Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния автоматизации экологического мониторинга воздушной среды в окрестности магистральных улиц города 11
1.1. Мониторинг воздушной среды как необходимое звено в проектировании и реконструкции городов 11
1.2. Анализ современного уровня автоматизации мониторинга воздушной среды 17
1.3. Анализ методов моделирования выбросов с целью получения обобщенной оценки состояния воздушной среды в окрестности магистральных улиц города 23
1.4. Постановка задач исследования и пути их решения 28
Глава 2. STRONG Разработка методологии построения автоматизированной системы технологического процесса формирования отображения динамики загрязнения с учетом конфигурации
застройки квартала STRONG 30
2.1. Построение информационной подсистемы экологического мониторинга воздушной среды с учетом метеоусловий 30
2.2. Разработка коммутативной диаграммы абстрактной модели дезагрегированного процесса синтеза автоматизированной системы формирования динамики загрязнения среды 32
2.3. Формирование аксиоматики исходных посылок и принципов построения автоматизированной системы мониторинга 35
2.4. Конструирование критериальных функций и определение ограничений, накладываемых на
проектирование систем мониторинга 40
Обсуждение результатов 43
Глава 3. Декомпозиция транспортного потока по интенсивности и видам загрязнения и их экспериментальное исследование 45
3.1. Экспериментальное исследование интенсивности транспортных потоков 45
3.2. Экспериментальное исследование пробеговых выбросов загрязнений 52
3.3. Экспериментальное исследование дополнительных выбросов загрязнений 56
3.4. Расчет суммарных выбросов загрязнений автотранспорта на автомагистрали на примере г.Белгорода 60
Обсуждение результатов 64
Глава 4. Разработка структуры интегрированной автоматизированной системы мониторинга загрязнений воздушной среды как средства информационной поддержки принятия управленческих решений 65
4.1. Исследование возможности применения ГИС-технологий для автоматизированного формирования образа динамики загрязнения воздушной среды 65
4.2. Разработка пользовательского ГИМС-приложения, обеспечивающего совмещение моделей застройки и динамики загрязнения воздушной среды 75
4.3. Разработка структуры интегрированной автоматизированной системы поддержки принятия управленческих решений 93
4.4. Исследование влияния характера реконструкции квартала города на картину модельного отображения динамики загрязнения воздушной среды 105 Обсуждение результатов 112
Основные выводы и результаты работы 114
Список литературы 117
- Анализ современного уровня автоматизации мониторинга воздушной среды
- Разработка коммутативной диаграммы абстрактной модели дезагрегированного процесса синтеза автоматизированной системы формирования динамики загрязнения среды
- Экспериментальное исследование пробеговых выбросов загрязнений
- Разработка пользовательского ГИМС-приложения, обеспечивающего совмещение моделей застройки и динамики загрязнения воздушной среды
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из направлений социальных программ государства в настоящее время является строительство жилья. Однако планируется не просто увеличить количество построенных и реконструированных площадей, а отработать комплексный подход при строительстве жилья, отвечающий высокому качеству жизни. Градостроительная деятельность государства рассматривается как целенаправленная деятельность по формированию благоприятной среды обитания, что связано с обеспечением низкого загрязнения атмосферного воздуха, как одного из жизненно важных компонентов окружающей среды.
Одним из основных источников загрязнения атмосферы в городах является автомобильный транспорт, на долю которого в крупных городах приходится более 40% суммарного выброса загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников. Например, в городе Белгороде удельный вес выбросов автотранспорта в атмосферу составляет 57,8%, и количество выбросов имеет постоянную тенденцию к возрастанию. Поэтому в современных условиях актуальной является проблема создания развитых интегрированных автоматизированных систем, позволяющих мгновенно получать и анализировать данные о состоянии воздушной среды с оценкой возможных последствий при архитектурно-планировочной деятельности по реконструкции городской застройки, что позволило бы в конечном итоге решать задачу оптимизации при обосновании генерального плана реконструкции.
