Интегрированная модель управления качеством водоотведения целлюлозно-бумажного комбината: цифровизация отчетности и предиктивная аналитика

Водоотведение на целлюлозно-бумажных комбинатах (ЦБК) представляет собой значимую технологическую задачу, поскольку ее решение детерминирует уровень экологической безопасности, степень рационального использования ресурсов и экономическую рентабельность производства [1]. В современных условиях, характеризующихся нарастанием антропогенной нагрузки, ужесточением законодательства и климатической нестабильностью, традиционные модели управления водохозяйственными системами ЦБК исчерпали свой адаптационный потенциал [2]. В связи с этим формируется методологическую потребность в построении для данной отрасли новой управленческой модели, основанной на принципах превентивности, интеллектуальности и системности, что является необходимым условием для достижения синергетического эффекта между экономической эффективностью и экологической устойчивостью.

Технологические процессы на ЦБК характеризуются образованием значительных объемов высококонцентрированных сточных вод, содержащих органические и минеральные вещества, щелочи, кислоты и другие трудноудаляемые загрязнения. Традиционные подходы к управлению, основанные на локальном контроле и обработке несистематизированных данных, оказываются неприменимыми в условиях высокой турбулентности технологического процесса и не способны обеспечить требуемую эффективность очистки. Таким образом, разработка и внедрение комплексной модели управления качеством работы системы водоотведения, основанной на интеграции автоматизированных и цифровых систем, является не просто инструментом оптимизации, а стратегической необходимостью для современной целлюлозно-бумажной промышленности.

Целью исследования является разработка модели управления качеством работы системы водоотведения на целлюлозно-бумажном комбинате в соответствии с действующими техническими регламентами и стандартами, основанная на комплексном подходе, который включает непрерывный мониторинг изменений законодательстве, технических регламентах, отраслевых и международных стандартах и формирование отчетной документации на основе анализа полученных данных с ис пользованием цифровых и автоматизированны х систем в режиме реального времени.

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ВОДООТВЕДЕНИЯ НА ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОМ КОМБИНАТЕ

На рис. 1 представлена модель управления качеством работы системы водоотведения на ЦБК в соответствии с действующими техническими регламентами и стандартами, основанная на комплексном подходе, который объединяет цифровые и автоматизированные системы управления.

1. Идентификация и оценка

(периодическая аудиты (проведение оценка соблюдения законодательных и других требований).

установленным нормативам (нормативы допустимых сбросов). ^Надежность и стабильность работы очистных сооружении (среднее время наработки до

ГОСТ РИСО 9001-2015 «Системы менеджмента качества. Требования».

ГОСТ РИСО 14001-2016 «Системы экологического менеджмента. Требования н руководство по применению»

оборудования очистных сооружений, количество аварийных остановок или сбоев в работе системы водоотведения). ^ Своевременность и точность предоставления информации н отчетной документации контролирующим органам (% результативности

4. Разработка программ для достижения целей природоохранной документации регулярных внутренних аудитов системы менеджмента качества и системы экологического менеджмента применительно к системе водоотведения). 4. Анализ несоответствий и рисков системы водоотведения.

2. Определение законодательных и других применимых требований

3. Постановка целей и задач в области управления качеством и

Система автоматизации процесса разработки

___________ С - Проверка __________

1. Мониторинг н измерение (регулярный сбор и анализ данных о качестве очистки сточных вод объемах сбросов, водо- и энергопотребление).

контролирующие органы в установленные сроки; количество ошибок в отчетности).

1. Управление технологическими процессами (оптимизация работы очистных сооружений, внедрение НДТ)

2. Автоматизированная система мониторинга (установка датчиков для непрерывного контроля основных показателей сточных вод и работы оборудования)

3. Лабораторный контроль.

4. Управление данными (создание единой базы данных для сбора, ранения и обработки информации о работе системы водоотведения).

5. Компетентность и обучение персонала.

б. Готовность к аварийным ситуациям (разработка и регулярное тестирование планов по предотвращению и ликвидации аварийных сбросов).

Анализ со стороны руководства и улучшение: - периодический анализ результативности модели со стороны высшего руководства, - принятие решений, направленных на постоянное улучшение процессов водоотведения и снижение воздействия на окружающую среду'.

Рис. 1. Модель управления качеством работы системы водоотведения на ЦБК

Этап планирования представляет собой фундаментальную стадию цикла PDCA, в рамках которой формируется системный подход к управлению качеством и экологической результативностью системы водоотведения ЦБК. В соответствии с требованиями стандартов ИСО 9001 и 14001 определены показатели качества работы системы водоотведения, ориентированных на оценку эффективности технологических процессов и удовлетворенность требований всех заинтересованных сторон, включая контролирующие органы [3,4].

