Использование математических методов в системе мониторинга акустической среды (80
..pdfИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ВСИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА АКУСТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
г.ОРЛА
Новиков А.Н., докт. техн. наук, профессор Орловский государственный технический университет Иващук О.А., канд. физ.-мат. наук, доцент
Васильева |
В.В., ассистент |
|
Орловский |
государственный аграрный |
университет |
|
г. Орел |
|
Шумовое воздействие на акустическую среду в городах прак тически всегда имеет локальный характер и преимущественно вызывается транспортными средствами (до 80% шума), при этом автотранспорт (AT) оказывает наиболее неблагоприятное воздействие, так как автомобили являются преобладающими источниками интенсивного и длительного шума и к тому же распространены по всей территории города.
Транспортный шум имеет большие негативные последствия для населения, чем производственный или бытовой, так как сфера его действия значительно шире, а физические парамет ры, характеризующие влияние шума на организм человека, несравненно выше.
При сложившихся социально-экономических и климатиче ских региональных условиях наиболее эффективным методом повышения экологической безопасности транспортных пото ков (ТП) является проведение постоянного экомониторинга на
148
автодорогах (АД) города и управление на его основе качеством основных компонентов окружающей среды (ОС), в том числе и акустической среды.
Для оценки реального современного уровня шумового воз действия ТП на акустическую среду города Орла были проведе ны экспериментальные исследования на различных АД города.
На уровень шума от ТП оказывает влияние ряд факторов: интенсивность, скорость и состав ТП, тип двигателя автомоби ля, тип и качество дорожного покрытия, планировочные ре шения территорий, наличие зеленых насаждений и др.
При анализе структуры ТП на АД города было установлено, что достаточно высоким является процент грузового AT (даже в центральной части города он достигает 15%). Это связано с широко развернутым строительством новых жилых комплек сов, магазинов, развлекательных центров.
Эквивалентный уровень шума, создаваемого ТП на АД горо да, измерялся согласно методике [1] с использованием прибо ра для измерения шума и вибрации ВШВ-003-МЗ.
Результаты экологического мониторинга выявили пробле му снижения шумового воздействия AT на акустическую сре ду города Орла, которая в данное время является актуальной и требует выработки научно обоснованных управленческих ре шений в этой области.
Безусловно, необходим регулярный контроль изменения ситуации на АД города как при изменении параметров, харак теризующих состояние автотранспорта (AT), так и при внедре нии конкретных мероприятий по снижению шумовой нагруз ки, оказываемой ТП на акустическую среду. Однако в этом слу чае ограничиться только экспериментальными исследованиями практически невозможно, так как в таком случае процесс мони торинга становится неоправданно трудоемким и сопровождает ся значительными расходами финансовых ресурсов.
В таких случаях наиболее эффективным и рациональным является применение математических методов анализа, пост роение адекватных математических моделей (ММ) и написа ние соответствующих им компьютерных программ, позволяю щих оценить и (что более важно) спрогнозировать развитие исследуемой ситуации.
п* |
149 |
Наибольшую популярность при построении ММ оценки шумового воздействия AT на природную среду получили статистические методы. Различными учеными на основа нии большого числа экспериментальных данных построе ны регрессионные зависимости эквивалентного уровня шума (Ьэкв, ОБА) от таких параметров АД, как интенсивность ТП (I, авт/ч), доля в нем грузовых автомобилей (Q,%), скорость движения потока (V, км/ч), уклон проезжей части (к, %) и др. [2]. Такие функциональные зависимости могут быть ис пользованы для оценки и прогнозирования уровня воздей ствия AT на акустическую среду в зоне влияния АД при ва рьировании указанными входными параметрами для тех ус ловий, в которых был отобран экспериментальный матери ал для разработки ММ.
На основании данных, полученных в ходе экологического мониторинга, также была построена ММ оценки и прогноза шумовой нагрузки ТП, движущихся по АД г. Орла, в виде функциональной зависимости, которая является полиномом
первого порядка и имеет вид: |
|
Ьэкв = 71+0,0051 +0,07Q +0,04V. |
(1) |
Регрессионный анализ зависимости (1) описывает 70% раз броса значений уровня шума. Для оценки адекватности моде ли был проведен анализ остатков регрессии. Значение F-кри- терия показывает, что построенная регрессионная модель вы сокозначима. Уровень риска а = 0,05. Фактическое значение F-критерия превышает табличное FTa6 = 2,6955, т.е. получено статистически значимое уравнение регрессии и построенная
ММявляется адекватной. Обработка результатов проводилась
всистеме Mathcad 2001.
Более перспективным для построения прогностических ММ представляется использование нейросетевых методов анализа. Использование их в различных областях показы вает, что они позволяют работать с различным количеством входных и выходных параметров и дают большую точность прогнозирования по сравнению со статистическими мето дами [3].
Было выполнено обучение нейронных сетей (НС) по 3-м по-
150
казателям: I, Q и Уна основании 100 натурных экспериментов (из исследований исключались резкие отклонения для повы шения точности прогноза).
Для построения и обучения НС использовался пакет NeuroPro. Проводилось обучение и тестирование двух-, трех слойной НС прямого распространения с сигмойдальной функ цией активации. Были проанализированы НС, имеющие раз личную архитектуру (три входа сети, соответствующие I, Q и V; два (три) скрытых слоя с различным числом нейронов; один выход сети L ).
"же'
Оптимальный результат показала трехслойная сеть с архи тектурой 10-8-6, обеспечивающая достоверность 96% при точ ности ±1 .
Итак, использование НС для построения адекватных ММ оценки и прогноза уровня шумового воздействия ТП, движу щихся по АД, на акустическую среду близлежащих террито рий является эффективным и дает большую точность по срав нению со статистическими методами.
Построенные прогностические ММ могут быть использо ваны в системе регионального мониторинга воздействия AT на окружающую природную среду города Орла. Результаты имитационных компьютерных экспериментов позволяют дать оценку трудоемких и дорогостоящих натурных заме ров, они станут основой для выработки конкретных меро приятий, позволяющих повысить экологическую безопас ность AT города.
Литература:
1.ГОСТ 20444-85 «Шум. Транспортные потоки. Методы измерения шумовой характеристики».
2.Экологическая безопасность автомобильного транспорта / В.В. Амбарцумян, В.Б. Носов, В.И. Тагасов, В.И. Сарбаев.— М. : Транс порт, 2001.
3.Круглов, В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика / В.В. Круглов, В.В. Борисов.— М. : Горячая линия-Телеком, 2001.
151