автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу для автоматизированного проектирования промышленных объектов

Т1

I ■

й а

оа

На правах рукописи

Белоцерковский Владимир Юрьевич

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ АНАЛИЗА ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ - 1997

Работа выполнена на кафедре «Системы автоматизированного проектирования и информационные системы» Воронежского государственного технического университета

Научный руководитель: канд. техн. наук, доц. Юрасов В.Г.

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, проф. Муратов А.В.

канд. техн. наук Баранников В.И.

Ведущая организация: ОАО «Воронежсинтезкаучукпроект»

г. Воронеж

Защита диссертации состоится 24 декабря 1997 г. в конференц-зале в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 063.81.02 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394087, г. Воронеж, Московский проспект 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан 24 ноября 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Львович Я.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оценка уровня воздействия на окружающую среду промышленных предприятий и разработка природоохранных мероприятий в последнее время приобретают все большее значение. При этом повышается сложность производств, возрастает степень нестационарности во времени режимов работы технологического оборудования и увеличивается вероятность загрязнения окружающей среды выбросами загрязняющих атмосферу веществ. По этому при разработке промышленных объектов необходимо большое внимание уделять системам, способным определять и прогнозировать уровень загрязнения приземного слоя атмосферы, т.к. именно загрязненность воздуха - наиболее частая причина плохой экологической обстановки в промышленных зонах и прилегающих к ним селитебных территориях. Решить эту проблему можно, используя систему автоматизированного проектирования промышленных объектов, имеющую в своем составе подсистему анализа вредных выбросов в атмосферу.

Существующие подсистемы анализа вредных выбросов не учитывают многих важных факторов, таких как нестационарность выбросов во времени, неполнота исходных данных и т.п. В этой связи актуальной является разработка средств, которые позволяли бы учитывать временные и вероятностные характеристики технологических процессов и связанных с ними источников загрязнения атмосферы. Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в необходимости разработки методов и алгоритмов оценки вредных выбросов в атмосферу промышленными объектами и создании на этой основе подсистемы, позволяющей учитывать вероятностные и временные характеристики их режимов работы.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание средств автоматизированного анализа вредных выбросов в атмосферу и разработка на их основе подсистемы, учитывающей нестационарный характер работы промышленных объектов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

анализ существующих подсистем расчета рассеивания вредных выбросов в атмосфере;

разработка языка описания временных характеристик процесса функционирования промышленного объекта, позволяющего учесть нестационарность работы источников выброса вредных веществ в атмосферу;

формирование оптимизационной модели и разработка алгоритма для поиска худшего, с точки зрения загрязнения атмосферы, временного интервала;

разработка алгоритма построения изолиний по регулярной сетке, для визуализации результатов расчета рассеивания вредных веществ в атмосфере;

разработка структуры подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу промышленными объектами;

создание информационного и программного обеспечения подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу промышленными объектами и ее апробация.

Методы исследования основаны на использовании теории вероятностей, вычислительной математики, комбинаторного анализа, теории информации, информационных технологий. При разработке программных средств (ПС) использовались методы модульного программирования и технологии визуального объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы заключается в следующем:

разработан язык описания временных характеристик процесса функционирования промышленного объекта, позволяющий учесть нестационарность работы источников выброса вредных веществ в атмосферу;

предложен алгоритм поиска худшего, с точки зрения загрязнения атмосферы, временного интервала на основе методов распространения ограничений и перебора, отличающийся комплексным подходом к учету нестационарных источников выброса ЗВ при формировании обобщенного критерия оптимальности и выборе ограничений;

разработан алгоритм триангуляции расчетной области, отличающийся возможностью учета информации о скоростях и направлениях ветров для более достоверного определения направления триангуляции;

на основе метода параметрической интерполяции разработан алгоритм сглаживания изолиний, отличающийся методом управления формой кривой и процедурами обработки исключительных ситуаций, возникающих при взаимном пересечении интерполированных изолиний.

разработана структура программного комплекса (ПК) подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу при проектировании промышленных объектов, отличающаяся возможностью интеграции в САПР промышленных объектов и позволяющая использовать «внешние» ПС, если в процессе проектирования возникает необходимость обработки сложной пространственно распределенной информации.

