Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ объектов производственного экологического мониторинга и экологической безопасности добычных, перерабатывающих и транспортных предприятий газового комплекса: оценка эмиссий в окружающую среду и техногенных источников опасности 14
1.1. Добычные комплексы газоконденсатных месторождений. Анализ источников эмиссии 14
1.2. Газотранспортные комплексы газовой промышленности. Анализ источников эмиссии 22
1.3 Перерабатывающие комплексы как объекты экологической безопасности. Анализ источников эмиссии 37
1.4. Вывод: предприятия химического профиля - мощные источники эмиссий в окружающую среду 48
2. Системный анализ информационных систем производственного экологического мониторинга и проблемы экологической безопасности (ПЭМ и ЭБ) предприятий химического профиля 50
2.1 Структурная схема системного анализа ПЭМ и ЭБ 50
2.2. Состав информационных систем ПЭМ и ЭБ 58
2.3. Особенности контроля большого потока проб 70
2.4. Математические модели информационных систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности 79
2.5. Основной вывод по главе 2 84
3. Проблема экологической безопасности предприятий химического профиля и обобщенный системный алгоритм синтеза информационных систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности 85
3.1. Концептуальная модель экологической безопасности 85
3.2. Обобщенный многоуровневый системный алгоритм 94
3.3. Системная модель экологической безопасности 104
3.4. Обобщенная оценка использования ресурсов 113
3.5. Выводы по главе 3 120
4. Основы построения распределенной системы экологической безопасности 122
4.1. Принципы построения и организация системы 122
4.2. Организация информационного обеспечения 131
4.3. Определение приоритетов задач 139
4.4. Управление вычислительным процессом в сети 143
Выводы по главе 4 147
5. Геоинформационные технологии в информационных системах производственного экологического мониторинга и экологической безопасности предприятий химического профиля 150
5.1. Особенности моделирования процессов распространения химического загрязнения в системах экологического мониторинга 150
5.2. Управление пространственно - привязанной информацией с помощью геоинформационных систем 153
5.3. Выбор и обоснование программной оболочки РГИСОО 163
5.4. Интегрированная модель переноса химических загрязнений в экосистеме "атмосфера - водосбор - река" 187
5.5. Реализация геоинформационного моделирующего комплекса 195
5.6. Алгоритмы функционирования геоинформационного моделирующего комплекса 217
6. Внедрение информационных систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности на предприятиях химического профиля по переработке промышленных и природных газов 227
6.1. Экспериментальные исследования программного обеспечения 227
6.2. Внедрение геоинформационного моделирующего комплекса в системах экологического мониторинга ряда регионов России 233
6.3. Внедрение систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности на перерабатывающих предприятиях 239
6.4. Общий итог результатов внедрения 243
Заключение 244
Литература 246
- Добычные комплексы газоконденсатных месторождений. Анализ источников эмиссии
- Структурная схема системного анализа ПЭМ и ЭБ
- Концептуальная модель экологической безопасности
- Особенности моделирования процессов распространения химического загрязнения в системах экологического мониторинга
Введение к работе
Актуальность работы. Современная химическая промышленность с ее гигантскими мощностями оказывает все более ощутимое негативное техногенное воздействие на окружающую среду, что вызывает ухудшение условий обитания человека и человечества. Вина за это ухудшение целиком лежит на человеке как элементе глобальной системы, поскольку именно его деятельность вызывает антропогенное воздействие на природу, в том числе и негативное.
Одним из крупнейших источников отрицательных воздействий на природную среду являются предприятия химического профиля, производящие промышленные газы, а также добывающие, перерабатывающие и транспортные комплексы. Это - крупнотоннажные предприятия со сложными химико-технологическими процессами, это - сложные сети транспорта продуктов. Они работают под высоким давлением (сотни атмосфер), оснащены мощными (десятки МВт) перекачивающими компрессорными станциями (КС). Важно подчеркнуть, что наличие транспортных сетей является неотъемлемой характеристикой многих химических производств основного органического синтеза, переработки углеводородного сырья, производства удобрений, промышленных газов, редких и рассеянных элементов - для всех технологических процессов, которые являются распределенными в пространстве, то есть содержат крупные узлы аппаратов и систему продуктопроводов.
Столь масштабные технические объекты представляют собой серьезную опасность для окружающей среды. Эта опасность часто обусловлена недостаточным учетом экологического ущерба от воздействий на окружающую природную среду. Плата за недропользование и использование природных ресурсов лишь косвенно влияет на снижение воздействия химических технологических комплексов на природную среду. Это означает необходимость формирования и совершенствования производственного экологического мониторинга (ПЭМ), то есть наблюдения и регистрации состояния
технологического оборудования (ТО) и природной среды, в качестве основы экологического менеджмента.
