автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка информационно-управляющей системы экологического мониторинга предприятия химического профиля

?ГЗ ОД

На правах рукописи

Колыбанов Кирилл Юрьевич

Разработка информационно-управляющей системы экологического мониторинга предприятия химическою профиля.

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1997

Работа выполнена в Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Корнюшко В.Ф.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Бахвалов Л.А.

доктор технических наук Соболев А.И.

Ведущая организация - ВНИИ Химической Технологии.

Защита состоится « 2 0 » « мая » 1997 г. в 15 час. на заседании специализированного совета К063.41.02 в Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу Москва, проспект Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ (Москва, Малая Пироговская, 1)

Реферат разослан « ^ » « » 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук Бурляева Е.В.

Общая характеристика работы

(туальность работы

Индустриализация и урбанизация, особенно, технический прогресс, кзвитие ядерной энергетики и агрохимического комплекса, и, как следствие, ремительное загрязнение окружающей среды радионуклидами и [мическими токсичными веществами инициировали повышение актуальности значимости экологического мониторинга (ЭМ).

Системы радиационного и химического мониторинга интенсивно ¡звиваются для обеспечения экологической безопасности предприятий и рриторий. Однако существующие системы мониторинга, в основном, ¡еспечивают лишь наблюдение за параметрами экологической обстановки и ; регистрацию. Для существенного повышения экологической приемлемости >едприятия, снижения риска возникновения опасного химического или ииационного загрязнения промплощадки предприятия и прилегающих к ней рриторий большую роль играют подсистемы реагирования, которые на нове информации об экологической обстановке формируют управляющие |здействия и рекомендации для руководителей различного уровня. В шествующих региональных системах мониторинга, преимущественно 1звиваемых в настоящее время, акцент делается на ГИС-технологиях ИС - геоинформационные системы) для отображения экологических параметров, проблемам управления уделяют недостаточное внимание.

Данная работа посвящена актуальной проблеме управления в (томатизированной системе комплексного химического и радиационного зниторинга в масштабах предприятия.

¡ль работы

Целью работы является создание информационного и программного ¡еспечения системы принятия решений при химических и радиационных грязнениях предприятий химического профиля на примере Всероссийского ИИ Химической Технологии Минатома России (ВНИИХТ). В этом плане авятся и решаются следующие задачи:

• Анализ информационных потоков, поступающих от датчиков уровней грязнения, из базы данных об экологической обстановке, с автоматической анции мониторинга и от математических моделей, используемых в качестве 1тчиков динамического состояния полей загрязнения.

• Разработка подсистемы реагирования и принятия управляющи решений с помощью продукционной экспертной системы на основ информации, поступающей из различных источников.

• Разработка программного интерфейса взаимодействи: разработанных подсистем с модулями сбора и регистрации экологическо! информации.

Научная новизна

В диссертационной работе автором получены следующие новы результаты:

• Разработан методический подход к комплексной оценк экологической ситуации для предприятия химического профиля, позволяющи] с единых позиций подходить к определению уровней загрязнений как п< вредным химическим, так и по радиоактивным веществам.

• Разработан комплекс алгоритмов и программ, позволяющи] проводить анализ информационных потоков и интегрировать данные поступающие из различных источников.

• Разработаны алгоритмические и программные средства дл: автоматизированной системы принятия решений на основе продукционно модели представления знаний.

Практическая значимость

Практическое значение работы связано с потребностями предприяти химического профиля. Полученное техническое решение положено в основ системного проекта автоматизированной системы экологического мониторинг АСЭМ ВНИИХТ как типового решения для предприятий МинАтом Российской Федерации. Автоматизированная система экологическог мониторинга ВНИИ Химической Технологии введена в эксплуатацию с 1996 г. Публикации и апробация работы

Основные результаты работы были доложены на 4 научны конференциях (в т.ч. на международных конференциях «Экомегаполис-96» май 1996 г., «Е01Т-96» - июль 1996 г.) и экспонированы на 3 выставках. По тем диссертации опубликовано 12 работ.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списк литературы и приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и :новные задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе выполнен анализ существующих систем экологического сшиторинга. В связи с большой опасностью радиационного загрязнения и аиболее совершенным приборно-аналитическим обеспечением объектов 1ерной энергетики ЭМ начал широко внедряться на атомных электростанциях других объектах атомной промышленности. К настоящему времени адиационный экологический мониторинг реализован в виде зтоматизированных систем контроля радиационной обстановки (АСКРО), 5ъединяемых в единую государственную систему ЕГАСКРО.

