Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблемы минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий 15
1.1. Краткая характеристика промышленных источников выбросов вредных веществ 15
1.2. Особенности организации экологического мониторинга и регулирования атмосферных выбросов в России и за рубежом 20
1.3 Комплекс технических средств и программное обеспечение систем экологического мониторинга 28
1.4. Обзор задач, математических моделей и методов, используемых при мониторинге и управлении атмосферными выбросами промышленных предприятий 32
1.5. Процесс формирования и распространения выбросов вредных веществ как объект мониторинга и управления 40
1.6. Общая постановка задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий 43
1.7. Выводы 48
ГЛАВА 2 Математические модели процессов формирования, подъема и переноса атмосферных поллютантов 50
2.1. Краткая характеристика комплекса математических моделей, разработанных для решения поставленной задачи 50
2.2. Имитационная модель для определения валового и массового выброса атмосферных загрязнителей промышленного предприятия 51
2.3. Модели подъема и переноса выбросов в приземном слое атмосферы75
2.4. Выводы 103
ГЛАВА 3. Задачи, модели и алгоритмы минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленного предприятия 105
3.1. Краткая характеристика задач, решаемых при минимизации различных видов ущерба 105
3.2. Модели и алгоритмы определения скалярных составляющих векторного критерия оптимальности, характеризующих различные виды ущерба 107
3.3. Алгоритм решения задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий 123
3.4. Информационно-логические схемы решения задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий 131
3.5. Выводы 135
ГЛАВА 4. Экспериментальная проверка и внедрение разработанного математического обеспечения в составе информационных систем предприятий и организаций ...138
4.1. Модельный пример решения задачи 138
4.2. Методика экспериментального подтверждения достоверности разработанного математического и информационного обеспечения 149
4.3. Структура комплекса прикладных программ, реализующего разработанные модели и алгоритмы минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий 158
4.4. Опыт внедрения результатов исследований на промышленном предприятии 168
4.5. Выводы 175
Заключение 177
Библиографический список 181
- Комплекс технических средств и программное обеспечение систем экологического мониторинга
- Имитационная модель для определения валового и массового выброса атмосферных загрязнителей промышленного предприятия
- Алгоритм решения задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий
- Методика экспериментального подтверждения достоверности разработанного математического и информационного обеспечения
Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивный рост промышленного производства в настоящее время практически невозможно обеспечить без загрязнения приземного слоя атмосферы, в том числе воздушных бассейнов над городами, селами, местами отдыха, объектами сельскохозяйственного назначения, лесами, природными заповедниками, океанами, морями, озерами, реками и т.д.
Это приводит к изменению климата на планете, росту заболеваемости населения, вызывает нарушения генетического аппарата у человека, животных и растений, снижает продолжительность и качество жизни, уменьшает производительность труда, снижает урожайность сельхозугодий, усиливает коррозию металлоконструкций зданий и сооружений, увеличивает издержки на средства их защиты, разрушает исторические памятники, повышает затраты на ведение домашнего хозяйства , служит причиной социальных волнений, а также приводит к массовой миграции жителей из районов и городов с экологически грязным производством.
Величина только прямого ущерба от загрязнения атмосферы выбросами промышленных предприятий, тепловых электростанций и выхлопными газами автомобилей по оценкам ряда авторов ежегодно составляет сотни миллиардов долларов. От последствий загрязнения атмосферы ежегодно умирает примерно 2,1 млн. человек, еще около 470 тысяч человек погибает из-за разрушения озонового слоя. При этом особенно большие материальные и людские потери приходятся на страны с развивающейся экономикой, такие как государства Южной и Восточной Азии, Бразилия, а также Россия.
Исследования в области защиты атмосферы и биосферы от выбросов вредных веществ в настоящее время интенсивно ведутся на стыке таких наук, как физика, математика, химия, медицина, биология, кибернетика, машиностроение, приборостроение, метеорология и др.
Один из перспективных путей частичного решения указанных проблем непосредственно связан с применением аппарата системного анализа, теории управления и современных средств обработки информации, используемых для мониторинга процессов формирования и распространения атмосферных поллю-тантов, прогнозирования степени загрязненности контролируемых объектов и территорий, а также для управления технологическим оборудованием промышленных предприятий с целью снижения ущерба, причиняемого их атмосферными выбросами.
