ВВЕДЕНИЕ
Современное состояние промышленности и экологическая ситуация в России требует развития нового подхода к правильному и быстрому выбору схем очистки сточных вод и газовых выбросов. Особенно это актуально для больших мегаполисов. Например, Москва в списке городов РФ числится одним из городов с высокой степенью загрязнения воздуха, воды и почвы. На территории города расположено свыше 5 тысяч промышленных предприятий и организаций, в том числе около 2,5 тысяч автотранспортных хозяйств, 13 тепловых электростанций и их филиалов (ТЭЦ), 63 тепловых районных квартальных станций (РТС и КТС), 103 отопительных котельных, более 1200 промышленных и коммунально-бытовых котельных (КБК). Их стоки и выбросы различны и многообразны. По этой причине выдача рекомендаций по их очистке или утилизации очень затруднительна. Данную проблему невозможно решить, используя глобальный и единый подход. Решение возможно только на базе всестороннего изучения состава стоков, их классификации, а затем подбора соответствующего очистного оборудования.
Одним из перспективных подходов, способствующих выбору и внедрению оборудования и технологий для очистки сточных вод, является развитие информационных систем, содержащих большой объем сведений по существующим схемам очистки и новому очистному оборудованию.
В настоящее время существует большое количество информационно-справочных систем в области охраны окружающей среды, которые объединяют информацию по экологическому мониторингу, по токсикологическим характеристикам веществ, оценке уровня загрязнений окружающей среды. Однако не существует пока информационной системы, обобщающей методы и оборудование для очистки сточных вод.
В связи с вышесказанным, актуальным является разработка интегрированного подхода к моделированию и построению информационных систем на базе современных компьютерных технологий с
целью автоматизированного выбора технологических схем и отдельного оборудования для очистки сточных вод различных производств; а также создание и внедрение нового высокоэффективного оборудования для очистки и утилизации осадков сточных вод.
Информационная система поможет посредством INTERNET-технологии инженерам и ученым, работающим на различных предприятиях, рассмотреть существующее и выбрать необходимое оборудование для очистки сточных вод. У департаментов промышленности, транспорта, энергетики появится возможность доступа к новым технологиям и образцам российского оборудования, что позволит провести сравнение с западными образцами и оценить экономическую эффективность в случае отказа от закупки дорогостоящего оборудования по импорту.
Основные научные исследования и практические работы выполнены в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ АН РФ по направлению «Теоретические основы химической технологии», проектов и заданий Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды и Правительства Москвы.
В диссертационной работе, выполненной в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева, решались следующие задачи:
• исследование сточных вод различных производств и деление их на классы в зависимости от состава;
• построение алгоритма выбора технологической схемы или отдельного очистного оборудования на основе постадийного принципа обработки сточных вод;
• разработка структуры и оболочки информационной системы для выбора очистного оборудования, способствующей облегчению и ускорению процесса составления технологической схемы очистки сточных вод Химических предприятий;
• разработка интегрированного подхода к построению информационной системы и моделей, что позволяет говорить об новом классе компьютерных информационных технологий: об информационной интеллектуальной системе, совмещающей функции поиска, экспертизы и расчета;
• развитие принципов объектно-ориентированного моделирования и использование их для разработки обобщенных моделей процесса фильтрации на мембранах, процесса биоочистки, обезвоживания и выделения ценных компонентов из сточных вод;
• проектирование новых установок на основе передовых технологий для очистки сточных вод, используя возможности созданной информационной системы;
• исследование возможного внедрения перспективного высокоэффективного оборудования для очистки сточных вод: мембранных модулей, мембранных биореакторов и пульсационных сушилок в технологические схемы для очистки сточных вод;
• создание и внедрение полупромышленных установок (мембранный модуль, мембранный биореактор, пульсационная сушилка) для очистки сточных вод и утилизации осадков;
• разработка анализа экономической эффективности использования очистных технологий.
Вышеперечисленные задачи решались в следующем порядке.
В первой главе диссертации проанализированы существующие информационные системы, модели и оборудование для решения проблемы очистки сточных вод.
На основе анализа существующего оборудования и схем для очистки сточных вод и утилизации осадков были выделены наиболее перспективные методы и оборудование, выбраны параметры, характеризующие степень очистки. Установлено, что перспективным методом очистки является биоочистка. Оборудование для биоочистки - это отстойники, аэротенки,
9
биофильтры и мембранные биореактора, которые являются наиболее применимыми для городских условий из-за их компактности. Тонкую очистку и выделение ценных примесей обеспечивают мембранные комплексы. Для утилизации осадков в последние годы за рубежом используются пульсационные сушилки, характеризующиеся низким энергопотреблением и капитальными затратами и отсутствием требований к начальной консистенции сточных вод.
Проведенный обзор литературы позволил выделить перспективное оборудование и рассмотреть существующие модели этого оборудования.
На основе анализа литературных источников и поиска в INTERNET было выявлено большое количество информационно-справочных систем в области охраны окружающей среды, которые объединяют информацию по экологическому мониторингу, по токсикологическим характеристикам веществ и по оценке уровня загрязнений окружающей среды. Однако не существует пока информационной системы, обобщающей методы и оборудование для очистки сточных вод.
