического контроля, по которому можно было бы количественно оценить уровень воздействия на биосферу.

В работе впервые предложено и обосновано применение нового единого комплексного показателя экологического экспресс-контроля негативного химического воздействия на ОС. Показатель предложено измерять в относительных единицах - единицах негативного воздействия (ЕНВ). За 1 ЕНВ принята величина ущерба ОС, равная ущербу, наносимому 1 тонной монооксида углерода, выброшенного в атмосферу.

Для описания воздействия авиатранспортной работы на среду, окружающую УАТП, в работе предлагается использовать метод материальных балансов. Исходными данными при использовании предлагаемого метода служат общепринятые статистические сведения о работе авиапредприятий и организаций.

В работе предложено комплексный показатель экологического экспресс-контроля воздействия ГА на ОС (I ГА ) в результате выполнения авиатранспортной работы рассчитывать как сумму негативного воздействия по видам воздействия, а именно:

Таблица 1

Классификация физико-химических и геотехнических систем

I ГА = Шk,

где Ш - количество негативного воздействия; k - индекс вида негативного воздействия.

Для оценки химического воздействия в работе предложено использовать расчётные зависимости, включающие количество поступающего в ОС вещества, численную характеристику его негативности относительно выброса монооксида углерода и ряд коэффициентов из законодательно установленных норм и правил природоохранной деятельности отечественных организаций.

Разработанный метод оценки, опирающийся на предложенный комплексный показатель, учитывает особенности негативного химического воздействия загрязнений на экосистемы в зависимости от индивидуальных свойств загрязняющих веществ (отходов), а также от особенностей экологической ситуации, состояния и значимости разных экономических районов, бассейнов рек и территорий РФ, характеристики плотности населения, фонового загрязнения и природоохранного статуса территории в местах, где происходит соответствующее загрязнение.

Для теоретического обоснования принципов управления деятельностью УАТП по данным контроля состояния природных экологических систем в геотехнической системе соответствующего узла АТП в диссертации разработана математическая модель системы обеспечения экологической безопасности. В ней сумма средних финансовых затрат Sсум(t) на обеспечение экологической безопасности контролируемой экосистемы имеет вид

Sсум ( t ) = w Rкр( t ) + v Rпр( t ) + u Rзащ( t ), ( 2 )

где Rкр( t ) и Rпр( t ) - интенсивность (количество за единицу времени) соответственно катастрофических и предупредительных восстановлений экосистемы в момент времени t;

Rзащ( t ) - интенсивность защитных процедур, уменьшающих воздействие на экосистемы, в момент времени t;

w, v, u средние затраты на одно критическое (аварийное), на одно предупредительное восстановление свойств экосистемы и на одну защитную процедуру соответственно.

В случае отсутствия защитных систем регулирования ( nзащ (t) = 0 ) интенсивность катастрофических "регулировок" может быть представлена в виде

, ( 3 )

где б, в, г - весовые коэффициенты;

Gм i ( t ) - расход i-го вещества, поступающего в экосистему без очистки в момент времени t ;

Gэн j ( t ) - мощность потока энергии j-го вида, поступающей в экосистему без её поглощения (ослабления) системами регулирования в момент времени t ;

Gбио l ( t ) - расход организмов l-го вида, интродуцированных в экосистему воздушными

судами с экипажем, грузами и пассажирами без их обезвреживания санитарно-эпидемиологическими устройствами регулирования в момент времени t ;

Кмi, Кэнj, Кбиоl - хозяйственная (или биологическая) ёмкость экосистемы для поступления в неё i-го вещества, энергии j-го вида или случайного интродуцирования не распространённых в ней особей l-го вида живого соответственно.

В результате постановки и исследования вариационной задачи в работе показано, что только введение защитных сооружений позволяет минимизировать средние затраты по обеспечению экологической безопасности. Ранее считалось, что строительство очистных сооружений всегда только удорожает систему, но, как следует из выполненного анализа, именно наличие очистных сооружений даёт возможность минимизировать затраты в целом.

В третьем разделе диссертации решаются задачи повышения экологической безопасности в гражданской авиации (ГА) путём специально организованного контроля и регулирования воздействия на экологические системы, а именно за счёт оптимального (по финансовым затратам) упреждающего управления состоянием систем, обеспечивающего минимальные средние эксплуатационные затраты в процессе управления и высокое качество экологически безопасного функционирования этих систем. Полученные результаты позволили автору выявить особенности управления состоянием экологических систем, окружающих узел авиатранспортных предприятий с инфраструктурой.

