Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение экологической безопасности населения в условиях увеличения антропогенного воздействия на природу является приоритетной задачей современного государства. Одно из направлений решения данной задачи связано с уменьшением концентрации загрязнителей, поступающих в атмосферу зон жилой застройки в процессе функционирования промышленных предприятий. Данное обстоятельство обусловливает необходимость разработки специализированного математического обеспечения, позволяющего минимизировать уровень концентрации загрязнителей на этапе проектирования и реконструкции промышленных предприятий, а также в процессе планирования новых зон жилой застройки центров размещения промышленности.
Научные основы решаемой задачи заложены в трудах М.Е. Берлянда, Г. Бригса, Ф. Гиффорда, Ф. Паскуилла и др. Ими разработаны и систематизированы математические модели, позволяющие рассчитать уровень концентрации загрязнителя в контролируемых точках с учетом известных параметров источника выброса и атмосферы. Вместе с тем, в специальной литературе практически отсутствуют сообщения о моделях и алгоритмах, позволяющих минимизировать концентрацию загрязнителя во времени при наличии ограничений, накладываемых на интенсивность выброса, высоту трубы и другие характеристики источника загрязнения. Это определило актуальность темы диссертации.
Целью диссертации является разработка математических моделей, алгоритмов и комплексов программ, позволяющих при проектировании и реконструкции промышленных предприятий, а также в процессе планирования новых зон жилой застройки выдать рекомендации и определить требования к характеристикам точечного источника загрязнения, реализация которых способствует уменьшению концентрации загрязнителя.
Диссертация выполнена в рамках приоритетного направления развития науки и техники Российской Федерации «Информационно-телекоммуникационные системы» и соответствует ее критическим технологиям: «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы», «Технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф».
Предметом исследования является процесс минимизации уровня концентрации загрязняющей примеси, поступающей в атмосферу в результате функционирования точечных, непрерывно действующих источников промышленных загрязнений.
Методы исследования. В диссертации использованы методы системного анализа, аналитические и численные методы математического
моделирования, а также концептуального проектирования информационных систем.
Научная новизна работы.
-
Разработана имитационная математическая модель для определения концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, отличающаяся учетом особенностей городской застройки, интенсивности выбросов поллютантов, направления и скорости ветра на эффективной высоте подъема факела, дисперсионных параметров, зависящих от класса устойчивости атмосферы, что позволяет осуществить минимизацию уровня концентрации загрязняющих веществ в процессе функционирования промышленных предприятий.
-
Разработана математическая модель определения дисперсионных параметров гауссова уравнения распространения примесей в атмосферном воздухе, в основу которой положена нейронная сеть радиально-базисных функций. Модель аппроксимирует результаты натурных экспериментов, полученных при различных значениях параметров источника загрязнения и окружающей среды.
-
Предложен и обоснован эвристический алгоритм минимизации концентрации загрязнителя, заключающийся в определении значений интенсивности выброса, высоты источника, внутреннего радиуса устья трубы, начальной скорости подъема примеси, начального перегрева примеси, при которых концентрация загрязнителя в зоне жилой застройки достигает своего минимума.
-
Разработан и обоснован численный алгоритм определения эффективной высоты подъема факела, заключающийся в нахождении значений высоты источника, внутреннего радиуса устья трубы, начальной скорости подъема примеси и начального перегрева примеси, с целью поиска заранее заданного значения эффективной высоты подъема шлейфа. Особенностью алгоритма является применение градиентного метода наискорейшего спуска совместно с методом штрафных функций, в котором используется внешняя штрафная функция типа квадрата «срезки».
-
Предложена эффективная процедура изменения формы и угла направления факела, позволяющая минимизировать концентрацию загрязнителей. Ее характерной особенностью является использование численного алгоритма определения эффективной высоты подъема факела, учитывающего изменение направления и скорости ветра на различных высотах в пределах пограничного слоя атмосферы.
