Модели для системы обеспечения экологической надежности сложных техногенных комплексов

Актуальность проблемы. Перспективы проектирования, строительства и эксплуатации сложных технологических экологически опасных технологических комплексов связаны с научными и практическими достижениями в области новых информационных технологий моделирования асинхронных дискретно-непрерывных динамических систем.

Совершенствование принципов проектирования, модификации и эксплуатации опасных для окружающей среды технических объектов приобретает особую остроту и сложность в современной социально-экономической обстановке. Реально ощущается потребность в моделях, на основе которых можно было бы создавать методические и программные средства, обеспечивающие протекание контролируемой экологически безопасной совокупности технологических процессов в сложных, непредвиденным образом изменяющихся условиях. Объясняется это, прежде всего, возрастающей сложностью технологических систем и увеличением количества вредных высокотоксичных веществ, используемых в процессе функционирования.

Сложный технологический экологически опасный комплекс (в дальнейшем СТэК) или просто сложный техногенный комплекс можно определить как множество технологических объектов, которое в процессе своего функционирования или в аварийных ситуациях оказывает сильное антропогенное воздействие на окружающую среду. К классу СТэК, прежде всего, относятся промышленные предприятия топливно-энергетического комплекса и наземные объекты ракетно-космических комплексов. Универсальные методы повышения эффективности прогнозирования токсичных выбросов в окружающую среду и предотвращения производственных аварий были отработаны на космических транспортных средствах, характеризующиеся большим разнообразием и высокой сложностью отдельных систем и агрегатов.

В работах многих российских и зарубежных научно-технических коллективов отражен обширный теоретический и практический материал, позволяющий провести обобщение принципов моделирования СТэК, определяющее направления дальнейшего совершенствования применяемых методов и моделей повышения экологической надежности. Накопленный опыт решения отдельных задач конструкторско-технологических разработок практически не связан с целями экологической экспертизы, поэтому разработка формальных средств, предназначенных для комплексной автоматизации всех этапов от описания технических требований до подготовки экологического паспорта СТэК остаётся основной задачей новых технологий экологического моделирования.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки, теоретического обоснования, практической реализации и апробации методических, математических и программных средств для экологического моделирования и экологической экспертизы сложных техногенных комплексов.

Целью работы является теоретическая и практическая разработка научно обоснованной, ориентированной на современные экологические нормы и реально используемой информационной технологии имитационного моделирования, обеспечивающей решение важных прикладных задач обеспечения экологической надежности сложных техногенных систем.

В связи с этим в диссертации ставятся и решаются следующие задачи:

— разработка комплекса структурно-функциональных моделей и методов, обеспечивающих анализ поведения функционально взаимосвязанных множеств структурных элементов СТэК;

— моделей, учитывающих влияние экологических факторов на логическое управление СТэК;

— разработка системы экологического моделирования и экологической экспертизы СТэК;

— практическая реализация и экспериментальная проверка разработанных средств на примерах решения экологических задач ведомственных экоин-формационных систем.

Методы исследования основаны на применении теории графов, теории сетей Петри, теории конечных автоматов, теории аппроксимации функций, теории моделей баз данных, теории формальных языков и грамматик, а также теории искусственного интеллекта.

Научная новизна работы:

— проведено уточнение структурно-функциональных моделей СТэК в виде функциональных графов и гиперграфов (2Ги Евграфов), применяемых на мета-, макро-, и микроуровнях экологического моделирования СТэК, отличающихся от известных моделей формой представления причинно-следственных связей и позволяющих включить в технологию моделирования обработку данных экологического характера;

— сформулирована общая задача экологического моделирования СТэК, предложена концептуальная схема информационной технологии решения этой задачи и разработана общая структурная схема имитационной экологической модели, отличающаяся от известных возможностью использовать накопленный программный материал предыдущих разработок;

— произведена модификация нечетких и вероятностных Еи Е§-графов для применения в языках описания параллельных алгоритмов логического управления, обеспечивающая отображение реальных особенностей структурных элементов СТэК и программируемых автоматов;

— разработана методика применения аппроксимации многоэкстремальных функций в задачах экологического моделирования на макрои микроуровнях, обеспечивающая корректность по отношению к конкретным многоэкстремальным реализациям случайных процессов и эффективность в смысле быстроты сходимости итерационных процедур и числа параметров, участвующих в аппроксимативных выражениях;

— разработана методика использования имитационного моделирования технологических объектов в ведомственных экологических информационных системах.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов:

— разработан проект программы реализации ведомственных исследований экологического влияния функционирования СТэК и отдельные положения проекта реализованы в процессе экологической экспертизы реальных технологических систем;

— разработаны методы структурно-функционального и логического моделирования СТэК, устанавливающие чёткую спецификацию технологических процедур и определяющие способы распознавания экологически нежелательных параметров и вариантов функционирования структурных элементов как на ранних этапах создания, так и в процессе внесения изменений в действующую структуру;

— разработаны алгоритмы приближения случайных функций, обладающие эффективностью в смысле быстроты обработки последовательности экспериментальных данных с малой вероятностью появления ошибок в программной реализации;

— предложена структурно-функциональная модель СТэК устраняющая дефицит данных экологического характера и раскрывающая причины влияния на окружающую среду во всех стадиях жизненного цикла;

— разработанные модели и методы реально использовались при обработке данных в экоинформационных ведомственных системах;

— разработанные методические и программные средства применяются в учебном процессе технической подготовки специалистов.

