автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система управления технологическим процессом с учетом оценки экологического воздействия на окружающую среду

На правах рукописи

БИЗИКИН Алексей Владимирович

003455007 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ С УЧЕТОМ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность, промышленная безопасность и экология)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 ДЕК 2008

Тула 2008

003455007

Работа выполнена на кафедре «Аэрологии, охраны труда и окружающей среды» Тульского государственного университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Панарин Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Васин Леонвд Александрович

кандидат технических наук, Саломыков Виктор Иванович

Ведущая организация: ООО «ЭФО», Московская область, г. Химки

Защита диссертации состоится декабря 2008 г. в ^ ч на заседании диссертационного совета Д 212.271.05 в Тульском государственном университете по адресу: 300600, Тула, проспект Лепина, 92, 9 учебный корпус.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 300600, Тула, проспект Ленина, 92, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.271.05.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке Тульского государственного университета по адресу: 300600, Тула, проспект Ленина, 92,

Автореферат разослан « » ноября 2008 г.

Ученый секретарь _

диссертационного совета В.М Панарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В результате различных процессов происходящих па современных производствах, в атмосферу выбрасывается огромное количество загрязняющих веществ, оказывающих вредное воздействие на человека. Со стороны экологических служб Предприятий все большее внимание уделяется проблеме оценки степени воздействия производственных процессов на окружающую среду. Так на предприятиях внедряются различные системы мониторинга атмосферного воздуха, в том числе и автоматизированные, которые позволяют определить картину загрязнения прилежащих территорий.

Для регулирования выбросов вредных веществ на основании информации о распределении их концентраций необходимо, чтобы полученная информация о распределении концентрации была достоверной. Достоверность полученной информации обеспечивается использованием высокоточных датчиков на постах измерения, методикой расположения этих постов, а также моделями позволяющими определять поля распространения загрязнения по точечным замерам при различных метеорологических параметрах.

В современных автоматизированных системах мониторинга состояния загрязнения воздуха используются модели, разработанные такими известными учеными как М.Е. Берлянд, Р.И. Оникул, J1.P. Сонышн, H.H. Калиткин, Н.В. Карпенко, Ю.С. Беликов, А.Б. Дьякова, Г.А. Тульчинский. Модели позволяют по точечным замерам концентраций восстанавливать текущую картину распределения вредных веществ в атмосфере и на основе этих данных установить взаимосвязь между параметрами технологического процесса и состоянием территории, над которой распространяется выброс, что в будущем может быть использовано для принятия решений направленных на регулирование выбросов предприятием. Разработке автоматизированных систем мониторинга состояния воздуха посвящены работы A.A. Любимова, О.В. Кондракова, A.M. Погорелого.

На большинстве производств существует несколько источников загрязнения, поэтому еще одной важной задачей при регулировании выбросов в атмосферу, является определение вклада каждого источника в общий выброс - это необходимо для однозначного определения источника, параметры которого необходимо регулировать.

Основным недостатком использования систем мониторинга на предприятиях, является то, что полученная с их помощью информация не учитывается при управлении технологическими процессами, что связано с отсутствием моделей, описывающих взаимосвязь между параметрами технологического процесса и распределением концентрации вредных веществ, выделяемых в атмосферу в результате этого процесса, а так же с отсутствием диалоговых подсистем, включенных в состав автоматизированных систем управления технологическими процессами, позволяющих на основе полученных данных о концентрации вредных веществ обеспечить поддержку принятия решений по регулированию выбросов в атмосферу.

Целью работы является снижение выбросов в атмосферу производственными процессами, использующими автоматизированные системы управления, на основании информации, полученной с помощью автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха, определяющей степень загрязнения

территории по показаниям метеостанции и постов мониторинга, осуществляющих непрерывные замеры концентраций вредных веществ.

Задачи. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

1. Обзор существующих систем мониторинга состояния загрязнения воздуха, используемых в составе систем управления производственным процессом для принятия решений по регулированию выбросов.

2. Разработка методики для поддержки принятия .. решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, учитывающей распределение концентраций по загрязняемой территории, в соответствии с метеорологическими параметрами и показаниями непрерывных точечных замеров датчиков, осуществляемых автоматизированной системой мониторинга состояния загрязнения воздуха.

3. Разработка метода определения вклада каждого источника выброса вредных веществ в общий выброс в атмосферном воздухе, позволяющего выделить источники с предельно допустимыми выбросами и использовать полученную информацию при принятии решений в автоматизированной системе управления технологическим процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, выбрасываемых этими источниками.

5. Разработка метода определения расположения постов измерения концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферного воздуха, который позволяет определять степень загрязнения территории при изменяющейся мощности выброса источника и меняющихся метеорологических параметрах.

6. Разработка алгоритмического и программного обеспечения автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха, проведение экспериментальных исследований

7. Внедрение автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха в производственный процесс, для повышения эффективности процедур принятия решений, направленных на снижение концентрации вредных веществ.

Объектом исследования является взаимосвязь между процессами загрязнения атмосферы вредными веществами, выделяемыми промышленными производствами над прилегающей территорией и механизмами регулирования выбросов вредных веществ с помощью изменения параметров технологических процессов в автоматизированной системе управления технологическими процессами на производствах.

Предметом исследования являются алгоритмы, методы и модели, описывающие процесс учета вредного воздействия загрязняющих веществ на атмосферу прилегающих территорий при управлении производством с помощью автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы теории автоматического управления, теории информационных систем и процессов, математического моделирования, теории принятия решений, методов оптимизации, имитационного и натурного экспериментов.

Наиболее существенные результаты, полученные лично соискателем:

1. Методика для поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на снижение концентрации

' вредных веществ, учитывающая распределение концентрации по загрязняемой территории, в соответствии с метеорологическими параметрами и показаниями непрерывных точечных замеров датчиков, осуществляемых автоматизированной системой мониторинга состояния загрязнения воздуха.

2. Метод определения вклада каждого источника выброса вредных веществ в общий выброс в атмосферном воздухе, позволяющий выделить источники с предельно допустимыми выбросами и использовать полученную информацию при принятии решений в автоматизированной системе управления технологическим процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, выбрасываемых этими источниками.

3. Метод определения расположения постов измерения концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферного воздуха, который позволяет определять степень загрязнения территории при изменяющейся мощности выброса источника и меняющихся метеорологических параметрах.

Новизна научных результатов заключается в раскрытии структурно-функциональной взаимосвязи между процессом автоматизированного мониторинга состояния загрязнения воздуха, контролируемого распределенными по подвергаемой загрязнению территории постами измерения концентрации вредных веществ с учетом метеорологических параметров и процедурами принятия решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, выделяемых различными источниками, с учетом вклада каждого из них в общий выброс.

Достоверность полученных в работе положений, выводов и рекомендаций обосновывается математической корректностью постановки задач и методов их решения, высокой сходимостью расчетных и экспериментальных данных и положительным опытом внедрения разработанной автоматизированной системы.

Отличие результатов работы от работ других авторов. Разработанная методика для поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, отличается от методики предложенной A.A. Любимовым, тем что, учитывает процессы рассеивания вредных веществ над прилежащей территорией и не основывается только на результатах точечных замеров, производимых непосредственно в местах выброса вредных веществ.

Значение работы для теории и практики. Разработана новая методика поддержки принятия решений, направленных на регулирование выбросов вредных веществ в атмосферу промышленными предприятиями, учитывающая распределение вредных веществ по загрязняемой территории в зависимости от метеорологических параметров с использованием информации непрерывных точечных замеров.

Рекомендации об использовании результатов диссертационного исследования. Проведенные в работе теоретические исследования представляют собой методическую основу для создания автоматизированных систем мониторинга состояния загрязнения воздуха, с распределенными по загрязненной территории постами измерения концентрации вредных веществ и возможностью выделения источника-загрязнителя из группы, используемых в составе автоматизированных систем управления производствами для принятия решений направленных на снижение концентрации выбросов вредных веществ. Разработанный метод определения расположения постов измерения концентрации вредных веществ,

позволяет получать достоверные данные при изменяющихся метеорологических параметрах и мощностях источников выбросов, во время анализа загрязнения территории экологическими службами.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах: «Современные проблемы экологии и рационального природопользования» (Тула, 2006 г); «Информационные системы и модели в научных исследованиях» (Тула, 2005 г); «Информационные системы и модели в научных исследованиях промышленности и экологии» (Тула, 2008 г); «Экологически устойчивое развитие центрального федерального округа» (Тула, 2008 г).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из них 6 в изданиях из списка рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основная часть диссертации изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 37 рисунков, 2 таблицы и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы. Сформулированы цели, основные направления исследования, результаты реализации работы.

