Теория и методы оценки геоэкологической безопасности создаваемых природно-технических систем (стр. 3 )

Характерной особенностью процесса разработки новых систем является необходимость выбора альтернативных вариантов. Улучшение в решении задач проектирования одних параметров может привести к ухудшению других. В настоящее время совершенствование функциональных показателей СиТС, осуществляемое путем структурной или параметрической оптимизации, должно проводиться с учетом всесторонней комплексной экологической оценки получаемых вариантов на различных этапах разработки. Оценка должна проводиться с определением и сопоставлением экологических показателей вариантов по качественному или детерминированному выражению некоторых частных, а на завершающем этапе – комплексных критериев, учитывающих степень выполнения предъявляемых к создаваемой системе экологических требований.

Таким комплексным критерием, как было сказано выше, выбран минимум негативного воздействия на ОС с учетом жизненного цикла создаваемой системы, определяющий геоэкологическую безопасность выбранного варианта в сравнении с другими рассматриваемыми конкурентоспособными вариантами.

Качественные методы оценки геоэкологической безопасности используются на начальных этапах разработки, если реальная система не может быть описана количественными характеристиками или отсутствуют закономерности в виде аналитических зависимостей, а также при недостатке исходных данных для проведения расчетов. Качественные методы оценки актуально использовать при выборе концептуальной модели создаваемой системы. Количественные методы оценки применяются на последующих этапах для анализа конкурентных вариантов создаваемых систем. Детерминированные методы также могут быть использованы и на начальных этапах при наличии аналитических зависимостей, устанавливающих импликативную взаимосвязь экологических и технических показателей создаваемых систем, а также при необходимом объеме исходной информации для проведения вычислений.

Для комплексной оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС автором используются методы, основанные на модели расстояния до эталонного варианта, в которых предполагается существование небольшого числа латентных характеристик, определяющих состояние объекта, а, следовательно, и значение комплексного экологического критерия. Кроме предположения о существовании латентных характеристик и эталонного варианта, фундаментальным для этих методов является предположение о наличии определенной зависимости между «близостью» объектов в области исходных частных экологических показателей и расстоянием между этими объектами в области латентных характеристик.

В соответствии с этими методами для комплексной оценки геоэкологической безопасности конкурентных вариантов необходимо в пространстве частных экологических показателей (ЧЭП) задаться эталоном, которому соответствует точка с координатами , и выбрать соответствующую метрику , описывающую расстояние объекта до эталона.

В качестве эталона целесообразно выбирать идеальный вариант проектируемой СиТС относительно функции цели, т. е. вариант, у которого все ЧЭП одновременно принимают наилучшие значения. В случае если идеальный вариант проектируемой системы принят как цель, к которой «стремятся» сравниваемые варианты, расстояние от рассматриваемых альтернативных вариантов до идеального варианта будет характеризовать геоэкологическую безопасность различных конкурентоспособных вариантов проектируемой системы

(16)

где – функция, соответствующая используемой метрике;

– показатель, который характеризует геоэкологическую безопасность j-го конкурентного варианта проектируемой системы.

Например, для измерения расстояния между оцениваемыми вариантами и идеальным вариантом в случае, если ЧЭП нельзя считать равноценными, можно использовать метрику Минковского

, (17)

где – весовые коэффициенты, учитывающие неравноценность частных экологических показателей;

– значение i-го нормированного значения частного экологического показателя для j-го варианта;

– значение i-ой координаты вектора идеального варианта.

Значения , являющиеся комплексными экологическими показателями конкурентных систем и представляющие собой меру близости оцениваемых вариантов к идеальному, интерпретируются как комплексный геоэкологический критерий рассматриваемых вариантов. Неоднородность ЧЭП предопределяет необходимость проведения специальных преобразований – унификации и нормирования.

Апробация теории и методов оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС осуществлена на примерах выбора оптимальных вариантов размещения Архангельской АТЭЦ и Петровской ГРЭС в Шатурском районе Московской области и оптимального варианта проектируемой электрической машины. Результаты оценки геоэкологической безопасности конкурентных пунктов размещения Архангельской АТЭЦ – «Правобережный», «Рикасиха», «Цигломень» (рис. 9), представленные в табл. 6, показали преимущество в штатном режиме работы варианта ее размещения в пункте «Рикасиха».

В случае оптимизации выбора площадки для Петровской ГРЭС (рис. 10) оценка геоэкологической безопасности по комплексному критерию (табл. 7) показывает, что наименьшее негативное воздействие на ОС в штатном режиме работы ожидается при размещении ее на площадке «Радовицкая».

