CC BY
56
КОНЦЕПЦИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ
Профессор МГТУ- «МАМИ», Графкина М. В
В настоящее время техногенные изменения природы влекут за собой нарушение экологического равновесия. Загрязнения воздуха приводят порой к катастрофам, подобным серьезным стихийным бедствиям. Меж-лународный экологический опыт свидетельствует о большом многообра-1ии научно-методических и организационно-технических средств оценки влияния экологических факторов на здоровье человека. При этом определяется связь между существующими уровнями негативного воздействия на элементы биосферы в конкретном регионе и показателями здоровья или состоянием различных систем человека. Рост масштабов негативного воздействия на окружающую среду делает необходимым провеление превентивной оценки и повышение требований к экологической безопасности всех видов промышленной продукции. Приоритеты экологических требований, а соответственно и критерии оценки, менялись во времени и можно выделить три основных этапа:
1.Снижение негативного воздействия на окружающую среду от I ехнологического процесса производства — концепция контроля «в конце трубы
З.Снижение негативного воздействия при выборе технологий - концепция снижения материало- и энергоемкости и создания безотходных [СХНО логин,
3.Снижение негативного воздействия на протяжении полного жизненного цикла продукции - концепция «экологически безопасной прочу кции»
Реализация концепции «экологически безопасной продукции» позволит уже на стадии проектирования любого промышленного изделия произвести выбор по критериям минимального и негативного воздействия на окружающую среду. Для чего потребуется разработка интегральных показателей экологической безопасности, а также совокупных технических и экологических критериев оценки проектируемой продукции. Особенно эффекгивно применение этих критериев при решении задач структурной и параметрической оптимизации при проектировании изделия. Использование среди прочих критериев оптимизации - критерия оценки экологической безопасности позволит обеспечить максимальную •кологическую эффективность новой разработки на всех стадиях жизненного цикла. Обоснованный выбор количественных показателей крайне важен при проведении поиска и оптимизации проектных решений. Такие показатели не только позволяют оценить действительное воздействие на окружающую среду, но и рационально использовать имеющиеся ресурсы для решения поставленной задачи. Общие требования к эколо-
1 ическим показателям промышленной продукции обусловлены основной
462
задачей защиты окружающей среды - снижение негативного воздействия на всех стадиях жизненного цикла. При этом технические характеристики, обеспечивающие заданные условия эксплуатации, должны быть максимально высокими. Следовательно, необходима интеграция экологических показателей в расчеты характеристик промышленной продукции и оптимизация новых разработок по совокупным техническим и экологическим критериям. В каждом конкретном случае необходимо провести научно-исследовательские разработки и предложить научнообоснованные методы повышения экологической безопасности проектируемого изделия.
На основании анализа методов структурного и параметрического синтеза, а также методик интегральной оценки воздействия на окружающую среду предлагается следующий вариант возможной ингегра-ции технических и экологических критериев оценки проектируемого автотракторного оборудования (А'1 Э).
11усть
М.|jr. + лг, г -* min
T{x*y*,x у—• max
- где М\х + х + - математическое ожидание суммы ущерба (вре-
да) от выбросов в атмосферу, сбросов в поверхностные воды или воздействия шума, вибрации, электромагнитного излучения и др. (х - один из негативных факторов - экологический показатель);
7"(jr.vi,дс у;,..jc.v-)- эффективность технических решений, где ху-возможная связь негативных факторов и структурных и параметрических характеристик (> ) АТЭ.
Отсюда выбранные экологические показатели должны не только быть связанными напрямую с воздействием па среду, но и характеризовать эффективность технических решений. Наиболее полно предъязляе-мым требованиям к экологической безопасности АТ') удовлетворяют вероятностно возможные показатели. Данная группа количественных показателей выражает интегральные характеристики сложных систем, в которых процессы и явления, как известно, сопряжены с многочисленными неопределенностями Основными экологическими показателями могут быть различные числовые характеристики случайных и (или) нечетких величин, например ущерба (вреда) от выбросов в атмосферу, сбросов в поверхностные воды или воздействия шума, вибрации, электромагнитного излучения и др. Рассмотрим вариант постановки задачи параметрической оптимизации с учетом экологических показателей на примере электростартера (СЭД).
С математической точки зрения оптимизационные задачи являются задачами нелинейного программирования и формулируются следующим образом.
Заданы соответственно условия, пусть:
..»i (2)
и критерий оптимальности (функции цели)
?(Х), (3)
где X - (лг- х■ ,г. х.). (4)
Требуется найти X, при котором имеет место ттПХ) или тах Г(Х)) и соблюдаются условия (2). Координаты х.,х ,х^..л. вектора X —это независимые переменные, выбираемые при проектировании стартерною элекгродвшателя таким образом, чтобы с учетом ряда заданных или принятых величин (так называемой среды) полностью определить его массу и уровень воздействия на окружающую среду.
Функции (2) ограничивают область поиска оптимального варианта ограничитель поиска).
