автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Принципы автоматизированного управления природо-промышленными комплексами "химическое производство - окружающая среда"

Г г в од

1 О ФЕВ 1998

На правах рукописи

СМИРНОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДО-ПРОМЫШЛЕННЫМИ КОМПЛЕКСАМИ "ХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА"

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА-1998

Работа выполнена на кафедре кибернетики химико-технологических процессов Российского химико-технологического университета им.Д.И.Менделеева и в Государственном Инженерном Центре Комплексной Автоматизации.

Научные консультанты:

действительный член (академик)

Российской академии

диалектико-системаых исследований,

доктор технических наук, профессор Дорохов И.Н.

действительный член (академик) академии

диалектико-системных исследований,

доктор технических наук, профессор Володин В.М.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РСФСР, академик Российской инженерной академии, доктор технических наук, профессор Чехов О.С.

действительный член (академик)

АТН России, доктор технических наук,

профессор Мешалкин В.П.

доктор технических наук, профессор Попов Н.С.

Ведущая организация: АО "Химавтоматика"

Защита диссертации состоится />. с г

. 1998 г. в // 6 часов на заседании диссертационного совета Д 053.34.08 в РХТУ им.Д.И.Менделеева (125047, Москва,

А-47, Миусская пл., д.9) в ауд._.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им.Д.И.Менделеева. , ^ .

Автореферат разослан <У- I '______1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бобров Д.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие современного производства тесным образом связано с рациональным использованием природных ресурсов и охраной окружающей среды от загрязнения. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов - одна из наиболее актуальных проблем современности, правильное и масштабное решение которой в значительной степени определяет улучшение условий жизни настоящего и будущего поколений, поступательное и экологическое безвредное развитие всех отраслей народного хозяйства.

Рациональная стратегия природопользования должна быть реализована на основе комплексного подхода. Концентрируя основное внимание на проблеме комплексного функционирования производства и природопользования, можно указать на три основных направления развития техники и технологии производства и природопользования.

Первое - целенаправленное изменение структуры производства и потребления, развитие эффективных в экономическом и экологическом отношении технологий производства, основанных на принципах малоотходности и безотходности, малого потребления дефицитных природных ресурсов, малого количества отводимых отходов, вредных для окружающей среды.

Второе - создание эффективных технологий обработки и обезвреживания отходов с целыо возможности их безопасного отведения в окружающую среду и дальнейшей их утилизации.

Третье - целенаправленное изменение структуры и свойств природного объекта для сохранения и улучшения ресурсного потенциала, повышение его устойчивости к антропогенному воздействию в сочетании с реализацией рационального регулирования режимов изъятия природных ресурсов и режимов отведения отходов.

Рассматривая перечисленные выше направления стратегии природопользования можно сформулировать концепцию о том, что при реализации стратегии взаимосвязанного, комплексного управления по всем трем перечисленным выше направлениям цели производства и природопользования достигаются более эффективно по сравнению с ограниченной стратегией изолированного управления производством, очистными сооружениями и природными объектами.

Концепция взаимосвязанного и согласованного развития указанных выше трех сфер в противовес имеющему место изолированному подходу является фундаментом для успешного достижения целей рационального промышленного производства и охраны природной среды. Эффективная стратегия достижения таких целей - взаимосвязанное развитие техники и технологии производства и природопользования. Отсюда вытекает необходимость реализации концепции взаимосвязанного оптимального управления производством и природопользованием. Практическая реализация данной концепции обеспечивает достижение заданных целей наилучшим способом по сравнению с имеющим место изолированным подходом и определяет актуальность поставленной проблемы.

Работа выполнялась в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 14.11.96 г. "Об утверждении федеральной целевой программы "Социально-экологическая реабилитация территории Самарской области и охрана здоровья ее населения"; с государственной НТП "Ресурсосберегающие и экологически чистые процессы в металлургии и химии" на период 1990-1995 гг.; целевой НТП 0-Ц.047 "Автоматизация в отраслях народного хозяйства на базе микропроцессорной техники, машин, оборудования и технологических процессов во всех звеньях производства" на период 1985-1990 гг.; целевой комплексной НТП 0.80.02 "Создать и ввести в эксплуатацию системы автоматизированного произ-

управления в народном хозяйстве на основе интеграции автоматизированных систем управления различного уровня, применения вычислительной техники и микропроцессорных средств" на период 1985-1990 гг.

Цель работы:

- развитие стратегии комплексной автоматизации локальными природо-промышленными объектами с учетом взаимосвязи технико-экономических факторов;

- определение места и роли современного экологического мониторинга в системах автоматизированного управления локальными природо-промышленными комплексами;

- разработка методологии моделирования и расчета процессов распространения загрязнений в тропосфере, гидросфере и литосфере с учетом влияния метеорологических факторов;

- формулировка подхода к управлению ириродо-промышленными комплексами с помощью интеллектуальных систем, основанных на знаниях;

- решение конкретных задач по совершенствованию математического обеспечения и программно-алгоритмической реализации систем экомо-ниторинга и автоматизированного управления природо-промышленными комплексами;

- практическое применение полученных теоретических результатов и алгоритмов, при реализации систем управления локальными природо-промышленными комплексами.

Методы исследования:

- полученные результаты базируются на общих методах оптимального управления, математических методах теории измерения и обработки экспериментальной информации, теории принятия решений, теории идентификации, теории систем искусственного интеллекта, методов прикладного программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложены основные принципы комплексной автоматизации контроля и управления природо-нромышленными комплексами типа "химическое производство - окружающая среда" с учетом взаимосвязи технико-экономических и экологических факторов;

- разработана стратегия управления природо-промышленным комплексом на основе симбиоза двух подходов: технологического, предусматривающего вмешательство в ход производственного процесса, и кибернетического, предусматривающего управление эмиссионной активностью основных источников загрязнений путем совокупности организационно-технических мероприятий;

- сформулирован подход к управлению природо-промышленными комплексами на базе применения интеллектуальных систем, основанных на знаниях, и построена проблемно-ориентированная экспертная система для прогноза состояния и принятия решений по управлению природо-промышленным объектом " химическое производство - окружающая водная среда";

- решены методические вопросы определения места и роли современного экологического мониторинга в системах автоматизированного управления локальными природо-промышленными комплексами. В рамках системы экомониторинга предложена классификация и систематизация качественных и количественных форм описания распространения загрязнс-

ний в трех основных видах природных подсистем: тропосфере, гидросфере и литосфере.

- разработана методология моделирования и расчета процессов распространения загрязнений атмосферы выбросами газоперерабатывающего завода с учетом влияния метеорологических факторов;

- решен ряд конкретных задач по совершенствованию математического обеспечения и программно-алгоритмической реализации систем экомо-ниторинга и автоматизированного управления природо-промышленными комплексами: а) оценка надежности и повышение достоверности измерительной информации в системах экомониторинга и АСУ природо-промьппленными комплексами; б) построение алгоритмов управления природо-промышленными комплексами на основе функций чувствительности и косвенной оценки переменных состояния объекта; в) разработка методов решения жестких систем дифференциальных уравнений при численном моделировании управляемых объектов природо-промышленных комплексов.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- реализована система автоматизированного управления природо-промышленным комплексом типа " химическое производство - окружающая водная среда" на базе консультативной экспертной системы, построенной с помощью математического аппарата теории нечетких множеств. Разработаны функциональное, информационное, математическое и программное обеспечение экспертной системы. Корректность предложенного подхода проверена на модельных примерах и подтверждена экспериментально при обработке реальных данных функционирования локального природо-промышленного комплекса " отделения десорбции и гидролиза в производстве карбамида - сточные поды";

- предложена техническая реализации автоматизированной системы экологического мониторинга и управления загрязнением воздушной среды в рамках локального природо-промышленного комплекса "Астраханский газоперерабатывающий комбинат - окружающая воздушная среда". Функции подсистемы верхнего уровня реализованы на персональном компьютере IBM PC, на нижнем уровне системы располагаются датчики производства фирмы MBL Environmental System;

- разработанные принципы, методы, алгоритмы и программное обеспечение внедрены в системе оперативно-диспетчерского управления (ОДУ) Россошанским комплексом по производству аммиачной селитры, в ОДУ Северодонецкого НПО "АЗОТ", на производстве капролактама Черкасского НПО "АЗОТ", в системе управления ПО "Южуралникель" и сушильного отдела производства термочувствительных элементов (г. Сергиев Посад), в системах коммерческого учета нефтепродуктов на Бакинском и Херсонском НПЗ, в АСУ ТП газоперерабатывающего завода (г. Аксарайск).

Апробация работ. Основные положения диссертационной работы докладывать на 12-ти Всесоюзных и Международных конференциях:

1. IV Всесоюзное совещание по автоматическому управлению. Тбилиси

1968 г.

2. Всесоюзная научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательских работ за 1968-1969 г. г.Москва.

3. Межвузовская конференция по теории и принципам построения цифровых машин и цифровых интегрирующих машин. Ленинград 1969 г.

4. Всесоюзное научно-техническое совещание "Автоматическое регулирование технологических процессов и параметров электрической и тепловой энергии. Минск 1971 г.

5. Советско-финский симпозиум по системам управления. Тбилиси 1973 г.

6. Всесоюзный семинар "Методы построения информационно-управляющих программ для ЧВМ". Киев 1973 г.

7. Всесоюзная конференция "Математическое моделирование сложных химико-технологических систем". Ереван 1982 г.

8. Всесоюзная научная конференция "Методы кибернетики химико-технологических процессов". Таллинн 1984 г.

9. Всесоюзная научная конференция "АСУ ТП в энергетике, химии, металлургии". Москва 1987 г.

Ю.Всесоюзное совещание "Новейшие исследования в области теплофизиче-ских свойств". Тамбов 1988 г.

11.11 Всесоюзная конференция "Автоматизация и роботизация в химической промышленности". Тамбов 1988 г.

12.Всесогозная конференция "АСУ ТП в энергетике, химии, металлургии". Москва 1991 г.

