автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Динамические модели прогноза загрязнений для информационных систем экологического производственного мониторинга



Московская Государственная Академия Тонкой Химической Технологии им.М.В. Ломоносова

На правах рукописи

Марчуков Сергей Сергеевич

Динамические модели прогноза загрязнений для информационных систем экологического производственного мониторинга.

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (химическая технология).

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., проф. Корнюшко В.Ф, д.т.н., проф. Бахвалов Л.А.

Москва -1998 г.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................4

ГЛАВА 1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ...................................................9

1.1 Существующие Автоматизированные Системы Экологического Мониторинга......................................................9

1.2 Особенности функционирования систем.................................14

1.3 Проблемы прогнозирования загрязнений в АСЭМ промышленных предприятий. Формулировка задачи............20

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ...............................................25

2.1 Особенности физических процессов распространения загрязнений в воздушной среде промышленного пред приятия. 25

2.2 Математические модели динамики загрязнений...................29

2.3 Экспериментально - статистические модели динамики загрязнений.....................................................................................34

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ.........................................................................................40

3.1 Методы и алгоритмы построения динамических моделей методом наименьших квадратов................................................40

3.2 Последовательные методы оценивания параметров

^ динамических моделей................................................................47

3.3 Экспериментально-статистические модели объектов с распределенными параметрами.................................................50

3.4 Методы построения и анализа полиномиальных моделей загрязнения......................................................................................54

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОДСИСТЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

В АСЭМ......................................................................................................60

4.1 Функциональная структура подсистемы прогнозирования и принятия решений АСЭМ.............................................................60

4.2 Аппаратные средства реализации подсистем прогнозирования и принятия решений в АСЭМ......................65

4.3 Программное обеспечение подсистемы прогнозирования и принятия решений.........................................................................68

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ СОДЕРЖАНИЯ РАДОНА В АТМОСФЕРЕ ПРЕДПРИЯТИЯ.......................................................................................72

5.1 Особенности объекта экологического мониторинга................72

5.2 Регрессионные модели экологического мониторинга

содержания радона в атмосфере шахты......................................74

5.3 Регрессионные модели недельного прогноза динамики радона...............................................................................................78

5.4 Регрессионные модели недельного прогноза радона по

отдельной камере...........................................................................83

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................90

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................91

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время существенно возросла актуальность и значимость химического и радиохимического экологического мониторинга атмосферы промышленных предприятий. Это связано с тем, что с наличием химического и радиационного загрязнения атмосферы сталкивается большое число промышленных предприятий атомной энергетики, горнодобывающей и

горноперерабатывающей промышленности, промышленности

строительных материалов, причем для многих из них содержание в атмосфере концентраций загрязнений близка к критическим значениям. Одним из наиболее распространенных загрязнений воздушной среды, наряду с СО, СО2 и ЕСХНУ. является загрязнение радоном. Радон химически не активен, однако, широта его распространения в промышленности и опасность накопления на территориях предприятий (строительная индустрия, шахты, рудники и т.д.) привела к созданию как российской, так и крупных международных программ по изучению его воздействия на здоровье людей и выработке соответствующих методов и средств контроля за его концентрированием.

Системы радиационного и химического мониторинга в настоящее время интенсивно развиваются для экологическокого мониторинга атмосферы вокруг предприятий и на примыкающих территориях. Вопросы же создания систем экологического мониторинга внутренней атмосферы исследованы в настоящее время достаточно слабо. Кроме того, недостатком существующих систем мониторинга является то, что они, в основном, обеспечивают лишь наблюдение за параметрами экологической обстановки и их регистрацию. Для существенного повышения экологической безопасности предприятия, снижения риска воздействия опасного химического или радиационного загрязнения на работников

предприятия и населения прилегающих к ней территорий, большую роль играют подсистемы оперативного прогноза развития загрязнений, которые, на основе информации о развитии экологической обстановки, позволят выработать рекомендации для руководителей различного уровня.

Цель работы - разработка методов и моделей оперативного прогнозирования динамики концентрации загрязняющих веществ в атмосфере для информационных систем экологического производственного мониторинга предприятий. В диссертационной работе решаются следующие задачи:

• обзор существующих информационно-советующих автоматизированных систем экологического мониторинга атмосферы промышленных предприятий, их функциональных структур и режимов использования;

• анализ теоретических моделей распространения загрязнений в атмосфере и их недостатков, затрудняющих использование их для прогнозирования динамики распространения загрязнений в замкнутом объеме промышленных предприятий ;

• обоснование возможности и преимущества экспериментально-статистических многомерных полиномиальных моделей для прогноза развития загрязнений;

• разработка методов и алгоритмов оценивания параметров динамических полиномиальных моделей распространения загрязнений в атмосфере промышленного предприятия;

• разработка функциональной структуры подсистемы прогноза развития загрязнений для принятия решений в информационно-советующих системах производственного экологического мониторинга.;

• исследование эффективности разработанных алгоритмов в системе экологического радиохимического мониторинга атмосферы рудника Минцветмета для прогнозирования динамики концентрации радона.