Основой же эффективного ПЭМ является информационная система (ИС) -один из эффективных инструментов экологического регулирования (ЭР). Природоохранные отношения в Российской Федерации регулируются законом «Об охране окружающей природной среды» и другими нормативными актами, устанавливающими степень и меру ответственности хозяйствующих субъектов за воздействие на природную среду. Для корректного применения норм этих актов необходима актуальная, полная и достоверная информация о хозяйственной деятельности, в связи с чем деятельность предприятий должна сопровождаться регулярным производственным экологическим мониторингом.
ПЭМ на предприятиях химического профиля по производству и переработке промышленных и природных газов осложняется значительной протяжённостью газопроводов, огромными объёмами его переработки, ограничениями на измерение многих технологических параметров, передачу и обработку информации с целью обеспечения экологической безопасности (ЭБ). Таким образом, для таких предприятий особую актуальность приобретает проблема совершенствования информационных систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности (ИС ПЭМ и ЭБ). Она актуальна как для органов законодательной и исполнительной власти (в качестве инструмента контроля деятельности предприятий, научного обоснования установления нормативов на допустимые эмиссии и размеров платежей за загрязнения), так и для предприятий.
Промышленной безопасности, включая вопросы экологической безопасности предприятий химического профиля, посвящены работы В.И.Васильева, В.Г.Горского, Б.В.Гидаспова, С.Гуаро, С.А.Дмитриева, А.Ф.Егорова, А.В.Измалкова, Ю.А.Израэля, В.В.Кафарова, В.Ф.Корнюшко, К.Ю.Колыбанова, Р.Е.Кузина, Х.Кумамото, В.Маршалла, В.П.Мешалкина, Т.В.Савицкой, А.И.Соболева, Э.Хенли, Д.Химмельблау, В.Д.Шапиро, В.В.Шаталова, Г.А.Ярыгина и др.
В последние годы появились отечественные работы, в которых комплексно ставятся и решаются вопросы системного моделирования деятельности организаций, совершенствования управления на основе ИТ, анализа и повышения эффективности использования ресурсов ИС. В развитие теории современных информационных систем большой вклад внесли Л.А.Бахвалов, Л.С.Гордеев, В.В.Годин, В.А.Грабауров, В.В.Дик, И.Н.Дорохов, С.В.Емельянов, Е.З.Зиндер, В.А.Ивлев, В.А.Ириков, Г.Н.Калянов, А.В.Костров, Г.Г.Куликов, О.В.Логиновский, В.П.Мешалкин, Е.Г.Ойхман, Э.В.Попов, Б.Я.Советов, С.В.Черемных и др.
Вместе с тем, завершенной и всесторонне апробированной методологии построения информационных систем ПЭМ и ЭБ еще не создано. ИС в условиях ПЭМ имеют существенную специфику, и непосредственное применение известных положений информационного менеджмента к ИС ПЭМ и ЭБ на таких масштабных объектах, какими являются предприятия химического профиля по производству и транспортировке природного газа, невозможно из-за большого числа важных и сложных вопросов, требующих при их разрешении серьезного научно-методического обоснования. Для решения этих задач необходимо комплексное моделирование сложных систем, основанное на системном анализе. Формирование основы управления в виде системной модели позволяет обеспечить возможность модернизации основной деятельности и процессов управления в соответствии со сложившимися условиями.
Значительный вклад в развитие системного анализа внесли отечественные исследователи: Е.С.Вентцель, В.Н.Волкова, Ю.И.Дегтярев, А.А.Емельянов, А.А.Денисов, А.В.Костров, Ф.И.Перегудов, Д.А.Поспелов, Ф.Е.Темников. Теоретические основы структурного системного анализа, проектирования информационных систем разрабатывали Р. Баркер (R. Barker), П. Чен (P. Chen), Ф. Кодд (F. Codd), К. Дейт (С. Date), К. Гейн (С. Gane), Р. Кимбалл (R. Kimball), Т. Сарсон (Т. Sarson), A.M. Вендров, Г.Н. Калянов, С.Д. Кузнецов.
Вопросы экологической безопасности и надёжности предприятий
химического профиля, входящих в состав концерна «Газпром», были предметом
исследования ученых: Аргасова Ю.Н., Бабенко А.В., Белинского Б.И.,
Березнякова А.И., Босняцкого Г.П., Бухгалтера Э.Б., Гривы Г.И., Гриценко А.И.,
Дзюба С.А., Дмитриевского А.Н., Едигарова А.С., Захарова Ю.Ф.,
Колтыпина СИ., Лимар Е.Е., Лукьянова О.В., Максимова В.М., МещеринаИ.В.,
Набатчикова Н.И., Овчарова СВ., Одишария Г.Э., ОсокинаА.Б.,
Петрулевича А.А., Сафонова B.C., Темкина В.М., Членова А.В., Шапиро В.Д., Швыряева А.А., Шестернева Н.Р1, Ярыгина Г.А. и др.
