автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система мониторинга воздушной среды как информационная поддержка принятия управляющих решений

На правах рукописи

ПАРАЩУК ЕЛЕНА МИХАЙЛОВНА

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ КАК ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ РЕШЕНИЙ

Специальность 05.13.06— «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технически* наук

1 7 АПР 2(Ш

Белгород 2014

005547081

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова» (БГТУ им. В. Г. Шухова)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рубано« Василий Григорьевич

Официальные оппоненты: Корсунов Николай Иванович

доктор технических наук, профессор Белгородского государственного национального исследовательского университета, профессор кафедры математического и программного обеспечения информационных систем

Еременко Юрий Иванович

доктор технических наук, профессор СТУ НИТУ «МИСиС», заведующий кафедрой автоматизированных и информационных систем управления

Ведущая организация: Юго-Западный государственный университет

Защита состоится "16" мая 2014 г. в 1230 на заседании диссертационного совета Д212.014.04 при Белгородском государственном технологическом университете им. В. Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46, БГТУ им. В. Г. Шухова, главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова.

Автореферат разослан " 8 " апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И. А. Семикопенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, реализующего процедуру моделирования полей концентрации загрязняющих веществ и визуализацию на цифровой карте города с учетом конфигурации застройки;

- разработка структуры интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования картины модельного отображения динамики загрязнения воздушной среды при изменении 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 потенщал св!ту '2004» (г. Днепропетровск, 2004); Международной научно-практической конференции «Дш 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 н 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна, практическая значимость и внедрение результатов работы, сформулированы положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния автоматизации технологического процесса мониторинга воздушной среды в окрестности магистральных улиц. Подчёркнута важность определения полей распространения загрязняющих веществ от выбросов автотранспорта, как основного источника загрязнения в городах.

На основе трудов ученых Ю. Д. Эдельштейна, В. Ю. Волкова, Д. П. Вента, И. В. Якунина, В. М. Панарина и др. сделан вывод о том, что в полном объеме решить задачи мониторинга загрязнения воздушной среды в городе возможно только с помощью интегрированной автоматизированной системы, тесно увязанной с архитектурно-

планировочной деятельностью по реконструкции города. При этом для визуализации полученных результатов мониторинга на электронной карте города в наглядной и доступной форме необходимо использование геоинформационных систем.

Проведен краткий анализ методов моделирования распространения выбросов загрязняющих веществ в атмосфере, изложенных в трудах М.Е. Берлянда, Г.И. Марчука, В.В. Пененко, Н.Л. Бызовой. На основе проведенного анализа состояния автоматизации в области мониторинга воздушной среды и формирования динамики ее загрязнения сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе разработана общая методология построения интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования модельного отображения динамики загрязнения воздушной среды с учетом конфигурации застройки квартала, включающая разработку информационной модели мониторинга воздушной среды, абстрактной модели синтеза автоматизированной системы, коммутативной диаграммы этой модели, а также аксиоматики исходных посылок, критериев и принципов построения системы.

Основными химическими соединениями в выбросах автотранспорта, влияющими на здоровье человека, являются окись (оксид) углерода (СО), углеводороды (СН), двуокись азота (Ы02), сажа (С), двуокись серы (БОг), свинец (РЬ). Эти переменные в общем случае представляют собой случайные процессы. Кроме того, на вход устройства сбора информации должны поступать еще информационные сигналы о метеорологических параметрах V (атмосферное давление, направление и скорость ветра, температура и плотность воздуха).

Разработанная информационная модель позволяет наглядно проследить процесс преобразования физических носителей информации в вектор обобщенных оценок состояния, используемый при математическом моделировании для отображения динамики загрязнения воздушной среды на цифровой карте города и принятия решения об управлении или формирования управляющего воздействия.

В качестве эффективного декомпозиционного аппарата при проектировании интегрированной системы автоматизации, допускающего упрощение рассмотрения анализа задачи в целом в форме отдельных функционально-законченных подсистем, предложена абстрактная модель дезагрегированного процесса синтеза системы формирования динамики загрязнения среды в зависимости от конфигурации застройки, позволяющая выделить следующие инвариантные элементы структур этого процесса:

— обнаружение изменений параметров воздушной среды, определяющих направление выполнения цели управления;

- организация информационного потока данных об изменениях в форме конечных множеств сигналов 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.

