Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Сухов Андрей Александрович

Проблемно-ориентированная система обработки информации о состоянии приповерхностных хранилищ отходов

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный университет приборостроения и информатики

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Михайлов Борис Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Никольский Сергей Николаевич ФГБОУ ВПО МИЭМ, кандидат технических наук, доцент, Ковтушенко Александр Петрович МГТУ им. Н. Э. Баумана

Ведущая организация: Санкт-Петербургский институт инфор матики и автоматизации РАН

Защита состоится 25 апреля 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.02 при ФГБОУ ВПО Московский государственный универ ситет приборостроения и информатики, по адресу: 107996, г. Москва, ул.

Стромынка, д.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Москов ский государственный университет приборостроения и информатики

Автореферат разослан 24 апреля 2012 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печа тью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя учёного секретаря диссертационного совета Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент Зеленко Г. В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы Надежное хранение радиоактивных отходов (РАО), в т. ч. при включении их в цементную матрицу (ЦМ), является важ ной оставляющей экологической безопасности. Наиболее распространенный способ иммобилизации РАО низкой и средней активности в России и за ру бежом является цементирование. Подавляющее большинство приповерхност ных (глубиной до 8м) хранилищ 60-90-х годов консервации представляют собой бетонные заглубленные резервуары с зацементированным монолитом РАО. Эксплуатационный срок таких хранилищ составляет 300 лет, однако в процессе хранения на цементный компаунд воздействует агрессивные фак торы окружающей среды. Проведенные модельные испытания показали на личие микробиологического разрушения цементной матрицы после 8-10 лет хранения, анализ реальных образцов керна бурения хранилищ в возрасте более 40 лет хранения подтвердил наличие биодеструкции. В свете распоря жения правительства Российской Федерации от 25 августа 2008 г. N 1243-р и прилагаемого перечня технологий, имеющих важное социально-экономиче ское значение или важное значение для обороны страны и безопасности госу дарства (критические технологии); технологии атомной энергетики, ядерно го топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом, задача создания проблемно-ориентирован ной системы обработки информации о микробиологическом факторе деструк ции (МБФД) и состоянии приповерхностных хранилищ (ПХ) радиоактивных отходов является актуальной.

Объект исследования: состояние структуры цементной матрицы, им мобилизирующей радиоактивные отходы.

Предмет исследования: информационная структура системы мони торинга состояния приповерхностного хранилища радиоактивных отходов.

Целью исследования является совершенствование системного, про блемно-ориентированного анализа и структуризация информации о микро биологическом факторе деструкции приповерхностных хранилищ радиоак тивных отходов, разработка методов анализа данных. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. проведен системный, проблемно-ориентированный и структурный ана лиз информации микробиологического фактора деструкции приповерх ностных хранилищ радиоактивных отходов;

2. предложен метод анализа графических данных состояния структур це ментной матрицы с радиоактивными отходами;

3. предложен метод анализа графических данных микроструктуры цемент ной матрицы с радиоактивными отходами.

Научная новизна. В работе были получены следующие научные ре зультаты:

1. разработана структура проблемно-ориентированной системы анализа информации о микробиологическом факторе деструкции приповерхност ных хранилищ радиоактивных отходов;

2. разработан программно-математический метод анализа состояния струк тур цементной матрицы, иммобилизирующей РАО, полученной с помо щью цифровой фотографии;

3. разработан программно-математические метод анализа микрострукту ры цементной матрицы иммобилизирующей РАО полученной с помо щью сканирующей электронной микроскопии.

Практическая значимость результатов исследования и их внед рение в практику:

1. проблемно-ориентированная система обработки информации о состоя нии приповерхностных хранилищ РАО внедренная в ГУП МосНПО Ра дон в составе системы поддержки принятия решений по технологии цементирования РАО;

2. получены свидетельства Федеральной службы по интеллектуальной соб ственности, патентам и товарным знакам о государственной регистра ции:

- Программы для ЭВМ Проблемно-ориентированная система обра ботки информации о состоянии приповерхностных хранилищ ра диоактивных отходов № 201261239 от 14 марта 2012 г, приоритет от 19 января 2012 г.

- Программы для ЭВМ Программа адаптивной оценки информа ционных программных систем на базе интеллектуального анализа данных № 2009616103, 5 ноября 2009 г, приоритет от 8 сентября 2009 г.

- Базы данных Защита цементированных компаундов с РАО от микробиологической деструкции № 2012620285 от 14 марта 2012 г, приоритет от 19 января 2012 г.

