4.1. Sformułowanie problemu badawczego
Na podstawie przeglądu literatury stwierdzono, że w środowisku miejskim, w którym funkcjonuje miejski transport szynowy, tramwaje są jednym z głównych źródeł drgań i hałasu.
Dowiedziono, że generowane przez nie drgania i hałas wpływają na ogólne samopoczucie mieszkańców wywołując irytację i stres, wpływają na trwałość obiektów inżynierskich w okolicy torowisk – szczególnie obiektów zabytkowych oraz pogarszają jakość życia w mieście. Przeprowadzone studium literatury obejmujące również dotychczasowe badania autora wskazują, że tramwaje mogą być zróżnicowane pod względem analizowanych zjawisk zarówno pomiędzy poszczególnymi typami, jak również pomiędzy egzemplarzami danego typu.
Przyczyny negatywnego oddziaływania zjawisk wibroakustycznych w środowisku zurbanizowanym są wieloaspektowe. Przyczyny w ujęciu mechanizmu generowania tych zjawisk omówiono w rozdziale 2. Ponadto, wykonano analizę możliwych przyczyn organizacyjnych wykorzystując założenia diagramu Ishikawy [80]. Wyniki analizy przedstawiono na rysunku 4.1.
Rys. 4.1. Diagram Ishikawy – możliwe przyczyny organizacyjne negatywnego oddziaływania wibroakustycznego tramwajów na środowisko miejskie
45
Możliwe przyczyny podzielono na trzy główne obszary, czyli regulacja prawna, działalność podmiotów naukowych i działalność podmiotów miejskich. W regulacjach prawnych brakuje ujęcia holistycznego uwzględniającego zarówno zjawiska drganiowe i akustyczne. Jedynym aktem prawnym związanym z poruszanym zagadnieniem jest Rozporządzenie [61], które reguluje poziom dźwięku w czasie jazdy i na postoju. Przy czym dotyczy to tylko aspektu dopuszczenia do eksploatacji. Wymagania lokalizacji punktu pomiarowego i typu torowiska są trudne do spełnienia w obszarach silnie zurbanizowanych.
Analizy autora na przykładzie Poznania wskazują jeden odcinek na całej infrastrukturze tramwajowej, na którym możliwe jest przeprowadzenie tych pomiarów [183]. Nie istnieją przepisy uwzględniające kontrolę jakichkolwiek zjawisk wibroakustycznych po procesie dopuszczenia do eksploatacji. Obowiązujące przepisy nie wskazują również konieczności kontroli dźwięku w aspekcie psychoakustycznym.
Działalność podmiotów naukowych jest kolejną przyczyną stanu przede wszystkim przez brak wystosowania syntetycznych propozycji zaleceń dla miast i przedsiębiorstw tramwajowych związanych z kontrolą zjawisk wibroakustycznych. Wśród możliwych przyczyn jest również niedostateczne zabieganie o upowszechnianie wyników badań związanych z tematyką wśród potencjalnie najbardziej zainteresowanych podmiotów odpowiedzialnych za eksploatację tramwajów.
Ostatni obszar możliwych przyczyn to działalność podmiotów miejskich, które pomimo braku wymagań prawnych nie realizują wewnętrznej kontroli jakości przewozów pod względem zjawisk wibroakustycznych w celu podniesienia ogólnej jakości świadczonych usług. Ponadto formułowane dokumenty SIWZ nie zawierają dostatecznych wymagań dla producentów taboru odnosząc się jedynie do Rozporządzenia [61]. Podmioty te nie dysponują efektywnymi narzędziami i procedurami reagowania na skargi mieszkańców dotyczące zjawisk wibroakustycznych w eksploatacji tramwajów. Ograniczenia taborowe również stanowią możliwe przyczyny stanu, ponieważ możliwość wyłączenia z eksploatacji tramwajów z uwagi na zjawiska wibroakustyczne nie stanowi motywacji do przeciwdziałania negatywnym oddziaływaniom. Zagadnienie inwestycji budowalnych w bezpośredniej lokalizacji linii tramwajowych jest kolejną z przyczyn, jednak ich ograniczenie wpływa również na zahamowanie rozwoju miast.
