Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова

УДК 311:330.15, 311:504, 519.237.5

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Управління екологічною безпекою міських автотранспортних мереж (на прикладі м. Тирасполь)

21.06.01 - екологічна безпека

Башкатов Олександр Майорович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Придністровському державному університеті ім. Т.Г. Шевченка та Інституті геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, чл.-кор. НАН України Лисиченко Георгій Віталійович, Інститут геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України (м. Київ) заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Чумаченко Сергій Миколайович, Національний авіаційний університет (м. Київ) професор кафедри економічної кібернетики

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Митько Лідія Олексіївна, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України (м. Київ) старший науковий співробітник

Захист відбудеться "10" грудня 2009 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.185.02 Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15.

Автореферат розісланий "15" жовтня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.ф.-м.н. І.О. Горошко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дослідження. Транспортна система багатьох міст на сучасному етапі перенасичена транспортними засобами, що викликано об'єктивними причинами збільшення пасажиропотоків та практично незмінною структурою шляхів. Внаслідок цього значно ускладнились умови перевезень, зросла аварійність та збільшились викиди забруднюючих речовин в атмосферне повітря, які занадто перевищують критичні рівні їх вмісту, особливо в межах функціонування промислово-міських агломерацій. Це порушує право громадян щодо екологічної безпеки, зафіксоване у статті 16 Конституції України. Ця ж правова норма існує в конституціях інших держав.

У зв'язку з цим стає зрозумілою необхідність посилення контролю за станом повітряного середовища та прийняття адекватних, науково обґрунтованих рішень щодо поліпшення екологічної безпеки довкілля в зонах автотранспортних мереж населених пунктів.

Реалізація таких заходів вимагає не тільки визначення, а й детального аналізу факторів, що впливають на погіршення екологічного стану повітря у місті. Тобто врахування існуючих тенденцій за результатами екологічних спостережень, дослідження сумісного впливу небезпечних факторів, визначення їх відносного вагового внеску при формуванні хімічного складу повітря та розробка прогнозно-орієнтованих математичних моделей і прикладних засобів для управління екологічною безпекою середовища міських агломерацій у зонах транспортних мереж склали основу теоретико-методологічної частини виконаних досліджень. Дисертаційна робота присвячена вирішенню цих актуальних задач.

Практична реалізація результатів досліджень щодо оцінки якісного стану повітря здійснена на прикладі типового міста районного рівня до 200 тис. чоловік (м. Тираспіль).

У роботі висвітлені нові підходи до управління транспортно-екологічною безпекою (ТЕБ) міських мереж, які можуть бути поширені на інші аналогічні населені пункти, що дозволяє вважати проведені дослідження соціально значимими та актуальними з позицій екологічної безпеки держави.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Дану роботу виконано відповідно до плану науково-дослідних робіт Інституту геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України: 1) Оцінка впливу потенційно небезпечних об'єктів на навколишнє середовище та визначення основних чинників природно-техногенної небезпеки (2007р., ДР № 0107U002694); 2) Аналіз території України за ризиком виникнення природних загроз (2007 р., ДР № 0106U010307).

Практичні дослідження виконувались у проблемній науково-дослідній лабораторії (НДЛ) „Математичне моделювання” Придністровського державного університету, згідно тем №3-93 та 3-98 (№ ДР 02.99.0030 „Автоматизована обробка багатофакторної інформації для отримання математичних та інформаційних моделей»). У перелічених наукових програмах автор дисертації був виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методів і прогнозно-математичних моделей для управління екологічною безпекою повітряного середовища в зонах автотранспортних мереж міських агломерацій на основі комплексної оцінки найбільш небезпечних факторів.

Для досягнення цієї мети необхідно виконати наступні задачі:

- визначити фактори і процеси, що обумовлюють стан повітряного середовища у населених пунктах біля транспортних мереж;

- за експериментальними даними розробити прогнозно-математичні моделі для управління екологічною безпекою в зонах впливу транспортних мереж на повітряне середовище місцевості;

- виконати системну оцінку сукупності екологічних параметрів повітряного середовища міської транспортної мережі, для чого здійснити експериментальну апробацію залучених прогнозно-математичних моделей на реальному об'єкті дослідження;

- розробити і впровадити оптимізаційні методико-технологічні рішення та рекомендації щодо управління ТЕБ у місті.

Об'єкт дослідження - процес зміни екологічного стану повітряного середовища на автотранспортній мережі міста з населенням до 200 тис.

Предмет дослідження - фактори, обумовлюючі процес зміни екологічного стану повітряного середовища в зонах впливу автотранспортних мереж і засоби прогнозування параметрів довкілля для управління екологічною безпекою у місті з населенням до 200 тис.

Методи дослідження. Отримання даних та аналіз результатів здійснено з використанням: методів математичної статистики; анкетних опитувань; теорії графів; аналітичної геометрії; моделювання процесів; натурних спостережень; електронної картографії; ізохронограм зон тяжіння та схем транспортних кореспонденцій.

