Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные подходы к определению экологической нагрузки, учет и регулирование выбросов загрязняющих веществ в атмосферу 11
1.1. Опыт регулирования экологической нагрузки при выбросах загрязняющих веществ в атмосферу 11
1.2. Обоснование присвоения категорий предприятию по степени негативного воздействия на атмосферный воздух 23
1.3. Роль объектов стройиндустрии в загрязнении атмосферного воздуха.. 25
Выводы по первой главе 32
ГЛАВА 2. Научно-методический подход к определению экологической на грузки в условиях нечткой информации 34
2.1. Оценка воздействия предприятий по степени экологической нагрузки на качество атмосферного воздуха 34
2.2. Структура и технологический процесс предприятий стройиндустрии 36
2.2.1. Структура и технологический процесс комбината строительных материалов и конструкций 36
2.2.2. Определение категории комбината строительных материалов и конструкций по степени воздействия его выбросов на атмосферный воздух 40
2.2.3. Структура и технологический процесс асфальтобетонного завода 43
Выводы по второй главе 47
ГЛАВА 3. Реализация разработанных методов на производствах стройиндустрии 48
3.1. Расчт параметров информационной системы для определения категории предприятий стройиндустрии 48
3.2. Обзор программ для моделирования нечтких информационных систем 53
3.3. Обзор схем нечеткого вывода для моделирования информационных систем по определению категории предприятия при нечтких параметрах 57
3.4. Требования, предъявляемые к компонентам информационной системы по определению категории предприятий стройиндустрии 62
3.4.1. Алгоритм решения задачи аппроксимации и свойства оптимального решения 64
Выводы по третьей главе 70
ГЛАВА 4. Практическое применение и рекомендации по использованию разработанных методов для определения категории объектов строй-индустрии 71
4.1. Определение категории комбината строительных материалов и конструкций 71
4.2. Определение категории асфальтобетонного завода 77
4.3. Оценка достоверности метода по определению категории предприятия 84
4.3.1. Оценка достоверности системы по определению экологической нагрузки на регион объектов стройиндустрии при нечтких параметрах 88
4.4. Рекомендации по использованию разработанных методов ранжирования объектов стройиндустрии 92
Выводы по четвертой главе 96
Заключение 97
Библиографический список
- Обоснование присвоения категорий предприятию по степени негативного воздействия на атмосферный воздух
- Структура и технологический процесс предприятий стройиндустрии
- Обзор программ для моделирования нечтких информационных систем
- Определение категории асфальтобетонного завода
Обоснование присвоения категорий предприятию по степени негативного воздействия на атмосферный воздух
Экологическая нагрузка – это изменение внешней среды, которое приводит или может приводить к ухудшению качества объекта, т.е. к нежелательным с точки зрения субъекта оценки изменениям в его состоянии. Непревышение предельно допустимой экологической нагрузки на регион необходимо для обеспечения достаточно высокого качества окружающей природной среды.
Допустимая экологическая нагрузка – это антропогенная нагрузка (складывающаяся из отдельных воздействий), которая не меняет качества окружающей природной среды или меняет ее в допустимых пределах, обеспечивая сохранение и/или повышение структурно-функциональной целостности сообщества. Имеет характер перспективного норматива, который может быть достигнут к определенному сроку, т.е. через заранее обусловленное время перейти в категорию текущих нормативов [27].
В сложных системах управления процессов, таких как определение эколо гической нагрузки при производственной деятельности предприятия стройинду стрии, процессы принятия решений часто протекают в условиях неопределенности, что лишает возможности использование точных подходов. Для обработки подобных данных целесообразно использовать современные ин формационные системы.
При определении экологической нагрузки информационная система может полностью взять на себя выполнение задач, которое обычно требует привлечения опыта и знаний специалиста в данной области, или выполнять роль ассистента для лица, принимающего решение.
Разрабатываемая система обязана обеспечить решение задач экологической безопасности хозяйствующего субъекта при возможном расширении или модернизации производства как всего субъекта, так и его частей. Существует два основных подхода по решению проблемы загрязнения выбросами антропогенных источников.
