Введение к работе
Актуальность темы. Утилизация промышленных отходов имеет огромное экономическое, ресурсосберегающее, социальное и экологическое значение для замкнутых промышленных регионов. Комплексное решение проблем охраны природы и управления сырьевыми ресурсами замкнутого горно-промышленного региона (ГПР) возможно лишь при наличии системного подхода, что требует разработки, развития и внедрения новых методов автоматизированного проектирования оптимальных схем переработки первичных и вторичных минеральных ресурсов (ПМР, BMP) промышленности. Совместное системное рассмотрение возникающих при этом задач для решения проблем охраны природы и оптимального использования сырьевых ресурсов позволяет лицу, принимающему решение (ЛПР), дать единственно правильную оценку стратегии проектирования малоотходных схем переработки первичных сырьевых ресурсов и утилизации промышленных отходов. Действенным инструментом проектирования оптимальных малоотходных схем производства ГПР, горно-перерабаты-вающей промышленности, горно-перерабатывающего предприятия (ГПП), комбината (ГПК) и угольной обогатительной фабрики (УОФ) является интерактивная, интеллектуальная, универсальная, простая в обращении и открытая автоматизированная система, обеспечивающая широкие возможности диалога человек-компьютер и позволяющая подсоединять новые пакеты прикладных программ (ППП) или исключать устаревшие. Основная трудность в создании такой автоматизированной системы заключается в отсутствии унифицированного информационного и специального математического обеспечений.
Объектом исследования является комплекс математических, алгоритмических и программных методов, моделей и средств автоматизированного проектирования оптимальных схем малоотходной технологии переработки сырьевых ресурсов промышленности.
Цель и основные задачи исследования. Целью исследования является разработка методов оптимального проектирования схем
утилизации промышленных отходов, объединенных в универсальную автоматизированную систему, включающую математические модели, методики, алгоритмы и ППП решения типовых задач синтеза малоотходной технологии переработки первичных и вторичных сырьевых ресурсов, позволяющих ЛПР в интерактивном режиме сопоставлять результаты решения одной и той же задачи в статическом и динамическом режимах.
Задачи исследования заключаются в разработке интерактивной системы автоматизированного проектирования (ИСАП) оптимальных схем комплексной переработки первичных сырьевых ресурсов (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP) с организацией унифицированного приема, накопления, модификации и выдачи необходимой информации, а также методов, алгоритмов и ППП следующих типовых задач:
- определение месторасположения и эколого-экономических
показателей (ЭЭП) схем предприятий по переработке промышлен
ных отходов (задача S1);
проектирование малоотходной схемы ГПП (ГПК) (задача S2);
определение границ использования промышленных отходов (задача S3);
динамика процессов утилизации промышленного отхода для организации выпуска новых продуктов (задача D1);
проектирование динамической схемы утилизации промышленных отходов на региональном уровне (задача D2);
оптимальное планирование и управление циклической системой водоснабжения производства (задача D3);
многокритериальное оптимальное проектирование малоотходной схемы ГПП (ГПК) (задача Ml);
многокритериальное определение схем и показателей выпуска продуктов при утилизации промышленных отходов (задача М2);
- многокритериальный синтез схемы "поставщики-потребите
ли" промышленных отходов (задача МЗ).
Для решения перечисленных типовых задач S1-S3, D1-D3 и М1-МЗ рассматриваемой проблемы необходима предварительная разработка балансовой модели сырьевых ресурсов малоотходной тех-
нологии производства и статистических моделей зависимостей: транспортных затрат на сырье и продукцию от расстояния перевозки; капвложений, удельной и полной себестоимостей продукции от объема выпуска продукции.
Методы исследования. В диссертации использованы методы: теории исследования операций (теории выбора, теории графов, методов решения задач математического программирования, теории принятия решений); теории оптимального управления; математической статистики; теории информации; теории САПР и АСУ; технологий переработки минеральных и сырьевых ресурсов.
