Содержание к диссертации
Введение
1 Методы оценки технико-экономического состояния и экологической безопасности природно-промышленной системы , 27
1.1 Промышленные объекты - составная часть природно-промышленной системы 31
1.2 Методы прогнозирования состояния компонентов окружающей среды промышленного узла 35
1.3 Обзор методов решения задач промышленной экологии при проектировании производственных технических систем 42
1.4 Анализ методов автоматизированного синтеза технологических процессов промышленных систем 49
1.5 Постановки задач исследования 60
2 Разработка методологии построения автоматизированной информационной системы 64
2.1 Единое информационное пространство природно-промышленной системы в масштабе промышленного узла 65
2.2 Иерархические системы принятия решений задач промышленной экологии 76
2.2.1 Применение теории сложных систем для решения задач обеспечения экологической безопасности промышленного узла при проектировании производственных технических систем 79
2.2.2 Комплексная оценка при принятии решений задач обеспечения экологической безопасности природно-промышленной системы 94
2.2.3 Процедура анализа вариантов принятия решений при проектировании сложных систем 100
2.3 Распознавание технико-экологических состояний объектов и выбор контролируемых признаков 107
2.4 Автоматизированное проектирование математических моделей объектов класса открытых систем 115
2.4.1 Выбор математической модели на основе качественной и количественной информации 116
2.4.2 Имитационное исследование математических моделей процессов промышленных и природных объектов 120
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 129
3 Аналитические и процедурные модели синтеза химико-технологических и биохимических процессов утилизации жидких отходов производственных технических систем 131
3.1 Автоматизированное решение задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод 131
3.1.1 Постановка задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод 132
3.1.2 Процедура решения задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод 138
3.2 Автоматизированный расчет аппаратурного оформления станции
биохимической очистки сточных вод 139
3.2.1 Постановка задачи расчета аппаратурного оформления станции биохимической очистки сточных вод 139
3.2.2 Процедура решения задачи расчета аппаратурного оформления станции биохимической очистки сточных вод 141
3.3 Автоматизированное проектирование генерального плана станции биохимической очистки сточных вод 143
3.3.1 Постановка задачи проектирования генерального плана 144
3.3.2 Процедурная модель принятия решения задачи проектирования генерального плана 147
3.3.3 Процедура решения задачи проектирования генерального плана.. 149
3.4 Математические модели биохимических процессов в сооружениях
станции очистки сточных вод и самоочищения в природных водоемах.. 154
3.4.1 Математическая модель аэротенка 155
3.4.2 Математическая модель вторичного отстойника 163
3.4.3 Математическая модель денитрификатора 165
3.4.4 Математическая модель реки с малым расходом воды 170
3.5 Процедурная модель принятия решения задачи реконструкции станции биохимической очистки сточных вод 176
3.6 Математическая модель системы аварийной защиты и управления станцией биохимической очистки сточных вод 182
3.7 Решение задачи распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки 190
3.7.1 Постановка задачи 191
3.7.2 Процедура решения задачи 194
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 195
4 Информационные и процедурные модели синтеза технологических процессов обезвреживания газовых выбросов производственных технических систем 197
4.1 Автоматизированное решение задачи формирования структуры
технологической схемы очистки газовых выбросов 199
4.1.1 Постановка задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов 200
4.1.2 Процедура решения задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов 206
4.2 Автоматизированный расчет аппаратурного оформления
технологической схемы очистки газовых выбросов 210
4.2.1 Постановка задачи расчета аппаратурного оформления технологической схемы очистки газовых выбросов 210
4.2.2 Процедура решения задачи расчета аппаратурного оформления технологической очистки газовых выбросов 211
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 212
5 Информационные и процедурные модели синтеза экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий из металлов 214
5.1 Разработка экономичных экологически безопасных технологических процессов изготовления изделий из металлов с использованием теории сложных систем 215
5.2 Задача оценки технико-экономической эффективности и экологической безопасности при синтезе технологических процессов производства машиностроительных изделий 226
5.3 Автоматизированный выбор марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения 229
5.3.1 Математическая постановка задачи автоматизированного выбора
марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости
от характера упрочнения для изделий машиностроения 229
5.3.2 Процедурная модель принятия решения задачи автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения 235
5.4 Автоматизированный выбор экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки 246
5.4.1 Математическая постановка задачи автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки 246
5.4.2 Процедурная модель принятия решения задачи автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки 260
5.5 Методика автоматизированного решения задачи технологической подготовки машиностроительного производства 277
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5 279
6 Проблемно-ориентированная автоматизированная информационная система принятия решений по обеспечению экологической безопасности промышленного узла 280
