автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Методы оптимального проектирования схем утилизации промышленных отходов

зизииэиъь ^иъригпьзпказиъ ^пгапьгазиъ ычьвпнэзиъ ъшицрирпшзпьъ яизииэиъь 'пьзимиъ шрзиричьэишъ ^ииишипиъ

'-фршЦпщшО ЧиисфЦ 8|щршй|1

цртзш-ъирьршниъ шфпъъьрь очзипишиъ игиьииъьрь слвьиш. ьи^и^оаиъ иызтъьрс

Ь. 13.02 - «Щтпйштшдйшй Иин5ш1|шрс1.Ьр» йшиОи^тт^илЗр шит|1бшй|1 Иицдйииб шшЬйш|ипишр;шй

иьишоьр РГо ОД

ЬрЬшй 2000

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

АРМЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АРМЕНИИ

Киракосяп Гагик Тигранович

МЕТОДЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СХЕМ УТИЛИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.^2 - "Системы автоматизации"

Ереван 2000

11шЬОш[ипип1р]шО рЬйшО Ьшитшшф!. £ Яш]ши1пшй(1 щЬтш^и бшртшршцЬтшЦшй ИшйшцдиршйпиЗ (Я'ПбЗ):

Ч|ипш1)ш0 [ипрЬрпштги т.С}.^., щрпфЬипр иЯ.ипшрЬишО.

'ЛшгтпйшЦшО рйгу^иЗш^ипийЬр'

т.ч.г!., щрпфЬипр иЯ.иЬйг^шО

т.фгу, щрпфЬипр Зп1.и.11г\шршушй

Ш.Ц.Г}., Ш.С^.Ш. ^ЯЛиирГИ^шСцШ

11пш2шшшр ЦшчйшЦЬрщш^гий' <<:1ЬгИ1П°г1Ьр11ПФшршОп1.р]шй Ь Ы|П|пц|1ицГ1

З^тш-ЦГфшпшЦшй ЦЬОтрпй»

'Т1ш21П1цшйтр]П10р Цицшйшии. I 2000р. иЬштЬйрЬпЬ 8-Ьй диийо 14°°-Ьй. р.032 йшиОшчЬшш^шй [шрИргф СфитпиЗ, З'ПбЗ чЬ^МрЬргф 0[1ишЬр|1 ^шЬДОгнй (ЗшидЬО' 375009, р.ЬрЬ|.шО, БЬрзшй ф.,105,17-рг) йшийшгЬОр):

111лЬОш|ипип1.р]шО|] I: йшйпршОи^ Я'ПбЗ црищшршйгий:

11Ьг\йи^|1рй итшрЦшй I: 2000р. одпишпиЬ 4-[1р:

032 йшийшфтш^шй [\inphpiih

чЬшшЦшй ршрттгцир, т^.р., г^пдЬйт \ Ь.Ю.ибЬ^шО

Тема диссертации утверждена в Государственном инженерно университете Армении (ГИУА).

Научный консультант: д-т.н., профессор А.А.Аракелян

Официальные оппоненты: Д.т.н., профессор С.О.Симонян

д.т.н., профессор Ю.А.Агабалян

д.т.н., с.н.с. Г.А.Арутюнян

Ведущая организация: "Научно-прикладной центр гидрометериологии

экологаи"

Защита состоится "8" сентября 2000г. в 14°° часов на заседай! специализированного совета 032 в зале ученого Совета ГИУА (37500 г.Ереван, ул. Теряна, 105, корпус 17).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГИУА.

Автореферат разослан "4" августа 2000г.

Ученый секретарь специализированного

совета 032, к.т.н., доцент э х-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Утилизация промышленных отходов имеет огромное экономическое, ресурсосберегающее, социальное и экологическое значение для замкнутых промышленных регионов. Комплексное решение проблем охраны природы и управления сырьевыми ресурсами замкнутого горно-промышленного региона (ГПР) возможно лишь при наличии системного подхода, что требует разработки, развития и внедрения новых методов автоматизированного проектирования оптимальных схем переработки первичных и вторичных минеральных ресурсов (ПМР, BMP) промышленности. Совместное системное рассмотрение возникающих при этом задач для решения проблем охраны природы и оптимального использования сырьевых ресурсов позволяет лицу, принимающему решение (ЛПР), дать единственно правильную оценку стратегии проектирования малоотходных схем переработки первичных сырьевых ресурсов и утилизации промышленных отходов. Действенным инструментом проектирования оптимальных малоотходных схем производства ГПР, горно-перерабаты-вающей промышленности, горно-перерабатывающего предприятия (ГПП), комбината (ГПК) и угольной обогатительной фабрики (УОФ) является интерактивная, интеллектуальная, универсальная, простая в обращении и открытая автоматизированная система, обеспечивающая широкие возможности диалога человек-компьютер и позволяющая подсоединять новые пакеты прикладных программ (ППП) или исключать устаревшие. Основная трудность в создании такой автоматизированной системы заключается в отсутствии унифицированного информационного и специального математического обеспечений.

Объектом исследования является комплекс математических, алгоритмических и программных методов, моделей и средств автоматизированного проектирования оптимальных схем малоотходной технологии переработки сырьевых ресурсов промышленности.

Цель и основные задачи исследования. Целыо исследования является разработка методов оптимального проектирования схем

утилизации промышленных отходов, объединенных в универсальную автоматизированную систему, включающую математические модели, методики, алгоритмы и ППП решения типовых задач синтеза малоотходной технологии переработки первичных и вторичных сырьевых ресурсов, позволяющих ДПР в интерактивном режиме сопоставлять результаты решения одной и той же задачи в статическом и динамическом режимах.

Задачи исследования заключаются в разработке интерактивной системы автоматизированного проектирования (ИСАП) оптимальных схем комплексной переработки первичных сырьевых ресурсов (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP) с организацией унифицированного приема, накопления, модификации и выдачи необходимой информации, а также методов, алгоритмов и ППП следующих типовых задач:

- определение месторасположения и эколого-экономических показателей (ЭЭП) схем предприятий по переработке промышленных отходов (задача S1);

- проектирование малоотходной схемы ГПП (ГПК) (задача S2);

- определение границ использования промышленных отходов (задача S3);

- динамика процессов утилизации промышленного отхода для организации выпуска новых продуктов (задача D1);

- проектирование динамической схемы утилизации промышленных отходов на региональном уровне (задача D2);

- оптимальное планирование и управление циклической системой водоснабжения производства (задача D3);

- многокритериальное оптимальное проектирование малоотходной схемы ГПП (ГПК) (задача Ml);

- многокритериальное определение схем и показателей выпуска продуктов при утилизации промышленных отходов (задача М2);

- многокритериальный синтез схемы "поставщики-потребители" промышленных отходов (задача МЗ).

Для решения перечисленных типовых задач S1-S3, D1-D3 и М1-МЗ рассматриваемой проблемы необходима предварительная разработка балансовой модели сырьевых ресурсов малоотходной тех-

нологии производства и статистических моделей зависимостей: транспортных затрат на сырье и продукцию от расстояния перевозки; капвложений, удельной и полной себестоимостей продукции от объема выпуска продукции.

Методы исследования. В диссертации использованы методы: теории исследования операций (теории выбора, теории графов, методов решения задач математического программирования, теории принятия решений); теории оптимального управления; математической статистики; теории информации; теории САПР и АСУ; технологий переработки минеральных и сырьевых ресурсов.

Научная новизна. В процессе исследований получены следующие научные результаты:

- предложена и обоснована концепция автоматизированного оптимального проектирования схем переработки первичных сырьевых ресурсов (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP);

- разработана модель материального баланса сырьевых ресурсов малоотходной технологии переработки первичного сырья (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP);

- разработаны и исследованы статистические модели зависимостей: транспортных затрат на сырье и продукцию от расстояния перевозки; удельной себестоимости продукции, полной себестоимости продукции и полных капвложений от объема выпуска продукции;

- предложена морфологическая схема вариантов малоотходной технологии и разработан алгоритм формирования технологических схем ГПП и ГПК;

- разработаны модели и методы решения типовых статических задач оптимального природопользования (S1-S3);

- разработаны модели и предложены методы решения типовых динамических задач проектирования схем утилизации промышленных отходов (D1-D3);

- предложен обобщенный двухступенчатый метод решения многокритериальных задач проектирования схем оптимальной утилизации промышленных отходов с учетом экологического фактора

и разработаны модели решения типовых многокритериальных задач (М1-МЗ);

- разработана ИСАП RUMAG, реализованная в виде универсального комплекса автоматизированного проектирования, для решения прикладных проблем оптимального природопользования, к которой подключены ППП разработанных методов типовых задач (S1-S3, Dl, D2, М1-МЗ).

