Paweł Lizakowski, Bartłomiej Weres

SimPollution

Wielokryterialna Analiza Obszarów Mieszkalnych w Oparciu o Obrazowanie Dyfuzji Zanieczyszczeń

Praca wykonana pod kierownictwem

dr inż. K. Krawca (Instytut Informatyki) oraz

dr inż. I. Wyczałka (Wydział Budownictwa Lądowego),

Politechnika Poznańska

1. Prezentacja problemu

Rynek budownictwa mieszkaniowego na terenie Polski przeżywa w ostatnich latach dawno oczekiwany rozwój. Silny popyt na nowe mieszkania, w połączeniu ze wzrostem średniej zamożności rodzin zaowocował powstaniem kolejnych nowoczesnych osiedli mieszkaniowych. Istotnym aspektem nowo powstałych założeń architektonicznych jest dbałość o zaspokojenie potrzeb i wymagań klientów – mieszkańców tworzonych osiedli. Wzrastająca świadomość ekologiczna, dbałość o otoczenie i chęć odpoczynku w nieskażonym środowisku wymusiły na projektantach skupienie uwagi na odizolowaniu osiedli mieszkaniowych od wielkomiejskiego zgiełku. Przy tworzeniu podmiejskich obszarów mieszkalnych unika się stosowanego w latach 80-tych przekształcania krajobrazu na potrzeby osiedla lecz stosuje strategię wkomponowania budynków, placów i ulic w otaczającą przyrodę.

Ucieczka od zanieczyszczeń i zgiełku miejskiego oraz umiejętne prowadzenie lokalnych ciągów komunikacyjnych jest zadaniem trudnym. Uwzględnienie preferencji poszczególnych grup zainteresowanych zagospodarowaniem terenu (inwestorzy, mieszkańcy, samorząd lokalny i in.) powoduje dodatkowe komplikacje w procesie decyzyjnym. Aby ułatwić pracę projektantom – architektom przygotowano aplikację SimPol. Umożliwia ona symulację rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w obszarze zabudowanym w oparciu o jego schematyczny plan, rozmieszczone źródła zanieczyszczenia powietrza oraz zaznaczone obszary preferowane. Wyniki uzyskane za pomocą programu SimPol pokazują zmianę rozkładu zanieczyszczeń w czasie, tereny narażone na silne zanieczyszczenia generowane przez np. drogi dojazdowe, kotłownie itp. oraz te fragmenty osiedli, do których dopływ zanieczyszczeń jest skutecznie blokowany przez drzewa i krzewy. Dzięki tym wiadomościom można szybko określić które rejony wymagają odizolowania od źródeł zanieczyszczeń, a które gwarantują pełną ochronę mieszkańców przed uciążliwymi pyłami i gazami.

2. Omówienie zastosowanej metody obliczeniowej

Podstawowym problemem natury matematycznej z jakim spotkano się podczas prac nad aplikacją, był wybór modelu dyfuzji i efektywna jego algorytmizacja. Rozwiązanie zadania symulacji przepływu gazów w danym ośrodku stanowiło główną część obliczeń wykonywanych przez aplikację. Efektywność tego fragmentu kodu była kluczowym elementem wpływający na płynność całej aplikacji.

Uzyskanie rozwiązania dokładnego dla badanego problemu wymagałoby zastosowania równań różniczkowych modelujących przepływ gazów w powietrzu atmosferycznym, wykorzystania metody elementów skończonych oraz implementacji w języku Fortran optymalizującym kod programu.

Znając podstawowe założenia dotyczące dyfuzji gazów, zdecydowano się na taką metodę obliczeniową, która nie podnosi znacząco złożoności programu a zadowala postawione wymagania.

Opracowano algorytm iteracyjny, którego wyniki prezentowane są w czasie rzeczywistym na ekranie. Każdy krok algorytmu składa się z fazy obliczeń, w czasie której realizowane jest przemieszczenie zanieczyszczeń oraz z fazy prezentacji wyników. Modyfikacje rozkładu zanieczyszczeń nad całością badanego obszaru dokonuje się poprzez przeglądanie niewielkich jego fragmentów (komórek) i uśrednianie wartości w poszczególnych komórkach.

Przeglądane są kolejne punkty analizowanego terenu (opisanego tablicą wartości zanieczyszczenia) i dla każdego z nich ustala się nową wartość skażenia przez przyłożenie maski realizującej operację uśredniania ważonego. Maska ma kształt kwadratowy, lecz stosuje się odpowiednie wagi w celu uzyskania kształtu kołowego. Przykład operacji uśredniania dla jednego z punktów obrazu zaprezentowano na rysunku poniżej.

Preferencje Decydenta

W celu realizacji zadania wielokryterialnego wspomagania decyzji aplikacja SimPol uwzględnia preferencje decydenta. Preferencje określają te fragmenty terenu, które użytkownik uznał za potencjalnie korzystne lub niekorzystne, sprzeczne z jego kryteriami wyboru.

