Ільків, І. В. (2023) Методи і їх алгоритмична, програмна та технічна реалізація побудови інформаційної системи біологічного очищення стічних вод. [Автореферати, дисертації]

Text Дисертація_Ільків І.В. зах.pdf Download(9MB)

Анотація

Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної науково-прикладної задачі розроблення модельно-алгоритмічного забезпечення та апаратно-програмна реалізації інформаційної системи біологічної очистки для винесення обґрунтованих рішень щодо забезпечення та підтримання необхідної якості очищення стічних вод. Висока структурно-функціональна складність аналізованих біотехнічних об'єктів і відсутність повного формального опису процесів, що відбуваються в них, з урахуванням стану біомаси обмежує використання існуючих сучасних цифрових інформаційних технологій та керування в діючих промислових системах очищення стічних вод. Тому розробка модельно-алгоритмічного забезпечення та апаратно-програмної реалізації побудови інформаційної системи біологічної очистки для формування та реалізації науково обґрунтованих управлінських впливів, спрямованих на підтримку необхідної якості очищення та запобігання небажаним переходам у позаштатні та аварійні стани є новим та актуальним завданням, вирішення якого дозволить підвищити також технічну та екологічну безпеку локальних очисних споруд промислових підприємств. У першому розділі викладено огляд та проведено аналіз систем біологічної очистки стічних вод як об'єкта функціювання апаратно- програмного комплексу інформаційної системи СБО, запропоновано модель її життєвого циклу. Показано, що: промислові системи біологічного очищення стічних вод являють собою складну, багатокомпонентну та багатозв'язну біотехнічну систему, для забезпечення безпеки, надійності та ефективності якої необхідно здійснювати безперервний контроль стану; найскладнішим і найменш вивченим з точки зору розробки модельно-алгоритмічного забезпечення та апаратно-програмної реалізації інформаційної системи біологічної очистки та підтримки прийняття рішень елементом є біореактор; сучасні підходи до моніторингу та аналізу стану в аналізованій предметній галузі використовуються недостатньо. Сформульовано вимоги до структури та функціонування системи моніторингу при біологічному очищенні стічних вод. Обґрунтовано необхідність спільного розгляду фізичних та біохімічних процесів очищення стічних вод з метою розробки узагальненої математичної моделі як основи побудови комп’ютерної моделі невимірюваних безпосередньо процесів та синтезу автоматизованої інформаційної системи для широкого класу конструкцій біореакторів. Проведено короткий огляд програмних комплексів типу HYDRUS, NADRA-3D, ORCHESTRA та PFLOTRAN з точки зору їх функціоналу, математичного апарату, архітектури та відкритості програмного коду і показано про відсутність об’єктно- орієнтованого підходу при проектуванні класів математичних моделей та велика кількість полів класів є однією із проблем, адже такий стиль програмування протирічить підходам керування. Завдяки такому аналізу було виділено їх позитивні сторони та недоліки. У другому розділі побудовано математичну модель структурних зв'язків та взаємного впливу основних параметрів процесу біологічного очищення стічних вод, життєдіяльності анаеробного біоценозу, технічних та технологічних особливостей організації процесу очищення та конструктивних рішень використовуваного обладнання, що дозволяє виділити контрольовані ознаки, що застосовуються для аналізу узагальненого стану системи біологічної очистки стічних вод. Розроблено узагальнену математичну модель процесу очищення стічних вод в біореакторі, яка пов'язує системотехнічні, фізичні та біохімічні процеси, враховує їхній взаємний вплив. Узагальнена математична модель включає конструктивні параметри біореактора лише на рівні визначення початкових та граничних умов, що дозволило використовувати її для більшості конструкцій анаеробних біореакторів, а облік впливу різнорідних факторів на процес очищення дозволило провести вибір та аналіз параметрів, значущих для визначення спостережуваного стану СБО. Адаптовано числово-асимптотичний метод розв’язання узагальненої модельної задачі біологічного очищення, що лягло в основу розробки алгоритму для розв’язання задачі СБО. Розв’язки узагальненої математичної модель покладені основою системи моніторингу узагальненого стану СБО при доповненні її експертними знаннями та інформацією, накопиченою в процесі експлуатації станції біологічного очищення, що дозволило вибирати ефективні рішення при управлінні технологічним процесом, будувати прогноз розвитку стану системи, оцінювати ризики при виникнення позаштатних ситуацій, таких, як пікові навантаження, аварійні викиди забруднень, а також враховувати вплив цих факторів при розробці