sapiСистемный анализ и прикладная информатика«System analysis and applied information science»2309-49232414-0481Belarusian National Technical University10.21122/2309-4923-2026-2-28-37sapi-811Research ArticleУправление техническими объектамиManagement of technical objectsМетодология формирования динамических моделей мониторинга атмосферного воздуха в урбанизированных зонах на основе алгоритмов оптимизации транспортных сенсорных сетейMethodology of forming dynamic air quality monitoring models in urban areas based on traffic sensor network optimization algorithmsКапскийД. В.KapskiD. V.

Капский Денис Васильевич - Доктор технических наук, профессор. Профессор кафедры «Транспортные системы и технологии».Высшая аттестационная комиссия (ВАК) Республики Беларусь, заместитель Председателя ВАК.г. МинскE-mail: d.kapsky@bntu.by

Denis V. Kapski - Doctor of Science (Engineering), Professor. Professor of the Department of Transport Systems and Technologies.Vice-chairman of the Higher Attestation Commission (HAC) of the Republic of Belarus. 

MinskE-mail: d.kapsky@bntu.by

d.kapsky@bntu.byКоржоваА. В.KorzhovaA. V.

Коржова Антонина Владимировна - Магистр технических наук, заведующая сектором дорожного движения НИИЦТС.

г. МинскE-mail: nicdd@bntu.by

Antonina V. Korzhova - Master of Engineering. Head of the Traffic Sector at the Research and Testing Center for Vehicles. Conducts research in the field of traffic organization and technical control means.

MinskE-mail: nicdd@bntu.by

 

nicdd@bntu.byБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusБелорусский национальный технический университетБеларусьResearch Polytechnic InstituteBelarus202617072026022837Copyright © Капский Д.В., Коржова А.В., 20262026Капский Д.В., Коржова А.В.Kapski D.V., Korzhova A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sapi.bntu.by/jour/article/view/811

В данной научной статье представлено комплексное теоретическое и прикладное исследование, посвященное оптимизации систем мониторинга атмосферного воздуха в современных городах с населением свыше 100 тысяч человек. Актуальность работы обусловлена необходимостью перехода от традиционных пассивных статических методов наблюдения к динамическим адаптивным моделям управления качеством среды, что является ключевым элементом концепции «умного» и «симбиотического» города для минимизации экологических рисков. В качестве полигона для исследования выбраны четыре крупных промышленных и административных центра Республики Беларусь: Гродно, Пинск, Лида и Солигорск. Разработан интегрированный подход, объединяющий математическое решение задачи оптимального размещения сенсоров (SLP – Sensor Location Problem) с многофакторным графоаналитическим анализом антропогенного воздействия. Подробно описывается методология проведения 20 000 итерационных циклов для транспортной схемы, что позволило выявить критические узлы каркасных сетей городов, в которых концентрация датчиков дает минимальную погрешность вычислений транспортных и экологических параметров. Особое внимание уделено междисциплинарному учету метеорологических факторов, в частности, использованию весового коэффициента для показателей розы ветров при определении приоритетности мест установки газоанализаторов. Систематизированы данные о транспортной нагрузке, иерархии улично-дорожных сетей и плотности социальных объектов в исследуемых городах. Внедрение предложенной модели (на базе 32 автоматизированных постов) позволяет получать символьные решения для оценки экологической ситуации в неконтролируемых участках сети. Результаты исследования формируют основу для создания прогнозных систем управления выбросами, способных в реальном времени корректировать организацию дорожного движения для предотвращения превышения предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ. В заключении очерчены перспективные направления интеграции полученных моделей с алгоритмами машинного обучения и искусственного интеллекта в рамках долгосрочных программ устойчивого городского развития.

This scientific article presents a comprehensive theoretical and applied study dedicated to the optimization of atmospheric air monitoring systems in modern cities with populations over 100,000. The relevance of this study stems from the need to transition from traditional passive static monitoring methods to dynamic adaptive models of environmental quality management, a key element of the "smart" and "symbiotic" city concept for minimizing environmental risks. Four major industrial and administrative centers of the Republic of Belarus – Grodno, Pinsk, Lida, and Soligorsk – were selected as the research sites. The scientific novelty of this study lies in the development of an integrated approach combining a mathematical solution to the optimal sensor placement problem (SLP) with a multivariate graphical analysis of anthropogenic impact. A detailed methodology is provided for conducting 20,000 iteration cycles for each transport scheme, which made it possible to identify critical nodes in urban framework networks where the concentration of sensors provides minimal error in calculating transport and environmental parameters. Particular attention is paid to the interdisciplinary consideration of meteorological factors, in particular, the use of a weighting factor for wind rose indicators when prioritizing gas analyzer installation locations. The article systematizes data on traffic load, the hierarchy of street and road networks, and the density of social facilities in the studied cities. Implementation of the proposed model (based on 32 automated posts) allows for the generation of symbolic solutions for assessing the environmental situation in unmonitored network sections. The study's results form the basis for the development of predictive emission management systems capable of adjusting traffic management in real time to prevent exceeding maximum permissible pollutant concentrations. The conclusion outlines promising areas for integrating the resulting models with machine learning and artificial intelligence algorithms within the framework of longterm sustainable urban development programs.

