Управление воздействием потоков автотранспорта на качество акустической среды города на основе информационных технологий (80
..pdfNs 4/16 (538) 2007 (октябрь-декабрь) АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ Известия ОрелГТУ
УДК 502.175:681.518.3]:534.836.2
Доктп. техн. наук, проф. А.Н. Новиков (Орловский государственный технический университет) Россия, г. Орел
Канд. физ.-мат. наук, доц. О.А. Иващук; В.В. Васильева (Орловский государственный аграрный университет) Россия, г. Орел
УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОТОКОВ АВТОТРАНСПОРТА НА КАЧЕСТВО АКУСТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ГОРОДА НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В статье рассматриваются основные аспекты управления воздействием потоков авт транспорта на качество акустической среды прилегающих территорий. Приведены результа натурных обследований, визуализации данных экологического мониторинга средствами геоинф ционных систем, а также построения с использованием современных интеллектуальных техно математических моделей для оценки, прогнозирования шумового воздействия и оптимизации у ляющих воздействий.
Комплексный анализ экологической обстановки, сформированной на различной территории Орловского региона, а также источников негативного техногенного воздействия и факторов, опре деляющих его уровень, позволил сделать вывод о приоритетном негативном влиянии автомобиль ного транспорта (AT) при его движении по автомобильным дорогам (АД) на основные компоненты окружающей среды (ОС) и здоровье населения [1-5]. Особенно это характерно для областного цен тра - г. Орла.
Следует отметить, что ни одна из организаций, осуществляющих контроль экологической обстановки в городе, не проводит оценку качественного состояния акустической среды (АС). Ос новное внимание уделяется измерению уровня химического загрязнения ОС. Между тем, послед ствия шумового загрязнения для здоровья человека ничуть не меньше. Это возбуждение вегета тивной нервной системы, нарушение работоспособности. В результате постоянного шумового воз действия в организме повышается уровень стрессовых гормонов, которые могут оказывать резкое негативное влияние на работу сердца.
Внастоящее время во многих странах проблема снижения шумового загрязнения определя ется как одна из приоритетных для обеспечения качества жизни населения в соответствии с Кон цепцией устойчивого развития. Так, по требованиям европейской директивы 2002/49/ЕК (Европей ская комиссия), уже в 2007 году во всех городах с населением более 250 тыс. человек стран, вхо дящих в Европейский Союз, должна быть стратегическая шумовая карта (в России пока нет подоб ного специального закона). Непрерывно ужесточаются требования к шумовым, как и к токсичным, характеристикам автотранспортных средств (АТС). Например, в странах Западной Европы введено Правило № 51, которое не входит в «Евро», а является отдельным ограничением.
Потоки автотранспорта (ПАТ) - главные источники повышенного шума на селитебных тер риториях г. Орла, которые, при этом, являются практически постоянными.
Всвязи с вышесказанным, при оценке и прогнозировании качества ОС на территориях, на ходящихся в зоне влияния АД, выработке эффективных управляющих воздействий по снижению неблагоприятной экологической обстановки, необходимо учитывать негативное шумовое воздей ствие, оказываемое со стороны ПАТ.
226 |
Строительство. Транспорт 2007 |
Строительство. Транспорт 2007
Для обеспечения эффективного научно обоснованного управления качеством основных ком понентов ОС (в т. ч. АС) необходимо использование современных информационных технологий, а именно:
1)создание электронного банка данных (семантических и картографических) об экологиче ской ситуации в г. Орле, в частности, в зонах влияния городских АД, доступного для периодиче ского обновления;
2)формирование банка адекватных математических моделей (ММ) и соответствующих компьютерных программ, позволяющих (без проведения дорогостоящих натурных замеров) осу ществлять как оценку сложившейся экологической ситуации, так и прогнозирование ее развития, в том числе, при осуществлении определенных управляющих воздействий и (или) при стихийном изменении параметров внешней среды (прежде всего, метеорологических);
3)создание банка ГИС-слоев, с помощью которых на электронной карте г. Орла будут ото бражаться данные экологического мониторинга и прогнозных имитационных экспериментов;
4)разработка компьютеризированной схемы передачи и обмена данных;
5)формирование Web-страницы с периодически обновляющейся информацией о состоянии экологической ситуации в зоне влияния АД города, доступной для населения региона.