Первая глава, посвящена анализу существующих автоматизированных систем оценки состояния воздуха, информация, полученная с помощью которых, используется для регулирования выбросов вредных веществ в атмосферу. Кроме того, рассматриваются модели и методы построения систем такого типа.

Рассмотрены работы М.Е. Берлянда, H.H. Калиткина, JI.P-. Сонькина в которых описываются модели, учитывающие процессы распространения примесей над загрязняемой территорией, на основе которых, можно построить поля распространения загрязнения вредных веществ по точечным замерам их концентраций. В результате анализа работ, отмечено, что наиболее достоверными являются аппроксимационная модель М.Е. Берлянада основанная на решении уравнения турбулентной диффузии и модели Сеттона, Пэсквилла основанные на Гауссовом распределении концентраций. Данные модели можно использовать при разработке автоматизированной системы мониторинга загрязнения воздуха с распределенными по загрязняемой территории постами измерения концентрации.

В работах A.A. Любимова, О.В. Кондракова, A.M. Погорелого описаны модели и принципы построения систем автоматизированного мониторинга загрязнения воздуха. В результате анализа работ, определено, что для контроля выбросов предприятиями используется два типа автоматизированных систем:

1. Системы, в которых не автоматизирован процесс измерения концентрации вредных веществ и расчет полей загрязнения осуществляется по стандартным методикам и моделям. Исходными данными для расчета являются среднегодовые значения температур, мощностей выбросов, скорости выхода вещества из трубы и т.п. Распределения могут корректироваться в соответствии с точечными замерами, производимыми выездной лабораторией. Одной из самых распространенных систем этого типа, является система "Эколог-город" 3.0, которая, разработана для автоматизации деятельности комитетов охраны окружающей среды, экологических служб предприятий и администраций городов. В качестве альтернативы системы

"Эколог-город" многие организации используют систему "Атмосфера-ПДВ". В системах этого типа для прогноза распространения вредных веществ используются методика ОНД-86.

2. Системы, которые измеряют концентрации вредных веществ автоматически и по полученным данным строят картины загрязнения, на основании которых выдают рекомендации лицу, управляющему технологическим процессом, а оно на основе рекомендаций само принимает необходимое решение. Автоматизированная информационная система "Тога" предназначена для проведения комплексного эколого-экономического анализа функционирования действующих и проектируемых промышленных объектов, она позволяет осуществлять непрерывные замеры концентраций вредных веществ непосредственно на выходе из источника, а полученные данные используются как входные для расчета в системах типа "Эколог" или "Атмосфера-ПДВ". В данной системе не предусмотрено расположение постов в жилой зоне.

Анализ существующих систем показал, что они имеют определенные недостатки, к главным из которых относятся:

1. Отсутствие возможности автоматического формирования процедур поддержки принятия решений по снижению выбросов в атмосферу.

2. Отсутствие возможности непрерывного сбора информации о состоянии окружающей среды. В связи с чем, затрудняется процесс учета в технологическом процессе вредного воздействия на прилежащую территорию, так как, при больших промехгутках времени между замерами, многие параметры технологических процессов успевают измениться и оператор не сможет увидеть отклика до осуществления следующего замера. При следующем замере концентрация может не превышать предельно допустимую норму, так как параметры технологического процесса и окружающей среды могут измениться.

3. Отсутствие возможности построения полей распределения концентрации вредных веществ в соответствии с текущими метеоусловиями.

4. Отсутствие методики эффективного расположения постов мониторинга концентрации загрязняющих веществ. В существующих методиках расположения постов в качестве входных данных используются их средние значения за год, в то время как, мощность выброса, скорость выхода смеси и направление ветра могут меняться несколько раз в течение дня, что в свою очередь сказывается на достоверности данных. Расположение постов измерения на выходе из устья источника, также сказывается на достоверности информации, так как необходимо учитывать дальнейший процесс рассеивания вещества в воздухе. При попадании вещества в жилую зону, в результате переноса, концентрация вредного вещества может быть в пределах нормы.

5. В большинстве существующих систем не реализована методика определения вклада источника в общее загрязнение, что особенно необходимо для тех предприятий, на которых имеется несколько источников загрязнения, так как необходимо точно знать, параметры технологического процесса какого источника нужно регулировать, чтобы уменьшить воздействие на окружающую среду.

Исходя из приведенных недостатков существующих систем и методик использованных при их создании, можно предположить что, системы не позволяют достоверно определить степень загрязнения окружающей среды, а значит и полученные с их помощью данные нельзя использовать для поддержки принятия

решений в автоматизированной системе управления производственными процессами, направленных на уменьшение концентрации вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу прилежащей территории.

Вторая глава посвящена разработке методики для поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, учитывающей распределение концентраций по загрязняемой территории, в соответствии с метеорологическими параметрами и показаниями непрерывных точечных замеров датчиков, осуществляемых автоматизированной системой мониторинга состояния загрязнения воздуха, разработке метода определения вклада каждого источника выброса вредных веществ в общий выброс в атмосферном воздухе, позволяющем выделить источники с предельно допустимыми выбросами и использовать полученную информацию при принятии решений в автоматизированной системе управления технологическим процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, выбрасываемых этими источниками, разработке метода определения расположения постов измерения концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферного воздуха, который позволяет определять степень загрязнения территории при изменяющейся мощности выброса источника и меняющихся метеорологических параметрах.

В большинстве систем не предусмотрен механизм контроля экологического воздействия на выходе производства. То есть, схемы управления технологическим процессом как источником загрязнения. В такой системе отсутствует обратная связь для оценки экологического воздействия. Схема такой системы представлена на рис. 1.

У- регулируемая величина, результат техпроцесса (фактический выброс);

к - управляющее воздействие, с помощью которого АСУТП, изменяет

параметры техпроцесса;

Р- возмущающее

воздействие, действие которого, обычно связано с неоднородностью материалов участвующих в техпроцессе, неоднородностью топлива и т.п. В результате действия Р происходит изменение выходных параметров процесса. В работе предлагается

модифицировать схему управления путем добавления элемента измерения концентрации выбросов и станции для оперативного определения метеопараметров.

В представленной на рис. 2 схеме, технологический процесс рассматривается как источник загрязнения, добавлены два элемента и обратная связь. Измерительный элемент (ИЭ) осуществляет замеры вредных веществ и передает полученную

I

И.

(источник загрязнения)

Рис. 1 Структура системы оценки экологического загрязнения

АСУТгГ|~^—

ОУ {источник загрязнения)

Рис. 2 Структура системы с обратной связью и возможностью учета параметров загрязнения окружающей среды

информацию в элемент сравнения (ЭС), в котором осуществляется сравнение текущей концентрации с предельно допустимой. Если превышено предельное значение, то должна быть осуществлена корректировка параметров производства. Система работает по принципу отрицательной обратной связи, то есть

ё = Ё-у, (1)

где ё-рассогласование, % - задающее воздействие, в виде стандартов и нормативов ПДК. Для рассогласования выполняется условие: ГО,при е. > О

е'=Ь-У,е,<0 Ю

Для этого, отделу управления производственным процессом должны быть выданы рекомендации, в соответствии с которыми персонал может изменить параметры техпроцесса, если это позволяют сделать ограничения, наложенные технологией.

Регулируемую величину у можно привести к норме с помощью изменения параметров технологического процесса:

(3)

где - количество изменяемых параметров процесса, К, - ¡'-й параметр технологического процесса, причем для каждого параметра существуют ограничения, в рамках которых он должен изменяться то есть К1тт<К, <К1тт,

На большинстве предприятии действует несколько источников загрязнения и чтобы определить, какой именно источник осуществил выброс, предложен метод, использующая методы математического программирования и Гауссову модель распространения загрязняющих веществ.

