Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1. Антропогенное воздействие автомобильного транспорта на
окружающую среду 10
1.2. Методы и аппаратные средства измерения шумового загрязнения 20
1.3. Анализ методов оценки эффективности работы транспортного потока 25
1.4. Подходы к решению задач оценки шумового загрязнения 27
1.5. Выводы. Цель и задачи исследования 35
2 Разработка математической модели шумового загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом 38
2.1. Общая и частные методики исследования 38
2.2. Математическая модель "Уровень шума - динамика транспортного потока" 42
2.2.1. Теоретические предпосылки создания математической модели "Уровень шума - динамика транспортного потока" 42
2.2.1.1. Связь уровня шума с параметрами транспортного потока...42
2.2.1.2. Учет структуры транспортного потока 46
2.2.1.3. Учет временных параметров транспортного потока 46
2.2.1.4. Учет скорости движения транспортного потока в зависимости от его состава 47
2.2.1.5. Учет распределения транспортных средств по полосам 48
2.3. Обобщенная характеристика эффективности работы транспортного потока 48
2.3.1. Экологический к.п.д. от химического и шумового воздействия транспортного потока 49
2.3.2. Топливный к.п.д. транспортного потока 56
2.3.3. Коэффициент полезного действия транспортного потока 59
2.4. Динамика роста автомобильного парка 62
2.5. Выводы по второй главе 63
Экспериментальные исследования 64
3.1. Задачи экспериментальных исследований 64
3.2. Инструментальные средства исследований 65
3.3. Методика экспериментальных исследований параметров и уровня шума транспортного потока , 68
3.4. Методика экспериментальных исследований уровня шума одиночного автомобиля 69
3.5. Определение минимального количества измерений 70
3.6. Идентификация экспериментальных исследований 75
3.6.1. Установление зависимости уровня шума от скорости движения одного автомобиля 75
3.6.2. Установление зависимости уровня шума от интенсивности транспортного потока 79
3.6.3. Установление зависимости уровня шума от интенсивности и процентного содержания грузовых автомобилей и автобусов в составе транспортного потока 80
3.6.4. Установление зависимости доли легковых, грузовых автомобилей и автобусов в составе транспортного потока от времени суток 81
3.6.5. Установление зависимости скорости транспортного потока от доли легковых, грузовых автомобилей и автобусов в его составе .83
4 3.6.6. Установление зависимости распределения легковых, грузовых автомобилей и автобусов на полосах движения дороги от номера
полосы дороги 84
3.6.7. Суточный тренд транспортного потока 86
3.7. Прогнозирование уровня химического и шумового загрязнения в связи с ростом автомобильных парков крупных городов 88
3.8. Выводы по третьей главе 96
4. Практическое использование результатов исследований 99
4.1. Принцип построения, назначение и необходимость разработки автоматизированного рабочего места (Шум - 01) 99
4.1.1. Специфика задач предприятий использующих АРМ 100
4.1.2. Принципы построения АРМ 101
4.1.3. Классификация АРМ. Последовательность этапов проектирования 102
4.2. Разработка программного обеспечения АРМ-эколога "Шум-01" . 104
4.2.1. Информационное обеспечение АРМ 107
4.3. Внедрение результатов исследования !Ю8
4.4. Оценка экономической эффективности результатов исследования 109
4.5. Выводы по четвертой главе 111
Основные результаты и выводы 113
Список использованных источников
- Методы и аппаратные средства измерения шумового загрязнения
- Теоретические предпосылки создания математической модели "Уровень шума - динамика транспортного потока"
- Установление зависимости уровня шума от скорости движения одного автомобиля
- Разработка программного обеспечения АРМ-эколога "Шум-01" .
Введение к работе
Актуальность темы Эксплуатация автомобильного транспорта неразрывно связана с загрязнением окружающей среды. Экологический прессинг постоянно усиливается в связи с ростом численности автопарка, увеличением интенсивности и снижением скорости движения транспортного потока на улично-дорожной сети (УДС) урбанизированной территории. По оценкам специалистов количество автомобилей в России с 2001 года по 2005 год выросло от 20 до 40 %, а к 2020 году число автомобилей увеличится примерно в 2 раза.