Методы исследований. При разработке теоретических положений дис сертационной работы использованы методы системного подхода структуриза ции информации, методы объектно-ориентированного программирования.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и получи ли одобрение на IV Российской молодежной Школе по радиохимии и ядерным технологиям (Озерск, ФГУП УПО УМаякФ, 2010); XI, XII Всероссийской конфе ренции молодых ученых по математическому моделированию и информаци онным технологиям (Красноярск, 2010, Новосибирск, 2011); Международном молодежном научном форуме Ядерное будущее (Голицыно, 2011), Моло дежной конференции с элементами научной школы Современные проблемы радиохимии и радиоэкологии (к 25-летию аварии на ЧАЭС) (Москва, ГЕО ХИ РАН, 2011); 10th International Symposium KONTEC, 2011 Conditioning of Radioactive Operational & Decommissioning Wastes (April 06 - 08, 2011, Dresden, Germany); Четвертой конференции молодых ученых и специали стов РАДУГА-2010, РАДУГА-2011 Обращение с РАО. Проблемы и решения (Сергиев Посад, ГУП МосНПО Радон, 2010, 2011г.); XI Всероссийской вы ставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2011 (Москва, ВВЦ, 2011).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных ра ботах, из них 1 статей в рецензируемых журналах, 1 иностранная публика ция.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, 1 приложения, изложена на 117 машинописных страницах, включая 10 рисунков, 4 таблицы, список литературы из наименований.

Содержание работы В введении диссертационной работы обоснована ее актуальность, сфор мулирована цель, научная новизна исследований, показана практическая зна чимость полученных результатов.

В первой главе проведен анализ предметной области микробиологиче ского фактора деструкции (МБФД) ПХ РАО. Оценка состояния структуры ЦМ, иммобилизирующей РАО, проводится на основе анализа поверхности це ментных образцов-балочек, хранящихся в извлекаемых формах в ПХ, путем экспертного визуального анализа. Данный вид оценки обладает погрешно стью (до единиц процентов) и не позволяет накапливать данные о незначи тельных изменениях структуры ЦМ. Оценка микроструктуры ЦМ, иммоби лизирующей РАО, проводится на основе анализа внутренних сколов цемент ных образцов-балочек с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), путем экспертного визуального анализа кристаллов гидратирован ных минералов цемента. В виду сложного физико-химического состава ЦМ, оценка состояния ее микроструктуры не позволяет по графическим данным СЭМ получить количественную оценку изменения или деструкции кристал лов. Данные недостатки снижают эффективность анализа структуры ЦМ.

Для совершенствования системного, проблемно-ориентированного анализа и структуризации информации о МБФД ПХ РАО поставлена задача разработ ки новых методов анализа данных.

Во второй главе представлена проблемно-ориентированная система ана лиза МБФД ПХ РАО. Разработкой структур информационных систем эко логического мониторинга занимались такие ученые как Колыбанов К. Ю., Ладин Е. Г., Кантора Г. Я., Легович Ю. С., Рождественский Д. Б. и др.

Данные работы позволяют уточнить положение проблемно-ориентированной системы обработки информации о состоянии ПХ РАО в общей информаци онной системе предприятия. Приведенная общая информационная система предприятия обладает возможностью структурного и функционального раз вития. Информация о МБФД ПХ РАО не представлена в достаточной степе ни. В книге Microbial degradation processes in radioactive waste repository and in nuclear fuel storage areas под ред. J. H. Wolfram, R. D. Rogers and L. G.

Gazso рассмотрены аналитические вопросы МБФД зацементированных отхо дов, модели переноса вещества в и из ПХ, определены субстраты, микро организмы, способные развиваться в агрессивных условиях ПХ(повышенный уровень pH, наличие радиационного фона); указано на то, что величина нали чия МБФД ПХ РАО носит вероятностный характер, требующий уточнения в каждом конкретном случае. Испытания, проведенные в лабораторных усло виях, являются теоретической основой эксперимента. Работы Ходжер Т. А., Соколова В. Н., Румянцевой Н. А., Осипова В. И могут быть применены толь ко при наличии, как минимум, двух микрофотографий одного объекта, полу ченных по определенной методике. Однако, как правило, экспериментальные графические данные уникальны, получены в единственном экземпляре.

Приведен анализ данных о деструкции поверхности структур ЦМ, опи сан принцип формирования графических данных на стенде автоматизиро ванной съемки модельных образцов-балочек. Критериям оптимальности при получении фотографии являлись: цветовая контрастность анализируемого образца к фону, наличие и характеристики общего, отраженного освещения и источников направленного света, угол между оптической осью фотоаппара та и воображаемой центральной осью образца. Для получения цветовой кон трастности образец помещался на белую непрозрачную ткань. Общий свет кадра формируются источниками дневного света. Направленный источник света представлял собой лампу накаливания мощностью 40W. Направление света всегда выбрано в центр предметного стола. Оптимальный диапазон зна чений углов съемки от -60 до 60 по горизонтали. Угол между направлен ным источником света и оптической осью объектива от 20до 40 по горизон тали, и от 0до 30 по вертикали.

