Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- Вступ
- 1. Актуальність, мета і завдання дослідження
- 2. Ідентифікація в задачах екологічного моделювання
- 2.1 Екологічна ситуація і її дослідження
- 2.2 Методи оцінки параметрів ідентифікації
- 2.3 Постановка завдання
- 3. Поточні та планові результати
- Висновки
- Перелік посилань
Вступ
Автотранспорт є одним з основних показників техніко-економічного розвитку суспільства, він сприяє задоволенню соціальних потреб населення. Але, з іншого боку, він щодня негативно впливає як на здоров'я людини, так і на загальний стан навколишнього середовища. Вихлопи автотранспорту призводять до порушення екологічної рівноваги. Щодня у повітряне середовище потрапляє величезна кількість суміші приблизно з двохсот різних речовин. Велика частина двигунів автомобілів споживає бензин, саме він при згорянні виділяє достатньо велику кількість свинцю, діоксиду вуглецю, оксиду вуглецю, оксиду азоту, вуглекислого газу. Також в атмосферу потрапляє деяка кількість саж і смол, які утворюються в моменти технічної несправності мотора. Важливим є і той факт, що автомобільний транспорт не тільки вносить значний внесок у забруднення атмосфери, але і споживає велику кількість природних матеріалів та сировини. Один легковий автомобіль поглинає щорічно з атмосфери в середньому більше чотирьох тонн кисню, викидаючи з вихлопними газами приблизно вісімсот кілограм окису вуглецю, близько сорока кілограм окисів азоту та майже двісті кілограм різних вуглеводнів. За статистикою, в деяких містах України, викиди автотранспорту становлять більше половини всіх викидів, в тому числі і промислових [6].
Дана проблема вже зачіпає не тільки великі міста, де щодня можна нарахувати кілька десятків величезних пробок, але й маленькі міста та села, через які проходять живі магістралі. На жаль, не так просто усунути наслідки, завдані атмосфері автотранспортом. Розширено кількість контрольно-регулювальних постів на підприємствах, організовуються такі пости на станціях технічного обслуговування і в автомобільних кооперативах, згідно з рішеннями і постановами Кабінету міністрів України збільшують постачання не етелірованного бензину з 1997 року. Однак, проблема забруднення атмосфери викидами автотранспорту, так і залишається не вирішеною. Проблема ускладнюється тим, що поряд зі зміною структури і збільшенням масштабів промислового виробництва, а значить і зростанням кількості автомобільного транспорту, характерною особливістю науково-технічного прогресу є триваючий процес урбанізації. Таким чином, сучасні великі промислові міста, які характеризуються високою щільністю населення, виявляються в набагато гіршому становищі, і вже не в силах реагувати на проблеми забруднення атмосфери з достатньою швидкістю.
Важливим фактором також є те, що автомобільний транспорт не є статичним джерелом виділення домішок. Викиди промислових підприємств найчастіше зосереджені в певному місці і шкідливі домішки поширюються тільки за допомогою повітряних мас. Все ж, гостра необхідність у вивченні ролі атмосферних фізико-хімічних і кінетичних процесів, в освіті аерозольних частинок, у трансформації малих газових компонентів природного та антропогенного походження у всьому комплексі наук про атмосферу визначилася лише в останні роки. [1].
Завдання моніторингу навколишнього середовища вимагають залучення сучасних обчислювальних засобів, що обумовлено необхідністю обробки великих обсягів інформації, зокрема, її сортування, попередньої обробки для подальшого використання в складних обчислювальних алгоритмах досліджень процесів, пов'язаних з перенесенням речовин, що забруднюють навколишнє середовище. Створення моделей оцінювання полів концентрацій і параметрів джерел з використанням даних спостережень і модельних уявлень про процеси поширення домішок дозволяє надійніше контролювати основні параметри техногенного забруднення місцевості. Цей підхід дає можливість визначати інформативність систем спостережень і оптимізувати стан і кількість точок відбору проб. Завдання ідентифікації джерел забруднення актуальна, оскільки її рішення дозволяє встановити внесок окремих джерел (підприємства, міста, країни) у забруднення повітря або грунту в даній точці. Це необхідно враховувати при створенні нових джерел забруднень - введення нових промислових підприємств і управління викидами існуючих, щоб сумарна їх кількість не перевищувала встановлених норм.