Для решения поставленных задач в случае управления воздействием ПАТ на качество АС, необходимо:
-определить критерий качественного состояния АС как непосредственно на АД, так и на прилегающих территориях различного назначения;
-определить факторы, формирующие уровень негативного шумового воздействия при функционировании городских АД;
-выделить управляемые и неуправляемые параметры с точки зрения воздействия на них с целью снижения шумового загрязнения;
-разделить управляемые параметры на две группы. В одну войдут те, варьирование которы ми позволит оперативно воздействовать на изменение экологической обстановки, в другую - те, которые могут быть изменены в результате осуществления средне- и долгосрочных экологических программ.
Проблема транспортного шума в зоне влияния городских АД была рассмотрена в системном представлении в соответствии с рисунком 1. Представленная на нем схема демонстрирует, что воз никновение зон акустического дискомфорта (ЗАД) на АД и территориях, к ним прилегающих, в которых проживает и (или) работает (а также учится, отдыхает и т.п.) определенная часть населе
ния города, связано с величиной эквивалентного уровня транспортного шума (Ьэкв). Именно этот параметр является характеристикой качественного состояния А.С.
Ьэкв, определяется различными транспортными (блок Щ) и дорожными (блок §) факторами, ка ждому из которых свойственны особенности формирования шумового воздействия. Кроме того, на размеры ЗАД прямое влияние оказывают различные факторы внешней среды (блоки [з] - J7J). ЗАД на носят социальный и эколого-экономический негативные эффекты, если они распространяются на чувствительные к шумовому воздействию объекты селитебных и промышленных территорий города.
Факторы Ь4, 2Л_ - 2J, а также отраженные блоками Щ-Щ могут регулироваться при реали зации различных специально разработанных природоохранных мероприятий и/или экологических, а также градостроительных программ, которые потребуют определенных временных, трудовых и материальных затрат. Параметры L6 (человеческий фактор) и |3J составляют группу неуправляе-
мых. Транспортные и дорожные факторы, отраженные блоками Ц1.1,ц ]l1..Z|,2, \i1..s\,3 |Q[1.5, |i1../|7,2\г..6ц, являются управляемыми с точки зрения возможности выработки конкретных оперативных решений, регу лирующих сложившуюся экологическую обстановку, не требующих ни строительства новых АД, ни капитального переустройства существующей улично-дорожной сети (УДС), ни принципиаль ного обновления автопарка города, а направленных на обеспечение оптимального управления ПАТ. Именно их рационально выбрать в качестве регулируемых параметров и определить в соста ве объектов экологического мониторинга.
1ив«рсит»т |
227 |
Na 4/16 (538) 2007 (октябрь-декабрь) |
АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ |
||||||||
Известия ОрелГТУ |
|
|
|
|
|
|
|
||
О |
|
[ГЦско |
(Гз|сос |
[14] эксплуа |
[Т~5[ объем |
|1.6| ква |
|1.7| при |
||
интен |
|
рость |
тавТП |
тационное |
и характер |
лификация |
менение |
||
сивность |
ТП |
I |
состояние АТС |
|
груза |
водителей |
звуковых |
||
ТП |
|
J |
|
|
|
т |
т |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
J2~f| продольный |
|
|
|
|
|
|
Дорожные |
|
профиль |
|
|
|
|
|
Транспорт |
|
|
|
||
|
|
|
|
ные факторы |
|
факторы |
|
V. А вид покры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тия, шерохова |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тость |
|
|
|
|
Величина эквивалентного уровня |
|
>,3| ровность |
|||
|
|
|
|
|
покрытия |
||||
|
|
|
|
|
транспортного шума |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5) поперечный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
профиль |
|
|
ЩПриродно- |
|
|
|
|
|
|
|2.5| число полос |
климатические факторы |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
движения и нали |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чие разделитель |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ной полосы |
§ Особенности город |
|
|
|
|
|
|
|||
|
ской застройки |
|
|
|
|
|
|
|2.б| наличие и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I Наличие и тип зеле |
|
|
|
|
|
тип пересечений, |
|||
|
|
|
|
|
остановочных |
||||
ных насаждений |
|
|
|
|
|
|
пунктов для |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
транспорта |
§ Фоновый уровень |
|
|
|
|
|
|
|||
1 Расстояние от АД |
|
негативный эколого- |
|
|
|||||
|
экономический и социальный |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
здоровье |
биосфера |
техносфера |
ноосфера |
|||
|
|
|
человека |
|
|
|
|
|
Рис. 1. Системное представление загрязнения акустической среды г. Орла от городских АД
Остальные факторы системы должны контролироваться и учитываться при выработке управ ленческих решений.
Для оценки существующего состояния АС и в системе управления дорожным движением, а также для сбора данных, необходимых для построения адекватных ММ, необходимо проведение натурных обследований.
