Модели и алгоритмы анализа технологических решений при строительстве коммуникационных тоннелей

Актуальность работы. Процесс урбанизации является естественным элементом развития цивилизации. Однако начиная с середины 20-го века этот процесс развивается ускоренными темпами. За последние 50 лет на общем фоне увеличения численности населения Земли более чем в два раза (с 3 млрд. чел. в 1960 году до 7 млрд. в 2011) доля городского населения выросла с 33 до 51%, и эта тенденция, по оценкам социологов и демографов, будет сохраняться.

Высокие темпы реконструкции и строительства, которые наблюдаются в последние годы в Москве, обусловливают необходимость оперативного и качественного сооружения коммуникационных систем, обеспечивающих снабжение жилых и общественных зданий теплом, водой, электроэнергией и связью. Для таких крупных городов строительство коммуникационных сооружений — это одна из приоритетных задач. На сегодняшний день в городе расположено 8620 км водопроводов, 11 000 км трубопроводов теплоснабжения и горячей воды, 6377 км газопроводов и 6300 км коммуникационных линий другого назначения. Целевой программой по «Комплексному освоению подземного пространства» предполагается ввести в г. Москве в строй до 2020 года еще порядка 1500 км коммуникационных линий.

На практике строительство коммуникационного тоннеля — это сложный многоэтапный процесс, в котором участвуют представители городского заказчика или частного инвестора, проектные, изыскательские, строительные и контролирующие организации. Сегодня в ходе разработки проектов весьма активно используются современные информационные технологии. Проектировщики-профессионалы в своей работе опираются на геоинформационные системы, используют ЕИР-программы, а также специализированное ПО для осуществления проектно-технологических расчетов. Однако комплексный характер этих проектов, наличие сложных взаимосвязей с объектами инфраструктуры, воздействие на ход реализации строительства множества факторов, которые трудно учесть заранее, приводят к тому, что в реальности базовые параметры проекта, изначально заданные на этапе формирования ТЗ, могут существенно отличаться от итоговых. Кроме того, при выборе вариантов проектных решений заказчики, как правило, ориентируются на такие критерии, как стоимость проекта и сроки его реализации, не учитывая при этом различные риски, которые могут возникнуть при выборе той или иной технологии, а также при недостаточном учете особенностей среды, в которой реализуется строительный проект.

Сложность проблемы выбора способов, методов построения технологических схем, расчета проходческих циклов и в целом всего, что входит в понятие технология строительства подземных сооружений, делает это направление интересным для ученых и специалистов из разных областей.

Анализ научных исследований показал высокую степень изученности этого направления, значимость и качество полученных результатов, но вместе с тем большинство задач технологии строительства подземных объектов решаются изолированно одна от другой. Кроме того, ранее не рассматривалась возможность оценки проектных решений строительства коммуникационного тоннеля на начальных этапах проектирования.

Значительный вклад в теорию и практику принятия решений, ситуационное управление с использованием теории нечетких множеств и нейронных сетей при управлении сложными (в том числе строительными) проектами внесли такие ученые, как Амосов Н. М., Бурков В. Н., Беллман Р., Берг А. И., Галушкин А. И., Кауфман JI. JL, Кофман А., Ларичев О. И., Орловский С. А., Поспелов Д. А., Сотников А. Н., Трахтенгерц Э. А., Ульянов C.B., Федунец Н. И., Ягер P.P. и др.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что данное направление исследования является актуальным. Задача оценки конструктивно-технологических решений строительства коммуникационного 6 тоннеля на основе анализа взаимовлияния параметров технологии и факторов внешней среды на начальных этапах проектирования продиктовано требованиями сегодняшнего дня.

Цель исследования заключается в повышении качества строительства КТ за счет принятия эффективных управленческих решений на основе создания моделей и алгоритмов оценки риска на начальных этапах проектирования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ и классификация способов строительства коммуникационных тоннелей. Формулирование основных проблем, возникающих в процессе управления строительными проектами в условиях мегаполисов.

2. Построение структурной модели формирования проектного решения.

3. Формализация описания горно-геологических, технологических и внешних (городская среда) условий, определяющих специфические особенности реализации проектов строительства коммуникационных тоннелей (СКТ).

4. Разработка методики оценки интегральных показателей на основе фактической и экспертной информации.

5. Разработка алгоритма сравнительного анализа сценариев технологических решений для выбора наиболее надежного варианта прокладки коммуникационных тоннелей на ранней стадии реализации проекта.

6. Разработка модели прогнозирования возможных значений интегральных показателей, учитывающих особенности условий стройплощадки и используемых технологий строительства.

7. Разработка модели оценки влияния неопределенностей реализации СКТ на интегральные показатели проекта.

8. Разработка функциональной структуры инструментального средства информационной поддержки заказчика при принятии стратегических решений по реализации проекта.

9. Апробация методики выбора сценариев технологических решений при реализации конкретного проекта на территории г. Москвы.

Идея работы состоит в анализе и формализации взаимного влияния факторов внешней среды, технологий и конструктивно-технологических решений и разработке на этой основе моделей и алгоритмов оценки интегральных показателей строительных проектов.

