Jarosaw Korzeb
Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu
ZAOENIA DO BUDOWY SYSTEMU OCENY
TRANSPORTOWYCH ODDZIAYWA
DYNAMICZNYCH
Rkopis dostarczono, maj 2013
Streszczenie: W artykule przedstawiono zagadnienia budowy uniwersalnego systemu oceny
oddziaywa dynamicznych generowanych przez eksploatowane rodki transportu komunikacji miejskiej. Jako czynnik szkodliwy, szczególnej uwadze poddano drgania mechaniczne propagowane do strefy oddziaywania. Wykazano potrzeb budowy ogólnego systemu oceny transportowych oddziaywa dynamicznych (SOTOD) zarówno dla obiektów in ynierskich zlokalizowanych w obszarze miasta, jak i dla ludzi w nich przebywajcych. Przedstawiono zao enia oraz budow blokow autorskiego systemu SOTOD opartego na analizie danych pozyskiwanych w ramach pilota owych bada eksperymentalnych, rozbudowanego o modu bada symulacyjnych z wykorzystaniem metody identyfikacji systemów lub MES. Wskazano na konieczno prezentacji wyników analiz w ró nych stopniach uszczegóowienia.
Sowa kluczowe: drgania, rodki transportu, ocena oddziaywa
1. WSTP
W trakcie prowadzenia bada nad szkodliwoci oddziaywa generowanych przez rodki transportu niezbdna jest analiza wielu czynników fizycznych i chemicznych [1,2,8,9]. O ile analiza emisji zanieczyszcze chemicznych ma cile sprecyzowany przebieg, analiza propagowanych do otoczenia drga i haasu niesie konieczno integracji bada eksperymentalnych i symulacyjnych. W celu analizy haasu do dyspozycji badaczy pozostaje bogaty wachlarz rozwiza aplikacyjnych (CadnaA, DATS Sound Mapping, FHWA-Traffic Noise Model, IMMI, INM-Integrated Noise Model, NoiseAtWork, NoiseMap, Predictor-Lima, SoundPLAN i inne), natomiast w przypadku drga brak jest rozwiza kompleksowych pozwalajcych na analiz propagacji od róda do odbiornika, z jednoczesn ocen skali oddziaywa. Autor w ramach wieloletnich prac naukowo-badawczych podj prób stworzenia wytycznych, a nastpnie budowy konstrukcji Systemu Oceny Transportowych Oddziaywa Dynamicznych (SOTOD), opartego o wykorzystanie modeli fenomenologicznych, wykorzystywanych do badania zjawisk dynamicznych takich jak propagacja drga o charakterze parasejsmicznym [3-7,12].
2. ZAOENIA DO BUDOWY SYSTEMU
W ramach prac nad budow Systemu Oceny Transportowych Oddziaywa Dynamicznych (SOTOD) niezbdne byo przyjcie zao e gównych, które pomogy w sprecyzowaniu najwa niejszych funkcji systemu [12]:
• system jest zestawem wybranych procedur wykorzystanych nastpnie w celu oceny drga transportowych (stanowi gotow metodologi prowadzenia bada);
• system ma topologi warstwow, ka da warstwa zawiera moduy realizujce zamknite zestawy zada lub wspópracujce z warstwami ssiednimi lub u ytkownikiem;
• system ma charakter aplikacyjny – istnieje mo liwo przygotowania kompleksowego rozwizania programistycznego, co jest wskazane ze wzgldu na brak takich rozwiza;
• efektem dziaania systemu jest wielowymiarowa ocena, która z zao enia musi by czytelna nawet dla u ytkowników niezwizanych bran owo z terminologi i zagadnieniami oddziaywa dynamicznych;
• prezentacja wyników generowanych przez system odbywa si na 4 poziomach uszczegóowienia: skala mikro, makro, lokalna i globalna, przy czym skala mikro oznacza analiz dla jednego punktu pomiarowego, skala makro analiz dla kilku punktów nale cych do jednego przekroju pomiarowego, skala lokalna obejmuje analiz dla wybranego obiektu in ynierskiego poddawanego analizie i mo e obejmowa wiele przekrojów pomiarowych, a skala globalna obejmuje cay obszar poddawany analizie (np. stref wpywu wybranej ulicy obejmujc kilka lub kilkanacie obiektów in ynierskich).