Практическая ценность заключается в следующем: использование предложенных методов и алгоритмов для представления и обработки временных и вероятностных характеристик процесса функционирования промышленного объекта, а также для обработки топологических характеристик объекта проектирования на этапах подготовки исходных данных и визуализации результатов анализа вредных выбросов позволяет повысить качество выполнения проектных работ;

создан ПК, ориентированный на разработку проектной документации при проектировании промышленных объектов;

разработанные средства анализа вредных выбросов могут быть использованы не только для проектирования, но и в научных исследованиях и в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Подсистема анализа вредных выбросов в атмосферу для автоматизированного проектирования промышленных объектов используется в Комитете по охране окружающей среды г. Воронежа, проектных организациях - ПКТБ «Промтеплица» и отдел «Экосервис» ВРФСЭП с годовым экономическим эффектом 34,67 млн. рублей в ценах 1997 г. Результаты работы включены в методические рекомендации и указания по выполнению курсового проектирования по курсам «Экологический мониторинг» и «Оценка воздействия на окружающую среду и экологическая экспертиза» специальности 320700 «Охрана окружающей среды, рациональное использование природных ресурсов» на кафедре «Промэкологии» Воронежской государственной технологической академии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийском совещании-семинаре «Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине» (Воронеж, 1995, 1996, 1997 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 109 е., списка литературы (102 наименования) на 10 е., четырех приложений на 32 е., содержит 22 рисунка, 6 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении показана актуальность работы, дана ее краткая характеристика, сформулирована цель и основные задачи исследования, представлены основные научные результаты, приведено краткое содержание работы по главам.

В первой главе проведен анализ особенностей учета экологических характеристик, на основании которого сделан вывод о необходимости учета нестационарности во времени источников выброса в атмосферу при проведении работ по проектированию промышленных объектов.

Отмечено, что существующие подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу не удовлетворяют современным требованиям, т.к. в них не предусмотрены встроенные средства визуального редактирования данных по топооснове предприятия и информационного обмена с геоинформационными системами (ГИС), которые обладают развитыми средствами обработки пространственно распределенной информацией. Наиболее существенным недостатком существующих подсистем анализа вредных выбросов для автоматизированного проектирования промышленных объектов является их ориентация на стационарные во времени выбросы ЗВ, что не учитывает многостадийный, цикличный (а порой и неритмичный) характер большинства современных технологических производств.

Сделаны выводы о необходимости разработки ПК, позволяющего учесть вероятностный характер функционирования технологического оборудования промышленного объекта и использующего современное периферийное оборудование ЭВМ для качественной обработки исходной информации и формирования выходных отчетов.

Проведен аналитический обзор современного состояния технологий в сфере обработки пространственно распределенной информации, на основании которого обоснована необходимость применения технологий ГИС для решения практических задач по проектированию промышленных объектов.

На основании проведенного анализа определены цель и задачи исследования.

Во второй главе формализовано описание сложных технологических процессов, с учетом их временных характеристик и взаимодействий, для чего разработан язык описания данных (ЯОД).

С позиций теории информации и в соответствии с нормативной документацией, устанавливающей 20-30 минутный интервал осреднения выброса для отдельного ИЗА, проведен и обоснован выбор минимальной продолжительности временного интервала (10 минут), позволяющий осуществить разбиение рассматриваемого временного периода на фиксированные интервалы.

Язык описания временных интервалов разработан с ориентацией на легкость понимания и использования и поэтому максимально приближен к естественному языку, однако позволяет задать временные интервалы, характеризующие сложные техпроцессы в масштабе предприятия.

В качестве ключевых слов ЯОД - основы для определения временного интервала, предложены принятые в естественном языке понятия, обозначающие временные отрезки:

• год (все временные интервалы);

• день недели (понедельник, вторник, среда и т.д.);

• дата (01.1,02.1,.... 31.1, 01.2,.... 31.12), где до точки - день, после

точки - месяц;

• время (0.00,0.01,.... 0.59, 1.00 .... 24.00), где до точки-часы, после

точки - минуты.

