Введение к работе
Актуальность темы
Химические производства являются объектами повышенной экологической опасности для человека и окружающей среды. Наличие множества постоянно действующих и потенциально аварийных источников загрязнения представляет реальную угрозу нарушению качества окружающей среды. Поэтому анализ экологической обстановки на территориях, прилегающих к химическим предприятиям и другим химически опасным объектам, является весьма актуальной задачей.
Проблемой моделирования загрязнения и управлением качеством атмосферного воздуха отечественные и зарубежные ученые занимаются более 50 лет. Основополагающие работы зарубежных авторов Паску вилла Ф., Гиффорда Ф., Тернера Б. и др. относятся к началу 60-х годов, в основном, они были направлены на поиски численных методов решения задач атмосферной диффузии и разработку статистических моделей по данным наблюдений. В 70-е-80-е годы по данной тематике появилось множество работ отечественных ученых - академика Марчука Г. П., профессора Берлянда М. Е., академика Израэля Ю. А. и других. Ими были предложены подходы и методы к решению задачи прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха. Однако большинство разработанных методик прогнозирования используют сравнительно простые модели и имеют достаточно высокие погрешности, связанные с наличием в них значительного количества допущений и ограничений. Применение более сложных моделей требует существенных временных затрат и большого количества исходных данных. Это ограничивает возможности их использования в системах оперативного управления качеством атмосферного воздуха.
Кроме того, перечисленные исследования в основном посвящены постоянно действующим источникам, а исследования аварийных выбросов до середины 90-х годов не публиковались. У нас в стране этим вопросом в научном плане долгие годы занимается профессор Горский В. Г., первые работы которого в соавторстве с учениками были опубликованы в середине 90-х годов.
В трудах академика Кафарова В. В. сформулирован основанный на методах системного анализа информационно-управляющий подход к решению задач экологической безопасности, развитый в работах его учеников: профессоров Перова В. Л., Попова Н. С, Бодрова В. П., Примака А. В., Егорова А. Ф. На основе данного подхода в работах профессоров Смирнова В. Н., Вента Д. П., Эделыптейна Ю. Д. изложены основные принципы создания автоматизированных систем контроля и управления качеством атмосферного воздуха.
Развитие информационных технологий в середине 90-х годов открыло широкие возможности и способствовало внедрению методов, основанных на знаниях, и использованию экспертных систем (ЭС) и систем поддержки принятия решений (СППР) для широкого круга задач моделирования, оптимизации, прогнозирования, планирования, управления в химической технологии, получивших отражение в трудах профессоров Мешалкина В. П., Дорохова И. Н., Гордеева Л. С, Корнюшко В. Ф., Бурляевой Е. В. Использование новых информационных технологий и создание интеллектуальных систем поддержки принятия решений и экспертных систем по управлению качеством атмосферного воздуха позволит добиться качественно новых результатов в обеспечении экологической безопасности химически опасных объектов.
Диссертация проводилась в рамках научно-исследовательской работы (НИР) по фундаментальным исследованиям, выполняемой научно-педагогическим коллективом кафедры компьютерно-интегрированных систем в химической технологии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева» (РХТУ им. Д. И. Менделеева) по теме «Развитие теоретических
основ химической безопасности, разработка методов и моделей оценки риска и управления безопасностью высокорисковых объектов химической технологии» (2006-2009 г.г.) в рамках единого заказ-наряда Федерального агентства по образованию РФ и проекта 4774 «Развитие учебно-научно-инновационного комплекса «Экологическая безопасность в химических производствах» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)».
Цель работы и задачи исследований
Целью работы является разработка функциональной структуры, моделей, методов и алгоритмов интеллектуальной системы поддержки принятия решений по управлению качеством атмосферного воздуха на территориях, прилегающих к химическим предприятиям.
Для реализации поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
- проведение системного анализа химического производства как источника
загрязнения и формулировка задачи управления качеством атмосферного воздуха в условиях неопределенности;
- разработка методов многокритериального принятия решений по оперативному и
долгосрочному управлению качеством атмосферного воздуха на стадиях функционирования, реконструкции, модернизации химических производств с использованием системы поддержки принятия решений;
- разработка функциональной структуры СГШР, продукционных моделей
представления знаний и системы логического вывода, а также требований к экспертным системам поддержки принятия решений по управлению качеством атмосферного воздуха различными группами лиц, принимающих решения (ЛПР);
- разработка подхода к прогнозированию последствий аварий и залповых выбросов
от постоянно действующих источников, моделей эколого-экономического анализа развития аварийных ситуаций;
- разработка баз данных, баз знаний и программная реализации системы поддержки
принятия решений по управлению качеством атмосферного воздуха;
- практическое использование СГШР на примере цехов Открытого акционерного
общества «Новомосковская акционерная компания «Азот» (ОАО «НАК «Азот»).
