CC BY
62
УДК 624.21
УДК 658.012.1:624.01
Л. П. БОДНАР (ДерждорНД1 ím. М. П. Шульгина, Ки1в)
УПРАВЛ1ННЯ УТРИМАННЯМ ЕЛЕМЕНТ1В ЗАЛ1ЗОБЕТОННИХ МОСТ1В НА ОСНОВ1 МОДЕЛЕЙ НЕЧ1ТКО1 ЛОГ1КИ
Запропоновано уточнения оцшки експлуатацшного стану елеменпв зал1зобетонних moctíb i напрям об-грунтування piBrnB обслуговування moctíb на основi теори нечiтких множин i нечггко! лопки.
Предложено уточнение оценки эксплуатационного состояния элементов железобетонных мостов и направление обоснования уровней обслуживания мостов на основе теории нечетких множеств и нечеткой логики.
The refinement of estimation of operational state of the ferro-concrete bridge elements and the direction of substantiation of the bridge service levels on the basis of fuzzy set theory and fuzzy logic are offered.
В останш два десятирiччя в управлшш до-рожньою шфраструктурою в свт впроваджу-ються контракти життевого циклу на основi державно-приватного партнерства [1]. Згщно з умовами такого контракту, одна сторона - ви-конавець шфраструктурного проекту - за свш кошт i з використанням власних матерiалiв створюе iнфраструктурний об'ект, експлуатуе його на протязi розрахункового перiоду екс-плуатаци (життевого циклу), здiйснюючи ремонт i утримання, а шша сторона - держава або громада - сплачуе за рахунок бюджету вщпов> дний рiвень обслуговування об'екту. Стосовно мостiв - це тдтримка !х експлуатацiйного стану [2] на запланованому в контракт рiвнi. За-мовник може заморожувати платежi i наклада-ти штрафи на виконавця, якщо останнiй не забезпечуе запланованого експлуатацшного стану. Для управлшня ризиками експлуатацп виконавець повинен мати адекватш процесам деградаци елементiв мосив моделi, якi дозво-ляють обгрунтовувати так званi рiвнi обслуговування моспв - об'еми робiт з ремонту i утримання, вiдповiднi кожному експлуатацш-ному стану.
Сучасний стан наповнення баз даних шфо-рмацшного забезпечення, яке використовуеться для планування утримання залiзобетонних конструкцiй мостiв на автомобшьних дорогах Укра!ни, характеризуеться суттевою неповно-тою як в структурному, так i в кiлькiсному вщ-ношеннях, особливо, що стосуеться номенкла-тури i об'емiв пошкоджень елемешгв мостiв. В Аналiтичнiй експертнiй системi управлiння мостами (АЕСУМ) Державно! служби автомоб> льних дорiг Украши передбачено засоби фкса-цл в базi даних типiв пошкоджень елеменпв
споруд, що експлуатуються, та !х фактичних об'емiв згiдно [3], однак в повному обсязi вони не використовуються, що пов' язано з недостат-шм рiвнем фiнансування робiт з обстеження моспв.
З цих причин процедури оцiнювання екс-плуатацiйного стану елеменпв мостiв i мостiв в цшому в значнiй мiрi базуються на приблизних експертних оцiнках. Тому, в останш роки були розроблеш моделi оцiнки стану мостiв, якi гру-нтуються на теори нечiтких множин [4]. Однак, в них недостатньо розроблеш процедури ви-значення об'емiв робгг з ремонту та утримання моспв. Така ситуацiя потребуе розробки моделей обгрунтування рiвнiв утримання моспв в залежност вiд юнуючих фiнансових i ресурс-них обмежень.
Цшь статтi полягае в уточненш методу оцшки експлуатацшного стану елеменпв моспв i визначення об'емiв управляючих дш (ре-монтних робiт) на основi нечiтких алгоритмiв.
Рiвень обслуговування (утримання) моста -це плановий або фактичний рiвень експлуата-цiйного стану споруди або вах споруд на мереж! автомобшьних дор^, який визначаеться плановою або фактичною рiчною кiлькiстю ро-бiт з ремонта та утримання для лiквiдацii пошкоджень.
