CC BY
13
33. Larsson J., Broxvall M., Saffiotti A. Laser based intersection detection for reactive navigation in an underground mine // 2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Nice: IEEE, 2008. P. 2222-2227.
34. Kosarev O.V. et al. Modeling of industrial IoT complex for underground space scanning on the base of arduino platform // Topical Issues of Rational Use of Natural Resources - Proceedings Of The International Forum-Contest of Young Researchers, 2018. 2019. P.407-412.
35. Yang Y. et al. Incorporating SLAM and mobile sensing for indoor CO2 monitoring and source position estimation // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 291.
Богданова Ксения Александровна, аспирант, ks. a. bogdanova@gmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
APPLICA TION OF SLAM ALGORITHMS FOR THREE-DIMENSIONAL MODELLING
OF MINE WORKINGS
K.A. Bogdanova
The paper deals with the problem of using SLAM algorithms in underground mine workings. The essence of the SLAM concept and the classification of algorithms are summarized. An overview of modern LiDAR-based SLAM algorithms for indoor modelling is presented. The factors that complicate the use of SLAM algorithms in underground mining are identified. The existing solutions of SLAM in underground mine workings are analyzed.
Key words: underground mining, localization, navigation, SLAM, LiDAR.
Bogdanova Kseniya Aleksandrovna, postgraduate, ks.a. bogdanova@gmail.com, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University
УДК 531.2
КОНЦЕПЦИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРИГОДНОСТИ СПЕЦИАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ АВАРИЙНЫХ НАГРУЗОК
И ВОЗДЕЙСТВИЙ
Д.П.Мандрица, Д.А.Авсюкевич
Рассмотрены технические состояния специальных сооружений в условиях и после аварийных нагрузок и воздействий, предлагается новое определение эксплуатационной пригодности несущих конструкций. Для обеспечения надежности и безотказности специальных сооружений в условиях аварийных нагрузок и воздействий предлагается концепция обеспечения эксплуатационной пригодности специальных сооружений с учетом задач по назначению, допустимости повреждений (разрушений) и возможности восстановления в различных условиях эксплуатации.
Ключевые слова: техническое состояние, эксплуатационная пригодность, аварийные состояния, несущая конструкция.
Актуальность исследований обусловлена необходимостью обеспечения надежности и безопасности эксплуатации специальных сооружений в условиях аварийных нагрузок и воздействий.
Проанализируем технические состояния специальных сооружений в условиях и после аварийных нагрузок и воздействий [1-5].
Общая схема развития аварийной ситуации на СК показана на рис.1.
140
1 - авария; 2 - работоспособно; 3 - выполнение задания
Здесь 1111 - первичные последствия, ВП - вторичные последствия, СОЖ - система обеспечения жизнеобеспечения. Для оценки технических состояний СС после неблагоприятных воздействий (НВ), связанных с аварийными ситуациями, характерны два последовательных состояния: состояние с первичными последствиями, состояние со вторичными последствиями.
Состояние с первичными последствиями выражается в нарушении работоспособности элементов или конструкций и в целом конструктивной системы (КС). Система, обладающая свойством живучести, проявляет его в свойстве постепенной деградации, возникающем благодаря введению как пассивных, так и активных средств обеспечения живучести (СОЖ). После перехода в новое состояние выполняется оценка первичных последствий, в результате которой состояние системы относят к одному из трех классов: работоспособные, неработоспособные или неаварийные, аварийные.
Для специальных сооружений стартового комплекса, подверженных аварийным нагрузкам и воздействиям характерно два состояния:
полная непригодность к дальнейшей эксплуатации;
нарушение нормальных условий эксплуатации, выражающееся в локальных повреждениях, появлении незначительных трещин, ограниченно снижающих несущую способность конструкций и сооружения в целом, однако не нарушающее процесс запуска РКН.
Состояние с вторичными последствиями. Данное состояние для КС характеризует скорость развития вторичных последствий и конечный результат существенно зависит от работы системы жизнеобеспечения (СОЖ). По истечении некоторого установленного времени проводится оценка живучести системы с четырьмя возможными исходами.
Таким образом, в процессе обеспечения живучести СС различают два этапа: на первом этапе идет борьба за сохранение работоспособности КС, на втором этапе -борьба за успешное выполнение задания, несмотря на первичные и вторичные последствия НВ. Поэтому выделяют две задачи оценки и обеспечения живучести [1-3].