Содержательное наполнение этапа включает проведение комплексного анализа технологических решений в области водоотведения, применяемых на ЦБК, с последующим их сопоставлением с установленными целевыми показателями качества сточных вод. На основе выявленных несоответствий разрабатываются корректирующие и предупреждающие стратегии, направленные на оптимизацию работы системы водоотведения и обеспечение полного соответствия актуальным техническим регламентам и стандартам.

Этап реализации заключается в практическом внедрении запланированных мероприятий и функционирование системы управления качеством водоотведения. В соответствии со стратегическими установками этапа планирования осуществляется создание комплекса цифровых и автоматизированных систем управления, обеспечивающих трансформацию теоретических положений в функционирующую систему. Эффективность этапа реализации оценивается через достижение целевых показателей качества работы системы водоотведения, установленных на этапе планирования.

Одним из основных методов контроля качества сточных вод является использование автоматизированной системы мониторинга с использованием онлайн-датчики. Датчики в реальном времени осуществляют измерения по показателям, таких как: pH, химическая потребность в кислороде (ХПК), биологическая потребность в кислороде (БПК), взвешенные вещества и содержание специфических загрязнителей, таких как лигнин и ароматические углеводороды (фенол, толуол и ксилолы). Полученные данные с датчиков непрерывно передаются в центральную систему управления, где в дальней- шем осуществляется регулярный мониторинг и оперативное реагирование на изменения [5].

Для дальнейшей автоматизации процессов необходимо внедрить систему управления насосами и задвижками, которая обеспечивает автоматическое регулирование потоков сточных вод в соответствии с текущей нагрузкой на очистные сооружения. Эффективное управление системой не только оптимизирует ее работу и предотвращает возможные перебои или простои, но также обеспечивает равномерное распределение нагрузки на очистные сооружения. Автоматическая система контроля также регулирует процесс очистки, включая подачу реагентов и аэрацию, что существенно повышает эффективность процесса и сокращает количество необходимых для достижения требуемых стандартов качества время и ресурсы [6].

Внедрение цифрового двойника системы водоотведения для контроля и управления качеством сточных вод на ЦБК, является инновационным подходом в модернизации и оптимизации процессов водоотведения и очистки сточных вод. Цифровой двойник представляет собой виртуальную модель физической системы, которая позволяет моделировать различные процессы водоотведения и очистки сточных вод. Моделирование на основе цифрового двойника, предполагает использование математических моделей, основанных на алгоритмах и аналитических методах, а так же используется 3D-модель системы, которые обрабатывают данные о реальных процессах, протекающих в системе водоотведения и очистки сточных вод.

Внедрение вышеизложенных автоматизированных систем может осуществляться как единовременно, так и поэтапно в зависимости от множества факторов, включая масштабы проекта, бюджет, технические возможности и потребности предприятия.

Если рассматривать единовременное внедрение систем, то данный процесс обеспечивает комплексный подход, который позволяет системам взаимодействовать друг с другом. Так, автоматизированная система мониторинга качества сточных вод передает данные в систему управления насосами и задвижками, что обеспечивает точное более эффективное управление потоками сточных вод в реальном времени. Цифровой двойник системы водоотведения в таком случае создается с учетом всех этих систем и процессов, что позволяет моделировать их взаимодействие и оптимизировать функционирование систем единовременно. Несмотря на уникальность данного подхода, он имеет значительный недостаток, который заключается во взаимодействии между различными компонентами системы, такими как сенсоры, насосы, процессы очистки и сам цифровой двойник, а так же данный процесс денежно затратный [7].

Постепенное внедрение автоматизированных систем позволит провести детальное тестирование каждой из них, обеспечивая их надежную работу перед переходом на следующий этап. В данном подходе команды могут сосредотачиваться на конкретных задачах и получать обратную связь от пользователей, повышая качество конечного продукта.

На рис. 2 представлен алгоритм машинного обучения, используемый для создания цифрового двойника в автоматизированной системе, основанный на методике разработки цифровой модели системы водоотведения целлюлозно-бумажного комбината (рис. 3) [8]. Процесс начинается с загрузки и обработки данных, далее модель обучается на них. После этого модель используют для прогнозирования качества воды на основе новых данных.

Таким образом, реализация данного этапа обеспечивает переход от дискретного контроля к непрерывному управлению качеством водоотведения на основе данных реального времени, формируя основу для последующего этапа проверки и корректирующих воздействий.

Этап проверки представляет собой оценочную фазу, обеспечивающую верификацию эффективности функционирования системы управления качеством водоотведения. На данном этапе в автоматизированном режиме осуществляется сбор и обработка данных для оценки степени достижения показателей качества, установленных на этапе планирования, а также для формирования отчетной природоохранной документации.