Защищаемые научные положения:

- математическая модель материального баланса сырьевых ресурсов малоотходной технологии переработки первичного сырья (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP);

- модели обработки статистической экономической информации рассматриваемых задач;

- эколого-экономические критерии задач поставленной проблемы;

- реализация условий оптимальности в динамических задачах исследуемой проблемы;

- методы проектирования малоотходных схем ГПП и ГПК в статике и динамике;

- методы синтеза оптимальной структуры взаимосвязей и ТЭП "поставщик-потребитель" промышленных отходов на региональном уровне в статике и динамике;

- метод оптимального планирования и управления циклической системой водоснабжения производства;

- метод принятия решений в многокритериальных задачах поставленной проблемы;

- ИСАП оптимальных схем переработки первичных сырьевых ресурсов и утилизации промышленных отходов (RUMAG);

- результаты расчетов и промышленных внедрений.

Совокупность полученных научных положений и выводов квалифицируется как развитие теории и практики разработки методов, математических и информационных обеспечений САПР и АСУ схем оптимальной переработки сырьевых ресурсов горно-пе-рерабатывающей промышленности.

Достоверность научных положений обеспечивается принятой методологией исследований и математическим обоснованием научных и практических результатов.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Решение поставленной проблемы обеспечило возможность: определения материального баланса сырьевых ресурсов схем малоотходной технологии УОФ; генерации множества перспективных вариантов схем малоотходных технологий ГПП (ГПК) цветной металлургии; расчета зависимостей капвложений, удельных и полных себестоимостей стройматериалов (портландцемента, силикатного кирпича, песка, гравия, щебня, облицовочной плиты, гранулята, жаростойкого легковеса, изделий из силикатобетона и т.д.) от объема выпуска продукции и расстояния перевозки; выбора месторасположения и ЭЭП предприятий по утилизации туфовых отходов Армении для выпуска гранулята, жаростойкого легковеса и изделий из силикатобетона; синтеза оптимальной схемы комплексной переработки руды Каджаранского медно-молибденового комбината; проектирования оптимальных малоотходных схем ГПП (ГПК) цветной металлургии и УОФ с технико-экономическими показателями (ТЭП); синтеза оптимальных взаимосвязей "поставщики-потребители" отходов на межотраслевом уровне (на примерах использования отходов УОФ и цветной металлургии в производстве портландцемента, щебня, песка и песчано-гравийной смеси); создания ИСАП RUM AG; включения разработанных математических, алгоритмических и программных реализаций оптимального проектирования схем переработки отходов УОФ в справочник по образованию и использованию вторичных материальных ресурсов угольной промышленности; внедрения и применения разработанных математических методов оптимального проектирования схем комплексной переработки первичного сырья и промышленных отходов, ИСАП RUMAG, ее отдельных ППП и результатов расчетов в следующих организациях: ВИВР (Россия, г.Мытищи); ИПКОН РАН (Россия, г.Москва); Татглавснаб (Россия, г.Казань); Верхневолгглав-снаб (Россия, г.Иваново); Востказглавснаб (Казахстан, г.Усть-Каме-негорск); АрмНИИСтройиндустрии (Армения, г.Ереван); НПО "Ка-

мень и силикаты" (Армения, г.Ереван); Министерство охраны природы Армении (Армения, г.Ереван).

Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорных (х/д) и госбюджетных (г/б) тематик ГИУА, а также в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских и проектных работ Министерства охраны природы Армении, НПО "Камень и силикаты", АрмНИИСтройиндустрии, ИПКОН РАН, ВИВР и Востказ-главснаб. В частности, "Разработка первой очереди информационно-поисковой системы по учету наличия и использования отходов минерального сырья", х/д работа, шифр Н-013, гос. per. № 01830047909, инв. № 02830049915 и № 02840067885; "Разработка информационно-поисковой системы "Вторичные ресурсы в системе Верхневолжского Главснаба"", х/д работа, шифр Н-162/ВТ, гос. per. № 01850068007, инв. № 02870043755; "Определение места строительства завода-потребителя отходов камнедобычи", передача научно-технических достижений ГИУА, шифр ПНД-8; "Выбор оптимальной структуры использования отходов производства предприятий цветной металлургии Восточно-Казахстанской области в промышленности строительных материалов"; "Разработка методики экономической оценки отходов и потерь полезных компонентов при обогащении руд (безотходной технологии)"; "Разработка адаптивной системы управления рационального использования ресурсов экономического региона", г/б работа, шифр 92-1147; "Автоматизированный информационный комплекс для выбора обоснованных направлений использования отходов производства", г/б работа, шифр 94-6; "Армения - изучение изменения климата в стране", проект UNDP/GEF, шифр UNDP/GEF/ARM/95/G31/A/1G/99; "Интерактивная автоматизированная система решения проблем охраны природы и управления сырьевыми ресурсами", индивидуальный исследовательский проект фонда Макартуров, № 9852247.

Апробация работы. Основные научные результаты и положения диссертации и сведения о промышленных внедрениях докладывались и обсуждались на: семинаре "Внедрение ВТ в проектировании и научных исследованиях" (Ереван, Армения, 1983г.); Рес.

науч.-техн. конф. "Проблемы совершенствования регионального управления природными ресурсами" (Ереван, Армения, 1983г.); 1-й Всесоюзн. науч.-техн. конф. "Системный анализ и управление в задачах рационального природопользования и охраны окружающей среды" (Цахкадзор, Ереван, Армения, 1983г.); Всесоюзн. науч.-техн. конф. "Системный анализ и управление в задачах использования минерально-сырьевых ресурсов, утилизации отходов и охрана окружающей среды" (Цахкадзор, Армения, 1988г.); Юбил. конф. ГИУА (Ереван, Армения, 1993г.); 1st International Conf. on Application of Critical Technologies for the Needs of Society (Yerevan, Armenia, 1995г.); научных семинарах института эконометрии, исследования операций и теории систем Венского технического университета (Вена, Австрия, 1987г., 1988г., 1991г., 1992г., 1999г.); научном семинаре кафедры прикладной математики Горного университета Леобена (Леобен, Австрия, 1988г.); научном семинаре кафедры производственной экономики Венского университета (Вена, Австрия, 1999г.); семинарах кафедры динамики и симуляции экологических систем Технического университета Ильменау (Ильме-нау, Германия, 1995г., 1997г.); научном межкафедральном семинаре факультета информатики и экономики Московского государственного института стали и сплавов (технологический университет) (Москва, Россия, 1999г.); International Conf. on Methods and Applications of Multicriteria Decision Making (Möns, Belgium, 1997г.); годичных научных семинарах ГИУА (Ереван, Армения, 1996 -1998гг.); научных семинарах сектора "Вычислительная техника" ГИУА (Ереван, 1983 - 1999гг.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 24 научных трудах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из 232 наименований, 11 приложений. Работа включает 84 рисунка и 28 таблиц. Общий объем работы - 397 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены задачи автоматизированного проектирования схем утилизации промышленных отходов. Решение задач проблем охраны природы и управления сырьевыми ресурсами промышленного региона возможно лишь при межотраслевой кооперации, что требует системного подхода, подразумевающего разработку ИСАП, объединяющей методы оптимального проектирования схем утилизации промышленных отходов с соответствующими ППП.

В результате проведенного обзора и анализа состояния вопроса исследования выявились следующие основные направления работы:

1. Использование системного подхода к процессам технологической обработки сырьевых ресурсов и проектирования структуры и ТЭП схем комплексной переработки сырья и повышения степени извлечения основных компонентов.

2. Систематизация и унификация вводимой информации по размерности, времени ввода и капзатратам.

3. Применение известных и разработка новых технологических, экономических и экологических критериев и показателей.

4. Разработка математических моделей, методов, методик, алгоритмов и ППП решения типовых задач рассматриваемой проблемы: S1-S3; D1-D3; М1-МЗ.

5. Исследование и разработка ИСАП схем переработки первичного сырья и утилизации промышленных отходов с повышенным уровнем организации унифицированного приема, накопления и модификации необходимой информации, которая должна быть реализована на персональных компьютерах, совместимых с IBM, под управлением MS Windows.

Во второй главе разработаны балансовые модели сырьевых ресурсов малоотходной технологии производства; статистические модели зависимостей: транспортных затрат на сырье (от поставщика к объекту) и продукцию (от объекта к потребителю) от расстояния

перевозки; капвложений, удельной и полной себестоимостей продукции от объема выпуска продукции. Кроме того, разработаны методы решения и математические модели типовых статических задач оптимального проектирования схем утилизации промышленных отходов (51-ЭЗ).

Для формализованного описания балансовых моделей сырьевых ресурсов, используемых в смежных отраслях, приведем необходимые параметры и обозначения: а, - количество (объем) выпуска

ь,

продукции из /-го сырья; а/ - количество 5 -го отхода, имеющегося в отрасли Ьу ; л,у - количество /-го продукта, потребляемого в у'-й отрасли; /,у -

норма расхода /-го продукта в у'-й отрасли; А(ц - количество имеющихся /ых продуктов, пригодных для употребления на действующих пред-

ь. , „

приятиях J-и отрасли; х^ - количество 5 -го отхода Оу -и отрасли, потребляемого в к -й отрасли; // ^ - норма расхода «-го отхода Ь] -й отрасли, потребляемого ъ к -й отрасли; У^ - количество имеющихся 5 -ых отходов Ъ} -й отрасли, пригодных для употребления в к -й отрасли; К, -потери ¡-го компонента; 1С - объем имеющихся ресурсов: для действующих предприятий - фактическое значение добываемого и перерабатываемого сырья; для проектируемых предприятий - расчетное значение на основе оптимального плана (прогноза) развития перерабатывающих отраслей; Н, - нормы расхода сырья для производства ¡-го компонента.

