автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Проблемно-ориентированные CALS-системы компьютерного менеджмента качества химических противогололедных материалов и дорожных пропиток

На правах рукописи

оЗГ

ГЛУШКО Андрей Николаевич

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ САЬ8-СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА ХИМИЧЕСКИХ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ДОРОЖНЫХ ПРОПИТОК

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в химических технологиях, нефтехимии)

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново - 2013

005541457

005541457

Работа выполнена в Учебно-научном центре «САЬБ-химия» Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Бессарабов Аркадий Маркович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Баранов Дмитрий Анатольевич

(ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет», заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химической технологии»)

доктор технических наук Волынский Владимир Юльевич

(ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», профессор кафедры экономики и финансов)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет геодезии и картографии», г. Москва

Защита диссертации состоится « 24 » декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205. Тел.(факс): (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан " о<с£, " ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /

Д 212.063.05 Зуева Галина Альбертовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Непрерывный рост автомобильного парка, увеличение объема грузооборота и перевозок пассажиров предъявляют все более жесткие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, а также обеспечению безопасности движения по ним. Решение этих проблем связано с двумя комплексами задач: борьба с зимней скользкостью с применением противогололедных реагентов (ПГР) и поддержание дорожных покрытий в оптимальном состоянии с помощью специализированных пропиток, предотвращающих старение и износ дорожного полотна. Для практической реализации этих задач необходимо разработать соответствующие проблемно-ориентированные системы компьютерного менеджмента качества, позволяющие на высоком уровне проводить аналитические исследования в области создания и использования продуктов дорожной химии.

Цель работы состоит в разработке с использованием информационного САЬБ-стандарта 1БО-10303 проблемно-ориентированных систем компьютерного менеджмента качества противогололедных реагентов и пропиточных составов для дорожных покрытий. Основными задачами, решаемыми в работе, являются системные исследования и разработка на основе САЬБ-технологий трех взаимосвязанных программных комплексов компьютерного менеджмента качества:

• аналитический мониторинг химических противогололедных реагентов;

• экологический мониторинг влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды;

• аналитический мониторинг пропиточных составов для дорожных покрытий.

Научная новтна работы:

1. Выделены ключевые факторы, влияющие на качество автодорожной инфраструктуры. Установлены закономерности их взаимодействия на различных уровнях иерархии. С помощью метода декомпозиции построена многофакторная модель качества автодорожной инфраструктуры. Показаны место и роль материалов дорожной химии в разработанной иерархической системе.

2. Впервые разработана и совместно рассмотрена многоуровневая структура аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных пропиток для использования на поверхности асфальтобетонного покрытия в зимнее и летнее время. Системные исследования позволили выделить кластерную архитектуру показателей качества рассматриваемых продуктов дорожной химии и разработать типовую структуру взаимосвязи каждого показателя с соответствующими методами аналитического контроля и аналитическим оборудованием.

3. Разработана архитектура информационной системы для компьютерного менеджмента качества (КМК-системы) химических противогололедных реагентов в следующих информационных сечениях: химический состав; показатели качества; методы анализа; аналитическое оборудование. Разработана структура 18 показателей качества по 4-м информационным кластерам: органолептиче-ские, физико-химические, технологические и экологические.

4. Разработана архитектура системы экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды (снежный покров, водные объекты и грунтовые воды; почвенный покров; зеленые насаждения; атмосферный воздух). Для рассматриваемых экологических компонент введена типовая структура ПГР, для каждого из которых в архитектуру системы введены б важнейших индикаторов качества, характеризующих степень воздействия конкретного ПГР на выбранный объект окружающей среды. По всем индикаторам качества предложены соответствующие методы анализа и аналитическое оборудование.

5. Для компьютерного менеджмента качества дорожных пропиток разработана архитектура информационной системы по двум целевым классам: восста-

навливающие и защитные. Для каждого класса пропиток выделены две основные подкатегории («битумные, нефтяные масла», «битумные, полимерные»), по которым сгруппированы пропитки соответствующих химических составов, характеризующихся совокупностью показателей качества. Проведена группировка 32 показателей качества по предложенным нами 6 информационным кластерам. По каждому показателю в архитектуру системы введены наиболее перспективный метод анализа и аналитическое оборудование.

Методы исследований. В работе использованы методы системного анализа и компьютерного менеджмента качества. При разработке программных комплексов применялось проблемно-ориентированное программирование на основе CALS-технологий. Определение показателей качества, заносимых в КМК-системы, проводилось современными аналитическими методами.

Достоверность научных и практических результатов, сформулированных в диссертации, обусловлена использованием высокоточных исходных данных, наиболее современной системой компьютерной поддержки (CALS-технология) а также практической реализацией результатов работы.

Практическая ценность:

1. Результаты системного анализа использованы при разработке на базе информационных CALS-технологий трех программных комплексов компьютерного менеджмента качества: аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов; экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды; аналитического мониторинга пропиточных составов для дорожных покрытий. КМК-системы внедрены в Аналитическом испытательном центре и Центре коллективного пользования научным оборудованием ФГУП «ИРЕА». Практическая значимость проведенных системных исследований подтверждена патентами.

2. Программные модули КМК-систем аналитического мониторинга вошли в Государственный контракт Минобрнауки России ГК 16.552.11.7010 «Развитие центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области разработки новых методов контроля качества...»;

3. Полученные по экологическому мониторингу результаты вошли в договора Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы «Выполнение работ по экспертно-методическому сопровождению и ведение мониторинга воздействия противогололедных реагентов на состояние природных сред». Для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы были проведены комплексы системных теоретических и экспериментальных исследований по договорам на НИР и Государственным контрактам «Проведение испытаний противогололедных реагентов на соответствие техническим требованиям по условиям поставки».

4. Самостоятельное практическое значение, подтвержденное соответствующими актами о внедрении, имеют следующие комплексы работ: для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы проведены системные аналитические исследования противогололедных реагентов и дорожных пропиток; Российскому союзу химиков предложены методические основы формирования ассортимента противогололедных реагентов и дорожных пропиток, позволяющие загрузить основные производственные фонды предприятий химической и нефтехимической промышленности; разработаны новые составы жидкого и твердого противогололедных реагентов для постановки на производство в ОАО «Минерально-химическая компания ЕвроХим».

Автор защищает:

1. Теоретическую модель качества автодорожной инфраструктуры.

2. Разработку КМК-системы аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов.

