Средства и технологии оценки загрязнения городской воздушной среды автотранспортными потоками

Краткое описание

Введение...6

1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования...10

1.1. Тенденция экологического прессинга автомобильного транспорта на атмосферу...10

1.1.1. Количественная и качественная структура парка...10

1.1.2. Специфика используемого топлива...12

1.1.3. Экологический прессинг автомобильного транспорта на атмосферу города...16

1.1.4. Токсичность отработавших газов автомобиля...18

1.1.5. Классификация элементов улично-дорожной сети города по экологическим показателям...22

1.2. Состояние вопроса...26

1.2.1. Специфика предметной области...26

1.2.2. Нормативно-правовой аспект...27

1.2.3. Современный уровень алгоритмизации предметной области.31

1.3. Техническое обеспечение современных исследований...38

1.3.1. Оборудование и приборы...38

1.3.2. Программно-аппаратные комплексы...42

1.4. Проблематика, цель и задачи исследования...43

1.4.1. Проблематика предметной области...43

1.4.2. Цель и задачи исследования...44

2. Разработка и исследование математической модели механизма загрязнения атмосферы автомобильным транспортом...46

2.1. Общие замечания...46

2.2. Математическая модель транспортного потока...47

2.2.1. Модель однородного транспортного потока...47

2.2.1.1. Динамические характеристики транспортного потока...47

2.2.1.2. Статистические характеристики транспортного потока...53

2.2.1.3. Временные характеристики транспортного потока...57

2.3. Математическая модель «Расход топлива - динамика транспортного потока»...58

2.3.1. Общая характеристика модели...58

2.3.2. Математическая модель «Расход топлива - динамика транспортного потока»...59

2.3.2.1. Общие замечания...59

2.3.2.2. Математическая модель «Расход топлива - динамика транспортного потока»...59

2.3.2.3. Учет временных параметров транспортного потока...61

2.3.2.4. Учет структуры транспортного потока...62

2.3.2.5. Учет типизации элементов УДС...62

2.3.2.6. Учет влияния системы управления движением...63

2.3.2.7. Результирующая математическая модель «Расход топлива-динамика транспортного потока»...67

3

2.4. Математическая модель формирования массовых выбросов загрязняющих веществ автотранспортом в атмосферу...71

2.5. Обобщенная оценка эффективности работы автотранспортного потока...72

2.5.1. Целеполагание в задачах управления автотранспортными потоками...72

2.5.2. Энергетический КПД транспортного потока...73

2.5.3. Топливный КПД транспортного потока...76

2.5.4. Экологический КПД транспортного потока...77

2.5.5. Обобщенная оценка эффективности работы транспортного потока...79

3. Инструментальные средства и методика экспериментальных исследований...81

3.1. Задачи экспериментальных исследований...81

3.2. Общая характеристика экспериментальных исследований...82

3.3. Инструментальные средства...82

3.3.1. Измерительно-вычислительный комплекс «ИВК-01»...82

3.3.2. Видеоаппаратура...91

3.4. Методика экспериментальных исследований...94

3.4.1. Методика исследования динамики транспортного потока...94

3.4.1.1. Задачи эксперимента...94

3.4.1.2. Порядок проведения эксперимента...96

3.4.2. Методика исследования энергетических характеристик транспортного потока...97

3.4.2.1. Задачи эксперимента...97

3.4.2.2. Порядок проведения эксперимента...97

3.4.3. Методика исследования экологических характеристик транспортного потока...98

3.4.3.1. Задачи эксперимента...98

3.4.3.2. Порядок проведения эксперимента...98

4. Анализ теоретических и экспериментальных данных. Оценка адекватности моделей...100

4.1. Структурная и параметрическая идентификация модели транспортного потока...100

4.1.1. Модель транспортного потока...100

4.1.2. Временные характеристики транспортного потока...104

4.1.3. Статистические характеристики транспортного потока...108

4.2. Структурная и параметрическая идентификация модели «Расход топлива - динамика транспортного потока»...109

4.3. Структурная и параметрическая идентификация модели формирования массовых выбросов загрязняющих веществ автотранспортом в атмосферу...112