Временной интервал, заданный на предложенном ЯОД, представляется в виде набора из ключевых слов, введенных пользователем дополнительных элементов (на основе ключевых слов) и операций объединения (+), пересечения (*) и дополнения (-). Описание временного интервала на предложенном ЯОД легко интерпретируется в удобную для вычисления на ЭВМ форму (массив множеств). Определение одного и того же временного интервала можно сделать различными способами. Таким образом, временной интервал можно представить в виде выражения, например:

Весна = Дата (01.3.. 31.5);

Лето = Дата (01.6.. 31.8);

Осень =Дата (01.9.. 30.11);

Зима ~ Год - Весна - Лето - Осень;

Рабочийдень = День недели (Понедельник.. Пятница) * Время(9.00.. 18.00);

I смена — Рабочий день * Врелтл(0.00 .. 4.00); {время задано относительно начала

рабочего дня}

Перерыв = Рабочий день * Время(13.00.. 14.00); {задано суточное время}

II смена - Рабочий день * Время#Л(5.00,4.00); { начало в 5 часов относительно

начала рабочего дня и продолжительностью 4 часа}

Проведена постановка задачи поиска наихудшего временного интервала, ее классификация и анализ существующих подходов к решению подобных задач.

Представим каждый источник выброса как элемент а;. Каждому а-, поставим в соответствие его вклад в загрязнение атмосферы Q, выраженный в долях ПДК, и его вероятность работы на заданном временном интервале - Р,. Обозначим за S={ at, а2,..., a„j исходное множество состоящее из и элементов (все ИЗА), за R - множество решения - R £ S. Для решения задачи учета нестационарности во времени выбросов ИЗА необходимо найти оптимальное отображение исходного множества S в множество решения Я с максимальным суммарным значением вклада в долях ПДК и ограничением на вероятность совместной работы источников — Р. Тогда общая оптимизационная модель поиска наиболее неблагоприятного и с заданной вероятностью возможного сочетания ИЗА формулируется как

¿С,-ЛГ,.=> шах- О

= Г1, если л,- е R, (2)

' [О, - в противном случае,

П р,*р> (3)

t-i,X,tO

¿*(>0- (4)

/=1

С точки зрения анализа полученной информации о максимальной концентрации С и последующей обработки его с целью выявления ИЗА, внесших наибольший вклад С,-, и разработки по опасным источникам природоохранных мероприятий желательно, чтобы общее количество таких источников было минимальным:

¿ЛГ, => min • (5)

Поставленная задача (1-4) при логарифмировании ограничения (3) может быть отнесена к классу задач об оптимальной загрузке емкости (ранец, поезд, корабль, самолет) при наименьшей стоимости. Однако требо-

вание (5) не позволяет напрямую использовать для решения данной задачи метод ветвей и границ.

Проведено сравнительное исследование возможных подходов к решению поставленной задачи, а так же сформулированы основные критерии выбора ИЗА для учета. Предложено применить методы распространения ограничений и перебора для решения поставленной задачи.

Значительно ускорить нахождение решения поставленной задачи может выявление условия предпочтения одного элемента я,- другому. Поэтому в работе разработаны и обоснованы такие условия.

Необходимыми условиями для того, чтобы элемент а.еМ (M=S\R) претендовал на замену aj е R, являются следующие неравенства:

Р:>ЛР, (6)

АС

Р,С' >АР, (7)

где АР=—-—, (8)

П

W,

/=1,Л>0 <*j

AC=Cj. (9)

Элементы я,еЛ/, не удовлетворяющие условиям (6,7), исключаются из рассмотрения, тем самым понижая размерность задачи и ускоряя поиск.

С целью качественной обработки графической информации разработан метод триангуляции расчетной области, учитывающий дополнительную информацию о направлениях и скоростях ветра, а также модифицируется метод параметрической интерполяции кривой на основе разработки подхода к управлению ее формой.

Расчетная область может быть представлена в виде прямоугольников. При разбиении на треугольники будем считать, что влияние «внешних» расчетных узлов, т.е. не принадлежащих четырем точкам рассматриваемого прямоугольника, незначительно.

Выразим направление и скорость ветра как вектор, при этом модуль вектора примем за скорость, а направления приведем к интервалу от 0 до 180°. Сложение четырех векторов даст результирующее направление. Триангуляции прямоугольника производится в противоположном направлении (рис.1).

и

и,. У!

в

©

и л ю

О

/хх иол/?. "7-3"

ИЗА

У].

И

Рис. I. Схема триангуляции прямоугольника и построение изолинии

В третьей главе отражен процесс алгоритмизации предложенных во второй главе методов. С этой целью проводится разработка алгоритмов обработки основных расчетных и топологических характеристик проектируемых объектов.

Предложен алгоритм решения поставленной во второй главе задачи учета нестационарных ИЗА (рис.2).

