Оптимизация размещения метеодатчиков на кольцевой автодороге
|
Введение 3
1. Кольцевая автодорога Санкт-Петербурга 6
1.1 Описание КАД 6
1.2 Метеорологические факторы и ихвлияние на условия движения 8
2. Автоматические дорожные станции 12
2.1 Метеорологическое обеспечение
КАД 12
2.2 Система АИИС
«МетеоТрасса» 14
2.3 Функции и структура
АДМС 16
2.4Датчики измерения температуры на АДМС 19
2.5Расположение АДМС на КАД 21
3. Анализ данных станций о температуре 22
3.1 Контроль качества входных данных
измерений 24
3.1.1. Оценка надежности работы
датчиков 26
3.2 Суточная динамика температуры на станциях 33
3.3 Сравнительный анализ температуры грунта, воздуха и дорожного
полотна 37
4. Исследование структуры размещения метеодатчиков на участкахКАД
43
4.1 Анализ равномерности размещения датчиков 43
4.2 Поиск потенциально-опасных участков для наступления гололеда ..44
4.3 Анализ информации с соседних станций 47
4.3.1 Интерполяция измерений на станциях. Ошибки интерполяции... .47
4.3.2 Локализация мест, потенциально пригодных для установки
дополнительных датчиков 50
Заключение 54
Список использованных источников 58
1. Кольцевая автодорога Санкт-Петербурга 6
1.1 Описание КАД 6
1.2 Метеорологические факторы и ихвлияние на условия движения 8
2. Автоматические дорожные станции 12
2.1 Метеорологическое обеспечение
КАД 12
2.2 Система АИИС
«МетеоТрасса» 14
2.3 Функции и структура
АДМС 16
2.4Датчики измерения температуры на АДМС 19
2.5Расположение АДМС на КАД 21
3. Анализ данных станций о температуре 22
3.1 Контроль качества входных данных
измерений 24
3.1.1. Оценка надежности работы
датчиков 26
3.2 Суточная динамика температуры на станциях 33
3.3 Сравнительный анализ температуры грунта, воздуха и дорожного
полотна 37
4. Исследование структуры размещения метеодатчиков на участкахКАД
43
4.1 Анализ равномерности размещения датчиков 43
4.2 Поиск потенциально-опасных участков для наступления гололеда ..44
4.3 Анализ информации с соседних станций 47
4.3.1 Интерполяция измерений на станциях. Ошибки интерполяции... .47
4.3.2 Локализация мест, потенциально пригодных для установки
дополнительных датчиков 50
Заключение 54
Список использованных источников 58
В современный период происходит стремительное развитие транспортной инфраструктуры и растет значимость транспорта во всех сферах жизни человека.Транспорт- это не только важный фактор развития экономики, но и источник повышенной опасности. Следовательно, возникают новые задачи формирования комплексной системы транспортной безопасности.
Гидрометеорологическое обеспечение с каждым годом поднимается н а новый уровень, увеличивается число метеостанций и точность получаемых данных, обновляется оборудование. Этим всем занимается Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрометеорологический научно - исследовательский центр Российской Федерации» (ФГБУ «Гидрометцентр России»).
Основные задачи Гидрометцентра России:
- Получение новых знаний о процессах, происходящих в системе «океан-суша-атмосфера»;
- Быстрое и организованное обеспечение населения, различных частных организаций и государственных структур г идрометеорологической информацией, включая сообщения о неблагоприятных или опасных явлениях погоды.
В настоящее время в Гидрометслужбе происходит комплексная автоматизация, то есть создание и применение автоматических систем для сбора и обработки первичной метеорологической информации.
Основной источник метеоданных на дорогах - это автоматические дорожные метеорологические станции (АДМС).
На сегодняшний день рост и объем транспортных перевозок приобретает все большие масштабы, поэтому особенно остро встает вопрос безопасности на дорогах, что по большей части связано с метеорологической обстановкой.