С целью учета всех факторов, оказывающих влияние на параметры живучести стартовых сооружений СК РКК проведен анализ технических состояний СС СК РКК после аварийных воздействий. Существующие факторы, определяющие живучесть несущих конструкций и КС, делятся на три группы по функциональному признаку (рис. 2)
Рис. 2. Факторы и сценарии, характеризующие живучесть СС
141
Рассмотрим данные факторы применительно к специальным сооружениям СК.
Рассматривая первую группу факторов необходимо выделить следующие условия.
1. Область действия аварийных ситуаций. Областью действия (аварийных воздействий) АВ может быть элемент, конструкция или все сооружение. Она указывается путем перечисления элементов системы и их функциональных связей.
2. Количество поражающих факторов и их характеристики, продолжительность действия аварийного воздействия. В зависимости от природы неблагоприятного воздействия можно различать один или несколько поражающих факторов. При определенных условиях разнообразные поражающие факторы приводятся к эквивалентной по силе воздействию.
3. Интенсивность АС, характеристика многократности воздействия. Количественная оценка интенсивности АС необходима для оценки:
предельной интенсивности, которую могут выдержать элементы конструктивной системы СС;
области действия АС;
времени действия АС.
Вторую группу образуют факторы, характеризующие несущие конструкции и конструктивную схему сооружения.
Рассматривая топологию конструктивной системы СС и отдельных ее элементов необходимо выделить следующие важные особенности.
1. Размеры элементов и их расположение в пространстве. Конструктивная система рассматривается как совокупность эле-ментов, расположенных определенным образом в плоскости или трехмерном пространстве, соответственно является плоской или объемной.
2. Устойчивость к развитию последствий АС: высокотемпературных воздействий, пожаров, механических разрушений от нарушения режимов эксплуатации, а также свойств материалов, конструктивных решений, схем соединений, наличия и своевременного срабатывания средств аварийной защиты.
3. Безотказность элементов учитывается при оценке живучести по результатам выполнения функциональных задач. Здесь выделяются следующие факторы: сохранение работоспособности, структурная избыточность (конструктивная система), наличие вторичных поражений.
Для обеспечения живучести элементов и конструкций и отсутствии вторичных последствий АС, а также выполнения технологических задач достаточно, чтобы после аварийного воздействия сооружение сохранило работоспособность.
В третью группу входят факторы, характеризующие внешние средства обеспечения живучести:
наличие оперативных и надежных средств связи системы с внешними средствами,
возможность своевременного и эффективного вмешательства внешних средств борьбу за живучесть системы.
Наличие системы обеспечения живучести являются одним из главных факторов, учитываемых при оценке и обеспечении живучести. Различают внутренние, встроенные в конструктивную схему и внешние средства. Для зданий и сооружений важную роль играют внешние средства, среди которых выделяются средства восстановления работоспособности. К ним также относятся средства локализации и устранения вторичных последствий отказов, средства восстановления технических характеристик, определяющих живучесть и не имеющих прямого отношения к работоспособности (устойчивость, огнестойкость, прочность и пр.).
Для оценки представленных выше факторов, возможности и способов их учета в моделях эксплуатационной пригодности необходимо знать их природу, источник исходных данных об их характеристиках и способы их получения (табл. 1).
Таблица 1
Природа факторов для оценки эксплуатационной пригодности
№ Наименование фактора Природа
1 Область действия АВ стохастическая
разнообразие поражающих факторов детерминированная
интенсивность поражающих факторов стохастическая
продолжительность действия поражающих факторов детерминированная, стохастическая
стратегия применения многократных АВ детерминированная
2 Конструктивная схема сооружения детерминированная
стойкость элементов стохастическая, детерминированная
устойчивость к развитию последствий АВ детерминированная, стохастическая
безотказность элементов стохастическая, детерминированная
действие системы обеспечения живучести стохастическая
По отношению специальным зданиям и сооружениям СК РКК процесс развития аварийных ситуаций отличается отсутствием системы обеспечения живучести (рис. 2).
Из табл. 1 видно, что некоторые факторы имеют стохастическую природу, и полный их учет возможен только с помощью вероятностных моделей живучести. Другие же факторы являются детерминированными, и их учет проводится с помощью детерминированных моделей. Учет же всех факторов требует сочетания вероятностных и детерминированных моделей.