Предложенный алгоритм является многошаговым процессом решения, при котором на каждом этапе достигается улучшение целевой функции, и при невозможности такого улучшения ни на втором, ни на третьем этапах работы алгоритма задача считается решенной.

Рис.2. Схема алгоритма поиска наихудшего сочетания источников для заданного временного интервала

Разработаны алгоритмические подходы для обработки топологических характеристик объекта проектирования и построения изолиний по результатам расчета рассеивания (рис. 3).

Рис. 3. Схема алгоритма построения изолиний

Дальнейший анализ результатов расчета рассеивания производится наложением изолиний на топооснову района размещения промышленного предприятия, а именно, на промзоны, охранные зоны, санитарно-

защитные и т.д. Для автоматизации такого вида визуального анализа разработаны алгоритмические подходы, позволяющие рассчитывать области пересечения вышеуказанных зон, накладывать на них результаты расчета и автоматически выявлять наиболее опасные районы.

На основе разработанного математического обеспечения, методов и алгоритмов, разработана структура ПК, являющаяся базой для создания ИО и ПО подсистемы анализа вредных выбросов (рис.4) и состоящая из следующих модулей:

1. Управляющая программа (монитор) - обеспечивает взаимодействие между отдельными частями ПК, инициализирует переменные и распределяет оперативные ресурсы при запуске ПК, обеспечивает корректное завершение работы ПК.

2. База данных (БД) - имеющая файловую структуру (для табличных данных форматы PARADOX и DBASE, для графической информации -формат ACAD-DXF) и осуществляющая ввод, хранение, поиск и предоставление данных.

3. Модуль диалогового взаимодействия — осуществляет прием управляющих команд оператора, ввод информации (в том числе графической) оператором и проверку корректности такого ввода, а также интерпретирует описание оператором процесса функционирования технологического оборудования, для чего разрабатываются соответствующие блоки ПС.

4. Модуль информационного обмена - обеспечивает согласование, преобразование информации к форматам «внешних» ПК, а также конвертацию исходных данных по расчету рассеивания в формат УПРЗА и обратную конвертацию результатов расчета.

5. Модуль обработки расчетных характеристик - обрабатывает результаты расчетов по УПРЗА. Производит поиск наиболее неблагоприятного временного интервала, решая поставленную во второй главе оптимизационную задачу по разработанному алгоритму.

6. Модуль генерации отчетов обеспечивает формирование выходной информации в виде отчетов (тексты, таблицы, чертежи и т.д.), а также обработку топологических характеристик обеспечивая построение изолиний и визуализацию графической информации, производя декомпозицию сложных графических примитивов на точки, отрезки, треугольники и выполнение графических операций (усечение по прямоугольной области, геометрические преобразования, редактирование и т.п.).

ы

- связь по управлению ^—У - связь по данным

Рис. 4. Структурная схема ПК

В четвертой главе разрабатываются ИО и ПО подсистемы анализа вредных выбросов. ПО представляет собой совокупность программных модулей, взаимодействие которых осуществляется под управлением программы-монитора.

Одним из основных критериев для выбора операционной системы (ОС), под управлением которой будет функционировать ПК, принят уровень доступности для пользователей - проектировщиков. В качестве такой системы предложены ОС Windows 95, Windows NT, что позволяет в полной мере и без дополнительных затрат на программирование использовать современное периферийное оборудование для формирования качественных выходных отчетов.

Разработка ПО основана на технологии визуального объектно-ориентированного программирования и позволяет использовать отдельные его части для решения конкретных задач, а также легко добавлять новые проектные процедуры в уже функционирующий ПК.

Комплекс программ создан на основе модульно-иерархической структуры, состоящей из программных и информационных модулей. Информационные модули обеспечивают импорт данных из других сред разработки, ввод, хранение, поиск данных, ответы на запросы к данным и экспорт данных. Программные модули реализуют процедуры обработки, анализа данных и результатов расчета уровня загрязнения атмосферы, обусловленного выбросами предприятия, а также производят формирование отчетных форм и управление процессом распечатки отчетов на принтере. Объект проектирования (производственное предприятие) рассматривается в различных временных интервалах (зима-лето, существующее положение-перспектива). Для разработки графической базы данных ПО, взаимодействует с ACADom через формат DXF, для проведения расчетов рассеивания вредных веществ в приземном слое атмосферы использована УПРЗА "Эколог", согласованная с Главной геофизической обсерваторией имени А.И. Воейкова Госкомгидромета.