Инициативные творческие коллективы (преподаватели, аспиранты и студенты орловских университетов) с 2000 года регулярно проводят экспериментальные исследования для определения уровня загрязнения АС (а также атмосферного воздуха и водных ресурсов). Осуществляются на турные замеры следующих параметров:
-характеристик ПАТ: интенсивности (ИПАТ), состава и скоростного режима ПАТ на всех АД города;
-характеристик УДС;
-метеопарметров;
-характеристик качественного состояния АС - эквивалентного уровня шума.
Определение ИПАТ, состава и скоростного режима ПАТ на перегонах и перекрестках город ских АД выполняется согласно рекомендациям, изложенным в методике «Методика расчетов вы бросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях» (НИИАТ, Москва, 1997).
В качестве шумовой характеристики ПАТ в соответствии с ГОСТ 20444-85 «Шум. Транс портные потоки. Методы измерения шумовой характеристики», проводятся замеры эквивалентно го уровня шума, определенного в 7,5 метрах от оси первой полосы движения AT на высоте 1,5 метра от поверхности земли. Кроме того, для получения более полной картины уровня шума в го-
228 |
Строительство. Транспорт 2007 |
Строительство. Транспорт 2007
родской черте также осуществлялись измерения среднего уровня шума на селитебной территории, примыкающей к обследуемым АД, а также в квартирах жилых домов в соответствии с ГОСТ 23337-78 «Шум. Методы измерения шума на селитебной территории и в помещениях жилых и об щественных зданий». Для проведения замеров использовался сертифицированный прибор шумомер ВШВ-003-МЗ. Все данные натурных обследований заносятся в специальный полевой журнал.
Как уже было отмечено выше, для осуществления прогноза развития экологической ситуа ции необходимо использование специально разработанных ММ и соответствующих им компью терных программ, позволяющих осуществлять необходимые имитационные эксперименты. Рацио нально создание специального информационного банка частных ММ, который позволит значи тельно сократить время разработки прогноза.
Эффективность работы построенной ММ тесно связана с выбранным методом моделирова ния. Проводимые в последнее десятилетие зарубежные и отечественные исследования показали перспективность использования для построения прогностических ММ искусственных нейронных сетей (ИНС). ИНС интенсивно используются в нелинейном управлении, распознавании образов и адаптивной фильтрации, идентификации, финансовом прогнозировании, а также для решения мно гих прикладных инженерных задач.
Нами уже использовался данный метод моделирования для построения ММ управления тех нологическими процессами восстановления деталей в ремонтном производстве автотранспортной техники [6,7]. Был сделан вывод, что нейросетевой подход целесообразно использовать для моде лирования сложных систем с большим количеством параметров, преимущественно для прогнози рования, оптимизации и в системах автоматизированного управления. Именно с такими задачами приходится сталкиваться при моделировании техногенного воздействия на компоненты ОС.
В результате проведенного комплексного экологического мониторинга в зоне влияния го родских АД получено:
- в г. Орле на 9 % улиц в «часы пик» (8-10 ч. утра и 17-19 ч. вечера) наблюдается ИТП более 1900 АТС/ч, из них на 60 % - 2500-3000 АТС/ч и более (АД, которые являются центральными и (или) к ним примыкающими). При этом наблюдается тенденция ежегодного роста ИТП на цен тральных АД.
-Значения Ьэкв, замеренные на АД г. Орла в 2006 г. в дневное время (7-23 ч), изменяются в зависимости от сочетания таких параметров, как ИТП, состав и скоростной режим ТП:
-на перегонах от 65 до 85 дБА,
-на регулируемых перекрестках от 65 до 72 дБА во время запрещающей фазы светофора и от 78 до 96 дБА во время разгона АТС (без учета мототранспорта).
-Наблюдается тенденция ежегодного роста значения Ьжв на одних и тех же опытных участках.
-Ьже, замеренный в утреннее, дневное и вечернее время во дворах жилых домов, помещени ях и дворах учебных заведений, на территории детских площадок, находящихся в зоне влияния АД, составляет 1,2 -н 1,6 ПДУ (предельно допустимый уровень) в соответствии с СН 2.4/2.1.8.56296 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки», а в жилых помещениях, в зависимости от этажности, - 1,5^-2 ДУ (допустимый уро вень) в соответствии с СанПин 2.1.2.1002-00 «Санитарно-эпидемиологические требования к жи лым зданиям и помещениям».