В первом подходе определяется необходимая степень снижения экологической нагрузки, исходя из результатов степени воздействия выбросов ЗВ из опре-делнного источника на наиболее незащищнные части экосистемы. Для общего определения необходимости степени снижения нагрузки выполняются детальные оценки негативного влияния выбросов.
Второй подход направлен на ограничение параметров выбросов конкретного антропогенного источника, при этом, мероприятии и программы по уменьшению экологической нагрузки от выбросов ЗВ определяются исключительно исходя из факторов, основанных на показаниях предельных значений выбросов, стоимости мер по их достижению и т.д. Данный подход не дат четкой связи с экологическими последствиями оказываемой экологической нагрузки на регион.
Второй подход применяется странами Европы (ЕС) путм разработки и внедрения экологических программ, международного сотрудничества и основывается на ограничении выбросов конкретного источника. В странах Европы (ЕС) и СНГ используются разные методы для снижения экологической нагрузки воздухо-охранной деятельности [81].
В странах СНГ действуют перечни вредных веществ, подлежащих государственному учету. Так, в Казахстане введен в действие перечень, включающий шестнадцать позиций загрязняющих веществ, для которых устанавливается плата и определяются нормативы за выбросы этих ЗВ в окружающую среду. На Украине определен перечень, включающий сто тридцать одно вредное вещество, для которого определены предельные величины выбросов (т/г) для включения их в перечень (например предельные величины для аммиака – 1,5 т/г, для сажи – 0,3 т/г).
В рамках стран Европы (ЕС) подлежат регулированию выбросы двенадцать вредных веществ. С целью определения качества атмосферного воздуха установлены две категории, которые определяют концентрации вредных веществ в единице объема воздуха, которые при воздействии за определенный промежуток времени влияют на здоровье человека не значительно, и не вызывают неблаго 13 приятных последствий у его потомства (ПДК): среднесуточная (ПДКСС) и максимально разовая (ПДКМР).
ПДКСС – установлена для предупреждения общетоксического, мутагенного, канцерогенного и другого влияния вещества на организм человека. Вещества, оцениваемые по этому нормативу критерию, обладают способностью накапливаться в организме человека постоянно или временно.
ПДКМР –установлена для предупреждения рефлекторных реакций у человека (световой чувствительности, ощущение запаха, биоэлектрической активности головного мозга) при кратковременном воздействии атмосферных примесей на организм человека. По этому критерию оцениваются вещества, обладающие запахом или воздействующие на другие органы чувств человека. Данный критерий является основной характеристикой опасности вредного вещества..
В странах Европы (ЕС) результаты нормирования выбросов ЗВ в атмосферу определяются в виде "Разрешений на выброс", при помощи которого устанавливаются пограничные величины выбросов в результате производственной деятельности, которые входят в Европейский перечень выбросов загрязняющих веществ и переноса загрязнителей.
Наряду со странами Европы (ЕС) составляются отчеты и формируются реестры в других странах. Так, Северной Америке объединили свои базы данных о выбросах три страны: Канада, США, и Мексика, в реестр загрязняющих веществ, в который входит 300, 600, и 104 вещества соответственно. Определены пороговые показатели для включения загрязняющих веществ в реестры. Так, в США и Канаде это предприятия, которые используют, производят или обрабатывают более 10 тонн, а в Канаде 11,3 химического вещества, включенного в соответствующий перечень. В некоторых странах к пороговым показателям относится также количество наемных работников (например, в США – 10 и более человек) и конкретные перечни производственной деятельности (например, в Японии – 23 вида промышленной деятельности при выбросе более 1 т. в год).
Структура и технологический процесс предприятий стройиндустрии
Транспортеры и элеваторы для транспортировки пылящего материала оснащаются газоочистным оборудованием (обычно, рукавный фильтр) и в целях уменьшения пыления обычно конструируются как закрытые системы. Неорганизованные выбросы пыли могут появиться при складировании на открытых складах, переработке, упаковке и отгрузке материалов и твердого топлива, и также при движении дорожного транспорта по территории предприятия.