Оценка эффективности применения данной подсистемы для проектирования промышленных объектов проведена на примере обоснования нормативов предельно допустимых выбросов для Воронежского механического завода (ВМЗ) и выборе и обосновании варианта техперевооруже-ния и реконструкции Воронежской ТЭЦ-2 из двух альтернативных.

Сравнительный анализ результатов расчета рассеивания проведенного для ВМЗ в двух вариантах (с учетом нестационарности ИЗА и без такого учета) показан на рис.5. Обоснование результатов расчета рассеивания с учетом нестационарности ИЗА при проектировании ВМЗ позволяет перераспределить материальные ресурсы, затрачиваемые предприятием на охрану атмосферного воздуха, и сконцентрировать их на осуществление природоохранных мероприятий по снижению уровня вклада в загрязнение атмосферы наиболее значимых ИЗА.

6 5 4 3 2 1 О

С учетом нестациоиярности

Без учета нестационарности

□ Азота диоксид ИУглерода оксид

□ Пыль неорганическая: >70% 8Ю2 ЕЗПыль абразивная ОГруппа суммации: 301+330+337 + 1071 ОВзвешенные вещества

Рис. 5. Сравнительный анализ результатов расчета рассеивания для ВМЗ

Основные результаты работы

1. На основании проведенного анализа существующих подсистем оценки вредных выбросов в атмосферу определены основные пути повышения эффективности учета экологических характеристик.

2. Разработан язык описания временных характеристик процесса функционирования промышленного объекта, позволяющий учесть нестационарность работы ИЗА.

3. Для проведения расчета рассеивания вредных веществ в атмосфере в условиях неритмичности, многостадийности и неопределенности работы производств предложен алгоритм поиска худшего, с точки зрения загрязнения атмосферы, временного интервала на основе методов распространения ограничений и перебора, отличающийся комплексным подходом к учету нестационарных источников выброса ЗВ при формировании обобщенного критерия оптимальности и выборе ограничений.

4. С целью повышения качества визуализации результатов проектирования разработан алгоритм триангуляции расчетной области, отличающийся возможностью учета информации о скоростях и направлениях ветра для более достоверного определения направления триангуляции.

5. На основе метода параметрической интерполяции разработан алгоритм сглаживания изолиний, отличающийся методом управления формой кривой и процедурами обработки исключительных ситуаций, возникающих при взаимном пересечении интерполированных изолиний.

6. На основе рассмотренного математического обеспечения, предложенных методов и алгоритмов, разработана структура ПК подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу при проектировании промышленных объектов, отличающаяся возможностью использования «внешних» ПС, если в процессе проектирования возникает необходимость обработки сложной пространственно распределенной информации.

7. Разработано ПО подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу для автоматизированного проектирования промышленных объектов. ПС прошли экспериментальную проверку и были внедрены в Комитете по охране окружающей среды г. Воронежа, проектных организациях - ПКТБ «Промтеплица» и отдел «Экосервис» ВРФСЭП, включены в методические рекомендации и указания по выполнению курсового проектирования по курсам «Экологический мониторинг» и «Оценка воздействия на окружающую среду и экологическая экспертиза» специальности 320700 «Охрана окружающей среды, рациональное использование природных ресурсов» на кафедре «Промэкологии» Воронежской государственной технологической академии.

8. Созданный ПК позволяет как в профессиональном, так и в сервисном отношении учитывать требования, возникающие при автоматизированном проектировании промышленных объектов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

1. Белоцерковский В.Ю. Учет нестационарности во времени источников выброса загрязняющих веществ в атмосферу // Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине: Тез. докл. Всерос. совещ.- семинара. Воронеж, 1995. С. 154.

2. Юрасов В.Г., Белоцерковский В.Ю. Основные принципы анализа нестационарности во времени источников выброса в атмосферу // Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине: Тез. докл. Всерос. совещ.- семинара. Ч. I. Воронеж, 1996. С. 18-19

3. Юрасов В.Г., Белоцерковский В.Ю. Разработка информационного обеспечения расчетного мониторинга атмосферы и оценки последствий хозяйственных и природоохранных мероприятий // Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине: Тез. докл. Всерос. совещ.- семинара. Ч. I. Воронеж, 1996. С. 104-105

4. Юрасов В.Г., Белоцерковский В.Ю. Разработка программного обеспечения расчетного мониторинга атмосферы и оценки последствий хозяйственных и природоохранных мероприятий // Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине: Тез. докл. Всерос. совещ,- семинара. Ч. II. Воронеж, 1996. С. 87

5. Юрасов В.Г., Белоцерковский В.Ю. Расчетная оценка уровня загрязнения атмосферы в условиях неопределенности // Информационные технологии. 1997. № 4. С. 35-36.

