CC BY
24
УДК 628.543
КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ НА ОБЪЕКТАХ ДЕПОНИРОВАНИЯ ОТХОДОВ
П.А. ШИЛОВСКИХ, С.Н. КОСТАРЕВ
Пермский государственный технический университет Кафедра безопасности жизнедеятельности
Разработка и внедрение моделей управления технологическими режимами на объектах депонирования отходов позволит значительно ускорить процессы биодеструкции отходов и возврат земель, занятых отходами производства и потребления.
Хранилища отходов (полигоны твердых бытовых отходов) на сегодняшний день используются для утилизации до 90 % отходов. Учитывая значительный жизненный цикл хранилищ отходов, можно говорить о внедрении полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) в единую цепь экосистемы. Отрицательный эффект от эмиссий биогаза и фильтрата с полигонов ТБО совместно с другими антропогенными факторами уже достигает общепланетного негативного влияния (в частности выделяющиеся неконтролируемые парниковые газы влияют на глобальное потепление) [1].
Вопросы управления сложными искусственными экосистемами с целью улучшения качества окружающей среды для обеспечения рационального природопользования и повышения безопасности жизнедеятельности населения являются важной народнохозяйственной проблемой, решение которой становится особенно актуальной в условиях растущих потребностей населения и антропогенного загрязнения городской среды.
Современное человеческое общество представляет собой сложную динамическую систему, характеризующуюся многочисленностью изменяемых параметров и переменных, их взаимозависимостью, наличием обратных информационных и материальных связей, адаптивностью, нелинейностью и нестационарностью поведения. Функционируя
в условиях растущих потребностей населения, экосистемы находятся под влиянием различных типов внешних и внутренних возмущений, снижающих эффективность их функционирования.
Исходя из поставленных задач выбора технологических решений, проектировщик полигона ТБО должен опираться как на полученные показания пассивного мониторинга, так и на результаты исследований на физических моделях и результаты имитационного моделирования. Основной целью внедрения автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) на полигоне ТБО является управление эмиссиями загрязняющих веществ и сокращением жизненного цикла полигона ТБО с переводом его в инертное состояние. Проведенные лабораторные эксперименты показывают возможность сокращения жизненного цикла полигона в 50 раз [1].
Для удовлетворения перечисленных требований предложена разработка человеко-машинной имитационной системы (ИС), состоящей из следующих основных частей [2]:
1) имитационной модели процесса, реализующей модель полигона ТБО на ЭВМ, которая является совокупностью программ (модулей), оперирующих с единым банком данных;
2) совокупности упрощенных моделей процесса или отдельных его сторон и алгоритмов, позволяющих решать оптимизационные задачи выбора технологии управления составом фильтрата, биогаза и др.;
3) совокупности программ, реализующих должную степень удобства при общении с ЭВМ во время проведения имитационных экспериментов, обеспечивающих использование в процессе имитации результатов оптимизации, а также осуществляющих различные сервисные операции (внутренним математическим обеспечением).
Предлагаемая имитационная система имеет сложную структуру, определяемую задачами, для решения которых она предназначена (рисунок).
Важнейшей составной частью ИС является блок моделей изучаемого объекта. Модели в имитационной системе реализуются в виде программ, позволяющих провести исследование модели с помощью методов определенного типа, реализованных в STRATUM [3].
В ИС программа расчета по каждой из моделей является совокупностью отдельных подпрограмм - вычислительных модулей. Модуль является либо представлением какой-либо части модели в нужной форме, либо вычислительной реализацией алгоритма исследования.
Организационная система (монитор)
Рис. Человеко-машинная имитационная система управления полигоном ТБО
Блок моделей ИС является банком вычислительных модулей, содержащим модули двух типов: проблемно-ориентированные (реализующие отдельные модели) и стандартные (реализующие различные алгоритмы исследования). Банк данных содержит: 1) значение коэффициентов и параметров моделей; 2) варианты сценариев (различные значения экзогенных переменных, в том числе управляющих); 3) результаты расчетов; 4) различную вспомогательную информацию.
Чтобы эффективно отбирать и использовать информацию, находящуюся в банке данных, он должен быть снабжен специальной информационно-поисковой системой, которая позволяет проанализировать содержание банка данных, быстро найти нужную информацию, подготовить исходные данные для исследования моделей, а также внести новые.