Гораздо менее развиты системы экологического мониторинга при шическом загрязнении окружающей среды. В первую очередь, это )ъясняется исключительно широкой номенклатурой загрязняющих веществ, ля химического экологического мониторинга используются разнообразные етоды аналитического контроля, реализуемые в форме эколого-1алитических комплексов. Однако лишь единичные работы посвящены (зданию автоматизированных систем экологического мониторинга (АСЭМ), 5ъединяющих в себе технические и методические достижения АСКРО наряду аналитическими возможностями эколого-аналитических комплексов.

В то же время применяемые системы мониторинга являются 1ециализированными - химическими для предприятий химического профиля и адиационными - для объектов ядерной энергетики. При наличии на эедприятии источников загрязнения обоих типов возникает проблема шплексной оценки и интерпретации экологической информации, )ступающей из двух отдельных систем мониторинга. '

Большинство известных систем экологического мониторинга являются »гиональными системами. Их задачей является наблюдение за экологическим >стоянием региона в целом. Для отображения больших объемов экологической формации, привязанной к большим территориям, широко используются ИС-технологии. Однако в настоящее время нет работ по созданию систем ониторинга в масштабах предприятия. Для обеспечения экологической »опасности недостаточно региональной системы мониторинга, необходима )лее точная информация о локальных источниках загрязнения в масштабе редприятия.

Действующие системы мониторинга являются системами наблюдения Обзор опубликованных работ по проблемам ЭМ позволяет утверждать, чт практически отсутствуют разработки, посвященные вопросам формировани управляющих воздействий на основе оперативной экологической информа!^ Известны лишь предложения по использованию методов искусственног интеллекта для подготовки управляющих решений.

Таким образом, имеются основания считать актуальной и важно задачей - создание автоматизированных систем экологического мониторинг обеспечивающих в масштабе отдельного предприятия в рамках одной системь на единой методической основе для разных типов загрязнения, не тольк контроль за уровнем химического и радиационного загрязнения и регистрациь экологических параметров, но и одновременную подготовку управляющи решений на основе оперативной экологической информации.

Вторая глава посвящена анализу информационных потоков автоматизированной системе экологического мониторинга. Так ка расположение датчиков, их типы, каналы связи с центром обработк информации зависят от конкретных условий, то анализ информационны потоков рассмотрен для конкретного объекта - промплощадки ВНИИХ1 Полученные алгоритмические и программные решения имеют типово характер. Структура подсистем контроля и регистрации экологически параметров приведена на рис. 1.

|

I

Подсистемы АСЭМ

ТХ1 гг ¿а

автоматическая АСМА- станция мониторинга атмосферного воздуха

ТЕ

АСКРО

автоматическая система контроля радиационной обстановки

Центральный пост экологического мониторинга

ЗЕ

ПК РН - п°Дсистема контроля радионуклидов

Ж

_____ подсистема контроля

ПКВХВ- вредных

химических веществ

ТУП

Пр«6мт$»р и 1ц»1мпдгггнка на «снм< регламент« н мтднк

Рис. 1. Подсистемы контроля и регистрации экологических параметров.

Информация об экологической обстановке поступает в систему ниторинга от трех источников разного типа. Во-первых - результаты посредственных измерений от датчиков уровней загрязнения и теопараметров. В системе использована автоматическая станция алогического мониторинга атмосферы (АСМА) по основным химическим грязнителям и радиационному фону. Данные о ПДК контролируемых мических загрязнителей приведены в таблице.

О П Измеряемый параметр Единица измерения ПДК максим.разовая ПДК среднее уточн.

Окись углерода СО мг/м3 5 3

Двуокись серы БОг мг/м3 0.5 0.05

Аммиак ЫНз мг/м3 0.2 0.04

Сероводород НгБ мг/м3 0.008 .