6. Юрасов В.Г., Белоцерковский В.Ю. Разработка языка описания данных для учета нестационарности источников загрязнения атмосферы при проведении расчетов рассеивания // Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине: Тез. докл. Всерос. совещ,- семинара. Воронеж, 1997. С. 61-62.



ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ АНАЛИЗА ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.13.12. Системы автоматизации проектирования

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

БЕЛОЦЕРКОВСКИИ Владимир Юрьевич

Научный руководитель

к.т.н., доцент

Юрасов В.Г.

Воронеж 1997

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ УЧЕТА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ........................11

1.1. Особенности учета экологических характеристик..........................11

1.2. Анализ структурной схемы подсистем, используемых для учета экологических характеристик.....................................................................20

1.3. Анализ информационных технологий, используемых для

обработки пространственно распределенной информации....................22

1.4. Цель и задачи исследования..................................................................27

2. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ.........................30

2.1. Формализация описания данных о техпроцессах предприятия, с учетом нестационарности функционирования ИЗА...............................30

2.2. Постановка задачи поиска наиболее неблагоприятного сочетания ИЗА.....................................................................................................................38

2.3. Графическое представление результатов расчета рассеивания. ... 43

2.4. Основные выводы главы........................................................................57

3. РАЗРАБОТКА ПРОЕКТНЫХ ПРОЦЕДУР..............................................58

3.1. Расчетные характеристики....................................................................58

3.2. Топологические характеристики. Интеграция с ГИС......................63

3.3. Структура подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу. . 66

3.4. Основные выводы главы........................................................................70

4. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДСИСТЕМЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВНЕДРЕНИЯ................................................................72

4.1. Разработка информационного и программного обеспечения подсистемы......................................................................................................72

4.3. Геоинформационная система расчетного экологического мониторинга г.Воронежа...............................................................................84

4.4. Проектирование ВМЗ...............................................................................87

4.5. Проектирование ТЭЦ-2............................................................................97

4.6. Основные выводы главы......................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................108

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................110

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................................120

Введение

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Оценка уровня воздействия на окружающую среду промышленных предприятий и разработка природоохранных мероприятий в последнее время приобретают все большее значение /84/. При этом повышается сложность производств, возрастает степень нестационарности во времени режимов работы технологического оборудования и увеличивается вероятность загрязнения окружающей среды выбросами загрязняющих атмосферу веществ, поэтому при разработке промышленных объектов необходимо большое внимание уделять системам, способным определять и прогнозировать уровень загрязнения приземного слоя атмосферы, т.к. именно загрязненность воздуха - наиболее частая причина плохой экологической обстановки в промышленных зонах и прилегающих к ним селитебных территориях. Решить эту проблему можно, используя систему автоматизированного проектирования промышленных объектов, имеющую в своем составе подсистему анализа вредных выбросов в атмосферу.

Существующие подсистемы анализа вредных выбросов не учитывают многих важных факторов, таких как нестационарность выбросов во времени, неполнота исходных данных и т.п. В этой связи актуальной является разработка средств, которые позволяли бы учитывать временные и вероятностные характеристики технологических процессов и связанных с ними источников загрязнения атмосферы (ИЗА). Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в необходимости разработки методов и алгоритмов оценки вредных выбросов в атмосферу промышленными объектами и создании на этой основе подсистемы, позволяющей учитывать вероятностные и временные характеристики их режимов работы.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является создание средств автоматизированного анализа вредных выбросов в атмосферу и разработка на их основе

подсистемы, учитывающей нестационарный характер работы промышленных объектов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

• анализ существующих подсистем расчета рассеивания вредных выбросов в атмосфере;

• разработка языка описания временных характеристик процесса функционирования промышленного объекта, позволяющего учесть нестационарность работы источников выброса вредных веществ в атмосферу;

• формирование оптимизационной модели и разработка алгоритма для поиска худшего, с точки зрения загрязнения атмосферы, временного интервала;

• разработка алгоритма построения изолиний по регулярной сетке, для визуализации результатов расчета рассеивания вредных веществ в атмосфере;