Из вышесказанного следуют актуальность и необходимость целенаправленных исследований в области совершенствования ИС в системах ПЭМ и ЭБ на предприятиях химического профиля, и этим исследованиям посвящена настоящая диссертация.
Диссертация является обобщением на основе системного анализа выполненных автором работ по исследованию, разработке и внедрению комплексного теоретического, научно-методического и технического обеспечения в форме совокупности информационных технологий-, методов-подготовки управляющих решений, и современных научно-технических комплексов, учитывающих технологические особенности и организационно-экономические условия производственной деятельности предприятий химического профиля по добыче и транспортировке природного газа, обеспечивающих решение важной.народно-хозяйственной и социальной задачи по существенному повышению экологической безопасности.
Объектом исследования являются системы производственного экологического мониторинга и экологической безопасности предприятий химического профиля по производству и транспортированию природного газа.
Предметом исследования является применение . информационных технологий для построения информационных систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности, охватывающих технологические и экологические аспекты, деятельности предприятий по производству и транспортированию природного газа.
Целью работы является разработка методологии построения
распределенных систем производственного экологического мониторинга и
экологической безопасности, обеспечивающих основу для принятия
управленческих решений по повышению эффективности деятельности предприятия химического профиля.
Задачи, решаемые для достижения цели:
Системный анализ производственного экологического мониторинга и проблемы экологической безопасности предприятий химического профиля по производству и переработке промышленных и природных газов.
Системный анализ основных источников антропогенного воздействия на окружающую среду и источников аварийных ситуаций, влияющих на безопасность жизнедеятельности предприятий химического профиля.
Разработка методики системного моделирования распределенных магистральных комплексов транспортировки газа как производственной технологической среды.
Разработка методики и алгоритмов моделирования распространения выбросов и сбросов в окружающую среду на основе геоинформационных технологий.
Формирование состава понятия «экологическая безопасность предприятий химического профиля» с позиций системного подхода.
Разработка концепции информационной поддержки принятия решений в системах управления экологической безопасностью при переработке и транспортировке газа.
Комплекс работ по промышленному внедрению методик, технических и программных средств информационных систем экологического мониторинга и экологической безопасности на химических предприятиях.
Научная новизна.
Выполнен системный анализ информационных систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности предприятий химического профиля по производству и переработке промышленных и природных газов с целью оценки «узких мест» методологии их создания.
Проведена декомпозиция системы экологической безопасности, которая представлена в виде подсистем «окружающая среда» (природа - человек) + «производственная сфера» (технология - экономика), и обоснована с позиций системного анализа целесообразность выделения центра экологической безопасности.
Разработан обобщенный системный алгоритм построения информационных систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности.
Разработана концепция распределенной информационной системы поддержки принятия решений в системе производственного экологического мониторинга и экологической безопасности разветвленной транспортной системы химических продуктов и переработанного газа.
Формализованы критерии эффективности информационных систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности.
Обоснован вариант архитектуры информационной системы производственного экологического мониторинга и экологической безопасности транспортной системы природного газа ихимических продуктов.
Разработаны принципы построения и архитектура геоинформационного моделирующего комплекса как элемента системы производственного экологического мониторинга и экологической безопасности на основе интегрированной модели переноса химических загрязнений в экосистеме «атмосфера - водосбор - река».
Практическая значимость.
Результаты исследований составили основу методологии, обеспечивающей формирование систем экологической безопасности в широком круге реальных промышленных комплексов.
Внедрены в промышленную эксплуатацию в объемах соответствующих проектов информационные системы экологического мониторинга и экологической безопасности:
на добычном комплексе - «Ямбургское ГКМ»;
на перерабатывающем комплексе - Астраханский ГКЗ;
на Зайкинском газоперерабатывающем предприятии;
на газотранспортных системах - «Голубой поток» (Россия - Турция), «Заполярное-Уренгой», «Ямал-Торжок».
Внедрена на стадии утвержденного проекта информационная система
экологического мониторинга и экологической безопасности
газотранспортной системы «Норд-стрим».
Разработаны и внедрены в практику методологические основы проектирования информационных систем экологического мониторинга и экологической безопасности и разработки для них основополагающих принципов включения в процедуру «Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС)» на стадиях «Обоснование инвестиций (ОБИН)» и «Проект».