5. Разработка и внедрение инструментальных средств для контроля и оценки

уровня загрязнения воздуха автомобильным транспортом...117

5.1. Разработка АРМ «Атмосфера-01»...117

4

5.1.1. Принципы построения АРМ...117

5.1.2. Разработка функциональной структуры АРМ...118

5.1.3. Разработка программного обеспечения АРМ...119

5.1.4. Требования к аппаратному обеспечению...124

5.2. Внедрение результатов исследования в практику экологического

контроля загрязнения атмосферы города автомобильным транспортом...124

5.2.1. Внедрение АРМ «Атмосфера 01»...124

5.2.2. Использование разработанных инструментальных средств в учебном процессе...125

5.2.3. Возможные области применения результатов исследований 125

Основные выводы...127

Список использованной литературы...129

Приложения...137

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИИ

АРМ - автоматизированное рабочее место;

АТП - автотранспортный поток;

АТС - автотранспортное средство;

БД - база данных;

ИН - идентификационный номер;

КПД - коэффициент полезного действия;

ОС - окружающая среда;

ПДК - предельно-допустимая концентрация;

ПО - программное обеспечение;

УДС - улично-дорожная сеть;

ЭБУ - электронный блок управления.

Введение

ВВЕДЕНИЕ

По данным ООН, Россия по уровню урбанизации находится bi лидирующей группе, поэтому вовлечение ее в движение устойчивого развития на практике начинается с городов. В ряде городов России по инициативе администраций ведутся разработки стратегий развития областных центров с учетом рекомендаций ООН. На международной конференции ООН по устойчивому развитию в г.Стамбуле была принята «Стамбульская декларация по населенным пунктам» и на ее основе — ряд документов ООН: «Руководящие принципы планирования устойчивого развития населенных пунктов ЕЭК ООН», обзор «К устойчивому развитию населенных пунктов в регионах ЕЭК». В Евросоюзе принята хартия городов Европы за устойчивое развитие (Аалборгская хартия, Дания, 27 мая 1994г., конференция городов Европы).

Идеология устойчивого развития городов предполагает в первую очередь и обеспечение их экологической устойчивости. Доминирующим фактором экологического прессинга в городах является воздействие автомобильного транспорта на атмосферу.

Темпы развития мирового автомобильного парка, по оценкам специалистов, составляют от 8 до 15% в год. Эта тенденция наблюдается и в России, более того в ряде регионов, например, в Тюменской области, рост автопарка происходит еще интенсивней.

Автомобильный транспорт является основным источником негативного воздействия на окружающую среду в крупных городах. Статистические данные [14] свидетельствуют о том, что доля загрязнений атмосферы легковым автомобильным транспортом приближается в г.Тюмени к 80%. По объему вредных выбросов в атмосферу областной центр входит в дюжину самых загазованных городов России, а по удельным показателям (на душу населения и на км2) находится в первой десятке [14,19,76].

В такой ситуации проблема снижения вредного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду в городах выдвигается на

7 первый план. Сама по себе эта проблема является комплексной и

предполагает решение ряда научно-исследовательских задач, связанных в первую очередь с выявлением механизма формирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортными потоками в городе и разработкой инструментария количественной оценки уровня таких выбросов.

Целью исследования является повышение экологической безопасности и эффективности работы легкового автомобильного транспорта на основе исследования и установления закономерностей механизма загрязнения городской воздушной среды автотранспортными потоками.

Объектом исследования является процесс формирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортными потоками на улично-дорожной сети (УДС) города, а предметом исследования -взаимосвязи динамических, энергетических и экологических характеристик АТП (на примере легкового транспорта).

Научная новизна. Разработана математическая модель, устанавливающая однозначную связь между динамическими характеристиками транспортного потока (интенсивностью, плотностью и скоростью) и транспортной характеристикой УДС, выражаемой через параметр модели к.

Установлено, что автотранспортный поток является пуассоновским с параметром распределения, зависящим от к, при этом интенсивность потока является композицией полиномиального тренда (со степенью не выше второй), аккорда гармоник (не более 5) и гауссова шума.

Разработана математическая модель «Расход топлива - динамика транспортного потока», базирующаяся на установленной зависимости удельного расхода топлива автотранспортным потоком на п-полосном участке УДС от пробегового расхода, интенсивности и структуры потока, а также от параметра модели к.

8 Разработана математическая модель формирования массовых выбросов

загрязняющих веществ автотранспортом в атмосферу, представляющая собой взвешенную сумму удельных выбросов конкретных загрязняющих веществ.