Формализация этого процесса привела к получению абстрактной модели дезагрегированного процесса синтеза интегрированной автоматизированной системы формирования динамики загрязнения среды следующем виде:

е)Кг = УхВхВ0 -> Г„;

Содержательная оценка введенных множеств и отображений следующая: отображение Л' соответствует модели процедуры измерения параметров загрязнения воздушной среды и метеоусловий, представляющей собою композицию модели обобщенного измерителя-преобразователя 5/ и модели дискретного преобразователя т. е.

Здесь и, X, У - множества соответственно управляющих (регулирующих) переменных и измеримых на основании эксперимента оценок состояний X и У системы. Индекс п указывает протекание процесса в смысле его упорядоченности во времени. Е — множество обобщенных натуральных состояний для управляемой системы мониторинга.

Множество управлений можно рассматривать как совокупность

подмножеств {их,иг}, где их=ря,иж,и,}, иг = {и„,иук}, при-

чем подмножества управления их. и ц направлены на изменение процедуры измерения и преобразования переменных состояний X и У соответственно; подмножества и^ и игк - управления процедурой

б)в :£„->/;

«)5'Л- = З^о : икх —> Х„ х С х С„;

г)5\ = :ику ->Г хВхВ0;

д)Ку = X хС хС0 ->Х„;

ж)0{ : Хп х }'п —> Л'п х )'п х Л/(;

з)Н : N х М Е'а;

и)Р: Е'а —> £/; к)И = 1x1;.

л)Ь :ХпхУпхМ! —> ЫхМ.

'п'

(1)

к^у — 5 У, ^ р . и у —^ )п«

мультиплексирования, а подмножество управления и — 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 У системы, сформированных по эксперименту, с использованием математической модели М5 с целью получения оверлей полей распространения ЗВ в атмосфере.

Получению обобщенного образа динамики загрязнения среды N с учетом конфигурации застройки М соответствует отображение Ь, а формирование обобщенного образа текущего состояния Е„ 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 и.

й - глобальная критериальная функция, а / - множество критериальных состояний, вводимых для количественной оценки состояния управляемой системы.

Я представляет собой отношение глобальной удовлетворительности управляемой системы, отождествляемое с квазипорядком на множестве I.

Преимущество модели дезагрегированного процесса синтеза интегрированной автоматизированной системы формирования динамики загрязнения воздушной среды с учетом планировочных решений, направленных на поиск рациональной конфигурации застройки путем варьирования модели карты, состоит в том, что здесь выделены детализированные элементы системного анализа: управляемый объект (1, в), критериальная функция (1, б), обобщенный регулятор, а также описана логико-функциональная связь, что в целом позволяет представить абстрактную систему (1) в виде коммутативной диаграммы, приведенной на рис. 1.

Коммутативная диаграмма содержит замкнутые контуры измерения параметров состояний X п У системы и преобразования их в дискретный сигнал за счет управлений их. и и; варьирование режимов мультиплексирования передачи данных за счет управлений ихк и игк; изменение концентрации выбросов загрязняющих веществ под действием управления ц , изменяющего режим работы светофоров. Кроме того, можно выделить контур, обеспечивающий поиск опти-

мальной карты застройки при принятии планировочных решений путем варьирования модели городской застройки М.

Наличие обобщенной абстрактной модели дезагрегированного процесса синтеза автоматизированной системы формирования динамики загрязнения среды и коммутативной диаграммы позволяет, во-первых, построить логико-функциональную структуру процесса синтеза системы, во-вторых, сформулировать общую проблему проектирования и расчленить ее на отдельные задачи, интерпретирующие составляющие элементы абстрактной модели.

Структура абстрактной модели (1) дезагрегированной информационной модели процесса мониторинга воздушной среды содержит интегральную критериальную (целевую) функцию С, а также принцип классификации Я значений /-множества глобальных критериальных состояний (1,6, к).

и.»

1

5о Ку

У -* У ХВ* В —» ?

и,',

1

Иг,

X -► Хп* С* С -* X

Т

и/

:и

Е„

ХХГХМ, I-

Я хм

Рис. 1. Коммутативная диаграмма абстрактной модели Пара отношений (1, 6) и (1, к) представляет собой абстрактную модель векторной оптимизации, а интегральная критериальная функция может интерпретироваться как функция, реализующая алгоритм линейного взвешивания с ~ весовыми коэффициентами, отражающими либо процентное содержание компонентов загрязняющих веществ в выбросах автотранспорта, либо степень их влияния на здоровье человека

С(Е)= /п

_ и—\ и=1

где с"п ~ отражает значение и-го регулируемого выхода; ,\п\ -

характеризует интегральную погрешность управляемой системы на п-м шаге управления.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований интенсивности транспортных потоков (рис. 2), расчета количества значений пробеговых (рис. 3) и дополнительных (рис. 4) выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта, проведенных на магистралях города Белгорода по ул. Б. Хмельницкого и ул. Мичурина с использованием «Методики расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях».