Одним из основных строительных материалов является цемент, он применяется для изготовления монолитного и сборного бетона, который служит сырьем для получения железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, жароизоляции и др. Цемент представляет собой распространенный вяжущий строительный материал, который после смешения с водой позволяет получать изделия и конструкции высочайшей прочности. С 50-ых годов мировое производство цемента уверенно растет, особенно в Азии, показывающих львиную долю роста в мировом производстве цемента в 1990-х годах.
Мощность цементной промышленности напрямую зависит от строительного бизнеса и поэтому четко отражает экономическую ситуацию. Начало ХХI века характеризовалось значительным ростом производства цемента и его потребления. С 2001 г. по 2009 г. объем производства цемента возрос с 1740 млн. тонн до 2960 млн. тонн. Лидером производства цемента является Китай – 1 637,1 млн. тонн (2009 г.), далее идут Индия – 193,1 млн. тонн, США – 71,9 млн. тонн, Япония – 59,6 млн. тонн, Турция –57,6 млн. тонн. Экспортные поставки цемента достигли 175 млн. тонн (2006 г.), в 2010 г. они составили 144 млн. тонн.
В странах Европы имеется 268 установок, производящие цемент и клинкер. В дополнение к ним имеются 90 заводов по измельчению цемента (помольные установки) без печного отделения и два клинкерных завода без мельниц для помола цемента.
Основными способами производства цемента являются: сухой и мокрый. При мокром способе сырьевые материалы измельчают в присутствии воды с образованием сырьевого шлама, при сухом способе сырьевые материалы измельчают и сушат в сырьевой мельнице в виде подвижного порошка. Способ производства цемента выбирают в зависимости от технологических и технико-экономических факторов: свойств сырья, его однородности и влажности, наличие достаточной топливной базы и др.
Мокрый способ производства доминирует в цементной промышленности России. Так, в 2010 г. по мокрому способу было произведено 83,2% цемента, по сухому и полусухому способам – 16,8%. Средний удельный расход условного топлива на обжиг клинкера в 2010 г. в России составил 202,4 кг у. т/т клинкера. На заводах сухого способа – 146 кг у. т/т клинкера, а на предприятиях мокрого способа производства – 213,0 кг у. т/т клинкера. В 70-90х годах прошлого века большинство зарубежных стран осуществили перевод производства цемента на сухой способ производства, что позволило сократить удельный расход топлива на обжиг клинкера до 40% [90].
Для получения клинкера сырьевую смесь составляют из нескольких компонентов: известковый и глинистый, иногда используют отходы (нефелиновый шлам, доменный шлак, золы и пр.) различных отраслей промышденности, имеющие подходящий состав. Обжиг сырьевой смеси проводят во вращающихся печах, в результате которой образуется клинкер. Процесс разложения карбоната кальция начинается при температуре около 600 С и ускоряется по мере повышения температуры материала, достигая максимума при 900 С. с образованием оксида кальция (извести). Далее идет процесс клинкерообразования, в котором оксид кальция вступает в реакцию при температуре около 1500оС с глиноземом, кремнеземом и оксидом железа, образуя алюминаты, силикаты и ферриты кальция. После чего, клинкер и гипс измельчается совместно с другими составляющими. При производстве цемента основная масса вредных (загрязняющих) веществ образуется при сжигании топлива и при обжиге клинкера вследствие физико-химических реакций. В следствии чего перед поступлением в дымовую трубу газовоздушная смесь поступает на очистку (рукавный фильтр или электрофильтр) во всех печных системах.
При высокотемпературным процессе обжига клинкера, а также при окислении органических веществ, содержащихся в жидком и твердом топливе образуются оксиды азота, за счет окисления азота воздуха. Работа печи с повышенным содержанием кислорода также приводит к возрастанию выделения оксидов азота, при этом количество оксида углерода и диоксида серы обычно снижается.
Вследствие окисления при обжиге органических соединений, содержащихся в сырьевых материалах, а также в результате неполного сгорания топлива образуется оксид углерода.