Наукова новизна отриманих результатів. Головні наукові підсумки проведених досліджень містяться у наступному:

- вперше математично розраховано сумісний вплив різних фізико-хімічних факторів, обумовлюючих формування стану повітряного середовища на трасах міста, який кількісно трансформовано у комплексний показник екологічної небезпеки (K_ЕН) та розроблено алгоритм його розрахунку на базі критеріїв значимості провідних шкідливих чинників, які входять до складу D-функції Харінгтона-Менчера;

- для контролю за екологічним станом повітря в зонах впливу авто-транспортних мереж запропоновані прогнозно-оптимізаційні моделі, зокрема моделі розподілу рухомих джерел викидів на маршрутних трасах міста, які визначають залежність кількості транспорту на коліях від видимості та температури повітря (котрі увійшли до складу отриманих рівнянь), і моделі, що відображають зв'язок між хімічними складовими викидів та їх впливом на загальну загазованість. Найбільш вагомими з переліку шести досліджуваних хімічних складових, що формують індекс забруднення атмосфери (подалі ІЗА), визнано -- діоксид азоту та формальдегід;

- для управління станом середовища згідно з проведеною екологічною класифікацією та отриманими експериментальними даними конкретного міста (м. Тираспіль) здійснено математичне ранжування досліджуваних факторів і проведено верифікацію K_ЕН повітряного середовища.

Практичне значення одержаних результатів полягає в уніфікації розроблених засобів, що дозволяє управляти екологічною безпекою на ділянках транспортної мережі любого населеного пункту, де основним видом перевезень є маршрутний транспорт.

Електронні карти маршрутної мережі з векторизованими зонами підвищеної загазованості і 3D-модель (граф) трас для розрахунку ярусів загазованості можуть бути побудовані за даними обраного населеного пункту (окремого регіону), де існують такі перевезення.

Технологія оперативного визначення профілю дорожних трас і комплексна оцінка впливу небезпечних факторів, згідно шкали градації міст скорочує загальний час і обсяги витрат при проведенні таких заходів, оскільки уникає необхідності використання дорогих засобів (даних дистанційного зондування, електроних теодолітів, тощо).

Комплекс пропозицій щодо управління екологічною безпекою міста залучено до розробленої методики раціонального планування автомаршрутів і впроваджено у роботу управління транспортом Держадміністрації м. Тираспіль (є акт впровадження), що сприяло поліпшенню екологічного стану повітря внаслідок виконаних корекцій схем руху.

Результати проведених досліджень використовуються фахівцями в учбовому процесі при викладанні дисциплін “Організація перевезень”, “Екологія”, “Промислова екологія», для студентів фаху: 150200 «Автомобілі та автомобільне господарство» та 320700 «Охорона навколишнього середовища» у Придністровському держуніверситеті.

Особистий внесок здобувача.

Дисертаційна робота виконана особисто здобувачем. В її основу покладено узагальнення результатів спостережень за повітряним середовищем м. Тирасполя у 2000-2005 роках, отриманих Держгідрометеоцентром, та наукових досліджень під час виконання роботи у НДЛ „Математичне моделювання”, а також особистих досліджень.

Автором безпосередньо виконано математичне моделювання та визначені регресійні залежності між складовими викидів, зроблено обробку даних спостережень та ранжування небезпечних факторів.

Ним запропоновані прикладні програмні, організаційні і технічні засоби щодо проведення екологічного моніторингу повітряного середовища у місті.

Аналіз причин і систематизацію факторів, що впливають на стан повітряного середовища, узагальнення отриманих математичних моделей та прикладних засобів виконані автором самостійно під науковим керівництвом д.т.н. Лисиченко Г.В. (Інститут геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України, м.Київ).

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на 7 міжнародних наукових конференціях:

на II міжнародній науковій конференції «Людина - середовище» (Мукачево, 2002);

на I, II, III та IV міжнародних науково-практичних конференціях «Регіональні особливості розвитку машино- та приладобудівництва, інформаційних технологій, проблеми та досвід підготовки кадрів» (Тираспіль, 2001, 2004, 2006, 2007);

на міжнародній науково-технічній конференції „Екологія-2007” у Державному екологічному університеті (Одеса, 2007);

на міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми екологічної та ядерної безпеки об'єктів паливно-енергетичного комплексу”(Київ, 2007).

Окремі положення досліджень за темою роботи доповідалися: на наукових конференціях професорсько-викладацького складу Придністровського держуніверситету (Тираспіль, 2002 - 2007); на науково-практичному семінарі “Місто та ГIC» (Тираспіль, 2002); на розширеному семінарі кафедри «Транспортні технології» Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля (Луганськ, 2004).

