CC BY
62
* а. ~ — ^^ ^ —г-»тм
И Dp"«» 1« кЧ<и »ЧЧИТ С|р«ис Дйгршш Qo» £прмы bourn «и*о< - - в ж
J JUi Ji а- »1 • w . ж * н и. • ^ • А • 1
Otn»cn> дна '_Ь_
Повторяеиость{%) направления ветра (poia ветров) за год
Рис. 5. График-отчет «Роза ветров»
довые), но и частные (за теплый и холодный периоды, по месяцам).
Так, меню «Связь» предлагает пользователю пункт «Подключение» для установки соединения с сервером БД. Меню «Отчеты» позволяет выбрать необходимый для построения метеорологический отчет за месяц, год или многолетний период. Меню «Графики» дает возможность создавать такие графики-отчеты, как «Роза ветров», «Ветер по направлениям», а также диаграммы повторяемости различных метеохарактеристик и явлений погоды. Меню «Прогнозы» предназначено для построения прогнозов погодных явлений различными синоптическими методами, а также для построения прогностических отчетов, позволяющих отследить изменения отдельных метеорологических характеристик в районе аэродрома.
Для составления прогнозов погодных явлений и метеовеличин используются различные методы прогнозирования. Например, для расчета грозы
используются методы Н.В. Лебедевой, Г.Д. Реше-това, И.А. Славина, Б.Е. Пескова [4].
Кроме того, в программном комплексе предусмотрено составление отчетов-прогнозов, описывающих изменение климата по некоторым параметрам (температура, давление, влажность и т.д.). Математическая модель, применяемая при расчете и формировании таких отчетов, основана на корреляционно-регрессионном анализе временных рядов [5].
Программный комплекс AMIS.Utils, используемый совместно с ПАК АМИС-РФ, применяется для создания отчетов при подготовке климатической характеристики аэродрома, а отдельные функции модуля Forecaster могут использоваться независимо от наличия измерительной системы.
Разработанный комплекс AMIS.Utils внедрен в эксплуатацию в Северном метеоагентстве г. Магнитогорска, что позволило значительно сократить используемые трудовые и временные ресурсы для получения достоверной и своевременной информации о природно-климатических характеристиках.
Литература
1. Капустин А.В., Сторожук Н.Л. Технические средства гидрометеорологической службы. СПб: Издат. агентство «Энергомашиностроение», 2005. 283 с.
2. URL: http://www.orade.com/technology/products/databa-se/xe/index.html (дата обращения: 17.03.2010).
3. URL: http://msdn.microsoft.com/ru-ru/library/8xa525wy. aspx (дата обращения: 17.03.2010).
4. Богаткин О.Г. Авиационная метеорология для летчиков. СПб: Изд-во РГГМУ, 2008.
5. Аргучинцева А.В. Методы статистической обработки и анализа гидрометеорологических наблюдений: учеб. пособие. Иркутск: ИГУ, 2007. 105 с.
УДК 622:658.011.56
МЕТОДЫ И МОДЕЛИ ВЫБОРА СПОСОБА ПРОКЛАДКИ ПОДЗЕМНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ
С.Н. Гончаренко, д.т.н.; В.Д. Сачивка
(Московский государственный горный университет, [email protected])
В статье освещаются вопросы выбора оптимального способа прокладки подземных инженерных коммуникаций на основании списка вводных данных из технического задания. Рассматриваются альтернативы открытой и бестраншейной проходки. Описаны основные этапы выбора способа прокладки, основанные на применении дерева допустимых решений для отсекания неактуальных способов и использовании метода нечеткого программирования с учетом сформированного множества оценочных критериев.
Ключевые слова: способ прокладки, инженерные коммуникации, дерево решений, бестраншейная прокладка, открытая прокладка, метод нечеткого программирования.
