CC BY
42
УДК 534.833.46:699.844.3
ОВСЯННИКОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, ovssn@tsuab. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ОВСЯННИКОВ МИХАИЛ СЕРГЕЕВИЧ, аспирант,
michael. ovsyannikov@gmail com
Томский государственный университет,
634050, г. Томск, пр. Ленина, 36
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ЦИФРОВЫХ КАРТ АКУСТИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИМАГИСТРАЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ГОРОДОВ
В статье рассматриваются вопросы оценки акустического загрязнения примагист-ральных территорий городов при строительстве и реконструкции магистральных улиц, методы моделирования линейных источников шума транспортных магистралей, расчета и построения карт шума на примагистральных территориях. Приведена методика построения карт шума с использованием метода ray-casting, а также рассматриваются основные алгоритмы авторского вычислительного пакета NoiseTracer. Приведен анализ результатов компьютерного моделирования по сравнению с результатами натурных измерений.
Ключевые слова: транспортный шум, карта шума, трассировка лучей, гео-информационные системы, параллельные вычисления.
OVSYANNIKOV, SERGEY NIKOLAYEVICH, Doc. of tech. sc., prof., ovssn@tsuab. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia,
OVSYANNIKOV, MIKHAIL SERGEYEVICH, P.G., michael. ovsyannikov@gmail. com Tomsk State University,
36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia
AUTOMATED COMPUTING AND GENERATION OF NOISE POLLUTION MAPS FOR URBAN AREAS NEAR TRUNK ROADS
The article describes aspects of noise pollution evaluation in urban areas near trunk roads while building and reconstruction of roads. It also contains methods of sound propagation computing, noise maps generation for urban areas. In article presented method of noise maps generation based on «ray-casting» method and describes basic algorithms of computing software «NoiseTracer». Also there was presented analysis of computation models results with real measures data.
Ключевые слова: traffic noise, noise pollution map, ray casting, GIS, parallel computing.
За последние 20 лет уровень автомобилизации в России вырос более чем в 2 раза, что потребовало скорейшего решения проблемы развития маги-
© С.Н. Овсянников, М.С. Овсянников, 2011
стральной улично-дорожной сети городов. Так, в городе Томске с населением около 500 тыс. чел. к 2005 г. имелась система магистральных улиц, дошедшая до нас почти без изменения со времен гужевого транспорта, с несколькими широтными и меридиональными магистральными улицами общегородского значения без современных транспортных развязок. К настоящему времени разработаны проекты реконструкции и строительства более 10 городских магистралей, некоторые из них уже реализованы, что несколько снизило проблему автомобильных пробок.
Реконструкция транспортных магистралей, решая проблему пробок, создает проблему акустического загрязнения примагистральных территорий. С увеличением пропускной способности магистралей резко увеличивается интенсивность и скорость автотранспорта, а следовательно, и шумовые характеристики магистралей. Прогнозные шумовые характеристики реконструируемых магистралей на 2023-2028 годы (эквивалентные уровни шума днем/ночью) составят:
пр. Комсомольский - 81/77 дБА
ул. Пушкина - 81/77 дБА
ул. Осенняя - 82/77 дБА
ул. Елизаровых - 78/73 дБА
а/д Томск - Аэропорт - 77/76 дБА
ул. Клюева - 78/73 дБА
ул. Д.-Ключевская - 79/74 дБА
ул. Сибирская - 75/70 дБА
ул. Балтийская - 83/79 дБА.
Как видим, высокие шумовые характеристики наблюдаются не только в дневное, но и в ночное время суток. Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.562-96 определяют предельно допустимые уровни шума перед фасадами жилых домов
первого фронта застройки £Аэкв = 55 дБА днем и не более экв = 45 дБА ночью, а на дворовой территории не более £аэкв = 45 дБА и днем, и ночью.
В европейских странах на защиту от шума тратится ежегодно до 50 млрд евро, что включает в себя только затраты на установку шумозащитных экранов и замену окон на шумозащитные конструкции [1]. Затраты на шумозащитные мероприятия при реконструкции и строительстве только перечисленных выше магистралей г. Томска, включающие затраты на строительство более 10 км шумозащитных экранов и замену десятков тысяч окон на шумозащитные конструкции, составят около 1 млрд р. в текущих ценах. Реализация шумозащитных мероприятий в Томске началась с замены обычных деревянных окон на пластиковые в жилом микрорайоне по ул. Елизаровых.