Публикации. Результаты, отражающие содержание диссертационной работы, изложены в 51 публикации.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 376 страниц машинописного текста, 85 рисунков, 21 таблиц и 254 наименования литературных ссылок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, формулируется цель и основные направления исследования. Кратко изложена научная новизна, практическая ценность и достоверность полученных результатов диссертационной работы.

В первой главе вводится понятие локальной природо-промышленной системы, как объекта управления, дается ее структурно-функциональная схема (рис. 1), а также рассматриваются основополагающие принципы и стратегия разработки автоматизированных систем управления природо-промышленными комплексами.

В качестве основных принципов приняты следующие:

- системности, объединяющий глобальную и локальную цели управления, идентификацию, моделирование и декомпозицию на подсистемы;

- иерархичности с разбиением по уровням иерархии задач управления как производственных, так и природоохранных;

- совместимости технического обеспечения на различных уровнях иерархии природо-промышленной системы;

- единства технологической и экономической информации для количественной оценки показателей производственной и природоохранной деятельности;

- повышения роли экологической и производственной ответственности лиц, принимающих решения;

- функционирования АСУ природо-промышленного объекта как кибернетической системы, обладающей свойствами самоорганизации.

Ресурсы

Сырьевые

Трудовые

Климатические Лесные Водные

— £ Промышленное----

—производство---

Г"1

Промышленная продукция

Отходы производства

|_Утилизируемые

й й й

' * » 1

Рекуперация I—

/П-----£

Тропосфера

I Загрязняющие I отходы

-----Т ^----->| Литосфера

\

^ Ж ^-----—---Гидросфера

Производство Других отраслей

Рис. 1 Структурно - функциональная схема локальной природо-промышленной системы

При разработке стратегии создания автоматизированной системы управления природо-промышленным объектом использован симбиоз двух подходов: технологического и кибернетического. Сущность первого заключается в модернизации производственных процессов и сводится к разработке малоотходной технологии, обеспечивающей наряду с эффективным выходом целевого продукта минимизацию выбросов и сбросов, загрязняющих окружающую среду. Сущность второго состоит в управлении эмиссионной активностью основных источников загрязнений путем ряда организационно-технических мероприятий - управленческих решений, целью которых является кратковременное снижение выбросов промышленных предприятий в периоды метеоусловий, неблагоприятных для их рассеивания. Это возможно путем создания двухуровневой иерархической АСУ качеством окружающей среды с централизованной информационной структурой и распределенным автономным управлением (рис. 2). При этом АСУ природо-промышленным комплексом содержит два контура управления: внутренний и внешний. Первый контур реализуется на базе действующей АСУ ТП предприятия с добавлением необходимых средств технического, информационного и программного обеспечения для оптимального регулирования технологического процесса с учетом комплексного критерия качества функционирования системы "технология-экология". Второй контур должен быть реализован на базе специально создаваемой подсистемы контроля и регулирования промышленных выбросов и сбросов предприятия (организованных и неорганизованных).

Рассмотрена структура и стратегия функционирования автоматизированного рабочего места инженера-эколога (АРМ ИЭ), ориентированного на оперативной анализ и регулирование ситуации по загрязнению атмосферы. АРМ ИЭ разрабатывается в виде экспертной системы ЭС, аккумулирующей знания об объекте и математические модели, имитирующие процессы образования и распространения загрязнений. В ЭС пространство решения представляется в виде иерархического дерева гипотез, а знания - в виде эвристических правил продукций. Машина логического вывода строится на основе аппарата коэффициентов уверенности.

Для прогноза состояния сточных вод химического предприятия и принятия решений по управлению промышленным объектом с учетом его экологического воздействия предложена структура и алгоритм функционирования проблемно-ориентированной экспертной системы (ПОЭС) на основе математического аппарата теории нечетких множеств.

Во второй главе дан анализ существа экологического мониторинга и определена его роль в системах автоматизированного управления природо-промышленными комплексами. Экомониторинг включает в себя наблюдение, оценку и прогноз состояния природной среды. В рамках системы экомониторинга рассмотрены различные принципы классификации моделей экологических систем. Одна из наиболее удачных классификаций предложена Н.С.Поповым, которая принята за основу в данной работе. Математические модели классифицируются в зависимости от пространственного (и связанного с ним временного) масштаба антропогенного влияния:

а) локальные; б) региональные; в) глобальные. При технической реализации системы мониторинга и формировании се математического обеспечения математические модели делятся на а) статические; б) аналитические; в) имитационные.

Два фактора - сложность природных систем и наличие быстродействующей вычислительной техники - привели к использованию так называемых "имитационных моделей" и "имитационных систем".

Выделяются следующие этапы разработки модели

цсои

Рис.2 Иерархическая структура АСУ качества окружающей среды с двумя уровнями управления, где С0 - верхний уровень управления, С, - нижний уровень управления, Р, - объект управления, Ц - параметры связи, ш - внешние возмущения, т - внешние управляющие сигналы, у - выходные сигналы, - управляющие сигналы верхнего уровня, К, - информационные сигналы верхнего уровня, г, - информационные

сигналы нижнего уровня

- качественное (словесное) описание системы - это лингвистическое описание той информации о системе, которая имеется в данный момент. На этом этапе определяются основные внутренние и внешние факторы, величина и взаимосвязь между ними, которые будут учитываться в модели. Естественно, что учитываемые факторы зависят от целей исследования, которые должны быть четко сформулированы. Обычно результатом словесного описания системы является схема ее функционирования, на которой отражены основные учитываемые величины и взаимосвязи между ними.;

- точная постановка задачи: на этом этапе выбранные для включения в модель величины получают свое количественно выражение. При этом очень важно правильно определить степень детализации (дезагрегации) используемых величин. Наиболее существенная и сложная часть работы на этом этапе состоит в нахождении "законов эволюции" рассматриваемой системы, то есть количественного выражения взаимосвязей между величинами, ранее описанными словесно. Трудность здесь состоит в том, что обычно информация об этих связях недостаточна и не существует какого-либо общего способа нахождения конкретного выражения этих связей.

Для получения функциональных связей успешно применяются аналитические модели, упомянутые выше. Эти модели позволяют построить вид зависимости, а коэффициенты могут быть определены уже по ограниченному количеству экспериментальных данных. Для построения алгоритма и составления машинной программы используются специализированные языки, а также универсальные алгоритмические языки, позволяющие облегчить этот этап. Анализ результатов моделирования обязательно включает в себя проверку модели на чувствительность, то есть ответ на вопрос о том, как изменяются выводы, полученные из модели, при варьировании используемых констант, изменения вида связи между переменными. Анализ на чувствительность позволяет оценить качество модели с точки зрения ее внутренней структуры и определить те взаимосвязи, которые нуждаются в уточнении. В этом плане модель позволяет сделать выводы об улучшении системы мониторинга. Далее решается вопрос: позволяет ли построенная модель достичь намеченных целей и, если нет, то какие изменения необходимо внести и какая информация для этого необходима

В самом общем виде состояние тропосферы отражается кортежем факторов:

ST-fT(SoT,K,B,G,L,V)\ (D

где Sot и St - соответственно состояния тропосферы до и после ее загрязнения; К - класс стабильности тропосферы; В - фотохимические реакции, протекающие в тропосфере; G - характер подстилающей поверхности; L - антропогенная нагрузка на воздушный бассейн; V - влажность воздуха; fr - оператор связи. Полная система уравнений математической модели тропосферы содержит уравнения движения, притока тепла, неразрывности, переноса и трансформации влаги в виде паров и осадков, а также переноса и трансформации примесей. Важнейшей составляющей общей математической модели является уравнение переноса и диффузии веществ в сплошной среде:

с€ I a = V(DVQ-V(UC) + Qc + Rc, (2)

где С - концентрация примесей, биогенных веществ, микроорганизмов,

планктона и т.д.; и — (11 ¡, 112, 113) - вектор осредненного поля скоростей среды (воды, воздуха), компоненты которого £7¡, II2, из совпадают с осями координат X, у иг;/) - тензор коэффициентов турбулентной диффузии (дисперсии), сочетающий в себе возможные механизмы смешения; Яс - источники образования (распада) веществ.

Зная параметры среды, источников, стоков, граничных и начальных условий, в принципе, можно построить решение в виде пространственно-временного поля концентраций С (х, у, г, I). Однако на практике применяют различные виды аппроксимаций. В результате упрощающих допущений четырехмерное управление преобразуется в одно, двух или трехмерное. Для линейных уравнений иногда удается получить аналитические решения, для нелинейных - численные. Возможные пути построения различных типов моделей показаны на (рис. 3).

Модели, полученные на основе аналитических решений, являются "классическими" для задач прогноза загрязнений воздуха, воды и почвы.

Существенно более широкий класс моделей может быть образован в результате аппроксимации (2) достаточно простыми уравнениями и использования численных методов их решения. На диаграмме к этому классу отнесены модели "экологического" реактора. Прямая аналогия экологических объектов с химическими и биохимическими служит основой для количественного моделирования природных систем. Экологическим реактором (экореактором) называется открытая саморегулируемая природная система в виде элементов гидросферы, тропосферы, литосферы с конкретными пространственно-временными границами, наличием взаимодействий химических веществ и микроорганизмов, с известной гидродинамической структурой материально-энергетических потоков. При этом структура потоков экореактора представляется типовыми моделями идеального смешения, вытеснения, диффузионного типа, ячеечного типа и др.

Па основе сформулированных принципов и методов моделирования элементов прнродо-промышленных комплексов решены практические задачи построения моделей гидросферы и тропосферы для конкретных экологических объектов.

Распространение загрязнения атмосферы выбросами газоперерабатывающего завода было описано с использованием комплексной модели, включающей:

- эмпирическую модель, основанную на сходстве наблюдаемых ситуаций (н данном случае использовался опыт прогнозирования загрязнения воздуха и метеорологических условий, накопленный в Главной геофизической обсерватории);

- статистическую модель, формируемую на основе данных измерения от датчиков периферийных станций контроля, экстраполируя значения временного ряда наблюдений на последующий период;

- диффузионную модель, для расчета которой использовалась формула "факела".

