Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ

Костарев С.Н. 1 Середа Т.Г. 1 Михайлова М.А. 1
1 ФГБОУВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Предложена разработка алгоритмов управления состоянием системами ПТО (системы «Природа–Техника–Отходы») при возмущающих воздействиях для установления зависимости статистических характеристик от их состояния. Для этого выполнены аналитические и лабораторные исследования по определению оптимальных параметров биодеструкции отходов на полигоне ТБО. На основе уточненных и обоснованных факторов, влияющих на протекание процессов биодеструкции отходов разработана модель эффективного управления системами ПТО. Программная реализация методики оценки безопасности системы ПТО предложена в виде диаграммы IDEF функционально-объектной модели. Для принятия эффективных решений по созданию безопасности системы ПТО разработано специальное программное обеспечение, включающее в себя модуль «АРМ оценки безопасности полигона ТБО», предназначенный для оценки безопасности как на этапе проектирования, так и на этапах эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО.
твёрдые бытовые отходы (ТБО)
АСУТП
полигон ТБО
1. Технологии автоматизированного управления полигоном твердых бытовых отходов / Н.И. Артемов, Т.Г. Середа, С.Н. Костарев, О.Б. Низамутдинов // Международный журнал экспериментального образования. – 2010. – № 11. –С. 43.
2. ГОСТ 12.0.003–86. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.
3. Костарев С.Н., Середа Т.Г., Михайлова М.А. Системный анализ управления отходами. – LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. – ISBN 978-3-8465-8298-5. URL: https://www.lap-publishing.com.
4. Костарев С.Н. Статистически оптимальное управление процессом биодеструкции твердых бытовых отходов на полигонах захоронения // Автоматизация и современные технологии. – 2009. – № 3.– C. 6–8.
5. Костарев С.Н. Автоматизированное проектирование природно-технических систем утилизации отходов // Программные продукты и системы. – 2010. – № 1. – С. 98–101.
6. Костарев С.Н. Математическая модель управления состоянием полигона твердых бытовых отходов : дис. … канд. техн. наук : 05.13.18. – Пермь, 2003. – 199 с.
7. Костарев С.Н. Научно-методические основы и практические решения идентификации и управления состоянием природно-технических систем утилизации отходов: автореф. дис. … д-ра техн. наук : 05.13.01; ИжГТУ.– Ижевск, 2010.
8. Костарев С.Н., Середа Т.Г. Управление полигоном твердых бытовых отходов при стохастических возмущающих воздействиях // Обозрение прикладной и промышленной математики. – 2007. – Т. 14, В. 4. – С. 729–730.
9. Костарев С.Н., Середа Т.Г., Клюкин А.А. Подходы к созданию информационных технологий автоматизированного управления безопасным состоянием экосистем депонирования отходов // Вестник ПНИПУ. – 2009. – № 3. – С. 15–24.
10. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2009612494.– М.: ФИПС, 2009.
11. Середа Т.Г. Обоснование технологических режимов функционирования искусственных экосистем хранения отходов: дис. … д-ра техн. наук : 03.00.16 ; МГУП.– М., 2006.
12. Середа Т.Г., Костарев С.Н. Разработка методов проектирования автоматизированных систем обработки информации и управления искусственными экосистемами хранения отходов // Экологические системы и приборы.– 2006. – № 11. – С. 21–24.
13. Середа Т.Г. Разработка комплексной очистки cтоков с полигонов твердых бытовых отходов : автореф. дис. … канд. техн. наук : 11.00.11; Тульский гос. ун-т. – Тула. – 2000.
14. Трефилов В.А. Теоретические основы безопасности человека: Курс лекций. – Пермь: Перм. кн. изд-во, 2006. – 100 с.
15. Christensen T., Cossu R., Stegmann R. Landfilling of Waste, Leachate. – London and N.Y., 1992.

Источником долговременного негативного влияния на окружающую среду являются природно-технические системы утилизации отходов (системы «Природа–Техника–Отходы» (ПТО)) [5] – полигоны и свалки твёрдых бытовых отходов (ТБО). Несмотря на то, что полигоны (свалки) ТБО имеют ограниченный эксплуатационный период (в среднем 30 лет), после его закрытия и рекультивации полный жизненный цикл (ЖЦ) данной природно-технической системы продолжается тысячи лет, в течение которых будут выделяться опасные для окружающей среды эмиссионные продукты.

Поэтому актуальна формализация обобщенных моделей управления процессами на системах ПТО на основе анализа материально-энергетических и информационных потоков и разработка алгоритмов структурно-параметрического синтеза и автоматического регулирования для создания автоматизированной системы мониторинга и управления системами ПТО.

Целью представленной работы являлось выяснение механизмов идентификации состояний природно-технических систем утилизации отходов и разработка автоматизированной системы мониторинга и управления процессами на полигонах ТБО.