Согласно модели, концентрация в точке с координатами х,у,х вычисляется:

с{х,у,2) = —^—ехр 2пауа1

(у-УьУ

2а;

ехр

(4)

где

(*о>:Уо) ~ координаты основания источника; Q — мощность непрерывного точечного источника, [г/с]; сгу =а1х"' - горизонтальная дисперсия, [м]; <т, = Ь,хА - вертикальная дисперсия, [м];

о,, от,, Л,,Д - постоянные Регленда, полученные эмпирическим путем; ¡у - у01 - поперечное расстояние от оси шлейфа, [м]; г - высота над поверхностью земли, [м];

Н - конечный подъём шлейфа над землёй (эффективная высота подъёма шлейфа), [м], в который для поля концентрации вводятся смещения в областях, примыкающих к зданиям.

В случае нескольких источников, концентрация равна:

с=сх +с2 + ...+см+сф , (5)

где С\, сг, ..., Сц - концентрации вредного вещества соответственно от первого, второго, А-го источников, расположенных с наветренной стороны при рассматриваемом направлении ветра.

Введем для г-го источника коэффициент а,, равный

1 ( (У Г (г Г (z +Я)М{

тогда

с = 0,2, + a2Q2 + ... + aNQN + сф (7)

Так как, при осуществлении замера фактическая концентрация с известна, то для определения доли вклада необходимо выбрать из множества решений оптимальное, установив при этом определенные ограничения.

Для составления целевой функции из фактического значения концентрации вычитаются измеренные и установленные значения:

Z = c-(a& + a1Q2 + ... + arlQN+Ct) (8)

Необходимо минимизировать ошибку рассогласования, при этом задается следующая целевая функция:

2 = с~сф + a2Q2 + ... +aNQN) -> min (9)

При этом вводятся следующие ограничения: сф +(«,0 + а2дг + ... + aNQH) <С+Стгр

/=(10)

гДе Ömaxi _ максимальная мощность выброса ¡-го источника определенного параметрами технологического процесса (мощность не может быть больше определенного значения, из-за таких параметров, как диаметр и высота трубы максимально допустимая температура, максимальное количество топлива), ß„ -

наименьшая мощность выброса г-го источника, Qmm - максимальная сумма мощностей выбросов, ст„р - значение концентрации, равное значению погрешности прибора. Применив методы математического программирования, можно определить й и исходя из этой информации, определить какие источники загрязняют воздух в данный момент.

Для металлургического производства схема управления выявленными источниками загрязнения представлена на рис. 3, где п - количество объектов управления; ОУ1,...ОУп - объекты управления; т - количество пунктов, осуществляющих замеры; П1,...Пш - пункты, осуществляющие замеры; 03 - блок определения загрязнителя; ЭС - элемент сравнения; S - вектор метеопараметров; г - рекомендации по изменению параметров техпроцесса.

Рекомендации по изменению параметров техпроцесса зависят от конкретных условий, распределения концентрации вредных веществ в атмосфере прилежащей территории построенного по модели Сеттона и математической модели технологического процесса.

Основное влияние на концентрацию выбросов оказывает неоднородность исходных материалов, таких как кокс, руда, газ и т.п. Чтобы привести систему в равновесие необходимо изменить параметры, с помощью которых происходит управление технологическим процессом в пределах установленных нормативов.

Рис. 3 Расширенная структура системы с обратной связью

Процесс регулирования выбросов можно представить в виде регулирования человеком технологических параметров на основании рекомендаций, выданных автоматизированной системой. Рекомендации представляются в виде списка параметров техпроцесса в зависимости от распределения концентрации вредных веществ в атмосфере прилежащей территории, при которых концентрация данного вещества при аналогичных метеоусловиях была в норме. Рекомендацию можно представить вектором К (например, К,- давление в печи, /^-температура, К3 - температура охлаждающей жидкости и т.п.)

Поиск рекомендаций в базе данных осуществляется в зависимости от метеорологических параметров и от концентраций вредных веществ, полученных по результатам построения полей распространения концентраций.

Для поиска рекомендаций предлагается следующий алгоритм:

1. При фиксации превышения концентрации постом, т.е. с,„„>с11ДК, определяются исходные данные для поиска:

- направление ветра {а);

- скорость ветра (у);

- температура окружающей среды (7);

- скорость выхода газовоздушной смеси {а>о);

- масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени

№

- расстояние до поста, зафиксировавшего превышение (I);

- угол между направлением ветра и прямой, проходящей через источник загрязнения и пост (/?).

2. В соответствии с условием с, <СдцКла=а, лу=у, лГ=7; лсо0 =а>а лМ = М, л/=/,л/?=Д, где / - номер строки в базе данных, осуществляется поиск параметров в базе данных. Если условие выполняется, то по номеру текущей строки г выводится список параметров технологического процесса Ки, где у - количество параметров технологического процесса зафиксированных ранее.

3. Если в базе данных не найдена запись по соответствующему условию, то условие в п. 2, смягчается: с, <спдкла=а| лу=у, лТ=Т, лв>о=й)о,- лМ =М, л1 = !, л/?=Д, где г - номер строки в базе данных и осуществляется повторный поиск. При нахождении строк соответствующих данному условию, аналогично п. 2

осуществляется вывод параметров технологического процесса, при этом добавляется замечание, что условия зафиксированы при другом направлении ветра т.е. а*а

4. Если при выполнении предыдущих шагов, записи не найдены, то человек принимает решение без рекомендаций, а осуществленные им действия будут внесены в базу данных и использованы потом в аналогичной ситуации.

На основании предоставленных рекомендаций лицо, принимающее решения (оператор, технолог, начальник цеха) может выбрать наиболее эффективное решение и изменить параметры технологического процесса в пределах установленных технологией (например, понизить давление газа в доменной печи или уменьшить подачу сырья), уменьшив при этом, долю выброса предприятия в атмосферу.

Достоверность оценки параметров загрязнения окружающей среды напрямую зависит от расположения датчиков. При расположении датчиков важно не допустить как потерю информации, так и завышение концентрации вредных веществ. Такие ситуации возможны в случаях неправильного расположения постов производящих замеры. Для определения точек, в которых необходимо размещать посты наблюдения предлагается следующий алгоритм:

1. На первом этапе необходимо определить значение максимальной приземной концентрации при формуле предложенной в методике ОНД-86: _ АМКтпг)

Н2\1У, А 7*' (П)

где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М (г/с) - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени; Я - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; тип- коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; Н (м) - высота источника выброса над уровнем земли; г] - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; АТ (°С) - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и температурой окружающего атмосферного воздуха Г„; У{ (м3/с) - расход газовоздушной смеси, определяемый по формуле:

4

где £> (м) - диаметр устья источника выброса; соо (м/с) - средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса.

Максимальное значение концентрации необходимо найти для минимальной и максимальной производственных мощностях, то есть учесть условия: М = Л/тах; Ш = Мт!„;

и ..............(13)

2. Необходимо определить расстояния, на которых достигается максимальное значение концентрации для условий (13). Для этого необходимо воспользоваться выражением (14) из методики ОНД-86:

(14)

4

где /? - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ; Я - высота источника выброса над уровнем земли, <1 - безразмерный коэффициент, учитывающий объем и скорость выхода вещества.

Рис. 4 Зависимость концентрации вредных веществ от расстояния до источника

Из рисунка видно, что при различных производственных условиях расстояние от источника до точек, в которых концентрация достигает максимума, будет меняться в пределах между хт1„ и хшх.

3. Затем, необходимо определить расстояния, на котором достигается значение ПДК (сццх). Так как вещества, значения концентраций которых меньшие ПДК не воздействуют на здоровье человека и производить замеры в таких точках не эффективно.

При опасной скорости ветра им приземная концентрация вредных веществ с (мг/м3) в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях х (м) от источника выброса определяется по формуле:

c = si см (15)

где Si - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения х/хм и коэффициента R.

Приняв, с =спдк получится выражение AMR тпт]

(16)

После чего, в зависимости отношения х/хм необходимо будет решить следующие уравнения:

3(V*J - 8(*/*J + 6(x/*J = х/хм < 1;

AMR mnrj

<M3(*/*J = при 1 < xjxM < 8 ;

3,58* +I20x„x - 35,2=

Сщ^АМЯ тщ

AMRmrtTj

c^H'ljvjT

при F < 1,5 и х/х„ > 8;

O.l^/xJ +2,47 (*/*,,)-17,8 = CnmtfJ^ при F> 1,5 и х/хи >8.