Полученная информация, актуализированная на современных топографических картах в цифровом формате, позволила бы расширить функции системы обеспечения градостроительной деятельности вплоть до функций управления городской средой, включающей мониторинг, анализ выполнения и корректировку генерального планирования в связи с изменившимися условиями путем моделирования и принятия по результатам моделирования решений для устойчивого развития среды.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке методологии построения и структуры интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования отображения динамики загрязнения воздушной среды с учетом конфигурации застройки квартала, позволяющей повысить качество жизни городского населения за счет снижения уровня загрязнения воздушной среды путем рациональной организации движения транспорта, реконструкции и строительства отдельных кварталов города.
Достижение цели исследования предполагает поэтапное решение следующих задач:
разработка методологии построения интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования отображения динамики загрязнения воздушной среды с учетом конфигурации застройки квартала;
формирование аксиоматики исходных посылок и принципов построения автоматизированной системы мониторинга;
проведение экспериментальных исследований по интенсивности транспортных потоков, определению пробеговых и дополнительных выбросов, обусловленных ими;
сбор статистической информации о метеорологических параметрах, влияющих на расчет полей концентраций загрязняющих веществ;
- разработка пользовательского ГИС-приложения, реализую
щего процедуру моделирования полей концентрации загрязняющих
веществ и визуализацию на цифровой карте города с учетом конфигу
рации застройки;
- разработка структуры интегрированной автоматизированной
системы технологического процесса формирования картины модель
ного отображения динамики загрязнения воздушной среды при изме
нении характера застройки.
Научная новизна заключается в:
-разработке общей методологии построения интегрированной автоматизированной системы технологического процесса мониторинга воздушной среды, загрязняющейся выбросами автотранспорта, и формирования картины модельного отображения динамики загрязнения как функции интенсивности транспортных потоков и изменения архитектурно-планировочных решений;
-разработке абстрактной модели дезагрегированного процесса синтеза интегрированной автоматизированной системы формирования динамики загрязнения воздушной среды с учетом изменения планировочных решений, направленных на поиск рациональной конфигурации застройки;
-формировании аксиоматики исходных посылок, критериальных оценок и принципов построения интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования отображения динамики загрязнения воздушной среды с учетом конфигурации застройки квартала;
-совмещенном моделировании динамики загрязнения воздушной среды при изменении архитектурно-планировочных решений с цифровой картой города.
Практическая ценность работы состоит в: -оценках интенсивности транспортных потоков по видам транспорта на основных магистралях на примере города Белгорода;
-расчетных оценках почасовых и посуточных концентраций примеси для наиболее загруженных автомагистралей города, и найденных их пиковых значениях;
-обоснованных выводах по результатам загрязнения воздушной среды в зависимости от реализации различных сценариев реконструкции застройки на примере одного из районов города Белгорода;
-разработанном пользовательском ГИС-приложении, реализующем расчет значений концентраций загрязняющих веществ и визуализацию на цифровой карте города с учетом конфигурации застройки.
Предложенная в диссертационной работе общая методология построения интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования отображения динамики загрязнения воздушной среды с учетом конфигурации застройки квартала позволяет формировать оценку состояния загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта в динамике с визуализацией на электронной карте города и отображением вариантов реконструкции, что является хорошим средством рационализации в архитектурно-планировочной деятельности по застройке и реконструкции отдельных кварталов города.
Внедрение результатов исследований:
- разработанная методология построения интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования отображения динамики загрязнения воздушной среды с учетом конфигурации застройки использована ЗАО «Наземное строительство» при разработке проекта застройки по ул. Почтовой города Белгорода для оценки влияния фоновых концентраций загрязняющих веществ в атмосфере, вносимых автодорогой;
-разработанная методология и программные продукты использованы ООО «Центропроект» при разработке проектов «Проект предельно допустимых выбросов (ПДВ) ОАО «Промтехэнергоснаб»», «Проект организации санитарно-защитной зоны (СЗЗ) ОАО «Белгородские молочные продукты»» для оценки загрязнения атмосферы селитебной зоны предприятия с учетом выбросов с автомобильной магистрали, примыкающей к производственной территории.