Для обеспечения общения человека с ЭВМ создан специальный блок программ, позволяющий с ЭВМ легко, быстро и на понятном для лиц, принимающих решение (ЛПР), языке вводить новую информацию и корректировать старую; организовывать интересующие ЛПР расчеты;
оперативно вмешиваться в процесс счета; выводить результаты расчетов в удобной форме (например в графической). Этот комплекс программ называется блоком общения с ЭВМ. По существу, он является транслятором, переводящим запросы и директивы человека на язык ИС.
Операционная система (монитор) входит в состав ИС, включающих в себя блок подпрограмм, управляющих работой ИС. В соответствии с директивами пользователя с помощью вычислительных программ из проблемно-ориентированных и стандартных модулей из банка модулей, с помощью информационно-поисковой системы на мониторе отображается нужная информация из банка данных, что обеспечивает проведение расчетов, а также изменение хода процесса по приказу пользователя, фиксирует результаты расчета и передает их в банк общения с ЭВМ.
Можно выделить следующие этапы построения ИС:
1) системный анализ проблемы;
2) выбор качественных альтернатив ее решения;
3) построение основной модели объекта исследования;
4) построение системы упрощенных моделей;
5) выбор решений.
Прежде чем приступить к математическому моделированию, необходимо провести системный анализ изучаемой эколого-экономичес-кой проблемы. Это важнейший этап исследования, во многом определяющий его дальнейший успех. В этом смысле представляет особый интерес метод имитационного моделирования. Результаты имитационных экспериментов могут быть оформлены затем в виде графиков или таблиц, в которых каждому варианту значений (средних значений) параметров объекта и внешних воздействий поставлены в соответствие определенные значения (средние значения) показателей, оценивающих функционирование объекта.
Таким образом, имитационные модели и процедуры оптимизации, связанные с точным определением соответствующих переменных и характера их взаимоотношений, с наличием данных для параметризации этих отношений, довольно точно описывают допустимые действия. В равной степени полезны модели, которые, с одной стороны, являются оптимизационными, т.е. в рамках которых решаются задачи математического программирования, а с другой стороны, - имитаци-
онными, т.е. в их рамках проводятся имитационные эксперименты с назначенными экспертами управлениями.
Принятие решения в ИС основывается на последовательном сжатии множества рассматриваемых вариантов путем отбрасывания неконкурентоспособных или неосуществимых альтернатив. Методы отбрасывания базируются как на математических, так и на неформальных процедурах.
При этом важное значение имеет тот факт, что в процессе отбраковки вариантов ЛИР могут привлекать плохо формализуемые социальные и организационные соображения, учет которых является необходимым условием практической применимости математических моделей. Важнейшим фактором эффективности ИС является активное участие ЛИР и специалистов-экспертов на всех этапах проектирования, разработке и использования системы. Именно этому условию должны быть подчинены и организация диалога с ЭВМ, и методы упрощения математических моделей, и обработка результатов исследования. Совместная работа человека и ЭВМ представляется наиболее адекватным способом принятия решений по управлению эколого-экономическими системами.
Соответствие полигона твердых бытовых отходов как динамического объекта управления существующим экологическим нормативам может быть обеспечено экологически ориентированной системой управления. В этой связи наряду с сертификацией составных частей окружающей среды по экологическим требованиям все большее развитие получает сертификация систем управления окружающей средой, на которую действуют антропогенные факторы. Обеспечение общности решения этой проблемы может быть достигнуто только разработкой соответствующих международных стандартов. Основными из подходов к управлению окружающей средой являются стандарты ИСО серии 14000, технические условия и руководство по рациональному использованию природных ресурсов, их восстановлению и воспроизводству. Компании, внедряющие ИСО 14000, получают экономическую выгоду в виде сокращения производственных затрат в результате повышения эффективности производственных процессов и внедрения систем мониторинга компонентов окружающей среды.
Список литературы
1. Середа Т.Г. Наукоемкие технологии в проектировании искусственных экосистем хранения отходов / Т.Г. Середа, P.A. Файзрахма-нов, С.Н. Костарев; Перм. филиал Института экономики УрО РАН, Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2006. - 290 с.
2. Костарев С.Н. Комплексная система управления полигоном твердых бытовых отходов / С.Н. Костарев, Т.Г. Середа // Экологические системы и приборы. - 2004. - № 10. - С. 12-16.
3. www.stratum.ru