Основными формами загрязнения от автотранспорта являются химическое и шумовое воздействия. В российской Федерации насчитывается свыше 200 городов с доминирующим вкладом загрязняющих веществ от передвижных источников. До 80% всех химических загрязнений приходится на долю автотранспорта. Шум от автомобильного транспорта достигает 70-90 дБ, что вызывает у горожан заболевания различной степени тяжести. Около 40 млн. человек в России проживает в условиях шумового дискомфорта, причем половина из них испытывает воздействия шума более 65 дБА.
Мероприятия по снижению негативного влияния на окружающую среду города основываются на оценке уровня загрязнения. Однако при определении уровня шума не учитывается совместное действие динамических характеристик транспортного потока, структуры, состава и изменения его скорости. Кроме того, разрозненное представление о степени химического загрязнения или шумового воздействия не приводит к установлению истинного уровня антропогенной нагрузки.
Поэтому комплексная оценка химического и шумового загрязнения для выработки методов управления качеством окружающей среды является актуальной научно-практической задачей.
Целью исследований является разработка комплексной оценки экологического к.п.д. с учетом установления и использования зависимостей уровня шумового загрязнения от динамических характеристик транспортного потока
Объектом исследований является процесс генерирования шума автотранспортными потоками в городской среде.
Предметом исследований является связь уровня шума с динамическими характеристиками транспортного потока.
Научная новизна. Разработана математическая модель "Уровень шума - динамика транспортных потоков", устанавливающая зависимость уровня шума автотранспортного потока от динамических характеристик (скорости, интенсивности, состава транспортного потока).
Уточнен обобщенный показатель эффективности работы автотранспортного потока. Введено понятие экологического к.п.д.
ТраНСПОрТНОГО ПОТОКа, учитывающего ШуМОВОе чягрячнрния щфужяттлй
среды, что в сочетании с ранее имевшимс і Р^ЯАУййАА1>НАЯ]1д.,
БИБЛИОТЕК^ /)/ }
С.І 09 .-^ — .
'?ЯФЙ\
учитывающим химическое загрязнение, дает возможность комплексной оценки экологической характеристики транспортного потока.
Разработана математическая модель "Динамика роста автомобильного парка", позволяющая прогнозировать уровень загрязнения окружающей среды города.
Разработан инструментарий, включающий алгоритмическое и программное обеспечение задач оценки шумового загрязнения окружающей среды автотранспортом, для принятия рациональных управленческих решений направленных на сохранение высокой эффективности работы транспортного потока.
Практическая ценность заключается в разработке инструментального средства оценки шумового загрязнения окружающей среды, позволяющего формировать объективную оценку экологической ситуации на улично-дорожной сети города.
Реализация результатов работы. На основе установленного механизма загрязнения автотранспортом окружающей среды разработано алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение задач оценки качества воздушной среды. При участии автора разработан АРМ "Шум-01" и внедрен в практику работы Федерального государственного учреждения здравоохранения "Центр гигиены и эпидемиологии в Тюменской области". Кроме того, результаты исследований внедрены в учебный процесс ТюмГНГУ (лабораторный практикум по дисциплине "Теория автомобиля" специальности 190601 "Автомобили и автомобильное хозяйство").
На защиту выносится:
-
Математическая модель "Уровень шума - динамика транспортного потока";
-
Показатели эффективности работы транспортного потока-экологический (химического и шумового воздействия), топливный, кинетический, обобщенный;
-
Математическая модель "Динамика роста автомобильного парка ";
-
Инструментальное средство оценки шумового загрязнения окружающей среды, позволяющее формировать уровень экологического прессинга на улично-дорожной сети города. Апробация работы. Основные результаты исследования доложены,
обсуждены и одобрены на Международной научно-практической конференции "Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях" (Тюмень, 2002 г.), Научно-практическом семинаре Международной выставки - ярмарки "Город - 2002", "АЗС комплекс -2002", "Автосалон - 2002" (Тюмень, 2002 г.), Конференции "Повышение эффективности работы нефтегазодобывающего комплекса Ямала путем применения прогрессивных технологий и совершенствования транспортного обслуживания", г. Салехард (Тюмень, 2002 г.), Научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения В.И. Муравленко "Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и
транспортировки" (Тюмень, 2002 г.), Региональной научно-технической конференции "Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта" (Тюмень, 2004 г.), Международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 2005 г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Объем работы составляет 130 страниц печатного текста, в том числе 15 таблиц, 44 иллюстраций (рисунков), списка использованных источников из 91 наименования и 7 страниц приложений.
