автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Алгоритмическое обеспечение систем поддержки принятия решения по выбору наилучшей доступной технологии в химическом производстве

Тишаева Ирина Романовна

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ПО ВЫБОРУ НАИЛУЧШЕЙ ДОСТУПНОЙ ТЕХНОЛОГИИ В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

005557078

Работа выполнена в Московском государственном университете тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова (МИТХТ) на кафедре "Информационных технологий".

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Панова Светлана Анатольевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Краснов Андрей Евгеньевич, заведующий кафедрой Информационных технологий ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского»

доктор технических наук, Лукьянов Олег Викторович исполнительный директор Научно-производственной фирмы «ДИЭМ»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тамбовский

государственный технический университет»

Защита состоится " 16 " "декабря" 2014 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.120.08 в Московском государственном университете тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова (119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86). Автореферат диссертации размещен на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru

Реферат разослан "14 " "ноября" 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Колыбанов К.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Переход российского производства химической продукции на наилучшие доступные технологии (НДТ) и выдача предприятиям комплексных природоохранных разрешений только в случае подтверждения использования технологии, идентифицированной как наилучшая доступная технология, окончательно определены Федеральным законом от 21.07. 2014 № 219-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон "Об охране окружающей среды".

НДТ - это наилучшая доступная технология - технология производства продукции (товаров), выполнения работ, оказания услуг, определяемая на основе современных достижений науки и техники и наилучшего сочетания критериев достижения целей охраны окружающей среды при условии наличия технической возможности и экономической целесообразности ее применения.

Актуальность внедрения наилучшей доступной технологии на российских предприятиях, основой производства которых являются химические технологии, определяется существенным вкладом этих производств в общее количество промышленных отходов, и большим разнообразием поступающих в окружающую среду загрязняющих веществ.

Согласно Федеральному закону № 219-ФЗ все объекты, оказывающие воздействие на окружающую среду, делятся на четыре категории. Практически все крупные химические предприятия попадают в первую категорию и обязаны получить комплексное экологическое разрешение, основным условием выдачи которого является подтверждение внедрения на предприятии наилучшей доступной технологии. При этом предлагается использовать опыт Евросоюза, где подобная практика существует с 1996 г., а комплексные экологические разрешения являются одним из ключевых инструментов сокращения негативного воздействия промышленности на окружающую среду, содействия соблюдению промышленными предприятиями природоохранных требований и поощрения технологических инноваций и выдаются только в том случае, если технология, используемая на предприятии, является наилучшей доступной технологией.

В Европейском союзе действуют 33 справочника ЕС по наилучшим доступным технологиям для различных отраслей промышленности, учитывающие все технологические переделы и аппаратурное оснащение процессов с учетом экологических воздействий и экономических затрат. Однако прямое использование европейских справочников по наилучшим доступным технологиям при производстве продукции на российских химических предприятиях является вряд ли возможным ввиду имеющихся отличий, в том числе различающихся спецификаций всех видов ресурсов, особенностей сырья, доступности различных видов энергии, природных условий, экологических характеристик территорий и технологической культуры производства.

В связи с этим представляется необходимым разработка научно-обоснованного методического и алгоритмического обеспечения перехода российского химического производства на наилучшие доступные технологии и решение задачи выбора наилучшей доступной технологии для каждого химического предприятия с учетом ее технологической реализуемости, экологической безопасности и экономической целесообразности.

При этом использование системного подхода и возможностей информационных технологий является необходимым условием решения этой проблемы ввиду ее сложности и многоаспектности.

Значительный вклад в развитие системного анализа и теории принятия решений внесли Е.С. Вентцель, В.Н. Волкова, Ю.И. Дегтярев, A.A. Емельянов, A.A. Денисов, A.B. Костров, А.Е.Краснов, О.И. Ларичев, С.Оптнер, Ф.И. Перегудов, В.В. Подиновский, Д.А. Поспелов, Т. Саати, Ф.Е. Темников. Ч. Хитч. Применение системного подхода к созданию информационных систем управления предприятиями химического профиля было развито в работах JI.A. Бахвалова, JI.C. Гордеева, И.Н. Дорохова,

A.Ф. Егорова, В.В. Кафарова, В.Ф. Корнюшко, P.E. Кузина, О.В.Лукьянова,

B.П. Мешалкина, A.B. Нетушила, A.A. Петрулевича, Т.В. Савицкой, П.Д. Саркисова, А.И. Соболева, В.В. Шаталова, Г.А. Ярыгина.

