Сформулируем задачу проектирования оборудования промышленной экологии для ММХП математически. Пусть: - множество всех возможных вариантов конструктивных и режимных характеристик оборудования промышленной экологии, а также вариантов размещения сооружений по очистке сточных вод на генплане; - множество вариантов технологических процессов извлечения вредных примесей в газовых выбросах и сточных водах; - множество оценок (экологических оценок воздействия ММХП на окружающую среду и технико-экономических оценок целесообразности размещения проектируемых производств в рассматриваемом районе).

Введем функцию эффективности выбора проектного варианта с учетом его физической реализуемости как отображение декартова произведения в множестве оценок, то есть и функцию . Тогда задачу можно представить как задачу выбора такого элемента , при котором:

(1)

при любом . Таким образом, является решением задачи , если при оценка эффективности находится в отношении к предельной для этого величине . В соотношении (1) - множество допустимых вариантов проектных решений.

Задача характеризуется набором , элемент из , удовлетворяющий (1), является решением задачи , что будем характеризовать предикатом

есть решение . (2)

Задача является задачей проектирования оборудования промышленной экологии для вновь создаваемых ММХП. В рассматриваемом классе производств нередко возникает необходимость замены выпускаемого ассортимента продукции на новый ассортимент, при условии максимального использования для его наработки оборудовании существующей химико-технологической схемы (ХТС). В этом случае возможна минимальная замена оборудования существующих ХТС (основного производства и производства по обезвреживанию отходов) и поиск режимов их работы - задача реконструкции, чтобы было возможно выпускать в соответствии с требованиями новый ассортимент продукции и не загрязнять окружающую среду. Определим задачу реконструкции объектов промышленной экологии, как сужение задачи на множестве .

Аналогично обозначим задачу расчета оборудования системы газоочистки через и системы очистки сточных вод . Будем характеризовать задачи и наборами и . В практически важных случаях можно считать и рассматривать задачу как сужение задачи на множестве , а как сужение на множестве , при этом . Аналогично можно охарактеризовать задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов и расчета ее аппаратурного оформления , формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод , расчета ее аппаратурного оформления , размещения сооружений очистки сточных вод на генеральном плане . Задачи отдельных аппаратов стадий газоочистки (, также как и задачи очистки сточных вод (, также могут быть сформулированы в виде (1) и охарактеризованы наборами . Для них, как и для задач , имеет место условие (2). Общее число задач равно, из них число задач по проектированию объектов очистки сточных вод.

Обозначим вектором совокупность решений задач , а вектором совокупность решений задач . Очевидно, при определении будут определены , и этот факт будем характеризовать операторами и соответственно:

, (3)

. (4)

Аналогичные рассуждения будут иметь место и при определении локальных задач в задаче разработки системы очистки сточных вод и задаче реконструкции оборудования по обезвреживанию газовых выбросов и сточных вод.

Используя введенные обозначения формализуем основные принципы автоматизированного решения задач промышленной экологии.

Другими словами - при решении задач и должен формироваться вектор , который порождал бы решение задачи , сводящий к минимуму негативное экологическое воздействие на окружающую среду от размещения проектируемых ММХП. В свою очередь, при решении задач нижестоящего уровня, например задач должен формироваться вектор , который порождал бы решение задачи . В формализованном виде это можно записать так:

. (5)

Более частым является достижение экстремума некоторой целевой функции , определенной на множестве решений задачи . В этом случае вместо (5) имеем:

(6)

Условия, аналогичные (5) и (6) имеют место и в задачах , , , и более высокого уровня.

Решение задач промышленной экологии должно вестись с принципами общей теории систем, то есть система автоматизированного расчета должна удовлетворять принципам иерархичности структуры, координации локальных задач относительно задач вышестоящего уровня, совместимости и модифицируемости. Рассмотрим эти принципы.