• разработка структуры подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу промышленными объектами;

• создание информационного и программного обеспечения подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу промышленными объектами и ее апробация.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ основаны на использовании теории вероятностей, вычислительной математики, комбинаторного анализа, теории информации, информационных технологий. При разработке программных средств (ПС) использовались методы модульного программирования и технологии визуального объектно-ориентированного программирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА основных результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан язык описания временных характеристик процесса функционирования промышленного объекта, позволяющий учесть нестационарность работы источников выброса вредных веществ в атмосферу;

2. Предложен алгоритм поиска худшего, с точки зрения загрязнения атмосферы, временного интервала на основе методов распространения ограничений и перебора, отличающийся комплексным подходом к учету нестационарных источников выброса ЗВ при формировании обобщенного критерия оптимальности и выборе ограничений.

3. Разработан алгоритм триангуляции расчетной области, отличающийся возможностью учета информации о скоростях и направлениях ветров для более достоверного определения направления триангуляции;

4. На основе метода параметрической интерполяции разработан алгоритм сглаживания изолиний, отличающийся методом управления формой кривой и процедурами обработки исключительных ситуаций, возникающих при взаимном пересечении интерполированных изолиний.

5. Разработана структура программного комплекса (ПК) подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу при проектировании промышленных объектов, отличающаяся возможностью интеграции в САПР промышленных объектов и позволяющая использовать «внешние» ПС, если в процессе проектирования возникает необходимость обработки сложной пространственно распределенной информации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

Использование предложенных методов и алгоритмов для представления и обработки временных и вероятностных характеристик процесса функционирования промышленного объекта, а также для обработки топологических характеристик объекта проектирования на этапах

подготовки исходных данных и визуализации результатов анализа вредных выбросов позволяет повысить качество выполнения проектных работ.

Создан ПК, ориентированный на разработку проектной документации при проектировании промышленных объектов, позволяющий реализовать принципиально новый подход к нормированию выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Разработанные средства анализа вредных выбросов могут быть использованы не только для проектирования, но и в научных исследованиях и в учебном процессе.

Применение результатов работы при проектировании промышленных объектов позволяет повысить качество выполнения проектных работ.

Подсистема анализа вредных выбросов в атмосферу для автоматизированного проектирования промышленных объектов используется в Комитете по охране окружающей среды г. Воронежа, проектных организациях - ПКТБ «Промтеплица» и отдел «Экосервис» ВРФСЭП. Результаты работы включены в методические рекомендации и указания по выполнению курсового проектирования по курсам «Экологический мониторинг» и «Оценка воздействия на окружающую среду и экологическая экспертиза» специальности 320700 «Охрана окружающей среды, рациональное использование природных ресурсов» на кафедре «Промэ-кологии» Воронежской государственной технологической академии, что подтверждено соответствующими актами.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийском совещании-семинаре «Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине» (Воронеж, 1995, 1996,1997г.г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения изложенных на 109 е., списка литературы из 102 наименований на 10 е., четырех приложений на 32 е., содержит 22 рисунка, 6 таблиц.

В первой главе проведен анализ особенностей учета экологических характеристик, на основании которого сделан вывод о необходимости учета нестационарности во времени источников выброса в атмосферу при проведении работ по проектированию промышленных объектов.

Отмечено, что существующие подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу не удовлетворяют современным требованиям, т.к. в них не предусмотрены встроенные средства визуального редактирования данных по топооснове предприятия и информационного обмена с геоинформационными системами (ГИС), которые обладают развитыми средствами обработки пространственно распределенной информации. Наиболее существенным недостатком существующих подсистем анализа вредных выбросов для автоматизированного проектирования промышленных объектов является их ориентация исключительно на стационарные во времени выбросы ЗВ, что не учитывает многостадийный, цикличный (а порой и неритмичный) характер большинства современных технологических производств.

Сделаны выводы о необходимости разработки ПК, позволяющего учесть вероятностный характер функционирования технологического оборудования конкретного предприятия и использующего современное периферийное оборудование ЭВМ для более качественной обработки исходной информации и формирования выходных отчетов.

Проведен аналитический обзор современного состояния технологий в сфере обработки пространственно распределенной информации. Обосновывается необходимость применения технологий ГИС для решения практических задач по проектированию промышленных объек-

тов. В конце главы производится описание предметной области, формулируется цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматривается формализованное описание сложных технологических процессов с учетом их временных характеристик и взаимодействий, для чего разрабатывается язык описания данных (ЯОД).

