CC BY
15work and moth-flame optimization algorithm. // Journal of Cleaner Production. - 2021. -Vol. 311. - Р. 127672. DOI: 10.1016/jjclepro.2021.127672.
16. Zaeimi М.В., Rassafi Ä.Ä. Designing an integrated municipal solid waste management system using a fuzzy chance-constrained programming model considering economic and environmental aspects under uncertainty. // Waste Management - 2021. - Vol. 125. - P. 268-279.
УДК.51-73
doi :10.18720/SPBPU/2/id21 -369
Коршунов Геннадий Иванович \
профессор, д-р техн. наук, профессор;
Сольницев Ремир Иосифович 2, профессор, д-р техн. наук, профессор;
Жильникова Наталья Александровна3, профессор, д-р техн. наук, профессор;
Поляков Сергей Леонидович 4, доцент, канд. техн. наук
МОДЕЛИ КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
МИНИМИЗАЦИЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ДЛЯ АДАПТАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ К ИХ ИСТОЧНИКУ
1Россия, Санкт-Петербург, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»,
kgi@pantes.ru;
Россия, Санкт-Петербург, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)», remira70@mail.ru;
Россия, Санкт-Петербург, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»,
nataliazhilnikova@gmail. com;
4Россия, Санкт-Петербург, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»,
polyakov_guap@list.ru
Аннотация. В статье предложен подход к созданию моделей киберфизических систем для управления минимизацией загрязнений. Переход от известных из математической физики уравнений конвекции и диффузии к форме «вход-выход». В качестве примеров приведены модели распространения концентраций биохимического потребления кислорода, показателю, характеризующему степень загрязнения стоков. Предложена конфигурация киберфизической системы управления минимизацией загрязнений сточных вод, которая позволяет адаптировать процесс управления под конкретные регулируемые параметры очистки.
Ключевые слова: киберфизическая система, выбросы загрязнений, сбросы загрязнений, наилучшие доступные технологии, управление, уравнения конвекции и диффузии.
Gennadii I. Korshunov1,
Professor, Doctor of Technical Sciences, Professor;
Remir I. Solnitsev 2,
Professor, Doctor of Technical Sciences, Professor;
Natalia A. Zhilnikova 3;
Professor, Doctor of Technical Sciences, Professor;
Sergey L. Polyakov4, Associate Professor, Candidate of Technical Sciences
MODELS OF CYBER-PHYSICAL POLLUTION MINIMIZATION CONTROL SYSTEMS TO ADAPT TECHNOLOGIES TO THEIR
SOURCE
1 Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, St. Peterburg, Russia, kgi@pantes.ru 2 Saint-Petersburg Electrotechnical University "LETI", St. Peterburg, Russia, remira70@mail.ru
3 Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,
St. Peterburg, Russia, nataliazhilnikova@gmail.com
4 Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,
St. Peterburg, Russia, polyakov_guap@list.ru
Abstract. The article proposes an approach to the creation of models of cyber-physical systems to control pollution minimization. The transition from the equations of convection and diffusion known from mathematical physics to the "input-output". Model of distribution of values of biochemical oxygen consumption, which characterizes the degree of wastewater pollution are given as example. Configuration of a cyber-physical control system for minimizing wastewater pollution is proposed, which allows the control process to be adapted to specific regulated treatment parameters.
Keywords: cyber-physical system, pollution emissions, pollution discharges, best available technologies, control, convection and diffusion equations.
Введение
Актуальность задач минимизации выбросов и сбросов вредных веществ не вызывает сомнений. Стратегии в проблемной области защиты окружающей среды представлены созданием циркуляционной экономики, борьбой с глобальным потеплением и другими. Основой процессов решения указанных задач являются технологии по минимизации выбросов и сбросов, в том числе путем их преобразования во вторичное сырье и снижения величин окончательных отходов, а также нейтрализации выбросов и сбросов путем преобразования в безвредные субстанции. Кон-
цепция, методы и инструменты нового класса систем, названных ки-берфизическими, позволяют выделить объект и процесс загрязнений как физическую, в широком смысле, подсистему и кибернетическую подсистему, содержащую достигнутый и реализованный интеллектуальный уровень для управления окружающей средой с целью минимизации загрязнений. Этот процесс сопровождается постепенным устранением «человеческого фактора».
