Для практического решения задачи синтеза системы очистки газовых выбросов ПТС заменим ее последовательным рассмотрением следующих подзадач меньшей размерности, имеющих и самостоятельное значение в процессе проектирования: формирование варианта СТС системы газоочистки ПТС, в состав которых должны войти все необходимые технологические стадии очистки; расчет аппаратурного оформления выбранных технологических схем очистки.
Задача формирования варианта СТС системы газоочистки ПТС во многом аналогична задаче формирования СТС системы очистки сточных вод и для ее решения использован тот же математический подход.
Задача определения аппаратурного оформления схемы газоочистки, обеспечивающей минимальное значение приведенных затрат при заданных входных и выходных параметрах, формулируется следующим образом: для каждой стадии схемы очистки необходимо найти тип, геометрические характеристики и количество единиц каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки отходящих газов ПТС, т.е.
(24)
при выполнении санитарно-экологических ограничений:
(25)
уравнений связи, представляющих математическую модель формирования вариантов аппаратурного оформления технологической схемы очистки
. (26)
Составляющие критерия имеют вид:
(27)
где - основной размер аппарата на i-й стадии очистки; - коэффициенты, учитывающие зависимость стоимости аппаратов стадии i от материала и основного размера; - количество основных аппаратов на стадии i; - количество стадий схемы; - количество вредных ингредиентов, улавливаемых на схеме; - количество расходуемых материалов (сорбентов, электроэнергии и т.п.); - средний массовый расход j-й примеси; - расходная норма k-го материала, необходимого для проведения процессов очистки от j-й примеси; - среднее время проведения процесса очистки от j-й примеси на i-й стадии очистки с использованием k-го материала; - стоимость единицы k-го расходуемого материала.
Математическая модель технологических процессов системы очистки отходящих газов ПТС включает зависимости для расчета объема аппаратов и определения параметров оборудования, основанные на соответствующих ГОСТ, ОСТ, РСТ, РД. При разработке программного обеспечения решения задачи проектирования системы газоочистки для ПТС все методики расчетов оформлены в виде базы расчетных модулей.
При нахождении необходимого количества аппаратов на каждой стадии очистки используется метод, что и для задачи (16) - (17).
В пятой главе рассматривается решение задачи экологической безопасности машиностроительного производства, которую, по нашему мнению, следует решать на этапе технологической подготовки производства, т.е. при выборе материала, из которого изготавливается конструируемая деталь с заданными эксплуатационными свойствами, прочностными характеристиками, и технологических процессов всех этапов ее изготовления, необходимо учитывать их экологическую безопасность.
Задачу оценки технико-экономической эффективности и экологической безопасности технологической подготовки производства машиностроительных изделий можно сформулировать следующим образом. Для конструируемой детали, с заданными геометрическими размерами L и весом G, ее эксплуатационными свойствами и прочностными характеристиками на множестве найти такой вариант , для которого сумма взвешенных относительных потерь отдельных критериев имеет минимальное значение. Определение варианта осуществляется с использованием: экономического критерия, включающего в себя трудозатраты, стоимость вспомогательных материалов и материалов, затраченных на изготовление приспособлений, стоимость электроэнергии и ущерба, наносимого окружающей среде выбросами загрязнений в атмосферный воздух; оценки процента брака деталей; критерия технологичности процессов упрочняющей обработки.
Множество W представляет собой декартово произведение множеств: допустимых видов материалов, используемых для изготовления детали М; видов упрочняющей обработки, обеспечивающих заданные показатели качества изделия Т; видов заготовок Z; допустимых наборов оборудования для проведения механической , упрочняющей обработок и для выбранных способов получения заготовок ; соответствующих каждому виду обработки: приспособлений, и , видов вспомогательных материалов , и .
В формализованном виде задача заключается в поиске минимума функции :
, (28)
при выполнении ограничений на: эксплуатационные свойства и прочностные характеристики детали; температурный режим технологического процесса и глубину слоя химико-термической обработки материала детали; твердость материала детали; габаритные размеры детали при использовании оборудования; вес детали при использовании приспособлений; показатели технологических процессов упрочнения детали;
уравнений связи
, ,
, (29)
представляющих модели принятия решений при синтезе технологических процессов механической и упрочняющей обработок, а также получения заготовок.
