Об’єктно-орієнтоване проектування оптимальних схем водоспоживання

Автоматизоване проектування схеми водного господарства промислових підприємств як складової частини хмімко-технологічної системи передбачає організацію розрахунків щодо створення нової або модернізації існуючої схеми водного господарства, зокрема, шляхом застосування методів структурної оптимізації. Структурна оптимізація схем водоспоживання, водовідведення та водоочищення полягає у раціональному перерозподіленні потоків між процесами у складі схеми водного господарства.

Структурна оптимізація схем водного господарства спрямована на максимально повне використання ресурсу схеми водного господарства без заміни основного обладнання, за рахунок організації системи рециклів. Такий підхід показав свою еколого-економічну ефективність внаслідок відносно низької вартості впровадження.

Загальним для переважної більшості використовуваних нині процедур структурної оптимізації схем водного господарства [1, 2] є формулювання проблеми у вигляді задачі математичного програмування. При цьому генерування принципових технічних рішень для під­вищення ефективності промислового водоспоживання включає наступні етапи: 1) підготування вихідних даних; 2) визначення критерію оптимізації (мінімальне споживання свіжої води) із застосуванням концептуального підходу; 3) складання узагальненої схеми водоспоживання, що враховує всі варіанти перерозподілу потоків води; 4) формулювання на основі узагальненої схеми задачі математичного програмування, та вирішення цієї задачі; 5) подання результатів розрахунків у зручній для інженера (технолога) формі – у вигляді таблиць і схем.

Задача оптимізації у математичній постановці включає: 1) цільову функцію, що забезпечує рушійну силу процесу оптимізації; 2) систему обмежень, які надають результатам оптимізації належного фізичного сенсу.

Зазначена система обмежень формулюється на основі математичних моделей елементів схеми водного господарства (моделей прооцесів-водоспоживачів, процесів водоочищення, змішувачів та дільників потоків, тощо).

Специфіка числових методів, що застосовуються для вирішення задач оптимізації, вимагає формулювати обмеження у вигляді системи алгебраїчних рівнянь та нерівностей явного вигляду. Під час пошуку оптимуму на кожній з ітерацій процедури пошуку оптимуму реалізується підстановка даних в математичну модель із отриманням результуючих модельних величин (зокрема, концентрацій забруднювачів на виході з процесу). Такий розрахунок являє собою частковий випадок процесу математичного моделювання. В результаті виключається використання у процесі структурної оптимізації математичних залежностей неявного вигляду (диференційних рівнянь [3], тощо).

В той же час, процеси, що протікають у складі схеми водного господарства, зокрема, при водоспоживанні та водоочищенні, мають складну природу, і традиційні спрощені моделі вказаних процесів не завжди забезпечують достатню точність опису цих явищ у потрібному обсязі. В результаті, при традиційному підході до структурної оптимізації схем водного господарства (рис. 1) може виникати додаткова похибка результатів проектування.


Рис. 1. Традиційний підхід до структурної оптимізації схем водного господарства

Застосований авторами підхід [4] відкриває можливість використання для структурної оптимізації схем водного господарства математичних моделей заданого дослідником ступеню точності (рис. 2). Складність використовуваної математичної моделі обмежується лише наявними обчислювальними ресурсами (наявністю в дослідника програмно-алгоритмічного забезпечення для вирішення обраної моделі, потужністю комп’ютера, тощо).


Рис. 2. До збільшення адекватності математичних моделей, під час структурної оптимізації схем водного господарства

При цьому створення програмного забезпечення та реалізація розрахунків базується на об’єктно-орієнтованому принципі. Останній є основним при розробці сучасного прикладного програмного забезпечення, проте не є розповсюдженим серед спеціалістів у наукових обчисленнях. Це зумовлено історичним домінуванням мов програмування FORTRAN та C для програмування числових методів (зокрема, через наявність великої кількості бібліотек програмного коду вказаним мовами програмування), а також популярністю серед науковців математичних пакетів MATLAB, Mathematica та ін.


Рис. 3 Діаграма класів для проблемної області процесу оптимізації схем водного господарства

Перевагою останніх є висока швидкість розробки та орієнтація на спеціалістів у відповідних областях (немає необхідності високої компетентності у комп’ютерних науках). Недоліками систем комп’ютерної математики є висока вартість ліцензій, складність інтеграції вказаних систем із користувацькими процедурами при створенні проблемно-орієнтованого програмного забезпечення, тощо.

Під час проектування схем водного господарства, зокрема, схем водоспоживання, авторами застосовано об’єктно-орієнтований підхід до створення наукових прикладних програм [5], що має на меті підвищення якості написаного коду, легкості підтримки та багаторазового використання програмного забезпечення.

Для моделювання проблемної області процесу оптимізації схем водного господарства запропоновано наступні класи та інтерфейси (рис. 3):

  • Stream (потік) – матеріальний потік; характеризується величиною витрати та концентраціями речовин-забруднювачів;
  • IElement – структурний елемент схеми: процес, який споживає воду; змішувач чи розділювач потоків; процес водоочищення;
  • RecycleMatrix (матриця рециклів);
  • Unit (апарат) – об’єкт-водоспоживач; характеризується моделлю у вигляді сукупності множини залежностей (наприклад, системи диференційних рівнянь) та вхідним і вихідним потоками;
  • Mixer (змішувач потоків);
  • Separator (розділювач потоків).

Наголосимо, що назви класів відповідають термінології, прийнятій в практиці структурної оптимізації схем водного господарства.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Shakhnovskij A., Jezowski J., Kvitka A., Jezowska A., Statiukha G. Optymalizacja sieci wody procesowej przy zastosowaniu programowania matematycznego. // Inzineria chemiczna i procesowa. – 2004. –25. – р. 1607-1612..
2. Zgurovsky M., Statyukha G., Kvitka O., Shakhnovsky A., Dzhygyrey I. The Systems Approach to Design of Optimal Water Usage and Wastewater Treatment Networks. Abstracts of International Conference on Environment: Survival and Sustainability. 2007, Nicosia – Northern Cyprus. – MT-14. – P. 623-624.
3. Статюха Г.А., Квитка А.А., Бойко Т.В., Джигирей И.Н. Использование математических моделей процессов очистки для проектирования распределенных систем очистки сточных вод. - Химия и технология воды. - 2006. - N 6., т. 28, с. 517-530.
4. Шахновський, А. М. Використання моделей неявного вигляду при оптимізації схем водного господарства / А. М. Шахновський, О. О. Квітка, О. М. Семенюта // «Екологія. Людина. Суспільство»: Тези доповідей XІV міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених. – 18-22 травня 2011, Київ, 2011. – с. 93-95
5. Paul F. Dubois. Object Technology for Scientific Computing. Object-oriented Numerical Software in Eiffel and C++. – NJ: Prentice-Hall. – 1997. – 300 p.

УДК 628.17:658.26:681.5  
Семенюта О.М. Об’єктно-орієнтоване проектування оптимальних схем водоспоживання [Електронний ресурс]  / [Семенюта О.М., Квітка О.О., Шахновський А.М.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.177–179. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet