Е. Г. Тихомирова, А. Н. Андреев, Леметти И. В., Цибиногин А. А., Купсик К. А., Е. Г. Семин

 

ЭКОЛОГО-СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ПЕРЕРАБОТКИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ

 

 Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

 

Процесс обращения со строительными отходами необходимо рассматривать как сложную динамическую систему, состоящую из ряда подсистем, находящихся во взаимной связи друг с другом и представляющих единое целое, включающее сбор, сортировку, транспортировку и переработку отходов для получения рециклингового сырья (материала).

В связи с указанным сложность системы в ее многоаспект­ности и многовариантности решений, а динамический характер — в постоянном изменении временных ресурсных и пространственных параметров. Графическая схема приведена на рис. 1. При этом состояние каждой из подсистем может быть оценено как [1]

 

                                  (1)
где  – состояние j-ой подсистемы;

        – влияющий i-ый фактор j-ой подсистемы;

        – временной период i-го фактора

         i = 1, n;  j = 1, 2, 3, 4.

Кроме того, необходимо учитывать, что из перерабатываемых строительных отходов R (Т) часть их ∆R (Т) может быть направлена на захоронение, т.е.

                    ∆R (T) ≥ 0                                                                                (2)       

                                                         

                      Использование

                    вторичных ресурсов

                        R-∆R

 

Рис. 1  Принципиальная схема организации обращения строительных

 ресурсов [1]

Основные подсистемы: ор­ганизационно-техническая, сбора и сортировки строительных от­ходов, контейнеризации, пакетирования и транспортирования, переработки строительных отходов.

Организационно-техническая подсистема (О1), согласно [1], харак­теризуется разработанной единой номенклатурой отходов (), общими для всех участников расчетными процеду­рами (), едиными правилами взаимоотношений (), едиными унифицированными документами (), едиными стоимостными показателями за услуги и работы (), т. е.

                                                           (3)

Подсистема сбора и сортировки строительных отходов () ориентирована на разработку и унификацию организационно-технологических решений сбора строительных отходов (), их сортировку по номенклатуре (), создание складских площадей (), решение вопросов погрузочно-разгрузочных работ (), выполнение требований техники безопасности и охраны труда (), т. е.

             (4)                                             (4)
В подсистеме контейнеризации, пакетирования и транспорти­рования строительных отходов (Д3) предусмотрено решение задач по разработке типажа и унификации специализированных контейнеров (), решений по пакетированию () и саморазгру­жающимся платформам (), составлению схем доставки отходов (), технологических карт на транспортирование строительных отходов (), т. е.

                                                     (5)

В подсистему переработки строительных отходов (А4) входят следующие аспекты — выбор метода передела () и рациональной технологии (), комплектация технологического оборудования (), разра­ботка технологических регламентов (), развитие и поиск более совершенных технологических процессов (), т. е.

                                                (6)

Известно, что эволюция подсистемы (СО) (как гуманитарная система) определяется поведением действующих лиц во взаимодействии с условиями, накладываемыми внешней средой. Именно в рассматриваемом случае наблюдается уникальная специфика гуманитарных систем, основанная на свойствах индивида-человека (сюда можно отнести уровень компетентности, специфику знаний, предрасположенность к коррумпированию и т. д.). Различие между желательным и действительным поведением выступает как внешнее условие нового типа, определяющее контуры динамики наряду с внешней средой [2].

Главный вопрос: способна ли эволюция в целом привести к глобаль­ному оптимуму или каждая гуманитарная сис­тема представляет собой уникальную реализацию некоторого сложного стохастического процесса, для которого не представляется возможным установить правила заранее. Развитые Пригожиным И. в [2] представления свиде­тельствуют о том, что ответ на этот вопрос должен скорее склониться ко второй альтернативе. Рассмотрим, возможно ли при помощи математического моделирования подтвердить указанное предположение и в то же время более четко установить природу непредсказуемости гуманитарных систем.

Рис. 2  Петля обратной связи, характеризующая реализацию выбора или условий двух одновременно существующих возможностей α и β, степень привлекательности которых характеризуют числа  и . Размеры популяций, сделавших выбор α или β, обозначены и  соответственно [2]

Прежде всего следует оценить выигрыш, связанный с данным выбором. Можно предположить, что жела­тельность принятия конкретного i-го решения из К альтерна­тивных возможностей, приходящаяся на единицу времени, про­порциональна относительной привлекательности 1-го варианта. Однако по мере того как происходит принятие решения отно­сительно данного варианта, в общем случае выигрыш изменя­ется, так что на картине предпочтительных вариантов на уров­не популяции это отразится в виде увеличения или уменьшения привлекательности соответствующих выборов. Эта петля обратной связи показана на рис. 2 в частном случае двух выборов: α и β. Здесь  представляет собой привлекательность выбора α, а Ха — число людей, склонившихся к выбору α к настояще­му моменту времени. Ясно, что относительное число лиц, же­лающих поменять свой выбор на выбор β, пропорционально числу тех, кто уже сделал некоторый другой выбор типа α, и относительной привлекательности выбора β, определенной как . Аналогичным образом число лиц, желающих поменять выбор β на выбор α, пропорционально , умножен­ному на относительную привлекательность α, равную . Это приводит к системе уравнений для  балансного типа, очень похожих на экологические уравнения [2]

                        (7)

 

или, с учетом того, что , где N –полный размер популяции,

                                        (8)

 

 

Аналогичное уравнение можно выписать для . Сущест­вование различных вариантов выбора влияет на несущую спо­собность системы, которая становится функцией мгновенного состояния системы за счет зависимости привлекательностей от переменных X.

Изложенные соображения легко обобщить на случай про­извольного числа выборов К с учетом более реальной ситуа­ции, когда привлекательность i-го варианта зависит от номера j популяции, которая должна сделать выбор. Таким образом получается следующая система уравнений:

       (i = 1, …, K)                                         (9)

В данном случае предполагается, что популяция неоднород­на — она распадается на несколько различных субпопуляций Nj,  каждая из которых имеет свое представление об относи­тельной привлекательности данного выбора.

Поведение описываемой уравнениями (9) динамической системы решающим образом зависит от того, каков характер зависимости привлекательностей  и  от переменных ,характеризующих мгновенное состояние популяции. В свою очередь эта зависимость определяется тем, какая система рассматривается в данный момент.

Принимая пригожинскую модель для выбора оптимальной стратегии поведения системы в отношении выбора технологических приемов, нами предложена система нелинейных уравнений

              (i = 1,…, K),                   (10)

Где t – время,  – размер популяции, сделавшей выбор i-го варианта поведения,  – привлекательность i-го варианта для j-й популяции,  – субпопуляция, имеющая собственное представление об относительной привлекательности данного выбора,  –  весовой множитель, учитывающий проекцию i-го варианта, введенный нами в отличие от Пригожина для анализа эффектов, связанных с лоббированием в принятии решений. Отметим, что величина  сильно зависит от  и с увеличением размера популяции  резко падает.

Анализ данной системы нелинейных дифференциальных уравнений показывает возможность возникновения нескольких ветвей решений со сложным набором бифуркационных явлений. Особенно велика неустойчивость системы к флуктуациям в начальных условиях в случае малых значений , что связано с сильной нелинейностью зависимости  от  в этом случае, т. е. лоббирование решений наиболее вероятного на самой ранней стадии формирования популяции, принимающей i-ый вариант поведения. Управлять процессом лоббирования можно путем варьирования начальных значений  или уменьшением гуманитарного влияния на параметр . Первый вариант уменьшения протекционизма  в принятии решений можно условно назвать демократизацией решений, второй вариант предусматривает увеличение роли объективных факторов в выборе того или иного решения. Вместе с тем, как следует из анализа приведенной выше модели, даже в случае, когда  = const, система уравнений остается нелинейной и возможность существования нескольких ветвей решения сохраняется, хотя и исчезают эффекты лоббирования решений.

Повышение объективности решений связано, прежде всего, с формулированием объективных критериев выбора наилучшего предпочтения. Так как стабильное – стационарное – состояние открытой системы, обменивающейся со средой энергией, веществом, информацией и т. п., реализуется при условии минимума производства энтропии системой, то в качестве одного из возможных критериев выбора оптимальной системы переработки СО может стать критерий минимума производства энтропии в процессе переработки СО. Качественными общесистемными выводами при выборе данного критерия являются основные рекомендации, приведенные ниже.

Указанный подход нами использован при оценке выбора технологий переработки ТКО и описан в [3].

С учетом изложенного уравнение (6) будет выглядеть

                                       (11)

Система сбора, сортировки, транспортирования и переработки строительных отходов может быть описана следующим уравнением связи [1]:

                           (12)

 

Основные финансовые затраты на формирование системы будут включать – затраты на создание и функционирование каждой из подсистем – организационно-технической (), сбора и сортировки строительных отходов (), контейнеризации, пакетирования и транспортирования (), переработки строительных отходов (), т. е.

.

Экономический эффект образуется за счет [1]:

экономии сырьевых ресурсов в результате использования вторичного сырья ∆, уменьшения затрат на экологические мероприятия ввиду сокращения полигонов захоронения отходов ∆, высвобождения земель для промышленных и сельскохозяйственных нужд ∆.

Таким образом, экономический эффект ∆Э составит

.

 

       Литература

 

1. Олейник С. П. Единая система переработки строительных материалов. – М.: СвР-Аргус, 2006, 336 с.

2. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Введение: Пер. с англ. – М.: Мир, 1990. – 344 с.

3. Комплексная переработка твердых бытовых отходов – наиболее передовая технология: Сборник трудов / Под ред. акад. РАН Я. Б. Данилевича, проф. Е. Г. Семина. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2001. 219 с.