Научная значимость и новизна работы заключается в :

• разработке методов оценивания параметров динамических полиномиальных моделей загрязнений атмосферы промышленного предприятия, отличающихся от уже известных тем, что допускают возможность алгоритмической реализации операций аналитического дифференцирования, интегрирования и других преобразований, позволяющих существенно упростить структуру программного обеспечения;

• методах и алгоритмах оперативного прогнозирования динамики загрязнений атмосферы промышленного предприятия, основанных на использовании идей последовательного статистического оценивания, отличающихся от известных тем, что статистические оценки вычисляются в реальном времени, синхронно с поступлением данных от датчиков Автоматизированной Системы Экологического Мониторинга;

• предложенной функциональной структуре подсистемы прогнозирования динамики загрязнений атмосферы для АСЭМ промышленного предприятия, отличающейся от известных компактностью программного комплекса, простотой настройки и адаптации для конкретных систем принятия решений экологического мониторинга промышленных предприятий, использованием стандартных, эффективных, недорогих и надежных аппаратных и системных средств.

Практическая значимость работы заключается в:

• полученных в диссертационной работе программных комплексах экспериментально-статистического прогнозирования динамики радиохимических загрязнений атмосферы промышленного предприятия;

• методиках исследования зависимости концентрации радона в атмосфере рудника от горно-технологических условий и объёмов выполняемых работ;

• разработанных алгоритмах и программах, сданных в опытную эксплуатацию подсистемы "ПРОГНОЗ РАДОНА" АСУТП шахты 45 Дзезк. Горн.Рудн. комбината с 20.12.92 г.

Разработанные программные продукты и методики могут быть использованы при создании АСЭМ горно-рудных предприятий Минтопэнерго, Минцветмета, и Минатома России.

Обоснованность и достоверность полученных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы :

• корректным использованием математического аппарата многомерного статистического анализа, теории вероятности, теории идентификации динамических объектов ;

• сопоставимостью результатов теоретических результатов, результатов экспериментальной проверки в промышленных условиях и результатов имитационного моделирования основных процедур последовательного оценивания параметров моделей динамики с точностью 10-11 процентов относительных величин .

Апробация работы: Работа над диссертацией выполнялась в рамках отраслевой программы Минцветмета СССР «Экология и охрана окружающей среды», комплексной Государственной Научно-Технической Программы Министерства науки и технической политики Российской Федерации «Недра России», утвержденной 09.10. 1995 г. и подпрограммы «Экогорметкомплекс будующего» Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения». Эффективность предложенных теоретических методов, алгоритмов прогнозирования, технических

решений и программно-аппаратных комплексов подтверждается результатами опытной эксплуатацией алгоритмов и программ экспериментально-статистического прогнозирования динамики концентрации радона в действующей автоматизированной системе экологического радиохимического мониторинга атмосферы рудника 45 «Джезгазганцветмет».

Основные результаты работы были доложены на:

• отраслевой научно-технической конференции по проблемам ракетной и космической техники ,М., 1988 г.;

• четвертом международном конгрессе «Информационные проблемы экологического мониторинга» , Бургас, 1995 г.;

• выставке Министерства обороны и министерства Атомной промышленности РФ «Системы экологической безопасности двойного назначения» , М., 1996 г.;

• семинаре «Автоматизированные системы экологического мониторинга» , Московского Горного Института , М., 1991 г.;

• семинаре «Математическое моделирование в системах экологического мониторинга» , кафедры «Информационные технологии» , Московской Государственной Академии Тонкой Химической Технологии, М.,1997 г.

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

к

Глава 1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ.

1.1 Существующие Автоматизированные Системы Экологического

Мониторинга.