Для осуществления контроля и управления качеством АС разработан комплекс частных ММ на основе аппарата ИНС. При разработке ММ использовались данные натурных экспериментов, проведенных на АД города. Построены ММ двух видов:
-ММ, позволяющие осуществлять оценку и прогнозирование качественного состояния ком понентов АС в зоне влияния АД;
-ММ, позволяющие определять необходимое управляющее воздействие на ТП (или внешние параметры), при заданных значениях характеристики качества АС.
Анализ данных экологического мониторинга и разработка ММ проводилась в системе MATLAB 6.5 (пакет Neural Networks Toolbox) и в модифицированной среде Neuro Pro.
Были разработаны универсальные ММ для любого участка АД г. Орла, а также ММ для кон кретного перегона одной из центральных АД (ул. Комсомольская). Архитектура оптимальных ИНС, входные и выходные параметры, а также значения ошибок аппроксимации, полученные при
U U ^Лчимрситвт |
229 |
№ 4/16 (538) 2007 (октябрь-декабрь) АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ Известия ОрелГТУ
осуществлении с помощью ММ прогноза и проверки его значения на основе серии натурных заме ров на улицах города, показаны в таблице I.
В таблице I использованы следующие обозначения: ИПАТ - / (АТС/ч), доля грузовых авто мобилей и автобусов в ПАТ - Q (%), средневзвешенная скорость ПАТ - V (км/ч), длина перегона - / (м), этажность застройки - Н (м), густота озеленения - к03, температура воздуха - Т (°С), эквива
лентный уровень шума от ПАТ - |
Ьэкв (дБА), ошибка аппроксимации - А (%). При записи архитек |
|||||||
туры ИНС в скобках указаны промежуточные слои и число нейронов в каждом из них. |
|
|||||||
|
|
|
|
Результаты построения прогностических ММ |
Таблица I |
|||
|
|
|
|
|
||||
№ |
|
|
|
Универсальные прогностические |
ММ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
№ |
Вход, параметры |
Выход, |
Архитектура ИНС |
А |
||||
п/ |
параметры |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
п |
10 |
v |
|
|
|
|||
1 |
^экв |
3-(3-2-1)-1 |
0,9 |
|||||
22 |
I, Q, V, 1, Н, к03, Т |
'-'же |
7-(5-2)-1 |
0,6 |
||||
23 |
ЬЭКв, Q, V, 1, Н, к03, T |
I |
7-(5-2)-1 |
6,2 |
||||
44 |
Ьэкв. I, |
V, /, Н, к(№ Т, |
0 |
7-(6-3)-1 |
3,6 |
|||
45 |
Lm I, а |
1. Н, к03, Т |
V |
7-(5-2)-1 |
1,7 |
|||
46 |
ЬЭКв. 1,0, |
V.H, к03, Т |
1 |
7-(6-4-2)-1 |
3,1 |
|||
77 |
Ьжв. I, Q, |
V, 1, Н, Т |
Коз |
7-(5-3)-1 |
1,8 |
|||
|
|
|
|
ММ для конкретного участка |
АД |
|
||
18 |
I, 0 |
V> |
Т, к03 |
Lijm |
5-(4-3)-1 |
0,3 |
||
19 |
Ьжв, |
iji |
' i |
•*> Коз |
I |
5-(4-3)-1 |
2,2 |
|
11 |
Ьэкв, |
•»> |
' 1 *< Коз |
Q |
5-(4-3)-1 |
5,3 |
||
0 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
11 |
'-'же, |
*> 0> |
*> ^оз |
V |
5-(4-3)-1 |
6,3 |
||
1 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Универсальные ММ, построенные для любого участка АД, рекомендованы для использова ния при функционировании экспертно-информационных систем. ММ, построенные для конкрет ных участков АД, рекомендуются для использования при функционировании локальных станций мониторинга, расположенных на этих участках АД.
На базе программного продукта GisMaster разработаны следующие ГИС-слои, которые вой дут в состав «Электронного атласа загрязнения ОС г. Орла»: «Уровень загруженности АД г. Орла» (рис. 2); «Загрязнение АС г. Орла в зоне влияния АД» (для примера на рисунке 3 показана ее часть, соответствующая центральным районам г. Орла).
Визуализация и наглядное представление информации играет большую роль при принятии управленческих решений.
