Методология построения автоматизированной информационной системы принятия решений по обеспечению экологической безопасности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.25.05, доктор технических наук Немтинов, Владимир Алексеевич

• Немтинов, Владимир Алексеевич
• доктор технических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор технических наук Немтинов, Владимир Алексеевич

1 МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИРОДНО-ПРОМЫШЛЕННОЙ СИСТЕМЫ.

1.1 Промышленные объекты - составная часть природно-промышленной системы.

1.2 Методы прогнозирования состояния компонентов окружающей среды промышленного узла.

1.3 Обзор методов решения задач промышленной экологии при проектировании производственных технических систем.

1.4 Анализ методов автоматизированного синтеза технологических процессов промышленных систем.

1.5 Постановки задач исследования.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ.

2.1 Единое информационное пространство природно-промышленной системы в масштабе промышленного узла.

2.2 Иерархические системы принятия решений задач промышленной экологии.

2.2.1 Применение теории сложных систем для решения задач обеспечения экологической безопасности промышленного узла при проектировании производственных технических систем.

2.2.2 Комплексная оценка при принятии решений задач обеспечения экологической безопасности природно-промышленной системы

2.2.3 Процедура анализа вариантов принятия решений при проектировании сложных систем.

2.3 Распознавание технико-экологических состояний объектов и выбор контролируемых признаков.

2.4 Автоматизированное проектирование математических моделей объектов класса открытых систем.

2.4.1 Выбор математической модели на основе качественной и количественной информации.

2.4.2 Имитационное исследование математических моделей процессов промышленных и природных объектов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

3 АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ПРОЦЕДУРНЫЕ МОДЕЛИ СИНТЕЗА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УТИЛИЗАЦИИ ЖИДКИХ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

3.1 Автоматизированное решение задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод.

3.1.1 Постановка задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод.

3.1.2 Процедура решения задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод.

3.2 Автоматизированный расчет аппаратурного оформления станции биохимической очистки сточных вод.

3.2.1 Постановка задачи расчета аппаратурного оформления станции биохимической очистки сточных вод.

3.2.2 Процедура решения задачи расчета аппаратурного оформления станции биохимической очистки сточных вод.

3.3 Автоматизированное проектирование генерального плана станции биохимической очистки сточных вод.

3.3.1 Постановка задачи проектирования генерального плана.

3.3.2 Процедурная модель принятия решения задачи проектирования генерального плана.

3.3.3 Процедура решения задачи проектирования генерального плана.

3.4 Математические модели биохимических процессов в сооружениях станции очистки сточных вод и самоочищения в природных водоемах

3.4.1 Математическая модель аэротенка.

3.4.2 Математическая модель вторичного отстойника.

3.4.3 Математическая модель денитрификатора.

3.4.4 Математическая модель реки с малым расходом воды.

3.5 Процедурная модель принятия решения задачи реконструкции станции биохимической очистки сточных вод.

3.6 Математическая модель системы аварийной защиты и управления станцией биохимической очистки сточных вод.

3.7 Решение задачи распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.

3.7.1 Постановка задачи.

3.7.2 Процедура решения задачи.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

4 ИНФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЦЕДУРНЫЕ МОДЕЛИ СИНТЕЗА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

4.1 Автоматизированное решение задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов.

4.1.1 Постановка задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов.

4.1.2 Процедура решения задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов.

4.2 Автоматизированный расчет аппаратурного оформления технологической схемы очистки газовых выбросов.

4.2.1 Постановка задачи расчета аппаратурного оформления технологической схемы очистки газовых выбросов.

4.2.2 Процедура решения задачи расчета аппаратурного оформления технологической очистки газовых выбросов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

5 ИНФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЦЕДУРНЫЕ МОДЕЛИ СИНТЕЗА ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ПРИМЕРЕ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ

МЕТАЛЛОВ.

5.1 Разработка экономичных экологически безопасных технологических процессов изготовления изделий из металлов с использованием теории сложных систем.

5.2 Задача оценки технико-экономической эффективности и экологической безопасности при синтезе технологических процессов производства машиностроительных изделий.

5.3 Автоматизированный выбор марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения.