Во второй главе рассмотрен интегрированный подход к моделированию и построению информационных систем, развиты основные принципы современного моделирования и построения среды моделирования на компьютерах. Развиты принципы генерации моделей на основе объектно-ориентированного и структурного программирования. Показаны реализация и использование «полиморфизма, инкансуляции и открытости» при построении моделей и информационных систем. Рассмотренный интегрированный подход к моделированию и построению информационных систем, предполагающий использование их друг в друге, позволяет резко сократить время моделирования и расчетов, использовать соответствующей сложности модель для различных задач (проектирование, автоматизация, контроль), а также «собрать» модель из моделей более низкого уровня, использовав принципы, так называемых, «calls» технологий моделирования.
10
Развитие этих принципов показано на конкретных примерах в следующих главах.
В третьей главе представлена разработанная информационная система для выбора очистного оборудования, что позволяет максимально ускорить процесс составления технологической схемы очистки сточных вод. С целью автоматизированного выбора аппаратов был разработан алгоритм, в основу которого было положено деление всего процесса обработки стоков на четыре стадии: предварительная, первичная, вторичная и глубокая доочистка. Каждой стадии соответствует своя группа методов и оборудования.
Информационная система предполагает различные режимы работы: обычный, эксперта, поисковый. Ядром системы является Навигатор, связывающий все части системы (базы данных, экспертную, расчетную) и включающий в себя все функции управления.
При разработке информационной системы использованы концепции объектно-ориентированного и структурного программирования, что позволяет расширять системы с использованием возможностей INTERNET. Информационная система реализована в интегрированной среде разработки Delphi 3 и представляет удобный для пользователя интерфейс. В информационной системе заложены расчетные функции, рассмотренные в четвертой главе.
В четвертой главе представлены разработанные модели современного очистного оборудования, выделенного в первой главе. Рассмотрены модели, алгоритмы и результаты расчетов различных мембранных элементов (трубчатого, плоско-параллельного, рулонного, патронного), а также основные принципы и модели составления схем разделения и очистки с использованием мембран. Кроме того, рассмотрены модели для проектирования очистных сооружений на основе мембранных биореакторов и пульсационные сушилки для утилизации осадков. Разработанные модели использовались для проектирования различных очистных сооружений, которые были реализованы в виде опытно-промышленных установок.
11
В пятой главе была показана работа интеллектуальной информационной системы на примерах выбора оборудования для очистки стоков лакокрасочного производства, производства каучука и резины, гальванического производства, предприятий коммунального хозяйства (на примере автозаправочных станций), а также предприятий по производству спирта. Выбранные схемы очистки сточных вод были рекомендованы в производства, что подтверждено актами внедрения.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту профессору Менынутиной Н.В., зав. кафедрой КХТП профессору Гордееву Л.С., доценту Гончаровой СВ. за консультации и замечания по диссертации и помощь в работе.
12
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ, МОДЕЛЕЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
1.1. Существующие информационные системы и базы данных по экологическим вопросам
1.1.1. Обзор типов информационных систем
Разработка информационных систем становится широко распространенной задачей, решаемой различными государственными органами управления и коммерческими организациями [1-21].
Информационные системы, прежде всего, различаются по масштабу: одиночные, групповые и корпоративные. Одиночные информационные системы реализуются на автономном компьютере, как правило, ПК. Такая система может содержать несколько простых приложений, связанных общим информационным фондом, и рассчитана на работу одного пользователя или группы пользователей, разделяющих по времени одно рабочее место. Подобные приложения создаются с помощью, так называемых, «настольных СУБД» (Clarion, Clipper FoxPro, Paradox, dBase, MS Access) или с помощью файловой системы и диалоговой оболочки для ввода, редактирования и обработки данных.
Групповые информационные системы ориентированы на коллективное использование информации членами рабочей группы (одного подразделения). Чаще всего они строятся как локальная вычислительная сеть ПК или, реже, как многотерминальная централизованная вычислительная система. Однотипные или специализированные рабочие места обеспечивают вызов одного или нескольких конкретных приложений. Общий информационный фонд представляет собой базу данных или совокупность
13
файлов документов. Совместное использование информации организуется с помощью блокировок записей и файлов. При разработке таких приложений используются многопользовательские настольные СУБД, серверы БД для рабочих групп (Btrieve, NetWare SQL, Gupta SQLBase, Sybase Anyware SQL, MS SQL Server, Progress, Informix-SE, Workgroup Oracle и др.) и соответствующие инструменты разработки или системы управления документами и их инструментальные средства. Взаимодействие пользователей происходит через централизованную базу данных, посредством сетевой файловой системы или через электронную почту.
