- 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 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.
2 Методология автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов.
3 Модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов.
4 Процедурная модель автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод.
5 Экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денитрификаторе и реке с малым расходом воды.
6 Информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере предприятий, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.
7 Научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства машиностроительных изделий из металлов.
Методика исследования основана на использовании методов математического моделирования; методов системного анализа, линейного, нелинейного и дискретного программирования, методик экспериментального исследования процессов химической и биохимической природы; методов имитационного эксперимента.
Практические результаты работы. На основе предложенной методологии, разработанных аналитических и процедурных моделей принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС создано программное обеспечение АИС, включающее пакеты программ:
- автоматизированной компоновки СТС очистки сточных вод и газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления этих схем; автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод;
- распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки и регулирования взаимоотношений между природопользователями;
- исследования процессов естественного самоочищения воды в реке;
- обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных предприятий;
- автоматизированного выбора: марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения; экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки;
- оценки качества воды в компонентах гидросферы окружающей среды.
Разработанный комплекс программ передан в Тамбовский филиал Московского научно-производственного объединения НИОПиК (в настоящее время ОАО «Экохимпроект»), отдельные пакеты программ - ОАО «Пигмент», г. Тамбов, «Гипрополимер», г. Дзержинск Нижегородской обл., ОАО «Тамбовполимермаш»; Главному управлению природных ресурсов и охраны окружающей среды по Тамбовской области, Территориальному центру государственного мониторинга геологической среды Тамбовской области; отдельные компоненты комплекса - в вузы страны: Тамбовский государственный технический университет, Курганский государственный университет, где используются студентами при выполнении лабораторных и курсовых работ. Учебная подсистема «Эколог» доступна всем пользователям сети Internet (http://www.gaps.tstu.ru/win-1251/lab/ekolog/index_ecolog.html).
За период эксплуатации пакетов программ по заказу МНПО НИОПиК выполнены расчеты по выбору района размещения ряда химических производств, по заказу ОАО «Экохимпроект» выполнены проекты реконструкции нескольких станций биохимической очистки сточных вод, на ОАО «Тамбовполимермаш» осуществлена технологическая подготовка производства более 50 машиностроительных изделий, в состав каждого из них входит более 100 деталей из металлов и др.
Экономический эффект от использования программного обеспечения АИС составил более 800 тыс. рублей.
Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты обсуждались на Всесоюзной конференции «Реахимтехника-2» (Днепропетровск, 1985 г.), I, II Всесоюзных конференциях «Автоматизация и роботизация в химической промышленности» (Тамбов, 1986, 1988 гг.), Всесоюзной конференции «Охрана от загрязнения сточными водами водоемов бассейнов внутренних морей (Тбилиси, 1987 г.), Всесоюзной конференции «Математическое моделирование сложных химико-технологических систем» (Казань, 1988 г.), Всесоюзной конференции «Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем, научных исследований и гибких автоматизированных производств» (Тамбов, 1989 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Математические методы в химии» (Тула, 1993 г.), IV Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов (Москва, 1994 г.), I, II, III Международных конференциях «Математические методы в химии и химической технологии» (Тверь, 1995 г.; Новомосковск, 1997 г.; Владимир, 1998 г.), III Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика» (Москва, 1996 г.), II Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM-99 (Санкт-Петербург, 1999 г.), XII, XIII, XIV, XV Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Великий Новгород, 1999 г.; Санкт-Петербург, 2000 г.; Смоленск, 2001 г.; Тамбов, 2002 г.; Казань, 2005 г.), I, II Международных конференциях «Математические методы в образовании, науке и промышленности» (Тирасполь, 1999, 2001 гг.), I, II Международных конференциях «Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне» (Томск, 2000, 2002 гг.), Международной конференции «Геоинформатика-2000» (Томск, 2000 г.), Международной конференции «Экология и образование» (Петрозаводск, 2000 г.), Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, 2000 г.), IV Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2000 г.), I, II Международных научных конференциях и выставке CAD/CAM/PDM «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» (Москва, 2001, 2002 гг.), Международной научно-технической конференции «Современные системы управления предприятием - CSBC'2001» (Липецк, 2001 г.), Международной научной конференции по телематике и Web-средствам в обучении - «Телематика 2001» (Санкт-Петербург, 2001 г.), III Международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении» (Николаев, 2002 г.), II Международной конференции по экологической химии (Кишинев, Молдова, 2002 г.) и др.
Новизна и оригинальность научных исследований, выполненных в диссертации, отмечены и поддержаны грантом Министерства образования РФ по исследованиям в области машиностроения в 1995 г. Биографические сведения о В.А. Немтинове включены в издание «Who is Who in Science and Engineering» 7th Edition, 2003 - 2004 (By Marquis Edition Who is Who in Science and Engineering (USA)). International Biographical Center (Cambridge, England) номинировал В.А. Немтинова как «International Scientist of the Year for 2003» и включил его в список «Leading Scientists of the World 2005».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 100 печатных работ, в том числе монография, статьи в центральных и международных журналах, доклады на конгрессах и конференциях различного уровня, учебные пособия и учебно-методические издания. В основном все научные результаты получены автором. Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве и содержащиеся в них результаты, состоит в постановке задач, разработке теоретических положений, а также - в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Материал изложен на 400 страницах основного текста, содержит 81 рисунок и 38 таблиц.