В результате внедрения в промышленную эксплуатацию автоматизированной системы экологической безопасности Астраханского Газоконденсатного Завода с 2002 года сокращена санитарно-защитная зона АГКЗ с восьми до пяти км, что позволило вернуть в сельскохозяйственный оборот десятки тысяч гектаров ценных угодий.
Методы исследования. В основу решения поставленных задач положены
методы системного анализа (декомпозиция, классификация, иерархическое упорядочение, абстрагирование, формализация, композиция, моделирование), методы оптимизации, методология функционального моделирования систем SADT, методология моделирования потоков данных DFD, методология многомерного анализа данных OLAP, методология быстрой разработки приложений RAD.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 78 научных трудах, в их числе 7 статей в изданиях по перечню ВАК, 41 печатная работа, 7 авторских свидетельств и патентов РФ, 23 депонированных отчета о НИР.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены:
XII международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2008» (ВолгГТУ, 2008 г.);
Международном симпозиуме "Геокриологические исследования в Арктических раинах" (Тюмень, 1989);
Международном симпозиуме "International Arctic Technology Conference" (Alaska, 1991);
Научно-техническом Совете инженерно-технического центра экологической безопасности газовой промышленности ИТЦ "Оргэкогаз": «Опыт разработки, внедрение и эксплуатация системы производственной экологической безопасности объектов газовой промышленности» (Москва, декабрь 2000);
Научно-техническом семинаре НПФ «ДИЭМ»: «Методы и критерии оценки экологического риска в проекте производственного экологического мониторинга» (Москва, сентябрь 2005);
Юбилейной Международной научной конференции памяти В.В.Кафарова «Методы кибернетики в химии и химической технологии» (г.Москва, 2004 г.);
П-ом Северном социально-экологическом Конгрессе (г.Сыктывкар, 2006 г.);
Секции Автоматизации и секции Охраны окружающей среды в ОАО «Газпром» (Москва, 2002-2008);
семинарах по экологическому мониторингу НПО ДИЭМ (Москва, 1997-2008) и МГГУ (Москва, 2000-2008 );
заседаниях семинара «Информационные системы и технологии» Центра информационной поддержки менеджмента во Владимирском государственном университете (2002 - 2008);
Научно-технического совета ОАО «Газпром» (Москва, 1998-2008);
Научно-технического совета ООО «Кубаньгазпром» (Краснодар, 1998-2007);
Научно-технического совета Управления по транспорту газа и газового конденсата ОАО «Газпром»(Москва, 1998-2007);
Научно-технического совета Главгосэкспертизы России (Москва, 1998 -2008);
Научно-технического совета Северо-Кавказского округа Госгортехнадзора России (Краснодар, 2000-2007);
IV Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии в медицине, биологии и экологии» (Новочеркасск, 2003);
II Международной научно-практической конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и рационального природопользования» (Новочеркасск, 2003);
IV Международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (Новочеркасск, 2003);
Всероссийской научной конференции «Современные информационные технологии в медицине и экологии» (Смоленск, 2001-2007);
Международном семинаре "Экологические катастрофы и средства их анализа" (Уфа, 6-Ю сентября 1993);
2-ом международном семинаре "Оценка воздействия на окружающую среду: методология и практические приложения". (Москва, 19-23 апреля 1993);
Всероссийском форуме "Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес." (Москва, 6-11 июня 1994);
Международной научно-практической конференции "Информатизация подготовки и профессиональной деятельности операторов аэрокосмических систем". (Звездный городок, Моск. обл., РФ, 19-20 апреля 1995);
Международном симпозиуме "Методы и средства мониторинга состояния окружающей среды МСОС-95". (СтПетербург, 25-28 апреля 1995);
Научно-практической конференции "Проблемы управления качеством окружающей среды городов".(Москва, 11-14 апреля 1995);
Международном симпозиуме «Геокриологические исследования в Арктических районах (Тюмень, 1989);
Межрегиональной конференции-совещании «Каспий - настоящее и будущее», (Астрахань, 16-17 ноября 1995);
Конференции «Охрана окружающей среды при освоении углеводородных ресурсов» (Научно-техническое общество нефтяников и газовиков им акад. И.М. Губкина, 30.09 - 05.10 2003г., г. Сочи).
Личный вклад. Автором выполнен системный анализ информационных
систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности предприятий химического профиля с целью оценки «узких мест» методологии их создания.
Проведена декомпозиция системы экологической безопасности, которая представлена в виде подсистем «окружающая среда» (природа - человек) + «производственная сфера» (технология - экономика), и обоснована с позиций системного анализа целесообразность выделения центра экологической безопасности.
Разработана концепция распределенной системы поддержки принятия решений в системе производственного экологического мониторинга и экологической безопасности разветвленной транспортной системы химических продуктов и переработанного газа.