3. Разработку КМК-системы экологического мониторинга влияния противо-

гололедных реагентов на компоненты окружающей среды. 4. Разработку КМК-системы аналитического мониторинга пропиточных составов для дорожных покрытий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на X Международной научно-практической конференции «Партнерство бизнеса и образования в инновационном развитии региона», (Тверь, 2011), XXV и XXVI Международных научно-технических конференциях «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2011; РЕАКТИВ-2012), (Уфа, 2011; Минск, 2012), Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2012», (Тула, 2012), XXV Международной научной конференции «Математические методы в техни-ке и технологиях» (ММТТ-25), (Волгоград, 2012), Шестой, Седьмой международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (MLSD'2012, MLSD'2013), (Москва, 2012, 2013), VIII Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии «UCChT-2012-MKXT», (Москва, 2012), XII Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела», (Уфа, 2012); 13-th European Meeting on Environmental Chemistry (EMEC13), (Moscow, 2012); Втором съезде аналитиков России (Москва, 2013); III Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации» (АТМ-2013), (Саратов, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа, из них 8 статей (5 в журналах, рекомендуемых ВАК), 12 тезисов докладов на международных конференциях и получены 2 патента на изобретение. Общий объем опубликованных работ - 5,7 печатных листа.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы (129 наименований) и приложения, включающего акты внедрения результатов работы. Диссертация изложена на 149 страницах, включая 36 рисунков и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе при разработке иерархической структуры системного анализа (рис. 1) было показано, что на выбор технологии содержания автодорог и, в конечном счете, на результат - качество автодорог, влияние оказывают четыре основных кластера: природно-климатические условия; состояние автодорог; уровень технологической культуры; интенсивность транспортной нагрузки.

По четырем показателям верхнего уровня проведен сравнительный анализ со странами, представляющими интерес в области эксплуатации автодорог (США, Канада, Великобритания, ФРГ, Финляндия, КНР), и показано, что по указанным факторам Россия в полном объеме не совпадает ни с одной страной. Отсюда вытекает невозможность использования зарубежного опыта, а только отдельных его фрагментов.

Основное значения для нас представляют такие показатели уровня технологической культуры, как обработка автодорог противогололедными реагентами и пропиточными составами. В эти технологические операции на 3-м уровне иерархии входит один из важнейших показателей - «материалы», являющийся основным объектом наших исследований (рис. 1). Так как они представляют собой сложные химические композиции, то ключевое значение имеют их показатели

качества, которые определяются в ходе испытаний образцов материалов, проводимых в аналитической лаборатории. Большое значение при этом имеет объективность испытаний и независимость от человеческого фактора. Это возможно при автоматизации процедуры испытаний, в основе которой должна быть систематизация продуктов дорожной химии, показателей качества, методик измерений и аналитического оборудования. Кроме того, систематизация химических ПГР и дорожных пропиток позволит решать задачи по совершенствованию методик измерения и улучшению свойств самих продуктов, что даст возможность изобретать новые материалы с заранее заданными свойствами.

Качество автодорожной инфраструктуры (quality of roads)

Прнродно-клима-тнческие условия

Характеристики воздушных масс

Характеристики осадков

Уровень солнечной инсоляции

X

Состояние автодорог

Уровень технологической культуры

Возможности дорожной сети

Качество дорожного полотна

Уровень пивилизацион ной КУЛЬТУРЫ

Полив, уборка, ремонт автодорог

Обработка пропиточными составами

Обработка

ига

Обработка фрикционными материалами

Обработка химическими материалами

Интенсивность транспортной нагрузки

Объемы перевозок

Темпы роста автопарка

Темпы роста автодорог

Обработка комбинированными материалами

Нормативная база

Потенциал дорожной техники

Кадровый потенциал

Материалы дорожной химии

Рис. I. Системный анализ качества автодорожной инфраструктуры.

В работе впервые совместно рассмотрена иерархическая структура аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных пропиток для использования на поверхности автодорог в зимнее и летнее время. Системные исследования позволили выделить многоуровневую кластерную архитектуру показателей качества рассматриваемых продуктов дорожной химии и разработать типовую структуру взаимосвязи каждого показателя с соответствующими методами аналитического контроля и аналитическим оборудованием.

Для эффективной эксплуатации автодорожной инфраструктуры были разработаны 3 взаимосвязанных информационных комплекса: система компьютерного менеджмента качества (КМК-система) химических противогололедных реагентов (ПГР), система экологического мониторинга ПГР и КМК-система пропиточных составов для дорожных покрытий. Разработка проводилась по информационному стандарту ISO-10303 STEP на основе наиболее перспективной системы компьютерной поддержки: CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life-cycle Support - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта).

Во второй главе для автоматизации процедуры аналитического мониторинга химических ПГР во ФГУП «ИРЕА» по Госконтрактам с Департаментом ЖКХ и благоустройства г. Москвы разработана на основе концепции CALS система компьютерного менеджмента качества (КМК-система). Рассматриваемые ПГР сгруп-

пированы по химическим составам, которые представляют следующие 4 основные подкатегории (рис. 2): хлориды (хлориды кальция, натрия, магния и ПГР на их основе); ацетаты (ацетаты аммония, калия, кальция и ПГР на их основе); карбамиды (мочевина, карбамидно-аммиачная селитра и ПГР на их основе); нитраты (нитраты кальция, магния и ПГР на их основе). Кроме того конкретные химические ПГР разделены на 2 подкатегории по фазовому составу: твердые и жидкие.

Каждый из занесенных в КМК-систему химических ПГР, оценивается по ряду показателей, объединенных в четыре подкатегории: органолептические (внешний вид, цвет, запах), физико-химические (массовая доля растворимых солей, зерновой состав, температура начала кристаллизации, влажность, массовая доля нерастворимых в воде веществ, водородный показатель, плотность, динамическая вязкость), технологические (плавящая способность, гигроскопичность, слеживаемость) и экологические (коррозионная активность на металл, показатель агрессивного воздействия на цементобетон, удельная эффективная активность естественных радионуклидов, допустимое содержание химических веществ, не относящихся к действующему веществу ПГР - водорастворимая форма фтора, валовое содержание цинка, свинца, никеля, меди, ртути, молибдена, кобальта, кадмия, хрома, селена, мышьяка). Нормы по этим показателям устанавливаются, исходя из особенностей применения ПГР для обработки дорожных покрытий и ПДК.

В базы данных созданного нами САЬ5-проекта КМК-системы (рис. 2) занесены индикаторы качества противогололедных реагентов, применяемых на автодорогах г. Москвы в соответствии с положениями Регламента и Технологических карт комплексного содержания объектов дорожного хозяйства г. Москвы в зимний период, а также Технологии зимней уборки проезжей части магистралей, улиц, проездов и площадей (объектов дорожного хозяйства г. Москвы) с применением противогололедных реагентов, утвержденных Департамен-

#КМК химических ПГР-Р5М • ' '" ' о ■ ч< V ... - ' ^ Ш@1

Файл Правка Вт Настройки 1

«Г С и ■■ :■ ■ ■ И в % ■'■ ■■ Навигатор [ й |§ Категории /—I—I—I- В ' * Свойство _ __ | Значете

Готово

^ 1. Хлориды Д 1.1, Хлориды кальция Ер || ХКМ жидкость [£ §§] ЖН жидкость Ш р ХКН твердый Е §| ХКФ твердьй

$-Ц 1. Органолептические Ш щ 2. Физико-химические показатели

— Й Технологические показатели

- || 4. Экологические показатели 8 §Ц 4.1. Коррозионная активность на металл

Ш §| 4.1,1, Сталь - §| 4.2, Показатель агрессивного воздейсти

Ш 4.2.1, Цементобетон $ || 4,3. Удельная эффективная активность Ш |§] 4.4. Допустимое содержание химических §| 1.2. Хлориды натрия