Для оценки и расчета экологических показателей проектируемых ТС разработано программное обеспечение (рис. 11), предназначенное для формирования, хранения и быстрого доступа к информационно-справочному массиву, используемому для экологической оценки; расчета экологических показателей; анализа и оценки экологического состояния проектируемых технических систем с построением графических диаграмм; графической интерпретации результатов экологического анализа и оценки проектируемой системы; передачи информационных массивов, как на электронных носителях, так и по информационным сетям для обеспечения контроля за процессом проектирования. Результаты оценки (на примере электрической машины) приведены на рис. 12. Оптимальным является вариант 2, который будет оказывать наименьшее воздействие на ОС с учетом жизненного цикла при высоких технических показателях и выполнении функциональных ограничений.

Рис. 9. Ситуационная карта района исследования. Пункты размещения АТЭЦ слева направо: «Рикасиха», «Цигломень», «Правобережный»

Таблица 6

Значения экологических показателей для конкурентных пунктов размещения Архангельской АТЭЦ

Экологические показатели	«Правобережный»	«Рикасиха»	«Цигломень»
Фактор загрязнения воздушного бассейна, с/м3	2.87´10-2	1.16´10-2	3.78´10-2
Фактор загрязнения водной среды, баллы	3	3	2
Фактор загрязнения почвы, с´км2/м3	0.863´10-4	2.59´10-4	4.71´10-4
Фактор изъятия земель, баллы	2	2	2
Фактор воздействия на растительный и животный мир, баллы	2	2	2
Комплексный геоэкологический критерий	0.54,	0.34	0.60

Рис. 10. Ситуационная карта района исследования. Площадки размещения Петровской ГРЭС сверху вниз: «Воймежная», «Радовицкая»

Таблица 7

Значения экологических показателей для конкурентных площадок размещения Петровской ГРЭС

Экологические показатели	«Воймежная»	«Радовицкая»
Фактор загрязнения воздушного бассейна, с/м3	9.8´10-3	3.4´10-3
Фактор загрязнения водной среды, балл	3	2
Фактор загрязнения почвы, с´км2/м3	1.5´10-3	3.1´10-4
Фактор изъятия земель, баллы	2	2
Фактор воздействия на растительный и животный мир, баллы	1	1
Фактор воздействия на особо охраняемые территории, баллы	2	1
Комплексный геоэкологический критерий	0.67	0.27

Рис. 11. Ввод данных в программу

Рис.12. Экологические и функциональные показатели конкурентоспособных вариантов ТС

Переход к проектированию с полной экологической ответственностью потребует, помимо изменений в институциональной системе ответственности, более сложной системы экологического менеджмента и совершенствования системы подготовки кадров. Мировоззренческий аспект проектирования как вида инженерной деятельности связан с последовательным переходом от жестко детерминированных формализованных расчетных схем к вероятностным моделям, что особенно характерно для анализа и оценки техногенного воздействия.

Необходимо отметить, что особенно велика роль проектировщика, так как сложность задач проектирования, выдвигаемых практикой, растет значительно быстрее, чем даже возможности вычислительной техники, что требует их осмысления и творческого решения разработчиком, глубоких научных знаний и интуиции.

Поэтому для полного анализа и оценки технических, экономических, социальных и экологических характеристик создаваемой системы целесообразно компоновать группу исследователей, состоящую из различных специалистов. Примерная структура группы разработчиков технических систем представлена на рис. 13. Такой подход использован при оценке геоэкологической безопасности ПТС и выборе оптимального варианта пункта/площадки размещения промышленного объекта, а также экологической оценки проектируемых электрических машин.

Рис. 13. Структура группы разработчиков

Подготовка кадров и их осведомленность об экологических проблемах, возникающих при взаимодействии человека и создаваемых им СиТС с ОС, стали считаться одним из главных условий перехода мирового сообщества к устойчивому развитию и решения проблем будущего выживания человечества. На взгляд автора, необходимо вести подготовку кадров, обеспечивающую формирование стратегического экологического мировоззрения, направленного на разработку превентивных методов и решений по предотвращению негативного воздействия на ОС и управлению экологическими характеристиками создаваемых СиТС. Система подготовки кадров (вузовская подготовка, переподготовка, повышение квалификации, внутрифирменное образование и аттестация специалистов и руководителей) должна способствовать формированию у каждого человека экологического самосознания, а у руководителей – экологической ответственности за принятие решений. Основными принципами экологического образования являются системность, непрерывность, всеобщность.

