автореферат диссертации по документальной информации, 05.25.05, диссертация на тему:Методология построения автоматизированной информационной системы принятия решений по обеспечению экологической безопасности

На правах рукописи

/

НЕМТИНОВ Владимир Алексеевич

МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

05.25.05 — Информационные системы и процессы,

правовые аспекты информатики; 05.17.08 — Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тамбов 2006

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированное проектирование технологического оборудования» Тамбовского государственного технического университета.

Научные консультанты:

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Малыгин Евгений Николаевич;

Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Попов Николай Сергеевич

доктор технических наук, профессор Егоров Александр Федорович;

доктор технических наук, профессор Попов Игорь Иванович;

доктор химических наук, профессор Кнлнмник Александр Борисович

Ведущая организация

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ), г. Москва

Защита диссертации состоится 17 марта 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени доктора технических наук Д 212.260.05 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, Большой актовый зал.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью) просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.05 З.М. Селивановой.

E-mail: nemtinov@mail.gaps.tstu.ru Факс: 8-4752-72-18-13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ.

Автореферат разослан «. IО » февраля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

&L

З.М. Селиванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и состояние проблемы. Экологическая безопасность -это проблема взаимоотношений общества и природы, сохранение окружающей природной среды. Ее целью является обеспечение устойчивого и оптимального на длительном периоде времени равновесия между природными и антропогенными системами, техносферой и обществом. В соответствии с принятой Концепцией экологической безопасности Российской Федерации, важной стратегической задачей является предупреждение загрязнения окружающей среды при размещении новых производственных технических систем (ПТС) и обезвреживание ее компонентов в местах повышенной экологической опасности (в местах наибольшей концентрации населения, промышленного и сельскохозяйственного производства) на базе нормирования качества окружающей среды, внедрения систем очистки и ресурсосберегающих технологий. Решение такой задачи в настоящее время невозможно без использования автоматизированных информационных систем интеллектуального уровня.

Основными антропогенными объектами, функционирование которых во многих случаях приводит к нарушению состояния равновесия природной среды, являются промышленные предприятия. Одним из основных средств исследования взаимодействия ПТС с природной и социальной средой является математическое моделирование. Оно позволяет прогнозировать возможные изменения физических, химических и биологических состояний окружающей среды, вызванные деятельностью ПТС.

Предусмотренные на ближайшие годы увеличение выпуска и расширение номенклатуры промышленной продукции, обусловливающие значительное увеличение объема проектных и конструкторских работ - с одной стороны, необходимость решения экологических проблем — с другой, требуют: разработки новых принципов и методов расчета; использования комплексных критериев оценки принимаемых проектных решений, составляющими которых являются экономические затраты и экологическая безопасность проведения технологических процессов, что особенно важно в современных рыночных отношениях. В свою очередь, это требует создания специального математического н программного обеспечений, позволяющих решать задачи промышленной экологии, связанные с проектированием и эксплуатацией ПТС и обеспечением экологической безопасности включающих их природно-промышленных систем (ППС). Решение проблемы обеспечения экологической безопасности ППС является важным и актуальным научно-техническим направлением устойчивого развития субъектов РФ, однако, оно сдерживается отсутствием прикладных автоматизированных информационных систем (АИС) поддержки принятия проектных и управленческих решений, использующих современные информационные технологии: ГИС-технологии, 8(ЗЬ-ориснтированные инструментальные системы и др. В связи с этим выполненная работа посвящена разработке методологических основ и созданию проблемно-ориентированной АИС, используемой при решении задач терри-

ториального развития и промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС. Результаты, полученные автором, базируются на достижениях многих научных школ. Решению проблемы сохранения окружающей среды большое внимание уделяли ведущие отечественные ученые: академики В.И. Вернадский, H.H. Моисеев, Г.И. Марчук, C.B. Яковлев, Б.Н. Ласкорин и др. В частности, в решение проблемы синтеза малоотходных химических производств большой вклад внесли такие российские ученые, как: академик В.В. Кафаров; профессора: B.J1. Перов, В.И. Бодров, JI.C. Гордеев, А.Ф. Егоров, E.H. Малыгин, Н.С. Попов, В.В. Макаров, И.Н. Дорохов и др. Среди ведущих ученых в области теории информатики и АИС следует отметить академика Ю.М. Арского, профессора P.C. Гиляревского и др.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационным планом Межвузовских НТП «Ресурсосберегающие технологии машиностроения» на период 1994 - 1997 гг., «Теоретические основы химической технологии» на период 1995 - 2000 гг., а также по хоздоговорным планам НИР Тамбовского института химического машиностроения в 1981— 1993 гг. и Тамбовского государственного технического университета в 1994 — 2003 гг.

Объектом исследования в работе является ППС в масштабе субъекта РФ п/или промышленного узла, включающая в себя совокупность объектов различного назначения, образующих единую технико-экономическую и экологическую структуру территории, взаимодействующих друг с другом в процессах обмена информацией, потребления материально-энергетических ресурсов и переработки отходов.

Предметом исследования являются математические методы и модели, лежащие в основе разработки автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных и управленческих решений, непосредственно связанных с экологической безопасностью окружающей среды.

Цель работы. Целью работы является создание методологии построения автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта Российской Федерации.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1 Разработаны теоретико-аналитические основы построения интегрированной АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности в масштабе субъекта РФ.

2 Развиты теория и методы автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС.

3 Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий машиностроения.

4 При создании подсистем поддержки принятия решений разработаны:

— математические модели синтеза химико-технологических процессов

очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС;

— математические модели синтеза экологически безопасных технологических процессов получения целевой продукции (на примере производства изделий из металлов);

— экономическая модель принятия решений при регулировании взаимоотношений между природопользователями;

— информационная система автоматизированной обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных объектов;

— процедурная модель оценки качества воды в компонентах гидросферы окружающей среды.

5 Разработано программное обеспечение АИС для решения задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС.

Решение поставленных в работе задач позволяет на этапе принятия проектных и управленческих решений оценить риск экологической опасности ПТС и предложить меры по предотвращению загрязнения окружающей среды.

Научная новизна. 1) На базе системного анализа, методов математического моделирования, теории оптимального управления и теории принятия решений разработана методология построения интегрированной автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ, открытой для дальнейшего развития и реализующей научные принципы:

— при принятии проектных и управленческих решений ло обеспечению устойчивого развития территории приоритет должен отдаваться экологической безопасности перед технико-экономическими показателями;

— проектные и управленческие решения должны проходить комплексную оценку (экологическую, технологическую, социально-экономическую);

— целостность ППС должна отображаться в виде единого информационного пространства;

— проектные и управленческие решения должны обеспечиваться интегрированной информационной системой поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.

При решении сложного комплекса задач промышленной экологии использованы и адаптированы следующие подходы: теории иерархических систем (на всех этапах принятия проектных и управленческих решений), анализа альтернативных вариантов принятия решений (при проектировании ПТС), предложен новый подход к построению экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем, для которых информация об их поведении носит неопределенный характер из-за отсутствия достаточного количества систематических и надежных данных; поставлены и формализованы задачи и реализованы методики их решения.

2) Развиты теория и методы автоматизированного синтеза систем очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС, охватывающие все основные этапы проектирования и учитывающие особенности их технологических процессов. Осуществлены постановки задач, решаемых с помощью АИС: обеспече-

ния экологической безопасности ГТПС при размещении ПТС; автоматизированного формирования структуры технологических схем (СТС) очистки сточных вод и газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления схем; автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод. В качестве составляющих векторного критерия оптимальности использованы: приведенные затраты на реализацию совокупности стадий очистки; экономический ущерб, наносимый окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы и газовых выбросов в атмосферный воздух; надежность функционирования системы очистки;, технологичность и безопасность процессов очистки.

3) Впервые разработаны модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС с применением продукционных правил, используемых при создании экспертных систем.

4) Создана процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод, базирующаяся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций, учитывающая функциональные особенности объектов, природно-климатические отличия территории и реализуемая с помощью АИС принятия решений.

5) Разработаны экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денитрификаторе и реке с малым расходом воды, с учетом кинетических закономерностей и вероятностного характера их протекания.

6) Впервые создана информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере ПТС, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.

7) Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства машиностроительных изделий из металлов, охватывающий все основные этапы технологической подготовки производства и учитывающий комплексную оценку альтернатив при принятии решений, условия эксплуатации изделий, возможность использования различных технологий и видов оборудования. Осуществлены постановки задач и предложены модели принятия их решений: автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в 'зависимости от характера упрочнения изделий; автоматизированного выбора экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

Таким образом, методология построения АИС поддержки принятия решений в сфере экологической безопасности включает в себя совокупность принципов, подходов, аналитических и процедурных моделей различных процессов объектов, входящих в состав ППС. С помощью АИС можно: соз-

давать модели ППС в автоматизированном варианте, проводить имитационные исследования, генерировать ответы по сценарию и т.д.

На защит}' выносятся основные положения:

1 Научно обоснованная методология построения интегрированной автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ и/или промышленного узла, открытой для дальнейшего развития и реализующей следующие научные принципы:

- при принятии проектных и управленческих решений по обеспечению устойчивого развития территории приоритет должен отдаваться экологической безопасности перед технико-экономическими показателями;

— проектные и управленческие решения должны проходить комплексную оценку (экологическую, технологическую, социально-экономическую);

— целостность ППС должна отображаться в виде единого информационного пространства;

- проектные и управленческие решения должны обеспечиваться интегрированной информационной системой поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.

При решении сложного комплекса задач промышленной экологии предложен новый подход к построению экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем, для которых информация об их поведении носит неопределенный характер из-за отсутствия достаточного количества систематических и надежных данных.

2 Методология автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов.

3 Модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов.

4 Процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод.

5 Экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денит-рификаторе и реке с малым расходом воды.

6 Информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере предприятий, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.

7 Научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства машиностроительных изделий из металлов.

Методика исследования основана на использовании методов математического моделирования; методов системного анализа, линейного, нелинейного и дискретного программирования, методик экспериментального исследования процессов химической и биохимической природы; методов имитационного эксперимента.

Практические результаты работы. На основе предложенной методологии, разработанных аналитических и процедурных моделей принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС создано программное обеспечение АИС, включающее пакеты программ:

- автоматизированной компоновки СТС очистки сточных вод и газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления этих схем; автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод;

- распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки и регулирования взаимоотношений между природо-пользователями;

- исследования процессов естественного самоочищения воды в реке;

- обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных предприятий;

- автоматизированного выбора: марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения; экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки;

- оценки качества воды в компонентах гидросферы окружающей среды.

Разработанный комплекс программ передан в Тамбовский филиал Московского научно-производственного объединения НИОПиК (в настоящее время ОАО «Экохимпроект»), отдельные пакеты программ — ОАО «Пигмент», г. Тамбов, «Гипрополимер», г. Дзержинск Нижегородской обл., ОАО «Тамбовполимермаш»; Главному управлению природных ресурсов и охраны окружающей среды по Тамбовской области, Территориальному центру государственного мониторинга геологической среды Тамбовской области; отдельные компоненты комплекса — в вузы страны: Тамбовский государственный технический университет, Курганский государственный университет, где используются студентами при выполнении лабораторных и курсовых работ. Учебная подсистема «Эколог» доступна всем пользователям сети Internet (http://www.gaps.tstu.ru/win-1251/lab/ekolog/index_ecolog.html).

За период эксплуатации пакетов программ по заказу МНПО НИОПиК выполнены расчеты по выбору района размещения ряда химических производств, по заказу ОАО «Экохимпроект» выполнены проекты реконструкции нескольких станций биохимической очистки сточных вод, на ОАО «Тамбовполимермаш» осуществлена технологическая подготовка производства более 50 машиностроительных изделий, в состав каждого из них входит более 100 деталей из металлов и др.

Экономический эффект от использования программного обеспечения АИС составил более 800 тыс. рублей.

Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты обсуждались на Всесоюзной конференции «Реахимтехника-2»

(Днепропетровск, 1985 г.), I, II Всесоюзных конференциях «Автоматизация и роботизация в химической промышленности» (Тамбов, 1986, 1988 гг.), Всесоюзной конференции «Охрана от загрязнения сточными водами водоемов бассейнов внутренних морей (Тбилиси, 1987 г.). Всесоюзной конференции «Математическое моделирование сложных химико-технологических систем» (Казань, 1988 г.), Всесоюзной конференции «Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем, научных исследований и гибких автоматизированных производств» (Тамбов, 1989 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Математические методы в химии» (Тула, 1993 г.), IV Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов (Москва, 1994 г.), I, II, III Международных конференциях «Математические методы в химии и химической технологии» (Тверь, 1995 г.; Новомосковск, 1997 г.; Владимир, 1998 г.), III Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика» (Москва, 1996 г.), II Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM-99 (Санкт-Петербург, 1999 г.), XII, XIII, XIV, XV Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Великий Новгород, 1999 г.; Санкт-Петербург, 2000 г.; Смоленск, 2001 г.; Тамбов, 2002 г.; Казань, 2005 г.), I, II Международных конференциях «Математические методы в образовании, науке и промышленности» (Тирасполь, 1999, 2001 гг.), I, II Международных конференциях «Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне» (Томск, 2000, 2002 гг.), Международной конференции «Геоинформатика-2000» (Томск, 2000 г.), Международной конференции «Экология и образование» (Петрозаводск, 2000 г.), Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, 2000 г.), IV Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2000 г.), I, II Международных научных конференциях и выставке CAD/CAM/PDM «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» (Москва, 2001, 2002 гг.), Международной научно-технической конференции «Современные системы управления предприятием - CSBC'2001» (Липецк, 2001 г.), Международной научной конференции по телематике и Web-средствам в обучении - «Телематика 2001» (Санкт-Петербург, 2001 г.), III Международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении» (Николаев, 2002 г.), II Международной конференции по экологической химии (Кишинев, Молдова, 2002 г.) и др.