Исследованию системных закономерностей функционирования и разработке технологий производства крупнотоннажных химических

продуктов посвящены работы JI.A. Серафимова, B.C. Тимофеева, О.Н. Темкина, Г.К. Шестакова, М.Р. Флида, Ю.А. Трегера. Проблемы устойчивого эффективного и экологически безопасного развития промышленного производства рассмотрены в работах О.Ф. Балацкого, С.Н. Бобылева, Э.В. Гирусова, Т.В.Гусевой, С.М. Сухоруковой, Н.П. Федоренко и др.

Цель работы - формирование алгоритмической поддержки системы принятия управленческих решений по использованию наилучших доступных технологий на химических предприятиях.

Объект исследования - наилучшие доступные технологии производства химической продукции как технико-эколого-экономическая система.

Предмет исследования - применение методов системного анализа и информационных технологий для решения задачи перехода химического производства на наилучшие доступные технологии.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются и исследуются следующие задачи:

> системный анализ перехода химического производства на наилучшие доступные технологии как основы обеспечения его технической модернизации, экологической безопасности и экономической эффективности в их системной сопряженности;

> разработка алгоритма и функциональное моделирование процесса выбора технологии в качестве наилучшей доступной;

> анализ методов многокритериальной оптимизации для выделения группы методов решения задачи выбора наилучшей доступной технологии;

> выбор наилучшей доступной технологии производства крупнотоннажного химического продукта - винилхлорида на основе предложенных алгоритмов.

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

> проведен системный анализ перехода производства химической продукции на наилучшие доступные технологии и предложена системная модель наилучшей доступной технологии, построенная с использованием

математического аппарата теории множеств и позволяющая единообразно ставить и решать задачу выбора наилучшей доступной химической технологии;

> разработано алгоритмическое обеспечение принятия решений по выбору технологии производства химических продуктов как наилучшей доступной, дающее возможность учитывать многокритериальность и неопределенность задачи, а также позволяющее осуществлять выбор решений из множества вариантов по критериям, имеющим разные типы шкал измерения;

> формализована задача и разработан алгоритм формирования оптимальных по Эджворту-Парето вариантов технологий производства химических продуктов, среди которых выбирается наилучшая доступная технология;

> построены функциональные модели перехода производства химической продукции на наилучшие доступные технологии с использованием методологии функционального моделирования SADT (Structured Analysis and Design Technique), позволяющие разработать алгоритм формирования множества вариантов производства химических продуктов;

> разработан алгоритм определения относительной важности критериев в задаче выбора наилучшей доступной технологии путем разбиения изначально неоднородных технологических, экологических и экономических критериев на кластеры и последующего решения задачи в несколько этапов на основе метода анализа иерархий и теории нечетких множеств.

Основными практическими результатами являются:

> выбрана наилучшая доступная технология производства крупнотоннажного химического продукта — винилхлорида с использованием разработанных моделей, алгоритмов и методик.

> разработаны и переданы в профильные комитеты Государственной Думы РФ и на химические предприятия предложения по формированию российской системы обеспечения перехода химической промышленности на наилучшие доступные технологии, основанные на теоретических положениях и методических подходах, изложенных в работе.

Методы исследования. В основу решения поставленных задач положены принципы h методы системного анализа (оптимальность, эмерджентность, декомпозиция, классификация, иерархическое упорядочение, формализация, моделирование), теория графов, методология функционального моделирования систем SADT, методы многокритериальной оптимизации и теории нечетких множеств.

Апробация работы. Основные научные результаты доложены на Международной научной конференции ММТТ-26, Саратов, 2012.

Теоретические положения и разработанные методики использованы в процессе работы со студентами, обучающимися по направлениям бакалавриата «Прикладная информатика», «Менеджмент», «Прикладная математика» и по магистерской программе «Информационные системы в химической технологии» в МИТХТ им. М.В. Ломоносова.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 7 работах, в т.ч. в 3 статьях в журналах, включенных в перечень ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы (115 наименований). Текст изложен на 99 страницах и содержит 5 таблиц и 17 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, дана характеристика предмета и объекта исследования, кратко сформулированы основные результаты работы, показана научная и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе "Системный анализ проблемы перехода химического производства на наилучшие доступные технологии" рассмотрены системные закономерности развития химических технологий, проанализирован российский и зарубежный опыт использования НДТ в химическом производстве, выявлены системные факторы, а также предложена системная модель НДТ.