Теоретическое обоснование принципов функционирования систем экологического мониторинга и управления было осуществлено в работах таких отечественных и зарубежных ученых как Г.И.Марчук, Ю.Б.Гермейер, Ю.А.Израэль, М.Е.Берлянд, Г.Бригс, Ф.Гиффорд, Ф.Паскуилл и др. В результате практического применения результатов этих исследований созданы и хорошо зарекомендовали себя на практике многие современные математические, аппаратные и программные средства экологического мониторинга и управления, например, такие как единая государственная система мониторинга окружающей среды Российской Федерации, системы экологического мониторинга США, Европейского Союза и т.д.
Тем не менее, в настоящее время в специальной литературе практически отсутствуют сообщения о проблемно-ориентированных системах управления, осуществляющих регулирование состава и производительности технологического оборудования предприятий с целью минимизации различных видов ущерба, причиняемого их атмосферными выбросами населению, промышленности, сельскому хозяйству, природной среде, а также самим предприятиям в результате выплаты экологических штрафов.
Причиной этого, на наш взгляд, является отсутствие специализированного математического обеспечения, включающего постановки задач, формальные модели и алгоритмы, описывающие сложные причинно-следственные взаимосвязи между техническими, экологическими и экономическими параметрами, характеризующими процесс формирования, подъема и переноса атмосферных поллю-тантов, а также возникновение различных видов экономического ущерба от их воздействия.
Приведенные выше соображения обуславливают актуальность, экономическую целесообразность и практическую значимость данного исследования, предусматривающего разработку математических моделей, алгоритмов и комплексов программ для минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленного предприятия.
Тема диссертации, внедрение ее основных результатов непосредственно связаны с такими приоритетными направлениями развития науки и техники в Российской Федерации, как «Информационно - телекоммуникационные системы» и «Рациональное природопользование».
Основные результаты диссертации были использованы при проведении фундаментальных научных исследований, выполняемых Институтом проблем точной механики и управления РАН по теме: «Разработка основных положений, моделей и методов для анализа и распознавания процессов функционирования сложных человеко-машинных систем с целью определения причин происшествий, аварий и катастроф» (№ гос. регистрации – 01201156340).
Кроме того, диссертационная работа соответствует темам основных науч
ных исследований, проводимых в течение ряда лет на кафедрах «Прикладные
информационные технологии" Саратовского государственного технического
университета имени Гагарина Ю.А. и «Математическая кибернетика и компью
терные науки» Саратовского государственного университета имени
Н.Г.Чернышевского. Полученные результаты нашли также практическое приме
нение в учебном процессе данных высших учебных заведений.
Характеристика целей исследования. Основная цель диссертации заключается в разработке проблемно-ориентированного математического и информационно-программного обеспечения, применение которого в составе автоматизированных систем управления производственного назначения позволит минимизировать ущерб от атмосферных выбросов промышленных предприятий и повысит эффективность их функционирования.
Предметом исследования являются процессы формирования, распространения и регулирования атмосферных выбросов промышленных предприятий.
Методы исследования. В диссертации использованы методы теории управления, теории графов, функционального анализа, теории дифференциальных уравнений, математической логики, теории множеств, математического программирования, искусственного интеллекта, теории полезности, имитационного моделирования, а также методы проектирования информационных систем распределенной структуры.
Научная новизна.
-
Выполнена формализация и разработана постановка задачи оптимального управления атмосферными выбросами промышленного предприятия по предложенному и обоснованному в диссертации векторному критерию, характеризующему различные виды ущерба, причиняемого атмосферными поллютантами.
-
Разработан комплекс математических моделей и алгоритмов, позволяющих количественно определить и минимизировать различные виды ущерба от воздействия атмосферных поллютантов. Его характерной особенностью является объединение в составе единого математического обеспечения моделей формирования, подъема, переноса загрязняющих веществ, а также зависимостей, используемых для определения величины ущерба, причиняемого поллютантами населению, промышленности, сельскому хозяйству, природной среде и самому предприятию.
3. Разработана имитационная математическая модель процесса образования
атмосферных загрязнителей, позволяющая в зависимости от используемо
го технологического оборудования и производственной программы в ди
намике определить величину весовых расходов и концентрацию различ
ных видов поллютантов, образующихся при функционировании промыш
ленного предприятия.
-
Развит комплекс математических моделей и алгоритмов, позволяющий формально описать процесс подъема, распространения и выпадения атмосферных загрязнителей. Разработаны продукционные и аналитические модели, использование которых дает возможность уменьшить вычислительную сложность задачи определения концентрации атмосферных пол-лютантов на территории контролируемых объектов.