Предложен обобщенный показатель эффективности работы автотранспортного потока, являющийся произведением взвешенных частных интегральных показателей эффективностей: кинетической, топливной и экологической.

Разработано алгоритмическое и программное обеспечение оценки загрязнения городской воздушной среды автотранспортными потоками.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные инструментальные средства (автоматизированное рабочее место (АРМ) «Атмосфера-01», мобильный измерительно-вычислительный комплекс «ИВК-01») позволяют давать оценку экологической ситуации на дорогах города с целью принятия рациональных решений по управлению качеством воздушной среды при сохранении высокой эффективности работы транспортного потока.

Реализация результатов работы. На основе установленных закономерностей разработано алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение задач оценки качества воздушной среды г.Тюмени. Разработанные при участии автора АРМ «Атмосфера-01» и мобильный измерительно-вычислительный комплекс «ИВК-01» внедрены:

АРМ - в практику работы Федерального государственного учреждения «Центр государственного санитарно-эпидемиологического надзора в Тюменской области» и Центра государственного санитарно-

эпидемиологического надзора г.Тюмени;

«ИВК-01» - в учебный процесс Тюменского государственного нефтегазового университета (лабораторный практикум по дисциплинам «Теория рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания» и «Автомобильные двигатели» специальности 230100 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования в нефтегазодобыче»).

9 На защиту выносятся:

1. Математическая модель автотранспортного потока.

2. Математическая модель «Расход топлива - динамика АТП».

3. Математическая модель формирования массовых выбросов загрязняющих веществ автотранспортом в атмосферу.

4. Интегральные показатели эффективности работы транспортного потока: кинетический, топливный, экологический, обобщенный.

5. Алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение задач оценки загрязнения воздушной среды города с целью управления ее качеством.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» (Тюмень, 2002г.), областной межвузовской конференции «Информационные технологии в образовательном процессе» (Тюмень, 2002г.), межвузовской научно-методической конференции «Единая образовательная среда. Проблемы и пути ее развития» (Томск, 2003г.), конференции молодых ученых ИКЗ СО РАН, посвященной 10-летию института (Тюмень, 2001г.), научно-практической конференции, посвященной 300-летию создания инженерных войск (Тюмень, 2000г.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 8 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Объем работы составляет 145 страниц машинописного текста, в том числе 25 таблиц, 54 рисунка, список использованных источников из 129 наименований и 5 приложений.

10

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Тенденция экологического прессинга автомобильного транспорта на атмосферу

1.1.1. Количественная и качественная структура парка

Современные подходы к решению проблем загрязнения воздушной среды автотранспортными потоками для мегаполисов характеризуются смещением акцента на макроуровень, когда анализируются динамические и энерго-экологические характеристики не отдельного автомобиля, а автотранспортных потоков на улично-дорожной сети (УДС) города.

К сожалению, такой прогрессивный подход к решению экологических проблем в крупных городах (на примере г.Тюмени) не может пока быть реализован из-за слабой изученности как специфики транспортных потоков областного центра, так и механизма формирования такими потоками выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

В свою очередь дефицит необходимой информации: не позволяет создать алгоритмическую основу для инженерных методик оценки выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автомобильным транспортом в г.Тюмени и, как следствие, сдерживает разработку аппаратно-программных средств для мониторинга и управления качеством воздушной среды города, что в целом и определяет актуальность исследований.

По стандартам передовых стран Россия располагает значительным потенциалом расширения автомобильного рынка. По данным за 2001 г., на тысячу жителей приходилось немногим более 140 легковых автомобилей по сравнению с 700 в США, около 340 в Японии, 400-500 в ведущих западноевропейских и 170-250 в восточноевропейских странах. Среднегодовой прирост автомобильного парка в России за последние 5 лет составлял 5% и обеспечивался в основном за счет роста парка легковых автомобилей отечественного производства. Согласно недавно принятой

11

Концепции развития автомобильной промышленности страны, к 2010 г. парк легковых автомобилей возрастет до 30-33 млн. шт.

Тенденция развития (количественная и качественная структура) автомобильного парка мира, России и г.Тюмени представлена на рисунках 1.1 и 1.2.