Анализ системных закономерностей развития химических технологий с точки зрения теории предельно эффективной технологии (ПЭТ) четко

показывает наличие жизненного цикла технологий: зарождение, расцвет, упадок. Когда резервы технологии приближаются к физико-химическому пределу, наступает предел эффективности технологии, после чего происходит разрыв функции. Кроме физико-химических ограничений, на возможность реализации конкретной технологии оказывает влияние уровень имеющихся технических возможностей, а в последние годы все большее влияние на выбор технологии производства химических продуктов оказывает степень воздействия технологии на окружающую среду (ОС). Таким образом, возникновение концепции «наилучшей доступной технологии» явилось закономерным этапом согласования технологических возможностей, экологических и экономических факторов производства химических продуктов (рис. 1).

Концепция НДТ в соответствии с принципом комплексного предупреждения и контроля загрязнения учитывает возможные затраты и выгоды, получаемые в результате реализации соответствующих мер, а также направлена на обеспечение комплексной защиты окружающей среды с тем, чтобы не допустить создания новой и более серьезной экологической проблемы в ходе разрешения другой (рис. 2).

На практике при реализации этого принципа могут возникнуть ситуации, в которых не ясно, какая именно технология будет обеспечивать самый высокий уровень охраны окружающей среды. Поэтому возникает необходимость провести оценку технологий для идентификации именно той технологии, которая является наилучшей.

экономически обоснованная

реализованная

Рис. 1. Системные факторы выбора НДТ

Рис. 2. Системный анализ перехода химического производства на НДТ С точки зрения теории систем НДТ в сфере производства химических продуктов является химико-технологической системой, целью которой является рентабельное производство целевого химического продукта заданного качества в необходимом количестве при максимальном уровне защиты окружающей среды. Исходные данные для выбора технологии в качестве НДТ являются исключительно сложными и противоречивыми. Это обусловлено гетерогенностью системных факторов и измеряемых показателей, связанных разнородными критериями, а также требованиями и ограничениями распределенного характера объекта контроля - природной среды и элементов химико-технологической системы, разной степени изученности протекающих процессов и необходимости участия на всех этапах жизненного цикла технологии специалистов разного профиля (технологов, экологов, экономистов) для решения единой задачи.

Применительно к сформулированным условиям на основе теории систем в работе предложена системная теоретико-множественная модель НДТ (рис.3), позволяющая единообразно ставить и решать задачу выбора НДТ для производства различных химических продуктов, которая представлена в виде кортежа:

{Пвозвр* Пт<>вар} {Пеыброс^Псброс-Птв «та} {Твереитаб. Тгр®н } Троссг} {Тполупр- ТПкяот, Таабор-}

^^{Пугы Пзв }

{Пцелев'. Пдобочн} ■арЛ'еХреалвэ- ТеХр^раб}

НДТ = {Прод, Тех, Кр} ПЭТ

{^Чыр Креакц Краэд К,р} Кэв очие

Рис.3 Фрагмент системной модели НДТ

НДТ = {Прод, Тех, Кр} ->ПЭТ,

где Прод - множество получаемых продуктов; Тех - множество технологий производства продуктов;

Кр - множество критериев, характеризующих все стороны производства продукта, предельными значениями которых будут являться критерии предельно-эффективной технологии (ПЭТ).

Множество получаемых продуктов (целевых и побочных) можно представить в виде кортежа: Прод {Пце1ев,ПГЮбОЧИ}

Множество технологий будем рассматривать с точки зрения их жизненного цикла, тогда:

Тех {ТуСтар, Трса1и1, Тразраб},

где Тустар - устаревшие и/или «грязные» технологии, которые в настоящее время не используются либо по причине нерентабельности как правило из-за ценовой недоступности сырья и/или низких показателей ресурсо- и энергоэффективности. Технологии, которые сегодня используются для производства целевого продукта - Треализ„ Тра3раб -разрабатываемые технологии.

Множество критериев можно отразить кортежем: Кр {Ктех, Кочис, Кок010г,Кэко,юл1}, где Ктех- технологические критерии;

10

Кочис - критерий, показывающий эффективность функционирования системы очистки;

Кэколог - экологический критерий, показывающий экологические характеристики НДТ;

Кэноном - критерии, характеризующие экономические ресурсы, необходимые для реализации НДТ.

Далее в работе проведен анализ и детализация составляющих каждого элемента кортежа до уровня, позволяющего сформировать систему показателей и частных критериев, необходимых для принятия решения по выбору НДТ. При рассмотрении множества критериев, характеризующих технологии производства продукта, надо иметь в виду, что для выбора технологии в качестве НДТ необходимы как показатели, выраженные в абсолютных величинах (тонны, рубли, мг/л и т.д.), так и относительные показатели, которые, собственно, и являются критериями достижимости предельно-эффективной технологии, либо технологии, взятой в качестве образца НТД. Система критериев включает в себя неоднородные критерии, сравнение которых не может быть корректно произведено без использования соответствующего математического аппарата.

Во второй главе "Анализ подходов к выбору технологий производства химических продуктов" рассмотрены проблемы формирования системы критериев для выбора НДТ производства химических продуктов с максимальной эффективностью и минимальным воздействием на ОС, проведен анализ методик выбора в многокритериальной задаче принятия решений, рассмотрены общие подходы к построению системы поддержки принятия решения многокритериальных задач.

На основе разработанной в главе 1 системной модели предложено выделить три кластера критериев, характеризующих технологическую, экологическую и экономическую составляющие технологии производства химической продукции (таблица 1).

Технологические критерии отражают качество химико-технологического процесса и сложность его организации. Как правило,

используют как количественные, так и качественные технологические

показатели.

Таблица 1. Значимые критерии производства химических продуктов

Экологический кластер Технологический кластер Экономический кластер

1. токсичность для человека, 2. глобальное потепление (изменение климата), 3. токсичность для водных объектов, 4. закисление (кислотные осадки), 5. эвтрофикация, 6. истощение озонового слоя, 7. потенциал (вероятность) образования тропосферного озона. 1. селективность, 2. конверсия, 3. энергоемкость, 4. сложность аппаратурного оформления и управления процессом, 5. единичная мощность установки. 1. чистый дисконтированный доход, 2. затраты на технологический процесс, 3. затраты на систему очистки.

Среди экономических критериев были выбраны наиболее информативные в плане сравнения альтернативных технологий производства, экологические критерии предложены европейскими справочниками по НДТ.

Главной задачей, которую приходится решать при принятии решения, является выбор альтернативы, наилучшей для достижения цели, или ранжирование множества возможных альтернатив по степени их влияния на достижение этой цели.

Прежде всего необходимо решить нетривиальную задачу выбора множества критериев оценки альтернатив. Современные системы поддержки принятия решений (СПГТР) являются инструментом, призванным оказать помощь лицам, принимающим решения (ЛПР) для слабоструктурированных и неструктурированных задач, а целью СППР является нахождение наилучшего с точки зрения ЛПР решения.

В результате проведенного в работе предварительного анализа показано, что исходное множество выбора сужается путем отбора недоминируемых или оптимальных по Эджворту-Парето вариантов.

12

Варианты из этого множества могут претендовать на роль наилучшего или оптимального варианта, т. е. на роль НДТ. На основании схемы Беллмана-Заде в диссертации предложен алгоритм принятия решений в нечетких условиях многокритериального анализа вариантов при неравновесных критериях, использующий вектор Фробениуса матрицы парных сравнений и нечеткие множества.

Алгоритм решения задачи выбора технологии как НДТ (рис. 4):

1. Экспертный отбор ш критериев ,..., 5И, определение и оценка п проектов технологий Г;,... , Тп на основе предложенной системной теоретико-множественной модели.

2. Формирование для каждого критерия на основании экспертных парных сравнений проектов обратно-симметричной матрицы размера пхп, у которой на главной диагонали стоят единицы. Количество таких парных

сравнений для одного критерия равно С*. Экспертным высказываниям соответствуют ш матриц парных сравнений.

3. Нахождение собственных чисел для каждой матрицы парных сравнений с помощью программного комплекса. Определение числа Фробениуса Ятах и нахождение соответствующего вектора Фробениуса:

(О, =(£,,...Л), ¡ = (1)

4. Проверка согласованности матрицы парных сравнений. Для каждого

Лпах вычисляется индекс согласованности = ,— и коэффициент

от-1

согласованности альтернативы )а = , где Л/ -стохастический индекс.

Я/

Значения /^<0,10 считаются приемлемыми, а полученные оценки приоритетов критериев надежными. Если коэффициент согласованности

^>0,10 - следует вернуться в п.2 и частично изменить элементы матрицы сравнений, пересмотрев оценки важности.

5. Формирование нечетких множеств, определенных на дискретном носителе, в случае согласованности для каждого критерия:

= {«,(7]); а2(Г2);... а„(Г„)} , /" = /.....т. (2)

6. Оценка коэффициентов важности критериев. На основании экспертных сравнений строится матрица парных сравнений важности критериев порядка тхт, структура которой аналогична матрице из п.2.

7. Вычисление с помощью программного комплекса собственных

чисел, среди них число Фробениуса Ятах и вектор Фробениуса

(Оа=(с,,...,с„), (3)

координаты которого являются весовыми коэффициентами.

8. Проверка согласованности матрицы парных сравнений важности критериев, аналогично тому, как это сделано в п.4.

9. Определение коэффициентов относительной важности критериев с помощью нормированного вектора Фробениуса.

(Р К

V. <:=! *=1 У

= (Л,■■•,£,,) .причем ]ГД= 1.

10. Формирование нечетких множеств при неравновесных критериях с учетом коэффициентов относительной важности:

5(я = {<'(Г,),а?(Г2),...,а„А(Г„)} , 1 = 1.....т. (4)

11. Ранжирование технологий с учетом всех неравновесных критериев как пересечение нечетких множеств п. 10:

0 = {/1(Г,)>/2(Г2),...,/„(Г„)} . (5)

12. Выявление однозначного предпочтения одной из технологий с учетом всех критериев.

Начало решения задачи .

тг

Конец решения задачи

Рис. 4. Алгоритм решения задачи выбора технологии как

В третьей главе "Методико-алгоритмическая поддержка перехода химического производства на наилучшие доступные технологии" построена функциональная модель процесса выбора НДТ, осуществлена формализация задачи, разработаны алгоритм и методика многокритериального выбора технологии в качестве НДТ, решена задача выбора НДТ при производстве крупнотоннажных химических продуктов на примере производства винилхлорида.

Процесс перевода российского химического производства на НДТ может быть декомпозирован с использованием методологии функционального моделирования в рамках подхода структурного системного анализа БАБТ в графической нотации ШЕБО (рис. 5, 6).

BREF

Научные разработки Реализованные технологии Ресурсы

Регламентирующие документы

ПЕРЕВЕСТИ ХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО НА НДТ

Продукция

Отходы

Информация

Технологи Экологи Экономисты

Рис. 5. Контекстная диаграмма верхнего уровня АО

Рис. 6. Диаграмма уровня АО

Следует обратить внимание на наличие обратной связи по входу в соответствии с жизненным циклом технологии, что отражает постоянное совершенствование технологий производства и постоянный пересмотр технологий, рекомендованных как НДТ.

Первым этапом перехода химического производства на НДТ является процесс идентификации химической технологии как НДТ на макроуровне. Именно этот процесс и был подвергнут дальнейшей декомпозиции (рис. 7.).

гост

продукцию

Текмолоо.

Экономисты

Рис. 7. Диаграмма уровня А1 Все остальные диаграммы, входящие в функциональную модель, подробно описаны в диссертационной работе.

Формальная функциональная модель выбора НДТ производства явилась основой построения алгоритма многокритериального выбора технологии в качестве НДТ (рис. 8), позволяющего поэтапно ранжировать технологии по технологическим показателям, показателям воздействия технологии на ОС, экономической целесообразности, и на завершающем этапе учитывать конкретные условия производства.

ранжирование технологий по воздействию наОС

1Г

=р| зо

экономическая Посту пност ь

Г 1

ранжирование по экономическим затрат м

учет • конкретных ! условий \ прошноПства ;

Рис.8. Алгоритм формирования оптимальных по Эджворту-Парето альтернатив производства химических продуктов

Описание алгоритма

1. Ввод физико-химических данных

2. Составление перечня возможных технологий производства химического продукта

3. Определение возможности промышленной реализации технологии

4. Проведение исследований и работ по внедрению

5. Составление перечня реализованных в промышленности технологий

6. Составление перечня показателей технологии

7. Идентификация источников эмиссии загрязняющих веществ (ЗВ) в подсферы окружающей среды (ОС)

8. Расчет масс ЗВ, поступающих из каждого источника эмиссии в каждую подсферу ОС

9. Суммирование масс каждого ЗВ, поступающего в каждую подсферу ОС

10. Получение перечня масс каждого ЗВ, поступающего в каждую подсферу ОС

11. Определение соответствия перечней ЗВ для каждой технологии.