В табл. 1 с учетом приведенных выше обозначений описан баланс переработки и использования сырья для оценки и формирования параметров структуры переработки сырья, потребления продуктов переработки и количества отходов.

Аналитическая модель сырьевого материального баланса имеет

вид

+ 5>® = + = + • ' ) ' ) > ;

Для представления материального баланса в натуральных единицах приведем необходимые параметры и обозначения модели:

£«„ - общее количество (объем) /-го компонента в отходах 5; уул -

■V

суммарный расход /-го компонента, произведенный из 5 отходов для производства /-го компонента, удовлетворяющего у-го потребителя; А", -потери /-го компонента; У,р = Н,р у1]х - количество (объем) израсходованных х отходов.

Таблица 1

Модель материального баланса сырья малоотходной технологии производства

Продукция Потребление продукции в у'-ых отраслях

из данного вида ;'-го сырья Отрасль Ь1 ••• Отрасль Ъп Итого потреблено продукции I

Концентрат а\ *п =Гн41 ••• х\п

Промпро-дукт а2 *21 = Г 21*21 ••• х2п хи

••• ••• ••• ••• • ••

Отходы вида _ цЬ\ у'г ••• J и

Итого произведено продукции из сырья / ••• /

С учетом данных обозначений аналитическая запись сырьевого материального баланса (1) примет вид

Iе*= IIIX + = + •

5 I j .V I 7

Данное выражение материального баланса с учетом дополнительных объемов продукции за счет внешних поставок С] 1 примет вид

£а„ - £//,„7,,, (2)

.V

Для решения задачи разработан метод, обобщенный алгоритм которого основан на последовательном решении двух взаимосвязанных задач (рис. 1): выбор месторасположения предприятий по переработке промышленных отходов (51-1); определение ЭЭП схем предприятий по переработке промышленных отходов (81-2).

Для построения математической модели задачи 51-1 определим следующие параметры: СЗ - суммарные затраты на единицу продукции; С/ - стоимость перевозки единицы объема отхода г-го поставщика; X, у ), З^Х,у)-

транспортные затраты ¡'-го поставщика и /-го потребителя; ЭУ, -предотвращенный экологический ущерб от использования единицы объема отхода г-го поставщика; / -номер поставщика; / - номер потребителя; п - количество поставщиков; т - количество потребителей; Dj - доля участия г-го поставщика в сырьевой смеси; Dj - доля

участия у'-го потребителя в использовании продукции объекта переработки отходов; г - радиус круга пространства решений; х,, у, - координаты г-го поставщика; х ,у - координаты объекта переработки отходов.

Математическая модель 51-1 имеет следующий вид:

Рис. 1. Обобщенный алгоритм метода решения задачи

целевая функция -

п т

пип С3(х,у)=^(31(х,у)+Сг ЧХ'УЩ' (3>

х'у ;=1 7=1

ограничения -

^(х!-х)2+(у^у)2 <2г, / = 1Я (4)

Математическая модель задачи Б1-2 имеет следующий вид: целевая функция -

min

4i

inc = £c, ; (5)

/=i

ограничения -

/W,<9í<KP(I i = (6)

S

Y.HjM^Qj, j = lñ, (7)

i=\

K< A, (8)

где С - суммарная удельная себестоимость при производстве на всех s предприятиях продукции из отходов; С, - удельная себестоимость выпуска на ¡'-ом предприятии продукции из отходов; q¡ - объем производства на /-ом предприятии; VP¡, PN¡ - потребность региона и значение критического объема в продукции »-го нового предприятия; S - количество новых предприятий, которые в сырье используют отходы; А - капвложения на утилизацию отходов; К - суммарные капвложения на утилизацию от-s

ходов, К = ^ К, ; К¡ - полные капвложения на г'-ом предприятии при /=1

производстве продукции из отходов; Qf - объем имеющегося j-го отхода; П - количество разнотипных отходов; Нр - доля j-го отхода в сырьевой смеси /-Й продукции производства.

Математическая модель (5)-(8) является задачей сепарабель-ного программирования. Целевая функция (5) и ограничение (8) являются вогнутыми, т.к. С, и K¡- вогнутые функции, которые

описанны при помощи зависимостей C¡ = СО, + Cl, q¡ + C2¡/ д, и

K¡ = K0¡ + ATI, g, + K2, gf (где СО,, C\¡, C2,, K0¡, Kl,, K2¡ - коэффициенты регрессионных уравнений). При наличии выпуклой допустимой области решения найденный минимум целевой функции (5) является глобальным.

Для решения задачи S2 разработан метод, обобщенный алгоритм которого основан на последовательном решении двух взаи-

мосвязанных этапов (рис. 2): на первом этапе для каждого варианта технологической схемы обогащения ГПП (ГПК) определяется оптимальный набор продуктов утилизации, т.е. синтезируется вариант схемы малоотходной технологии; на втором этапе из всего множества вариантов малоотходных схем ГПП (ГПК) определяется оптимальный.

Статическая однокритериальная математическая модель первого этапа метода решения задачи Б2 имеет следующий вид: целевая функция -

п \У п

1=1 р=1 1=1 ограничения -

<£>,, у=1(10)

в, <0^01, 1 = 1^1, (И)

п УУ п

где суммарная удельная себестоимость выпуска продукции; 5, - удельная себестоимость выпуска ¡-го продукта утилизации; ББр1 - удельная себестоимость р-го концентрата /-го утилизированного продукта; и' - количество возможных концентратов в процессе утилизации отходов к-й схемы; п, т - количество разнотипных утилизированных продуктов и отходов; О, - объем выпускаемого /-го продукта утилизации; С, О, - нижний и верхний объемы потребностей 1-го продукта утилизации; Qj - объем имеющегося _/-го отхода; М- доля

_/-го отхода при производстве единицы /-го продукта утилизации; А - капвложения на утилизацию отходов; /С, - капвложения на производство /-го

Рис. 2. Обобщенный алгоритм метода решения задачи Б2

продукта утилизации; ККр1 - капвложения на производство р-го концентрата при выпуске /-го продукта утилизации.

Задача (9)-(12) является задачей сепарабельного программирования. Целевая функция (9) является вогнутой, т.к. Я, и для

всех /' и р - вогнутые функции, зависящие от Gi. При наличии выпуклой допустимой области решения найденный минимум целевой функции (9) является глобальным.

На втором этапе метода решения задачи Б2 оптимальный вариант малоотходной схемы ГПП (ГПК) со своими ТЭП определяется по критериям абсолютной экономической эффективности (Еак), приведенных затрат, взвешенных по стоимости выпуска на

единицу цены произведенной продукции (У1к), сквозного извлечения основного металла (Бк), предотвращенного экологического ущерба ЭУк (или коэффициента использования отходов

вычисленным для каждого к-то варианта малоотходной технологии по формулам

Еак=6Пк/Кк, (13)

I

8к = 1\8к1, (14)

/=1

ЭУ=(П-ЕН+Р-С(1 + Е^-'+З + У.+У^/а (15)

К0тхк= (16)

Пк = 5 уЕНК уд.4< (17)

где 5Пк , Кк - изменение прибыли и общие капзатраты по к -му варианту

малоотходной схемы ГПП (ГПК); Би - извлечение основного металла на

/ -й стадии обработки руды в к-тл малоотходной схеме; Ь - количество стадий, в которых происходит извлечение основного металла, в к-й. схеме ГПП (ГПК); П - компенсационные потери участка территории; Р - непосредственно занятая отходами площадь; С - стоимость рекультивационных работ на единицу площади; 3 — затраты на отходы; Ен - норматив дисконтирования ( = 0,08); Т- срок осуществления рекультивационных работ; Уа , Ув - ущербы от загрязнения атмосферы и водоемов; С - объем отходов;

б испк - количество использованных отходов в Аг-й малоотходной схеме ГПП (ГПК); суммарное количество отходов схемы обогащения к-й

малоотходной технологии ГПП (ГПК); Зуд. К уд. ^ - взвешенные по

стоимости выпуска себестоимость и капзатраты на единицу стоимости выпущенной продукции в к-й. малоотходной схеме ГПП (ГПК).

Для решения задачи БЗ разработан метод, обобщенный алгоритм которого приведен на рис. 3.

Для построения математической модели задачи БЗ определим

следующие параметры: / = 1 ,т - перечень предприятий возможных поставщиков отходов; ] -\,п - перечень предприятий возможных потребителей отходов; О,, <2] - объемы отходов и используемого традиционного сырья на /'-ом и у-ом предприятиях; С] - затраты на единицу традиционного сырья на у-ом предприятии.