Новизна и оригинальность научных исследований, выполненных в диссертации, отмечены и поддержаны грантом Министерства образования РФ по исследованиям в области машиностроения в 1995 г. Биографические сведения о В.А. Немтинове включены в издание «Who is Who in Science and Engineering» 7"' Edition, 2003 - 2004 (By Marquis Edition Who is Who in Science and Engineering (USA)). International Biographicai Center (Cambridge, England) но-

минировал В.А. Немтинова как «International Scientist of the Year for 2003» и включил его в список «Leading Scientists of the World 2005».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 100 печатных работ, в том числе монография, статьи в центральных и международных журналах, доклады на конгрессах и конференциях различного уровня, учебные пособия и учебно-методические издания. В основном все научные результаты получены автором. Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве и содержащиеся в них результаты, состоит в постановке задач, разработке теоретических положений, а также — в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований.

Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Материал изложен на 400 страницах рсновного текста, содержит 81 рисунок и 38 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении, исходя из анализа состояния теории и практики автоматизации разработки и организации процессов ПТС, обоснована актуальность решаемой проблемы в современных рыночных условиях, сформулирована цель работы, показана ее актуальность, научная новизна, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ информационного наполнения проектируемой АИС — традиционных подходов к решению задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС, являющихся элементами ППС промышленного узла. В его состав типично входят промышленные предприятия, являющиеся в основном источниками образования сточных вод и газовых выбросов (химические, машиностроительные и др.). При рассмотрении ППС в данной работе приняты следующие допущения: в нее входят ПТС, сточные воды которых могут быть очищены с использованием известных методов очистки, в том числе и биохимических; приемником очищенных сточных вод является река с малым расходом воды, для которой гидродинамическая структура потоков описывается моделью идеального вытеснения; газовые выбросы ПТС могут быть очищены с использованием известных методов системами газоочистки, являющимися общими для отдельного производственного комплекса (цеха). Отмечены общие недостатки, имеющие место при проектировании отдельных производств получения целевой продукции и производств по утилизации отходов ПТС:

— в большинстве случаев при формализованном описании задач используют упрощенные математические модели, применение которых часто не приводит к выполнению требованию по охране окружающей среды при реализации проектов ПТС; решения принимаются на основе только экономического критерия оптимальности, который недостаточен для решения экологических задач; 8

- известные методики решения задач промышленной экологии ориентированы на традиционные подходы к расчетам, использующие справочную литературу, диаграммы, таблицы и т.д., что затрудняет их применение при решении конкретных задач;

- при решении задачи проектирования станции биохимической очистки (БХО) очень часто не проводится исследование и моделирование природного водоема - приемника очищенных сточных вод.

Анализ литературных источников, посвященных математическим методам решения задач промышленной экологии при проектировании и эксплуатации ПТС, доказал необходимость разработки математического и программного обеспечений для комплексного решения этих задач на расширенном пространстве состояний ППС. Были отмечены основные характеристики ППС: большая размерность; неопределенность поведения экосистем, входящих в ППС; действие случайных факторов и т.д. Показано, что для решения задач промышленной экологии необходимо располагать научно обоснованными методическими положениями, обширным информационным фондом и программным обеспечением ЛИС, используемой при принятии решений.

Исходя из этого, а также учитывая традиции выполнения проектно-копструкторских работ, задачу обеспечения экологической безопасности ППС при размещении новых и функционировании действующих ПТС следует рассматривать как совокупность задач, решаемых на региональном (в масштабе субъекта РФ или промышленного узла) и локальном (в масштабе предприятия) уровнях (рис. 1).

Региональный уровень (мааигаб промузпа)

Локальный уровень (маштаб предприятия)

Рис. 1 Перечень комплекса задач AMC, решение которых направлено на обеспечение экологической безопасности субъектов РФ

Вторая глава посвящена разработке и развитию методологических основ построения ЛИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе промышленного узла. К особенностям принятия решений в сфере экологической безопасности следует отнести: сложность и большую размерность ППС; неопределенность поведения экосистем, входящих в ППС; открытый характер ППС; действие случайных факторов; отдаленные последствия принятых решений; множество критериев оценки различной природы. Методология базируется на следующих подходах:

- использования теории иерархических систем на всех этапах принятия проектных и управленческих решений задач промышленной экологии;

- комплексной оценки альтернатив при принятии решений в задачах обеспечения экологической безопасности ППС;

- разработки экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем.

Единое информационное пространство (ЕИП) ППС в масштабе промышленного узла представляет собой совокупность информационных средств и ресурсов, интегрируемых в единую систему, а именно:

- собственно информационные ресурсы (массивы документов, базы и банки данных и пр.), содержащие информацию, зафиксированную на соответствующих носителях;

- сетевое и специальное программное обеспечение;

- сеть телекоммуникаций (территориально распределенные корпоративные компьютерные сети, телекоммуникационные сети и системы специального назначения и общего пользования, сети и каналы передачи данных, средства коммутации и управления информационными потоками).

В основе ЕИП лежит цифровая пространственная модель территории ППС в масштабе промышленного узла с включением в нее всех объектов, образующих единую технико-экономическую и экологическую структуру рассматриваемого района, упорядоченно взаимодействующих друг с другом в процессах обмена информацией, потребления материально-энергетических ресурсов и переработки отходов.

Каждая I, -я точка ЕИП может быть представлена следующим образом: = я,}, / 6 Д ; где у,, г, - координаты ; Д - множест-

во точек ЕИП; vJ — тип объекта определенного назначения, которому принадлежит , V е V ; V - множество типов объектов, входящих в пространственную модель ППС; мд - к -й объект vJ -го типа, и/к е и; и; - множество объектов типа vj; а, - множество атрибутивных данных об и]к -м объекте, имеющем отношение к tj -й точке ЕИП. Фрагмент пространственной модели Тамбовского промышленного узла приведен на рис. 2.

При разработке АИС ППС Тамбовского промышленного узла в качестве базового программного обеспечения использована АгсС1Б корпорации ЕБШ. На рис. 3 приведена функциональная схема разрабатываемой интегрированной АИС, в состав которой входит базовое и прикладное, разработанное нами, программное обеспечение для решения перечисленных выше задач, ш

Рис. 2 Фрагмент пространственной модели Тамбовского промышленного узла

Автоматизированные рабочие места специалисте!

Проектирование основ ных производств (машиностроительных, хи мических и др>

Проектирование (реконструкция) производств по обезвреживанию ЖИДКИХ, Г2ЧОВЫХ_ВЫГ)ЦОСОВ

Моделирование распространения вредных вешеств в компонента1 ок^ужающеи^^ды^^

Проведение и обработка данных государственной экологической экспертизы

Подсистемы принятия решений Рис. 3 Функциональная схема АИС ППС

При изучении процессов функционирования ППС нами был сделан вывод о том, что всю совокупность задач, решаемых на разных этапах принятия проектных и управленческих решений нужно рассматривать с позиций теории сложных иерархических систем. Для рассматриваемого класса задач справедливы следующие принципы:

— комплексное решение задачи промышленной экологии для ПТС на расширенном пространстве переменных состояния ППС;

— приоритет экологических закономерностей развития ППС перед технико-экономическими на этапе формализации задач;

— иерархичность структуры информационной системы, объединяющей весь комплекс локальных задач промышленной экологии;

— координируемость локальных задач относительно задач вышестоящего уровня; совместимость целей, стоящих перед рассматриваемыми задачами;

— модифицируемость множества задач для обеспечения совместимости и координируемое™.

В соответствии с этими теоретическими положениями на рис. 4 представлена структурная схема подзадач разработки проекта промышленного производства (основной задачи, решаемой на локальном уровне) и определено место отдельных подзадач для АИС, непосредственно связанных с экологической безопасностью ППС.

| "оценка экологической безопасности 1

| I - задачи, связанные с выпуском целевой продукции

ГШ-задами, связанные с экологической безопасностью промышленного узла

рчистки газовых | выброоэв ■

I Ра»ег ХТС ло » I капьной смист- ■ ,ки сточных вод ■

Рис. 4 Структурная схема подзадач, решаемых АНС, при разработке проекта промышленного производства

Наличие множества различных критериев оптимальности при принятии решений задач обеспечения экологической безопасности ППС привело к необходимости использования методов многокритериальной оптимизации. При этом в каждом конкретном случае должны решаться проблемы выбора альтернативных вариантов, метода решения задачи с учетом оценки качества вариантов по всем рассматриваемым критериям; принципа нормализации, приводящего все критерии к единому масштабу измерения и позволяющего производить их сопоставление; принципа учета приоритета, позволяющего отдавать предпочтение более важным, по мнению экспертов, критериям.

Специфика многих задач промышленной экологии состоит в том, что они относятся к классу задач дискретного программирования. В тех случаях, когда множество вариантов решений невелико (не более 103 — 104), то, учитывая быстродействие современных ПЭВМ, искомое решение можно находить методом полного перебора вариантов. При более высокой размерности задач предлагается схема, основанная на последовательном анализе и отсеивании вариантов путем исключения бесперспективных, как по ограничениям, так и по целевой функции, без проработки начальных этапов и их дальнейшего развития. Особенностью некоторых задач промышленной экологии является то, что отдельные независимые переменные изменяются непрерывно в некотором диапазоне. В этом случае применение предложенной процедуры анализа вариантов для каждой из этих переменных предполагает использование их дискретных значений, которые могут быть получены как результаты измерений соответствующего параметра объекта ППС.

Для получения прогнозов изменения количественных показателей состояния компонент окружающей среды (качества воды, воздуха и т.д.) в результате строительства или модернизации ПТС, необходимо построение экспериментально-аналитических моделей процессов, протекающих в отдельных типах основного и вспомогательного технологического оборудования промышленных объектов и компонентах окружающей среды, которые учитывают гидродинамические особенности потоков в них, кинетические закономерности процессов и вероятностный характер их протекания. При разработке математических моделей предложен подход, согласно которому пользователь, на основе своих знаний об особенностях ПТС, осуществляет генерацию модели с помощью модулей АИС.

При решении задачи идентификации математических моделей объектов ППС в большинстве случаев используется неполная экспериментальная информация детерминированного и вероятностного характера по объекту исследования. В связи с этим разработана схема статистического испытания модели, позволяющая создать на базе имеющихся экспериментальных данных модель, адекватную исследуемому объекту.

Нахождение областей допустимых значений параметров модели осуществляется в ходе имитационного испытания, основу которого составляет метод Монте-Карло. Исходя из известных или правдоподобных диапазонов изменения начальных состояний, параметров и входных переменных с помощью датчиков случайных чисел генерируются их комбинации. Решение уравнений модели с этими значениями позволяет вычислить реакцию модели и

проверить выполнение ограничений, известных на основе экспериментальных данных. Достаточная точность оценки количества испытаний получена с помощью интегральной теоремы Лапласа.

Третья глава посвящена решению задач по обеспечению экологической безопасности ПТС, при функционировании которых образуются сточные воды. В связи с этим рассмотрен комплекс задач, связанный с автоматизированным синтезом технологических процессов очистки сточных вод ПТС. В общем виде задачу автоматизированного проектирования системы очистки сточных вод можно сформулировать следующим образом. Для каждой стадии выбранной схемы очистки необходимо найти: тип, геометрические характеристики и количество каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки сточных вод от примесей, а также оптимальный вариант размещения оборудования станции очистки сточных вод на местности при соблюдении ограничений на выходные переменные, доставляющие минимум критерия. В качестве составляющих векторного критерия оптимальности использованы: приведенные затраты на реализацию совокупности стадий очистки; экономический ущерб, наносимый окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы; надежность функционирования системы очистки; технологичность и безопасность процессов очистки.