Публікації. При виконанні досліджень за темою дисертації було опубліковано 14 (5 - у співавторстві) статей у наукових журналах та збірниках наукових праць, 11 з яких значаться у переліку наукових видань ВАК України.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, висновків та списку використаних джерел, що включають 116 найменувань та 43 додатків (113 сторінок). Повний обсяг дисертації -- 252 сторінки, з яких основний текст 139 сторінок. Робота містить 18 таблиць і 27 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність теми, зв'язок работи з науковими програмами та темами, формулюється мета, об'єкт, предмет і задачі дослідження, методи дослідження, критерії, що підкреслюють новизну та практичне значення отриманих результатів, а також особистий внесок автора.

У першому розділі „Обгрунтування теоретичних основ оцінок техногенного ризику для міського повітряного середовища під впливом автотранспорту” розкриваються особливості стану навколишнього середовища біля автомобільних трас, дається опис чинників, які формують шкідливе забруднення, та екологічних наслідків для людей від автотранспорту, методи розрахунку забруднення та існуючі тенденції.

Математичним методам визначення рівнів екологічної безпеки у зв'язку з наявністю забруднення міського довкілля присвячені роботи Рейцена Є.А., Степанчука О.В., Скіпа Б.В., Нємчинова М.В., Нікітіна А.Н., Качинського А.Б., Фоменко Н.В. та інших фахівців, де автори наводять методики вирішення задач, аналіз результатів. Проте у розробці цих методів головним є функціонально-аналітичний підхід, спрямований на послідовність у зміні розрахункових параметрів, відсутність у моделях певних перешкод або усереднення їх впливу, що не задовольняє в умовах реальних екологічних ситуацій. Це зменшує ефективність управління транспортно-екологічною безпекою у конкретних умовах міста і здебільше, за останнього часу, використовується лише для загально-екологічного аналізу.

Іншим напрямком є проведення модернізації рухомого складу на трасах, комплексна оцінка типу палива і викидів. Такі рекомендації відзначаються у працях Канило П.М., Петрова Р.Л., Сарапиної М.В. та інших вчених, де акцент робиться на необхідності зниження рівнів викидів до європейських норм, що потребує переходу на альтернативні енергоносії, модернізації двигунів і головне - розробки нових інтегральних показників контролю їх хімічних рівнів екологічної безпеки.

В розділі доведено й обґрунтовано критерії екологічного моніторингу, перелік джерел та причин порушень повітряного стану, засобів його оцінки на транспортній мережі (зокрема на трасах маршрутних таксі). Серед досліджуваних об'єктів обрано промислове місто (Тираспіль) з населенням до 200 тис. чол., де маршрутний транспорт є найбільш розповсюдженим і містить максимум спільних властивостей. Тому визнано необхідність вирішення екологічних питань внаслідок: великої кількості таких засобів, невпорядкованості руху, неприємного технічного стану значної частини рухомого парку тощо.

Згідно з розробленим переліком недоліків та існуючих обставин було поставлено мету - дослідити відносну вагу чинників, що впливають на екологічний стан повітряного середовища трас внутрішньоміських сполучень. Це обумовило розробку етапів досліджень, тобто:

формування переліку та проведення аналізу літературних джерел роботи;

обгрунтування задач дослідження відповідно до отриманих результатів;

виконання теоретичних досліджень з розробкою математичних моделей, методик, спрямованих на вирішення досліджуваних задач;

проведення експериментальних досліджень (включаючи збір та систематизацію отриманих даних);

внесення необхідних коректив у розроблені теоретичні засоби за результатами виконаного експерименту.

Другий розділ «Розробка нових методів дослідження, комплексної оцінки і прогнозування впливу техногенних забруднень автотранспортом на оточуюче людину середовище» присвячено розробці теоретичних засобів, розрахункових методик та моделей для виконання прогнозних екологічних досліджень середовища транспортних мереж.

Методи прогнозування потребують розрахункових параметрів з використанням змінних за часом даних. Тому увагу зосереджено на математико-статистичному аналізі показників.

Планові вибірки систематизовано, а вимірювальні параметри зведено до числового ряду з використанням шкали замін.

За допомогою методу прямого ранжування було упорядковано хіміко-фізичні фактори впливу на придорожне повітряне середовище.

Серед діючих показників експертами найбільш вагомими визнано: пил (0,946), хімічні викиди (0,940), рівень видимості (0,827), температура (0,756), швидкість вітру (0,613), напрямок вітру (0,577), геомагнітний фон (0,518). Інші фактори (електромагнітні поля, звук, тиск та вологість повітря) мають К<0,5 (заданого порогу).

Додаткова перевірка отриманого ряду згідно методу вагових коефіцієнтів важливості дала точніші значення: b₁(1)=0,912; b₂(1)=0,943; b₃(1)=0,092; b₄(1)=0,38; b₅(1)=0,52; b₆(1)=0,34;b₇(1)=0,87; b₈(1)=0,75; b₉(1)=0,49; b₁₀(1)=0,42; b₁₁(1)=0,61; b₁₂(1)=0,65.