У даній роботі розглядається задача ідентифікації коефіцієнта турбулентної дифузії. Дана задача є актуальною, так як при побудові математичної моделі процесу поширення шкідливих домішок в атмосфері коефіцієнти можна визначати тільки в результаті вирішення задач параметричної ідентифікації.
1. Актуальність, мета і завдання дослідження
В останні роки особливо актуальними стали проблеми, пов'язані із забрудненням атмосфери, так як людство досягло піку в зростанні промислового потенціалу і розвиток автотранспорту. Ці проблеми, в даний момент, розглядаються на міждержавному рівні. Якщо людство не зробить рішучі кроки з ліквідації вже нанесеного збитку і не буде нічого робити для запобігання виникнення ще більш загостреною екологічної ситуації, то дане питання розглядатиметься в межах планетарного масштабу, перетвориться на глобальну катастрофу, яку неможливо буде вже запобігти. Тому дане дослідження спрямоване на розгляд результатів моделювання забруднення атмосфери вихлопами автомобільного транспорту та застосування методів оцінки параметрів ідентифікації.
Метою дослідження є аналіз різних підходів до моделювання екологічної ситуації, а також обгрунтування використання та застосування методів ідентифікації параметрів в задачах екологічного моделювання. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:
– провести дослідження існуючих методів оцінки параметрів ідентифікації;
– проаналізувати наукову літературу і розробки, які дають характеристику екологічному стану атмосфери;
– провести постановку задачі ідентифікації.
2. Ідентифікація в задачах екологічного моделювання
2.1 Екологічна ситуація і її дослідження
У всьому світі автомобільна середа набуває все більш інтенсивний розвиток: за обсягом перевезень вона перевершує всі інші види транспорту (залізничний, водний, авіаційний). І, як наслідок, внесок автомобільного транспорту в сумарні викиди шкідливих речовин міст України становить близько 70%, а в районах транспортних магістралей вміст шкідливих компонентів в атмосферному повітрі перевищує гранично допустимі концентрації [8].
Автомобіль як транспортний засіб з'явився близько ста років тому і до теперішнього часу отримав широке і повсюдне поширення, виконуючи важливі функції в економіці всіх країн. У світі налічується понад шістсот мільйонів автомобілів, причому світове їх виробництво з кожним роком зростає.
На Україні існує ряд нормативних актів, які спрямовані на регулювання, облік, запобігання забруднення атмосферного повітря та інформування населення про стан екологічної ситуації на Україні. Закон України «Про охорону атмосферного повітря» є основним нормативним документом, який містить інформацію про стандартизацію і нормуванні стану атмосфери, а також цей закон містить основні положення щодо регулювання викидів, моніторингу вмісту в атмосфері шкідливих речовин, заходи з охорони повітряного середовища України.
Одним з напрямків наукових досліджень є дослідження впливу дорожніх факторів на викид шкідливих речовин і витрата палива автотранспортними засобами. Цей підхід відрізняється тим, що ведеться пошук закономірностей впливу дорожніх факторів і, як наслідок зміна зовнішніх умов пересування автомобільного транспорту, але не зачіпаються внутрішні характеристики автомобіля. Однією з таких науково-дослідних робіт є робота Ерохова В.І. і Бондаренко Є.В., яка була видана в 2005 році. У ній зачіпаються основні аспекти впливу дорожніх факторів на викид шкідливих речовин. Основними завданнями, розглянутими в даній роботі, є розробка методів класифікації складності автобусних маршрутів, розробка математичних моделей показника складності міського автобусного маршруту. Результатом дослідження є розроблена оцінка економічної ефективності від впровадження маршрутного нормування витрати палива[10].