Двуокись азота N02 мг/м3 0.085 0.04

Сумма углеводородов ЕСХНУ мг/м3 ' 0.02 0.005

Фтористый водород НР мг/м3 0.01 0.001

АСМА расположена на удаленном посту ЭМ в центре промплощадки едприятия. Кроме этого, отдельные датчики могут быть расположены посредственно вблизи источников загрязнения. Так, на территории омплощадки ВНИИХТ датчики мощности экспоненциальной дозы дсистемы АСКРО расположены возле потенциальных источников диационного загрязнения: в хранилище спецпродукции, на территории дного склада, в непосредственной близости от учебного реактора МИФИ.

Опрос датчиков по химическим загрязнителям и контроль диационного фона проводится 1 раз в минуту. Информация с удаленных тчиков передается на компьютерный комплекс центрального поста ЭМ по зличным каналам модемной связи - по радиоканалу от АСЭМ и по местной нефонной сети от АСКРО.

Второй источник информации - система контроля содержания зличных вредных химических веществ (ВХВ) в сточных и ливневых водах едприятия, в почве и воздухе на промплощадке с использованием трологически аттестованных методик пробоотбора с последующим

измерением содержания ВХВ в пробах с помощью высокочувствительны автоматических приборов.

Общее число контролируемых загрязнителей разной степени токсичност составляет более 80, в т.ч. такие токсичные вещества, как соединения Be, L As, Mg, Pb, Cr, Cd, U, а также токсичные газы - оксиды азота, фтористый мышьяковистый водород, ацетон, бензол, толуол. В сточных водах предприяти с использованием ионной хроматографии и потенциометрических методо определяется содержание анионов SO4, NO3", F", СГ и цианидов.

Для выполнения аналитических измерений в пробах используютс: новейшие методы контроля, в т.ч. плазменная спектрометрия на баз ICP MS SOLA, атомно-абсорбционная спектрометрия на базе АА-680 графитовой печыо, жидкостная и газовая хроматография на баз хроматографов ЦВЕТ-3006 и ЛХМ. Скорость распространения загрязнителей воде и почве значительно ниже, чем в атмосфере, и также значительно врем проведения анализов. Поэтому периодичность поступления и объем! информации существенно меньше. Информация передается из лабораторий н центральный пост ЭМ на дискетах.

Третий источник - база данных об экологической обстановке ВНИИХ' (БДЭО). БДЭО реализована на основе типовой системы управления базам данных (СУБД) FoxBase. В ней хранится информация о текущих уровня загрязнений и история всех измерений. Поступающая в БДЭО оперативна информация подвергается первичной обработке с использованием алгоритмо усреднения по итеративной формуле экспоненциального сглаживания. Данны ежеминутного опроса датчиков усредняются за период 20 минут, чт обеспечивает фильтрацию погрешностей и доверительный интервал не боле стандартного отклонения измеряемой величины с вероятностью 95%, дл последующего занесения в БДЭО. Параллельно ведется контроль уровне загрязнения, и при превышении пороговых значений загрязнения либ повышении производной уровня загрязнения автоматически включаете аварийный сеанс связи центрального и удаленного постов ЭМ.

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки подсистемы приняти решений в системе экологического мониторинга. Подсистема используе информацию, поступающую из подсистем контроля и регистраци экологических параметров на основе анализа информационных потоков.

Назначение экспертной системы принятия решений:

• Анализ и оценка экологической ситуации.

• Определение источников выбросов.

• Прогнозирование экологической ситуации.

• Выработка управляющих решений.

Традиционные автоматизированные системы управления не могут быть яты за основу создания системы принятия решений. В традиционных тематических системах управления (АСУ) применяются алгоритмические 'дели, связывающие управляющее воздействие с входными данными (или их менением). В отличие от них, экспертные системы (ЭС) позволяют пользовать методы формальных рассуждений, близкие к естественному ходу ссуждений человека-эксперта. Для решения задач экологического шиторинга они значительно более эффективны, чем АСУ, особенно с точки ения сроков и стоимости разработки и модификации при изменении ебований к системе и внешних условий. Изменения в оценке экологической туации и добавление новых параметров потребуют полной переработки зтематических моделей АСУ, в то время как в ЭС достаточно лишь орректировать правил поиска или добавить новые.