На защиту выносятся:
общая методология построения интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования модельного отображения динамики загрязнения воздушной среды как функции интенсивности транспортных потоков и архитектурно-планировочных решений и абстрактная модель дезагрегированного процесса синтеза интегрированной автоматизированной системы формирования динамики загрязнения воздушной среды с учетом изменения планировочных решений, направленных на поиск рациональной конфигурации застройки.
структура интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования модельного отображения динамики загрязнения воздушной среды, совмещающая в режиме реального времени процедуры формирования вектора состояния среды и модельного отображения динамики загрязнения в функции изменения архитектурно-планировочных решений, полученных на основе использования разработанного пользовательского ГИС-приложения.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство) по п. 3 области исследования: «Методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т. д.», п. 7 области исследования: «Методы совместного проектирования организационно-технологических распределенных комплексов и систем управления ими», п. 19 области исследования: «Разработка методов обеспечения совместимости и интеграции АСУ, АСУТП, АСУП, АСТПП и других систем и средств управления».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: первой Международной научно-практической конференции «Науковий потенціал світу '2004» (г. Днепропетровск, 2004); Международной научно-практической конференции «Дні науки '2005» (г. Днепропетровск, 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии -НМТ-2004» (г. Москва, РГТУ им. К.Э.Циолковского, 2004); II Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004).
Публикации. Результаты диссертационного исследования отражены в 13 научных работах, из которых 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ по научной специальности диссертационной работы.
Личный вклад соискателя состоит в следующем: все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.
В работах [1-13] автором выполнены расчеты и представлены результаты по обработке проведенных им экспериментов на магистрали г. Белгорода, доказана возможность применения ГИС-технологий для создания автоматизированных систем интегрированного класса, предложен алгоритм работы геоинформационной модели формирования картины загрязнения атмосферы в динамике, проанализированы результаты моделирования, предложена при консультативной помощи научного руководителя общая методология проектирования интегрированной системы с разработкой ее структуры.
Методы исследования. В работе применялись методы общей теории управляемых систем, математической физики, математического моделирования, компьютерного моделирования, а также методы проектирования информационных систем.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 106 наименований, изложенных на 127 страницах машинописного текста, включая 14 таблиц и 43 рисунка, и приложений на 10 страницах.
Анализ современного уровня автоматизации мониторинга воздушной среды
Как видно из вышеизложенного, проблема чистоты воздуха в городе с повышенной техногенной нагрузкой — проблема комплексная. Очевидно, что в современных условиях для осуществления мониторинга и анализа его результатов наиболее целесообразно применять автоматизированную систему, которая позволяет мгновенно получать и анализировать данные с постов осуществляющих замеры.
Существующая в нашей стране сеть наблюдений загрязнения атмосферного воздуха осуществляется в соответствии с [2, 17, 18, 54, 61, 94, 102] и включает посты ручного отбора проб воздуха и автоматизированные системы наблюдений и контроля окружающей среды (АНКОС).
Методика размещения измерительных станций в системах контроля атмосферного воздуха носит описательный характер, дает общие рекомендации при выборе точки контроля с учетом планировки и застройки районов города, местоположения источников загрязнения и рельефа местности, чтобы отбираемые пробы воздуха характеризовали не местное, а общее загрязнение воздушного бассейна города. Нередко посты наблюдений загрязнения (ПНЗ) размещают просто в узлах прямоугольной сетки, покрывающей контролируемый район или всю страну. В слабо населенном районе ячейка сетки должна иметь размер ах а единиц длины. В более плотно населенных районах сеть будет гуще, с ячейкой Ґ а дЛ — х — к к размером единиц длины. В промышленных районах с сильной эмиссией загрязнителя сетка будет максимально густой. Для определения к (к \) предлагается следующая методика [16]: - для чисто жилой области: k = kx = aNx, где Nt- среднее число жителей на площади а2; а- коэффициент, определяемый эмпирически в соответствии с географией и конфигурацией застройки. При этом следует учитывать возможность циркуляции воздуха или застойные явления (как, например, в низкорасположенных частях города); п - для чисто индустриального района: k = k2=aN2+ T/3lMi, где N2 t=\ максимальное число жителей в районе а2 в рабочие часы.; п- число предприятий в а2; М— общая масса загрязненного воздуха, выбрасываемого каждым из п предприятий; Д - эмпирически определяемый усредненный коэффициент загрязненности в соответствии с числом предприятий и сооружений; - для смешанного района кх и к2 должны определяться раздельно, после чего к = къ ={Nlkl +N2k2)l(Nx +N2).
