CC BY
17
УДК 528.94 (004.6)
Е.В. Кушникова, А.Ф. Резчиков
КОМПЛЕКС ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ УЩЕРБА ОТ АТМОСФЕРНЫХ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Рассматривается комплекс прикладных программ для минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий.
Минимизация ущерба, комплекс прикладных программ, атмосферные выбросы, промышленные предприятия
E.V. Kushnikova, A.F. Rezchikov
COMPLEX OF APPLIED PROGRAMS FOR MINIMIZATION OF DAMAGE FROM ATMOSPHERIC EMISSIONS OF THE INDUSTRIAL ENTERPRISES
The complex of applied programs for minimization of damage from atmospheric emissions of the industrial enterprises is considered.
Minimization of damage, complex of applied programs, emission of pollutants, industrial enterprise
Введение
В настоящее время в специальной литературе отсутствуют сообщения о проблемно-ориентированных системах управления, осуществляющих регулирование состава и производительности технологического оборудования предприятия с целью минимизации различных видов ущерба, причиняемого его атмосферными выбросами населению, промышленности, сельскому хозяйству, природной среде, а также самому предприятию из-за выплаты экологических штрафов. Причиной этого, на наш взгляд, является отсутствие специализированного информационно-программного обеспечения, позволяющего в режиме реального времени минимизировать ущерб от атмосферных выбросов промышленного предприятия. Для решения данной задачи был разработан комплекс программ, предназначенный для эксплуатации в составе автоматизированной системы управления предприятием [1]. В его состав входят следующие основные подсистемы (рис. 1): сбора, передачи, обработки и хранения информации; определения ущерба от воздействия атмосферных поллютантов; расчета основных характеристик процесса подъема и переноса поллютантов; имитационного моделирования процесса формирования загрязнителей при работе технологического оборудования предприятия; реализации управляющих воздействий. Рассмотрим основные функции каждой из этих подсистем.
Функциональная структура комплекса программ. Подсистема сбора информации используется для сбора, проверки достоверности и занесения в память вычислительного комплекса входной информации решаемой задачи: списка вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу в процессе функционирования промышленного предприятия; наименований производственного оборудования, при работе которого образуются данные вредные вещества; количества рабочих смен, дней работы указанного оборудования; законов распределения дискретных случайных величин, характеризующих моменты включения и выключения производственного оборудования, в процессе функционирования которого образуются вредные вещества атмосферных выбросов; высоты и диаметра дымовой трубы предприятия; метеоусловий и др.
Вся необходимая для решения задачи информация, включая сведения о метеоусловиях по месту нахождения объекта управления, в основном определяется и заносится в память заранее на этапе предпроектного обследования и подготовки предприятия к внедрению разрабатываемой автоматизированной системы. В качестве источников информации выступают службы главного эколога, главного технолога, главного механика предприятия, нормативные документы, стандарты. Кроме того, соответствующая информация может храниться в базах данных АСУП и АСУ ТП предприятия.
Метеоусловия, преобладающие по месту нахождения предприятия, такие как роза ветров, средняя температура атмосферного воздуха, количество дождливых и солнечных дней, скорость ветра на различных высотах, его направление, среднемесячное количество осадков достаточно хорошо известны метеорологическим бюро города и области, ведущими наблюдение за погодными условиями в течение многих десятков лет. Сведения о них могут быть предоставлены по запросу на этапе внедрения информационной системы.
При решении задачи в режиме реального времени на временном интервале [минимально возможный; несколько дней], например, для минимизации ущерба от атмосферных выбросов химического предприятия, производственный процесс которого предусматривает получение, хранение и переработку ядовитых и потенциально опасных веществ, необходимо дополнительно использовать информацию о характеристиках выброса и текущих метеорологических условиях. Данная информация может поступать со стационарного или передвижного пункта экологического контроля, а также из системы АСУ ТП предприятия. Перечень необходимой информации зависит от характера производственного процесса. Так, для стационарного пункта контроля состояния атмосферы (СЭП-1), часто
используемого для мониторинга состояния атмосферного воздуха в г. Саратове и области, список контролируемых параметров приведен в [2].
Рис. 1. Структура типовой автоматизированной системы, реализующей разработанное информационно-программное обеспечение
Возможно также использование оперативной метеорологической информации, предоставляемой службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды федерального уровня или специализированными лабораториями промышленного предприятия.
Подсистема передачи информации предусматривает возможность использования системы SCADA, предназначенной для работы в реальном времени системы сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте экологического мониторинга или управления.
Кроме того, для передачи информации в базу данных от удаленных источников данных, например от пункта контроля состояния атмосферы СЭП-1, предусмотрено использование Internet технологий и Web-приложений.
