CC BY
18
УДК 004.94, 528.235
Д. Н. КАДЕЕВ, Т. В. МАКСИМЕНКО
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОТХОДАМИ
Рассмотрены вопросы моделирования процессов региональных систем управления движением отходов на базе геоинформационных технологий и теории графов.
Ключевые слова: геоинформационный мониторинг, математическое моделирование, отходы.
Все производимые виды продукции и услуг оказывают воздействие на окружающую среду на протяжении всего жизненного цикла, начиная от добычи сырья, включая производство, упаковку, использование, и заканчивая размещением отходов или организацией рецикла (повторного использования). Поэтому, в настоящее время в качестве одного из определяющих факторов устойчивого развития региона рассматриваются экологическое состояние региона, эффективное использование природных ресурсов и использование современных подходов экологического менеджмента, а также наличие системы мониторинга региональной системы комплексного управления отходами.
При разработке и внедрении региональных систем комплексного управления отходами особое внимание уделяется вопросам информационного сопровождения процессов ресурсного мониторинга, территориального планирования, моделирования и прогнозирования экологических и организационно-экономических ситуаций. Такие системы призваны решать ряд задач связанных с учётом специфических особенностей процессов управления отходами на уровне хозяйствующих субъектов и регионального промышленного комплекса в целом. Кроме того, эти системы должны быть информационно согласованы с другими региональными системами управления (защиты окружающей среды, развития сырьевой базы, инновациями и т. д.).
Одной из важнейших функций реализуемых такими системами является оперативный мониторинг процессов обеспечения этапов жизненного цикла отходов (от образования до утилизации), а также мониторинг перемещения отходов в рамках региональной транспортной сети.
Вместе с тем следует отметить, что используемые в настоящее время подходы к обеспечению мониторинга процессов систем управления
отходами содержат ряд общесистемных недостатков [1], которые в целом снижают результативность и эффективность процессов мониторинга:
© отсутствует системное согласование оптимизации этапов жизненного цикла отходов и оптимизации пространственной структуры пунктов переработки и утилизации отходов, а также топологии транспортной сети региона;
© при разработке и реализации систем управления отходами (в том числе и генеральных схем очистки территорий) не обеспечивается должный учёт всего комплекса экологических и природоохранных факторов;
• отсутствует удобное визуальное представление оперативной информации о текущих процессах, что, в свою очередь, может существенно затруднить принятие своевременных обоснованных управленческих решений.
Действительно, часто оптимизация региональной схемы обеспечения этапов жизненного цикла отходов (см. рис.1) рассматривается как самостоятельная задача с позиций, прежде всего экономической целесообразности, и уже затем эта схема «накладывается» на существующую транспортную региональную сеть. При этом из-за указанной несогласованности возникают как экономические дополнительные потери, так и значительные экологические проблемы.
Полигон
(утилизация)
Отходы, не по жащис вторич обработке
Предприятие
Строительные отходы
Отходы, не подлежащие вторичной обработке
Отходы, не подлежащие вторичной обработке
Отходы производства
О
Предприятие 2
Перерабатывающее предприятие
Переработанные материалы
о
Предрпятне 1
Д. Н. Кадеев, Т. В. Максименко, 2007
Рис. 1. Схематическое изображение этапов жизненного цикла отходов
40
Вестник УлГТУ 3/2007
Выходом из сложившейся ситуации является обеспечение совместной оптимизации процессов движения отходов, как по этапам жизненного цикла, так и по топологической структуре транспортных сетей региона, включая различные его категории (автомобильный, железнодорожный, воздушный, трубопроводный и т. д.) с целью обеспечения наиболее рационального и безопасного перемещения отходов по различным транспортным сетям.