При непосредственном участии автора выполнены все разработки по постановке задач создания информационных систем производственного экологического мониторинга и экологической безопасности предприятий, перечисленных в разделе «Практическая значимость».
Выполнена разработка структур информационных систем, обоснование технических и программных средств, разработаны тестовые задачи для большинства программных комплексов.
Реализован полный цикл работ по промышленному внедрению разработок.
Добычные комплексы газоконденсатных месторождений. Анализ источников эмиссии
В качестве типового примера добычного комплекса рассмотрено Ямбургское газо-конденсатное месторождение (ЯГКМ) [151-155, 166-168, 173-178]. Ямбургское месторождение введено в разработку в 1986 году. С начала разработки добыто 2,8 трлн.м газа, а средний дебит составляет 433 тыс. м /сут. Промышленные объекты ЯГКМ образуют уникальную геотехническую систему (ГТС), оказывающую, с одной стороны, значительное воздействие на природную среду, активизируя многие негативные процессы и явления, а, с другой стороны, подвергаясь негативным воздействиям природной среды, и, в первую очередь, геодинамических или связанных с ними процессов.
Как показывает практика эксплуатации объектов Ямбургского газоконденсатного месторождения и других объектов в условиях Крайнего Севера, строительство, эксплуатация и в особенности, аварии и отказы оборудования влекут за собой значительные экологические нарушения. Одной из важнейших особенностей строительства и эксплуатации рассматриваемой геотехнической системы является то, что территория Ямбургского ГКМ расположена в условиях Крайнего Севера, который характеризуется крайне сложными инженерно-геологическими условиями, включая: многолетнемерзлые грунты, являющиеся основой таких криогенных процессов как солифлюкция, криогенное сезонное и многолетнее пучение, криогенное растрескивание, наледеобразование, термокарст, курумообразование, термоэрозия и термоабразия, а также оползнеобразование, засоленность, дефляция, овражная и речная эрозия, просадки, расчлененность и заболоченность территории. Месторождение располагается за 67-й параллелью, на Тазовском полуострове, в субарктической зоне Ямало-Ненецкого автономного округа на водоразделе между Обской губой и рекой Пойловояха (рис. 1.1).
Климат района - субарктический с продолжительной суровой зимой и достаточно прохладным коротким летом. Средняя температура самого холодного месяца, января, минус 23 с половиной градуса, а самого теплого, июля, около плюс 15-ти, среднегодовая температура 6 с половиной градуса ниже нуля. Абсолютный минимум минус 62 градуса, абсолютный максимум 35 градусов выше нуля (данные по станциям в г. Салехард и в пос. Тазовский). Промышленными землепользователями являются объединение "Ямбурггаздобыча", занимающееся эксплуатацией Ямбургского ГКМ, ЗАО "Тюментрансгаз" обеспечивающее подачу добытого газа по системе магистральных газопроводов в Европейскую часть РФ, ЗАО "Тюменьэнерго", обеспечивающее подачу электроэнергии на газопромыслы, и предприятия МПС, эксплуатирующего по временной схеме железную дорогу Новый Уренгой -Ямбург. Для исследования и минимизации влияния ГТС ЯГКМ на окружающую среду была реализована программа инженерно-экологических изысканий и разработка оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС). Анализ результатов опробования атмосферного воздуха Ямбургского месторождения показал, что содержания оксида углерода, диоксида азота, диоксида серы, метана и суммарных углеводородов не превышают соответствующих ПДКСС. (табл. 1.1). Концентрации оксида углерода, диоксида азота, метана составляют тысячные и сотые доли ПДКС с для воздуха населенных мест, а диоксида серы и суммарных углеводородов - десятые доли ПДК. Превышение значений ПДКСС. было зафиксировано лишь по взвешенным веществам в районе УКПГ-6 и УКПГ-7. Так на территории УКПГ-6 содержание взвешенных веществ в 2004 г. составило 0,171 мг/м3 (1,14 ПДКС.С), а на территории УКПГ-7 - 0,19 мг/м3 (1,3 ПДКс.с). В районах расположения остальных объектов концентрация взвешенных веществ в атмосферном воздухе приближена к нормативному содержанию. Здесь: qcp -среднее значение концентрации примеси; ст - среднее квадратичное отклонение; qMax - максимальное значение концентрации примеси; V -коэффициент вариации V= o7qcp, g - повторяемость случаев превышения ПДКМ-Р. разовыми значениями концентрации. Уровень концентрирования загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на разных постах различен. Так, в отдельных пробах были зафиксированы превышения ПДКМ.Р. от 2,3 до 3,0 раз. Из всех загрязняющих веществ, поступающих в водоемы Тюменской области, нефть и нефтепродукты занимают лидирующее положение. Фенолы являются наиболее распространенным загрязняющим веществом водоемов. Кроме естественного продуцирования их в связи с заболоченностью региона, их содержание может значительно увеличиваться в связи с техногенным воздействием. Согласно критериям оценки экологической обстановки уровень загрязнения поверхностных вод исследуемой территории изменяется от умеренно опасного до чрезвычайно опасного [134-135]. Основной вклад в общее загрязнение поверхностных вод внесли ртуть, железо, медь и взвешенные вещества. Среднее содержание нефтепродуктов в водных объектах Ямбургского месторождения (рис. 1.2) составляет 0,14 мг/дм3 или 3,1 доли ПДК. Вариация значений изменяется от 0,02 до 1,7 мг/дм3 (34 ПДК). В поверхностных водах ЯГКМ среднее содержание фенолов (рис. 1.3)