В формализованном виде постановка задачи заключается в поиске минимума целевой функции :

™ор1 =а^тт ^О) (1)

при выполнении санитарно-экологических ограничений: 1\ < (С;,т - ДС„,,. >}>5Су, У = Рг < 1} > 1- а, 6 = Г©; (2)

7-1 с)

ограничений на показатели функционирования системы:

р'(м>)<г'-гс"*, Ы\Ти (3)

уравнений связи, представляющих математические модели:

- формирования вариантов структурных схем технологических процессов очистки

~М\ (Свх, Сфон, Свых, <7> б, ) = 0; (4)

- формирования вариантов аппаратурного оформления технологической схемы очистки

М7 (Свх, Сфон, Свых, еор1, К) = 0 ; (5)

- формирования вариантов размещения сооружений станции очистки сточных вод на генплане промышленной площадки

л7з(гор,,П) = 0; (6)

- технологических процессов механической, биохимической очистки сточных вод и обработки осадка

- процессов естественного самоочищения воды в природном водоеме (реке) - приемнике очищенных сточных вод

где }У — множество возможных вариантов синтеза сооружений биохимической очистки сточных вод, И' = Тх Я х О ; Т - множество возможных вариантов структуры технологической схемы процессов очистки сточных вод; Я -множество возможных вариантов аппаратурного оформления технологической схемы очистки; О - множество возможных вариантов размещения сооружений очистной станции на генплане промышленной площадки; ™ор< М'орй Г0р1» «орЛ - оптимальный вариант; Рг - вероятность;

сиу, с';™, Дсщ — соответственно концентрация j-а примеси в природном водоеме — приемнике очищенных сточных вод для ■и'-го варианта сооружений, ее предельно допустимое значение и некоторый «запас»; — вероятности,

с которыми обеспечивается запас по Cj\ J — количество примесей; а — «запас» при оценке эффекта суммарного воздействия примесей на водные объекты; © — количество лимитирующих показателей вредности (ЛПВ); Jь — количество примесей в воде водоема для 6-го показателя ЛПВ; Свх, Свых, Сфон — соответственно функции концентраций вредных примесей на входе и выходе станции БХО и их фоновых значений; Q — расход сточных вод; д - функция уровней качества сточных вод; р'(у>), Р"'(>!'), соответственно значения показателей функ-

ционирования »-го варианта системы очистки (надежность, технологичность, безопасность и т.п.) и их заданные значения; ¿¡, ¿2 - соответственно количества показателей, для которых задаются условия (3); £2 — множество геометрических и гидрологических характеристик промышленных площадок; ЧР — множество характеристик природного водоема (расход, скорость течения, скорость разложения примесей и др.); Л/1 (о) - Мз(°) - нелинейные функции

(математические модели процессов синтеза сооружений БХО); х - знак декартова произведения.

При такой постановке задачи ее решение невозможно получить в связи с высокой размерностью пространства переменных состояния ППС, сложностью построения математических моделей распространения примесей в воде и т.д. Поэтому, для практического решения задачи синтеза сооружений биохимической очистки сточных вод в соответствии с иерархической структурой, заменим ее последовательным рассмотрением подзадач меньшей раз-

(7)

Л/з(С ВЫХ > Сфон , 6,40 = 0,

(8)

мерности, имеющих и самостоятельное значение в процессе проектирования: формирование варианта СТС, в состав которой должны войти все необходимые стадии механической, биохимической очистки и обработки осадка; расчет аппаратурного оформления для выбранной технологической схемы очистки; размещение сооружений станции очистки сточных вод на генплане; прогнозирование качества воды в контрольном створе природного водоема (реки).

В случае отсутствия решения на каждом следующем этапе синтеза сооружений БХО сточных вод лицом, принимающим решение, выбирается другой «оптимистичный» вариант решения задачи предыдущего этапа.

Наиболее прогрессивным подходом к решению задачи формирования варианта СТС очистки сточных вод является применение экспертных систем; Для системы очистки сточных вод предложено множество критериев оценки, которые объединены в 3 группы: «затраты», «технологичность», «безопасность». В таком случае рекомендуется использовать комплексную оценку, предполагающую распределение весов между этими суммирующими группами с учетом конкретных условий.

В работе предлагается следующая постановка задачи формирования варианта СТС: необходимо найти последовательность стадий процессов очистки сточных вод от примесей солей азота и фосфора до требуемых концентраций Снсобх таких, что при выполнении условий:

Сфакт < Снеобх, <7нач =0, <7факт - 9необх (9)

справедливо следующее:

з

'opt = argmin FjCO , F, (/) = (10)

leT

при выполнении ограничений на показатели функционирования системы:

fi'(г) < FlrMi, /у (0 > F?-:ad, F,3(?) > FxXzad , (11)

з

где Р], р2, Рз - весовые коэффициенты, р = {р,} =|р, :р, >0, /=1, ...,3, Ур, =1|;

р, ■ со[(г) - взвешенные потери по. 1-му критерию; ш5(г)= со^^,'(/)), / = 1,..., 3, ? е Г - монотонные функции, преобразующие каждую функцию цели к безразмерному виду; (г) - критерий, включающий в себя ук-

рупненные приведенные затраты на реализацию системы очистки; /"¡2(г) — критерий оценки надежности функционирования системы очистки; /г,3(/') -критерий технологичности проведения совокупности процессов очистки;

/г]3'мс' - их допустимые значения. Причем для функции цели /^(г) находится минимум, а для Т7,2 (г), /^(г) - максимум.

tri С-!0 c-20 c-2 Г-3° Г-3

^(тах)-'П M "ИМ ~П(тт)

где /^'(max) - наибольшее значение минимизируемой функции F{](t), t (а Т на

множестве допустимых альтернатив Т\ ^(m,,,) - наименьшие значения

максимизируемых функций /-]2(i), F^ty), (еГ; , F*", - оптимальные значения функций цели соответственно F]'(f), F* (?), Z7,3^), t e Т. Значения raj (f), i = 1,3, t e T лежат в пределах от 0 до 1.

Критерий оптимальности F,1 представляет собой сумму укрупненных приведенных затрат при проектировании совокупности стадий очистки Kj и

затрат на аренду земельного участка А), имеющего площадь, необходимую для реализации этих стадий. Он не дает точной величины затрат, так как на данной стадии проектирования имеется лишь информация о стадиях очистки, на основании которой с помощью экспертных оценок можно приблизительно оценить стоимость реализации той или иной схемы очистки. Составляющие критерия Fi представляют собой следующие зависимости:

(=1

Здесь N, - количество стадий для t-й комбинации стадий очистки сточных вод от примесей солей азота и фосфора; днач, q$aKT, #„еобх - соответственно начальный, конечный и требуемый уровень качества воды (табл. 1); /üpt -- комбинация, состоящая из технологических х,-х стадий, при которой

критерий оптимальности достигает минимального значения, х, el; X — множество технологических стадий очистки сточных от примесей солсй азота и фосфора; Q, - расход сточных вод х,-й стадии; , ß?(, aq., -коэффициенты, учитывающие зависимость величины затрат стадии i от уровня качества поды и расхода.

Критерий надежности оборудования для реализации совокупности процессов очистки

Nt 1=]

где Pt, - вероятность безотказной работы оборудования на ;-й стадии очистки. Данные о показателях надежности для отдельных процессов приведены в табл. 2.

1 Зависимости концентраций примесей от уровня качества воды

Уровень качества воды д Концентрация БПК3, мг/л Концентрация взвешенных веществ, мг/л Концентрация общего фосфора, мг/л Концентрация азота по Кьельдалю, мг/л Концентрация общего азота, мг/л

0 250.. .280 230 11 30 30

1 70... 170 30-110 2...10 30 30

2 30...40 30 8 30 30

3 15...20 15...20 2 30 30

4 10 10 1 30 30

20 5 3 <1 <1 1

2 Технологические процессы очистки сточных вод от примесей азота и фосфора

Код стадии Наименование технологического процесса (стадии) Предшествующая стадия Качество воды до стадии Качество воды после стадии Надежность, (0-1) Технологичность, балл (0-10)

аа предварительное усреднение 0 0.83 6.4

аЬ нагнетание воды аа 0 0 0.84 7.3

а1 обычное осаждение аа 0 1 0.82 9.1

а1 обычное осаждение аЬ 0 1 0.82 9.1

а2 осаждение с коагуляцией известью аа 0 1 0.90 8.3

а2 осаждение с коагуляцией известью аЬ 0 1 0.90 8.3

Ы капельная биофильтрация а1 1 2 0.75 6.4

Ы капельная биофильтрация аЗ 1 3 0.75 6.4

с1 очистка активным илом а1 1 2 0.82 6.3

нитрификация Ы 2 8 0.66 6.5

& нитрификация аЗ 1 7 0.66 6.5

Критерии технологичности совокупности процессов очистки

м

^3=шах17Ге, , (15)

7 1=1

где Те, - технологичность /-го процесса очистки. Данные о показателях технологичности проведения отдельных процессов очистки приведены в табл. 2. 18

Используя опыт, накопленный при проектировании процессов очистки сточных вод в виде базы данных и задав некоторую цель, например, качество очищенной воды, при помощи механизма принятия решения, реализованного в АИС, можно найти сочетание стадий очистки, обеспечивающих достижение этой цели. Фрагмент базы данных приведен в табл. 2. В базе собрана информация, которой обладают специалисты.

Формирование множества допустимых вариантов технологических схем очистки осуществляется с применением продукционных правил. В заключение из всего множества возможных технологических схем выбирается та, для которой критерий Fi достигает минимального значения. Так как в большинстве случаев размерность множества вариантов схем не превышает 104, то, учитывая быстродействие современных ПЭВМ, решение сводится к последовательному их перебору. Если при пошаговом конструировании множества вариантов решений его размерность превышает 104, то отсеивание бесперспективных частей вариантов решений на следующих шагах осуществляется с учетом дополнительного критерия - эффективности очистки.

Следующим этапом решения задачи синтеза сооружений БХО является расчет оборудования для выбранной технологической схемы. Задача оптимального проектирования комплекса сооружений для очистки сточных вод и обработки осадка заключается в определении аппаратурного оформления сооружений и их технологических параметров, обеспечивающих минимальное значение приведенных затрат при заданных входных и выходных переменных.

Данная задача формулируется следующим образом: для каждой стадии очистки необходимо найти тип, геометрические характеристики и количество каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки сточных вод от примесей азот- и фосфорсодержащих соединений:

'ор> = arg min F2 (г), г = (гм, г„, г0 ),

reÄ

Nl _ _ N5 _ _

fj = 1>2м'('-м,,См.ф,ем) + Х^б'(гб7,Сбф1еб) +

/=1 м

К _ _ _ _

+ X Оо* .Со.ф, 00 ) + и2 (Свых ф , Сфон, Q, Т), (16)

при выполнении условий:

— —дол — 7-^доп ~F> т;д°п

Смф^См , Сбф^Се , Со ¿Соф, (17)

где F", Fj , F2 — соответственно приведенные затраты на строительства и эксплуатацию сооружений механической, биологической очистки и обработки осадка; ¡7, - величина экономического ущерба, наносимого окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы; RK, R6, R0 — соответственно множества вариантов аппаратурного оформления для стадий механической, биологической очистки и обработки осадка; Тм, Г6, Т0 — со-

ответственно множества типов оборудования для выбранных стадий механической, биологической очистки и обработки осадка; Ьм, ¿6, Ь0 — соответственно множества геометрических характеристик оборудования (габаритные размеры сооружения (такие как длина, ширина, диаметр и т.д.)); Лгм, Л^, Л'0 -соответственно количество единиц оборудования на каждой стадии;

~доп ~доп ~доп —- — —

См , С 5 , С о , См.ф, Сбф, С0.ф - соответственно совокупности требуемых и фактических характеристик (концентрации примесей, влажность осадка и др.) для каждой стадии очистки.

Математическая модель системы очистных сооружений включает зависимости для расчета объема сооружений и определения параметров оборудования, основанные па рекомендациях действующего СНиП с корректировками и дополнениями, которые базировались на результатах исследований ВНИИ ВОДГЕО. В связи с небольшим количеством стандартных сооружений очистки каждого типа при нахождении глобального минимума приведенных затрат использован метод полного перебора.

Формирование генерального плана станции очистки сточных вод с использованием средств вычислительной техники представляет собой сложную задачу размещения зданий п сооружений различных функциональных групп с учетом укрупненных технологических, инженерных и транспортных коммуникаций и природно-климатических особенностей территориального района. С точки зрения проектировщика, качество решения задачи зависит от числа размещаемых объектов и их габаритов, количества минимальных и максимальных разрывов между объектами, заполненности территории объектами других производств, конфигурации существующих на площадке магистралей и т.п.

Для формализации задачи размещения объектов станции на генплане введены допущения:

1) размещение объектов осуществляется в трехмерном пространстве с метрикой

где (xol,yol,20i),(xoJ,yoJ,20j) — координаты центра объектов с номерами /", _/; /V — количество размещаемых объектов;

2) объекты, инженерные коммуникации, связывающие объекты и источники энергии, коллекторы подвода сточных вод, направляемых на очистку, задаются в форме параллелепипедов или цилиндров;

3) территория разбита на кварталы (модули) с заданными размерами, в процессе размещения объектов допускается изменение размеров кварталов;

4) фасады объектов максимально приближены к границам кварталов, на территории которых они размещаются;

5) подъездные пути проходят (преимущественно) по границам модулей;

6) в одном модуле размещается одна или несколько групп объектов основного и вспомогательного назначения; группа формируется по производственному принципу.