Достоверность полученных в диссертационной работе теоретических выводов подтверждена результатами:

— вычислительного эксперимента на реальных агрегатах, блоках и устройствах СТэК;

— апробации методик расчета на конкретных примерах решения задач моделирования в экоинформационных внутрифирменных системах;

— сравнения альтернативных методик и процедур.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты исследований были получены в процессе проведения научно-исследовательских работ по региональной части комплексных программ «Конверсия научно-технического потенциала вузов» и «Конверсия и высокие технологии», проводимых Министерством образования России в 1992;2000 гг.

Предложенные методы и модели, а также разработанные алгоритмы и программы использовались в пяти научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, выполненных при непосредственном участии автора.

Основные программные средства логического моделирования приняты в отраслевой фонд алгоритмов и программ НИИ проблем высшей школы.

Алгоритмическое и программное обеспечение моделирования СТэК использовалось в учебном процессе кафедр ИВТ ПГАСА и СЭВМ филиала «Восход» МАИ, а также при подготовке операторов криогенных систем заправки космических транспортных средств.

Основные результаты проведенных исследований были использованы в Институте космических исследований Министерства науки и Академии наук Республики Казахстан (г. Алматы), в Центре внедрения «Вымпел» (Байконур), в научно-внедренческом предприятии «Интерпракт» (г. Заречный), в многопрофильных предприятиях «Стэк» ЛТД и «Дилинг» ЛТД (г. Алматы).

Технические решения, разработанные при выполнении диссертации, использованы в процессе проведении экологической экспертизы систем эксплуатации теплоэнергетических и транспортных предприятий (ОКБ «Дельта» г. Алматы и СТО «Ижмаш» г. Пенза).

Документы, подтверждающие практическое использование результатов диссертационной работы, приводятся в приложении.

Дальнейшее внедрение разработанных моделей и методов планируется проводить в рамках региональной комплексной программы энергоэкологической экспертизы, реализующей для демонстрационных зон основные положения Федерального закона «Об энергосбережении» № 1552 от 20.03.96 г. и Федерального закона «Об экологической экспертизе» № 174-ФЗ от 23.11.95 г.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на международных, республиканских и региональных научно-технических конференциях и семинарах:

— международной конференции «Экологический мониторинг территории Казахстана» (г. Алматы и Байконур, 1993);

— I Всероссийской конференции молодых учёных и аспирантов. (г.Таганрог, 1998);

IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г.Таганрог, 1998);

— Всероссийской XXXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства (г.Пенза, 2001).

— региональной конференции «Научно-исследовательская деятельность и ее роль в подготовке специалистов в техническом Вузе» (г.Новосибирск, 1995);

— региональной конференции «Проблемы эффективности высшего технического образования» (г.Рыбинск, 1997);

— ежегодных конференциях Президиума АН РК и Института космических исследований МН и АН РК (г.Алматы, 1992;1993);

— ежегодных конференциях Пензенской государственной архитектурно-строительной академии (г.Пенза, 1995;2002).

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

В первой главе анализируются основные особенности системы обеспечения экологической надежности СТэК на примере наземных объектов ракетно-космических комплексов.

Задачи обеспечения экологической надежности таких комплексов, сводятся к обеспечению экологической надежности отдельных технологических звеньев, которые рассматриваются с позиции «имитационной экологической модели», на выходе которой формируются данные о различных токсичных и супертоксичных загрязнениях.

Во второй главе СТэК рассматривается как асинхронная дискретно-непрерывная динамическая система с конечным числом состояний. Для моделирования структурно-функциональных свойств комплекса предлагается использовать методы аппарата теории функциональных графов и гиперграфов.

Формулировка общей задачи моделирования в терминах предлагаемых моделей позволяет построить концептуальную схему информационной технологии, использующей при экологическом моделировании накопленный опыт предыдущих разработок и творческие возможности коллектива разработчиков.

В третьей главе разрабатываются модели, учитывающие на макрои микроуровнях случайные внешние воздействия и изменения параметров отдельных технологических звеньев.

Задачи моделирования решаются методами теории аппроксимации многоэкстремальных функций, на основе которых разрабатываются эффективные алгоритмы анализа физико-химических процессов.

