Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы создания системы управления загрязнением атмосферы города выбросами автомобильного транспорта 19
1.1. Уточнение цели создания системы 19
1.1.1. Общие замечания 19
1.1.2. Цели создания и основные компоненты ИВС ЭкоГород 19
1.1.3. Этапы создания ИВС ЭкоГород 22
1.1.4. Место системы АэроВАТ в ИВС ЭкоГород 23
1.1.5. Методы математического моделирования, используемые при оценке загрязнения атмосферы выбросами автомобильного транспорта 24
1.2. Определение фрагментов предметной области 32
1.3. Потоки данных в системе 42
1.3.1.Общие замечания 42
1,3.2.Внешние потоки данных 42
1.3.3.Внутренние потоки данных 48
1.4. Модель информационных потребностей задачи в терминах «сущность-связь» 48
1.5. Модель функциональных требований к системе 51
1.6. Системная архитектура системы АэроВАТ 55
1.7. Установление приоритетов задач 58
1.8. Основные результаты 60
2. Модели транспортных потоков 63
2.1. Предварительные замечания 63
2.2. Экспериментальные исследования транспортных потоков 66
2.3. Анализ экспериментальных данных 69
2.4. Формализованное описание транспортного потока на уровне средних значений 75
2.5. Формализованное описание транспортного потока на уровне вероятностных распределений 77
2.5.1 .Возможные способы конкретизации распределений вероятностей 77
2,5.2.Конкретизация вероятностей 79
2.5.3.Методика оценки параметров Марковской модели транспортных потоков 82
2.6. Основные результаты 87
3. Моделирование загрязнённости атмосферного воздуха выбросами автотранспорта, алгоритмы классификации и принятия управленческих решений 89
3.1. Предварительные замечания 89
3.2. Аналитико-алгоритмическая модель рассеяния загрязняющих веществ 90
3.3. Методика решения задачи классификации улиц города по их техническим параметрам 94
3.3.1.Формальное представление улиц как объектов классификации 94
3.3.2.Кратчайшее связывающее дерево 94
3.3.3.Алгоритм классификации объектов по расстоянию между ними 96
3.3.4.0боснование алгоритма классификации объектов 97
3.4. Методика выбора предпочтительных решений по охране окружающей среды 97
3.4.1.Необходимость разработки альтернативных методов принятия решений в природоохранной деятельности 97
3.4.2.Выбор предпочтительных решений на основе абсолютных экспертных оценок
качества проектов 99
ЗАЗ.Выбор предпочтительных решений по турнирной схеме 100
3.4.4.Выбор предпочтительных решений на основе уточнённой матрицы парного
сравнения 102
3.5. Основные результаты 105
4. Экспериментальное исследование реальной загрязнённости атмосферного воздуха г. рязани выбросами автомобильного транспорта 107
4.1. Планирование эксперимента 107
4.2. Методы и модели, используемые для экспериментальной оценки загрязнённости атмосферного воздуха выбросами автомобильного транспорта 108
4.2.1.Нормы точности измерений 111
4.2.2,Отбор проб 111
4.2.3.Выполнение измерений 112
4.2.4.Условияхроматографичсского анализа 112
4.2.5.Вычисление результата измерений 113
4.3. Экспериментальное исследование загрязнённости атмосферного воздуха выбросами автомобильного транспорта 113
4.4. Расчёт погрешности измерений 121
4.5. Прогноз уровня атмосферного загрязнения по основным автомагистралям города 123
4.6. Использование альтернативных моторных топлив на автотранспорте 126
4.7. Проведение контроля за выбросом загрязняющих веществ автотранспортными средствами на территории г. Рязани 128
4.8. Влияние загрязнения атмосферного воздуха на состояние здоровья населения 132
4.8.1 .Влияние окиси углерода 132
4.8.2.Влияние окислов азота 135
4.8.3.Влияние углеводородов 136
4.8.4.Влияние свинца 137
4.9. Основные результаты 139
Заключение 141
Библиографический список
- Методы математического моделирования, используемые при оценке загрязнения атмосферы выбросами автомобильного транспорта
- Формализованное описание транспортного потока на уровне средних значений
- Методика решения задачи классификации улиц города по их техническим параметрам
- Экспериментальное исследование загрязнённости атмосферного воздуха выбросами автомобильного транспорта
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время одним из мощных источников загрязнения городской воздушной среды является автомобильный транспорт, увеличение численности которого привело к резкому ухудшению санитарных условий проживания в крупных городах России. Автотранспорт загрязняет воздушную среду токсичными компонентами отработавших газов, парами топлива, продуктами износа шин, тормозных накладок, создает шум и вибрацию. Выбросы от автотранспортных средств отрицательно воздействуют на физиологическое состояние человека и животных, загрязняют воды, разрушают почвы, растительный покров, строительные материалы, архитектурные и скульптурные памятники, вызывают коррозию металлов и т.д. Необходимо учитывать и актуальность шумового фактора. Уровни шума, вблизи домов, обращенных к крупным городским магистралям, составляют 70-79 дБ, внутри зданий уровни шума составляет 60-68 дБ, при норме 40 дБ. Причем зоны акустического дискомфорта в зонах малоэтажной городской застройки распространяются на расстояние 150-300 метров от крупных автомагистралей. Существующие же зеленые насаждения не могут служить надежным шу-мозащитным барьером, так как одно - и двухрядные посадки кустарника и деревьев являются акустически прозрачными. К тому же шумозащит-ный эффект создает крона зеленых насаждений, которая в силу климатических особенностей г. Рязани отсутствует около полугода. В этих условиях экологические исследования в данной области являются кардинальной задачей современности, немаловажную роль в решении которой играет разработка мероприятий, направленных на снижение вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду.
