автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Совершенствование управления экологической безопасностью производственных предприятий

МЕЖДУНАРОДНЫЙ МЕЖАКАДЕМИЧЕСКИЙ СОЮЗ

На правах рукописи

ЗАГОРОДСКИЙ ВАСИЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.02.22 - Организация производства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 2005

Работа выполнена в Дальневосточном Государственном университете путей сообщения

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик Академии Транспорта РФ и Международной Академии наук по экологии и безопасности Переселенков Георгий Сергеевич;

доктор технических наук, профессор,

академик МАИ

Клыков Михаил Степанович.

доктор технических наук, Ильин Владимир Андреевич

Защита состоится 18 ноября 2005 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 097.024.МАИ.32 Высшей межакадемической аттестационной комиссии.

С диссертацией можно ознакомиться в диссертационном зале совета.

Диссертация в форме научного доклада разослана « /Л> октября 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета доктор технических наук, профессор, академик МАИ

Лазарев Г.Е

¿тб^а 125ВШ'

АЗоН

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последнее время произошел значительный рост техногенного воздействия на природную среду. Имеет место возрастание чрезвычайных ситуаций техногенного характера, связанных с авариями на промышленных предприятиях. По результатам обобщения статистических данных, выявлено, что техногенные аварии составляли 70,5% в 2002 г., 62,5% - в 2003 г. и 73,5% в 2004 г. от общего количества чрезвычайных ситуаций.

Интенсивность и рост масштабов экологических проблем обуславливают выработку новых подходов к планированию и управлению производственной деятельностью предприятий. Особую остроту эта проблема принимает для Дальневосточного региона в связи с неравномерным размещением производительных сил на его территории, с севера на юг, а также различным уровнем освоенности. Нагрузка на окружающую среду носит не сплошной, а очаговый характер, это ведет к серьезным локальным нарушениям. Поэтому современное состояние окружающей среды требует самых неотложных мер. Очень важно не перейти предел допустимого воздействия технических систем на природу.

Кризисная динамика производства и потребления сырья, топливно-энергетических ресурсов еще более остро ставит вопрос экологической безопасности Дальневосточного региона. Неплатежи, недостаток оборотных средств производственных предприятий Дальнего Востока только усугубляют эту проблему. Однако финансовые трудности характеризуют лишь внешнюю сторону экологического кризиса в регионе, за которым стоят глубокие структурные проблемы. В этой связи качественному и всестороннему экологическому анализу должны быть подвергнуты вопросы размещения новых предприятий в регионе и функционирования

действующих производственных объектов и компл национальная!

библиотека 1

Существующие методы планирования и управления производственной деятельностью предприятий с учетом экологических факторов не позволяют получать качественные и достоверные рекомендации, что приводит на практике к ухудшению экологической обстановки на предприятиях и в регионе. Вот почему необходимы новые подходы, обеспечивающие выработку рациональных экологических решений при управлении действующими производственными предприятиями, а также при обосновании допустимости размещения новых экологически опасных предприятий и комплексов.

Цель исследования заключается в разработке новых рекомендаций по обоснованию допустимости размещения новых экологически опасных предприятий и управлению действующими производственными объектами и комплексами в регионе, обеспечивающих минимальную техногенную нагрузку на среду, информатизации процессов контроля и регулирования экологической безопасностью.

Методы исследования основываются на системном подходе, теории вероятностей, методах линейного, динамического и стохастического программирования, новых информационных технологиях и системах, позволивших разработать новые расчетные и оптимизационные методики допустимости размещения новых экологически опасных предприятий в регионе и разработки экологически обоснованных программ деятельности имеющихся производственных объектов и комплексов. Методологической основой диссертационной работы является сочетание исторического, научного и реалистичного подхода к анализу и оценке обеспеченности экологической безопасности в регионе Дальнего Востока. Все процессы и явления рассматриваются в движении и обновлении. При сборе и первичной обработке материалов использовались личные контакты, наблюдения и обследования.

Научная новизна Степень научной новизны диссертации определяется тем, что в ней с системных позиций и на новом математическом уровне поставлены и решены задачи совершенствования обеспечения экологической безопасности предприятий, функционирующих в экстремальных условиях. В диссертационной работе исследованы следующие научные проблемы, не получившие к настоящему времени достаточного теоретического обоснования:

- поставлена и решена проблема комплексного рассмотрения вопросов управления и планирования экологической безопасностью производственных объектов и комплексов в регионе;

- предложена математическая модель и методика обоснования допустимости размещения экологически опасного предприятия;

- решена задача формирования планов выпуска промышленной продукции в регионе, обеспечивающих минимальное техногенное воздействие на природную среду;

- решены вопросы развития производства за счет выработки рациональной стратегии квотирования, обеспечивающей экологическую безопасность региона;

- предложена математическая модель и оптимизационные технологии формирования календарных производственных программ предприятий региона с учетом экологических факторов.

- разработана информационная система обеспечения экологической безопасности предприятий Хабаровского края.

Апробация работы. Автор ознакомил научную и техническую общественность с результатами исследований путем выступлений с докладами на:

- научно-практическом семинаре "Новые информационные технологии в управлении на транспорте и организации учебного процесса", Хабаровск, 1997;

- научно-технической конференции "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока", Хабаровск, 1999,

- 43-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки "Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности", Хабаровск, 2003;

-1V Международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке". Хабаровск ДВГУПС, 2005.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе монография "Анализ и управление экологическими рисками на производственном предприятии" в объеме 5,6 пл. - Хабаровск, Издательство Дальневосточного государственного университета путей сообщения (ДВГУПС), 2005.

Практическая ценность работы. Рассмотренные методики составляют основу выработки региональной политики по повышению экологической безопасности Дальневосточного региона. Предложенные в диссертационной работе математические методы и модели составляют основу разрабатываемой в Хабаровском крае информационной системы управления экологической безопасностью производственных предприятий.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Возрастающие масштабы и темпы техногенного воздействия на природные ресурсы, отсутствие методов экологической оценки и регулирования воздействия на окружающую среду производственных предприятий, несовершенство существующих методов управления и планирования производственной деятельностью, не обеспечивающих экологически безопасных условий для населения, указывают на необходимость ускоренного решения проблемы совершенствования управления экологической безопасностью производственных объектов и комплексов.

Полученные при этом научные и практические рекомендации должны служить основой регулирования экологических и природо-пользователь-ских взаимоотношений на конкретной территории, защищать ее интересы, являться научным обоснованием формирования региональной политики. Решению различных аспектов этой сложной и актуальной проблемы посвящены многочисленные отечественные и зарубежные исследования. Предложены различные подходы к ее решению, подготовлены эффективные технологии, основная часть которых успешно реализуется на практике.

Наибольший вклад в решение проблемы управления экологической безопасностью производственных предприятий и систем внесли Б.Н. Воронов, C.B. Белов, Л В. Киселева, H.H. Лосев, С.П. Першин, Г.П. Беспамятное, Э.С. Спиридонов, Л.Н. Коробов, М.Д. Рукин, В.Н. Сукачев, А.Б. Горстко, А. Тенсли, З.Г. Верзяханова, С.Д. Шлотпауэр, К.Т. Карованов, К. Мёбиус, Б.К. Павлов, А. Никольсон, С.П. Тимофеева, К.Б. Львовская., Н.Ф. Ремерс, Л.И. Кречетов, К. Шелфорд, В.М. Котляков, Г.Г. Винберг, Л.В. Дунаевский, Р. Пэнтл, Н.И. Корнеева, В.И. Данильян, Ю. Одум, А.И. Махинов, П. Фарб, Корнеева Н И., Ф. Рамад, ОТ. Котова, A.A. Жаков, В.Л. Дажо, В.В. Меншуткин. Вопросы, затронутые в работах перечислен-

ных авторов, исключительно многогранны и охватывают большую часть проблемы экологической безопасности производства.

В своих работах они считают, что научной и методологической основой планирования и управления производством должны быть теория систем и теория математического моделирования сложных систем, в частности, имитационное моделирование. Однако проведенный анализ существующих исследований по данной проблеме показывает, что во многих работах недостаточное внимание уделяется комплексному рассмотрению экологических задач производства, их взаимосвязи с задачами планирования производства, учету экстремальные условий. Это затрудняет на практике применение новых эффективных организационных решений по обеспечению экологической безопасности производственных предприятий.

Необходимость углубления и совершенствования экологических исследований, их скорейшего применения на практике особенно наглядна на примере Российского Дальнего Востока С одной стороны, Дальневосточный регион имеет огромные возможности для увеличения производства и расширения освоения своего природно-ресурсного потенциала. С другой - имеет место быстрое нарастание экологических проблем в этом территориальном образовании. Резко возросла доля ресурсодобывающих отраслей в промышленности Дальнего Востока. В 2004 году она составила 54%, в то время как в 1986 году была 25%, а в 1996 году - 31%, т.е. народно-хозяйственный комплекс приобретает сырьевой характер. А это приводит к беспрецедентному возрастанию экологической нагрузки на окружающую среду.

