В. А. Немтинов, В.Г. Мокрозуб, С.Я. Егоров, С. А. Субочев

В общем виде задачу автоматизированного проектирования системы очистки сточных вод можно сформулировать следующим образом. Для каждой стадии выбранной схемы очистки необходимо найти тип, геометрические характеристики и количество каждого типа оборудования, осуществляющего процесс очистки сточных вод от примесей, а также возможный вариант размещения данного оборудования на местности при соблюдении ограничений на выходные параметры (концентрация очищенных вод) и минимуме приведенных затрат при заданных входных параметрах.

Задача выбора технологической схемы системы очистки из множества вариантов на основании математических критериев оптимальности до настоящего момента решалась редко, вследствие сложности и строгости накладываемых на систему условий, а также большого количества критериев оценки. Наиболее прогрессивным методом решения этой задачи является использование экспертных систем. Используя опыт, накопленный при проектировании процессов очистки, в виде базы данных (базы знаний) и задав некоторую цель, например, качество очищенной воды, при помощи механизма принятия решения можно найти сочетание элементарных операций, обеспечивающих достижение этой цели. В базе знаний собраны правила и эмпирические знания, которыми обладают специалисты, и общие данные (правила построены по типу “если…(посылка), то… (заключение)”). Комбинируя несколько элементарных операций, обладающих разной эффективностью очистки, формируется целостная система. Прежде всего, выбираются осуществимые варианты структуры системы, используя информацию о качестве воды, поступающей на каждую из элементарных операций, и о сочленяемых операциях. Затем выбирают оптимальную систему очистки сточных вод, дополнительно к оценке по капитальным затратам на строительство и эксплуатационным затратам на содержание, привлекая информацию об эмпирических оценках по технологичности и надежности.

Чтобы среди множества вариантов структуры процесса выбрать оптимальную систему, необходимо четко определить критерии оценки. У системы очистки сточных вод имеется множество критериев оценки, которые объединены в 3 большие группы: “затраты”, “устойчивость”, “безопасность”. В этом случае рекомендуется использовать комплексную оценку, предполагающую распределение весов между этими суммирующими группами с учетом конкретных условий. Если перечислить все сочетания элементарных операций и исследовать возможность их реализации, то количество сочетаний будет велико, что может повлиять на эффективность экспертной системы. В связи с этим при составлении целостной системы из элементарных операций используются оценки специалистов, которые из множества вариантов определяют наиболее приемлемые (например, вариант системы, который уже проектировался на практике и положительно себя зарекомендовал).

Следующим этапом решения задачи является расчет и выбор оборудования очистки для данной технологической схемы. Использую входные параметры (такие как расход сточных вод, концентрация загрязнений и др.), выходные величины обусловлены поставленной целью (например, обеспечение очистки сточных вод до заданной концентрации взвешенных веществ, стабилизация осадков и снижение их влажности до установленных величин). Математическая модель выбора оборудования включает в себя:

- расчет основного технологического параметра (например, объем сооружения), основанный на рекомендациях действующих стандартных норм и правил (СНиП) [1];

- выбор необходимого оборудования на основании критерия оптимальности.

Зависимости критериев оптимальности от основного технологического параметра были получены аппроксимацией значений затрат для различных сооружений из каталога, зависящих от этого параметра [2]. Выбор оборудования с учетом минимальных затрат иллюстрируется следующим примером.

Пример: при заданной производительности сооружений (W) на i – ой стадии очистки необходимо выбрать количество этих сооружений, используя ряд стандартных типов оборудования для данной стадии. Упрощенно задачу можно представить в следующем виде: что лучше - аэротенк А (количеством N₁ и объемом W₁) или аэротенк В (количеством N₂ и объемом W₂), учитывая что оба аэротенка имеют производительность, удовлетворяющей данной стадии очистки.

Информация о типовых проектах каждого вида очистки сгруппирована в базе данных. Она представляет собой электронный справочник, разработанный специально для данной задачи в среде “Access’97 ” [3]. Источником информации для базы данных является справочник строительных конструкций и сооружений, использующийся при выборе стандартного оборудования для системы очистки сточных вод. Он представляет собой каталог типовых проектов сооружений для очистки с технической информацией о самом оборудовании, его основных частях (экспликация сооружений и оборудования) и используемого материала при строительстве, условиях его использования, а также включает в себя калькуляцию затрат по используемым материалам и ресурсам.

Интерфейс базы данных выдержан в “классическом” стиле Windows-совместимых систем внешне и внутренне, то есть база данных полностью совместима со всеми сетевыми протоколами Windows, что делает возможной ее использование в сети (например, в системе “клиент-сервер”) без дополнительной адаптации. При работе с базой данных в Internet в справочнике организуются гиперссылки на разные составляющие справочника, которые расположены на разных компьютерах в сети. Как было сказано выше о совместимости, гиперссылки поддерживают все основные протоколы передачи данных, и автоматически распознаются (Http; Ftp; Gopher и т. д.). Все расчеты и выбор оборудования выполнены на языке программирования Visual Basic, что устраняет все проблемы с конвертацией данных для работы под Windows и дополняет очевидные преимущества данного метода решения задачи.