К особенностям автомобильного транспорта, влияющим на ухудшения санитарных условий проживания в г. Рязани, относятся следующие:
1) высокие темпы роста численности автомобилей (численность ав-
5
томобилей в г. Рязани за последние 10 лет возросла в 4,5 раза и продол
жает расти) по сравнению с ростом количества стационарных источников
выбросов загрязняющих веществ, особенно следует отметить резкий рост
^ индивидуального автотранспорта, в основном, за счет ввоза подержанных
автомобилей из-за границы. Так, в Рязани ежегодно количество автотранспорта увеличивается в среднем на 7-13%;
2) пространственная рассредоточенность (автомобили распределя
ются по территории, занимают до 50% площадей города и создают общий
повышенный фон загрязнения);
3) непосредственная близость к жилым районам (автомобили за-
полняют все местные проезды, дворы жилой застройки, детские площад
ки, газоны);
более высокая токсичность выбросов автотранспорта по сравнению с выбросами стационарных источников;
сложности технической реализации на автомобилях средств защиты от загрязнения окружающей среды;
>ф 6) низкое расположение источника загрязнения от земной поверх-
ности и малой высотой выброса, составляющей в среднем 0,5-0,7 м от поверхности земли, в результате чего отработавшие газы автомобилей скапливаются в зоне дыхания людей и слабее рассеиваются ветром по сравнению с промышленными выбросами, которые, как правило, имеют дымовые и вентиляционные трубы значительной высоты;
If 7) значительные акустические параметры воздействия на прожи-
вающее население;
8) загрязнение городских почв продуктами эксплуатации автотранспорта.
Перечисленные особенности автотранспорта влияют на создание в городе обширных зон с устойчивым превышением санитарно-гигиенических нормативов загрязнения воздуха. В отдельных зонах концентрация диоксида азота на магистралях превышает предельно-
допустимые концентрации (ПДК) в 2-10 раз, взвешенных веществ - в 12 раз. Свинец, бенз(а)пирен относятся к канцерогенным веществам первого класса опасности (50% дневного поступления свинца происходит через органы дыхания).
В отличие от большинства развитых стран в России в настоящее время только начинают закладываться основы государственной системы управления природопользованием и природоохранной деятельностью.
Так, для России только обсуждается вопрос о введении прямого применения действующих экологических правил ЕЭК ООН. При этом до 40% автомобилей, сходящих у нас с конвейера, не соответствуют даже действующим в стране нормам токсичности. Автозаводы не дают гарантий на стабильность экологических характеристик автомобилей при эксплуатации. В этих условиях система технического обслуживания и ремонта автомобильной техники, организация движения и перевозок, введение природоохранных технологических и технических решений должны сыграть значительную роль в деле обеспечения экологической безопасности автотранспорта.
Можно выделить три уровня воздействия автотранспорта на окружающую среду и население:
региональный уровень - влияние автотранспортных потоков на уровне регионов, областей и агломераций;
территориальный уровень - негативное влияние от загрязнения, формируемого автотранспортом, в конкретном городе или населенном пункте;
локальный уровень - непосредственное влияние автотранспортных потоков в зоне проживания населения. Этот уровень включает в себя как улицы, проходящие вдоль жилых зданий, так и внутриквартальные проезды, и дворовые территории.
Для снижения негативного влияния автотранспорта необходима разработка мероприятий на всех рассматриваемых уровнях воздействия.
7 На региональном уровне необходимо принятие федеральных законов и нормативов по снижению токсичности выхлопных газов. Так, можно отметить положительный зарубежный опыт по введению норм токсичности Euro 1-5, обязательной установки катализаторов на производящиеся автомобили и пр.
На территориальном уровне можно проводить регулирование при помощи принятия местных нормативных актов, не противоречащих федеральному законодательству, планирования и организации транспортных потоков. Это реализуется устройством объездных магистралей вокруг городов, выведением транзитного транспорта за пределы населен-
Vі ных пунктов, ограничением проезда в центр городов.