Совершенствование научно-методологических подходов к изменению и формированию стратегического экологического мировоззрения и экологической ответственности за принятие проектных решений базируется на следующих принципах:

– развитие стратегического экологического мышления и обучение навыкам проведения анализа и оценки геоэкологической безопасности создаваемых систем в разных пространственно-временных координатах (от выбора технической концепции и анализа локальных загрязнений при эксплуатации до оценки экологического поведения ПТС в целом и глобальных воздействий с учетом жизненного цикла);

– использование теории и методов оценки геоэкологической безопасности создаваемых систем для формализации техногенного отклика в разных точках пространственно-временного поля при функционировании СиТС (установление импликативных отношений функциональных и экологических показателей, характеризующих воздействие на геосферы на различных этапах жизненного цикла).

Теоретические цели экологической подготовки в контексте этой проблемы:

– анализ процессов проектирования и разработки СиТС для интегрирования экологических показателей на ранних этапах проектирования;

– составление многоуровневых энергетических и материальных балансов для поиска закономерностей и повышения геоэкологической безопасности создаваемых систем на локальном и глобальном уровнях;

– овладение методами количественной и качественной оценки ингредиентных и параметрических воздействий ТС в жизненном цикле, а также поиска комплексного геоэкологического критерия оценки;

– использование механизма и инструментов системы экологического управления процессами проектирования.

Для формирования стратегического экологического мышления, направленного на минимизацию техногенного воздействия и претворение в жизнь концепций «проектирование для экологии» и «экосистемного комплексного подхода», актуально, помимо традиционных дисциплин, в учебные планы высшего образования вводить новую дисциплину «Основы экологического проектирования технических систем».

Следует совершенствовать также систему подготовки дипломированных специалистов-экологов с целью расширения их профессиональной деятельности. Целесообразно вести подготовку дипломированных специалистов-экологов с направленностью на разработку (проектирование) ТС и системный анализ с позиций биосферных принципов. Эколог-разработчик ТС наряду с конструкторами, технологами, экономистами и др. сможет войти в команду разработчиков СиТС, он должен иметь навыки анализа и оценки геоэкологической безопасности проектируемых систем на различных этапах разработки. Эколог – системный аналитик должен иметь навыки по оцениванию взаимодействия природных и технических систем в глобальных временных и пространственных рамках.

Автором реализованы основные научно-методологические подходы к совершенствованию экологического образования при подготовке студентов по специальности 280202.65 «Инженерная защита окружающей среды».

3.  ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.  Разработаны теория и методы оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС с позиций экоцентризма и полной экологической ответственности, направленные на минимизацию негативного воздействия, позволяющие устанавливать импликативные зависимости технических и экологических показателей и управлять ими с учетом жизненного цикла СиТС. Для этого:

– сформулированы основные положения теории оценки геоэкологической безопасности на этапе разработки СиТС с учетом их жизненного цикла;

– разработаны основные правила методологии системного экологического исследования и анализа иерархических уровней ПТС, позволяющие выявить взаимосвязи и оценить уровень геоэкологической безопасности на этапе разработки СиТС;

– дано теоретическое обоснование взаимосвязи технических показателей проектируемых систем с их экологическими показателями и выявлены частные и комплексные критерии оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС.

2.  Предложены физические модели строительной и других технических систем:

– физическая модель ТС представляет собой сеть взаимоотношений между системой и природной средой, основанных на законах сохранения, превращения и переноса энергии и материалов и балансе входных и выходных потоков;

– физическая модель исследуемой СС представляет собой сеть взаимоотношений между системой и природной средой, основанных на законах сохранения, превращения и переноса энергии и материалов и балансе входных и выходных потоков, а также законах сохранения динамического равновесия и устойчивости строительной и природной систем.

3. Проведены теоретическое обоснование и практическая реализация оценки геоэкологической безопасности промышленных объектов на предпроектных стадиях строительства по результатам инженерно-экологических изысканий и технических систем на этапе научно-исследовательских работ, на основе анализа импликативных отношений технических характеристик объектов с уровнем негативного воздействия при реализации жизненного цикла.

4. Разработаны методы оценки геоэкологической безопасности СС на предпроектных стадиях, основанные на анализе уязвимости экосистем, а также методы оценки геоэкологической безопасности проектных вариантов ТС на основе баланса материальных и энергетических входных и выходных потоков и анализа многофакторных регрессионных уравнений, устанавливающих импликативную взаимосвязь конструктивных и функциональных показателей с уровнем негативного воздействия на жизнеобеспечивающие геосферные оболочки.