1. Постановка задачи
1.1. Описание предметной области
Упоминаемые в статье технологии минимизации загрязнений приведены в составе наилучших доступных технологий (НДТ), включающих мировой опыт по их созданию [1-3]. Непосредственное внедрение таких НДТ затруднено и требует структурной и параметрической идентификации для включения в контур управления КФС.
1.2. Определение проблемы
Известны модели процессов генерации и распространения загрязнений в виде выбросов в атмосферу и сбросов в водную среду, представленные дифференциальными уравнениями в частных производных. Такие модели применимы для решения задач инвентаризации загрязнений, но не могут использоваться непосредственно для управления их минимизацией. Для этого звенья КФС должны быть приведены к форме «вход-выход». Математическое выражение для выработки сигнала, управляющего НДТ, может быть получено в терминах концентрации загрязнений или других параметров, связанных с концентрацией функционально.
Приведение моделей звеньев КФС как распределенных систем к форме «вход-выход» для загрязнений атмосферного воздуха был опубликовано в [4]. Дальнейшее развитие создание таких моделей в форме «вход-выход» получило как для атмосферного воздуха, так и для водных сред.
2. Моделирование киберфизических систем управления минимизацией загрязнений в атмосфере
В [5] приведены, в частности, математические модели объектов управления (ОУ) в виде моделей с распределенными параметрами в атмосферном воздухе. Построение звеньев КФС для управления минимизацией выбросов в атмосферу требует приведения этих моделей к форме «вход-выход». Рассмотрим вначале распространение загрязнений в атмосфере для единичного источника.
Выделив единичный источник загрязнений для звена от выхода источника загрязнений до измерительной системы, уравнение турбулентной диффузии и конвекции имеет вид:
д Ь % 71 д-ц ^д$ $ д% дц 71 дц д^ ^ д$ 1 2
где У (£, п, С, 0 — концентрация 3В; , , — проекции вектора скорости переноса загрязнений на оси п, С; ^, ^, ^ — составляющие коэффициента диффузии К. Коэффициент диффузии вычисляется по формуле А. Фика:
] = -К^, (2)
где J — плотность потока массы, проходящего через участок поверхности S, — нормаль к &
К1 — коэффициент «преобразования» материала источника в загрязнение,
К2 — коэффициент компенсации загрязнений за счет работы пыле-газоуловителей (ПГУ) — К2ПГУ , сухого и мокрого осадков и химических преобразований К22, К2 = К2 пгу + К22-
Уравнение (1) становится определенным только после задания начальных и граничных условий. При создании КФС для микрорайона можно воспользоваться уравнением при известных метеорологических и других характеристиках атмосферы.
Для одномерного процесса распространения 3В в пределах микрорайона в [5] определены: конвективный поток направлен только по оси что позволяет сделать приближенные оценки, граничные условия и начальные условия.
После выполнения преобразований, изложенных в [5], соответствующая передаточная функция будет иметь вид
2т = а Л_е —) (3)
Що.Р) V Д ) У )
Передаточная функция (3) позволяет находить «выходные параметры» звена кфс У(Ь,р) при различных возмущениях Х^). К2 характеризует введенное управление. В [4, 5] приведены примеры действующих и предполагаемых технологий минимизации выбросов, применение которых в составе КФС определяется степенью проработанности моделей.
В [6, 7] приведены математические модели распространения для инвентаризации загрязнений и, в частности, модель пространственного распространения концентраций биохимического потребления кислорода (БПК), характеризующего степень загрязнения стоков.