На Рис.1 представлена статистика дорожно-транспортных происшествий в 2019 году для отдельных регионов России. Санкт-Петербург занимает не последнее место в этой статистике. Причинами для ДТП могут служить различные факторы, в том числе неблагоприятные метеорологические условия на дорогах. Если обеспечить безопасное движение транспорта во время опасных и неблагоприятных условий, то удастся снизить количество ДТП. Для этого необходим автоматический мониторинг метеопараметров с высоким пространственно -временным масштабом. И тут возникает задача размещения метеодатчиков на КАД.Этим как раз и объясняется актуальность данной темы.
Цель работы:
- провести оптимизацию размещения метеодатчиков на кольцевой автодороге (КАД)
Для достижения поставленной цели были выполнены несколько последовательных задач:
- анализ метеорологических условий, влияющих на безопасность дорожного движения;
- исследование территории расположения АДМС на КАД;
- проведение контроля качества временных рядов;
- определение надежности станций;
- выполнение анализа данных с автоматических метеорологических станций статистическими методами;
- локализация участков КАД с наибольшей изменчивость;
- локализация потенциально опасных участков КАД при наступлении гололеда.
Гидрометеорологическое обеспечение с каждым годом поднимается н а новый уровень, увеличивается число метеостанций и точность получаемых данных, обновляется оборудование. Этим всем занимается Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрометеорологический научно - исследовательский центр Российской Федерации» (ФГБУ «Гидрометцентр России»).
Основные задачи Гидрометцентра России:
- Получение новых знаний о процессах, происходящих в системе «океан-суша-атмосфера»;
- Быстрое и организованное обеспечение населения, различных частных организаций и государственных структур г идрометеорологической информацией, включая сообщения о неблагоприятных или опасных явлениях погоды.
В настоящее время в Гидрометслужбе происходит комплексная автоматизация, то есть создание и применение автоматических систем для сбора и обработки первичной метеорологической информации.
Основной источник метеоданных на дорогах - это автоматические дорожные метеорологические станции (АДМС).
На сегодняшний день рост и объем транспортных перевозок приобретает все большие масштабы, поэтому особенно остро встает вопрос безопасности на дорогах, что по большей части связано с метеорологической обстановкой.
На Рис.1 представлена статистика дорожно-транспортных происшествий в 2019 году для отдельных регионов России. Санкт-Петербург занимает не последнее место в этой статистике. Причинами для ДТП могут служить различные факторы, в том числе неблагоприятные метеорологические условия на дорогах. Если обеспечить безопасное движение транспорта во время опасных и неблагоприятных условий, то удастся снизить количество ДТП. Для этого необходим автоматический мониторинг метеопараметров с высоким пространственно -временным масштабом. И тут возникает задача размещения метеодатчиков на КАД.Этим как раз и объясняется актуальность данной темы.
Цель работы:
- провести оптимизацию размещения метеодатчиков на кольцевой автодороге (КАД)
Для достижения поставленной цели были выполнены несколько последовательных задач:
- анализ метеорологических условий, влияющих на безопасность дорожного движения;
- исследование территории расположения АДМС на КАД;
- проведение контроля качества временных рядов;
- определение надежности станций;
- выполнение анализа данных с автоматических метеорологических станций статистическими методами;
- локализация участков КАД с наибольшей изменчивость;
- локализация потенциально опасных участков КАД при наступлении гололеда.
При выполнении выпускной квалификационной работы, мною были рассмотрены сформированные архивные временные ряды, полученные с тридцати одной дорожной метеорологической станции, расположенных на КАД Санкт-Петербурга.
Для выполнения расчетной части исследования и пост авленных задач:
1. Подготовлен архив температурных параметров за осень 2015 года по данным, полученным с 31 автоматической дорожной метеорологической станции, установленных на КАД СПб.
2. Осуществлен контроль качества данных, полученных с АДМС.
3. Проведена оценка надежности работы встроенных датчиков измерения параметров дорожного полотна с применением статистических методов.
4. Исследована суточная динамика температур воздуха, покрытия и грунта за ноябрь 2015 года на примере пар станций, наиболее удаленных друг от друга и ближайших.
5. Проведен сравнительный анализ температурных параметров и их корреляция между собой за пятое ноября 2015 года на тридцать одной станции КАД на примере пар станций, наиболее удаленных друг от друга и ближайших, построены нео бходимые графики.
6. Исследована структура размещения метеодатчиков на участках КАД, проведен анализ равномерности размещения датчиков.