Процесс оценки осуществляется через следующие этапы:

Непрерывный мониторинг и измерительные процедуры. Система обеспечивает регулярный сбор параметров качества очищенных сточных вод (ХПК, БПК, взвешенные вещества), объемов сбросов и ресурсопотребления с использованием автоматизированных средств измерений. Полученные данные подвергаются статистическому анализу для выявления тенденций и отклонений, а также в режиме реального времени поступают в базу данных системы отчетности.

Оценка соответствия нормативным требованиям. Осуществляется периодическая верификация соблюдения законодательных норм и внутренних стандартов предприятия посредством сравнения фактических показателей с нормативными значениями. Результаты формализуются в виде протоколов соответствия, служат прямыми входными данными для автоматического формирования разделов отчетности, предоставляемой в контролирующие органы (например, формы 2-ТП). Система позволяет оперативно актуализировать перечень законодательных требований и автоматически сверять полученные показатели с нормативными значениями.

Рис. 2. Алгоритм машинного обучения для создания цифрового двойника системы водоотведения ЦБК

Качество модели

Обновление требуется?

Переобучение или добавление новых данных для обучения

Исторические данные о параметрах сточных год

Данные о режиме работы оборудования (насосы, реакторы, фштры)

Условия внешней среды (температура, осадки, сезонные изменения)

Выбор и разработка архитектуры искусственных нейронных сетей

Обучение модели

- Разделение данных на обучающую, вапидационную и тестовую выборки - Оптимизация весов сети с помощью алгоритмов

- Мониторинг показателей эффективности модели

Выбор алгоритмов обучения

Сбор и подготовка данных

Настройка параметров сети (число слоев, число нейронов в каждом слое,функции активации)

Валидация пройдена?

Реализация и интеграция цифровой модели в операционную среду

Тестирование и валидация модели

Нед,

Ввод в эксплуатации

Мониторинги обновление

Корректировка модели

Удо вл.

Переобучение или добавление новых данных для обучения

Переобучение/ новые данные

Рис. 3 . Методика разработки цифровой модели системы водоотведения ЦБП

Внутренние аудиты систем менеджмента. Проводятся плановые аудиты системы менеджмента качества и системы экологического менеджмента на соответствие требованиям ГОСТ Р ИСО 9001 и ГОСТ Р ИСО 14001. Аудит включает оценку документации, интервью с персоналом и анализ объективных свидетельств.

Анализ несоответствий и корректирующие действия. Выявленные отклонения регистрируются в системе управления несоответствиями. Для каждого случая проводится анализ первостепенных причин с последующей разработкой корректирующих и предупреждающих действий.

Заключительным этапом модели является корректировка стратегий, основанных на комплексном анализе и оценке. Данный процесс осуществляется до тех пор, пока система не будет функционировать в соответствии с заданными критериями, стандартами и требованиями управления качеством работы системы водоотведения на ЦБК.

СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ ОТЧЕТНОЙ ПРИРОДООХРАННОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ПРЕДПРИЯТИЯ

В связи с ужесточением экологического законодательства, выражающегося в расширении перечня обязательных форм отчетности и усилении административной ответственности, повышается трудоемкость и ресурсозатратность задач, связанных с обеспечением экологической безопасности промышленных предприятий. Традиционные методы, основанные на ручном сборе, обработке данных и заполнении отчетных форм, характеризуются высокой вероятностью возникновения ошибок, несоблюдением регламентированных сроков и, как следствие, риском к административным штрафам и другим негативным последствиям для предприятия [9].

Для существенного упрощения, ускорения и повышения точности подготовки обязательной природоохранной отчетности для контролирующих органов предложена система автоматизации процесса разработки отчетной природоохранной документации (рис.4) [10]. Предлагаемая система представляет собой многокомпонентное программно-аппаратное решение, интегрирующее разносторонние источники данных: показания автоматических средств измерения и контроля (датчиков, газоанализаторов), данные производственного экологического контроля (ПЭК), сведения из лабораторных информационных систем и нормативно-справочную информацию [11].

Рис. 4. Система интегрированного управления качеством очистки сточных вод с автоматизированным формированием отчетности

По данным Росприроднадзора за период 2019-2024 гг. была проведена количественная оценка влияния внедрения системы автоматизации на снижение количества ошибок и повышение уровня безошибочности отчетных документов. В таблице 1 представлены данные для анализа состояния отчетности до и после внедрения автоматизированной системы.

Повышение точности обеспечивается за счет интеграции системы автоматизации с источниками первичных данных. Результаты мониторинга и измерений в режиме реального времени передаются в систему автоматизации процесса разработки отчетной природоохранной документации, применение которой позволяет улучшить показатель качества, относящийся к точности предоставления информации и отчетной документации контролирующим органам, за счет минимизации количества ошибок, связанных с человеческим фактором.