Методы исследования включают статистический анализ, теорию принятия решений на основе экспертных оценок, аппарат нечетких множеств, нейросетевой инструмент.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Разработана структурная модель проектного решения, построенная на основе системного анализа и формализации горно-геологических, технологических и внешних условий строительной площадки, позволяющая обеспечить возможность сравнительной оценки интегральных показателей проектов.

2. Разработана методика оценки важнейших показателей проекта (сроки реализации, стоимость, безопасность), основанная на интеграции экспертных знаний и фактических сведений о ранее реализованных проектах.

3. Разработана модель возможных расхождений плановых и фактических значений интегральных показателей, использующая аппарат искусственных нейронных сетей и опирающаяся на фактическую и экспертную информацию.

4. Разработана модель оценки риска нарушения плановых значений интегральных показателей проектов, отличающаяся применением механизмов нечеткого логического вывода.

5. Разработан алгоритм сравнительной оценки надежности проектных вариантов на основе экспертной и фактической информации, впервые позволяющий прогнозировать отклонения интегральных показателей на ранних этапах разработки.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются результатами анализа представительного объема фактической информации по ранее реализованным проектам, в том числе: обобщением отечественных и зарубежных исследований в области сооружения городских коммуникационных тоннелейзначительным объемом информации, полученной от экспертовспециалистов в сфере городского подземного строительствакорректным применением современных научных методов в области принятия решений, включая статистический анализ, теорию нечетких множеств, нейронные технологиирезультатом тестирования программного инструмента сравнительной оценки интегральных показателей реальных проектных решений.

Научная значимость диссертации состоит в разработке новой методики, позволяющей решить задачу выбора лучшего варианта проектного решения в условиях неопределенности. В структуру методики входят нечеткие модели и алгоритмы, которые обеспечивают обработку больших массивов информации, формируют значимость факторов внешней среды (организационных, горно-геологических, факторов стройплощадки), конструктивных и технологических параметров проекта и позволяют выявить основные взаимосвязи и взаимозависимости между ними, которые, в отличие от существующих, позволяют произвести оценки интегральных показателей проекта уже на первых этапах формирования проекта.

Практическая значимость работы состоит в том, что использование разработанной методики, алгоритмов и внедренного программного инструмента сравнительной оценки интегральных показателей проекта позволяет уже на начальных этапах разработки проекта оценить и выбрать тот вариант технологического решения, который обеспечивает повышение эффективности и безопасности строительства КТ.

Реализация и внедрение результатов. ИПС «Оценка надежности интегральных показателей проекта СКТ» разрабатывается для использования ОАО «Московская Инженерно-Строительная Компания», ОАО «Мосинжпроект» (г.Москва).

Разработанные математические модели, основанные на методе нечеткой логики и методе построения базы нечетких правил, используются в учебном процессе для подготовки специалистов, бакалавров и магистров по направлению 2 300 100 — «Информатика и вычислительная техника» на кафедре «Автоматизированные системы управления» МГГУ, включены в разделы дисциплин «Современные технологии разработки интеллектуальных АС», «Формальные системы», «Методы оптимизации», «Нечеткие интеллектуальные системы».

Апробация работы. Основные результаты диссертации и ее отдельные положения докладывались на Международных конференциях «Неделя горняка» (г. Москва, 2007;2012 гг.) и научных семинарах кафедры АСУ МГГУ (г. Москва, 2007; 2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 научных работ (в том числе 6 работ — в ведущих рецензируемых изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературысодержит 20 таблиц, 31 рисунок и список использованной литературы из 98 наименований.

Выводы по главе:

1. Проведен анализ существующих программных продуктов для реализации разработанных моделей и алгоритмов.

2. Проведено экспериментальное исследование модели и алгоритма на контрольном примере проектирования и строительства коллекторного тоннеля.

3. Разработана структура инструментально-программного средства поддержки принятия решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе представлено теоретическое и практическое решение актуальной научной задачи разработки моделей и алгоритмов оценки конструктивно-технологических решений строительства коммуникационного тоннеля на основе анализа взаимовлияния параметров технологии и факторов внешней среды на начальных этапах проектирования.

Основные научные и практические выводы, полученные автором в ходе выполнения работы:

1. Разработана информационно-структурная модель многоэтапного процесса формирования проектного решения строительства коммуникационных тоннелей, которая впервые позволяет обосновать возможность изменения интегральных показателей вариантов проекта строительства КТ в ходе процесса его разработки.

2. На основе экспертного анализа осуществлена формализация понятия «проект», позволяющая проводить сравнительный анализ вариантов проектных решений на предпроектном этапе.

3. Разработана методика оперативного сравнения вариантов проектных решений с позиций надежности реализации проекта и минимизации возможных отклонений фактических интегральных показателей от плановых.

4. Разработан механизм прогноза фактических значений интегральных показателей, который предполагает использование фактической экспериментальной или экспертной информации.

5. Разработан алгоритм построения классификации правил, ориентированный на обработку больших объемов информации (представленных в форме таблиц), содержащих как экспериментальную, так и экспертную информацию.

6. Разработан алгоритм построения нечетких баз правил, с помощью которых оценивается возможность влияния и степень влияния факторов неопределенности на интегральные показатели.

7. Разработана функциональная структура инструментального средства информационной поддержки заказчика при принятии стратегических решений по реализации проекта.