В этом случае информационное взаимодействие между измерительными устройствами у источников загрязнения и сервером экологического мониторинга выполняется с использованием протоколов семейства TCP/IP и открытых каналов связи Internet. Передача данных о характеристиках выброса сводится к обмену сообщениями в рамках протокола HTTP с применением SSL прослойки. Эта схема информационного взаимодействия упрощает обмен данными и в качестве средств связи позволяет использовать наиболее распространенные типы соединений с Интернет. Роль каналов связи при этом часто выполняют GPRS, WiMAX и ADSL соединения.
Подсистема хранения информации, используемая при решении задачи минимизации ущерба от атмосферных выбросов, является общей для всех задач, решаемых отделом главного эколога предприятия. Хранение информации осуществляется на центральном сервере базы данных АСУ природо-
охранной деятельностью предприятия; для этого, как правило, используется Microsoft SQL SERVER, который гарантирует целостность и сохранность данных, а также обеспечивает корректное выполнение операций ввода-вывода при доступе клиента к информации. Кроме того, на предприятии при внедрении разработанного математического и информационно-программного обеспечения необходимо обеспечить интеграцию СУБД и web-сервера, организующего доступ серверов источников атмосферных поллютантов к центральному серверу. Процедура интеграции серверов данного вида подробно рассмотрена в специальной литературе и не требует дополнительных пояснений [3].
Результаты решения задачи, содержащие рекомендации по изменению состава и производительности технологического оборудования на различных временных интервалах, выдаются на утверждение главному технологу предприятия. Для этого используется комплекс технических средств системы диспетчеризации и автоматизированного управления технологическими процессами предприятия.
Подсистема имитационного моделирования процесса формирования загрязнителей при работе технологического оборудования предприятия предназначена для определения массового и суммарного выбросов атмосферных загрязнителей. Для решения этой задачи используется система имитационного моделирования AnyLogic 7, разработанная на языке программирования Java в популярной среде Eclipse. Данная информационная система должна быть предварительно установлена в составе АСУ промышленного предприятия, в структурных подразделениях которого решается задача минимизации ущерба, причиняемого атмосферными выбросами.
Расчет величины массового и суммарного выброса атмосферных загрязнителей осуществляется с использованием математических моделей для 10 групп технологического оборудования, рассмотренных [4].
Для каждой из групп расчеты выбросов ведутся с использованием: одной из характеристик оборудования, например, по марке станка; удельных эмиссий загрязняющих веществ, приходящихся на единицу массы, длины или объема используемого материала; балансового метода; известной интенсивности испарения поллютантов с единицы поверхности, например, гальванической ванны; методики инвентаризации выбросов, образующихся при производстве радиоэлектронной аппаратуры; методики инвентаризации выбросов, образующихся при ремонте резинотехнических изделий; способа инвентаризации выбросов, образующихся при проведении медницких работ; способа инвентаризации выбросов, образующихся при мойке деталей, узлов и агрегатов; алгоритма определения выбросов пыли во время механической обработки древесины; методики определения выбросов пыли во время перегрузки сыпучих материалов.
В соответствии с общим алгоритмом решения задачи выходная информация подсистемы имитационного моделирования используется при определении концентрации поллютантов в точках контроля состояния атмосферного воздуха, а также при определении величины ущерба от воздействия поллютантов по векторному критерию [5].
Подсистема расчета основных характеристик процесса подъема и переноса поллютантов необходима для определения концентрации загрязняющих веществ на контролируемых территориях. Используемое для расчета математическое обеспечение рассмотрено в [5]. Для расчета характеристик процесса подъема и переноса атмосферных поллютантов необходимо использование среды MATLAB и встроенного высокоуровневого интерпретируемого языка программирования MATLAB.
Входной информацией данной подсистемы является величина массового и суммарного выброса атмосферных загрязнителей промышленного предприятия и существующие на момент решения задачи метеоусловия, выходной информацией - концентрация загрязняющих веществ в различных точках контролируемой территории.
Подсистема определения ущерба от воздействия атмосферных поллютантов предусматривает не только расчет различных видов ущерба, но и его минимизацию по минимаксному критерию или критерию Сэвиджа в зависимости от предпочтений лица, принимающего решения.