Кроме того, во всех базовых отраслях промышленности: в сельском хозяйстве, энергетике, строительстве, транспорте, жилищно-коммунальном хозяйстве образуются в больших количествах отходы, являющиеся источником антропогенного загрязнения окружающей среды Проблема

отходов является неизбежным результатом потребительского отношения к природным ресурсам, низкого коэффициента использования минерального сырья, твердых бытовых отходов.

Увеличивается загрязнение воздушной среды. Это подтверждает динамика изменения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу на территории Хабаровского края: 2000 г. - 261,1; 2001 г. - 309,4; 2002 г. -286,7; 2003 г. - 328,1; 2004 г. - 358,7 (объемы загрязнения указаны в тыс. тонн). Некоторое снижение выбросов в 2002 г. в сравнении с 2001 г. обусловлено уменьшением объемов выпускаемой продукции. При этом структура выброса по веществам в воздушную среду за последние два года выглядит следующим образом (рис.1.):

В Твердые Вещества 44% ■Диоксид Серы 16% □ Окись Углерода 19%

■ Окислы Азота 1%

■ Углеводороды 8%

■ Прочие 12*/«

Рис. 1. Структура выброса по веществам в Хабаровском крае

Наибольшему загрязнению подвергается воздушная среда крупных городов и населенных пунктов Хабаровского края. Об это свидетельствует данные, представленные в табл. 1. Такое же критическое положение сложилось и с загрязнением производственными предприятиями водных бассейнов Хабаровского края. Особенно это относится к реке Амур, являющейся одной из крупнейших рек России (со средним расходом воды в устье - 10900 м3/сек), и наиболее ее крупному притоку Уссури. Так, например, содержание нефтепродуктов в реке Амур между г. Комсомольск и г. Амурск доходит до 2 - 3 ПДК, а фенола до 8 -17 ПДК. При этом количество загрязнений резко возрастает с усилением размаха колебаний уровня воды в меженный и паводковый периоды.

Табл 1

Динамика выбросов в атмосферу

Населенные пункты Атмосферные выбросы (тыс тонн)

2000 2001 2002 2003 2004

Хабаровск 82,6 98,5 101,4 118,1 134,3

Комсомольск 53,7 61,8 69,5 76,3 82,6

Амурск 22,6 26,1 27,0 29,3 31,7

Сов гавань 12,4 14,7 15,2 17,4 19,0

Ургал 7,2 9,3 9,7 10,9 12,4

В число активно загрязняющих веществ основных водных бассейнов Хабаровского края, также входят в больших количествах железо, фенолы, цинк, медь, свинец, органические вещества и др. Обобщающие данные по этим загрязнениям приведены в табл 2 и 3.

Табл.2

Загрязнения реки Амур

Пункты Загрязняющее вещество Макс концентрация (мг/л) ПДК (раз)

Амурск Железо общее 3,42 32,6

Хабаровск Трудно окисляемые органические вещества 62,8 4,2

Амурск Свинец 0,1 4,2

Богородское Медь 0,18 176

Мариинское Цинк 0,81 89

Николаевск Ионы аммония 2,62 5,3

Комсомольск Легкоокисляемые органические вещества 7,87 3,47

На участке Хабаровск - Амурск - Комсомольск состояние реки Амур отнесено к 5 классу - "грязная", что свидетельствует о трансграничном загрязнении реки. В этот же класс загрязнения включены реки Хабаров-

ского края: Хор, Кия К 6-му классу загрязнения "очень грязная" отнесены реки Черная и Сита. Больше всего концентрация загрязнений в реках Березовка и Холдоми

Они включены в категорию "чрезвычайно грязных", т.е. в 7-ой класс загрязнения. Водные бассейны региона не выдерживают техногенную нагрузку 563 промышленных предприятий, со стоками которых в реки поступает ежегодно более 2-х млн. тонн вредных веществ.

Табл. 3

Загрязнения притоков реки Амур

Водный объект Территория Загрязняющие вещества Источник загрязнения

Левая Силинка п Горький Цинк, медь Солнечный ГОК

Правая Силинка п Солнечный Цинк, медь Солнечный ГОК

Холдоми п Солнечный Медь Солнечный ГОК

Березовка с. Федоровка Ионы аммония, медь АП "Хабаровский горводоканал"

Черная с. Сергеевка Ионы аммония, нитраты Сельхозяйствен-ные предприятия

Резко возросло отрицательное влияние других антропогенных факторов, таких как: строительство Зейской и Вилюйской ГЭС, интенсивные рубки леса, молевый сплава древесины, горнорудные разработки, увеличение ядовитых стоков ряда отраслей промышленности, распашка земель в водоохраной зоне, неграмотное применение в сельском хозяйстве ядохимикатов и минеральных удобрений, рост неочищенных бытовых стоков. Произошло обмеление и сильное загрязнение большинства водоемов Дальнего Востока. Загрязнения р. Амур и ее притока р Уссури настолько велики, что сегодня практически нельзя пользоваться городскими пляжами в крупных городах и поселках Хабаровского края.

Очень актуальна и такая экологическая проблема как обеспечение

городов Дальнего Востока, и в первую очередь, одного из крупнейших городов региона - Хабаровска водой И это при наличии протекающих рядом с крупными населенными пунктами рек' Амура, Уссури, Зеи, Хора, Ситы. и др. Эта задача, так же как и вопросы с загрязнениями воздушной среды, самым непосредственным образом связана с необходимостью выработки новых рекомендаций по регулированию техногенного давления на окружающую территорию.

По нашему мнению значительные резервы в рационализации природопользования могут быть найдены на основе новых математических моделей, методов и систем информатизации, направленных на совершенствование управления экологической безопасностью производственных предприятий.

В первую очередь должны быть разработаны методики обоснования допустимости размещения новых экологически опасных предприятий и комплексов в регионе. От того, насколько качественно будут решен вопрос о допустимости развития или организации нового производства среди действующих предприятий, во многом будет зависеть экологическая обстановка.

Для существующих промышленных объектов и комплексов очень важно иметь выверенные рекомендации по планированию выпуска производственной продукции. Например, при разработке производственных программ предприятий региона необходимо отыскивать такие решения, которые позволили бы максимизировать выпуск производственной продукции при соблюдении заданных параметров природопользования и наименьших суммарных денежных вложениях в природоохранные мероприятия.

При этом следует предусмотреть возможность корректировки полученных производственных программ. Например, на основе учета взаимных интересов предприятий-партнеров. Для этого необходима разработ-

ка соответствующей методики перераспределения квот между предприятиями. Нельзя также игнорировать ограничения экологии и при формировании внутрипроизводственных календарных графиков на самих предприятиях.

Это означает необходимость включения в рекомендации по разработке календарных производственных программ инструментариев, направленных на детальное согласование календарных производственных процессов с экологическими ограничениями. Это позволит предприятиям выполнить предприятиям в любой заданный момент времени заданные ограничения по всему реестру выбросов.

И, наконец, требуется разработать информационные технологии и информационные системы управления экологической безопасностью производственных предприятий региона. Представляется, что только комплексное рассмотрение и решение поставленных задач может иметь существенный положительный эффект для практики. Поэтому в диссертационной работе предлагается взаимоувязанное их решение.

Для научного обоснования допустимости размещения экологически опасного производства в заданной местности необходимо исследовать следующие вопросы.

1. Подготовить рекомендации по определению безопасности предлагаемого варианта экологически опасного технологического процесса, оборудования, системы и т.д., в целях определения вероятности возникновения аварийных ситуаций и выявления узких мест, в наибольшей степени влияющих на безопасность системы.

2. Разработать методологию оптимизации стратегии технического обслуживания технологического оборудования рассматриваемого экологически опасного производства в целях повышения уровня безопасности.

3. Выполнить исследования по прогнозированию последствий и воз-

можных аварии на рассматриваемом экологически опасном производстве и осуществить подготовку методики планирования защитных мероприятий, направленных на защиту населения и окружающей среды от воздействия вредных выбросов, которые могут произойти в результате аварии.

Только после комплексного решения указанных вопросов можно дать ответ о допустимости размещения дополнительного производственного предприятия в регионе. Обоснование допустимости размещения экологически опасного производства предлагается осуществлять в рамках двухэтапной задачи стохастического программирования.

На первом этапе, до того, как станет известна случайная реализация состояния природы со (возникновение аварии, выброс распространение загрязняющих веществ в окружающей среде, вредное воздействие загрязняющих веществ на население пораженных территорий), принимается стратегическое решение х, состоящее в выборе конкретного проекта экологически опасного производства, площадки для его размещения, а также стратегии технического обслуживания рассматриваемого технологического оборудования.

После реализации одного из возможных состояний природы со, становятся известными степень и масштабы заражения окружающей среды, наступает второй этап принятия решений - выбор набора защитных мероприятий у(со), зависящего от реализации состояния природы, которые направлены на смягчение ущерба, наносимого вредными веществами здоровью населения. На этом этапе выбор защитных мероприятий осуществляется на основании критериев, разрабатываемых заранее, до возникновения аварий.

Согласно этим критериям ¡-е защитное мероприятие проводятся тогда, когда ожидаемая эквивалентная индивидуальная доза Н(со) превы-

шает некоторый установленный из соображений биологического риска порог. Выбранный на втором этапе набор защитных мероприятий у(со) характеризуется эффективностью, выражаемой в снижении ожидаемой индивидуально дозы, и уровнем материальных затрат Zi(y(a)).