Рассмотрим ситуацию, связанную с полной или частичной заменой ПМР на BMP /-го предприятия. Количество сырья, потребляемого j- ым предприятием, может складываться из первич-Рис. 3. Обобщенный алгоритм метода НОГО сырья И ОТХОДОВ. В зависи-решения задачи S3 мости от химического состава до-

ля г'-го отхода, используемого в сырьевой смеси j-го предприятия, выражается величиной dy, а доля первичного сырья в сырьевой

смеси - (l-i/y). При помощи блоков 1 и 2 (рис .3) сначала из всех имеющихся отходов т предприятий-поставщиков отбираются те отходы /, которые удовлетворяют технологическим требованиям, предъявляемым к сырью производимого продукта, далее выбирается расстояние между предприятием-поставщиком и потенциальным технологически пригодным потребителем отходов, чтобы оно

17

не превышало среднеотраслевого расстояния перевозки продукции, принятого в промышленности потребителя.

Практически Q¡d¡] « (/ = 1,т; у = 1, п ), поэтому в общем случае отходами /-го предприятия-поставщика одновременно могут пользоваться несколько предприятий-потребителей.

Математическая модель блока 2 (рис. 3) на примере цементной промышленности имеет вид: 0,88 <КН <1,1; 0,9<р<2,3; 1,9 < п <3,3; Л<200; Б03 < 1,0 %; МёО < 3,2%, где КН - коэффициент

насыщения; р - глиноземный модуль; л - силикатный модуль; Б03, MgO - содержание вредных примесей.

Математическая модель блока 3 (рис. 3) имеет следующий

вид:

целевая функция -

пнп

7=1

С1,

ограничения

( т Л т

V /=1

\.т,

7=1

YJdij<DJ , ] = \,п,

/=1

с/ >0 , / = 1,/и , 7 = 1,п.

(18)

(19)

(20) (21)

Окончательное обоснование результатов задачи (18)-(21) и определение границ малоотходной технологической схемы использования отходов в смежных отраслях осуществляется с учетом положительного значения критерия суммарной экономии затрат производства на сырье выпускаемой продукции предприятий-потребителей (5С):

8С = ^СХ -С' >0,

7=1

где С* - минимальное значение целевой функции (18).

п

В третьей главе на основе использования теории оптимизации (принципа максимума Понтрягина и динамического программирования) разработаны математические модели, реализованы условия оптимальности на основе доказательств соответствующих теорем и предложены методы решения типовых динамических задач проектирования схем утилизации промышленных отходов (Б1-03).

Структурное описание задачи приведено на рис. 4. Для формализации математической модели задачи опишем параметры: го - первоначальный объем отхода; .?(/) - объем поступления от! Процессы | хода; г(() - объем отхода в момент /; п - количество продуктов утилизации отхода; <7,(0" объем производства г'-й продукции при утилизации отхода в момент / ; д, - объем выпуска (-й

продукции утилизации отхода, : при котором достигается мини; мальная удельная себестоимость С; <у . </, - минимальный и мак-

утилнзации

Продукция 1

Объем поступления ■ отхода (5)

Текущий объем отхода (2(0)

Продукция 2

Продукция п

симальный объем выпуска ¡-й продукции утилизации отхода; Рис.4. Структурное описание задачи Ш Ц - доля отхода в единице объема выпуска ;-й продукции; Р1 - стоимость реализации единицы объема /-й

продукции; г - постоянная скидка объема выпуска продукции; Т - значение конечного времени, в течение которого завершается производство продукции; Л , Л - начальное и текущее значения присоединяемых

переменных.

Математическая модель задачи имеет следующий вид: целевая функция -

У "

тах \еп У [Р, - С, (д, (/))] д, Л ; (23)

*.....о <='

ограничения -

п

¿(0 = 5-^0, <?,(/),

(24)

?.<<?,(/) <«7,, i=l,n, (25)

z(0) = z0 , z(t) > 0. (26)

Для решения задачи (23)-(26) посредством принципа максимума Понтрягина в работе дано доказательство семи теорем.

Теорема 1. Если Р > #и/л| , то при оптимальном ко-

нечном времени Т всегда справедливо условие z(T) = 0 при S{t) =0.

Теорема 2. Если q<q <q, то в конечный момент времени Т объем производства продукции равен q(T) = q.

Теорема 3. Временная траектория оптимального значения объема выпуска продукции q{t) монотонно убывает и имеет вог-вогнутый вид, т.к. конечное значение объема выпуска продукции равно q(t) = q , где q <q <q .

Теорема 4. Если q>q, то С'<0 для всех q е [q,q\, т.е. имеется оптимум q на всем временном интервале.

Теорема 5. Объемы q, (Т) минимизируют себестоимость единицы продукции q, (Т) = q, для i = l,n, если выполняется условие

PrC,(q,) Pj-Cjiqj) ——-^-t- = ——-—— для всех i* j.

D, Dj

Теорема 6. Если п=2 и —-!->-, то <у, (Т) > qx,

Dx D2

ЧгФ)<Ч 2-

Теорема 7. Траектории оптимальных объемов выпуска всех п продуктов утилизации отхода в течение времени (q,(t), i-\,n) монотонно убывают и вогнуты.

Виды оптимальных зависимостей q, (/ = 1,и), г, Л , v от t при больших значениях z0 и Т приведены на рис. 5 (v - член

уравнения Л = гХ — Ь, = гА-у, удовлетворяющий условиям: V >О,

Т ' ( Т

Рис. 5. Графики зависимостей <7, ('=?'."). 2. ^ , V от I

Развитие модели задачи с учетом природоохранного аспекта требует ввести в целевую функцию (23) показатель стоимости экологической компенсации И(г), который оценил бы стоимость затрат на охрану окружающей среды. Значение к(г) можно оценить при помощи ЭУ из (15) или суммарной стоимости основных экологических затрат использования у-ых отходов на /-ом предприятии (рекультивация, хранение, транспортировка отхода и т.д.). Если ввести показатель стоимости экологической компенсации /г(г), то целевая функция моделей примет вид

тах

Ч\.....Чп

си

К"

- С, (9< (/)))?, (0-й(2(0)

/=1

Л,

где А(г(0)) = 0, й'(г(*)) > 0, й"(г(0) £ 0.

Из-за лимита капвложений в модель (23)-(26) задачи вво-

п _

дится дополнительное ограничение: ^ЛГ, <Л / = 1 ,п, где А - капвложения на утилизацию отхода; К! - зависимость капвложений /-й продукции от объема выпуска д, ( К1 = ср (д,) имеет нелинейный вид).

Вербальное описание задачи D2 следующее. Имеются объемы разнотипных промышленных отходов и множество таких предприятий, где без изменения технологии можно выпустить ту же продукцию и того же качества с использованием отхода. Требуется спроектировать оптимальную динамическую структуру взаимосвязей "отходы-потребители" со своими ТЭП при отсутствии дополнительных капвложений на изменение технологии и без ухудшения качества выпускаемой продукции.

Для решения задачи D2 разработан метод, основанный на последовательном решении двух взаимосвязанных задач: проектирование оптимальной структуры взаимосвязей "поставщик-потребитель" промышленных отходов с ТЭП (задача D2-1); окончательный синтез структуры распределения промышленных отходов поставщиков по предприятиям-потребителям (задача D2-2).

Для математической формализации задачи D2-1 опишем параметры: п - количество разнотипных отходов; т - количество потенциальных предприятий-потребителей отходов; N - множество {1..... и}, определяющее количество предприятий-поставщиков отходов; М - множество {1, ..., т}, определяющее количество предприятий-потребителей отходов;

г - постоянная скидка объема выпуска продукции; z,° - первоначальный объем 1-го отхода; z, (<) - скорость изменения объема ¿-го отхода во времени; Gj(t) - объем потребляемого сырья на j-ом предприятии-потребителе в каждый момент времени; QtJ (() - долевое участие ¡'-го отхода в единице объема сырья на J-ом предприятии-потребителе; Dj(t) - доля заменяемого компонента в единице объема сырья j-го предприятия-потребителя; С] (/) - затраты на единицу объема сырья для каждого момента времени

при использовании на j-ом предприятии-потребителе традиционного сырья; (t) - затраты на единицу объема /-го отхода для у'-го предприятия-потребителя в каждый момент времени; £,(/) - скорость поступления /-го объема отхода во времени; Q:j (t) = Gy (/) QtJ (t); Сц (t) = Ctj (<) - C2 (0;

Dj(t) = Gj(t) Dj(t).

С учетом описанных параметров динамическая модель задачи D2-1 представляет собой проблему максимизации без учета заданного показателя С\ (t) в целевой функции, который выполняет

22

только роль смещения значения целевой функции по вертикальной константе, если Ct (t) = const, t e [0,oo): целевая функция -

" m n

max je~rl £ £ С^ф, № ; (27)

Q4 о 7=1 '=1 ограничения -

m

¿i(t) = Si(t)-YdQ,j(.0, ieN, (28)

H

z,(0) = 2°, i e. N , (29)

zt(t)> 0, /eJV, (30)

0^(0^0, 0J)sNxM, (31)

П

^QijOiDjO), JeM. (32)

/=i

Модель (27)-(32) является линейной оптимальной контрольной задачей с п статическими z, и пуш контрольными переменными Q,j. Для решения данной задачи посредством принципа максимума Понтрягина дается доказательство следующих двух теорем.