>де ЙСТ8ИЯ+ рисунки - М1сгозоТ( \№61ГЙ1 Встаекя Формат Сервис Таблице

■ ■ ■

№ п/п Наименование Состав Нормы расхода Агрессивность к

стали бе тот'

1 ХКМ жидкость раствор хлористого кальция модифи-цир ованньй, 32 % 40 - 110 мл/м2 + +

2 Антиснег-1 ЖИДКОСТЬ раствор ацетата аммония, 30 % 20-45 мл/м2 - +

3 Нордикс-П ЖИДКОСТЬ раствор ацетата калия, 30 % 20-45 г/м2 - +

4 ХКФ твердый хлористый кальций, ингибированный фосфатами 20 - 70 г/м2 + +

5 Биомаг твердьй хлористый магний модифицированный 30 -80 г/м2 + +

, ад <

Разд 1

, 0,5<м Ст 14 Коп 1

Рис. 2. Элемент КМК-системы ПГР. Экологические показатели: агрессивность ПГР к стали и бетону (а - таблица показателей).

Рассматриваемый для объектов дорожного хозяйства г. Москвы ассортимент введен в КМК-систему и включает в себя противогололедные реагенты марок (композиций основных действующих веществ на основе хлоридов и ацетатов): «ХКНж», «ХКНтв» (хлориды кальция и натрия в растворе и в твердой форме), «МРтв», «МРКтв» (хлориды кальция, натрия, калия и формиат натрия в разных пропорциях), «КР2тв», «КРЗтв» (хлорид натрия и формиат натрия в разных пропорциях в смеси с карбонатом кальция (фрикционной частью-мраморной крошкой)), «ХКМж» (раствор хлористого кальция модифицированный), «Антиснег-1» (раствор ацетата аммония), «Нордикс-П» (раствор ацетата калия), «ХКФтв» (хлористый кальций, ингибированный фосфатами) и «Био-маг» (хлористый магний модифицированный). Из ассортимента выделены ПГР с характерными отличиями (рис. 2-а). Показано, что реагенты на основе хлористого кальция («Биомаг твердый») агрессивно воздействует на сталь и бетон.

Одним из важнейших технологических показателей ПГР является плавящая способность, определяющая нормы расхода ПГР. Неточности в определении норм расхода различных ПГР приводят к их неэкономичному использованию, а также к загрязнению окружающей среды при избыточном применении хлористых солей. Поэтому определение достоверного значения плавящей способности является принципиально важной задачей при оценке свойств того или иного состава. Нами проведен анализ используемых методик и показано, что согласно применявшейся до настоящего времени «Методике испытания противогололедных материалов» (утвержденной Минтрансом РФ в 2003) плавящую способность определяли по изменению массы льда в кювете (чаше) до и после обработки противогололедными реагентами за определенный промежуток времени при заданной температуре.

С учетом несовершенства существующей методики нами была разработана и занесена в информационный САЬ8-проект новая методика (рис. 3-а) для расчета равновесной плавящей способности ПГР.

Ф КМК химических ПГР Р5М

Файл Правка Настройки I

в' в- а 18

Навкгатор

- ¡»Я КМКхттескихПГР В- 1. Хлориды

В §й 1,1. Хлориды кальция

.сиго-митамимв.ПЛ.СПОС.рде - А(1и1>н Асго..

2кх> ¿правка

ХКМ жидкость

§3] 1. Органолептические показатели 2. Физико-химические показатели Щ 3, Технологические показатели 3 Щ 3.1. Ппавяшая способность

Е || Годика (№ 01.00225/205-64-11) 51 Ц| 1. Разбавление В щ 2. Термостатирование !+ Щ Криостат Ю1Р РТ-311-80

Щ Криотермостат КРИО-ВТ-05-Ш щ Термостат циркуляционный щ 3. Определение температуры + ¡Ц Термометр №Т-4 Ш щ 3.2, Гигроскопичность

Рис. 3. КМК-система ПГР. Технологические показатели. Плавящая способность (а - свидетельство об аттестации методики; б - определитель температуры ИРТ-4).

Плавящая способность определялась дифференцированно из кривых замерзания, построенных в следующих координатах: массовая доля ПГР - температура начала кристаллизации (1-25)%-ных водных растворов ПГР, построенных для любой конкретной температуры в интервале от -1 до -20 °С. Экспериментальные кривые замерзания снимаются в автоматическом режиме с использованием установки, включающей жидкостной криотермостат и измеритель-регулятор температуры (рис. З-б), позволяющий определить начало кристаллизации разбавленных растворов. Величина р, равновесной плавящей способности рассчитывалась нами для любого значения температуры по расчетной формуле: р, = со/с! - 1, где с(1- исходная концентрация химического вещества в растворе или в сухом реагенте; с, - конечная - равновесная концентрация вещества в растворе после плавления льда или снега, соответствующая температуре замерзания раствора при рассматриваемых условиях. Для построения кривых замерзания растворов ПГР определяют температуру начала кристаллизации разбавленных растворов образца в интервале концентраций от 1 % до концентрации (массовой доли) исходного раствора или эвтектической концентрации для твердого реагента. Температуру начала кристаллизации приготовленных растворов ПГР определяют по ГОСТ 18995.5-73.

Для использования ПГР при пониженных температурах были проведены комплексные исследования и получены экспериментальные данные по плавящей способности в температурном диапазоне ниже -20°С для следующих марок ПГР: МРтв, МРКтв, КР2тв, КРЗтв. Эксперимент показал, что данные марки ПГР (при соотношении массовых долей основных действующих химических веществ в эталонном образце) не плавят лед и снег при температуре ниже -23 °С, так как указанная температура близка к эвтектической для смеси солей с преобладанием хлористого натрия. Также показано, что при температуре от -20 "С до -23 °С нормы применения ПГР увеличиваются с понижением температуры в зависимости от плавящей способности: примерно от 5 раз (по сравнению со стандартом) при -20 °С и примерно до 7 раз при -23 "С. Нами были даны рекомендации о том, что в температурном интервале от -23 °С до -30 °С необходимо применять новый ПГР, содержащий в своем составе не менее 80 % хлористого кальция (90%-ного) по ГОСТ 450, так как эвтектическая температура для такого состава будет ниже -30°С.

Проведена разработка нового формиатного ПГР, в ходе которой создана и реализована в КМК-системе аналитическая методика количественного анализа формиатов с относительной суммарной погрешностью результата анализа, соответствующей высокоточным характеристикам титриметрических методов. Практическая значимость проведенных исследований подтверждена патентом № 2478203 от 27.03.2013 «Способ определения содержания формиатов щелочных металлов в противогололедных реагентах».

Для количественного определения формиатов щелочных металлов в противогололедных реагентах предлагается способ определения содержания формиатов щелочных металлов, основанный на титриметрическом методе количественного анализа и применяемый для противогололедных реагентов, содержащих 1-50 мае. % формиатов щелочных металлов, а также дополнительно содержащих хлориды кальция и хлориды щелочных металлов.