5.3.1 Математическая постановка задачи автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения.

5.3.2 Процедурная модель принятия решения задачи автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий машиностроения.

5.4 Автоматизированный выбор экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

5.4.1 Математическая постановка задачи автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

5.4.2 Процедурная модель принятия решения задачи автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

5.5 Методика автоматизированного решения задачи технологической подготовки машиностроительного производства.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5.

6 ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО

ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ПРОМЫШЛЕННОГО УЗЛА.

6.1 Обоснование структуры системы.

6.2 Информационное обеспечение системы.

6.2.1 Информационная база данных для решения задачи автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения изделий машиностроения.

6.2.2 Информационная база данных для решения задачи автоматизированного выбора технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

6.3 Примеры решения отдельных задач проектирования станций биохимической очистки сточных вод.

6.3.1 Автоматизация проектных расчетов при реконструкции городских очистных сооружений.

6.3.2 Прогнозирование режимов функционирования реконструируемых станций биохимической очистки сточных вод.

6.3.3 Исследование математической модели процесса денитрификации сточных вод.

6.3.4 Моделирование работы системы аварийной защиты и управления станцией биохимической очистки сточных вод.

6.3.5 Моделирование процессов самоочищения реки с малым расходом воды.

6.4 Примеры решения задач синтеза технологических процессов производства изделий из металлов.

6.5 Пример решения задачи синтеза технологических процессов обезвреживания газовых выбросов химических производств.

6.6 Решение задачи размещения производства N-фенилантраниловой кислоты.

6.7 Моделирование распространения загрязнений в компонентах окружающей среды Тамбовского промышленного узла.

6.8 Оценка качества подземных вод Тамбовского промышленного узла

6.9 Автоматизированная обработка данных государственной экологической экспертизы промышленных объектов.

6.10 Решение задачи распределения квот сброса сточных вод на городские очистные сооружения предприятиями г. Моршанска Тамбовской области.

6.11 Учебная подсистема удаленного доступа «Эколог».

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология построения автоматизированной информационной системы принятия решений по обеспечению экологической безопасности»

В России охране окружающей среды всегда уделялось большое внимание. В настоящее время приняты: Концепция экологической безопасности Российской Федерации [91], которая является составной частью Концепции национальной безопасности [90]; много законодательных актов, направленных на сохранение, рациональное использование, расширенное воспроизводство и развитие природных ресурсов; федеральные законы «Об охране окружающей среды» [290], «Об охране атмосферного воздуха» [289], «О животном мире» [288] и др. Контроль над соблюдением требований законодательств осуществляется Министерством природных ресурсов РФ.

Экологическая безопасность - это проблема взаимоотношений общества и природы, сохранение окружающей природной среды. Ее целью является обеспечения устойчивого и оптимального на длительном периоде времени равновесия между природными и антропогенными системами, техносферой и обществом. В соответствии с принятой Концепцией экологической безопасности страны важной стратегической задачей является предупреждение загрязнения окружающей среды при размещении новых производственных технических систем (ПТС) и обезвреживание ее компонентов в местах повышенной экологической опасности (в местах наибольшей концентрации населения, промышленного и сельскохозяйственного производства) на базе нормирования качества окружающей среды, внедрения систем очистки и ресурсосберегающих технологий. Решение такой задачи в настоящее время невозможно без использования автоматизированных информационных систем (АИС) интеллектуального уровня.

Основными антропогенными объектами, функционирование которых во многих случаях приводит к нарушению состояния равновесия природной среды, являются промышленные предприятия. Во многом степень загрязнения природной среды зависит от технологии получения целевой продукции. Так, например, в настоящее время большинство химических процессов ведется в водных растворах, которые потом идут в стоки, в то время как известны и процессы химии твердого тела, не нуждающиеся в применении воды и растворителей. Допущенные просчеты при выборе технологии и в оценке степени загрязнения окружающей среды при бурном развитии промышленных производств привели к загрязнению водоемов, кислотным дождям, гибели отдельных видов растений и животных, угрозе здоровью людей и т.п.