На локальном уровне необходимы организация местных проездов, мест парковки и хранения автотранспорта, также изучение заболеваемости, ассоциированной с воздействием от автотранспорта, проведение расчетов рисков возникновения болезней с прогнозом роста заболеваемости. А на основании полученных данных - разработка и проведение профи-
$ лактических мероприятий на уровне местного самоуправления. Надо осо-
бо отметить, что локальный уровень наиболее значим, т. к. вредные выбросы автотранспортных средств концентрируются в приземном слое атмосферы (до 2 м), в зоне наиболее плотного демографического обитания, и представляют особую опасность для здоровья людей. Население проводит большую часть времени (от 50-60 % времени для работающего и до
'& 80-90 % для неработающего (дети, пенсионеры) населения) под воздейст-
вием негативных факторов, образующихся от автотранспортных потоков. За последние годы в городе не наблюдается устойчивой тенденции к снижению уровня загрязнения воздуха. Основной вклад в эти уровни вносят, прежде всего, автотранспортный комплекс. Неудовлетворительное качество атмосферного воздуха является одной из причин повышенной заболеваемости жителей Рязани по сравнению со средним по стране уровнем. В частности, это относится к онкологическим заболеваниям
[119].
При имеющейся тенденции к увеличению количества автотранспорта на дорогах Рязани, к 2020 г. следует ожидать роста заболеваемости населения, проживающего в зонах влияния автотранспорта, в 1,7 и более раза. О динамике выбросов и массе выбросов ЗВ в городе можно судить на основании рис.1 и рис.2.
I выбросы ЗВ, тыс. т/год
1999 год 2000 год 2001 год 2002 год 2003 год
Рис.1. Динамика выбросов от автомобильного транспорта в городе Рязани
Газообразные ЗВ, тыс. т/год
....
—>
70000-,^.
сернистый оксид углерода азота диоксид сероуглерод ангидрид
Рис.2. Масса выбросов основных газообразных ЗВ в городе Рязани за 2003 год
Уже в настоящий момент среди детского населения, проживающего вблизи автомагистралей, а также в зонах автотранспорта, отмечается достоверное увеличение заболеваемости (Р<0,05) болезней органов дыхания, мочеполовой системы, кожи и подкожной клетчатки. У детей этих районов отмечаются более низкие показатели физического развития: за
счет увеличения численности детей с дисгармоничным развитием и развитием по микросоматическому типу.
Под сильным комбинированным воздействием широкого спектра вредных факторов, вызывающих синергетический эффект с негативными последствиями для здоровья, значительную часть времени находятся не только жители прилегающих к автодорогам но и водители, а также пассажиры [71]. Как свидетельствует статистика, на международных автомобильных трассах, несмотря на выполнение всех условий безопасности проезда, наблюдается особенно высокое число дорожно-транспортных происшествий (ДТП) по невыясненным причинам. Суммарный показатель гибели людей в ДТП на 85% на магистралях указанного типа связан с непредсказуемыми явлениями. Это позволяет предположить существование на дороге действующей чрезвычайной ситуации, вызванной высоким уровнем загрязнения воздуха и образованием аномально-токсичных зон. Их влияние на человека, находящегося в напряжении за рулем, является явно негативным и может привести к неадекватной реакции на обстановку, складывающуюся в процессе дорожного движения.
В целях поэтапного снижения негативного воздействия автотранспорта на экологическую ситуацию необходимо проведение следующих первоочередных мероприятий, а именно:
разработка проектов нормативно-правовых актов города, направленных на снижение влияния автотранспорта на окружающую среду;
организация системы контроля качества и сертификации реализуемого в городе моторного топлива;
переоборудование автомобилей для работы на сжиженном нефтяном газе;
внедрение нейтрализаторов отработавших газов на городских автобусах и муниципальном автотранспорте;
строительство и реконструкция транспортных пересечений и подземных пешеходных переходов;
организация производства по переработке изношенных автопокрышек;
реконструкция и строительство очистных сооружений производственных и поверхностных сточных вод на предприятиях автотранспортного комплекса;
организация системы повышения экологической и специальной подготовки специалистов автотранспортного комплекса;
разработка комплексной целевой программы снижения вредного воздействия автотранспортного комплекса на окружающую среду;
разработка и введение в действие экологического сертификата (талона) для автотранспортных средств;
создание и введение в эксплуатацию стационарных и передвижных контрольных и сервисных постов для автотранспорта;
организация пунктов автоматизированного контроля загазованности автомагистралей.
Однако, большинство из этих мероприятий связаны не только с большими материальными затратами, но иногда попросту физически невыполнимы.
В этих условиях особое значение приобретают мероприятия менее радикальные, но выполнимые, такие как частичное изменение структуры автопарка города, изменение транспортного потока на улицах, строительство объездных путей. Менее броские, но реально воплотимые в жизнь отдельные мероприятия могут существенно оздоровить экологическую ситуацию в городе.
Работы по сокращению выбросов автотранспорта в городе требуют тщательного планирования, сосредоточения усилий на главных направлениях. Чтобы добиться этого, необходим подробный анализ положения дел и механизм оценки последствий различных мероприятий.
Задачи оценки ситуации и прогнозирования изменений являются очень сложными из-за обилия предметной информации и отсутствия ма-
тематических моделей для многих предметных процессов. Без использования вычислительной техники при их решении не обойтись.
Состояние вопроса. Отличительной особенностью состояния экологической обстановки в стране является то, что исключительно актуальной становится проблема принятия правильных управленческих решений по улучшению экологической ситуации.