Перюди мiж втручаннями i об'еми робiт за-лежать вщ величини параметрiв пошкоджень: перiод збшьшуеться при послабленi вимог до допустимих розмiрiв пошкодження. Вартiсть робiт з усунення пошкодження мютить постш-ну складову витрат, що не залежить вiд його об'ему. Послаблення вимог у короткостроковш перспективi дозволяе зменшити вартiсть ремонту та утримання, однак у довгостроковш пер© Боднар Л. П., 2010
спективi може призвести до скорочення житте-вого циклу споруди i збшьшення И приведено! вартостi. Тобто юнуе задача оптимiзащ! рiвнiв втручання i рiвня обслуговування при техшч-них (надшшсть, безпека експлуатацп, збере-ження оточуючого середовища), архiтектурних, естетичних i бюджетних обмеженнях.
Для створення конструктивно! основи ви-значення рiвнiв втручання та вщповщних об'емiв робiт, а по^м !х вартостi i потреби в трудових i матерiально-технiчних ресуршв по-шкодження елементiв мостiв пропонуеться ха-рактеризувати двома параметрами [5]:
1. рiвнем серйозностi (або рiвнем уражен-ня) (РС) - загальною мiрою ступеню або «гли-бини» пошкодження, наприклад, ширини тр> щини. Зручна наступна градацiя: низький р> вень (Н), середнiй рiвень (С), високий рiвень (В);
2. рiвнем розповсюдження (РР) - мiрою площ^ довжини або iншого вимiру кшькосп пошкодження з даним рiвнем серйозносп, тобто, як далеко це пошкодження прогресувало.
Кожному експлуатацiйному стану елементу споруди вщповщають певнi штервали рiвня розповсюдження з рiзним рiвнем серйозностi. Параметри цих iнтервалiв визначають вид дiя-льностi (капiтальний, поточний ремонти або утримання), вид та об'еми робгг з усунення пошкодження, !х повторюванiсть у часi та вар-тiсть.
Границя допустимо! обласп значень пара-метрiв елементу може бути встановлена вихо-дячи з техшчних, економiчних або нечiтких лшгвютичних мiркувань:
• технiчнi мiркування зумовлюють такi значення параметрiв, за яких частково або по-внiстю порушуеться функцiональне призначен-ня елементу з точки зору безпеки експлуатацп самого елементу або безпеки i функщонально! спроможностi пов'язаних з ним систем;
• економiчнi мiркування зумовлюють таю граничш значення параметрiв, за яких сумарш економiчнi втрати всiе! системи вщ зниження функцiонально! спроможностi елементу i вiд необхiдностi перiодичного приведення параме-трiв стану в допустиму область шляхом вико-нання робгг будуть мiнiмальними;
• нечiткi лшгвютичш мiркування при об-rрунтуваннi допустимо! обласп вживають такi нечiткi фактори як сощальна, стратегiчна, пол> тична значимiсть, естетичнi вимоги тощо, яю не можуть бути точно зведеш до економiчних показникiв.
З позицш теорi! нечiтких множин [6], РС i РР можна визначити як лшгвютичш змшш -слова або вербальш вирази в натуральнiй або штучнш мовi: «рiвень серйозностi» - це лшгв> стична змiнна, а не числова, !! значення (тер-ми): низький, середнiй, високий; «рiвень розповсюдження» мае лiнгвiстичнi значення: 1, 2, 3, 4, 5 - вщповщно експлуатацшним станам елементу. Значення лшгвютично! змiнно! (терми) -це функщя належностi [6], яка з точки зору ощнки стану елементу споруди може бути фо-рмалiзована за допомогою неч^кого числа. Не-чiтке число - це неч^ка пiдмножина ушверса-льно! множини дiйсних чисел, якi мають нор-мальну i випуклу функщю належностi. Для не! iснуе таке значення ношя, у якому функщя на-лежностi дорiвнюе одиницi, i при вiдступi вiд свого максимуму вправо або влiво функцiя на-лежностi зменшуеться. Достатньо використо-вувати так зваш трапецiевиднi нечiткi числа або трикутш нечiткi числа [7]. Наприклад, структура опису змшно! «рiвень серйозностi» наведена в табл. 1. Подiбною таблицею можна описувати i рiвнi розповсюдження пошкоджень елементiв моспв.
