CC BY
42
УДК 628.543
С.Н. Костарев, Т.Г. Середа, А.А. Клюкин
Пермский государственный технический университет
ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНЫМ СОСТОЯНИЕМ ЭКОСИСТЕМ ДЕПОНИРОВАНИЯ ОТХОДОВ
Разработаны инструментальные подходы к оценке безопасного состояния полигонов ТБО с применением теории автоматов.
Проблеме образования и обезвреживания отходов посвящено много публикаций [1, 2]. Активно ведется поиск современных и эффективных методов утилизации отходов потребления и производства. Но, несмотря на это, около 80 % всех образующихся отходов депонируется на полигонах или свалках твердых бытовых отходов (ТБО). Основным отличием полигона ТБО от свалки является наличие защитных систем окружающей среды (объектов биосферы) от образующихся газообразных, жидких и твердых продуктов биодеструкции отходов. Однако при нарушении целостности защитных систем эмиссии с полигона ТБО являются не менее опасными, чем с обычной свалки.
При рассмотрении полигона ТБО как сложной биогеохимиче-ской экосистемы необходимо рассмотреть классификацию возможных состояний этой системы, воспользовавшись известными теоретическими подходами [3].
В развитии таких инженерных экосистем, как полигоны ТБО, было выделено три этапа. Полигоны I поколения (1970-1980 гг.) имели элементы системной защиты в виде противофильтрационного экрана и отвода эмиссионных продуктов, очистка которых, как правило, производилась за пределами полигона ТБО. Полигоны II поколения 1990-2000 гг. имели усовершенствованные системы очистки эмиссионных продуктов (биогаза, фильтрата) уже в составе полигонов ТБО и программы их мониторинга. В 2000-е годы появились первые работы
по управлению и стабилизации процессов на полигонах ТБО. Авторский концептуальный подход заключается в разработке автоматизированного управления технологическими процессами на полигоне ТБО, направленными на ускорение жизненного цикла (ЖЦ) полигона ТБО с переводом рассматриваемой экосистемы в безопасное состояние.
При описании данной концепции представим экосистему как «полигон ТБО - окружающая среда - автоматизированное управление» (ПОУ), включающие в себя следующие элементы:
- Ж = {и?1^2,..мп} - множество элементов поступающих отходов;
- О = &^2>...Ек} - множество элементов продуктов биодеструкции отходов;
- Е = {е1,е2,...ет} - множество элементов окружающей среды;
- I = {}]_, 12,...II} - множество элементов информации;
- У = {у1, у 2,..., у№ } - множество элементов управления.
Негативные явления в данной экосистеме возникают в результате воздействия поступающих отходов и продуктов их биодеструкции в объекты окружающей среду (атмосферу, гидросферу и литосферу). Для возникновения каких-либо происшествий (выбросы газообразных веществ, сброс загрязняющих веществ с фильтратом в подземные и поверхностные источники и т.п.) элементы экосистемы О и Ж должны обладать свойствами, опасными для окружающей среды Е.
Определим {^О1} и {£Ж1} как свойства, безопасные для окружающей среды, а {5о2} и {5^} - как опасные. При этом ущерб окружающей среде может не произойти даже в том случае, когда элементы системы будут обладать опасными свойствами {£О2} и {^Ж2} в отдельности или одновременно, если будут отсутствовать определенные условия. Для возникновения происшествия в рассматриваемой экосистеме должны быть необходимые и достаточные условия.
Исходя из этого, данная экосистема с точки зрения безопасности может находиться в одном из трех состояний: СТБО - безопасное состояние, когда в системе отсутствуют необходимые условия возникновения происшествия; СТБО - состояние опасной ситуации, когда в системе существуют необходимые условия, но отсутствуют достаточные; СТБО - состояние происшествия, когда в системе существуют необходимые и достаточные условия.
Взаимосвязи между состояниями экосистемы представлены на рис. 1.
СБ
ТБО
Рис. 1. Состояния экосистемы ПОУ «Полигон ТБО-окружающая среда-автоматизированное управление»
Из рис. 1 видно, что описываемая экосистема может перейти из безопасного состояния в опасное и возвратиться обратно или перейти в состояние происшествия:
СБ « СОС
ТБО ТБО *
Переход из опасного состояния в состояние происшествия -конечный, так как рассматриваемая экосистема в данном случае разрушается:
С ос _ с п
СТБО _ СТБО.
Модель состояний экосистемы «Полигон ТБО-окружающая среда-автоматизированное управление» позволяет раскрыть динамику процесса развития опасности. Проявление опасных свойств элементов экосистемы связано с наличием в них источников опасности. Источники опасности - это энергетические (газообразные вещества, экзотермические реакции) и материальные (эмиссионные продуктах биодеструкции ТБО в жидком, твердом и газообразном состоянии) потоки, которые обладают свойствами приводить данную экосистему в состояние разрушения.