При этом возникают новые нетрадиционные задачи, решение которых требует тщательного изучения взаимосвязи всего комплекса вопросов, выявление скрытых закономерностей и явлений. Учет новых знаний
при принятии управленческих решений позволит повысить эффектив-
ность мероприятий, свести к минимуму возможные ошибки и материаль-
ные затраты.
В настоящее время существует большое количество достаточно эффективных методов, алгоритмов и моделей, на основании которых можно подготавливать управленческие решения.
Однако, их прямое применение к решению многих практических
VI задач невозможно в силу наличия специфических условий и ограничений.
Обычно требуются адаптация и развитие известных методов. Особенно
это важно в современное время, когда требуется наибольшая эффектив
ность применяемых средств автоматизации. Кроме того, программная
реализация современных методов расчета и моделирования процессов
неизбежно специализирована под конкретные предметные области. При-
,'Ф чем сама эта специализация является достаточно сложной задачей.
Одновременно с этим в настоящее время практически отсутствуют стандартные алгоритмические и программные средства, объединенные проблемным пользовательским интерфейсом, специализированными конверторами данных и формирователями задач. Для того чтобы выявить скрытые взаимосвязи между различными факторами и процессами, которые позволят найти правильные пути принятия решения, требуется тщательный анализ предметной области. Для поддержки такого анализа тре-
12 буются специализированные программные средства, тщательно согласованные со спецификой предметной области.
Цель работы: разработка средств математического моделирования и комплекса программ для поддержки принятия решений, направленных на улучшение экологической ситуации в городе за счёт сокращения выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта.
Основные задачи исследования:
анализ предметной области и выявление задач, решение которых позволит обеспечить повышение эффективности и качества реализации природоохранных мероприятий;
разработка методики оценки массы выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта, использующей новый метод оценки массы выбросов и новую модель интенсивности транспортных потоков;
разработка модели интенсивности транспортных потоков, учитывающей интенсивность движения автотранспорта по улицам города в заданное время суток в заданный день недели заданного месяца, а также учитывающей основные характеристики автотранспорта (класс, грузоподъемность, тип двигателя, вид топлива), особенности транспортных линий: ширину проезжей части, количество полос движения, статус линии (степень потребности проезда по ней) и модуляцию транспортных потоков светофорами на межперекрестковых сегментах улиц;
разработка методики оценки концентраций загрязняющих веществ от автотранспорта, использующей модифицированный метод Сат-тона для учёта топологии улиц города;
разработка методики организации натурных наблюдений автотранспорта на улицах города, основанной на способе организации людских ресурсов и способе учёта транспортных средств;
- разработка метода классификации улиц города по их техническим
параметрам, использующего алгоритм классификации многомерных объ
ектов со статическим значением показателя близости;— разработка алгоритма классификации точек гиперпространства,
основанного на использовании кратчайшего связывающего дерева и пра
вила «золотого» сечения в качестве критерия пространственной близости;- разработка методики многоальтернативного решения задачи при
нятия решений в области охраны окружающей среды, основанная на ис
пользовании абсолютных оценок интегрального качества вариантов,
уточнённой матрицы парных сравнений и турнирной схемы ранжирова
ния вариантов с нечеткими начальными отношениями предпочтения;— реализация предложенных методов, моделей и алгоритмов в со
ставе программного обеспечения системы оценки загрязнения атмосфер
ного воздуха выбросами автомобильного транспорта;- оценка точности и достоверности разработанных математических
моделей по данным сравнительного анализа с результатами эксперимен
тов.Методика исследования. Методика исследования основана на теории математического программирования, теории вероятностей, теории математической статистики, теории графов, методах вычислительной и прикладной математики. В экспериментальных исследованиях использовались стандартные измерительные приборы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана методика оценки массы выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта, отличающаяся использованием нового метода оценки массы выбросов и новой модели интенсивности транспортных потоков;
разработана методика оценки концентраций загрязняющих веществ от автотранспорта, отличающаяся использованием модифицированного метода Саттона для учёта топологии улиц города;
разработана модель интенсивности транспортных потоков, отличающаяся учётом интенсивности движения автотранспорта по улицам города в заданное время суток в заданный день недели заданного месяца, а
14 также учитывающая основные характеристики автотранспортных средств (класс, грузоподъемность, тип двигателя, вид топлива), особенности транспортных линий: ширину проезжей части, количество полос движения, статус линии (степень потребности проезда по ней) и модуляцию транспортных потоков светофорами на межперекрестковых сегментах улиц;
*
разработана методика организации натурных наблюдений транспортных потоков на улицах города, отличающаяся способом организации людских ресурсов и способом учета транспортных средств;
разработан метод классификации объектов по их параметрам, отличающийся способом выделения групп многомерных объектов и алгоритмом классификации точек гиперпространства, основанным на использовании кратчайшего связывающего дерева и правила «золотого» сечения в качестве критерия пространственной близости;
6) разработана методика многоальтернативного решения задачи
принятия решений в области охраны окружающей среды, основанная наЩ использовании абсолютных оценок интегрального качества вариантов,
уточнённой матрицы парных сравнений и турнирной схемы ранжирования вариантов с нечеткими начальными отношениями предпочтения, отличающейся от аналогов многоуровневой схемой установления полного порядка в последовательности вариантов.