Zdefiniowane wcześniej preferencje mogą zostać uwzględnione przy wizualizacji dyfuzji zanieczyszczeń. Spowodowane zanieczyszczeniami osłabienie jakości pewnego obszaru będzie mniejsze jeżeli jest to teren preferencji pozytywnych. Fragment preferowany negatywnie będzie mimo braku skażenia pokazywany jako nieprzydatny.

3. Podręcznik Użytkownika

3.1 Przygotowanie do pracy

Aby rozpocząć pracę z aplikacją SimPol należy przygotować zestaw danych wejściowych. Niezbędny jest plik graficzny ze schematycznym rysunkiem rozpatrywanego terenu, opcjonalny jest plik z zaznaczonymi preferencjami decydenta.

W podstawowym pliku, opisującym osiedle mieszkaniowe, należy zaznaczyć kolorem czerwonym te obszary, które są źródłami zanieczyszczeń. Źródła te mogą być punktowe (np. kominy) lub mieć postać krzywych (drogi dojazdowe i lokalne, parkingi). Natężenie składowej czerwonej (0->255) nad danym obszarem odzwierciedla intensywność źródła (0->100%).

Drzewa i tereny zielone mające zdolność zatrzymywania chmury zanieczyszczeń i ich pochłaniania maluje się kolorem zielonym. Jego intensywność odzwierciedla siłę pochłaniania.

Budynki mieszkalne i inne stałe elementy nie wpływające na intensywność zanieczyszczeń zaznaczane są kolorem czarnym.

W pliku preferencyjnym zaznaczamy na zielono obszary preferowane oraz na czerwono tereny odrzucane.

3.2 Ładowanie danych i konfiguracja

Wczytanie plików z danymi wejściowymi wykonuje się przez kliknięcie następujących ikon: Pierwsza umożliwia załadowanie planu osiedla, druga pozwala określić położenie pliku z preferencjami.

Definicja modelu uwzględniania preferencji odbywa się po wybraniu z menu funkcji Parametry->Ustawienia. Pojawia się wtedy dialog:

Można teraz ustalić parametry symulacji. Maksymalna liczba iteracji, po której obliczenia są zatrzymywane, poziom samoczynnego pochłaniania określający stopień pochłaniania zanieczyszczeń przez zewnętrzne obszary osiedla, wykraczające za mapkę oraz liczbę punktów wyświetlanego obrazu. Model preferencji wybieramy spośród czterech. Warianty ze uśredniane odnoszą się do uśredniania bieżącej wartości zanieczyszczenia do siły preferencji. Gdy zanieczyszczenie wynosi 50 jednostek a preferencje są 100%, wówczas obraz zanieczyszczenia zostanie zredukowany do 25 jednostek. Preferencje najgorsze i najlepsze opisują sytuacje, w których uwzględnianie opinii decydenta odbywa się z odpowiednio największą i najmniejszą siłą.

3.3 Analiza wyników

Po naciśnięciu przycisku On/Off następuje rozpoczęcie obliczeń. Na ekranie pojawi się mapa osiedla wypełniona dominującym kolorem zielonym, oraz zauważy się rozprzestrzeniające chmury zanieczyszczeń pochodzące ze źródeł (kolor czerwony). Symulacje w każdym momencie można zatrzymać i ponownie wznowić tym samym przyciskiem.

Do dyspozycji użytkownika pozostają możliwe opcje programu:

1. Określenie siły i kierunku wiatru,

2. Uwzględnianie w symulacji preferencji użytkownika,

3. Pokazanie planu osiedla

4. Włączenie / wyłączenie pokazywania histogramów.

Opcje te dostępne są po wybraniu kolejnych przycisków z paska narzędzi. Odpowiedni fragment paska pokazano obok.

Informacje statystyczne odnoszące się do całej symulacji oraz do wskazywanego kursorem punktu ekranu podane są w pasku statusu. Użytkownik otrzymuje następujące informacje:

1. Położenie kursora (X,Y)

2. Wartość zanieczyszczenia w danym punkcie

3. Wartości składowych RGB danego punktu

4. Czas trwania symulacji

5. Liczba wykonanych iteracji obliczeniowych.

Informacje te umożliwiają śledzenie rozwoju procesu dyfuzji.

Naciśniecie lewego przycisku myszy spowoduje wzrost zanieczyszczenia w obszarze wskazywanym kursorem. Analogicznie, naciśnięcie prawego przycisku spowoduje usunięcie zanieczyszczeń z punktu pod kursorem. Ze względu na bardzo mały rozmiar elementarnej komórki obrazu, aby zobaczyć efekt przyciski należy trzymać przez dłuższy czas wciśnięte.