При решении задачи управления качеством формиатных ПГР нами показано, что, во-первых, формиат натрия, как компонент в составе ПГР, эквивален-

тен по действию хлориду натрия, во-вторых, наличие в составе формиата натрия оказывает экологически положительное влияние.

В результате системного анализа влияния формиата натрия на качество продукта, формиат натрия включен в состав разработанных совместно ФГУП «ИРЕА» и ОАО МХК «ЕвроХим» новых ПГР (жидкого и твердого). Проведены его лабораторные испытания, подтвердившие результаты системного анализа, предшествовавшего выбору рецептуры, намечена постановка на производство заводом «Но во московский ХЛОР».

В третьей главе показано, что применение химических реагентов для зимнего содержания дорог всегда сопровождается определенными неизбежными экологическими последствиями, связанными с попаданием в окружающую среду большого количества химических веществ. Для снижения негативных последствий проводится экологический мониторинг состояния объектов окружающей среды, который позволяет оценить воздействие применяемых ПГР по 4-м важнейшим экологическим кластерам: почвенный покров, водные объекты, зеленые насаждения и атмосферный воздух.

На основе САЬ8-технологий была разработана КМК-система оценки экологического воздействия ПГР на окружающую среду. В качестве категорий верхнего уровня (рис. 4) были выбраны различные объекты окружающей среды: снежный покров и водные объекты (категория № 1); почвенный покров (№ 2); зеленые насаждения (№ 3) и атмосферный воздух (№ 4). Необходимо отдельно рассматривать воздействие на окружающую среду большого объема основных компонентов ПГР и сопутствующих им наиболее потенциально опасных примесей. Для этого на втором уровне разработанной системы рассматриваются основные группы химических ПГР: хлориды, ацетаты, карбамиды и нитраты.

^ Экология ПГМ • Р5М ^ :

Чш Ш й- м

А

В Й категории

Ц§| Объекты окружающей среды 1г1 ИЭ 1. Снежный покров и водные объекты

н ь рвшаэ

(3 Й Хлориды кальция

Ш 121 1- Массовая доля растворимы* Ш |Ц Массовая доля нерастворим I ф §3 3. Водородный показатель Ш- 1Ц Удельная эффективная | ф 5. Массовая доля примесей:

| Ш 1Ш Ь. Коррозионная активность

|$|--!а| Хлориды магния ЕЙ Хлориды натрия ® 12. Ацетаты (¿1 |Ц] 1.3. Карбамиды В 1.4. Нитраты ф 2. Почвенный покров ЕЙ ^ 3. Зеленые насаждения Й 4. Атмосферный воздух

Готово _

ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ (ИДК) ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ I» ВОДЕ ВОДНЫХ ОВ ЬЕКТОВ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО И КУЛЬТУРНО-БЫТОВОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

в воде вен

1ЛК МПИРШ1НЧ« .;(.!

Рис. 4. СЛЬБ-проект «Экологическое воздействие ПГР». Снег, водные объекты -Хлориды (а - гигиенические нормативы 2.1.5.689-98; б - таблица ПДК для воды).

В рассматриваемой подкатегории «Хлориды» (рис. 4) выделено 3 подкатегории 2-го уровня, представляющие собой наименования химических веществ -основных компонентов ПГР: хлориды кальция, магния и натрия. Для каждого соединения в систему занесены 6 индикаторов качества, характеризующих степень воздействия ПГР на выбранный объект окружающей среды (рис. 4): массо-

* |gg МС-МСЛ спектрометр Agilent 7500 il ra МС-ИСП спектрометр ELAN ОЯС-е i* JES 1 1С-ИСП спектрометр X Series 2 В Щ кобальта, никепя, цинка, меди, хроме

- Ц АЭС

S- АЭС-ИСП спектрометр Optima 7000DV л jpg АЭС-ИСП спектрометр Verían 720 ES < а АЭС-ИСП спектрометр ¡CAP 6500 - Зц Фтора

- Метод потеншюмегрмтГОСГ 1067S > S»j Ионоиер "Нитрон"

■ M Ионоиер-кондуктонетр 5G78 - 5evenGo Ы; + [И0^мер-кщдуктс»нетрАми&н'й551 fei й. Коррозионная активность на матапп

Рис. 5. САЬ8-проект «Экологическое воздействие ПГР». Хлориды кальция -Примеси фтора (а - иономер-кондуктометр Анион 4155; б - график зависимости электродного потенциала от концентрации фтор-ионов).

вая доля растворимых солей (подкатегория № 1), массовая доля нерастворимых в воде веществ (№ 2), водородный показатель (№ 3), удельная эффективная активность естественных радионуклидов (№ 4), массовая доля примесей (№ 5) и коррозионная активность на металл (№ 6). Для каждого показателя в систему занесены все необходимые исследователю сведения о методе определения, используемом приборе и виде выходной документации.

Массовая доля нерастворимых в воде веществ (подкатегория № 2) определяется гравиметрически. Навеску ПГР фильтруют через обеззоленный фильтр «синяя лента» (предварительно высушенный в сушильном шкафу при температуре 60-70 °С до постоянной массы). Осадок на фильтре промывают горячей водой до отрицательной реакции на хлорид-ион, а затем фильтр с осадком подвергается термообработке в сушильном шкафу. В КМК-системе представлено несколько вариантов сушильных шкафов различных фирм-производителей (ШаЬ, игг^а, Экрос) для выбора сушильного устройства с различными габаритами, максимальной температурой и режимом сушки.

В КМК-системе определению водородного показателя (подкатегория № 3) поставлен в соответствие потепциометрический метод с использованием в качестве аналитического оборудования рН-метра. Метод основан на потенцио-метрическом измерении разницы потенциалов стеклянного электрода и электрода сравнения, погруженных в водный раствор ПГР. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов (подкатегория № 4) -методом радиометрии. Метод основан па измерении излучений, испускаемых радиоактивными элементами. В САЬ8-проекты занесены данные по различным рН-ме грам и радиометрам отечественного и зарубежного производства.

Наибольший интерес для нас представляет аналитический мониторинг, связанный с определением и занесением в КМК-систему примесных компонентов химических ПГР. Для этого в подкатегории № 5 «Массовая доля примесей» выделено 3 подкатегории четвертого уровня, объединенных по способу определения рассматриваемых примесей (рис. 5).

Примеси Cd, Н<г, Mo, As, Pb и Se определяют методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (метод основан на использовании для ионизации элементов индукционной плазмы факельной конфигурации; для регистрации ионов определяемых элементов используют масс-спектрометр квадруполь-ного типа); примеси Со, Ni, Си, Сг и Zn - методом атомно-эмисионной спектрометрии (метод основан на использовании в качестве источника возбуждения спектров индукционной плазмы факельной конфигурации; для регистрации спектра используются многоканальные фотоэлектрические системы), а примесь фтора - методом потенциометрии. Как и в ранее рассмотренных подкатегориях для каждого метода в системе представлены несколько приборов различных фирм-разработчиков и виды выходной документации (рис. 5-а,б).