Задача (28), (29) относится к классу комбинаторных. Из-за высокой размерности задачи и традиций организации труда на машиностроительном предприятии, она разбивается на подзадачи:
1 - выбора вида (марки) металла и вида упрочняющей обработки поверхностей детали, а также вида и способа получения заготовки в зависимости от выбранного характера упрочняющей обработки;
2 - выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров механообработки;
3 - выбора экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров определенного ранее вида упрочняющей обработки.
При решении задачи 1, используя критерий, включающий в себя трудозатраты, стоимости вспомогательных материалов и материалов, затраченных на изготовление конструируемой детали, стоимость обработки (снятие технологических прибылей) и транспортные расходы на доставку металла от поставщика на склад предприятия, получаем вариантов ее решения, для которых значения критерия находятся в заданной окрестности оптимальной его величины. Это обусловлено тем, что при решении задачи используется укрупненная оценка затрат и времени на изготовление детали (ее партии), которые уточняются при детальном рассмотрении технологических процессов механической и упрочняющей обработок.
Компонентами каждого варианта являются: материал, используемый для изготовления детали, способ получения и вид заготовки, а также вид упрочняющей обработки, обеспечивающей заданные показатели качества изделия.
Для каждого -го варианта решения задачи 1, принадлежащего , решается задача автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки 3. При ее решении используется критерий, составляющими которого являются: экономический критерий, включающий в себя трудозатраты, стоимости вспомогательных материалов и материалов, затраченных на изготовление приспособлений, стоимости электроэнергии и ущерба, наносимого окружающей среде выбросами загрязнений в атмосферный воздух; процент брака при изготовлении деталей; технологичность процессов упрочняющей обработки. Результатом решения задачи является маршрутная карта технологического процесса упрочняющей обработки.
Модели принятия решений задач 1 и 3 включают ряд эвристических процедур. В основе отдельных из них лежат традиционные действия конструктора и технолога в процессе технологической подготовки производства.
Помимо этих задач в общую схему задач ТПП включается и задача 2, которая в данной работе не рассматривается, так как результаты ее решения не оказывают существенного влияния на обеспечение экологической безопасности территориального района размещения предприятия. Затраты, связанные с реализацией процессов механической обработки конструируемой детали, определялись нами с использованием программно-методического комплекса системы автоматизированного проектирования технологических процессов механической обработки, разработанного «БЕЛОРГСТАНКИНПРОМ».
При решении задачи 1 стоимость упрочняющей обработки оценивалась укрупненно, поэтому решение задач 2 и 3 служит для уточнения затрат на их проведение. Для окончательного выбора оптимального варианта решения общей задачи необходимо вычислить критерий , минимальное значение которого позволит определить: материал, используемый для изготовления детали, способ получения и вид заготовки, технологические процессы механообработки, упрочняющей обработки с соответствующим набором оборудования, приспособлений и вспомогательных материалов.
В шестой главе синтезирована методология построения АИС принятия решений по обеспечению экологической безопасности, описана ее структура. В основу построения программного обеспечения системы положены принципы структурного программирования: модульности и децентрализации управления. Отдельные части программного обеспечения выделены в виде блоков. Это позволяет повысить надежность всей системы в целом, упрощает его дальнейшее совершенствование. Каждый блок реализует решение одной из описанных выше задач.
С помощью разработанного программно-математического комплекса, включенного в АИС, осуществлено решение ряда практических задач, связанных с обеспечением экологической безопасности окружающей среды.
В приложении приведены описания и результаты решения отдельных практических задач, документы, подтверждающие внедрение результатов.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Основным результатом работы является научно обоснованная методология построения интегрированной АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ и/или промышленного узла, открытой для дальнейшего развития. В ее основе лежат 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 АИС поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.
При решении сложного комплекса задач промышленной экологии использованы и адаптированы подходы: теории иерархических систем (на всех этапах принятия проектных и управленческих решений), анализа альтернативных вариантов решений (при проектировании ПТС) с учетом особенностей принятия решений в сфере экологической безопасности и 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.
При решении данной проблемы получены следующие результаты.
1 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.
2 Впервые разработаны модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС с применением продукционных правил, используемых при создании экспертных систем.
3 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.
4 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.