System oceny transportowych oddziaywa dynamicznych oparto o warstwow struktur organizacyjn. Wyodrbniono w nim trzy warstwy robocze i jedn warstw sterujc. Schemat organizacyjny warstw SOTOD oraz kierunki przepywu sygnaów sterujcych oraz danych przedstawiono poni ej [12].
Rys. 1. Warstwowa topologia SOTOD
Warstwasterujca
Warstwaoceny
Warstwaanalityczna
3. STRUKTURA MODUOWA SYSTEMU
W systemie oceny transportowych oddziaywa dynamicznych wyodrbniono samodzielne warstwy:
• warstwa sterujca (obejmujca 5 moduów wykonawczych),
• warstwa pomiarowa (obejmujca 4 moduy wykonawcze),
• warstwa analityczna (obejmujca 6 moduów wykonawczych),
• warstwa oceny (obejmujca 5 moduów wykonawczych).
Na rysunku 2 przedstawiono schemat moduowej budowy systemu, z podaniem elementów skadowych w ka dej warstwie.
Rys. 2. Elementy wyodrbnione w strukturze SOTOD
Warstwa sterujca obejmuje moduy wspópracy ze wszystkimi warstwami systemu, modu projektu bada oraz interfejs u ytkownika. Jest ona rozbudowanym, graficznym interfejsem pozwalajcym na przyjmowanie i przetwarzanie polece konfiguracyjnych dla prowadzonych analiz. Pozwala na uruchamianie odpowiednich procedur poprzez wywoania sparametryzowane wektorami sterujcymi, tak aby zrealizoway czynnoci zgodne z intencjami u ytkownika. Peni charakter aplikacji zarzdzajcej i organizujcej prac systemu SOTOD - w celu otrzymania odpowiedzi w formie gotowych wyników. Warstwa pomiarowa jest samodzielnie funkcjonujcym blokiem moduów, który
SOTOD warstwasterujca Interfejs u ytkownika Moduprojektu bada Moduwspópracyz warstw pomiarow Moduwspópracyz warstwanalityczn Moduwspópracyz warstwoceny warstwa pomiarowa Moduakwizycji danychzpamici Modukontroli danych Moduwspópracyz warstwsterujc Moduwspópracyz warstwanalityczn warstwaanalityczna Bazawymusze dynamicznych Modu przygotowania modelipropagacji Modubada symulacyjnych Moduwspópracyz warstw pomiarow Moduwspópracyz warstwsterujc Moduwspópracyz warstwoceny warstwaoceny Modu raportowania wyników Modu przygotowania oceny Moduoceny wyników Moduwspópracyz warstwanalityczn Moduwspópracyz warstwsterujc
przyjmuje polecenia z warstwy sterujcej. Po wyborze lokalizacji punktów pomiarowych w przekroju pomiarowym, warstwa posiada funkcj przeprowadzenia bada eksperymentalnych oraz ich wstpnej analizy, co ma na celu zarejestrowanie przebiegów i uzupenienie zawartoci bazy wymusze dynamicznych.
Warstwa analityczna jest samodzielnie funkcjonujc warstw systemu, której zadaniem jest wybór i przyjcie odpowiednich danych z bazy wymusze, przeprowadzenie niezbdnych oblicze w celu wyznaczenia danych wielkoci fizycznych oraz zapisanie kompletu wyników analiz w bazie danych. Uruchomienie procedur tej warstwy nastpuje w wyniku otrzymania wektora parametrów wejciowych z warstwy sterujcej.