транспортная экологиякачество атмосферного воздухазагрязняющие веществаматематическое моделированиеалгоритм SLPроза ветроврейтинговая оценкаинтеллектуальные транспортные системы (ИТС)симбиотический городtransport ecologyair qualitypollutantsmathematical modelingSLP algorithmwind roserating assessmentintelligent transport systems (ITS)symbiotic cityReferencesКапский, Д. В. Методология оценки воздействия изменения климата, уязвимости и климатических рисков в транспортной системе Республики Беларусь / Д. В. Капский, С. В. Богданович, Ю. В. Буртыль. Минск : БНТУ, 2022. 256 с. URL: https://rep.bntu.by/handle/data/112369 (дата обращения: 27.04.2026).Kapski D.V., Bogdanovich S.V., Burtyl' Ju.V. Metodologija ocenki vozdejstvija izmenenija klimata, ujazvimosti i klimaticheskih riskov v transportnoj sisteme Respubliki Belarus' [Methodology for Assessing the Impact of Climate Change, Vulnerability and Climate Risks in the Transport System of the Republic of Belarus]. Minsk: BNTU; 2022. 256 p. (in Russian). Available at: https://rep.bntu.by/handle/data/112369 (accessed 27 April 2026).Врубель, Ю. А. Определение потерь в дорожном движении / Ю. А. Врубель, Д. В. Капский, Е. Н. Кот. Минск : Белорусский национальный технический университет, 2006. 239 с. URL: https://rep.bntu.by/handle/data/106833 (дата обращения: 27.04.2026).Vrubel' Ju.A., Kapski D.V., Kot E.N. Opredelenie poter' v dorozhnom dvizhenii [Determination of Traffic Losses]. Minsk: BNTU; 2006. 239 p. (in Russian). Available at: https://rep.bntu.by/handle/data/106833 (accessed 27 April 2026).Устойчивая городская мобильность: теория и практика развития / А. О. Лобашов, Е. Н. Кот, Д. В. Капский [и др.]. Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. 236 с.Lobashov A.O., Kot E.N., Kapski D.V., Larin O.N., Bogdanovich S.V., Semchenko S.S. Ustojchivaja gorodskaja mobil'nost': teorija i praktika razvitija [Sustainable Urban Mobility: Theory and Practice of Development] Vologda: Infra-Inzhenerija; 2023. 236 p. (in Russian).Оценка воздействия изменения климата и климатических рисков в транспортных системах / Д. В. Капский, Н. А. Филиппова, Ю. В. Трофименко [и др.]. Москва : Техполиграфцентр, 2023. 248 с.Kapski D.V., Filippova N.A., Trofimenko Ju.V., et al. Ocenka vozdejstvija izmenenija klimata i klimaticheskih riskov v transportnyh sistemah [Assessing the Impacts of Climate Change and Climate Risks in Transport Systems]. Moscow: Tehpoligrafcentr; 2023. 248 p. (in Russian).Капский, Д. В. Экологические потери в дорожном движении / Д. В. Капский // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2014. № 3(63). С. 163–167. URL: https://izdat.istu.ru/index.php/vestnik/article/view/2995 (дата обращения: 27.04.2026).Kapski D.V. Ekologicheskie poteri v dorozhnom dvizhenii [Environmental losses in road traffic]. Vestnik IzhGTU imeni M. T. Kalashnikova [Vestnik of Kalashnikov Izhevsk State Technical University]. 2014;3(63):163–167 (in Russian). Available at: https://izdat.istu.ru/index.php/vestnik/article/view/2995 (accessed 27 April 2026).Капский, Д. В. Выбросы вредных веществ транспорта в симбиотическом городе и прогноз сокращения выбросов CO в изменяемой транспортной системе / Д. В. Капский, Д. В. Мозалевский, И. Г. Гамульский // Проектирование автомобильных дорог : сборник докладов 80-й Международной научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ, Москва, 24–28 января 2022 г. Москва, 2022. С. 244–253.Kapski D.V., Mozalevskij D.V., Gamulskij I.G. Vybrosy vrednykh veshchestv transporta v simbioticheskom gorode i prognoz sokrashcheniya vybrosov CO v izmenyaemoj transportnoj sisteme [Emissions of harmful substances of transport in a symbiotic city and forecast of CO emission reduction in a modified transport system]. Proektirovanie avtomobil'nyh dorog : sbornik dokladov 80-j Mezhdunarodnoj nauchno-metodicheskoj i nauchno-issledovatel'skoj konferencii MADI [Designing Highways: Collection of Reports of the 80th International Scientific, Methodological and Research Conference of MADI], Moscow, January 24–28, 2022. Moscow; 2022. pp 244–253 (in Russian).Капский, Д. В. Методики и модели оценки экологического воздействия автомобильного транспорта на экосистему симбиотического города / Д. В. Капский, О. В. Базаревич // Экономика Северо-Запада: проблемы и перспективы развития. 2022. № 3(70). С. 103–112. DOI: 10.52897/2411-4588-2022-3-103-112.Kapski D.V. Bazarevich O.V. Methods and models for assessing the environmental impact of road transport on the ecosystem of a symbiotic city. Ehkonomika Severo-Zapada: problemy i perspektivy razvitiya [Economy of the NorthWest: Problems and Prospects for Development]. 2022;3(70):103–112 (in Russian). https://doi.org/10.52897/2411-4588-2022-3-103-112.Базаревич, О. B. Использование GPS-данных для расчета экологического воздействия дорожного транспорта на экосистему симбиотических мегаполисов / О. B. Базаревич, Д. В. Капский // Системный анализ и прикладная информатика. 2022. № 4. С. 4–15. DOI: 10.21122/2309-4923-2022-4-4-15.Bazarevich O.V., Kapski D.V. Using GPS data to calculate the ecological impact of road transport on the ecosystem of symbiotic megacities. System Analysis and Applied Information Science. 2022;(4):4–15 (in Russian). https://doi.org/10.21122/2309-4923-2022-4-4-15.Капский, Д. В. Определение экологических потерь в населенном пункте от движения транспортных средств / Д. В. Капский, П. А. Пегин, С. А. Евтюков // Вода и экология: проблемы и решения. 2017. № 3(71). С. 146–157. DOI: 10.23968/2305–3488.2017.21.3.146–157Kapskij D.V., Pegin P.A., Evtyukov S.A. Definition of ecological losses in the city from the movement of vehicles. Voda i ehkologiya: problemy i resheniya [Water and Ecology: Problems and Solutions]. 2017;(71):147–157 (in Russian). https://doi.org/10.23968/2305-3488.2017.21.3.147-158.Эффективность транспортной системы симбиотического города / Д. В. Капский, В. Н. Кузьменко, Д. В. Мозалевский [и др.] // Проблемы безопасности на транспорте : материалы XI Международной научно-практической конференции, Гомель, 25–26 ноября 2021 года : в 2 ч./ редкол.: Ю. И. Кулаженко (гл. ред.) и [др.]. Гомель, 2021. Ч. 2. С. 76–77. URL: http://elib.bsut.by/bitstream/handle/handle/123456789/6430 (дата обращения: 27.04.2026).Kapski D.V., Kuzmenko V.N., D. V. Mozalevskij D.V., Krasilnikova A.S., Karaseva M.G. Effektivnost` transportnoj sistemy simbioticheskogo goroda [Efficiency of the transport system of the symbiotic city]. Problemy bezopasnosti na transporte : materialy XI Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Problems of Transport Safety: Materials of the XI International Scientific and Practical Conference], Gomel, November 25–26, 2021. Volume 2. Gomel; 2021. pp. 76–77 (in Russian). Available at: http://elib.bsut.by/bitstream/handle/handle/123456789/6430 (accessed 27 April 2026).Развитие городского транспорта в городах Полоцке и Новополоцке / Д. В. Капский, А. К. Головнич, Т. В. Вигерина [др.] // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия B, Промышленность. Прикладные науки. 2020. № 11. С. 85–97. URL: https://journals.psu.by/industry/article/view/567 (дата обращения: 27.04.2026).Kapskiy D., Golovnich A., Vigerina T., Kuzmenko V., Krasilnikova A., Gorelik Ye, et al. Development of urban transport in the cities of Polotsk and Novopolotsk. Vestnik Polockogo gosudarstvennogo universiteta. Serija B. Promyshlennost'. Prikladnye nauki [Vestnik of Polotsk State University. Series B. Industry. Applied Sciences]. 2020;11:85– 97 (in Russian). Available at: https://journals.psu.by/industry/article/view/567 (accessed 27 April 2026).