Ътст, оу V

У2

ерх~М

{г-Н)1 (2 +11)г

схр---^--1- ехр-

ЪЛ

(3)

где, <3 - интенсивность источника загрязнений; Сту, - стандартные отклонения размеров "факела" в направлении осей У н Z при данном X; и - скорость ветра; Н - эффективная высота подъема "факела".

Тип источника 0е

Точечный Поверхностный

Мгновенный Непрерывный

Тип источника <2С

Распределенный

Другие возможные решения уравнения

Идеального смешения

Идеального вытеснения

Диффузионного типа

Ячеечного типа ¡*

Рис. 3 Классификация типов моделей, основанных на уравнении диффузии

Комплексная модель распространения загрязняющих веществ в атмосфере позволяет рассчитывать: концентрацию вредных веществ в различных точках пространства; максимальную концентрацию веществ на некотором расстоянии от источника выброса с учетом рельефа местности и метеорологических условий (скорости ветра, класса атмосферной стабильности); высоту подъема факела над устьем трубы; опасную скорость ветра, при которой концентрация загрязняющих веществ будет максимальной и превышающей предельно-допустимый выброс промышленного предприятия.

Проведенные численные эксперименты по различным составляющим комплексной модели распространения загрязнений в приземном слое атмосферы позволяет сделать вывод о необходимости использования экспертных компьютерных систем и разработки алгоритмов, которые автоматически выбирают соответствующий вид модели для конкретных условий эксплуатации. Так, при выработке стратегии контроля загрязнения, когда не требуется большой точности, рекомендуется использовать эмпирическую модель.

В случае критических ситуаций, для оперативного прогноза уровня загрязнения, целесообразно использовать диффузионную модель. В работе проведен анализ диффузионных моделей, который позволил остановиться на модели "факела". Эта модель используется для прогноза от 1 ч до 1 дня.

В период установившихся параметров выбросов применяют статистическую модель распространения загрязняющих веществ. Из-за сложности и нелинейности процесса распространения примесей в настоящей работе при ее реализации применяются методы нелинейной регрессии.

Для успешного решения задач строительства дорогостоящих очистных сооружений промышленных стоков большое значение имеет знание процесса формирования качества сточных вод, умение предсказать его развитие с учетом всевозможных критических ситуаций. Такую возможность дают имитационные модели, позволяющие предсказать качество сточных вод в динамике в зависимости от заданного режима работы предприятия, не нарушая его нормального функционирования.

Для их создания необходима следующая исходная информация: подробная схема взаиморасположения источников загрязнения, связанных канализационной сетью данного предприятия; расход воды для каждого источника загрязнения и концентрация сбрасываемых ингредиентов во всех возможных технологических режимах функционирования; рабочие модели распространения загрязняющих ингредиентов на рассматриваемом участке канализационной сети; вид и характер случайной составляющей процесса загрязнения для источников сбросов.

С целью унификации алгоритмов и программ имитационные модели разрабатываются по блочно-модульному принципу с оптимальным разделением функций между блоками, позволяющими имитировать разные процессы загрязнения путем перестройки порядка выполнения и минимальной замены разработанных блоков.

Представляется целесообразным наличие в имитационных моделях следующих основных блоков: генерации технологических режимов работы источников сбросов, т.е. блока управления; реализации математических моделей распространения примесей в воде; генерации многомерных случайных процессов, имеющих заданный характер; генерации случайных чисел по заданному закону распределения.

Как почти любой реальный процесс, формирование качества сточных вод является динамической и стохастической системой.

Проведенное исследование подтвердило, что Марковская модель наиболее предпочтительна для данных о загрязнении воды, поэтому стохастическая составляющая концентрации загрязняющих веществ моделируется методом группового

моделирования многомерных, нормальных марковских процессов с заданной глубиной связности.

Третья глава посвящена проблемам математического обеспечения автоматизированных систем управления природо-промышленными комплексами.

Одним из главных условий эффективности систем управления является надежность и достоверность информации, поступающей от измерительных устройств и приборов. Эта информация фиксирует состояние природо-промышленной системы на всех уровнях иерархии.

В этой связи поставлена и решена задача разработки единой подсистемы контроля достоверности измеряемой информации, распознающая недостоверные измерения с их последующей коррекцией. В качестве метода повышения достоверности измерений выбран метод, не требующий выделения дополнительных ресурсов и совершенствование аппаратурных решений, а использующий информационную избыточность и, в частности, априорную информацию о функциональных связях между измеряемыми величинами, обновленную свойствами объекта управления.

Принципиальное отличие предложенного подхода от уже известных заключается в следующем. Восстановление недостоверной информации рассматривается как процесс, состоящий из двух согласованных фаз: построение множества недостоверно измеренных величин; осуществление коррекции выделенных недостоверных значений.

Для решения задачи контроля достоверности используются связи между измеряемыми величинами, полученные в результате построения математической модели технологического объекта управления. При этом будем полагать, что связи между измеряемыми величинами Х=( Х1, ..., Хп) таковы, что их можно представить в виде системы линейных алгебраических уравнений.

Однако, как правило, эти уравнения обладают некоторой неточностью из-за того, что при их получении не был учтен ряд факторов ( например, это могут быть непрореагировавшие ингредиенты, принятые постоянными концентрации отдельных потоков, которые в действительности могут колебаться). Учет этих факторов в форме случайных поправок не всегда возможен из-за отсутствия достаточной статистики или из-за нсвероятностной природы. Наиболее удачной является формализация действий человека с использованием теории нечетких множеств. В качестве исходных соотношений между измеряемыми величинами Х1, / — 1,п будем рассматривать систему линейных нечетких соотношений типа нечеткого примерного равенства (НПР):

Отношение НПР формализуется следующим образом.

Введем Уj = 1,т . Величины }) являются НПР-переменными с

функциями принадлежности <р\(уопределенными на всей действительной оси. В качестве <р\(у,) выберем ступенчатые функции с параметрами (Ь} ,с1), где /^-ожидаемое значение величины у!, с] - интервал размытости:

Ах ~Ь

(4)

Так как измерения величин х, проводятся с ограниченной точностью, то будем рассматривать вектор измеряемых величин х как вектор НПР-переменных х,, определяемых ступенчатыми функциями принадлежности (х, ),г =1,« .

где х,-* - значения полученных измерений, 61 - точность используемых измерительных средств (величина, определяемая, например, классом точности соответствующего прибора). Это фактически означает, что при точности /'-го измерительного средства 81 и полученном в ходе измерения значения х* фактическое значение измеряемой величины может быть любым числом из диапазона (х1 *-8,,х1 *4<!>,). Будем считать, что измерения х,* достоверны, если выполняется система нечетких примерных равенств:

определяемых функциями принадлежности (5), (6). В этом случае коррекция вектора х* не производится.

Случай, когда система (7) не выполнена, означает, что среди измерений х* имеются недостоверные значения. Конечной целью является получение скорректированного вектора измерений, соответствующего его истинному значению.

Поставленная задача носит явно комбинаторный характер в силу конечности множества возможных решений задачи - мощность множества всех подмножеств {1, 2 ..., п}, на котором ищется решение, равна 2°. Наиболее эффективными для решения задачи такого типа являются алгоритмы, относящиеся к классу методов ветвей и границ.

Для решения задачи были разработаны дна алгоритма, относящиеся к данному классу: 1) алгоритм распознавания недостоверных измерений, использующий последовательные включения измерений; 2) алгоритм распознавания недостоверных измерений, использующий последовательные исключения измерений. Первый алгоритм обладает более сложной логической структурой и более эффективен для задач с большим количеством недостоверных измерений и с относительно малым числом достоверных измерений. Второй алгоритм проще по своей логической структуре и его применение эффективно при малом количестве недостоверных измерений.

Разработанные алгоритмы и соответствующее программное обеспечение реализованы в подсистеме контроля достоверности измерительной информации в системе оперативно-диспетчерского управления Россошанским эколого-технологическим комплексом, по производству аммиачной селитры. Работа подсистемы заключается в следующем. Данные, поступающие от объекта управления в ЭВМ, размещаются в общесистемной базе данных. На основе этих данных рассчитываются технико-экономические показатели и формируются видеограммы, выводимые управляющему персоналу, а также печатаются отчетные документы. Параллельно с этой обработкой поступившие с объекта значения измерений поступают в систему контроля достоверности, где осуществляется обнаружение и корректировка недостоверных данных. Скорректированные подсистемой значения также размещаются в общесистемной базе данных в специально отведенных

V, (х,) ='

[1,]х, -X, |0,[х, - х, *|><У,

(V)

Ах*Ь]

для них областях. По скорректированным значениям, так же как и по исходным, рассчитываются технико-экономические показатели и формируются видсограммы и отчетные документы.

Перечисленные возможности, предоставляемые управляющему персоналу, позволяет ему принимать решение о качестве работы подсистемы контроля достоверности измерений и в дальнейшем, формируя запрос на информацию к ЭВМ , он либо запрашивает исходные данные, либо скорректированные.

В результате эксплуатации подсистемы контроля достоверности были сделаны следующие выводы. Выяснилось, что при малых значениях расходов потоков газообразного аммиака ( до 20% шкалы прибора) датчики остаются нечувствительными. Использование в этом случае подсистемы контроля достоверности позволяет восстанавливать истинные значения расходов, что, в свою очередь , позволяет уменьшить имеющийся разбаланс по заводу в целом. На основе данных, скорректированных подсистемой контроля достоверности, рассчитывается значение выработки производства аммиачной селитры и ее зависимость от входных нагрузок, что позволяет управляющему персоналу более качественно решать задачу распределения ресурсов по производствам с учетом экологических задач рационального природопользования.

При разработке математического обеспечения систем экомониторинга и автоматизированного управления природо-промышленными комплексами часто приходиться оперировать косвенной информацией о величине переменных состояния объекта, когда истинное значение параметра состояния необходимо восстанавливать с помощью соответствующих вычислительных процедур по результатам измерения других, более доступных для экспериментального анализа параметров состояния.