6.1 Обоснование структуры системы 281
6.2 Информационное обеспечение системы 282
6.2.1 Информационная база данных для решения задачи автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения изделий машиностроения 284
6.2.2 Информационная база данных для решения задачи автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки 297
6.3 Примеры решения отдельных задач проектирования станций
биохимической очистки сточных вод 303
6.3.1 Автоматизация проектных расчетов при реконструкции
городских очистных сооружений 303
6.3.2 Прогнозирование режимов функционирования реконструируемых станций биохимической очистки сточных вод 306
6.3.3 Исследование математической модели процесса денитрификации сточных вод 311
6.3.4 Моделирование работы системы аварийной защиты и управления станцией биохимической очистки сточных вод 317
6.3.5 Моделирование процессов самоочищения реки с малым расходом воды 322
6.4 Примеры решения задач синтеза технологических процессов производства изделий из металлов 332
6.5 Пример решения задачи синтеза технологических процессов обезвреживания газовых выбросов химических производств 333
6.6 Решение задачи размещения производства N-фенилантраниловой кислоты 334
6.7 Моделирование распространения загрязнений в компонентах окружающей среды Тамбовского промышленного узла 336
6.8 Оценка качества подземных вод Тамбовского промышленного узла 343
6.9 Автоматизированная обработка данных государственной экологической экспертизы промышленных объектов 347
6.10 Решение задачи распределения квот сброса сточных вод на городские очистные сооружения предприятиями г. Моршанска Тамбовской области 352
6.11 Учебная подсистема удаленного доступа «Эколог» 356
Выводы к главе 6 360
Основные выводы 361
Список использованных источников
- Методы прогнозирования состояния компонентов окружающей среды промышленного узла
- Применение теории сложных систем для решения задач обеспечения экологической безопасности промышленного узла при проектировании производственных технических систем
- Постановка задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод
- Постановка задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов
Введение к работе
В России охране окружающей среды всегда уделялось большое внимание. В настоящее время приняты: Концепция экологической безопасности Российской Федерации [91], которая является составной частью Концепции национальной безопасности [90]; много законодательных актов, направленных на сохранение, рациональное использование, расширенное воспроизводство и развитие природных ресурсов; федеральные законы «Об охране окружающей среды» [290], «Об охране атмосферного воздуха» [289], «О животном мире» [288] и др. Контроль над соблюдением требований законодательств осуществляется Министерством природных ресурсов РФ.
Экологическая безопасность - это проблема взаимоотношений общества и природы, сохранение окружающей природной среды. Ее целью является обеспечения устойчивого и оптимального на длительном периоде времени равновесия между природными и антропогенными системами, техносферой и обществом. В соответствии с принятой Концепцией экологической безопасности страны 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 (АИС) интеллектуального уровня.
Основными антропогенными объектами, функционирование которых во многих случаях приводит к нарушению состояния равновесия природной среды, являются промышленные предприятия. Во многом степень загрязнения природной среды зависит от технологии получения целевой продукции. Так, например, в настоящее время большинство химических процессов ведется в водных растворах, которые потом идут в стоки, в то время как известны и процессы химии твердого тела, не нуждающиеся в применении воды и растворителей. Допущенные просчеты при выборе технологии и в оценке степени загрязнения окружающей среды при бурном развитии
промышленных производств привели к загрязнению водоемов, кислотным дождям, гибели отдельных видов растений и животных, угрозе здоровью людей и т.п.
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. Другими словами, с помощью математических моделей можно оценить «экологичность» ПТС через изменение параметров природной среды.
Степень экологической опасности ПТС, по предложению академика Б.Н. Лас-корина, необходимо оценивать по количеству и составу образующих отходов [232]. На основании знаний о количественном и качественном составе отходов можно прогнозировать ущерб, наносимый природе и обществу, и в зависимости от его величины принимать решения по выбору технологических процессов ПТС [158]. При реализации такого подхода возникают серьезные трудности, связанные со сложностью разработки моделей переноса и диффузии примесей в атмосферном воздухе, воде, почве с учетом их физических и биохимических превращений, состоянием сред и т.п., а также отсутствием точных методов расчета всех видов ущерба, наносимого природе и обществу в стоимостном выражении. В процессах, возникающих вследствие воздействия ПТС на окружающую среду, исходя из их специфики и пространственно - временных масштабов, можно условно выделить три уровня изменений:
физико-химические превращения, происходящие в атмосфере, гидросфере и литосфере;
биологические реакции, происходящие в живых организмах;
социально-экономические последствия.
В основных направления экономического и социального развития Российской Федерации на ближайшие десятилетия определена программа комплексного решения проблемы охраны окружающей среды от промышленных загрязнений на основе создания малоотходных и безотходных технологий, разработки новых методов и средств очистки производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод, использования на всех этапах выполнения исследовательских и опытно - конструкторских работ современных информационных систем.