Проте велика кількість чиників потребує визначення найбільш вагомих. Це зроблено перевіркою ранжування за побудовою кривої Ципфа, та перевірено діаграмою Парето.

Парне порівняння кожного нормалізованого фактора з комплексним ІЗА за існуючим планом експерименту визначило, що серед небезпечних внесків у повітряне середовище найбільшу долю мають дві речовини - викиди діоксиду азоту та формальдегіду. Для математичного розрахунку цих залежностей залучено метод найменших квадратів з попередньою ортогоналізацією факторів (МНКО).

Одним із важливих показників, що впливають на стан повітря вздовж трас, є кількість транспорту на трасі. З цією метою за результатами спостережень розроблено моделі, що відображають залежність кількості транспортних одиниць на маршрутах (для 7 окремих напрямків та сумісно) від зовнішніх сезонних умов. Урахуванню підлягали: тип дня, стан покриття дороги, тиск повітря, коефіцієнт видимості та температура середовища. Сформовані вибірки було оцінено за методом модифікованого випадкового балансу (ММВБ).

Адекватність моделі доведена по Фішеру (F_р= 0,185<1). Вплив інших факторів (тип дня, стан дороги та тиск повітря) на функцію у визнано несуттєвим, оскільки вони математично не ввійшли до складу більшості рівнянь.

Основою оцінки сумісного впливу факторів на екологічний стан довкілля трас став експертно-аналітичний аналіз по Харінгтону-Менчеру [4,8], котрий дозволив урахувати співдію окремих розрахункових параметрів в інтегральному параметрі - D - функції через безумовні часткові показники d_i та їх вагові коефіцієнти б_і..

При цьому для кожного фактора використано необхідну розрахункову формулу та численні обмеження часткових параметрів функції стосовно їх дії [4].

Розрахований К_ЕН порівнюється з діапазонами порогової шкали Харингтона (Таблиця 1) і визначає локальний рівень екологічної безпеки середовища для перебування там людини.

Масив таких даних по окремих районах міста дозволяє сформувати числові поля екологічної небезпечності, а дисперсійний аналіз - визначити їх характерну динаміку й існуючі тенденції змін.

Таблиця 1. Порогова шкала визначення рівня екологічної безпеки

Діапазони значень КЕН	Стан середовища
0 - 0.2	Гаразд
0.2 - 0.37	Приємно
0.37 - 0.63	Задовільно
0.63 - 0.8	Небезпечно
0.8 - 1	Дуже небезпечно

Третій розділ «Розробка систем екологічного моніторингу та управління техногенно-екологічною безпекою повітряного чередовища міста» для провідних установ (зокрема екологічних служб, держадміністрації) розроблено прикладні довідково-методичні та організаційні засоби контролю рівнів безпеки повітряного середовища на транспортній мережі міста.

Відповідно до тематики роботи побудовано масштабний план транспортної мережі з внеском тематичного шару загазованості. При цьому сформовано базу координат вузлів трас по карті та визначено потенційні межі розповсюджень небезпечних викидів. Для екологічного моніторингу трас мережі розроблено 3D-граф (модель) шляхів. Для спрощення процесу побудови такого графу запропоновано програмно - апаратний пристрій визначення профільних даних трас та спрощений варіант дискретного датчика нахилу з варіантами замикань сигнальних контактів (таблиця 2).

Розроблено технологію формування графу з урахуванням рельєфних особливостей шляхів, їх довжини, щільності ребер та вузлів. Його призначення - за ярусами висот визначити наявність локальних зон западіння трас (місць потенційно насиченими викидами) відповідно горизонту, провести розрахунок можливого розповсюдження, екранувати ті об'єкти, що є на небезпечних відстанях або у таких зонах.

Таблиця 2. Варіанти контактних замикань пар контактів

Групи контактів	Напрямок траси
2 - 5	рівна траса, горизонтально
3 - 5	малий спуск
3 - 4	відносно рівно
3 - 6	великий спуск
2 - 4	малий підйом
1 - 4	великий підйом

Для підвищення ефективності моніторингу довкілля запропоновано алгоритми прикладних програм: - оцінки рівнів середньодобових концентрацій викидів на трасі міста; - розрахунку критерію екологічної небезпеки К_ЕН, призначення яких допомогти у проведенні оперативного екологічного контролю повітряного середовища певної території.

За розроблено схемою у роботу впроваджено методику збалансованого планування маршрутів.

Остання разом з організаційною складовою, аналізом зональних критеріїв [5] транспортних розповсюджень містить заходи щодо практичного уникнення ризиків і поліпшення екологічного стану повітряного середовища у місті [13]. повітряний транспортний міський безпека

Для управління екологічним станом повітряного середовища взагалі та за літературними даними виконано рангову типізацію міст.