Методы и аппаратные средства измерения шумового загрязнения
Автомобильный транспорт играет важнейшую роль в социально-экономической производственной инфраструктуре урбанизированных территорий. Он является неотъемлемой составной частью транспортной системы мировой экономики. Негативное воздействие автомобильного транспорта усугубляется тем, что в последнее время увеличилось количество транспортных средств во всем мире и в России, в частности.
По данным экспериментальных оценок [2, 80, 81, 44, 64, 73], в настоящее время в мире эксплуатируется более 630 млн. автомобилей. В последние десятилетия наиболее быстро автомобильный парк растет в Европе и Азии. Например, с 1980 по 1995 гг. автомобильный парк Европы увеличился на 120 млн. ед., для Азии эта цифра составила 95 млн., по прогнозам специалистов, рост мирового автомобильного парка будет продолжаться и в первой четверти двадцать первого века.
Автомобильный парк России в 2001 г. насчитывал более 25 млн. единиц, в том числе 20,2 млн. - легковых, 4,3 млн. - грузовых и 0,6 млн. автобусов. В настоящее время он насчитывает 27 млн. ед., что составляет 3,5 % от мирового. По данным Департамента автомобильного транспорта Минтранса РФ, в 2005 г. автопарк России составит 45-46 млн. автомобилей [38]. Состав и структура мирового автомобильного парка существенно различается по странам (таблица 1.2).
Увеличение количества автомобильного парка неуклонно ведет к росту интенсивности, плотности транспортных потоков города и снижению скорости движения. При этом происходит усугубление экологической обстановки города. Рост парка автомобилей на сегодняшний момент создает наибольшую угрозу устойчивому развитию городов во всем мире. Анализ имеющихся [71, 56] данных позволят не только оценивать действующую нагрузку со стороны автомобильного парка, но и разработать модель роста негативного влияния на биотическую систему города. Полученные результаты можно экстраполировать на длительный срок, тем самым давая прогноз экологической обстановки.
Современные подходы к оценке экологического прессинга автотранспорта в крупных городах (например, в г.Тюмени) и особенно в мегаполисах характеризуются смещением акцента на макроуровень, когда анализируются динамические и энерго-экологические характеристики не отдельного автомобиля, а автотранспортных потоков на улично-дорожной сети (УДС) города.
К сожалению, такой прогрессивный подход не может пока быть реализован в областном центре из-за слабой изученности как специфики транспортных потоков, так и механизма формирования такими потоками суммарных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
В свою очередь дефицит необходимой информации не позволяет создать алгоритмическую основу для инженерных методик оценки выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автомобильным транспортом в г.Тюмени, и, как следствие, сдерживает разработку аппаратно-программных средств для мониторинга и управления качеством воздушной среды города, что в целом и определяет актуальность исследований.
По стандартам передовых стран Россия располагает значительным потенциалом расширения автомобильного рынка. По данным за 2001 г., на тысячу жителей приходилось немногим более 140 легковых автомобилей по сравнению с 700 в США, около 340 в Японии, 400 - 500 в ведущих западноевропейских и 170 - 250 в восточноевропейских странах.
Среднегодовой прирост автомобильного парка в России за последние 5 лет составлял 5% и обеспечивался в основном за счет роста парка легковых автомобилей отечественного производства. Согласно недавно принятой Концепции развития автомобильной промышленности страны, к 2010 г. парк легковых автомобилей возрастет до 30 - 33 млн. шт.