После выполнения набор мероприятий у(ю) ожидаемая эквивалентная индивидуальная доза будет составлять Н(со)= f(y, Н0(ю)), где Н0(со) -ожидаемая эквивалентная индивидуальная доза в случае, когда защитные мероприятия не принимаются. Материальные затраты Z^yí«»)) включают в себя затраты на организации дозиметрического контроля, эвакуацию населения, дезактивизационные работы и т.д

Помимо, материальных затрат на проведение защитных мероприятий необходимо также учитывать прямой ущерб Z2(co), включающий в себя затраты на восстановление разрушений, стоимость основных фондов на отчужденной территории и т.д. Полный ущерб после реализации состояния природы <о равен Z(co)=Z1(co)+Z2(ro).

Для расчета экологического риска и ущерба предварительно следует оценить ожидаемую коллективную дозу от техногенного воздействия, которая определяется по формуле:

S(w) = IN,(u>)H,(to),

¡

где N,(co) - число лиц, для которых ожидаемая эквивалентная индивидуальная доза равна Н,(ю). Экологический риск R и ожидаемый ущерб Z" определяются по формулам:

R = SS(o)l) pl, Z' = IZ(uO-Pl,

i i

где ш, - отдельная реализация состояния природы, р, - вероятность реализации ы,.

Множество состояний природы определяется возможными значениями параметров выбросов на объекте экологически опасного производства (продолжительность выброса, мощность или объем выброса,

химический состав выбрасываемых веществ, температура выброса) и параметров, описывающих погодные условия (направление и скорость ветра, типы осадков, температура воздуха).

Значения параметров выброса определяются экспертами при анализе аварийных ситуаций, проводимом на первом этапе принятия решений. Поэтому вероятность конкретного сочетания значений параметров, характеризующих выброс, равна вероятности возникновения аварии с соответствующими значениями параметров выброса. Вероятности значений отдельных параметров, характеризующих погодные условия, можно установить из результатов многолетних наблюдений на сетевых метеостанциях. Пусть л обозначает номер параметра (1 - параметр, характеризующий вид аварии, 2 - направление ветра, 3 - скорость ветра, 4 -тип осадков, 5 - температура воздуха).

Пусть ¡-й параметр принимает п, возможных значений и г,',р', - '¡-е

значение и вероятность того, что ¡-й параметр принимает значение г,',

]=1.....п,, ¡=1,...,5. Тогда множество О состояний природы определяется

набором всевозможных комбинаций ^ = (г,',г*,г^,г*,г®).

Если считать, что рассматриваемые параметры взаимно независимы, то вероятность того, что произойдет реализация природы

ш = ' ть • гь' ги ■ Г]5) > вычисляется по формуле:

рМ = ПР!

Двухэтапная задача стохастического программирования состоит в том, чтобы определить такое решение х е X, состоящее в выборе конкретного проекта экологически опасного производства, площадки для его размещения, а также параметров технического обслуживания рассматриваемого технологического оборудования, чтобы экологический риск

был ниже некоторого заданного порогового значения,

R(x) < г0

и при этом минимизировалась сумма затрат и ожидаемого ущерба-

Z'(x)+Z"(x)->min,

где Z'(x) - затраты на техническое обслуживание, соответствующее решению х; Z"(x) - ожидаемый материальный ущерб; х - допустимое множество решений, формируемое набором альтернативных вариантов проектов экологически опасного производства, набором альтернативных точек размещения этого производства и допустимыми множествами параметров технического обслуживания.

При оценке вероятности возникновения аварийных ситуаций размещаемое производственное предприятие можно представить в виде сложной системы, состоящей из взаимосвязанных элементов, отказ каждой из которых в той или иной степени влияет на возникновение аварийных ситуаций. В этом случае вероятность аварий вычисляется по вероятностям отказов ее элементов.

Алгоритм вычисления вероятности возникновения аварийных ситуаций определяется логической структурой системы. Надежность оценки вероятности аварий зависит от полноты и адекватности представления предприятия в виде сложной системы взаимосвязанных элементов, а также от надежности оценки вероятностей отказов ее составных частей. В процессе решения дальнейшем будем рассматривать второй подход в основе которого лежит метод дерева отказов.

Дерево отказов представляет собой графическую модель различных комбинаций параллельных и последовательных отказов, которые приводят к возникновению нежелательного события (отказ подсистемы или аварийным ситуациям). Отказы могут быть обусловлены сбоями в самой технологической системе, ошибками обслуживающего персонала, а так-

же неблагоприятными воздействиями окружающей среды

Дерево отказов изображает логическую взаимосвязь между событиями и изображается в виде логических элементов, которые либо допускают логическое прохождение отказов от нижних элементов к верхним, либо препятствуют им. Нижние события являются входами в логический элемент, а верхние - выходом из него

При исследовании сложных систем используем логические элементы "и" и "или". Логический элемент "или" используем в дереве отказов для изображения того факта, что событие на выходе возникает, только тогда, когда появляется хотя бы одно из входных событий. Логический элемент "и" будем применять в случае, когда будут происходить все входные события.

Использование метода дерева отказов начнем с выявления некоторого нежелательного события, связанного с системой. Когда верхнее событие выбрано, произведем анализ системы в целях выявления причин, вызывающих верхнее событие При этом выявим другие события, связанные логическими элементами "и" и "или".

Представленный анализ производим последовательно до тех пор, пока не встретятся события, которые невозможно или нецелесообразно расчленять дальше. Такие события назовем первичными, или элементарными. На рис. 2. приведен пример графического изображения дереза отказов.

Событие О - верхнее событие дерева отказов, события А,В,С,0 - элементарные события. События Си О - вход для логического элемента "и", а событие В - его выход. Этот логический элемент изображает следующую логическую связь между нижними событиями С и О и верхним событием В событие В наступает тогда, когда произойдут оба события - С и О. Аналогично события А и В являются входом для логического элемента "или", а событие О наступает тогда, когда произойдет хотя бы од-

но из событий - А или В.

Рис. 2. Графическое изображение дерева отказов

Используя операции булевой алгебры, можно представить деревья отказов в виде аналитических выражений. Основным логическим элементам в графическом представлении дерева отказов "и" и "или" соответствуют операции "логическое умножение" и "логическое сложение". В силу того, что логические элементы "и" и "или" и их булевые аналоги выполняют логические операции на множестве событий идентичным образом, то имеется взаимно однозначное соответствие между графическим и алгебраическим представлением деревьев отказов.

Например, в схеме дерева отказов, изображенного на рисунке 2, событие О наступает тогда, когда наступит хотя бы одно из нижних событий - А или В. Указанный фрагмент дерева отказов - эквивалент булево-му выражению 0=А+В. Событие В наступает тогда, когда возникнут одновременно два события - С и О. Этот фрагмент дерева отказов эквивалентен булевому выражению В=С О.

Таким образом, с помощью функций булевой алгебры можно выписать систему булевых уравнений, которая является аналитическим представлением дерева отказов В силу своей наглядности графическое представление дерева отказов удобно для пользователя, однако мало

пригодно для математического моделирования дерева отказов и и организации его анализа.

Для этой цели более подходит аналитическое представление При анализе дерева отказов важнейшую роль играет понятие множеств минимального сечения, которое формально можно определить как комбинацию наименьшего числа элементарных событий, достаточных для возникновения верхнего события.

Эта комбинация является "наименьшей" среди всех комбинаций, которые приводят к появлению верхнего события' если одно из элементарных событий изъять из этой комбинации, то верхнее событие дерева отказов не возникнет. В дереве отказов, изображенном на рис. 2, множествами минимальных сечений являются два множества - {А} и {С,Э}.

Любое дерево отказов содержит конечное число множеств минимального сечения. Множество минимального сечения, состоящее из одного элементарного события, назовем минимальным сечением первого порядка, двух элементарных событий - минимальным сечением второго порядка, тд. Путем алгебраических преобразований системы булевых уравнений представляющей дерево отказов, с использованием правил булевой алгебре выразим верхнее событие через множества минимальных сечений следующим образом.

Пусть дерево отказов содержит к множеств минимальных сечений

М1р М2..... Мк, множество М, состоит из п, элементарных событий

х1,х2,...,хп ¡-1,...,к. Тогда булевые уравнения для верхнего события Т дерева отказов можно представить в виде:

Т = М, +М2 +... + Мк М1 = х, • х2 •.......• х

Используя приведенные выше булевы уравнения, можно записать формулу для вычисления вероятности возникновения верхнего события:

р(Т) = р(М, + М2 +... + Мк) = I р(М,) -1 £ Р(Ц • М,)+

1-1 |»11=|-и

+ 1 1£р(м, м м1)+......+(-1)кр(м1м2,...мк)>

1=1 )=и-1=)+1

где: р(Т) - вероятность того, что произойдет верхнее событие Т; р(М,+ М2+... + Мк) - вероятность того, что произойдет хотя бы одно из событий Мь М2, ... Мк; р(М, М,)- вероятность того, что произойдут одновременно два события - М, и М,; р(М, М2 ■,.. Мк) - вероятность того, что произойдут одновременно к событий М,, М2,... Мк.