Одним из основных средств исследования взаимодействия ПТС с природной и социальной средой является математическое моделирование. Оно позволяет прогнозировать возможные изменения физических, химических и биологических состояний окружающей среды, вызванные деятельностью ПТС. Другими словами, с помощью математических моделей можно оценить «экологичность» ПТС через изменение параметров природной среды.

Степень экологической опасности ПТС, по предложению академика Б.Н. Лас-корина, необходимо оценивать по количеству и составу образующих отходов [232]. На основании знаний о количественном и качественном составе отходов можно прогнозировать ущерб, наносимый природе и обществу, и в зависимости от его величины принимать решения по выбору технологических процессов ПТС [158]. При реализации такого подхода возникают серьезные трудности, связанные со сложностью разработки моделей переноса и диффузии примесей в атмосферном воздухе, воде, почве с учетом их физических и биохимических превращений, состоянием сред и т.п., а также отсутствием точных методов расчета всех видов ущерба, наносимого природе и обществу в стоимостном выражении. В процессах, возникающих вследствие воздействия ПТС на окружающую среду, исходя из их специфики и пространственно - временных масштабов, можно условно выделить три уровня изменений:

- физико-химические превращения, происходящие в атмосфере, гидросфере и литосфере;

- биологические реакции, происходящие в живых организмах;

- социально-экономические последствия.

В основных направления экономического и социального развития Российской Федерации на ближайшие десятилетия определена программа комплексного решения проблемы охраны окружающей среды от промышленных загрязнений на основе создания малоотходных и безотходных технологий, разработки новых методов и средств очистки производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод, использования на всех этапах выполнения исследовательских и опытно - конструкторских работ современных информационных систем.

Предусмотренное на ближайшие годы увеличение выпуска и расширение номенклатуры промышленной продукции, обусловливающее значительное увеличение объема проектных и конструкторских работ - с одной стороны, необходимость решения экологических проблем - с другой, требует: разработки новых принципов и методов расчета; использования комплексных критериев оценки принимаемых проектных решений, составляющими которых являются экономические затраты и экологическая безопасность проведения технологических процессов, что особенно важно в современных рыночных отношениях. В свою очередь, это требует создания специального математического и программного обеспечений, позволяющих решать задачи промышленной экологии, связанные с проектированием и эксплуатацией ПТС и обеспечением экологической безопасности включающих их природно-промышленных систем (ППС). Решение проблемы обеспечения экологической безопасности ППС является важным и аюуальным научно-техническим направлением устойчивого развития субъектов РФ, однако оно сдерживается отсутствием прикладных автоматизированных систем поддержки принятия проектных и управленческих решений, использующих современные информационные технологии: ГИС-технологии, SQL- ориентированные инструментальные системы и др. В связи с этим выполненная работа посвящена разработке методологических основ и созданию проблемно-ориентированной вычислительной системы, используемой при решении задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС. Результаты, полученные автором, базируются на достижениях многих научных школ. Решению проблемы сохранения окружающей среды большое внимание уделяли ведущие отечественные и зарубежные ученые: академики Вернадский В.И., Моисеев Н.Н., Марчук Г.И., Яковлев С.В., Лас-корин Б.Н. и др. В частности, в решение проблемы синтеза малоотходных химических производств большой вклад внесли такие российские ученые как: академик Ка-фаров В.В.; профессора: Перов В.Л., Бодров В.И., Гордеев Л.С., Егоров А.Ф., Малыгин Е.Н., Попов Н.С., Макаров В.В., Дорохов И.Н. и др. Среди ведущих ученых в области теории информатики и АИС следует отметить академика Арского Ю.М., профессора Гиляревского Р.С. и др.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационным планом Межвузовских НТП «Ресурсосберегающие технологии машиностроения» на период

1994 - 1997, «Теоретические основы химической технологии» на период 1995 - 2000 гг., а также по хоздоговорным планам НИР Тамбовского института химического машиностроения в 1981- 1993 гг. и Тамбовского государственного технического университета в 1994-2003 гг.

Объектом исследования в работе является ППС в масштабе субъекта РФ и/или промышленного узла, включающая в себя совокупность объектов различного назначения, образующих единую технико-экономическую и экологическую структуру территории, взаимодействующих друг с другом в процессах обмена информацией, потребления материально-энергетических ресурсов и переработки отходов.