Теорема 8. Если Л° ..., X\)eR' есть решение уравнения

F,(X°)=0 для ieN, тогда вектор Q =(Q\\,-,Qnm) определяется

если /' = /*(/',?, Я0) л

, т.е. Q есть оптимальное решение зада-

0 при остальных / w/ (27)-(32), а соответствующая траектория z, (/) задается выражением z,(t) = z,° - г ,=,-(лгЛ 0iri/} L>7, при котором z,(f)j |о ДЛЯ

/^(Я0).

Теорема 9. Существует такой вектор Л,0'*' решения уравнения Fj(Xü) =0 для i е N и последовательность векторов для кото-

рых выполняются Ft (Л°(Л) ) > 0 для всех ieNи lim Д0(Л) -Л0{'\

После решения задачи (27)-(32) необходимо провести окончательный синтез структуры "поставщики-потребители" отходов (задача D2-2) на всем промежутке времени производства. При этом применяется критерий суммарной экономии затрат производства на сырье SC выпускаемой продукции предприятий-потребителей,

который имеет вид SC= Je rt Vcly-(0Gj(t)dt - К* , где К* - минимум

с

функции

м

/• ц "г

K = m±n

Q'j О 7=1

( " — Л " - — l i=l ) ¡=1

Целью задачи БЗ явтшется синтез оптимальных динамических управлений и\.(к) и Ч*2\к) = Аг = 1,АГ — 1) для обеспечения

максимального использования отходов водных ресурсов предприятия в течение 24 часов непрерывного процесса производства, а также определение такого оптимального времени работы каждой 1р -й насосной конфигурации на любом временном интервале к

(1р = 0, £, к = 1, К -1) 7} (к) с удовлетворением всех ограничений

структуры водоснабжения технологии процесса, при котором получается максимальный эффект по выбранному критерию оптимизации. На рис. 6 приведена укрупненная структурная модельная цепочка решения задачи БЗ, которая разделена на две взаимосвязанные задачи: динамическое оптимальное управление объемами поступления водных ресурсов в резервуары (задача 03-1); синтез оптимальных времен работы структуры насосных конфигураций (задача 03-2).

Целью задачи 03-1 является синтез значений управляющего воздействия в начале каждого временного интервала к, которое в

течение данного временного интервала не меняется (к = \,К-\). Задача является динамической с дискретно-временным оптимальным управлением.

Целью задачи БЗ-2 является синтез для каждого временного

интервала к [к = \,К-\] оптимального времени работы каждой возможной структуры насосной конфигурации для получения экстремума выбранного критерия оптимизации.

О(О);

М*);

ТТ(кУ, V •

* а] '

IV,

У2, (к)

т,(к)

Рис. 6. Структурная модельная цепочка решения задачи Г)3 Математическая модель задачи 03-1 имеет следующий вид:

целевая функция

N

Дх,

, и, к) = /и/и ]Г {/[*, ( К), хя ( А)]+V \7[ (Щ (к) +

,и2/(к) + + ((*, (к) - х,. (к)]д, (х, (к) - (Л)))}; (33)

ограничения-

х,(к + ]) = х1(к) + ТТ(к)

м

1/1((*) + с/2,(*)-£>,,(*)

7=1

N М

(к)<0(0)+ £>„.(*), /=1 7=1

'■ = 1,^, (34)

N

X bß (к) = Vaj (к) + Wj (к) - WH (к), J = l,M ,

(36)

*<(0) = x/°,

(37)

(38)

(39)

(40)

U2i <U2 (к)<U2 ,

'min ' 'max

где N - количество резервуаров воды; М - количество технологических процессов; К - количество временных интервалов с одинаковыми насосными конфигурациями; L - количество неповторяющихся насосных конфигураций, работающих в направлении резервуаров; х,^ , х1т ,

U] , UL , U2 , U'2. - максимальные и минимальные значения объе-

'niax 'min 'max 'min

мов воды для каждого /-го резервуара; xs_ (к), i = 1,N , к = \,К-\ - необходимые объемы обеспечения воды к концу к -го временного интервала для каждого /-го резервуара воды; f(x,(K),xs (К)) - функция зависимости

разницы изменений между объемами воды в /-ом резервуаре в последнем К -ом временном интервале х,(К) и заданным конечным значением xs (К); G(0) - начальное значение объема воды, использованной и накопленной в технологическом процессе производства за предыдущий промежуток; bß (к) (/ = 1, А', j = 1, Л/ , к = 1, К -1) - объем поступления воды из /-го резервуара к J-му потребителю в каждый к -й временной интервал; Vaj (к) - объем поступления от j-то потребителя в водохранилище отходов воды в каждый к -й временной интервал; IVj^ik) - объем поступления воды в j-й потребитель из (y-l)-ro потребителя; Щ , R2. и Q, - положительно определенные матрицы, строки которых равны количеству насосных конфигураций, а столбцы - количеству резервуаров.

Решение задачи (33)-(40) синтезирует оптимальные динамические дискретно-временные управляющие воздействия U*t и и\ для

всех резервуаров в каждый к -й временной интервал.

Задача D3-2 решается для каждого временного интервала к с учетом оптимальных результатов управления и\ {к) и U2(k) для

/ = 1, N, где PQD, (к) = £/,* {к) + и\ (к) (PQDl (к) - суммарный объем

поступления воды в /-й резервуар для к -го временного интервала при количестве часов работы насосных конфигураций ТТ(к)). Задача БЗ-2 является задачей линейного программирования, где необходимо определить оптимальные значения времени работы каждой 1р -й структуры насосной конфигурации, подающих первичную и вторичную воду в резервуар (или в резервуары) 7} (к) для

к -то временного интервала. С учетом параметрического описания имеем следующую математическую формулировку задачи ВЗ-2: целевая функция -

I

1(а,Т) = ттТа, 7} (*); (41)

т, ¿—Л Р р

'р /„= о

ограничения -

^Т1р(к) = ТТ(к), (42)

(43)

Т1р(к)>0, (44)

где 1{а,Т) - минимум суммарных затрат на электроэнергию при работе всех насосных конфигураций подачи воды в технологический процесс производства в течение каждого к -го временного интервала (ог1р - затраты на электроэнергию 1р -й насосной конфигурации при одночасовой работе).

В четвертой главе для решения многокритериальных задач проектирования схем утилизации промышленных отходов (М1-МЗ) предлагается следующий набор критериев: объемы основной продукции (9'); объемы утилизированной продукции из отходов ); суммарная (или раздельная) прибыль от реализации выпущенных основных и утилизированных продуктов (С), а при заданных

(фиксированных) значениях цели (Р') данный экономический критерий может выражаться через величины затрат (производственных £¿(<7') и инвестиционных Б1,(\1>')); эмиссия вредных веществ (у'). Объемы основных и утилизированных продуктов (£/', н>'), а также прибыль (С) должны быть максимизированы. Производственные и инвестиционные затраты (З^д'), ^(и»')), а

также эмиссия вредных веществ (у') должны быть минимизированы. Цели могут выражаться как через заданные величины, так и через отклонения от заданных значений.

Для решения задач М1-МЗ разработан двухэтапный многокритериальный метод оптимального проектирования схем утилизации промышленных отходов, структурная организация которого приведена на рис. 7.

У У

¿¿.¿Л

о»

У У

а'У.с'У

</ /

(/(&(/(и*'))

"ХА

1зшп

Пэтап

Рис. 7. Структура многокритериального метода оптимального проектирования схем утилизации промышленных отходов

На первом этапе метода для каждого /-го варианта технологии утилизации повышаются значения членов вектора цели для получения более оптимальных показателей. Формализованная модель

первого этапа (рис. 7) со своими экономическими параметрами для каждого /-го технологического варианта схемы имеет следующий вид:

целевая функция -

max[/i'(4/i(4...,/Д4 (45)

ограничения -

j = \h, (46)

где q'jix) - ограничения h уравнений модели, которые описывают область

решения; s - количество показателей в векторе дели оптимизации; л: - и* -

мерный вектор переменных модели (хеХ - область значений допустимых решений).

На втором этапе метода из конечного множества вариантов схем технологий выбирается окончательный оптимальный вариант. Результатом данного этапа является выявление ранжирования вариантов схем производств. На этом этапе при решении типовых задач оптимального проектирования схем утилизации промышленных отходов (М1-МЗ) предлагается известный метод ELECTRE, который позволяет при синтезе окончательного варианта схемы производства максимально использовать и учитывать результаты, полученные на первом этапе решения, тем самым обеспечить совместимость результатов двух этапов.

Пузырьковым методом сортировки, с проверкой на досрочное завершение, проведена сортировка ТЭП, ЭЭП и других показателей и критериев, необходимых для сравнения вариантов схем малоотходной технологии утилизации промышленных отходов в интерактивном режиме многокритериальной оптимизации и метода окончательного выбора "лучшего" варианта. Показано, что данный модифицированный метод сортировки по сравнению с чисто пузырьковым методом требует в 1,3 раза меньше попарных сравнений.

Для задач М1-МЗ разработаны математические модели, и на основе описанного многокритериального метода оптимального

проектирования схем утилизации промышленных отходов предложены методики их решения.