Индустриализация и урбанизация и, особенно, развитие ядерной энергетики и агрохимического комплекса привели к стремительному загрязнению окружающей среды радионуклидами и химическими токсичными веществами и привели к необходимости создания систем экологического мониторинга (ЭМ). ЭМ - это система мероприятий и комплекс технических средств по регистрации, выявлению и оценке источников загрязнений, а также контроля уровня загрязненности природных объектов вредными веществами в результате сбросов или выбросов этих веществ в окружающую среду природопользователями [64]. Загрязнение природных объектов происходит также вследствие естественного образования и накопления в объектах окружающей среды токсичных веществ, в том числе за счет биохимической и химической трансформации природных и техногенных веществ в соединения с вредными свойствами, [24,27,29,30,37,38,46,59,60,64].

Можно выделить три основные функции ЭМ:

• получение первичной информации о содержании вредных веществ в окружающей среде и принятие на основе этой информации решений по предотвращению дальнейшего поступления этих веществ в воду, воздух, почву, донные отложения, растительный покров или о необходимости очистки этих объектов от уже накопленных в них загрязнителей;

I

• получение вторичной информации об эффективности мероприятий, осуществленных на основе первичной информации;

• формирование исходных данных для принятия решений экономического, правового, социального и экологического характера по отношению к природопользователям, районам и регионам со сложной экологической

Глава 1. Автоматизированные информационные системы экологического мониторинга промышленных предприятий_Стр. 10

обстановкой, включая оценку недвижимости при ее приватизации или

продаже.

Во многих случаях ЭМ не ограничивается решением традиционных аналитических задач (чем, что и в какой мере загрязнено) и должен дать информацию для ответа на не менее важные вопросы об источниках и путях попадания загрязнителей в окружающую среду. В промежутке между стадиями получения первичной и вторичной информации ЭМ является индикатором динамики изменения воздействий источников загрязнения, то есть позволяет судить об улучшении или ухудшении экологической обстановки на каждом конкретном объекте ЭМ.

На территории Российской Федерации экологический контроль осуществляют государственные контрольные органы и специальные службы предприятий- природопользователей. В связи с большой опасностью загрязнения и более совершенным приборно-аналитическим обеспечением объектов химической промышленности и ядерной энергетики ЭМ начал широко внедряться прежде всего на атомных электростанциях и химических комбинатах,

[1,8,9,10,16,25,29,32,35,40,44,68,75]. К настоящему времени в атомной энергетике экологический мониторинг особо опасных производств реализован в виде автоматических систем контроля радиационной обстановки (АСКРО), объединяемых в Единую государственную систему ЕГАСКРО, [21,30,33,43,50,64,67].

АСКРО предназначена для ведения автоматического непрерывного контроля радиационной обстановки на объекте, в регионе и поддержке принятия управленческих решений, [41,42,47,48,114]. Система имеет иерархическую структуру, строится по радиально-узловому принципу, обеспечивающему высокую живучесть сети за счет возможности построения обходных каналов связи и автономного (при выключенном компьютере) режима работы контроллера центра сбора и обработки информации (ЦСОИ), защищена от несанкционированного доступа и разрушения настройки.

Глава 1. Автоматизированные информационные системы экологического мониторинга промышленных предприятий_Стр. 11

Аппаратные и программные средства системы совместимы с техническими средствами отраслевой АСКРО «Рефлекс» Минатома РФ, являющейся подсистемой ЕГАСКРО. На базе системы могут создаваться информационные сети и в других областях экологического мониторинга путем подключения соответствующих датчиков, табло или пультов ввода данных.

Система обеспечивает:

• сбор данных от постов контроля радиационной обстановки в автоматическом или в ручном режимах, а также их обработку в реальном масштабе времени;

• оперативное представление информации на экране монитора;

• подачу тревожной сигнализации при обнаружении постами контроля превышения установленных порогов мощности экспозиционной дозы (МЭД);

• подготовку выходных документов и отчетов за установленные промежутки времени;

• ведение базы данных за весь период работы.

Технические средства АСКРО обеспечивают открытость системы, могут работать по существующим каналам АТС (допускается подключение параллельно к основному аппарату), радиоканалу, физической паре и позволяют изменять конфигурацию. Технические средства прошли сертификационные испытания на право подключения к телефонной сети РФ, метрологическую аттестацию во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева Госстандарта РФ.

Системы радиологического мониторинга обычно реализуются на основе использования следующих информационных блоков:

• базы данных предприятий региона, использующих радиоактивные вещества;

• базы данных состояния окружающей среды региона на основе информации, полученной при проведении радиоэкологического мониторинга;

• базы данных радиационного контроля объектов и участков региона, включающая в себя результаты индивидуального дозиметрического контроля, сведения радиационного контроля маршрутов тран