Minimalizowanie negatywnego oddziaływania może nastąpić poprzez ocenę aktywności wibroakustycznej tramwajów i konsekwencje płynące z tych działań obserwowane zarówno w procesie obsługi jak i użytkowania. Te mogą obejmować wykrycie konieczności wykonania niezbędnych prac zmierzających do zminimalizowania aktywności
46
wibroakustycznej danego tramwaju włączenie z jego czasowym wycofaniem z eksploatacji.
Przeprowadzenie klasyfikacji tramwajów pod względem aktywności wibroakustycznej umożliwi dodatkowo wsparcie procesu eksploatacji. W założeniu umożliwi ona między innymi przydzielanie najlepszych egzemplarzy do obsługi linii tramwajowych obejmujących ścisłą zabudowę miejską, jak i linie nocne. Bieżące monitorowanie zjawisk wibroakustycznych w eksploatacji tramwajów przyczyni się również do realizacji celów zrównoważonego rozwoju opisanego w Białej Księdze Transportowej [128] oraz realizacji zadań zapobiegania oddziaływaniom emisji szkodliwych wymienionych w Ustawie „Prawo ochrony środowiska”
[59]. Przedstawione dotąd rozważania są genezą do podjęcia prac nad opracowaniem metody oceny aktywności wibroakustycznej tramwaju.
4.2. Cel i zakres pracy
Dotychczasowe analizy wskazują, że monitorowanie zjawisk wibroakustycznych tramwaju w czasie przejazdu z pozycji toru jest możliwe i potrzebne w aspekcie minimalizowania negatywnego oddziaływania tramwajów na środowisko. W związku z tym sformułowano następujący cel pracy:
Celem pracy jest opracowanie metody oceny aktywności wibroakustycznej tramwaju w oparciu o pomiary przytorowe.
Realizacja założonego celu pracy wymagała określenia i realizacji następujących głównych zadań badawczych:
− analiza literaturowa zagadnień zjawisk wibroakustycznych generowanych przez tramwaje i ich wpływu na otoczenie,
− selekcja tramwajów do badań na podstawie analizy konstrukcji tramwajów eksploatowanych w Polsce,
− opracowanie metodyki rejestracji sygnałów wibroakustycznych przy torze,
− dobór aparatury pomiarowej do akwizycji sygnałów wibroakustycznych,
− opracowanie metody diagnozowania przekładni trakcyjnej tramwaju w oparciu o zjawiska dźwiękowe,
− opracowanie metody detekcji płaskich miejsc na powierzchni tocznej kół tramwaju w oparciu o zjawiska drganiowe,
− opracowanie metody oceny zjawisk wibroakustycznych wraz z ich klasyfikacją,
− opracowanie metody oceny aktywności wibroakustycznej tramwaju w oparciu o zrealizowane pomiary przytorowe.
47
Ze względu na złożony charakter badań, zadania badawcze podzielono na zadania szczegółowe. Ich podział i zakres przedstawiono w tabeli 4.1.
Tabela 4.1. Szczegółowe zadania badawcze i ich zakres
Lp. Zadanie badawcze Zakres szczegółowy zadania badawczego 1. Analiza literatury
zagadnień zjawisk wibroakustycznych w eksploatacji tramwajów
− koncepcja zrównoważonego transportu ze szczególnym uwzględnieniem tramwajów,
− zasadność, rozwój i problematyka funkcjonowania tramwajów w obszarach miejskich,
− źródła drgań i hałasu generowane przez tramwaje,
− wpływ drgań i hałasu pochodzenia komunikacyjnego na środowisko z uwzględnieniem przykładów dotyczących tramwajów,
− systemy monitorujące zjawiska wibroakustyczne pojazdów szynowych w przejeździe,
− akty prawne i normy związane ze zjawiskami wibroakustycznymi pochodzącymi od tramwajów,
− cyfrowe przetwarzanie sygnałów DSP (ang. Digitial Signal Processing),
− akty prawne i normy związane z możliwym obszarem zabudowy wokół torowiska,
− zagadnienia analizy dynamiki strukturalnej obiektów technicznych z wykorzystaniem testu impulsowego,
− diagnostyka wibroakustyczna obiektów technicznych,
− wskaźniki psychoakustyczne dźwięku,
− uczenie maszynowe z wykorzystaniem drzew decyzyjnych.
2. Analiza literatury zagadnień techniki pomiarowej
− budowa i zasada działania aparatury pomiarowej, w tym modułów akwizycji danych i przetworników,
− technika pomiarowa związana z mocowaniem przetworników,
− metodyka przeprowadzania pomiarów wibroakustycznych w odniesieniu do zjawisk pochodzących od pojazdów szynowych,
− wzorcowanie przetworników i bieżąca kalibracja toru pomiarowego.