Поскольку возникновение события М, происходит тогда, когда возникают одновременно п, элементарных событий х^х^...^, и если предположить, что все элементарные события из множества минимального сечения М, взаимно независимы, то

Р(М,) = ЙР(Х1).

н

Из этой формулы видно, что вероятность отказа, связанного с минимальным сечением, экспоненциально уменьшается с ростом порядка минимального сечения. Например, если вероятность отказа компоненты имеет порядок 103 , то вероятность сечения первого порядка имеет порядок 10"3, второго -10"6, третьего -10"9 и т.д. Следовательно, вероятности р(М,) очень малы и в предыдущей формуле можно пренебречь возможностью одновременного возникновения двух или более множеств минимальных сечений М, Тогда получим приближенную формулу для вычисления вероятности-возникновения верхнего события-

Р(Т) = £р(М,).

1=1

В случае дерева, изображенного на рис. 2, верхнее событие О выра-

жается через минимальные сечения следующим образом- 0=М1+М2; М^А; М2=С-0. Вероятность возникновения верхнего события р((2) вычисляется. р(0)=р(М1)+р(М2)=р(А)+р(С 0)=р(А)+р(С) р(О).

Рассмотренная методология позволяет получить оценку уровня безопасности (вероятности возникновения аварии) вводимого или действующего производственного предприятия. Для ее решения необходимо вначале провести анализ систем функционирования предприятия, определить последовательность отказов, приводящих к аварийным ситуациям на этом производстве

Затем выполнить оценку вероятностей отказов элементов, составляющих сложную систему производственного предприятия и вычислить вероятности возникновения аварийных ситуаций на предприятии с использованием логики системы и вероятности отказов, отдельных ее составных частей После того, как найдены все множества минимальных

сечений, можно определить вероятность возникновения аварийной си-

к

туации с использованием формулы РО") = £р(М, ).

1=1

Следует заметить, что найденные множества минимальных сечений содержат в себе больше информации о конструкции систем предприятия, чем необходимо для оценки вероятности возникновения аварийной ситуации. Множества минимальных сечений позволяют проводить анализ чувствительности безопасности всей системы к отказам ее отдельных элементов. Определение чувствительности подразумевает оценку влияния на безопасность всей системы изменений в конструкции системы, надежности ее элементов, а также моментов времени, в которые осуществляется тестирование и ремонт отдельных компонент системы, выполняемых при техническом обслуживании производственного предприятия.

Качественное ранжирование элементов осуществляется следующим образом. Наиболее значимыми, с точки зрения вклада в отказ всей системы, являются минимальные сечения первого порядка, затем минимальные сечения второго порядка и т.д Таким образом, наибольшее влияние на безопасность всей системы оказывают отказы, соответствующие элементарным событиям, входящим во множества минимальных сечений первого порядка.

Именно эти элементарные события должны стать предметом пристального внимания конструкторов производственных систем. На их нейтрализацию должно в первую очередь быть направлено планирование технического обслуживания. В случае, когда множества минимальных сечений первого порядка отсутствуют, то наиболее значимыми, с точки зрения безопасности всей системы, являются элементарные события, входящие во множества минимальных сечений второго порядка, и т.д.

Информация о минимальных сечениях может быть использована непосредственно для проверки критерия, которому должен удовлетворять проект системы. Например, если критерий проектируемой производственной системы состоит в том, чтобы отказ какой бы ни было одной компоненты системы не приводил отказу всего объекта, то это требование эквивалентно требованию, состоящему в том, что дерево отказов не должно содержать множеств минимального сечений первого порядка.

Следующим шагом, после обоснования допустимости размещения новых и функционирования существующих предприятий, необходима разработка вопросов планирования производства.

Решение задачи планирования выпуска промышленной продукции в регионе с учетом экологии в диссертационной работе предлагается в двух постановках: а) максимизация объемов производства при выполнении требований по качеству выбросов в окружающую (воздушную и водную) среду; б) формирование планов производства с допустимыми ре-

жимами техногенного давления на окружающую среду и с минимальными затратами на очистные сооружения Выбор наиболее приемлемого варианта выпуска промышленной продукции в регионе осуществляется руководителями производства.

Рассмотрим вначале задачу максимизации выпуска промышленной продукции в регионе при соблюдении назначаемых ограничений по выбросам. Пусть на ]-ом промышленном предприятии в регионе 0=1, ..., п) на каждую единицу производимой продукции при ¡-ом технологическом процессе (¡=1, ..., т) в окружающую среду выбрасывается а,, приведенных по токсичности загрязненных веществ. Требуется, чтобы ¡-ой технологии соответствовали выбросы за расчетный период не большие, чем Ь,-

Необходимо определить максимальный объем производства промышленной продукции в регионе г = х1 + Х2+ +хп, при котором выполняются требования по качеству выбрасываемых веществ В функции г(х,) х, - планируемый выпуск продукции на ]-ом предприятии. С учетом сделанных предположений математическая модель задачи определения объемов производства в регионе выглядит в следующем виде.

Найти 2 = х,+хг+...+хп->тах>

При УСЛОВИЯХ Эц Х1 + Э12 Х2 + ■•■ + Э1п хп ^ Ь1 ,

а21Х1+а22Х2+--+а2пХп^Ь2, Эт1 Х1 + ЭШ2 Х2 + --- + атп Хп — Ьт )

X , а с1,• ■ X „ 2 С), 1 где с!) - запланированный объем производства продукции Н«у промышленному предприятию. Отыскание оптимального решения базируется на симплекс-методе линейного программирования При этом предусмотрено выполнение оптимизационных расчетов как с учетом ограничений по

выбросам в атмосферу, так и по водным загрязнениям.

На заключительном этапе принятия программ производственных предприятий в регионе выполняется сопоставление предварительно сформированных планов выпуска продукции предприятий, синхронизированных с их ресурсными возможностями, директивными установками и др., с вариантом плана производства продукции в регионе, удовлетворяющего ограничениям по всему спектру выбросов.

В условиях Дальневосточного региона, характеризуемого недостаточным финансированием производства, во многих случаях может оказаться более приемлемым другой подход к формированию планов выпуска продукции. Суть его заключается в том, чтобы обеспечить не только поддержку допустимых режимов техногенного давления на окружающую среду, но и минимизировать затраты производственных предприятий W = biy, + b2y2+-+bmym на очистные сооружения. В функции затрат W в качестве у, выступают удельные затраты на единицу выброса вредных веществ, скорректированных по токсичности.

Математическая модель определения экологически безопасных производственных программ региона с минимумом затрат на содержание и поддержку очистных сооружений представляет собой двойственную задачу и выглядит следующим образом.

Найти W = biy1+b2y2+- + bmym->rnin,

при условиях an у, + а21 У2 + - + ami ym > 1,

аи^ + агг y2 + -+am2ym>1,

атУ1 + а2пУ2 + - + атпУт^1, y,>0.....ym>0.

Решение данной, задачи основывается на двойственном симплекс-методе с искусственным базисом. Общая схема расчетов планов выпус-

ка промышленной продукции в соответствии с предложенной методикой такова. Вначале выполняется формирование производственной программы региона из условий соблюдения заданных параметров природопользования За основу принимается вариант программы, удовлетворяющий наиболее жестким требованиям по выбросу

Если выясняется, что средств предприятий недостаточно для реализации предложенных рекомендаций по выпуску продукции, то формируется план, которому соответствуют наименьшие издержки на очистные установки Корректировка плана может быть осуществлена и с учетом других факторов.

Экспериментальные расчеты на основе предложенных рекомендаций регионального планирования производства, выполненные для наиболее экологически неблагоприятных территорий Хабаровского края (г. Амурск, пос Хор, г. Хабаровск, г. Комсомольск, пос. Многовершинный, г. Николаевск на Амуре) показали, что на 55% анализируемых предприятиях предварительные планы выпуска промышленной продукции (разработанные без учета экологических требований) необходимо снижать, в среднем, на 43%.

Каждое третье предприятие региона должно либо сократить объемы выпуска продукции почти вдвое, либо вложить существенные капитальные вложения на строительство новых очистительных установок или реконструкцию действующего оборудования. И только на 12% рассмотренных предприятиях производственные программы соответствуют нормативам по выбросам.

В качестве одного из примеров расчета приведены результаты планирования выпуска продукции в одной из промышленных зон г Хабаровска, представленной предприятиями' АО Хабаровский завод отопительного оборудования, ЗАО Хабаровский картонно-рубероидный завод, АО Хабаровский завод алюминиевых конструкций, завод стройматериалов

ДВЖД, АО Хабаровский завод ЖБИ-5, ОАО завод ЖБИ-2, АО Амурка-бель (табл. 4,5).