В работе выбрана продукционная модель представления знаний, так 1К фреймовые и объектно-ориентированные системы являются значительно >лее сложными в разработке и модификации. Их применение оправдано для ■шения задач большой размерности, в частности, для создания региональных 1стем экологического мониторинга, и при использовании ГИС-технологий. аза правил содержит правила составления заключений в форме "ЕСЛИ-ТО", абочая память содержит все исходные данные и установленные эомежуточные факты, механизм вывода определяет последовательность мбора правил из базы правил и стратегию поиска заключения.

База правил экспертной системы заполнена на основании мнений <спертов по экологической ситуации из отдела охраны окружающей среды и 1министрации ВНИИХТ, а также департамента по безопасности и эезвычайным ситуациям Минатома РФ.

Для сокращения времени принятия решений в ЭС выделены отдельны блоки (рис. 2). Анализ и оценка текущей экологической ситуации производите отдельно по каждому из загрязнителей. Особенностью данной работы являете использование в качестве показателей не абсолютных, а относительны уровней загрязнения 1^=С,/ПДК1 (в долях ПДК), где С, - концентрация ¡-г загрязнителя (¡=1, 2, 3 ...), что сделало возможным построить узлы экспертно системы одинаковым образом независимо от природы загрязнителей, ка химических, так и радиоактивных.

Заключение об опасности экологической ситуации может быть сделаь на основании превышения заданного порогового значения уровня загрязнена Li>Kin. гДе Kin - относительный уровень загрязнения по i-му загрязнитель п - степень опасности экологической ситуации (п=1 - неопасна: п=2 - повышенная, п=3 - опасная), на основании быстрого роста уровн загрязнения dCi/dt>Rjn, где Rjn - уровни скорости роста концентрации i-i загрязнителя, либо при повышении уровня загрязнения по нескольки загрязнителям, каждый из которых не превышает пороговых значений (эффе! суммирования) Lai«L|>Sn, где а-, - весовые коэффициенты.

При оценке экологической ситуации недостаточно одних толы показаний приборов. Нужна оценка метеопараметров для распознания особь погодных условий, влияющих на уровень загрязнения. Например, в услови! большой влажности, пониженной температуры и повышенной облачное] ("смог"), необходимо снизить порог опасности Kin. а ПРИ условии сильно:

гра он может быть повышен. Оценка поправок может быть сделана только основании мнения эксперта.

Следующая задача экспертной системы - выделение источника ■рязнения из списка возможных источников при регистрации повышенного овня загрязнения. Обычно в масштабе предприятия известен полный речень и расположение источников загрязнения (складские помещения, оизводственные цеха, транспортные службы и т.д.). Однако, однотипные -рязнения могут быть получены от разных по природе источников, [пример, загрязнение по СО от автомашин на шоссе и от производственных бросов. Для более точного определения источника загрязнения могут быть юльзованы датчики уровня загрязнения, расположенные в непосредственной изости от источника.

На основе анализа метеопараметров и текущих уровней загрязнения оизводится общая оценка экологической ситуации и прогноз ее развития, обенностью системы мониторинга является использование в рамках одукционной экспертной системы математических моделей распространения -рязнений в атмосфере. При разработке системы были использованы повые модели, получившие наибольшее распространение (рис. 3).

Модели распространения загрязнений

При мгновенном точечном выбросе:

п, » F(X) , ("-"tf У* w f <z+h)'«

G„(W,t)= —j,----ехр(- --- —j) (ехр{- -г )+ехр(- ))

(2л) а.ога, 2ст, 2сту 2а, 2а,

При кратковременном точечном выбросе:

F(x) у* <z-h)2 (z+h)!