Тенденция изменения количественной и качественной структуры автомобильного парка мира, России и г.Тюмени представлена на рис. 1.1. Их анализ показывает, что темпы прироста легкового автомобильного транспорта составляют:
Теоретические предпосылки создания математической модели "Уровень шума - динамика транспортного потока"
Проанализированы научные работы по проблеме загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом, выполненные В.Н. Луканиным, Ю.В. Трофименко, В.Н. Денисовым, Г.Л. Осиповым, Б.Г. Прутковым, Й.А. Шишкиным, И.Л. Карагодиной, К. Ламюром, С. Озу , Г. Вулканом и другими авторами в ряде НИИ, ВУЗов и других организаций в нашей стране и за рубежом.
Результаты исследований различных авторов указывают на то, что основным источником загрязнения окружающей среды в городах является автомобильный транспорт. Сосредоточение автопарка в городах, а также увеличение количества транспорта усугубляет экологическую нагрузку урбанизированных территорий.
В работе А.Н. Шумейко выявлено, что увеличение численности автомобильного парка в России и во всем мире ведет к росту интенсивности, плотности транспортного потока агломерации и снижению скорости движения. При этом происходит возрастание антропогенного загрязнения. Однако модели роста негативного влияния на биотическую систему города отсутствуют.
Основными опасными формами загрязнения от автомобильного транспорта являются химическое и шумовое воздействие. Разрозненное представление о степени химического загрязнения или шумового воздействия не приводит к целостной картине антропогенной нагрузки. Выявлена недостаточная проработка в вопросах шумового загрязнения окружающей среды автотранспортом, которые на сегодняшний день выходят на лидирующие позиции в условиях функционирования урбанизированных территорий.
Согласно исследованиям российских и зарубежных специалистов, по негативному воздействию на человека шум занимает второе место (после химического загрязнения).
В результате аналитического обзора ранее выполненных работ в области шумового загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом выявлено, что нуждается в уточнении связь "уровень шума -параметры транспортного потока", за счет: учета временных параметров транспортного потока, структуры транспортного потока, скорости движения ТП, распределения транспортных средств на полосах движения. Проанализированные модели зависимости уровня шума от динамических характеристик транспортного потока не учитывают суточный тренд транспортного потока.
Оценка уровня загрязнения окружающей среды автотранспортом позволяет управлять качеством окружающей среды. Принцип управления заключается в необходимости измерения эффективности результата управленческой деятельности,
На сегодняшний день не существует четкой методологической основы для оценки эффективности управления качеством окружающей среды агломерации.
В работе Колесова Г.В. предложен обобщенный и частные (кинетический, топливный, экологический) показатели эффективности работы транспортного потока. Однако они разработаны в предположении, что поток состоит целиком из легковых автомобилей, а экологический
к.п.д. учитывает только химическое загрязнение окружающей среды. Теория транспортных потоков проработана достаточно глубоко, однако отсутствуют единые подходы к оценке экологической опасности. Существующие разрозненные представления о химических и шумовых загрязнениях дают усеченную картину происходящего.
Целью исследования является разработка комплексной оценки экологического к.п.д. с учетом установления и использования зависимостей уровня шумового загрязнения от динамических характеристик транспортного потока.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Разработать математическую модель "Уровень шума - динамика транспортных потоков" и провести анализ полученной модели.
2. Уточнить частные и обобщенный показатели эффективности работы автотранспортного потока. Разработать экологический к.п.д. транспортного потока, учитывающий шумовое загрязнение окружающей среды.
3. Разработать математическую модель "Динамика роста автомобильного парка" и провести анализ полученной модели.
Для реализации цели и поставленных задач была разработана общая методика исследований, алгоритм, которой приведен на рис. 2.1. Общая методика исследований включает в себя анализ состояния вопроса, постановку целей и задач, теоретические и экспериментальные исследования, получение практических результатов и разработку автоматизированного рабочего места.
Анализ состояния вопроса проводился на основе изучения литературных источников и опыта отечественных и зарубежных специалистов. В результате проведенного анализа был сформирован подход к оценке эффективности работы транспортного подхода.