Характерной особенностью таких систем является влияние каждого управляющего воздействия как на все целевые, так и на все контролируемые переменные объекта. Во многих случаях это существенно осложняет реализацию системы управления, поскольку параметры законов управления по каждому управляющему воздействию должны быть согласованы. Кроме того, наличие внутренних взаимосвязей в объекте может также явиться причиной структурной неустойчивости выбранной системы управления.

Вместе с тем, в условиях действия случайных возмущений и управляющих воздействий не существует однозначной связи между целевыми показателями и контролируемым)! косвенными переменными. Если система управления в этих условиях и стабилизирует косвенные переменные на заданных значениях, то это еще не означает, что этим обеспечивается наилучшая точность управления для целевых показателей. Напротив, лучшая точность управления часто может быть достигнута только при наличии остаточных статических отклонений от заданных значений контролируемых косвенных неременных. По этой причине в системах косвенного управления не всегда целесообразно применять законы управления, включающие интегральные компоненты, обеспечивающие сведение к нулю отклонений контролируемых переменных.

Обратная связь в таких системах управления реализуется в контуре "косвенные переменные - управляющие взаимодействия", а оптимальные значения управляющих воздействий для точного управления целевыми показателями должны формироваться на основе остаточных отклонений значений контролируемых косвенных переменных.

Использование функций чувствительности позволяет провести анализ каналов управления сложными объектами с позиций оценки их стационарных свойств. Это дает возможность оценить статические ошибки регулирования для целевых показателей, а также проверить структурную устойчивость возможных схем управления. Динамические свойства каналов могуг быть приняты во внимание на

следующем этапе построения системы управления при окончательном выборе контуров и используемых в них законов регулирования.

Методика расчета функций чувствительности зависит от имеющейся информации об объекте, которая может быть представлена в виде:

- совокупности экспериментальных данных;

- математических моделей, отображающих свойства объекта.

При наличии матричной модели взаимосвязь переменных исследуемого объекта задается системой уравнений математического описания, которая для детерминированных моделей с сосредоточенными параметрами с учетом стационарности режима может быть представлена в векторной форме как:

Ф(Х, и, Г, г, Р) =0 (8)

Решением уравнений, получаемым с помощью численных (реже аналитических) методов, является система соотношений:

г = Х(Х,и,Р) (9)

Г=У(Х,и,Р) (10)

определяющая значения целевых показателей 7 и собственных переменных состояния У в зависимости от значений внешних переменных X и управляющих воздействий и, а также о г параметров модели Р.

В некоторых случаях, например, при построении моделей в форме уравнений регресси, математическое описание объекта задается априори в виде соотношений (9), (10) и не требует применения специальных методов решения в общем случае нелинейных систем типа (8).

Оценка чувствительности целевых показателей Ъ и переменных состояния У по отношению к величине X и управляющим и воздействиям проводится на основе матричной системы уравнений:

Дг= И^гАХ+Н^А и+ \У1РАР, (11)

А У = IVух А X + ТТЛ,;, А и + IVГР А Р, (12)

где А А У, АХ, А II, ЛР - векторы отклонений значений соответствующих переменных от значений на исследуемом режиме; матрицы чувствительности, полученные на основе (9), (10),

^ Ек Wyr-iL.Wyu.EL.Wyp. Ш

¿К' ¿11' ~ с? ¿X' сЛ гР

аппроксимируют в линейном приближении зависимость целевых Z и собственных У переменных от внешних X и управляющих и переменных, а также от параметров модели Р.

Статические свойства системы управления, построенной на основе косвенного контроля, исследованы на основе функций чувствительности, с помощью которых найдена обобщенная матрица управления, реализация которой в системе управления дает возможность обеспечить в определенном смысле наилучшую точность управления.

После выполнения стандартной процедуры нормализации матриц чувствительности общие выражения для функций чувствительности записываются как

'¿ = 1¥г1*Х+Цга*и+\У1р*Р (13)

У = IV. „ * X + 1Гу1/ * и + \У}р *Р (14)

где все векторы и матрицы имеют безразмерные элементы, а вектор х имеет, кроме того, безразмерные компоненты, являющиеся независимыми случайными величинами с дисперсиями, равными 1, т.е. матрица ковариаций С„ является единичной:

Схх=Е(Х*ХГ) (15)

Для построения обобщенной матрицы управления при этом используются выражения для функций чувствительности, определяемые формулами (10), (11), в которых опущены члены, учитывающие влияние параметров модели:

г=}У2Х*Х+1У2и*и (16)

7= И-'гх*Х+\Ууи*и (17)

Обобщенная матрица управления определяется как матрица преобразования, связывающая значения управляющих воздействий с вариациями контролируемых косвенных переменных соотношением:

и = -Яиу*Г (18)

Подставляя выражение (17) в соотношение (18), можно получить матричное уравнение, связывающее вектор управляющих воздействии I/ с вектором возмущений X:

(1и + * ц-у,) *и = -лиу * * х (19)

где: /и - единичная матрица, имеющая размерность вектора управления. Из уравнения (19) находится вектор управляющих воздействий:

и = -(!„+ * \Ууи) * * * X (20)

Подстановка выражения (19) в формулу (17) позволяет найти остаточную невязку вектора У:

У= *К *\У*Х (21)

Реализация полученных обобщенных матриц дает возможность обеспечить наилучшую точность управления.

В работе приведен анализ структурной устойчивости обобщенной матрицы управления и показана возможность повышения устойчивости системы путем введения дополнительного звена, реализующего функции компенсации обратной связи.

Математическое моделирование элементов природо-промышленных комплексов часто связано с нахождением численного решения различного рода систем нелинейных дифференциальных уравнений. Кроме того, во многих задачах преду-

сматривается включение математических моделей непосредственно в контур управления технологическим процессом. При этом требуется разработать такие вычислительные алгоритмы, реализация которых осуществлялась бы в реальном масштабе времени. Применение традиционных методов, таких как, явные методы типа Адамса или Рунге-Кугта являются не эффективными. Основным затруднением при этом является так называемое явление жесткости, связанное с противоречием точности решаемой задачи и устойчивости численного метода. В связи с этим поставлена и решена задача конструирования эффективных алгоритмов для численного исследования динамических характеристик химико-технологических процессов, описываемых жесткими системами дифференциальных уравнений, а также разработки эффективных программных комплексов для их реализации.

Уравнения в частных производных, описывающие динамику технологических процессов объектов управления,

и, = Ш + С(т,х,и) (22)

где и, = ¿К]I дт ; Ь - дифференциальный оператор по пространственной координате х; г - время, с помощью метода прямых по пространственной координате преобразуется к системе обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) вида:

и' = А(/ + а(г,х,и) , и(0)=и, (23)

где А - постоянная матрица, в которой содержится вся информация о жесткости задачи; С(т,х, Г/) - нелинейная вектор-функция, компоненты

и) , 1 = 1 ,п которой достаточно гладкие функции на множестве

М = 1 хВ , / = 0 < т < +со} ; О - замкнутая область в п - мерном Еквлидовом пространстве.

Численное решение задачи Коши для жестких систем ОДУ вида сформулирована следующим образом:

у», = УУ + (М)С(г„_,+1, ) , (24)

1=0

где Л - матрица линейной однородной формы первого приближения и = Ли, /?,(/!/)) , г = 0, к коэффициенты метода, являющиеся функциями от АЬ, 1]- размер шага; У„_|+1 , - значения решения и и вектор- функции в точках

(г„_„, ,еАН " матричная экспонента.

Предложена методика построения семейства как неявных, так и явных, многошаговых методов решения жестких систем дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами и улучшенными свойствами согласованности и устойчивости. Основой этой методики является использование экспоненциального преобразования с учетом качественного анализа типовых задач, степени их жесткости, а также заданной точности и сложности вычислений. Исследована устойчивость и сходимость предложенных методов. Проведена оценка локальной погрешности дискретизации. Показано, что устойчивость этих методов связана с вычислением матричной экспоненты. Для этого используется эффективный алгоритм, не связанный с использованием разностных схем и поэтому не накладывающий ограничения на шаг интегрирования. Разработан алгоритм переменного шага и переменного порядка на основе этих методов, который обеспечивает расчет ди-

намики и кинетики химико-технологических процессов с заданной точностью при различных степенях жесткости описываемой системы дифференциальных уравнений.

В четвертой главе рассмотрена промышленная реализация системы управления локальным природо-промышленным комплексом "химическое производство - окружающая водная среда"

В качестве управляемого природо-промышленного комплекса рассматривается отделение десорбции и гидролиза производства карбамида с учетом его экологического воздействия на окружающую водную среду. Выбор обусловлен тем, что сточные воды этого производства включают различные формы токсичных загрязнений: реакционную воду, проливы, пропуски, смывы с территории. Работа этого отделения обеспечивает очистку сточных вод производства от остатков исходных продуктов (аммиак, углекислый газ) и продуктов реакции (карбамид, биу-рет). Очистка сточных вод осуществляется за счет подачи пара, поэтому она является весьма энергоемкой, требует больших затрат. Оптимальное ведение процесса очистки позволяет не допустить сверхнормативных выбросов загрязняющих веществ со сточными водами производства при минимальных затратах греющего пара. При этом эффективность работы характеризуется предотвращенным ущербом от воздействия сточных вод на окружающую водную среду.

Использование рассмотренных в главе 1 методов позволяют разработать алгоритмы функционирования консультирующей экспертной системы, которые включают подготовку информации, моделирование, проверку адекватности модели, принятых решений и выдачу рекомендаций по управлению.

Производство карбамида и, в частности его отделение десорбции и гидролиза карбамида представляет собой сложный химико-технологический объект (ХТО), характеризующийся наличием большого количества входных - выходных параметров. Сточные воды производства карбамида образуются в результате химической реакции получения целевого продукта. Данное производство включает следующие основные химико-технологические процессы: теплообмен, массообмен, химические превращения. Большое время пребывания технологических жидкостей в аппаратах (до 1,5 час) сильно усложняет получение достоверной информации об изменениях параметров состояния процессов.