На третьем этапе осуществляется размещение выбранного оборудования. Современная система очистных сооружений представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных объектов основного и вспомогательного назначения. Можно выделить следующие функциональные группы объектов: производственные, транспортно -складские, подсобные объекты инженерного обеспечения и ремонтной службы. Автоматизированное формирование генерального плана системы очистки представляет собой сложную задачу размещений зданий и сооружений различных функциональных групп с учетом укрупненных технологических, инженерных и транспортных коммуникаций и характеристик природно-климатических особенностей территориального района [4]. Эффективность решения такой задачи зависит от большого числа факторов, значительная часть которых трудно формализуема. Качество решения задачи, с точки зрения проектировщика, зависит от числа размещаемых объектов и их габаритов, количества минимальных и максимальных разрывов между объектами, подлежащих обязательному соблюдению, заполненности территории объектами других производств, конфигурации существующих на площадке магистралей и т. п. Если решение задачи осуществляется для площадки с уже размещенными объектами (например, когда существуют производственные мощности, но они не справляются с возросшей производительностью и в старую технологическую схему добавляется новый модуль), то актуальным становится вопрос о делении или блокировке объектов. В этом случае может возникнуть необходимость в разрыве технологической схемы и, как следствие этого, изменении его аппаратурного оформления. Для рассматриваемого класса задач такая ситуация встречается довольно часто.

Сущность алгоритма сводится к следующему. Из множества размещаемых объектов выделяются группы, относящиеся к отдельным производственным комплексам. Очередность размещения комплексов определяется из следующих соображений: комплекс, занимающий большую площадь с учетом величин технических разрывов между объектами, имеет более высокий приоритет при размещении. В случае если два или несколько комплексов при плотном размещении занимают одинаковую площадь, более высокий приоритет при размещении имеет комплекс с большей удельной стоимостью коммуникаций, с внешними источниками энергии или транспортными коммуникациями (точками подвода коммуникаций к границе области размещения). Для выбранного производственного комплекса определяется квартал (несколько кварталов, если комплекс занимает большую площадь) на территории которого он будет размещен. Критерием оценки выбора квартала является стоимость оптимальных инженерных и транспортных трасс коммуникаций от границы квартала до внешних источников энергии и транспортных коммуникаций, то есть внешних коммуникаций для рассматриваемого комплекса, исходя из допущений, принятых при описании модели. Поиск оптимального квартала осуществляется методом координатной релаксации.

Так как полученное размещение комплексов из-за ряда допущений может быть не оптимальным, производится оптимизация начального размещения комплексов с помощью итерационного алгоритма, основанного на парных перестановках комплексов. В целях получения наиболее качественного размещения объектов внутри кварталов производится предварительная трассировка внешних коммуникаций с целью получения точек подвода коммуникаций к границам (вершинам) квартала. Из всех точек возможного подвода коммуникаций для каждого производственного комплекса выбираются те, для которых стоимость коммуникаций минимальна. При формировании генерального плана особый интерес представляет трассировка всех инженерных и транспортных коммуникаций и в первую очередь построение связывающих сетей однородных коммуникаций (деревьев Штейнера). При равных условиях порядок трассировки определяется исходя из общего эвристического правила Айкерса: коммуникации трассируются в порядке приоритетных номеров, который равен числу “истоков” или “стоков” в прямоугольнике, в рамках которого проходят оптимальные трассы [4].

Предложенный алгоритм носит локальный характер, но учитывая возможность получения “хорошего” начального размещения объектов с предварительной трассировкой коммуникаций и последующего улучшения решения за счет парных перестановок и окончательной трассировки, полученное решение достаточно близко к глобальному оптимуму. Окончательный результат решения задачи генплана определяется проектировщиком в режиме диалога “проектировщик – компьютер”. На всех этапах решения на графический дисплей выводятся промежуточные результаты, позволяющие делать выводы об эффективности решения. В случае получения неудовлетворительного решения производится возврат на начало, коррекция исходных данных (начального приближения размещения функциональных групп объектов) и процесс решения возобновляется. При получении решения, удовлетворяющего требованию проектировщика, результаты выводятся на устройство основного вывода в форме, принятой в проектных организациях. При отображении результатов решения задачи генплана предполагается использование геоинформационной системы MapInfo 4.5 [5]. Данная система органично дополняет систему управления базами данных “Access97” и программное обеспечение проектирования, реализованное в среде Visual Basic.

1. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения./ Издание официальное. – М.: Госстрой СССР, 1986. – 72 с.
2. Биологическая очистка производственных сточных вод: Процессы, аппараты и сооружения./ Яковлев С.В., Скирдов И.В., Швецов В.Н. и др.; Под ред. С.В. Яковлева. – М.: Стройиздат, 1985. – 208 с.
3. Праг Керри Н, Ирвин Мишель Р. Access 97. Библия пользователя: - К.: Диалектика, 1997. – 768 с.
4. Зайцев И.Д. Теория и методы автоматизированного проектирования химических производств. – Киев: Наукова думка, 1981. – 308 с.
5. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. – М.: Финансы и статистика. – 1998. – 287 с.