Практическая значимость диссертационной работы заключается
4f в следующем:
разработаны методики расчета загрязнения атмосферного воздуха выбросами автомобильного транспорта для территориальных природоохранных органов, позволяющие повысить точность расчётов, унифицировать и ускорить процесс решения проблемных задач в организационно-управленческой деятельности;
разработаны методические рекомендаций по использованию системы АэроВАТ, позволяющие применять эту систему для решения широ-
15 кого круга проблем, связанных с управлением экологической ситуацией в городе;
3) разработаны и защищены свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ программная система моделирования и расчета загрязненности воздуха города выбросами автомобильного транспорта (система АэроВАТ) и программная система загрязненности воздуха выбросами подвижных источников автотранспортных предприятий (система ТрансВАТ), автоматизирующие процессы расчёта и прогнозирования загрязнённости атмосферы города выбросами от автотранспорта, принятия управленческих решений в природоохранной деятельности.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, большим объёмом экспериментальных данных, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, использованием в экспериментах измерительной аппаратуры с высоким классом точности измерений, внедрением результатов исследований в работе природоохранных органов.
Реализация результатов работы. В деятельности комитета охраны окружающей среды г. Рязани, ООО «Центр экологической безопасности» и в учебном процессе ГОУВПО РГРТА использованы следующие результаты диссертационной работы:
методика оценки массы выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта, использующая новый метод оценки массы выбросов от автотранспорта и новую модель интенсивности транспортных потоков;
модель интенсивности транспортных потоков, учитывающая интенсивность движения автотранспортных средств по улицам города в заданное время суток в заданный день недели заданного месяца, также учи-тывющая основные характеристики автотранспорта (класс, грузоподъемность, тип двигателя, вид топлива), особенности транспортных линий (ширину проезжей части, количество полос движения, статус линии (степень потребности проезда по ней)) и модуляцию транспортных потоков
светофорами на межперекрёстковых сегментах улиц;
методика оценки концентраций загрязняющих веществ от автотранспорта, использующая модифицированный метод Саттона для учёта топологии улиц города;
модифицированный метод Саттона по расчету концентраций загрязняющих веществ, учитывающий топологию улиц города;
методика организации натурных наблюдений автотранспорта на улицах города, основанная на способе организации людских ресурсов и способе учёта автотранспорта (производилось измерение интенсивности и состава транспортных потоков, измерение геометрических параметров улично-дорожной сети, измерение средней скорости автотранспортных средств);
метод классификации улиц города по их техническим параметрам (улицы рассматриваются как точки в многомерном гиперпространстве, координаты каждой точки представляют собой числовые параметры, ассоциированные с данной точкой улицы), использующий алгоритм классификации многомерных объектов со статическим значением показателя близости;
алгоритм классификации точек гиперпространства, основанный на использовании кратчайшего связывающего дерева и правила «золотого» сечения в качестве критерия пространственной близости;
методика многоальтернативного решения задачи принятия решений в области охраны окружающей среды, основанная на использовании абсолютных оценок интегрального качества вариантов, уточнённой матрицы парных сравнений и турнирной схемы ранжирования вариантов с нечеткими начальными отношениями предпочтения.
Основные результаты, выносимые на защиту:
- методика оценки массы выбросов загрязняющих веществ от авто
транспорта, позволяющая учесть специфику городских транспортных по
токов и автомагистралей;методика оценки концентраций загрязняющих веществ от автотранспорта, учитывающая топологию улиц города;
модель интенсивности транспортных потоков, позволяющую выполнять расчёт показателей загрязнённости города на уровне средних почасовых значений и на уровне вероятностных распределений;
методика организации натурных наблюдений транспортных потоков на улицах города, позволяющая получить репрезентативную выборку, достаточно точно характеризующих вероятностные свойства транспортных потоков на улицах города;
метод классификации объектов по их параметрам, предназначенный для выявления групп транспортных линий с примерно одинаковыми характеристиками;
многоальтернативная методика решения задачи ранжирования вариантов с нечеткими начальными отношениями предпочтения, предназначенная для принятия решений в области охраны окружающей среды.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной конференции «Технология и системы сбора, обработки и представления информации», г. Москва, 1995 г.; Межригио-нальной конференции «Человек и окружающая среда», г. Рязань, 1997 г., 1999 г.; Республиканской научно-технической конференции «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы», г. Рязань, 1995 г., 2002 г., 2003 г.; научно-практической конференции «Человек, экология, здоровье», г. Рязань, 1996 г.; Международном научно-техническом семинаре «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», г. Рязань, 1999 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании», г. Рязань, 2005 г.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в десяти печатных работах. Имеется два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
18 Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и пяти приложений. Общий объем работы составляет 212 страниц, содержащих 31 рисунок, 50 таблиц. Список использованной литературы включает 133 наименований.