На основании анализа данных о пространственном изменении концентраций СО в городских районах предпринята попытка установить стандартные критерии для классификации станций по назначению и месту их расположения. Предложена упрощенная их классификация по шести различным категориям [16]:
Тип А. Станция для изучения влияния загрязнения воздуха на пешеходов. Размещается в центральной деловой части города с интенсивным движением. Забор проб воздуха проводится на расстоянии 0,5м от обочины дороги на высоте Зм. Тип В. Фоновая станция в центре города. Размещается на расстоянии не менее 100м от транспортных магистралей (парк, аллеи). Высота отбора проб Зм.
Тип С. Станция для определения влияния загрязнения воздуха на население. Размещается в жилой или пригородной зоне на расстоянии не менее 100 м от автомагистрали. Высота отбора проб Зм.
Тип D. Мезомасштабная метеорологическая станция для сбора метеорологических данных на различных уровнях от поверхности земли. Обычно размещается на телевышках или башнях. Высота отбора проб должна соответствовать данным, которые необходимо получить.
Тип Е. Фоновые станции. Размещаются вдали от промышленных объектов и автомагистралей, предназначены для выявления тренда и крупномасштабных географических наблюдений. Местоположение их должно быть постоянным в течение периода, за который исследуется тренд. Высота отбора проб Зм.
Тип F. Специальные станции для наблюдения за источниками загрязнения. Располагаются вблизи загрязнителя, за которым ведётся наблюдение для определения его влияния на качество воздуха в районе. Высота отбора проб Зм (при отсутствии специальных соображений).
Посты наблюдений загрязнения (ПНЗ) могут быть стационарными, маршрутными и передвижными (подфакельными). С постов ручного отбора пробы для анализа доставляются в химические лаборатории. Системы АНКОС являются стационарными, они оснащены устройствами непрерывного отбора и анализа проб воздуха и передачи информации по каналам связи в центр управления и регулирования состоянием атмосферного воздуха в заданном режиме.
На стационарных постах устанавливаются павильоны типа «Пост-1», «Пост-2», «Воздух», оснащенные аппаратурой для отбора проб и приборами для проведения метеорологических измерений скорости и направления ветра, температуры, влажности. За одно обслуживание на «Пост-1» одновременно отбирается 9 проб, а на «Пост-2» - 38 проб воздуха. Кроме того, «ПОСТ-2» оснащен автоматизированным прибором «Компонент» с узлом отбора проб для определения запыленности воздуха. Маршрутный пост наблюдений - место на определенном маршруте в городе. Он предназначен для регулярного отбора проб воздуха в фиксированной точке местности при наблюдениях, которые проводятся с помощью передвижной аппаратуры. Маршрутные наблюдения осуществляются на маршрутных постах с помощью автолабораторий. Такая передвижная лаборатория имеет производительность около 5000 отборов проб в год, в день на такой машине можно произвести отбор 8-10 проб воздуха. Порядок объезда маршрутных постов ежемесячно меняется таким образом, чтобы отбор проб воздуха на каждом пункте проводился в разное время суток. Например, в первый месяц машина объезжает посты в порядке возрастания номеров, во втором - в порядке их убывания, а в третий - с середины маршрута к концу и от начала к середине и т.д.
Маршрутным передвижным постом является лаборатория «Атмосфера-2». В лаборатории «Атмосфера-2» используются полуавтоматические переносные приборы-индикаторы, предназначенные для определения содержания диоксида серы и сероводорода, а также хлора и озона в атмосферном воздухе. Передвижная лаборатория «Атмосфера-2» предназначена для осуществления контроля за загрязнением воздуха, измерения метеорологических параметров: атмосферного давления, скорости и направления ветра, температуры и относительной влажности воздуха, а так же экспрессной оценки загрязнения вод и почвы.