Высокая стоимость шумозащитных мероприятий требует повышенной точности расчетов акустического загрязнения территорий и проектирования санитарного разрыва по фактору шума. Для магистральных улиц как линейных объектов установлен режим санитарных разрывов, причем его размер определяется, как правило, не загазованностью, а акустическим воздействием. Так, при дневной шумовой характеристике магистрали в 80 дБА и отсутствии
шумозащитных зданий или экранов ширина санитарного разрыва по шуму может достигать 400 м.
Теоретическому исследованию распространения звука в городской застройке посвящено множество отечественных и зарубежных работ [2, 3]. Физические основы моделирования транспортной магистрали как линейного источника шума и формирования звукового поля с учетом дифракции и отражения звука от поверхности земли и от фасадов зданий исследованы достаточно хорошо. В качестве последних работ в этом направлении можно отметить работы Н.Д. Николова [4] и И. Л. Шубина [5].
В настоящее время для построения карт шума используются методики ручного вычерчивания с использованием специальных линеек и палеток или компьютерные программы для расчета уровней шума и построения карт акустического загрязнения. Наиболее известны программы SoundPLan, ExNoise, «Эколог-Шум», Predictor, в которых использованы методики векторного вычисления уровней шума в расчетной точке [6, 7, 8]. При этом исходная модель застройки может быть подготовлена с использованием ГИС-технологий, что позволяет точно моделировать расположение зданий, дорог и зеленых насаждений, а также при необходимости задавать триангуляционную карту высот.
Применение компьютерных программ можно свести к двум общим подходам: экстраполяции результатов натурных съемок для получения более полной картины распространения шума и созданию прогнозных моделей, позволяющих прогнозировать картину изменения распространения шума спустя определенное количество лет или в результате реконструкции автомагистрали. Значительным препятствием на пути полноценного использования компьютерных моделей зачастую является отсутствие полноценных ГИС-моде-лей города, а процесс создания такой модели для примагистральной территории является чрезвычайно трудоемким для одной лишь задачи построения карты шума. В связи с этим на первый план выходят программные пакеты, работающие с упрощенными планами местности, например полученными при оцифровке топографических карт.
Значительный вклад в картину распространения шума вносит эффект многократного отражения от фасадов зданий. Сложность учета отражения звука заключается в том, что количество отражений растет экспоненциально с каждой итерацией, т. е. на первой итерации рассматриваются однократные отражения звука от фасадов, на второй - отражения второго порядка и т. д.
Кроме того, в условиях близко расположенных зданий требуется автоматически учитывать дифракционную составляющую распространения шума, как вносящую существенный вклад в картину распространения звуковых волн. В определенных случаях целесообразным является использование карты высот для расчета возможной дифракционной составляющей в вертикальной плоскости. Если на первой линии расположены малоэтажные строения, то расположенные позади них здания также могут подвергаться воздействию транспортного шума. Аналогичным образом может производиться учет эффекта шумозащитных экранов.
В качестве карты высот района застройки целесообразно использование двух различных моделей представления высотных отметок. Для учета высоты
зданий, расположенных на поверхности с высотной отметкой, примерно соответствующей отметке полотна дороги, наиболее подходит 2,5-мерная модель представления местности, где, помимо двух координат исходного плана местности, задана высота каждого отдельного здания. Если район застройки является местностью с поверхностью сложной конфигурации или если полотно дороги расположено значительно ниже окружающих зданий, то наиболее эффективным является использование 3-мерной триангуляционной модели поверхности.
В рамках программы строительства городской магистрали по ул. Елизаровых в г. Томске в 2011 г. были проведены натурные съемки уровней шума в 160 точках для сравнения результатов прогнозного моделирования, выполненного в 2006 г., с реальными значениями. Результат измерений после обработки позволил актуализировать карту шума для дневного и ночного времени суток. Пример карты дневного уровня представлен на рис. 1.
Рис. 1. Карта дневных уровней шума по ул. Елизаровых
В дополнение к результатам натурных измерений было выполнено моделирование распространения шума на примагистральной территории с использованием разработанного авторами экспериментального программного пакета Ко18еТгаеег. В качестве исходной модели местности была использована векторная 2Б-модель примагистральной территории, полученная при оцифровке топографических карт. Линейный источник транспортного шума был представлен в виде 116 точечных источников, расположенных на осевых линиях ул. Елизаровых и ул. Кулагина. Шаг расчетной сетки был выбран в 1 м, шаг точечных источников на магистрали принят 10 м. При значении
шумовой характеристики транспортной магистрали как линейного источника Ьаэкв, уровень шума каждого точечного источника Ьг- принят:
Ь = ЬАэкв —101§ п, (1)
где п - число точечных источников одинаковой мощности, попадающих на рассматриваемый участок магистрали.