У четвертому розділі «Використання систем екологічного моніторингу і управління техногенно-екологічною безпекою повітряного середовища на прикладі м. Тираспіль» виконано практичне втілення пропонуємих заходів та обробку даних. Інформацію по забрудненню місцевого середовища та метеорологічні показники отримано із звітів Держгідрометеоцентру у м.Тираспіль за 2001-2005 роки.

Сформовані масиви містять інформацію про:

результати метеорологічних спостережень за навколишнім середовищем у місті;

кількість та дані вимірів небезпечних факторів, що реєструються;

дані переміщень рухомих джерел (транспорту) на маршрутах;

технологію моделювання плану дорожної мережі, характеристики окремих ділянок з визначенням рельєфу, місць штатних зупинок;

нормативні й організаційні заходи з підтримки екологічно-безпечних параметрів повітряного середовища.

Для цього було задіяно: натурні спостереження, імітаційне моделювання [9], технології роботи з координатно-розподіленими даними (зокрема, географічну інформаційну систему GeoBase), спеціалізовану програмну систему математичної обробки статистичних даних і моделювання (MathModel) тощо.

Так, для встановлення впливу кожного з хімічних показників на розрахунок середньомісячних рівнів загазованості атмосфери сформовано залежності декількох змінних типу

Y=F(x₁, x₂, …, x_n-1, x_n)

де Y є розрахунковим значенням загального індексу забруднення атмосфери, а x₁, x₂, …, x_n-1 , x_n - параметри, що реєструються на постах, з максимумом викиду n-ї небезпечної речовини.

Угруповування та виникнення грубих промахів кожної пари „фактор-підсумок” визначило, що не всі параметри змінюються за нормальним законом розподілу і мають залучатися до моделювання.

У процесі досліджень виконано локалізацію зон підвищеного ризику (К_ЕН), зроблено числове та графічне уявлення небезпечних ділянок на трасах Тирасполя, що сприяло знижці випадків перевищення NO_X та СО на трасах міста та поліпшення екологічного стану взагалі.

Аналіз зв'язків між окремими хімічними складовими було виконано методом кореляційних плеяд та ядер, за результатами якого збудовано граф кореляційних плеяд.

Достовірність отриманого також підтвержено розрахунком модифікованих індексів Фехнера (МІФ) і графом для його критичних значень.

Компоненти графу: Х1 - CO, X2 - SO₂, X3 - NO₂, X4 - пил, Х5 - C₆H₅OH, X6 - CH₂O, X7 - SO₂+NO₂ , X8 - SO₂+NO₂+CO+С₆H₅OH, X9 - SO₂+С₆H₅OH, X10 - комплексний ІЗА.

Для розрахунку змінних контрольних чинників у запропоновано комбіновані індексні вказівки. Останні обумовлюють вибір необхідних даних зі статистичних таблиць для наступного визначення d_i у складі параметрів К_ЕН.

Для натурних досліджень повітряного середовища міської мережі використовувались експертні заходи. Для цього залучено: метод вагових коефіцієнтів важливості (визначення розміщення селітебних зон відносно мережі трас), методику комплексної оцінки стану середовища (для порівняння екологічних умов на окремих транспортних ділянках).

Достовірність проведеного експертного аналізу підтвержують результати розрахунку коефіцієнта конкордації Кендала W=0,76 та коефіцієнта одностайності V=0,532, що для певних умов робить розрахункове значення критерію Пірсона більшим за критичне (655,6>21,85), тобто підтверджує ступінь компетентності залучених експертів.

Висновки

У дисертаційній роботі розроблено заходи по управлінню екологічною безпекою повітряного середовища в зонах впливу транспортних мереж. Стосовно мети та задач дослідження досягнуто наступне:

1. На основі аналізу реєструємих даних та їх обробки по методу найменших квадратів з попередньою ортогоналізацією факторів (МНКО) визначена максимальна залежність комплексного індексу забруднення атмосфери при порозі R =0,5 від діоксиду азоту (R_NO2=0,645) та формальдегіду (R_CH2O=0,761). Інші складові (CO, SO₂, C₆H₅OH та їх суміші) мають менший вплив (R<0,5).

2. Після обробки кількарічних експериментально-статистичних даних методом модифікованого випадкового балансу (ММВБ) отримана залежність числа рейсових джерел викидів від умов довкілля. Математична обробка даних показала, що для кількості автотранспорту на маршрутах рівень видимості та температура повітря є критичними (K>0,5). Інші фактори не ввійшли до складу загальної математичної моделі.

3. Розроблено метод локальної оцінки рівня екологічної безпеки повітряного середовища на трасах міста в основі якого розрахунок показника - критерія екологічної небезпеки (К_ЕН), та його порівняння з діапазонами шкали Харінгтона-Менчера, що дозволяє врахувати сумісну дію різних хіміко-фізичних факторів на стан повітряного середовища.

4. Виконано математичне ранжування вагомості реєструємих фізико-хімічних параметрів на рівень екологічної безпеки повітряного середовища міста. Серед 12 досліджуваних компонент критично значимими визнано (з часткою 67,72%): пил, хімічні викиди, рівень видимості, температура повітря, напрямок та швидкість вітру.

5. З метою числового визначення стану повітря на транспортній мережі для впровадження керуючих заходів запропоновано районована сегментація ділянок трас мережі та аналіз дисперсій середньодобових концентрацій викидів на них за звітами кількарічних спостережень.

6. Запропоновано оптимізаційну методику планування/корекції маршрутної мережі міста для підтримки балансу параметрів середовища на трасах до екологічно комфортних умов. Вона охоплює комплекс з теоретичного аналізу умов руху і стану середовища, виконання натурних наглядів та пропозиції щодо їх практичного втілення.

Запропоновано прикладні інструментальні засоби: технологічну схему і принцип роботи програмно-апаратної системи для моделювання профіля траси; схему пристрою локальної очистки повітряного середовища об'єкту від шкідливих аерозольних викидів; алгоритми прикладних програм для розрахунку дисперсій середньодобових концентрацій викидів та локального критерія К_ЕН на маршрутах міста.

Перелік публікацій за темою дисертації

Буянов А.Д. Оптимизация критериев оценки экологических факторов с использованием D-функции Харингтона-Менчера / А.Д. Буянов, А.М. Башкатов // Вісн. наук. пр. (охорона праці, охорона навколишнього середовища, безпека життєдіяльності, ресурсозбереження), т.1. - Алчевськ, Наук.-виробн. компанія «БАД-екологія», 2002.- С. 14-19.

Башкатов А.М., Некоторые подходы в организации схем движения внутригородского транспорта / А.М. Башкатов, В.З. Гроздев // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. - №10 (68), Ч. 2. - Луганськ, Видавництво СНУ, 2003. - С. 209-216.

Башкатов А.М. Мониторинг загазованности участков трасс на основе 3-D графа дорожной сети // Материалы международной научно-практической конференции «Антропогенные проблемы биосферы» Сб. науч. тр., Вып. 4, Ч. 1. - Луганск-Алчевск: Биосфера, 2004. - С.70-74.

Башкатов А.М. Сравнение и анализ обеспеченности маршрутным транспортом на основе графоаналитического подхода / А.М. Башкатов // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. - №2 (84), Ч. 2. - Луганськ, Видавництво СНУ, 2005. - С. 213-221.

Башкатов А.М. Качественная оценка транспортного риска маршрутных средств на основе безусловного критерия эффективности / А.М. Башкатов // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. - №7 (89). - Луганськ, Видавництво СНУ, 2005. - с.10-15.

Башкатов А.М. Моделирование взаимодействия ж.-д. транспорта и маршрутных региональных средств промышленного узла / А.М. Башкатов // Вісник Дніпропетр. нац. університету залізн. трансп.-ту - Вип.9. - Д.: Видавництво Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп.-ту, 2005. - С. 88-94.

Башкатов А.М. Программно-аппаратный комплекс моделирования профиля трассы / А.М. Башкатов, А.В. Варзяев // Вест. Харьков. нац. автомоб.-дорожн. ун-та. - Вып.31 - Х.: Издательство Харьков. нац. автомоб.-дорожн. ун-та, 2005. - С. 67-70.

Башкатов А.М. Имитационные модели функционирования смежных маршрутов в программной среде Pilgrim: Сб. научн. тр. / А.М. Башкатов, С.С. Кириллов // Автомоб. транспорт. - Вып.17. - Х.: Изд-во Харьков. нац. автомоб.-дорожн. ун-та, 2005. - С.79-82.

Буянов А.Д. Локализация границ растровых полей в экосистемах с применением алгебры нечетких множеств / А.Д Буянов, А.М. Башкатов // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. - 2006. - №6 - С.88-93.

Башкатов А.М. Использование обменных форматов CAD и GIS для построения трехмерных моделей инженерных сетей / А.М. Башкатов // Вест. Харьков. нац. автомоб.-дорожн. ун-та. - Вып.37 - Х.: Издательство Харьков. нац. автомоб.-дорожн. ун-та, 2007. - С.49-52.

Башкатов А.М. Разработка моделей вариационной динамики количественных транспортных изменений на внутригородских маршрутах / А.М. Башкатов, И.А. Васюткина // Автомоб. транспорт. - Сб. науч. тр. - Вып.20 - Х.: Изд-во Харьков. нац. автомоб.-дорожн. ун-та, 2007. - с.133-136.

Башкатов О.М. Дослідження парної кореляції між компонентами викидів і комплексним індексом загазованості атмосфери / О.М. Башкатов // Безпека життєдіяльності. - 2007. - №6. - С.10-12.

Башкатов О.М. Ранжування екологічної ролі фізико-хімічних факторів міського повітряного середовища / О.М. Башкатов // Безпека життєдіяльності. - 2007. - №8. - С.15-19.

Башкатов А.М. Некоторые аспекты в исследовании зависимостей уровней городской загазованности от вида топлива используемого маршрутным автотранспортом / А.М. Башкатов // Енергетика: економіка, технології, екологія. - Наук. журнал. - К.:Вид-во КПІ. - 2007. - №2(21). - С.52-58.

1. Результати досліджень, виконаних автором, приведено в опублікованих працях [1-14]. Так, у роботі [10] автором визначено обмінні операції по залученню форматів CAD та GIS для трансформування даних транспортних мереж. В роботах [1,5,12] для оцінки екологічно небезпечних викидів, існуючих на трасах, залучено функцію комплексного аналізу, де автором у статті зроблено аналіз діючих факторів та запропоновано діапазони змін вагових параметрів, межові умови для розрахунку рівнів безпеки, ключові фактори та оцінку їх вагомості з використанням шкали Харінгтона-Менчера. У статтях [2,6,11] автором розроблено рекомендації щодо упорядкування транспорту на маршрутах, де ним особисто запропоновано засоби математичного розрахунку транспортних потоків, запропоновано заходи щодо вдосконалення схем переміщень, розглянуто організаційні аспекти взаємодії маршрутних автозасобів і залізничного транспорту та оцінено динаміку кількісних варіацій транспортних засобів, як рухомих джерел викидів. З метою більш ефективного визначення екологічно небезпечних ділянок міської мережі (зокрема маршрутної) у статтях [3,4,7] автором використано 3-D граф трас, котрий ураховує особливості рельєфу та параметри шляхів. Автором дано методику формування графу, засоби локалізації небезпечних зон (зон западіння) на трасах, запропоновані нові критерії зональної забезпеченості транспортом ділянок мережі та дається опис програмно-апаратного пристрою - системи контролю профілю траси. Автором особисто розроблено структурну схему системи, варіант конструкції датчика нахилу, технологію вимірювання ділянок. Аналіз імітаційних моделей взаємодії транспорту на маршрутах виконано у роботі [8], де автором задано схеми руху, визначено істотні дані безпечних умов сполучень та зроблено підсумкові висновки. Стаття [9] містить опис засобу щодо визначення меж поля загазованості по растру місцевості з використанням теорії нечітких множин. Автором визначено технологію пошуку чергового піксела та порогові значення інтенсивності, алгоритм розрахунку. Стаття [13] розкриває метод визначення ступенів кореляції хімічних складових, які впливають на комплексний ІЗА, шляхом встановлення парних зв'язків та побудови математичної моделі за результатами експерименту. Робота [14] містить аналіз тенденцій та екологічних наслідків від типу використаних палив.

Анотація

Башкатов О.М. - Управління екологічною безпекою міських авто-транспортних мереж (на прикладі м. Тираспіль). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 21.06.01 - Екологічна безпека. - Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова, Київ, 2009.

Роботу присвячено аналізу причин екологічних порушень та розробці наукових рішень для управління екологічною безпекою повітряного середовища на автотрасах міста.

Визначено кореляційний зв'язок між небезпечними внесками та індексом забруднення атмосфери. Аналіз (при порозі 0.5) виявив, що серед 6 контрольованих складових викидів найбільшу частку мають- діоксид азоту та формальдегід (R=0,645 та 0,761 відповідно).

Для оцінки та прогнозування динаміки переміщень рухомих джерел викидів на трасах визначено залежність змін кількості реєструємих засобів від сезонної дії зовнішніх умов. Серед досліджених чинників впливу на кількість рухомих джерел найбільш вагомими визнано: рівень видимості та температуру повітря на трасі під час руху.

Зроблено ранжування шкідливих факторів, критичних для довкілля міста. Ними визнано: пил, хімічні викиди, видимість, температура повітря, напрямок та швидкість вітру.

Для комплексного обстеження екологічності повітряного середовища міських автотрас розроблено критерій екологічної небезпеки (K_ЕН) - показник, що об'єднує співдію різноманітних фізичних та хімічних складових у цільову функцію. Результат його розрахунку та порівняння з критичними, згідно порогової шкали Харінгтона, визначає терміновий рівень екологічної комфортності середовища для людини.

З метою підвищення ефективності моніторингу запропоновано алгоритми програмного розрахунку середньодобової концентрації викидів на ділянці траси та визначення локального критерія екологічної небезпеки; пристрій для оцінки профілю траси, схема пристрою для локальної аеродинамічної очистки повітряного середовища.

Дано оптимізаційну схему формування плану транспортної мережі, що враховує міські особливості і необхідність уникнення екологічних ризиків на трасах; виконано екологічну типізацію міст.

Ключовi слова: екологічна безпека, маршрут, транспорт, ризик, моделювання, коефіцієнт, критерій, ранг, фактор.

Abstract

Bashkatov A.M. - The control peculiarities of ecological safety into municipal autotransport meshes (as Tiraspol).- Manuscript.

