Автоматизація прийняття рішень при проектуванні стратегії експлуатації автодорожніх мостів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 658.012.1:624.01

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

АВТОМАТИЗАЦІЯ ПРИЙНЯТТЯ РІШЕНЬ ПРИ ПРОЕКТУВАННІ СТРАТЕГІЇ ЕКСПЛУАТАЦІЇ АВТОДОРОЖНІХ МОСТІВ

Спеціальність 05.13.12 - системи автоматизації проектувальних робіт

ПРИХОДЬКО ТЕТЯНА ОЛЕКСАНДРІВНА

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Лантух-Лященко Альберт Іванович, доктор технічних наук, професор, Національний транспортний університет, професор кафедри "Мости і тунелі".

Офіційні опоненти:

Городецький Олександр Сергійович, доктор технічних наук, професор, Державний науково-дослідний інститут автоматизованих систем у будівництві (ДНДІАСБ) заступник директора;

Святний Володимир Андрійович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри ЕОМ Донецького національного технічного університету.

Провідна установа: Національний технічний університет "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти i науки України.

Захист відбудеться "15"_лютого_2007р. о 13-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.01 в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України за адресою: 03680, Київ-680, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, Київ-680, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий "12" січня_2007р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.056.01 к.т.н., доцент С.В. Цюцюра.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток і інтеграція економічної системи України в світові та європейські структури, вимагає нових підходів в експлуатації транспортних споруд. Проблема є край нагальною в силу незадовільного технічного стану транспортних споруд. Так на дорогах державного значення експлуатується близько 63 % мостів, вік яких перевищує 30 років. Зростає кількість мостів, що потребують ремонту. Сьогодні незадовільний технічний стан мостів є серйозною загрозою нормальному функціонуванню дорожньої мережі, джерелом техногенної небезпеки. Експлуатація мостів таким чином, як це відбувається сьогодні, призводить до зменшення строку їх служби, зниження надійності, підвищенню ризиків.

Проблема експлуатації мостів розглядається в державі, як соціально-економічна, що потребує суттєвих науково-технічних заходів. Рішенням Міжвідомчої комісії з питань науково-технологічної безпеки при Раді національної безпеки і оборони України від 14 лютого 2002 р. та Дорученням Президента України від 17 квітня 2002 р відповідним відомствам і державним адміністраціям було поставлене завдання: "Опрацювати заходи щодо вдосконалення системи експлуатації та технічних обстежень мостів".

Методичною основою експлуатаційної системи мають стати новітні наукові розробки автоматизованої оцінки і прогнозу технічного стану автодорожніх мостів, що знаходяться в експлуатації. Особливу наукову і практичну цінність, в умовах обмеженого фінансування ремонту і реконструкції транспортних споруд, мають розробки з адекватного планування розподілу асигнувань.

Викладене обґрунтовує актуальність, економічну і соціальну вагомість наукових засад, що відкривають шлях до створення автоматизованих систем прийняття рішень при проектуванні стратегії експлуатації автодорожніх мостів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження проведені в рамках держбюджетної теми "Розвиток і удосконалення теорії і методів експлуатації транспортних споруд" кафедри "Мости і тунелі" Національного транспортного університету і науково-дослідних робіт, які виконувалися на замовлення Державної служби автомобільних доріг України: "Оцінка технічного стану автодорожніх мостів, що експлуатуються" (держ. реєстраційний №0102U003934) і "Розробка методики оцінки надійності і довговічності мостів і визначення залишкового експлуатаційного ресурсу" (держ. реєстраційний №0202U000005). Впровадження виконано в науково-дослідній роботі "Розробка галузевої аналітичної системи управління мостами" (держ. реєстраційний №0104U002985), яка виконується інститутом ДерждорНДІ ім. М.П. Шульгiна згідно плану науково-дослідних і конструкторських робіт Державної служби автомобільних доріг України.

Мета роботи і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці теоретичних засад, моделей і засобів автоматизації оцінки і прогнозу технічного стану мостів.

Для досягнення мети дослідження були вирішені наступні задачі:

· виконано аналіз існуючих методів представлення і обробки якісної інформації оцінки технічного стану споруд;

· розроблені моделі і алгоритми оцінки технічного стану і прогнозу ресурсу мостів та їх елементів в умовах неповної інформації та недостатньої визначеності;

· розроблено математичну модель бази знань системи експлуатації мостів, яка містить правила нечіткого виводу та лінгвістичний опис об'єктів експлуатації;

· розроблена інформаційна модель прийняття рішень стосовно стратегії експлуатації мостів;

· розроблена модель багатокритеріального пошуку раціональних проектних рішень стратегії експлуатації мостів.

Об'єкт дослідження - методи оцінки і прогнозу технічного стану автодорожніх мостів та прийняття проектних рішень в багатокритеріальному середовищі.

Предмет дослідження - математичні моделі і алгоритми автоматизації оцінки і прогнозу технічного стану мостів та їх елементів, моделі і алгоритми підтримки прийняття проектних рішень проектування стратегії експлуатації мостів.