Во введении, исходя из анализа состояния теории и практики автоматизации разработки и организации процессов ПТС, обоснована актуальность решаемой проблемы в современных рыночных условиях, сформулирована цель работы, показана ее актуальность, научная новизна, изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ информационного наполнения проектируемой АИС - традиционных подходов к решению задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС, являющихся элементами ППС промышленного узла. В его состав типично входят промышленные предприятия, являющиеся в основном источниками образования сточных вод и газовых выбросов (химические, машиностроительные и др.). При рассмотрении ППС в данной работе приняты следующие допущения: в нее входят ПТС, сточные воды которых могут быть очищены с использованием известных методов очистки, в том числе и биохимических; приемником очищенных сточных вод является река с малым расходом воды, для которой гидродинамическая структура потоков описывается моделью идеального вытеснения; газовые выбросы ПТС могут быть очищены с использованием известных методов системами газоочистки, являющимися общими для отдельного производственного комплекса (цеха). Отмечены общие недостатки, имеющие место при проектировании отдельных производств получения целевой продукции и производств по утилизации отходов ПТС:
- в большинстве случаев при формализованном описании задач используют упрощенные математические модели, применение которых часто не приводит к выполнению требованию по охране окружающей среды при реализации проектов ПТС; решения принимаются на основе только экономического критерия оптимальности, который недостаточен для решения экологических задач;
- известные методики решения задач промышленной экологии ориентированы на традиционные подходы к расчетам, использующие справочную литературу, диаграммы, таблицы и т.д., что затрудняет их применение при решении конкретных задач;
- при решении задачи проектирования станции биохимической очистки (БХО) очень часто не проводится исследование и моделирование природного водоема - приемника очищенных сточных вод.
Анализ литературных источников, посвященных математическим методам решения задач промышленной экологии при проектировании и эксплуатации ПТС, доказал необходимость разработки математического и программного обеспечений для комплексного решения этих задач на расширенном пространстве состояний ППС. Были отмечены основные характеристики ППС: большая размерность; неопределенность поведения экосистем, входящих в ППС; действие случайных факторов и т.д. Показано, что для решения задач промышленной экологии необходимо располагать научно обоснованными методическими положениями, обширным информационным фондом и программным обеспечением АИС, используемой при принятии решений.
Исходя из этого, а также учитывая традиции выполнения проектно-конструкторских работ, задачу обеспечения экологической безопасности ППС при размещении новых и функционировании действующих ПТС следует рассматривать как совокупность задач, решаемых на региональном (в масштабе субъекта РФ или промышленного узла) и локальном (в масштабе предприятия) уровнях (рис. 1).
Рис. 1 Перечень комплекса задач АИС, решение которых направлено на обеспечение экологической безопасности субъектов РФ
Вторая глава посвящена разработке и развитию методологических основ построения АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе промышленного узла. К особенностям принятия решений в сфере экологической безопасности следует отнести: сложность и большую размерность ППС; неопределенность поведения экосистем, входящих в ППС; открытый характер ППС; действие случайных факторов; отдаленные последствия принятых решений; множество критериев оценки различной природы. Методология базируется на следующих подходах:
- использования теории иерархических систем на всех этапах принятия проектных и управленческих решений задач промышленной экологии;
- комплексной оценки альтернатив при принятии решений в задачах обеспечения экологической безопасности ППС;
- разработки экспериментально-аналитических моделей объектов из класса открытых стохастических систем.
Единое информационное пространство (ЕИП) ППС в масштабе промышленного узла представляет собой совокупность информационных средств и ресурсов, интегрируемых в единую систему, а именно:
- собственно информационные ресурсы (массивы документов, базы и банки данных и пр.), содержащие информацию, зафиксированную на соответствующих носителях;
- сетевое и специальное программное обеспечение;
- сеть телекоммуникаций (территориально распределенные корпоративные компьютерные сети, телекоммуникационные сети и системы специального назначения и общего пользования, сети и каналы передачи данных, средства коммутации и управления информационными потоками).
В основе ЕИП лежит цифровая пространственная модель территории ППС в масштабе промышленного узла с включением в нее всех объектов, образующих единую технико-экономическую и экологическую структуру рассматриваемого района, упорядоченно взаимодействующих друг с другом в процессах обмена информацией, потребления материально-энергетических ресурсов и переработки отходов.
Каждая -я точка ЕИП может быть представлена следующим образом: ; где - координаты ; - множество точек ЕИП; - тип объекта определенного назначения, которому принадлежит , ; - множество типов объектов, входящих в пространственную модель ППС; - -й объект -го типа, ; - множество объектов типа ; - множество атрибутивных данных об -м объекте, имеющем отношение к -й точке ЕИП. Фрагмент пространственной модели Тамбовского промышленного узла приведен на рис. 2.
При разработке АИС ППС Тамбовского промышленного узла в качестве базового программного обеспечения использована ArcGIS корпорации ESRI. На рис. 3 приведена функциональная схема разрабатываемой интегрированной АИС, в состав которой входит базовое и прикладное, разработанное нами, программное обеспечение для решения перечисленных выше задач.
Рис. 2 Фрагмент пространственной модели Тамбовского промышленного узла
Рис. 3 Функциональная схема АИС ППС
При изучении процессов функционирования ППС нами был сделан вывод о том, что всю совокупность задач, решаемых на разных этапах принятия проектных и управленческих решений нужно рассматривать с позиций теории сложных иерархических систем. Для рассматриваемого класса задач справедливы следующие принципы: