Автореферат: Методология построения автоматизированной информационной системы принятия решений по обеспечению экологической безопасности

- комплексное решение задачи промышленной экологии для ПТС на расширенном пространстве переменных состояния ППС;

- приоритет экологических закономерностей развития ППС перед технико-экономическими на этапе формализации задач;

- иерархичность структуры информационной системы, объединяющей весь комплекс локальных задач промышленной экологии;

- координируемость локальных задач относительно задач вышестоящего уровня; совместимость целей, стоящих перед рассматриваемыми задачами;

- модифицируемость множества задач для обеспечения совместимости и координируемости.

В соответствии с этими теоретическими положениями на рис. 4 представлена структурная схема подзадач разработки проекта промышленного производства (основной задачи, решаемой на локальном уровне) и определено место отдельных подзадач для АИС, непосредственно связанных с экологической безопасностью ППС.

Рис. 4 Структурная схема подзадач, решаемых АИС, при разработке проекта промышленного производства

Наличие множества различных критериев оптимальности при принятии решений задач обеспечения экологической безопасности ППС привело к необходимости использования методов многокритериальной оптимизации. При этом в каждом конкретном случае должны решаться проблемы выбора альтернативных вариантов, метода решения задачи с учетом оценки качества вариантов по всем рассматриваемым критериям; принципа нормализации, приводящего все критерии к единому масштабу измерения и позволяющего производить их сопоставление; принципа учета приоритета, позволяющего отдавать предпочтение более важным, по мнению экспертов, критериям.

Специфика многих задач промышленной экологии состоит в том, что они относятся к классу задач дискретного программирования. В тех случаях, когда множество вариантов решений невелико (не более 10³ - 10⁴), то, учитывая быстродействие современных ПЭВМ, искомое решение можно находить методом полного перебора вариантов. При более высокой размерности задач предлагается схема, основанная на последовательном анализе и отсеивании вариантов путем исключения бесперспективных, как по ограничениям, так и по целевой функции, без проработки начальных этапов и их дальнейшего развития. Особенностью некоторых задач промышленной экологии является то, что отдельные независимые переменные изменяются непрерывно в некотором диапазоне. В этом случае применение предложенной процедуры анализа вариантов для каждой из этих переменных предполагает использование их дискретных значений, которые могут быть получены как результаты измерений соответствующего параметра объекта ППС.

Для получения прогнозов изменения количественных показателей состояния компонент окружающей среды (качества воды, воздуха и т.д.) в результате строительства или модернизации ПТС, необходимо построение экспериментально-аналитических моделей процессов, протекающих в отдельных типах основного и вспомогательного технологического оборудования промышленных объектов и компонентах окружающей среды, которые учитывают гидродинамические особенности потоков в них, кинетические закономерности процессов и вероятностный характер их протекания. При разработке математических моделей предложен подход, согласно которому пользователь, на основе своих знаний об особенностях ПТС, осуществляет генерацию модели с помощью модулей АИС.

При решении задачи идентификации математических моделей объектов ППС в большинстве случаев используется неполная экспериментальная информация детерминированного и вероятностного характера по объекту исследования. В связи с этим разработана схема статистического испытания модели, позволяющая создать на базе имеющихся экспериментальных данных модель, адекватную исследуемому объекту.

Нахождение областей допустимых значений параметров модели осуществляется в ходе имитационного испытания, основу которого составляет метод Монте-Карло. Исходя из известных или правдоподобных диапазонов изменения начальных состояний, параметров и входных переменных с помощью датчиков случайных чисел генерируются их комбинации. Решение уравнений модели с этими значениями позволяет вычислить реакцию модели и проверить выполнение ограничений, известных на основе экспериментальных данных. Достаточная точность оценки количества испытаний получена с помощью интегральной теоремы Лапласа.

Третья глава посвящена решению задач по обеспечению экологической безопасности ПТС, при функционировании которых образуются сточные воды. В связи с этим рассмотрен комплекс задач, связанный с автоматизированным синтезом технологических процессов очистки сточных вод ПТС. В общем виде задачу автоматизированного проектирования системы очистки сточных вод можно сформулировать следующим образом. Для каждой стадии выбранной схемы очистки необходимо найти: тип, геометрические характеристики и количество каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки сточных вод от примесей, а также оптимальный вариант размещения оборудования станции очистки сточных вод на местности при соблюдении ограничений на выходные переменные, доставляющие минимум критерия. 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; надежность функционирования системы очистки; технологичность и безопасность процессов очистки.

В формализованном виде постановка задачи заключается в поиске минимума целевой функции :

(1)

при выполнении санитарно-экологических ограничений:

; ; (2)

ограничений на показатели функционирования системы:

(3)

уравнений связи, представляющих математические модели:

- формирования вариантов структурных схем технологических процессов очистки

; (4)

- формирования вариантов аппаратурного оформления технологической схемы очистки

; (5)

- формирования вариантов размещения сооружений станции очистки сточных вод на генплане промышленной площадки

; (6)

- технологических процессов механической, биохимической очистки сточных вод и обработки осадка

; (7)

- процессов естественного самоочищения воды в природном водоеме (реке) - приемнике очищенных сточных вод

, (8)

где - множество возможных вариантов синтеза сооружений биохимической очистки сточных вод, ; - множество возможных вариантов структуры технологической схемы процессов очистки сточных вод; - множество возможных вариантов аппаратурного оформления технологической схемы очистки; - множество возможных вариантов размещения сооружений очистной станции на генплане промышленной площадки; - оптимальный вариант; - вероятность; - соответственно концентрация -й примеси в природном водоеме - приемнике очищенных сточных вод для w-го варианта сооружений, ее предельно допустимое значение и некоторый «запас»; - вероятности, с которыми обеспечивается запас по ; - количество примесей; - «запас» при оценке эффекта суммарного воздействия примесей на водные объекты; - количество лимитирующих показателей вредности (ЛПВ); - количество примесей в воде водоема для -го показателя ЛПВ; - соответственно функции концентраций вредных примесей на входе и выходе станции БХО и их фоновых значений; - расход сточных вод; - функция уровней качества сточных вод; - соответственно значения показателей функционирования w-го варианта системы очистки (надежность, технологичность, безопасность и т.п.) и их заданные значения; - соответственно количества показателей, для которых задаются условия (3); - множество геометрических и гидрологических характеристик промышленных площадок; - множество характеристик природного водоема (расход, скорость течения, скорость разложения примесей и др.); - нелинейные функции (математические модели процессов синтеза сооружений БХО); - знак декартова произведения.

При такой постановке задачи ее решение невозможно получить в связи с высокой размерностью пространства переменных состояния ППС, сложностью построения математических моделей распространения примесей в воде и т.д. Поэтому, для практического решения задачи синтеза сооружений биохимической очистки сточных вод в соответствии с иерархической структурой, заменим ее последовательным рассмотрением подзадач меньшей размерности, имеющих и самостоятельное значение в процессе проектирования: формирование варианта СТС, в состав которой должны войти все необходимые стадии механической, биохимической очистки и обработки осадка; расчет аппаратурного оформления для выбранной технологической схемы очистки; размещение сооружений станции очистки сточных вод на генплане; прогнозирование качества воды в контрольном створе природного водоема (реки).

В случае отсутствия решения на каждом следующем этапе синтеза сооружений БХО сточных вод лицом, принимающим решение, выбирается другой «оптимистичный» вариант решения задачи предыдущего этапа.

Наиболее прогрессивным подходом к решению задачи формирования варианта СТС очистки сточных вод является применение экспертных систем. Для системы очистки сточных вод предложено множество критериев оценки, которые объединены в 3 группы: «затраты», «технологичность», «безопасность». В таком случае рекомендуется использовать комплексную оценку, предполагающую распределение весов между этими суммирующими группами с учетом конкретных условий.

В работе предлагается следующая постановка задачи формирования варианта СТС: необходимо найти последовательность стадий процессов очистки сточных вод от примесей солей азота и фосфора до требуемых концентраций таких, что при выполнении условий:

(9)

справедливо следующее:

, (10)

при выполнении ограничений на показатели функционирования системы:

, , , (11)

где - весовые коэффициенты, ; - взвешенные потери по i-му критерию; , - монотонные функции, преобразующие каждую функцию цели к безразмерному виду; - критерий, включающий в себя укрупненные приведенные затраты на реализацию системы очистки; - критерий оценки надежности функционирования системы очистки; - критерий технологичности проведения совокупности процессов очистки; - их допустимые значения. Причем для функции цели находится минимум, а для , - максимум.

, (12)

где - наибольшее значение минимизируемой функции , на множестве допустимых альтернатив Т; - наименьшие значения максимизируемых функций , , ; - оптимальные значения функций цели соответственно , , , . Значения , лежат в пределах от 0 до 1.

Критерий оптимальности представляет собой сумму укрупненных приведенных затрат при проектировании совокупности стадий очистки и затрат на аренду земельного участка , имеющего площадь, необходимую для реализации этих стадий. Он не дает точной величины затрат, так как на данной стадии проектирования имеется лишь информация о стадиях очистки, на основании которой с помощью экспертных оценок можно приблизительно оценить стоимость реализации той или иной схемы очистки. Составляющие критерия представляют собой следующие зависимости:

(13)

Здесь - количество стадий для t-й комбинации стадий очистки сточных вод от примесей солей азота и фосфора; - соответственно начальный, конечный и требуемый уровень качества воды (табл. 1); - комбинация, состоящая из технологических x_i-х стадий, при которой критерий оптимальности достигает минимального значения, ; - множество технологических стадий очистки сточных от примесей солей азота и фосфора; - расход сточных вод x_i-й стадии; - коэффициенты, учитывающие зависимость величины затрат стадии i от уровня качества воды и расхода.

Критерий надежности оборудования для реализации совокупности процессов очистки

, (14)

где - вероятность безотказной работы оборудования на i-й стадии очистки. Данные о показателях надежности для отдельных процессов приведены в табл. 2.

1 Зависимости концентраций примесей от уровня качества воды

2 Технологические процессы очистки сточных вод от примесей азота и фосфора