Вариант генплана представим как g = , ], где g'\ - вариант разме-

щения объектов, я' = | = 1,^} ; ^ — вариант трассировки инженерных

коммуникаций, = (я'/|./= -нЛ^} ; П, где б - множество

допустимых вариантов формирования генплана; П — множество всех возможных вариантов формирования генплана; - соответственно число групповых и одиночных трасс инженерных коммуникаций; П = П' хй', где П', О.' — соответственно множества вариантов размещения объектов и трассировки коммуникаций. Условия, характеризующие правила размещения объектов и трассировки инженерных коммуникаций, М : Г2 —> О или О = М(С1) назовем моделью проектного решения. С учетом приведенных обозначений, задача проектирования генплана станции БХО формулируется следующим образом. Найти

где Fз, Г32 - соответственно стоимость территории, занятой под объекты и коммуникации; Fз3 — стоимость коммуникаций; Г* — удорожание (удешевление) стоимости объектов от деления их на части (блокировки с другими объектами).

Задача формирования генерального плана сооружений БХО относится к классу комбинаторных задач. Исходя из функциональных особенностей объектов, природно-климатических отличий территории, реализованных в математической модели формирования генерального плана сооружений БХО сточных вод, предлагается алгоритм решения задачи, базирующийся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций.

Из множества размещаемых объектов выделяются группы, относящиеся к отдельным производственным комплексам. Очередность размещения комплексов определяется из следующих соображений: комплекс, занимающий большую площадь с учетом величин технических разрывов между объектами, имеет более высокий приоритет при размещении. Для выбранного производственного комплекса определяется квартал (несколько кварталов, если комплекс занимает большую площадь), на территории которого он будет размещен. Критерием оценки выбора квартала является стоимость оптимальных трасс инженерных и транспортных коммуникаций от границы квартала до внешних источников энергии и транспортных коммуникаций. Поиск оптимального квартала осуществляется методом координатной релаксации. Далее производится оптимизация начального размещения комплексов с помощью итерационного алгоритма, основанного на парных перестановках комплексов. В целях получения наиболее качественного размещения объектов внутри кварталов производится предварительная трассировка внешних коммуникаций с целью получения точек подвода коммуникаций к границам квартала.

g* = g ей = .

(18)

(19)

Далее осуществляется оптимальное размещение внутри кварталов и трассировка коммуникаций. Предложенный алгоритм носит локальный характер, но, учитывая возможность получения «хорошего» начального размещения объектов с предварительной трассировкой коммуникаций и последующего улучшения решения за счет парных перестановок и окончательной трассировки, полученное решение достаточно близко к глобальному оптимуму.

Для получения прогнозов качества воды необходимо построение математических моделей технологических процессов, протекающих в очистных сооружениях и водоеме — приемнике сточных вод, которые бы учитывали гидродинамические особенности потоков в сооружениях и природном водоеме, кинетические закономерности процессов и вероятностный характер их протекания. В течение ряда лет автором накоплен опыт использования математических моделей наиболее часто используемых процессов: биоокисления углерод- и азотсодержащих органических соединений в аэротенке коридорного типа с распределенной подачей воды - Ма; осаждения суспензии в радиальном отстойнике - Му; денитрификации в аппарате с перемешивающим устройством - Md ; самоочищения и распространения примесей в реке, среди которых выделены процессы аэробного окисления органических соединений, нитрификации, денитрификации, роста и отмирания планктона, фотосинтеза, ионного обмена и др. - Мг. При разработке математических моделей предложен подход, описанный в главе 2.

Для всех процессов математические модели статических режимов записаны в виде системы нелинейных уравнений материального баланса, которые, вследствие их громоздкости, представлены в обобщенном виде:

— для аэротенка коридорного типа

= ,- = Пб; (20)

- для денитрификатора

Md :fld(Y)JBX,...,Y^x,Yd,...Jd,G^QJ,rd) = 0, i = 13; (21)

— для радиального отстойника

Mv:f(Y^x,Y,\G\Qv) = 0; (22)

- для участка реки

= / = 1,7. (23)

Здесь Y°, У4", Yd - соответственно концентрации субстратов гетеротрофных, нитрифицирующих и денитрифицирующих микроорганизмов (ГМО, НМО, ДМО); У2°, У5Г - концентрации растворенного кислорода;

Y", У6", Yd, y,v - соответственно концентрации биомассы ГМО, НМО, ДМО; У/ - концентрация нитратов; G, (•) - гидродинамическая составляющая изменения концентрации ¡-го вещества; ra, rd - коэффициент рецирку-

ляции; У{ - концентрация БПК5; - концентрация азота органических соединений; У{ - концентрация аммонийного азота; У6Г, У{ — соответственно концентрации ионов шестивалентного хрома и общего фосфора; г - совокупность внешних воздействий, характеризующих изменение солнечной активности, уровня освещенности и др.; й - соответственно геометрические характеристики аэротенка, денитрификатора, вторичного отстойника; Тг - температура; Qa, О*~ соответственно расходы воды в аэро-тенке, денитрификаторе, вторичном отстойнике и реке; V — скорость течения воды в реке.

Для оценки гидродинамической структуры потоков в аэротенке предложено использовать результаты трассерных экспериментов, выполненных на аппаратах тех же размеров и аналогичной системы аэрации действующих станций. При этом для каждого типоразмера производится проверка двух гипотез, как наиболее вероятных для аппаратов такого типа - гидродинамика потоков описывается: 1) ячеечной моделью без обратных и байпасирующих потоков; 2) ячеечной моделью с прямыми байпасирующими и обратными рециркулирующими потоками. Техника проверки первой гипотезы сводится к сравнению нормированной кривой функции вымывания трассерного вещества с теоретической, аппроксимируемой функцией Эрланга, а при проверке второй гипотезы для получения теоретической кривой функции вымывания записывается система уравнений материального баланса, которая затем решается методом Рунге-Кутта. Дискриминация гипотез о гидродинамической структуре потоков в аэротенке производится при сравнении теоретической и экспериментальной кривых функций вымывания по минимуму среднеквадратичной относительной ошибки. Если для аэротенка проектируемой станции БХО расход сточных вод отличается от значения, при котором проводился трассерный эксперимент, то в АИС предусмотрен перерасчет экспериментальных кривых функций вымывания на новый расход.

При исследовании процессов естественного самоочищения воды в реке с малым расходом сделано допущение: гидродинамика потоков описывается моделью идеального вытеснения.

Для обеспечения режима нормального функционирования действующей региональной станции БХО в работе решена задача распределения квот сброса сточных вод предприятиями промышленного узла. Очень часто возникает ситуация, когда отдельные предприятия должны сбрасывать на сооружения БХО сточные воды в количествах, превышающих размеры выделенных квот. Это может быть связано как с особенностями технологических процессов получения продукции, так и нежеланием внедрять более совершенные экологически безопасные технологии, включающие и системы локальной очистки сточных вод. В таких случаях от предприятия требуется выполнение принятого стандарта либо через инвестиции в очистные технологии, либо приобретение разрешения на сброс сточных вод у тех предприятий, которые достигли большего сокращения выбросов, чем это предусмотрено выделенными квотами.

Задача перераспределения квот сброса сточных вод на станцию БХО сформулирована следующим образом: необходимо осуществить перераспре-

деление квот сброса сточных вод на станцию БХО таким образом, чтобы сумма затрат на приобретение прав сброса сточных вод у отдельных предприятий в интересах всего региона имела минимальное значение. При такой постановке задача перераспределения квот сброса сточных вод на сооружения БХО аналогична задаче, которая в литературе известна как транспортная задача. Она относится к классу задач линейного программирования и для ее решения предложено использовать симплекс-метод.

Четвертая глава посвящена решению задач по обеспечению экологической безопасности ПТС, при функционировании которых образуются отходы в виде газовых выбросов. В связи с этим рассматривается комплекс задач, связанный с автоматизированным синтезом технологических процессов очистки газовых выбросов ПТС. В общем виде задача автоматизированного проектирования системы газоочистки сформулирована следующим образом. Для каждой стадии выбранной схемы очистки необходимо найти: тип, геометрические характеристики и количество единиц каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки газовых выбросов от заданного множества вредных примесей А8 , при соблюдении ограничений на выходные переменные (концентрации примесей в воздухе рабочей зоны и др.) по критерию минимума суммы взвешенных относительных потерь критериев: приведенных затрат на реализацию совокупности стадий очистки с учетом экономического ущерба от загрязнения окружающей среды; надежности функционирования системы очистки, технологичности и безопасности проведения процессов газоочистки. Формализованная постановка задачи во многом аналогична задаче синтеза системы очистки сточных вод (1) — (8).

Для практического решения задачи синтеза системы очистки газовых выбросов ПТС заменим ее последовательным рассмотрением следующих подзадач меньшей размерности, имеющих и самостоятельное значение в процессе проектирования: формирование варианта СТС системы газоочистки ПТС, в состав которых должны войти все необходимые технологические стадии очистки; расчет аппаратурного оформления выбранных технологических схем очистки.

Задача формирования варианта СТС системы газоочистки ПТС во многом аналогнчна задаче формирования СТС системы очистки сточных вод и для ее решения использован тот же математический подход.

Задача определения аппаратурного оформления схемы газоочистки, обеспечивающей минимальное значение приведенных затрат при заданных входных и выходных параметрах, формулируется следующим образом: для каждой стадии схемы очистки необходимо найти тип, геометрические характеристики и количество единиц каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки отходящих газов ПТС, т.е.

''0Р1 = аг§тт Г2(г),

(24)

геК

при выполнении санитарно-экологических ограничений:

уравнений связи, представляющих математическую модель формирования вариантов аппаратурного оформления технологической схемы очистки

ЬХ,Сфон>С1ЫХ, (), (ор(,К) - 0 . (26)

Составляющие критерия ,Г2 имеют вид: ю' л1 а"

= +]Г (27)

/=[ /=1 к=I

где Г, - основной размер аппарата на г'-й стадии очистки; а,, р, - коэффициенты, учитывающие зависимость стоимости аппаратов стадии / от материала и основного размера; и, — количество основных аппаратов на стадии /; N1 -

количество стадий схемы; А^ - количество вредных ингредиентов, улавливаемых на схеме; А7 - количество расходуемых материалов (сорбентов, электроэнергии и т.п.); ц1 - средний массовый расход _/'-й примеси; т}к — расходная норма к-го материала, необходимого для проведения процессов очистки от у-и примеси; I/к — среднее время проведения процесса очистки от у'-й примеси на г'-й стадии очистки с использованием к-го материала; -стоимость единицы к-го расходуемого материала.

Математическая модель технологических процессов системы очистки отходящих газов ПТС включает зависимости для расчета объема аппаратов и определения параметров оборудования, основанные на соответствующих ГОСТ, ОСТ, РСТ, РД. При разработке программного обеспечения решения задачи проектирования системы газоочистки для ПТС все методики расчетов оформлены в виде базы расчетных модулей.

При нахождении необходимого количества аппаратов на каждой стадии очистки используется метод, что и для задачи (16) - (17).

В пятой главе рассматривается решение задачи экологической безопасности машиностроительного производства, которую, по нашему мнению, следует решать на этапе технологической подготовки производства, т.е. при выборе материала, из которого изготавливается конструируемая деталь с заданными эксплуатационными свойствами, прочностными характеристиками, и технологических процессов всех этапов ее изготовления, необходимо учитывать их экологическую безопасность.

Задачу оценки технико-экономической эффективности и экологической безопасности технологической подготовки производства машиностроительных изделий можно сформулировать следующим образом. Для конструируемой детали, с заданными геометрическими размерами £ и весом С, ее эксплуатационными свойствами и прочностными характеристиками на множестве IV = М х Т х 2 х От х Ои х Ог х РП1 х Ри х Р, х У„, х У:1 х V, найти такой вариант у/ еРУ, для которого сумма взвешенных относительных потерь отдельных критериев имеет минимальное значение. Определение варианта и>*

осуществляется с использованием: экономического критерия, включающего в себя трудозатраты, стоимость вспомогательных материалов и материалов, затраченных на изготовление приспособлений, стоимость электроэнергии и ущерба, наносимого окружающей среде выбросами загрязнений в атмосферный воздух; оценки процента брака деталей; критерия технологичности процессов упрочняющей обработки.

Множество IV представляет собой декартово произведение множеств: допустимых видов материалов, используемых для изготовления детали М\ видов упрочняющей обработки, обеспечивающих заданные показатели качества изделия Т; видов заготовок допустимых наборов оборудования для проведения механической От , упрочняющей обработок Ои и для выбранных способов получения заготовок 02 ; соответствующих каждому виду обработки: приспособлений Рт , Ри и Р., видов вспомогательных материалов ¥т , Уи и V,.

В формализованном виде задача заключается в поиске

минимума функции /г(м'):

м>*=аг&тт , (28)

»е1С

при выполнении ограничений на: эксплуатационные свойства и прочностные характеристики детали; температурный режим технологического процесса и глубину слоя химико-термической обработки материала детали; твердость материала детали; габаритные размеры детали при использовании оборудования; вес детали при использовании приспособлений; показатели технологических процессов упрочнения детали;

уравнений связи

м, т, г, о,п, р,„, гт)=о, м, Т, х, ои, ри, уи)=о,

Цо,м,т,г,о2,р2,У:)=о, (29)

представляющих модели принятия решений при синтезе технологических процессов механической и упрочняющей обработок, а также получения заготовок.