7. Осуществлен анализ и интерполяция измерений на тридцати одной АДМС.
В результате проделанной работы хочется отметить следующее:
• При анализе временных рядов были обнаружены многочисленные сбои в работе всех станций в виде отсутствия данных, временных разрывов и недостоверных значений на станции 22Б, которые могли автоматически поступать в центральную систему в алгоритм прогноз а и приводить к неправильным результатам.
• Оценка надежности 31 датчика позволилавыявитьАДМС с наибольшим разбросом значений измерений - станция 22А, а также АДМС с самыми часто случающимися перебоями в работе датчиков и передаче информации - станции 7А и 23Б. Следовательно можно судить о ненадежности данных станций.
• Суточный анализ температурных параметров на станциях 18 -19Б и 27-28А показал превышение амплитуды суточного хода температуры покрытия над амплитудой температуры грунта TG. Это объясняется тем, что в дневное время суток поверхность дороги прогревается быстрее, что обусловлено инсоляцией и большим потоком транспорта. Ночью происходит радиационное выхолаживание и поверхность остывает быстрее грунта.
• На всех АДМС КАД была выявлена сильная положительная корреляционная связь между температурными параметрами, которая говорит о взаимной изменчивости температур.
• Ход температур покрытия на станциях 18-19Б и 27-28А имеют схожий вид, однако моменты наступления отрицательных значений наступают с запаздыванием. Исходя из этого, можно полагать, что на участках КАД между станциями, когда на одной из них температура уже ниже нуля, а на другой - выше, будет происходить переход температуры покрытия через нулевое значение. Следовательно, прогноз гололеда на этом участке будет осуществляться на основе проинтерполированных значений температур между станциями, что может привести к некоторым ошибкам.
• На основе анализа равномерности расположения датчиков можно сделать вывод, что на наземной части КАД плотность сети АДМС соответствует требованиям распоряжения Минтранса РФ. Станции находятся на расстоянии 1-10 км друг от друга. Наиболее потенциально гололедо -опасными участками оказались: 55-й километр КАД внутренне кольцо (3А), 68-й километр КАД внутреннее кольцо (7А), 73-й километр КАД внешнее кольцо (8Б), 131-й километр КАД внешнее кольцо (23Б). Это связано с расположением станций, где сочетание метеорологических факторов, способствующих появлению скользкости, более вероятно: мосты, эстакады, развязки, близость водоемов, рек, участков леса. Необходимо уделить данным участкам больше внимания, для обеспечения безопасности движения. Более плотная и равномерная сеть АДМС позволит избежать ошибок при интерполяции измерений, термокартировании и прогнозировании.
• На основе проинтерполированных значений температуры покрытия на тридцати одной АДМС были выделены станции 2А, 6А, 7А, 26А, 30А. Можно спрогнозировать температуру на этих участках с точностью до 0.1°С, основываясь на данных с соседних АДМС. Следовательн о, можно условно назвать эти АДМС «лишними».
• Был проведен анализ изменчивости температуры покрытия и выявлена большая изменчивость температуры покрытия на отдельных станциях. Можно сделать вывод о том, что локальные условия и термическая неоднородность дел ают эти участки КАД более опасными и подверженными появлению опасных явлений. К этим участкам дороги нужно обращать больше внимания, посредством установки дополнительных станций.
Таким образом, исходя из проделанной работы можно сделать вывод, что определенные станции имеют нецелесообразную установку, так как расположены слишком близко друг к другу. Либо датчиков недостаточно на некоторых участках КАД. Следовательно, для обеспечения безопасного движения на КАД города Санкт-Петербурга необходимо уделить больше внимания опасным участкам автодороги и рассмотреть варианты размещения дополнительных датчиков.
Для выполнения расчетной части исследования и пост авленных задач:
1. Подготовлен архив температурных параметров за осень 2015 года по данным, полученным с 31 автоматической дорожной метеорологической станции, установленных на КАД СПб.
2. Осуществлен контроль качества данных, полученных с АДМС.
3. Проведена оценка надежности работы встроенных датчиков измерения параметров дорожного полотна с применением статистических методов.