12. Выявление противоречий в размещении ЗВ в ОС

13. Ранжирование технологий по массе ЗВ

14. Сравнение технологий по перечню и массе ЗВ

15. Ранжирование технологий по массе ЗВ

16. Ввод величин показателей опасности ЗВ

17. Расчет масс ЗВ с учетом показателей опасности ЗВ

18. Ранжирование технологий по массе ЗВ с учетом показателя опасности

19. Формирование перечня экологических проблем

20. Расчет коэффициентов влияния каждого ЗВ на каждую экологическую проблему

21. Формирование перечня показателей воздействия на ОС для каждой технологии

22. Выявление однозначного предпочтения одной из технологий по воздейств. на ОС

23. Ранжирование технологий по показателям воздействия на ОС

24. Получение заключения экспертов

25. Расчет вклада каждого ЗВ, поступающего при использовании каждой технологии в общее поступление в ОС каждого ЗВ в результате производства (в стране, регионе, отрасли промышленности и т.д.).

26. Формирование перечня показателей вклада каждой технологии в загрязнение ОС

27. Сравнение вклада каждой технологии в загрязнение ОС

28. Ранжирование технологий по вкладу каждой технологии в загрязнение ОС

29. Получение заключения экспертов Ранжирование технологии по воздействию на ОС

30. Расчет экономических показателей каждой технологии

31. Формирование перечня экономических показателей

32. Выявление однозначного предпочтения одной их технологий по экономическим показателям

33. Ранжирование технологий по затратам на производство

34. Получение заключения экспертов

35. Ввод характеристик ОС в месте расположения производства

36. Расчет ПДВ и ПДС по каждому ЗВ

37. Определение соблюдения стандартов качества ОС в месте расположения производства

38. Привлечение дополнительного финансирования

39. Расчет необходимого дополшгтельного финансирования

40. Исключение технологии из списка возможных НДТ

41. Ранжирование НДТ по предпочтению с учетом всех групп показателей

В качестве примера задачи выбора технологии как наилучшей

доступной рассмотрены технологии производства крупнотоннажного

19

химического продукта - винилхлорида. Объем его мирового производства достиг в 2012 г. 38 мли.т. До 98% всего выпускаемого винилхлорида идет на получение поливинилхлорида (ПВХ), второго по объемам мирового производства после полиэтилена полимерного материала. Производство винилхлорида для ПВХ может базироваться как на угольном, так и на

нефтяном сырье (рис.9).

Рис.9. Общая схема получения ВХ-ПВХ

Таблица 2. Технологии производства винилхлорида

N Название

устаревшие технологии

1 омыление дихлорэтана

реализованные в промышленности

2 гидрохлорирование ацетилена в стационарном слое катализатора

3 комбинированный этилен-ацетилен (нафта)

4 комбинированный этилен-ацетилен (прямогонный бензин)

5 сбалансированный по хлору из этилена (воздух)

6 сбалансированный по хлору их этилена (кислород)

разрабатываемые технологии

7 гидрохлорирование ацетилена в пседоожиженном слое катализатора

8 гидрохлорирование ацетилена в жидкой фазе на ртутном катализаторе

9 гидрохлорирование ацетилена в жидкой фазе на нертутном катализаторе

10 гидрохлорирование ацетилена в присутствии инициаторов

11 оксихлорирование этана

12 взаимодействие хлорметана и дихлорметана

В мире ведущим способом получения винилхлорида является сбалансированный по хлору метод на основе этилена. Однако в России до настоящего времени значительная доля винилхлорида производится по устаревшей технологии: газофазным каталитическим гидрохлорированием ацетилена.