Для оценки деструкции микроструктуры ЦМ сформирован массив дан ных (от 93 до 109) не разрушенных кристаллических структур цементных об разцов, для различных степеней увеличения от x1400 до x6400 с шагом x500.

Данные накапливались при анализе 47 образцов на СЭМ JEOL JSM-6510LV в различные сроки (от 2 до 8 лет) натурных испытаний и хранения в лабора торных условиях.

Рис. 1. Структура проблемно-ориентированной системы (выделено утолщенной линией) в составе общей структуры информационного сопровождения (тонкая непрерывная линия) технологического движения РАО(выделено пунктирной линией) Применение различных подходов к анализу поверхностей и внутренней микроструктуры ЦМ обусловливает методологическое разделение процессов анализа и формирование двух информационных потоков [рис 1].

В третей главе приведены разработанные методы обработки графиче ской информации оценки структуры ЦМ.

Метод анализа состояния структуры цементной матрицы Шаг 1. Из анализа [рис2,а] исключаются области, не содержащие изображе ния образца Sbg(белый фон, до 17% отличия от белого).

Шаг 2. Площадь деструкции поверхности образцов-балочек (Sds) определя a) б) в) Рис. 2. Анализ фотографии поверхности образца: а - исходный кадр; б - области деструк ции; в - области образца без фона и области деструкции ется как область с значениями более 78% черного [рис2,б].

Шаг 3. Площадь образца (Ssp) определяется разницей площадей кадра (Scn) и фона (Sbg).

Ssp = Ssn - Sbg (1) Шаг 4. Деструкция образца-балочки определяется как соотношение площа дей разрушений к площади поверхности образца [рис. 2,в].

Sds 100%. (2) Scn Метод анализа микроструктуры цементной матрицы основан на сравнении полученного кадра СЭМ fcr с усредненными значения ми сопоставимых кадров из базы образцов fb.

Шаг 1. Изменение микроструктуры ЦМ выражены изменением интенсивно сти отражения электронов от поверхности кристаллов ЦМ.

Шаг 2. Для поиска изменений микроструктуры ЦМ fds возьмем производ ную по направлению сонаправленному единичному вектору оси координат d x.

fcr fds = (3) x a) б) в) г) д) е) Рис. 3. Анализ микрофотографии СЭМ: а - исходный кадр; г - сопоставимый кадр из базы целых кристаллов; б, д - гистограммы частных производных; в, е - усредненные гистограммы частных производных Шаг 3. Построим гистограмму fds полученных значений частной производ ной fds. По оси абсцисс отложим величину модуля частной производной |fds|, а по оси ординат суммарное количество данной величины. Для получения единой шкалы ординат разделим полученные суммарные количества на об щее количество величин [рис. 3,б,д].

Шаг 4. Для равной оценки вкладов малых и больших разрушений проведем умножение полученных значений fh на нормирующую функцию fnr.

fhm = fh fnr(x), где (4) fhm - нормированная гистограмма.

Шаг 5. Деструкция кристалла выражается процентным соотношением сумм гистограммы анализа кадра без повреждений (fhmb) и гистограммы анализа исходного кадра (fhmcr):

fhmb 100% (5) 1 - fhmcr Четвертая глава включает в себя описание компонентов комплекса программных средств, разработанных в рамках настоящей работы для реали зации предложенной проблемно-ориентированной системы и методов анализа структуры иммобилизирующей ЦМ ПХ РАО.

В Заключении сделаны выводы о проделанной работе:

1. Проведено совершенствование системного, проблемно-ориентированно го анализа и структуризация информации о микробиологическом фак торе деструкции приповерхностных хранилищ радиоактивных отходов, разработаны методы анализа данных.

2. Разработана структура проблемно-ориентированной системы анализа информации о микробиологическом факторе деструкции приповерхност ных хранилищ радиоактивных отходов.

3. Предложен метод анализа графических данных структур цементной матрицы с радиоактивными отходами.

4. Предложен метод анализа графических данных микроструктуры це ментной матрицы с радиоактивными отходами.

5. Разработана проблемно-ориентированная система обработки информа ции о состоянии приповерхностных хранилищ РАО, внедренная в ГУП МосНПО Радон в составе системы поддержки принятия решений по технологии цементирования РАО.

6. получены свидетельства Федеральной службы по интеллектуальной соб ственности, патентам и товарным знакам о государственной регистра ции:

Основное содержание диссертации изложено в опубликованных работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК 1. Горбунова О.А., Сухов А.А. Программно-математическая обработка гра фических экспериментальных данных микробиодеструкции цементной матрицы в приповерхностных хранилищах радиоактивных отходов //Эко логические системы и приборы. 2011.№ 12. -С.30-40.