интенсивность потока машин за день направление юг-север

V

интенсивность потока машин задень направление север-юг

Рис. 2. Изменение интенсивности потока транспортных средств

------■

8 8 1 1 8 \ \ 1 14,00-15.00 15.00-16,00 160СМ7.СО 8 \ | 20.00-21,00 21,00-22.00

Рис. 3. Пробеговые выбросы СО (г/час) расчетной группы легковых автомобилей в течение дня

тгго

.......А......мУНт.....

/Л—I-1—I-1-1-1-1—1-1-1-1_I-1—| у

? ? <? 5 Я

Рис. 4. Динамика дополнительных выбросов загрязняющих веществ на перекрестке

Проведен расчет суммарного значения загрязняющих веществ за сутки по ул. Б. Хмельницкого и ул. Мичурина г. Белгорода.

Проведенные исследования позволили получить оценки интенсивности транспортных потоков по видам транспорта на основных магистралях города Белгорода; рассчитать значение почасовых и посуточных концентраций примеси для наиболее загруженных автомагистралей города, определить их максимальные значения; определить структуру выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от автотранспорта.

Экспериментальные исследования показали, что основная доля выбросов загрязняющих веществ (около 80%) приходится на оксид углерода, максимальное значение которого (около 500 кг/день) достигается на перекрестках, что примерно в 8 раз превышает его пробего-вые значения.

Полученные в ходе экспериментальных замеров характеристики транспортных потоков и рассчитанные мощности выбросов загрязняющих веществ являются исходными данными для численного моделирования полей распространения ЗВ, которые обновляются в режиме реального времени в интегрированной автоматизированной системе управления уровнем загрязнения в процессе изменения режимов работы светофоров или изменения архитектурно-планировочного решения на этапе проектной реконструкции.

В четвёртой главе разработана структура интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования картины загрязнения атмосферы, совмещенной с моделью реконструкции окрестности магистрали (рис. 5).

Первичный Нормирую- Микро-

преооразо-ватель преобрагова- * АЦП -* контроллер ОРЯ&ОЭМ модем

Первичный Нормирую- Микро-

преооразо-ватель * преобразова- АЦП контроллер модем

модем

АРМ оператор

Рис. 5. Структурная схема локальной системы экологического контроля: Х/...Хп - параметры контроля

Интегрированная система автоматизации представлена в виде структуры, реализация которой осуществлена с помощью программно-аппаратных средств, где инструментом программных разработок явля-

ется программный продукт STAR-CCM+, а аппаратная часть реализована на базе датчиков ДАХ-М-ОЗ-СО-200, ДАХ-М-03-Ы02-10, ДАХ-M-03-S02-20, WRG/0-20 и WRG/0-50, контроллеров серии 1-7000 и персональной ЭВМ.

Расчет полей распространения концентрации вредных веществ проводился методом численного моделирования системы уравнений Навье-Стокса, описывающих компоненты скорости и дополненных соотношением, учитывающим турбулентный характер атмосферы. Распространение концентраций описывается уравнением переноса примеси. Решение уравнений Навье-Стокса осуществлялось SIMPLE — методом, в основе которого лежит вывод конечно-разностных уравнений, полученных с помощью метода контрольного объема, плюс использование смещенной или «шахматной» сетки.

Для получения значений геометрических размеров и создания трехмерной модели рассматриваемого квартала снимки из космоса необходимой локации были обработаны с использованием программы GoogleScetchUp. Полученная трехмерная модель расчетной области была импортирована в программу STAR ССМ+ в формате STL, исправлена внутренними средствами пакета и разбита на подобласти, которые в дальнейшем использовались при задании термофизических свойств модели. В качестве примера на рис. 6 представлены результаты расчета динамики распространения ЗВ.

а) б) в)

Рис. 6. Картина распространения ЗВ (ветер: «северо-запад» 4 м/с, выбросы источников загрязнения 10 мг/м3): а) СО, б)М02, в) 802

Адекватность результатов, полученных путем моделирования, результатам, полученным путем натурных экспериментов, проверенная на основе критерия Фишера, подтвердилась на 5%-ом уровне значимости.

Проведенные исследования по моделированию динамики загрязнения воздушной среды при различной конфигурации застройки квартала (на примере распространения оксида углерода) показали возможность поиска рациональных архитектурно-планировочных реше-

ний при реконструкции и застройке городских районов (форм зданий, их взаимного расположения, удаленности от автотрасс), приводящих к существенному снижению уровня концентрации загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта в зоне жизнедеятельности людей (рис. 7), что необходимо и возможно учитывать при проведении архитектурно-планировочных работ еще на стадии проектирования.

Уэйг CvetAoüv. an СО ■,i$.rrol'rAS) МООГСог.свЖЙоп0<СО(|£Л)0втЧ1 '" ' ---------- ---- ~

а) б)

Рис. 7. Исследование влияния изменения характера застройки на среднесуточное распространение СО (ветер: «юго-запад» 5 м/с): а) на карте реальной застройки квартала, б) на карте реконструированной застройки квартала

Программная часть автоматизированной системы мониторинга загрязнения воздушной среды реализована на языке программирования Delphi версии 7 Professional и создан интерфейс пользователя.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методология построения интегрированной автоматизированной системы технологического процесса формирования динамики загрязнения при изменении конфигурации застройки городских кварталов.

2. Сформирована аксиоматика исходных посылок и принципов построения интегрированной автоматизированной системы мониторинга воздушной среды, положенные в основу построения системы.

3. Проведены экспериментальные исследования по интенсивности транспортных потоков, определению пробеговых и дополнительных выбросов, обусловленных ими, на базе которых сформирована исходная картина загрязнения воздушной среды с изменяемой динамикой в реальном масштабе времени.

4. Собрана статистическая информация о метеорологических параметрах, влияющих на расчет полей концентраций загрязняющих веществ.

5. Разработано пользовательское ГИС-приложение, реализующее процедуру моделирования полей концентрации загрязняющих веществ и визуализацию на цифровой карте города с учетом конфигурации застройки.

6. Разработана структура автоматизированной системы технологического процесса формирования картины модельного отображения динамики загрязнения воздушной среды при изменении характера застройки или режимов работы светофоров.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Паращук, Е. М. Система экологического мониторинга как неотъемлемая составляющая ИСОГД / Е. М. Паращук // Проблемы Региональной Экологии: общественно-научный журнал. - М.: Издательский дом «Камертон», 2006. - №5. - С. 76-84. (из перечня ВАК)

2. Прокопенко, М.Н. Алгоритмическое обеспечение системы экологического мониторинга / М.Н. Прокопенко, Е.М. Паращук // Научные ведомости БелГУ. Серия История. Политология. Экономика. Информатика. - Вып. 15/1. - Белгород: Издательство БелГУ, 2010. — №13(84). - С. 132-136. (из перечня ВАК)

3. Паращук, Е. М. Автоматизированная система мониторинга воздушной среды как информационная поддержка принятия управляющих решений / Е.М. Паращук, В.Г.Рубанов// Вестник ИрГТУ,-2014.

- №3 - С. 60-70. (из перечня ВАК)

4. Паращук, Е. М. Результаты моделирования распространения выбросов автотранспорта на ограниченной территории города / Е.М. Паращук, В.Н. Коваль, М.Н. Прокопенко // Экологические системы и приборы. - 2007. - №3. - С. 56- 59.

5. Паращук, Е. М. Современный уровень мониторинга загрязнений от автотранспорта / Е. М. Паращук, M. Н. Прокопенко: сб. науч. тр./ Белгородский филиал СГА. - Белгород, 2004. - Вып. 8 . - С. 100102.

6. Паращук, Е. M. Modem program complexes of motor transport pollution monitoring / E. M. Паращук, M. H. Прокопенко // «Науковий потенщал свггу '2004». T. 7. - Дншропетровськ: Наука i освгга, 2004.

- С. 25-26.

7. Паращук, Е. М. Технические аспекты создания системы мониторинга экологической ситуации г. Белгорода / Е. М. Паращук, М. Н. Прокопенко // Всерос. науч.-техн. конф. Новые материалы и техно-

логии - НМТ-2004. Т. 3. - М.: Издательско-типографский центр «МАТИ»-РГТУ им. К.Э.Циолковского, 2004. - С. 72-73.

8. Паращук, Е. М. О влиянии промышленных предприятий на уровень жизни населения г. Белгорода / Е. М. Паращук, М. Н. Прокопенко // Всерос. науч.-техн. конф. Новые материалы и технологии -НМТ-2004. Т. 3. - М.: Издательско-типографский центр «МАТИ» -РГТУ им. К.Э.Циолковского, 2004. - С. 71-72.

9. Рубанов, В. Г. Мониторинг загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта в окрестности магистральной улицы города / В.Г. Рубанов, Е.М. Паращук // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2004,-№8,- С. 123-126.

10. Рубанов, В. Г. Мониторинг загрязнения воздушной среды выбросами цементного завода / В.Г. Рубанов, Е.М. Паращук // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2004. - №8. - С. 127-130.

11. Паращук, Е. М. Разработка геоинформационной модели формирования картины загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта с учетом застройки города в окрестности магистральной улицы / Е. М. Паращук, М. Н. Прокопенко //«Дш науки '2005». Т. 49. -Днтроперовськ: Наука i освгга, 2005.-С. 41^15.- ISBN 966-7191-86-9

12. Паращук, Е. М. Особенности визуализации загрязнений в системе экологического мониторинга средствами ГИС Карта-2000 / Е. М. Паращук, М. Н. Прокопенко, В. И. Соловьев: сб. науч. тр./ Белгородский филиал СГА. - Белгород, 2005. - Вып. 11 . - С. 112-117.

13. Прокопенко, М.Н. Технические аспекты создания системы мониторинга экологической ситуации г. Белгорода / М.Н. Прокопенко, Е.М. Паращук // Научные труды МАТИ. - Вып. 9(81). - М.: Изда-тельско - типографский центр «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2005.-С. 191- 197.

ПАРАЩУК Елена Михайловна

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ КАК ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ РЕШЕНИЙ

Специальность 05.13.06— «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 02.04.14. Формат бумаги 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 48.

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В. Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет

имени В. Г. Шухова

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ КАК ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ РЕШЕНИЙ

05.13.06- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Рубанов Василий Григорьевич заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Белгород 2014

На правах рукописи

Паращук Елена Михайловна

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................. 5

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. Разработка методологии построения автоматизированной

системы технологического процесса формирования ! отображения динамики загрязнения с учетом конфигурации застройки квартала....................................................... 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

Приложения............................................................................ 128

Приложение 1. Акт внедрения ЗАО «Наземное

строительство», г. Белгород............................................ 128

Приложение 2. Акт внедрения ООО «Центропроект», г.

Белгород.................................................................... 129

Приложение 3. Листинг программы задания параметров программной модели распространения загрязняющих веществ 130 Приложение 4. Фрагмент листинга программы процедуры опроса датчиков интегрированной автоматизированной системы..................................................................... 132

I

ВВЕДЕНИЕ

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 требованиям экологичности. Градостроительная деятельность государства рассматривается как целенаправленная деятельность государства по формированию благоприятной среды обитания. Установка на повышение качества среды обитания и жизнедеятельности требует особого внимания к экологодостаточности градостроительных решений [93]. Поэтому в составе материалов генерального плана, как основного документа градостроительной документации, среди прочего, должны быть предусмотрены решения экологических проблем путем выполнения оценки воздействия на окружающую среду и разработки комплекса мероприятий по снижению негативного воздействия на окружающую среду намечаемой деятельности.

Прежде чем принять решение о структуре, социальной направленности, конфигурации, этажности, местоположении, необходимо провести комплексную экологическую оценку строящейся или реконструирующейся территории застройки города, сформировав её так называемый «экологический каркас» как общую составляющую требований к планировке и застройке [12]. В первую очередь, это связано с оценкой загрязнениями атмосферного воздуха, как одного из жизненно важных компонентов окружающей среды, неотъемлемой части среды обитания человека.

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 [50]. Например, в городе Белгороде удельный вес выбросов автотранспорта в атмосферу составляет 57,8%, и количество выбросов имеет постоянную тенденцию к возрастанию [47]. Поэтому в современных условиях актуальной является проблема создания развитых

5

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 экологической обоснованности генерального плана реконструкции [56].

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 [60].

Цель и задачи диссертационной работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке методологии и программно-аппаратной реализации интегрированной автоматизированной системы мониторинга загрязнения городской среды выбросами автотранспорта при различных сценариях реконструкции городской застройки, обеспечивающих снижение уровня загрязнения в жилой зоне.