3. Wybór obiektów
do badań − analiza konstrukcji tramwajów eksploatowanych w Polsce,
− zdefiniowanie warunków selekcji tramwajów do badań,
− analiza układu torowego na zajezdni tramwajowej Franowo w Poznaniu,
− zdefiniowanie warunków selekcji odcinka toru do badań,
− selekcja obiektów do badań.
4. Rejestracja sygnałów
wibroakustycznych
− wybór lokalizacji punków pomiarowych zjawisk wibroakustycznych przy źródle i na drodze propagacji,
− opracowanie i budowa podstaw do przetworników drgań parasejsmicznych,
− określenie częstotliwości próbkowania modułu akwizycji sygnałów,
− ustalenie selekcji czasowej sygnałów,
− kalibracja toru pomiarowego,
− analizy podatności dynamicznej torowiska,
− rejestracja sygnałów wibroakustycznych podczas zjazdów tramwajów.
5. Diagnozowanie stanu przekładni trakcyjnej w oparciu o zjawiska akustyczne
− wybór punków pomiarowych uwzględnionych w diagnozowaniu stanu,
− analiza kinematyczna przekładni trakcyjnej,
− obliczenie częstotliwości zazębiania poszczególnych par kół zębatych,
− selekcja tramwajów o znanym stanie technicznym przekładni trakcyjnej z uwzględnieniem wybranych postaci uszkodzeń,
− selekcja parametru diagnostycznego,
− obliczenie wartości dopuszczalnych i granicznych parametru diagnostycznego,
− detekcja niezdatności w zarejestrowanych przejazdach.
6. Detekcja płaskich miejsc na kołach tramwaju w oparciu o drgania szyny
− adaptacja metody wykrywania płaskich miejsc z dotychczasowych prac autora,
− wyznaczenie parametru diagnostycznego,
− obliczenie wartości dopuszczalnej i granicznej parametru diagnostycznego,
− detekcja niezdatności w zarejestrowanych przejazdach.
48
Lp. Zadanie badawcze Zakres szczegółowy zadania badawczego 7. Analiza sygnałów
wibroakustycznych z przejazdów
− obliczenie i analiza miar punktowych zjawisk wibroakustycznych w tym wskaźników psychoakustycznych dźwięku,
− analizy dopasowania danych do rozkładów statystycznych,
− analizy zależności uzyskanych danych od prędkości przejazdu,
− analizy regresji liniowej i nieliniowej poszczególnej miary,
− wyznaczenie granic przedziałów dla klas danej miary punktowej,
− klasyfikacja poszczególnej miary.
8. Ocena aktywności wibroakustycznej tramwaju
− zdefiniowanie wskaźnika aktywności wibroakustycznej tramwaju w oparciu o założenia analizy wielokryterialnej,
− wyznaczenie przedziałów dla klasyfikacji miar składowych wskaźnika aktywności wibroakustycznej,
− zdefiniowanie wag dla klas miar składowych przy obliczaniu wskaźnika aktywności wibroakustycznej,
− klasyfikacja wskaźnika aktywności wibroakustycznej,
− zdefiniowanie priorytetów oceny wskaźnika aktywności wibroakustycznej według składowych w oparciu o modyfikacje wag klas,
− klasyfikacja wskaźnika aktywności wibroakustycznej tramwaju z założonymi priorytetami oceny,
− zastosowanie drzew decyzyjnych w ocenie wskaźnika aktywności wibroakustycznej tramwaju wraz z analizą rankingu istotności poszczególnych miar z analizą skuteczności predykcji.
9. Metodyka oceny aktywności wibroakustycznej tramwaju
− opracowanie schematu funkcjonowano dla badań pilotażowych z wykorzystaniem metody oceny aktywności wibroakustycznej tramwaju dla docelowego użytkownika,
− wskazanie miejsca dla oceny aktywności wibroakustycznej w cyklu obsługowym tramwajów,
− opracowanie schematu funkcjonalnego systemu oceny aktywności wibroakustycznej tramwaju wraz ze szczegółowymi algorytmami w oparciu o zaproponowaną metodykę badań,
− propozycja interfejsu systemu.
49
5. ZAŁOŻENIA METODY OCENY AKTYWNOŚCI