В условиях плотной застройки в городах прокладка инженерных коммуникаций открытым способом в таких чувствительных зонах, как магист-
ральные автомобильные и железные дороги или места исторического значения, является неэффективной, а иногда и невозможной. Кроме того, на-
пример в Москве, существует большое количество действующих, бездействующих и проектируемых коммуникаций, расположенных на различных уровнях, что существенно влияет на поиск оптимальных решений при выборе способа прокладки коммуникаций. При согласовании проектов инженерных коммуникаций с эксплуатирующими службами, местными органами власти и управлениями почти всегда выдвигаются требования выполнить пересечение проезжей части улиц или какой-нибудь территории закрытым способом. Таким образом, в условиях городской застройки потребность в закрытых прокладках инженерных коммуникаций многократно возрастает.
Самой сложной задачей для специалиста является грамотный выбор технических решений при прокладке инженерных коммуникаций. Распространена практика субъективного выбора способа прокладки коммуникаций, а не основанная на расчетах, что, к сожалению, не всегда оправданно при заданных условиях.
Существуют несколько основных методов бестраншейной прокладки, таких как микротонне-лирование, горизонтальное шнековое бурение, горизонтально направленное бурение (ГНБ), щитовая проходка, продавливание стального футляра.
Выбор способа прокладки основывается на методе построения дерева решений для отсекания неактуальных способов прокладки и на использовании метода нечеткого программирования с учетом перечня сформированных оценочных критериев.
На первом этапе структурируются методы прокладки инженерных коммуникаций и даются их основные характеристики (рис. 1). В качестве исходных способов прокладки были использованы
следующие: открытая прокладка коммуникаций, горизонтально направленное бурение, микротон-нелирование, щитовая проходка, продавливание стального футляра, горизонтальное шнековое бурение.
Выбор способа прокладки инженерных коммуникаций включает два этапа: построение дерева решений и определение на его основании перечня возможных способов прокладки инженерных коммуникаций.
Техническое задание (ТЗ) (рассматривается на примере проектов ООО «Институт Каналстройп-роект», г. Москва) содержит вводные исходные данные, на основании которых решается задача выбора оптимального способа прокладки инженерных коммуникаций (табл. 1).
Таблица 1
Исходные вводные данные (по материалам ТЗ)
Вводные данные Обозначение Диапазон изменения (значения) данных
Глубина прокладки Н Не(0; 30)
Диаметр футляра Б Бе (50; 2000)
Стесненные условия С 1=да; 0=нет
Преграды (железные
дороги, реки, насаж- Р 1=да; 0=нет
дения и др.)
Автодороги А 1=да; 0=нет
Водонасыщенность грунтов С 1=да; 0=нет
Интервал проходки Ь Ье(0; ю)
Материал футляра (железобетон, сталь) м
Описанные вводные исходные данные лежат в основе формирования базы знаний и построения дерева решений (рис. 2).
Прокладка инженерных коммуникаций
Бестраншейная прокладка коммуникаций
Бурошнековая Микротоннелирование Продавливание Горизонтально Тоннелепроходческий
установка стального футляра направленное бурение щит
630<Р<1020 мм
Р =530 мм
1
Р 630 мм
1
Р =720 мм
1
Р =820 мм
1200 мм
1
Р= 1400 мм
1
Р= 1600 мм
1
р= 2000 мм
160<Р<1200 мм
Вид проходки
Тип проходки
Основные виды футляров
Рис. 1. Фрагмент характеристик способов прокладки инженерных коммуникаций
Н=0 при 0<Н<7 м Н=1 при Н>7 м
Бестраншейная прокладка
Открытая прокладка
Бестраншейная Открытая Бестраншейная
прокладка прокладка прокладка
Бестраншейная Бестраншейная прокладка прокладка
Бестраншейная прокладка
Рис. 2. Фрагмент дерева решений прокладки инженерных коммуникаций
Построение дерева решений позволяет определить два варианта развития ситуации: выбор единственного способа прокладки инженерных коммуникаций или оптимального способа прокладки методом нечеткого программирования.
Построение дерева решений дает возможность определить пять способов закрытой прокладки инженерных коммуникаций.
