Введение к работе
Актуальность проблемы.
Непрерывный рост автомобильного парка, увеличение объема грузооборота и перевозок пассажиров предъявляют все более жесткие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, а также обеспечению безопасности движения по ним. Решение этих проблем связано с двумя комплексами задач: борьба с зимней скользкостью с применением противогололедных реагентов (ПГР) и поддержание дорожных покрытий в оптимальном состоянии с помощью специализированных пропиток, предотвращающих старение и износ дорожного полотна. Для практической реализации этих задач необходимо разработать соответствующие проблемно-ориентированные системы компьютерного менеджмента качества, позволяющие на высоком уровне проводить аналитические исследования в области создания и использования продуктов дорожной химии.
Основные разделы диссертации выполнялись при поддержке Государственного контракта Минобрнауки России, контрактов и договоров Департамента ЖКХ и благоустройства и Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы.
Степень разработанности темы исследования рассматривается нами по трем направлениям: исследование продуктов дорожной химии; аналитический и экологический мониторинг; проблемно-ориентированные CALS-технологии.
Основные теоретические и практические исследования продуктов дорожной химии отражены в трудах следующих отечественных ученых: Борисюк Н.В., Николаева Л.Ф., Орлов Ю.Н., Печорский М.А., Подольский В.Л., Поздня-ева Л.В., Розов Ю.Н., Самодурова Т.В., Швагирева ОА. и др.
Вопросами аналитического и экологического мониторинга занимались такие ученые, как Аллахвердов Г.Р., Булатицкий К.К., Золотов Ю.А., Карпов Ю.А., Красильщик В.З., Малинников В.А., Помазанов В.В., Разяпов А.З. и др.
Разработка и внедрение информационных CALS-технологий в России проводится практически только в оборонной промышленности и отражено в публикациях следующих специалистов: Дмитров В.И., Кабанов А.Г., Овсянников М.В., Судов Е.В., Шильников П.С. и др. В химической промышленности исследования по CALS-технологиям связаны с именами работников ФГУП «ИРЕА»: Афанасьев А.Н., Бессарабов A.M., Демьянюк А.Ю., Жданович О.А., Заколодина Т.В., Пономаренко А.Н
Цель работы состоит в разработке на основе информационного CALS-стандарта ISO-10303 STEP проблемно-ориентированных систем компьютерного менеджмента качества противогололедных реагентов и пропиточных составов для дорожных покрытий. Основными задачами, решаемыми в работе, являются системные исследования и разработка на основе концепции CALS трех взаимосвязанных систем компьютерного менеджмента качества (КМК-системы):
аналитический мониторинг химических противогололедных реагентов;
экологический мониторинг влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды;
аналитический мониторинг пропиточных составов для дорожных покрытий.
Научная новизна.
Выявлена и впервые систематизирована много факторная зависимость качества автодорожной инфраструктуры. Показаны место и роль материалов-продуктов дорожной химии в разработанной иерархической системе.
Впервые совместно рассмотрена многоуровневая структура аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных пропиток для использования на поверхности асфальтобетонного покрытия в зимнее и летнее время. Системные исследования позволили выделить кластерную архитектуру показателей качества рассматриваемых продуктов дорожной химии и разработать типовую структуру взаимосвязи каждого показателя с соответствующими методами аналитического контроля и аналитическим оборудованием.
Разработана архитектура информационной системы для компьютерного менеджмента качества химических противогололедных реагентов в следующих информационных сечениях: химический состав; показатели качества; методы анализа; аналитическое оборудование. Разработана структура 18 показателей качества по 4-м информационным кластерам: органолептические, физико-химические, технологические и экологические.
Для важнейшего технологического индикатора «плавящая способность» разработана новая методика, позволяющая получать дифференцированно из кривых замерзания более точные характеристики. По новой методике для основного ассортимента ПГР проведены экспериментальные исследования и моделирование плавящей способности ПГР в диапазоне от 0 до -30С. Показана невозможность применения данного ассортимента при температурах ниже -20С.
Проведена разработка нового формиатного ПГР, в ходе которой создана и реализована в КМК-системе аналитическая методика количественного анализа формиатов с относительной суммарной погрешностью результата анализа, соответствующей высокоточным характеристикам титриметрических методов (защищена патентом). Из общего физико-химического анализа депрессии температуры замерзания растворов доказана эквивалентность полноценной замены компонентов хлорида натрия на формиат натрия.
Разработана архитектура системы экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на следующие компоненты окружающей среды: снежный покров, водные объекты и грунтовые воды; почвенный покров; зеленые насаждения; атмосферный воздух. Для рассматриваемых экологических компонент введена типовая структура ПГР, для каждого из которых в архитектуру системы введены 6 важнейших индикаторов качества, характеризующих степень воздействия конкретного ПГР на выбранный объект окружающей среды. По всем индикаторам качества предложены соответствующие методы анализа и аналитическое оборудование.
Для компьютерного менеджмента качества дорожных пропиток разработана архитектура информационной системы по двум целевым классам: восстанавливающие и защитные. Для каждого класса пропиток выделены две основные подкатегории: «битумные, нефтяные масла» и «битумные, полимерные». По каждой подкатегории сгруппированы пропитки соответствующих химических составов, каждый из которых характеризуется совокупностью показателей
качества. Проведена группировка 32 показателей качества по предложенным нами 6 информационным кластерам: органолептические; физико-химические; физико-механические; технологические; экологические и эксплуатационные. По каждому показателю в архитектуру системы введены наиболее перспективный метод анализа и аналитическое оборудование. На основании проведенного многокритериального анализа эффективности дорожных пропиток разработан новый состав на основе модифицированного битума.