В пятой главе обоснована необходимость разработки универсальной ИСАП для решения задач синтеза схем оптимального использования первичных сырьевых ресурсов и промышленных отходов. Исследованы и проанализированы вопросы систематизации и обработки информационных потоков задач проектирования схем утилизации промышленных отходов. Обосновано представление информационных потоков задач рассматриваемой проблемы в виде графов, матриц и массивов с применением унифицированного описания данных. Описана информационная модель объекта исследования при анализе потоков информации в ИСАП схем утилизации промышленных отходов.

Разработана универсальная ИСАП 1ШМАС для решения широкого круга прикладных проблем оптимального (рационального) природопользования, которая представляет собой сложный комплекс человеко-машинных, информационных, математических, программных, языковых, организационных и технических средств. В 1ШМАС созданы гибкие средства адаптации системы к конкретным сферам применения, предусмотрено включение новых и модификация используемых прикладных и стандартных оптимизационных пакетов, систем и данных, а также их исключение. КиМАв обеспечивает доступ лиц, имеющих элементарные навыки программирования, к оптимизационным прикладным и стандартным программам. Это объясняется тем, что ИСАП 1ШМАС имеет развитый интерфейс.

Ввод данных в 1ШМАС осуществляется с помощью специальной оконной технологии с использованием таблиц с контекстно-зависимой подсказкой. Предлагаемые файлы данных, а также создаваемые на их основе наборы файлов (таблиц) данных имеют возможность корректировки и пополнения новыми понятиями и данными в рабочем режиме.

ИСАП ИиМАв состоит из трех подсистем: ИиМАС-БУБТЕМ, ШЛМАС.МАКЕИ, ШЛМАС.РШГ^Т.

RUMAG.SYSTEM предназначен для объединения различных прикладных и стандартных пакетов и программных комплексов оптимального природопользования. Подсистема позволяет создать новые и модифицировать имеющиеся исходные данные ППП, компоновать различные наборы исходных данных и запустить выбранный пакет, просмотреть результаты в виде таблиц, графиков и гистограмм.

RUMAG.MAKER предназначен для подключения, модификации и исключения прикладных пакетов, стандартных программ и программных комплексов на уровне ехе файлов к RUMAG.SYSTEM.

RUMAG.PRINT предназначен для организации вывода данных, промежуточных и выходных результатов на печатающие устройства в удобном для пользователя виде.

Разработаны структура и алгоритмическое обеспечение ИСАП RUMAG для решения прикладных проблем оптимального (рационального) природопользования. Описаны правила пользования ИСАП RUMAG.

В шестой главе разработано программное обеспечение ИСАП RUMAG, а также алгоритмы и ППП типовых статических, динамических и многокритериальных задач оптимального проектирования схем переработки первичных сырьевых ресурсов (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP). Для статических и динамических задач Sl-1, Sl-2, S2, S3, D1 и D2 разработаны соответствующие пакеты: splatl, secntl, sginktl, spospotl, decntl, dpospotl, a для типовых многокритериальных задач - программный комплекс MIAOTL, в который включены пакеты: mgmktl (задача Ml), mecntl (задача М2), mpospotl (задача М3). К ИСАП RUMAG на уровне ехе файлов подключены отмеченные программные пакеты и комплекс. ИСАП RUMAG работает в среде Windows и может быть инсталлирована на персональных компьютерах, совместимых с IBM как из MS DOS, так и из Windows.

Апробация и использование пакета splatl проведены с целью определения оптимальной ориентации месторасположения предприятий по переработке отходов туфа Армении для производства

гранулята (технология 1), изделий из силикатобетона (технология 2), жаростойкого легковеса (технология 3). В результате расчета по технологии 1 получены координаты месторасположения предприятия: л"=-44,5; у= -74,0, примыкающего к территории Агавнатунс-кого месторождения туфа Эчмиадзинского района. Предприятие питается полностью за счет отходов данного поставщика. По технологии 2 получены координаты месторасположения предприятия: л"=3б, т=-48, примыкающего к территории села Бюрегаван Наи-рийского района. Предприятие питается компонентами поставщиков (табл. 2). По технологии 3 получены координаты месторасположения предприятия по производству жаростойкого легковеса: ^=-48, у=-96 (вариант За) и х=-48, у=-96 (вариант 36), примыкающего к территории села Ленуги Эчмиадзинского района. Компоненты поставщиков по варианту За приведены в табл. 3.

Таблица 2 Таблица 3

Поставщики технологии 2 Поставщики технологии 3 (вариант За)

Компоненты Поставщики Компоненты Поставщики

Отходы туфа Бюракан Отходы туфа Агавнатунское месторождение

Гипс Ереван Вспученный перлит Арагац

Известь Арарат Ортофосфорная кислота Ереван

Каолит Ереван

Апробация и использование пакета БеспП проведены с целью определения ЭЭП предприятий по переработке отходов туфа Армении по трем технологиям. Расчет производился по двум вариантам ограничений верхнего предела объемов выпуска продукций (приоритетность продукции - первый вариант, наибольшая прибыль от выпуска - второй вариант) в случае, если суммарные капвложения, требуемые для удовлетворения спроса в регионе, превышают заданный лимит.

Результаты расчетов по первому варианту приведены в табл.4.

Таблица 4

Расчеты по первому варианту

Ранжированная приоритетность Наименование продукции Объем выпуска с ограничение м на сырье, т.м3 Объем выпуска без ограничения на сырье, т.м3 Объем выпуска без ограничения на капвложения, т.м3

1 Гранулят 500 500 163

2 Изделия из силикатобетона 117 320 381

3 Жаростойкий легковес 0 0 16

Апробация и использование разработанного пакета эдткИ проведены для синтеза малоотходной схемы Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината (Россия) и выбора оптимального варианта малоотходной схемы УОФ.

Рис.8. Динамика объемов выпуска стройматериалов

Результаты расчетов показали, что оптимальное конечное время (Т*) равно 30 годам. В момент времени Т' значения объемов вы-

пуска (£2,,. ¡ = ) больше соответствующих ограничений на значения нижних объемов выпуска (£>, , / = \,п ) (табл. 5).

Таблица 5

Значения объемов выпуска стройматериалов в оптимальное конечное время 7*

Наименование продукции Единица измерения Объем выпуска продукции

Портландцемент тыс.т 85,0

Силикатный кирпич млн.шт. 42,0

Щебень тыс.м3 118,0

Песок тыс.м3 134,0

Известь тыс.т 71,0

Апробация пакета бровроП проведена на числовом примере, где в качестве предприятий-потребителей отходов приняты предприятия цементной промышленности. Значения разностей затрат на единицу объема сырья при переходе от традиционного сырья на частичное использование промышленных отходов в сырьевой смеси для взаимосвязей "поставщики-иотребители" (Су) представлены в табл. 6.

Таблица 6

Значения разностей затрат Сл , усл. руб./год

Отходы Предприятия-потребители

1 2 3 4 5 6

1 900,0 1170,0 1110,0 860,0 1110,0 860,0

2 1030,0 1140,0 1160,0 830,0 1200,0 960,0

3 950,0 1110,0 1140,0 780,0 1270,0 990,0

4 970,0 1090,0 1210,0 740,0 1240,0 850,0

Метод решения задачи М1 апробирован для. синтеза оптимальной технологической схемы комплексной переработки руды Кад-жаранского медно-молибденового комбината, из отходов которого технологически возможно организовать выпуск портландцемента, силикатного кирпича, щебня и песка. Результаты оптимальных ТЭП утилизации отходов производства для всех трех вариантов

технологических схем комплексной переработки минерального сырья Каджаранского медно-молибденового комбината приведены в табл. 7.

Таблица 7

Оптимальные ТЭП утилизации отходов производства вариантов малоотходных технологических схем реконструируемого комбината

Варианты Годовой объем выпуска продукции Суммарные годовые

схем Цемент Кирпич Щебень Песок вредные выбросы

тыс.т. млн.шт тыс.м3 тыс.м3 тыс.т

I вариант 368,5 40,0 928,1 94,6 445,7

II вариант 359,7 51,0 894,9 72,0 5929,8

Швариант 224,1 40,0 948,0 85,7 396,1

Используя приведенные в табл. 7 результаты, проектируется оптимальная технологическая схема комплексной переработки минерального сырья реконструируемого комбината. На основе вычисленных сравнительных результатов по уровню значимости вариантов (табл. 8) выявляется лучший. Расчеты показали, что лучшим вариантом для реконструируемого Каджаранского комбината является первый.

Таблица 8

Ранжирование вариантов малоотходных технологических схем реконструируемого комбината по уровню значимости

Ранг

Варианты технологических схем верхний нижний средний

I вариант 1 1 1,0

II вариант 2 1 1,5

III вариант 3 3 3,0

Метод решения задачи М2 апробирован и использован для определения схем и показателей оптимальной утилизации промышленных отходов туфа Армении при организации выпуска грануля-та, изделий из силикатобетона и жаростойкого легковеса.