В четвертой главе с использованием информационного CALS-стандарта ISO-10303 STEP была разработана система компьютерного менеджмента качества пропиточных составов для дорожных покрытий (рис. 6). На верхнем уровне разработанной системы пропиточные составы классифицированы по назначению. Было выделено две основные категории: восстанавливающие (омолаживающие) составы (категория № 1) и составы для защиты асфальтобетонных покрытий (категория № 2).

я......................

*Н APT-78 - Програшш просмотра

ЁьГ

.. Г- 1Ш1Ш1

СЕРТИФИКАТ СООТВЕТСТВИЯ

..........- „¿SS&,

.......

Ё.....I

о «в ■•■:•»• чм >-4 » X

Рис. 6. Элемент CALS-проекта «Пропиточные составы». Восстанавливающие составы - Нефтяной битум - Эмульгирование битума - Прямые эмульсии - Ка-тионные эмульсии - «АРТ-78» (а - сертификат соответствия «АРТ-78»),

В обеих рассмотренных группах пропиточные составы объединены по виду основы: различают восстанавливающие составы на основе нефтяного битума (подкатегория № 1.1), глины (подкатегория № 1.2) и индустриальных нефтяных масел (подкатегория № 1.3). Материалы из второй группы пропиток (категория № 2), как правило, не влияют на структуру асфальта, только создавая поверх него защитный слой, в том числе для декоративных целей. Проанализировав составы защитных пропиток, нами было выявлено, что большинство таких композиций составлено на основе полимерных материалов. Существуют также защитные составы на основе щелочей (StreetBondl50), рафинированных смол (Star Aviator), на каменноугольной основе (Star Micropave Supreme), содержащие битум (Star Micropave Aviator, Star Micropave ProBlend).

Технологически производство восстанавливающих пропиток на основе битума может быть организовано тремя различными способами: разогревом битума до необходимых (технологических) температур, разжижением битума легкими (как правило, органическими) растворителями или эмульгированием битума. Данные способы отражены в подкатегориях второго уровня подкатегории №1.1 «Пропиточные составы на основе битума». Наибольший интерес представляют дорожные пропитки, полученные эмульгированием битума: прямые и обратные эмульсии (подкатегории №№ 1.1.1.1 и 1.1.1.2 соответственно). По виду используемого эмульгатора битумные эмульсии подразделяют на анионные и катионные. Приведенный на рис. 6-а пропиточный состав АРТ-78 предназначен для сохранения, восстановления и модификации жизненно важных свойств асфальта. АРТ-78 повторно связывает и стабилизирует покрытие, уплотняя и восстанавливая связующие компоненты асфальтобетона, улучшая при этом внешний вид асфальта.

В КМК-систему занесен ассортимент защитных дорожных пропиток, не содержащих битумы. Например, дорожная пропитка ЬА8-320 является новой разработкой корпорации Епупо8еа1. Этот продукт рекомендован для обработки поверхности асфальта и не является составом на основе нефти. ЬА8-320 прошел всестороннее испытания под воздействием внешней среды, включая тесты по замораживанию и оттаиванию.

На основании проведенного анализа для каждой пропитки нами разработаны несколько групп показателей качества (рис. 7): органолептические (подкатегория № 1), физико-химические (подкатегория № 2), физико-механические (подкатегория № 3), технологические (подкатегория № 4), экологические (подкатегория № 5) и эксплуатационные (подкатегория № 6). В каждой группе выделено несколько основных индикаторов качества, определяемых в соответствии с ГОСТ или другими нормативными документами для каждой пропитки. Так, например, в подкатегории № 1 «Органолептические показатели» объединены такие индикаторы качества, как внешний вид, цвет и запах (подкатегории №№ 1.1, 1.2 и 1.3, соответственно). Проанализировав собранную документацию на различные пропитки, а также ГОСТ 18659-81 и ГОСТ Р 52128-2003 («Эмульсии битумные дорожные. Технические условия»), в подкатегорию № 2 «Физико-химические показатели» нами было выделено 5 позиций: условная вязкость, содержание вяжущего с эмульгатором, массовая доля нелетучих веществ, температура хрупкости и температура вспышки. Для каждого показателя в систему занесены данные о методе определения и используемом приборе.

В подкатегории № 3 «Физико-механические показатели» представлены наиболее важные контролируемые индикаторы качества дорожных пропиток: температура размягчения по кольцу и шару, растяжимость, однородность, температура хрупкости и температура вспышки. В подкатегории № 4 «Технологические показатели» представлены основные индикаторы качества, характеризующие взаимодействие пропитки с дорожным покрытием: время высыхания пленки на поверхности, летучесть, коэффициент эффективности, сцепление с минеральными материалами и глубина проникания иглы.

Разработанная КМК-система позволила провести многокритериальный анализ современных составов дорожных пропиток применительно к использованию на асфальтобетонном покрытии автодорог РФ. так как по ряду причин асфальтобетонное покрытие стареет значительно раньше окончания межремонтного срока, а одним из недостатков традиционных методов защиты ло-

кальным применением известных битумных композиций является несбалансированность следующих свойств: недостаточная эластичность и невысокие прочностные показатели; недостаточная скорость проникновения в асфальтобетонное покрытие; недопустимо большое время гатвевдевания._______

1 ^ гпстлпы Д1Я Яортжных понрмтий-гз впрвля.зи [1).!

!> ПрОПИТОЧН!

Файл Правка Ёид Настройг.м '(..

щ* Ei и ча es е§* i

! Навигатор

fei 1 • Органе» 2. Фиэико-Щ Й2.1.У Щ- fe] 2.2. Соде«

т Щй 2.з. г*

;+!■■■ SÜ 2.4. Температура хрупкости SS; fei 2.S. Температура

- g»|] 3.1. Температура раэмягче - ГОСТ 11506-73

В РК-1 т Ш RKA-5

ife Щ К.ИШ-20

j!gg)) Пинтел КИШ-20М-» ЙЙ) 3.2. Растяжи

8>Wi 3.3. Однородное-

И 4. Т.»

НЧ ВЦ) 1.1. Время высыхания SJ Б) петучесть •f fei 4-3. Коэффициент эфф< Ei? 4.4. Сцепление

5Q] 4.5. Глубина проникания и igU 5. Экологические показатели '¿SÄ Эксплуатационные

Рис. 7. Элемент СДЬБ-проекта «Пропиточные составы». Катионные эмульсии -Технониколь - Физико-химические показатели - Температура размягчения по кольцу и шару (а - аппарат ККА-5; б - температуры размягчения битумов).

Разработанная КМК-система позволила провести многокритериальный анализ современных составов дорожных пропиток применительно к использованию на асфальтобетонном покрытии автодорог РФ. так как по ояду причин асфальтобетонное покрытие стареет значительно раньше окончания межремонтного срока, а одним из недостатков традиционных методов защиты локальным применением известных битумных композиций является несбалансированность следующих свойств: недостаточная эластичность и невысокие прочностные показатели; недостаточная скорость проникновения в асфальтобетонное покрытие; недопустимо большое время затвердевания.