Основная часть сточных вод производства карбамида образуется в узле конденсации соковых паров, выделяющихся при обезвоживании раствора карбамида. Широко распространенная в отечественной промышленности система очистки сточных вод включает гидролиз карбамида и двухступенчатую десорбцию.

Анализ существующей системы автоматического контроля и управления отделением десорбции и гидролиза производства карбамида позволяет установить отсутствие прямого автоматического

измерения основных ключевых параметров - концентрации аммиака и карбамида в сточной воде. Это обусловлено отсутствием автоматических датчиков состава многокомпонентных растворов, каким является сточная вода, а также отсутствием метода автоматического измерения концентрации карбамида в растворе.

Операторам, ведущим технологический процесс, приходится решать плохо определенные задачи, для которых характерно отсутствие четкой внутренней структуры. В ряду обязательных функций ЭС - помощь производственному персоналу при проведении анализа технологической ситуации. С точки зрения экологии, технологическая ситуация оценивается по ущербу, наносимому сточными водами ХТО. Сточные воды ХТО как правило представляют собой смесь веществ различной концентрации и степени вредности. Поэтому для оценки их суммарного влияния необходимо все вещества привести к какой-либо условной величине, пропорциональной их вкладу в общий ущерб.

Наиболее приемлем переход к приведенным массам сбрасываемых веществ, учитывающим их индивидуальную экологическую опасность. Приведенная масса определяется зависимостью: М = т *А, где М - приведенная масса вещества: т -действительная масса вещества; А - коэффициент относительного неблагополучия.

Коэффициент относительного неблагополучия есть величина, обратная предельно допустимой концентрации (ПДК) вещества. Коэффициент имеет размерность: условная концентрация/концентрация. Приведенная масса эквивалентна массе условного вещества с ПДК равным единице. Приведенные массы являются относительными величинами и могут сравниваться между собой. Определяя количество условного вещества в сточной воде можно судить об улучшении или ухудшении качества сточных вод. Условное загрязнение сточных вод определяется как сумма приведенных масс содержащихся в них веществ: М=£т1 -А,

Оперативный расчет текущего и прогнозируемого качества сточных вод позволяет производственному персоналу всесторонне оценить конкретную технологическую ситуацию и принять наиболее рациональное решение по управлению

хто.

Одна из основных функций ЭС, определяющая ее эффективность, является предоставление рекомендаций обслуживающему персоналу по управлению процессом. Широкие возможности ЭС по обоснованию рекомендаций позволяют операторам-технологам глубоко анализировать производственные ситуации и выбирать наиболее оптимальные стратегии управления. Особенно эффективны рекомендации ЭС в ситуациях, когда необходимо анализировать трудно сопоставимые критерии. В данном случае оператору-технологу необходимо сопоставлять критерий производственной эффективности (минимизация расхода пара) и экологический ущерб, наносимой сточными водами предприятия при их недостаточной очистке.

Таким образом, задачу управления отделением десорбции и гидролиза производства карбамида можно сформулировать следующим образом: требуется так воздействовать на технологический процесс (в рамках ограничений на управляющее воздействие), чтобы при любых возмущающих воздействиях состав сточных вод после отделения десорбции и гидролиза находился в допустимых пределах.

Для принятия решений в задачах управления используется нечеткая модель, представляющая собой обобщенный расплывчатый образ, содержащий в неявном виде все желаемые отношения вход (X) - выход (У).

В общем виде функционирование нечеткой системы описывается матрицей отношения Я : X * и * У —>• [0, 1], где X, У - множества входных и выходных переменных соответственно; и - множество управляющих воздействий. Для определения искомых параметров на основании модели И. используется композиционное правило вывода. При задании входных переменных X, характеризующих условия функционирования объекта управления, нечеткая модель Л ('Л', 17, У) представляет собой нечеткий образ К(П, У) желаемого решения в данной производственной ситуации. Если в полученный образ Я(17,У) подставить значение управляющего воздействия ис-17, получим нечеткое подмножество значений у е У.

Для работы ЭС с пользователем реализован пассивный диалог с использованием "меню". При этом пользователь должен отвечать на вопросы системы, обычно выбирая один из предоставляемых системой ответов. Реализованный п системе пассивный диалог имитирует активный диалог с ЭВМ на ограниченном естественном языке. Степень активности пользователя в диалоге с системой зависит от уровня его квалификации.

Формализованное описание объекта внедрения составляет комплекс нечетких отношений, связанных через промежуточные переменные. Сбор информации для идентификации нечетких отношений на объекте проводился в ходе пассивного эксперимента. Он заключался в сборе полной информации о переменных состояния объекта в режиме нормального функционирования. Случайные возмущения, возникающие на объекте, позволили получить информацию для идентификации параметров в широком диапазоне изменений.

Субъективные данные собирались путем опроса квалифицированного технологического персонала: заместителя начальника цеха по технологии, начальников смен, опытных операторов-технологов. Качество идентификации проверялось на контрольном массиве исходных данных.

Консультативные функции ЭС реализуют посредством представления пользователям данных по предполагаемому составу сточных вод после технологических аппаратов и рекомендаций по корректировке управляющих воздействий.

Адекватность применяемых для расчета состава сточных вод нечетких вход-выходных отношений проверялась путем сравнения расчетных данных и данных лабораторных анализов. Средняя относительная погрешность моделирования не превышает 25% . При этом расчетные качественные изменения параметров состояния сточных вод ХТО соответствуют реальным.

Из полученных данных видно, что рекомендуемый режим управления обеспечивает поддержание концентрации карбамида в сточных водах в пределах нормы и сокращает расход острого пара на 10... 15%.

Значительный экономический эффект приносит применение алгоритмов ЭС в составе автоматизированных систем контроля окружающей среды (АСКОС) больших предприятий, включающих цеха с различными технологиями. В этом случае эффективность обеспечивается повышением качества и оперативности диспетчерского управления производством. Главному диспетчеру производства поступает информация о прогнозируемом качестве сточных вод основных технологических производств, а также о долевом вкладе отдельных ингредиентов сточных вод. С учетом информации о качестве сточных вод и свободных мощностях цеха очистки сточных вод, диспетчер принимает решение по регулированию нагрузки отдельных цехов и производства с целью обеспечения эффективности производства и обеспечения его экологической безопасности. Экономический эффект при этом определяется как предотвращенный экологический ущерб. В системе АСКОС Северодонецкого ПО "АЗОТ" доля информационно-консультационной подсистемы "Вода" не менее 25 % от общего сокращения экологического ущерба.

Пятая глава посвящена проблеме промышленной реализации системы управления локальным природо-промышленным комплексом

"Газоперерабатывающий комбинат - окружающая воздушная среда" на примере Астраханского газоперерабатывающего комплекса (АГПК).

Для эффективного управления процессом загрязнения атмосферы проведен анализ процесса как объекта управления, выделены входные и выходные переменные, возмущения. Поскольку сформулированная задача оптимального управления имеет большую размерность и сложную структуру, рассматриваемую систему можно отнести к классу задач оптимизации сложных химико-технологических систем. При разработке автоматизированной системы управления сложными системами широкое применение находят многоуровневые иерархические системы управления. Декомпозиционный подход позволяет преодолеть трудности, связанные с решением сложных задач большой размерности, обеспечить независимость каждой подсистемы, дает возможность организовать обмен информации внутри многоуровневой системы.

Множество различных источников загрязнения воздуха и сложность поля метеорологических условий создают неоднородное загрязнение атмосферы. Ре-

зультаты экспериментальных исследований показывают, что даже на небольших расстояниях между точками контроля концентрации загрязняющих веществ в воздухе, выбрасываемых газоперерабатывающим заводом, могут измениться более чем на порядок. Поэтому при оценке загрязнения воздушной среды большое значение имеет правильный выбор места контроля загрязнения (установки станции контроля) в районе расположения (АГПК).

АГПК добывает и перерабатывает природный газ, содержащий до 25 % сероводорода. К наиболее вредным и экологически опасным выбросам относятся на АГПК относятся Н25,ИОх,СО,802,НпСт,меркаптаны. Среди этих веществ следует выделить сероводород и меркаптаны, которые ядовиты и обладают сильным неприятным запахом, при этом особенно велика чувствительность человека к метилмеркаптану. Оксиды азота и серы являются главной причиной образования вредоносных кислотных дождей и туманов. Монооксид углерода и углеводороды участвуют в различных фотохимических реакциях в атмосфере, нарушая озон-кислородное равновесие и способствуют эффекту потепления атмосферы.

Астраханский газоперерабатывающий завод перерабатывает пластовой газ для получения продуктов: товарного газа, технической серы, сжиженных газов, бензина, дизельного и котельного топлива. Особенностью этого газа является высокое содержание сероводорода и конденсата.

Основными технологическими процессами на газоперерабатывающем комплексе являются: осушка поступающего на завод газа; очистка этого газа от сероводорода, углекислого газа, сероорганических соединений и других примесей; -переработка газа методом конденсации, абсорбции, низкотемпературной ректификации; - переработка газового конденсата.

Возникновение источников загрязнения атмосферы на газоперерабатывающих комплексах может быть вызвано следующими причинами: - несовершенством технологических схем; - конструктивными недостатками технологического оборудования; - нарушением герметичности аппаратуры, трубопроводов, арматуры; -неудовлетворительной работой предохранительных и контрольных клапанов; -работой вытяжной вентиляции при отсутствия очистки вентиляционных выбросов; - сжиганием топливного газа; - отсутствием хорошо оборудованных факельных установок на газоперерабатывающем комплексе; - подготовкой аппаратов к ремонту.

Следовательно, загрязнение атмосферного воздуха происходит при обычной работе газоперерабатывающего комплекса, а также возможны периодические (залповые) газообразные выбросы при аварийных ситуациях, остановке технологического процесса, ремонтных, пуско-наладочных работ и др.

