Автоматизированное проектирование, управление и системный анализ природно-технических объектов утилизации отходов

Сергей Костарев, Андрей Мурынов

Современное состояние экспоненциального роста отходов потребления и производства требует применения САПР в области обращения с отходами. Наиболее распространенными методами утилизации отходов является их захоронение (депонирование) на неуправляемых несанкционированных свалках или на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО), существенно влияющих на изменение природных ландшафтов урбанизированных территорий. В связи с этим всё более остро стоят проблемы экологической безопасности и всё более актуальным становится использование методов автоматизированного проектирования и управления на данных объектах.

Работу конструктора-проектировщика полигонов ТБО облегчит разработка САПР с применением методов системного анализа, являющегося одним из перспективных способов рассмотрения и решения проблем выбора на сложных прикладных объектах в условиях неопределенности.

Полигоны ТБО представляют собой природно-технические системы утилизации отходов, включающие целый ряд объектов с широким выбором возможных связей между ними. Объекты функционируют как единое целое, каждый объект (подводящая, распределяющая и отводящая подсистемы) работает для осуществления единой цели. Методы системного анализа сведены в три основные группы: методы экстраполяции, методы моделирования и методы экспертной оценки.

При анализе динамики развития полигонов ТБО метод экстраполяции является методом прогнозирования в данной области на основе обработки и анализа информации об этом объекте. Из таблицы видно, что на протяжении примерно 10 лет появлялись и совершенствовались технологии утилизации отходов на полигонах ТБО. Таким образом, анализ полученной информации дает возможность прогнозировать развитие техники и технологии на 10-20 лет вперед.

Несмотря на ограниченный эксплуатационный период (в среднем до 30 лет), полный жизненный цикл (ЖЦ) полигонов ТБО, связанный с выделением эмиссионных продуктов в различном агрегатном состоянии (с дренажными (фильтратом) и поверхностными стоками, биогазом), может достигать 10 тыс. лет. Окончание ЖЦ полигона ТБО характеризуется его нейтральным состоянием и отсутствием в образующихся жидкой и газообразной фазах характерных загрязняющих веществ. Поэтому актуальной проблемой является минимизация ЖЦ, что достигается путем создания систем автоматизированного управления.

В настоящее время в научном прогнозировании также разрабатываются методы моделирования. Наиболее распространенным является метод научно-технического прогнозирования на основе анализа публикаций. Основой его является информационная модель развития науки. Поэтому для прогностических целей весьма важно использование метода изучения и анализа потоков научной информации.

Метод экспертных оценок основывается на наличии априорных оценок значимости различных решений и интуитивных догадок об альтернативных вариантах путей решения проблемы с привлечением к экспертизе не одного специалиста, а группы компетентных ученых. Этот метод может применяться в виде метода комиссии. При использовании коллективной оценки обычно ставятся следующие цели: установление степени согласованности мнений экспертов по перспективам исследований и разработок; получение оценок таких аспектов развития науки и техники, которые не могут быть получены в настоящее время другими методами; выявление расхождений в оценках различных научных направлений. Таким образом, целью экспертной оценки в конечном счете является получение перечня вопросов в исследуемой области, которые необходимо решать в будущем.

Этапы развития полигонов ТБО

Для автоматизированного проектирования природно-технических объектов утилизации отходов рассмотрим структуру полигонов ТБО. Природно­технические системы утилизации отходов (полигоны ТБО) включают следующие инженерные сооружения: участок захоронения отходов (УЗО) (более 80% общей площади полигона ТБО), инженерные системы отвода и очистки фильтрата и биогаза, хозяйственную зону.

С совершенствованием технических систем процесс разработки и проектирования полигонов стал более удобным, быстрым, надежным и качественным. В настоящее время проектированием полигонов ТБО занимается множество организаций, которые ставят перед собой цель создания более безопасной и наиболее удовлетворяющей санитарным и экологическим нормам безопасности системы утилизации отходов. Для этого не существует специального программного обеспечения. В то же время разработкой программ, которые помогут осуществить поставленные цели, занимается множество специалистов, использующих опыт и наработки других организаций, работавших или работающих над данной проблемой.

Проектирование полигонов ТБО является многоэтапным процессом. К проблемным относятся следующие вопросы:

• выбор лучшего материала, из которого будут изготовлены строительные конструкции полигонов ТБО;
• выбор оптимальных соотношений его геометрических размеров (объема, вместимости, глубины основания и т.п.);
• учет соблюдения санитарных норм, долговечности и экологической безопасности полигонов ТБО.

Проблема выбора геометрических параметров УЗО (соотношения объема, вместимости, глубины основания) является наиболее актуальной на первом этапе проектирования полигона ТБО. При решении данной проблемы нужно учитывать множество факторов, например климатогеографические особенности местности, где должен быть расположен полигон ТБО, гидрогеологические особенности (слои грунта и глубина залегания грунтовых вод на территории полигона ТБО могут сильно различаться). От этих факторов будет зависеть, какую форму сможет иметь геометрия объекта, например секция полигона ТБО и др. Учет всех факторов неопределенности может быть значительно упрощен благодаря программным средствам автоматизированного проектирования рассматриваемых природно-технических систем. Повышение эффективности проектирования с помощью САПР природно-технических систем утилизации отходов достигается благодаря учету специфики состава отходов, интенсивности биохимических процессов, протекающих в массиве отходов, и внешних факторов при адаптации к конкретным природным условиям.

