МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
05.25.05 - Информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики;
05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Немтинов Владимир Алексеевич
Тамбов 2006
Работа выполнена на кафедре «Автоматизированное проектирование технологического оборудования» Тамбовского государственного технического университета.
Научные консультанты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Малыгин Евгений Николаевич;
Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Попов Николай Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессорЕгоров Александр Федорович;
доктор технических наук, профессор Попов Игорь Иванович;
доктор химических наук, профессор Килимник Александр Борисович
Ведущая организация Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ), г. Москва
Защита диссертации состоится 17 марта 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени доктора технических наук Д 212.260.05 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, Большой актовый зал.
Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью) просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.05 З.М. Селивановой. E-mail: nemtinov@mail.gaps.tstu.ru Факс: 8-4752-72-18-13
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ.
Автореферат разослан «___» февраля 2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
канд. техн. наук, доцент З.М. Селиванова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность и состояние проблемы. Экологическая безопасность - это проблема взаимоотношений общества и природы, сохранение окружающей природной среды. Ее целью является обеспечение устойчивого и оптимального на длительном периоде времени равновесия между природными и антропогенными системами, техносферой и обществом. В соответствии с принятой Концепцией экологической безопасности Российской Федерации, важной стратегической задачей является предупреждение загрязнения окружающей среды при размещении новых производственных технических систем (ПТС) и обезвреживание ее компонентов в местах повышенной экологической опасности (в местах наибольшей концентрации населения, промышленного и сельскохозяйственного производства) на базе нормирования качества окружающей среды, внедрения систем очистки и ресурсосберегающих технологий. Решение такой задачи в настоящее время невозможно без использования автоматизированных информационных систем интеллектуального уровня.
Основными антропогенными объектами, функционирование которых во многих случаях приводит к нарушению состояния равновесия природной среды, являются промышленные предприятия. Одним из основных средств исследования взаимодействия ПТС с природной и социальной средой является математическое моделирование. Оно позволяет прогнозировать возможные изменения физических, химических и биологических состояний окружающей среды, вызванные деятельностью ПТС.
Предусмотренные на ближайшие годы увеличение выпуска и расширение номенклатуры промышленной продукции, обусловливающие значительное увеличение объема проектных и конструкторских работ - с одной стороны, необходимость решения экологических проблем - с другой, требуют: разработки новых принципов и методов расчета; использования комплексных критериев оценки принимаемых проектных решений, составляющими которых являются экономические затраты и экологическая безопасность проведения технологических процессов, что особенно важно в современных рыночных отношениях. В свою очередь, это требует создания специального математического и программного обеспечений, позволяющих решать задачи промышленной экологии, связанные с проектированием и эксплуатацией ПТС и обеспечением экологической безопасности включающих их природно-промышленных систем (ППС). Решение проблемы обеспечения экологической безопасности ППС является важным и актуальным научно-техническим направлением устойчивого развития субъектов РФ, однако, оно сдерживается отсутствием прикладных автоматизированных информационных систем (АИС) поддержки принятия проектных и управленческих решений, использующих современные информационные технологии: ГИС-технологии, SQL-ориентированные инструментальные системы и др. В связи с этим выполненная работа посвящена разработке методологических основ и созданию проблемно-ориентированной АИС, используемой при решении задач территориального развития и промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС. Результаты, полученные автором, базируются на достижениях многих научных школ. Решению проблемы сохранения окружающей среды большое внимание уделяли ведущие отечественные ученые: академики В.И. Вернадский, Н.Н. Моисеев, Г.И. Марчук, С.В. Яковлев, Б.Н. Ласкорин и др. В частности, в решение проблемы синтеза малоотходных химических производств большой вклад внесли такие российские ученые, как: академик В.В. Кафаров; профессора: В.Л. Перов, В.И. Бодров, Л.С. Гордеев, А.Ф. Егоров, Е.Н. Малыгин, Н.С. Попов, В.В. Макаров, И.Н. Дорохов и др. Среди ведущих ученых в области теории информатики и АИС следует отметить академика Ю.М. Арского, профессора Р.С. Гиляревского и др.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационным планом Межвузовских НТП «Ресурсосберегающие технологии машиностроения» на период 1994 - 1997 гг., «Теоретические основы химической технологии» на период 1995 - 2000 гг., а также по хоздоговорным планам НИР Тамбовского института химического машиностроения в 1981- 1993 гг. и Тамбовского государственного технического университета в 1994 - 2003 гг.