Публикации в других изданиях 2. Olga A. Gorbunova, Andrey A. Sukhov, Alexandеr S. Barinov Biocorrosion of Cemented Radioactive Waste // 10th International Symposium ДConditioning of Radioactive Operational & Decommissioning WastesФ KONTECТ 2011, April 06 - April 08, 2011, Dresden, Germany. - PP. 634-638.

3. Сухов А. А., Горбунова О. А., Винокуров С. Е. Инициализация пере менных для прогнозирования микробиологической коррозии цементной матрицы в приповерхностных хранилищах РАО // Тезисы докладов 4-ой Росс. молодежной Школы по радиохимии и ядерным технология м, г. Озерск Челяб. обл., 6-10 сентября 2010 г.- Озерск: ФГУП УПО УМа якФ, 2010.-C.50-51.

4. Сухов Анд. А., Сухов Ант. А., Горбунова О. А. Анализ алгоритмов оценки повреждений кристаллов цементной матрицы при длительном х ранении радиоактивных отходов // Сб.тез. докладов X I Всеросс.

конф.молодых ученых по математическому моделированию и информа ционным технология м, Красноярск, 26-29 октября 2010 г.- Красноярск:

Ин-т выч.технологий СО РАН, 2010.- С.39-40.

5. Сухов А.А. Разработка методов математического анализа СЭМ -изоб ражений биодеструкции цементных компаундов с радиоактивными от ходами / Сухов А. А., Горбунова О. А., Винокуров С.Е. // Современ ные проблемы радиохимии и радиоэкологии: Матер. молодежн. конф.

с элементами научной школы (к 25-летию аварии на ЧАЭС), Москва, ГЕОХИ РАН, 7-8 июня 2011.- Сергиев Посад: ООО ФВДВ ФПАКФ, 2011.C. 59.

6. Сухов А. А., Горбунова О. А. Расчет снижения иммобилизационных свойств цементной матрицы за счет биодеструкции приповерхностных хранилищ отвержденных РАО // Ядерное будущее: Сб. тезисов докл.

Межд. молодежного научного форума, г. Голицыно Моск. обл., 25-апреля 2011 г.- М.:Изд. МИФИ- C.25-26.

7. Сухов А. А., Горбунова О. А. Разработка методов и расчет масштабов микробиологической деструкции приповерхностных хранилищ радиоак тивных отходов // Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях : Сб. докл. 3-ей М ежд. научно-практ.

конф. в рамках 10ой Всеросс. выставки научно-технического творч. мо лодежи НТТМ-2011, Москва, ВВЦ, 28 июня-1 июля 20 11 г.- М.: МГСУ, 2011.-С.506-508.

8. Сухов А. А., Горбунова О. А. Оптимальные параметры получения пер вичной графической информации микро-биодеструкции кондициониро ванных радиоактивных отходов // Сб.тез. докладов XII Всеросс. конф.

молодых ученых по математическому моделированию и информацион ным технологиям, Новосибирск, 3-6 октября 2011 г.- Новосибирск: Ин-т выч.технологий СО РАН, 2011.c.48-49.

9. Сухов А. А., Горбунова О. А. Разработка методов и расчет масштабов микробиологической деструкции приповерхностных хранилищ радиоак тивных отходов // РАДУГА-2011. Обращение с РАО. Проблемы и ре шения : Сб.тез. докладов V I Конф. молодых ученых и специалистов, Сергиев Посад, ГУП МосНПО ФРадонФ, 5-7 октября 2011 г.

Авторские свидетельства:

10. Свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственно сти, патентам и товарным знакам о государственной регистрации про граммы для ЭВМ Проблемно-ориентированная система обработки ин формации о состоянии приповерхностных хранилищ радиоактивных от ходов № 201261239 от 14 марта 2012 г, приоритет от 19 января 2012 г.

11. Свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственно сти, патентам и товарным знакам о государственной регистрации про граммы для ЭВМ Программа адаптивной оценки информационных программных систем на базе интеллектуального анализа данных № 2009616103, 5 ноября 2009 г, приоритет от 8 сентября 2009 г.

12. Свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственно сти, патентам и товарным знакам о государственной регистрации базы данных Защита цементированных компаундов с РАО от микробиоло гической деструкции № 2012620285 от 14 марта 2012 г, приоритет от 19 января 2012 г.

Благодарности Автор приносит благодарность за научные консультации и ценные сове ты по оформлению работы к.т.н. доценту Горбуновой О. А. (ГУП МосНПО УРадонФ) Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

Blog

Проблемно-ориентированная система обработки информации о состоянии приповерхностных хранилищ отходов