ДонНТУ   Портал магистров

Ильенко Татьяна Александровна

Факультет компьютерных наук и технологий

Кафедра системного анализа и моделирования

Специальность Системный анализ и управление

Моделирование процесса загрязнения атмосферы выбросами автомобильного транспорта

Научный руководитель: к.т.н., доц. Володин Николай Александрович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность, цели и задачи исследования
• 2. Идентификация в задачах экологического моделирования
• 2.1 Экологическая ситуация и её исследование
• 2.2 Методы оценки параметров идентификации
• 2.3 Постановка задачи
• 3. Текущие и плановые результаты
• Выводы
• Список источников

Введение

Автотранспорт является одним из основных показателей технико-экономического развития общества, он способствует удовлетворению различных потребностей населения. Но, с другой стороны, он ежедневно оказывает негативное влияние как на здоровье человека, так и на общее состояние окружающей среды. Выхлопы автотранспорта приводят к нарушению экологического равновесия. Ежедневно в воздушную среду попадает огромное количество смеси примерно из двухсот различных веществ. Большая часть двигателей автомобилей потребляет бензин, именно он при сгорании выделяет достаточно большое количество свинца, диоксида углерода, оксида углерода, оксида азота, углекислого газа. Также в атмосферу попадает некоторое количество саж и смол, которые образуются в моменты технической неисправности мотора. Важным является и тот факт, что автомобильный транспорт не только вносит значительный вклад в загрязнение атмосферы, но и потребляет большое количество природных материалов и сырья. Один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы в среднем больше четырех тонн кислорода, выбрасывая с выхлопными газами примерно восемьсот килограмм окиси углерода, около сорока килограмм окисей азота и почти двести килограмм различных углеводородов. По статистике, в некоторых городах Украины, выбросы автотранспорта составляют более половины всех выбросов, в том числе и промышленных [6].

Данная проблема уже затрагивает не только большие города, где ежедневно можно насчитать несколько десятков огромных пробок, но и маленькие города и села, через которые проходят оживленные магистрали. К сожалению, не так просто устранить последствия, нанесенные атмосфере автотранспортом. Расширено количество контрольно-регулировочных постов на предприятиях, организуются такие посты на станциях технического обслуживания и в автомобильных кооперативах, согласно решениям и постановлениям Кабинета министров Украины увеличивают поставку не этелированного бензина с 1997 года. Однако, проблема загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта, так и остается не решенной. Проблема осложняется тем, что наряду с изменением структуры и увеличением масштабов промышленного производства, а значит и ростом количества автомобильного транспорта, характерной особенностью научно-технического прогресса является продолжающийся процесс урбанизации. Таким образом, современные крупные промышленные города, которые характеризуются высокой плотностью населения, оказываются в гораздо худшем положении, и уже не в силах реагировать на проблемы загрязнения атмосферы с достаточной быстротой.

Важным фактором также является то, что автомобильный транспорт не является статическим источником выделения примесей. Выбросы промышленных предприятий чаще всего сосредоточенны в определенном месте и вредные примеси распространяются только при помощи воздушных масс. Все же, острая необходимость в изучении роли атмосферных физико-химических и кинетических процессов, в образовании аэрозольных частиц, в трансформации малых газовых компонентов естественного и антропогенного происхождения во всем комплексе наук об атмосфере определилась лишь в последние годы [1].

Задачи мониторинга окружающей среды требуют привлечения современных вычислительных средств, что обусловлено необходимостью обработки больших объемов информации, в частности, ее сортировки, предварительной обработки для дальнейшего использования в сложных вычислительных алгоритмах исследований процессов, связанных с переносом веществ, загрязняющих окружающую среду. Создание моделей оценивания полей концентраций и параметров источников с использованием данных наблюдений и модельных представлений о процессах распространения примесей позволяет более надежно контролировать основные параметры техногенного загрязнения местности. Этот подход дает возможность определять информативность систем наблюдений и оптимизировать положение и количество точек отбора проб. Задача идентификации источников загрязнения актуальна, так как ее решение позволяет установить вклад отдельных источников (предприятия, города, страны) в загрязнение воздуха или почвы в данной точке. Это необходимо учитывать при создании новых источников загрязнений – ввода новых промышленных предприятий и управлении выбросами существующих, чтобы суммарное их количество не превышало установленных норм.

В данной работе рассматривается задача идентификации коэффициента турбулентной диффузии. Данная задача является актуальной, так как при построении математической модели процесса распространения вредных примесей в атмосфере коэффициенты можно определять только в результате решения задач параметрической идентификации.

1. Актуальность, цели и задачи исследования

В последние годы особенно актуальными стали проблемы, связанные с загрязнением атмосферы, так как человечество достигло пика в росте промышленного потенциала и развитии автотранспорта. Эти проблемы, в данный момент, рассматриваются на межгосударственном уровне. Если человечество не сделает решительные шаги по ликвидации уже нанесенного ущерба и не будет ничего делать для предотвращения возникновения еще более обостренной экологической ситуации, то данный вопрос будет рассматриваться в пределах планетарного масштаба, превратится в глобальную катастрофу, которую невозможно будет уже предотвратить. Поэтому данное исследование направлено на рассмотрение результатов моделирования загрязнения атмосферы выхлопами автомобильного транспорта и применение методов оценки параметров идентификации.

Целью исследования является анализ различных подходов к моделированию экологической ситуации, а также обоснование использования и применение методов идентификации параметров в задачах экологического моделирования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– провести исследование существующих методов оценки параметров идентификации;

– проанализировать научную литературу и разработки, которые дают характеристику экологическому состоянию атмосферы;

– провести постановку задачи идентификации.

2. Идентификация в задачах экологического моделирования

2.1 Экологическая ситуация и её исследование

Во всем мире автомобильная среда приобретает все более интенсивное развитие: по объему перевозок она превосходит все остальные виды транспорта (железнодорожный, водный, авиационный). И как следствие вклад автомобильного транспорта в суммарные выбросы вредных веществ городов Украины составляет около 70%, а в районах транспортных магистралей содержание вредных компонентов в атмосферном воздухе превышает предельно допустимые концентрации [8].

Автомобиль, как транспортное средство, появился около ста лет назад и к настоящему времени получил широкое и повсеместное распространение, выполняя важные функции в экономике всех стран. В мире насчитывается более шестисот миллионов автомобилей, причем мировое их производство с каждым годом возрастает.

На Украине существует ряд нормативных актов, которые направлены на регулирование, учет, предотвращение загрязнения атмосферного воздуха и информирование население о состоянии экологической ситуации на Украине. Закон Украины «Об охране атмосферного воздуха» является основным нормативным документом, который содержит информацию о стандартизации и нормировании состояния атмосферы, а также данный закон содержит основные положения по регулированию выбросов, мониторингу содержания в атмосфере вредных веществ, меры по охране воздушной среды Украины.

Одним из направлений научных исследований является исследование влияния дорожных факторов на выброс вредных веществ и расход топлива автотранспортными средствами. Этот подход отличается тем, что ведется поиск закономерностей влияния дорожных факторов и, как следствие, изменение внешних условий передвижения автомобильного транспорта, но не затрагиваются внутренние характеристики автомобиля. Одной из таких научно–исследовательских работ является работа Ерохова В.И. и Бондаренко Е.В., которая была издана в 2005 году [10]. В ней затрагиваются основные аспекты влияния дорожных факторов на выброс вредных веществ. Основными задачами, рассмотренными в данной работе, являются разработка методов классификации сложности автобусных маршрутов, разработка математических моделей показателя сложности городского автобусного маршрута. Результатом исследования является разработанная оценка экономической эффективности от внедрения маршрутного нормирования расхода топлива.

Идея рассмотрения идентификации коэффициентов турбулентной диффузии не является новой. Чаще всего исследования проводились для уравнения турбулентной диффузии в водоемах. Примером является работа С.В. Кочергина и В.С. Кочергина «Идентификация коэффициентов турбулентной диффузии в модели переноса пассивной примеси». В работе рассмотрена идентификация коэффициентов турбулентной диффузии, которая осуществляется при помощи вариационного алгоритма усвоения данных измерений. В результате проведения одномерных тестовых расчетов восстановлены истинные значения коэффициентов турбулентной диффузии в модели переноса пассивной примеси. В работе указано, что решение задач экологической направленности требует наличия моделей адекватно описывающих динамику изучаемого трассера в исследуемом водоеме. Также определено, что качество таких моделей обуславливается не только точностью решения их дискретных аналогов, но и заданием входных параметров моделирования согласованных с имеющимися данными измерений. Если первая задача решается путем использования тех или иных разностных дискретизаций уравнений модели, то вторая проблема может быть решена на основе методов идентификации входных параметров модели. Для уравнения переноса пассивной примеси такими входными параметрами являются начальные данные, поле скорости и коэффициенты турбулентной диффузии [18].