Предусмотренное на ближайшие годы увеличение выпуска и расширение номенклатуры промышленной продукции, обусловливающее значительное увеличение объема проектных и конструкторских работ - с одной стороны, необходимость решения экологических проблем - с другой, требует: 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 систем 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 вычислительной системы, используемой при решении задач 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 и зарубежные ученые: академики Вернадский В.И., Моисеев Н.Н., Марчук Г.И., Яковлев СВ., Лас-корин Б.Н. и др. В частности, в решение проблемы синтеза малоотходных химических производств большой вклад внесли такие российские ученые как: академик Ка-фаров В.В.; профессора: Перов В.Л., Бодров В.И., Гордеев Л.С., Егоров А.Ф., Малыгин Е.Н., Попов Н.С., Макаров В.В., Дорохов И.Н. и др. Среди ведущих ученых в области теории информатики и АИС следует отметить академика Арского Ю.М., профессора Гиляревского Р.С. и др.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационным планом Межвузовских НТП «Ресурсосберегающие технологии машиностроения» на период
1994 - 1997, «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 (АИС) поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта Российской Федерации.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
Разработаны теоретико-аналитические основы построения интегрированной АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности в масштабе субъекта РФ.
Развиты теория и методы автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС.
Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий машиностроения.
При создании подсистем поддержки принятия решений разработаны:
- математические и расчетные модели синтеза химико-технологических процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС;
математические и расчетные 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.
Методика исследования основана на использовании методов математического моделирования; методов системного анализа, линейного, нелинейного и дискретного программирования, методик экспериментального исследования процессов химической биохимической природы; методов имитационного эксперимента.
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. Были сформулированы 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 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.
Развита методология автоматизированного синтеза химико-технологических процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС, охватывающая все основные этапы проектирования. На ее основе осуществлены постановки задач: обеспечения экологической безопасности ППС при размещении ПТС; автоматизированного формирования структуры технологической схемы (СТС) очистки сточных вод; расчета аппаратурного оформления схемы и автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод; автоматизированного формирования СТС очистки газовых выбросов и расчета аппаратурного оформления этой схемы. 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.
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 гене
рального плана станции биохимической очистки сточных вод, базирующаяся на со
вмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций, учитываю-
щая функциональные особенности объектов, природно-климатические отличия территории и реализуемая с помощью АИС принятия решений.
Разработаны экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денит-рификаторе и реке с малым расходом воды.
Впервые создана информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере ПТС, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.
Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий из металлов, охватывающий все основные этапы технологической подготовки производства, учитывающий комплексную оценку альтернатив при принятии решений; условия эксплуатации изделий; возможность использования различных технологий и видов оборудования. Осуществлены постановки задач и предложены модели их решений: оценки технико-экономической эффективности и экологической безопасности технологической подготовки производства машиностроительных изделий; 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, 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, 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.
Методология автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов.
Модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов.
Процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод, базирующаяся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций.
Экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денитрификаторе и реке с малым расходом воды.
Информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере предприятий, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.
Научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий из металлов.
Практические результаты работы. На основе предложенной методологии, разработанных аналитических и процедурных моделей принятия решений по обеспе-
чению экологической безопасности ППС создано программное обеспечение АИС, включающее пакеты программ:
автоматизированной компоновки структуры технологической схемы очистки сточных вод; расчета аппаратурного оформления этой схемы и 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;
выбора технологических процессов (на примере производств анилиновых красителей), а также района их возможного размещения;
выбора оптимального варианта технологических процессов очистки газовых выбросов ПТС и определения их аппаратурного оформления.
Разработанный комплекс программ передан в Тамбовский филиал Московского научно-производственного объединения НИОПиК (в настоящее время ОАО «Эко-химпроект»), отдельные пакеты программ - ОАО «Пигмент», г.Тамбов, «Гипрополи-мер», 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, Ивановский химико-технологический институт (в настоящее время университет), Курганский государственный университет, где используются студентами при выполнении лабораторных и курсовых работ. Учебная подсистема «Эколог» доступна всем пользователям сети Internet ( ecolog.html'L
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. Материалы работы докладывались на 58 Всесоюзных, Международных конференциях и конгрессах. Результаты работы представлены публикациями в центральной и международной печати.
Новизна и оригинальность научных исследований, выполненных в диссертации, отмечены и поддержаны грантом Министерства образования РФ по исследованиям в области машиностроения, 1995. Биографические сведения о Немтинове В.А. включены в издание «Who is Who in Science and Engineering» 7th Edition, 2003-2004 (By Marquis Edition Who is Who in Science and Engineering (USA)). International Biographical Center (Cambridge, England) номинировал B.A. Немтинова как «International Scientist of the Year for 2003» и включил его в список «Leading Scientists of the World 2005».
В списке литературы, включающем более 359 наименований приведены основные источники, в сравнении с которыми выполнена настоящая работа, ссылки и работы самого автора, указывающие на приоритет в данной области исследования.
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.
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 состав типичного промышленного узла 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). В отдельных случаях некоторые промышленные предприятия могут быть «градообразующими». 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 - при
емника 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.