Предметом исследования являются математические методы и модели, лежащие в основе разработки автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных и управленческих решений, непосредственно связанных с экологической безопасностью окружающей среды.

Цель работы. Целью работы является создание методологии построения автоматизированной информационной системы (АИС) поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта Российской Федерации.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1 Разработаны теоретико-аналитические основы построения интегрированной АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности в масштабе субъекта РФ.

2 Развиты теория и методы автоматизированного синтеза процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС.

3 Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий машиностроения.

4 При создании подсистем поддержки принятия решений разработаны:

- математические и расчетные модели синтеза химико-технологических процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС;

- математические и расчетные модели синтеза экологически безопасных технологических процессов получения целевой продукции (на примере производства изделий из металлов);

- экономическая модель принятия решений при регулировании взаимоотношений между природопользователями;

- информационная система автоматизированной обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных объектов;

- процедурная модель оценки качества воды в компонентах гидросферы окружающей среды.

5 Разработано программное обеспечение АИС для решения задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС.

Решение поставленных в работе задач позволяет на этапе принятия проектных и управленческих решений оценить риск экологической опасности ПТС и предложить меры по предотвращению загрязнения окружающей среды.

Методика исследования основана на использовании методов математического моделирования; методов системного анализа, линейного, нелинейного и дискретного программирования, методик экспериментального исследования процессов химической биохимической природы; методов имитационного эксперимента.

Научная новизна. 1 На базе системного анализа, методов математического моделирования, теории оптимального управления и теории принятия решений разработана методология построения интегрированной автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ, открытой для дальнейшего развития. Были сформулированы следующие 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 информационной системой поддержки принятия решений, созданной на базе единого информационного пространства ППС.

При решении сложного комплекса задач промышленной экологии использованы и адаптированы следующие подходы: теории иерархических систем (на всех этапах принятия проектных и управленческих решений), анализа альтернативных вариантов принятия решений (при проектировании ПТС), 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; поставлены и формализованы задачи и реализованы методики их решения.

2 Развита методология автоматизированного синтеза химико-технологических процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС, охватывающая все основные этапы проектирования. На ее основе осуществлены постановки задач: обеспечения экологической безопасности ППС при размещении ПТС; автоматизированного формирования структуры технологической схемы (СТС) очистки сточных вод; расчета аппаратурного оформления схемы и автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод; автоматизированного формирования СТС очистки газовых выбросов и расчета аппаратурного оформления этой схемы. 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.

3 Впервые разработаны модели принятия решений задач формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС с применением продукционных правил, используемых при создании экспертных систем.

4 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.

5 Разработаны экспериментально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денит-рификаторе и реке с малым расходом воды.

6 Впервые создана информационная модель экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере ПТС, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки.

7 Развит научный подход к автоматизированному синтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий из металлов, охватывающий все основные этапы технологической подготовки производства, учитывающий комплексную оценку альтернатив при принятии решений; условия эксплуатации изделий; возможность использования различных технологий и видов оборудования. Осуществлены постановки задач и предложены модели их решений: оценки технико-экономической эффективности и экологической безопасности технологической подготовки производства машиностроительных изделий; автоматизированного выбора марки металла, вида и способа получения заготовки в зависимости от характера упрочнения изделий; автоматизированного выбора экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

Таким образом, методология построения АИС поддержки принятия решений в сфере экологической безопасности включает в себя совокупность принципов, подходов, аналитических и процедурных моделей различных процессов объектов, входящих в состав ППС. С помощью АИС можно: создавать модели ППС в автоматизированном варианте, проводить имитационные исследования, генерировать ответы по сценарию и т.д.

На защиту выносятся основные положения:

1 Научно обоснованная методология построения интегрированной автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ, открытой для дальнейшего развития и реализующей следующие 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, 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, базирующаяся на совмещении процесса размещения объектов и трассировки коммуникаций.

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 изделий из металлов.