Методы математического моделирования, используемые при оценке загрязнения атмосферы выбросами автомобильного транспорта
Для расчетов и построения полей концентраций ЗВ используются методы математического моделирования процессов рассеяния примесей в W воздухе. Расчетные методы позволяют построить модель загрязнения объекта окружающей среды с возможностью его оценки в любой точке изучаемого пространства. В настоящее время существует два основных подхода к решению задачи рассеивания вещества в движущейся жидкой или газообразной среде в зависимости от тех или иных факторов, характеризующих среду и " источник, - это теория градиентного переноса (или полуэмпирическая теория диффузии) и статистическая теория диффузии [89, 90, 91].
Полуэмпирическая теория диффузии основана на свойствах движения примеси относительно системы координат, фиксированной в пространстве, то есть она является Эйлеровой,
Статистическая теория рассматривает диффузию как турбулент 1 ность в переменных Лагранжа,
Между этими теориями существует близкая связь, они описывают одно и то же явление, однако области их применения не всегда перекрываются. Имеется ряд задач атмосферной диффузии, где рассмотрение возможно только на основе одной из этих теорий.
Полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии примеси вне ЧІ источника в наиболее общей форме имеет следующий вид: у!7 у„Дя0. (1.1) (=3 " / /=1 "Tj где /,.- турбулентные потери примеси; q - концентрация примеси; uvu2 - компоненты скорости ветра; и, s w - скорость гравитационного оседания; xt =x;x2= у; хг =z;x,ytz - оси координат.
Решение полуэмпирического уравнения диффузии для разного рода источников выбросов в атмосферу и различных схем задания коэффициентов уравнения, учитывающих те или иные особенности атмосферной диффузии, может быть получено аналитически или численно. Это уравнение удобно при учете вертикальной неоднородности стратификации атмосферы и взаимодействия примеси с подстилающей поверхностью.
При исследовании горизонтальной (поперечной) диффузии более оправданным является статистический подход, основанный на описании атмосферной турбулентности в переменных Лагранжа.
Функциональное соотношение, полученное Тейлором, связывающее дисперсию координат движущейся частицы c2(t), позволило свести решение проблемы диффузии к нахождению функции распределения концентрации примеси, удовлетворяющей уравнению неразрывности и граничным условиям при заданном виде корреляционной функции. Асимметричная природа диффузии вблизи земли учитывается при этом введением трех корреляционных функций для трех составляющих скорости. Предположив, что распределение примеси подчиняется нормальному закону Гаусса, с помощью дисперсии сг2 проводят все необходимые расчеты.
В некоторых случаях рационально применять комбинацию этих двух подходов к описанию турбулентной диффузии. Использование такой комбинации было предложено в работе [92].
До настоящего времени разработано большое количество моделей атмосферной диффузии. Так, в частности, в Руководстве Агенства по охране окружающей среды США (U.S. Environmental Protection Agency) представлено описание около 50 моделей, рекомендованных к использованию при проектных, контрольных и других природоохранных расчетах. Такое количество моделей объясняется как разнообразием решаемых ими задач, так и все продолжающимся поиском наиболее эффективных реше ний проблемы.
За рубежом широко используются различные версии Гауссовых моделей, в том числе для расчета загрязнения воздуха выбросами автотранспорта. К таким моделям относятся, американские модели HIWAY-2, CALINE-4 (California Line Source Model), GM (General Motors), GFLSM (General Finite Line Source Model), финская модель - CAR -FM1 (Contaminants in the Air from a Road by the Finnish Meteorological Institute).
В моделях HIWAY-2 и CALINE-4 концентрации рассчитываются для конечного линейного источника при произвольном направлении ветра; в процессе расчетов магистраль делится на серию элементов, от которых рассчитываются концентрации; а затем суммируются. Модель GFLSM основывается на формулах для бесконечного линейного источника.
Выхлопные газы автотранспорта относятся к низким холодным источникам (НХИ), хотя их начальная температура значительна, но объем выбросов от отдельного автомобиля сравнительно мал, и они почти у источника приобретают температуру окружающего воздуха [99].
Известно, что с понижением высоты источника и уменьшением различия в температурах выброса и окружающего воздуха значительно возрастает концентрация примесей [97, 103]. Мощность выбросов от отдельных НХИ обычно меньше, чем от высоких источников. Однако вследствие их многочисленности суммарный вклад в общее загрязнение атмосферы оказывается весьма большим не только вблизи источников, но и на достаточном удалении.
Формализованное описание транспортного потока на уровне средних значений
Состав транспортных средств (количественные данные о внутригородском и транзитном парке автомашин различных классов грузоподъемности с различными типами двигателей и видами топлива) определяет суммарный выброс загрязнений на территории города. Распределение всей суммы ЗВ по конкретным районам определяется интенсивностью движения и структурой транспортных потоков на конкретных улицах, а также топологией жилых и производственных районов, климатическими особенностями города (преимущественным направлением ветра и типовыми конвекционными условиями). Перечисленные данные определяют также структуру пространств поглощения загрязнений - газоны и скверы; жилые массивы; учреждения; территории заводов и фабрик.