Задача (28), (29) относится к классу комбинаторных. Из-за высокой размерности задачи и традиций организации труда на машиностроительном предприятии, она разбивается на подзадачи:

1 - выбора вида (марки) металла и вида упрочняющей обработки поверхностей детали, а также вида и способа получения заготовки в зависимости от выбранного характера упрочняющей обработки;

2 — выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров механообработки;

3 — выбора экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров определенного ранее вида упрочняющей обработки.

При решении задачи 1, используя критерий, включающий в себя трудозатраты, стоимости вспомогательных материалов и материалов, затраченных на изготовление конструируемой детали, стоимость обработки (снятие технологических прибылей) и транспортные расходы на доставку металла от поставщика на склад предприятия, получаем 0] вариантов ее решения, для ко-

торых значения критерия находятся в заданной окрестности оптимальной его величины. Это обусловлено тем, что при решении задачи используется укрупненная оценка затрат и времени на изготовление детали (ее партии), которые уточняются при детальном рассмотрении технологических процессов механической и упрочняющей обработок.

Компонентами каждого варианта являются: материал, используемый для изготовления детали, способ получения и вид заготовки, а также вид упрочняющей обработки, обеспечивающей заданные показатели качества изделия.

Для каждого о1( -го варианта решения задачи 1, принадлежащего О,,

решается задача автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки 3. При ее решении используется критерий, составляющими которого являются: экономический критерий, включающий в себя трудозатраты, стоимости вспомогательных материалов и материалов, затраченных на изготовление приспособлений, стоимости электроэнергии и ущерба, наносимого окружающей среде выбросами загрязнений в атмосферный воздух; процент брака при изготовлении деталей; технологичность процессов упрочняющей обработки. Результатом решения задачи является маршрутная карта технологического процесса упрочняющей обработки.

Модели принятия решений задач 1 и 3 включают ряд эвристических процедур. В основе отдельных из них лежат традиционные действия конструктора и технолога в процессе технологической подготовки производства.

Помимо этих задач в общую схему задач ТПП включается и задача 2, которая в данной работе не рассматривается, так как результаты ее решения не оказывают существенного влияния на обеспечение экологической безопасности территориального района размещения предприятия. Затраты, связанные с реализацией процессов механической обработки конструируемой детали, определялись нами с использованием программно-методического комплекса системы автоматизированного проектирования технолог ических процессов механической обработки, разработанного «БЕЛОРГСТАНКИНПРОМ».

При решении задачи 1 стоимость упрочняющей обработки оценивалась укрупненно, поэтому решение задач 2 и 3 служит для уточнения затрат на их проведение. Для окончательного выбора оптимального варианта решения общей задачи необходимо вычислить критерий У, минимальное значение которого позволит определить: материал, используемый для изготовления детали, способ получения и вид заготовки, технологические процессы механообработки, упрочняющей обработки с соответствующим набором оборудования, приспособлений и вспомогательных материалов.

В шестой главе синтезирована методология построения АИС принятия решений по обеспечению экологической безопасности, описана ее структура. В основу построения программного обеспечения системы положены принципы структурного программирования: модульности и децентрализации управления. Отдельные части программного обеспечения выделены в виде блоков. Это позволяет повысить надежность всей системы в целом, упрощает его дальнейшее совершенствование. Каждый блок реализует решение одной из описанных выше задач.

С помощью разработанного программно-математического комплекса, включенного в АИС, осуществлено решение ряда практических задач, связанных с обеспечением экологической безопасности окружающей среды.

В приложении приведены описания и результаты решения отдельных практических задач, документы, подтверждающие внедрение результатов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основным результатом работы является научно обоснованная методология построения интегрированной АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ и/или промышленного узла, открытой для дальнейшего развития. В ее основе лежат научные принципы: при принятии проектных и управленческих решений по обеспечению устойчивого развития территории приоритет должен отдаваться экологической безопасности перед технико-экономическими показателями; проектные и управленческие решения должны проходить комплексную оценку (экологическую, технологическую, социально-экономическую); целостность ППС должна отображаться в виде единого информационного пространства; проектные и управленческие решения должны обеспечиваться интегрированной АИС поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.

При решении сложного комплекса задач промышленной экологии использованы и адаптированы подходы: теории иерархических систем (на всех этапах принятия проектных и управленческих решений), анализа альтернативных вариантов решений (при проектировании ПТС) с учетом особенностей принятия решений в сфере экологической безопасности и предложен новый подход к построению экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем, для которых информация об их поведении носит неопределенный характер из-за отсутствия достаточного количества систематических и надежных данных.

При решении данной проблемы получены следующие результаты.

1 Развиты теория и методы автоматизированного синтеза систем очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС, охватывающие все основные этапы проектирования и учитывающие особенности их технологических процессов. Осуществлены постановки задач, решаемых с помощью АИС: обеспечения экологической безопасности ППС при размещении ПТС; автоматизированного формирования структуры технологических схем (СТС) очистки сточных вод и газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления схем; автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод. В качестве составляющих векторного критерия оптимальности использованы: приведенные затраты на реализацию совокупности стадий очистки; экономический ущерб, наносимый окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы и газовых выбросов в атмосферный воздух; надежность функционирования системы очистки; технологичность и безопасность процессов очистки.

у о

2 Впервые разработаны модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС с применением продукционных правил, используемых при создании экспертных систем.

3 Создана процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод, базирующаяся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций, учитывающая функциональные особенности объектов, природно-климатические отличия территории и реализуемая с помошью АИС принятия решений.

4 Разработаны экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротснке со сложным гидродинамическим режимом, денитрификаторе и реке с малым расходом воды, с учетом кинетических закономерностей и вероятностного характера их протекания.

5 Впервые создана информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере предприятий, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию БХО.

6 Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий машиностроения, охватывающий все основные этапы технологической подготовки производства и учитывающий: комплексную оценку альтернатив при принятии решений; условия эксплуатации изделия; возможность использования различных технологий и видов оборудования. Создана модель принятия решения выбора: марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий; экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

7 Разработана интерактивная информационная система поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС, включающая следующие пакеты программ:

— автоматизированного формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления этих схем и автоматизированного проектирования генерального плана станции БХО сточных вод;

— распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки;

— обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных предприятий;

— автоматизированного выбора: марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения; экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки;

— оценки качества воды в компонентах гидросферы окружающей среды.

8 Теоретические и практические результаты использованы при решении ряда задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС. Полученный экономический эффект в современных ценах составил более 800 тыс. рублей.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Немтинов, В.А. Информационный анализ и моделирование объектов природно-промышленной системы / В.А. Немтинов. М.: Машиностроение-1, 2005. 112 с.

2 Попов, Н С. Проблемно-ориентированная вычислительная система прогноза загрязнения атмосферы / U.C. Попов. В. А. Немтинов, А.П. Зубаков П Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнения : Респ. межвед. сб, науч. тр. Киев: Наук, думка, 1987. № 13. С. 40-44.

3 Прогнозирование режимов функционирования реконструируемых станций биологической очистки / И.В. Гордин, Н.С. Попов, В.А. Немтинов, С.С. Толстых // Теоретические основы химической технологии. 1988. № 6. С. 803 - 809.

4 Оценка эффективности природоохранных мероприятий на химических предприятиях / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов, В.Г. Мокрозуб, С.Я Егоров // Химическая промышленность. 1989. №12. С. 943-944.

5 Попов, Н.С. Методика автоматизированного моделирования процессов самоочищения реки с малым расходом воды в условиях неопределенности / Н.С. Попов, В.А. Немтинов,

B.Г. Мокрозуб // Химическая промышленность. 1992, № 9. С. 545 - 550.

6 Автоматизированная система технологической подготовки производства для термической обработки изделий из металлов / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов, В.Г. Мокрозуб, Н.П. Нестерова// Вестник машиностроения. 1994. № 2. С. 28 - 30.

7 Создание информационных справочных систем с использованием технологии Inlernet/lntranet / В.А. Немтинов, В.Г. Мокрозуб, С.Я. Егоров, Д.П. Козодаев // Информационные технологии. 1999. № 7. С. 37 - 39.

8 Немтинов, В.А. Опыт разработки электронной графической справочной системы по технологическому оборудованию и ее использования в учебном процессе / В.А. Немтинов,

C.Я. Егоров, В.Г. Мокрозуб // Информационные технологии. 1999. № 8. С. 35-37.

9 Об одном подходе создания виртуального автоматизированного рабочего места инженера — проектировщика химических производств / В.А. Немтинов, С.Я. Егоров, В.Г. Мокрозуб, Д.П. Козодаев // Химическая промышленность. 2000. Т. 77, № 2. С. 53 - 57.

10 Разработка электронно-графических каталогов оборудования и их использования в задачах проектирования многоассортиметшых химических производств / С.Я. Егоров, В.А. Немтинов, В.Г. Мокрозуб, И.В. Милованов // Химическая промышленность. 2000. Т. 77, № 2. С. 49-53.

11 Malygin, Е. Construction Principles of the System for Solving Industrial Ecology Problems / E. Malygin, V. Nemtinov, Yu. Nemtinova // Transactions of the Tambov State Technical University. 2001. V. 7,№2. P. 205-212.

12 Малыгин, Е.Н. Автоматизированное проектирование на основе системного подхода / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов // Экология и промышленность России. 2001. № 5. С. 36 - 40.

13 Малыгин, Е.Н. Автоматизированный синтез сооружений биохимической очистки сточных вод / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов, С.Я. Егоров // Теоретические основы химической технологии. 2002. Т. 36, № 2. С. 188-195.

14 Решение проблемы оптимального синтеза технологических процессов сложных систем / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов, Ж.Е. Зимнухова, Ю.В Немтинова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2002. Т. 7, № 2. С. 242 -245.

15 Немтинов, В.А. Оценка инвестиционной деятельности при размещении химических производств / В.А. Немтинов, Ю.В. Немтинова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2002. Т. 8, № 2. С. 375-382.

16 Malygin, E. Computer-aided Synthesis of Ecoîogically Safe Processes of Chemicothermal. Treatment of Workpieces from Metals / E. Malygin, V. Nemtinov, Yu. Nemtinova // Transactions of the Tambov State Technical University. 2002. V. 8, № 3. P. 518-524.

! 7 Малыгин, E H. Автоматизированное проектирование генерального плана сооружений биохимической очистки сточных вод / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов, С.Я. Егоров // Химическая промышленность. 2002. Т. 79, № 12. С. 33 - 39.

18 Немтинов, В.А. Автоматизированное формирование природоохранных мероприятий при проведении государственной экологической экспертизы / В.А. Немтинов, Д.В Сарычев, Ю.В. Немтинова // Химическая промышленность. 2003. Т. 80, № 3. С. 14-25.

19 Немтинов, В.А. Решение задачи распределения квот сброса сточных вод на региональные сооружения биохимической очистки / В.А. Немтинов, А Н. Шаров, Ю.В. Немтинова П Химическая промышленность. 2003 Т. 80, № 7. С. 28 - 33.

20 Использование ГИС-технологий для моделирования состояния экосистемы промышленного узла / E.H. Малыгин, В.А. Немтинов, М.В. Зуйков, Ю.В. Немтинова// Геоинформатика.

2003. №3. С. 16-21.

21 Малыгин, E.H. Автоматизированный синтез системы очистки газовых выбросов для многоассортиментных малотоннажных химических производств / E.H. Малыгин, В.А. Немтинов, Ю.В. Немтинова//Теоретические основы химической технологии. 2003. Т 37, X» 6. С. 613 - 621.

22 Немтинов, В.А. Оценка инвестиционной политики на машиностроительном производстве / В.А. Немтинов, Ж.Е. Зимнухова, Ю.В. Немтинова // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2003. № 4. С. 23 - 28.

23 Использование информационных систем при проведении экологических экспертиз / E.H. Малыгин, В.А. Немтинов, Д.В. Сарычсв, Ю.В. Немтинова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2003. Т. 9, № 3. С. 434 - 443.

24 Немтинов, В.А. О подходе к регулированию взаимоотношений между природопользо-вателями / В.А. Немтинов, Ю.В. Немтинова // Известия РАН. Теория и системы управления.

2004. Т. 43, № 5. С. 143 - 148.

25 Немтинов, В.А. Перспективы использования ГИС-технологий в химической промышленности / В.А. Немтинов // Химическая промышленность. 2004. Т. 81, № 8. С. 427 - 434.

26 Немтинов, В.А. Методологические основы построения информационной системы принятия решений по обеспечению экологической безопасности / В.А. Немтинов // Научно-техническая информация. Серия 1. 2005. № 10. С. 1 - 7.

27 Немтинов, В.А. Методика автоматизированного моделирования объектов класса открытых систем / В.А. Немтинов // Информационные системы и процессы : сб. науч. тр. под ред. проф. В.М. Тютюнника Тамбов ; М. ; СПб. ; Вена: Изд-во «Нобелистнка», 2005. Вып. 3. С. 26-33.

28 Немтинов, В.А. Информационная система принятия решений по обеспечению экологической безопасности / В.А. Немтинов // Информационные системы и процессы : сб. науч. тр. под ред. проф. В.М. Тютюнника. Тамбов ; М. ; СПб. ; Вена : Изд-во «Нобелистика», 2005. Вып. 3. С. 145- 148.