The dissertation for academic degree of the technical science candidate. Specialty 21.06.01 - Ecological safety. - Pukhov Institute for Modeling in Energy Engineering, Kiev, 2009.

The work is devoted complex analysis ecological breaches and scientific metodical decisions for lifting effectiveness of ecological safety air environment management into auto routes of the city.

In according with the experimental observations emissions samples selection and the influence of the twin correlation analysis on the aim function that is the polluted atmosphere complex index. Dioxide of Nitrogen and formaldehyde occurred to be the two main critical acting factors.

For quantitative changes estimation of mobile emission sources on a route from season changeable external factors was received mathematic dependences. The visibility and the air temperature during moving were the two must substantial parameters.

Expert methods have allowed defining and make rank factors that have critical influence to air parameters of environment as: dust, chemical emissions, visibility, air temperature, wind direction and speed.

The criterion ecological safety (K_ЕН) calculation method built on the use of D-Function became the basis of the complex research of chemical and physical factors influence on the integral function and on the environment condition determination on auto routes in the city. The investigation methods have allowed defining particular criterion efficiency and their comparison with Harrington-Mencher scale ranges.

Tool means are represented as background concentration influenced calculation applied by algorithm program applications on a route site and ecological danger criterion; the apparatus-program system of the route structure modeling. In addition is formed scheme and technology work device for local air dynamic clear environment object from danger influences.

The approach optimization scheme to route network planning is suggested in the work. It founded on the complex analysis transport peculiarities and need ecological risks decreasing and city types ecologic.

Key words: ecological safety, route, transport, risk, modeling, coefficient, criterion, rank, factor.

Аннотация

Башкатов А.М. - Управление экологической безопасностью городских автотранспортных сетей (на примере г. Тирасполь). - Рукопись.

Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - Экологическая безопасность.- Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е. Пухова, Киев, 2009.

Работа посвящена комплексному анализу причин экологических нарушений и разработке научно-методических решений, способствующих повышению эффективности управления экологической безопасностью воздушной среды на автотрассах города.

Объектом исследования выбран процесс изменений экологического состояния воздушной среды на автотранспортной сети города, в частности там, где проложены трассы маршрутных такси.

По экспериментальным наблюдениям за выбросами сформированы числовые массивы регистрируемых показателей, определены те из них, которые изменяются по нормальному закону распределения. После чего проведен совместный (с применением модифицированного индекса Фехнера) и парный корреляционный анализ влияния каждого на целевую функцию - комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА). По результатам выполненного регрессионного анализа, согласно методу корреляционных плеяд и ядер определены коэффициенты корреляции, построен граф плеяд. Их анализ (при пороговом критерии 0,5) позволил среди 6 контролируемых веществ и их смесей выделить 2 наиболее весомых фактора - диоксид азота (R=0,645) и формальдегид (R=0,761). Остальные не оказали существенного влияния на показания ИЗА. Для уточнения результатов экспериментальных данных и получения математической зависимости использован метод наименьших квадратов с предварительной ортогонализацией факторов, согласно которого разработана модель, в которую вошли - NO₂ и CH₂O.

Для оценки и количественного прогнозирования динамики подвижных источников выбросов на трассе от сезонно изменяемых внешних факторов получены математические зависимости. Анализ репрезентативных выборок выявил, что наиболее значимыми (вошедшими в модель) стали два параметра: уровень видимости и температура воздуха на трассе в момент движения.

Экспертные методы позволили отранжировать действие контролируемых вредных факторов и выделить из них те, что наиболее (с суммарной долей 67,72%) влияют на параметры воздушной среды. Ими, в порядке снижения весового влияния на уровень экологичности среды, определены: пыль, химические выбросы, видимость, температура воздуха, направление и скорость ветра.

В основу метода исследования уровня экологичности воздушной среды городских автотрасс от комплексного действия ряда физических и химических факторов положен расчет критерия экологической опасности (K_ЭО), т.е. безусловного интегрального показателя на основе частных критериев D-функции и последующее сравнение результата с диапазонами шкалы Харингтона-Менчера. Расчет данного показателя, его временных изменений на участках городской транспортной сети служит источником для дисперсионно-матричного анализа в рамках общего мониторинга и проведения необходимых организационно-корректирующих мероприятий по управлению безопасностью среды.

Инструментальные средства оформлены в виде: алгоритмов прикладных программ расчета среднесуточной концентрации загазованности на участке трассы и определения локального критерия экологической опасности; программно-аппаратной системы моделирования профиля трассы. Дополнительно разработана схема и дано описание технологии работы устройства для локальной аэродинамической очистки воздушной среды объекта от вредных выбросов.

В работе предложена оптимизационная схема планирования маршрутной сети, построенная на комплексном анализе и устранении экологических рисков, приведена экологическая типизация городов.

Ключевые слова: Экологическая безопасность, маршрут, транспорт, риск, моделирование, коэффициент, критерий, ранг, фактор.

Размещено на Allbest.ru