Методи дослідження. В рамках дисертаційної роботи використані методи системного аналізу для виявлення чинників, які впливають на ухвалення рішення стосовно технічного стану об'єкту і проектних рішень про подальшу його експлуатацію; методи розробки експертних систем і методи штучного інтелекту, у тому числі теорії нечітких множин - для ефективного подання і обробки знань, теорії ухвалення рішень в багатокритеріальному середовищі в умовах невизначеності - для розробки методу пошуку оптимальних проектних рішень.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

Вперше розроблені:

· теоретичні засади автоматизованої оцінки і прогнозу технічного стану автодорожніх мостів, що ґрунтуються на теорії нечітких множин;

· математична модель бази знань САПР автоматизованої оцінки технічного стану автодорожніх мостів;

· модель евристичного, в нечіткій постановці, пошуку допустимих стратегій експлуатації автодорожніх мостів в системах автоматизованого проектування.

Подальший розвиток отримав метод багатокритеріального вибору раціональних проектних рішень в нечіткому середовищі, який базується на принципі максиміна Вальда.

Практична цінність отриманих результатів полягає в наступному:

· запропоновано моделі і алгоритми автоматизованої оцінки технічного стану і прогнозу залишкового ресурсу мостів і їх елементів в умовах неповної інформації, які складають ядро експертної системи підтримки прийняття проектних рішень стосовно стратегії експлуатації мостів;

· виконано узагальнення нормативної оцінки технічного стану споруди, яка дозволяє здійснити оцінку технічного стану як елементів, так і споруди в цілому на основі єдиного показника - надійності, що є результатом застосування нечітких множин;

· запропонована і впроваджена до складу Автоматизованої експертної системи управління мостами (АЕСУМ) моделі і алгоритми прийняття проектних рішень та база знань, яка містить правила нечіткого виводу та лінгвістичний опис дефектів елементів мостів.

Особистий внесок здобувача. Всі результати отримані автором самостійно. Виконано системний аналіз і формалізація чинників, що впливають на оцінку і прогноз технічного стану елементів автодорожніх мостів. Розроблені:

· моделі і методи автоматизованої оцінки і прогнозу в САПР технічного стану автодорожніх мостів;

· математична модель бази знань автоматизованої оцінки і прогнозу технічного стану автодорожніх мостів, що ґрунтується на лінгвістичному описі дефектів споруди;

· модель евристичного пошуку допустимих проектних рішень стратегії експлуатації мостів;

· метод та алгоритм багатокритеріального вибору в нечіткому середовищі раціональних проектних рішень, стосовно стратегії експлуатації мостів.

Достовірність результатів дослідження підтверджується:

· коректним застосуванням в розроблених моделях САПР автодорожніх мостів принципів системного аналізу і теорії нечітких множин;

· тестуванням розроблених моделей прийняття рішень в системах проектування, яке проведене за допомогою математичного пакету MATLAB;

· збігом результатів системи прийняття рішень з оцінками експертів.

Апробація роботи. Основні наукові результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на науково-практичному семінарі "Діагностика технічного стану автодорожніх мостів", ДерждорНДІ ім. М.П. Шульгіна, Київ, березень 2004р; Українському міжгалузевому науково-практичному семінарі "Сучасні проблеми проектування, будівництва, та експлуатації споруд на шляхах сполучення", Київ, 2004р.; Науково-практичному семінарі Державної служби автомобільних доріг України, м. Житомир. листопад 2004 р; Ювілейної науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету, м. Київ, червень 2004р.; семінарі кафедр інформаційних технологій та приладної математики Київського національного університету будівництва і архітектури, червень 2005 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 робіт, всі в наукових виданнях ВАК України, всі роботи підготовлені автором особисто.

Структура і об'єм роботи. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літературних джерел (143 найменування) і чотирьох додатків. Робота викладена на 174 сторінках машинописного тексту (з них 136 сторінок основного тексту) і містить 40 малюнків, 29 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальності теми, окреслено об'єкт і предмет дослідження, дано опис основних наукових результатів, наведено їх новизна, достовірність, практична цінність, відомості про впровадження, апробацію і структуру роботи.

У першому розділі виконаний огляд і аналіз досліджень з автоматизації прийняття проектних рішень в системах управління автодорожніми мостами. Більшість систем управління мостами (BMS - Bridge Management Systems) об'єднує в собі функції збору і аналізу інформації, діагностики стану споруд, економічного планування і прогнозу залишкового ресурсу мостів. Обґрунтовано, що оскільки задача прийняття рішення щодо технічного стану мостів і їх елементів вимагає обробки великої кількості різнорідної інформації (як кількісної, так і якісної), має сенс залучення сучасних методів штучного інтелекту. Аналіз засобів штучного інтелекту дозволив зробити висновок, що кращим математичним апаратом для роботи з лінгвістичним експертним знанням є теорія нечітких множин.

Виконаний огляд моделей оцінки технічного стану і прогнозу залишкового ресурсу автодорожніх мостів і їх елементів.