Достоверность разработанных моделей, методов и алгоритмов подтверждается корректностью применения методов системного анализа, аналитических и численных методов математического моделирования, теории искусственных нейронных сетей, а также накопленным опытом
применения моделей распространения загрязняющих примесей в экологическом мониторинге.
Практическая ценность связана с созданием эффективного математического и программно-алгоритмического обеспечения, позволяющего выдать рекомендации, а также определить требования к характеристикам точечного источника загрязнения, реализация которых способствует уменьшению концентрации загрязнителя в зоне жилой застройки. Теоретические и практические положения диссертационной работы были внедрены на предприятии ЗАО «Саратовский завод стройматериалов», имеется акт внедрения. Основные результаты диссертационной работы были реализованы в виде комплекса программ, прошедших государственную регистрацию (свидетельство №2010613300).
Кроме того, результаты диссертации были использованы в учебном процессе кафедр «Информационные системы» и «Системотехника» Саратовского государственного технического университета в рамках дисциплин «Информатика», «Интеллектуальные информационные системы», «Системы поддержки принятия решений», «Информационные системы в экологии».
На защиту выносятся:
-
Имитационная математическая модель определения концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, отличающаяся учетом особенностей городской застройки, интенсивности выбросов поллютантов, направления и скорости ветра на эффективной высоте подъема факела, дисперсионных параметров, зависящих от класса устойчивости атмосферы, что позволяет осуществить минимизацию уровня концентрации загрязняющих веществ в процессе функционирования промышленных предприятий.
-
Математическая модель определения дисперсионных параметров гауссова уравнения распространения примесей в атмосферном воздухе, в основу которой положена нейронная сеть радиально-базисных функций. Модель аппроксимирует результаты натурных экспериментов, полученных при различных значениях параметров источника загрязнения и окружающей среды.
-
Эвристический алгоритм минимизации концентрации загрязнителя, заключающийся в определении значений интенсивности выброса, высоты источника, внутреннего радиуса устья трубы, начальной скорости подъема примеси, начального перегрева примеси, при которых концентрация загрязнителя в зоне жилой застройки достигает своего минимума.
-
Численный алгоритм определения эффективной высоты подъема факела, заключающийся в нахождении значений высоты источника, внутреннего радиуса устья трубы, начальной скорости подъема примеси и начального перегрева примеси, с целью поиска заранее заданного
значения эффективной высоты подъема шлейфа. Особенностью алгоритма является применение градиентного метода наискорейшего спуска совместно с методом штрафных функций, в котором используется внешняя штрафная функция типа квадрата «срезки».
-
Процедура изменения формы и угла направления факела, позволяющая минимизировать концентрацию загрязнителей. Ее характерной особенностью является использование численного алгоритма определения эффективной высоты подъема факела, учитывающего изменение направления и скорости ветра на различных высотах в пределах пограничного слоя атмосферы.
-
Комплекс программ, реализующий разработанные математические модели, методы и алгоритмы для минимизации уровня концентрации загрязняющих примесей в атмосфере, ориентированный на использование в составе имитационной системы, моделирующей распространение примеси в атмосферном воздухе.
-
Методика внедрения разработанного математического обеспечения на промышленных предприятиях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2005); Всероссийской научной конференции «Проблемы управления в социально-экономических и технических системах» (Саратов, 2006, 2008); научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-20 (Ярославль, 2007), ММТТ-22 (Псков, 2009) и ММТТ-23 (Саратов, 2010); Всероссийской научной конференции «Актуальные задачи управления социально-экономическими и техническими системами» (Саратов, 2007); научных конференциях «Интернет и инновации: практические вопросы информационного обеспечения инновационной деятельности» и «Интернет - на службу обществу» (Саратов, 2009); седьмой и девятой Международных научно-практических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009, 2010).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, из них одна в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и 2 приложений; она содержит 134 страницы текста, 48 рисунков, 4 таблицы и список использованной литературы из 103 наименований.
