Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния принятия технических решений по снижению выбросов от ДВС 10
1.1 Взаимодействие в системе «ДВС — окружающая среда строительной площадки» 10
1.2 Основные факторы, определяющие уровень выбросов загрязняющих веществ от ДВС 13
1.3 Основные методы снижения от выбросов ДВС 23
1.4 Основные подходы к принятию технических решений по снижению выбросов от ДВС 39
1.5 Выводы. Цели и задачи исследования 42
2 Разработка модели принятия технических решений по снижению выбросов ЗВ от ДВС 45
2.1 Разработка модели процесса принятия технических решений по снижению выбросов от ДВС 47
2.1.1 Разработка модели критериев исходных данных 53
2.1.2 Разработка модели технических решений по снижению выбросов от ДВС 58
2.1.3 Разработка модели рассчитываемых критериев выбора технических решений по снижению выбросов от ДВС 71
2.2 Разработка модели процесса оптимизации 80
2.3 Выводы 92
3 Разработка инженерной методики выбора технических решений по снижению выбросов от ДВС 94
3.1 Последовательность методики выбора технических решений по снижению выбросов от ДВС 94
3.2 Характеристика программного комплекса 96
3.3 Выводы 102
4 Использование инженерной методики выбора технических решений по снижению выбросов от ДВС 104
4.1 Цель и объем промышленной апробации 104
4.2 Использование методики выбора технических решений по снижению выбросов от ДВС в условиях действующей строительной организации, филиала Северо-Кавказкого строительного управления Министерства обороны РФ УНРМ №569 г.Ростова-на-Дону 104
4.3 Использование методики выбора технических решений по снижению выбросов от ДВС при экспертной оценке технического состояния автотранспортных средств УВД ОГАИ г. Волгодонск Ростовской области 111
4.4 Использование методики выбора технических решений снижению выбросов от ДВС в учебном процессе 113
4.5 Выводы 115
Заключение 116
Литература 118
Приложение А 130
- Взаимодействие в системе «ДВС — окружающая среда строительной площадки»
- Разработка модели процесса принятия технических решений по снижению выбросов от ДВС
- Последовательность методики выбора технических решений по снижению выбросов от ДВС
Введение к работе
В последние десятилетия для РФ характерен интенсивный стабильный рост загрязнения окружающей среды в условиях строительного производства. Рост антропогенного воздействия на окружающую среду и прежде всего на атмосферу обусловлен в основном выбросами от передвижных источников, составляющих основу строительного производства. На сегодняшний день 85-95% экологических платежей строительных организаций составляют платежи за передвижные источники выбросов загрязняющих веществ (ЗВ).
Совершенствование строительных процессов на сегодняшний день
основывается на механизации и автоматизации, а механизация в свою
очередь подразумевает расширение использования самоходных
механизмов с использованием двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
В условиях строительного производства строительные механизмы на
базе ДВС являются не только средством перемещения грузов и
материалов, но и технологическим оборудованием. Именно в этой сфере
ДВС рассматривается как передвижной и как стационарный источники
выбросов ЗВ в атмосферу, причем следует различать разные режимы
движения и условия эксплуатации транспортных средств, то от чего в
свою очередь зависят массовые выбросы ЗВ. Эта специфика позволяет
выдвинуть проблему загрязнения окружающей среды ДВС
используемыми в строительстве на первое место.
Отработавшие газы (ОГ) ДВС состоят более чем из 200 компонентов основные из которых - оксид углерода, углеводороды, оксиды азота, оксиды серы, сажа, свинец. Эти ЗВ способствуют ускорению процессов разрушения изделий из пластмассы и резины, а также облицовки и конструкций зданий. Основные ЗВ ОГ представляют
наибольшую опасность для здоровья людей. Таким образом, учитывая вклад выбросов ЗВ от передвижных источников в загрязнении воздушной среды, можно утверждать, что вопросы защиты атмосферы строительных площадок являются актуальной научно-технической проблемой.
Даже краткий анализ материалов по снижению негативного воздействия выбросов ДВС на атмосферу строительных площадок граничащих с городскими застроенными территориями показывает, сложность и многогранность этой проблемы. Информация, накопленная в рассматриваемой области, имеющая как количественное, так и качественное описание, относится к различным отраслям знаний, требует систематизации и обобщения. В этих условиях проблема объективного обоснования принятия технических решений становится не менее актуальной, чем разработка новых способов снижения выбросов от ДВС. При этом необходимо отметить, что попытки решения задачи снижения выбросов от ДВС в целом, как правило, не имели успеха, поскольку зачастую сводились к организационным мероприятиям или типизации технических решений независимо от типа автомобиля, его технического состояния и условий эксплуатации. В тоже время объективно-обоснованный выбор технических решений на уровне каждого отдельно взятого автотранспортного средства (АТС) открывает возможность реального снижения совокупного негативного воздействия АТС на атмосферу. Необходимость комплексного учета всего многообразия внешних и внутренних факторов, обуславливающих негативное воздействие выбросов от ДВС отдельно взятого АТС; оперативного доступа к информации любого типа; а также формализации процедурных вопросов, обусловленных требованиями автоматизированной обработки информации, диктует необходимость
разработки единого методического подхода к принятию технических решений по снижению выбросов ЗВ от передвижных источников в условиях строительного комплекса.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ РГСУ по теме: «Разработка методологических основ создания безопасных и экологически чистых систем защиты населенных мест от воздействия антропогенных факторов» Р.Н.01.200.1 151.91.
Целью работы является разработка модели принятия технических решений по снижению выбросов ЗВ от отдельно взятого АТС в условиях строительного производства.
Идея работы_ Использование методов теории принятия решений при моделировании многофакторной процедуры оптимизации.
Научная новизна наиболее существенных результатов работы и их значимость состоят в том, что:
классифицированы организационные, технологические и инженерные методы, снижающие выбросы ЗВ от АТС на основе ДВС;
разработана модель принятия технических решений по снижению выбросов от ДВС, описываемая взаимосвязанными моделями критериев исходных данных, технических решений (информационные модули), критериев эффективности, надежности, стоимостной и энергетической экономичности, процедуры оптимизации (расчетные модули);
получено математическое описание двухэтапной процедуры многофакторной оптимизации технических решений, учитывающей преимущества последовательной и параллельной схем, а также теории нечетких множеств;
обоснованы параметры технологического и экономического рисков, сопутствующих принятию технических решений, описывающих
соответственно зону неопределенности в рамках которой существует возможность снижения расчетного санитарно-гигиенического и экономического результатов.
Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается:
использованием классических положений фундаментальных и прикладных наук (физико-химии, математики);
согласованность научных выводов с результатами, представленными в научно-технической литературе по вопросу многокритериальной оптимизации;
обеспечение минимальных выбросов при сохранении наилучших показателей работы АТС в заданных условиях эксплуатации.
Практическое значение работы заключается в том, что на базе методологии принятия технических решений по снижению выбросов АТС:
разработана инженерная методика выбора технических решений
по снижению выбросов от ДВС, учитывающая критерии исходных
данных (параметры ЗВ, конструктивно-технологические параметры),
критерии режима (эффективность, энергетический показатель) и закона
(надежность, предотвращенный экологический ущерб)
функционирования;
создан программный комплекс «AVTO-ECO», обеспечивающий автоматизированную оценку и выбор технических решений при экспертной оценке и эксплуатации АТС любой конструкции и любого назначения.
Реализация работы. Разработанная методика внедрена при принятии технических решений по снижению выбросов от ДВС в
воздух строительных площадок с использованием программного комплекса «AVTO-ECO»:
в условиях действующей строительной организации - Управления начальника работ механизации и автотранспорта (УНРМ №569 РФ) -филиал Северо-Кавказкого строительного управления МО РФ, при непосредственной эксплуатации АТС;
при экспертной оценке технического состояния АТС ОГАИ УВД г.Волгодонска;
в научных исследованиях и учебном процессе кафедры «Инженерная защита окружающей среды», РГСУ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Процесс принятия технических решений по снижению выбросов ЗВ от передвижных источников в условиях строительных организаций, описывается комплексом взаимосвязанных моделей критериев исходных данных, технических решений по снижению выбросов от ДВС, эффективности, стоимостной и энергетической экономичности, надежности и процедуры оптимизации.
Процедура многофакторной оптимизации технических решений по снижению выбросов от ДВС включает 2 этапа, на первом из них на основе последовательной схемы и теории нечетких множеств формируется допустимое множество решений, из которого на 2-м этапе по параллельной схеме определяются технические решения, наилучшие для заданных производственно-технологических условий эксплуатации.