Проведенный анализ природно-климатических условий и дорожной обстановки показал, что ни одна из имеющихся марок пропиток полностью не отвечает требованиям, предъявляемым к качеству содержания объектов дорожного хозяйства. Показано, что на автодорогах РФ перспективна для применения восстанавливающая пропитка, обладающая герметизирующими, гидрофобизирующими и другими свойствами, не содержащая в составе воды, не имеющая в качестве примесей фрикционных частиц, имеющая высокую скорость высыхания на поверхности автодороги и адекватную дорожной обстановке технологию применения. В результате нами изобретен инновационный состав дорожной пропиточной композиции, включающий нефтяной битум, нефтеполимериую смолу и органический растворитель, и технология ее применения имеющимся парком дорожной специальной техники. На данное изобретение подана заявка «Способ обработки дорожных асфальтобетонных покрытий» (№ 2012153391 от 11.12.2012 г.).

С помощью КМК-системы установлено, что этим требованиям максимально соответствует, восстанавливающий состав пропитки, включающий основу-нефтепродукт (битум или нефтяное масло), превращенную в эмульсию (разогревом с введением смолы). Экспериментальным путем был определен инновацион-

ный состав пропитки (битум, смола и растворитель), которая в настоящее время успешно проходит микронатурные испытания. Способ обработки автодорожного покрытия с использованием данного материала был заявлен на патентование.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Выделены ключевые факторы, влияющие на качество автодорожной инфраструктуры. Установлены закономерности их взаимодействия на различных уровнях иерархии. С помощью метода декомпозиции построена многофакторная модель качества автодорожной инфраструктуры. Показаны место и роль материалов дорожной химии в разработанной иерархической системе.

2. Разработана система компьютерного менеджмента качества химических противогололедных реагентов в следующих информационных сечениях: химический состав; показатели качества; методы анализа; аналитическое оборудование. Основные 18 показателей качества сгруппированы по 4-м информационным кластерам: Проведены с использованием КМК-системы для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы комплексы системных теоретических и экспериментальных исследований по договорам на НИР и Государственным контрактам «Проведение испытаний противогололедных реагентов на соответствие техническим требованиям по условиям поставки».

3. Для важнейшего технологического индикатора «плавящая способность» разработана и запатентована новая методика, позволяющая получать дифференцированно из кривых замерзания более точные характеристики. По новой методике для основного ассортимента ПГР проведены экспериментальные исследования и моделирование плавящей способности ПГР. Создана и запатентована аналитическая методика количественного анализа формиатов в ПГР. Разработанные инновационные составы жидкого и твердого формиатных ПГР предложены для постановки на производство в ОАО «Минерально-химическая компания ЕвроХим».

4. Разработана система экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на следующие компоненты окружающей среды. Для каждой экологической составляющей в архитектуру системы введены 6 важнейших индикаторов качества, характеризующих степень воздействия конкретного ПГР на выбранный объект окружающей среды. По всем индикаторам качества в систему введены соответствующие методы анализа и аналитическое оборудование. Полученные по экологическому мониторингу результаты вошли в договора Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы.

5. Для компьютерного менеджмента качества дорожных пропиток разработана информационная система по двум целевым классам: восстанавливающие и защитные. Для каждого класса пропиток выделены основные подкатегории, по которым сгруппированы пропитки соответствующих химических составов, характеризуемых совокупностью показателей качества. Проведена систематизация показателей качества по предложенным нами информационным кластерам. По каждому показателю в архитектуру системы имплементированы наиболее перспективный метод анализа и аналитическое оборудование. На основании проведенного многокритериального анализа эффективности дорожных пропиток разработан новый состав на основе модифицированного битума, на который подана заявка на патент «Способ обработки дорожных асфальтобетонных покрытий».

6. Разработанные КМК-системы внедрены в Аналитическом испытательном центре и Центре коллективного пользования научным оборудованием ФГУП «ИРЕА». Программные модули CALS-систем аналитического мониторинга вошли в Государственный контракт Минобрнауки России ПС 16.552.11.7010.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Статьи, опубликованные в рецензируемых изданиях:

1. Глушко, А. Н. Разработка CALS-технологии компьютерного менеджмента качества химических противогололедных материалов и дорожных пропиток на основе методов системного анализа/ А. Н. Глушко, А. М. Бессарабов, Т. И. Степанова // Наукоемкие технологии. - 2013. - Т. 14. - № 3. - С. 74-80.

2. Бессарабов, А. М. Компьютерный экологический мониторинг химических противогололёдных реагентов / А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, О. В. Стоянов И Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - № 20. - С. 280283.

3. Бессарабов, А. М. Компьютерный менеджмент качества противогололедных материалов для автомобильных дорог / А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко, Т. И. Степанова. Е. Л. Гордеева // Известия МГТУ «МАМИ». - 2012. - Т. 4 - № 2 (14). - С. 121-125.

4. Бессарабов, А. М. Аналитический мониторинг химических противогололедных материалов на основе концепции CALS / А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, А. В. Лобанова // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2012. - № 1 (64). - Выпуск 2. - С. 225-229.

5. Бессарабов, А. М. Разработка компьютерных систем для поддержания оптимального состояния муниципальной автодорожной инфраструктуры / А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, А. В. Лобанова, Г. Е. Заиков, О. В. Стоянов // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 10.-С.293-299.

Публикации в других научных изданиях:

6. Глушко, А. Н. Анализ региональной транспортной инфраструктуры на примере противогололедных материалов / А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, О. Н. Подмарева, А. М. Бессарабов // Сборник научных трудов X Международной научно-практической конференции «Партнерство бизнеса и образования в инновационном развитии региона». Тверь 27 октября 2011 г. / ТФ МЭСИ - Тверь, 2011 .-С. 126-129.

7. Глушко, А. Н. Разработка CALS-системы для экологического мониторинга химических противогололедных реагентов / А. Н. Глушко, Л. С. Кислякова, Т. И. Степанова, А. М. Бессарабов // Материалы седьмой международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (MLSD'2013), 30 сентября - 2 октября 2013 г. / ИПУ РАН. - Москва, 2013. - Т. 2. - С. 323-326.

8. Бессарабов, А. М. Разработка компьютерных систем для поддержания оптимального состояния муниципальной автодорожной инфраструктуры / А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, А. В. Лобанова, Г. Е. Заиков, О. В. Стоянов //Энциклопедия инженера-химика. - 2013. -№ 7. - С. 51-58.

9. Бессарабов, А. М. Модернизация систем компьютерного менеджмента качества автодорожных покрытий на основе CALS-технологий/ А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, Г. Е. Заиков, О. В. Стоянов // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2013. — № 9. - С. 23-25.

10. Патент на изобретение. № 2494187. Российская Федерация. Способ предотвращения скользкости на дорожных покрытиях и тротуарах / К.К. Булатицкий, Ю. Н. Орлов, А. Л. Разинов, Д. С. Хачатрян, Р. А. Санду, А. Н. Глушко, А. Г. Вендило.; заявитель и патентообладатель: ФГУП «ИРЕА». Заявл. 16.03.2012; опубл. 27.09.2013. Бюл. № 27. - 10 с.