Табл. 4

Планирование объемов производства с учетом выбросов в атмосферу

Предприятия Плановый объем (т) Расчетные выбросы (т/год)

ЭЮг СО БО

АО Хабаровский завод отопительного оборудования 55743 279,22 2860,8 19,74

ЗАО Хабаровский картонно-рубероидный завод 49008 116,32 236,98 30,26

АО Хабаровский завод алюминиевых конструкций 28743 89,42 116,29 13,24

Завод стройматериалов ДВЖД 52623 234,42 1541,30 16,24

АО Хабаровский завод ЖБИ-5 720345 312,24 2437,35 25,67

ОАО Хабаровский завод ЖБИ-2 584050 340,20 2762,12 21,34

АО Амуркабель 27344 63,75 105,93 12,42

Оптимизационные расчеты выполнены для случая отыскания экстремума выпуска продукции при выполнении требований по качеству выбросов в атмосферу и водную среду. Из полученных данных видна необходимость исключения варианта плана выпуска продукции, представленного таблицей 5, в связи с тем, что ограничения по выбросам в воздушную среду являются более жесткими.

Разработанные на основе рассмотренных рекомендаций производственные программы обеспечивают экологическую безопасность региона, однако они не всегда могут являться окончательными, так как могут не соответствовать директивным установкам и возможностям производства. Следовательно, необходимо предусмотреть возможность корректировки полученных ранее решений. При этом вносимые изменения (не усиливающие техногенное давление на среду) должны быть выполнены с учетом взаимных интересов предприятий-партнеров

Табл.5

Планирование объемов производства с учетом водных загрязнений

Предприятия Плановый объем (т) Расчетные выбросы (т/год)

Углеводо -роды-масла Ксилол Уайт-спирт Сольвен т

АО Хабаровский завод отопительного оборудования 69454 1,84 18,71 1,12 50,484

ЗАО Хабаровский картонно-рубероидный завод 58792 1,93 16,54 1,02 47,54

АО Хабаровский завод алюминиевых конструкций 39465 1,65 19,24 0,97 43,20

Завод стройматериалов ДВЖД 61649 1,67 17,84 1,03 45,44

АО Хабаровский завод ЖБИ-5 985410 2,06 19,45 1,34 53,15

ОАО Хабаровский завод ЖБИ-2 764472 2,79 22,74 1,29 61,39

АО Амуркабель 38542 0,87 12,75 0,96 39,19

Это может быть выполнено путем разработки экологического соглашения между предпринимателями-инициаторами. В рамках такого соглашения любое предприятие может заключить сделку, преследуя либо уменьшение платежей за необеспеченные разрешениями выбросы, либо создание запаса разрешений на выбросы. В исследовании предлагается разработку экологического соглашения разбить на две последовательно выполняемые процедуры.

К первой из них относится поиск предприятия партнеров. В качестве партнеров могут быть одно, два и большее число производственных предприятий, которые будут заключать сделки Выбор партнера для заключения сделки определяется набором альтернатив повышения собственных выбросов предприятия и получения выгод, затратами на снижение выбросов будущего партнера по сделке.

На втором шаге должно быть подготовлено эколого-экономическое обоснование сделки, которое предполагает изучение множества возможностей при заключении сделки для будущих партнеров, а также построение пространства допустимых сделок, в виде пересечения двух пространств- экологически допустимых и экономически приемлемых сделок Математическая постановка рассматриваемой задачи следующая.

Каждое предприятие планирует повысить свои выбросы на фиксированную величину. Пусть ¡-ое предприятие (И, ..., п) планирует повысить свои выбросы на величину Хо и интересуется возможностью других производственных предприятий по снижению их выбросов, п - число возможных партнеров. Обозначим за х, снижение выбросов конкретного вещества на ¡-ом предприятии, которые могут являться как непрерывными, так и дискретными величинами.

Основным условием выбора партнеров является учет необходимости эффекта компенсации ухудшения экологической ситуации, которая является следствием повышения выбросов инициатором-предприятием. Пусть ........ хп) - вектор экологической допустимости стратегии снижения выбросов, который является экологическим ограничением. Предположим, что а,) - вклад предприятия в загрязнение каждой конкретной контролируемой ¡-ой точки (]=1,..., т) и он известен.

Это означает, что при увеличении ¡-ым предприятием выброса на единицу загрязнение в точке ) возрастает на а,,. В общем случае а,, может быть вектором. Зная а,, и х, для каждого предприятия, можно вычислить суммарный вклад выбросов, который равен ¿а,х, Примем в ка-

1=1

честве Э) экологический императив в точке ] после изменения выбросов предприятий. Тогда критерий экономической допустимости определится

как.

п

-х,) + а0)(х° +х0)<8,

1=1

где: (х°-х,) -выбросы; х° - начальное значение выброса; (х0+х0) -выбросы предприятия-инициатора с начальным выбросом х° и величиной возрастания выброса х0; а0] - коэффициент влияния предприятия-инициатора. Условие по экологии может варьироваться при выполнении следующих требований:

а) не ухудшения исходного состояния среды в контрольных точках

^¿а,*.0 0=1.....т),

1=0

б) поэтапного улучшения состояния окружающей среды:

=(1-Ь|)^а|)х, (0<Ь)<1),

1=0

где Ь, - коэффициент "экологической жесткости", зависящий от исходного уровня загрязнения в каждой точке Примем за О - лимит суммы денежных средств (заранее определенный предприятием-инициатором) на дополнительный выброс х0. Тогда критерий экономической целесообразности возможной экологической сделки определится в виде:

1=1 1=1

где с1,(х,) - функция затрат /'-го предприятия на снижение его выбросов (может быть дискретной, зависящей от конкретного мероприятия), Л, -

п

ставка платежа за выбросы производственных предприятий, £ Л,х, -

1=1

экономия затрат предприятий, снижающих выбросы, вследствие уменьшения платежей за них.

Система критериев экологической допустимости и экономической це-

лесообразности является базовой математической моделью, на основе которой решается задача выделения группы производственных предприятий для совершения между ними эколого-экономической сделки. Эту группу можно обозначить через С(х,) = {0<1<п:х,>0}, где х, - партнер сделки Пусть х, входят линейно в математическую модель Тогда воспользовавшись алгоритмом Н В Черниковой для вычисления общей формулы неотрицательных решений системы линейных неравенств, получим множество решений

Множество решений (в линейном случае) представляют выпуклый острый конус. Алгоритм позволяет определить векторы у,, лежащие на ребрах этого конуса. Эти векторы являются допустимыми стратегиями, причем представимы выпуклой комбинацией таких векторов Отсюда С(х,), где Х| - допустимая стратегия, может быть получена как группа С(у,), где у, - один из векторов, лежащих на ребрах конуса неотрицательных решений.

В ходе расчетов по отысканию группы производственных предприятий для совершения между ними эколого-экономической сделки могут быть случаи отсутствия стратегии снижения выбросов х^ удовлетворяющей критериям экономической целесообразности и экологической допустимости при заданном объеме увеличения выбросов хо, сумме й и функциям затрат с1(х,) Для таких вариантов в диссертационной работе предлагается упрощенный подход к заключению сделки

Суть его заключается в том, чтобы выяснить предприятию-инициатору - на какую величину дополнительного выброса хо оно может заключить сделку при приемлемости результатов экологического соглашения для всех участников. Пусть известны: с1(х0) - функция затрат предприятия-инициатора на снижение своих выбросов; 0(Хо) - функция затрат, которые предприятие-инициатор готово понести за дополнитель-

ный выброс хо ■ Желание на сделку будет, если D(x0)<d0(x0)-A0 Хо> гДе Ло - ставка платежа за единицу выброса. В этом случае эколого-экономическая модель принимает вид

¿d.ix.J-^A.x,-D(x0)<0,

1=1 i.i

^а.Сх® -x,) + a,(xS + x0)<Sr Соотношение между D(Xq) и do(xo)~Aox° однозначно неопределенно и зависит от хо. Поэтому на практике возможны различные стратегии природоохранного поведения предприятия-инициатора, включающие регулирование выбросов собственных или выбранных производственных предприятий-партнеров по экологической сделке.

После отыскания множества стратегий G предприятия-инициатора по регулированию квот (экологически допустимых и экономически приемлемых) на завершающем этапе необходимо получение нижней оценки затрат на снижение выбросов по каждой такой группе производственных предприятий. Определение таких оценок дает возможность управленческому персоналу выбирать для реализации наиболее приемлемую стратегию G. Для решения задачи на минимизацию затрат по выбросам при заданных экологических ограничениях в работе предлагается модель:

Е с,(хо - х?) -> min, mix о - х, хо + хо) £ S,, в которой- q i - затраты на снижение выбросов предприятием; ^ ( -функция, определяющая степень загрязнения, причиняемого выбросами (хо-Х'Хо + Хо) в контрольной точке; хо - параметр. В этой модели переменные могут быть дискретными, а функции ф невыпуклыми. Это оправдано, т.к. на первом этапе ставится грубая задача - указать перспективные группы производственных предприятий для сделки, а на втором -

проводится анализ возможностей каждой группы, требующий максимально адекватного представления экологических ограничений и функций затрат Последний шаг выработки экологического соглашения - выбор стратегии в на основе нижних оценок затрат по каждой из рассматриваемых групп предприятий На основе рассмотренной методики перераспределения квот между производственными предприятиями разработана программа на ПЭВМ, выполнены экспериментальные расчеты (рис 3) Анализ полученных результатов показал эффективность подготовки оптимизированных экологических соглашений В сравнении с существующей практикой управленческому персоналу удается готовить взаимовыгодные договоренности о перераспределении квот на выбросы

При этом в максимальной степени учитываются возможности производства по выпуску продукции и экологические требования по выбросам. Апробация предложенной методики формирования экологических соглашений на предприятиях г. Хабаровска и г. Комсомольска позволила предприятиям-инициаторам в большинстве случаев сохранить объемы производства и свести к минимуму дополнительные финансовые затраты, обусловленные перераспределением квот на выбросы.