Для осуществления данной оптимизации необходима общая модель описания этих процессов. Удобным математическим аппаратом для решения подобных задач является теория графов. При этом формальное описание всей транспортной сети можно представить следующим образом. Математически граф 0 = (Х,и) определяется через Х- множество вершин (места образования отходов, свалки, полигоны, дорожные перекрестки и т. д.) и и - множество дуг (участки дорог). Этот математический граф может содержать различные подграфы 0А=(ХА,иА), которые содержат лишь часть
вершин графа С, образующих множество А, вместе с дугами, соединяющими эти вершины. Примерами подграфов служат дорожная сеть отдельных населённых пунктов или районов. Частичным графом С/д = по отношению к
графу £ является граф, содержащий только часть дуг графа С. Частичными графами могут быть железнодорожная сеть региона, сеть магистральных дорог федерального и областного значения, частичный граф траектории жизненного цикла конкретного вида отходов и т. д. [2].
Такая формальная модель описания процессов мониторинга на основе математических графов позволяет учесть разнообразный комплекс факторов и параметров за счёт применения хорошо разработанного аппарата теории графов с использованием известных методов оптимизации, алгоритмов поиска кратчайшего пути, анализа транспортных потоков и т. п.
Каждая дуга такого графа имеет некоторый вектор количественных характеристик: длина участка дороги, скорость движения по этому участку, признак разрешения/запрета движения по участку всем или отдельным видам транспорта, среднее время прохождения участка и время задержки (например, на перекрёстке), коэффициент, увеличивающий или уменьшающий время движения по участку и т. п. Из этих характеристик высчитываются веса 1(и), которые приписываются всем дугам. Соответственно длина пути в виде последовательности дуг
ц = (щ ) вычисляется как сумма
ад =
«ер
При вычислении весов дуг необходимо также учитывать различные возможные ограничения и. в том числе пространственные соотношения элементов транспортной сети с зонами ограничений различной природы:
е ограничения в графе дорог (запрет проезда некоторым вида транспорта по некоторым дорогам или, например, по центру города); • ограничения по типу и объёму отходов; ® ограничения, связанные с типом используемого автотранспорта (запрет проезда по некоторым дорогам, обслуживание клиентов только указанными типами транспорта);
® другие ограничения, которые могут быть
наложены (например, минимальное расстояние
от свалки до населённых пунктов или водных
объектов).
Например, на рис. 2 показано пересечение транспортной магистралью некоторой области с заданным ограничением (экологическим, природоохранным и т. п.) на участке В "С' и возможный путь объезда через пункт £>.
Рис. 2. Наложение графа дорог на зону ограничения
Решение подобных объёмных и сложных задач на региональном уровне возможно лишь с применением современных геоинформационных технологий, которые за счёт хорошо развитого аппарата вычисления суперпозиции различных слоев карты (почвы, реки, населённые пункты и т. д.) и графа транспортной сети предоставляют наглядную визуальную среду управления и оптимизации процессов мониторинга.
Оптимизация задач мониторинга управления отходами в комплексе с другими факторами, влияющими на экологическую и социальную обстановку в регионе, а также средства визуального представления движения отходов на карте региона позволяют существенно повысить качест-
Вестиик УлГТУ 3/2007
41
во принимаемых управленческих решений и оптимизировать движение отходов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кадеев, Д. Н. Геоинформационные технологии экологического мониторинга / Д. Н. Кадеев // Системы надёжности, качества, информационных и электронных технологий: материалы международной конференции и российской научной школы. Ч. 7. Т. 1. - М. : Радио и связь, 2004.
2. Кадеев, Д. Н. Геоинформационная поддержка системы комплексного управления отходами / Д. Н. Кадеев, А. В. Назаренко // Системы надёж-
ности, качества, информационных и электронных технологий: материалы международной конференции и российской научной школы. Ч. 7. Т. 1. - М. : Радио и связь, 2004.
Кадеев Дамир Нуруллович, кандидат технических наук доцент, начальник управления обеспечения качества.
Максименко Татьяна Валентиновна, начачь-ник отдела управления обеспечения качества.
42
Вестник УлГТУ 3/2007