Факторы, определяющие суммарный объем загрязнения атмосферы, можно разделить на две группы, связанные со способом образования примесей. Первая представляет собой поступление загрязняющих веществ из организованных источников промышленного предприятия. Объем и структура выбрасываемых примесей определяется технологическими и технологическими особенностями конкретного источника. Технологические параметры включают в себя такие характеристики как параметры технологического процесса, тип сырья, вид оборудования. К техническим особенностям относятся характеристики очистных сооружений и источника выброса: высота трубы, скорость выброса, температура выходящих газов.

Вторая группа факторов связана с фоновым загрязнением. Величина фона определяется выбросом неорганизованных источников и автотранспортом.

Выбросы загрязняющих веществ предприятия и фоновое загрязнение определяют зону накопления примесей, в которой концентрация вредных веществ может превышать предельно-допустимый уровень загрязнения. Образование таких

зон связано с влиянием метеорологических факторов, а также расположением источников загрязнения в рассматриваемом регионе и рельефом местности.

Эколого-экономическую систему предлагается представить в виде совокупности трех отдельных подсистем процесса загрязнения воздушной среды в районе расположения производственного комплекса:

1) производственная подсистема (АГПК) - источника выброса;

2) подсистема сбора и накопления информации о загрязнении воздушной среды - станции контроля уровня загрязнения;

3) подсистема переноса, связывающая подсистемы производственного комплекса и сбора и накопления информации о загрязнении.

Общая структурная схема природо-промышленной системы АГПК, отражающая взаимосвязь между отдельными ее элементами, приведена на рис. 4.

На схеме выделены основные группы переменных, определяющих течение процесса загрязнения атмосферы и характеризующих его состояние в любой момент времени. К ним относятся: - входные переменные Хо (')(]=1 ,...,шо) - в данном случае это интенсивность расхода сырья и материалов (т - размерность вектора входных переменных); - управляющие воздействия: и* (к=1,...,тк ) - это изменение параметров технологического процесса, снижение выпуска продукции, изменение мощности очистных сооружений, запрет на залповые выбросы завода (тк - размерность вектора управляющих воздействий); V - частота опроса станций контроля загрязнения атмосферы; - внутренние возмущения 2 (поломки оборудования, приводящие к залповым и другим дополнительным выбросам); -внешние возмущения О) - действие метеорологических условий на загрязнение атмосферы (скорость и направление ветра, стратификация атмосферы, влажность воздуха и т.п.); - выходные переменные:

У''' (1 = I,... ,т) - вектор характеристик производимой продукции;

У/'1 а = 1, ... ,т¡) - вектор объемов выбросов вредных веществ;

У3 (¡ = 1, ... ,т3) - концентрации вредных веществ в атмосфере, которые характеризуют состояние эколого-экономической системы, возникшее в результате суммарного воздействия входных переменных, возмущений и управляющего воздействия; т. т/, т3 - размерность векторов; Х,<° = У/°. X= У/'л Х}<" =У}'° - равенства, отражающие связь подсистем.

Факторы, влияющие на концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере: - объемы выбросов вредных токсичных веществ; - фоновое загрязнение воздушной среды; - условия рассеивания загрязнений (метеоусловия, рельеф, условия застройки местности).

Для большинства факторов, за исключением рельефа и условий застройки, характерна высокая динамика изменения. Это в первую очередь касается метеоусловий.

Анализ процесса загрязнения атмосферы выбросами газоперерабатывающего комплекса показал, что критерием оптимальности экологического состояния воздушной среды может служить концентрация вредных веществ в ней.

На первом уровне автоматизированной системы экологического мониторинга окружающей среды осуществляется измерение концентраций отдельных вредных веществ в воздухе и метеопараметров (скорости и направления ветра, температуры и влажности воздуха), предварительная обработка данных и передача их на второй уровень.

X«

Производственная подсистема

у« У,«

У <"!

: Подсистема У (|> \

сбора и

Подсистема ГТГТГ! переноса ; | накопления загрязняющих ; I информации веществ :0 загрязнении

воздуха

ик

Структурная схема природо-промышленной системы АГПК

ПП

Р1

X <'>

Р2

V,«

и

Структурная схема производственной системы (ПП) Рис. 4

На втором уровне осуществляется централизованный сбор данных от всех станций контроля, обработка и анализ поступающей информации, прогнозирование уровней загрязнения воздуха, взаимодействие с другими звеньями природоохранительной системы и определяются возможные воздействия на технологический процесс.

Важной задачей, определяющей эффективность экологической системы мониторинга загрязнения атмосферы, является определение оптимальной пространственной структуры системы. Решение этой задачи заключается в разработке алгоритма размещения станций контроля на контролируемой территории и определения их количества, необходимого для обеспечения достоверной информации о загрязнении воздушной среды.

Процесс загрязнения атмосферы Астраханским газоперерабатывающим заводом представляет собой сложную систему, которая состоит из N источников выбросов вредных токсичных веществ (сероводорода, окислов азота, диоксида серы, углеводородов, меркаптанов). Каждый ¡-ый источник характеризуется вектором входных координат Х1=(хП,...,х1к), выходных У1=(уП,...,уИ) и управляющих координат 1Л=(иП,...,шт). Эффективность функционирования ¡-ой подсистемы оценивается с помощью критерия оптимальности р1(Х1,1Л,У1). Векторы переменных связаны между собой при помощи уравнений связи Yi=g(Xi,U¡), ¡=1.....N и

соотношений вида Ы(Х1,1Л,У1)>0, отражающих ограничения, наложенные на диапазоны изменения переменных для каждого источника выброса; П - внешние возмущения (действие метеоусловий).

Структура связей для подсистем процесса загрязнения атмосферы описывается при помощи матриц смежности [С^], состоящих из нулей и единиц и отражающих связи между входами и выходами подсистем.

Задача оптимального управления подобной системы имеет вид:

N

ттХ^^ЗД.У;.)

1 = 1

и,)>о

м

Приведенная задача представляет собой задачу оптимального управления сложной системой, состоящей из N источников выбросов. Блок-схема алгоритма решения задачи (25) представлена на рис. 5. Применяемый для решения поставленной задачи вычислительный алгоритм имеет определенные преимущества:

1. Позволяет охватывать все виды источников. Наличие мощных источников загрязнений может привести к тому, что во многих позициях контроля будут просматриваться их влияние, т.е. в строке матрицы ущербов, соответствующей такому источнику, во многих столбцах будут накапливаться элементы, значительно превышающие по величине элементы этих же столбцов в других строках, соответствующие менее мощным источникам. Если бы выбор точек расположения станций контроля производился по величине суммарных ущербов (по всем источникам) в нисходящем порядке, то влияние мощного источника привело бы к тому, что многие станции контроля группировались вокруг этого источника, а менее мощные источники, оказались бы неконтролируемыми.

1=1,...,Ы (25)

Рис. 5

Структурная схема алгоритма оптимизации станций контроля

,;:Метеокампле1сс "

N0, N0«

со

ЙЬздухозабор И" ГпробоподготЪвка'

кондиционирование | 1 воздуха .......:

Н,5

N11,

БО,

на, а

СаНт

АРМ оператора-лаборанта

Управление ГА

Авария

т

Система жизнеобеспечения Блок

аварийной сигнализации

Рис.6. Автоматическая станция мониторинга атмосферного воздуха.

передачи

А А данных

Радиомодем Радиомодем

--------- ------------- --------- -----------

Станция мониторинга №1 Станция мониторинга №15

Информационно-измерительная подсистема

Рис. 7 Техническая реализация системы управления процессом за!рязиения

2. С вычислительной точки зрения процедура работает достаточно быстро, используя лишь операции сложения, вычитания и сравнения. Количество операций на каждом шаге минимально, что обеспечивает возможность учета большого числа источников.

3. Характер процедуры не зависит от физического смысла величины, выбранной в качестве критерия для получения расстановки станций контроля. Вместо величины ущербов в матрице могут быть использованы любые другие величины, например, концентрации загрязнений.

Предложенный вариант технической реализации автоматизированной системы экологического мониторинга и управления загрязнением воздушной среды предусматривает реализацию функции подсистемы верхнего уровня реализованы на персональном компьютере IBM PC, на нижнем уровне системы располагаются датчики производства фирмы MBL Environmental System для контроля концентраций сероводорода, окислов азота, оксида углерода, углеводородов и диоксида серы (рис. 6). Для определения меркаптанов предлагается использовать портативный анализатор запахов Odor Monitor. Связь между подсистемами верхнего и нижнего уровня осуществляется по каналам радиосвязи (см. рис. 7).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных автором исследований по разработке принципов автоматизированного управления природо-промышленными комплексами "Химическое производство - окружающая среда" в диссертации изложены обоснованные технические, технологические и экономические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области создания автоматизированных систем управления природо-промышленными комплексами "химическое производство - окружающая среда".

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны основные принципы и стратегия комплексной автоматизации контроля и управления локальными природо-промышленными комплексами тина "химическое производство - окружающая среда" с учетом взаимосвязи технико-экономических экологических факторов. Основополагающими принципами являются: принцип системности, объединяющий глобальную цели управления; принцип иерархичности; принцип совместимости технического обеспечения на различных уровнях иерархии природо- промышленной системы; принцип единства технологической и экологической информации; принцип повышения роли экологической и производственной ответственности лица, принимающего решение, снизу вверх; принцип функционирования интегрированной системы управления природо-промышленным комплексом как кибернетической системы со свойствами самоорганизации.

2. Стратегия управления природо-промышленными комплексом строится на основе симбиоза двух подходов: технологического, предусматривающего вмешательство в ход производственного процесса, и кибернетического, предусматривающего управление эмиссионной активности основных источников загрязнений путем совокупности организационно-технических мероприятий. При этом АСУ природо-промышленным комплексом должка содержать два контура управления ( внутренний и внешний ), а структура АСУ должна быть двухуровневой иерархической с возможностью реализации управления на основе теории игр с непротивоположными интересами.

3. Сформулирован подход к управлению природо-промышленными комплексами на базе применения интеллектуальных систем, основанных на знаниях, и по-

строена проблемно-ориентированная экспертная система для прогноза состояния и принятия решений по управлению природо-промышленным объектом " химическое производство - окружающая водная Среда".