(17)

(18)

(19)

(20)

AMR тщ

Найти решения данных уравнений можно с помощью численных методов, а именно методом Ньютона. Получив значение I - хпдк, (рис. 4) определяются координаты двух точек на оси ОХ, на которых достигаются значения большие ПДК.

4. После определения xmin и хпдк, необходимо, используя методику из предыдущего пункта, при той же мощности выброса, но вместо с = с1Ш взять сш =с«.г. +2cW (с„г. ~ значение концентрации, равное значению нижней границы шкалы прибора, скгр - значение концентрации, равное значению погрешности

прибора), определить расстояние, за пределами которого, приборы не смогут измерить концентрацию вещества (выход за пределы шкалы прибора).

Рис. 5 Расположение первого датчика

На расстоянии хщ и будет расположен первый датчик.

Затем, используя выражения из шага 3 данного алгоритма, необходимо определить параметры выброса, при которых достигается условие х = хш (хш -расстояние, на котором достигается концентрация равная погрешности прибора), но расстояние, на котором достигается максимум концентрации, меньше расстояния Хщщ, т.е. хм < хпт, после чего определиться расположение второго датчика (рис. 6). Необходимо повторять данный шаг до тех пор, пока датчик не будет установлен так, чтобы фиксировать распределение максимально возможной концентрации (сюх).

Таким образом, можно эффективно расположить датчики по горизонтали.

Е -1> .

X гп1п

х м

Рис. 6 Расположение последующих датчиков

5. После определения координат датчика по оси ОУ необходимо провести расчет минимальной ширины облака. Для этого используется следующая формула из методики с учетом максимально возможной скорости ветра

су = ¡2 с. (21)

где ^ - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости ветра и (м/с) и отношения Ух по значению аргумента 1У:

. «У

при и £ 5 ;

л

5у2

при и > 5 .

(22) (23)

по формуле

52 = 7-Х--й- • (24)

(1 +5/,+ 12,8^ +17^+45,и;)

Для получения ширины облака (а1) необходимо из приведенного выражения с помощью численных методов отыскать у.

(1 + 51у + 12,8*,1 + 17/у + 45,1 = с/сш. (25)

Ширина облака определяется, как d = 2у.

5. Следующим шагом является определение угла а (рис. 7), который определятся выражением

6. После того как определен угол а, необходимо расставить датчики по всей окружности радиуса х (см. п. р„с. 7 Определение угла а 1). Для этого, необходимо

взять такое ближайшее целое число Ь меньшее —, на которое делилось бы без

а

остатка число 360.

После чего, необходимо разделить окружность на секторы с углом Ь. В точках пересечения окружности с прямыми, проведенными через центр под углом Ъ и будут расположены посты, производящие замеры.

После того, как разработана методика поддержки принятия решений, направленных на снижение концентрации выбросов в атмосферу вредных веществ в автоматизированной системе управления технологическими процессами, разработан метод определения эффективного расположения постов проводящих замеры концентраций вредных веществ и разработан метод выявления предприятия-загрязнителя, необходимо на основе полученных методик реализовать алгоритмы для использования в автоматизированной системе мониторинга состояния загрязнения воздуха и подсистеме выдачи рекомендаций по поддержке принятия решений, направленных на снижение концентрации выбросов веществ.

Третья глава посвящена разработке структуры, алгоритмического обеспечения и выделению подсистем в автоматизированной системе оценки состояния загрязнения воздуха, на основании рекомендаций которой, регулируются выбросы вредных веществ в атмосферу.

Автоматизированная система оценки состояния загрязнения воздуха состоит из нескольких частей (рис. 8):

- программно-аппаратные посты сбора информации о концентрации вредных веществ, которые представляют из себя группу датчиков для осуществления измерений и компьютер со специальным программным обеспечением (ПО) управляющим постом;

- подсистема передачи и хранения информации на центральном сервере, на котором установлены сервер баз данных (БД) и специализированное программное обеспечение для передачи данных по различным каналам связи;

- подсистема поддержки принятия решений, направленных на снижение концентрации вредных веществ формирует рекомендации на основании анализа информации, полученной с помощью других подсистем.

На стационарных постах происходит сбор информации посредством разбора данных с последовательного порта с помощью регулярных выражений. Происходит разбор данных и первичная обработка, после чего они записываются в локальную базу данных. Данная подсистема должна располагаться на рабочей станции (компьютере пользователя) и сохранять показания датчиков с учетом времени и даты.

Рис. 8 Структура автоматизированной системы оценки состояния загрязнения воздуха

Датчики, входящие в аппаратную часть данной системы, позволяют

осуществлять замеры

концентрации таких веществ как: оксид углерода (СО), диоксид серы (S02), оксиды азота (N02), пыли и других газов. Каждый датчик имеет свой идентификатор Датчик 1, Датчик 2 и т.д. Кроме того, каждый пункт сбора информации имеет свой уникальный идентификатор, который позволяет различить информацию, поступающую на сервер по пунктам.

Подсистема передачи и хранения информации предназначена для передачи информации с поста на сервер, на котором она записывается в серверную БД. В настоящее время распространено несколько разновидностей коммуникационных каналов, поэтому работа подсистемы может осуществляться в различных режимах. Подсистема передачи и хранения информации, в виде специальной службы операционной системы, через определенный интервал времени осуществляет опрос постов и записывает данные из локальной БД на сервер. После чего, удаляет данные из локальной БД. Для хранения данных система должна использовать два вида СУБД Microsoft SQL Server или Oracle.

Подсистема поддержки принятия решений осуществляет вывод параметров

технологического процесса для метеоусловий схожих с текущими. Кроме того, подсистема обеспечивает наглядное представление распределений концентраций вредных веществ над прилегающей территорией на основании данных, полученных с постов мониторинга. На мониторе оператора

»Иотвраап опроса

»ОпросигьПортО Записатч.Резупыат{)

Журнал Регистрации

►ИнтераалХрэиения »ИдантификаторЗамера

»Сохранить!) ПослатьНаСврверО »УдалитьО

»Номер »Скорость

ЛоследомтельныйПорт

-ПолучитъДанныв() -ОтправктъДэнные(1п Строка} »■ОпфытъО ♦Закрыты;)

Замер

•Идентификатор ♦Дата ►Время * Идект йфжзтор&еидаствэ »Значение »Команда

•ЗалисатьО

•■BwnOilHHTfrfl

+Рвзобр«ггъО •УстаноаитьЦветЩилыО

вещество

Идентификатор »Название №

»Регулярное выражение

+ЛолучитьВыражение()

Рис. 9 Диаграмма классов подсистемы обработки информации

отображается электронная карта или схема, на которых отображаются точки в которых осуществляются замеры и поля загрязнения, построенные по моделям Сеттона.

На основании объектно-ориентированного подхода, был проведен анализ элементов из которых состоят подсистемы автоматизированной системы оценки состояния загрязнения воздуха, в следствии которого, из подсистемы были

выделены объекты и составлены UML-диаграммы классов. Диаграмма классов подсистемы обработки информации представлена на рис. 9. После концептуального описания работы системы были составлены алгоритмы работы всех ее частей и алгоритмы методик поддержки принятия решений и выделения источника загрязнения, разработанных в главе 2.

В четвертой главе приводится краткое описание работы с системой, приводится пример работы и описываются результаты внедрения системы.

На основании разработанных алгоритмов, была создана автоматизированная система мониторинга состояния загрязнения воздуха, которая состоит из следующих частей:

1. На постах, производящих замеры концентраций вредных веществ устанавливается программа "Wingasan", которая считывает значения концентраций вредных веществ и метеопараметров, после чего, записывает эти значении в локальную БД.

2. Настройка поста осуществляется с помощью специальной программы "GasanAdmin".

3. Для поддержки принятия решений по регулированию выбросов и отображения полей Рис. 10 Программа "Monitor" распространения вредных веществ используется программа "Monitor" (рис. 10)

Результаты наблюдений одного из постов, расположенных на ОАО "Тулачермет" представлены в виде графика на рис. 11.