конструкції анаеробного біореактора та його проектуванні. В третьому розділі розроблено алгоритмічне забезпечення чисельного розв’язку узагальненої моделі СБО для комп’ютерного моделювання СБО, яке надало можливість розраховувати значення діагностичних ознак у різних типах станів системи. Результати, отримані в ході моделювання, були використані при розробці алгоритмів аналізу генералізованого стану забруднень з тривалим терміном служби. Запропоновано алгоритми аналізу узагальненого стану СБО, які дозволили приймати рішення про працездатність системи з урахуванням ступеня деградації біомаси та причин інгібування мікроорганізмів за обмеженим набором діагностичних ознак, оптимальних з точки зору вартості та інформативності перевірок. Розроблені алгоритми були покладені в основу модуля аналізу вимірюваної в процесі роботи інформації в системі диспетчерського керування процесом біологічної очистки стічних вод, а також використані на стадії проектування системи очистки для реалізації необхідних вузлів установки контрольно-вимірювальної апаратури, що забезпечило керованість біореактора при синтезі автоматизованої інформаційної системи. Розроблені алгоритми розрахунку неспостережуваних параметрів СБО показують їх ефективність. Через недосконалість існуючих моделей СБО (прогнозування, керування та оперативних методів контролю), багато відповідних характерних параметрів не враховуються або задаються довільно. Є мало розробленими, безсистемними або, взагалі відсутніми механізми, що дають можливість ідентифікувати відповідні значення коефіцієнтів в реальному часі, що знижує продуктивність відповідних систем. Так в четвертому розділі було розроблено апаратно-програмну реалізацію автоматизованої інформаційної системи біологічної очистки стічних вод, що лягло в основу проведення розрахунків розподілу концентрації забруднень з урахуванням зміни технічних параметрів, пов'язаних з життєдіяльністю біомаси та впливу несправностей технічних підсистем очисних споруд на біохімічні процеси. Отримані результати надали змогу більш детально та комплексно прогнозувати та автоматизувати технологічні процеси очищення стічних вод. Розроблено лабораторну установку для визначення залізовмісного коагулянту на основі фотокалориметричного аналізу, що складається з непрозорої проточної кювети, через яку з постійною швидкістю пропускається досліджувана рідина, а також блоку обробки та зберігання інформації. В основі експериментальної лабораторної установки лежить апаратно-програмний комплекс на основі мікрокомп’ютера Raspberry Pi 4 і підключеного датчика кольору TCS230, який аналізує колір та інтенсивність світла в режимі реального часу. За допомогою сенсора кольору визначаються параметри кольору: R, G, B, які на основі штучної нейронної мережі транслюються в колірний простір HSL результати останнього визначають корисний елемент (Fe3+ ). Розроблене програмне забезпечення для визначення концентрації заліза в коагулянті за допомогою штучного інтелекту, являє собою веб-додаток для відображення параметрів кольору коагулянту, визначеної концентрації заліза в коагулянті, а також збереження історії усіх вимірювань у базі даних. Розроблена автоматизована інформаційна система визначення концентрації заліза в залізовмісному коагулянті на основі спектрофотометричного аналізу надала змогу мінімізувати участь людини в процесі вимірювання, а також забезпечила безперервність вимірювання концентрації коагулянту. Дисертаційна робота є завершеним науковим дослідженням, у якому розв’язано важливу науково-прикладну задачу розробки модельно- алгоритмічного забезпечення та апаратно-програмної реалізації інформаційної системи біологічної очистки стічних вод для винесення обґрунтованих рішень щодо забезпечення та підтримання необхідної якості очищення стічних вод. Розроблені методи, методики, алгоритми та програмні комплекси були використані фаховими організаціями і впроваджені у виробництво (Департаментом екології та природних ресурсів Львівської облдержадміністрації, Державним агентством водних ресурсів України Регіональним офісом водних ресурсів у Рівненській області, ТОВ “Е.Т.Е. – Ecology Tech Energy”). Результати дисертації дозволило знизити собівартість очищення води, оцінити ефективність інновацій споруд водопідготовки та каналізаційних очисних споруд й термін їх окупності, запобігти забрудненню поверхневих і підземних вод скидами забруднюючих речовин. Одержані в роботі результати впроваджені в навчальному процесі при підготовці спецкурсів «Числові методи», «Числові методи в електроенергетиці», «Штучний інтелект в робототехніці» (кафедра автоматизації, електротехнічних та комп'ютерно-інтегрованих технологій НУВГП) для студентів Національного університету водного господарства та природокористування МОН України.