Warstwa oceny pozwala na wygenerowanie wyników analiz odpowiednich do zao e pocztkowych. Jest ona ponadto ródem generowania raportu i prezentowania wyników bada dla u ytkownika z wykorzystaniem graficznego interfejsu u ytkownika (GUI) oraz tworzy drzewo katalogów w bazie wyników.
3.1. ALGORYTM FUNKCJONOWANIA SYSTEMU
Ka dorazowe uruchomienie systemu wi e si z przejciem przez algorytm, którego efektem jest otrzymanie raportu kocowego lub przygotowanie niezbdnych parametrów wejciowych do przeprowadzenia bada w zewntrznym rodowisku obliczeniowym.
Etap startowy stanowi sprecyzowanie obszaru bada objtego analiz. W tym etapie dokonywana jest ewidencja obiektów in ynierskich (OE), róde drga (ZD) oraz przeprowadzany jest pilota owy pomiar ta dynamicznego i charakterystyk widmowych drga generowanych przez transportowe róda drga wystpujce na badanym obszarze.
W przypadku wystpowania w strefie oddziaywania obiektów in ynierskich istniejcych, kolejny etap stanowi wybór przekrojów i punktów pomiarowych w celu okrelenia gównych cie ek propagacji oddziaywa oraz przeprowadzenie w tych punktach rejestracji skorelowanych przebiegów czasowych przyspiesze drga. Przebiegi te wykorzystane zostan jako przebiegi wzorcowe do identyfikacji parametrów modeli ARX/ARMAX typu „czarna skrzynka” SISO-dla oceny propagacji ródo-odbiornik (np. rzeczywista charakterystyka przenoszenia drga w gruncie), czy SIMO-dla oceny propagacji ródo-odbiorcy (np. charakterystyka przenoszenia drga od pobudzonego drganiowo fundamentu obiektu do odbiorców drga na kolejnych jego kondygnacjach) [7,10,11]. Po wyborze reprezentatywnych przebiegów nastpuje przeliczenie wska ników obci enia drganiami oraz okrelenie potencjau szkodliwoci oddziaywa i wygenerowanie raportu [4,6].
Je eli obiekty zlokalizowane w strefie oddziaywa rodków transportu s na etapie projektowania, wówczas kryterium przyjcia oceny uproszczonej stanowi zgodno ich konstrukcji z wymogami stosowalnoci uproszczonych skal oceny wpywu drga na obiekty (SWD) [10]. W przypadku speniania wymogów oceny wg skali uproszczonej nale y przeprowadzi pen rejestracj przebiegów w cie ce propagacji z zastosowaniem modeli SISO, a nastpnie przeprowadzi badania symulacyjne i wygenerowa wyniki, bazujc na normatywnej ocenie prognozowanych drga w poziomie gruntu, od strony róda propagacji [7].
Dla obiektów nieistniejcych i niespeniajcych kryteriów oceny uproszczonej, jedyn mo liwoci jest przygotowanie odpowiednich sygnaów, które wprowadzone zostan do modeli w zewntrznym rodowisku MES, jako warunki opisujce przykadane zdyskretyzowane wymuszenie w funkcji kolejnych chwil czasu.
Algorytm dziaania Systemu przedstawiono na rysunku 3.
Rys. 3. Algorytm dziaania SOTOD
Po otrzymaniu przebiegów w rodowisku zewntrznym, dokonana zostanie tradycyjna cena oparta o metod wska nikow i wygenerowany zostanie raport.