{2n)(j,atU 2стг 2a, 2 a,

Обозначения:

х.уд • координаты, u • скорость ветра, h - высота на расстоянии х; t - время, прошедшее после выброса. F(x) - функция истощения облака; ст„ст - среднеквадратичные отклонения в облаке выброса

При мгновенном точечном выбросе

для однородной атмосферы ( К,(х,у,z)- const):

1 1 (x-ut)1 / z1

G0(x,y,z,t)=-exp{-—{--+—+— ))

(4nt)"«kykI )"* 4t k, k, k.

Обозначения:

x.y,z - координаты; t - время, прошедшее после выброса: u - скорость ветра: к,,*,,«, - коэффициенты активности вдоль осей

Рис.3. Математические модели распространения загрязнений в атмосфере.

Разработанная экспертная система может быть дополнена другими тематическими моделями распространения загрязнений. При этом грешность прогноза будет уменьшаться при достаточном количестве точек посредственных измерений. Применение моделей дает возможность

реализовать концепцию датчика динамического состояния полей загрязнения дополнение к датчикам непосредственных измерений.

Заключительным этапом работы экспертной системы являете генерирование перечня управляющих решений для руководителей различно: уровня (дежурный по объекту, главный инженер, директор предприяти начальник штаба ГО, дежурный по Минатому, начальник службы ЧС Южно1 округа). Необходимо отметить, что система является автоматизированной, решения носят характер рекомендаций, при этом ответственность ; выполнение решений лежит на лице, принимающем решения.

В четвертой главе описана техническая реализация разработаннс системы. Рассмотрены программные оболочки экспертных систе] Стандартные оболочки, как правило, ориентированы на решение стро] определенного класса задач, в которых наиболее четко видны i преимущества. Например, поиск решения в режиме диалога с пользователе! использование готового механизма поиска, что требует от пользователя лиц наполнения оболочки правилами. Наоборот, при создании автоматизирование системы в первую очередь требуется свести участие человека в поис: решения к минимуму, и использовать при этом не один заранее заданнь механизм, а наиболее эффективную для конкретных условий стратегию поиск Отмеченные недостатки программных оболочек делают невозможным i применение в автоматизированной подсистеме реагирования.

При разработке системы сделан выбор в пользу универсального язьн программирования высокого уровня СИ - мирового промышленного стандарт В отличие от специализированных языков программирования (Лисп, Пролс Форт), применяемых для символьной обработки данных, он позволяет получи' легкий доступ ко внешним (по отношению с экспертной системе) данны требующим интенсивной численной обработки, организовать автоматическ вычисления, и использовать в экспертной системе алгоритмические моде, наряду с продукционными правилами. Кроме того, техническим заданием i АСЭМ ВНИИХТ было определено использование СИ как язьн программирования.

В качестве среды разработки была использована интегрированн среда программирования и оптимизирующий компилятор Microsoft С/С+ Это наиболее совершенные средства разработки, позволяющие создава программы для операционной системы MS-DOS. Выбор операционной систек

эдиктован относительно невысокими требованиями к аппаратному ?спечению вычислительного комплекса. Связь с автоматизированной шцией мониторинга атмосферы на удаленном посту экологического ниторинга осуществляется при помощи радиомодема по частотному каналу (35 MHz). Радиомодемы установлены на IBM PC - совместимых ипьютерах (процессор ¡386, оперативная память 4Mb). Ведется протокол 1зи и автоматический повтор передачи при восстановлении после нарушения 1зи. Компьютеры центрального поста экологического мониторинга ьединены в одноранговую локальную сеть Artisoft Lantastic 5.0, не ебующую отдельного компьютера в качестве выделенного сервера.

В перспективе предусматривается дальнейшее развитие ЛСЭМ: бавление новых автоматических станций мониторинга атмосферы (АСМА) на эритории МИФИ (Московский инженерно-физический институт) и МЗП псковский завод полиметаллов), увеличение числа измерительных датчиков эазвитие возможностей прогноза экологической обстановки.