100,0%

50,0% ,-¦ L L

0,0%

Мир Россия Тюмень

? Легковые 76,60% 86,40% 87,20%

И Грузовые 23,40% 13,60% 12,80%

Рисунок 1.1. Соотношение легкового и грузового составов

автотранспорта

Качественный состав автомобильного транспорта устойчиво перераспределяется в пользу легкового. Все это свидетельствует о непрерывном нарастании его экологического прессинга на воздушную среду городов.

784 75Б 720 700

i 644

1 616

I" 560

m 532

^ 504

ra" 476

0 44В

1 «D J 392

0 364

1 336 § 308 s 280 J 252

224

Y(x) = 0.189Г) (-476. 29 ¦¦

2000 г

...!¦

1996 r.

199C r.

¦

1985 r.

QROr

197БГ.

'm^ 1960 г ...

3BD0

3750 3900 4050 420D 4350 4500 4650 4800 4950 5100 5250 5400 5550 5700 5850 6000 6150 6300 6450

Численность населения в мире, мпн.чел.

Рисунок 1.2. Темпы прироста автомобильного парка

12 1.1.2. Специфика используемого топлива

Объем потребляемого легковым транспортом топлива (Аи-76, 93, 95, 98) год от года катастрофически нарастает ив городе Тюмени в 2001 году составил 291467, в 2002г. - 330247, а за семь месяцев 2003г. - 172343 тонны. Это еще усугубляется тем, что технические требования на наиболее массовые отечественные бензины Аи-76, Аи-93 (ГОСТ 2084) и Аи-92 (ТУ 38.001165) не отвечают международным стандартам. В таблице 1.1 приведены результаты сравнения качеств моторных топлив, используемых в России и за рубежом [37]. Их анализ показывает, что отечественные продукты не отвечают международным стандартам по содержанию свинца (для этилированных бензинов), массовой доле серы, отсутствию регламентации содержания бензола и моющих присадок.

В то же время большинство отечественных нефтеперерабатывающих заводов выпускают только два вида бензинов, которые классифицируются по давлению насыщенных паров как летний и зимний. Такой широкий диапазон по показателю давления насыщенных паров порой приводит к появлению паровых пробок и потере мощности двигателя при применении бензинов при температуре воздуха выше +30°С, а при температуре ниже -25°С затрудняет пуск двигателя.

Введенный в действие с начала 1999г. новый стандарт на неэтилированные бензины [128] предусматривает производство бензинов пяти классов испаряемости, что позволяет предложить потребителю бензин с более оптимальными свойствами в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Проведенные в России многочисленные экспериментальные исследования [11,15,20,27,33,38,71,78,86] показали, что уровень выбросов типовых токсичных веществ при сгорании различных видов топлива в среднем соответствует данным, приведенным в таблице 1.2.

Таблица 1.1.

Сравнение требований к экологическим показателям бензинов

Показатели Нормы

Отечественные Зарубежные

Действовавшие Введенные с 01.01.99 ГОСТ 51105 Действующие по EN 228-93 Перспективные

А-76, Аи-93, Аи-95 по ГОСТ 2084 Аи-92, Аи-98 по ТУ Нормаль-80, Регуляр-91, Премиум-95, Супер-98 Предложения комиссии ЕС вводятся с 01.01.2000г. Предложения ассоциации Европейских автомобильных компаний

Содержание свинца, г/дм3, не более 0,15 0,013 0,010 0,005% (после 1995 г.) 0,005 -

[Массовая доля серы, %, не более 0,10 0,05 0,05 0,10 0,02 0,003

Объемная доля бензола, %, не более - - 5 5 2 1

Объемная доля ароматических соединений, %, не более 45 (после 1995 г.) 45 35

Давление насыщенных ларов бензина, кПа, не более 66,7 80 70,80,90,95 и 100 (5 классов) 70,70,80, 80,90,90, 95 и 100 (8классов) 60* 60*

*Для бензина летнего вида.

14 Анализ таблицы 1.2 [55] показывает, что основным токсичным веществом

для бензинового топлива является — СО 2, для дизельного — СО 2 и сажа.

Таким образом, необходимо отметить, что несмотря на планируемые меры по улучшению качества отечественного топлива, уровень токсичных выбросов при его сгорании существенно превышает европейские нормы.