-
Разработан комплекс математических моделей и алгоритмов, позволяющий определить величину скалярных составляющих векторного критерия оптимизации с помощью метрических функций пространства состояний, кусочно-заданных функций и S – образных кривых. При разработке данного математического аппарата были использованы матрицы решений и классические оценочные критерии, что позволило уменьшить вычислительную сложность процедуры минимизации ущерба и отказаться от проведения ряда сложных и дорогостоящих экспериментов, повысив оперативность расчета оптимизируемых целевых функций.
-
Предложен и обоснован алгоритм решения задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий в условиях неопределенности возмущающих воздействий, основанный на использовании минимаксной оценочной функции и функции Сэвиджа. Применение данных функций в составе подынтегральных выражений скалярных критери-
ев дает возможность решить поставленную задачу векторной оптимизации в условиях неопределенности возмущающих воздействий таким образом, чтобы величина ущерба не превысила заданное значение. Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в разработке нового математического и алгоритмического обеспечения для проблемно-ориентированных систем управления промышленных предприятий, информационных систем органов государственной власти, организаций экологического надзора, подразделений МЧС объектового уровня, позволяющего минимизировать ущерб, причиняемый атмосферными выбросами.
Практическая значимость диссертации связана с созданием тиражируемого информационно-программного обеспечения, используемого при управлении технологическим оборудованием промышленного предприятия с целью минимизации ущерба от атмосферных загрязнителей, причиняемого населению, промышленности, сельскому хозяйству, природной среде и самому предприятию как единому целому.
Разработанные постановки задач, математические модели и алгоритмы, подтвержденные при апробации основных результатов диссертационного исследования, позволяют рекомендовать для практического использования в составе информационно-программного обеспечения систем управления предприятий и организаций:
модели и алгоритмы процесса формирования, подъема и переноса атмосферных выбросов промышленного предприятия;
оценочные функции, используемые при определении ущерба от загрязнения атмосферы;
тиражируемое программное обеспечение, реализующее разработанные модели и алгоритмы минимизации выбросов атмосферных поллютантов;
опыт создания и методику внедрения разработанного типового математического и программного обеспечения в составе систем управления промышленного предприятия.
Достоверность теоретических разработок, научных положений и выводов подтверждается корректностью применения математического аппарата теории управления, функционального анализа, теории дифференциальных уравнений, согласованностью результатов теоретических расчетов с данными, определенными в процессе практической апробации работы, имитационным моделированием управляемых процессов, а также натурными экспериментами с математическим обеспечением информационных систем производственного назначения.
Выносимые на защиту результаты
-
Постановка задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий по векторному критерию, характеризующему ущерб от воздействия атмосферных загрязнителей.
-
Имитационная математическая модель процесса образования атмосферных загрязнителей во время работы промышленного предприятия.
-
Математические модели и алгоритмы, позволяющие формально описать процесс подъема, распространения и выпадения атмосферных загрязнителей.
-
Комплекс математических моделей и алгоритмов, позволяющий определить величину скалярных составляющих векторного критерия оптимизации с помощью метрических функций пространства состояний, кусочно-заданных функций и S – образных кривых.
-
Алгоритм решения задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий в условиях неопределенности возмущающих воздействий, основанный на использовании минимаксной оценочной функции и функции Сэвиджа.
-
Тиражируемое программное обеспечение, реализующее основные результаты диссертации в информационных системах промышленного предприятия.
-
Результаты внедрения разработанной при непосредственном участии автора системы оперативного управления атмосферными выбросами предприятия по предложенному в диссертации векторному критерию ущерба.
-
Опыт создания и методику внедрения разработанного типового математического и программного обеспечения как составной части автоматизированной системы управления промышленного предприятия.