Таблиця 1
Функцп належностi РС
Назва змшно! Код терму х1 х2 х3 х4
Н ан1 ан2 ан3 ан4
Пошкод- С ас1 ас2 ас3 ас4
ження 1
В ав1 ав2 ав3 ав4
Для визначення фактичного стану елементу необхщно розробити процедуру висновку, яка заснована на неч^кш логiцi [6, 7] i поеднуе значення термiв рiвня серйозностi i рiвня розповсюдження вшх пошкоджень елементу (аргумента) з кшцевим термом фактичного стану елементу i значенням на його носи (функщя). Неч^кий висновок займае центральне мюце в нечггкш логiцi i експертних системах, як побу-дованi на !! основа
Процес нечiткого висновку е процедура або алгоритм отримання нечiтких висновюв на ос-новi нечiтких передумов з використанням по-нятiйного апарату неч^ко! логiки.
Лiнгвiстичнi висловлювання становлять основу продуктивних систем, як були розроблеш в рамках дослщження методiв штучного ште-лекту. За допомогою правил продукци в експертних системах вщображуються знання в данш предметнiй областi. Основнi етапи нечггкого висновку за алгоритмом Мамдаш [7]:
• формування бази правил;
• фазифшащя вхщних змiнних;
• агрегування тдумов;
• активiзацiя пiдвисновкiв;
• акумулювання висновкiв;
• дефазифiкацiя.
База правил нечпких продукцiй являе собою кшцеву множину правил нечiтких продукцiй, узгоджених вщносно лiнгвiстичних змiнних, що використовуються в них. Правило може бути представлене у вигщщ структурованого тексту:
якщо РС = «низький» i РР = «низький», то СТАН = 1 (1).
У дужках наводиться стутнь ютинносп ви-словлювання.
Цшь етапу фазифiкацii - встановлення вщ-повiдностi мiж конкретними (числовими) зна-ченнями лiнгвiстичноi змшно! i значеннями функцii належностi цг (х) вiдповiдного терма лшгвютично! змiнноi, як показано на рис. 1.
/
низьк ий / середь ¡й / високий
1 1 \ /
-/ф) 1
1
■Мх) г V
/ к
/
/
/
/
/ \
О 1 2 3^4 5 Б 7 8 9 10
Ширина трщин, мм
Рис. 1. Схема фазифжацп
Агрегування - це визначення ступеню ю-тинносп умов за кожним правилом системи нечггкого висновку. До початку агрегування для вшх умов бази правил визначаеться вектор {цг}. Далi розглядаеться кожна з умов правил нечггкого висновку. У приклад^ наведеному на рис. 1, ц' = ц2 (х) . Якщо умова складаеться з
кшькох висловлювань, то в залежносп вщ виду зв'язку висловлювань кон'юнкцп «Ь> чи диз'юнкцii «або» застосовуеться операщя ц' = т1п (цг, ц],г ф у) аб° ц = тах (ц, ц],г ф у) .
Активiзацiя - це знаходження ступеню ю-тинносп кожного з висновкiв правил неч^ких продукцiй. Перед активiзацiею нам вщомий вектор агрегованих значень iстинностi за вшма умовами правил {цг'} i значення вагових коеф>
щенпв (г е(1,2,...,п)) для кожного правила.
Стутнь ютинносп правил грунтуеться на сис-темi прiоритезацii пошкоджень - логiчнiй про-гресii !х важливостi. Активiзацiя вважаеться закiнченою, коли для кожно! з вихщних лшгв> стичних змiнних, що входять в окремi висновки правил неч^ких продукцiй, будуть визначенi функцп належностi нечiтких множин !х значень.
Акумулящя являе собою процедуру знаходження функци належностi для кожно! вихщно! змiнноi. Це необхщно тому, що висновки, якi вщносяться до конкретноi лiнгвiстичноi змшно].', належать рiзним правилам системи неч№ кого висновку. Результат акумуляцii являе собою поеднання неч^ких множин, що вщпов> дають рiзним правилам висновку вихщно! змшно].', як показано на рис. 2.
1
0.8 0.6 0 4 0.2 0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Рис. 2. Акумульована функщя належносп вихвдно! лшгвютично! змшно!
Дефазифшащя в системах нечiткого висновку - це процедура знаходження звичайного (не нечпкого) значення для кожно! з вихщних лш-гвiстичних змшних. Цiль дефазифiкацii - у ви-значеннi конкретного значення, яке буде вико-ристане поза межами неч^ко! системи виснов-
ку. . . . .