English abstract

The dissertation is devoted to the solution of the current scientific and applied problem of developing model-algorithmic support and hardware-software implementation of the information system of biological treatment for making informed decisions about ensuring and maintaining the required quality of wastewater treatment. The high structural and functional complexity of the analyzed biotechnical objects and the lack of a full formal description of the processes taking place in them taking into account the state of the biomass, limits the use of existing modern digital information technologies and management in operating industrial wastewater treatment systems. Therefore, the development of model-algorithmic support and hardware-program implementation of the construction of an information system of biological purification for the formation and implementation of scientifically based management influences aimed at maintaining the necessary quality of purification and preventing unwanted transitions to non-stationary and emergency states is a new and urgent task, the solution of which will allow to increase as well as technical and environmental safety of local sewage treatment plants of industrial enterprises. In the first chapter, an overview and analysis of biological wastewater treatment systems as an object of operation of the hardware and software complex of the BTS information system is presented, and a model of its life cycle is proposed. It is shown that: industrial systems of biological wastewater treatment represent a complex, multi-component and multi-connected biotechnical system, to ensure safety, reliability and efficiency it is necessary to carry out continuous monitoring of the condition; the most complex and least studied element from the point of view of the development of model-algorithmic support and hardware-software implementation of the information system of biological purification and decision- making support is the bioreactor; modern approaches to monitoring and analysis of the state in the analyzed subject area are insufficiently used. The requirements for the structure and functioning of the monitoring system for biological wastewater treatment have been formulated. The need for joint consideration of the physical and biochemical processes of wastewater treatment in order to develop a generalized mathematical model as a basis for building a computer model of unmeasurable processes and synthesizing an automated information system for a wide class of bioreactor structures is substantiated. A brief review of software complexes such as HYDRUS, NADRA-3D, ORCHESTRA, and PFLOTRAN was conducted from the point of view of their functionality, mathematical apparatus, architecture, and openness of the software code, and it was shown that there is no object-oriented approach when designing classes of mathematical models, and a large number of class fields are one of the problems because this style of programming contradicts management approaches. Thanks to this analysis, their pros and disadvantages were highlighted. In the second chapter, a mathematical model of structural connections and mutual influence of the main parameters of the process of biological wastewater treatment, life activity of anaerobic biocenosis, technical and technological features of the organization of the treatment process and constructive solutions of the used equipment is constructed. This makes it possible to identify controlled features that are used to analyze the general state of the biological water treatment system. A generalized mathematical model of the process of wastewater treatment in a bioreactor has been developed, which connects system technical, physical and biochemical processes, taking into account their mutual influence. The generalized mathematical model includes the design parameters of the bioreactor only at the level of determining the initial and boundary conditions, which made it possible to use it for most designs of anaerobic bioreactors, and accounting for the influence of various factors on the purification process allowed for the selection and analysis of parameters significant for determining the observed state of BTS. The numerical asymptotic method of solving the generalized model problem of biological treatment was adapted, which formed the basis of the development of the algorithm for solving the BTS problem. The solutions of the generalized mathematical model are the basis of the monitoring system of the generalized state of BTS, while supplementing it with expert knowledge and information accumulated during the operation of the biological treatment station, which made it possible to choose effective solutions in the management of the technological process, to build a forecast of the development of the system state, to assess risks in the event of external situations, such as peak loads, emergency emissions of pollutants, and also take into account the influence of these factors when developing the design of the anaerobic bioreactor and its design. In the third section, the algorithmic