Содержание серы в топливе и сырьевых материалах определяет количество соединений серы. За счет наличия щелочей в сырьевых материалах, происходит «присадка» соединений серы, вследствие чего диоксид серы выводится из печи с пылью и клинкером из выходящих газов в связанном состоянии.
При сушки и измельчении сырьевых материалов, помола цемента, обжига и охлаждения клинкера, а также при протекании вспомогательных процессов: транспортировка материалов элеватором или транспортером, дробление сырьевых материалов, складирование цемента и сырьевых материалов, измельчение цемента, сырья и угля, складировании топлива (лигнит, каменный уголь, нефтяной кек), отгрузка цемента и клинкера происходит выделение пыли.
Период розжига - стадия производственного процесса при работе вращающихся печей. Периодом розжига считается время от воспламенения факела до вывода печи на стационарный режим работы. В этот момент нагрев печи осуществляется путем увеличения расхода воздуха и топлива вплоть до достижения в зоне пороговой температуры, необходимой для получения клинкера, после чего подается сырьевой материал.
Обзор программ для моделирования нечтких информационных систем
Так как входные данные системы невозможно учесть точными методами или они носят статистический характер, например время и сила направление ветра, статистика заболеваемости от данного вещества, токсилогические и химические свойства веществ, то необходимо использовать системы вывода на основе нечтких параметров с целью приведения результатов системы близких к реальным данным.
Элементы теории нечетких множеств, нечетких рассуждений и правила импликации формируют систему нечеткого вывода. Нечетким логическим выводом называется аппроксимация зависимости Y = f(XbX2...Xn) каждой выходной лингвистической переменной от входных лингвистических переменных и получение заключения в виде нечеткого множества, соответствующего текущим количеству входов, на основе использования нечетких операций и нечеткой базы знаний (БЗ). Основу БЗ составляет композиционное правило Л.Заде [18, 19]. Теории не-чтких множеств, а также принятию решений на основе нечтких моделей, по-свящн целый ряд работ [3, 6, 25, 34, 30, 64, 73].
В системах нечеткого вывода выделяют следующие составляющие: - большое количество используемых нечетких правил; - устройство вывода и агрегирования, формирующийся применяемыми правилами импликации; - базу данных, которая содержит описания функций принадлежности.
В момент технической реализации в качестве входных и выходных сигналов выступают измеряемые величины, которые сопоставляют входным значениям подходящие выходные значения.
Для обеспечения связи данных видов вводится нечеткая система с так называемым фазификатором (преобразователем множеств входных данных в нечеткое множество) на входе и дефазификатором (преобразователем нечетких множеств в конкретное значение выходной переменной) на выходе (рис. 3.2). Фазификатор перестраивает точное множество входных данных в нечеткое множество, которое определяется с помощью функции принадлежности, а дефа-зификатор решает обратную задачу - составляет однозначное решение относительно входной переменной на основании многих нечетких выводов, произведенных исполнительным модулем нечеткой системы. то Если x это Аm y это Bm Рис. 3.2 – Вывод в нечеткой системе при наличии M правил Выходной сигнал модуля вывода может иметь вид M нечетких множеств, который определяет диапазон изменения выходной переменной. Дефазификатор модулирует этот диапазон в одно четкое значение, которое принимается в качестве выходного сигнала всей системы.
Распространены пять схем нечеткого вывода, уточняющие до оператора нечеткой импликации [19, 77, 98]:
1. В схеме нечеткого вывода типа Мамдани импликация формируется ми нимумом, а агрегация максимумом. Данную схему можно назвать базовой, так как исторически она была первой;
2. Отличие Схемы Сугено от схемы Мамдани в ограничивании части правил вывода линейным случаем;
3. Отличие Схемы по Ларсену от Мамдани в выполнении импликации с по мощью произведения;
4. Схема Цукамото представляет собой модификацию схемы Мамдани. Рассчитана только для монотонных функций принадлежности, поэтому вычисления выходной переменной сводятся к усреднению значений, полученных по разным правилам;
5. Упрощенная схема нечеткого вывода (модификация схемы Сугено): в результате нечеткого вывода получается дискретное множество решений при чт-ком задании правил для каждого элемента, у которого задана определенная степень вероятности. В качестве значений выходной переменной выбирается значение с максимальной вероятностью.
Название схемы нечеткого вывода Отсутствие накопления нечеткости в иерархических системах Отсутствие суммирования одинаковых правил при дефаззификации
Для реализации автоматизированной распределнной системы по определению категории предприятия был выбран нечеткий логический вывод по Мамдани (табл. 3.3), так как данная система является базовой. Также будет использован не-чткий логический вывод типа Сугено при пограничных значениях, так как данный нечткий вывод имеет возможность для включения обучающих выборок. Недостаток аналогичной модели "Синглетон" в том, что каждое правило вносит свой вклад в установлении значения выходной переменной, и, таким образом, могут суммироваться при дефаззификации, что увеличивает вероятность возникновения ошибок. С целью реализации информационной системы при нечтких параметрах была использована система нечткого вывода Мамдани, а для пограничных значений Сугено.
Данные процессы обучения нейронных сетей могут быть использованы для настройки ANFIS-сети так как, в ней применяются только дифференцируемые функции. Комбинация градиентного спуска используется обычно в виде алгоритма обратного распространения ошибки и метода наименьших квадратов. Алгоритм обратного распространения ошибки настраивает параметры функций принадлежности. Методом наименьших квадратов оцениваются показатели заключений правил, так как они линейно связаны с выходом сети. Каждая итерация процедуры настройки происходит в два этапа.
На первом этапе на входы подается обучающая выборка, и по несоответствии между желаемым и действительным поведением сети итерационным методом наименьших квадратов находятся оптимальные параметры узлов четвертого слоя.
На втором этапе остаточная невязка передается с выхода сети на входы, и методом обратного распространения ошибки модифицируются параметры узлов первого слоя. При этом найденные на первом этапе коэффициенты заключений правил не изменяются. Итерационная процедура настройки продолжается пока невязка превышает заранее установленное значение [83, 103, 107]. Использование системы нечеткого вывода Сугено возможно при аварийных и максимально разовых выбросах и при пограничных значениях, так как в данной системе возможно корректировка данных с помощью обучающих выборках.
Определение категории асфальтобетонного завода
Графа df - степень свободы, графа, SS - это сумма квадратов отклонений, графа MS - средний квадрат, F - критерий фактического F - распределе ния. P - значение - вероятность того, что дисперсия, воспроизводимая уравнением, равна дисперсии остатков. Определяет вероятность того, что полученная количественная определенность взаимосвязи между факторами и результатом может считаться случайной. F - критическое - это значение F – теоретического, которое далее сравнивается с F – фактическим.
Так как F Fкр , то статически значимая связь. Анализ границ доверительного интервала приводит к выводу о том, что с вероятностью 95% параметры a и b, находясь в указанных границах, не принимают нулевых значений, т.е. не являются статически незначимыми и существенно отличны от нуля.
Исследование информационной системы показало, что качество модели, которую определяет средняя ошибка аппроксимации, равна 5 %. Что означает качество построенной модели как хорошее, так как средняя ошибка аппроксимации не превышает 8-10%.
Среди задач по метеорологическим аспектам загрязнения атмосферы объек тами стройиндустрии большое значение приобретают исследования закономер ностей распространения атмосферных примесей, особенностей их пространственно-временного распределения, токсикологических и химических свойств веществ в сочетании с аналитическим исследованием объекта, климати ческих и ландшафтных особенностей региона, статистических данных, уровня опасности для человека и биосферы региона, группы суммации и фонового за грязнения и.т.д.. Они являются основой для объективной оценки состояния и тенденции изменений загрязнения воздушного бассейна, а также разработки воз можных мероприятий по обеспечению чистоты атмосферы в данном регионе. Без таких исследований невозможно объективное определение степени загрязнения воздушного бассейна в целях создания системы контроля за чистотой воздуха.