Метод решения задачи МЗ апробирован и использован для многокритериального синтеза малоотходной схемы "поставщики-

потребители" отходов УОФ в цементной промышленности стран СНГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом работы является разработка методов и математических моделей оптимального проектирования схем утилизации отходов промышленности, объединенных в ИСАП RUMAG. Система RUMAG, ее отдельные ППП и результаты расчетов приняты и внедрены в эксплуатацию во многих организациях Армении и стран СНГ с соответствующими техническими актами экономической эффективности.

В рамках решения типовых задач проблем охраны природы и управления сырьевыми ресурсами получены следующие научные и практические результаты.

1. Синтезирована структура взаимосвязей задач проектирования и управления малоотходной технологией переработки первичных сырьевых ресурсов (ПМР) и промышленных отходов (BMP).

2. Выявлены основные направления исследований в технологии производства, информационном обеспечении, математическом аппарате и автоматизации проектирования. Предложена и обоснована концепция автоматизированного оптимального синтеза схем переработки сырьевых ресурсов горно-перерабатывающей промышленности.

3. Разработана математическая модель материального баланса сырьевых ресурсов малоотходной технологии горно-перерабатывающей промышленности, позволяющая оценить и формировать параметры схем переработки сырья, потребления продуктов переработки в народном хозяйстве и объем накопленных отходов.

4. Выявлены и исследованы для малоотходной технологии горно-перерабатывающей промышленности следующие зависимости статистических моделей: транспортных затрат на сырье (от поставщика к объекту) и продукцию (от объекта к потребителю) от расстояния перевозки; полных капвложений, полной себестоимости

от объема выпуска продукции и удельной себестоимости от объема производства.

5. Синтезированы, унифицированы и представлены в виде матриц и массивов технологические, экономические и экологические данные, а также описана морфологическая схема малоотходной технологии и разработан алгоритм для генерации исходного множества возможных вариантов схем малоотходной технологии ГПП (ГПК).

6. Разработаны математические модели и методы решения однокритериальных статических задач оптимального проектирования схем использования сырьевых ресурсов (ПМР и BMP) промышленности с учетом полноты и достоверности информационного обеспечения по количеству, составу и размещению отходов, номенклатуре, объемам и месторасположению потенциальных предприятий-потребителей, нуждающихся в дополнительной продукции (SI; S2; S3).

7. Разработаны математические модели и предложены методы решения однокритериальных динамических задач проблемы проектирования схем переработки первичных сырьевых ресурсов и утилизации промышленных отходов с использованием теории оптимизации (принципа максимума Понтрягина и динамического программирования) (Dl; D2; D3).

8. Разработан метод решения многокритериальных статических задач проектирования схем оптимальной переработки первичных сырьевых ресурсов (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP). Описаны математические модели и предложена методика решения типовых многокритериальных задач рационального природопользования (Ml; М2; МЗ).

9. Проведена оценка длительности пузырькового метода сортировки с проверкой на досрочное завершение. Показано, что в отличие от чисто пузырькового метода при использовании данного модифицированного метода сортировки требуется в 1,3 раза меньше попарных сравнений.

10. Разработана универсальная ИСАП RUMAG для решения прикладных задач проблемы оптимального проектирования схем

переработки первичных сырьевых ресурсов (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP). К RUMAG подключены ППП типовых задач (splatl, secntl, sgmktl, spospotl, decntl, dpospot) и программный комплекс MIAOTL (mgmktl, mecntl, mpospotl) рассматриваемой проблемы.

11. Переданы и внедрены в эксплуатацию во многих организациях Армении и стран СНГ со значительным суммарным экономическим эффектом ИСАП RUMAG, ее отдельные ППП и результаты расчетов, которые подтверждены соответствующими техническими актами. В частности, пакеты splatl и secntl, метод и результаты расчетов по трем технологиям использования туфовых отходов Армении (легкого искусственного заполнителя, бесцементного бетона и жаростойкого легковеса) переданы в НПО "Камень и силикаты" (Армения) с получением технического акта внедрения и расчета ожидаемого годового экономического эффекта; метод и результаты расчетов ТЭП вариантов малоотходной схемы обогащения угля вошли в отраслевой справочник "Вторичные материальные ресурсы угольной промышленности (образование и использование)"; пакет spospotl, метод и результаты расчетов синтеза оптимальной структуры использования промышленных отходов предприятий Восточно-Казахстанской области при замене традиционного сырья на предприятиях по выпуску щебня, песка и песчано-гравийной смеси переданы в Востокказглавснаб с получением технического акта внедрения и расчета ожидаемого годового экономического эффекта; пакет mgmktl и метод многокритериального оптимального проектирования малоотходной технологической схемы перерабатывающего предприятия апробированы для синтеза схемы комплексной переработки руды Каджаранского медно-молибденового комбината (Армения); пакет mpospotl и метод многокритериального синтеза схемы "поставщики-потребители" промышленных отходов обосновали эффективность утилизации отходов УОФ в цементной промышленности стран СНГ.

12. Синтезированы технологические схемы переработки первичных сырьевых ресурсов (ПМР) и утилизации промышленных отходов (BMP), полученные при помощи ИСАП RUMAG. Данные

схемы не требуют привлечения значительных капвложений, увеличивают объемы сохранения ПМР примерно на 30%, снижают затраты на природоохранные мероприятия в среднем на 25%. При этом затраты на сырье с использованием BMP региона в среднем в год на 0,7% ниже затрат на сырье с использованием ПМР для каждого предприятия-потребителя, прирост годовой прибыли на региональном уровне в среднем составляет около 4,0%.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Антонян А.Ш., Киракосян Г.Т. Система и модель технологической оптимизации планирования работы обогатительной фабрики // Изв. вузов. Горный журнал. - 1986. - № 9. - С. 98-101.

2. Барский A.A., Дьячко А.Г., Киракосян Г.Т., Персиц В.З. Моделирование структуры безотходной схемы переработки минерального сырья // Изв. вузов. Цветная металлургия. — 1982. -№ 4. - С. 103-106.

3. Барский A.A., Дьячко А.Г., Киракосян Г.Т., Персиц В.З. Оптимизация использования отходов обогащения полезных ископаемых в цементной промышленности // Компл. исп. мин. сырья. - 1982. - № 7. - С. 53-57.

4. Барский A.A., Киракосян Г.Т., Мейерович Г.С. Эколого-эконо-мическое обоснование оптимальной схемы использования вторичных ресурсов региона // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. Приложение: Материалы межведомственного научно-технического совета по комплексным проблемам охраны окружающей природной среды и рациональному использованию природных ресурсов при Госкомитете СССР по науке и технике. - М., 1987. - № 2. - С. 25-32.

5. Барский A.A., Киракосян Г.Т., Персиц В.З. Методологические основы создания малоотходных схем использования угля // Вторичные материальные ресурсы угольной промышленности. Образование и использование: Справочник. - М.: Экономика, 1984. - С. 82-92.

6. Барский A.A., Персиц В.З., Киракосян Г.Т. Автоматизированная система обработки информации при обосновании малоотходной технологии переработки минерального сырья // Сб. научн. тр. / ИПКОН АН СССР. - 1981. - С. 129-139.

7. Бейм Б., Киракосян Г.Т. Выбор оптимальной технологической схемы комплексной переработки минерального сырья // Изв. HAH РА и ГИУА. Сер. ТН. - 1996. - Т. 49, № 1. - С. 36-41.

8. Дьячко А.Г., Киракосян Г.Т. Оценка длительности пузырькового метода сортировки с проверкой на досрочное завершение // О сист. подходе и моделир. и управ, в металлургии. - М.: Металлургия, 1983. - № 141. - С.4-7.

9. Киракосян Г.Т. Автоматизированное проектирование динамической схемы утилизации промышленных отходов // Изв. HAH РА и ГИУА. Сер. ТН. - 1999. - Т. 52, № 3. - С. 363-368.

10. Киракосян Г.Т., Бадалян М.Г., Бабуханян Г.Б. и др. Определение месторазмещения объектов по утилизации отходов добычи и обработки туфового камня в АрмССР // Тр. 1-й Всесоюз. науч.- тех. конф. "Системный анализ и управление в задачах рационального природопользования и охраны окружающей среды", Цахкадзор, 21-25 марта, 1988г. - Ереван, 1988. - С. 2426.

11. Киракосян Г.Т. Балансовая модель сырьевых ресурсов малоотходной технологии производства // Информационные технологии и управление. - 1998. - № 3. - С.135-140.

12. Киракосян Г.Т. Дьячко А.Г., Григорян Н.Г., Обнаружение ошибок в системах с параллельным переносом информации // Принцип сист. иссл. металлург, процессов и производства. -М.: Металлургия, 1982. - № 144. - С. 43-48.

13. Киракосян Г.Т., Зоргер Г. Оптимальная утилизация отходов производства на региональном уровне // Изв. вузов. Горный журнал. - 1991. - № 2. - С. 52-56.

14. Киракосян Г.Т. Метод принятия решений для многокритериальных задач проектирования схем утилизации промышленных отходов // Моделирование, оптимизация, управление / ГИУА. - 1999. - Вып. 2. - С. 128-133.