Научная новизна. В процессе исследований получены следующие научные результаты:
предложена и обоснована концепция автоматизированного оптимального проектирования схем переработки первичных сырьевых ресурсов (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP);
разработана модель материального баланса сырьевых ресурсов малоотходной технологии переработки первичного сырья (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP);
разработаны и исследованы статистические модели зависимостей: транспортных затрат на сырье и продукцию от расстояния перевозки; удельной себестоимости продукции, полной себестоимости продукции и полных капвложений от объема выпуска продукции;
предложена морфологическая схема вариантов малоотходной технологии и разработан алгоритм формирования технологических схем ГПП и ГПК;
разработаны модели и методы решения типовых статических задач оптимального природопользования (S1-S3);
разработаны модели и предложены методы решения типовых динамических задач проектирования схем утилизации промышленных отходов (D1-D3);
- предложен обобщенный двухступенчатый метод решения
многокритериальных задач проектирования схем оптимальной ути
лизации промышленных отходов с учетом экологического фактора
и разработаны модели решения типовых многокритериальных задач (М1-МЗ);
- разработана ИСАП RUMAG, реализованная в виде универ
сального комплекса автоматизированного проектирования, для ре
шения прикладных проблем оптимального природопользования, к
которой подключены ППП разработанных методов типовых задач
(S1-S3, Dl, D2, М1-МЗ).
Защищаемые научные положения:
математическая модель материального баланса сырьевых ресурсов малоотходной технологии переработки первичного сырья (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP);
модели обработки статистической экономической информации рассматриваемых задач;
эколого-экономические критерии задач поставленной проблемы;
реализация условий оптимальности в динамических задачах исследуемой проблемы;
методы проектирования малоотходных схем ГПП и ГПК в статике и динамике;
методы синтеза оптимальной структуры взаимосвязей и ТЭП "поставщик-потребитель" промышленных отходов на региональном уровне в статике и динамике;
метод оптимального планирования и управления циклической системой водоснабжения производства;
метод принятия решений в многокритериальных задачах поставленной проблемы;
ИСАП оптимальных схем переработки первичных сырьевых ресурсов и утилизации промышленных отходов (RUMAG);
результаты расчетов и промышленных внедрений.
Совокупность полученных научных положений и выводов квалифицируется как развитие теории и практики разработки методов, математических и информационных обеспечений САПР и АСУ схем оптимальной переработки сырьевых ресурсов горно-пе-рерабатывающей промышленности.
Достоверность научных положений обеспечивается принятой методологией исследований и математическим обоснованием научных и практических результатов.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Решение поставленной проблемы обеспечило возможность: определения материального баланса сырьевых ресурсов схем малоотходной технологии УОФ; генерации множества перспективных вариантов схем малоотходных технологий ГПП (ГПК) цветной металлургии; расчета зависимостей капвложений, удельных и полных себестоимостей стройматериалов (портландцемента, силикатного кирпича, песка, гравия, щебня, облицовочной плиты, гранулята, жаростойкого легковеса, изделий из силикатобетона и т.д.) от объема выпуска продукции и расстояния перевозки; выбора месторасположения и ЭЭП предприятий по утилизации туфовых отходов Армении для выпуска гранулята, жаростойкого легковеса и изделий из силикатобетона; синтеза оптимальной схемы комплексной переработки руды Каджаранского медно-молибденового комбината; проектирования оптимальных малоотходных схем ГПП (ГПК) цветной металлургии и УОФ с технико-экономическими показателями (ТЭП); синтеза оптимальных взаимосвязей "поставщики-потребители" отходов на межотраслевом уровне (на примерах использования отходов УОФ и цветной металлургии в производстве портландцемента, щебня, песка и песчано-гравийной смеси); создания ИСАП RUM AG; включения разработанных математических, алгоритмических и программных реализаций оптимального проектирования схем переработки отходов УОФ в справочник по образованию и использованию вторичных материальных ресурсов угольной промышленности; внедрения и применения разработанных математических методов оптимального проектирования схем комплексной переработки первичного сырья и промышленных отходов, ИСАП RUMAG, ее отдельных ППП и результатов расчетов в следующих организациях: ВИВР (Россия, г.Мытищи); ИПКОН РАН (Россия, г.Москва); Татглавснаб (Россия, г.Казань); Верхневолгглав-снаб (Россия, г.Иваново); Востказглавснаб (Казахстан, г.Усть-Каме-негорск); АрмНИИСтройиндустрии (Армения, г.Ереван); НПО "Ка-
мень и силикаты" (Армения, г.Ереван); Министерство охраны природы Армении (Армения, г.Ереван).
Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорных (х/д) и госбюджетных (г/б) тематик ГИУА, а также в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских и проектных работ Министерства охраны природы Армении, НПО "Камень и силикаты", АрмНИИСтройиндустрии, ИПКОН РАН, ВИВР и Востказ-главснаб. В частности, "Разработка первой очереди информационно-поисковой системы по учету наличия и использования отходов минерального сырья", х/д работа, шифр Н-013, гос. per. № 01830047909, инв. № 02830049915 и № 02840067885; "Разработка информационно-поисковой системы "Вторичные ресурсы в системе Верхневолжского Главснаба"", х/д работа, шифр Н-162/ВТ, гос. per. № 01850068007, инв. № 02870043755; "Определение места строительства завода-потребителя отходов камнедобычи", передача научно-технических достижений ГИУА, шифр ПНД-8; "Выбор оптимальной структуры использования отходов производства предприятий цветной металлургии Восточно-Казахстанской области в промышленности строительных материалов"; "Разработка методики экономической оценки отходов и потерь полезных компонентов при обогащении руд (безотходной технологии)"; "Разработка адаптивной системы управления рационального использования ресурсов экономического региона", г/б работа, шифр 92-1147; "Автоматизированный информационный комплекс для выбора обоснованных направлений использования отходов производства", г/б работа, шифр 94-6; "Армения - изучение изменения климата в стране", проект UNDP/GEF, шифр UNDP/GEF/ARM/95/G31/A/1G/99; "Интерактивная автоматизированная система решения проблем охраны природы и управления сырьевыми ресурсами", индивидуальный исследовательский проект фонда Макартуров, № 98-52247.
Апробация работы. Основные научные результаты и положения диссертации и сведения о промышленных внедрениях докладывались и обсуждались на: семинаре "Внедрение ВТ в проектировании и научных исследованиях" (Ереван, Армения, 1983г.); Рее.
науч.-техн. конф. "Проблемы совершенствования регионального управления природными ресурсами" (Ереван, Армения, 1983г.); 1-й Всесоюзн. науч.-техн. конф. "Системный анализ и управление в задачах рационального природопользования и охраны окружающей среды" (Цахкадзор, Ереван, Армения, 1983г.); Всесоюзн. науч.-техн. конф. "Системный анализ и управление в задачах использования минерально-сырьевых ресурсов, утилизации отходов и охрана окружающей среды" (Цахкадзор, Армения, 1988г.); Юбил. конф. ГИУА (Ереван, Армения, 1993г.); 1st International Conf. on Application of Critical Technologies for the Needs of Society (Yerevan, Armenia, 1995г.); научных семинарах института эконометрии, исследования операций и теории систем Венского технического университета (Вена, Австрия, 1987г., 1988г., 1991г., 1992г., 1999г.); научном семинаре кафедры прикладной математики Горного университета Леобена (Леобен, Австрия, 1988г.); научном семинаре кафедры производственной экономики Венского университета (Вена, Австрия, 1999г.); семинарах кафедры динамики и симуляции экологических систем Технического университета Ильменау (Ильме-нау, Германия, 1995г., 1997г.); научном межкафедральном семинаре факультета информатики и экономики Московского государственного института стали и сплавов (технологический университет) (Москва, Россия, 1999г.); International Conf. on Methods and Applications of Multicriteria Decision Making (Mons, Belgium, 1997г.); годичных научных семинарах ГИУА (Ереван, Армения, 1996 -1998гг.); научных семинарах сектора "Вычислительная техника" ГИУА (Ереван, 1983 - 1999гг.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 24 научных трудах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из 232 наименований, 11 приложений. Работа включает 84 рисунка и 28 таблиц. Общий объем работы - 397 страниц.