29 Немтинов, В.А. Использование ГИС-технологий при оценке качества подземных водных ресурсов промышленного узла / В.А. Немтинов A.A. Литвинов, Ю.В. Немтинова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2005. Т. 11, № 3. С. 625 - 631.

30 Немтинов, В.А. О подходе к созданию системы принятия решений при проведении государственной экологической экспертизы / В.А. Немтинов, Ю.В. Немтинова // Известия РАН. Теория и системы управления. 2005. Т. 44, №3. С. 72 -81.

31 Попов, Н С. Методика идентификации математической модели реки с малым расходом для целей прогноза / Н С. Попов, В.А. Немтинов, С.С. Толстых // Охрана от загрязнения сточными водами водоемов бассейнов внутренних морей : тез. докл. Всесоюз. конф. Тбилиси, 1987. С. 51-53.

32 Немтинов, В.А. Исследование экологических факторов при проектировании гибких химико-технологических производств / В.А. Немтинов // Автоматизация и роботизация в химической промышленности : тез. докл. II Всесоюз. конф. Тамбов, 1988. С. 158 - 159.

33 Попов, Н С. Решение задачи экологической экспертизы на этапах проектирования и размещения химических производств / Н.С. Попов, В.А. Немтинов // Моделирование систем автоматизированного проектирования, научных исследований и гибких автоматизированных производств : тез. докл. Всесоюз. конф. Тамбов, 1989. С. 79-81.

34 Автоматизация конструкторско-технологической деятельности на машиностроительных предприятиях / С В. Мищенко, E.H. Малыгин, В.А. Немтинов, В.Г. Мокрозуб // Конструк-торско-технологическая информатика КТИ-96 : тез. докл. 111 Междунар. конгресса М.: МГТУ «Станкин», 1996. С. 97 - 98.

35 Немтинов, В.А. Разработка корпоративных справочных систем для пользователей глобальных компьютерных сетей / В.А. Немтинов, Егоров С.Я, В.Г. Мокрозуб // Информационные технологии в производственных, социальных м экономических процессах. ИНФОТЕХ-99: тез. докл. II Междунар. конф. Череповец, 1999. С. 39 - 40.

36 Автоматизированное проектирование сооружений биохимической очистки сточных вод / В.А. Немтинов. С.Я. Егоров, В.Г. Мокрозуб, С.А. Субочев // Тез. докл. II Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям SCM-99. СПб., 1999. Ч. 2. С. 218-221.

Л

37 Немтинов, В.А. Проблема составления структурных схем потоков при проектировании систем очистки газообразных выбросов / В.А. Немтинов, В.Г. Мокрозуб, С.Я. Егоров // Динамика систем, механизмов и машин '.тез. докл. Ill Междунар. конф. Омск, 1999. С. 402-403.

38 Надежность системы очистки сточных вод / В.А. Немтинов, С.Я. Егоров, В.Г. Мокрозуб, С. А. Субочев // Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте : тез. докл. Междунар. конф. Самара, 1999. С. 260-261.

39 Немтинов, В.А. Методика автоматизированного синтеза сооружений биохимической очистки сточных вод / В.А. Немтинов, С.Я. Егоров, И.С. Иезбера // Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-2000 : тез. докл. Междунар. конф. СПб., 2000. Т. 6. С. 142- 143.

40 Немтинов, В.А. Оценка технико-экономической эффективности и экологической безопасности проектируемых химических производств / В.А. Немтинов, Ю.В. Немтинова// Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовке инженерных и научных кадров на пороге XXI века : тез. докл. Междунар. конф. Брянск, 2000, С. 62 - 64,

41 Nemtinov, V. Usage of G1S for modeling self-cleaning processes in low-drain rivers / V.Nemtinov, Yu. Nemtinova // International Conference on Environmental Observations, Modeling and Information Systems as Tools for Urban/Regional Pollution Rehabilitation - ENVIROMIS-2000. Tomsk, 2000. P. 34-35.

42 Немтинов, В.А. Решение задач проектирования и эксплуатации многоассортиментных химических производств с использованием ГИС-технологий / В.А. Немтинов // Геоинформа-тика-2000 : тез. докл. Междунар. конф. Томск, 2000. С. 115 - 117.

43 Немтинов, В.А. Методологические основы использования интернет-технологий при изучении цикла экологических дисциплин / В.А. Немтинов // Экология и образование : тез. докл. Междунар. конф. Петрозаводск, 2000. С. 53 -54.

44 Малыгин, Е.Н. О системном подходе к решению задачи промышленной экологии при проектировании химических производств / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов //.Идентификация систем и задачи управления : докл. Междунар. конф. М., 2000. С. 68-75.

45 Малыгин, Е.Н. Автоматизация процесса технологической подготовки машиностроительного производства / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов, Ж.Е. Зимнухова // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта : докл. Междунар. конф. CAD/CAM/PDM-2001, М., 2001. С. 301-310.

46 Проектирование отдельных этапов жизненного цикла машиностроительных изделий / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов, Н.П Зимнухова, Ж.Е. Зимнухова // Современные системы управления предприятием CSBC'2001 : тр. Междунар. науч.-техн. конф. Липецк, 2001. С. 109 - ИЗ.

47 Nemtinov, V. Use of Web-technology in Technological Disciplines Study / V. Nemtinov, Yu. Nemtinova, S. Egorov, T. Frolova // International Conference on Telematics and, Web-based Education - TeIematica-2001. St.Peterburg, 2001. Inter. V. P. 81 - 82.

48 Немтинов, В.А. Использование геоинформационных систем для разработки гидрогеологической модели района размещения химического предприятия / В.А. Немтинов, А.С. Клейменов, М.В. Зуйков // Математическое моделирование в образовании, науке и производстве : материалы Междунар. науч.-практ. конф. Тирасполь, 2001. С. 271 -272.

49 Учет факторов экологической безопасности и профессионального риска на этапе технологической подготовки машиностроительного производства / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтннов, Ж.Е. Зимнухова, Ю.В. Немтинова // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта : докл. Междунар. конф. и выставки CAD/CAM/PDM-2002. М„ 2002. Т. 2. С. 428 - 435.

50 Nemtinov, V. Creation of a Common Three-dimensional Model of an Industrial Site for Solving of Ecological Problem / V. Nemtinov, Yu. Nemtinova, M. Zuikov // International Conference on Environmental Observations, Modeling and Information Systems as Tools for Urban/Regional Pollution Rehabilitation - ENV1ROMIS-2002. Tomsk, 2002. P. 45 - 46.

51 Nemtinov, V. Ecological Safety of the Processes Chemico-Therma! Treatment of metal Workpieces. / V. Nemtinov. Zh. Zimnuchova // The Second International Conference on Ecological Chemistry. Chisinau: Republic of Moldova, 2002. P. 281-282.

Подписано к печати 7.02.2006. Гарнитура Times New Roman. Формат 60 х 84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 1,86 усл. печ. л.; 2,0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. С. 60

Издательско-лолиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

1 МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИРОДНО-ПРОМЫШЛЕННОЙ СИСТЕМЫ.

1.1 Промышленные объекты - составная часть природно-промышленной системы.

1.2 Методы прогнозирования состояния компонентов окружающей среды промышленного узла.

1.3 Обзор методов решения задач промышленной экологии при проектировании производственных технических систем.

1.4 Анализ методов автоматизированного синтеза технологических процессов промышленных систем.

1.5 Постановки задач исследования.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ.

2.1 Единое информационное пространство природно-промышленной системы в масштабе промышленного узла.

2.2 Иерархические системы принятия решений задач промышленной экологии.

2.2.1 Применение теории сложных систем для решения задач обеспечения экологической безопасности промышленного узла при проектировании производственных технических систем.

2.2.2 Комплексная оценка при принятии решений задач обеспечения экологической безопасности природно-промышленной системы

2.2.3 Процедура анализа вариантов принятия решений при проектировании сложных систем.

2.3 Распознавание технико-экологических состояний объектов и выбор контролируемых признаков.

2.4 Автоматизированное проектирование математических моделей объектов класса открытых систем.

2.4.1 Выбор математической модели на основе качественной и количественной информации.

2.4.2 Имитационное исследование математических моделей процессов промышленных и природных объектов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

3 АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ПРОЦЕДУРНЫЕ МОДЕЛИ СИНТЕЗА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УТИЛИЗАЦИИ ЖИДКИХ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

3.1 Автоматизированное решение задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод.

3.1.1 Постановка задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод.

3.1.2 Процедура решения задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод.

3.2 Автоматизированный расчет аппаратурного оформления станции биохимической очистки сточных вод.

3.2.1 Постановка задачи расчета аппаратурного оформления станции биохимической очистки сточных вод.

3.2.2 Процедура решения задачи расчета аппаратурного оформления станции биохимической очистки сточных вод.

3.3 Автоматизированное проектирование генерального плана станции биохимической очистки сточных вод.

3.3.1 Постановка задачи проектирования генерального плана.

3.3.2 Процедурная модель принятия решения задачи проектирования генерального плана.

3.3.3 Процедура решения задачи проектирования генерального плана.

3.4 Математические модели биохимических процессов в сооружениях станции очистки сточных вод и самоочищения в природных водоемах

3.4.1 Математическая модель аэротенка.

3.4.2 Математическая модель вторичного отстойника.

3.4.3 Математическая модель денитрификатора.

3.4.4 Математическая модель реки с малым расходом воды.

3.5 Процедурная модель принятия решения задачи реконструкции станции биохимической очистки сточных вод.

3.6 Математическая модель системы аварийной защиты и управления станцией биохимической очистки сточных вод.

3.7 Решение задачи распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.

3.7.1 Постановка задачи.

3.7.2 Процедура решения задачи.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

4 ИНФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЦЕДУРНЫЕ МОДЕЛИ СИНТЕЗА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

4.1 Автоматизированное решение задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов.

4.1.1 Постановка задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов.

4.1.2 Процедура решения задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов.

4.2 Автоматизированный расчет аппаратурного оформления технологической схемы очистки газовых выбросов.

4.2.1 Постановка задачи расчета аппаратурного оформления технологической схемы очистки газовых выбросов.

4.2.2 Процедура решения задачи расчета аппаратурного оформления технологической очистки газовых выбросов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

5 ИНФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЦЕДУРНЫЕ МОДЕЛИ СИНТЕЗА ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ПРИМЕРЕ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ

МЕТАЛЛОВ.

5.1 Разработка экономичных экологически безопасных технологических процессов изготовления изделий из металлов с использованием теории сложных систем.

5.2 Задача оценки технико-экономической эффективности и экологической безопасности при синтезе технологических процессов производства машиностроительных изделий.

5.3 Автоматизированный выбор марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения.

5.3.1 Математическая постановка задачи автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения.

5.3.2 Процедурная модель принятия решения задачи автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения.

5.4 Автоматизированный выбор экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

5.4.1 Математическая постановка задачи автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

5.4.2 Процедурная модель принятия решения задачи автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

5.5 Методика автоматизированного решения задачи технологической подготовки машиностроительного производства.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5.

6 ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО

ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ПРОМЫШЛЕННОГО УЗЛА.

6.1 Обоснование структуры системы.

6.2 Информационное обеспечение системы.

6.2.1 Информационная база данных для решения задачи автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения изделий машиностроения.

6.2.2 Информационная база данных для решения задачи автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

6.3 Примеры решения отдельных задач проектирования станций биохимической очистки сточных вод.

6.3.1 Автоматизация проектных расчетов при реконструкции городских очистных сооружений.

6.3.2 Прогнозирование режимов функционирования реконструируемых станций биохимической очистки сточных вод.

6.3.3 Исследование математической модели процесса денитрификации сточных вод.

6.3.4 Моделирование работы системы аварийной защиты и управления станцией биохимической очистки сточных вод.

6.3.5 Моделирование процессов самоочищения реки с малым расходом воды.

6.4 Примеры решения задач синтеза технологических процессов производства изделий из металлов.

6.5 Пример решения задачи синтеза технологических процессов обезвреживания газовых выбросов химических производств.

6.6 Решение задачи размещения производства N-фенилантраниловой кислоты.

6.7 Моделирование распространения загрязнений в компонентах окружающей среды Тамбовского промышленного узла.

6.8 Оценка качества подземных вод Тамбовского промышленного узла

6.9 Автоматизированная обработка данных государственной экологической экспертизы промышленных объектов.

6.10 Решение задачи распределения квот сброса сточных вод на городские очистные сооружения предприятиями г. Моршанска Тамбовской области.

6.11 Учебная подсистема удаленного доступа «Эколог».

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6.

В России охране окружающей среды всегда уделялось большое внимание. В настоящее время приняты: Концепция экологической безопасности Российской Федерации [91], которая является составной частью Концепции национальной безопасности [90]; много законодательных актов, направленных на сохранение, рациональное использование, расширенное воспроизводство и развитие природных ресурсов; федеральные законы «Об охране окружающей среды» [290], «Об охране атмосферного воздуха» [289], «О животном мире» [288] и др. Контроль над соблюдением требований законодательств осуществляется Министерством природных ресурсов РФ.