Планы выпуска промышленной продукции предприятиями региона, разработанные с учетом требований экологии и откорректированные на основе перераспределения квот предприятий, в ряде случаев не могут быть приняты к выполнению Это связано с тем, что техногенное давление на окружающую среду производственными предприятиями, как правило, является нестационарным. Статистический анализ распределения выбросов во времени на примере предприятий г. Хабаровска и г Комсомольска выявил, что коэффициент вариации, характеризующий степень ритмичности выбросов, составляет, в среднем, 0,7 - 1,6. Это приводит к тому, что в некоторые периоды времени может иметь место значительное превышение фактических выбросовГГ

библиотека I

С. Петербург [

•э »1 т '

Ввод исходных данных (й,Д и, т)

О*- 1>

да

т п / \ ИЪщух!—х<) 7=11=1

да = 1.

Предприятия-партаеры по эколого-эконо-мической

сделке

Е Еду {х, - л) + ао, (хо + хо) ,=1,=1

Рис. 3. Блок-схема разработки экологического соглашения

Чтобы полностью исключить пиковые сбросы загрязнений, большие допускаемых, необходимо внутрипроизводственное календарное планирование осуществлять также с учетом экологических факторов Это означает, что при разработке календарных графиков производства следует обеспечивать соответствие расчетных выбросов регламентированным Ь, не только в целом в рамках планового периода, айв каждый заданный временной интервал этого периода

В работе предлагается следующий подход к формированию производственных календарных программ с учетом экологии. Вначале в внутрипроизводственные календарные расписания закладывается минимальная интенсивность выполнения технологических процессов с целью обязательного соблюдения заданных ограничений по регламентируемому спектру выбросов Затем ставится задача отыскания таких режимов интенсифицирования производственных процессов, при которых обеспечивается формирование календарных производственных программ минимальной продолжительности выполнения с соблюдением заданных ограничений по выбросам.

Для отыскания оптимальных режимов интенсифицирования производственных программ используем ориентированный граф (сетевую модель). По каждому производственному процессу (работе сетевой модели) назначим следующие данные- с11) - минимально-возможное время выполнения процесса ц; - максимальная временная оценка процесса у;

С<0) - объем выброса С в единицу времени при продолжительности выполнения процесса (рис. 4).

Оптимальное интенсифицирование заключается в отыскании для \/ц производственного расписания продолжительностей Х|(, находящихся в заданных пределах с!,, <х,, <0,г которые бы обеспечили получение ка-

лендарной программы заданной продолжительности Тпп с минимальным увеличением суммарных выбросов То есть требуется, чтобы:

IJSC

ije£ чес

где - множество работ расписания. Следует отметить, что на

каждом этапе интенсифицирования необходима проверка на отсутствие превышения максимального значения эпюры выброса над заданным. Если при очередной итерации, соответствующей ТРас>Тпл будет достигнуто такое превышение - это означает, что план может быть получен только минимально-возможной продолжительности (Трас ), а не заданной.

Оптимизационные расчеты по интенсифицированию производственного расписания предприятия должны выполняться для всех выбросов, по которым имеются ограничения. К реализации принимается расписание с большей расчетной продолжительностью, т.е. производственный план, корреспондирующийся с наиболее строгими экологическими ограничениями. Методика отыскания наиболее выгодных вариантов интенсифицирования календарных производственных программ с учетом экологических факторов заключается в следующем:

1. Продолжительности всех производственных процессов расписания назначаются равными максимальным временным оценкам, т.е. XI( = D(

для V,j е £.

2. Определяются по Vy раннее начало Т?-У , позднее окончание , полный резерв R„ с учетом директивного срока выполнения программы производственного предприятия Тпл, где: T£-,H:=maxt из \/t ведущих к i; Т"-° := Тпл - max t Из Vt, ведущих к j; R(J = Т"° -Т,р" -Ху.

3. Формируется сетевой поток, представленный работами критического пути с наибольшим отрицательным резервом РтаХтах, и являющийся подмножеством исходной сетевой модели.

4. Формируется двойственная сетевая модель по правилам указыва-ния всех вариантов пересечения потока.

Б„

Рис. 4. Определение оптимального варианта интенсифицирования на графоаналитической модели

5. Указываются продолжительности работ двойственной сетевой модели, равные С,.

6. Выполняется расчет двойственной сетевой модели на минимум с целью выявления кратчайшего пути пересечения потока.

7. Определяется максимально возможная величина сокращения:

ду т!п. т1п(х„-с1„)

ДХ=гтнп^(

|К тахтах | |Нтах

где (х,,-с1,) - резерв сокращения ); (ЯтахтахНЯтах! - резерв критичности (ркр); ктах- максимальный подкритический путь.

8. Рассчитывается цена сокращения £Ау,,= ДХ£с,,.

9. Уточняются значения выбросов с,, по производственным процессам, подвергнувшихся интенсифицированию-

С„АХ

С, = С» + Л С, = С, + = С,

Х||

X,

10. Выполняется проверка на отсутствие превышения максимального значения эпюры выброса ЬГ13* над заданным Ь,. При (Ь|тах-Ь()>0 оптимизационные вычисления завершаются с получением плана минимально-возможной продолжительности Т рас

11. Проверяется соответствие расчетного срока календарного графика Трас плановой дате окончания производственной программы Тл. При Тпл = Трас оптимизационные процедуры завершаются. В случае Трас > Тпл выполняется переход ко второму пункту методики.

Разработанная методика, являясь графоаналитической, отличается наглядностью и простотой оптимизационных технологий. Однако при ее реализации на ЭВМ имеются некоторые трудности автоматизированного формирования двойственного сетевого графа и отыскания наиболее выгодного сечения на первичной сетевой модели. Поэтому для машинной реализации оптимизационные технологии, направленные на интенсифицирование производственной программы предприятия, выполним в рамках двойственной задачи параметрического линейного программирования.

Для этого поставим выше указанным ограничениям в соответствие

следующие неотрицательные переменные д,,, Ь,, и V. После преобразований задача интенсифицирования расписания принимает вид-

В данной постановке организационно-технологическая модель производства работ интерпретируется как транспортная сеть, ветви которой соответствуют работам, а узлы - событиям модели. Начальное событие сетевой модели становится источником, а целевое - стоком транспортной сети. В итоге задача оптимального интенсифицирования заключается в определении потока минимальной стоимости в транспортной сети. При этом

условия оптимальности имеют вид: Т,'0'= 0, Тп'0'= Л,

Алгоритм поиска оптимальных режимов интенсифицирования календарной программы производственного предприятия заключается в последовательном отыскании значений Ь, т|°\ удовлетворяющих условиям оптимальности для убывающих значений Л, после чего по формуле х|} =тт{оц,Т;(о)-Т|(о)} определяются значения х,,к. В блок-

схеме оптимизационного алгоритма (рис. 5) использованы следующие обозначения: ¡*(П - закодированное событие; ¡"0") - незакодированное событие; {Щ} - код события, где ! - номер предшествующего события, а О, - вторая часть кода; а,л =ЭЧ (резерв критичности);

ац2 - ^к + ~ (резерв сокращения).

В первом блоке алгоритма вычисляется т|°) = тах{т/0' + 1ц = О-

Во втором блоке алгоритма определяется возможность сокращения

М-1с1Дк -»гтйп ,

0<Гк <С||к,к = 1,2

ук

^к +Т<0) <0 >^, с!|)к + Т,'0' -Т^0' > 0 > с

продолжительности выполнения календарного производственного плана. Начальному событию присваивается код {0,~}, Затем последовательно просматриваются все работы, имеющие предшествующие события Если для этих работ выполняется условие а,,2 = 0, то последующие события получают код {¡, •»}.

После окончания кодирования начинает работать третий блок алгоритма. Проверяется наличие кода у конечного события. Если оно получает код {к,«}, то это означает, что дальнейшее сокращение продолжительности выполнения производственного расписания невозможно, так как все работы, лежащие на критическом пути, выполняются за время с1ц. Если конечное событие кода не получает, начинает работать четвертый блок алгоритма.

В нем все события модели последовательно просматриваются и кодируются по следующим правилам

Пусть I - некоторое закодированное, но еще не рассмотренное событие с кодом {±к, "}. Тогда: а) если существует незакодированное событие | такое, что для работы М выполняются условия ау1 ~ 0> ^ < Су. то событие j получает код {¡,0,}, где О, =ггпг{ц,(^ б)

если существует незакодированное событие такое, что для работы \ - ] выполняется условие а,)2 = 0, то событие ] получает код {¡. О,}; в) если для некоторого незакодированного события условия "а" и "б" не выполняются, то событие} кода не получает.

