CC BY
29
Васильев А.Н.1, Тархов Д.А.2, Шемякина Т.А.3
^анкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, д.т.н., профессор кафедры «Высшая математика», a.n.vasilyev@gmail.com
2Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, д.т.н., профессор кафедры «Высшая математика».dtarkhov@gmaiLrom
3Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, к.ф.-м.н., доцент кафедры «Высшая математика», sh tat@mail. ги
МЕЗО-УРОВНЕВАЯ НЕЙРОСЕТЕВАЯ МОДЕЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ПО ДАННЫМ
МОНИТОРИНГА
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Экологический мониторинг, иерархическая система, загрязнение, вредные вещества, прогнозирование, концентрация, данные, дифференциальные уравнения, искусственная нейронная сеть (ИНС), настройка ИНС, глобальная оптимизация.
АННОТАЦИЯ
Нейросетевой подход используется для построения многоуровневых моделей загрязнения воздуха в мегаполисах. Данные модели могут быть использованы для оценки и минимизации воздействия транспортных потоков на окружающую среду в больших городах. Построена нейросетевая модель мезо-уровня загрязнённости атмосферного воздуха Санкт-Петербурга на основании данных, полученных автоматизированным мониторингом. Рассчитаны диаграммы распределения загрязнения по районам города, отмечены самые загрязненные части города и выявлены основные источники загрязнений, учтена зависимость уровня загрязнения разных районов как функции от направления и скорости ветра.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты №14-0100660 и №14-01-00733).
Проведены оценка состояния атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге и исследование влияния скорости и направления ветра на распределения загрязнения в атмосферном воздухе по городу Санкт-Петербургу на основании данных, полученных от 21 стационарной станции Автоматизированной системы мониторинга атмосферного воздуха Санкт-Петербурга. Для этого использованы показания скорости и направления ветра с 1 по 31 июля 2014 года, а также общий уровень загрязнения атмосферы по данным мониторинга.
В Санкт-Петербурге основную часть загрязнений воздушной среды дает автотранспорт, поэтому особенно сильно загрязнен воздух вблизи магистралей с интенсивным движением автомашин.
Перенос выброса в атмосферном воздухе, как правило, относится к гауссову типу переноса. Согласно гауссовой модели изменение концентрации примеси в атмосфере подчиняется нормальному закону распределения. Используя принцип суперпозиции и заменяя интеграл кубатурной формулой, приходим к выражению
(X,-хГ]-у/у _ (у,-у«-У/У _
--^---
22{аЛ2г
¡=5 {^Ш?СГ:гСТуСГ;
где X0, у0, z0 - координаты источника примеси; Q - мощность источника; 0) -
компоненты вектора скорости ветра; Ох, Оу, О2 - средние квадратичные отклонения частиц примеси в момент времени t соответственно вдоль координатных осей ОХ , ОУ , ОЪ ; С; -числовой коэффициент, х^у^^^, /=1 = 0,1,...,П - узлы интегрирования. Очевидно, что эта модель соответствует нейронным сетям с радиальными базисными функциями в случае
использования в качестве базисной функции гауссиана [1, 2].
На основе данных мониторинга были построены нейронные сети с разным количеством нейронов: п=5 ;п = 10 ;п= 15 ;п = 20 , - с применением метода ИРгор и комбинации метода облака из 3 частиц ( п1 = 3 ) и метода ИРгор [1, 2].
Получены диаграммы, отражающие зависимость уровня загрязнения в разных районах города от векторного параметра - скорости и направления ветра. Наилучшие результаты получились в случае применения комбинации методов при п=5 и п1 = 3 .
Диаграмма 1
Данная диаграмма показывает уровень загрязнения атмосферы в разных районах Санкт-Петербурга в безветренную погоду. Из диаграммы можно сделать вывод, что наиболее загрязненным является атмосферный воздух над Финским заливом. Это объясняется диффузией загрязнения в атмосферном воздухе с других районов города.
ю
м>
Диаграмма 2
На диаграмме 2 представлено распределение загрязнения атмосферы по городу Санкт-
Петербургу при южном ветре со скоростью - 2 м/с (Ух = 0,V у = 2) . Общий уровень загрязнения перенесен с Финского залива в северную часть города - Приморский район.
г.«
ы>
50
Диаграмма 3
По диаграмме 3 заметно, что загрязнение атмосферного воздуха переместилось из центра на северо-восточную часть Санкт-Петербурга при скорости ветра - 2м/с и западном направлении ( Vx= 2,Vу = 0 ). Наивысший уровень загрязнения наблюдается в Выборгском районе.
Диаграмма 4
Из диаграммы 4 заметно, как загрязнение перемещается от Финского залива в северную часть города Санкт-Петербурга. Это обусловлено преобладающим юго-западным ветром со скоростью 1,41 м/с ( Vx=1, Vу = 1). При данных характеристиках ветра наиболее загрязненным районом является Приморский.
»л ~ц ы
Диаграмма 5
Согласно диаграмме 5, наивысший уровень загрязнения в Петродворцовом районе, в юго-западной части города Санкт-Петербурга, при северо-восточном ветре со скоростью 1,41 м/с (
-10 113 4
Диаграмма 6
На диаграмме 6 представлена зависимость уровня загрязнения атмосферного воздуха в центре города Санкт-Петербурга от компонент скорости ветра Vх и Vу .
При северо-восточном ветре концентрация загрязняющих веществ в центре минимальна, так как на северо-востоке мало заводов и других источников загрязнения. При западном и юго-восточном ветре эта тенденция есть, но менее выражена. При ветре южных направлений картина более сложная, всё, видимо, зависит от того, приносит ли ветер загрязнения с ижорских заводов.
Северный ветер приводит только к возрастанию загрязнений, что свидетельствует о больших загрязнениях к северу от центра. Это можно объяснить тем, что в Выборгском районе находятся промышленные предприятия, расположенные, в основном, вдоль Выборгской набережной и в промзоне «Парнас»; основными стационарными источниками загрязнения являются в общей сложности 16 фабрик и заводов: «Двигатель», ЦНИИ «Гидроприбор», АООТ «Светлана», ОАО «Позитрон», на территории района проходит более 10 магистралей, такие, как Выборгское шоссе, Светлановский, Суздальский, Северный и другие проспекты.
На основании полученных в ходе исследования результатов можно сделать вывод, что распределение загрязнения атмосферного воздуха в городе Санкт-Петербурге напрямую зависит от скорости и направления ветра. В безветренную погоду наибольший уровень загрязнения - в районе Финского залива, а с появлением ветра это загрязнение вместе с воздушными массами переносится по городу в зависимости от направления ветра.
Литература
1. Васильев А.Н., Тархов Д.А. Неиросетевое моделирование. Принципы. Алгоритмы. Приложения. - СПб.: Изд-во СПбГПУ 2009. - 528 с.
2. Тархов Д.А. Нейросетевые модели и алгоритмы. М.: Радиотехника, 2014. - 348 с.