Зона неопределенности, сопутствующая принятию технических решений по снижению выбросов от ДВС, характеризуется технологическим и экономическим рисками, описывающими соответственно зону неопределенности, в рамках которой существует возможность снижения расчетного санитарно-гигиенического
результата, достижимого при данных уровнях технологической эффективности и санитарно-гигиенической надежности, и экономического результата, достижимого при данных уровнях предотвращенного удельного экологического ущерба и санитарно-гигиенической надежности.
Разработанная на базе методологии инженерная методика выбора технических решений по снижению выбросов от ДВС позволяет осуществлять объективно обоснованный выбор технических решений, наилучших по своим параметрам для данного АТС и заданных эксплутационных условий.
Программный комплекс «AVTO-ECO», обеспечивающий автоматизированную оценку и выбор технических решений по снижению выбросов при экспертной оценке и эксплуатации АТС любой конструкции и любого назначения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: «Техносферная безопасность», Всероссийская научно-практической конференции, г. Туапсе, 2002 г.; «Строительство - 2003», Международная научно-практическая конференция РГСУ, г. Ростов н/Д, 2003 г.; «Математические методы в технике и технологиях», XVI Международная научная конференция, РГАСХМ ГОУ, Ростов н/Д, 2003 г.; «Инновационность хозяйственных систем», VI Всероссийский форум ученых и студентов, г. Екатеринбург, Урал гос. экон. ун-т, 2003 г.; «Промышленная экология», международная школа-семинар, Ростов-н/Д, РГСУ, 2003 г.; «Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды», Междунар. науч.-практ. конф., РГАСХМ ГОУ, г. Ростов н/Д, 2003 г.
Взаимодействие в системе «ДВС — окружающая среда строительной площадки»
В последние десятилетия для РФ характерен интенсивный стабильный рост загрязнения окружающей среды в условиях строительного производства. На сегодняшний день наблюдается интенсификация строительства как жилых, так и производственных зданий, активная реконструкция существующих предприятий. Рост антропогенного воздействия на окружающую среду и прежде всего на атмосферу обусловлен в основном выбросами от передвижных источников, составляющих основу строительного производства. Совершенствование строительных процессов на сегодняшний день основывается на механизации и автоматизации, а механизация в свою очередь подразумевает расширение использования самоходных механизмов с использованием двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Расширяется парк строительных механизмов и использование бензиновых и дизельных ДВС. В условиях строительного производства строительные механизмы на базе ДВС являются не только средством перемещения грузов и материалов, но и технологическим оборудованием. Именно в этой сфере ДВС рассматривается как передвижной и как стационарный источники выбросов ЗВ в атмосферу, причем не только строительных площадок, но и застроенных территорий (рис. 1.1). При рассмотрении строительных механизмов на базе ДВС как передвижных и стационарных источников, следует различать разные режимы движения и условия эксплуатации транспортных средств, то от чего в свою очередь зависят массовые выбросы ЗВ. Эта специфика позволяет выдвинуть проблему загрязнения окружающей среды ДВС используемыми в строительстве на первое место.
На сегодняшний день вклад передвижных источников выбросов ЗВ достигает 85-95% от общего загрязнения атмосферы городов. Анализ существующих данных по взаимодействию в системе «окружающая среда.
Разработка модели процесса принятия технических решений по снижению выбросов от ДВС
Поставленная задача исследования предполагает разработку математической модели, представляющей совокупность математических зависимостей и краевых условий, реализующих взаимосвязь множества технических решений, снижения выбросов от ДВС, критериев выбора и процедуры оптимизации. Модель должна обеспечивать взаимодействие узлового объекта технических решений, направленных на снижение выбросов от ДВС, с двумя другими объектами: критериями оценки качества и процедурой оптимизации.
Особенностью данной модели является необходимость обработки больших массивов данных, имеющих как количественную, так и качественную интерпретацию. Причем отдельные детали представления могут меняться со временем. В силу этого её базовым принципом целесообразно принять принцип ОПП (объективно-ориентированного программирования), в основе которого находятся операции с объектами [109]. Объект - это абстрактная сущность, наделенная характеристиками объектов окружающего нас реального мира [78,97]. Создание объектов и манипулирование ими - это результат методологии программирования, воплощающей в кодовых конструкциях описания объектов и операции над ними. Каждый объект, как и любой реальный предмет, отличается собственными атрибутами и характерным поведением. Объекты можно классифицировать по разным категориям. Каждой категории принадлежит свой класс, а класс сам включает множество производных вариаций на ту же тему. Таким образом, любой класс определяет некоторую категорию объектов, а всякий объект есть экземпляр некоторого класса. Объектно-ориентированное программирование (ООП) — это метод, которая концентрирует основное внимание на связях между объектами, а не на деталях их реализации.