В настоящее время в городе Белгороде используются контактный и дистанционный методы оценки состояния воздушной среды [48].
Контактный метод базируется на измерении уровня загрязнения атмосферы города четырьмя стационарными постами наблюдения загрязнений (ПНЗ), расположенными в четырех условно разделенных районах города: ПНЗ-3 в центральной части города, в непосредственной близости к Западному промышленному району, где насчитывается более 35 промышленных предприятия, 16 из которых вносят существенный вклад в загрязнение атмосферы города; ПНЗ-6 - улица Шершнева (северный район); ПНЗ-7 - улица Мокроусова (южный район); ПНЗ-8 — улица Макаренко (Восточный промышленный район). Используются также две маршрутные лаборатории, следящие за атмосферным воздухом в промышленной зоне Белгородского цементного завода.
Разработка коммутативной диаграммы абстрактной модели дезагрегированного процесса синтеза автоматизированной системы формирования динамики загрязнения среды
Анализ информационной модели мониторинга воздушной среды показывает, что стремление к повышению точности функционирования системы приводит с одной стороны к росту размерности вектора состояния системы, а с другой - к необходимости выполнения элементарных математических операций над исходной информацией, т. е. компонентами вектора состояния, с целью получения обобщенных оценок, используемых для принятия решения об управлении, или с целью формирования управляющего воздействия.
Применительно к задаче построения автоматизированной системы мониторинга воздушной среды можно выделить следующие инвариантные элементы структур дезагрегированного процесса воздушной среды: - обнаружение изменений параметров воздушной среды {а,р,у,д,е,/л,Э,%}, определяющих направление выполнения цели мониторинга; - организация информационного потока данных об изменениях в форме конечных множеств сигналов ([ Л l /Л І Л І Л 1 А И Л 1 ,Л I 7 J) и обобщенных показателей, сформированных в результате первичной обработки этой информации по алгоритмам, вытекающим из концепции управления; - оценка полученных результатов; - принятие решения на основе информации об оценке результатов, направленного на компенсацию изменения и достижения целевой функции в рамках принятого критерия качества.
Разработка коммутативной диаграммы абстрактной модели дезагрегированного процесса синтеза автоматизированной системы формирования динамики загрязнения среды
На основании концепции общей теории систем Месаровича представим абстрактную модель дезагрегированного процесса синтеза автоматизированной системы формирования динамики загрязнения среды с учетом постулатов осуществимости, функциональной декомпозиции и совместимости [15, 57, 77, 78, 82] в следующем виде: a)S:UxXnxY„- En; 6)G:En-+I; e)Sx=SXlSD:UKX- X„xCxCD; 2)Sr=SnSD:UK YnxBxBD; д)Кх =XxCxCD- Xn; e)KY =YxBxBD - ?„; ж)01:Хях?т Хях?яхМ1; 3)H:NxM E n; u)P:E n- U; (2.1) K)R = IXI. n)L:Xnx?nxMs-+NxM
Содержательная оценка введенных множеств и отображений может быть следующая: отображение S соответствует модели процедуры измерения параметров загрязнения воздушной среды и метеоусловий, представляющей собою композицию модели обобщенного измерителя-преобразователя 5/ и модели дискретного преобразователя So, т. е.
$х SX,$D Uх - Х„; SY = SnSD :UY - Yn. Здесь U, X, Y - множества соответственно управляющих (регулирующих) переменных и измеримых на основании эксперимента оценок состояний X и Y системы. Индекс п указывает протекание процесса в смысле его упорядоченности во времени. Е — множество обобщенных в смысле Л. Заде натуральных состояний для управляемой системы мониторинга.
Множество управлений можно рассматривать как совокупность подмножеств {UX,UY}, где Ux ={uXi,UXK,Uf\, Uу ={uYi,UyK}, причем подмножества управления UXl и и у, направлены на изменение процедуры измерения и преобразования переменных состояний X и Y соответственно; подмножества UXK и UYK -управления процедурой мультиплексирования, а подмножество управления Uf на изменение переменных состояния X системы за счет изменения режимов работы светофоров.