При этом реализуются следующие этапы алгоритма минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий: определение ущерба от заболеваемости населения Cf потерь сельского хозяйства Cf2 ущерба от изменения окружающей природной среды Cf3, ущерба из-за ухудшения качества жизни CfA, ущерба предприятия Cf5 ; выбор коэффициентов свертки
m. > 0,i = 1,5, ]Г m. = 1 векторной целевой функции решаемой задачи; формирование скалярной целе-
i=1
вой функции Cfs = mCf после свертки критериев; определение вариантов принимаемых решений
i=1
Е,1 = 1,т, связанных с уменьшением производительности оборудования предприятия; определение внешних условий = 1,п, влияющих на временном интервале А/ на величину ущерба в зоне воздействия атмосферных поллютантов предприятия; выбор способов расчета ущерба от воздействия поллютантов = 1,п,] = 1,т; расчет величины ущерба от воздействия поллютантов
= 1,п,] = 1,т по методике [5]; формирование матрицы решений ||еу||; выбор оценочной функции,
5
применяемой при минимизации С/8 = 2 тС/; минимизация целевой функции в условиях неопреде-
1=1
ленности возмущений окружающей среды с использованием минимаксного критерия или критерия Сэви-джа; выбор оптимального варианта решения Ет об изменении на интервале А/ производительности оборудования промышленного предприятия с целью регулирования концентрации выбросов поллютан-тов С в контролируемых точках; выдача сообщения ЛПР об оптимальном варианте решения Ет с указанием достигаемой концентрации поллютантов в контролируемых точках, величины временного интервала А/ и требуемой производительности оборудования промышленного предприятия.
Подсистема реализации управляющих воздействий предназначена для практической реализации выданных рекомендаций по изменению состава и производительности технологического оборудования предприятия, в процессе эксплуатации которого образуются атмосферные поллютанты. Для этого, как правило, используется диспетчерская служба предприятия. Основные этапы процедуры реализации управляющих воздействий подробно рассмотрены при построении информационно-логических схем решения задачи на химических и машиностроительных предприятиях [5].
Элементы графического интерфейса разработанного программного комплекса приведены на рис. 2.
Рис. 2. Графический интерфейс пользователя программного комплекса
Заключение
В статье рассмотрен наиболее полный вариант комплекса прикладных программ, реализующего разработанные модели и алгоритмы минимизации ущерба от атмосферных выбросов. При его внедрении на конкретном предприятии функциональная структура комплекса программ может быть значительно изменена в процессе его адаптации к эксплуатации в составе промышленных информационных систем, выполняемой в соответствии с рекомендациями [6-8].
ЛИТЕРАТУРА
1. Кушникова Е.В. Информационная система для прогнозирования уровня загрязнения объектов и территорий атмосферными поллютантами промышленных предприятий. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014613229. Заявка № 2014610683. Дата поступления 3 февраля 2014, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 20.03.2014 г. 18 с.
2. ОАО «Лига». Система экологического мониторинга окружающей среды. 15 с.
3. InterSystems Caché [Электронный ресурс]. URL: http://intersystems.ru/cache/ (дата обращения: 11.12.2014).
4. Кушникова Е.В., Торопова О.А. Имитационное моделирование загрязнения территорий выбросами промышленных предприятий // Проблемы управления в социально-экономических и технических системах: сб науч. статей по материалам Всерос. науч. конф. Саратов, 2012. С. 20-23.
5. Кушникова Е.В., Резчиков А.Ф. Задача минимизации ущерба от атмосферных выбросов промышленных предприятий // Информационно-коммуникационные технологии в науке, производстве и образовании ICIT 2014: сб. науч. статей по материалам Междунар. науч. конф. Саратов, 2014. С.124-127.
6. Кушников В.А., Кушникова Е.В. Архитектура прикладного программного обеспечения для формального анализа свойств целей и синтеза критериев управления сложными социальными и экономическими системами // Вестник СГТУ. 2009. Т. 4. № 2 (43). С. 199-201.
7. Соляник Н.А., Кушников В.А. математическое моделирование процесса загрязнения атмосферного воздуха в зоне влияния промышленных предприятий // Вестник СГТУ. 2009. Т. 1. № 1. С. 104-109.
8. Кушников В.А., Резчиков А.Ф., Цвиркун А.Д. Управление в человеко-машинных системах с автоматизированной процедурой коррекции целей // Автоматика и телемеханика. 1998. № 7. С. 168
Кушникова Елена Вадимовна -
аспирант лаборатории № 1 Института проблем точной механики и управления РАН
Elena V. Kushnikova -
Postgraduate
Institute of Precision Mechanics and Control, Russian Academy of Sciences
Резчиков Александр Федорович -
доктор технических наук, профессор, директор Института проблем точной механики и управления РАН, член-корреспондент РАН
Alexander F. Rezchikov -
Dr. Sc., Professor, Director
Institute of Precision Mechanics and Control,
Russian Academy of Sciences
Статья поступила в редакцию 12.07.15, принята к опубликованию 15.09.15