Особо значимыми задачами, рассмотренными в работе и решаемыми на региональном уровне, являются:
проектирования (реконструкции) сооружений биохимической очистки сточных вод;
распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки и регулирования взаимоотношений между природопользователями;
моделирования процессов распространения вредных веществ в природных водоемах (реке);
обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных объектов.
На локальном уровне решаются следующие задачи:
- проектирования экологически безопасных основных производств (машино
строительных, химических и др.);
проектирования (реконструкции) систем очистки газовых выбросов и сточных вод;
оценки инвестиционной деятельности при размещении новых производств.
Вторая глава посвящена разработке и развитию методологических основ построения АИС принятия решений по обеспечению экологической безопасности при-родно-промышленной системы в масштабе промышленного узла. К особенностям принятия в сфере экологической безопасности следует отнести: сложность и большую размерность ППС; неопределенность поведения экосистем, входящих с 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;
проектирования 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, все виды архивов 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 назначе
ния 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.
При разработке АИС ППС Тамбовского промышленного узла в качестве базового программного обеспечения использована ArcGIS корпорации ESRI.
При изучении процессов функционирования ППС 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 расширен
ном пространстве переменных состояния ППС;
- приоритет экологических закономерностей развития ППС перед технико-
экономическими на этапе формализации задач;
гарантированная экологическая безопасность принимаемых решений;
иерархичность структуры 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 координируемое.
В соответствии с этой теорией предложена схема процесса разработки проекта промышленного производства (основной задачи, решаемой на локальном уровне) и определено место отдельных подзадач, непосредственно связанных с экологической безопасностью промышленного узла. Среди них выделены следующие подзадачи:
оценки возможности очистки сточных вод проектируемого производства на действующей региональной станции;
перераспределения квот сброса сточных вод на региональную станцию очистки предприятиями промышленного узла с учетом нового производства на основе механизма рыночных отношений;
разработки проекта реконструкции (нового проекта) региональной станции очистки сточных вод;
разработки проекта системы очистки газовых выбросов;
- разработки проекта локальной системы очистки сточных вод.
Наличие множества различных критериев оптимальности при принятии решений задач обеспечения экологической безопасности ППС привело к тому, что поиск оптимальных решений для большинства из них необходимо осуществлять с использованием методов многокритериальной оптимизации. При этом в каждом конкретном случае должны решаться проблемы выбора: метода решения задачи с учётом оценки качества вариантов по всем рассматриваемым критериям; принципа нормализации, приводящего все критерии к единому масштабу измерения и позволяющего производить их сопоставление; принципа учёта 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 вариантов), то, учитывая быстродействие современных ПЭВМ, искомое решение следует находить методом полного перебора вариантов. При более высокой размерности задач предлагается схема, основанная на последовательном анализе и отсеивании вариантов путем исключения и отсеивания бесперспективных элементов, как по ограничениям, так и по целевой функции без построения начальных частей вариантов и их дальнейшего развития. Особенностью некоторых задач промышленной экологии является то, что отдельные независимые переменные изменяются непрерывно в некотором диапазоне. В этом случае при применении предложенной процедуры анализа вариантов принятия решений для каждой из этих переменных будем использовать их дискретные значения, которые для отдельных переменных могут быть получены как результаты контрольных измерений соответствующего параметра объекта ППС, определенные с использованием конкретных средств измерений в зависимости от используемого метода измерений.
Для получения прогнозов изменения количественных показателей состояния компонент окружающей среды (качества воды, воздуха и т.д.) в результате строительства или модернизации ПТС, необходимо построение аналитических моделей процессов, протекающих в отдельных типах основного и вспомогательного технологического оборудования промышленных объектов и компонентах окружающей среды, которые бы учитывали гидродинамические особенности потоков в них, кинетические за-
кономерности процессов и вероятностный характер их протекания. При разработке моделей предложен подход, согласно которому пользователь, используя свои знания 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. Достаточно точная оценка числа 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 рассматривается комплекс задач, связанный с автоматизированным синтезом технологических процессов очистки сточных вод ПТС. В частности описываются задачи, связанные с автоматизированным синтезом технологических и биохимических процессов очистки сточных вод ПТС, приводится их математическая формализация, предлагаются процедурные модели принятия проектного решения задач: автоматизированного формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод; расчета аппаратурного оформления этой схемы и автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод.
Для получения прогнозов качества воды на выходе очистных сооружений, в контрольных створах природного водоема (реки) разработаны экспериментально-аналитические модели технологических процессов, протекающих в очистных сооружениях и водоеме-приемнике сточных вод, которые учитывают гидродинамические особенности потоков в сооружениях и природном водоеме, кинетические закономер-
ности 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 органики, нитрификации, денитрификации, роста и отмирания планктона, фотосинтеза, ионного обмена и др. При разработке аналитических моделей рассмотрен подход, согласно которому проектировщик, используя свои знания об особенностях ПТС, их сточных вод и водоема-приемника осуществляет генерацию модели в режиме диалога с ПЭВМ. Его реализация нашла в подсистеме автоматизированного моделирования.