Пусть \ некоторое нерассмотренное событие, не имеющее кода, в то время как событие ] имеет код { ±к,0,}. Тогда: а) если для работы \ - \ выполняются условия ^ > с,,, аЧ2 = 0, то событие I получает код {- ],0,}, где О, =ггиг{<3,сч б) если для работы ¡-] выполняются условия I, > 0, а,р = 0, то событие \ получает код {- Щ}, где О, =ггиг(сЦ;); В) событие \ остается незакодированным, если условия «а» и «б» не соблюдаются.

| Определение

Т1=0; ^=0

VI Изменение потока

по Э, и его по коду{±, }

у работы^

изменяется %

VII Изменение "1]<0) Для г

для А1=([|* о Т а,1 < 0 или а,2 <0)

А2=([Г,Пао>0)

найти д = гг»п(-ам1) 1 А, 4'

Д2=тИ-ар)

ЛТ = т1п(д11Л2,Дз)

дляГТ(о) = ТМ_ЛТ

О

II Кодирован ие событий

:= {О.оо} далее для [I , \ ] при ац2=0 в, := {■.«}

*

IV Кодирован ие событий

дпяр*Л дляр'.П

а)при гц|1=0 С)ПрИЭ)2=0

где С}=т'п(0,с^,) где а=гп п(Ч^гОв

Ь) при с)) при а,1=0

а:=на}

где 0=тп(Р^1|)

IX Определение х

Рис. 5. Блок-схема алгоритма отыскания оптимальных режимов интенсифицирования производственного расписания

Результатом работы четвертого блока алгоритма является получение или неполучение конечным событием кода типа {+k, Qn}. Проверка наличия кода у конечного ссобытия выполняется в пятом блоке алгоритма. После получения конечным событием кода начинает работать шестой блок. Вторая часть кода, получаемого конечным событием, на первом шаге будет равна минимальному значению Су на работах критического пути.

На последующих шагах - разнице между "ценой" сокращения на предыдущем шаге и вновь полученной ценой. ^

Значение Q„ прибавляется (при обратном кодировании - вычитается) к значениям f,, по всем работам, лежащим на критическом пути. Для этого события просматриваются от конечного к начальному. Первая часть кода j-ro события определяет i-e событие работы, по которой и выполняется действие f,, ± Qn. По достижении начального события начинает работать четвертый блок алгоритма.

Если в пятом блоке алгоритма устанавливается, что конечное событие кода не имеет, в работу включается седьмой блок алгоритма. Конечное событие остается незакодированным в том случае, когда для одной или *

нескольких работ будет иметь место равенство c,¡=fr Это означает, что ни одно из условий кодирования событий, определяющих данные работы, не удовлетворено и одно из событий по каждой из этих работ остается незакодированным.

Далее определяется возможная величина сокращения продолжительности работ, лежащих на критическом пути. По работам, имеющим одно незакодированное событие, сравниваются резервы критичности и резервы сокращения. В блоке VII А, - это множество работ, у которых закодированы только предшествующие события, А2 - множество работ, у которых закодированы только последующие события. Минимальное значение резерва по этим работам и определит величину со-

кращения (AT). Эта величина вычитается из наиболее раннего ожидаемого времени свершения всех незакодированных событий В восьмом блоке алгоритма полученное значение Т^ сравнивается с заданной продолжительностью выполнения плана Тп. Если < Тп, то работа алгоритма заканчивается. Если Т^ > Тп, начинает работать второй блок, так до тех пор, пока не будет достигнуто Т^ < Тп или пока конечное событие сетевой модели не получит код типа {к,оо}. В девятом блоке определяется продолжительности X(J в оптимальном плане.

Предлагаемая методика позволяет не только разрабатывать производственные программы заданной продолжительности с минимальными суммарными выбросами, но и выравнивать их эпюру. Это наглядно видно, если сравнить исходную и оптимизированную эпюры выбросов, представленные на рис. 6.

Выбросы

261-------------------

24_ _____ ____ _ _-— —--—

22____2 'г^___II___Ц__^^J_

|Г допу :ка( мы; выбросы

20-------------------

18--;--------------

jg__1 ^_________э[1Ю](а_в j6iocob_b__

14 j- 15 / оптими'ирс ваь но>:

12------1---------Н-----

10---1-------10-----,--

8--------------------

^__5____исходная эпюра вы(>ро< ов________j__

.---( Г.тр= 161) —

4-------------------

2-------------------

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

Дни

Рис. 6. Эпюры выбросов

2 1

I """ Д' >пу :кае мы ; вь [бр >сы

1 У

1 ) 1 1 7 э 1Ю| ia в >i6p О со в в

14 г 15 ПТУ ми: ирс ваь НОЛ

12 Р асп пса ши (К, ер ~ 1.2

10

N 4 ис ход пая чпь )ра Rhlf >ро( ов

(/ пер = 1 61)

Анализ календарных производственных графиков предприятий промышленной зоны г. Хабаровска показал, что применение методики оптимального интенсифицирования расписаний с учетом экологических нормативов обеспечивает формирование расписаний с сроками реализации производственных программ, среднем, на 17-22 % меньшими, чем при решении аналогичной задачи другими методами. Это дает возможность, промышленным предприятиям разрабатывать экологически сбалансированные программы с минимальным снижением объемов производства.

Экологическая безопасность производственных предприятий во многом зависит не только от выработки рациональных производственных программ, тесно увязанных с требованиями экологии, но и от того, насколько на практике будут соблюдаться выработанные рекомендации. Поэтому необходима разработка информационной системы обеспечения экологической безопасностью производственных предприятий в регионе.

Основу первой очереди такой информационной системы, по нашему мнению, должны составить такие автоматизированные рабочие места (АРМы) как: АРМ планирования продукции (АРМ ПП), АРМ разработки экологических соглашений (АРМ ЭС), АРМ внутрипроизводственного планирования (АРМ ВП), АРМ учета и контроля выполнения плановых решений (АРМ УК).

В рамках АРМа ПП должны решаться вопросы планирования выпуска промышленной продукции в регионе с учетом экологии. При этом программная реализация должна охватывать следующие постановки задачи планирования выпуска продукции: а) максимизация объемов производства при выполнении требований по качеству выбросов в окружающую (воздушную и водную) среду; б) формирование планов производства с допустимыми режимами техногенного давления на окружающую среду и с минимальными затратами на очистные сооружения.

АРМ ЭС должен обеспечивать возможность корректировки предварительно сформированных производственных региональных программ с учетом взаимных интересов предприятий партнеров и при безусловном выполнении экологических ограничений по всему спектру выбросов На АРМ внутрипроизводственного планирования возлагается задача формирования и оптимизации календарных графиков выпуска продукции, обеспечивающих исключение пиковых выбросов загрязнений, больших допускаемых, не только в целом в рамках планового периода, айв каждый заданный временной интервал этого периода

На АРМ УК возлагается автоматизация учета и контроля выполнения плановых решений. Выходная информация АРМа УК необходима для принятия управленческим персоналом своевременных и адекватных решений по поддержке или корректировке ранее принятых рекомендаций информационной системы обеспечения экологической безопасности производственных предприятий.

В работе предлагается двухуровневая региональная информационная система обеспечения экологической безопасности производственных предприятий (рис. 7), верхний уровень которой занимает орган управления безопасностью (соответствующие подразделения краевой администрации) На этом уровне функционируют АРМ ПП, АРМ ЭС, АРМ УК Они используют в своей работе общую базу данных предприятий края для решения задач обеспечения экологической безопасности производства, которая хранится на сервере. На нижнем уровне действуют производственные предприятия региона. В их распоряжении имеются АРМы внутрипроизводственного планирования. Предусмотрена возможность взаимодействия информационной системы обеспечения экологической безопасности предприятий Хабаровского края с соответствующей системой федерального уровня.

Представленные в работе результаты исследований получили высо-

кую оценку Хабаровской краевой администрации В 2006 г планируется начать разработку первой очереди информационной системы обеспечения экологической безопасности края, которая будет основываться на предложенных в диссертационной работе рекомендациях На начальном этапе предполагается применить информационную систему для наиболее крупных производственные предприятий г. Хабаровска, г. Комсомольска, г. Амурска, г. Советской гавани, п. Ургала, п. Николаевска.

IÔL_

Сервер ИС федерального уровня

АРМ ПП

Si

Internet

АРМы ВП производственных предприятий края

Разделяемый принтер

М°дем Сервер ИС

J_ Хабаровского

края

АРМ УК

Разделяемый плоттер

Разделяемый Администратор факс

Рис. 7. Схема информационной системы обеспечения экологической безопасности предприятий Хабаровского края

По результатам исследования можно сделать следующие основные выводы:

1. Интенсивность и рост масштабов экологических проблем обуславливают выработку новых подходов к планированию и управлению производственной деятельностью предприятий. Особую остроту эта проблема принимает для Дальневосточного региона в связи с неравномерным размещением производительных сил на его территории, с севера на юг, а также различным уровнем освоенности. Существующие методы планирования и управления производственной деятельностью предприятий с учетом экологических факторов не позволяют получать качественные и достоверные рекомендации по улучшению экологической обстановки на предприятиях и в регионе

2. Только на новой математической основе и при системном рассмотрении задач планирования и управления производством можно успешно решить сложную экологическую проблему. Поэтому в диссертационной работе разработан комплекс математических моделей и методов для решения вопросов экологической безопасности производственных объектов, включающий взаимоувязанное решение основных задач управления производственной деятельностью предприятий с учетом экологии.