1снують рiзнi методи дефазифiкацii [7]:
• метод центру ваги;
• метод центру площц
• метод лiвого модального значення;
• метод правого модального значення.
Для елеменпв моспв доцшьно використо-
вувати метод правого модального значення.
Реалiзацiя нечпко! моделi потребуе ство-рення класифшацшних таблиць виду табл. 1 для рiвнiв серйозностi i рiвнiв розповсюдження пошкоджень залiзобетонних елементiв моспв. Основою для цього може бути вщповщним чином модифшоваш база даних АЕСУМ i про-грамне забезпечення, якi дозволять поступово накопичити необхщш об'ективнi данi про сер-йознiсть i розповсюдження пошкоджень. При
обстеженш моспв обов'язково необхiдно фш-сувати iснуючi розмiри пошкоджень, iнакше таке обстеження буде формальним. 3i6paHa таким чином шформащя створить умови для роз-робки в подальшому моделей прогнозу стану i рейтингу елеменпв, якi можуть, на нашу думку, базуватись на апарат неч^ких нейронних мереж [7, 8], теорп можливостi i генетичних алгорштшв [9]. Крiм того, ця шформащя конче необхiдна для обгрунтування рiвнiв втручання - рiвня серйозносп та рiвня розповсюдження пошкоджень, як обумовлюють необхiднiсть обов'язкового виконання ремонтних робiт.
Уточнення фактичного експлуатацшного стану мостiв за допомогою запропоновано! мо-делi в процесi ix оглядiв або обстежень дасть основу для оцiнки якостi утримання моспв шд-рядною органiзацieю.
Висновки
1. Ощнка експлуатацiйного стану мостiв уточнена на основi застосування рiвнiв серйозносп та рiвнiв розповсюдження дефекта еле-ментiв мостiв за допомогою нечггко! моделi.
2. Для реалiзацiï моделi на практицi необ-хщне накопичення кiлькiсниx фактичних характеристик серйозносп та розповсюдження пошкоджень моста в базi даних АЕСУМ.
3. Рiвнi обслуговування мостiв можна об-грунтувати шляхом оптимiзацiï рiвнiв втручання на основi моделей прогнозу розвитку дефекта за допомогою математичного апарату нейронних мереж i генетичного алгоритму оптим> заци об'eмiв i порядку виконання ремонтних робгг.
4. База даних АЕСУМ, яка мютить даш про бшьш шж 16000 моспв на автомобшьних дорогах Украïни, може бути корисною для так званого штелектуального аналiзу даних (Data Mining).
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Черниговский, М. Контракты жизненного цикла: правовая природа и перспективы использования в рамках ГЧП-проектов в России [Текст] / М. Черниговский // Корпоративный юрист. - 2009. - № 5. - С. 14-18.
2. Настанова з ощнювання i прогнозування техш-чного стану автодорожшх моспв [Текст]: ДСТУ-Н Б.В.2.3-23:2009.
3. Споруди транспорту. Дефекти автодорожшх моспв. Класифшащя [Текст]: СОУ 45.200018112-026:2007.
4. Приходько, Т. О. Автоматизация прийняття рь шень при проектуванш стратеги експлуатацп автодорожшх моспв [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Т. О. Приходько. - К., 2007. -19 с.
5. Mn/DOT Distress Identification Manual. Office of Materials and Road Research Pavement Management Unit [Текст]. - Minnesota Department of Transportation, 2003. - 51 p.
6. Zadeh, L. A. Outline of a New Approach to the Analysis of Complex Systems and Decision Process [Текст]: В кн. Fuzzy Sets and Application. Selected Papers by L.A. Zadeh et al. - A Wiley-Interscience Publication John Wiley & Sons, New York, 1987. - P. 105-146.
7. Леоненков, А. В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH [Текст] / А. В. Леоненков. - СПб: БХВ Петербург, 2003. - 736 с.
8. Медведев, В. С. Нейронные сети. MATLAB 6 [Текст] / под общ. ред. В. Г. Потемкина. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2002. - 496 с.
9. Recommendation on systematic decision making process associated with maintenance and reconstruction of bridges. Strategic Target Research Project [Текст]. - ARCHES, 2009. - 174 p.
Надшшла до редколегн 16.03.2010. Прийнята до друку 24.03.2010.