Благодаря информации, полученной при использовании метода определения вклада каждого источника выброса вредных веществ в общий выброс, позволяющий выделить источники с предельно допустимыми выбросами, на ОАО "Тулачермет" был осуществлен ввод в работу в цехе № б аспирации на обжиговой печи известняка, после чего, выброс вредных веществ на этом участке уменьшился на 30%. По результатам производимых системой измерений,

контролирующими этот участок,

после проведенных мероприятий, для оксида углерода (СО) среднее за сутки

Рис. 11 Результаты замеров за сутки

значение концентрации составило 3,1 мг/м3, для диоксида серы (БОг) - 0,25 мг/м3, для диоксида азота (N02) - 0,1 мг/м3. В то время как предельно-допустимые концентрации, при которых в организме человека не происходит рефлекторных реакций, для данных веществ составляют: для СО - 5 мг/м3, для 50г - 0,5 мг/м , для Ш2-0,4 мг/м3.

Кроме того, на основании рекомендаций системы удалось снизить на 8% выбросы источников в цехах 17 и 18.

Передвижная лаборатория ОАО "Тулачермет" проводила проверку достоверности показаний автоматизированной системы мониторинга, в ходе которой, были зафиксированы расхождения на уровне погрешности приборов. Отклонение расчетных значений от измеряемых составило 15%.

Еще одним важным применением результатов проведенной работы, является внедрение модуля расчета и отображения распространения загрязнений в управление ГО и ЧС по Тульской области. Программный комплекс является реализацией геоинформационной системы для прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с разливом АХОВ и предназначен для построения сектора возможного заражения на электронной карте местности.

Для учебных целей и наглядного моделирования последствий чрезвычайных ситуаций, созданные системы были внедрены в учебный процесс на кафедре АОТиОС в курс "Информационные технологии в экологии", что позволило студентам приобрести практические навыки по проведению расчетов приземных концентраций загрязняющих веществ и получить экологические и метеорологические параметры, необходимые для практических занятий, выполнения курсовых работ и дипломных проектов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертационной работе решена задача снижения производственными процессами выбросов вредных веществ в атмосферу, путем использования в автоматизированной системе управления производственными процессами информации, выдаваемой автоматизированной системой мониторинга состояния загрязнения воздуха, контролируемого распределенными по подвергаемой загрязнению территории постами измерения концентрации вредных веществ, с учетом метеорологических параметров и учетом вклада каждого источника в общий выброс, что имеет важное значение в области автоматизации и управления технологическими процессами и производствами на основе экологических показателей.

Основными результатами работы являются следующие:

1. Разработана методика для поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, учитывающая информацию, полученную с помощью автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха.

2. Разработан метод определения вклада каждого источника выброса вредных веществ в общий выброс в атмосферном воздухе, позволяющего выделить источники с предельно допустимыми выбросами и использовать полученную информацию при принятии решений в автоматизированной системе управления

технологическим процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, выбрасываемых этими источниками.

3. Разработан метод определения расположения постов измерения концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферного воздуха, который в отличии от существующих методов, позволяет определять степень загрязнения территории при изменяющейся мощности выброса источника и меняющихся метеорологических параметрах.

4.' На основании созданных методов и методик было разработано алгоритмическое обеспечение автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха.

5. На основании разработанных алгоритмов была создана программная часть автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха.

6. Разработанный программно-аппаратный комплекс внедрен в ОАО "Тулачермет", с помощью которого, на участке обжига известняка удалось сократить суммарный выброс газообразных веществ на 30% в год. На основании рекомендаций системы удалось снизить на 8% выбросы источников в цехах 17 и 18.

7. Модуль расчета и отображения распространения загрязнений внедрен в управлении ГО и ЧС по Тульской области в составе системы прогнозирования последствий разлива АХОВ.

8. Для учебных целей и наглядного моделирования последствий чрезвычайных ситуаций система была внедрена в курс "Информационные технологии в экологии" учебного процесса кафедры АОТиОС.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО

В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Бизикин A.B. Структура системы сбора и обработки экологической ингформации / В.Г. Павпсртов, A.B. Бизикин, М.В. Панарин, H.H. Тюрин, И.В. Стребков // Известия Тульского государственного университета. Серия «Экология и рациональное природопользование». Вып. 1. - 2004. - С. 252-256.

2. Бизикин A.B. Структура интерфейса системы сбора и обработки экологической ингформацин / М.В. Панарин, H.H. Тюрин, И.В. Стребков, A.B. Бизикин И Известия Тульского государственного университета. Серия «Экология и рациональное природопользование». Вып. 1. - 2004. - С. 256-261.

3. Бизикин A.B. Автоматизированная система сбора и отображения экологической информации в AutocadMap 2000i / Под общей редакцией В.М. Панарина // Доклады III Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях». - Тула, 2005. - С. 105-106.

4. Бизикин A.B. Программный комплекс информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, возможных при разливе аварийно-химически опасных веществ / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, A.A. Зуйкова, A.B. Бизикин // Безопасность жизнедеятельности.-2005.-№9.-С. 9-13.

5. Бизикин A.B. Автоматизированная система прогнозирования последствий разлива АХОВ / Под общей редакцией Э.М. Соколова // Доклады 5-й региональной

научно-практической конференции «Современные проблемы экологии и рационального природопользования». - Тула, 2006. - С. 162-164.

6. Бизикин A.B. Информационная система сбора и отображения экологической информации в AutocadMap 2000i / A.B. Бизикин, Э.В. Рощупкин // Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и рациональное природопользование». Выпуск 2. - 2006. - С. 206-210.

7. Бизикин A.B. Использование возможностей современных ГИС для создания автоматизированных экологических систем / A.B. Бизикин // Известия Тульского государственного университета. Серия: «Физико-математические основы геодинамических процессов и их практические приложения». Выпуск 3. -2006.-С. 241-244.

8. Бизикин A.B. Безопасность и риск при техногенных воздействиях: монография. / В.М. Панарин [и др.], - Тула: Из-во ТулГУ, 2006. - 164 с.

9. Бизикин A.B. Автоматизированная система контроля качества атмосферного воздуха / А.Г. Щендрыгин, A.B. Костиков, В.М. Панарин, A.B. Бизикин // Экология производства. - 2007. - №10. - С. 58-62.

10. Бизикин A.B. Автоматизированная система экологического мониторинга атмосферы при выбросах вредных веществ / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, A.A. Зуйкова, A.B. Бизикин I! «Информационные технологии». -2008 г.- №4.- С. 115-119.

11. Бизикин A.B. Принципы построения автоматизированной системы -экологического мониторинга при выбросах вредных веществ/ A.B. Бизикин [и др.] II Экологически устойчивое развитие центрального федерального округа: докл. науч.-практ. Форума / Под общ. ред. Д.т.н., проф. В.М. Панарина - Тула, 2008. - С. 173— 180.

12. Бизикин A.B. Автоматизированная система экологического мониторинга / Под общей редакцией В.М. Панарина И Доклады IV Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии».-Тула, 2008.-С. 130-131.

Отпечатано с готового оригинал-макета в ГУП - Издательство «Левша». 300041, г. Тула, ул. Каминского, 33. Изд. № 210. Тир. 100-2008

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОНИТОРИНГА В 03ДУХА

1.1 Структура систем мониторинга загрязнения воздуха промышленно развитых территорий

1.2 Обзор автоматизированных систем мониторинга воздуха, используемых на промышленных предприятиях

1.3 Методы оценки состояния воздуха промышленно опасных объектов применяемые в автоматизированных системах мониторинга воздуха

1.4 Постановка задачи

ГЛАВА II СТРУКТУРА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И АНАЛИЗА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

2.1 Разработка обобщенной структуры автоматизированной системы сбора и анализа экологической информации

2.2 Структура математической модели системы сбора, обработки и отображения экологической информации

2.3 Методика определения расположения постов проводящих измерения

2.4 Выводы

ГЛАВА III АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ СБОРА, ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

ИНФОРМАЦИИ

3.1 Основные элементы системы

3.2 Подсистема сбора информации

3.3 Подсистема передачи и хранения информации

3.4 Подсистема выдачи рекомендаций и отображения информации

3.5 Алгоритмы аппаратной части системы

3.6 Выводы

ГЛАВА IV ОПИСАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ

СИСТЕМЫ СБОРА, ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ 88 ИНФОРМАЦИИ

4.1 Основные элементы программного комплекса

4.2 Внедрение системы на ОАО "Тулачермет"

4.3 Внедрение модуля расчета и отображения распространения загрязнений в Главном управление по делам ГО и ЧС по Тульской 101 области

4.4 Внедрение системы в учебный процесс кафедры АОТиОС 108 4.5. Выводы

В результате различных процессов происходящих на современных производствах, в атмосферу выбрасывается огромное количество загрязняющих веществ, оказывающих вредное воздействие на человека. Со стороны экологических служб предприятий все большее внимание уделяется проблеме оценки степени воздействия производственных процессов на окружающую среду. Так на предприятиях внедряются различные системы мониторинга атмосферного воздуха, в том числе и автоматизированные, которые позволяют определить картину загрязнения прилежащих территорий.