Сбалансированный по хлору метод на основе этилена производства ВХ для ПВХ имеет как свои достоинства, так и недостатки. К основным его достоинствам относится высокая степень полезного использования исходного сырья (более 97% по этилену и хлору) возможность создания крупнотоннажных производств (мощность технологической линии достигает 400-500 тыс. т/год). Существенной проблемой этого метода является образование большого количества сточных вод требующих последующей очистки от органических и хлорорганических загрязнителей, так как вода является продуктом реакции - 0,6-0,7 мЗ/т ВХ.

Постановка задачи выбора технологии как НДТ включает в себя выбор наилучшей технологии из оставшихся после отбора на первом этапе четырех оптимальных по Эджворту-Парето технологий производства ВХ:

1. гидрохлорирование ацетилена в стационарном слое катализатора;

2. сбалансированный по хлору из этилена (кислород);

3. сбалансированный по хлору из этилена (воздух);

4. комбинированный способ этилен-ацетилен.

Число критериев в задаче может быть произвольное. В диссертации рассмотрены наиболее информативные 15 критериев. При работе над матрицей парных сравнений важности критериев эксперты неизбежно столкнутся с трудностью согласованности матрицы размеров 15x15, так как им придется ответить на С,25 = 105 вопросов, связанных друг с другом. В работе предлагается провести решение многокритериальной задачи оптимизации в два этапа.

На первом этапе все множество критериев разбивается на три кластера, независимых друг от друга. Затем по каждому кластеру методом анализа иерархий сначала вычисляются приоритеты критериев в терминах важности, затем приоритеты альтернатив, показывающие степень соответствия

21

альтернатив требованиям критериев. С помощью математического аппарата теории нечетких множеств находятся значения функций принадлежности каждой из четырех технологий.

На втором этапе вычисляются степени относительной важности самих кластеров критериев, учитывая их зависимость, и на основе схемы Беллмана-Заде принятия решений в нечетких условиях многокритериального анализа при неравновесных критериях делается вывод о том, какая технология является НДТ.

Итак, на первом этапе получены следующие результаты.

По каждому критерию получены экспертные парные сравнения проектов. Построены 15 матриц парных сравнений размера 4x4. Для каждой матрицы с помощью программного комплекса Wolfram Mathematica найдены число и вектор Фробениуса, а также вычислен индекс согласованности. Каждый вектор Фробениуса нормируется, в результате получены 15 нечетких множеств функций принадлежности 4 технологий по каждому критерию.

Далее для каждого кластера строится матрица экспертных парных сравнений. Для экологических критериев ее размер 7x7, для технологических — 5x5, для экономических — 3x3.

Для каждой матрицы найдены число Фробениуса и проверена согласованность матрицы. Нормируя вектор Фробениуса, найдены коэффициенты относительной важности критериев. При неравновесных критериях степени принадлежности нечеткого множества найдены по формуле:

= у = 17« , (6)

где Ms,(Tj) — функция принадлежности j-ой технологии по i-му критерию,

коэффициент относительной важности критерия S, .

С учетом (6) для каждой группы критериев на первом этапе получены нечеткие множества степени принадлежности:

£>э = {0,792(7]); 0,777(Гг); 0,796(Г,); 0,723(Г,)} (экологические) , (7)

dtx. = {о,892(7;); о,822(г:); 0,737(7;,); 0,692(7;)} (технологические), (8)

В-м ={0,722(7',); 0,839(Г,); 0,804(Г3); 0,929(Г4)} (экономические). (9)

Результаты ранжирования по каждой технологии представлены в таблице 3.

Таблица 3. Технологии производства внннлхлорида, оптимальные по Парето

N Технология название кластера

экологический тех н ол о гн ч ее кн и экономический

1 гидрохлорирование ацетилена 3 1 4

2 сбалансированный по хлору из этилена(кислород) 1 2 2

3 сбалансированный по хлору из этилена(воздух) 2 3 3

4 комбинированный способ этилен-ацетилен 4 4 I

На втором этапе получены следующие результаты. Построена матрица экспертных парных сравнений важности групп критериев. Найдены число Фробениуса и нормированный вектор Фробениуса. С учетом коэффициентов относительной важности построены нечеткие множества степени принадлежности технологий по каждому кластеру. Пересечение этих нечетких множеств является решением задачи. Результаты, записанные в форме кортежей, сведены в таблицу 4:

Таблица 4. Нечеткое множество степени принадлежности технологий по всем

критериям

Матрица парных сравненнй кластеров Число Фробениуса Вектор Фробениуса Коэфф. относ, важности Нечеткие множества функций принадлежности технологии с учетом степени относительной важности кластеров критериев