Согласно теории системного анализа [3] источники опасности характеризуются тремя параметрами:
- мощностью источника опасности ф - количеством энергии, которую может выделить источник опасности при воздействии на окружающую среду. Это может быть энергия, выделяемая эмиссионными продуктами биодеструкции отходов, энергия горения или взрыва биогаза и т.п.;
- приведенным расстоянием опасного воздействия р - расстоянием или объемом, на которое распространяется воздействие данного источника опасности;
- временем опасного воздействия т - продолжительностью воздействия источника опасности.
Таким образом, каждый источник опасности представляет собой совокупность параметров (фь рь т), с помощью которых определяется степень безопасного состояния системы «Полигон ТБО - окружающая среда - автоматизированное управление».
Рассматривая информационные технологии применительно к таким объектам, как полигоны ТБО, количественными свойствами информации являются показатели своевременности иС, полноты иП и достоверности ид.
Вся информация может быть представлена:
- как постоянная информация (остается неизменной в течение длительного времени);
- условно-постоянная информация (изменяется сравнительно медленно);
- переменная информация (отражает параметры безопасности в данный момент времени).
Постоянная информация - содержит допустимые значения параметров ф3, рг3, хг3, которые содержатся в паспортах на оборудование, нормативных документах, справочниках и других документах.
Условно-постоянная информация содержит характеристики закономерных изменений параметров источников опасности, характеристики профилактического обслуживания оборудования и систем защиты, характеристику персонала, обслуживающего полигон ТБО, и характеристику природной среды. Таким образом, условно-постоянная информация содержится в технической документации, в инструкции по мерам безопасности и других документах.
Особый интерес представляет переменная информация, которая содержится в показаниях приборов, элементах сигнализации и т.п.
К этим видам информации в полной мере можно отнести выше указанные характеристики иП, ид, иС.
Для создания модели полигона ТБО и оценки рисков возникновения аварийных ситуаций, например взрывов, возгораний, пожаров, могут быть применены методы логико-вероятностного анализа [4]. Эти методы давно применяются в отечественной практике для анализа надежности и безопасности структурно-сложных систем.
Процедура анализа состоит в том, что на первом этапе составляется сценарий развития аварийной ситуации, представляющий собой логико-вероятностную модель функционирования системы в виде графа и содержит события трех видов: инициирующие, внутренние и конечные.
В качестве инициирующих событий (ИС) 2х...2п, описывающих
внешние воздействия на систему, рассматриваются такие события, как естественное или искусственное увлажнение, уплотнение отходов на полигоне ТБО, изменение кислородного (например, дегазация или вентиляция) и/или температурного режима в массиве ТБО и т.п.
Внутренние события (ВС) Цх..Цт описывают изменение отдельных параметров внутреннего состояния, зависящие от процессов, протекающих внутри тела полигона ТБО: рН-среды, влажность ТБО, состав образующихся газов, температура в слоях отходов на полигоне ТБО и т. д.
Конечные события (КС) у1...ук являются логической комбинацией нескольких событий (инициирующих и/или внутренних) с возможной инверсией. Например:
- конъюнкция событий, когда промежуточное событие проявляется только при наличии всех событий, составляющих конъюнкцию;
- дизъюнкция событий, когда промежуточное событие проявляется при наличии хотя бы одного события, составляющего дизъюнкцию;
- другие, допустимые булевой алгеброй комбинации.
Конечные события описывают различные аварийные состояния
полигона ТБО, например, возгорание, утечки в грунтовые воды кислого (щелочного) фильтрата и т.д.
При составлении сценария необходимо пользоваться результатами других видов моделирования отдельных процессов, протекающих на полигоне ТБО, и анализом причинно-следственных связей при выделении внутренних состояний.
Общее правило построения логико-вероятностных моделей -составлять сценарий от более позднего события к более раннему, т. е. вначале формулируют конечные события, а потом анализируют, каким способом система может попасть в это состояние.
Для составления описания графа состояний и дальнейших операций над ним можно использовать аппарат обобщенных таблиц состояния (ОТС) [5], позволяющий в одной ОТС в сокращенной форме описывать несколько конечных состояний.
На втором этапе анализа вычисляется функция опасности У](21...2„, ц1...цт) ]-го состояния (её аргументами являются ИС и ВС, а значением - конечное событие). Каждый кратчайший путь опасного функционирования (КПОФ) представляет собой минимальный набор ИС и ВС, конъюнкция (совмещение) которых приводит к у-му опасному состоянию. Функция опасности у-го состояния представляет собой дизъюнкцию всех КПОФ. Затем функция опасности у-го состояния приводится к нормальной форме и заменяется вероятностной функцией Р{у/(г1...г„, ч1...чт)} следующим образом: гг- заменяется на Р{2, = 1} = Я,; I, заменяется на Р{ ^ = 1} = Qi = 1 - Я,, где Я, - вероятность наступления /-го ИС или ВС.