Материал и методы исследования

При обосновании методов и алгоритмов управления объектами депонирования отходов использовались методы системного анализа, общей теории систем, теории автоматического регулирования, методов математического и имитационного моделирования. Объектом исследований являлись материально-энергетические и информационные потоки, протекающие на объектах утилизации отходов, рассматриваемые как объекты моделирования и управления. Материалом исследования являлись твёрдые бытовые отходы.

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ исследований, проводимых в период с 1970 по 2000 гг. [13, 15], показал, что наиболее эффективными процедурами управления процессами на «старых» (закрытых) полигонах является рециркуляция фильтрата – принцип «Flushing Bioreactors» (J. Pacey, 1999) и/или целенаправленное проветривание тела полигона (Belüftung) (K. Heyer, 2000).

При биодеструкции ТБО на объектах их депонирования образуется жидкая, газообразная и твёрдая фаза. По мнению многих авторов [1, 3, 13, 15], наиболее опасным продуктом биодеструкции отходов является жидкая фаза – фильтрат. В литературе часто классифицируют фильтрат, изменяющийся со временем на «молодой», имеющий повышенные концентрации ионов тяжёлых металлов и органических загрязнений (рН < 6,5, БПК5/ХПК = 15000/21000 мг О2/л, SO42– 500 мг/л, Pb2+ 0,5 мг/л), наиболее опасный для окружающей среды, образующийся в кислотной стадии, и «старый» (рН > 7,5, БПК5/ХПК = 200/2000 мг О2/л, SO42– 20 мг/л, Pb2+ 0,05 мг/л), образующийся в период перехода процессов на полигоне в метановую стадию [11, 13, 15]. В промежуточной стадии фильтрат можно характеризовать как «средний».

Конкретной фундаментальной задачей в рамках заявленной проблемы являлась идентификация и управление состоянием природно-технических систем утилизации отходов.

В рамках представленной работы проведены исследования физико-химических свойств массива отходов: определение объемного веса, морфологического и фракционного состава и влажности твердых бытовых отходов по методикам, описанным в работах [13, 15].

Для определения оптимальных параметров биодеструкции массива отходов проведены лабораторные исследования по выявлению обобщающих закономерностей и определению оптимальных параметров биодеструкции отходов определённого морфологического состава с последовательным анализом продуктов биодеструкции отходов – фильтрата и биогаза [11, 13]. Оценка управляемых факторов в массиве отходов производилась по таким параметрам, как влажность отходов – ω и активная реакция среды – рН.

При исследовании термодинамических функций состояния, динамики газообразной и жидкой фазы (фильтрата) и процессов тепло- и массопереноса в массиве отходов в качестве исследуемых характеристик использованы: давление (Р), коэффициенты влагопроводности (K), влажность массива твёрдых бытовых отходов (ТБО) (w) и температура (Т) [7]:

Eqn45.wmf

где S – площадь удельной поверхности твердых частиц в массиве ТБО; h – вязкость жидкости в массиве ТБО; s – поверхностное натяжение жидкости.

Для описания процессов на эксплуатируемых полигонах ТБО исследованы критерии, характеризующие отношение сил инерции, обусловленных скоростью потока жидкости, к силам вязкости, а также пространственную структуру нестационарного течения фильтрата в массиве отходов. Для описания процессов в массиве отходов на рекультивированных полигонах ТБО исследован критерий, характеризующий соотношение между силами инерции и гравитации при динамике потока фильтрата в массиве ТБО. Для изучения влияния управляемых факторов на скорость эмиссионных процессов и определения основных физико-химических параметров процесса были проведены полнофакторные лабораторные эксперименты с использованием метода математического планирования эксперимента. В качестве функций отклика выступали эмиссионные потоки жидкой фазы (фильтрата) и газовой фазы (биогаза) [3, 7].

Разработка модели эффективного управления системами ПТО

На основе уточнения и обоснования факторов, влияющих на протекание процессов биодеструкции отходов разработана модель эффективного управления системами ПТО. Данная модель будет выполнять роль контура управления процессами на полигоне ТБО, способствующего ускорению процессов биодеструкции ТБО и тем самым уменьшению экологической нагрузки на окружающую природную среду. Использованы методы теории автоматического регулирования, обобщенная структурная схема распределенного управления полигоном ТБО, описываемая функцией Грина G(x, ξ, t, τ) (рис. 1) [4, 6, 7].