Корпоративные информационные системы являются развитием систем для рабочих групп и ориентированы на масштаб предприятия. Эти системы могут поддерживать территориально разнесенные узлы или сети. Они могут иметь иерархическую структуру из нескольких уровней. Главная особенность - обеспечение доступа из подразделения к центральной или распределенной базе данных предприятия (организации) помимо доступа к информационному фонду рабочей группы. Для таких систем характерна архитектура клиент-сервер со специализацией серверов. Они строятся на корпоративных SQL-серверах БД (Oracle7, Informix-Online, Informix-DSA, Sybase, CA-Ingress и др.) и соответствующих инструментальных средствах [6]. Помимо собственных средств разработки часто находят применение независимые многоплатформенные инструментальные средства, дополненные интерфейсами, драйверами и шлюзами с разными СУБД.
Для таких систем повышаются требования к надежности функционирования и сохранности данных. Последнее свойство обеспечивается поддержкой целостности данных, ссылок, транзакций в серверах баз данных. Транзакция представляет собой неделимый набор операций с БД, она завершается успешно, когда выполнены все ее операции, в противном случае происходит откат в состояние, предшествующее выполнению транзакции.
14
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Обработка транзакций
Системы
поддержки
принятия
решений
Информационно-справочные системы
Офисные информационные системы
Оперативная
обработка
транзакций
Пакетная
обработка
транзакций
Оперативная
аналитическая
обработка
Экспертные системы
Системы
электронной
документации
Географические информационные системы
Гипертекстовые системы
Документальные системы
Автоматизация делопроизводства
Управление документооборотом
Рис. 1.1. Классификация информационных систем
Рассмотрим основные типы информационных систем (рис. 1.1) и связанные с ними приложения. По оперативности обработки данных различают пакетные и оперативные информационные системы (реального времени). Информационные системы с пакетной обработкой в чистом виде можно встретить на больших централизованных ЭВМ. В информационных системах организационного управления преобладает режим оперативной обработки транзакций OLTP (OnLine Transaction Processing) для отражения актуального состояния предметной области в любой момент времени, а пакетная обработка занимает весьма ограниченную нишу. Для систем OLTP
15
характерен регулярный (возможно, интенсивный) поток довольно простых транзакции, играющих роль заказов, платежей, запросов и т.п. Важными требованиями являются высокая производительность обработки транзакций и гарантированная доставка информации при удаленном доступе к БД по телекоммуникациям.
Системы поддержки принятия решении DSS (Decision Support System) представляют собой другой тип информационных систем, в которых с помощью довольно сложных запросов производится отбор и анализ данных в различных разрезах: временных, географических и по различным показателям. Помимо традиционных средств доступа к БД, развитые системы DSS включают следующие средства:
• извлечение данных из разнородных источников, включая неструктурированную информацию;
• многомерный анализ данных;
• обработка статистики;
• моделирование правил и стратегии деловой деятельности;
• деловая графика для представления результатов анализа;
• анализ «что если»;
• искусственный интеллект.
Средства искусственного интеллекта составляют экспертную подсистему, основанную на правилах или прецедентах из базы знаний и соответствующих механизмов вывода. В общем случае требование оперативности не является обязательным для таких систем с учетом сложности транзакций и аналитической обработки.
В классе систем поддержки принятия решении выделяется отдельный класс систем оперативной аналитической обработки OLAP (OnLine Analysis Processing). Здесь оперативность обработки достигается за счет применения мощной многопроцессорной вычислительной техники, специальных OLAP-серверов, изощренных методов многомерного анализа и специальных хранилищ данных Data Warehouse, накапливающих информацию (из разных
16
источников за большой период времени) и обеспечивающих к ним оперативный доступ. Кроме готовых OLAP-систем для конкретных областей, например, финансовой, существуют инструментальные наборы для разработки подобных приложений на базе СУБД или OLAP-серверов и хранилищ данных.
Существует обширный класс информационно справочных систем, основанных на гипертексте и мультимедиа. Гипертекст (гипермедиа) представляет собой совокупность логически связанных текстовых, графических, аудио- и видеоматериалов. Многие программные продукты поставляются со справочными системами или электронной документацией, организованной подобным образом. В обучающих программах также часто используется принцип гипертекста. Дальнейшее развитие такие информационные системы получили в сети Internet, в частности, в мировой сети WWW. Здесь понятие гипертекстовой ссылки было расширено на глобальную сеть, она включает имя узла, имя файла и позицию внутри файла. Специальные WWW-серверы являются хранилищем такого гипертекста, клиенты имеют программы просмотра (браузеры). В последнее время пассивный характер подобных систем изменился, в них появились средства диалога для формирования заказов на продукцию и для проведения оплаты товара. Перспективы развития при этом связывают с языком Java (предложен Sun), ориентированным на разработку информационных приложений для Internet.
Самостоятельный подкласс информационно-справочных систем составляют географические информационные системы CIS. Здесь информация привязана к точкам на карте или плане местности. Для одной географической области могут быть представлены несколько картографических слоев с разными объектами и, соответственно, разной информацией по этим объектам, например, городские коммуникации, транспортные связи, лесные массивы, водоемы и т. п. Слои могут накладываться, образуя карту, ориентированную на решение конкретных
17 |