В терминах теории систем систему автоматизированного решения комплекса задач промышленной экологии (см. рис 2) можно представить как отношение на декартовом произведении множеств:

(7)

где - множество проектных решений задачи промышленной экологии;

- множества управляющих сигналов для процесса проектирования в задачах расчета оборудования газоочистки и сточных вод нижнего уровня, например, расходы входных потоков веществ, подлежащих обезвреживанию, характеристики загрязняющих веществ (концентрации, температура и т.п.), периодичность и продолжительность воздействия на окружающую среду и другие;

- множества информационных сигналов о решении локальных задач, например, технологические процессы газоочистки и очистки сточных вод; типы, размеры и координаты аппаратов и сооружений; планы зон воздействия ММХП с указанием промышленных, селитебных и других типов территорий; величины критериев локальных задач оптимизации и другие;

- множества координирующих сигналов для локальных задач нижестоящих уровней, например, фоновые концентрации вредных ингредиентов в атмосфере и поверхностных водоемах района размещения направлениям и т.п.); категория использования и самоочищающая способность водных объектов; преобладающие типы и подтипы почв, их распределение в зоне возможного размещения производств; длительности отдельных технологических процессов очистки, структура связей между аппаратами и сооружениями и другие.

Введем определения задач, решаемых в системе, следующим образом:

- для задач нижнего уровня;

- для задачи формирования структуры технологической схемы очистки газовых выбросов ;

- для задачи расчета аппаратурного оформления технологической схемы очистки газовых выбросов ;

- для задачи формирования структуры технологической схемы очистки сточных вод ;

- для задачи расчета аппаратурного оформления технологической схемы очистки сточных вод ;

- для задачи размещения сооружений очистке сточных вод на генеральном плане ;

- для задачи разработки системы газоочистки;

- для задачи разработки системы очистки сточных вод ;

- для задачи верхнего уровня .

Определим: - множества операторов процесса проектирования (множества математических моделей нижнего уровня: процессов очистки газовых выбросов и их распространения в приземном слое атмосферы, очистки сточных вод и самоочищения в природных водоемах)

;

- множества операторов формирования информационных сигналов от процесса проектирования к нижнему уровню иерархической системы для задач

- множества операторов формирования информационных сигналов от второго уровня иерархии соответственно для задач

Аналогичным образом определяются множества операторов формирования информационных сигналов для подсистем вышестоящих уровней.

В соответствии с принципами теории систем, задачи нижестоящего уровня должны быть скоординированы относительно задач вышестоящего уровня. Для формализации этого принципа переопределим операторы следующим образом:

; (8)

; (9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Таким образом, согласно (8) - (15) операторы параметрически зависят от координирующих сигналов , поступающих с вышестоящих уровней системы автоматизированного расчета оборудования промышленной экологии.

Координируемость относительно вышестоящего уровня требует, чтобы задачи верхнего уровня и множество задач нижнего уровня имели решение, то есть:

(16)

Непосредственный контакт с процессом проектирования (системой моделей аппаратов, структурами ХТС очистки газовых выбросов и сточных вод и т.п.) имеют только нижестоящие задачи. Задачи вышестоящего уровня могут воздействовать на процесс только через задачи нижнего уровня. Поэтому достижение целей глобальной задачи возможно только при координируемости нижестоящих задач относительно глобальной.

Вышестоящая задача, например, осуществляя координацию задачи и преследует свои цели (достижение максимума эффективности функционирования системы газоочистки в целом).


Поэтому задачи, например, должны быть координируемы и по отношению к задаче .

Учитывая перечисленные особенности системы для совместимости целей, которые стоят перед рассматриваемыми задачами (см. рис. 2), координация нижестоящих задач относительно вышестоящего уровня должна быть связана с глобальной задачей. Поэтому введем оператор, отображающий в сигналы, влияющие на процесс проектирования: , то есть

. Будем считать известными обратные операторы , позволяющие определить по , то есть .Тогда требование совместимости задач в иерархической системе может быть сформулировано в форме:

(17)

Условие (17) означает, что задачи нижнего уровня скорректированы относительно глобальной задачи тогда, когда они скорректированы относительно задач .