Разработка программно-аппаратного комплекса для решения задач мониторинга и эффективного управления природно-техническими системами утилизации отходов

Для принятия эффективных решений по созданию более безопасной и наиболее удовлетворяющей санитарным и экологическим нормам системы ПТО разработано специальное программное обеспечение. Методологические подходы к проектированию автоматизированных систем обработки информации на полигонах ТБО основаны на системном и частном проектировании, включающем структурную схему этапов проектирования (мониторинга) и эксплуатации полигона ТБО и программный инструментарий конструктора-проектировщика полигона ТБО – «АРМ ТБО» [6, 8, 10, 12].

pic_16.tif

Рис. 1. Обобщенная структурная схема распределенного управления полигоном ТБО: ω0(ξ, τ) – заданное состояние влажности в массиве отходов; ω(x, t) – отклонение распределенного выхода от заданного состояния; Eqn46.wmf – распределенное управляющее воздействие; Eqn47.wmf – внешние возмущения; Eqn48.wmf – стандартизирующая функция

Данная система включает в себя модуль «АРМ оценки безопасности полигона ТБО» предназначенный для оценки безопасности, как на этапе проектирования, так и на этапах эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО. Полигон ТБО рассматривается как система ПТО, включающая в себя такие элементы, как W – множество элементов поступающих отходов; G – множество элементов продуктов биодеструкции; E – множество элементов окружающей среды, H – множество элементов инженерных сооружений (рис. 2).

pic_17.tif

Рис. 2. Модель системы ПТО:Eqn49.wmf– множество элементов поступающих отходов;Eqn50.wmf – множество элементов продуктов биодеструкции;Eqn51.wmf – множество элементов окружающей среды; Eqn52.wmf – множество элементов инженерных сооружений

Система ПТО – сложная механическая, физическая, биологическая и химическая система, для которой факторы источников опасностей, согласно [2], можно разделить на несколько групп: механические факторы: движение грунта (уплотнение, эрозия почв, оползни, осыпание откосов полигона); физические факторы: процессы тепло-, массопереноса (образование и миграция фильтрата, образование и миграция биогаза, распределение тепловых полей); химические факторы: связаны в основном с морфологическим составом отходов и образующимися эмиссионными продуктами. Приводят к протеканию экзотермических реакций. Способствуют образованию канцерогенных, общетоксических и мутагенных веществ и образованию парниковых газов, регламентированных Киотским протоколом; биологические факторы (патогенные микроорганизмы, бактерии, вирусы, которые могут попадать в окружающую природную среду и объекты жизнедеятельности населения).

В зависимости от уровня и взаимовлияния вышеперечисленных факторов система ПТО находится в определенном состоянии: безопасном или опасном, которое может перейти к чрезвычайному событию (утечка фильтрата, выброс биогаза, возгорание, взрыв и т.п.).

Для возникновения происшествий элементы системы утилизации отходов: H, W и G – соответственно элементы массивов технических средств и инженерных сооружений, поступающих отходов и продуктов биодеструкции отходов, должны обладать свойствами, опасными для множества элементов окружающей среды – Е.

Для описания динамического состояния системы в качестве модели случайных процессов целесообразно использовать полумарковские процессы, характеризующиеся произвольными функциями распределения вероятностей pi времени пребывания в i состоянии [14]. Переход системы из состояния сi в состояние сj осуществляется под воздействием потока событий с вероятностью перехода λij. Определение вероятности pi(t) состояния системы с1, с2, …, сn определяется решением системы уравнений Колмогорова [6].

Eqn53.wmf

с начальными условиями p1(0), p2(0), …, pn(0); pi(0) ≥ 0, Eqn54.wmf

и условием нормировки Eqn55.wmf

Программная реализация предложенной методики оценки безопасности системы ПТО представлена в виде диаграммы IDEF функционально-объектной модели. В оценке состояния системы ПТО будут принимать участие квалифицированные специалисты, вводящие в систему массив данных параметров источников опасности и их допустимых значений с их последующей автоматизированной обработкой, вычислением показателей безопасности и выдачей конкретных рекомендаций по обеспечению безопасности системы ПТО (рис. 3) [5, 9].

pic_18.wmf

Рис. 3. Функционально-объектная модель принятия решений по повышению безопасности системы ПТО

Заключение

Применение методов системного анализа и кибернетики в управлении системами ПТО открывает возможность исследования и организации безопасного функционирования объекта депонирования ТБО в условиях, когда информация последовательно накапливается и реализуется в виде алгоритмов для ЭВМ. В этом случае управляющие действия будут направлены на минимизацию жизненного цикла природно-технических систем утилизации отходов, что имеет важное значение. Внедрение автоматизированного рабочего места конструктора-проектировщика полигона ТБО уже на этапе проектирования позволит ускорить выполнение проектной документации и повысить безопасность эксплуатации природно-технической системы депонирования отходов на этапах её эксплуатации и рекультивации.

Рецензенты:

Файзрахманов Р.А., д.э.н., профессор кафедры АУВ Пермского военного института внутренних войск МВД России, г. Пермь;

Шварц К.Г., д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры прикладной математики и информатики Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 11.04.2013.


Библиографическая ссылка

Костарев С.Н., Середа Т.Г., Михайлова М.А. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-2. – С. 273-277;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31496 (дата обращения: 04.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074