Объектом исследования в работе является ППС в масштабе субъекта РФ и/или промышленного узла, включающая в себя совокупность объектов различного назначения, образующих единую технико-экономическую и экологическую структуру территории, взаимодействующих друг с другом в процессах обмена информацией, потребления материально-энергетических ресурсов и переработки отходов.
Предметом исследования являются математические методы и модели, лежащие в основе разработки автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных и управленческих решений, непосредственно связанных с экологической безопасностью окружающей среды.
Цель работы. Целью работы является создание методологии построения автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта Российской Федерации.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1 Разработаны теоретико-аналитические основы построения интегрированной АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности в масштабе субъекта РФ.
2 Развиты теория и методы автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС.
3 Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий машиностроения.
4 При создании подсистем поддержки принятия решений разработаны:
- математические модели синтеза химико-технологических процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС;
- математические модели синтеза экологически безопасных технологических процессов получения целевой продукции (на примере производства изделий из металлов);
- экономическая модель принятия решений при регулировании взаимоотношений между природопользователями;
- информационная система автоматизированной обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных объектов;
- процедурная модель оценки качества воды в компонентах гидросферы окружающей среды.
5 Разработано программное обеспечение АИС для решения задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС.
Решение поставленных в работе задач позволяет на этапе принятия проектных и управленческих решений оценить риск экологической опасности ПТС и предложить меры по предотвращению загрязнения окружающей среды.
Научная новизна. 1) На базе системного анализа, методов математического моделирования, теории оптимального управления и теории принятия решений разработана методология построения интегрированной автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ, открытой для дальнейшего развития и реализующей научные принципы:
- при принятии проектных и управленческих решений по обеспечению устойчивого развития территории приоритет должен отдаваться экологической безопасности перед технико-экономическими показателями;
- проектные и управленческие решения должны проходить комплексную оценку (экологическую, технологическую, социально-экономическую);
- целостность ППС должна отображаться в виде единого информационного пространства;
- проектные и управленческие решения должны обеспечиваться интегрированной информационной системой поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.
При решении сложного комплекса задач промышленной экологии использованы и адаптированы следующие подходы: теории иерархических систем (на всех этапах принятия проектных и управленческих решений), анализа альтернативных вариантов принятия решений (при проектировании ПТС), предложен новый подход к построению экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем, для которых информация об их поведении носит неопределенный характер из-за отсутствия достаточного количества систематических и надежных данных; поставлены и формализованы задачи и реализованы методики их решения. автоматизированный информационный система экологический
2) Развиты теория и методы автоматизированного синтеза систем очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС, охватывающие все основные этапы проектирования и учитывающие особенности их технологических процессов. Осуществлены постановки задач, решаемых с помощью АИС: обеспечения экологической безопасности ППС при размещении ПТС; автоматизированного формирования структуры технологических схем (СТС) очистки сточных вод и газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления схем; автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод. В качестве составляющих векторного критерия оптимальности использованы: приведенные затраты на реализацию совокупности стадий очистки; экономический ущерб, наносимый окружающей среде сбросом очищенных сточных вод в природные водоемы и газовых выбросов в атмосферный воздух; надежность функционирования системы очистки; технологичность и безопасность процессов очистки.
3) Впервые разработаны модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС с применением продукционных правил, используемых при создании экспертных систем.
4) Создана процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод, базирующаяся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций, учитывающая функциональные особенности объектов, природно-климатические отличия территории и реализуемая с помощью АИС принятия решений.
5) Разработаны экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денитрификаторе и реке с малым расходом воды, с учетом кинетических закономерностей и вероятностного характера их протекания.
6) Впервые создана информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере ПТС, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.
7) Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства машиностроительных изделий из металлов, охватывающий все основные этапы технологической подготовки производства и учитывающий комплексную оценку альтернатив при принятии решений, условия эксплуатации изделий, возможность использования различных технологий и видов оборудования. Осуществлены постановки задач и предложены модели принятия их решений: автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения изделий; автоматизированного выбора экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.
Таким образом, методология построения АИС поддержки принятия решений в сфере экологической безопасности включает в себя совокупность принципов, подходов, аналитических и процедурных моделей различных процессов объектов, входящих в состав ППС. С помощью АИС можно: создавать модели ППС в автоматизированном варианте, проводить имитационные исследования, генерировать ответы по сценарию и т.д.
На защиту выносятся основные положения:
1 Научно обоснованная методология построения интегрированной автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ и/или промышленного узла, открытой для дальнейшего развития и реализующей следующие научные принципы: