CC BY
18
ТЕХНОЛОГИЯ
И ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
УДК 691.327
НЕДАВНИЙ ОЛЕГ ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kirpich@mail. tomsknet. ru
БОГАТЫРЕВА МАРИЯ МИХАЙЛОВНА, аспирант, mar289@rambler. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
КУЗНЕЦОВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, ksm56@yandex. ru
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191 КАНДАУРОВА НИНА МИХАЙЛОВНА, канд. техн. наук, доцент, agd_tmm48@mail. ru
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет,
630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113
ПОВЫШЕНИЕ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ СТРОИТЕЛЬНЫМИ МАШИНАМИ
Предложена модель оценки организационно-технологической надежности производства работ строительными машинами, позволяющая определить эффективность работы комплексов, комплектов и отдельных машин на строительном объекте. Для повышения организационно-технологической надежности производства работ рекомендовано осуществлять подбор машин и их комплектов, а также выбор организационно-технологических решений с помощью методов многопараметрической оптимизации. Нахождение оптимального варианта производства сводится к целевой функции Z = f (X,).
Ключевые слова: строительные машины; производство работ; организационно-технологический риск; организационно-технологическая надежность; методы оптимизации.
OLEGI. NEDAVNII, DSc, Professor, kirpich@mail. tomsknet. ru
© О.И. Недавний, М.М. Богатырева, С.М. Кузнецов, Н.М. Кандаурова, 2013
MARIYA M. BOGATYREVA, Research Assistant, mar289@rambler. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
SERGEIM. KUZNETSOV, PhD, A/Professor,
ksm56@yandex. ru
Siberian Transport University,
191, Koval'chuk Str., 630049, Novosibirsk, Russia
NINA M. KANDAUROVA, PhD, A/Professor,
agd_tmm48@mail. ru
Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, 113, Leningradskaya Str., 630008, Novosibirsk, Russia
IMPROVEMENT OF ORGANIZATIONAL AND ENGINEERING RELIABILITY OF CONSTRUCTION MACHINERY
The paper suggests an evaluation model of organizational and engineering reliability of construction machinery allowing to determine the efficiency of systems, sets, and units at a construction site. To improve the organizational and engineering reliability of operation it is expedient to select machines and sets, and also make organizational and engineering decisions using the multiparametric optimization. The optimum production amounts to objective function Z = f (X).
Keywords: construction machinery; work; organizational and engineering risks; organizational and engineering reliability; optimization methods.
Существующая система оптимизации парков, комплексов и комплектов строительных машин не предусматривает оценку организационно-технологической надежности (ОТН) строительства. Под организационно-технологической надежностью понимается вероятность достижения проектных (рекомендуемых) параметров механизированного строительного производства. В основу разработки принципа ОТН заложен вероятностно-статистический подход. Детальное изучение специфики работы системы машин в строительном производстве, многообразных, многочисленных организационно-технологических отклонений и других дестабилизирующих производство факторов, приводящих к изменению параметров работы специализированных по видам работ комплектов машин, а также принципов взаимодействия этих факторов с имеющимися сбоями, позволяет рассчитать ОТН строительства.
Проведенный профессором А.А. Гусаковым и его учениками экспертный анализ показателя ОТН календарного плана строительства показывает, что наиболее рациональными значениями ОТН продолжительности производства работ являются значения в диапазоне от 0,5 до 0,7. Превышение этих значений, приближение ОТН к единице свидетельствует об избыточной надежности, т. е. перерасходе ресурсов, вкладываемых в обеспечение надежности строительства. Оценка ОТН дает возможность проанализировать сформированные календарные планы строительства объектов не только с точки
зрения качества организационно-технологических характеристик, но и с точки зрения надежности их достижения [1].
В работе [2] показано, что производительность комплекса (комплектов и отдельных машин) машин для строительства объектов должна соответствовать условию
Пк > Пт - гкП, (1)
где Пт - требуемая производительность комплекса машин; гК - риск комплекса машин по производительности. Если условие (1) выполняется, то комплекс машин рекомендуется к применению для строительства объекта и разрабатываются мероприятия по его эффективному использованию. Если условие (1) не выполняется, то Пт вычисляется по формуле
Пт = Пк + гп (2)
и полностью повторяется этап формирования комплекса. В результате будет сформирован комплекс с минимальным риском по производительности.