Таким образом, система АэроВАТ осуществляет отображение пространственно-технических характеристик города в показатели загрязненности городской атмосферы выбросами от автотранспорта. Эксплуатация системы открывает две основные возможности: 1) оценка текущей ситуации с загрязненностью воздуха с целью выяснения тяжести положения дел и необходимости принятия мер по его улучшению; 2) прогнозирование последствий возможных мероприятий, оценивание их эффективности и целесообразности.
Мероприятиями, изменяющими пространственно-технические характеристики города, влияющие на положение дел с загрязненностью атмосферы города, в частности могут быть: 1) введение строгого пропускного режима на проезд грузового транспорта по улицам города; 2) повышение дисциплины паркования транспорта, запрещение пар ковок на тротуарах, газонах, во дворах без специальных парковочных стоянок; ,ч 3) создание парковочных стоянок близ магазинов, учебных заведе ний и учреждений (преимущественно за счет пустырей, иногда и за счет газонов, ни в коем случае не за счет рекреационных и спортивных площа док; вопросам организации парковочных стоянок практически не уделя . ется внимания службами архитектуры, новые дома и магазины строятся «вплотную» друг к другу, обрекая жителей на активное поглощение вы бросов личного и служебного транспорта, пакующегося непосредственно под окнами зданий); 4) введение и поддержка интенсивной работы службы контроля за составом выхлопных газов, строгие меры материального воздействия к нарушителям; 5) запрещение длительной работы двигателя на холостом ходу на парковочных стоянках; W 6) запрещение движения грузового автотранспорта по малым ули цам и дворовым подъездным путям; 7) перевод внутригородского грузового транспорта на газовое топливо; 8) прокладка в новых жилых районах преимущественно троллейбусных и трамвайных линий; 9) улучшение качества проезжей части улиц; 10) построение объездных путей.
Эффективность перечисленных и подобных им мероприятий может быть оценена с помощью системы АэроВАТ.
Представим описание фрагментов предметной области в виде ин-фологических схем объектов, выделенных как наиболее значимые в про блематике решаемой задачи. Двойными рамками представлены объекты. В одинарных рамках указаны интенсионалы характеристик объекта. В некоторых случаях осуществляется уточнение структуры характеристики. , Если в некоторую характеристику входят все характеристики другого объекта, то они символизируются именем объекта в угловых скобках. Если предполагается табличное представление данных, то имена атрибутов отделяются друг от друга символом «». Объекты, используемые в схемах других объектов, описываются позднее, т.е. описание осуществляется по принципу «сверху вниз», Инфологическая схема объекта «Город» (рис. 1.2), в частности, отражает состав технических характеристик элементов городской окружающей среды. Под объектом «Предприятие» (рис. 1.3) подразумеваются как производственные предприятия, так и учреждения инфраструктуры. Абстракции типа «обобщение» представляются размещением элементов схемы по горизонтали; абстракции типа «агрегация» представляются размещением элементов по вертикали.
Методика решения задачи классификации улиц города по их техническим параметрам
Алгоритм построения кратчайшего связывающего дерева (КСД) может быть следующим:
1) обозначим 0 множество номеров объектов включенных в КСД и определим его начальное значение путем поиска пары наиболее «близких» объектов по формулам: К = ArSi(,min ( min (dSJ))\ (3.13) К = ArSj C,min С min (dy))), (3.14) если таких пар несколько, то выбирается любая из них; определяем начальное значение счетчика выделенных «ребер» р = 1 и заполняем первый элемент структуры данных, используемой для представления дерева, например, одномерного массива D с трехкомпонентными элементами Р(ЩУ,1), где u = kltv = kz,l = dm;
2) отыскиваем номер к следующего объекта для включения в КСД путем поиска наиболее близкого объекта к множеству объектов, уже включенных в КСД к = Argk(mm(mm(dfi))) и номер /самого близкого к кев нему из ранее включенных объектов ї = Лг,(тіп(тт(«Г.4))); если таких іє \ к т кев номеров несколько, то выбирается любой из них;
3) модифицируем значение множества номеров мнений уже включенных в КСД 0 = 0 U {к},
4) увеличиваем на единицу счетчик выделенных «ребер» р = р +1 и заполняем соответствующий элемент массива Dp(u,v,l), где и = kt,v = k2, ! = d„; пункты 2-4 повторяются до завершения построения КСД, при этом счетчик выделенных «ребер» достигает значения р - п -1.
Замечания:
1)для краткости записи алгоритма использовано обозначение с? расстояние между объектами с номерами і и j;
2) семантика элементов кортежа D очевидна: и номер объекта уже включенного в КСД; v - номер очередного объекта, включаемого в «дерево»; I - длина ребра, соединяющего объекты с номерами w,v.
Правило «золотого» сечения состоит в следующем: если из трёх л предметов два расположены друг от друга на расстоянии d, а третий v находится от одного из этих двух на расстоянии не меньшем 2d, то первые два предмета воспринимаются визуально как рядом стоящие, а третий как удаленный от них. На основе этого правила можно сформулировать алгоритм группирования объектов с помощью кратчайшего связывающего дерева (КСД), ветви которого представляют собой расстояния между объектами.
