Динамические модели прогноза загрязнений для информационных систем экологического производственного мониторинга

Актуальность работы. В настоящее время существенно возросла актуальность и значимость химического и радиохимического экологического мониторинга атмосферы промышленных предприятий. Это связано с тем, что с наличием химического и радиационного загрязнения атмосферы сталкивается большое число промышленных предприятий атомной энергетики, горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности, промышленности строительных материалов, причем для многих из них содержание в атмосфере концентраций загрязнений близка к критическим значениям. Одним из наиболее распространенных загрязнений воздушной среды, наряду с СО, СО2 и ЕСХНУ. является загрязнение радоном. Радон химически не активен, однако, широта его распространения в промышленности и опасность накопления на территориях предприятий (строительная индустрия, шахты, рудники и т. д.) привела к созданию как российской, так и крупных международных программ по изучению его воздействия на здоровье людей и выработке соответствующих методов и средств контроля за его концентрированием.

Системы радиационного и химического мониторинга в настоящее время интенсивно развиваются для экологическокого мониторинга атмосферы вокруг предприятий и на примыкающих территориях. Вопросы же создания систем экологического мониторинга внутренней атмосферы исследованы в настоящее время достаточно слабо. Кроме того, недостатком существующих систем мониторинга является то, что они, в основном, обеспечивают лишь наблюдение за параметрами экологической обстановки и их регистрацию. Для существенного повышения экологической безопасности предприятия, снижения риска воздействия опасного химического или радиационного загрязнения на работников предприятия и населения прилегающих к ней территорий, большую роль играют подсистемы оперативного прогноза развития загрязнений, которые, на основе информации о развитии экологической обстановки, позволят выработать рекомендации для руководителей различного уровня.

Цель работы — разработка методов и моделей оперативного прогнозирования динамики концентрации загрязняющих веществ в атмосфере для информационных систем экологического производственного мониторинга предприятий. В диссертационной работе решаются следующие задачи:

• обзор существующих информационно-советующих автоматизированных систем экологического мониторинга атмосферы промышленных предприятий, их функциональных структур и режимов использования;

• анализ теоретических моделей распространения загрязнений в атмосфере и их недостатков, затрудняющих использование их для прогнозирования динамики распространения загрязнений в замкнутом объеме промышленных предприятий ;

• обоснование возможности и преимущества экспериментально-статистических многомерных полиномиальных моделей для прогноза развития загрязнений;

• разработка методов и алгоритмов оценивания параметров динамических полиномиальных моделей распространения загрязнений в атмосфере промышленного предприятия;

• разработка функциональной структуры подсистемы прогноза развития загрязнений для принятия решений в информационно-советующих системах производственного экологического мониторинга.;

• исследование эффективности разработанных алгоритмов в системе экологического радиохимического мониторинга атмосферы рудника Минцветмета для прогнозирования динамики концентрации радона.

Научная значимость и новизна работы заключается в :

• разработке методов оценивания параметров динамических полиномиальных моделей загрязнений атмосферы промышленного предприятия, отличающихся от уже известных тем, что допускают возможность алгоритмической реализации операций аналитического дифференцирования, интегрирования и других преобразований, позволяющих существенно упростить структуру программного обеспечения;

• методах и алгоритмах оперативного прогнозирования динамики загрязнений атмосферы промышленного предприятия, основанных на использовании идей последовательного статистического оценивания, отличающихся от известных тем, что статистические оценки вычисляются в реальном времени, синхронно с поступлением данных от датчиков Автоматизированной Системы Экологического Мониторинга;

• предложенной функциональной структуре подсистемы прогнозирования динамики загрязнений атмосферы для АСЭМ промышленного предприятия, отличающейся от известных компактностью программного комплекса, простотой настройки и адаптации для конкретных систем принятия решений экологического мониторинга промышленных предприятий, использованием стандартных, эффективных, недорогих и надежных аппаратных и системных средств.

Практическая значимость работы заключается в:

• полученных в диссертационной работе программных комплексах экспериментально-статистического прогнозирования динамики радиохимических загрязнений атмосферы промышленного предприятия;

• методиках исследования зависимости концентрации радона в атмосфере рудника от горно-технологических условий и объёмов выполняемых работ;

• разработанных алгоритмах и программах, сданных в опытную эксплуатацию подсистемы «ПРОГНОЗ РАДОНА» АСУТП шахты 45 Дзезк. Горн.Рудн. комбината с 20.12.92 г.

Разработанные программные продукты и методики могут быть использованы при создании АСЭМ горно-рудных предприятий Минтопэнерго, Минцветмета, и Минатома России.

Обоснованность и достоверность полученных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы :

• корректным использованием математического аппарата многомерного статистического анализа, теории вероятности, теории идентификации динамических объектов ;

• сопоставимостью результатов теоретических результатов, результатов экспериментальной проверки в промышленных условиях и результатов имитационного моделирования основных процедур последовательного оценивания параметров моделей динамики с точностью 10−11 процентов относительных величин .

Апробация работы: Работа над диссертацией выполнялась в рамках отраслевой программы Минцветмета СССР «Экология и охрана окружающей среды», комплексной Государственной Научно-Технической Программы Министерства науки и технической политики Российской Федерации «Недра России», утвержденной 09.10. 1995 г. и подпрограммы «Экогорметкомплекс будующего» Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения». Эффективность предложенных теоретических методов, алгоритмов прогнозирования, технических решений и программно-аппаратных комплексов подтверждается результатами опытной эксплуатацией алгоритмов и программ экспериментально-статистического прогнозирования динамики концентрации радона в действующей автоматизированной системе экологического радиохимического мониторинга атмосферы рудника 45 «Джезгазганцветмет».

Основные результаты работы были доложены на:

• отраслевой научно-технической конференции по проблемам ракетной и космической техники, М., 1988 г.;

• четвертом международном конгрессе «Информационные проблемы экологического мониторинга», Бургас, 1995 г.;

• выставке Министерства обороны и министерства Атомной промышленности РФ «Системы экологической безопасности двойного назначения», М., 1996 г.;

• семинаре «Автоматизированные системы экологического мониторинга», Московского Горного Института, М., 1991 г.;

• семинаре «Математическое моделирование в системах экологического мониторинга», кафедры «Информационные технологии», Московской Государственной Академии Тонкой Химической Технологии, М., 1997 г.

По теме диссертации опубликовано 7 работ. к.