Для оценки организационно-технологической надежности строительных машин может быть использован любой показатель их работы (себестоимость производства работ, производительность, продолжительность работ, энергоемкость, стоимость единицы продукции, прибыль и т. д.).
Одним из основных факторов ОТН работы строительных машин является коэффициент использования их по времени K . В нормативных документах приводятся устаревшие данные по коэффициентам использования машин в течение рабочего времени. Указанные данные требуют обновления, т. к. строительные машины постоянно совершенствуются. Для оценки ОТН работы строительных машин создана база данных по результатам натурных испытаний бульдозеров при подготовке основания к работам нулевого цикла. Для включения выборки исследуемой случайной величины, полученной по результатам натурных испытаний, в базу данных она подвергается проверке на наличие грубых сбоев. Проверка проводится в два этапа. На первом этапе из выборки исключаются те значения, которые не относятся к нормируемому процессу и обнаружены наблюдателем. На втором этапе обосновывается необходимость исключения отдельных элементов выборки.
После формирования выборки анализируемого параметра x, например производительности комплекта машин, оцениваются выборочное среднее х и выборочное среднее квадратичное отклонение с . Далее проверяется статистическая гипотеза о том, что случайная величина х имеет усеченное нормальное распределение с параметрами х и с [6]. Известно, что плотность нормального распределения р( х) описывается следующей формулой:
(х-х )
2с2
е
Р( х) = ^ . (3)
? 2с2
е ёх
С помощью формулы (3) получим выражение для расчета организационно-технологического риска (в процентах) ОТР, т. е. вероятности того, что рассматриваемый комплект машин не достигнет требуемой производительно-
(x_x )2 _ (x_x )2
Хт z / да -
} 2п2 / f 2п2
ОТР = 100 J e dx J e dx. (4)
0 / 0
Организационно-технологическая надёжность достижения рассматриваемым комплектом производительности xx рассчитывается по формуле
ОТН = 100 _ ОТР. (5)
В результате обработки статистической информации (при ежемесячных данных по работе бульдозеров) с помощью программы Sample [5] получена информация, представленная в таблице.
Результаты обработки статистической информации по коэффициентам использования бульдозеров по времени
сти xx
Блоки данных Показатель Ежемесячный анализ Ежегодный анализ
Количество опытов, шт. 872 145
Количество параметров 2
Входные распределения
данные Уровень значимости 0,05
Фактор Коэффициент использования
Минимальное значение фактора 45,34 58,53
Максимальное значение фактора 84,30 73,87
Количество интервалов 11 8
Число степеней свободы 8 5
Выборочное среднее значение фактора 65,97 65,65
Выборочная дисперсия 50,29 10,07
Выходные Выборочное среднеквадратическое отклонение 7,09 3,16
Коэффициент вариации 0,107 0,048
данные Среднеквадратическое отклонение выборочного среднего значения фактора 0,240 0,263
Относительное отклонение выборочного среднего значения фактора, % 0,360 0,401
Эмпирическая статистика критерия Пирсона 7,89 1,36
Квантиль закона распределения
заданного уровня значимости и с за- 15,49 11,04
данным числом степеней свободы
Среднее значение коэффициента использования бульдозеров по времени К, %, составило 65,97 %, стандартное отклонение - 7,09 %, эмпирическая статистика критерия Пирсона Х™ равна 7,89, которая меньше табличного значения 15,49 для степени свободы 5 и доверительной вероятности 95 %. Отсюда следует, что случайная величина К распределена по усеченному нормальному закону с указанными выше параметрами. Плотность распределения р( К) и соответствующая гистограмма приведены на рис. 1, а.
а
к, %
б
Рис. 1. Плотность распределения р(К) и гистограмма коэффициента использования бульдозеров К, %:
а - при месячном анализе работы бульдозеров; б - при годичном анализе работы бульдозеров
Результаты обработки ежегодной статистической информации по коэффициенту использования бульдозеров К приведены в таблице. Среднее значение коэффициента К составило 65,65 %, стандартное отклонение - 3,16 %. Эмпирическая статистика критерия Пирсона равна 1,36, что меньше таблич-
ного значения 11,04 для степени свободы 8 и доверительной вероятности 95 %, следовательно, гипотеза о принадлежности распределения случайной величины К классу усеченных нормальных распределений подтверждается. Плотность распределения р( К) и гистограмма приведены на рис. 1, б.
Анализ работы бульдозеров показал, что среднее значение коэффициента их использования по времени в рассматриваемой организации составляет приблизительно 66 %, а относительное среднеквадратическое отклонение коэффициента использования по времени при ежемесячной и ежегодной отчетности составляет ±10,7 и ±4,7 % соответственно. На рис. 2 приведены данные по работе бульдозеров на базе тракторов Т-130.
с, 1
тыс. руб. 13 12 -11 -
10 - -г
9 -8 -
7
18,18 20,58 22,98 25,38 27,78 30,18 32,58
П, м /ч
ОТН, %100
~I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-118,18 20,58 22,98 25,38 27,78 30,18 32,58
П, м3/ч
Р 0,15 0,1 0,05
0
17,57 20,63 23,69 26,75 29,81 32,87 П, м3/ч
Рис. 2. Зависимости параметров производства работ способом гидромеханизации от производительности П при работе бульдозеров на базе тракторов Т-130 на устройстве первичного обвалования из грунтов второй категории: а - стоимость С ; б - организационно-технологическая надежность ОТН ; в -плотность распределения р
а
б
в
По данным рис. 2 можно по заданному значению ОТН определить производительность бульдозера и стоимость разработки с его применением 1000 м3 грунта. Например, из анализа рис. 2, б следует, что для ОТН = 60 % производительность бульдозера П = 25,7 м3/ч.
На практике часто возникает необходимость выбора и оценки организационно-технологических решений по нескольким частным критериям. Например, в качестве частных критериев при оптимизации проектных решений по производству строительных работ принято находить минимальные значения следующих параметров (показателей): продолжительности работ - Т, дни; удельных энергозатрат - Э, Вт-ч/м3; трудоемкости работ - Q, чел-см./м3; себестоимости работ - С, р./м3.
Нахождение оптимального варианта производства строительных работ можно свести к исследованию поведения некоторого единого показателя, называемого обобщенной целевой функцией 2 = f (Т, Э, Q, С). Могут быть предложены два способа задания обобщённой целевой функции.
Первый способ - комплексный. Для этого способа целевая функция представляет собой сумму произведений показателей Т, Э, Q, С на весовые множители аТ, аЭ, аС, ад . Необходимость введения ненулевых весовых множителей объясняется тем, что в реальных условиях одни из показателей могут выступать в качестве наиболее значимых, а другие - менее значимых. Для устранения влияния размерности значения показателей переводятся в безразмерную шкалу делением на соответствующие средние значения. Сказанное выше означает, что весовые множители аТ, аЭ, аС, ад характеризуют значимость того или иного показателя только в конкретной ситуации. На весовые множители аТ, аЭ, аС, ад накладываются следующие ограничения:
0 < аТ < 1; 0 < аЭ < 1; 0 < аС < 1; 0 < ад < 1; аТ + аЭ + аС + ад = 1. (6)
Формула для вычисления целевой функции 21(г) для указанного способа имеет вид
Т Э С О
2, (0 = аТ = + аЭ + аС + ап^-, (7)
Т т эсс п п
где Т, Э, С, О - средние значения частных параметров; Т.], Эi, Сi, О - значения анализируемых параметров для i -го комплекта машин и технологического решения. Отметим, что ни один из средних значений показателей
Т, Э, С, О не должен быть близким к нулю, иначе применение таких комплектов машин становится бессмысленным и появляется сомнение в достоверности результатов натурных испытаний, которые заложены в соответствующую базу данных.
Замечание. По опыту производства работ на объектах промышленного и гражданского строительства весовые коэффициенты частных параметров зачастую выбирают из условия аТ = аЭ = аС = ад. Указанный подход не все-
гда справедлив, на практике встречаются случаи, когда весовые множители варьируются в широком диапазоне в пределах ограничений (6).
Второй способ - одинаковый вклад показателей (см. замечание, приведенное выше). Для этого способа одним из возможных выражений для вычисления значения целевой функции Z2(/) является следующее:
( Г Г гл Рл о О 7Л
- (8)
Z 2« = 4
T -T + 3-Э + С1-С + Q -Q
ав
где сТ, сЭ, сС, ад - среднеквадратичные отклонения показателей T, Э, Q,C.
В формуле (8) отклонения значений показателей от соответствующих средних значений делятся на среднеквадратичные отклонения параметров, тем самым устраняется размерность показателей. Гипотетически возможен вариант, в котором выполняется одно из равенств ст « 0, сЭ « 0, с С « 0, Cq « 0 . В этом
случае соответствующий показатель (показатели) исключают из формулы (8) и далее работают с усеченной формулой.