Для регулирования выбросов вредных веществ на основании информации о распределении их концентраций необходимо, чтобы полученная информация о распределении концентрации была достоверной. Достоверность полученной информации обеспечивается использованием высокоточных датчиков на постах измерения, методикой расположения этих постов, а также моделями позволяющими определять поля распространения загрязнения по точечным замерам при различных метеорологических параметрах.

В современных автоматизированных системах мониторинга состояния загрязнения воздуха используются модели, разработанные такими известными учеными как М.Е. Берлянд, Р.И. Оникул, JI.P. Сонькин, Н.Н. Калиткин, Н.В. Карпенко, Ю.С. Беликов, А.Б. Дьякова, Г.А. Тульчинский. Модели позволяют по точечным замерам концентраций восстанавливать текущую картину распределения вредных веществ в атмосфере и на основе этих данных установить взаимосвязь между параметрами технологического процесса и состоянием территории, над которой распространяется выброс, что в будущем может быть использовано для принятия решений направленных на регулирование выбросов предприятием. Разработке автоматизированных систем мониторинга состояния воздуха посвящены работы А.А. Любимова, О.В. Кондракова, A.M. Погорелого.

На большинстве производств существует несколько источников загрязнения, поэтому еще одной важной задачей при регулировании выбросов в атмосферу, является определение вклада каждого источника в общий выброс - это необходимо для однозначного определения источника, параметры которого необходимо регулировать.

Основным недостатком использования систем мониторинга на предприятиях, является то, что полученная с их помощью информация не учитывается при управлении технологическими процессами, что связано с отсутствием моделей, описывающих взаимосвязь между параметрами технологического процесса и распределением концентрации вредных веществ, выделяемых в атмосферу в результате этого процесса, а так же с отсутствием диалоговых подсистем, включенных в состав автоматизированных систем управления технологическими процессами, позволяющих на основе полученных данных о концентрации вредных веществ обеспечить поддержку принятия решений по регулированию выбросов в атмосферу.

Целью работы является снижение выбросов в атмосферу производственными процессами, использующими автоматизированные системы управления, на основании информации, полученной с помощью автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха, определяющей степень загрязнения территории по показаниям метеостанции и постов мониторинга, осуществляющих непрерывные замеры концентраций вредных веществ.

Задачи. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

1. Обзор существующих систем мониторинга состояния загрязнения воздуха, используемых в составе систем управления производственным процессом для принятия решений по регулированию выбросов.

2. Разработка методики для поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, учитывающая распределение концентраций по загрязняемой территории, в соответствии с метеорологическими параметрами и показаниями непрерывных точечных замеров датчиков, осуществляемых автоматизированной системой мониторинга состояния загрязнения воздуха.

3. Разработка метода определения вклада каждого источника выброса вредных веществ в общий выброс в атмосферном воздухе, позволяющего выделить источники с предельно допустимыми выбросами и использовать полученную информацию при принятии решений в автоматизированной системе управления технологическим процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, выбрасываемых этими источниками.

5. Разработка метода определения расположения постов измерения концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферного воздуха, который позволяет определять степень загрязнения территории при изменяющейся мощности выброса источника и меняющихся метеорологических параметрах.

6. Разработка алгоритмического и программного обеспечения автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха, проведение экспериментальных исследований

7. Внедрение автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха, в производственный процесс для повышения эффективности процедур принятия решений, направленных на снижение концентрации вредных веществ.

Объектом исследования является взаимосвязь между процессами загрязнения атмосферы вредными веществами, выделяемых промышленными производствами над прилегающей территорией и механизмами регулирования выбросов вредных веществ с помощью изменения параметров технологических процессов в автоматизированной системе управления технологическими процессами на производствах.

Предметом исследования являются алгоритмы, методы и модели, описывающие процесс учета вредного воздействия загрязняющих веществ на атмосферу прилегающих территорий при управлении производством с помощью автоматизированных систем управления технологическим процессами.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы теории автоматического управления, теории информационных систем и процессов, математического моделирования, теории принятия решений, методов оптимизации, имитационного и натурного экспериментов.

Наиболее существенные результаты, полученные лично соискателем:

1. Методика для поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, учитывающая распределение концентраций по загрязняемой территории, в соответствии с метеорологическими параметрами и показаниями непрерывных точечных замеров датчиков, осуществляемых автоматизированной системой мониторинга состояния загрязнения воздуха.

2. Метод определения вклада каждого источника выброса вредных веществ в общий выброс в атмосферном воздухе, позволяющий выделить источники с предельно допустимыми выбросами и использовать полученную информацию при принятии решений в автоматизированной системе управления технологическим процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, выбрасываемых этими источниками.

3. Метод определения расположения постов измерения концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферного воздуха, который позволяет определять степень загрязнения территории при изменяющейся мощности выброса источника и меняющихся метеорологических параметрах.

Новизна научных результатов заключается в раскрытии структурно-функциональной взаимосвязи между процессом автоматизированного мониторинга состояния загрязнения воздуха, контролируемого распределенными по подвергаемой загрязнению территории постами измерения концентрации вредных веществ с учетом метеорологических параметров и процедурами принятия решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, выделяемых различными источниками, с учетом вклада каждого из них в' общий выброс.

Достоверность полученных в работе положений, выводов и рекомендаций обосновывается математической корректностью постановки задач и методов их решения, высокой сходимостью расчетных и экспериментальных данных и положительным опытом внедрения разработанной автоматизированной системы.

Отличие результатов работ от работ других авторов. Разработанная методика для поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на 'снижение концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, отличается от методики предложенной А.А. Любимовым, тем что, учитывает процессы рассеивания вредных веществ над прилежащей территорией и не основывается только на результатах точечных замеров, производимых непосредственно в местах выброса вредных веществ.

Значение работы для теории и практики. Разработана новая методика поддержки принятия решении, направленных на регулирование выбросов вредных веществ в атмосферу промышленными предприятиями, учитывающая распределение вредных веществ по загрязняемой территории в зависимости от метеорологических параметров с использованием информации непрерывных точечных замеров.

Рекомендации об использовании результатов диссертационного исследования. Проведенные в работе теоретические исследования представляют собой методическую основу для создания автоматизированных систем мониторинга состояния загрязнения воздуха, с распределенными по загрязненной территории постами измерения концентрации вредных веществ и возможностью выделения источника-загрязнителя из группы, используемых в составе автоматизированных систем управления производствами для принятия решений направленных на снижение концентрации выбросов вредных веществ. Разработанный метод определения расположения постов измерения концентрации вредных веществ, позволяет получать достоверные данные при изменяющихся метеорологических параметрах и мощностях источников выбросов, во время анализа загрязнения территории экологическими службами.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах: «Современные проблемы экологии и рационального природопользования» (Тула, 2006 г); «Информационные системы и модели в научных исследованиях» (Тула, 2005 г); «Информационные системы и модели в научных исследованиях промышленности и экологии» (Тула, 2008 г); «Экологически устойчивое развитие центрального федерального округа» (Тула, 2008 г).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из них 6 в изданиях из списка рекомендованных ВАК.

4.5 Выводы

В результате проведенной работы был создан программно-аппаратный комплекс, который состоит из программы выдачи рекомендаций по снижению выбросов, программы отображения загрязнения, программ настройки серверной части и программ сбора информации на локальном посту мониторинга.