Таким образом, для выполнения проектного расчета стартерного электродвигателя и выбора оптимального варианта необходимо установить: элементы среды; состав и число независимых переменных; геометрические, технические, технологические и эколо1Т1ческие ограничители; критерий оптимальности; метод поиска оптимального варианта. Постановка оптимизационной задачи является общей независимо от способа расчета. Однако, учитывая ее сложность, следует отдать предпочтение расчетам на )ВМВ качестве функции цели при оптимизации СЭД по экологической эффективности предлагаются технико-экологические интегральные критерии. Таким критерием может служить, например, приведенный коэффициент экологического воздействия, характеризующий воздействие на окружающую среду на стадиях прои зводства активных и конструкционных материалов стартерного электродвигателя. На рисунках 1 и 2 приведены удельные выбросы основных загрязняющих веществ и энергозатраты при производстве материалов электростартера, некоторые данные взяты из источника [3]. Используя абсолютные данные выбросов вредных веществ, невозможно сделать выводы о экологичности предлагаемой конструкции, поэтому обратимся к приведенному коэффициенту экологического воздействия
11 ]. Значения коэффициентов для активных и конструкционных материалов стартера приведены на рис.З. Тогда, если масса машины (кг)
«маш “ «м + т. + тк *1 Де (5)
- суммарная масса проводов обмоток и меди (кг)
- суммарная масса активной стали (кг)
шч - тк> + ткл - масса конструкционных материалов • стали и алюминия соответственно (кг), то можно определить величину технико-экологического критерия оптимальности по ущербу окружающей среде от производства активных и конструктивных материалов как:
+ (6) где К приведенный коэффициент экологического воздействия -суммарный для электростартера, для активной меди, активного железа и конструкционных материалов;
А'< К\ - соответствующие коэффициенты ущерба при производстве меди, стати . апюминия(рис.З).
Дальнейшее научное развитие этого полхода потребует определения приведенных коэффициентов экологического воздействия на стадии производства электросгартера( К ), его эксплуатации ( К ). ремонта и обслуживания (К-, а также рециклирования (К ). Таким образом, величина !ехнико-экологического критерия оптимальности по полному жи.шейному циклу( ^ К ) будет равна:
У К - К 4 К +К. + К. + (7)
Стремление при проектировании к минимизации этого показателя приведет к снижению негативного воздействия на окружающую среду. Но необходимость решения еще одной однокритериальной задачи, да еще и по непривычному критерию, не вызовет понимания у проектировщиков..
Сведение многокритериальной задачи к однокритериальной означает перенос неопределенности из пространства варьируемых параметров в пространство критериев. Источниками неопределенности при этом являются способы нормализации индивидуальных показателей, выбор коэффициентов весомости. Поэтому сформулированная математическая задача однокритериальной оптимизации является не полностью адекватной исходной многокритериальной. Применение даже самых совершенных математических методов для автоматического поиска оптимального варианта в условиях незначительной неопределенности критерия не оправдано, особенно если этот критерий имеет пологие экстремумы, как это характерно для электрических машин. Найденное автоматически единственное «оптимальное решение» может оказаться не лучшим. Поэтому необходимо рассматривать задачи оптимального проектирования как многокритериальные. При этом не следует стремиться к полной автоматизации процесса выбора оптимальных параметров: выбор должен осуществлять проектировщик-исследователь с помощью результатов итерационного пересчета на ЭВМ[2]. 11ри помощи ЭВМ формируется множество допустимых решений, среди которых проектировщик выбирает наилучшие. Полученный при однокршериальной автоматической оптимизации вариант можно использовать как исходную информацию и включать в это множество.
Проектирование реальных объектов с учетом совокупности технических, экономических, экологических и других критериев обычно имеет характер эвристического итерационного процесса, т. е. проектировщик, рассматривая различные варианты машины, оценивает результаты, уточняет постановку задачи, снова решает ее и анатизирует новые вариангы. В процессе проектирования могут меняться взгляды на значимость отдельных критериев. Это продолжается до тех пор, пока проектировщик не выберет наиболее эффективный вариант, который при оптимальных технических параметрах будет способствовать и повышению экологической эффективности, а соответственно и повышению экологической безопасности.
гооо 1воа 16001400 1Z00 1000 f воо 600 i 400 РГЮ I
о—~-
Аэрозоли
□ Сталь 548.6
■ Алюминий Э.82
□ Медь У.24
\L
со
1542.Н
*3.53
N0x SO 2 СхНу
3,46 1 22.15 8.61
22,8 120,06 0,17
10,22 1 _L1!2 ; 0,08
Рис. 1. Удельные выбросы загрязняющих веществ при производстве материалов электростартера, г/кг.
'Энергозатраты при производстве материалов, кВт ч/кг
еи
50|
40
30
20 1 10 J Oi
□ Сталь
■ Алюминий
□ Медь
"Энергозатраты. кВт •» кг I5J5
5i!
2Ь
Рис. 2. Удельные энергозатраты при производстве материалов элек-гростартера. кВт ч/кг.
і 25000 20000
15000
10000
5000
: о
сталь алюминий медь
Рне.З. Приведенные коэффициенты экологического воздействия (на і кг материалов);
Сталь (А',) -6566,66
Алюминий (А'-) -4706,518
Медь (/С*) -23546,87
ЛИТЕРА ГУ РА
1. Графкина М.В., Милюков А.С. Влияние выбора материалов на экологические характеристики электротехнического оборудования в жизненном цикле. Тезисы докладов XXXIX Международной научнотехнической конференции ААИ- М : МГТУ- МАМИ.2002, с.9-І I.
2. Статников Р.Б., Матусов И.Б. Многокритериальное проектирование машин. - М.: Знание, 1989 , 47с.
3. Звонов В.А., Козлов А.В., Кутенев В.Ф. Экологическая бешпас-ность автомобиля в полном жизненном цикле. - НАМИ, 2001, 248с