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 структуры технологической схемы очистки сточных вод; расчета аппаратурного оформления этой схемы и 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;

- выбора технологических процессов (на примере производств анилиновых красителей), а также района их возможного размещения;

- выбора оптимального варианта технологических процессов очистки газовых выбросов ПТС и определения их аппаратурного оформления.

Разработанный комплекс программ передан в Тамбовский филиал Московского научно-производственного объединения НИОПиК (в настоящее время ОАО «Эко-химпроект»), отдельные пакеты программ - ОАО «Пигмент», г.Тамбов, «Гипрополи-мер», 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, Ивановский химико-технологический институт (в настоящее время 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. Материалы работы докладывались на 58 Всесоюзных, Международных конференциях и конгрессах. Результаты работы представлены публикациями в центральной и международной печати.

Новизна и оригинальность научных исследований, выполненных в диссертации, отмечены и поддержаны грантом Министерства образования РФ по исследованиям в области машиностроения, 1995. Биографические сведения о Немтинове В.А. включены в издание «Who is Who in Science and Engineering» 7lh Edition, 2003-2004 (By Marquis Edition Who is Who in Science and Engineering (USA)). International Biographical Center (Cambridge, England) номинировал B.A. Немтинова как «International Scientist of the Year for 2003» и включил его в список «Leading Scientists of the World 2005».

В списке литературы, включающем более 359 наименований приведены основные источники, в сравнении с которыми выполнена настоящая работа, ссылки и работы самого автора, указывающие на приоритет в данной области исследования.

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.

Заключение диссертации по теме «Информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики», Немтинов, Владимир Алексеевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Основным результатом работы является научно обоснованная методология построения интегрированной АИС поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС в масштабе субъекта РФ 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 рассмотрении 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 процессов очистки сточных вод и газовых выбросов ПТС, охватывающая все основные этапы проектирования. На их основе осуществлены постановки задач: обеспечения экологической безопасности ППС при размещении ПТС; автоматизированного формирования СТС очистки сточных вод; расчета аппаратурного оформления схемы и автоматизированного проектирования генерального плана станции биохимической очистки сточных вод; автоматизированного формирования СТС очистки газовых выбросов и расчета аппаратурного оформления этой схемы. 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 проектного решения 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 эксперимеЕпально-аналитические модели биохимических процессов, протекающих в аэротенке со сложным гидродинамическим режимом, денит-рификаторе и реке с малым расходом воды, с учетом кинетических закономерностей и вероятЕюстпого характера их протекания.

5 Впервые создана экономическая модель регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере предприятий, осуществляющих сброс сточных вод на региональную станцию БХО.

6 Развит 1Еаучный подход к автоматизированному сшЕтезу экологически безопасных технологических процессов на примере производства изделий машинострое-ееия, охватываЕОщий все основееьш этапы тех1Еологической подготовки производства и учитывающий: комплексЕ1ую оценку альтернатив при принятии реше1Еий; условия эксплуатации изделия; возможность использования различных технологий и видов оборудоваЕЕия. Создана модель принятия решения выбора: марки металла, вида и способа получеЕшя заготовки в зависимости от характера упрочнения для изделий; экономичного экологически безопасного технологического процесса, оборудования, приспособлений, вспомогательных материалов и режимных параметров упрочняющей обработки.

7 Разработана интерактивная информационная система поддержки принятия решений по обеспечению экологической безопасности ППС, включающая следующие пакеты программ:

- автоматизированного формирования СТС очистки сточных вод и газовых выбросов; расчета аппаратурного оформления этих схем и автоматизированного проектирования генерального плана станции БХО сточных вод;

- распределения квот сброса сточных вод на региональную станцию биохимической очистки;

- обработки данных государственной экологической экспертизы промышленных предприятий;

- автоматизированного выбора: марки металла, способа получения и вида заготовки в зависимости от вида 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.

8 Теоретические и практические результаты использованы при решении ряда задач промышленной экологии на этапах проектирования и эксплуатации ПТС, Полученный экономический эффект в современных ценах составил более 800 тыс. рублей.

Таким образом, методология построения АИС поддержки принятия решений в сфере экологической безопасности включает в себя совокупность принципов, подходов, аналитических и процедурных моделей различных процессов объектов, входящих в состав ППС. С помощью АИС можно: создавать модели ППС в автоматизированном варианте, проводить имитационные исследования, генерировать ответы по сценарию и т.д.