Рис. 2 Иллюстрация принятия оптимального управляющего решения по результатам контроля комплексного параметра состояния экологической системы

Функция удельных потерь при деградации экосистемы имеет вид

y (tn) =

где tZ - случайный момент выхода экологического параметра S ( t n ) за уровень L;

С - средние потери на профилактическое восстановление экологической системы;

А - "штраф" за выход параметров системы выше уровня L.

В данном случае задача заключалась в отыскании такого правила "регулировок" R*, при котором обеспечивается

Правило R* имеет вид R* = min (t*n-1, tz), где t*n-1 определяется из следующего стохастического неравенства:

1 - Р { Д Хn < L - S (t n-1) } ? .

Кривая оптимального упреждающего допуска

S (t n-1) ? L - F - 1 ( 1 - ) = ц ( tn ).

В диссертации также рассмотрен случай управления состоянием экосистемы при наблюдении за набором её меняющихся экологических параметров и предложена модель оптимального векторного управления состоянием экосистемы, суть которого сводится к следующему.

Пусть состояние некоторой экосистемы в момент времени t ? 0 описывается значениями r определяющих экологических параметров, образующих случайный вектор

Х ( t ) = ( х1 (t), …, х r (t) )

а случайная функция хi(t) описывает изменение с течением времени значения i-го параметра, i = 1, …, r; векторная случайная функция Х(t) описывает изменение с течением времени состояния экологической системы в целом.

В начальный момент времени t = 0 система "отрегулирована" таким образом, что значения х1(0), …, хr(0) равны заданным значениям u01, …, u0r соответственно. С течением времени имеется тенденция отклонения параметров от установленных значений, причём по каждому из определяющих экологических параметров может проявляться тенденция увеличения значения параметра с увеличением времени, прошедшего с момента "регулировки". Кроме того, для каждого параметра известен критический уровень, при достижении и превышении которого система "штрафуется" и подлежит срочному восстановлению ("регулировке").

Пусть uкрi (uкрi > u0i) - критический уровень для i-го параметра, i = 1, …, r. Тогда, если в некоторый момент времени t = t0 > 0 хотя бы одно из значений х1(t0), …, хr(t0) превышает соответствующий критический уровень или равно ему, так что выполняется соотношение

то экосистема подвергается срочному "регулированию", в результате которого значения всех r определяющих экологических параметров возвращаются к исходным установленным значениям u01, …, u0r. Каждое такое "регулирование" имеет стоимость, равную а > 0. Эта стоимость складывается из "штрафа" за превышение хотя бы одним из экологических параметров критического уровня и стоимости самого регулирования.

Для предупреждения попадания системы в критическое состояние в диссертации предложено проводить предупредительные "регулировки" экосистемы, осуществляемые при выходе отдельных экологических параметров за соответствующие предупредительные уровни. Пусть i-му параметру сопоставляется предупредительный уровень uпрi (u0i < uпрi < uкрi ), i = 1, …, r.

Если в некоторый момент времени t0 > 0 хотя бы одно из значений х1(t0), …, хr(t0) превышает соответствующий предупредительный уровень или равно ему так, что выполняется соотношение

но не выполняется соотношение ( 8 ), то систему предложено подвергать предупредительному "регулированию", которое (так же как и срочное "регулирование") возвращает значения всех r определяющих экологических параметров к установленным значениям u01, …, u0r. Предупредительное "регулирование" требует существенно меньших затрат b > 0, причём b < а.

Каждое измерение имеет стоимость с > 0, поэтому получаем общие затраты на измерения и "регулировки" экосистемы при наблюдении к моменту времени t:

Ссум ( t ) = а nкр( t ) + b nпр( t ) + с nизм( t ),

где nкр(t), nпр(t) и nизм(t) - количество срочных, предупредительных "регулировок" экосистемы и произведённых измерений к моменту времени t соответственно.

В этом случае задача состоит в отыскании такого набора значений h, uпр1, …, uпрr, при котором минимизируются средние удельные издержки, а именно:

Сср = = ,

где М [С] - математическое ожидание затрат в период "регенерации" (интервал времени между соседними возвращениями экосистемы в исходное состояние - "регенерациями" экосистемы);

М [Т] - математическое ожидание периода "регенерации" экосистемы.

Задача минимизации решается моделированием по набору реализаций составляющих вектора Х (t) методом целенаправленного перебора с использованием свойства эргодичности исследуемого векторного процесса.