Отображения Ох и Оу отражают процедуру моделирования распространения ЗВ на основе векторов оценок состояний X и Y системы, сформированных по эксперименту, с использованием математической модели Ms с целью получения оверлей полей распространения ЗВ в атмосфере. Получению обобщенного образа динамики загрязнения среды N с учетом конфигурации застройки М соответствует отображение L, а формирование обобщенного образа текущего состояния Еп на данном шаге п отражается при помощи отображения Н. Т- отображение, отражающее процедуру поиска оптимальной конфигурации застройки при принятии планировочных решений путем варьирования модели карты застройки М. Р - отображение обобщенного регулятора, формирующего множество управляющих переменных U. G - глобальная критериальная функция, а / - множество критериальных состояний, вводимых для количественной оценки состояния управляемой системы. R представляет собой отношение глобальной удовлетворительности управляемой системы, отождествляемое с квазипорядком на множестве /. Преимущество модели дезагрегированного процесса синтеза автоматизированной системы формирования динамики загрязнения среды с учетом изменений планировочных решений, направленных на поиск оптимальной конфигурации застройки путем варьирования модели карты, состоит в том, что здесь выделены детализированные элементы системного анализа: управляемый объект (2.1, в), критериальная функция (2.1, б), обобщенный регулятор, а также описана логико-функциональная связь, что в целом позволяет представить абстрактную систему (2.1) в виде коммутативной диаграммы, приведенной на рис. 2.2 [57].
Экспериментальное исследование пробеговых выбросов загрязнений
Как следует из коммутативной диаграммы абстрактной модели дезагрегированного процесса синтеза автоматизированной системы формирования динамики загрязнения среды (рис. 2.2) на начальном этапе необходимо произвести измерения переменных состояний X и Г (2.1, в, г), на основе векторов оценок состояний которых (2.1, д, ё) с использованием математической модели Ms могут быть получены оверлей полей распространения ЗВ в атмосфере (2.1, ж).
Для расчета выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) транспортными потоками при движении автомобилей по городской магистрали г. Белгорода проспекту Б.Хмельницкого на перегоне между перекрестками ул. Студенческая и ул. Мичурина применялась «Методика расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях» [42]. Согласно этой методике учитывался выброс следующих ЗВ: - оксида углерода - СО; - углеводородов - СН; - оксидов азота - NOx (в пересчете на NO2); - твердых частиц (сажа) - С; - диоксида серы - SO2. Величина выброса автомобилями /-го ЗВ Mt на участке улицы длиной / определяется по формуле: Mi = Mli + Di, (3.1) где МЦ - выброс /-го ЗВ при непрерывном движении транспортного потока (г/ч), отражающий неизбежную часть выброса, определяемую техническим уровнем и состоянием транспортных средств, скоростью и интенсивностью движения, дорожными условиями; Д - дополнительный выброс /-го ЗВ, связанный с задержкой транспортных средств (г/ч), отражающий увеличение выбросов, вызванное торможением и разгоном транспортных средств, а также работой двигателя на холостом ходу.
Для реализации данного подхода используется следующая расчетная схема:
Участок транспортной сети города представляется в виде отдельных элементов улично-дорожной сети: перегонов (между центрами перекрестков) и перекрестков. Измеряется ширина проезжей части (с разделением по направлениям движения) и длина перегонов. Длина перегона делится на отрезки равной длины, называемые базами. Рекомендованная длина базы 30-60 м. Границы баз фиксируются. 2. Проводятся натурные измерения интенсивности и состава транспортного потока на перегоне для каждого часа 16-ти часового периода активного движения (с 6 до 22 часов) по направлениям с фиксацией 3-х групп автомобилей: легковых, грузовых, автобусов. Для этого интенсивность движения на перегоне фиксируется в течение 15 минут каждого часа дня и умножается на 4. Полученная величина представляет собой часовую интенсивность транспортных средств на рассматриваемом перегоне.