support for the numerical solution of the generalized BTS model for computer simulation of BTS was built, which made it possible to calculate the values of diagnostic signs in different types of system states. The results obtained during the simulation were used in the development of algorithms for the analysis of the generalized state of pollution with long service life. Algorithms for the analysis of the generalized state of the SBO were proposed, which made it possible to make decisions about the efficiency of the system taking into account the degree of biomass degradation and the reasons for the inhibition of microorganisms based on a limited set of diagnostic signs that are optimal from the point of view of the cost and informativeness of the checks. The developed algorithms were the basis of the module for the analysis of the information measured during operation in the dispatching control system of the biological wastewater treatment process and were also used at the stage of the design of the treatment system to implement the necessary nodes of the installation of control and measuring equipment, which ensured the controllability of the bioreactor during the synthesis of an automated information system. The developed algorithms for calculating unobservable parameters of BTS show their effectiveness. Due to the imperfection of the existing BTS models (forecasting, management, and operational control methods), many relevant parameters are not taken into account or are set arbitrarily. There are poorly developed, unsystematic, or completely absent mechanisms that make it possible to identify the relevant values of the coefficients in real-time, which reduces the performance of the corresponding systems. Thus, in the fourth chapter, the hardware and software implementation of the automated information system of biological water treatment was developed, which is the basis for calculating the concentration distribution due to changes in technical parameters related to the vital activity of biomass and the impact of malfunctions of technical subsystems of treatment plants on biochemical processes. The obtained results could predict and automate technological processes of wastewater treatment in more detail and comprehensively. A laboratory setup for the determination of iron-containing coagulant based on photocalorimetric analysis was developed, consisting of an opaque flow cuvette through which the tested liquid is passed at a constant speed, as well as an information processing and storage unit. The experimental laboratory setup is based on a hardware and software complex based on a Raspberry Pi 4 microcomputer and a connected TCS230 color sensor, which analyzes the color and intensity of light in real-time. With the help of a color sensor, color parameters are determined: R, G, B, which are translated into the HSL color space based on an artificial neural network, the results of the latter determine a useful element (Fe3+ ). The developed software for determining the concentration of iron in the coagulant using artificial intelligence is a web application for displaying the parameters of the color of the coagulant, the determined concentration of iron in the coagulant, as well as saving the history of all measurements in the database. The developed automated information system for determining the concentration of iron in an iron-containing coagulant based on spectrophotometric analysis made it possible to minimize human participation in the measurement process, and also ensured the continuity of the measurement of the concentration of the coagulant. The dissertation is a completed scientific study in which the important scientific and applied task of developing model-algorithmic support and hardware- software implementation of the biological wastewater treatment information system for making informed decisions on ensuring and maintaining the required quality of wastewater treatment is solved. The developed methods, techniques, algorithms and software complexes were used by professional organizations and implemented in production (Department of Ecology and Natural Resources of the Lviv Regional State Administration, the State Agency of Water Resources of Ukraine the Regional Office of Water Resources in the Rivne Region, LLC "E.TE. – Ecology Tech Energy”). The results of the dissertation made it possible to reduce the cost of water treatment, evaluate the effectiveness of innovations in water treatment facilities and sewage treatment facilities and their payback period, and prevent pollution of surface and underground waters by discharging of pollutants. The results obtained in the work were implemented in the educational process during the preparation of special courses "Numerical Methods", "Numerical Methods in electric power", and "Artificial Intelligence in Robotics" (Department of Automation, Electrical Engineering and Computer-Integrated Technologies of NUWEE) for students of the National University of Water and Environmental Engineering of the Ministry of Education and Culture of Ukraine.

Перегляд елементу

Завантажень