4.  На основе регрессионных зависимостей экологических и технических показателей проектируемых ТС разработаны проверочные листы, которые позволяют корректировать проектные решения и управлять геоэкологической безопасностью ТС.

5.  Предложены методы комплексной оценки геоэкологической безопасности создаваемых СиТС на основе частных геоэкологических критериев.

6.  Разработаны программы, алгоритмы, системы критериев для оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС и необходимое программное обеспечение оценки геоэкологической безопасности ТС при параметрической оптимизации.

7.  Разработанные теория и методы оценки геоэкологической безопасности апробированы при выборе оптимальных вариантов размещения Архангельской АТЭЦ и Петровской ГРЭС, а также при проектировании электротехнических систем. Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами.

8.  Предложены научно-методологические подходы к изменению и формированию стратегического экологического мировоззрения и экологической ответственности за принятие проектных решений и предложены перспективные области профессиональной деятельности экологов, что имеет значение для реализации концепции устойчивого развития.

9.  Разработана дисциплина «Основы экологического проектирования» и опубликована монография «Экологическое проектирование продукции» для формирования стратегического экологического мировоззрения и экологической ответственности за принятие технических решений у студентов как будущих участников хозяйственной деятельности.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1.  , Потапов экологической безопасности строительных систем как природно-техногенных комплексов (теоретические основы) // Вестник МГСУ. – 2008. – №1. – С. 23-28.

2.  , , Потапов оптимального варианта размещения атомных станций по геоэкологическим критериям // Вестник МГСУ. – 2008. – №3. – С. 24-84.

3.  , Потапов оценки геоэкологической безопасности создаваемых природно-технических систем // Промышленное и гражданское строительство. – 2008. – №8. – С. 63-65.

4.  Графкина оценка нарушенности ландшафтов на этапе предпроектных работ для строительства // Приволжский научный журнал. – 2008. – № 4. - С.188-191.

5.  Графкина показатели конструкционных материалов // Вестник МГСУ. – 2008. – №4. – С. 149-153.

6.  Графкина оценки геоэкологической безопасности создаваемых природно-технических систем // Вестник МГСУ. – 2008. – №4. – С. 139-143.

7.  Графкина методов оценки экологической безопасности на этапе проектирования технических систем // Вестник БГТУ им. . – 2008. – №2. – С.23-26.

8.  Совершенствование экологической подготовки в системе высшего профессионального образования // Вестник БГТУ им. . – 2008. – №2. – С. 93-96.

Монография:

9.  Графкина проектирование продукции. – М.: МГТУ «МАМИ», 2006. – 224 с.

Свидетельство об отраслевой регистрации программ для ЭВМ:

10. , Милюков об отраслевой регистрации разработки № 000 «Программа оценки экологических показателей технических систем» от 01.01.2001.

Прочие:

11. Графкина определения экологических показателей при оценке жизненного цикла технических изделий // ИТР. –2002. – №3. – С. 20-22.

12. , Милюков экологическими характеристиками электрооборудования на стадии производства // Объединенный научный журнал. –2002. –№20. – С. 24-31.

13. , , Мельников показатели автотракторного электрооборудования // Автотракторное электрооборудование. –2002. – №4. – С. 18-21.

14. Графкина оценки воздействия электромагнитного излучения автотракторного электрооборудования на окружающую среду и человека // Автотракторное электрооборудование. – 2002. – №1. – С. 47-48.

15. , , Пинский экологического воздействия свободнопоршневого двигатель-генератора в полном жизненном цикле на стадии проектирования // Сборник избранных трудов. – М.: МГТУ «МАМИ», 2002. – 14 с.

16. Графкина указания по выполнению раздела дипломного проекта «Экология и безопасность жизнедеятельности» для студентов специальности «Электрооборудование автомобилей и тракторов». - М.: МГТУ «МАМИ», 2003. – 16 с.

17. . Милюков экологических показателей проектируемого электрооборудования автомобилей // Экология и промышленность России.– Апрель 2004. – С. 29-31.

18. Графкина Ю. П., и др. Оценка проектируемого стартерного электродвигателя по экологическим критериям //Электроника и электрооборудование транспорта. – 2004. – №5. – С. 24-25.

19. Графкина обоснование повышения экологической безопасности // Информационный сборник ЦСИ ГЗ МЧС России. – 2004. – №21. – С. 17-23.

20. , , и др. Создание концепции и реализация системы переработки и утилизации автомобилей и автомобильной техники. Отчет ЕЗН. Раздел 1. – М.: МГТУ «МАМИ», 2004.