В сфере экологического мониторинга существуют различные вычислительные методы, которые помогают провести идентификацию источников загрязнения. Работа М.Ф. Кожевниковой, В.В. Левенец и И.Л. Ролик «Идентификация источников загрязнения: вычислительные методы» раскрывает сущность некоторых методов, которые применяются для идентификации источников загрязнения, также в работе показана необходимость использования данных методов для изучения влияния атомной энергетики на экологическую ситуацию в Украине [19].

После рассмотрения этих научных работ, можно сделать вывод, что идентификация коэффициентов турбулентной диффузии в воздушном пространстве, для уравнения, которое описывает выбросы автомобильного транспорта, является практически не исследованной областью. Новшество исследований, проведенных для идентификации коэффициентов турбулентной диффузии, описывающей выбросы автомобильного транспорта в атмосферу, очевидно.

2.2 Методы оценки параметров идентификации

Все физические объекты имеют некоторую протяженность в пространстве, если скорость возмущений характерна для функционирующего объекта велика (её можно считать бесконечной), то его идеализируют и представляют системой с сосредоточенными параметрами (ССП). В противном случае пренебречь пространственной протяженностью нельзя и её рассматривают, как систему с распределенными параметрами (СРП).

Построение математической модели объекта включает в себя структурную и параметрическую идентификацию. На этапе структурной идентификации, из анализа динамичности нелинейности и других априорных сведений о функционировании системы, строится структура математической модели в виде уравнений (системы алгебраических уравнений, ОДУ и их систем, уравнений в частных производных и их систем, интегральных уравнений).

Задача параметрической идентификации заключается в определении (оценивании) параметров созданной структуры. Параметрическая идентификация ССП не вызывает трудностей, пространственное распределение системы. Существенно усложняет задачу определения её параметров.

В настоящее время различают два подхода к проблеме идентификации системы СРП:

1. Аппроксимация бесконечномерной СРП и конечномерной ССП, с последовательной оценкой параметров.

2. Прямые методы, оценивающие параметры распределения модели бесконечномерных преобразований, при этом численная аппроксимация используется только для вычислительных целей.

Методы оценки параметров могут быть разнообразными. Популярными являются градиентные методы (наискорейшего спуска, монотонного убывания, сопряженных градиентов).

2.3 Постановка задачи

Для построения математической модели распространения примеси (загрязняющих веществ вблизи автострад), необходимо идентифицировать коэффициент диффузии a, доставляющий минимум функционалу J.

В математическую модель в одномерном приближении входит неизвестный коэффициент диффузии, который необходимо определить по известным замерам концентраций .

- замеры концентраций при . Найти a (коэффициент диффузии), доставляющий минимум функционалу J.

Концентрация удовлетворяет следующей краевой задаче в области

3. Текущие и плановые результаты

Для того, чтобы перейти непосредственно к идентификации коэффициента диффузии, необходимо рассмотреть основы процесса распространения вредных веществ от выхлопов автотранспорта в атмосфере. Для этого в среде MATLAB R2009b были построены графики, которые отражают зависимость процесса распространения вредных веществ в атмосфере с момента выхлопа на определенное расстояние. Подробно были рассмотрены несколько случаев:

1. Одновременно происходит выброс вредных веществ в атмосферу тремя автомобилями. Автомобили используют при этом одинаковое топливо (бензин), но выбросы производятся с различной мощностью.

2. Одновременно происходит выброс вредных веществ в атмосферу тремя автомобилями. Мощность выброса при этом у всех автомобилей одинакова, но каждый автомобиль использует различное топливо: первый автомобиль использует бензин, второй использует дизельное топливо, а третий – природный газ.

3. Одновременно происходит выброс вредных веществ в атмосферу тремя автомобилями. При этом мощность выброса и используемое топливо для всех автомобилей различаются.

При анализе графиков, представленных на анимации, можно сделать вывод, что в начальной точке выброса мощность всегда пиковая, после этого она начинает спадать. Также, можно отметить, что чем выше мощность источника, тем дольше будут оседать вредные вещества на поверхность. Данная информация, которая раскрывает суть протекания процесса распространения вредных веществ, поможет при проведении идентификации коэффициента диффузии, что заметно может помочь при решении проблемы загрязнения атмосферы.

Данное исследование находится в стадии разработки, при дальнейшем проведении исследований планируется:

1. Написание и программная реализация алгоритма идентификации

2. Проведение идентификации коэффициента диффузии

3. Исследование результатов и обоснование научной новизны представленных исследований

Выводы

Согласно поставленной цели в работе был проведен анализ различных подходов к моделированию экологической ситуации, а также обоснованы использования и применение методов идентификации параметров в задачах экологического моделирования. Было проведено исследование существующих методов оценки параметров идентификации, также была проанализирована научная литература и разработки, которые дают характеристику экологическому состоянию атмосферы, была проведена постановка задачи и указаны текущие и плановые результаты исследования.