Аналогично заменяются чк.
На следующем шаге ищется значение вероятностной функции:
Ъ (у) = Р{у(*1 ... *П, 41 ••• Чт)}. (1)
Формула (1) определяет степень риска анализируемого у-го аварийного состояния, присутствующего в системе. Аналогичным образом определяется степень риска и других аварийных состояний.
С учетом вышеизложенного предложены статистическая динамическая модель источников опасности и методика оценки безопасности полигона ТБО.
В процессе эксплуатации полигона ТБО параметры источников опасности (ф, р и т) могут изменяться как детерминированно (износ противофильтрационного экрана, элементов оборудования, старение материалов), так и случайно (утечка фильтрата, выброс биогаза, при-
родные явления). Таким образом, мощность расстояние и время будут зависеть от некоторого случайного события.
В методику оценки безопасности полигона включено несколько пунктов:
1. Определение санитарно-защитных зон и зон технологических процессов утилизации ТБО.
2. Определение перечня источников опасности.
3. Определение действующих значений параметров каждого источника опасности.
4. Выбор из справочников допустимых значений параметров источников опасности.
Выполнена программная реализация указанной методики и разработана компьютерная программа на основе методики оценки безопасности экосистемы: «Полигон ТБО-окружающая среда-автомати-зированное управление» (рис. 2, 3).
AUTHOR: DATE:
PROJECT: BRM REV:
NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
24.03.2009
12.04.2009
WORKING
DRAFT_________
RECOMMENDED
PUBLICATION
CONTEXT:
TOP
ГОСТы, СанПины Теоретические основы безопасности
Данные об источниках опасности Обеспечение безопасности экосистемы "Полигон ТБО-окружающая среда- Рекомендации по снижению опасности
автоматизированное управление"
0р. 0
Специалисты
A-0
тгг-* Обеспечение безопасности экосистемы "Полигон ТБО-окружающая среда-автоматизированное управление"
Рис. 2. Общая схема модели расчета безопасности экосистемы: «Полигон ТБО-окружающая среда-автоматизированное управление»
USED AT: lAUTHOR: DATE: 24.03.2009 PROJECT: BRM REV: 12.04.2009 ■ WORKING READER DATE CONTEXT: A-0
DRAFT
N О T m : 2 3 4 5 6 7 8 9 0 RECOMMENDED
PUBLICATION
J Теоретические основы
безопасности
Данные об источниках опасности
Рис. 3. Развернутая схема модели расчета безопасности экосистемы: «Полигон ТБО-окружающая среда-автоматизированное управление»
На рис. 4 показан процесс вычисления коэффициентов защиты при применении защитных устройств
Рис. 4. Разработка методов защиты экосистемы «Полигон ТБО-окружающая среда-автоматизированное управление»
Интерфейс программы оценки безопасности экосистемы «Полигон ТБО-окружающая среда-автоматизированное управление» представлен на рис. 5.
Рис. 5. Интерфейс программы оценки безопасности экосистемы «Полигон ТБО-окружающая среда-автоматизированное управление»
При расчете оценки состояния рассматриваемой экосистемы проводится анализ энергетических параметров источников опасности и разрабатываются рекомендации по определению средств защиты, если текущее состояние опасное. Внедрение данной программы может эффективно проводить оценку состояния экосистемы «Полигон ТБО-окружающая среда-автоматизированное управление».
Выводы: разработана модель оценки безопасного состояния экосистемы депонирования отходов, которая может быть реализована как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации. Для создания системной защиты объекта депонирования отходов могут быть использованы технические и организационно-технические средства и мероприятия, не допускающие увеличения опасных и вредных факторов выше допустимых значений. Вариант системы защиты по параметрам источников опасности является наиболее эффективным и рекомендуется как минимальный вариант модели управления для всех проектируемых и действующих полигонов ТБО.
Разработанная модель системы безопасности может активно применяться в рамках пассивного мониторинга полигона ТБО.
Библиографический список
1. Технологии автоматизированного управления полигоном твердых бытовых отходов / Н.И. Артемов [и др.] / НИИ управляющих машин и систем. - Пермь, 2003.
2. Середа Т.Г., Файзрахманов Р.А., Костарев С.Н. Наукоемкие технологии в проектировании искусственных экосистем хранения отходов / Перм. филиал Института экономики УрО РАН; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2006.
3. Методы и средства защиты человека от опасных и вредных производственных факторов: учеб. пособие / под ред. В. А. Трефилова. -Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008.
4. Рябинин И.А. Надежность и безопасность структурносложных систем. - СПб.: Политехника, 2000.
5. Викентьев Л.Ф., Клюкин А. А. Операции над автоматами, заданными обобщенными таблицами состояния // Обработка информации в вычислительных и управляющих системах: сб. науч. тр. / Перм. политех. ин-т. - Пермь, 1990. - С. 130-140.
Получено 09.07.2009