Реализация и внедрение результатов исследований. Основные результаты диссертационного исследования в виде постановок задач, формальных моделей, алгоритмов и комплексов программ были внедрены на предприятии ООО СЭПО - ЗЭМ (г. Саратов). Они были также использованы в учебном процессе Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А, Саратовского государственного университета имени Н.Г.Чернышевского, а также применены при решении ряда других важных народно - хозяйственных задач. Кроме того, основные результаты диссертационной работы представляют интерес для ОАО «Лига» (г. Саратов), которое на протяжении многих лет занимается вопросами разработки и внедрения современных эффективных систем экологического мониторинга окружающей среды. Их планируется использовать для повышения эффективности существующих систем мониторинга, а также для совершенствования их функциональной структуры.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в 2008 - 2016 г.г. на ряде конференций и научных семинарах различного уровня: Всероссийских научных конференциях «Актуальные проблемы управления социально-экономическими и техническими системами» (Саратов, 2008, 2012 и 2013г.г.); Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы системного анализа и прикладной информатики» (Саратов, 2011); XXV Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ- 25» (Саратов, 2012); XXVI Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26» (Саратов, 2012); XXVIII Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-28» (Саратов, Ярославль, Рязань, 2015); Всероссийской научной конференции с Международным участием «Проблемы критических ситуаций в точной механике и управлении» (Саратов, 2013); Международной научной конференции ICIT 2014 «Информационно – коммуникационные технологии в науке, производстве и образовании» (Саратов, 2014); Международных научных конференциях «Компьютерные науки и информационные технологии» (Саратов, 2014, 2016); на научных семинарах кафедры «Прикладные
информационные системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.; на научно - практических семинарах лаборатории "Системные проблемы автоматизации и управления в машиностроении" Института проблем точной механики и управления РАН.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 24 научных работах, Пять из них изданы в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК РФ. По результатам исследований опубликованы также две монографии, одна из которых - в зарубежном издательстве.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы из 176 наименований и приложения. Объем работы составляет 192 страницы, в том числе 189 страниц основного текста. В работе 57 рисунков и 11 таблиц.
Комплекс технических средств и программное обеспечение систем экологического мониторинга
Самой первой системой экологического мониторинга исторически была система города Чикаго (США). На данный момент комплекс технических средств этой системы насчитывает 50 автоматических контрольно-измерительных станций, передающих показатели датчиков по концентрации углекислого газа, скорость и направление ветра. База данных обновляется каждые 15 минут.
Система оснащена сигналом «тревога», срабатывающим при превышении установленных пороговых значений поллютантов. Ежедневно формируется индекс загрязнения, который публикуется в СМИ.
Характерной для США является система экологического мониторинга, предложенная сотрудниками университета информации и приборостроения Young Jin Jung, Yang Koo Lee, Dong Gyu Lee, Keun Ho Ryu, Silvia Nittel, штат Мэн, США.
Система мониторинга окружающей среды, основанная на использовании сенсорных датчиков. В состав системы входят сеть сенсорных датчиков, передающих данные об уровне загрязнения территории; базы данных лаборатории, в которых хранятся допустимые показатели загрязнения. Датчики передают значения в лабораторию, где полученные показатели сравниваются с уставочными значениями. Кроме того, в базах данных хранятся средние (относительно безопасные) значения концентрации атмосферных поллютантов. Если текущие показания их концентрации превышают заданные величины, то система выдает сигнал предупреждения.
Японская система экологического мониторинга насчитывает более 2000 контрольно-измерительных станций. 1320 станций собирают данные по концентрации SO2, 885 станций следят за концентрацией NOх. Помимо этого 287 станций, расположенных вдоль магистралей, следят за автомобильными выбросами. В общей сложности Япония разделена на 25 зон наблюдения. Информация с датчиков передается, в том числе, и на электронные табло, расположенные на улицах и в общественных помещениях города. Вся информация представлена в виде графиков, схем, таблиц. В Токио станции слежения установлены на предприятиях, сжигающих 90% топлива, при этом измерительные приборы соединены непосредственно с дозаторами топлива.
Система мониторинга Голландии включает 200 автоматических контрольно-измерительных станций, связанных с серверами в лабораториях, расположенных в 9-ти городах. Региональные лаборатории в свою очередь связаны с главным компьютера единого национального центра. Измерения ведутся по SО2; СО; NОx, NО2, О3 и другим поллютантам. Центр связан напрямую с аналогичными центрами в Германии и Бельгии [140].