В четвертой главе разрабатываются средства анализа влияния процессов логического управления СТэК на экологическую надежность.

Теория вероятностных и нечетких графов и гиперграфов служит основой для структурного проектирования алгоритмов управления, для обеспечения преемственности вновь создаваемого программного продукта и для применения мощных средств верификации, моделирования и отладки.

Рассматривается система логического моделирования и примеры решения конкретных задач.

В пятой главе рассматривается интегрированная система экологического моделирования «СЭМ СтэК», реализованная в форме надстройки над тестовыми оболочками, объединаящими математические системы, электронные таблицы и специализированные пакеты программ.

Рассматривается структура системы, основные функции, режимы работы и формы документов. Оценивается предотвращенный ущерб при внедрении системы и общая эффективность проведенных научных исследований.

В заключении обобщаются основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложении приведены описания основных программ моделирования, а также документы, подтверждающие практическое использование научных и практических результатов работы в промышленности и при подготовке специалистов.

Выводы.

Результаты экспериментальных практических разработок, приведенные в данной главе, позволяют сделать следующие выводы:

— предложенные модели и методы реализованы в интегрированной системе имитационного моделирования, состоящей из двух подсистем, выполняющих как комплексное, так и автономное решение задач функционально-логического моделирования и экологической экспертизы СТэК выбранная структура «СЭМ СТэК» обеспечивает преемственное использование опыта отечественных разработок, настройку на разные режимы работы и эффективное использование в вычислительных сетях автоматизированного управления техногенными системами различного функционального назначения;

— программное и информационное обеспечение подсистемы функционально-логического моделирования реализует все функции по редактированию исходного задания, формирования модульной структуры и диагностики алгоритмов функционирования модулей;

I 1 ч.

— подсистема экологической экспертизы, используя результаты работы подсистемы ФЛМ и накопленную в архивах «СЭМ СТэК» экологическую информацию выполняет все необходимые расчеты от инвентаризации вредных выбросов до составления экологического паспорта;

— разработанное математическое, методическое и программное обеспечение «СЭМ СТэК» позволяет использовать практические результаты как непосредственно в производственном цикле, так и в учебном процессе подготовки специалистов по проектированию и эксплуатации комплексов;

— возможности эффективного и широкого и промышленного использования и внедрения выполненных разработок подтверждаются документами практического применения моделирующих подсистем.

Заключение

.

Выполненные в диссертации научные и технические исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты и выводы работы.

1. В диссертации проведена теоретическая и практическая разработка научно обоснованной, ориентированной на современные экологические нормы и реально используемой информационной технологии имитационного моделирования, обеспечивающей решение важных прикладных задач обеспечения экологической надежности сложных техногенных систем.

2. К основным теоретическим результатам, полученным в диссертации лично автором, относятся:

— разработанное структурно-функциональной описание техногенной системы в форме функциональных графов и гиперграфа, представляющее дальнейшее расширение сетевых моделей и отличающееся от известных многовариантной интерпретацией причинно-следственных связей между отдельными элементами;

— разработанный методологический подход к решению комплекса задач имитационного моделирования, основанный на общей постановке задачи отображения гиперграфов и определяющий схему информационной технологии в технологическом цикле СТэК;

— произведенная модификация вероятностных и нечетких графов и гиперграфов для описания параллельных алгоритмов логического управления, учитывающая особенности реальных технологических объектов и обеспечивающая корректный переход к программам устройств логической обработки информации;

— разработанный метод аппроксимации многоэкстремальных функций, сохраняющий физическую сущность моделируемых объектов в аппроксимирующих выражениях и ориентированный на применение в функциональных гиперграфах при различных преобразованиях;

— разработанная структура интегрированной системы, обеспечивающей использование результатов имитационного моделирования в экологической экспертизе технологических объектов различных классов.

3. Основные практические результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем:

— разработаны средства структурно-функционального и логического моделирования поддерживающие применение информационных технологических приёмов, использующих опыт предыдущих разработок и творческие возможности коллектива разработчиковразработан вариант системы имитационного моделирования обеспечивающий интеграцию проверенных практикой и вновь разработанных частей проекта в соответствии с новыми экологическими требованиямиразработаны информационные средства, обеспечивающие достоверность, научную обоснованность, объективность и законность заключений экологической экспертизы технологических объектов;

— разработанные методические и программно-информационные средства применены в производственной деятельности различных предприятий и в учебном процессе технической подготовки специалистов;

— разработанные методические, алгоритмические и программные средства адаптированы к внедрению в различных классах ведомственных экоинформационных систем;

— применение «СЭМ СТэК» в процессе моделирования криогенной системы заправки позволило предотвратить экономический ущерб в сумме 33 000 у.е.