Сущность ОПП заключается в создании единого целого из отдельных заранее подготовленных укрупненных объектов (модулей). В нашем случае это - модели критериев исходных данных (нерасчитываемых критериев), критериев оценки качества (рассчитываемых критериев), технических решений и процедуры оптимизации. Описание каждого из этих объектов должно быть однотипным и в то же время учитывать специфику представления данных по схеме: информация асчет (рис.2.2)
В основе модели лежат информационные модули, именно на них опираются расчетные. К информационным модулям в рассматриваемой модели относятся представление исходных данных, включающих параметры ЗВ в выбросах ДВС, конструктивно-технологические параметры, а также совокупность используемых в настоящее время технических решений по снижению выбросов от ДВС. Содержательная часть информационных модулей должна обеспечивать оперативный доступ к данным при обеспечении всей полноты представления информации. Расчетные модули - это совокупность алгоритмов вычисления отдельных критериев, а также математическое описание процедуры оптимизации. Содержание расчетных модулей зависит от методов абстрагирования [84,120]. В модели использованы два основных метода:
1. Абстрагирование через параметризацию (состоит в решении одним алгоритмом задач различных по своим исходным данным),
2. Абстрагирование через спецификацию (предполагает решение одной и той же задачи разными алгоритмами).
Абстрагирование через параметризацию использовано нами при математическом описании расчетных критериев, значения которых определяются по одной и той же зависимости (критерии экономичности, надежности и энергетический критерий). Абстрагирование через спецификацию учитывает большую степень математической проработки расчетных алгоритмов, а также дает возможность использовать известные из литературы диапазоны значений критериев (критерий эффективности).
Последовательность методики выбора технических решений по снижению выбросов от ДВС
Разработанная методика базируется на модели процесса принятия технических решений по защите воздушной среды от выбросов ДВС (гл.2). Данная методика позволяет определить объективно-обоснованный для заданных условий вариант технического решения (решений) снижения выбросов от ДВС, который при оптимальном режиме и законе их функционирования наилучшим образом обеспечит экологические нормативы качества атмосферного воздуха [122].
При принятии технических решений по защите воздушной среды от выбросов ДВС нами предложена следующая последовательность действий:
1. Определить предполагаемый объем работ, для чего уточнить множество технический решений по защите воздушной среды от выбросов ДВС, подлежащих рассмотрению, а также перечень нерассчитываемых и рассчитываемых критериев оценки качества их работы.
2. Задать в рамках перечня технических решений по защите воздушной среды от выбросов ДВС значения критериев исходных данных: параметров ЗВ (табл.2.1.) конструктивно технологических параметров (табл.2.2.).
3. В соответствии с матрицами решений 1-го этапа процедуры оптимизации определить в рамках перечня технических решений эффективное множество вариантов технических решений, использование которых допустимо в данных условиях и для данного вида автотранспортных средств.
4. Определить для каждого варианта технических решений, в рамках эффективного множества решений полученных на 1-ом этапе оптимизации, численные значения критериев режима функционирования, для чего произвести расчет величины критерия энергетической экономичности (выражение 2.1), также определить эффективность очистки ОГ по каждому компоненту и произвести расчет соответствия данной величины требуемой эффективности.
5. Определить для каждого варианта технических решений в рамках эффективного множества численные значения критериев закона функционирования, для чего произвести:
расчет величины предотвращенного экологического ущерба от загрязнения атмосферного воздуха выбросами от передвижного транспорта (выражение 2.2)
расчет величины санитарно-гигиенической надежности (выражение 2.6)
6. Сформировать матрицы 2-го этапа процедуры оптимизации: матрицы решений по абсолютным значениям, по степеням реализации и по рангам (табл.2.6,2.7)
7. Решить матрицы решений по рангам (выражение 2.16.) и принять в результате этого наилучший вариант технического решения (несколько равнозначных вариантов).
8. Рассчитать по каждому варианту технического решения величины технологического (выражение 2.17) и экономического (выражение 2.18) рисков, сопутствующих принятию технических решений.
С целью автоматизации выполнения работ в рамках рассмотренной методики нами разработан программный комплекс «AVTO-ECO», блок-схема которого представлена на рис.3.1.