Для этого необходимо сформировать множество оценочных критериев (табл. 2).
Таблица 2
Оценочные критерии выбора способа прокладки инженерных коммуникаций
Критерий Описание критерия
К1 - стоимость работ Общая стоимость работ в пересчете на 1 погонный метр трубы
К2 - время проведения работ Общее время выполнения работ в пересчете на 1 погонный метр трубы
К3 - количество рабочих Количество квалифицированных рабочих, необходимых для проходки, - актуальная проблема при ограниченном штате рабочих
К4 - габариты рабочего котлована Оптимальными с точки зрения влияния на экологию будут наименьшие габариты рабочего котлована
К5 - габариты приемного котлована То же
X =
Необходимо выбрать способ прокладки инженерных коммуникаций из пяти возможных:
X = Способ 1 (микротоннель);
X = Способ 2 (буровая установка); X = Способ 3 (стальнойфутляр); X = Способ 4 (горизонтально
направленное бурение);
X = Способ 5 (щитовая проходка).
Каждый способ оценивается по множеству критериев К={КЬ К2, К3, К4, К5}. Каждая альтернатива заданного множества Х характеризуется
пятью критериями: К1, ..., К5. Результаты первоначальных расчетов инженера, показывающие значения критериев а^=^(Х) для каждой рассматриваемой альтернативы, представлены в таблице 3.
Таблица 3
Значения оценочных критериев для каждого из рассматриваемых альтернативных вариантов прокладки инженерных коммуникаций
Критерий Способ прокладки коммуникаций
Х1 Х2 Хз Х4 Х5
К1 ан а12 а1з а14 а15
К2 а21 а22 а2з а24 а25
Кз аз1 аз2 азз аз4 аз5
К4 а41 а42 а4з а44 а45
К5 а51 а52 а5з а54 а55
На основании этих расчетов построены матрицы Мь 1 = 1,5, попарного сравнения альтернатив по каждому из признаков К следующего вида:
ГК1
X 1 — — — —
а12 а13 а14 а15 ^ а12 ^ а12 а12 а12
М1
X! X2 Xз X4 X5
1 ал а^ а^ а^
а12 а13 а14 а15
а12 1 а12 а12 а12
а11 а13 а14 а15
^ а^ 1 а^ а^
а11 а12 а14 а15
а14 а14 а14 1 а14
а11 а12 а13 а15
а^ а^ а^ 1
а11 а12 а13 а14
^ "13 "13 2 13 "13
"14 "14 "14 ^ "14
"15 "15 "15 "15
Предполагается, что результаты попарного сравнения альтернатив по указанным критериям могут описываться отношением весов этих альтернатив.
Очевидно, что каждый из критериев К 1 = 1,5, имеет различную значимость при принятии решения. В реальной ситуации относительная важность заданных критериев описывается нечетким отношением типа «не менее важно» на множестве критериев. То есть элементы множества К
о
о
Ц
1
о
1
о
н
н
н
н
1
о
1
о
1
2
1
о
различны по важности, что позволяет ввести функцию а: К*К^[0; 1] - заданное нечеткое отношение важности критериев, где величина а(Кь К|) понимается как степень, с которой критерий К считается не менее важным, чем критерий Кр
На основании введенной функции а(К К^ матрица результатов попарного сравнения альтернатив друг с другом по важности (матрица отношений весов признаков) имеет следующий вид.
К =
К К К К К
К! К2 Кз К4 К
а,
а,
а,
а,
а,
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
1
где ау=а(Кь К^ и аij * а^ = 1.
На первом этапе решения задачи происходит упорядочение способов прокладки - восстановление относительной важности альтернатив по заданной матрице критериев К, то есть нахождение нормированного к 1 собственного вектора этой матрицы, соответствующего максимальному собственному числу, путем решения уравнений типа {К-Х,К*Е=0}.