( 1 2 3"\ 1/2 1 2 (1/3 1/2 1] 3,005 (0,847^ 0,466 1,0,256 Г°'541 0,3 Оэ = {»,792(7;); 0,777(Г2); 0,796(7;); 0,723(7",)} Огг ={0,892(71): 0,822(7",); 0,737(Г5); 0,692(7".)} ={0,722(7;); 0,839(7:). 0.804(7;), 0,929(7",)}

О = {0,722(7]); 0,777(7".,); 0,737(Г3); 0,692(7],)} - пересечение нечетких

множеств Дэ, Огх и £Ыл

Данный результат свидетельствует о преимуществе технологии Т2. Эта технология лучше других одновременно удовлетворяет всем критериям с учетом их важности.

Выводы

В диссертационной работе получены следующие результаты.

> Проведен системный анализ проблемы перехода российского производства химической продукции на наилучшие доступные технологии (НДТ) и предложена системная модель НДТ, построенная с использованием математического аппарата теории множеств, позволяющая единообразно ставить и решать задачу идентификации химической технологии как НДТ.

> На основе анализа методов и подходов к решению слабоструктурированных задач с множественными неоднородными критериями обоснована необходимость использования методов многокритериальной оптимизации в задаче принятия решений по выбору технологии как НДТ и проведено моделирование единой шкалы сравнительной важности изначально неоднородных критериев.

> Предложена методика преодоления неоднородности критериев задачи выбора химической технологии путем разбиения критериев на кластеры и последующего решения задачи в два этапа.

> С целью формализации работ по переходу производства химической продукции на НДТ построены функциональные модели процесса, обеспечивающие основу построения алгоритма выбора наилучшей доступной технологии производства химической продукции.

> Формализована задача выбора химической технологии в качестве НДТ, разработан алгоритм и предложена методика решения этой задачи, основанная на методе анализа иерархий и теории нечетких множеств.

> На основе разработанных моделей, алгоритмов и методик выбрана наилучшая доступная технология производства важнейшего крупнотоннажного химического продукта - винилхлорида.

> Теоретические положения и методические подходы, изложенные в работе, позволяют принять научно обоснованные решения по формированию российской системы обеспечения перехода химической промышленности на НДТ. Соответствующие предложения переданы в профильные комитеты Государственной Думы РФ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования

результатов диссертационных работ:

1. Панова С.А., Тишаева И.Р. Алгоритм расчета платежей за загрязнение окружающей среды на основе наилучших доступных технологий.//Интеграл, - 2014, №4. - С. 45.

2. Тишаева И.Р., Панова С.А. Системная модель наилучшей доступной технологии.// Вестник МИТХТ, - 2014, №5. - С. 83-85.

3. Панова С.А. Тишаева И.Р. Подходы к идентификации наилучших доступных технологий в российском нефтегазохимическом комплексе.//Автогазозаправочный комплекс плюс альтернативное топливо, - 2014, № 10. - С. 20-23.

Статьи, тезисы докладов и учебно-методические пособия:

4. Панова С.А., Пименов C.B., Тишаева И.Р. Алгоритм реализации НИОКР с использованием научно-технического аутсорсинга.// Сборник научных статей. - Муром: AM и СОД, вып 14, 2009.

5. Тишаева И.Р., Ожерелкова Л.М. О некоторых методах формирования оптимальной стоимости услуг страховой компании./ Сборник трудов Международной научной конференции «ММТТ-26». Саратов, апрель, 2012 г.

6. Карташов Э.М., Нагаева И.А., Тишаева И.Р. Линейное программирование: учебно-методическое пособие. - М.: МИТХТ, 2009.

7. Карташов Э.М., Ожерелкова Л.М., Тишаева И.Р. Практикум по математическим методам в экономике: учебно-методическое пособие. -М.: МИТХТ, 2013.

Тишаева Ирина Романовна Алгоритмическое обеспечение систем поддержки принятия решения по выбору наилучшей доступной технологии в химическом производстве Формат 60X90/16 Тираж 100 экз. Подписано в печать 13.11.2014 Заказ №228 Типография ООО «Генезис» 8 (495) 434-83-55 119571, г. Москва, пр-т Вернадского, 86