Достижение цели исследования предполагает поэтапное решение следующих задач:

- разработка методологии построения автоматизированной системы технологического процесса формирования динамики загрязнения при изменении конфигурации застройки городских кварталов;

- 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, реализующего процедуру моделирования полей концентрации загрязняющих веществ и визуализацию на цифровой карте города с учетом конфигурации застройки;

- разработка структуры автоматизированной системы технологического процесса формирования картины модельного отображения динамики загрязнения воздушной среды при изменении характера застройки.

Научная новизна заключается в:

- разработке общей методологии проектирования интегрированной автоматизированной системы технологического процесса мониторинга загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта и формирования картины модельного отображения динамики загрязнения как функции 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 мониторинга воздушной среды в условиях изменяющейся конфигурации застройки;

- 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 Белгорода;

- разработанном пользовательском ГИС-приложении, реализующем процедуру моделирования полей концентраций загрязняющих веществ и визуализацию на цифровой карте города с учетом конфигурации застройки.

Внедрение результатов исследований:

- разработанная методология синтеза интегрированной автоматизированной системы мониторинга воздушной среды 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:

1. Общая методология проектирования интегрированной автоматизированной системы мониторинга загрязнений воздушной среды и абстрактная модель дезагрегированного процесса синтеза интегрированной автоматизированной системы формирования динамики загрязнения воздушной среды с учетом изменения планировочных решений, направленных на поиск оптимальной конфигурации застройки;

2. Структура интегрированной автоматизированной системы технологического процесса мониторинга 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.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на: первой Международной научно-практической конференции «Науковий потенщал свпу '2004» (г. Днепропетровск, 2004); Международной научно-практической конференции «Дш 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. И Основные результаты диссертации опубликованы в 13 работах, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ [57, 60, 69], 9 статей - в сборниках трудов конференций [56, 58, 59, 61, 62, 68, 70, 79, 80, 105].

Личный вклад соискателя состоит в следующем: все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии. Работы [79, 80] написаны совместно с научным руководителем, в которых представлены результаты проведенных автором экспериментальных исследований интенсивности транспортных потоков и расчета выбросов автотранспорта на магистрали г. Белгорода, в работах [61, 68, 105] автором проведен анализ состояния автоматизации экологического мониторинга воздушной среды в окрестности магистральных улиц города, в работах [56, 58, 70] автором исследована возможность применения ГИС-технологий для создания автоматизированных систем мониторинга воздушной среды, в [62] — предложен алгоритм геоинформационной модели формирования картины загрязнения атмосферы, в [60] - проведен анализ задач и структуры информационной системы организации градостроительной деятельности, в [59] — автором проанализированы результаты моделирования распространения выбросов автотранспорта на ограниченной территории города, в [69] - разработана структура

9

автоматизированной системы мониторинга воздушной среды, в [57] - вклад автора состоит в разработке методологии, аксиоматики и принципов проектирования интегрированной автоматизированной системы мониторинга воздушной среды.

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.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ

ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В ОКРЕСТНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ УЛИЦ ГОРОДА

1.1. Мониторинг воздушной среды как необходимое звено в проектировании и реконструкции городов

В настоящее время российское правительство в число приоритетных направлений социального и экономического развития страны ставит выполнение конституционных обязательств перед гражданами по обеспечению доступным и комфортным жильем [34] путем реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России», одним из инструментов которого является федеральная целевая программа «Жилище» [46, 51 - 53, 60, 93]. Стоят задачи как существенного развития всей системы расселения, разуплотнения существующих городов и создания большого числа новых населенных пунктов, так и поддержания в надлежащем состоянии существующего жилищного фонда путем реконструкции аварийного и ветхого жилья.

Для успешной реализации национального проекта необходимым в нынешних условиях становится как работа по поиску новых территорий, необходимых для размещения все увеличивающихся объемов нового жилищного строительства, которые расположены за пределами территории городской застройки, так и определение и использование в этих целях имеющихся внутригородских территориальных резервов и, в первую очередь, резервов, которые имеются в пределах нуждающихся в неотложной реконструкции районах застройки, сложившихся в городах в 50-60-е годы прошлого века [12].

Однако в рамках реализации программы «Жилище» планируется не просто увеличить количество построенных и реконструированных метров жилья, а отработать комплексный подход при строительстве жилья, отвечающего требованиям энергоэффективности и экологичности. Сделана установка на повышение качества среды обитания и жизнедеятельности, что требует особого внимания к экологодостаточности градостроительных решений. Выработка таких

11

решений опирается н