Результаты выполнения научно-исследовательской работы позволяют сделать следующие выводы:
- анализ данных официальной статистики, а также результаты собственных эксперименталь ных исследований показывают, что в настоящее время
1)AT играет приоритетную роль в негативном техногенном воздействии на ОС Орловского региона, в особенности - г. Орла;
2)значительная часть населения г. Орла находится в условиях постоянного акустического дискомфорта, создаваемого ПАТ, движущимися по АД города;
230 |
Строительство. Транспорт 2007 |
Строительство. Транспорт 2007
до 500 авт/ч 500-1000 авт/ч
1000-
1500 авт/ч
1500-
2000 авт/ч
2000-
2500 авт/ч
2500-
3000 авт/ч более 3000 авт/ч
Рис. 2. Вид электронной карты г. Орла с ГИС-слоем «Уровень загруженности АД г. Орла»
S2~* |
* ' ^ ^ ' • - • . " * ч » ' - - ; |
|
|
|
|
до 55 |
^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
# |
|
|
дБА |
|
КР/№£?ЙКА |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
55-60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дБА |
|
к |
|
|
|
|
60-65 |
|
|
4 |
/•" |
„ |
дБА |
|
v |
|
^ |
|
|||
|
( |
65-70 |
||||
JAPE4EHCW1 |
|
|
|
|
ДБА |
|
|
|
|
|
70-75 |
||
^ •ОРЛИК |
|
|
|
|
||
Ь^'" |
V ^ • |
11 • |
|
дБА |
||
|
|
•• |
75-80 |
дБА
V * *; |
80-85 |
|
|
|
.; ДБА |
Рис. 3. Вид электронной карты г. Орла с ГИС-слоем «Загрязнение АС г. Орла в зоне влияния АД»
-управление качеством АС на основе информационных технологий является наиболее пер спективным направлением снижения негативного шумового воздействия на территориях, находя щихся в зоне влияния городских АД;
-с целью оперативного регулирования шумового воздействия, оказываемого ПАТ, эффек тивного функционирования экспертно-информационных систем, разработан комплекс универсаль ных и частных ММ на основе нейросетевого аппарата. Построены адекватные ММ двух видов:
-ММ, позволяющие осуществлять оценку и прогнозирование качественного состояния АС в зоне влияния АД, в том числе, прогнозирование результатов управленческих решений и (или) сти хийного воздействия внешних параметров;
-ММ, позволяющие определять необходимое управляющее воздействие при заданных зна чениях характеристики качества АС;
-разработан комплекс ГИС-слоев, позволяющий проектировать электронные карты, отра жающие результаты экологического мониторинга и (или) прогностических имитационных экспе риментов.
231
№ 4/16 (538) 2007 (октябрь-декабрь) АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ Известия ОрелГТУ
Литература
1. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2005 году: государ ственный доклад [Электронный ресурс]. - М., 2006. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Загл. с экрана.
2.Новиков, А.Н. Управление качеством окружающей среды в зоне влияния автомобильных дорог на основе автоматизированной системы экологического мониторинга [Текст] / А.Н. Новиков, О.А. Иващук, Л.Ф. Ставчикова, В.В. Васильева // Известия Тульского государственного универси тета. Серия Экология и рациональное природопользование, 2006. - № 1 - С. 320 - 324.
3.Новиков, А.Н. Гидроэкология: пути снижения техногенного воздействия на водные ресур сы региона (на примере Орловской области) [Текст]/ А.Н.Новиков, О.А.Иващук/7 Инженерная эко логия, 2005. - № 5. - С. 29 - 46.
4.Иващук, О.А. Мониторинговый анализ воздействия автотранспорта на окружающую среду региона (на примере г. Орла) [Текст] / О.А. Иващук, Л.Ф. Ставчикова, В.В. Васильева // Ремонт. Восстановление. Модернизация, 2006. - № 4. - С. 29 - 33 .
5.Новиков, А.Н. Исследование транспортной нагрузки на автодороги г. Орла [Текст] / А.Н. Новиков, О.А. Иващук, В.В. Васильева // Энерго- и ресурсосбережение XXI век: сборник материа лов четвертой международной научно-практической Интернет-конференции, 2006. - С. 99 - 101.
6.Новиков, А.Н. Компьютерное моделирование технологического процесса восстановления
иупрочнения деталей с/х техники на примере МДО [Текст]/ А.Н.Новиков, О.А.Иващук., Е.В. Дворнов//Известия ОрелГТУ. Сер. Строительство. Транспорт, 2004. -№1-2. - С . 7 6 - 81.
7.Иващук, О.А. Управление качеством и экологической безопасностью ремонтного произ водства на основе компьютерного моделирования [Текст] / О.А. Иващук// Современные наукоем кие технологии. Сер. Технические науки, 2005. - № 4. - С. 23 - 25.
232 |
Строительство. Транспорт 2007 |