4. Исследована суточная динамика температур воздуха, покрытия и грунта за ноябрь 2015 года на примере пар станций, наиболее удаленных друг от друга и ближайших.
5. Проведен сравнительный анализ температурных параметров и их корреляция между собой за пятое ноября 2015 года на тридцать одной станции КАД на примере пар станций, наиболее удаленных друг от друга и ближайших, построены нео бходимые графики.
6. Исследована структура размещения метеодатчиков на участках КАД, проведен анализ равномерности размещения датчиков.
7. Осуществлен анализ и интерполяция измерений на тридцати одной АДМС.
В результате проделанной работы хочется отметить следующее:
• При анализе временных рядов были обнаружены многочисленные сбои в работе всех станций в виде отсутствия данных, временных разрывов и недостоверных значений на станции 22Б, которые могли автоматически поступать в центральную систему в алгоритм прогноз а и приводить к неправильным результатам.
• Оценка надежности 31 датчика позволилавыявитьАДМС с наибольшим разбросом значений измерений - станция 22А, а также АДМС с самыми часто случающимися перебоями в работе датчиков и передаче информации - станции 7А и 23Б. Следовательно можно судить о ненадежности данных станций.
• Суточный анализ температурных параметров на станциях 18 -19Б и 27-28А показал превышение амплитуды суточного хода температуры покрытия над амплитудой температуры грунта TG. Это объясняется тем, что в дневное время суток поверхность дороги прогревается быстрее, что обусловлено инсоляцией и большим потоком транспорта. Ночью происходит радиационное выхолаживание и поверхность остывает быстрее грунта.
• На всех АДМС КАД была выявлена сильная положительная корреляционная связь между температурными параметрами, которая говорит о взаимной изменчивости температур.
• Ход температур покрытия на станциях 18-19Б и 27-28А имеют схожий вид, однако моменты наступления отрицательных значений наступают с запаздыванием. Исходя из этого, можно полагать, что на участках КАД между станциями, когда на одной из них температура уже ниже нуля, а на другой - выше, будет происходить переход температуры покрытия через нулевое значение. Следовательно, прогноз гололеда на этом участке будет осуществляться на основе проинтерполированных значений температур между станциями, что может привести к некоторым ошибкам.
• На основе анализа равномерности расположения датчиков можно сделать вывод, что на наземной части КАД плотность сети АДМС соответствует требованиям распоряжения Минтранса РФ. Станции находятся на расстоянии 1-10 км друг от друга. Наиболее потенциально гололедо -опасными участками оказались: 55-й километр КАД внутренне кольцо (3А), 68-й километр КАД внутреннее кольцо (7А), 73-й километр КАД внешнее кольцо (8Б), 131-й километр КАД внешнее кольцо (23Б). Это связано с расположением станций, где сочетание метеорологических факторов, способствующих появлению скользкости, более вероятно: мосты, эстакады, развязки, близость водоемов, рек, участков леса. Необходимо уделить данным участкам больше внимания, для обеспечения безопасности движения. Более плотная и равномерная сеть АДМС позволит избежать ошибок при интерполяции измерений, термокартировании и прогнозировании.
• На основе проинтерполированных значений температуры покрытия на тридцати одной АДМС были выделены станции 2А, 6А, 7А, 26А, 30А. Можно спрогнозировать температуру на этих участках с точностью до 0.1°С, основываясь на данных с соседних АДМС. Следовательн о, можно условно назвать эти АДМС «лишними».
• Был проведен анализ изменчивости температуры покрытия и выявлена большая изменчивость температуры покрытия на отдельных станциях. Можно сделать вывод о том, что локальные условия и термическая неоднородность дел ают эти участки КАД более опасными и подверженными появлению опасных явлений. К этим участкам дороги нужно обращать больше внимания, посредством установки дополнительных станций.
Таким образом, исходя из проделанной работы можно сделать вывод, что определенные станции имеют нецелесообразную установку, так как расположены слишком близко друг к другу. Либо датчиков недостаточно на некоторых участках КАД. Следовательно, для обеспечения безопасного движения на КАД города Санкт-Петербурга необходимо уделить больше внимания опасным участкам автодороги и рассмотреть варианты размещения дополнительных датчиков.