Четвертая глава посвящена решению задач по обеспечению экологической безопасности ПТС, при функционировании которых образуются отходы в виде газовых выбросов. В связи с этим рассматривается комплекс задач, связанный с автоматизированным синтезом технологических процессов очистки газовых выбросов ПТС. приводится их математическая формализация, предлагаются модели принятия проектного решения задач: автоматизированного формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления этой схемы.
В пятой главе рассматривается решение задачи экологической безопасности машиностроительного производства, которую, по нашему мнению, следует решать на этапе технологической подготовки производства. То есть, при выборе материала, из которого изготавливается конструируемая деталь с заданными эксплуатационными свойствами, прочностными характеристиками, и технологических процессов всех этапов ее изготовления, необходимо учитывать их экологическую безопасность. Приводятся постановки задач автоматизированного выбора марки металла, способа получения и вида заготовки в зависимости от вида упрочнения для изделий машиностроения и автоматизированного выбора экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки. Предложена методика автоматизиро-
ванного решения задачи технологической подготовки машиностроительного производства. Разработаны математические модели технологических процессов получения заготовок и упрочняющей обработки. Разработаны процедурные модели принятия решений задач автоматизированного выбора марки металла, способа получения и вида заготовки в зависимости от вида упрочнения для изделий машиностроения и автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.
В шестой главе синтезирована методология построения АИС принятия решений по обеспечению экологической безопасности, описана ее структура. В основу построения программного обеспечения системы положены принципы структурного программирования: модульности и децентрализации управления. Отдельные части программного обеспечения выделены в виде блоков. Это позволяет повысить надежность всей системы в целом, упрощает его дальнейшее совершенствование. Каждый блок реализует решение одной из описанных выше задач.
С помощью разработанного программно-математического комплекса, включенного в АИС, осуществлено решение ряда практических задач, связанных с обеспечение экологической безопасности окружающей среды.
В основных выводах отражены главные результаты работы. Приводятся данные по их апробации на научно-технических конференциях, публикациях и внедрению результатов.
В приложениях приводится описание отдельных частных задач, а также результаты решения задач:
- обоснования проекта реконструкции станции биохимической очистки сточ
ных вод;
- синтеза экологически безопасных технологических процессов химико-
термической обработки пальца, входящего в состав форматора-вулканизатора ФВ-2-
140.
Благодарности. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных соискателем с 1981 по 2005 годы, в период работы в Тамбовском институте химического машиностроения (в настоящее время - Тамбовском государственном техническом университете). Выражаю огромную благодарность всем коллегам по рабо-
те, так или иначе принявшим участие в обсуждении результатов и формировании понимания проблемы. Особенно я благодарен Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Малыгину Е.Н., Заслуженному работнику высшей школы РФ, д.т.н., профессору Попову Н.С, д.т.н., профессору Громову Ю.Ю.
Выражаю глубокую благодарность ректору Тамбовского государственного технического университета д.т.н., профессору Мищенко СВ., без поддержки и участия которого ее завершение было бы не возможно.
Методы прогнозирования состояния компонентов окружающей среды промышленного узла
Среди компонент окружающей среды наиболее ранимой является воздушная среда. Воздушный бассейн является самым «подвижным» компонентом биосферы. Основными факторами, определяющими распространение примесей вредных веществ - отходов промышленности в атмосфере, является адвекция (горизонтальный перенос) и вертикальная диффузия. В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе описано достаточное число математических моделей распространения примесей в атмосфере, позволяющих с различной степенью точности прогнозировать качество воздушной среды в районе размещения промышленных предприятий. Ключевыми требованиями, предъявляемыми к моделям загрязнения воздушного бассейна, являются следующие [249]: - обеспечение необходимой разрешающей способности прогноза в пространстве и времени; - учет широкого диапазона погодных условий, состояния поверхности контакта тропосферы с поверхностью земли, типов источников загрязнения; - возможность работы при наличии доступных данных и обеспечение большей точности по мере увеличения количества информации и улучшения ее качества.
При построении моделей необходима информация, отражающая [353]: - параметры источника: скорость выделения примеси, тип источника (точечный, линейный, поверхностный), характер работы источника (мгновенный, непрерывный), свойства загрязняющего вещества; - параметры среды: градиент температуры, направление и скорость ветра, облачность, радиация, осадки, значения «фоновых» концентраций примесей в воздухе; - параметры граничных условий: свойства поверхности (шероховатость, топография, температура), поверхностные потоки воздуха.
Точность математических моделей во многом зависит от полноты учета переменных, входящих в каждую группу.
В самом общем виде состояние приземного слоя атмосферы можно охарактеризовать выражением: Са=/а(саО та Ра 8а Га), О-1) где са0 - состояние воздушной среды перед загрязнением, та - метеоусловия; ра -множество типов примесей, поступающих в воздушную среду, ga - геометрия воздушного бассейна (масштабы, рельеф подстилающей поверхности, сопряженной с бассейном), га - химические реакции, происходящие в объекте, а также процессы осаждения, сорбции и т.д.