3.2. MODUY SYSTEMU
Przykadowego opisu dokonano w oparciu o najbardziej rozbudowan warstw pomiarow, zbudowan z dwóch moduów wspópracy z warstwami ssiednimi. Uruchomienie procedur w tej warstwie nastpuje po przyjciu wektora parametrów
rejestracji (Rp) zawierajcego:
¯ ® ; propagacji pomiarów dla ch, dynamiczny wymusze róde i rejestracj dla P S Rt
Tr - czas rejestracji (registration Time) [s];
fs - czstotliwo próbkowania (sampling frequency) rejestrowanego sygnau
przyspiesze [Hz];
Nd - liczba kierunków pomiarowych (Number of directions), standardowo
rejestracja odbywa si w 3 kierunkach globalnego kartezjaskiego ukadu wspórzdnych, w którym x-oznacza kierunek poziomy i wzdu ny osi badanego szlaku komunikacyjnego, y-kierunek poziomy i poprzeczny do osi szlaku (zgodny z analizowanym kierunkiem rozchodzenia si fal parasejsmicznych), z-kierunek pionowy;
Nmp - liczba punktów pomiarowych (Number of measuring points),
¯ ® t ; propagacji pomiarów dla ch, dynamiczny wymusze róde i rejestracj dla 2 1 mp N
Nm - przewidywana liczba serii pomiarowych (Number of measurements).
Przyjte parametry su do wygenerowania macierzy wymusze zawierajcej czasowe
wartoci sygnaów (dim Mai(t)=[1/fs, Nd*Nmp, Nm]) oraz górnotrójktnej macierzy
wspóbie noci (common directions matrix) zawierajcej informacj o kolejnoci wystpowania punktów pomiarowych od róda do ostatniego punktu w cie ce propagacji drga (dim Mcd=[Nd*Nmp, Nd*Nmp]).
Nastpny etap to digitalizacja obszaru oddziaywa dynamicznych. (wektor DTP – terrain
digitalisation parameters oraz macierz digitalizacji obszaru oddziaywa MDT – terrain
digitalisation matrix), z wykorzystaniem graficznego interfejsu u ytkownika (GUI).
Parametry wektora DTP nale y dobra tak, aby objty analiz obszar oddziaywa
dynamicznych wystpowa w I oktancie prawoskrtnego kartezjaskiego ukadu wspórzdnych w przestrzeni trójwymiarowej (wycinek przestrzeni o wspórzdnych dodatnich).
Macierz MDT zawiera nastpujce elementy:
MP - punkty pomiarowe (measuring points), z rozró nieniem na referencyjne w
gruncie lub na podo u w poziomie gruntu, pomiar na cianie lub konstrukcji obiektu, pomiar na stropie obiektu;
EO - obiekty in ynierskie (engineering object), z rozró nieniem na obiekt mieszkalny, szpital, u ytecznoci publicznej, przemysowy, inny in ynierski, specjalny, wiadukt, tunel;
VS - róda drga (vibration source), z rozró nieniem na pojazdy osobowe i
dostawcze, autobusy, samochody ci arowe, tramwaje, metro, kolej, urzdzenia techniczne;
GT - typy podo a (ground type), z rozró nieniem na :mokre, lu ne piaski
pylaste i grunty spoiste w stanie plastycznym, drobne piaski gliniaste, piaski rednio i gruboziarniste, grunty spoiste twardoplastyczne, piaski zagszczone, gliny suche, grunty spoiste pózwarte i zwarte, podsypki kolejowe lub tramwajowe, ekrany izolujce.
Wartoci macierzy MDT stanowi macierzowy opis ewidencji obszaru oddziaywa i speniaj warunek: ° ° ° ¯ °° ° ® EO. -iego in yniersk obiektu typ -58 -51 GT, -podo a typ -39 -31 VS, - róda typ -17 -11 MP, -o pomiaroweg punktu typ -5 -1 powietrze, 0 ) , , ( ) , , (xyz NMDT x y z MDT
GUI pozwala na wskazanie typu elementu oraz wprowadzenie poo enia wspórzdnych najbli szego dolnego i najdalszego górnego naro nika elementu, przybli onego ksztatu bryy (np. prostopadocianu).
Kolejnym elementem warstwy pomiarowej jest modu akwizycji danych z pamici,
którego zadaniem jest przeprowadzenie rejestracji czasowej macierzy wymusze (Mai(t)),
a nastpnie przesanie wyniku rejestracji m-pomiarów w n-kanaach pomiarowych z pamici podrcznej do moduu kontroli danych. Modu kontrolujcy dane w pierwszej fazie wykorzystuje transformat falkow w celu „odszumienia” zarejestrowanych
sygnaów. Tak metod generowana jest nowa macierz sygnaów w czasie (MAi(t) -
„macierz wymusze”). Dalszy etap to testowanie sygnaów w macierzy wymusze, z wykorzystaniem automatycznego wykrycia miarodajnych partii sygnau na podstawie analizy wspóczynnika szczytu CFk(ang. crest factor) i testu korelacji.
>xyz@ k rms k a a CF _ , , k_max k =
( 1)Przed zapisem do bazy wymusze wypeniana jest „macierz identyfikacji punktów
pomiarowych” – (dim MIP =1x5) zawierajca:
Nr - numer identyfikacyjny punktu;
x/y/z - wektor przemieszczenia poo enia punktu wzgldem róda drga, [m];
S/T/O - typ punktu pomiarowego: S- ródo, T-referencyjny, G-podo e, W-ciana
obiektu, F-strop w obiekcie;
ST - typ mierzonego róda: C-samochody osobowe, T-tramwaj, R-kolej,
B-autobus, M-metro, H-samochody ci arowe, D-inne techniczne ródo drga;
descr - opis formalny lub uwagi.
Po wypenieniu MIP nastpuje zapis sygnau do bazy wymusze w odpowiednich
katalogach dla róde lub cie ek propagacji, w formatach: danych surowych (w plikach
*.wav lub *.bin), danych po "odszumieniu" sygnau (pliki *.txt - zawierajce wartoci a=f(t) oraz a=f(f)).
Rys. 4. Algorytm dziaania warstwy pomiarowej SOTOD, bez uwzgldnienia procedury obecnoci sygnaów w bazie wymusze
Ostatni element stanowi blok funkcyjny warstwy pomiarowej, który wspópracuje z warstw analityczn, w celu przyjcia polecenia rozpoczcia rejestracji lub wyboru odpowiedniego przebiegu z bazy, a nastpnie przekazanie do analizy stosownie przygotowanych danych.
Praktycznej implementacji algorytmów systemu dokonano w rodowisku Matlab. W tym celu przygotowano wielomoduowy system pozwalajcy na przeprowadzanie wymienionych kroków poczwszy od zaplanowania pomiarów, do otrzymania wyników raportu. Przykadowy ekran pokazano na rysunku 5.
Rys. 5. Ekran menu gównego systemu, rozwinicie menu Eksperyment
5. PODSUMOWANIE
W pracy przedstawiono elementy skadowe architektury autorskiego systemu oceny transportowych oddziaywa dynamicznych SOTOD. Metodologia zaimplementowana w SOTOD pozwala na usystematyzowanie wytycznych i zawiera algorytmy dla rozwizania aplikacyjnego, w celu dokonania przejrzystej oceny oddziaywa oraz narzuca plan wykonywania prac badawczych, dla otrzymania zao onych efektów bada. Otrzymanie wstpnych wyników podczas prowadzenia analiz metod uproszczon, pozwala wykaza ewentualn konieczno powtórzenia bada w wikszym stopniu uszczegóowienia.
Dowiedziono koniecznoci prowadzenia pilota owych bada eksperymentalnych oraz wprowadzono szybk metod oceny oddziaywa dynamicznych, dziki czemu zwikszono efektywno modelowania.
W innych pracach autora wprowadzono ocen w skali makro, lokalnej i globalnej jako narzdzie do poprawy czytelnoci wyników, jak równie usystematyzowano kroki, które nale y podj w celu rozwizania problemów prognozowania oddziaywa dynamicznych.
Opracowano metod okrelenia szkodliwoci oddziaywa rodków transportu lub szlaków komunikacyjnych na najbli sze otoczenie, przez zastosowanie nowej wielkoci - jednoznacznie charakteryzujcej oceniany stan oddziaywa dynamicznych i walidujcej ten stan na podstawie wyników bada.
