Управление воздействием потоков автотранспорта на качество акустической среды города на основе информационных технологий (80

Ns 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.

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.

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-

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

№ 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

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;

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»

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.