Вектор ХК будет показывать относительную важность каждого признака по заданной матрице попарных сравнений. Аналогичным способом находятся относительные веса способа проходки по каждому признаку в отдельности.
Поскольку способ прокладки, обладающий меньшим весом, более предпочтительный, так как целевой функцией является минимизация оценочных критериев (затрат, срока работ, количества рабочих и т.д.), распределение весов способов прокладки для данной альтернативы можно использовать как функцию цели. То есть задача формулируется как выбор альтернатив с учетом пяти функций цели, причем коэффициенты относительной важности этих функций уже заданы.
В этом случае для решения задачи будет использоваться следующий прием: строится взвешенная сумма заданных функций цели с заданными коэффициентами важности и выбирается та альтернатива, которой соответствует наименьшее значение построенной взвеси. Информация в форме матрицы отношений весов альтернатив будет содержать в себе четкое описание отношения предпочтения на множестве альтернатив. Таким образом, для каждой ветви дерева решений будет выбран оптимальный способ бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций.
Апробация методов и внедрение результатов исследования проходили на базе проектов инженерного обеспечения застроек Московской области отдела проекта организации строительства компании ООО «Институт «Каналстройпроект».
Один из таких проектов - «Подающие водоводы для жилого района «Рублево-Архангельское» г. Красногорска Московской области». В данном проекте на определенных участках возникала необходимость прокладки водопроводной трубы в футляре диаметром Б=1000 мм в условиях плотной городской застройки и многочисленных зеленых насаждений. На первом этапе с помощью построенного дерева решений были выявлены три возможные альтернативы прокладки инженерной коммуникации: микротоннелирование (Х1), бу-рошнековая установка (Х2) и продавливание стального футляра (Х3). На втором этапе введены оценочные критерии: К1 - стоимость работ; К2 -длительность выполнения проекта; К3 - необходимое количество квалифицированных рабочих; К4 - габариты рабочего котлована; К5 - габариты приемного котлована (табл. 4).
Таблица 4
Значения множества оценочных критериев проекта
Способ прокладки коммуникаций
Критерий Х1 Х2 Хз
К1 2 500 000 руб. 1 500 000 руб. 900 000 руб.
К2 2,5 мес. 3,0 мес. 4,0 мес.
Кз 15 17 20
К4 6,5x5,5x6,0 м 5,5x5,0x6,0 4,5x4,5x6,0
К5 4,5x4,5x6,0 4,0x4,0x6,0 4,0x4,0x6,0
К1 К2 К3 К4 К5
К1 1 1/3 1 1/2 1/2
К2 3 1 3 3/2 3/2
Кз 1 1/3 1 1/2 1/2
К4 2 2/3 2 1 1
К5 2 2/3 2 1 1
Матрица результатов попарного сравнения альтернатив имеет следующий вид:
К =
В результате расчетов выявлено, что оптимальной для данного проекта является прокладка водопроводной сети методом микротоннелирова-ния со следующими показателями: стоимость выполнения проекта выбранным методом составляет 2 500 000 рублей; минимально необходимое количество рабочих - 15 человек; срок выполнения работ - 2,5 месяца.
Таким образом, в ходе проведенных исследований обоснованы методы выбора оптимального способа прокладки инженерных коммуникаций, в основе которых лежат методы дерева допустимых решений и нечеткого программирования. Решение поставленной задачи данными методами позволяет обосновать и выбрать способ прокладки инженерных коммуникаций на основе сформированного множества оценочных критериев.
Литература
1. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. М.: Наука, 1981. 208 с.
2. Картозия Б.А. [и др.]. Шахтное и подземное строительство: В 2-х т. М.: Мир горной книги, 2003. 815 с.
3. Бреннер В.А. [и др.]. Щитовые проходческие комплексы. М.: Мир горной книги, 2009. 447 с.
4. Бондаренко И.С., Баранникова И.В. Анализ факторов, влияющих на выбор технологии строительства коммуникационного тоннеля // Горный информ.-аналит. бюлл.: Вып. 10: Ин-
форматизация и управление-1. М.: Мир горной книги, 2008. С. 124-129.