Наибольшее распространение получили математические модели, основанные на решении уравнения диффузии. В отечественной литературе фундаментальной работой в этом направлении является монография Г.И. Марчука [158]. В ней излагается и метод вычисления областей возможного размещения промышленных предприятий с соблюдением санитарных норм загрязнения для всех экологически значимых зон. Явления переноса и диффузии загрязняющего вещества описывается уравнением: дс = div(k grad(c)) - grad(c -u) + qc, (1.2) ot где с - концентрация загрязняющего вещества; к - вектор коэффициентов турбулентной диффузии; и - вектор осредненного поля скоростей воздушной среды; qc -источник загрязнения.
В зависимости от типа источника загрязнения получены соотношения, которые в зарубежной литературе известны как модели «клубка», «факела», «ящика» [56, 311, 348]. К наиболее употребительным диффузионным моделям в нашей стране относятся модели, созданные в ГГО, ИЭМ [25]. Среди недостатков данного класса моделей следует отметить сложность программ расчетов, невысокую точность прогноза распространения загрязнений (для моделей «факела», «ящика») и т.п.
Другой более широкий класс моделей получен в результате аппроксимации уравнения (1.2) более простыми уравнениями и использования численных методов их решения. Такой метод получения моделей является универсальным в отношении источников, характеристик среды и граничных условий. Эти модели, согласно классификации, предложенной в работе [249], называются конечно-разностными». Все модели этого типа основаны на аппроксимации исследуемого воздушного бассейна трехмерными ячейками - для получения численного решения. Различают модели «движущейся ячейки», «крупной ячейки», хорошо перемешиваемой ячейки и др. Обзор численных методов решения задач моделирования атмосферы содержится в работе [331]. Трудности получения прогноза рассеивания примесей в атмосфере по этим моделям связаны с вопросами устойчивости исследуемого численного метода, затрат машинного времени и объема памяти ПЭВМ.
Для получения более точных прогнозов используются модели оперативного прогноза, реализуемые с помощью статистических методов. Главным ограничением статистических методов является то, что условия их использования не могут отличаться от условий, в которых они построены. Модели данного типа стали быстро развиваться в связи с созданием информационно-измерительных систем с обработкой данных в реальном времени. Пример моделей такого типа содержится в работах [334, 349 - 351, 356, 357]. Методы, положенные в основу расчетов по этим моделям, достаточно полно описаны в работах [249]. Статистические модели нашли применение при решении следующих задач: прогноза уровней загрязнений в местах, где отсутствуют станции наблюдений; прогнозирования частоты появления высоких значений концентраций в зависимости от концентрации загрязняющего вещества в воздухе и среднего времени действия высокого уровня загрязнения; прогноза опасного уровня загрязнений в дневное время по результатам погодных условий, полученных до девяти часов утра и др.
Применение теории сложных систем для решения задач обеспечения экологической безопасности промышленного узла при проектировании производственных технических систем
В связи с возросшими требованиями по сохранению окружающей среды при размещении проектируемых ПТС наряду с экономической целесообразностью во главу угла ставится их экологическая безопасность. Как было отмечено выше, при размещении ПТС возникает необходимость погружения данной задачи в общий класс задач оптимизации ППС промышленного узла. Исходя из этого, а так же учитывая традиции выполнения проектных работ, задачу разработки проекта промышленного производства, составными частями которого являются задачи синтеза систем по утилизации отходов основного производства, можно представить в виде целостной системы. Формирование этой системы должно вестись в соответствии с принципами тео рий систем [167]. Для рассматриваемого класса задач эти принципы формулируются следующим образом: - 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; - гарантированная экологическая безопасность принимаемых решений; - иерархичность структуры 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 координируемое
В соответствии с этой теорией на рис. 2.5 представлена схема процесса разработки проекта промышленного производства на примере ММХП (основной задачи, решаемой на локальном уровне) и определено место отдельных подзадач, непосредственно связанных с экологической безопасностью промышленного узла. Среди них выделим следующие подзадачи: 1- оценки возможности очистки сточных вод проектируемого производства на действующей региональной станции; 2- перераспределения квот сброса сточных вод на региональную станцию очистки предприятиями промышленного узла с учетом нового производства на основе механизма рыночных отношений; 3- разработки проекта реконструкции (нового проекта) региональной станции очистки сточных вод; 4- разработки проекта системы очистки газовых выбросов; 5- разработки проекта локальной системы очистки сточных вод.
Как видно из общей схемы разработки проекта промышленного производства (см. рис.2.5), данные задачи решаются на разных уровнях иерархии. Следует отметить, что при реализации предложенной схемы разработки проекта задача 2 решается в только случае отсутствии «положительного» решения задачи 1, а задача 3 - при отсутствии «положительного» решения задачи 2. Такая последовательность решения задач возможно только при допущении, что на момент разработки проекта промышленного производства функционирует региональная станция очистки сточных вод.