Для распределенных источников БПК в качестве краевых условий принимаются следующие: на исследуемом участке реки в начальный момент вода не содержала неконсервативных веществ СБПК(х,0), и в начальном сечении БПК всегда была нулевой СБПК(х/). М(1) — поток сбросов, О — сечение реки. Модель, описывающая этот процесс, выглядит следующим образом:
Решение уравнения (4) осуществляется с применением преобразования Лапласа. Опуская промежуточные преобразования, в результате применения преобразования Лапласа к функциям СБПК(.х, ¿) и М(0, учитывая, что СБПК(х,0) =0 и интегрируя уравнение, получаем уравнение «вход-выход» (5), где через Т(х) обозначено время, необходимое элементарной частице для прохождения расстояния х, т. е.
Здесь К характеризует введенное управление по стабилизации процесса.
Уравнение (5) устанавливает, что процесс минимизации загрязнений в водной среде, где входом является М(1), а выходом — значение СбшС^О, может описываться с помощью передаточной функции.
БПК является важнейшим косвенным показателем качества воды в водных объектах и характеризует величину легко окисляемых органических веществ, содержащихся в единице объема воды. Данный параметр можно использовать для управления минимизацией загрязнений на предприятиях на базе уравнения «вход-выход» (5).
Модель киберфизической системы управления минимизацией вредных сбросов на основе технологии адсорбции может быть получена включением модели управления в передаточную функцию «вход-выход». В модели предусмотрено непосредственное формирование сигнала управления, обеспечивающее адаптацию технологии к источнику.
Заключение
В статье изложен подход к моделированию киберфизических систем с учетом звеньев как распределенных систем, представленных в форме «вход-выход» на основе уравнений математической физики для управления технологиями минимизации загрязнений. Дальнейшее развитие таких моделей осуществляется с применением мат методов на основе интегральных преобразований и представляет нетривиальные задачи. Введение в КФС полученных моделей в сочетании с различными видами управления приводит к построению метамоделей КФС. С точки зрения технологий минимизации загрязнений предложенные модели могут применяться в соответствующих проблемных областях.
Список литературы
1. Очистка сточных вод при производстве продукции (товаров), выполнении работ и оказании услуг на крупных предприятиях. // Информационно-технический
(5)
справочник по наилучшим доступным технологиям. ИТС 8. 2015. - М.: Бюро НДТ, 2015.
2. Сокращение выбросов загрязняющих веществ, сбросов загрязняющих веществ при хранении и складировании товаров (грузов). // Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. ИТС 46-2019. - М.: Бюро НДТ, 2019.
3. Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотве-дения поселений, городских округов. // Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. ИТС 10-2019. - М.: Бюро НДТ, 2019.
4. Сольницев Р.И. Вопросы построения замкнутой системы управления «При-рода-техногеника». // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2009. - №7. - С. 23-3.
5. Сольницев Р.И., Коршунов Г.И. Системы управления «природа-техногеника». - СПб: ПОЛИТЕХНИКА, 2013.
6. Zhilnikova N.A. Geoinformation modelling system of natural technical complexes for simulation modelling and optimization of load distribution. [Electronic source] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 450. 2018.
7. Zhilnikova N.A. Geoinformation modelling of quotas distribution of technogenic load for water users. // IOP Conference Series: Journal of Physics: Conference Series (JPCS). - 2020. - 4035.
УДК 004.9 : 656.003
doi :10.18720/SPBPU/2/id21 -370
Бочков Александр Владимирович1,
д-р техн. наук, заместитель руководителя НТК
О НЕКТОРЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ АНАЛИТИКИ БОЛЬШИХ ДАННЫХ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АКТИВАМИ В СИСТЕМЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
1 Россия, АО «НИИАС», Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте a.bochkov@gmail. com
Аннотация. В статье представлены общие сведения об используемой на российских железных дорогах системе и методологии управления активами и методах работы с большими данными. Обсуждена проблема управляемости, надёжности и безопасности функционирования структурно-сложных, территориально распределенных технических систем с использованием системы показателей. Предложен подход к построению системы мониторинга ключевых показатели на базе методов хаотической динамики. На примере поведения показателя характеризующего степень зараженности COVID-19 в фазовом пространстве состояний, показана применимость предлагаемого подхода.
Ключевые слова: большие данные, управление активами, риск, безопасность, надёжность, фазовое пространство состояний.