Таблица 1.2

Выбросы вредных веществ и расход топлива одиночных АТС в условиях эксплуатации (ездовые циклы по ГОСТ 20306-90), г/км

Тип АТС Классификация Q, л/км Выбросы вредных веществ

СО NO; схну Тв. частицы (сажа) со2 SO2 Соединения свинца

Пассажирские транспортные средства

Бензиновые ВМ1 0,092 12,4 1,9 2,1 - 199,1 0,14 0,024

ВМ2 0,191 40,2 1,3 3,1 382,9 0,27 0,045

ВМЗ 0,543 140 12,7 8,2 - 1141,7 0,82 0,135

Дизельные DM1 0,067 3,1 5,6 1,1 0,18 154,6 0,53 -

DM2 0,109 1,6 2,0 0,4 0,35 251,3 0,87 -

DM3 0,408 7,1 11,2 4,7 0,96 1150,7 3,96 -¦

Газовые СНГ Ml 0,078 3,1 0,7 1,8 -¦ 205,3 0,02 -

СНГМ2 0,123 10,0 0,5 2,9 - 321,4 0,02 -

СНГМЗ 0,283 33,9 4,6 7,6 741,3 0,05 -

СНГбМЗ 0,65* 69,8 34,1 19,9 - 1289,8 1,26 -

ГДМЗ 13** 49,0 16,4 42,2 0,39 842,5 0,59 -

Грузовые транспортные средства

Бензиновые BN1 0,135 39,6 3,0 4,0 276,8 0,2 0,033

BN2 0,367 118,5 10,1 10,7 - 725,6 0,52 0,086

BN3 0,673 113,8 16,4 7,1 -¦ 1259,3 0,9 0,149

Дизельные DN1 0,075 5,1 8,3 1,6 0,36 173,1 0,6 -

DN2 0,265 9,2 8,4 2,0 1,49 666,1 2,3 -

DN3 0,457 15,9 19,5 4,8 1,06 1032,0 3,6 -

Газовые СНГЫ1 0,11 9,3 1,1 3,4 - 289,1 0,02 --

СНГ N2 0,217 28,4 3,5 10,4 -- 569,8 0,04 -

СНГ6Ы2 0,30* 37,9 15,3 13,1 - 590,0 0,58 -

гдю 12** 54,8 14,6 49,8 0,375 795,1 0,56 -

* м /км.

* МДж/км.

В последнее время к оценке токсичности выбросов применяются и интегральные подходы. В работе [64] предложена методика интегральной

15 оценки токсичности выбросов, основанная на введении коэффициента

приспособленности автомобиля к окружающей среде, выражаемого через токсичность монооксида углерода (СО ), который в 59 раз менее токсичен,

чем оксид азота (NOX) и в 3 раза - чем сумма углеводородов (CnHm).

Подобный подход использован в работе [6], предлагающей осуществлять ранжирование автомобилей по уровню их экологической безопасности на основе интегрального показателя токсичности КОА

m ( \лVх'

m

где а{ — безразмерная константа, позволяющая соотнести степень вредности i— вещества с вредностью диоксида серы (III класс опасности);

ПДК — максимально разовая предельно допустимая концентрация, (г/м3);

Mj- количество выбросов /-примеси в атмосферу, (г/с).

Для более объективной оценки предлагается ввести критерий экологической безопасности автомобиля Ка, который должен дать точное

представление об уровне экологической безопасности автомобиля и определить, насколько он отличается от некого объективного эталона KOAj

а =--------------------'

КОАЕВРО здесь КОАЕВРО - категория опасности автомобиля, удовлетворяющего

ЕВРО;

КОА • - категория опасности автомобиля, определяемая для реальных

условий эксплуатации.

Из данного соотношения вытекает, что в случае выполнения условияКа 1, то техническое состояние такого автомобиля с позиции

16

экологической безопасности следует считать неудовлетворительным, и возникает необходимость в регулировке или замене определенных узлов ДВС.

В таблице 1.3 приведены значения критерия экологической безопасности любого автомобиля.

Таблица 1.3. Границы уровней экологической безопасности

ЕВРО Уровень опасности Значение Ка

I Чрезвычайно опасные 10

II Высоко опасные 4ч-10

III Умеренно опасные 2-г4

IV Мало опасные 1ч-2

V Неопасные