Основные теоретические и экспериментальные результаты обсуждались на Всесоюзной конференции "Реахимтехника-2" (Днепропетровск 1985), I, II Всесоюзной конференции "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" (Тамбов 1986, 1988), Всесоюзной конференции "Охрана от загрязнения сточными водами водоемов бассейнов внутренних морей (Тбилиси 1987), Всесоюзной конференции "Математическое моделирование сложных химико-технологических систем" (Казань 1988), Всесоюзной конференции "Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем, научных исследований и гибких автоматизированных производств" (Тамбов 1989), Всесоюзной конференции "Проблемы компьютеризации управления в высшей школе (Тамбов 1990), VII Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы, задачи и опыт внедрения программных средств АСУ ТП" (Черновцы 1990), Международной теплофизической школы "Теп-лофизические проблемы промышленного производства" (Тамбов 1992), Межреспубликанской конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования" (Тамбов 1993), Всероссийской научно-технической конференции "Математические методы в химии" (Тула 1993), I, II, III, IV, V научной конференции Тамбовского государственного технического университета (Тамбов 1994, 1995, 1996, 1999, 2000), IV Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов (Москва 1994), Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии (Ярославль 1994), I, II, III Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь 1995, Новомосковск 1997, Владимир 1998), III Международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика" (Москва 1996), II, III, IV, V,VI Тамбовской межвузовской конференции "Актуальные проблемы информатики и информационных технологий" (Тамбов 1998, 1999, 2000, 2001, 2002), I Всероссийской конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Нижний Новгород 1999), II Международной конференции "Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах «ИНФОТЕХ-99»" (Череповец 1999), II Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM-99" (Санкт-Петербург 1999), XII, XIII, XIV, XV, XVI Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Великий Новгород 1999, Санкт-Петербург 2000, Смоленск 2001, Тамбов 2002, Казань 2005), X Международной конференции "Применение новых технологий в образовании" (Троицк 1999), I, II Международной конференции "Математические методы в образовании, науке и промышленности" (Тирасполь 1999, 2001), III Международной конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск 1999), Международной конференции "Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте" (Самара 1999), Международной конференции "Информационные технологии в образовании" (Шахты 2000), Международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании" (Новосибирск 2000), Международной конференции "Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовке инженерных и научных кадров на пороге XXI века" (Брянск 2000), I, II Международной конференции "Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне" (Томск 2000, 2002), Международной конференции "Геоинформатика - 2000" (Томск 2000), Международной конференции "Экология и образование" (Петрозаводск 2000), Международной конференции "Идентификация систем и задачи управления" (Москва 2000), XIV Международной конференции молодых ученых МКХТ-2000 "Успехи в химии и химической технологии" (Москва 2000), IV Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и системы" (Пемза 2000), Международной научно-практической конференции "Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике" (Новочеркасск 2001), VII Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск 2001), I, II Международной научной конференции и выставки CAD/CAM/PDM "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (Москва 2001, 2002), Международной научно-технической конференции "Современные системы управления предприятием - CSBC'2001" (Липецк 2001), Международной научной конференции по телематике и Web-средствам в обучении - Телематика 2001" (Санкт-Петербург 2001), Международной научно-практической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании" (Кемерово 2002), III Международной научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении" (Николаев 2002), II Международной конференции по экологической химии (Кишинев, Молдова 2002).

Новизна и оригинальность научных исследований, выполненных в диссертации, отмечены и поддержаны грантом Министерства образования РФ по исследованиям в области машиностроения, 1995. За успешную работу научно-исследовательская лаборатория по разработке программного обеспечения решения задач с использованием ГИС-технологий, созданная в рамках договора о сотрудничестве ТГТУ с одним из мировых лидеров разработчиков ГИС - корпорацией Intergraph, получила международный сертификат. Руководителем лаборатории является Немтинов В.А.

Биографические сведения о Немтинове В.А. 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».