Для оценки экономической эффективности внедрения системы автоматизации на основе данных таблицы 1 был выполнен расчет потенциальных финансовых потерь предприятия, связанных с ошибками в отчетности, по формуле:

PFL = E_cp • F_cp ,                                      (1)

где PFL – потенциальные финансовые потери (тыс. руб.);

E _ср – среднее количество существенных ошибок в отчетности (%.);

F _ср – средний размер штрафа за одну существенную ошибку (тыс. руб.).

Результаты расчетов представлены в таблице 2.

Таблица 1. Исходные данные для сравнительного анализа эффективности системы автоматизации

Аспекты, где ошибки особенно критичны	Наименование документации предприятия ЦБК	Количеств о отчетов в год	Вероятность допустить ошибку, влияющую на итоговую сумму и достоверность данных на один отчет, %		Средний размер финансовых потерь от одной существенной ошибки, тыс. руб.
			до	после
Правильность расчета платы на негативное воздействие на окружающую среду (HBOC)	Декларация по плате за HBOC	1	10	1	50
Корректность данных в отчете 2-ТП (водхоз)	Отчет 2-ТП (водхоз)	1	15	2	80

Таблица 2. Расчет потенциальных потерь из-за ошибок до и после внедрения системы автоматизации

Наименование документации ЦБК	Вероятность ошибки		Ожидаемое количество ошибочных деклараций в год		Потенциальные финансовые потери, тыс. руб.		Суммарные ожидаемые годовые финансовые потери, тыс. руб.
	до	после	до	после	до	после	до	после
Декларация по плате за HBOC	0,1	0,01	0,1	0,01	5,0	3,0	17,0	4,6
Отчет2-ТП (водход)	0,15	0,02	0,15	0,02	12,0	1,6

Анализ таблицы 2 показывает снижение суммарных потенциальных финансовых потерь на 73% – с 17,0 до 4,6 тыс. руб. в год. Данный результат подтверждает экономическую целесообразность внедрения системы автоматизации подготовки отчетной документации.

Для верификации эффективности системы проведена оценка уровня безошибочности отчетности, результаты представлены в таблице 3. На этапе, предшествующем внедрению автоматизации, анализ репрезентативной выборки объемом 2 отчета выявил математическое ожидание количества ошибок на уровне 0,253, что соответствует уровню безошибочности 87,5%. После внедрения системы анализ аналогичного объема отчетности показал снижение ожидаемого количества ошибок до 0,03 при уровне безошибочности 98,5%.

Таблица 3. Оценка повышения точности отчетной документации путем снижения количества и последствий ошибок

Снижение годовых финансовых потерь из-за ошибок	Снижение количества ожидаемых существенных ошибок в год		Количество предотвращенны х ошибок в год	Суммарные ожидаемые годовые финансовые потери, тыс. руб.		Уровень безошибочност и отчетов,%
	до	после		до	после	до	после
12,4	0,25	0,03	0,22	17,0	4,6	87,5	98,5

Полученные результаты показывают, что внедрение автоматизированных процессов обеспечило повышения уровня безошибочности отчетности на 11 %.

Таким образом, применение модели управления качеством работы системы водоотведения на ЦБК позволит обеспечить соответствие деятельности предприятия действующим нормативным требованиям и стандартам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования разработана модель управления качеством работы системы водоотведения на целлюлозно-бумажном комбинате в соответствии с действующими требованиями технических регламентов и международных стандартов ИСО 9001 и ИСО 14001, которая основана на интеграции автоматизированных и цифровых систем управления, применении непрерывного мониторинга в реальном времени, использовании цифрового двойника для моделирования процессов и переходе от дискретного к непрерывному управлению качеством водоотведения. Реализация модели осуществляет принцип замкнутого цикла управления на основе метода Деминга, что обеспечивает непрерывное совершенствование процессов водоотведения. Применение данной модели на ЦБК позволит минимизировать негативное воздействие на окружающую среду, оптимизировать использование водных ресурсов, повысить эффективность работы предприятия, обеспечить соответствие деятельности предприятия действующим нормативным требованиям и стандартам.

Внедрение системы интегрированного управления качеством очистки сточных вод с автоматизированным формированием отчетности представляет собой стратегическую цель современных целлюлозно-бумажных производств в условиях ужесточения экологического законодательства и перехода к принципам наилучших доступных технологий [12].

Практическая значимость исследования подтверждена результатами апробации, показавшими следующие результаты:

• –    снижение суммарных потенциальных финансовых потерь на 73%;

• –    сокращение количества ожидаемых существенных ошибок с 0,25 до 0,03 на два отчетных документа;

• –    повышение уровня безошибочности отчетности до 98,5%;

• –    обеспечение перехода от дискретного к непрерывному контролю качества сточных вод.

Таким образом, предложенные разработки являются актуальными и значимыми для устойчивого развития целлюлозно-бумажной промышленности.