4. Решены методические вопросы определения места и роли современного экологического мониторинга в системах автоматизированного управления локальными природо-промышленными комплексами. В рамках системы экомопито-ринга предложена классификация и систематизация качественных и количественных форм описания распространения загрязнений в трех основных видах природных подсистем: тропосфере, гидросфере и педосфере.

5. На основе развитых принципов организации экологического мониторинга в системах автоматизированного управления локальными природо-промышленными комплексами и проведено моделирование и выполнен расчет процессов распространения загрязнения воздуха выбросами газоперерабатывающего завода с учетом влияния метеорологических факторов.

6. Решен ряд конкретных задач по совершенствованию математического обеспечения и программно-алгоритмической реализации систем экомониторинга и автоматизированного управления природо-промышленными комплексами: а) оценка надежности и повышение достоверности измерительной информации в системах экомониторинга и АСУ природо-промышленными комплексами ; б) построение алгоритмов управления природо-промышленными комплексами на основе функций чувствительности и косвенной оценки переменных состояния объекта; в) разработка методов решения жестких систем дифференциальных уравнений при численном моделировании управляемых объектов природо-промышленных комплексов.

7. Реализована система автоматизированного управления локальным природо-промышленным комплексом типа " химическое производство - окружающая водная среда " на базе консультативной экспертной системы, построенной с помощью математического аппарата теории нечетких множеств. Разработаны функциональное, информационное, математическое и программное обеспечение экспертной системы. Корректность предложенного подхода проверена на модельных примерах и подтверждена экспериментально при обработке реальных данных функционирования локального природо-промышленного комплекса " отделения десорбции и гидролиза в производстве карбамида - сточные воды".

8. Предложен вариант технической реализации автоматизированной системы экологического мониторинга и управления загрязнением воздушной среды в рамках локального природо-промышленного комплекса "Астраханский газоперерабатывающий комбинат - окружающая воздушная среда". Функции подсистемы верхнего уровня реализованы на персональном компьютере IBM PC, на нижнем уровне системы располагаются датчики производства фирмы MBL Environmental System

Основные результаты диссертационной работы изложены в 51 публикации.

главными из которых являются следующие:

1. Ипатов Е.Г., Смирнов В.IL Технология разработки и внедрение систем управления //Приборы и системы управления - 1993.- №11.

2. Дорохов И.Н., Комиссаров Ю.Л., Смирнов В.Н. Интеллектуальная система принятия решений при моделировании и эколого-экономической оптимизации промышленных производств/В сб. Вестник РАДСИ,- 1997,- М.

3. Смирнов В.IL, Дорохов И.II. Принципы и стратегия построения и функционирования автоматизированных систем управления локальными природо-промышленными комплексами/Там же.

4. Смирнов В.H., Дорохов И.H. Техническая реализация системы экологического мониторинга в районе крупного газоперерабатывающего комплекса/Там же.

5. Смирнов B.II., Дорохов И.Н. Оптимальное размещение станций контроля загрязнений воздушной среды в районе крупного газоперерабатывающего комплекса/Там же.

6. Смирнов В.Н., Дорохов И.Н. Автоматизированная система контроля и управления локальным природо-промышленным комплексом/Там же.

7. Бояринова H.A., Смирнов В.Н., Софиев А.Э., Соболев О.С. Косвенный контроль стационарных режимов в объектах с распределенными параметрами /В сб. Математическое моделирование объектов управления.- 1991 г. С. 24-31.

8. Бояринова H.A., Смирнов В.Н., Софиев А.Э., Соболев О.С. Выбор оптимальной конфигурации косвенных измерений для объектов с распределенными параметрами / АСУ ТП в химии, энергетике, металлургии: Тез. докл. Всес. конф.-1991.-М.

9. Смирнов В.Н. Об автоматизированном проектировании АСУ /Математическое моделирование сплошных химико-технологических систем: Тез. докл. Всес. конф.- 1982,- М.

Ю.Смирнов В.Н. Опыт разработки и внедрения автоматизированных систем управления в химии, энергетике, металлургии // Приборы и системы управления.- 1982.-№ 1.

П.Смирнов В.Н. Состояния и основные направления развития кибернетических систем/ Методы кибернетики химико-технологических процессов: Тез. докл. Всес. конф,- 1984.-M.

12.Смирнов В.Н. Технологии экономического сотрудничества с иностранными фирмами в переходный период// Приборы и системы управления.- 1993.- № 7.-С.5-9.

13.Бабаев Ш.Б., Смирнов В.Н. Математическое моделирование сушки термочувствительных элементов/ Автоматизация и роботизация в химической промышленности: Тез. докл. П Всес. конф,- 1988.- Тамбов.- С.23-24.

Н.Мирная Т.Г., Смирнов В.Н. Вопросы контроля достоверности измеряемых величин/ АСУ ТП в энергетике, химии и металлургии: Тез. докл. Всес. копф.-1987,- М,-С. 18-19

15.Смирнов В.Н. Современное состояние и основные направления развития АСУ ТП //Атомная Энергия,- 1981.- № 4,- С. 14-16.

lö.Smirnov V.N. Matheraatiche Modell von in Block mit dem Turborats arbeitenden Dampferzengein. "Archiv far Energiewirtschaft - 1976.- № 3,- C.240-249.

17.Бабаев Ш.Б., Смирнов В.Н. Исследование динамики технологических процессов путем математического моделирования/ Новейшие исследования в области теплофизических свойств: Тез. докл. Всес. конф.- 1988,- Тамбов.- С.12-14.

18.Печковский А.Г., Смирнов В.Н. Использование математических моделей агрегата внепечной обработки стали для управления/АСУ ТП в энергетике, химии и металлургии: Тез, докл. Всес. конф,- 1987.- М - С.27-29.

19.Рущинский И.М., Френкель А.Я., Смирнов В.Н. Способ регулирования прямоточного котла/ Авторское свидетельство №210870.

20.Давиденко К.Я., Смирнов В.Н. Типизация Алгоритмического обеспечения АСУ ТП// Вопросы промышленной кибернетики.- 1978.- Вып. 57.- С.18-20.

21.Смирнов В.Н. Модульная система программного обеспечения АСУ ТП/ Сб. Проблемы программного обеспечения АСУ ТП.- 1979,- Ч. 1.- С.32-35.

у'

У Президиум ВАК Рос си-,

I (решение от " " Об 1эМ г.,

¡¡i -дтрксудил ученую степень ДОКТОРА jj

I _тлQG-Uiрое_____ паук!?

I Начальник управления ВАК Росс: к 1;

Л

"V / , у™

л / „/ (р

РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

На правах рукописи

СМИРНОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДО-ПРОМЫШЛЕННЫМИ КОМПЛЕКСАМИ "ХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА"

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты:

академик Российской академии диалектико-системных исследований, проф.Дорохов И.Н.

академик Российской академии диалектико-системных исследований, проф.Володин В.М.

МОСКВА, 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................6

Глава 1. ПРИНЦИПЫ И СТРАТЕГИЯ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫМИ ПРИРОДО-ПРОМЫШЛЕННЫМИ КОМПЛЕКСАМИ...........................17

1.1. Принципы разработки интегрированных автоматизированных систем управления природо-промышленными объектами.........................17

1.2. Стратегия создания управляемых природо-промышленных комплексов.........................................22

1.3. Подход к управлению природо-промышленным комплексом на основе интеллектуальных систем, основанных на знаниях...........................................................................36

1.4. Построение проблемно-ориентированной экспертной системы для прогноза состояния и принятия решений по управлению природо-промышленным

объектом........................................................................40

1.5. Выводы по главе............................................................55

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ЭЛЕМЕНТОВ ПРИРОДО-ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ.....................................................................59

2.1. Экологический мониторинг и его роль в системах автоматизированного управления природо-промышленными комплексами.....................59

2.2. Качественный анализ элементов природных подсистем и общий подход к их

количественному описанию .........................................65

2.3. Математическое моделирование распространение примесей в водных средах................85

2.3.1. Диффузионные модели

распространения примесей в водных

объектах................................................................86

2.3.2. Статистические модели распространения примесей в водных

объектах................................................................91

2.3.3. Имитационное моделирование формирования качества сточных вод..................93

2.4. Построение математической модели распространения загрязнения атмосферы выбросами газоперерабатывающего

комплекса.......................................................................102

2.4.1. Влияние метрологических факторов на распространение загрязняющих

веществ.................................................................104

2.4.2. Этапы построения модели загрязнения воздушного бассейна ..........................................108

2.4.3. Комплексная математическая модель распространения вредных токсичных

веществ в воздушной среде..................................109

2.5. Алгоритм расчета по комплексной математической модели распространения

вредных веществ в воздушной среде.............................116

2.5.1. Алгоритм расчета по эмпирической составляющей комплексной модели....................116

2.5.2. Алгоритм расчета по диффузионной составляющей комплексной модели....................129

2.5.3. Алгоритм расчета по статистической составляющей комплексной модели....................136

2.5.4. Качественные выводы по результатам

расчета..................................................................145

2.6. Выводы по главе............................................................148

Глава 3. ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ

МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ ЭКОМОНИТОРИНГА И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИРО ДО-ПРОМЫШЛЕННЫМИ

КОМПЛЕКСАМИ.................................................................151

3.1. Оценка надежности и повышение

достоверности измерительной информации в системах эко мониторинга и автоматизированного управления природо-промышленными комплексами....................................151

3.1.1. Анализ существующих методов контроля достоверности измерительной информации, использующих информационную избыточность.......................................................154

3.1.2. Постановка задачи обнаружения недостоверных измерений и их

последующей коррекции......................................163

3.1.3. Алгоритм обнаружения недостоверно измеренных величин и их коррекции на

основе метода ветвей и границ............................170

3.2. Алгоритм управления природо-промышленными комплексами на основе функций чувствительности и косвенной