Для уменьшения экологической нагрузки необходимо автоматизированное определение категории предприятия по степени воздействия его выбросов на окружающую среду:
1. При проведении экологической политики, планируя вид деятельности, продукцию и услуги, целесообразно учитывать категорию предприятия по степени негативного влияния его выбросов на качество атмосферного воздуха.
2. При обеспечении производственный контроль формирования значимых уровней концентрации с достаточной периодичностью особенно на предприятиях высоких категорий.
3. При планировании, контроля, мониторинга, корректирующего действия, аудита и анализа, с тем, чтобы обеспечить как приведение системы управления окружающей средой к установленной политике предприятия, так и ее поддержа ние на должном уровне.
4. При проведении оценки воздействия на окружающую среду объектов стройиндустрии, разработке проектной документации на проектирование истроительство новых объектов, реконструкцию действующих; 5. При внедрении новых технологических процессах в целях снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха;
6. При разработке методов борьбы с воздействием на окружающую среду при аварийных или критических выбросах на предприятии.
В целях минимизации нагрузки на окружающую среду при строительстве новых и модернизации действующих предприятий необходима разработка оптимальных аспектов экономического и экологического характера, для чего обязательна разработка и проведение комплекса мероприятий по внедрению современных экологичных технологий и их обслуживания в целях снижения воздействия значимых выбросов вредных (загрязняющих) веществ на окружающую среду.
Также, в целях снижения отрицательной нагрузки на атмосферу, необходимо не только постоянно усовершенствовать технологические аспекты, но и усилить контроль над соблюдением применяемых мер.
При эксплуатации, проектировании, строительстве новых асфальтобетонных заводов или модернизации действующих, следует при возможности: - сократить технологические схемы за счет подготовки битума в котлах нагрева на основных хранилищах битума и вынесения камнедробильного участка к месту добычи сырьевых материалов; - комплексно автоматизировать производство активированного минерального порошка, само производство размещать в здании, оборудованном механической вентиляции и уплотненными смотровыми и световыми промами; - не допускать износа стенок поточных узлов при эксплуатации сушильных барабанов; - оборудовать уплотннным сочленением с поточными узлами и оборудования по производству активированного минерального порошка и сушильные барабаны асфальтосмесительных установок; - оборудовать укрытия с удалением из-под него воздуха в местах пересыпки минерального полуфабриката и сырья на ленточные транспортры; - дистанционно осуществлять контроль за уровнем битума в котлах; - оснащение цехов предприятия системами очистки и фильтрами отходящих газов и обеспечение их бесперебойной работы; - использование жидких присадок, способствующих уменьшению коррозии поверхностей котлов и снижению загрязнения воздуха; - организация оптимального режима движения автомобильного транспорта предприятия; - организация хранение органических вяжущих веществ в закрытых битумных хранилищах с отводом поверхностных вод или в специальных обогреваемых цистернах. При расширении, реконструкции, ремонте, техническом перевооружении предприятий по производству строительных материалов и асфальтобетонных смесей, следует при возможности: - прописывать порядок прекращения работ и эвакуации работников при аварийном повышении уровня воздействия вредных производственных факторов на территории предприятия; - не следует использовать территории санитарно-защитной зоны при расширении производственных помещений за счт пристроек; - не допускать работу оборудования, установок с отключенным пылеулавливающим оборудованием. Ремонт пылеулавливающего оборудования производить по утвержднным графикам; - выделять от эксплуатации части здания, участки, на которых проводится реконструкция; - определять способы удаления и обезвреживания отходов при демонтаже строительных конструкций и оборудования; - обозначать требования к организации временно развртываемых рабочих мест с указанием опасных зон; - организовать дополнительные меры безопасности в период комплексного пуска и опробования технологического оборудования, если при этом возможны аварийные повышения уровней воздействия вредных производственных факторов на территории предприятия; - использовать теплоносители и приборы для отопления зданий и сооружений предприятий в период реконструкции, не создающие дополнительных вредных производственных факторов; - приводить в соответствие с новыми производственными условиями вентиляционные установки, при замене или перестройки оборудования.