Результатом работы расчетной программы является карта уровней шумового загрязнения выбранной территории, фрагмент которой представлен на рис. 2.
Рис. 2. Результат работы расчетной программы
В основе программы NoiseTracer лежит итеративная схема вычислений на основе алгоритма ray-casting, состоящая из модуля геометрической трассировки источников и модуля расчета значений показателей акустического загрязнения. Итеративность заключается в том, что помимо первичных источников, заданных изначально, в процессе работы возникают вторичные источники. Примером вторичных источников являются мнимый источник для расчета отражения и узконаправленный источник для расчета дифракции. С этой целью в программе существует очередь источников, которая постоянно пополняется.
Значение геометрической трассировки заключается в выделении тех областей, которые могли подвергнуться загрязнению, и отсечении лишних областей.
Обработка каждого точечного источника происходит единообразно. На первом этапе происходит построение списка фасадов, ориентированных лицевой стороной на источник (рис. 3, а). Затем, рассматривая каждое из зданий
в виде полигона, заданного набором точек, выбираются такие точки, которые расположены в области прямой видимости с помощью адаптированного алгоритма плоскостного 2-буфера (рис. 3, б). Следующим шагом является нахождение «теней» - областей, образованных частичным перекрытием путей прямолинейного распространения звука фасадами зданий. Таким образом, полученная ранее область достраивается путем включения дополнительных точек (рис. 3, в). Основным результатом работы модуля геометрической трассировки является вычисленная для каждого точечного источника область прямолинейного распространения звука, представленная в виде полигона.
б в
Рис. 3. Основные шаги геометрической трассировки источника
В рамках геометрической трассировки решается ещё одна задача. Это выделение вторичных источников шума - мнимых источников для учета отражений и узконаправленных источников на углах зданий для моделирования дифракционного распространения. Координаты расположения вторичных источников вычисляются при анализе области прямолинейного распространения. Созданные вторичные источники добавляются в очередь на обработку, что позволяет за счет множества итераций учитывать эффекты многократных отражений.
Расчетный модуль производит вычисление показателей акустического загрязнения для выделенной области каждой из отмеченных зон. Это может быть как основанный на СНиП 23-03-2003 [9] подход, так и более сложный вариант, использующий имитационные и детерминистические модели транспортного потока. Но, в общем случае, транспортная магистраль представляется в виде набора точечных источников, для каждого из которых рассчитывается их влияние на заранее вычисленную область прямолинейного распространения.
При организации вычислений в виде двухэтапного алгоритма становится возможным решать задачи независимо, с использованием параллельных и распределенных вычислений. Современные компиляторы зачастую позволяют обеспечить частичную поддержку 8МР систем за счет раскрытия и параллельной обработки циклов. Однако в случае массово-параллельной архитектуры вычислительной среды (МРР), а также в случае использования гетерогенных вычислительных устройств, объединенных в кластер, требуется модификация алгоритмов соответствующим образом. Выбранный подход позволяет решать наиболее ресурсоемкую задачу по выделению области прямо-
линейного распространения полностью независимо в отдельных вычислительных узлах. При этом работа расчетного модуля по получению итоговых значений, хотя и требует решения задачи локализации данных по узлам, но также может быть выполнена параллельно.
Для снижения трудоемкости алгоритмов модуля трассировки могут быть введены дополнительные структуры данных. В этом случае за счет хранения дополнительных данных достигается выигрыш времени вычисления, что с развитием технологий организации оперативной памяти ЭВМ является целесообразным. Наибольший эффект показал переход от векторных моделей представления местности к векторно-растровым моделям [10].
Векторная компонента модели создается путем импорта из сторонних ГИС, где для этой шейп-модели для каждого слоя задается атрибутная составляющая. Ячеистая компонента предлагаемой модели может быть определена различным образом. Это может быть как простая растровая модель, так и модель квадро-дерева с рекурсивным заданием ячеек. Однако для большинства задач достаточной является растровая модель, размер ячейки которой позволяет регулировать отношение точность/скорость вычислений.
Снижение трудоемкости обеспечивается за счет того, что исключаются трудоемкие операции определения принадлежности рассматриваемой точки к определенному объекту исходной карты.