С позиций теории информации проводится выбор минимальной продолжительности временного интервала (10 мин), позволяющий осуществить разбиение рассматриваемого временного периода на фиксированные интервалы.

Приводится математическая постановка задачи поиска наихудшего режима работы предприятия. В данной главе проводится сравнительное исследование возможных подходов к решению поставленной задачи, а так же формулируются основные критерии выбора ИЗА для учета. Предлагается применить методы распространения ограничений и перебора для решения поставленной задачи.

С целью качественной обработки графической информации разрабатывается метод триангуляции расчетной области, учитывающий дополнительную информацию о направлениях и скоростях ветра, а также модифицируется метод параметрической интерполяции кривой на основе разработки подхода к управлению ее формой.

В третьей главе отражен процесс алгоритмизации предложенных во второй главе методов. С этой целью проводится разработка алгоритмов обработки основных расчетных и топологических характеристик проектируемых объектов.

На основе разработанного математического обеспечения, методов и алгоритмов, разработана структура ПК, являющаяся базой для создания информационного и программного обеспечения подсистемы анализа вредных выбросов.

В четвертой главе разрабатывается информационное и программное обеспечение подсистемы анализа вредных выбросов.

Программное обеспечение (ПО) представляет собой совокупность программных модулей, взаимодействие которых осуществляется под управлением программы-монитора. Подсистема анализа вредных выбросов в атмосферу с учетом нестационарности во времени ИЗА обеспечивает интеграцию и обработку разноформатной информации, включающей в себя графические данные, текстовые описания и характеристики ИЗА, данные для информационного обмена с расчетными модулями и др.

Средства информационного обеспечения (ИО) системы создают единую основу для работы всех прикладных модулей, а также дают возможность пользователю в удобном виде вводить исходные данные и анализировать результаты работы. Подсистема обработки картографической информации, база данных по ИЗА, расчетный блок, блок визуализации результатов расчета объединяются в единый программный комплекс, что позволяет повысить качество проектирования.

Разработка ПО основывается на технологии визуального объектно-ориентированного программирования и позволяет использовать отдельные его части для решения конкретных задач, а также легко добавлять новые проектные процедуры в уже функционирующий ПК.

Проводится оценка эффективности применения данной подсистемы для проектирования промышленных объектов на примере обоснования нормативов ПДВ для Воронежского механического завода и выборе варианта техперевооружения и реконструкции Воронежской ТЭЦ-2.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

В приложении приведены схемы, листинги отдельных программных модулей, фрагменты внешнего оформления программного комплекса и акты внедрения.

1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ УЧЕТА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Повышение качества работ по проектированию промышленных объектов тесно связано с использованием в рамках САПР промышленного предприятия подсистемы анализа вредных выбросов в атмосферу, которая позволяет оценивать уровень загрязнения приземного слоя атмосферы вредными выбросами, а также учитывает временные и вероятностные характеристики режимов работы технологического оборудования /5/.

Данная глава посвящена исследованию особенностей учета экологических характеристик, анализу современного состояния данной проблемы и оценке возможностей применения новых информационных технологий с целью повышения качества выполнения проектной документации. На основе проведенного анализа формулируется цель и задачи исследования.

1.1. Особенности учета экологических характеристик.

В большинстве проектных организаций системы автоматизированного проектирования реализованы в виде простой организационно технической системы, состоящей из набора автономных программ, часть которых увязана в подсистемы посредством автоматизированного банка данных и диалоговой мониторной системы. В последнее время все четче отслеживается тенденция к построению систем, основанных на концепции общей информационной модели объекта проектирования, которая позволяет органично встраивать в систему программные средства как собственной, так и сторонней разработки посредством стандартных «головных» и «хвостовых» интерфейсов.

В приложении 1 приведена схема (составленная на основании изучения /2, 16, 26, 56, 67, 87, 90/) интегрированной системы проектирования промышленных объектов. Процесс проектирования представлен в виде четырех последовательных стадий: консультация застройщика, автоматизированное проектирование объекта, автоматизированное управление строительством, эксплуатация и ремонт. При этом компьютерное обеспечение инжиниринга оснащается общей для всех стадий базой данных для проектирования и производства и базой данных для управления. Структурная схема технологической линии автоматизированного проектиров