Подписано в печать 19.11.2013 г. Усл.п.л. - 1.0 Закат №17521 Тираж: 100 экз.

Копнцентр «ЧПР П-Ж.ру» 1ШН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеповская II. стр.12 (495) 542-7389 www.chcrtez.ru

Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ САЬЭ-СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА ХИМИЧЕСКИХ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ДОРОЖНЫХ ПРОПИТОК

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

(химическая технология, нефтехимия и биотехнология)

04201453 527

На правах рукописи

Глушко Андрей Николаевич

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, проф. Бессарабов А.М.

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................................... 4

Глава 1. Разработка методологии системного анализа автодорожной инфраструктуры..................................................................................... 8

1.1. Теоретическое обоснование влияния отдельных факторов на

качество автодорожной инфраструктуры (качество АДИ).......................... 9

1.2. Влияние природно-климатических факторов на качество АДИ.............. 12

1.3. Влияние состояния автомобильных дорог на качество АДИ.................... 15

1.4. Влияние интенсивности транспортной нагрузки на качество АДИ............ 17

1.5. Влияние уровня технологической культуры на качество АДИ............... 19

Глава 2. Системный анализ и выбор химических противогололедных

реагентов на основе концепции CALS.......................................................... 29

2.1. Системный анализ ассортимента ПГР для г. Москвы........................ 29

2.2. Систематизация требований к показателям качества,

предъявляемым к ПГР.......................................................................... 30

2.3. Структурный анализ экологических показателей.................................... 33

2.4. Системные исследования плавящей способности для основного ассортимента ПГР............................................................................ 41

2.4.1. Анализ устаревшей методики определения плавящей

способности................................................................................. 41

2.4.2. Разработка новой методики определения плавящей способности с помощью CALS-технологий...................................................................... 43

2.4.3. Экспериментальные исследования и моделирование плавящей способности ПГР в интервале температур от -20°С до -30°С.................. 49

2.5. Системные исследования при разработке нового класса

формиатных ПГР................................................................................. 52

2.5.1. Анализ возможности определения формиата натрия, применяемыми

в настоящее время методами......................................................... 53

2.5.2. Физико-химический анализ депрессии температуры замерзания растворов хлорида натрия и формиата натрия .................................... 55

2.5.3. Разработка аналитической методики количественного определения содержания формиата натрия в ПГР с помощью CALS-технологий.............. 56

Глава 3. Экологический мониторинг влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды................................................................. 59

3.1. Системный анализ факторов, влияющих на загрязнение

окружающей среды противогололедными реагентами..............................................................63

3.2. Системный анализ влияния ИГР на снежный покров, водные

объекты, грунтовые воды................................................:....................................68

3.2.1. Анализ результатов загрязнения поверхностных водных объектов.... 75

3.2.2 Выводы по мониторингу влияния ПГР на снежный покров,

грунтовые и поверхностные воды........................................................................................................77

3.3. Системный анализ воздействия противогололедных реагентов

на загрязнение почвенного покрова..........................................................................................................79

3.4. Системный анализ воздействия противогололедных реагентов

(ПГР) на зеленые насаждения........................................................................................................................90

3.5. Системный анализ влияния компонентов ПГР на атмосферный воздух... 99 Глава 4. CALS-технология для системного анализа и выбора дорожных пропиток.. 103

4.1. Системный анализ и классификация пропиточных составов..................................104

4.2. Анализ восстанавливающих пропиточных составов по виду основы............106

4.2.1. Нефтяные битумы................................................................................................................................106

4.2.2. Индустриальные масла....................................................................................................................110

4.2.3. Глина......................................................................................................................................................................113

4.3. Анализ характеристик защитных пропиточных составов..........................................113

4.4. Асфальтовые эмульсии..............................................................................................................................114

4.5. Добавки для битумных материалов................................................................................................115

4.6. Разработка CALS-проекта пропиточных составов для

дорожных покрытий................................................................................................116

4.7. Системный анализ показателей качества для рассматриваемых

пропиток....................................................................................................................................................................................118

4.8. Системные исследования при разработке нового пропиточного

состава для дорожных покрытий........................................................................................................................120

4.8.1. Классификация требований к рецептуре новой пропитки..............................121

4.8.2. Системный анализ рассматриваемых компонентов

инновационного пропиточного состава..........................................................................................122

4.8.3. Элемент CALS-проекта по рецептуре нового пропиточного материала....................................................................................................................................................................125

Выводы........................................................................................................................................................................................................128

Список литературы..................................................................................................................................................................131

Приложение............................................................................................................................................................................................145

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Непрерывный рост автомобильного парка, увеличение объема грузооборота и перевозок пассажиров предъявляют все более жесткие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, а также обеспечению безопасности движения по ним. Решение этих проблем связано с двумя комплексами задач: борьба с зимней скользкостью с применением противогололедных реагентов (ПГР) и поддержание дорожных покрытий в оптимальном состоянии с помощью специализированных пропиток, предотвращающих старение и износ дорожного полотна. Для практической реализации этих задач необходимо разработать соответствующие проблемно-ориентированные системы компьютерного менеджмента качества, позволяющие на высоком уровне проводить аналитические исследования в области создания и использования продуктов дорожной химии.

Основные разделы диссертации выполнялись при поддержке Государственного контракта Минобрнауки России, контрактов и договоров Департамента ЖКХ и благоустройства и Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы.

Цель работы состоит в разработке на основе информационного CALS-стандарта ISO-10303 STEP проблемно-ориентированных систем компьютерного менеджмента качества противогололедных реагентов и пропиточных составов для дорожных покрытий. Работа включает в себя системные исследования и разработку на основе концепции CALS трех взаимосвязанных систем компьютерного менеджмента качества (КМК-системы):

• аналитический мониторинг химических противогололедных реагентов;

• экологический мониторинг влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды;

• аналитический мониторинг пропиточных составов для дорожных покрытий.

Научная новизна.

Впервые совместно рассмотрена иерархическая структура аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных пропиток

для использования на поверхности асфальтобетонного покрытия в зимнее и летнее время. Системные исследования позволили выделить кластерную архитектуру показателей качества рассматриваемых продуктов дорожной химии и разработать типовую структуру взаимосвязи каждого показателя с соответствующими методами аналитического контроля и аналитическим оборудованием.

Разработана архитектура информационной системы для компьютерного менеджмента качества химических противогололедных реагентов в следующих информационных сечениях: целевая направленность; агрегатное состояние; химический состав; показатели качества; методы анализа; аналитическое оборудование. Разработана структура 18 показателей качества по 4-м информационным кластерам: органолептические, физико-химические, технологические и экологические. Проведена разработка нового формиатного ПГР, в ходе которой создана и реализована в КМК-системе аналитическая методика количественного анализа формиатов с относительной суммарной погрешностью результата анализа, соответствующей высокоточным характеристикам титриметрических методов (защищена патентом).