Bibliografia
1. Adamczyk J., Targosz J.: Ochrona przed drganiami wywoanymi przez transport samochodowy. Wydawnictwo AGH, Monografie, Kraków 2000r. ISBN 83-913400-5-8, stron 68.
2. Ciesielski R., Stypua K.: Diagnostyka dynamiczna w procesie budowy i eksploatacji metra. Czasopismo Techniczne - Mechanika, z. 5-M/2004, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2004, s. 49-68. 3. Korzeb J.: Analiza drga komunikacyjnych z zastosowaniem teorii falek. Prace Naukowe Politechniki
4. Korzeb J.: Construction of an evaluation system for dynamic impacts on transportation investment
impact zones, Proceedings of 4th IC-EpsMsO (International Conference on Experiments/ Process/
System/ Modelling/ Simulation/ Optimization), Athens, Patras University Press, Vol. 1 ISBN: 978-960-98941-7-3, Rio Patras, Greece, 2011, pp. 165-170.
5. Korzeb J.: Zastosowanie analizy falkowej w ocenie propagacji drga w strefach oddziaywania
infrastruktury transportowej. Logistyka 4/2010 (CD, 9 str.).
6. Korzeb J.: Dobór kryteriów oceny dynamicznych oddziaywa transportowych w obszarach aglomeracji
miejskich. Logistyka 6/2011. (wersja elektroniczna CD, str. 1717-1725). Book of Abstracts – Computer
Systems Aide Science Industry and Transport, 15th International Conference Transcomp 2011, ISBN: 978-83-7789-654-7, Radom, str. 226.
7. Korzeb J., Ilczuk P.: Zastosowanie modeli parametrycznych w badaniach symulacyjnych propagacji
drga transportowych. V Midzynarodowa Konferencja Naukowo - Techniczna "Systemy Logistyczne -
Teoria i Praktyka", 6–9.09.2011 Waplewo, Wydzia Transportu Politechniki Warszawskiej, Logistyka 4/2011 (CD, str. 428-435) (4 pkt.);
8. Nader M., Korzeb J.: Analysis of the dynamic influence of urban transport on the environment. Proceedings of 5th IC-SCCE (International Conference From Scientific Computing to Computational Engineering) Athens, Patras University Press, ISBN:978-618-80115-0-2, Rio Patras, Greece, 2012, pp. 67-74 (1 pkt.).
9. Nader M., Ró owicz J., Korzeb J.: Simulating investigations of traffic generated vibrations influence on
people staying in buildings. Proceedings of 36th International Congress & Exhibition on Noise Control
Engineering. INTER-NOISE 2007, CD, Istambu Turcja, 2007(…pkt.).
10. PN-B-02170:1985. Ocena szkodliwoci drga przekazywanych przez podo e na budynki. 11. PN-B-02171:1988. Ocena wpywu drga na ludzi w budynkach.
12. Praca zbiorowa pod kier. J. Korzeba / projekt badawczy MNiSW nr N N509 501838, pt: „System oceny wpywu szlaków komunikacyjnych na ludzi przebywajcych w strefie ich oddziaywania”, Wydzia Transportu Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2010/2012 r.
GUIDELINES FOR CONSTRUCTION OF THE TRANSPORTATION DYNAMIC IMPACTS EVALUATION SYSTEM
Summary: The paper presents the construction of an universal system for the dynamic interactions generated
by exploited transport modes evaluation. As an the injurious effect, special attention was paid on mechanical vibrations propagated to the impact zone. Demonstrated the need for construction a general transportation dynamic interactions evaluation system (TDIES) for both engineering facilities located in the city and for the people living in them. Presented foundation and the block diagram construction of authoring TDIES system, based on analysis of data collected in the experimental pilot studies, and extended by simulation studies module using the method of identification systems or FEM. The need for the presentation of analysis results in varying degrees of detail, was also presented.