15. Киракосян Г.Т. Метод решения задачи динамики процессов выпуска продукции при утилизации промышленного отхода // Изв. HAH РА и ГИУА. Сер. ТН. - 2000. - Т. 53, № 1. - С. 86-91.

16. Киракосян Г.Т. Метод оптимального планирования и управления циклической системой водоснабжения предприятия // Информационные технологии и управление. - 1998. - № 3. - С. 141-145.

17. Киракосян Г.Т. Метод проектирования динамической схемы региональной утилизации отходов производства // Информационные технологии и управление. - 1998. - № 2. - С. 123-127.

18. Киракосян Г.Т. Определение границ использования промышленных отходов // Моделирование, оптимизация, управление / ГИУА. - 1999. - Вып. 2. - С. 133-138.

19. Киракосян Г.Т. Определение структуры малоотходной технологии переработки руд в регионе // Компл. исп. мин. сырья. -1985. - № 5. - С. 76-79.

20. Киракосян Г.Т. Система автоматизированного проектирования схем утилизации отходов производства // Информационные технологии и управление. - 1998. - № 2. - С. 120-122.

21. Киракосян Г.Т., Хартл Р.Ф. Динамическое планирование использования отхода производства для выпуска стройматериалов // Компл. исп. мин. сырья. - 1991. - № 2. - С. 64-68.

22. Персиц В.З., Киракосян Г.Т. Математические модели малоотходной технологии переработки минерального сырья // Сб. научн. тр. / ИПКОН АН СССР. - 1981. - С. 122-129.

23. Hartl R.F., Kirakossian G.T. Optimale Nutzung von Bergbauabfael-len zur Produktion von Baumaterialien // Optimization. - 1989. -V. 20, № 3. - S. 355-362.

24. Mkrttchian V., Kirakossian G., Manoukian P. An input-output model and enviromental control multicriterial analysis with empirical investigations for Armenia // International conference on methods and applications of multicriteria decision making. - Möns, FUCAM, 14-16 May, 1997. - P. 381-384.

Личный вклад автора

Все основные результаты, составляющие содержание диссертации, получены соискателем самостоятельно.

По работам, опубликованным в соавторстве, личный вклад соискателя состоит в следующем:

- в работах [1,3, 22, 24] - разработка методов решения и алгоритмов;

- в работах [2, 21, 23] - постановка задачи, разработка математических моделей и алгоритмов;

- в работах [4, 10] - постановка задачи, разработка эколого-экономических критериев и методов решения рассматривемых задачи;

ZP

'öilqg

-liudqp gmpçbmnjmg i|dqgmpqn|ri дифгг^ггфтЬтп lmpijinhno i|dqguimg -L|dputi 4 i|dqggiuid"iulidmguqç gmptimZpmdqtimguql gq lql^mZp -

'gmpqnjn gmhmgmd

-m^iç i|Uqgh|mdqddmm i|dqgmi|bulugn|qm дифгггёпгфт^тп ijilqginmgijd -pull i i|üqggiufdiuh|ümguq9 gmphmZpmdqJimguql 1 IqjihtlmSmum -

'Ddqglqliup gmhmï]

4|uimpqdmp i]fmiJ6mpUuct;gi| gm^mnqingm gmfimübmfimpilli i|üqgUiJlignj gi|fmhii]in ilßUmqmgpiJi] liujihümini)li gq "IqJilimZp 4 lqlimubmiriqq -

'□lqliup gmtiijuimpqdmp iJuZliRli^rnq l|ü -qgnihunqu gi|ímípiuij i|fmi|bu1ugrijqin дифгг^гтфгт^тп } -

'ömqtimßqfmii

gmppbmn|mg lmpijuihio i]dqgmpqn|n дтрдтцтигЬо i|üqggi^md gmli -mdqdmgiufiidm iu i|Uqgmi|bulugn|qin дифт^гтфтЬ|тп gmptimZpmUqti ijü -qgndiunqu gi|fmcîpiui| gijfmgämum } 1q]iUu|imgpiJn ^ lqfilidmSmijm -üdqgSgiufljdm gmfimmi|b lmf*iinqi| gq lqfißmmn pnu3gminmri|Zn

:dqgdqdn^ i|dqUbmilp gmlimumd -i|h| 4 Uqgpdi|dublm 'dqgliudqp 'dqglqliup gmliijinmpqdmp gmppiul i|dqg -UijUgnJ gi|fmhiijin iJUqgmpqnJn дтрдтцтигЬо i|fmi|bulugnjqin дифгг^ггф -mh|mn gmplimZpmdqli i|dq3piuq gi|fm3gmq gi|fmlidudlidq дЦГтдЗтит gq pmJih|dbligD liquidu 'DgmplimZp i|dqgliudqp gmppbmnjmrj lmpijuihio i|üqgmpqn|n gmpgmqmmbo 1|1^ддифтЗ gmtimdqdmgiuftidm piudqbdmh -mpmq pmjißminmpuuijim i]gminijhnmpmi| } pm|iUi|]ig DcîgminrmJZn

имъпф11флп

•кинэьэпээдо ojohhohíi -ВР«1офнИ КИ)ТСЕИ\/'е1^0ф И ВИЦРЕИХРКШХОИЭ - oxogçd я -

¡кинэьэиээдо ojoHivwcdjodn и гшэхэиэ üiMiHdojve 'гшэхэиэ HOHHBHOdHEHi,çwoj.aB иийиэйном psxogçdEçd - [g] axogod я -

lyavaVoiv хияээьихрм -эхри T?Miogpd£T?d и иьрУре рмяонрхэон - [çj '8 '¿ *ç] xpxogcd я -

:piuüqgngmüq({;

-Quh| ч piudqgdmgi|pqn gmhmim|b ijdqggiufdiuhidqlimpbmli iu liüqoQmü -mnlmpmq üqdümin (imjblq;j 'mi]gmpdqt) 'mi|üinnfin) ijdqgdlidqindm dufi -muqq ч i|üqgütiüq ädmZ ijp tbil 'ijgmmnmfmt gq lqlihtJmOO^ 1U Iqtißiuh -qb nßi|pbmd Ddqdiufg gi|nmp i|üqgpiudt]dqg gmtimdqdmgiuitjdm 4 Gdqg -Зд-iuílidm gmtimuii|b gmlimgpilq ijagmuimnjZm gmtimnuri|mgqinn

фudqdlJdmlлnmф gmnjnmm -mhnmpmq gmpdlJdqg 1 çm|iinmmnmi| D?gij 'tiuägiuftjdm gmhmnqmgm gi|f -mdmpiub ijlmbb p-iudqggniféiulndqlimpbmh ijdqgdhdq 3dmZ i|p tlL.fl 'i|G -minnmfmt gq lqfidlidqg fldqg3gniftidm iJdqgh|dmïiZmi| ч Ddqgdqdmф gijç -gmum gmpçiul ijdqdbmdç gmlimumdijl] mdg 'übdmfimpmii ovlAlflH

:piußmbdmb gmidiuumdiJh 4 gmfdiunqui gmphmZp i|d -qgpiujiuqmhnm gui|fimpüu(fcgi| 4 gmiimhi|mmpqdmp ijdqbümlimpmi) çmji -Втттриифт gmpdm]imiim^ ч ijdqbdmhmpmij gmpçbmnjmg фггфбтт -тршгфт ijüqgmpqnjn gmphmZpmUqJi lmpijuihio ijdqgndiunqu gi]fm3piun ijdqginmgi]dpuli 4 ijdqggiufdiufidmguqç gmpf]mZpmUqlimgiiq1 nqhnüu :j piujidujimtimdu Odpiunjmpmi] ijdqgcîgnifljdm gmh|mmi|b рпгфбттп

.öbdmiimpmq ovtVflH gmpçbmnjmg çmjrômin -триифт ijdqgmpqnjn lmpi|mhno gmpgmqminbo i|dqgndiunqu gijimlidud -lldq gmfimdqdmgnuilidm 4 gmplimZpmdqJi gi|img3mum } lq]ih)mZ[i -

'ütiudqp hmlidmfimplidq üiugmqljgö gmpçiul ßgmüg 4 dqglqbup gml] -mtii|uimpqdmp i|dqgdi|ljgnJ gi|fmZi|grr^m?mpbmd gijfmhiijm дтрдтцгтл -bo lmpi|inhio tjdqggi^md gmhimdqdmgiuilidm gq lq]ihidm3mum -

'ödqgljudqp

i|bqdgi|n ilctymJiBiuumli lmpijinhio gmfdiuçmjihimlinji^ 4 i]dqgZt|gmfiiuß gmhmnquiginmtiijgajqin «liuumhnn-liuümdmf]mmmp» l|dqgguфmd gml] -mdqdmguiftidm Jiulimtidmtimp gijfmgmödZmpmdmin gq Iq^rnZp -

'ödqggmpfmhi gmfdiul

-mpijinhno ßgmdg gq lqjiinfmqmßmd 4 Ddqglqbup gmtimlii|inmpqdmp i|d -qQÜiJlirjnJ gmlimlii|pmgijti gi|fmlTii|m ijßdmqmgpijii gq lqtißmfmlidqg -