Введение к работе
Актуальность темы. По оценкам специалистов в последние годы до 90% загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосфере крупных городов было выброшено автотранспортными средствами (АС). Для решения этой проблемы в состав градостроительных предприятий, и прочих предприятий, имеющих на балансе большое количество автотранспортных средств, входят специальные отделы. Автоматизация их деятельности обуславливает внедрение информационных систем, к основным функциям которых относятся: мониторинг выбросов загрязняющих веществ от автотранспортных средств на основе расчета их количества и прогнозирование выбросов с целью разработки рекомендаций для проведения мероприятий, улучшающих экологическую обстановку. К сожалению, существующие на текущий момент алгоритмы расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств (работы М. Е. Берлянда, Н. Л. Вызова, утвержденные ГОСТ методики расчета) не свободны от недостатков. В первую очередь это связано с тем, что модели данных, используемые этими алгоритмами, не учитывают в полной мере параметры функционирования автотранспортных средств, так как были унаследованы от алгоритмов обработки стационарных источников загрязняющих веществ. Более того, эти алгоритмы рассчитывают выброс от участков транспортной сети, а не от отдельных автотранспортных средств.
В тоже время, ряд алгоритмов используют представление о потоке машин, как о потоке жидкости (работы П. Бенсона, Д. П. Чока, Р. Эскриджа). Данный подход дает более точные результаты, но также не позволяет учитывать характеристики отдельных АС.
Некоторые работы (например, В. В. Семенова) посвящены математическому моделированию динамики транспортного потока. Однако эти работы носят теоретический характер, так как создание программных средств, основанных на них, будет сталкиваться с существенными ограничениями производительности.
Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью совершенствования моделей данных и разработки модели перемещения автотранспортных средств, позволяющих достичь большей точности анализа вредных
выбросов в атмосферу, и разработать на их основе структуру программного средства, обладающего приемлемой производительностью.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка модели данных и модели перемещения автотранспортных средств, и построение на их основе структуры программного комплекса.
Достижение цели потребовало решения следующих задач:
Анализ и оценка существующих моделей и способов представления данных, которые используются в алгоритмах расчета рассеивания вредных выбросов от автотранспортных средств в атмосфере.
Разработка модели данных АС и алгоритмов для описания перемещения АС, учитывающих основные характеристики работы АС, необходимые для определения местоположения и объема выброса ЗВ.
Разработка структуры распределенной информационной системы анализа вредных выбросов в атмосферу АС и соответствующего программного обеспечения, позволяющего проводить расчет выброса ЗВ от АС, прогнозирование выброса ЗВ и мониторинг ЗВ от АС.
Проведение апробации предложенной модели данных и алгоритмов.
Методы исследования. Методы исследования основаны на использовании средств системного анализа, аппарата теории графов, теории клеточных автоматов, теории алгоритмов, имитационного моделирования, дискретной оптимизации, информационных технологий. При разработке программных средств использовались методы модульного программирования, технологии объектно-ориентированного программирования, параллельного и распределенного программирования с использованием шаблонов проектирования.
Научная новизна и значимость результатов диссертации:
разработана двухуровневая модель данных автодорожной сети (первый уровень представления использует модифицированный клеточный автомат, второй опирается на ориентированный граф), позволяющая с меньшими техническими затратами моделировать перемещение АС и более точно определять местоположение АС;
разработана модель данных АС в виде вектора основных технических характеристик (объем двигателя, скорость движения, тип топлива), связанного с временным интервалом, на котором вектор не менялся, и
вероятностью этого вектора, что позволяет точнее определять вклад в выброс ЗВ каждого АС и объем выброса;
разработана информационная модель расчета выброса ЗВ от АС, использующая указанные выше модели данных, и опирающуюся на эти модели систему моделирования движения АС;
сформирована оптимизационная модель и разработан алгоритм для поиска худшей, с точки зрения загрязнения атмосферы, совокупности автотранспортных средств, позволяющие найти решение без использования полного перебора;
разработана структура распределенного программного комплекса системы анализа вредных выбросов в атмосферу автотранспортными средствами, позволяющая разделить процесс моделирования и расчета между параллельными процессами и/или разными вычислительными машинами.
Область исследования. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.13.17 — «Теоретические основы информатики» (технические науки), а именно:
п. 2 «Исследование информационных структур, разработка и анализ моделей информационных процессов и структур»;
п. 3 «Исследование методов и разработка средств кодирования информации в виде данных. Принципы создания языков описания данных, языков манипулирования данными, языков запросов. Разработка и исследование моделей данных и новых принципов их проектирования»;
п. 14 «Разработка теоретических основ создания программных систем для новых информационных технологий».
Практическая ценность и результаты внедрения. Практическая ценность работы состоит в том, что предложенная система анализа вредных выбросов в атмосферу от автотранспортных средств обладает высокой точностью как количественного, так и картографического анализа объемов выбросов загрязняющих веществ.
Данная система построена таким образом, что может функционировать распределенно, тем самым предоставляя практически неограниченную расши-
ряемость для проведения расчетов сколь угодно крупных предприятий и городов.
Разработанные средства анализа вредных выбросов могут быть использованы не только для проектирования, но и в научных исследованиях. Применение результатов работы при проектировании автодорог и объектов в жилых и промышленных зонах позволяет повысить качество выполнения проектных работ.
Полученные в диссертации результаты дают основу для дальнейших теоретических и практических работ в области анализа вредных выбросов в атмосферу автотранспортными средствами.
Теоретические и практические результаты работы внедрены в деятельность ООО «Экологический центр» и ряда других фирм Воронежской области и реализованы в виде программной системы, о чем свидетельствуют соответствующие акты внедрения.
Полученная программная система зарегистрирована в государственном информационном фонде, о чем свидетельствует соответствующее свидетельство.
На защиту выносятся:
Двухуровневая модель данных автодорожной сети на основе клеточного автомата и ориентированного графа.
Модель данных АС, базирующаяся на основных характеристиках АС и связанная с временными интервалами и вероятностью функционирования на этом интервале.
Модель расчета выброса загрязняющих веществ, учитывающая как технические характеристики, так и перемещение АС.
Оптимизационная модель и алгоритм для поиска худшей, с точки зрения загрязнения атмосферы, совокупности автотранспортных средств.
Структура распределенной информационной системы анализа вредных выбросов в атмосферу автотранспортными средствами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались на VII международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2007), VIII международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2008), IX между-
народной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2009), XXIX Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2010).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 13 печатных работ, в том числе 12 без соавторов; 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационных исследований.
Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоит: в [13] - разработка алгоритмов учета вероятности функционирования АС при проведении расчета рассеивания.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 115 страницах, включает 21 рисунок, 3 таблицы. Состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 96 наименований и 2 приложений.