Теоретическая значимость.
Предложенные в работе теоретические обобщения дадут возможность оптимизировать расход продуктов дорожной химии и сократить вредную нагрузку на окружающую среду.
Заложенные в ходе разработки методологические основы позволят создать проблемно-ориентированные КМК-системы для других классов материалов (пестициды и инсектофунгициды в агрохимии, антиобледенительные жидкости в авиации и др.).
Разработанные КМК-системы повышают уровень работы аналитических подразделений (оперативность исследований, исключение «человеческого фактора» и др.) и являются важным элементом лабораторных LIMS-систем.
Теоретические подходы аналитического и экологического мониторинга противогололедных реагентов и дорожных пропиток могут быть использованы при обучении студентов автодорожной и экологической специализаций.
Практическая значимость.
Результаты системного анализа использованы при разработке на базе информационных CALS-технологий трех программных комплексов компьютерного менеджмента качества: аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов; экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды; аналитического мониторинга пропиточных составов для дорожных покрытий. КМК-системы внедрены в Аналитическом испытательном центре и Центре коллективного пользования научным оборудованием ФГУП «ИРЕА». Практическая значимость проведенных системных исследований подтверждена патентом № 2478203 от 27.03.2013 «Способ определения содержания формиатов щелочных металлов в противогололедных реагентах».
Программные модули КМК-систем аналитического мониторинга вошли в Государственный контракт Минобрнауки России ГК 16.552.11.7010 «Развитие центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области разработки новых методов контроля качества...»;
Полученные по экологическому мониторингу результаты вошли в 2 договора Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы № 125-11 от 30.05.2011 и № 151-12 от 25.07.2012 «Выполнение работ по экспертно-методическому сопровождению работ по ведению мониторинга воздействия противогололедных реагентов на состояние природных сред».
По разработанным инновационному составу дорожной пропиточной композиции и технологии ее применения подана заявка на патент «Способ обра-
ботки дорожных асфальтобетонных покрытий» № 2012153391 от 11.12.2012 г.
Для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы были проведены комплексы системных теоретических и экспериментальных исследований по 14 договорам на НИР и 51 Государственным контрактам «Проведение испытаний противогололедных реагентов на соответствие техническим требованиям по условиям поставки».
Самостоятельное практическое значение, подтвержденное соответствующими актами о внедрении, имеют следующие комплексы работ:
для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы проведены системные аналитические исследования противогололедных реагентов и дорожных пропиток;
Российскому союзу химиков предложены методические основы формирования ассортимента противогололедных реагентов и дорожных пропиток, позволяющие загрузить основные производственные фонды предприятий химической и нефтехимической промышленности;
разработаны новые составы жидкого и твердого противогололедных реагентов для постановки на производство ООО «Новомосковский ХЛОР» (в составе ОАО «Минерально-химическая компания ЕвроХим»).
Методология и методы исследования.
В работе использована методология системного анализа и компьютерного менеджмента качества. При разработке программных комплексов применялось проблемно-ориентированное программирование на основе CALS-технологий. Определение показателей качества, заносимых в КМК-систему, проводилось современными аналитическими методами.
Положения выносимые на защиту.
-
Разработанная методология системного анализа качества автодорожной инфраструктуры.
-
Разработанная КМК-система аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов.
-
Разработанная КМК-система экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды.
-
Разработанная КМК-система аналитического мониторинга пропиточных составов для дорожных покрытий.
Личный вклад автора.
Проведены системные исследования аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных пропиток. Разработана структура, алгоритмическое и программное обеспечение систем компьютерного менеджмента качества противогололедных реагентов и дорожных пропиток, а также экологического воздействия противогололедных реагентов на окружающую среду. Проведены работы по созданию новых продуктов дорожной химии и внедрению результатов диссертации в производство.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность научных и практических результатов, сформулированных в
диссертации, обусловлена использованием высокоточных исходных данных, наиболее современной системой компьютерной поддержки (CALS-технология) а также практической реализацией результатов работы.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в журналах Вестник Казанского технологического университета, Вестник Саратовского государственного технического университета, Известия МГТУ «МАМИ», Наукоемкие технологии, Энциклопедия инженера-химика, сборнике научных трудов «Успехи в химии и химической технологии», а также докладывались и обсуждались на X Международной научно-практической конференции «Партнерство бизнеса и образования в инновационном развитии региона», (Тверь, 2011), XXV и XXVI Международных научно-технических конференциях «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ -2011; РЕАКТИВ-2012), (Уфа, 2011; Минск, 2012), Международной научно-техничес-кой конференции «Наукоемкие химические технологии-2012», (Тула, 2012), XXV Международной научной конференции «Математические методы в техни-ке и технологиях» (ММТТ-25), (Волгоград, 2012), Шестой международной кон-ференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (MLSD'2012), (Москва, 2012), VIII Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии «UCChT-2012-MKXT», (Москва, 2012), XII Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела», (Уфа, 2012); 13-th European Meeting on Environmental Chemistry (EMEC13), (Moscow, 2012).
Публикация результатов исследования.
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 6 статей (4 в журналах, рекомендуемых ВАК), 8 тезисов докладов на международных конференциях и получены 2 патента на изобретение. Общий объем опубликованных работ - 4,3 печатных листа.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы (129 наименований) и приложения, включающего акты внедрения результатов работы. Диссертация изложена на 149 страницах, включая 36 рисунков и 17 таблиц.