Программное средство, предназначенное для решения поставленных проблем, облегчает работу конструктора-проектировщика полигона ТБО. Разработано автоматизированное рабочее место конструктора-проектировщика полигона ТБО (АРМ-ТБО), которое предназначено для облегчения выполнения типового проекта. Разработка проекта осуществляется на основе параметрического проектирования в системе AutoCAD.

Далее представлены методологические подходы к проектированию автоматизированных систем обработки информации (АСОИ) и управлению полигонами ТБО, основанные на системном и частном проектировании. Разработаны структурная схема этапов проектирования (мониторинга) и эксплуатации полигона ТБО и программный инструментарий конструктора-проектировщика полигона ТБО — АРМ ТБО (Середа Т.Г., Костарев С.Н. // Наука — производству. 2007. № 5).

Для управления полигоном ТБО разработана модель непрерывной информационной поддержки полигона ТБО от этапа проектирования до этапа рекультивации, направленная на минимизацию ЖЦ полигона ТБО, повышение безопасности его эксплуатации и реализацию концепции минимизации ЖЦ полигона ТБО. Переход на новый уровень безопасности природно-технических систем утилизации отходов требует современных подходов с использованием САПР на основе CAD-систем, имеющих функции параметрического проектирования и моделирования. Модель ЖЦ полигона ТБО упрощенно рассматривает три этапа: проектирования, эксплуатации и рекультивации.

Процесс проектирования полигона ТБО начинается с декомпозиции задачи на основные информационные потоки. Производится анализ всех процессов, связанных с обменом информацией (рис. 1).

Рис. 1. Процесс проектирования полигона ТБО

Выделяют прием данных на проектирование полигона ТБО, включающих заказ на проектирование и исходные данные, нормы накопления отходов, климато­географические условия и т.д.

Затем информация передается персоналу, отвечающему за расчет параметров полигона и прочей информации. Потом полученные расчетные данные отправляются на утверждение проекта менеджерам, принимающим решения. Если в проекте выявляются ошибки или недочеты, то проект полигона ТБО отправляют обратно для внесения необходимых изменений.

Когда все основные задачи декомпозированы и описаны, переходят к этапу планирования программного комплекса (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2009612494).

Автоматизируется расчет следующих задач:

• определение объема полигона ТБО, исходя из эксплуатационного периода;
• выбор технологической схемы управления полигоном ТБО, исходя из индивидуальных особенностей;
• автоматизация обработки технической документации;
• автоматизация обработки графической документации на основе параметрического программирования.

Для решения этих задач разработана программа по обработке исходных данных (по количественным показателям и геометрическим параметрам), поступающих на рабочее место конструктора-проектировщика (рис. 2).

Рис. 2. Интерактивное окно автоматизированного расчета: ввод исходных данных

Далее на основе параметрического проектирования строятся детальные эскизные проекты полигона ТБО. Для этого в интерфейс программы вводятся необходимые начальные данные. Затем на основе полученной информации наносится разметка секций полигона (рис. 3).

Рис. 3. Автоматизированная разметка секций полигона

На рис. 4 и 5 показаны результаты работы программы автоматического проектирования в среде системы AutoCAD.

Рис. 4. Проектирование секции полигона 2D

Рис. 5. Проектирование секции полигона 3D

Таким образом, использование программы позволяет:

• рассчитать геометрические параметры полигона ТБО, исходя из эксплуатационных требований;
• подобрать технологическую схему автоматизированного управления полигоном ТБО, исходя из индивидуальных особенностей (климатогеографических, гидрогеологических и т.п.);
• автоматизировать разработку технической и графической документации на основе параметрического программирования.

Мониторинг и анализ экологического состояния полигона ТБО, заложенные в программно-технические решения управления, обеспечивают оперативный контроль за протекающими на данном объекте процессами. Комплексная автоматизированная система управления полигоном значительно улучшит качество мониторинга. Модульное построение системы обеспечит гибкость структурной реализации с возможностью максимального учета индивидуальных особенностей региона, где расположен полигон ТБО. Применение данного программного продукта обеспечит информационную поддержку на всем жизненном цикле полигона ТБО и повысит эффективность управления и безопасность его эксплуатации.

Компьютерное программное обеспечение геоинформационного моделирования природно-технических систем утилизации отходов позволит поддерживать функции геометрического моделирования и визуализации геометрических объектов полигона ТБО и его геометрические параметры, что повысит эффективность работ по проектированию и эксплуатации полигонов ТБО в конкретных климатогеографических условиях.

Сергей Костарев

Доцент, Пермский государственный технический университет.

Андрей Мурынов

Профессор, Ижевский государственный технический университет.

САПР и графика 3`2010