Ідея розгляду ідентифікації коефіцієнтів турбулентної дифузії не є новою. Найчастіше дослідження проводилися для рівняння турбулентної дифузії у водоймах. Прикладом є робота С.В. Кочергіна і В.С. Кочергіна «Ідентифікація коефіцієнтів турбулентної дифузії в моделі переносу пасивної домішки». У роботі розглянута ідентифікація коефіцієнтів турбулентної дифузії, яка здійснюється за допомогою варіаційного алгоритму засвоєння даних вимірювань. У результаті проведення одновимірних тестових розрахунків відновлені істинні значення коефіцієнтів турбулентної дифузії в моделі переносу пасивної домішки. У роботі зазначено, що вирішення завдань екологічної спрямованості вимагає наявності моделей адекватно описують динаміку досліджуваного трасера в досліджуваному водоймі. Також визначено, що якість таких моделей обумовлюється не тільки точністю вирішення їх дискретних аналогів, а й завданням вхідних параметрів моделювання узгоджених з наявними даними вимірювань. Якщо перше завдання вирішується шляхом використання тих чи інших різницевих дискретизації рівнянь моделі, то друга проблема може бути вирішена на основі методів ідентифікації вхідних параметрів моделі. Для рівняння переносу пасивної домішки такими вхідними параметрами є початкові дані, поле швидкості і коефіцієнти турбулентної дифузії [18].
У сфері екологічного моніторингу існують різні обчислювальні методи, які допомагають провести ідентифікацію джерел забруднення. Робота М.Ф. Кожевнікової, В.В. Левенець і І.Л. Ролик «Ідентифікація джерел забруднення: обчислювальні методи» розкриває сутність деяких методів, які застосовуються для ідентифікації джерел забруднення, також у роботі показана необхідність використання даних методів для вивчення впливу атомної енергетики на екологічну ситуацію в Україні [19].
Після розгляду цих наукових робіт, можна зробити висновок, що ідентифікація коефіцієнтів турбулентної дифузії в повітряному просторі, для рівняння, яке описує викиди автомобільного транспорту, є практично не дослідженою областю. Нововведення досліджень, проведених для ідентифікації коефіцієнтів турбулентної дифузії, яка описує викиди автомобільного транспорту в атмосферу, очевидно.
2.2 Методи оцінки параметрів ідентифікації
Всі фізичні об'єкти мають деяку протяжність в просторі, якщо швидкість збурень характерна для функціонуючого об'єкта велика (її можна вважати нескінченною), то його ідеалізують і являють системою з зосередженими параметрами (СЗП). В іншому випадку знехтувати просторової протяжністю не можна і її розглядають, як систему з розподіленими параметрами (СРП).
Побудова математичної моделі об'єкта включає в себе структурну і параметричну ідентифікацію. На етапі структурної ідентифікації, з аналізу динамічності нелінійності та інших апріорних відомостей про функціонування системи, будується структура математичної моделі у вигляді рівнянь (системи алгебраїчних рівнянь, ОДУ і їх систем, рівнянь в приватних похідних і їх систем, інтегральних рівнянь).
Завдання параметричної ідентифікації полягає у визначенні (оцінюванні) параметрів створеної структури. Параметрична ідентифікація СЗП не викликає труднощів, просторовий розподіл системи істотно ускладнює завдання визначення її параметрів.
В даний час розрізняють два підходи до проблеми ідентифікації системи СРП:
1. Апроксимація нескінченновимірної СРП і кінцевовимірна СЗП, з послідовною оцінкою параметрів.
2. Прямі методи, що оцінюють параметри розподілу моделі нескінченновимірних перетворень, при цьому чисельна апроксимація використовується тільки для обчислювальних цілей.
Методи оцінки параметрів можуть бути різноманітними. Популярними є градієнтні методи (найшвидшого спуску, монотонного убування, сполучених градієнтів).
2.3 Постановка завдання
Для побудови математичної моделі поширення домішки (забруднюючих речовин поблизу автострад), необхідно ідентифікувати коефіцієнт дифузії a, який доставляє мінімум функціоналу J.