Структурная схема системного анализа ПЭМ и ЭБ
При анализе перечисленных составляющих векторного критерия можно убедиться в том, что первый и второй критерий входят в противоречие с третьим и четвертым. Действительно, попытка повысить точность контроля или его экспрессность неизбежно повышают стоимость создания системы и стоимость ее эксплуатации. Построение геоинформационной системы практически не допускает использования устаревших, но функционирующих программно-технических средств. В противоречивости критериев легко убедиться, анализируя и другие их составляющие. Для формулирования системных требований к АСЭМ в первую очередь следует использовать критерии стоимости и реализуемости [45-50].
Основной целью экологического мониторинга (рис.2.3) является своевременное получение объективной информации о чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера, антропогенном воздействии на окружающую среду с оценкой ее состояния, а также оперативное оповещение органов государственного управления и населения о динамике изменения обстановки (радиационной, химической, пожарной, инженерной, экологической и т.д.).
Основные задачи экологического мониторинга [7, 13-16]: учет потенциальных источников техногенной опасности (химических, радиоактивных, взрывопожароопасных, гидродинамических); слежение за обращением радиоактивных и аварийно химически опасных веществ, контроль за радиоактивными и химическими отходами; выявление основных источников и путей радиоактивного и химического загрязнения окружающей среды, установление приоритетных радионуклидов и химических поллютантов; регистрация текущего уровня и химического загрязнения экосистем, наблюдение и выявление тенденций в его изменениях; прогноз техногенной опасности в территориальных и объектовых звеньях экономики; оценка экологического состояния окружающей среды и прогноз возможных негативных последствий химического загрязнения; изучение общих закономерностей поведения химических поллютантов в экосистемах, оценка влияния природных и антропогенных факторов, обобщение полученной информации в рамках математических моделей; выявление комплекса показателей, характеризующих состояние потенциально опасных объектов контролируемой территории, экологическое состояние окружающей среды, выявление биоиндикаторов для качественной оценки состояния биогеоценозов; разработка рекомендаций по предупреждению и устранению негативных тенденций, связанных с радиоактивным и химическим загрязнениями, возникновением ЧС природного и техногенного характера; обеспечение исполнительных органов предприятий и местной государственной власти объективной информацией о текущем состоянии контролируемых объектов экономики и окружающей среды, уровнях ее загрязнения вредными химическими веществами и химическими поллютантами для принятия решений по предупреждению ЧС природного и техногенного характера, защите населения и территорий. Подготовка управляющих решений осуществляется на специализированном автоматизированном рабочем месте - АРМ АСЭМ. При построении специализированного АРМ АСЭМ программно-математическое и лингвистическое обеспечения и привлекаемые к обработке информационные массивы, методы (алгоритмы, модели, схемы) обработки, визуализации, коммуникации данных имеют специальный вид и направленность. Пользователями таких АРМ (АРМ эколога, АРМ по химическим загрязнениям и т.д.) должны быть специалисты-экологи, владеющие соответствующей теоретической и методической подготовкой для работы с информацией. Следует обратить внимание на необходимость специального обучения пользователей АСЭМ, взаимодействующих с системой через сеть универсальных АРМ, подключаемых к процессорным узлам локально и в удаленном режиме. Необходима разработка набора рекомендаций и инструкций как для обучения, так и для организации работы абонентов АСЭМ различного статуса -других информационных систем, организаций, имеющих собственные АРМ, отдельных пользователей, работающих с локальными процессорами в режиме получения информационных услуг. В настоящее время экспертные системы (ЭС) являются наиболее развитым направлением искусственного интеллекта. Наблюдается устойчивая тенденция к использованию ЭС в различных сферах деятельности, в том числе в АРМ АСЭМ, решающих проблемы экологии окружающей среды [3-5]. Существует большое количество экспертных систем различного назначения. Например, ЭС используется в АСЭМ экологической безопасности Астраханского газоперерабатывающего комплекса для распознавания экологических ситуаций и подготовки управляющих решений (рис.2.4, 2.5) [6-Ю, 142-145]. наполнение, обновление и исправление рабочей базы знаний по правовому и нормативно-техническому обеспечению экологического мониторинга; ведение базы понятий, отражающих предметную область правового и нормативно-технического обеспечения экологического мониторинга; формирование произвольных запросов, позволяющих пользователю получать необходимую консультационно-справочную информацию, на языке запросов, приближенном к естественному; генерирование и выдача типовых и устанавливаемых пользователем форм выходных документов генерирование проектов экспертных заключений, интегральный учет в экспертном заключении экспертных оценок данного объекта определенной группой экспертов;