Вторичные повреждения
Рис. 3. Развитие технических состояний стартовых сооружений после аварийных воздействий: 1 — авария; 2 - работоспособно
Для специальных сооружений РКК, в том числе стартовых сооружений, информация о первичных последствиях должна поступать с систем мониторинга или в процессе оперативного обследования (углубленного) с определением категорий технического состояния.
После аварийного воздействия выполняется оценка первичных последствий, в результате которой техническое состояние специального сооружения относят к одному из классов: работоспособные, неработоспособные или неаварийные, аварийные (рис. 4).
Рис. 4. Категории технического состояния зданий и сооружений
Оценка технического состояния специальных сооружений СК оценивается по следующим параметрам: деформации, повреждения (трещины, разрушения) прочность (усталостная прочность) и устойчивость конструкций. Схема оценки технического состояния специальных сооружений СК показана на рис. 5.
143
Для специальных сооружений переход в ограниченно работоспособное состояние не влечет с вероятностью 100% необходимости проведения технических мероприятий по восстановлению несущей способности и эксплуатационной пригодности.
Для стартовых сооружений предусмотрены системы обеспечения пожаровзры-вобезопасности, которые обеспечивают снижение вероятного ущерба при возникновении нештатных ситуаций на стартовых комплексах. Данные системы не являются мониторинговыми и не позволяют оценивать остаточные деформации и остаточную несущую способность специальных сооружений СК РКК в условиях воздействия аварийных нагрузок.
Рис. 5. Схема оценки технического состояния специальных сооружений СК
В результате анализа технического состояния специальных сооружений в условиях аварийных нагрузок и воздействий предлагается в качестве основного эксплуатационного свойства использование состояние эксплуатационной пригодности специальных сооружений
Под эксплуатационной пригодностью понимается способность (готовность) отдельных элементов несущих конструкций СС выполнять свои функции по назначению с допустимыми повреждениями (разрушениями) в различных условиях обстановки с заданной эффективностью или восстанавливать его при заданных показателях ре-монтно-восстановительных работ РВР и времени восстановления.
В настоящее время обоснование эксплуатационной пригодности зданий и сооружений рассматривались в работах Соколова В.А, Гусева Н.Н., Миронова А.Н., Самигуллина А.Г., Бедова А.И., Веселова А,А., Гроздова А.В., в которых излагаются вопросы надежности и долговечности материалов и конструкций зданий и сооружений. В работах НИИЖБ разработаны модели и процессы разрушения тяжелых бетонов при различных напряженных состояниях, определены предельные сопротивления бетона.
Для обеспечения надежности и безотказности специальных сооружений СК в условиях аварийных нагрузок и воздействий предлагается концепция обеспечения эксплуатационной пригодности специальных сооружений СК (рис. 6). Данные положения основываются на современных положениях теории надежности, оценке предельных состояний материалов и конструкций, а также теории поврежденностей и теории остаточного ресурса.
Предлагаемая концепция обеспечения эксплуатационной пригодности специальных сооружений СК значительно расширяет предметную область технических и предельных состояний материалов и конструкций специальных сооружений и включает
в себя следующие этапы: анализ требований к СС СК; выделение основных эксплуатационных свойств и их частных параметров СС СК; определение уровня эксплуатационных свойств, соответствующих требуемому уровню задач СК РКК, определение параметров остаточного ресурса.
Рис. 6. Концепция обеспечения эксплуатационной пригодности специальных
сооружений
Основным отличием данной концепции от существующих подходов является обеспечение эксплуатационной пригодности после возможного (вероятного) воздействия поражающих факторов аварийных ситуаций. Такой подход требует всестороннего учета всевозможных факторов и условий эксплуатации специальных сооружений при аварийных ситуациях.
Математическая постановка такой концепции представляет собой определение такой совокупности параметров эксплуатационной пригодности, при которой обеспечивается выполнение задач по предназначению с эффективностью не ниже заданной
Эг пред {{Х'0}} и при минимальных затратах на восстановление СРВР
|Эй,} = а^ттСРВР ({Х'„}, Э),
при ограничениях Эг {{Хя}} > Э^ {{X}} = N и Теос |{Х;}} < Теос {{Х'0}}. Здесь X - область состояний эксплуатационной пригодности стартовых сооружений СК: начальные при проливах - Х1 , горении - Х2 , взрыве - Х3, Хя = / (Ая, Вя, Ся,...). Параметры эксплуатационной пригодности Эп1: А, Вi, Ci, прочность, устойчивость, деформативность
и трещиностойкость.