21. Графкина комплексной экологической оценки проектируемого электрооборудования транспорта //Электроника и электрооборудование транспорта. – 2004. – №6.. – С. 39-43.

22. Графкина основы экологических критериев оптимизации // Автотракторное электрооборудование. – 2004. – № 9. – С. 29-31.

23. Графкина повышения экологической безопасности // Информационный сборник ЦСИ ГЗ МЧС России. – 2004. –№20. – С. 103-108.

24. Графкина подходы к преподаванию экологии в современных условиях // Материалы международной научно-метод. конференции. Ч. 1. – М.: МГТУ «МАМИ», 2005. – С. 73-77.

25. , Нюнин профессиональных знаний инженера-эколога // Материалы международной научно-метод. конференции. Ч. 2. – М.: МГТУ «МАМИ», 2005. – С. 10-11.

26. , Петленко коэффициентов важности частных экологических показателей // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2005. – №1. – С. 42-44.

27. , Пьянкова сопровождение разрабатываемой продукции // Сырье и упаковка. – №2(51), март 2005. – С. 32-33.

28. , , Пьянкова оптимизация проектируемых вариантов стартерного электродвигателя по технико-экологическим показателям // Электроника и электрооборудование транспорта. –2005. – №2.. – С. 40-42.

29. , , и др. Разработка научных основ формирования конкурентной среды и изучение ее влияния на социально-экономическую среду в России. Отчет ЕЗН. – М.: МГТУ «МАМИ», 2005.

30. Графкина управления экологическими показателями технических систем // Сборник избранных трудов Международ. симпозиума «Современное автотракторостроение и высшая школа России». Кн.4. – М.: МГТУ «МАМИ», 2005. – С. 24-36.

31. Графкина профессиональные знания инженера-эколога в свете современных проблем промышленной экологии // Сборник избранных трудов Международ. научно-методической конференции «Высшее профессиональное образование в современной России: перспективы, проблемы, решения». – М.: МГТУ «МАМИ», 2005. – С. 28-34.

32. , . . Совершенствование системы управления инновациями при проектировании продукции – М.: МАГМУ, 2005. – 10 с.

33. , Гнатюк автотранспорта и промышленных производств на окружающую среду // Известия Тульского государственного университета, выпуск 6, 2006. – С. 105 – 107.

34. , Милюков проектируемых технических устройств с учетом их жизненного цикла // Грузовик &. – 2006. – №10. – С. 28-31.

35. , , Пьянкова механизмы управления эколого-экономическими показателями продукции на этапе проектирования // Известия Тульского государственного университета. –2006. – Вып. 2.– С. 253-260.

36. , Милюков технических систем // Экология и промышленность России. – Июль 2006. – С. 32-33.

37. , Пьянкова управления процессом выбросов на промышленных предприятиях // Известия Тульского государственного университета. – 2006. – Вып. 2. – С. 136-142.

38. , , Нюнин жизнедеятельности /Учебник под ред. – М.: Проспект, 2007. – 608 с.

39. , Ангелова надежности технических систем при изменении техногенных условий в зоне строительства // Приоритетные направления развития науки и технологий: доклады Всероссийская. научно-техн. конф. Под общ. ред. чл.-корр. РАН – Тула: Изд-во ТУЛГУ, 2007. – С. 35-37.

40. Графкина оценки экологической безопасности технических систем // Современные проблемы экологии: докл. Всероссийской научно-техн. конф. Под общ. ред. чл.-корр. РАН . – М.-Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. – С. 117-119.

41. Графкина экологической ответственности за принятие технических решений в образовательном процессе // Приоритетные направления развития науки и технологий: докл. Всероссийской научно-техн. конф. Под общ. ред. чл.-корр. РАН . – Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. – С. 99-100.

42. Графкина выбора оптимального варианта размещения промышленных объектов по геоэкологическим критериям // Естественные и технические науки. – 2008. – №2. – С. 290-294.

43. , Брюхань размещения тепловых и атомных станций по геоэкологическим критериям // Естественные и технические науки. – 2008.- №2. – С. 286-289.

44. Графкина анализ и оценка экологической безопасности природно-технических систем при проектировании // Естественные и технические науки. – 2008.– №4. – С. 242-246.

ГРАФКИНА Марина Владимировна

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

«Теория и методы оценки ГЕОэкологической безопасности создаваемых природно-технических систем»

Подписано в печать Заказ . Тираж 100 экз.

Бумага типографская Формат 60х90/16

 

МГТУ «МАМИ», г. Москва, Б. Семеновская ул., 38