Концептуальная модель экологической безопасности
Современные химические предприятия с их гигантскими объемами и сосредоточенными мощностями оказывают все более ощутимое комплексное негативное так называемое техногенное воздействие на окружающую среду, что в свою очередь вызывает непосредственное ухудшение условий обитания человека и человечества. Вина за это ухудшение, в конце концов, целиком лежит на человеке как элементе глобальной природной системы, поскольку именно его деятельность вызывает так называемое антропогенное воздействие на природу, в том числе и негативное. В то же время, повышение уровня комфортности жизни каждого человека и человечества в целом основано на развитии и расширении всех сфер хозяйственной деятельности и, прежде всего, масштабов и напряженности промышленного производства. К отрицательным долговременным последствиям этого воздействия относится таюке нарушение устойчивого саморегулирования природных процессов.
Одним из крупнейших источников отрицательных воздействий на природную среду являются предприятия нефтяной, газовой, нефтехимической, газоперерабатывающей промышленности и газотранспортных систем. Это крупные предприятия, расположенные в различных районах страны, для которых характерны крупнотоннажные производства, сопровождаемые массовыми промышленными отходами: газовыми и пылевыми выбросами, стоками, твердыми отходами, воздействием на подземные и грунтовые воды, а также на растительный и животный мир, в том числе как на условия совместного проживания людей, так и непосредственно на каждого человека в отдельности как на биологический объект. Кроме того, ухудшение условий проживания людей создает в обществе и острые социальные проблемы. Наличие больших количеств сбросов и твердых отходов вынуждает создавать на заводах громадные хранилища. Поэтому уменьшение объема отходов является одной из самых актуальных проблем, стоящих перед промышленностью.
Масштабные технологические объекты представляют собой источник серьезной опасности для окружающей среды. Она часто обусловлена недостаточным учетом экологического и экономического ущерба от таких воздействий либо недостаточным уровнем технологического и научного развития. Здесь следует подчеркнуть, что плата за недропользование и использование природных ресурсов, а также компенсационные платежи за воздействие на окружающую среду не являются прямым путем предупреждения негативного воздействия технологических комплексов на природную среду, они лишь косвенно влияют на снижение этого воздействия.
Вместе с тем, отрицательные последствия хозяйственной деятельности человека не являются неизбежными при планомерном и системном учете возможных рисков и своевременной и эффективной их компенсации, позволяющих определить и планомерно обеспечивать ЭБ. В связи с этим в корпоративном менеджменте промышленных предприятий возрастает значимость экологического менеджмента (ЭМ) [2, 26, 92], опирающегося на соответствующие механизмы, инструменты и методы. В свою очередь, это означает необходимость формирования в системе ЭМ специализированного информационно-аналитиче-ского инструмента - экологического контроллинга, или эко-контроллинга (ЭК), представляющего собой комплекс специальных средств, обеспечивающих планомерное получение, систематизацию и обобщение используемой в ЭМ информации о состоянии технологического оборудования (ТО) и природной среды (ПС) и корректных управленческих решений в отношении всех элементов, входящих в производственную систему.
В настоящее время определены основные факторы и особенности антропогенного воздействия на природную среду. В условиях, когда не обеспечивается предупреждения или полной компенсации действия этих факторов, может быть разрешен ограниченный и строго контролируемый уровень наличия таких факторов, который определяется по специальным методикам. Природоохранные отношения в Российской Федерации регулируются законом «Об охране окружающей природной среды» [68] и другими нормативными актами [26,27,48,67,73,192], устанавливающими степень и меру ответственности хозяйствующих субъектов за воздействие на природную среду. Для корректного применения норм этих актов необходима актуальная, полная и достоверная информация о деятельности хозяйствующих субъектов, а также возможность эффективно воздействовать на эту деятельность.