Комплекс задач разработки проекта образует многоуровневую структуру, состоящий из последовательности подсистем, объединенных информационными потоками. Результатом решения всего комплекса задач является проектно-техническая документация для проектируемых производств. При этом должны быть выполнены все требования экологической безопасности территориального района их размещения.
Обозначим общую задачу разработки проекта промышленного производства через Z п Эта задача включает в себя множество особенно значимых локальных задач (см. рис. 2.5): формирование структур технологических схем получения целевой продукции, обезвреживания газообразных и жидких отходов; расчет аппаратурного оформления этих схем; размещение оборудования в производственном помещении и трассировка инженерных коммуникаций, расписание работы оборудования, оценка экологического воздействия проектируемых производств на окружающую среду и др.
Сформулируем задачу разработки проекта промышленного производства Z п математически. Пусть: X - множество всех возможных вариантов конструктивных и режимных характеристик оборудования ММХП; R - множество вариантов технологических процессов получения целевой продукции, извлечения вредных примесей в газовых выбросах и сточных водах; V - множество оценок (экологических оценок воздействия ПТС на окружающую среду и технико-экономических оценок целесообразности размещения проектируемых производств в рассматриваемом районе).
Постановка задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод
Исходя из выше приведенных особенностей использования экспертных систем, предлагается следующая постановка задачи формирования варианта структуры технологической схемы (СТС), в состав которой должны войти все необходимые стадии механической, биохимической очистки и обработки осадка: необходимо найти последовательность технологических стадий процессов очистки сточных вод от примесей солей азота и фосфора до требуемых концентраций Снеобх таких, что при выполнении условий: С факт С Необх, Чнач= Чфакт- Чпеобх 0-1) справедливо следующее: topt=argminFl(0- (3.2) teT . при выполнении ограничений на показатели функционирования системы: Fl(t) FJ zad, (3.3) Ff(t) FJ,zad, (3.4) Ff(t) Ff zad. (3.5)
В связи с тем, что предлагается использовать многокритериальный выбор оптимального варианта СТС системы очистки, необходимо решить вопрос о выборе методов нормализации множества критериев и их ранжирования; а также метода многокритериального выбора [1, 71, 291]. В данной работе критерий оптимальности Fj представляет собой сумму взвешенных относительных потерь критериев: приведенных затрат на реализацию совокупности стадий очистки; надежности функционирования системы очистки; технологичности процессов очистки.
Интегральный критерий F} можно записать как где р/, р2, Рз - весовые коэффициенты, 3 р = {р,}={р/-Р/ 0 i = i.-J. ЇР/ = }; (3.7) і=! р/ Ш/(ґ) - взвешенные потери по г -му критерию; w /(f)=(Oj(F/(f) і = 1,...,1, teT - монотонные функции, преобразующие каждую функцию цели Fj (t), і = 1,...,3, teT к безразмерному виду. Fj (t) - экономический критерий, включающий в себя укрупненные приведенные затраты на реализацию системы очистки; F?{t) - оценка надежности функционирования системы очистки; Ff{t) - критерий технологичности проведения совокупности процессов очистки; FJ za tFJ,zadtp -zad . допустимые значения показателей функционирования системы очистки. Причем для функции цели F] (/) находится минимум, а для Fj2(t), Fj (t) - максимум. FI -F!(min) где FJimax\ - наибольшее значение минимизируемой функции Fj (t), teT на множе 2 З стве допустимых альтернатив Т, Fj(min\, Fj(min\ - наименьшее значение максимизируемых функций Fj(t), Fj (t) teT на множестве допустимых альтернатив Т, 1 2 3 \ I \ 7 / \ F{ ,FJ , Ff - оптимальные значения функций цели соответственно Fj (t), F,{(), Fj3(t), teT на множестве допустимых альтернатив Г. Значения со / (/), і = 1,...,3, teT лежат в пределах от 0 до 1.
Необходимо найти такую компромиссную альтернативу teT, которая может не являться оптимальной ни для одной функции цели Fj it), Fj it), Fj if), но оказываться приемлемой для интегрального критерия Fj (t). Компромиссное решение в классическом варианте предполагает равенство минимально возможных взвешенных потерь Pi (u ](t)=kQ(min\, і = 1,...,3. Так как в данной работе при поиске оптимального решения используется метод полного перебора, то достижение равенства взвешенных потерь р; -со Д/) является необязательным. В противном случае при поиске альтернативных решений используется метод ограничений [167].