Использование разработанного алгоритма проиллюстрировано схемой на рис. 3. В этом случае возможно по минимуму математического ожидания функционала качества определить упреждающие допуски для контролируемых экологических параметров, моменты измерения (шаг наблюдения) и моменты начала измерения каждого параметра.

Рис. 3 Последовательность выбора параметров наблюдения за состоянием экологических систем и оптимальных упреждающих управлений

Рис. 4 Схема выбора оптимальных упреждающих управляющих действий по обеспечению высокой экологической безопасности деятельности узлов авиатранспортных предприятий: ГТС - геотехническая система; УАТП - узел авиатранспортных предприятий

Адаптивная схема поиска и реализации оптимального (по сумме средних финансовых затрат) решения представлена на рис. 4.

По мере сбора и накопления информации об экологических параметрах наблюдения и управления по статистически идентичным объектам (которыми в целом и являются ГТС узлов авиатранспортных предприятий, расположенных в одной климатической зоне) расчётным путём могут уточняться значения параметров управления (управляющих допусков, момента начала и шага наблюдений). Предложенная в работе реализация решения задачи в автоматическом режиме управления показана в виде блок-схемы на рис. 5.

Рис. 5 Автоматизированное упреждающее управление состоянием природного объекта

В четвёртом разделе диссертации приведены оригинальные результаты разработки и исследования принципиально новых локальных технических средств регулирования экологически значимых результатов производственных процессов выполнения авиатранспортной работы на базе контактных массообменных устройств для локальных очистных сооружений.

Поскольку ограничение объёмов перевозок может входить в компетенцию экологической службы авиатранспортных предприятий только в чрезвычайных экологических ситуациях, то очистка отходящих технологических потоков от загрязняющих веществ является единственным реально возможным путём регулирования экологически значимых результатов производственных процессов. Из всех видов образующихся отходов наиболее трудно произвести очистку газов, которые нельзя собрать и перевезти в другой регион.

В работе на основании проведённых исследований показано, какие конструкции контактных массообменных устройств следует использовать для очистки выбросов в аппаратах, встраиваемых в вентиляционные системы стационарных источников загрязнения атмосферы авиапредприятий для локального регулирования экологически значимых результатов производственных процессов.

Основными требованиями к конструкции локальных средств регулирования являются:

1. Работоспособность при больших скоростях газа - для компактности, встраиваемости в существующие системы вентиляции без увеличения производственных площадей, а также для меньшей материалоёмкости.

2. Малое гидравлическое сопротивление - для снижения затрат энергии.

3. Допустимость низкой плотности орошения - для повышения концентрации уловленных загрязняющих веществ в жидкости и снижения затрат энергии на перекачку жидкости.

4. Возможность достоверного масштабного перехода от лабораторных моделей к реальным размерам аппаратов без снижения эффективности улавливания загрязняющих веществ.

В работе показано, что перечисленным требованиям в наибольшей степени отвечают контактные массообменные устройства с плёночной зоной контакта фаз, один из вариантов конструкции которого приведён на рис. 6.

Сравнение по обобщённому показателю техноэкономической эффективности контактных массообменных устройств, включающему такие показатели, как эффективность массообмена (очистки), гидравлические затраты на процесс, а также экономические затраты на изготовление и эксплуатацию, выполненное автором для ряда широко распространённых конструкций, показывает (рис. 7), что плёночные устройства обладают наибольшей эффективностью и предпочтительным диапазоном равномерной работы (на рис. 7 границы равномерной работы "тарелок" отмечены кружками).

Однако рабочие скорости газа в поперечном сечении названных конструкций, достигающие 2,5 м/с, недостаточны для решения поставленной задачи создания "встраиваемых" локальных средств регулирования. Значительного повышения допустимых скоростей газа в сечении аппарата (до 7 м/с) и, таким образом, уменьшения габаритных размеров удалось достичь путём разработки предложенного автором диссертации нового способа организации потоков в массообменном аппарате.

Рис. 6 Схема одноэлементного плёночного контактного устройства тарельчатого типа, снабжённого жалюзи, рекомендуемого в качестве рабочей зоны локальных средств регулирования экологически значимых результатов производственных процессов

В соответствии с новым способом при противоточном контактировании потоков газа (пара) и жидкости (зернистого материала) поток газа делят на равные части, каждая из которых поочерёдно взаимодействует с потоком жидкости, после чего части потока газа объединяют в общий поток. Оригинальный способ послужил основой для создания автором диссертации серии новых контактных массообменных конструкций тарельчатого типа, и, прежде всего, плёночной "тарелки" с делением потока газа (ПТДП). Новый способ и реализующие его конструкции защищены авторскими свидетельствами.