Определяется средняя мгновенная скорость автомобилей в потоке на длине каждой базы. Для этого производится измерение времени проезда каждой базы автомобилями, выбор которых производится случайным образом. При этом учитываются следующие положения: если автомобили движутся группами, измерения необходимо проводить, варьируя положение транспортного средства в группе (головной, средний, замыкающий); в выборке необходимо соблюдать такую же пропорцию наблюдаемых грузовых автомобилей, какая фактически существует в наблюдаемом потоке; отдельные свободно движущиеся автомобили не должны составлять значительной доли в выборке. Обычно выборка должна содержать скорости не менее 50 (предпочтительно 100 и более) автомобилей.
По зафиксированным временам проезда проводится статистическая обработка данных измерения мгновенных скоростей и строится кумулятивная кривая скоростей: выбираются значения максимальной и минимальной скоростей на данном участке, которые определяют диапазон изменения скоростей, для которых будет строиться кумулятивная кривая. Этот диапазон разбивается на интервалы скоростей по 5 км/ч, которые откладываются по оси X при построении кумулятивной кривой. Для каждого такого интервала определяется частота, т.е. число попаданий в него рассчитанных мгновенных скоростей из выборки. На основе частоты наблюдений рассчитывается кумулятивная частота для каждого интервала как сумма текущей частоты и предыдущих значений. Кумулятивный процент может быть получен делением каждой кумулятивной частоты на общее число наблюдений и умножением результата на 100. Значение кумулятивного процента откладывается по оси Y.
В результате построения кумулятивной кривой распределения скоростей необходимо получить скорость не менее 85% обеспечения. Эта скорость принимается как скорость в каждой базе и используется как входной параметр для выбора соответствующего варианта расчета по методике. При выборе варианта используются только два диапазона скоростей движения на перегоне: 30-45 км/ч и 45-60 км/ч.
Разработка пользовательского ГИМС-приложения, обеспечивающего совмещение моделей застройки и динамики загрязнения воздушной среды
Как видно из коммутативной диаграммы абстрактной модели синтеза интегрированной автоматизированной системы мониторинга воздушной среды (см. рис. 2.2), для информационной поддержки архитектурно-планировочных решений, отображения Ох и Оу отражают процедуру моделирования распространения ЗВ на основе векторов оценок состояний X и Y системы, сформированных по эксперименту, с использованием математической модели Ms с целью получения оверлей полей распространения ЗВ в атмосфере (2.1, ж).
Получению обобщенного образа динамики загрязнения среды Nc учетом конфигурации застройки М соответствует отображение L (2.1, л), а формирование обобщенного образа текущего состояния Еп на данном шаге п отражается при помощи отображения Н(2Л, з).
Наиболее удобными и мощными инструментами визуализации результатов мониторинга окружающей среды являются различные геоинформационные мониторинговые системы (ГИМС), позволяющие непосредственно на цифровой карте города размещать информацию об уровнях загрязнения воздуха, используя в качестве исходных данных результаты измерений или вычислений концентраций вредных веществ.
В настоящее время существует целый ряд ГИМС, позволяющих осуществить математическое моделирование распространения примесей и загрязняющих веществ в воздухе, как от стационарных, так и от подвижных источников. В Советском Союзе в 1986 году была разработана программа автоматизированного расчета полей концентраций загрязняющих веществ в атмосфере без учета влияния застройки «Гарант-1» [61]. К достоинствам данной программы можно отнести: - расчет линейных, точечных и плоскостных источников, в том числе и групп веществ, обладающих эффектом суммации вредного действия; - при одном расчете можно задать 1000 источников вредных выбросов, 30 вредных веществ, 10 групп суммации, 200 источников по каждому веществу, 20 расчетных прямоугольников, 500 узлов в расчетном прямоугольнике; - малый объем необходимой оперативной памяти ЭВМ. К недостаткам можно отнести следующее: - расчет производится в расчетных узлах, находящихся в пределах указанной площади и размещенных на регулярной сетке с заданной величиной шага по длине и ширине; - отсутствие учета рельефа местности (для всей расчетной площадки он принимается одинаковым и вводится в виде константы «признак учета рельефа») и застройки; - весь расчет производится по формулам, аппроксимирующим экспериментально полученные зависимости; - входная информация вводится с помощью сервисной программы «Диалог» или непосредственным созданием текстового входного файла. В качестве разделителей применяются служебные символы, однако при этом отсутствует удобочитаемость входной информации.