Оценка эффективности применения автоматизированной системы ологического мониторинга выполнена Академией промышленной экологии на нове теории опасных систем. Внедрение АСЭМ улучшает показатель средней щищенности человека в жилой зоне от промплощадки ВНИИХТ (при личии соответствующих средств оповещения населения о возникновении розы аварийного разрушающего воздействия). До и после внедрения АСЭМ личина показателя составила Зо=4*10'4 дф и Здсэм=5*10"3 дф ответственно. Таким образом, АСЭМ более чем на порядок повышает щищенность населения от потенциальной экологической опасности ВНИИХТ.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

• Выполнен анализ информационных потоков в системе экологического эниторинга предприятия. Использованы различные источники данных по ту данных, скорости обновления и природе источника.

• Разработан единый методический подход к комплексной оценке алогической ситуации как по вредным химическим, так и по радиоактивным ¡грязнителям.

• Разработана автоматизированная подсистема управления на основе сспертной системы принятия решений по оперативной экологической иформаци и.

• Применены алгоритмические модели распространения загрязнений датчики динамического состояния полей загрязнений в экспертной системе д. решения задач анализа и прогноза экологической ситуации.

• Разработано алгоритмическое и программное обеспечен подсистемы принятия решений на основе продукционной моде, представления знаний.

• Разработанная система управления интегрирована с действующиг подсистемами наблюдения и регистрации экологических параметров в АСЭ ВНИИХТ.

Публикации по теме диссертации

1. Автоматическая станция экологического мониторинга атмосфернс воздуха. Материалы IV Международного конгресса "Информационш проблемы экологического мониторинга". Бургас, 1995. Соавт.: Корнюшко B.t Ярыгин Г.А.

2. Принципы построения управляющей подсистемы АСЭМ. Материа. IV Международного конгресса "Информационные проблемы экологическс мониторинга". Бургас, 1995. Соавт.: Кузин P.E., Куликов Е.В.

3. Автоматизированная система радиационного и химическс мониторинга двойного назначения. Материалы Всероссийского совещан комитета по обороне Госдумы РФ "Автоматизированные системы управлен двойного назначения". Ногинск, 1996. Соавт.: Тимофеев B.C., Шаталов В.В.

4. Автоматизированная система экологического мониторин Материалы и экспонаты выставки Министерства обороны и Минатома I "Системы экологической безопасности двойного назначения". Москва, 19' Соавт.: Корнюшко В.Ф., Кузин P.E.

5. Применение методов искусственного интеллекта автоматизированной системе экологического мониторинга предприят химического профиля. Труды международной конференции "Математичеср методы в химии". Тула, 1996. Соавт.: Корнюшко В.Ф.

6. Автоматизированная система радиационного и химичесю мониторинга ВНИИХТ. Материалы международного конгресса "Экологичеа проблемы больших городов: инженерные решения". Москва, 1996. Coai Тимофеев B.C., Шаталов В.В., Ярыгин Г.А.

7. Автоматизированная система экологического мониторинга, териалы и экспонаты выставки "Экомегаполис-96". Москва, 1996. Соавт.: рнюшко В.Ф., Комаров A.B., Кузин P.E.

8. Автоматизированная система экологического мониторинга, териалы и экспонаты выставки ЮНЕСКО "EDIT-96". Москва, 1996. Соавт.: рнюшко В.Ф.

9. Автоматическая станция мониторинга атмосферного воздуха. АСМА. лическое описание и инструкция по эксплуатации. Рабочий проект оматизированной системы экологического мониторинга ВНИИХТ. Фонды ИИХТ, инв. № 012/96. Соавт.: Комаров A.B., Равикович В.И.

10. Автоматизированная система экологического мониторинга ВНИИ шческой технологии Минатома России. АСЭМ ВНИИХТ. Паспорт. Фонды ИИХТ, инв. № 003/96. Соавт.: Кузин P.E., Шаталов В.В.

11. Комплекс программ подсистемы реагирования АСЭМ ВНИИХТ. |ерирование документов. ПД, Отраслевой фонд алгоритмов и программ, I. № 1429/95-ОФАП, ЦНИИАИ, М„ 1996.

12. Комплекс программ подсистемы реагирования АСЭМ ВНИИХТ. тк оценки экологической ситуации. ПД, Отраслевой фонд алгоритмов и >грамм, инв. № 1431/95-ОФАП, ЦНИИАИ, М„ 1996.