Экологическая безопасность - это проблема взаимоотношений общества и природы, сохранение окружающей природной среды. Ее целью является обеспечения устойчивого и оптимального на длительном периоде времени равновесия между природными и антропогенными системами, техносферой и обществом. В соответствии с принятой Концепцией экологической безопасности страны важной стратегической задачей является предупреждение загрязнения окружающей среды при размещении новых производственных технических систем (ПТС) и обезвреживание ее компонентов в местах повышенной экологической опасности (в местах наибольшей концентрации населения, промышленного и сельскохозяйственного производства) на базе нормирования качества окружающей среды, внедрения систем очистки и ресурсосберегающих технологий. Решение такой задачи в настоящее время невозможно без использования автоматизированных информационных систем (АИС) интеллектуального уровня.

Основными антропогенными объектами, функционирование которых во многих случаях приводит к нарушению состояния равновесия природной среды, являются промышленные предприятия. Во многом степень загрязнения природной среды зависит от технологии получения целевой продукции. Так, например, в настоящее время большинство химических процессов ведется в водных растворах, которые потом идут в стоки, в то время как известны и процессы химии твердого тела, не нуждающиеся в применении воды и растворителей. Допущенные просчеты при выборе технологии и в оценке степени загрязнения окружающей среды при бурном развитии промышленных производств привели к загрязнению водоемов, кислотным дождям, гибели отдельных видов растений и животных, угрозе здоровью людей и т.п.

Одним из основных средств исследования взаимодействия ПТС с природной и социальной средой является математическое моделирование. Оно позволяет прогнозировать возможные изменения физических, химических и биологических состояний окружающей среды, вызванные деятельностью ПТС. Другими словами, с помощью математических моделей можно оценить «экологичность» ПТС через изменение параметров природной среды.

Степень экологической опасности ПТС, по предложению академика Б.Н. Лас-корина, необходимо оценивать по количеству и составу образующих отходов [232]. На основании знаний о количественном и качественном составе отходов можно прогнозировать ущерб, наносимый природе и обществу, и в зависимости от его величины принимать решения по выбору технологических процессов ПТС [158]. При реализации такого подхода возникают серьезные трудности, связанные со сложностью разработки моделей переноса и диффузии примесей в атмосферном воздухе, воде, почве с учетом их физических и биохимических превращений, состоянием сред и т.п., а также отсутствием точных методов расчета всех видов ущерба, наносимого природе и обществу в стоимостном выражении. В процессах, возникающих вследствие воздействия ПТС на окружающую среду, исходя из их специфики и пространственно - временных масштабов, можно условно выделить три уровня изменений:

- физико-химические превращения, происходящие в атмосфере, гидросфере и литосфере;

- биологические реакции, происходящие в живых организмах;

- социально-экономические последствия.

В основных направления экономического и социального развития Российской Федерации на ближайшие десятилетия определена программа комплексного решения проблемы охраны окружающей среды от промышленных загрязнений на основе создания малоотходных и безотходных технологий, разработки новых методов и средств очистки производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод, использования на всех этапах выполнения исследовательских и опытно - конструкторских работ современных информационных систем.

Предусмотренное на ближайшие годы увеличение выпуска и расширение номенклатуры промышленной продукции, обусловливающее значительное увеличение объема проектных и конструкторских работ - с одной стороны, необходимость решения экологических проблем - с другой, требует: разработки новых принципов и методов расчета; использования комплексных критериев оценки принимаемых проектных решений, составляющими которых являются экономические затраты и экологическая безопасность проведения технологических процессов, что особенно важно в современных рыночных отношениях. В свою очередь, это требует создания специального математического и программного обеспечений, позволяющих решать задачи промышленной экологии, связанные с проектированием и эксплуатацией ПТС и обеспечением экологической безопасности включающих их природно-промышленных систем (ППС). Решение проблемы обеспечения экологической безопасности ППС является важным и аюуальным научно-техническим направлением устойчивого развития субъектов РФ, однако оно сдерживается отсутствием прикладных автоматизированных систем поддержки принятия проектных и управленческих решений, использующих современные информационные технологии: ГИС-технологии, SQL- ориентированные инструментальные системы и др. В связи с этим выполненная работа посвящена разработке методологических основ и созданию проблемно-ориентированной вычислительной системы, используемой при решении задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС. Результаты, полученные автором, базируются на достижениях многих научных школ. Решению проблемы сохранения окружающей среды большое внимание уделяли ведущие отечественные и зарубежные ученые: академики Вернадский В.И., Моисеев Н.Н., Марчук Г.И., Яковлев С.В., Лас-корин Б.Н. и др. В частности, в решение проблемы синтеза малоотходных химических производств большой вклад внесли такие российские ученые как: академик Ка-фаров В.В.; профессора: Перов В.Л., Бодров В.И., Гордеев Л.С., Егоров А.Ф., Малыгин Е.Н., Попов Н.С., Макаров В.В., Дорохов И.Н. и др. Среди ведущих ученых в области теории информатики и АИС следует отметить академика Арского Ю.М., профессора Гиляревского Р.С. и др.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационным планом Межвузовских НТП «Ресурсосберегающие технологии машиностроения» на период

1994 - 1997, «Теоретические основы химической технологии» на период 1995 - 2000 гг., а также по хоздоговорным планам НИР Тамбовского института химического машиностроения в 1981- 1993 гг. и Тамбовского государственного технического университета в 1994-2003 гг.

Объектом исследования в работе является ППС в масштабе субъекта РФ и/или промышленного узла, включающая в себя совокупность объектов различного назначения, образующих единую технико-экономическую и экологическую структуру территории, взаимодействующих друг с другом в процессах обмена информацией, потребления материально-энергетических ресурсов и переработки отходов.

Предметом исследования являются математические методы и модели, лежащие в основе разработки автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных и управленческих решений, непосредственно связанных с экологической безопасностью окружающей среды.

Цель работы. Целью работы является создание методологии построения автоматизированной информационной системы (АИС) поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта Российской Федерации.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1 Разработаны теоретико-аналитические основы построения интегрированной АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности в масштабе субъекта РФ.

2 Развиты теория и методы автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС.

3 Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий машиностроения.

4 При создании подсистем поддержки принятия решений разработаны:

- математические и расчетные модели синтеза химико-технологических процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС;

- математические и расчетные модели синтеза экологически безопасных технологических процессов получения целевой продукции (на примере производства изделий из металлов);

- экономическая модель принятия решений при регулировании взаимоотношений между природопользователями;

- информационная система автоматизированной обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных объектов;

- процедурная модель оценки качества воды в компонентах гидросферы окружающей среды.

5 Разработано программное обеспечение АИС для решения задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС.

Решение поставленных в работе задач позволяет на этапе принятия проектных и управленческих решений оценить риск экологической опасности ПТС и предложить меры по предотвращению загрязнения окружающей среды.

Методика исследования основана на использовании методов математического моделирования; методов системного анализа, линейного, нелинейного и дискретного программирования, методик экспериментального исследования процессов химической биохимической природы; методов имитационного эксперимента.

Научная новизна. 1 На базе системного анализа, методов математического моделирования, теории оптимального управления и теории принятия решений разработана методология построения интегрированной автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ, открытой для дальнейшего развития. Были сформулированы следующие научные принципы:

- при принятии проектных и управленческих решений по обеспечению устойчивого развития территории приоритет должен отдаваться экологической безопасности перед технико-экономическими показателями;

- проектные и управленческие решения должны проходить комплексную оценку (экологическую, технологическую, социально-экономическую);

- целостность ППС должна отображаться в виде единого информационного пространства;

- проектные и управленческие решения должны обеспечиваться интегрированной информационной системой поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.

При решении сложного комплекса задач промышленной экологии использованы и адаптированы следующие подходы: теории иерархических систем (на всех этапах принятия проектных и управленческих решений), анализа альтернативных вариантов принятия решений (при проектировании ПТС), предложен новый подход к построению экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем, для которых информация об их поведении носит неопределенный характер из-за отсутствия достаточного количества систематических и надежных данных; поставлены и формализованы задачи и реализованы методики их решения.

2 Развита методология автоматизированного синтеза химико-технологических процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС, охватывающая все основные этапы проектирования. На ее основе осуществлены постановки задач: обеспечения экологической безопасности ППС при размещении ПТС; автоматизированного формирования структуры технологической схемы (СТС) очистки сточных вод; расчета аппаратурного оформления схемы и автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод; автоматизированного формирования СТС очистки газовых выбросов и расчета аппаратурного оформления этой схемы. В качестве составляющих векторного критерия оптимальности использованы: приведенные затраты на реализацию совокупности стадий очистки; экономический ущерб, наносимый окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы и газовых выбросов в атмосферный воздух; надежность функционирования системы очистки; технологичность и безопасность процессов очистки.

3 Впервые разработаны модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС с применением продукционных правил, используемых при создании экспертных систем.

4 Создана процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод, базирующаяся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций, учитывающая функциональные особенности объектов, природно-климатические отличия территории и реализуемая с помощью АИС принятия решений.

5 Разработаны экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денит-рификаторе и реке с малым расходом воды.

6 Впервые создана информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере ПТС, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.

7 Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий из металлов, охватывающий все основные этапы технологической подготовки производства, учитывающий комплексную оценку альтернатив при принятии решений; условия эксплуатации изделий; возможность использования различных технологий и видов оборудования. Осуществлены постановки задач и предложены модели их решений: оценки технико-экономической эффективности и экологической безопасности технологической подготовки производства машиностроительных изделий; автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения изделий; автоматизированного выбора экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

Таким образом, методология построения АИС поддержки принятия решений в сфере экологической безопасности включает в себя совокупность принципов, подходов, аналитических и процедурных моделей различных процессов объектов, входящих в состав ППС. С помощью АИС можно: создавать модели ППС в автоматизированном варианте, проводить имитационные исследования, генерировать ответы по сценарию и т.д.

На защиту выносятся основные положения:

1 Научно обоснованная методология построения интегрированной автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ, открытой для дальнейшего развития и реализующей следующие научные принципы:

- при принятии проектных и управленческих решений по обеспечению устойчивого развития территории приоритет должен отдаваться экологической безопасности перед технико-экономическими показателями;

- проектные и управленческие решения должны проходить комплексную оценку (экологическую, технологическую, экономическую);

- целостность ППС должна отображаться в виде единого информационного пространства;

- проектные и управленческие решения должны обеспечиваться интегрированной информационной системой поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.

При решении сложного комплекса задач промышленной экологии предложен новый подход к построению экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем, для которых информация об их поведении носит неопределенный характер из-за отсутствия достаточного количества систематических и надежных данных.

2 Методология автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов.

3 Модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов.

4 Процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод, базирующаяся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций.

5 Экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денитрификаторе и реке с малым расходом воды.

6 Информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере предприятий, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.

7 Научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий из металлов.

Практические результаты работы. На основе предложенной методологии, разработанных аналитических и процедурных моделей принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС создано программное обеспечение АИС, включающее пакеты программ:

- автоматизированной компоновки структуры технологической схемы очистки сточных вод; расчета аппаратурного оформления этой схемы и автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод;

- распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки и регулирования взаимоотношений между природопользователями;

- исследования процессов естественного самоочищения воды в реке;

- обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных предприятий;

- автоматизированного выбора: марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения; экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки;

- выбора технологических процессов (на примере производств анилиновых красителей), а также района их возможного размещения;

- выбора оптимального варианта технологических процессов очистки газовых выбросов ПТС и определения их аппаратурного оформления.

Разработанный комплекс программ передан в Тамбовский филиал Московского научно-производственного объединения НИОПиК (в настоящее время ОАО «Эко-химпроект»), отдельные пакеты программ - ОАО «Пигмент», г.Тамбов, «Гипрополи-мер», г.Дзержинск Нижегородской обл., ОАО «Тамбовполимермаш»; Главному управлению природных ресурсов и охраны окружающей среды по Тамбовской области, Территориальному центру государственного мониторинга геологической среды Тамбовской области; отдельные компоненты комплекса - в вузы страны: Тамбовский государственный технический университет, Ивановский химико-технологический институт (в настоящее время университет), Курганский государственный университет, где используются студентами при выполнении лабораторных и курсовых работ. Учебная подсистема «Эколог» доступна всем пользователям сети Internet (http://www.gaps.tstu.ru/win-1251/lab/ekolog/index ecolog.html).

За период эксплуатации пакетов программ по заказу МНПО НИОПиК выполнены расчеты по выбору района размещения ряда химических производств, по заказу ОАО «Экохимпроект» выполнены проекты реконструкции нескольких станций биохимической очистки сточных вод, на ОАО «Тамбовполимермаш» осуществлена технологическая подготовка производства более 50 машиностроительных изделий, в состав каждого из них входит более 100 деталей из металлов и др.

Экономический эффект от использования программного обеспечения АИС составил более 800 тыс. рублей.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на 58 Всесоюзных, Международных конференциях и конгрессах. Результаты работы представлены публикациями в центральной и международной печати.

Новизна и оригинальность научных исследований, выполненных в диссертации, отмечены и поддержаны грантом Министерства образования РФ по исследованиям в области машиностроения, 1995. Биографические сведения о Немтинове В.А. включены в издание «Who is Who in Science and Engineering» 7lh Edition, 2003-2004 (By Marquis Edition Who is Who in Science and Engineering (USA)). International Biographical Center (Cambridge, England) номинировал B.A. Немтинова как «International Scientist of the Year for 2003» и включил его в список «Leading Scientists of the World 2005».