5. Ишин А.В., Корчак А.А. Анализ факторов, влияющих на эколого-экономическую эффективность использования подземного пространства реконструируемых городских территорий // Горный информ.-аналит. бюлл.: Вып. 9. М.: Мир горной книги, 2009. С. 165-170.
УДК 519.688:539.3
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ПРОЧНОСТНЫХ РАСЧЕТОВ ДЛЯ ТЕЛ С ВКЛЮЧЕНИЯМИ
К.М. Зингерман, д.ф.-м.н.; О.А. Рябова
(Тверской государственный университет, Konstantin.Zingermar@£versu.ru, [email protected])
В статье представлен модифицированный программный комплекс «Наложение», предназначенный для расчета напряженно-деформированного состояния упругих и вязкоупругих тел, содержащих жесткие включения и отверстия, при конечных деформациях. Приведены примеры решения задач с использованием программного комплекса.
Ключевые слова: прочностные расчеты, нелинейные эффекты, аналитические вычисления на ЭВМ, жесткие включения, отверстия.
Громоздкие выкладки при приближенном решении плоских задач нелинейной упругости и вязкоупругости аналитическими методами обусловливают необходимость автоматизировать аналитические вычисления. Специализированные системы, в которых реализованы алгоритмы, учитывающие особенности класса задач, для решения которых эти системы предназначены, позволяют эффективнее использовать ресурсы ЭВМ и за счет этого решать более сложные задачи.
Программный комплекс «Наложение» предназначен для решения плоских задач теории многократного наложения больших упругих и вязкоуп-ругих деформаций для бесконечно протяженных тел с отверстиями различной формы и (или) круговыми включениями, возникающими последовательно или одновременно после предварительного нагружения [1, 2].
Задачи решаются методом малого параметра (методом последовательных приближений). Для задач образования одной полости или включения реализован метод Ньютона-Канторовича, применимый в более широком диапазоне деформаций. Линеаризованная задача для каждого приближения решается с использованием комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили. При решении задач вязкоупругости применяется преобразование Лапласа. Для случая нескольких полостей и включений при решении линеаризованной задачи используется итерационный алгоритм Шварца. Результаты расчетов могут представляться как в аналитической форме, так и в числовой - в виде таблиц и графиков.
Постановка задач и методы их решения, реализованные в программном комплексе «Наложение», а также результаты расчетов подробно изложены в монографиях [1, 2]. Модифицированная
версия программного комплекса, основанная на алгоритмах, представленных в [3-5], позволяет решать задачи для упругих и вязкоупругих тел, содержащих не только отверстия (в том числе и образованные после нагружения), но и жесткие включения, при конечных деформациях.
Аналитические преобразования реализованы в виде процедур-функций и объединены в модули для выполнения аналитических операций:
- над изображениями по Лапласу (линейная комбинация изображений, умножение, свертка),
- над функциями комплексных переменных специального вида (линейная комбинация функций, умножение, дифференцирование, интегрирование, подстановки специального вида); ориентирован на решение плоской задачи теории упругости методом Мусхелишвили, а также
- для выполнения операций над тензорами второго ранга, компонентами которых являются функции комплексных переменных, используемые в предыдущем модуле (линейная комбинация тензоров, умножение, транспонирование, применение набла-оператора).
Основной программой является Windows-приложение, созданное в среде Delphi.
В качестве исходных данных задаются тип материала (механические свойства), геометрия включений и отверстий, нагрузки на бесконечности и величина сжатия (растяжения) включений. Комплекс позволяет приближенно решать задачи для тел из нелинейно-упругих сжимаемых и несжимаемых материалов (Мурнагана, Муни, Черных) и несжимаемого вязкоупругого материала специального класса [1, 2] в случаях плоской деформации и плосконапряженного состояния. Предусмотрена возможность расчета как для одновременного, так и для последовательного образо-