Разработана архитектура системы экологического мониторинга влияния ПГР на следующие компоненты окружающей среды: снежный покров, водные объекты и грунтовые воды; почвенный покров; зеленые насаждения; атмосферный воздух. Для рассматриваемых экологических компонент введена типовая структура ПГР, для каждого из которых в архитектуру системы введены 6 важнейших индикаторов качества (массовая доля растворимых солей, массовая доля нерастворимых в воде веществ, водородный показатель, удельная эффективная активность естественных радионуклидов, массовая доля примесей и коррозионная активность на металл), характеризующих степень воздействия конкретного ПГР на выбранный объект окружающей среды. По всем индикаторам качества предложены соответствующие методы анализа и аналитическое оборудование. По самой сложной структуре индикатора № 5 «Массовая доля примесей» выделены 3 подкатегории, объединенные по способу определения рассматриваемых примесей.

Примеси кадмия, ртути, молибдена, мышьяка, свинца и селена определяют методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой; примеси кобальта,

никеля, меди, хрома и цинка - методом атомно-эмиссионной спектрометрии, а примесь фтора - методом потенциометрии.

Для компьютерного менеджмента качества дорожных пропиток разработана архитектура информационной системы по двум целевым классам: восстанавливающие и защитные. Для каждого класса пропиток выделены две основные подкатегории: «битумные, нефтяные масла» и «битумные, полимерные». По каждой подкатегории сгруппированы пропитки соответствующих химических составов, каждый из которых характеризуется совокупностью показателей качества. Проведена группировка 32 показателей качества по предложенным нами 6 информационным кластерам: органолептические; физико-химические; физико-механические; технологические; экологические и эксплуатационные. По каждому показателю в архитектуру системы введены наиболее перспективный метод анализа и аналитическое оборудование. На основании проведенного многокритериального анализа эффективности дорожных пропиток разработан инновационный состав на основе модифицированного битума.

Практическая значимость.

Результаты системного анализа использованы при разработке на базе информационных СЛЬБ-технологий трех программных комплексов компьютерного менеджмента качества: аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов; экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды; аналитического мониторинга пропиточных составов для дорожных покрытий. САЬ8-системы внедрены в Аналитическом испытательном центре и Центре коллективного пользования научным оборудованием ФГУП «ИРЕА». Практическая значимость проведенных системных исследований подтверждена патентом № 2478203 от 27.03.2013 «Способ определения содержания формиатов щелочных металлов в противогололедных реагентах».

Программные модули САЬБ-систем аналитического мониторинга вошли в Государственный контракт Минобрнауки России ГК 16.552.11.7010 «Развитие центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных ис-

следований в области разработки новых методов контроля качества...».

Полученные по экологическому мониторингу результаты вошли в 2 договора Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы № 125-11 от 30.05.2011 и № 151-12 от 25.07.2012 «Выполнение работ по эксперт-но-методическому сопровождению работ по ведению мониторинга воздействия противогололедных реагентов на состояние природных сред».

По разработанным инновационному составу дорожной пропиточной композиции и технологии ее применения подана заявка на патент «Способ обработки дорожных асфальтобетонных покрытий» № 2012153391 от 11.12.2012 г.

Для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы были проведены комплексы системных теоретических и экспериментальных исследований по 14 договорам на НИР и 43 Государственным контрактам «Проведение испытаний противогололедных реагентов на соответствие техническим требованиям по условиям поставки». Самостоятельное практическое значение, подтвержденное соответствующими актами о внедрении, имеют следующие комплексы работ:

• для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы проведены системные аналитические исследования противогололедных реагентов и дорожных пропиток;

• для Российского союза химиков разработаны методические основы формирования ассортимента ПГР и дорожных пропиток, позволяющие загрузить основные производственные фонды предприятий химической промышленности;

• разработаны инновационные составы жидкого и твердого противогололедных реагентов для постановки на производство ООО «Новомосковский ХЛОР» (в составе ОАО «Минерально-химическая компания ЕвроХим»).

Глава 1. Разработка методологии системного анализа автодорожной инфраструктуры.

Автомобильные дороги ввиду своего преобладания среди других подотраслей транспорта РФ (рис. 1.1) играют особую роль в решении важных политических и экономических задач, стоящих перед страной в настоящее время, таких как:

• улучшение связанности субъектов РФ, преодоление территориальной разобщенности;

• оптимизация транспортоемкости валового внутреннего продукта;

• реализация транзитного потенциала, увеличение экспорта транспортных услуг [ 1 ].

□ железнодорожный Вводный □ воздушный ■ автомобильный

1200 5 663 _

1094 5500 ИИв Г

1100 5000 17500 17 466

1000 —И— 4500

<000 • ---^Н 16000 I-—---^Н—

I-1 : I :|__I

^__1..... I" 1382 ■ «я» I----------■

1000 I I *

soo 468 ^ —................loooo — - ———^ —у—г—-ИИ—

■ Щ Щ 993

1Ю00 1000 L----

II I I I I

86 101 Ш Я

:п I I I I I « I ¿ 3

ж/д водн. возд. а/м ж/д водн. возд. з/м ж/д водн. возд. а/м

Протяженность путей сообщения Перевозка грузов Перевозка пассажиров

(тыс. км.) (млн. т.) (млн. чел.)

Рис. 1.1. Сравнительная характеристика подотраслей транспорта РФ.

Было показано, что в сравнении с другими видами транспорта (воздушный, водный, железнодорожный) автомобильный транспорт во много раз превосходит их по всем важнейшим показателям (перевозка грузов, перевозка пассажиров, протяженность путей сообщения и др.) [2]. Однако качество автодорожной инфраструктуры в РФ в настоящее время довольно низкое в сравнении с другими странами мира [3].

Эффективность дорог оценивается по величине показателя «quality of roads» [4]. Показатель основан на результатах опроса руководителей компаний и экспертов. Опрос позволяет дать ответ по шкале от 1 до 7 (от худшего к лучшему): 1 -очень плохие дороги; 7 - разветвленные и эффективные по международным стандартам. Альтернативный способ выражения качества дорог заключается в использовании количественных данных Евростата или базы данных Всемирного банка.

Используются данные по длине сети автодорог различного назначения (местных, магистральных, международных), имеющих разное покрытие, в особенности асфальтное, а также по их плотности: общая длина по отношению к площади страны [5]. Результаты такого анализа дают более объективную картину состояния дорог. Рейтинг дорог пересматривается ежегодно, отслеживаются произошедшие изменения.

Для сравнительного анализа дорожного хозяйства и определения значимости наших научных и прикладных работ был проведен комплекс системных исследований.

1.1. Теоретическое обоснование влияния отдельных факторов на качество автодорожной инфраструктуры (качество АДИ).

Так как автомобильные дороги являются инженерным сооружением, то состояние дорог в период эксплуатации напрямую зависит от применяемой технологии содержания.

Говоря о мировом опыте разработок технологий содержания автодорог, необходимо отметить, что по указанным факторам основная часть территории РФ в полном объеме не совпадает ни с одной страной в мире (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Сравнительные данные о факторах, влияющих на технологию содержания автодорог, в РФ и ряде развитых стран мира.

Государство Природ