Оценка состояния транспортной системы городов Полоцка и Новополоцка / Д. В. Капский, В. П. Иванов, А. К. Головнич[др.]// Вестник Полоцкого государственного университета. Серия B, Промышленность. Прикладные науки. 2020. № 11. 98–102. URL: https://journals.psu.by/industry/article/view/568 (дата обращения: 27.04.2026).Kapskiy D., Ivanov V., Golovnich A., Kuzmenko V., Krasilnikova A., Gorelik Ye., et al. Assessment of the condition of the transport system of the cities of Polotsk and Novopolotsk. Vestnik Polockogo gosudarstvennogo universiteta. Serija B. Promyshlennost'. Prikladnye nauki [Vestnik of Polotsk State University. Series B. Industry. Applied Sciences]. 2020;11:98–102 (in Russian). Available at: https://journals.psu.by/industry/article/view/568 (accessed 27 April 2026).Guideline for air quality data collection : management approaches for clean mobility : D.T2.2.8 // Interreg Central Europe : Dynaxibility4CE. Final version 02 2022. URL: https://programme2014-20.interreg-central.eu/Content.Node/Dynaxibility4CE/D.T2.2.8-arpae-final-version.pdf (дата обращения: 27.04.2026).Guideline for air quality data collection: Management approaches for clean mobility (D.T2.2.8). Interreg Central Europe: Dynaxibility4CE; 2022 Feb. Available at: https://programme2014-20.interreg-central.eu/Content.Node/Dynaxibility4CE/D.T2.2.8-arpae-final-version.pdf (accessed 27 April 2026).Mobile monitoring of air pollution − a position paper on use cases, good practices, challenges, and opportunities / J. Kerckhoffs, J. Hofman, J. Khan [et al.] // Environment International. 2025. Vol. 202. 109582. DOI: 10.1016/j.envint.2025.109582.Kerckhoffs J., Hofman J., Khan J., Adams M.D., Blanco M.N., deSouza P., et al. Mobile monitoring of air pollution − a position paper on use cases, good practices, challenges, and opportunities. Environment International. 2025;202:109582. https://doi.org/10.1016/j.envint.2025.109582 .Air quality monitoring in coal-centric cities: a hybrid approach / S. Mora, P. deSouza, F. Duarte [et al.] // Sustainability. 2023. Vol. 15, № 16. 12624. DOI: 10.3390/su151612624.Mora S., deSouza P., Duarte F., Wang A., Paul S., Berrones A., et al. Air quality monitoring in coal-centric cities: A hybrid approach. Sustainability. 2023;15(16):12624. https://doi.org/10.3390/su151612624.Big mobility data reveals hyperlocal air pollution exposure disparities in the Bronx, New York / I. Testi, A. Wang, S. Paul [ et al.] // Nature Cities. 2024. №1. С. 512–521. DOI: 10.1038/s44284-024-00093-x.Testi I., Wang A., Paul S., Mora S., Walker E., Marguerite N., et al. Big mobility data reveals hyperlocal air pollution exposure disparities in the Bronx, New York. Nature Cities. 2024;1:512–521. https://doi.org/10.1038/s44284-024-00093-x.Air quality monitoring using mobile low-cost sensors mounted on trash-trucks: methods development and lessons learned / P. DeSouza, A. Anjomshoaa, F. Duarte [et al.] // Sustainable Cities and Society. 2020. Vol. 60. 102239. DOI: 10.1016/j.scs.2020.102239.DeSouza P., Anjomshoaa A., Duarte F., Kahn R., Kumar P., Ratti. Air quality monitoring using mobile low-cost sensors mounted on trash-trucks: Methods development and lessons learned. Sustainable Cities and Society. 2020;60:102239. https://doi.org/10.1016/j.scs.2020.102239.Air pollution and greenspace exposure disparities revealed by hyperlocal exposure metrics across European cities / M. E. S. Sabedotti, F. Duarte, P. Koutrakis [et al.] // Communications Sustainability. 2026. Vol. 1, № 48. P. 1-14. DOI: 10.1038/s44458-026-00046-6.Sabedotti M.E.S., Duarte F., Koutrakis P., Santi P., Ratti C., Nyhan M.M. Air pollution and greenspace exposure disparities revealed by hyperlocal exposure metrics across European cities. Communications Sustainability. 2026;1:48. https://doi.org/10.1038/s44458-026-00046-6.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.