Векторно-растровая модель представления местности предполагает, что каждый векторный объект имеет специальный атрибут, содержащий список занятых объектом ячеек растра. Существует и обратная ссылка от ячейки растра к объекту. Использование регионального поиска на векторной составляющей позволяет эффективно выделять области на растре. В то же время наличие обратных ссылок обеспечивает эффективную локализацию объектов при итоговом анализе результатов. Процесс создания обратных ссылок схож с процессом растеризации, что позволяет использовать существующие эффективные алгоритмы. Кроме того, вместе с растровой компонентой модели удобно хранить 2,5-мерную карту высот. Для этого достаточно задать отличные от нуля значения в тех точках, для которых определена высота.
Сравнение результатов расчета и построения карты шума с результатами измерения представлено в таблице. Можно видеть достаточно высокую точность расчета акустического загрязнения территории в достаточно сложной градостроительной ситуации.
Сравнение результатов расчета и построения карты шума с результатами измерения
№ контрольной точки Замеренное значение, дБА Расчетное значение, дБА Погрешность, дБА
1 61 62,1 1,1
2 59 62 3
3 55 57,8 2,8
4 65 65,7 0,7
6 66 66,2 0,2
Окончание таблицы
№ контрольной точки Измеренное значение, дБА Расчетное значение, дБА Погрешность, дБА
7 65 64,9 0,1
8 67 66,1 0,9
9 66 66 0
10 51 49,8 1,2
11 51 50 1
12 52 51 1
13 50 51 1
Средняя погрешность: 1,0833
Анализ результатов расчета программы NoiseTracer показал, что шаг сетки в 1 м и шаг между точечными источниками в 10 м более чем достаточны для получения адекватной картины распространения шума в условиях плотной застройки. При этом добавление вторичных источников третьего и более порядков зачастую не приводит к каким-либо значительным изменениям итоговых результатов.
Библиографический список
1. Иванов, Н.И. Проблема шума в современной цивилизации / Н.И. Иванов // Строительная физика в XXI веке: материалы научно-технической конференции / под ред. И. Л. Шубина. - М. : НИИСФ РААСН, 2006. - С. 39-42.
2. Снижение шума в зданиях и жилых районах / Г.Л. Осипов, Г. Хюбнер [и др.] ; под ред. Г.Л. Осипова, Е.Я. Юдина. - М. : Стройиздат, 1987. - 558 с.
3. Защита от шума в градостроительстве : справочник проектировщика / Г. Л. Осипов, В.Е. Коробков, А. А. Климухин [и др.] ; под ред. Г. Л. Осипова. - М. : Стройиздат, 1993. - 96 с.
4. Николов, Н.Д. Теоретическое исследование звукового поля в пространстве улицы / Н.Д. Николов // Строительная физика в XXI веке: материалы научно-технической конференции / под ред. И. Л. Шубина. - М. : НИИСФ РААСН, 2006. - С. 417-423.
5. Николов, Н.Д. Современный подход к акустическому расчету транспортных шумозащитных экранов / Н.Д. Николов, И. Л. Шубин // Academia. Архитектура и строительство. - М., 2010. - С. 130-134.
6. Буторина, М.В. Контроль и снижение щума железнодорожного транспорта / М.В. Буторина // Строительная физика в XXI веке: материалы научно-технической конференции / под ред. И. Л. Шубина. - М. : НИИСФ РААСН, 2006. - С. 348-352.
7. Любельский, В.В. Анализ акустического режима городских территорий с использованием компьютерного моделирования / В.В. Любельский // Строительная физика в XXI веке: материалы научно-технической конференции / под ред. И. Л. Шубина. - М. : НИИСФ РААСН, 2006. - С. 353-355.
8. Шубин, И.Л. Опыт применения программного обеспечения Predictor при создании шумовой карты жилого района города Москвы / И.Л. Шубин, И.Е. Цукерников, Л.А. Тихомиров // Проблемы и пути развития энергосбережения и защиты от шума в строительстве и ЖКХ: материалы XY международной научно-практической конференции / под ред. И.Л. Шубина. - М. : НИИСФ РААСН, 2011. - С. 166-170.
9. СНиП 23-03-2003. Защита от шума / Госстрой России. - М., 2004.
10. Овсянников, М.С. Использование векторно-растровых моделей в задачах оценки негативного воздействия на окружающую среду / М.С. Овсянников // Материалы XLVI Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Информационные технологии. - Новосибирск : Новосиб. гос. ун-т, 2008. - С. 30-31.