Задача идентификации источников загрязнения актуальна, так как ее решение позволяет установить вклад отдельных источников (предприятия, города, страны) в загрязнение воздуха или почвы в данной точке. Это необходимо учитывать при создании новых источников загрязнений – ввода новых промышленных предприятий и управлении выбросами существующих, чтобы суммарное их количество не превышало установленных норм. Учитывая все вышеуказанные факторы и результаты проведенных исследований, можно сделать вывод, что проблемы идентификации коэффициентов турбулентной диффузии рассматриваются учеными, но в основном, для водных масс. Поэтому, рассмотрение идентификации коэффициентов турбулентной диффузии для загрязнений, связанных с автомобильными выхлопами, является актуальной.

Список источников

1. Алоян А.Е. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. – М.: Наука, 2008. – 415 с.
2. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – 448 с.
3. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. – М.: Наука, 1982. – 320 с.
4. Степаненко С.Н., Волошин В.Г., Типцов С.В. Решение уравнения турбулентной диффузии для стационарного точечного источника. – О.: Украинский гидрометеорологический журнал № 3, 2008. – 24 с.
5. Бызова Н.Л., Гаргер Е.Г., Иванов В.Н., Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примесей. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991. – 273 с.
6. Овчинникова Н.Б. КАДАСТР выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов. – К.: Гидрометеоиздат, 2009. – 45 с.
7. Фельдман Ф.Г. Гигиеническая сцена автотранспорта как источника загрязнения атмосферного воздуха. – М.: Медицина, 1975. – 20 с.
8. Парсаданов І.В. Підвищення якості і конкурентоспроможності дизелів на основі комплексно паливно-екологічного критерію. Монографія. – Х.: Видавничий центр НТУ «ХПІ», 2003. – 244 с.
9. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. – К.: Наукова Думка, 1984. – 143 с.
10. Ерохов В.И., Бондаренко Е.В. Влияние дорожных факторов на выброс вредных веществ и расход топлива автотранспортными средствами. – М.: ВЕСТНИК ОГУ № 4, 2005. – 13 с.
11. Семенчин Е.А. Кузякина М.В. Стохастические методы решения обратных задач в математической модели атмосферной диффузии: Монография. – М.: Физматлит, 2012. – 176 с.
12. Бабков В.С. Ткаченко Т.Ю. Анализ математических моделей распространения примесей от точечных источников. – Д.: Наукові праці ДонНТУ. Серія «Інформатика, кібернетика та обчислювальна техника» № 13, 2011. – 9 с.
13. Ложкина О.В. Анализ физико-математических моделей атмосферной диффузии применительно к оценкам воздействия автотранспорта на городскую среду/О.В. Ложкина, В.В. Попов, А.Д. Кузнецова. – СПб.: НПК «Атмосфера» при ГГО им. А.И. Воейкова, 2005. – 116 с.
14. Терентьев Г.А. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов / Г.А. Терентьев, В.М. Тюков, Ф.В. Смаль. – М.: «Химия», 1989. – 271 с.
15. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (определения, формулы, теоремы) / Г. Корн, Т. Корн. – М.: Наука, 1973. – 450 с.
16. Лазарев Ю.Ф. Начала программирования в среде MatLAB: Учебное пособие / Ю.Ф. Лазарев. – К.: НТУУ «КПИ», 2003. – 424 с.
17. Донецкий экологический портал. Карты загрязнений атмосферы города [Электронный ресурс] - Электронные текстовые данные (28304 bytes).
18. Кочергин С.В. Идентификация коэффициентов турбулентной диффузии в модели переноса пассивной примеси / С.В. Кочергин, В.С. Кочергин // Системы контроля окружающей среды. - 2010. - Вып. 14. - С. 111-113. - Библиогр.: 4 назв. - рус.
19. Кожевникова М.Ф. Идентификация источников загрязнения: вычислительные методы [Текст] / М.Ф. Кожевникова, В.В. Левенец, И.Л. Ролик // Вопросы атомной науки и техники. - 2011. - № 6. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпрово-дники (19), С. 149-156.
20. Berkowicz R., J.R. Olesen, and U. Torp, 1986, "The Danish Gaussian air pollution model (OLM): Description, test and sensitivity analysis, in view of regulatory applications," Air Pollution Modeling and Its Application, V. C. De Wispelaire, F. A. Schiermeier, and N. V. Gillani, Eds. Plemum, New York, 453-481 pp.