Для выбора единственного решения в задаче принятия сложного решения тре буется задать весовые коэффициенты р,-, / = / 3, удовлетворяющие соотношению (3.2) и отражающие относительную важность функций цели FJ{t), Fj (t), Fj{t), t є T. Наиболее эффективными подходами к определению этого предпочтения являются методы ранжирования и приписывания баллов [167] (последний применен в данной работе). Остановимся подробнее на составляющих интегрального критерия
Экономический критерий. Критерий оптимальности FJ представляет собой сумму приведенных затрат совокупности стадий очистки Kt и затрат на аренду земельного участка А;, имеющего площадь, необходимую для реализации этих стадий. Данный критерий 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 Fj , представляют собой следующие зависимости: i=l i=l
Здесь N - количество стадий процесса очистки сточных от примесей солей азота и фосфора; qHm, q )aKm, днеобх соответственно начальный, конечный и требуемый уровень качества воды (см. таблицу 3.1); X - множество технологических стадий очистки сточных от примесей солей азота и фосфора; topt - комбинация, состоящая из технологических xt тых стадий, при которой критерий оптимальности достигает минимального значения, х( є X; Nt - количество стадий для / -ой комбинации стадий очистки; Qi - расход сточных вод xt - той стадии; aq., $д., aq,, р?., коэффициенты, учитывающие зависимость величины затрат стадии / от уровня качества воды и расхода.
Постановка задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов
Исходя из выше изложенного, предлагается следующая постановка задачи формирования варианта СТС, в состав которой должны войти все необходимые технологические стадии: нужно найти последовательность элементарных операций процесса газоочистки до концентраций Свых таких, что при выполнении условий: Свых + Сфои С1т (4.6) справедливо следующее: topt=argminFl (t) , (4.7) teT при выполнении ограничений на показатели функционирования системы: FJ(t) Fl zad, (4.8) где T - множество возможных вариантов CTC процессов очистки; СвЫх, Сфон, С -соответственно совокупности концентраций вредных примесей на выходе системы очистки, а также их фоновых и предельно-допустимых значений.
В связи с тем, что предлагается использовать многокритериальный выбор оптимального варианта СТС системы газоочистки, необходимо решить вопрос о выборе методов нормализации множества критериев и их ранжирования; а также метода многокритериального выбора [1, 71, 291]. В данной работе критерий оптимальности
F] представляет собой сумму взвешенных относительных потерь критериев: приведенных затрат на реализацию совокупности стадий очистки; надежности функционирования системы очистки; технологичности и безопасности процессов газоочистки.
Интегральный критерий Fj можно записать как М )=2 Г »/( ). (4.12) i=/ где р,, р2, з 94 весовые коэффициенты, р = {р,}={Р/-Р,- 0 і = 1-,4, р/ = Ь (4.13) /=/ р,- «»/(/) - взвешенные потери по і-му критерию; со / (f) = со у (/ / ( )j, i = l,...,I, teT - монотонные функции, преобразующие каждую функцию цели Fj(t), і = 1,...,4, teT к безразмерному виду. Fj (t) - экономический критерий, включающий в себя укрупненные приведенные затраты на реализацию системы газоочистки ПТС; Ff{t) - оценка надежности функционирования системы газоочистки; F/ (/), Fj(t) - соответственно критерии технологичности и безопасности проведения совокупности процессов очистки; pl.zad p2,zad p3,zad p4,zad _ Д0ПуСтимые значения показателей функционирования системы очистки. Причем для функции цели FJ{t) находится минимум, а для Ff (0» Fi (0 и /(0 " максимум. ,0 со{(/)= Р -РІ fl,teT, (4.14) / (max) - / ?(/bVF/(/) (4-15) / -Fl{min) 4 ., , ю} (0= jg / .teT, (4.16) / -Fl{min) (. )= - ./вГ, (4.17) p4 Д.4Г . / -ґ/(Ии) где FJ(max\ - наибольшее значение минимизируемой функции F/ (/), teT на мно Л жестве допустимых альтернатив Т, Fjimin\, Fjimin\, Fj(min\ - наименьшее значение максимизируемых функций FJ{t), Fj (t) и /7(/), teT на множестве допустимых 1 2 3 4 альтернатив Т, Fj , Fj , Ff , Ft - оптимальные значения функций цели соответственно Fj(t), F[ (/), F[(t) и Ff{t), teT на множестве допустимых альтернатив Т. Значения 0/(/), і = 1,...,4, teT лежат в пределах от 0 до 1.
Необходимо найти такую компромиссную альтернативу teT, которая может не являться оптимальной ни для одной функции цели F, (t), F,2(t), F,3(t) и Ff(t), но оказываться приемлемой для интегрального критерия F{ (/). Компромиссное решения в классическом варианте предполагает равенство минимально возможных взвешенных потерь р, -0)/(/)= k0(min\, і = 1,...,4. Так как в данной работе при поиске оптимального решения используется метод полного перебора, то достижение равенства взвешенных потерь р,- -0)/(/) является необязательным. В противном случае при поиске альтернативных решений используется метод ограничений [167].
Похожие диссертации на Методология построения автоматизированной информационной системы принятия решений по обеспечению экологической безопасности