Способы построения целевых функций для решения многопараметрической оптимизационной задачи по своей идеологической основе близки к способам, упомянутым в работе [3].
Все изложенное выше позволяет использовать алгоритмы многопараметрической оптимизации, основанные на выражениях (7) или (8), не только для оптимизации сложных технологических процессов, но и для выбора эффективных инвестиционных проектов. Для нахождения целевой функции при многопараметрической оптимизации авторами разработана программа Special. Она может быть использована в системе автоматизированного проектирования и в автономном режиме.
Оценка величины ОТН работы комплекса машин в целом является достаточно сложной задачей [3], т. к. комплекс строительных машин, применяемых при строительстве конкретного объекта, бывает достаточно индивидуальным. Комплекс машин может содержать несколько комплектов машин различного типа. Машины, входящие в комплект, как правило, связаны друг с другом, а рациональное их использование в интегральном процессе строительства предполагает совмещение операций. С этой точки зрения представляется наиболее целесообразным для оценки ОТН комплекса строительных машин применять методы имитационного моделирования, общие принципы которого изложены в работе [4].
Для повышения организационно-технологической надежности производства работ строительными машинами и комплексами необходимо применять методы многопараметрической оптимизации, что приведет к повышению эффективности строительных работ.
оТ
Библиографический список
1. Гусаков, А.А. Организационно-технологическая надёжность строительства / А.А. Гусаков, Н.И. Ильин. - М. : Стройиздат, 1984. - 169 с.
2. Исаков, А.Л. Оптимизация работы комплекса машин при строительстве объектов / А.Л. Исаков, К.С. Кузнецова, С.М. Кузнецов // Изв. вузов. Строительство. - 2012. -№ 1. - С. 52-57.
3. Головнев, С.Г. Технология зимнего бетонирования. Оптимизация параметров и выбор методов / С.Г. Головнев. - Челябинск : Изд-во ЮурГУ, 1999. - 156 с.
4. Абдуллаев, Г.И. Основные направления повышения надежности строительных процессов / Г.И. Абдуллаев // Инженерно-строительный журнал. - 2010. - №. 6 - С. 60-64.
5. Кузнецов, С.М. Системотехника ресурсосберегающей технологии строительства зданий и сооружений / С.М. Кузнецов // Изв. вузов. Строительство. - 2005. - № 3. - С. 110-117.
6. Оценка организационно-технологической надежности строительных машин при производстве бетонных работ / М.М. Титов, О.И. Недавний, С.М. Кузнецов, М.Ю. Серов // Вестник ТГАСУ. - 2013. - № 1. - С. 196-203.
References
1. Gusakov, A.A., Il'in, N.I. Organizatsionno-tekhnologicheskaya nadezhnost' stroitel'stva [Organizational and engineering reliability of construction]. Moscow: Stroyizdat, 1984. 169 p. (rus)
2. Isakov, A.L., Kuznetsova, K.S., Kuznetsov, S.M. Optimizatsiya raboty kompleksa mashin pri stroitel'stve ob"ektov [Optimization of machinery complex operation at project construction]. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2012. No. 1. Pp. 52-57. (rus)
3. Golovniov, S.G. Tekhnologiya zimnego betonirovaniya. Optimizatsiya parametrov i vybor metodov [Technology of winter concrete casting. Optimization of parameters and selection of methods]. Chelyabinsk: Izd. SUSU [South Ural State University Publishing House], 1999. 156 p. (rus)
4. Abdullaev, G.I. Osnovnye napravlenija povyshenija nadeznosti stroitel'nyh processov [Basic directions of increase reliability of construction processes]. Magazine of Civil Engineering, 2010. No. 6. Pp. 60-64. (rus)
5. Kuznetsov, S.M. Sistemotekhnika resursosberegayushchei tekhnologii stroitel'stva zdanii i sooruzhenii [Engineering resource-saving of technology for construction of buildings and structures]. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2005. No. 3. Pp. 110-117. (rus)
6. Titov, M.M., Nedavnii, O.I., Kuznetsov, S.M., Serov, M.Yu. Ocenka organizacionno-tehnologicheskoj nadezhnosti stroitel'nyh mashin pri proizvodstve betonnyh rabot [Estimation of organizational and engineering reliability of construction machinery at concrete works]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building, 2013 No. 1. Pp. 196-203. (rus)