Алгоритм классификации объектов по расстоянию между ними, основанный на построении КСД, следующий: 1) строим кратчайшее связывающее дерево в пространстве объектов и вычисляем критическое расстояние X - 2І /3, где ї среднее значение длин ветвей кратчайшего связывающего дерева; 2) начальное значение номера формируемой группы р = 1; начальный индекс в массиве: q = \; 3) сформируем начальное значение множества Е, номеров 1-й группы объектов Hj = {kXik2} путем извлечения первых двух компонентов первого элемента массива D\kx— Dlu;к2 = Dlv; 4)инкрементируем q = q +1; если Dql Л, то D v-й объект включается в р—ю группу и модифицируется значение множества номеров объектов этой группы "Б.р = Е U V v};в противном случае (если D I Л) формирование /»-й группы завершается, инкрементируется номер формируемой группы р - р +1 и формируется начальное значение очередного множества Ня номеров очередной группы объектов "Ер - \pqvy, пункт 4 повторяется до исчерпания всех элементов массива D.
Экспериментальное исследование загрязнённости атмосферного воздуха выбросами автомобильного транспорта
Экспериментальное исследование загрязненности атмосферного воздуха проводилось по следующим направлениям:
1)по результатам проведенных ранее (на этапе создания информационного обеспечения системы АэроВАТ) натурных наблюдений определены автомагистрали с наибольшей интенсивностью движения автотранспорта. Одними из наиболее загруженных автомагистралей являются Первомайский проспект, ул. Ленина и ул. Дзержинского. Также необходимо отметить, что в непосредственной близости от выбранных автомагистралей находится селитебная зона и большое количество мест временного нахождения населения (магазины, офисы различных организаций и учреждений);
2) на основании действующей методики [11] были организованы натурные наблюдения и рассчитан основной и дополнительный выбросы ЗВ в атмосферу от автотранспорта на выбранных автомагистралях.
Методика [11] предназначена для расчета выбросов загрязняющих веществ при движении автомобилей по городским магистралям и может быть использована для оценки показателей экологического воздействия, А обоснования необходимости применения экологически ориентированных мероприятий по организации дорожного движения, оценки альтернативных вариантов проектных решений по организации дорожного движения и сравнительной технико-экономической оценки вариантов проектных решений по организации дорожного движения.
В соответствии с методикой учитывается выброс следующих за грязняющих веществ: v — оксид углерода — СО; - углеводороды - СН; - оксиды азота - NOx (в пересчете на NO2); -твердые частицы (сажа) - С; -диоксид серы - SO2; -соединения свинца - РЬ (только для городов, где используется этилированный бензин).
Влияние условий движения автомобилей в транспортном потоке на выброс загрязняющих веществ, прежде всего, проявляется через обуслов ленное организацией движения соотношение установившихся и неуста новившихся режимов движения. Поэтому в общем виде величина выбро са автомобилем г-го загрязняющего вещества Mt на участке улицы длиной / за единицу времени может быть определена по формуле: М,.=МЙ+Д, (4.5) где Мп - выброс 1-го загрязняющего вещества при непрерывном движении транспортного потока, г/час; Д- дополнительный выброс і-го загрязняющего вещества, связанный с задержкой транспортных средств, г/час.
Величина Mh отражает неизбежную часть выброса, определяемую техническим уровнем и состоянием транспортных средств, скоростью движения, интенсивностью движения и дорожными условиями. Величина Dt отражает увеличение выброса, вызванное торможением и разгоном транспортных средств, а также работой двигателя на холостом ходу. Результаты наблюдений приведены в приложении 2. На этих же автомагистралях были проведены расчеты массы выбросов ЗВ с помощью системы АэроВАТ. Результаты расчетов представлены в таблицах 4.4, 4.5, 4.6. и на рис. 4.1, 4.2, 4.3.
Кроме того, для проверки полученных результатов проводилось лабораторное исследование атмосферного воздуха. Отбор проб и исследование атмосферного воздуха проводился в соответствии с ГОСТ 17.2.3.01-86 «Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов» [13], РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы» [26].
В работе использовался газохроматографический метод анализа для определения: - суммы углеводородов, чувствительность - 0,5 мг/м [26]; - оксида углерода, чувствительность - 0,2 мг/м [26]. Пробы воздуха отбирались в цельностеклянные шприцы вместимостью 100 см3.
При выборе условий газохроматографического анализа веществ существенную роль играет правильный выбор рабочей температуры колонки. Степень разделения и продолжительность анализа уменьшается с повышением температуры. Используют два температурных режима процесса разделения: изотермический и с программированием температуры. В первом случае температура колонки должна равняться примерно температуре кипения наиболее летучего компонента или составлять среднее значение между температурой кипения самого низкокипящего компонента смеси. При анализе СО и СН используется изотермический режим.
Похожие диссертации на Разработка математического и программного обеспечения системы оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами автомобильного транспорта