Другим программным продуктом, предназначенным для расчета токсичного воздействия от выбросов автотранспорта, является ЭПК Zone [67]. В нее входят специальные редакторы, позволяющие создавать электронные карты, учитывать застройку и рассчитывать поля шума, создаваемого автотранспортом. Кроме того, ЭПК Zone имеет встроенную систему диагностики Z/Ecomed для расчета вероятности и форм заболеваний на основе данных о концентрации загрязняющих веществ. Также для расчета среднегодовых концентраций загрязняющих веществ применяется программа CAL3QHC, в основе которой лежит модель рассеивания выбросов от автотранспортных потоков CALINE-3, рекомендованная Организацией экономического сотрудничества и развития (OECD) стран - членов ЕС [67]. Модель CALINE-3 аппроксимирует конечный линейный источник (магистраль) множеством точечных источников. Концентрация в заданной точке рассчитывается как сумма концентраций от каждого точечного источника. Для расчетов средних значений концентраций загрязняющего вещества в атмосфере по модели CALINE-3 необходимо иметь данные совместной повторяемости категорий устойчивости атмосферы, высот слоя перемешивания, направлений и скоростей ветра за осредненный период. Отдельные отрезки, из которых состоит дорожная сеть, разделяются программой на отрезки неравного размера, длина которых возрастает степенным образом при удалении от точки, где рассчитывается концентрация загрязнения (для уменьшения объема вычислений).
Таким образом, можно отметить, что в данной программе помимо осреднения таких данных как скорость ветра, температура и другие метеорологические условия, отсутствует учет застройки вдоль магистралей и дорог.
ARC VIEW GIS [67], разработанная фирмой ESRI (США), при расчете интенсивности осаждения примесей загрязняющих веществ на подстилающую поверхность позволяет поддерживать полную цифровую модель ландшафта как в векторном, так и в растровом формате с учетом ввода в вычисления текущей метеорологической информации, что особенно удобно для представления геофизических явлений, непрерывных в пространстве. Результаты вычислений могут быть оформлены в виде изолиний с заданным шагом, совмещенных с электронной картой города.
Данный программный продукт возможно использовать для расчета полей среднегодовых концентраций и прогнозирования ситуации. Комплекс поддерживает совместимость форматов данных с другими программами и открытость модификации. К основным недостаткам ARCVIEW GIS относятся: невозможность расчета трехмерных полей загрязнения атмосферы с учетом экранирующего влияния зданий и использования встроенных методических материалов по организации расчетов, а также отсутствие возможности подключения внешних технических устройств (импорт внешних данных) в целях создания автоматизированной системы мониторинга.
Производителем программного комплекса МАГИСТРАЛЬ, предназначенного для расчета концентрации выбросов загрязняющих веществ от автомобильного транспорта, является Российская фирма «Интеграл» [67]. Данный программный комплекс формирует цифровую модель ландшафта только с учетом зданий и сооружений и рассчитывает двумерные поля загрязнения, представляя результаты вычислений в виде цветных карт рассеивания в форме изолиний с заданным шагом. Это является основным отличием данного ПК от ARCVIEW GIS, обладая теми же самыми недостатками.
В настоящее время появились новые интегрированные пакеты для вычисления характеристик потоковых процессов (Computational fluid dynamics, CFD), использующих такие программные пакеты реализации как: Star-CCM+, Ansys CFX, Comsol Multiphysics, Fluent, FlowVision, GasDynamicTools [85].
Программный комплекс STAR-CCM+ разработан компанией CD-adapco с использованием современных технологий создания программного обеспечения, позволяющих обеспечить высокую точность, надежность и гибкость при решении задач вычислительной механики сплошных сред.