Программы позволяют в реальном времени позволяет наблюдать за состоянием загрязнения воздуха на ОАО "Тулачермет" и прилегающей территории и выдавать рекомендации по поводу снижения выброса. В результате внедрения системы были проведены работы по расчету расположения постов мониторинга, а также установка метеостанций и постов измерения концентрации вредных веществ .

Модуль расчета загрязнений внедрен в составе автоматизированной системы прогнозирования последствий разлива вредных веществ в Главном управлении ГО и ЧС по Тульской области и используется для оперативных расчетов при авариях и проведения расчетов при учениях.

Для учебных целей, созданная система внедрена на кафедре АОТиОС в курс "Информационные технологии в экологии" и позволяет наглядно отображать картины распространения загрязнений, а также снабжает студентов и преподавателей экологическими и метеоданными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена задача снижения производственными процессами выбросов вредных веществ в атмосферу, путем использования в автоматизированной системе управления производственными процессами информации, выдаваемой автоматизированной системой мониторинга состояния загрязнения воздуха, контролируемого распределенными по подвергаемой загрязнению территории постами измерения концентрации вредных веществ, с учетом метеорологических параметров и учетом вклада каждого источника в общий выброс, что имеет важное значение в области автоматизации и управления технологическим процессами и производствами на основе экологических показателей.

Основными результатами работы являются следующие:

1. Разработана методика для поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления производственным процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, учитывающая информацию, полученную с помощью автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха.

2. Разработан метод определения вклада каждого источника выброса вредных веществ в общий выброс в атмосферном воздухе, позволяющего выделить источники с предельно допустимыми выбросами и использовать полученную информацию при принятии решений в автоматизированной системе управления технологическим процессом, направленных на снижение концентрации вредных веществ, выбрасываемых этими источниками.

3. Разработан метод определения расположения постов измерения концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферного воздуха, который в отличии от существующих методов, позволяет определять степень загрязнения территории при изменяющейся мощности выброса источника и меняющихся метеорологических параметрах.

4. На основании созданных методов и методик было разработано алгоритмическое обеспечение автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха.

5. На основании разработанных алгоритмов была создана программная часть автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха.

6. Разработанный программно-аппаратный комплекс внедрен в ОАО "Тулачермет", с помощью которого, на участке обжига известняка удалось сократить суммарный выброс газообразных веществ на 30 % в год. На основании рекомендаций системы удалось снизить на 8% выбросы источников в цехах 17 и 18.

7. Модуль расчета и отображения распространения загрязнений внедрен в управлении ГО и ЧС по Тульской области в составе системы прогнозирования последствий разлива АХОВ.

8. Для учебных целей и наглядного моделирования последствий, чрезвычайных ситуаций система была внедрена в курс "Информационные технологии в экологии" учебного процесса кафедры АОТиОС.

1. Автоматизация процессов принятия решений в системах управления /В.С.Симанков, Ю.К.Лушников, В.А.Морозов и др.: Аналитический обзор, 1970-1985 гг., № 4087. М.: ЦНИИТЭИ, 1986. - 42 с.

2. Автоматизация контроля и прогнозирование загрязненности воздуха// Материалы IV Всесоюзной конференции АН Укр ССР// Ин-т техн. теплофизики. Киев: Наукова думка, 1985. - С. 252-256.

3. Автоматизированные системы управления в народном хозяйстве /Под ред. В.С.Синяка. М.: Экономика, 1987. - 125 с.

4. Адрющенко В.А. Теория систем автоматического управления. -Л.: ЛГУ, 1990.-251 с.

5. Андреев Н.И. Теория статистически оптимальных систем управления. — М.: Наука, 1980. 155 с.

6. Антонюк Б.Д. Информационные системы в управлении. М.: Радио и связь, 1986. - 125 с.

7. Агапов А.А. О создании автоматизированной информационно-управленческой системы регулирования промышленной безопасности/ Агапов А.А. // Безопасность труда в промышленности. 2001. - № 6. - С.4.

8. Агапов А.А Принципы построения автоматизированной информационно-управляющей системы регулирования промышленной безопасности/ Агапов А.А // Безопасность труда в промышленности. 2000. — № 6. — С.15-19.

9. Алексеев А.А. Способы реализаций управлений в задачах экологической диспетчеризации / А.А. Алексеев, О.В. Кондраков, Д.Г. Аведова // Труды ТГТУ: Сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. -Тамбов, 1998.-С. 36-39.

10. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. — М.: Высшая школа, 1989. — 447 с.

11. Байков И.П. Автоматизированные системы управления технологическими процессами: Учебное пособие. Кострома: Изд-во Костромского государственного технологического университета, 2000 — 181с.

12. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 768 с.

13. Берталанфи JI. фон. Общая теория систем — критический обзор// Системные исследования: Ежегодник, 1969. М.: 1969, - С. 23-95.

14. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. — Ленинград: Техническая книга, 1985. 272 с.

15. Бизикин А.В. Безопасность и риск при техногенных воздействиях: монография. / В.М. Панарин и др., Тула: Из-во ТулГУ - 2006.- 164 с.

16. Бизикин А.В. Автоматизированная система контроля качества атмосферного воздуха / А.Г. Щендрыгин, А.В. Костиков, В.М. Панарин, А.В. Бизикин // «Экология производства». №10, 2007 г. — С.58-62.

17. Бизикин А.В. Автоматизированная система экологического мониторинга атмосферы при выбросах вредных веществ / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова, А.В. Бизикин // «Информационные технологии». №4, 2008 г. С. 115-119.

18. Бир Ст. Кибернетика и управление производством. М.: Физматгих, 1963.-275 с.

19. Бройдо В.П. Научные основы организации управления и построения АСУ /Под. ред В.П. Бройдо, B.C. Крылова. Изд. 2-е, перераб. и доп. -М.: Высшая школа, 1990. 320 с.

20. Вагин В.Н. Дедукция и обобщение в системах принятия решений. -М.: Наука, 1988,-384 с.

21. Вагнер Г. Основы исследования операций. -М.: Мир, 1972'; -210 с.

22. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. -М.: Наука, 1988. -250 с. ■ -. *

23. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа. СПб., 1997. - 510 с.- >L ,

24. Горохов В.Г. Системотехника и управление. — М.: Знание, 1979.56с.

25. ГОСТ 17.2.3.02-78 ОХРАНА ПРИРОДЫ. АТМОСФЕРА. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями.

26. ГОСТ 19675-74. Автоматизированные системы управления. Основные положения. Термины и определения. -М.: Изд-во стандартов, 1974. -5 с.

27. Гэйн К., Сарсон Т. Структурный системный анализ средства и методы. В 2-х частях. Пер. с англ. под ред. А. В. Козлинского. М.: Эйтекс, 1993 г.

28. Доброчив О.В. Методы расчета распространения аварийных выбросов промышленных предприятий. Обзор состояния исследований /

29. Доброчив О.В. // Российский химический журнал. — 1994. Т.38. — № 3. — С.97-102.

30. Донченко В.К. Экометрия: системно-аналитический метод эколого-экономической оценки и прогнозирования потенциальной опасности техногенных воздействий на природную среду / Донченко В.К. // Инженерная экология. 1996. - № 3. - С.45-61.

31. Егоров А.Ф. Методы идентификации мгновенных аварийных источников загрязнения атмосферного воздуха / Егоров А.Ф., Савицкая Т.В., Дударов С.П. // Химическая технология, 2002, №10. — С. 41-46.

32. Закон Российской Федерации "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения". 1991 года.

33. Закон Российской Федерации "Об экологической экспертизе". 2000года.

34. Закон Российской Федерации "Об отходах производства и потребления". 2003 года.

35. Иванов Б.С. Информационное обеспечение как резерв улучшения охраны окружающей природной среды / Иванов Б.С. // Экология и промышленность России. -1998. № 4.- С.36-40.

36. Калинкин Н.Н. Математические модели природы и общества: М.: ФИЗМАЛИТ, 2005. - 360 с.

37. Кондраков О.В. Построение "адресной" системы мониторинга, основанной на использовании статистических методов / О.В. Кондраков // Труды ТГТУ: Сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. Тамбов, 1999. Вып. 3. С. 66-71.