3. Учитывая сложность решения поставленной проблемы в целом, в исследовании предложено последовательное формирование планов производства, обеспечивающих экологическую безопасность предприятий. Вначале ставится задача обоснования допустимости размещения экологически опасного предприятия. Затем - разработка программ выпуска продукции в регионе, обеспечивающих минимальное техногенное воздействие на природную среду. Третья задача направлена на решение вопросов развития производства за счет выработки рациональной стратегии квотирования На завершающем этапе осуществляется формирование и оптимизация календарных производственных программ предприятий с учетом экологических ограничений.

4 Для научного обоснования допустимости размещения экологически опасного производства в заданной местности в исследовании подготовлены рекомендации по определению безопасности предлагаемого варианта экологически опасного технологического процесса, оборудования, системы и т.д., в целях определения вероятности возникновения аварийных ситуаций и выявления узких мест, в наибольшей степени влияющих на безопасность системы.

5 Это позволяет оптимизировать стратегию технического обслуживания технологического оборудования экологически опасного производства, а также прогнозировать последствия и возможные аварии на данном производстве, осуществить подготовку методики планирования защитных мероприятий, направленных на защиту населения и окружающей среды от воздействия вредных выбросов, которые могут произойти в результате аварии.

6. Предложена новая математическая модель и оптимизационная методика решения задачи планирования выпуска продукции промышленными предприятиями региона, базирующаяся на симплекс-методе линейного программирования, которая позволяет максимизировать объемы производства при соблюдении заданных параметров природопользования и наименьших суммарных денежных вложениях в природоохранные мероприятия.

7. Решение задачи планирования выпуска промышленной продукции в регионе с учетом экологии в диссертационной работе предлагается как для случая максимизации объемов производства при выполнении требований по качеству выбросов в окружающую среду, так и для варианта, предусматривающего формирование планов производства с допустимыми режимами техногенного давления на природу и минимальными затратами на очистные сооружения.

8. Предложенные рекомендации по планированию промышленной

продукции предусматривают выполнение оптимизационных расчетов с учетом ограничений по выбросам в атмосферу и по водным загрязнениям На заключительном этапе принятия программ производственных предприятий предусмотрена процедура сопоставления предварительно сформированных планов выпуска продукции предприятий, синхронизированных с их ресурсными возможностями, директивными установками и др., с вариантом плана производства продукции в регионе, удовлетворяющего ограничениям по всему спектру выбросов.

9 Экспериментальные расчеты по планированию объемов производства, выполненные в работе, показали, что на половине анализируемых предприятиях Хабаровского края предварительные планы выпуска промышленной продукции (разработанные без учета экологических требований) необходимо снижать, в среднем, на 43%. Каждое третье предприятие региона должно либо сократить объемы выпуска продукции почти вдвое, либо вложить существенные капитальные вложения на ввод в действие новых или реконструкцию действующего очистного оборудования. И только на 12% рассмотренных предприятиях производственные программы соответствуют ограничениям по экологии.

10. Подготовленные на основе рассмотренных рекомендаций производственные программы не всегда могут быть приняты к реализации, так как они могут не соответствовать директивным установкам или возможностям производства Следовательно, необходимо предусмотреть механизм корректировки полученных ранее решений. При этом вносимые изменения (не усиливающие техногенное давление на среду) должны выполняться с учетом взаимных интересов предприятий-партнеров.

11. В работе предусмотрена математическая модель и методика перераспределения объемов производства между предприятиями в регионе, позволяющие заключать взаимовыгодные экологические соглашения. В рамках такого соглашения любое предприятие может подготовить

сделку, направленную либо на уменьшение платежей за необеспеченные разрешениями выбросы, либо на создание запаса разрешений на выбросы. Разработку экологического соглашения предлагается разбить на две последовательно выполняемые процедуры, первая из которых заключается в поиске предприятием партнеров. На втором шаге подготавливаются эколого-экономические обоснования сделок и выбирается наиболее приемлемая стратегия перераспределения квот на выбросы.

12. Выполненный в работе статистический анализ распределения выбросов во времени предприятий Дальневосточного региона выявил нестационарный характер техногенного давления на окружающую среду. Коэффициент вариации, характеризующий степень ритмичности выбросов, составляет для большинства предприятий, в среднем, 0,7 - 1,6. Это означает, что при разработке календарных графиков производства следует обеспечивать соответствие расчетных выбросов регламентированным не только в целом в рамках планового периода, айв каждый заданный временной интервал этого периода.

13. В работе предлагается графоаналитическая модель и оптимизационная методика формирования производственных календарных программ с учетом экологии, позволяющие отыскивать режимы интенсифицирования производственных процессов, обеспечивающие получение расписаний минимальной продолжительности выполнения с соблюдением заданных ограничений по всему спектру выбросов. Предлагаемые рекомендации позволяют не только находить оптимальные режимы выполнения производственных процессов, но и одновременно выравнивать эпюру выбросов.

14. Рассмотренные математические модели и методы составляют основу для проектирования информационной автоматизированной системы управления экологической безопасностью предприятиями Хабаровского края Предлагается в состав первой очереди информационной

систем ввести следующие автоматизированные рабочие места- АРМ планирования продукции (АРМ ПП), АРМ разработки экологических соглашений (АРМ ЭС), АРМ внутрипроизводственного планирования (АРМ ВП), АРМ учета и контроля выполнения плановых решений (АРМ УК)

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Загородский В Н., Шалягин Г.Л. Планирование выпуска продукции с учетом экологических факторов. - Материалы научно-практического семинара "Новые информационные технологии в управлении на транс> порте и организации учебного процесса". Хабаровск: ДВГАПС, 1997. -

с.79-83.

2. Загородский В.Н., Крикунов С С. Нормативы и меры обеспечения экологической безопасности при перевозке грузов по железной дороге// Сб. научных трудов Академии права и управления "Крайний Север: проблемы экологии". - М.: АПиУ, 1999. с 57-64.

3. Загородский В Н. Разработка эколого-экономических соглашений * между предприятиями. - Сб. тезисов докладов научно-технической конференции "Повышение эффективности работы железнодорожного

» транспорта Сибири и Дальнего Востока". Часть 3. - Хабаровск: ДВГУПС,

1999. - с.92-96.

4. Дудников А Н., Загородский В Н. Техногенные смоги// Сб. научных трудов Академии права и управления "Крайний Север: проблемы экологии". - М.: АПиУ, 1999. с 112-116.

5. Дудников А.Н., Загородский В Н., Сафронеев H.H. Остановить деградацию биосферы// Сб. научных трудов Академии права и управления "Крайний Север- проблемы экологии". - М ■ АПиУ, 1999. с 131-135.

6. Загородский В.Н., Федоренко Е.В Графоаналитическая методика внутрипроизводственного календарного планирования. Материалы 43-й

Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки "Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности", ДВГУПС, Хабаровск, Изд-во ДВГУПС, 2003. - с.81-84.

7. Гончарук А.П., Клыков М.С., Загородский В Н., Емельянов P.E., Щеглов A.A. Проблема ресурсного обеспечения строительства и реконструкции транспортного объекта// Методы моделирования организации и управления в строительном производстве: Межвузовский сборник научных трудов, вып. 976, М„ МГУПС, 2004 - с.72-85.

8. Спиридонов Э.С., Гончарук А.П., Винницкая Т.П., Загородский В.Н. Определение факторов экономической безопасности транспортных строительных предприятий// Методы моделирования организации и управления в строительном производстве: Межвузовский сборник научных трудов, вып. 976, М., МГУПС, 2004 - с. 151-159.

9. Загородский В.Н., Шалягин Г.Л. К вопросу управления риском на производственном предприятии. Материалы IV Международной научно-технической конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке", Хабаровск: ДВГУПС, 2005. -с.114-118.

10. Загородский В.Н. Оценка воздействия на окружающую среду при разработке проектов строительства промышленных объектов и комплексов. Материалы IV Международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке". Хабаровск:: ДВГУПС, 2005. -с.143-148.

11. Полоз В.Н., Загородский В.Н, Малеев А.Н. Математическая модель и методика обоснования допустимости размещения экологически опасного предприятия. Материалы IV Международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке" Хабаровск: ДВГУПС, 2005 -с.186-191.

12 Загородский В.Н Анализ и управление экологическими рисками на производственном предприятии. - Хабаровск, Издательство Дальневосточного государственного университета путей сообщения, 2005 - 5,6 п.л.

Василий Николаевич Загородский

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

ИД № 05247 от 2 07.2001 г. ПЛД N8 79-19 от 19.01.2001 г. Подписано в печать 10 10.05 Печать офсетная Бумага тип № 2 Формат 60х841/,е Усл. печ. л. 3.7. Зак. 125 Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС. 680021, г Хабаровск, ул Серышева, 47

~ л л е с РНБ Русский фонд

^26255 у 4

2006-4

29011