оценки переменных состояния объекта........................204

3.2.1. Функции чувствительности исследуемых объектов и методы их

получения ............................................................206

3.2.2. Построение обобщенной матрицы

косвенного управления........................................217

3.2.3. Структурная устойчивость системы косвенного управления........................................222

3.3. Метод решения жестких систем дифференциальных уравнений при численном моделировании управляемых объектов природо-промышленного

комплекса.......................................................................227

3.3.1. Многошаговый метод с переменными

коэффициентами численного интегрирования систем дифференциальных уравнений с распределенными параметрами..........................231

3.3.2. А-устойчивость и вычисление

матричной экспоненты........................................238

3.3.3. Способ реализации предложенных методов. Итерационные численные процедуры............................................................241

3.4. Выводы по главе............................................................244

Глава 4. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫМ ПРИРОДО-ПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ "ХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО -ОКРУЖАЮЩАЯ ВОДНАЯ СРЕДА" НА БАЗЕ КОНСУЛЬТАТИВНОЙ ЭКСПЕРТНОЙ

СИСТЕМЫ............................................................................250

4.1. Технологическая характеристика производственной подсистемы управляемого природо-промышленного комплекса...........................251

4.2. Идентификация параметров состояния сточных вод и принятие решений по управлению природо-промышленным

комплексом....................................................................261

4.3. Промышленная реализация алгоритма принятия решений с помощью консультирующей экспертной системы для управления объектом....................................................269

4.4. Выводы по главе............................................................284

Глава 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫМ ПРИРОДО-ПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ "ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИЙ КОМБИНАТ -ОКРУЖАЮЩАЯ ВОЗДУШНАЯ СРЕДА"............................285

5.1. Эколого-технологическая характеристика Астраханского газоперерабатывающего

комплекса.......................................................................286

5.2. Описание процесса загрязнения атмосферы в районе газоперерабатывающего комплекса

как объекта управления................................................291

5.3. Структура автоматизированной системы экологического мониторинга и управления качеством окружающей среды......................................302

5.4. Решение задачи управления процессом загрязнения атмосферы методом явной декомпозиции................................................................308

5.5. Оптимальное размещение станций контроля загрязнений....................................................................312

5.6. Техническая реализация системы

экологического мониторинга.......................................324

5.7. Выводы по главе............................................................347

ВЫВОДЫ..............................................................................................348

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................351

ВВЕДЕНИЕ

Проблемы развития современного производства тесным образом связаны с рациональным использованием природных ресурсов и охраной окружающей среды от загрязнения. Охрана окружающей природной среды и рациональное использование природных ресурсов - одна из наиболее актуальных проблем современности, правильное и масштабное решение которой в значительной степени определяет улучшение условий жизни настоящего и будущих поколений, поступательное и экологическое безвредное развитие всех отраслей народного хозяйства.

Согласно [1], "технология - это совокупность приемов и способов получения, обработки и переработки сырья, материалов, полуфабрикатов или изделий, осуществляемых в различных отраслях промышленности, строительстве и т.д." Такое определение дает представление о технологии производства в узком смысле, без учета влияния и последствий деятельности человека на природную среду.

Развивая понятие "технология производства", представляется возможным определить понятие "технология производства и природопользования" как взаимосвязанную совокупность приемов и способов извлечения и использования природных ресурсов, совокупность способов обработки сырья, материалов, полуфабрикатов или изделий, способов утилизации отходов производства и (или) их обезвреживания перед отведением в окружающую среду, способов освоения и преобразования природных объектов. Такая технология может быть названа "экологически обусловленной технологией" или "экотехнологией".

Рациональная стратегия природопользования должна быть реализована на основе комплексного подхода. Главные на-

правления в достижении стратегических целей охраны природы и рационального использования природных ресурсов неоднократно обсуждались в литературе [2 - 11]. Концентрируя основное внимание на технологических и близких к ним проблемах комплексного функционирования производства и природопользования, можно указать на три основных направления развития техники и технологии производства и природопользования. Эти направления могут быть проиллюстрированы схемой взаимосвязей в системе производство - природопользование (рис.В-1) и представлены в виде следующих трех блоков.

Блок 1. "Производство и потребление". Для этого блока характерны целенаправленное изменение структуры потребления, темпов развития производительных сил в увязке с их размещением; развитие эффективных в экономическом и экологическом отношениях технологий производства, основанных на принципах малоотход-ности и безотходности, малого потребления дефицитных природных ресурсов, малого количества отводимых отходов, вредных для окружающей среды.

Блок 2 . " Обработка и утилизация отходов". Для этого блока характерно создание эффективных технологий обработки и обезвреживания отходов с целью возможности их безопасного отведения в природную среду и дальнейшей их утилизации. Последнее направление является главным для создания замкнутых циклов на уровне отдельных предприятий и комплексов (промузлов, территориально-производственных комплексов и т.д.).

Блок 3. "Природный объект". Для этого блока характерно целенаправленное изменение структуры и свойств природного объекта для сохранения и улучшения ресурсного потенциала, повышения его устойчивости к антропогенному воздействию в комбцна-

Сфера производства

Блок 1 "Производство и потребление"

4

Сфера у потребления

Блок 2. "Обработка и утилизация отходов"

Блок 3 "Природный объект"

I I

. I

7

5

___Л

> 6

I/

Рис В.1. Схема взаимосвязей всистеме производство-природопользование • природные ресурсы; 2- вторичные ресурсы; 3- продукция и услуги; 4 - отходы; 5- обработанные отходы, поступающие в окружающую среду; 6- использование природных объектов без изъятия ресурсов

ции с реализацией рационального регулирования режимов изъятия природных ресурсов и режимов отведения отходов.

Рассматривая перечисленные выше направления стратегии природопользования можно сформулировать концепцию о том: что при реализации стратегии взаимосвязанного управления по трем перечисленным выше направлениям (блокам) цели производства и природопользования достигаются более эффективно (по любому выбранному критерию оптимальности) по сравнению с ограниченной стратегией и изолированным управлением производством. В настоящее время разработка программ, проектов и планов развития производства и природопользования осуществляется чаще всего изолированно.

Концепция взаимосвязанного и согласованного развития указанных выше трех сфер в противовес имеющему место изолированному подходу является фундаментом для успешного достижения целей рационального промышленного производства и охраны природной среды. Действительно, совокупность целей развития народного хозяйства включает задачи, определяемые потребностью общества в результатах производства, и задачи охраны природной среды, рационального использования природных ресурсов. Эффективная стратегия достижения таких целей - взаимосвязанное развитие техники и технологии производства и природопользования. Отсюда вытекает необходимость реализации концепции взаимосвязанного оптимального управления развитием техники и технологии производства и природопользования, заключающейся в обеспечении планомерного достижения заданных целей наилучшим способом в смысле заданного критерия оптимальности. Практическая реализация данной концепции позволит достичь заданные цели наилучшим

способом по сравнению с имеющим место изолированным подходом.

Концепция интегрированной системы управления промышленным производством и природопользованием должна опираться на интегрированный критерий оптимальности функционирования природо-промышленной системы. Такой критерий оптимальности должен опираться на совокупный эколого-экономический эффект, который естественно определить как алгебраическую сумму двух различных по формам проявления эффектов, достигаемых посредством производственно-хозяйственной деятельности человека -экономического и экологического результата взаимодействия производства и окружающей среды: Эээ = Ээкн + Ээкл, где Эээ - эколого-экономический эффект, руб.; Ээкн - экономический эффект, руб.; Ээкл - экологический эффект, руб. Совокупный эколого-экономический эффект, содержащий в себе два вида экономического эффекта является тем универсальным показателем, который характеризует итог функционирования производства с двух сторон - экономики и экологии. Удовлетворяя требованиям экономики и экологии, данный критерий полностью согласуется с критерием народнохозяйственной эффективности. Он может быть выражен либо как максимизация эколого-экономического эффекта, либо как минимизация приведенных эколого-экономических затрат.

Важной концепцией, определяющей пути согласованного развития производства и природопользования, является концепция интегрированных систем природопользования, ориентированных на обработку твердых, жидких и газообразных отходов (ТЖГ-отходов).

Структурно-функциональная схема локальной интегрированной системы природопользования показана на рис.В-2 . Как видно, структура природных ресурсов, потребляемых

л

Тропосфера

Сырьевые

Трудовые

Климатические

Лесные

Водные

Земельные

Промышленное производство

Промышленная продукция

Отходы производства

Утилизируемые

г ж т

Рекуперация

Загрязняющие отходы

Производство других отраслей

» Педосфера

ж Гидросфера

Рис. В.2 Структурно - функциональная схема локальной природо-промышленной системы.

промышленным производством, распределение продукции производства, воздействия загрязнений на компоненты природной среды, средозащитные мероприятия рассматриваются в комплексе в рамках интегрированной природо-промышленной системы.

Интеграция систем управления производством и природопользованием с применением современных средств вычислительной техники должна осуществляться по "горизонтали" и "вертикали". "Горизонтальная" интеграция предусматривает комплексное решение

проблем производства и природопользования в рамках долгосрочных программ, планов, а также в рамках проектов сооружений и технологических комплексов. Этот вид интеграции принадлежит сфере управления развитием.

Второй вид интеграции - интеграция "по вертикали" предусматривает единство методического, информационного, математического и других видов обеспечения для блоков долгосрочного (перспективного) и оперативного управления. Если для сферы производства идеи интеграции находят практическое воплощение, то в сфере природопользования это направление является проблемным, поскольку, в частности, системы текущего (оперативного) управления развиты недостаточно.

Таким образом, концепция согласованного, взаимосвязанного развития подсистем производства и потребления, обработки и утилизации отходов, природно-технических систем, концепция интегрированных систем обработки и утилизации ТЖГ- отходов являются основой для перехода на качественно новый уровень техногенного развития.

Успешное решение проблемы оптимизации производства и природопользования связано с развитием двух направлений: вне-

дрением новых эффективных технологий и созданием более совершенных систем управления.

Первое направление предусматривает комплексную разработку новых технологий и производств на следующих уровнях: микроуровне, где осуществляются анализ и синтез различных процессов, например физико-химических, биохимически