Московская система мониторинга включает в себя комплекс из 30 автоматических станций загрязнения атмосферы, расположенных во всех функциональных зонах города, таких как природные парки и автотрассы [140]. В систему заносится информация об уровне концентрации 23-х поллютантов. Помимо определенных в ВОЗ вредных веществ, измеряется концентрация углекислого газа, а также кислорода. В комплекс входят метеорологические датчики, которые передают информацию с останкинской башни в центр обработки информации. Отслеживание метеорологических характеристик важно, в первую очередь, при чрезвычайных ситуациях, так как позволяют отследить перемещение воздушных масс и принять необходимые меры. Все данные о состоянии атмосферного воздуха в режиме реального времени передаются в информационно - аналитический центр ГПУ «Мосэкомониторинг». В данном центре осуществляется хранение и обработка поступивших со стационарных постов данных. По всем параметрам данная система соответствует требованиям Европейского союза. Подобные системы работают во многих областях Российской Федерации: Кировской, Воронежской, Липецкой и др. Сбор информации осуществляется при помощи датчиков, стационарных и передвижных пунктов наблюдения. Основными регистрируемыми ингредиентами являются: оксид углерода, сернистый газ, окислы азота, углеводороды и взвешенные вещества.
Содержание и концентрация этих веществ, присутствующих в выбросах большинства источников загрязнения атмосферного воздуха являются основными негативными показателями состояния загрязнения атмосферного воздуха.
Одной из самых передовых в Российской Федерации является система мониторинга окружающей среды «Экоаналитика», разработанная при поддержке правительства Калужской области. Элементы графического интерфейса пользователя данного приложения представлены на рис.1.15.
Имитационная модель для определения валового и массового выброса атмосферных загрязнителей промышленного предприятия
Разрабатываемый комплекс математических моделей состоит из формальных моделей процессов формирования, подъема и переноса поллютантов, а также из моделей, используемых при определении основных видов ущерба от воздействия загрязнителей на контролируемые объекты и территории.
Модели процессов формирования, подъема и переноса поллютантов включают следующие основные элементы: имитационную модель, позволяющую для предприятий различных отраслей промышленности определить весовую величину атмосферных выбросов наиболее распространенных поллютантов на временных интервалах от нескольких часов до одного года в зависимости от количества и вида работающего оборудования, а также от продолжительности и интенсивности его работы; математическую модель, используемую для расчета высоты подъема загрязнителей, попавших в атмосферу в процессе функционирования промышленного предприятия; формальную модель процесса переноса поллютантов в приземном слое атмосферы; математическую модель, позволяющую определить концентрацию загрязнителей в различных точках контролируемых объектов и территорий; Математические модели, используемые при определении основных видов ущерба от воздействия поллютантов на контролируемые объекты и территории, состоят из следующих основных элементов: оценочных функций, используемых при определении величины ущерба; моделей для определения ущерба, связанного с ростом заболеваемости населения, с потерями сельского хозяйства, с изменением окружающей природной среды, с ухудшением качества жизни населения, а также с ущербом предприятия от изменения режимов работы технологического оборудования при регулировании атмосферных выбросов.
Структурная схема комплекса математических моделей, используемых при решении задачи (1.13) - (1.15), представлена на рис.2.1. Его разработка осуществлена во второй и третьей главе диссертации.
Имитационная модель для определения валового и массового выброса атмосферных загрязнителей промышленного предприятия Данная математическая модель позволяет определить массовую и суммарную величину (за время Д/1) атмосферных выбросов различных поллютантов в зависимости от типа предприятия, количества и вида работающего оборудования, а также от продолжительности и интенсивности его работы и др. Входной информацией имитационной модели являются: принадлежность предприятия к той или иной отрасли народного хозяйства; список вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу в процессе его функционирования; производственное оборудование, при работе которого образуются данные вредные вещества; смены, дни и продолжительность работы указанного оборудования; законы распределения дискретных случайных величин, характеризующих моменты включения и выключения производственного оборудования, в процессе функционирования которого образуются вредные вещества атмосферных выбросов и др. Рис. 2.1. Математические модели, используемые при решении задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий Выходными переменными математической модели служат величины массового и суммарного количества W., І =1,П , выбрасываемых в атмосферу из дымовой трубы промышленного предприятия. Классификация производственного оборудования предприятия по способу расчета величины атмосферных выбросов. При построении имитационной модели все производственное оборудование промышленного предприятия, в процессе функционирования которого образуются атмосферные поллютанты, подразделяется на 10 групп. Для каждой из этих групп расчеты выбросов ведутся с использованием: одной из характеристик оборудования, например, по марке станка; удельных эмиссий загрязняющих веществ, приходящихся на единицу массы, длины или объема используемого материала; балансового метода; известной интенсивности испарения поллютантов с единицы поверхности, например, гальванической ванны; методики инвентаризации выбросов, образующихся при производстве радиоэлектронной аппаратуры; методики инвентаризации выбросов, образующихся при ремонте резинотехнических изделий; способа инвентаризации выбросов, образующихся при проведении медницких работ; способа инвентаризации выбросов, образующихся при мойке деталей, узлов и агрегатов; алгоритма определения выбросов пыли во время механической обработки древесины; методики определения выбросов пыли во время перегрузки сыпучих материалов. Указанные методики систематизированы в [63], где они использовались при решении задачи инвентаризации промышленных выбросов в атмосферу. Адаптация этих методик к требованиям разрабатываемой системы имитационного моделирования, в основу которой положен программный продукт Anylogic математического моделирования [75], осуществлена ниже. При расчете Ad .,і =1 г и W.J =1 г делается допущение, что поллютанты от источников загрязнений попадают в помещения, оснащенные газопылеуловителями, работающими без утечек воздуха. Удаление поллютантов производится с помощью местной и общеобменной вентиляции (рис.1.1 и 1.2). Структурная схема процесса удаления атмосферных выбросов технологического оборудования системой местной и общеобменной вентиляции, положенная в основу разрабатываемой имитационной модели, приведена на рис.2.2.
Алгоритм решения задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий
Для этого, в частности, следует создать математическое обеспечение, позволяющее определить скалярные составляющие векторного критерия оптимальности Cf. =Cf.(C,t), І =1,5 как функцию концентрации поллютантов ( и продолжительности их воздействия на объекты и территории І в точках контроля или реципиетных точках. Как правило, эти точки размещаются в местах массового скопления населения, в непосредственной близости от административных зданий, промышленных предприятий, в жилых районах и т.д. Скалярные составляющие характеризуют, соответственно, следующие виды ущерба: ущерб, связанный с ростом заболеваемости населения; потери сельского хозяйства от воздействия атмосферных поллютантов; ущерб от изменения природной среды; ухудшение качества жизни населения в результате систематического воздействия атмосферных выбросов промышленного предприятия; ущерб предприятия, возникающий при регулировании атмосферных выбросов и оплате штрафов за нарушение экологических требований.
Формальное определение и математическое моделирование данных видов ущерба, причиняемых загрязнителями атмосферы населению, промышленности, сельскому хозяйству и окружающей среде, представляет собой весьма сложную задачу, пока еще не получившую строгого математического решения [18, 31, 86].
Ее основная сложность связана с тем обстоятельством, что атмосферные поллютанты значительно влияют на деятельность сложных биологических, социально-экономических и человеко-машинных систем.
Математическое моделирование процессов функционирования данных систем, а также их управление по строгим, математически обоснованным алгоритмам весьма трудно осуществить из-за таких свойств объекта исследования, как большая размерность, разнообразие видов, активность и целесообразность функционирования, структурная сложность, нелинейность и нестационарность, наличие большого количества положительных и отрицательных причинно-следственных связей, эмергентность и др [18, 44, 59, 62, 67, 86, 93, 94].
В связи с указанной особенностью сложных систем в данном разделе диссертации разработаны в основном эвристические алгоритмы математического моделирования и управления перечисленными выше видами ущерба, возникающего в результате воздействия атмосферных поллютантов на население, промышленность, сельское хозяйство и окружающую среду. Эти алгоритмы основаны на использовании теории принятия решений, широко применяемой при математическом обосновании процедур управления сложными, недостаточно формализованными системами. Наряду с формальным аппаратом теории принятия решений при Cf =Cf(C,t), і =1,5 определении скалярных составляющих /- — - /-( ,і;, —1,5 в третьей главе диссертации используются также математические модели, применяемые при оценке ущерба от чрезвычайных ситуаций [13], модели для прогнозирования безопасных уровней воздействия потенциально токсических веществ [17, 71, 81, 82], а также реципиентные методики определения экономического ущерба от воздействия загрязнений [74, 92, 117]. В заключении необходимо отметить, что определение скалярных составляющих Cf. =Cf.(C,t), І =15 выполняется с учетом ограничений (2.1) - (2.6) и (2.13) - (2.20), позволяющих определить концентрацию загрязняющих веществ на контролируемых объектах и территориях.