Для реализации предлагаемой концепции разработаны расчетные сценарии развития ситуаций и ограничения на уровень эксплуатационных свойств, необходимых для обеспечения эксплуатационной пригодности и остаточного ресурса СК РКК.
качестве расчетного сценария развития ситуаций на СК рассматриваются следующие:
1 сценарий. Реализация аварийной ситуации связанная горением различных
топлив
Cs1=Cm+Ps1, , Ст = Pd+ Y^li Pli m Pu 2 сценарий. Реализация аварийной ситуации, связанная с аварийным взрывом
Cs2 = Cm +Ps2, Ст = Pd+ Y^li Pli + Y^t, Pti В качестве показателей готовности специальных сооружений СК приняты:
1. Коэффициент готовности Kz.
2. Коэффициент оперативной готовности Koz2 (tp ) = Kz • P (tF2 ).
С • УВ
3. Время восстановления T < Т < —-.
Г п вос. rp Т.Т
/ • N
С учетом представленных расчетных сценариев развития аварийных ситуаций и ограничения на уровень эксплуатационных свойств разработана математическая модель эксплуатационной пригодности несущих конструкций специальных сооружений К, }< Б, (Хг] )и тах (/^);
^ (х-,, )=/ (ПV ПП.),;
I ^ ( ^ С )
БСС = ^ •
Л г • Б
Здесь Б г, - параметры эксплуатационной пригодности г-ой конструкции СС при воздействии у-го параметра поражающих факторов, Б, (Хг,) - параметры состояний, характеризующая уровень эксплуатационной пригодности в условиях воздействия поражающих факторов аварийных ситуаций, w i - показатель значимости г-го конструктивного элемента; С ,Л - коэффициенты, учитывающие изменение поврежденности и стоимости г-го элемента в ходе предшествующей эксплуатации.
К основным показателям эксплуатационной пригодности относятся Пэ, КП
У Р I
показатель эксплуатационной пригодности П =-5--— > 1, показатель снижения
г Уп • Ус1 Р-
П у Р Р
Туг П э, ,ост /й ,ост г,иН(ост) Г-,0 ^т^ о О Г А А А 1
КП„ =-П- = —^--ТТ~ £ КПдо • Здесь Эсв{г}={A1, A2,•••, АМ } - эксплуатацион-
' Пэ1,0 Уй ,0 г,иИ( о) - ,ост
= {Пэ,П^,Пэ ...,Пэ } - показатели эксплуатационных
ные свойства СС, П
э г-1
св{-}
свойств, уп ,ус1 - коэффициент условий работы и коэффициент надежности по назначению, ут - коэффициент надежности по материалу.
Реализация концепции обеспечения эксплуатационной пригодности специальных сооружений СК представляет собой многофакторную и многокритериальную оптимизационную задачу, решение которой возможно путем разбиения на ряд однофак-торных задач. Предлагаются следующие этапы.
1. Введение принципов и критериев по допустимости повреждений, допустимому ресурсу и безопасности разрушений. Предложенные критерии разделены по остаточной прочности, остаточным деформациям (табл. 2).
Таблица 2
Критерии эксплуатационной пригодности
№ п/п
Критерий допустимости повреждений
Критерий безопасного ресурса
Критерий безопасного разрушения
по остаточной прочности Кр ■
по остаточной
< 1
по площади разрушения
прочное™ — -——— < 1.
Ка
< 1
по объему разрушения
™ <1
по остаточным деформациям
' -
< 1
по остаточным деформациям
< 1
по допустимому р
"I
риску разрушения Кя =
К
< 1
Формулирование новых критериев эксплуатационной пригодности, которые позволяют.
1. Ввести доверительные границы уровней эксплуатационной пригодности и определить время наступления недопустимых предельных состояний.
2. Определить остаточный ресурс специальных сооружений СК, что обеспечит боевое функционирование СК в угрожаемый период.
2. На основе критериев эксплуатационной пригодности построены модели эксплуатационной пригодности, которые учитывают не только параметры поврежденно-стей, но и их допустимость, ресурсопригодность и безопасность разрушений несущих конструкций специальных сооружений после воздействия поражающих факторов аварийных ситуаций:
У ult,(ост) E * I *
по критерию ресурсопригодности яi =-
У ост4
вторичные воздействия на несущие конструкции
Уе
(У{,п+Ус
2 ■т-Ъ-Щ {1_2ау (1_па)7
3. Формирование на основе критериев новых уровней эксплуатационной пригодности для детализации существующих предельных состояний по несущей способности и эксплуатационной пригодности: ограниченная ЭП-2 - соответствует наступлению недопустимых повреждений, ограниченная ЭП-3 - соответствует наступлению недопустимых повреждений, нарушение безопасного ресурса и недопустимая ЭП-4 - соответствует наступлению опасных разрушений, прогрессирующего разрушения или возникновение недопустимого ущерба.