38. Кондраков О.В. Моделирование распространения сильнодействующих ядовитых веществ при их выбросе в атмосферу / О.В. Кондраков //Труды ТГТУ: Сб. науч. стат. молодых ученых и студентов. Тамбов, 2000. Вып. 6. С. 49-55.

39. Кондраков О.В. Диспетчерское управление качественным состоянием воздушного бассейна в промышленных центрах / О.В. Кондраков // V науч. конф. ТГТУ: Тез. докл. Тамбов, 2000. С. 72-73.

40. Кондраков О.В. Метод построения "пеленгатора" аномально работающих источников загрязнения тропосферы / О.В. Кондраков, Н.С. Попов, А.А. Алексеев, A.M. Скляревский // Тр. молодых ученых и студентов ТГТУ. Тамбов, 1997. Вып. 1. С. 4-7.

41. Кондраков О.В. Классификация ситуаций загрязнения воздушного бассейна с помощью искусственных нейронных сетей / О.В. Кондраков // Вестник ТГТУ. 2002. - Т. 8, № 4. - С. 577-582.

42. Кононов Д.А. Экологический менеджмент: сценарии развития объектов и управление экологической обстановкой / Кононов Д.А., Кульба В.В. // Инженерная экология, 1996, №6. с.78-99.

43. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968. - 832 с.

44. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация и комплексная механизация химико-технологических процессов» М.: Машиностроение, 1983. - 424 с.

45. Ларичев О.И. Наука и искусство принятия решений. М: Наука, 1979.-200 с.

46. Левин Р., Дранг Д., Эделсон Б. Практическое введение в технологию искусственного интеллекта и экспертных систем с иллюстрациями на Бейсике. М.: Финансы и статистика, 1990. - 239 с.

47. Лелюк В.А. Проектирование, управление и обучение с использованием банков знаний: Учеб. пособие. Киев: УМК ВО, 1989. -124с.

48. Литвак Б.Г. Экспертная информация. Методы получения и анализа.-М.: Радио и связь, 1982. 184 с.

49. Луценко Е.В. Универсальная автоматизированная система распознавания образов "ЭЙДОС": опыт и перспективы применения //Состояние и связи криминалистики и теории оперативно-розыскной деятельности ОВД: Сб. науч. тр. Краснодар.: ЮОИ МВД РФ, 1995. С.45-57.

50. Любимов А.А. Экологическая оптимизация технологических процессов ультразвуковой механической обработки материалов // Журнал «Безопасность жизнедеятельности», М: «Новые технологии» - № 01 -2007г.

51. Марчук А.Г. Применение географических информационных систем для моделирования природных и антропогенных катастроф / Марчук А.Г. // Вычислительные технологии. -1996. Т.1. — № 3. — С. 11-12.

52. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. — М.: Госкомгидромет РФ, 1986.-76 с.

53. Мотаев И.Л. Опыт использования информационных технологий для повышения эффективности работы / Мотаев И.Л., Корнеев Ю.В. // Безопасность труда в промышленности. — 1999. — № 11. — С.20.

54. Методическое пособие по выполнению сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий и автотранспорта города (региона) и их применению при нормироании выбросов.

55. Мамиконов А.Г. Управление и информация. -М.: Наука, 1975. -207с.

56. Мильнер Б.З. и др. Системный подход к организации управления. -М.: Экономика, 1983. 224 с.

57. Моделирование процессов обработки информации и управления. -М.: МФТИ, 1990.-158 с.

58. Модин А.А. Основы разработки и развития АСУ. М.: Наука, 1981. -330 с.

59. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981 г.

60. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.-488 с.

61. Моррис У. Наука об управлении. Байесовский подход. М.: Мир, 1971.-282 с.

62. Мулен Э. Кооперативное принятие решений: аксиомы и модели. — М: Мир, 1991.-464 с.

63. Нейман Е.Я. Экоаналитические информационные системы в контроле объектов окружающей среды / Нейман Е.Я. // Журнал аналитической химии. 1994. - Т.49. - № 9. - С. 13-17.

64. Негойце К. Применение теории систем к проблемам управления. -М.: Мир, 1981.-180 с.

65. Новоселов А.В. Управление территорией: системы поддержки решений по вопросам БЖД и экологии / Новоселов А.В. // Проблемы экологии Южного Урала. 1996. - № 3. - С. 34-36.

66. Новаковский Б.А. Создание эколого-гидрогеологических карт с помощью средств иллюстративной графики / Новаковский Б.А., Савельев А.Ф., Астахов Д.Г., Тульская Н.И. // Экология и промышленность России. -1998. -№ 11. С. 18-23.

67. О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации.: Государственный доклад Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды, 1997-2000.// http:\\www.ecocom.ru.

68. Орлов А.И. Прикладная теория измерений. В кн.: Прикладной многомерный статистический анализ. М.: Наука, 1978. - С. 68 - 138.

69. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой информации. -М.: Наука, 1981. -206 с.

70. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при расплывчатой информации. -М.: Наука, 1981. 370 с.

71. Пат. № 940328 РФ. Универсальная автоматизированная система анализа, мониторинга и прогнозирования состояний многопараметрических динамических систем "ЭЙДОС-Т" /Е.В. Луценко (Россия); Заяв. № 940324. Опубл. 18.08.94.

72. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика.- М. Наука, 1986.- 288 с.

73. Попов Н.С. Диспетчеризация состояния воздушного бассейна в промышленных районах / Н.С. Попов, О.В. Кондраков // Тез. докл. междунар. науч.-метод. конф. Липецк, 1997. С. 10-12.

74. Попов Н.С. Проблемы диспетчеризации загрязнений природо-промышленных систем / Н.С. Попов, А.А. Алексеев, О.В. Кондраков // Экология-98: Тез. докл. науч.-техн. конф. 1998. С. 111-114.

75. Попов Н.С. Применение искусственных нейронных сетей для систем прогноза загрязнения воздушного бассейна / Н.С. Попов, О.В. Кондраков // Вестник ТГТУ. 2002. Т. 8, № 2. С. 219-227.

76. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическяа статистика. -М.: Наука, 1979.- 495 с.

77. Пфанцагль И. Теория измерений,- М.: Мир, 1976. 248 с.

78. Пшеничный Б.Н., Данилин Ю.М. Численные методы в экстремальных задачах. М.: Наука, 1975. - 370 с.

79. Руководство по контролю источников загрязнения атмосферы. НД-90. Части 1 и 2. Санкт-Петербург . 1992 год.

80. Симанков B.C., Луценко Е.В. Синтез адаптивных АСУ сложными системами с применением моделей распознавания образов //Автоматизация и современные технологии. 1999. № 1. С. 32-37.

81. Смилянский Г.Л. Какая АСУ эффективна? (Руководителю об автоматизированных системах управления). -М.: Экономика, 1988. — 303 с.

82. Соколов Э.М. Экологическая обстановка и здоровье населения Тульской области: приложение к учеб. пособию / Соколов Э.М. и др. -Тула, 2000. 248 с.

83. Таха, Хемди А. Введение в исследование операций, 7-е издание.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом "Вильяме", 2005. 912 с.

84. Фатуев В.А. Автоматизированное управление в чрезвычайных ситуациях: Учебное пособие / В.А. Фатуев, К.А. Морозов, А.С. Югфельд. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 204 о.

85. Федеральный закон № Иб-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997 г.

86. Федеральный Закон "Об охране окружающей природной среды". 1991 года.

87. Федеральный Закон "Об охране атмосферного воздуха". 1982 г.

88. Хомяков Д.М. Совершенствование информационных технологий при оценке воздействия на окружающую среду для объектов нефтегазового комплекса / Хомяков Д.М. // Строительство трубопроводов. 1996. - №3. — С.30-32.

89. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование.: Учеб. пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 438 с.

90. Хемминг Р.В. Численные методы: для научных работников и инженеров: Пер. с англ. -М.: Наука, 1972. 400 с.

91. Хорошевский В.Ф. Автоматизация программирования экспертных систем. М.: МИФИ, 1988. - 64 с.

92. Четвериков В.Н., Ревунков Г.И., Самохвалов Э.Н. Базы и банки данных. М.: Высшая школа, 1987. - 210 с.