Объект исследования
Объектом исследования данной работы является химическое производство как источник загрязнения атмосферного воздуха. Для управления качеством атмосферного воздуха на территориях, прилегающих к рассматриваемому объекту, предложено использовать методы системного анализа, моделирования, обработки информации, поддержки принятия решений с целью повышения эффективности и качества его функционирования.
Предмет исследования
Предметом исследования являются: создание интеллектуальной СГШР по управлению качеством атмосферного воздуха на основе формализации и постановки задач системного анализа, принятия решений и обработки информации; разработка специального математического и программного обеспечения в интеллектуальной системе; методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений, направленных на повышение качества атмосферного воздуха на предприятиях химической промышленности; методы получения, анализа и обработки экспертной информации в процессе создания и эксплуатации интеллектуальной системы поддержки принятия решений по управлению качеством атмосферного воздуха на химических предприятиях.
Методы исследования
Для решения поставленных задач в работе использовались методы системного анализа, математического моделирования, прогнозирования на основе искусственного интеллекта, теории принятия решений и новых информационных технологий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- с позиций системного анализа проведены исследования химических производств
как источников загрязнения атмосферного воздуха, и сформулирована задача управления качеством атмосферного воздуха в условиях неопределенности;
- проведена классификация задач управления качеством атмосферного воздуха, и
обоснована необходимость разработки принципиально нового подхода к решению данной задачи на основе создания интеллектуальной системы поддержки принятия решений;
- предложен методический подход и разработаны модели и алгоритмы решения
многокритериальных задач принятия решений в условиях возникновения аварийных ситуаций и залповых выбросов, а также при реконструкции и модернизации, заключающиеся в ранжировании наиболее опасных сценариев развития аварии и поиске управляющих воздействий, направленных на снижение экологических последствий;
- разработана система продукционных правил и механизм логического вывода
оперативного формирования рекомендаций для различных групп лиц, принимающих решения по управлению качеством атмосферного воздуха.
Практическая ценность работы
Разработаны информационное и программно-алгоритмическое обеспечение, базы данных и знаний интеллектуальной системы поддержки принятия решений по управлению качеством атмосферного воздуха для обеспечения экологической безопасности химических производств.
СГШР реализована с использованием архитектуры «клиент-сервер», включающей распределенную базу данных и клиентскую программу, устанавливаемую на рабочие места лиц, принимающих решения (главный инженер, диспетчер, начальник цеха, старший оператор установки, экологические службы предприятия и района и т.д.), направленные на улучшение экологической обстановки. Распределенная база данных реализована с использованием системы управления базами данных (СУБД) MySQL. Клиентское программное обеспечение интеллектуальной системы реализовано в среде Borland Delphi 7 и предназначено для работы в операционной системе семейства Windows.
С использованием разработанного математического и программно-алгоритмического обеспечения проведен анализ ОАО «НАК «Азот» как основного источника загрязнения атмосферного воздуха региона; разработаны продукционные модели для оперативного и долгосрочного управления качеством атмосферного воздуха на территории предприятия и прилегающих территориях; получены результаты оценки эколого-экономических ущербов последствий развития аварий и залповых выбросов.
Предложенный подход к созданию СГШР, реализованные в ней модели, методы и алгоритмы, и разработанная программная оболочка ЭС могут быть применены при создании СГШР на аналогичных объектах: предприятиях химической, нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей, нефтехимической и других отраслей промышленности, таких как: ОАО «Невинномысский Азот», ООО «ЕвроХим -Белореченские минудобрения», ОАО «Химпром» (г. Новочебоксарск), ЗАО «ЛУКОИЛ-Нефтехим» и других.
Результаты работы также могут использоваться в федеральных региональных организациях и учреждениях: структурных подразделениях Министерства Российской
Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России); организациях, подведомственных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору.
Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре компьютерно-интегрированных систем в химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на трех международных конференциях: XX «Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии» (г. Москва, 2006); I The International Conference on Information Technology and Telecommunication (Азербайджан, г. Гянжа, 2007); XXII «Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Псков, 2009).
Публикации
Результаты, отражающие содержание диссертационной работы, изложены в 7 публикациях, 3 из которых опубликованы в изданиях, включенных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ в перечень ведущих научных журналов и изданий.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, изложенных на 186 страницах, содержит 24 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 209 наименований.