Научные результаты, полученные в ходе выполнения диссертации отражены в более 100 опубликованных работах автора (12, 57 - 67, 116 - 129,131 - 134, 136 - 140, 143 - 156, 168 - 171,173 - 226,240, 243 - 245,247, 250,253 - 254, 328 - 329, 335 - 338).

Разработанный комплекс программ передан в Тамбовский филиал Московского научно-производственного объединения НИОПиК (в настоящее время ОАО «Эко-химпроект»), отдельные пакеты программ - ОАО «Пигмент», г.Тамбов, «Гипрополи-мер», 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, Ивановский химико-технологический институт (в настоящее время университет), Курганский государственный университет, где используются студентами при выполнении лабораторных и курсовых работ. Учебная подсистема «Эколог» доступна всем пользователям сети Internet.

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.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Немтинов, Владимир Алексеевич, 2006 год

1. Айзерман, М.А. Выбор вариантов. Основы теории / М.А. Айзерман, Ф.Т. Але-скеров.-М.: Наука, 1990.-227 с.

2. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т, Т. 1 / В.И. Анурьев. М.: Машиностроение, 1979. - 728 с.

3. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т, Т. 2 / В.И. Анурьев. М.: Машиностроение, 1979. - 559 с.

4. Багоцкий, С.В. Математическое моделирование процессов самоочищения в водных системах / С.В. Багоцкий // Водные ресурсы -1976. № 4.- С. 123 - 133.

5. Базовые нормативы платы за выбросы, сбросы загрязняющих веществ в окружающую природную среду и размещение отходов. М., 1992. - 32 с.

6. Бек, М.Б. Моделирование содержания растворенного кислорода на участке реки, далеком от аустория / М.Б. Бек // Математические модели контроля загрязнения воды. М.: Мир, 1981 - С. 182 - 194.

7. Бенедиктов, И.А. Разработка и исследование технологической подготовки группового производства поковок из цветных металлов и сплавов: Автореф. диссер. на . канд.техн.наук:05.17.08 / А.И. Бенедиктов. М., 1999.-20 с.

8. Берлянд, М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы / М.Е. Берлянд. JL: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

9. Берлянт, A.M. Геоинформационное картографирование в экологических исследованиях /A.M. Берлянт // Геоинформатика. Сб. статей. Изд. МГУ. 1995. - С. 38-40.

10. Бертокс, П. Стратегия защиты окружающей среды от загрязнений / П. Бертокс, Д. Радд. М.: Мир, 1980. - 606 с.

11. Бодров, В.И. Влияние загрязнения окружающей среды на размещение производств веществ высокой чистоты / В.И. Бодров, Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов // Реахимтехника-2: Тез. докл. Всесоюз. конф. Днепропетровск. - 1985. -Ч. 2. -С. 49.

12. Бодров, В.И. Определение гидродинамической структуры водных объектов в нестационарных условиях / В.И. Бодров, Н.С. Попов, А.А. Арзамасцев // Химия и технология воды. 1984. - Т. 6, № 5. - С. 394 - 398.

13. Бойко, Е.И. Организация технологических систем промышленного производства / Е.И. Бойко. Киев: Наук, думка, 1985. - 168 с.

14. Борисенок, Г.В. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Г.В. Борисенок, JI.A. Васильев, Л.Г. Ворошин. М.: Металлургия, 1981. -424 с.

15. Бурков, В.Н. Интегральная оценка риска в задачах управления промышленной безопасности / В.Н. Бурков, С.И. Дзюбко, О.С. Кулик // Проблемы управления безопасностью сложных систем: Материалы VIII Междунар. конф. М., 2000.-С.111 -112.

16. Вавилин, В.А. Биохимическая кинетика / В.А. Вавилин, В.Б. Васильев, М.Д. Курский. Киев: Вища школа, 1977.-262 с.

17. Вавилин, В.А. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом / В.А. Вавилин, В.Б. Васильев. М.: Наука, 1978.- 119 с.

18. Вавилин, В.А. Нелинейные модели биологической очистки и процессов само0очищения в реках/В.А. Вавилин. М.: Наука, 1983. - 159 с.

19. Вальд, А. Последовательный анализ / А. Вальд. -М.: Физматгиз, 1970. 257 с.23.