Целью теоретических исследований является выделение в процессе синтеза знаний существенных связей между исследуемым объектом и окружающей средой, выявление общих закономерностей и их формализация. Теоретические исследования включали в себя исследование зависимости уровня шума от параметров транспортного потока. Учитывались структура и временные параметры, а также влияние скорости транспортного потока от его состава, динамика транспортного потока, распределение транспортных средств по полосам движения. Разработано автоматизированное рабочее место с целью повышения безопасности и эффективности работы автотранспортного потока.
Установление зависимости уровня шума от скорости движения одного автомобиля
Определим, не есть ли этот результат случайным. Предположим, что в действительности никакой взаимосвязи переменной Y и переменной X нет. Величину вероятности ошибочности утверждения о том, что есть значительная взаимосвязь, примем равной 0,05.
Для степеней свободы имеем dfj = 1 (количество факторов), df2 = 28. F-критическое (для указанных величин) равняется 4,2. Наблюдаемое F-значение большее - 437,85, что значительно больше, чем критическое значение - 4,2.
Предположение об отсутствии взаимосвязи зависимой и независимых переменных не подтверждается.
Далее проверим, не являются ли полученные значения параметров уравнения регрессии действием случайных причин, пользую функцию СТЬЮДРАСП. Эта функция возвращает t-распределение Стьюдента, которое используется при проверке гипотез для небольших выборок. Поделив коэффициент регрессии на его стандартную ошибку, получим параметр t , который имеет название стандартизированная, или нормированная переменная. Стандартизированная переменная показывает расстояние от нуля соответствующего коэффициента регрессии в частях стандартной ошибки.
Для того, чтобы определить, есть ли стандартное отклонение статистическое значащим, используется функция СТЬЮДРАСП. Оно возвращает вероятность получения значения, которое равняется значению стандартизированной переменной (t-нараметра), при условии, что действительное значение соответствующего коэффициента регрессии равняется нулю.
Это дает возможность сделать вывод, что в рассматриваемом случае, при условии, что соответствующий коэффициент реально имеет нулевое значение, вероятность получить значение эквивалентный уровень шума ТП, дБА; интенсивность транспортного потока, авт/ч.
Результаты расчета дополнительной статистики, а также адекватности теоретической кривой экспериментальным данным представлены в приложении 1. Установление зависимости уровня шума от интенсивности и процентного содержания грузовых автомобилей и автобусов в составе транспортного потока
В ходе эксперимента было достоверно установлено, что уровень шума можно связать не только с интенсивностью, но и с составом транспортного потока. Используя экспериментальные данные интенсивности и процентного содержания грузовых автомобилей и автобусов в составе транспортного потока, была выявлена зависимость уровня шума от этих параметров. Достаточно хорошо эти величины описываются логарифмическим законом распределения. Данную зависимость можно представить в следующем виде:
На рис. 3.8 соотношение (3.3.) представлено в графическом виде. С увеличением процентного содержания грузовых автомобилей и автобусов в составе транспортного потока уровень шума возрастает по логарифмическому закону распределения. п 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Интенсивность, авт/ч
График зависимости эквивалентного уровня шума от интенсивности и состава транспортного потока Результаты расчета дополнительной статистики представлены в приложении 1 таблица 1. Установление зависимости доли легковых, грузовых автомобилей и автобусов в составе транспортного потока от времени суток
Рассмотрим далее механизм изменения структуры транспортного потока /3j (доли легковых, грузовых автомобилей и автобусов в составе ТП) в течение суток.
Параметрическая идентификация модели показала (приложение 1), что доля j-ro типа транспорта в составе ТП в зависимости от времени суток может быть представлена в следующем виде
Они свидетельствуют о том, что легковой и грузовой транспорт подчиняются логарифмическому закону, а автобусы экспоненциальному.