В связи с этим хозяйственная деятельность предприятий должна сопровождаться регулярным производственным эко-контроллингом (ПЭК), обеспечивающим постоянный контроль антропогенных влияний на окружающую среду производственных комплексов и протекающих в них технологических процессов и подготовку управленческих решений по снижению этого влияния. На основании данных ПЭК рассчитываются также соответствующие платежи за нагрузку на природную среду. В связи с этим экономическая эффективность также становится одним из основных критериев, определяющих направления совершенствования производства.
Эффективность ЭК на предприятиях химической и газовой промышленности необходимо обеспечивать в условиях их значительной протяжённости (сотни гектаров), мощного комплекса основного и вспомогательного технологического оборудования, огромных объёмов перерабатываемых продуктов и полупродуктов, а также значительных энергетических мощностей. Эти факторы создают определенные трудности при обеспечении контроллинга и в подготовке управляющих производственных и экологических решений.
Особенности моделирования процессов распространения химического загрязнения в системах экологического мониторинга
Вся совокупность имеющихся данных об экологической ситуации на предприятии, территории региона (города) может быть разделена на две части [5,150,164]: условно постоянная информация о территории; результаты непосредственных регулярных измерений загрязнений природных сред и сопутствующих параметров. Если данные первой части могут быть достаточно детальными (они формируются однократно на основе разнообразных источников информации, в том числе, непосредственного рекогносцированного обследования территории), то данные второй части, несущие оперативную информацию, обычно включают результаты измерений в ограниченном числе пространственно-временных точек, поскольку стоимость измерительных средств весьма высока, и число пунктов измерений лимитировано.
В такой ситуации единственным средством решения поставленных перед системой ПЭМ задач контроля, оценки и прогноза развития экологической обстановки становится интенсивное использование средств математического моделирования.
Решение задач экологического мониторинга требует переработки значительных объемов информации о территории региона и развивающихся на ней экологических процессах. Особенность этой информации состоит в том, что она во многом носит пространственный характер. Данные об источниках и реципиентах загрязнений, структуре и свойствах элементов экосферы, концентрациях загрязняющих веществ в природных средах и т.п. - все эти сведения имеют координатную привязку и соотносятся в ходе функционирования системы с информацией, описывающей естественное строение территории и развитие на ней техногенно-антропогенной деятельности.
В такой ситуации системе необходим информационный аппарат, позволяющий эффективно манипулировать пространственной информацией в целях ее адекватной обработки и обеспечения соответствующими данными всех звеньев системы. Таким аппаратом является геоинформационная подсистема (ГИС), предназначенная для решения задач ввода, обработки, хранения, интерпретации и отображения пространственной информации [33]. ГИС является фактически единым "хранилищем" географических данных, к которому в ходе работы обращаются различные подсистемы и, в первую очередь, -подсистема математического моделирования экологических процессов.
Подсистема математического моделирования решает три взаимосвязанные между собой основные задачи: формирование (восстановление) пространственных и временных полей концентраций загрязняющих веществ на рассматриваемой территории на основании результатов изменений; определение источников загрязняющих веществ и их параметров (координаты источников, химический состав загрязнений, мощность и динамика выбросов) по данным измерений; моделирование распространения и трансформаций загрязняющих веществ в природных средах. Решение этих задач в значительной степени опирается не только на данные измерений (значения концентраций загрязняющих веществ в заданном наборе точек на местности), но и на условно-постоянную (априорную) информацию о территории: рельефе местности, климате, режиме водных объектов, координатах, составе и мощности выбросов отдельных источников и пр. В функции подсистемы математического моделирования входит: формирование детальной информации о текущей экологической ситуации (включая составление карт текущей экологической обстановки); формирование оперативных прогнозов развития экологической ситуации; формирование долговременных прогнозов развития экологической ситуации; проведение анализа экологической ситуации, имевшей место на рассматриваемой территории в прошлом; проведение анализа общих тенденций изменения и установление причинно-следственных связей в развитии экологической ситуации; оценка эффективности кратко- и долгосрочных природоохранных мероприятий. Весь процесс функционирования подсистемы математического моделирования проходит в тесном информационном взаимодействии с другими подсистемами и, в первую очередь, с ГИС [15,98]. Каждая из математических моделей получает исходные данные из ГИС, а результаты ее работы заносятся обратно в ГИС в виде соответствующих картографических и фактографических информационных слоев и, вообще говоря, могут в дальнейшем поступить на "обработку" другими математическими моделями. Тем самым реализуется естественное разделение функций между двумя подсистемами: ГИС отвечает за информационную сторону дела (хранение и преобразование данных о территории и результатов мониторинга), а подсистема математического моделирования - за содержательную, алгоритмическую, интеллектуальную обработку информации (рис.5Л).