Модели и алгоритмы определения скалярных составляющих векторного критерия оптимальности, характеризующих различные виды ущерба Рассмотрим модели и алгоритмы определения ущерба, используемые при расчете скалярных составляющих Cf. =Cf.(C,t), І =15 . При определении данных составляющих, характеризующих различные виды ущерба от воздействия атмосферных поллютантов и регулирования производительности технологического оборудования промышленного предприятия, используется формальный аппарат теории полезности, в частности, матрица решений. Поясним особенности его применения к решению поставленной задачи на примере определения величины первой скалярной оставляющей C/1 векторной целевой функции. Данный вид ущерба состоит из накопленного в течение временного интервала Д ущерба от воздействия атмосферных поллютантов У и ущерба У2 , вызванного неблагоприятным стечением обстоятельств, усилившим негативное воздействие атмосферных выбросов на здоровье населения: Cf1 =У1+У2. При определении Cf1 используется матрица решений Є у [60, 91], в диссертационном исследовании данная матрица строится для каждой составляющей ущерба.
Методика экспериментального подтверждения достоверности разработанного математического и информационного обеспечения
При решении задачи в режиме реального времени на временном интервале [минимально возможный; несколько дней], например, при минимизации ущерба от атмосферных выбросов химического предприятия, производственный процесс которого предусматривает получение, хранение и переработку ядовитых и потенциально опасных веществ, необходимо дополнительно использовать информацию о характеристиках выброса и текущих метеорологических условиях. Данная информация может поступить со стационарного или передвижного пункта экологического контроля, а также из системы АСУ ТП предприятия. Перечень необходимой информации зависит от характера производственного процесса. Так, для стационарного пункта контроля состояния атмосферы (СЭП - 1), часто используемого для мониторинга состояния атмосферного воздуха в г.Саратове и области, список контролируемых параметров приведен в табл. 4.3.
Возможно также использование оперативной метеорологической информации, предоставляемой службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды федерального уровня, а также специализированными лабораториями промышленного предприятия.
Подсистема передачи информации предусматривает возможность использования системы SCADA, предназначенной для обеспечения работы в реальном времени системы сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте экологического мониторинга или управления.
Кроме того, для передачи информации в базу данных от удаленных источников данных, например, от пункта контроля состояния атмосферы СЭП–1, предусмотрено использование Internet технологий и Web-приложений.
В этом случае информационное взаимодействие между измерительными устройствами у источников загрязнения и сервером экологического мониторинга выполняется с использование протоколов семейства TCP/IP и открытых каналов связи Internet. Передача данных о характеристиках выброса сводится к обмену сообщениями в рамках протокола HTTP с применением SSL прослойки. Данная схема информационного взаимодействия упрощает обмен данными и в качестве средств связи позволяет использовать наиболее распространенные типы соединений с Интернет. Роль каналов связи при этом часто выполняют GPRS, WiMAX и ADSL соединения.
Подсистема хранения информации, используемая при решении задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов, является общей для всех задач, решаемых отделом главного эколога предприятия. Хранение информации осуществляется на центральном сервере базы данных АСУ природоохранной деятельностью предприятия; для этого, как правило, используется Microsoft SQL SERVER, который гарантирует целостность и сохранность данных, а также обеспечивает корректное выполнение операций ввода-вывода при доступе клиента к информации. Кроме того, на предприятии при внедрении разработанного математического и информационно-программного обеспечения необходимо обеспечить интеграцию СУБД и web-сервера, организующего доступ серверов источников атмосферных поллютантов к центральному серверу. Процедура интеграции серверов данного вида подробно рассмотрена в специальной литературе и не требует дополнительных пояснений [168 - 170 ].
Результаты решения задачи, содержащие рекомендации по изменению состава и производительности технологического оборудования на различных временных интервалах, выдаются на утверждение главному технологу предприятия. Для этого используется комплекс технических средств системы диспетчеризации и автоматизированного управления технологическими процессами предприятия.
Подсистема имитационного моделирования процесса формирования загрязнителей при работе технологического оборудования предприятия предназначена для определения массового и суммарного выбросов атмосферных загрязнителей. Для решения этой задачи используется среда имитационного моделирования AnyLogic 7, разработанная на языке программирования Java в популярной среде Eclipse. Данная информационная система должна быть предварительно установлена в составе АСУ промышленного предприятия, в структурных подразделениях которого решается задача минимизации ущерба, причиняемого атмосферными выбросами. Расчет величины массового и суммарного выброса атмосферных загрязнителей осуществляется с использованием математических моделей (2.1) – (2.5) для 10 групп технологического оборудования, рассмотренных во второй главе диссертации.