Установление зависимости скорости транспортного потока от доли легковых, грузовых автомобилей и автобусов в его составе
Используя регрессионно-корреляционный анализ показатель Oj, характеризующий зависимость скорости потока от его состава (полагая, что эта зависимость имеет линейный характер), можно представить как
Его анализ показывает, что максимальный вклад вносит дневной поток, а минимальный - ночной. Амплитуды парциальных потоков (утренний: дневной: вечерний: ночной) соотносятся как 0,4 : 1 : 0,074 : 0,021. Полученные соотношения (3.13.-3.16.) являются компонентами алгоритмического ядра, поддерживающего как задачи имитационного моделирования транспортного и экологического прессинга, так и задачи управления дорожным движением в городе.
Разработанная математическая модель не противоречит результатам проведенных нами экспериментальных исследований. 3.7. Прогнозирование уровня химического и шумового загрязнения в связи с ростом автомобильных парков крупных городов
Представляет определенный практический интерес в результате проведения пассивного эксперимента выявить модели роста автопарков мира, России и г. Тюмени.
Динамика роста автомобильного парка мира представлена на (рис.3. 17). Модель роста может быть описана (при коэффициенте детерминации R2 = 0,99) степенным полиномом третьей степени
Разработка программного обеспечения АРМ-эколога "Шум-01" .
Автоматизация обработки данных с помощью персонального компьютера и автоматизированных рабочих мест требует построения рациональных потоков информации, формализации ее представления, создания специальных методов организации и обработки данных. При ручной обработке информационные процессы характеризуются большой трудоемкостью и дублированием процедур, что приводит к нарушению преемственности потоков информации и снижению достоверности получаемых данных, а применение ПК и АРМ обеспечивает их синтез, единую информационную базу и многоцелевое использование данных в процессе решения функциональных задач.
Информационное обеспечение осуществляется путем разработки интегрированной системы обработки данных, основными принципами которой являются: 108 единая схема формирования исходных и производных (промежуточных и результатных) показателей; централизация преобразования информации; рационализация схемы документооборота; S однократность создания и многократность использования массивов информации; 5 организация данных нормативно-справочного характера; типизация основных работ по расчету плановых показателей производственно-хозяйственной деятельности предприятия.
Проектирование информационного обеспечения АРМ представляет собой разработку совокупности методов и средств организации и выдачи, необходимых пользователю данных, осуществляемую на основе определения составов, структуры и закономерностей преобразования информации, характеристик движения и методик получения необходимой информации.
Центральное место при создании информационного обеспечения отводится выбору машинной организации массивов данных.
Программная часть АРМ-эколога "Шум-01" требует довольно мощных вычислительных ресурсов: компьютер с процессором не ниже Pentium III, объем оперативной памяти не менее 128 Мб. Объем занимаемого дискового пространства около 50 Мб. Программа рассчитана на работу с монитором, имеющим разрешение 1024x768 точек и более.
Внедрение результатов исследования Разработанное автоматизированное место "Шум-01" внедрено в практику экологического контроля в отделе социально-гигиенического мониторинга Федерального государственного учреждения здравоохранения "Центр гигиены и эпидемиологии в Тюменской области".
Использование комплекса позволило повысить оперативность обработки информации, достоверность получаемых результатов, уровень профессиональной компетенции сотрудников, а также качество решаемых экологических задач.
Лабораторный работа "Определение уровня шума транспортного потока" внедрена в образовательный процесс Тюменского государственного нефтегазового университета, где она применяется при проведении лабораторного , практикума по дисциплине "Теория автомобиля" специальности 190601 "Автомобили и автомобильное хозяйство". Целью практикума является установление зависимости уровня шума от динамических характеристик и параметров транспортного потока.
Оценка экономической эффективности результатов исследования Источником экономической эффективности результатов исследования является сокращение затрат на проведение измерений эквивалентного уровня шума автотранспортного потока на улично-дорожной сети города.
Для экономической оценки последствий внедрения инструментального средства АРМ (автоматизированное рабочее место) эколога "ШУМ-01", включающего алгоритмическое и программное обеспечение задач оценки шумового загрязнения окружающей среды автотранспортом, необходимо сопоставить затраты до и после практического использования