У математичну модель в одновимірному наближенні входить невідомий коефіцієнт дифузії, який необхідно визначити за відомим замірами концентрацій 
.
- заміри концентрацій при 
. Знайти a (коефіцієнт дифузії), який доставляє мінімум функціоналу J.
Концентрація 
задовольняє наступній крайовій задачі в області 
3. Поточні та планові результати
Для того, щоб перейти безпосередньо до ідентифікації коефіцієнта дифузії, необхідно розглянути основи процесу поширення шкідливих речовин від вихлопів автотранспорту в атмосфері. Для цього в середовищі MATLAB R2009b були побудовані графіки, які відображають залежність процесу поширення шкідливих речовин в атмосфері з моменту вихлопу на певну відстань. Детально були розглянуті кілька випадків:
1. Одночасно відбувається викид шкідливих речовин в атмосферу трьома автомобілями. Автомобілі використовують при цьому однакове паливо (бензин), але викиди виробляються з різною потужністю.
2. Одночасно відбувається викид шкідливих речовин в атмосферу трьома автомобілями. Потужність викиду при цьому у всіх автомобілів однакова, але кожен автомобіль використовує різне паливо: перший автомобіль використовує бензин, другий використовує дизельне паливо, а третій - природний газ.
3. Одночасно відбувається викид шкідливих речовин в атмосферу трьома автомобілями. При цьому потужність викиду і використовуване паливо для всіх автомобілів розрізняються.
При аналізі графіків, представлених на анімації, можна зробити висновок, що в початковій точці викиду потужність завжди пікова, після цього вона починає спадати. Також, можна відзначити, що чим вище потужність джерела, тим довше будуть осідати шкідливі речовини на поверхню. Дана інформація, яка розкриває суть протікання процесу поширення шкідливих речовин, допоможе при проведенні ідентифікації коефіцієнта дифузії, що помітно може допомогти при вирішенні проблеми забруднення атмосфери.
Рисунок 1 – Графік розповсюдження шкідливих речовин у атмосфері (однакове паливо, різна потужність)
(анімація: 3 кадри, 15 циклів повторення, 65 кілобайт)
Рисунок 2 – Графік розповсюдження шкідливих речовин у атмосфері (однакова потужність, різне паливо)
(анімація: 3 кадри, 15 циклів повторення, 49 кілобайт)
Рисунок 3 – Графік розповсюдження шкідливих речовин у атмосфері (різне паливо, різна потужність)
(анімація: 3 кадри, 15 циклів повторення, 64 кілобайт)
Дане дослідження знаходиться в стадії розробки, при подальшому проведенні досліджень планується:
1. Написання та програмна реалізація алгоритму ідентифікації
2. Проведення ідентифікації коефіцієнта дифузії
3. Дослідження результатів та обгрунтування наукової новизни представлених досліджень
Висновки
Відповідно до поставленої мети в роботі було проведено аналіз різних підходів до моделювання екологічної ситуації, а також обгрунтовано використання і застосування методів ідентифікації параметрів в задачах екологічного моделювання. Було проведено дослідження існуючих методів оцінки параметрів ідентифікації, також була проаналізована наукова література та розробки, які дають характеристику екологічному стану атмосфери, була проведена постановка задачі та вказані поточні та планові результати дослідження.
Завдання ідентифікації джерел забруднення актуальна, оскільки її рішення дозволяє встановити внесок окремих джерел (підприємства, міста, країни) у забруднення повітря або грунту в даній точці. Це необхідно враховувати при створенні нових джерел забруднень - введення нових промислових підприємств і управління викидами існуючих, щоб сумарна їх кількість не перевищувала встановлених норм. Враховуючи всі вищевказані фактори і результати проведених досліджень, можна зробити висновок, що проблеми ідентифікації коефіцієнтів турбулентної дифузії розглядаються вченими, але в основному, для водних мас. Тому, розгляд ідентифікації коефіцієнтів турбулентної дифузії для забруднень, пов'язаних з автомобільними вихлопами, є актуальною.
Список джерел
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.