В случае, когда в многоуровневой системе отсутствует координируемость, задачи нижнего уровня необходимо модифицировать так, чтобы координируемость имела место. Другими словами, требуется найти такие множества координирующих сигналов и такие множества задач а также

при которых выполняются условия (16) и (17). Введем предикаты =(условие (16) выполняется) и =(условие (17) выполняется), тогда требование модифицируемости примет вид:

(18)

Условия (16), (17), (18) требуют, чтобы исходные множества задач были достаточно мощными, чтобы выбором подмножеств этих множеств можно было бы добиться совместимости и координируемости задач в системе.

При проектировании системы уровень формализации отдельных задач промышленной экологии определяется наличием сведений: о кинетике протекания процессов обезвреживания вредных ингредиентов в отдельных аппаратах и сооружениях; правилах и приемах принятия решений. Алгоритмы решения взаимосвязанных задач промышленной экологии должны обеспечивать нахождение решения с точностью, согласованной с точностью исходной информации. Разработка интеллектуального и программного обеспечения на основе системного подхода позволит повысить качество, снизить сроки выполнения и стоимость проектных решений при проектировании оборудования по обезвреживанию газовых выбросов и сточных вод химических производств.

Рассматриваемая система является составной частью системы автоматизированного проектирования ММХП (лакокрасочных материалов, синтетических красителей и органических промежуточных продуктов, химических реактивов и особо чистых веществ, кино- и фотоматериалов, лекарственных препаратов и некоторых других классов химической продукции), разрабатываемой на кафедре "Гибкие автоматизированные производственные системы" Тамбовского государственного технического университета.

Результаты решения отдельных задач, входящих в комплекс задач промышленной экологии приведены в работах [2-10].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Михалевич В.С., Волкович В.Л. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М.: Наука, 1982. - 286 с.

2. Оценка эффективности природоохранных мероприятий на химических предприятиях. / Малыгин Е.Н., Немтинов В.А., Мокрозуб В.Г. и др. // Химическая промышленность. - 1989. - N 12. - С. 943-944.

3. Прогнозирование режимов функционирования реконструируемых станций биологической очистки / Гордин И.В., Попов Н.С., Немтинов В.А. и др.// Теоретические основы химической технологии. - 1988. - N 6. - С. 803-809.

4. Попов Н.С., Немтинов В.А., Зубаков А.П. Проблемно-ориентированная вычислительная система прогноза загрязнения атмосферы.// Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнения. Республик. межвед. сб. науч. тр. - Киев, 1987. - № 13. - С. 40-44.

5. Попов Н.С., Немтинов В.А., Толстых С.С. Методика идентификации математической модели реки с малым расходом для целей прогноза // Охрана от загрязнения сточными водами водоемов бассейнов внутренних морей: Тез. докл. Всесоюз. конф. - Тбилиси, 1987. - С. 51-53.

6. Попов Н.С., Немтинов В.А., Мокрозуб В.Г. Методика автоматизированного моделирования процессов самоочищения реки с малым расходом воды в условиях неопределенности. // Химическая промышленность. - 1992.- N 9. - С. 545-550.

7. Создание информационных справочных систем с использованием технологии Internet/Intranet. / Немтинов В.А., Мокрозуб В.Г., Егоров С.Я. и др. // Информационные технологии. - 1999. - № 7. - С. 37- 39.

8. Проблема составления структурных схем потоков при проектировании систем очистки газообразных выбросов./ Немтинов В.А., Мокрозуб В.Г., Егоров С.Я. и др.// Динамика систем, механизмов и маши:. Тез. докл. 3-й Междунар. конф. ". - Омск, ОмГТУ. -1999. - С.402 - 403.

9. Разработка прототипа экспертной системы выбора оптимальной структуры процесса очистки сточных вод. / Немтинов В.А., Мокрозуб В.Г., Субочев С.А. и др. // Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: Тез. докл. Всеросс. конф., Часть 11. - Н. Новгород, 1999. - С. 26.

10. Автоматизированный выбор оборудования системы очистки сточных вод. / Немтинов В.А., Мокрозуб В.Г., Субочев С.А. и др. // Труды Тамбовск. гос. техн. универ-та. Тамбов, 1999. вып. 4. - С. 51 - 55.