В списке литературы, включающем более 359 наименований приведены основные источники, в сравнении с которыми выполнена настоящая работа, ссылки и работы самого автора, указывающие на приоритет в данной области исследования.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 100 печатных работ, в том числе монография, статьи в центральных и международных журналах, доклады на конгрессах и конференциях различного уровня, учебные пособия и учебно-методические издания. В основном все научные результаты получены автором. Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве и содержащиеся в них результаты, состоит в постановке задач, разработке теоретических положений, а также - в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Основным результатом работы является научно обоснованная методология построения интегрированной АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ или промышленного узла, открытой для дальнейшего развития. В ее основе лежат научные принципы: при принятии проектных и управленческих решений по обеспечению устойчивого развития территории приоритет должен отдаваться экологической безопасности перед технико-экономическими показателями; проектные и управленческие решения должны проходить комплексную оценку (экологическую, технологическую, социально-экономическую); целостность ППС должна отображаться в виде единого информационного пространства; проектные и управленческие решения должны обеспечиваться интегрированной АИС поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.

При рассмотрении сложного комплекса задач промышленной экологии использованы и адаптированы подходы: теории иерархических систем (на всех этапах принятия проектных и управленческих решений), анализа альтернативных вариантов решений (при проектировании ПТС) с учетом особенностей принятия решений в сфере экологической безопасности и предложен новый подход к построению экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем, для которых информация об их поведении носит неопределенный характер из-за отсутствия достаточного количества систематических и надежных данных.

При решении данной проблемы получены следующие результаты.

1 Развиты теория и методы автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС, охватывающая все основные этапы проектирования. На их основе осуществлены постановки задач: обеспечения экологической безопасности ППС при размещении ПТС; автоматизированного формирования СТС очистки сточных вод; расчета аппаратурного оформления схемы и автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод; автоматизированного формирования СТС очистки газовых выбросов и расчета аппаратурного оформления этой схемы. В качестве составляющих векторного критерия оптимальности использованы: приведенные затраты на реализацию совокупности стадий очистки; экономический ущерб, наносимый окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы и газовых выбросов в атмосферный воздух; надежность функционирования системы очистки; технологичность и безопасность процессов очистки.

2 Впервые разработаны модели принятия проектного решения задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС с применением продукционных правил, используемых при создании экспертных систем.

3 Создана процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод, базирующаяся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций, учитывающая функциональные особенности объектов, природно-климатические отличия территории и реализуемая с помощью АИС принятия решений.

4 Разработаны эксперимеЕпально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денит-рификаторе и реке с малым расходом воды, с учетом кинетических закономерностей и вероятЕюстпого характера их протекания.

5 Впервые создана экономическая модель регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере предприятий, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию БХО.

6 Развит 1Еаучный подход к автоматизированному сшЕтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий машинострое-ееия, охватываЕОщий все основееьш этапы тех1Еологической подготовки производства и учитывающий: комплексЕ1ую оценку альтернатив при принятии реше1Еий; условия эксплуатации изделия; возможность использования различных технологий и видов оборудоваЕЕия. Создана модель принятия решения выбора: марки металла, вида и способа получеЕшя заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий; экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

7 Разработана интерактивная информационная система поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС, включающая следующие пакеты программ:

- автоматизированного формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления этих схем и автоматизированного проектирования генерального плана станции БХО сточных вод;

- распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки;

- обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных предприятий;

- автоматизированного выбора: марки металла, способа получения и вида заготовки в зависимости от вида упрочнения для изделий машиностроения; экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки;

- оценки качества воды в компонентах гидросферы окружающей среды.

8 Теоретические и практические результаты использованы при решении ряда задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС, Полученный экономический эффект в современных ценах составил более 800 тыс. рублей.

Таким образом, методология построения АИС поддержки принятия решений в сфере экологической безопасности включает в себя совокупность принципов, подходов, аналитических и процедурных моделей различных процессов объектов, входящих в состав ППС. С помощью АИС можно: создавать модели ППС в автоматизированном варианте, проводить имитационные исследования, генерировать ответы по сценарию и т.д.

Основные теоретические и экспериментальные результаты обсуждались на Всесоюзной конференции "Реахимтехника-2" (Днепропетровск 1985), I, II Всесоюзной конференции "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" (Тамбов 1986, 1988), Всесоюзной конференции "Охрана от загрязнения сточными водами водоемов бассейнов внутренних морей (Тбилиси 1987), Всесоюзной конференции "Математическое моделирование сложных химико-технологических систем" (Казань 1988), Всесоюзной конференции "Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем, научных исследований и гибких автоматизированных производств" (Тамбов 1989), Всесоюзной конференции "Проблемы компьютеризации управления в высшей школе (Тамбов 1990), VII Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы, задачи и опыт внедрения программных средств АСУ ТП" (Черновцы 1990), Международной теплофизической школы "Теп-лофизические проблемы промышленного производства" (Тамбов 1992), Межреспубликанской конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования" (Тамбов 1993), Всероссийской научно-технической конференции "Математические методы в химии" (Тула 1993), I, II, III, IV, V научной конференции Тамбовского государственного технического университета (Тамбов 1994, 1995, 1996, 1999, 2000), IV Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов (Москва 1994), Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии (Ярославль 1994), I, II, III Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь 1995, Новомосковск 1997, Владимир 1998), III Международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика" (Москва 1996), II, III, IV, V,VI Тамбовской межвузовской конференции "Актуальные проблемы информатики и информационных технологий" (Тамбов 1998, 1999, 2000, 2001, 2002), I Всероссийской конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Нижний Новгород 1999), II Международной конференции "Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах «ИНФОТЕХ-99»" (Череповец 1999), II Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM-99" (Санкт-Петербург 1999), XII, XIII, XIV, XV, XVI Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Великий Новгород 1999, Санкт-Петербург 2000, Смоленск 2001, Тамбов 2002, Казань 2005), X Международной конференции "Применение новых технологий в образовании" (Троицк 1999), I, II Международной конференции "Математические методы в образовании, науке и промышленности" (Тирасполь 1999, 2001), III Международной конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск 1999), Международной конференции "Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте" (Самара 1999), Международной конференции "Информационные технологии в образовании" (Шахты 2000), Международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании" (Новосибирск 2000), Международной конференции "Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовке инженерных и научных кадров на пороге XXI века" (Брянск 2000), I, II Международной конференции "Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне" (Томск 2000, 2002), Международной конференции "Геоинформатика - 2000" (Томск 2000), Международной конференции "Экология и образование" (Петрозаводск 2000), Международной конференции "Идентификация систем и задачи управления" (Москва 2000), XIV Международной конференции молодых ученых МКХТ-2000 "Успехи в химии и химической технологии" (Москва 2000), IV Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и системы" (Пемза 2000), Международной научно-практической конференции "Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике" (Новочеркасск 2001), VII Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск 2001), I, II Международной научной конференции и выставки CAD/CAM/PDM "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (Москва 2001, 2002), Международной научно-технической конференции "Современные системы управления предприятием - CSBC'2001" (Липецк 2001), Международной научной конференции по телематике и Web-средствам в обучении - Телематика 2001" (Санкт-Петербург 2001), Международной научно-практической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании" (Кемерово 2002), III Международной научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении" (Николаев 2002), II Международной конференции по экологической химии (Кишинев, Молдова 2002).

Новизна и оригинальность научных исследований, выполненных в диссертации, отмечены и поддержаны грантом Министерства образования РФ по исследованиям в области машиностроения, 1995. За успешную работу научно-исследовательская лаборатория по разработке программного обеспечения решения задач с использованием ГИС-технологий, созданная в рамках договора о сотрудничестве ТГТУ с одним из мировых лидеров разработчиков ГИС - корпорацией Intergraph, получила международный сертификат. Руководителем лаборатории является Немтинов В.А.

Биографические сведения о Немтинове В.А. включены в издание «Who is Who in Science and Engineering» 7th Edition, 2003-2004 (By Marquis Edition Who is Who in

Science and Engineering (USA)). International Biographical Center (Cambridge, England) номинировал В.А. Немтинова как «International Scientist of the Year for 2003» и включил его в список «Leading Scientists of the World 2005».

Научные результаты, полученные в ходе выполнения диссертации отражены в более 100 опубликованных работах автора (12, 57 - 67, 116 - 129,131 - 134, 136 - 140, 143 - 156, 168 - 171,173 - 226,240, 243 - 245,247, 250,253 - 254, 328 - 329, 335 - 338).

Разработанный комплекс программ передан в Тамбовский филиал Московского научно-производственного объединения НИОПиК (в настоящее время ОАО «Эко-химпроект»), отдельные пакеты программ - ОАО «Пигмент», г.Тамбов, «Гипрополи-мер», г.Дзержинск Нижегородской обл., ОАО «Тамбовполимермаш»; Главному управлению природных ресурсов и охраны окружающей среды по Тамбовской области, Территориальному центру государственного мониторинга геологической среды Тамбовской области; отдельные компоненты комплекса - в вузы страны: Тамбовский государственный технический университет, Ивановский химико-технологический институт (в настоящее время университет), Курганский государственный университет, где используются студентами при выполнении лабораторных и курсовых работ. Учебная подсистема «Эколог» доступна всем пользователям сети Internet.

За период эксплуатации пакетов программ по заказу МНПО НИОПиК выполнены расчеты по выбору района размещения ряда химических производств, по заказу ОАО «Экохимпроект» выполнены проекты реконструкции нескольких станций биохимической очистки сточных вод, на ОАО «Тамбовполимермаш» осуществлена технологическая подготовка производства более 50 машиностроительных изделий, в состав каждого из них входит более 100 деталей из металлов.

1. Айзерман, М.А. Выбор вариантов. Основы теории / М.А. Айзерман, Ф.Т. Але-скеров.-М.: Наука, 1990.-227 с.

2. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т, Т. 1 / В.И. Анурьев. М.: Машиностроение, 1979. - 728 с.

3. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т, Т. 2 / В.И. Анурьев. М.: Машиностроение, 1979. - 559 с.

4. Багоцкий, С.В. Математическое моделирование процессов самоочищения в водных системах / С.В. Багоцкий // Водные ресурсы -1976. № 4.- С. 123 - 133.

5. Базовые нормативы платы за выбросы, сбросы загрязняющих веществ в окружающую природную среду и размещение отходов. М., 1992. - 32 с.

6. Бек, М.Б. Моделирование содержания растворенного кислорода на участке реки, далеком от аустория / М.Б. Бек // Математические модели контроля загрязнения воды. М.: Мир, 1981 - С. 182 - 194.

7. Бенедиктов, И.А. Разработка и исследование технологической подготовки группового производства поковок из цветных металлов и сплавов: Автореф. диссер. на . канд.техн.наук:05.17.08 / А.И. Бенедиктов. М., 1999.-20 с.

8. Берлянд, М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы / М.Е. Берлянд. JL: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

9. Берлянт, A.M. Геоинформационное картографирование в экологических исследованиях /A.M. Берлянт // Геоинформатика. Сб. статей. Изд. МГУ. 1995. - С. 38-40.

10. Бертокс, П. Стратегия защиты окружающей среды от загрязнений / П. Бертокс, Д. Радд. М.: Мир, 1980. - 606 с.

11. Бодров, В.И. Влияние загрязнения окружающей среды на размещение производств веществ высокой чистоты / В.И. Бодров, Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов // Реахимтехника-2: Тез. докл. Всесоюз. конф. Днепропетровск. - 1985. -Ч. 2. -С. 49.

12. Бодров, В.И. Определение гидродинамической структуры водных объектов в нестационарных условиях / В.И. Бодров, Н.С. Попов, А.А. Арзамасцев // Химия и технология воды. 1984. - Т. 6, № 5. - С. 394 - 398.

13. Бойко, Е.И. Организация технологических систем промышленного производства / Е.И. Бойко. Киев: Наук, думка, 1985. - 168 с.

14. Борисенок, Г.В. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Г.В. Борисенок, JI.A. Васильев, Л.Г. Ворошин. М.: Металлургия, 1981. -424 с.

15. Бурков, В.Н. Интегральная оценка риска в задачах управления промышленной безопасности / В.Н. Бурков, С.И. Дзюбко, О.С. Кулик // Проблемы управления безопасностью сложных систем: Материалы VIII Междунар. конф. М., 2000.-С.111 -112.

16. Вавилин, В.А. Биохимическая кинетика / В.А. Вавилин, В.Б. Васильев, М.Д. Курский. Киев: Вища школа, 1977.-262 с.

17. Вавилин, В.А. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом / В.А. Вавилин, В.Б. Васильев. М.: Наука, 1978.- 119 с.

18. Вавилин, В.А. Нелинейные модели биологической очистки и процессов само0очищения в реках/В.А. Вавилин. М.: Наука, 1983. - 159 с.

19. Вальд, А. Последовательный анализ / А. Вальд. -М.: Физматгиз, 1970. 257 с.23.