Введение таких уровней эксплуатационной пригодности позволяет разделить возможные повреждения по следующим признакам: по площади, объему и месту расположения и определить более конкретные границы по эксплуатационной пригодности, и в дальнейшем - правую границу - предельный уровень по эксплуатационной пригодности.
Таким образом, предлагаемая концепция позволит:
1. Существенно увеличить показатели предельных состояний по эксплуатационной пригодности материалов и конструкций с повреждениями, и как следствие несущей способности;
2. Снизить момент наступления отказов для несущих конструкций СС с повреждениями;
3. Повысить ремонтнопригодность несущих конструкций СС СК после повреждений (разрушений).
Список литературы
1. Надежность систем энергетики: Терминология. Сборник рекомендуемых терминов. М.: Наука, 1980. Вып. 95. 42 с.
2. Руденко Б.Н., Ушаков И.Н. Надежность систем энергетики. М.: Наука, 1986.
252 с.
3. РД 09-102-95. Методические указания по определению остаточного ресурса. М.: 1995.
4. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения СНиП 52-01-2003. М.: 2018.
5.СП 88.13330.2014. Защитные сооружения гражданской обороны. Актуализированная редакция СНиП 11-11-77* (с Изменением N 1). М.: 2014.
Мандрица Дмитрий Петрович, канд. техн. наук, доцент, maяdriza66@mail. т, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Авсюкевич Дмитрий Алексеевич, докт. техн. наук, профессор, maяdriza66@,mail. т, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского
THE CONCEPT OF MAINTENANCE OF OPERATIONAL SUITABILITY OF SPECIAL CONSTRUCTIONS CK IN THE CONDITIONS OF EMERGENCY LOADINGS
AND AFFECTINGS
D.P. Mandritsa, D.A. Avsjukevich
Technical conditions of special constructions in conditions and after emergency loadings and affectings are observed, new definition of operational suitability of bearing structures is offered. For maintenance of reliability and non-failure operation of special constructions in the conditions of emergency loadings and affectings the concept of maintenance of operational suitability of special constructions taking into account problems to destination is offered, to an admissibility of faults (destructions) and restoration possibility in various service conditions.
Key words: a technical condition, operational suitability, emergency conditions, a bearing structure.
Mandritsa Dmitry Petrovich, candidate of technical sciences, senior lecturer, man-driza66amail.ru, Russia, St.-Petersburg, Military-space academy of a name of A.F. Mozhajskogo,
Avsjukevich Dmitry Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, mandri-za66@mail.ru, Russia, St.-Petersburg, Military-space academy of a name of A.F. Mozhajskogo
УДК 519.862
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕМА ПОГРУЗКИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ МЕТОДОМ СМЕШАННОГО ОЦЕНИВАНИЯ
С.И. Носков, К.С. Перфильева
В работе поставлена задача выявления закономерности влияния важнейших сырьевых показателей - добычи угля в Российской Федерации и вывозки древесины, а также парка груженых вагонов на ключевой результирующий фактор деятельности железнодорожного транспорта - объем погрузки основных видов грузов. С помощью метода наименьших квадратов построена связывающая эти факторы регрессионная модель, обладающая высокими значениями критериев адекватности. Поскольку анализ исходной информации показал, что в ней имеют место аномальные наблюдения, не согласующиеся с выборкой в целом, эта модель скорректирована с помощью метода смешанного оценивания. Этот метод совмещает в себе свойства методов наименьших модулей и антиробастного оценивания, каждый из которых «работает» на «своей» подвыборки данных. При этом было произведено 3432 разбиения исходной выборки на подвыборки с целью построения модели с максимальным значением критерия смещения.
Ключевые слова: линейная регрессия, метод смешанного оценивания, метод наименьших квадратов, метод наименьших модулей, антиробастное оценивание, программный комплекс, критерий смещения.
Регрессионный анализ является признанным и эффективным инструментом исследования закономерностей функционирования железнодорожного транспорта. Так, в работе [1] рассматривается применение комбинации тренд-сезонных моделей и
148