Розглянута сучасна нормативна методика оцінки технічного стану мостів, яка здійснюється на двох рівнях. Рівень 1 - визначення технічного стану окремих елементів моста. Показником технічного стану на цьому рівні є надійність елемента в процесі експлуатації. Життєвий цикл елемента від початку експлуатації до капітального ремонту або реконструкції тут розбито на 5 дискретних станів, згідно з прийнятою кривою деградації. Рівень 2 - експертна оцінка технічного стану моста в цілому. Кількісним показником технічного стану моста є формалізована експертна оцінка.

В другому розділі Проаналізовано характер моделі: система автоматизації ухвалення рішень про технічний стан і прогноз залишкового ресурсу мостів і їх елементів є динамічною стохастичною системою з дискретним часом переходів (діагностика здійснюється в задані моменти часу) і безперервно-дискретною множиною станів. Це означає, що деградація споруди відбувається безперервно, але при цьому можна виділити обмежену кількість дискретних станів, розподілених по всьому терміну служби моста. Саме ці дискретні стани фіксує користувач як результат процесу ухвалення рішення по технічний стан.

Згідно нормативної методики і відповідно системному принципу агрегації модель автоматизації структурно і функціонально розбита на дві частини.

1. Модель автоматизованої оцінки технічного стану і прогнозу залишкового ресурсу елементів моста.

2. Модель автоматизованої оцінки технічного стану і прогнозу залишкового ресурсу моста в цілому. В розділі 2 розроблена перша з моделей.

Об'єкт розглядається як система конструктивних елементів: мостове полотно, прогонові будови, опори, опорні частини, фундаменти, регуляційні споруди і підмостове русло. Виконана формалізація параметрів стану елементів моста в термінах нечіткої логіки. Приклад опису (скорочений) параметрів стану залізобетонних плит сталезалізобетонних мостів (далі з/б плит) наведений в Таблиці 1.

Таблиця 1. Лінгвістичні змінні параметрів стану з/б плит

№	Параметр стану	Лінгвістична змінна	Змінна	Універс. множина	Визначення термів
Залізобетонних плит сталезалізобетонних мостів
1	Тріщини	Причина	Pl1	01	Від усадки/ від зростання тимчасових навантажень/ через порушення об'єднання із сталевими балками і неякісне ущільнення бетону в окремих збірних плитах (u/vn/naro)
2		Місцеполо-ження	Pl2	01	В зонах відокремлених моментів над опорами нерозрізних сталезалізобетонних мостів/ в зонах розміщення упорів (zm/zu)
3		Кількість	Pl3	01	Окремі тріщини; сітки тріщин (otd/set)
4		Розкриття	Pl4	00,5 мм	Мале (до 0,2мм), велике.(>0,3мм) (m/b)

Модель автоматизованої оцінки технічного стану і прогнозу залишкового ресурсу елементів моста (рис. 1). Виконується оцінка технічного стану L елементів моста, кожний з яких має M параметрів, m [1...M], тоді - m-й дефект l-го елементу l [1...L]у момент часу t, t [1...Т], Т-нормативний ресурс елемента, _- вектор розрахункових параметрів ймовірності (характеристика безпеки, вантажопідйомність); - вектор, що характеризує такі чинники впливу на термін експлуатації елементів, як умови експлуатації ("нормальні", "задовільні", "незадовільні"), тип матеріалу елементу, екологічні умови, режим руху транспорту та ін.: - поточний вік елементів; - вектор надійності елементів в інтервальному вигляді. - (внутрішня змінна моделі оцінки технічного стану) нечітка множина "надійність елементів", i [1..N]- індекс базових елементів моста, які підрозділяються на піделементи кількістю L.

Вихідні змінні моделі: - вектор дискретних станів елементів; - вектор значень інтенсивності відмов елементів; - характеристика безпеки; - залишковий термін служби елементів.

Порядок роботи моделі. Вхідними параметрами є множина дефектів (параметрів стану), що отримується в результаті обстеження елементів моста та вектори і . Означені параметри подаються на вхід моделі у вигляді лінгвістичних змінних - саме таку форму оцінки найбільш часто використовують експерти для оцінки технічного стану елементів споруд. Кількість правил співпадає із кількістю змінних дискретних станів. Нижче, як приклад, наведено два правила, отримані для параметрів стану з табл.1.:

Правило 1: ЯКЩО "Окремі вибоїни і раковини" І "Дрібні тріщини, розкриттям до 2мм" І "без огоління арматури" І "без слідів іржі" І "показник Ph води=11" ТО "Дискретний стан ж/б плити - 1".

Правило 5: ЯКЩО "Сітка тріщин в зонах розміщення упорів" І "Причина - порушення об'єднання із сталевими балками і неякісне ущільнення бетону в окремих збірних плитах" І "показник Ph води=7" ТО "Дискретний стан ж/б плити - 5".

Правила отримано автором шляхом формалізації експертних висновків, і є основою для формування нечітких баз знань (табл.2), які, у свою чергу, є базою для системи нечітких логічних рівнянь (2).

Таблиця 2. База знань (скорочена) автоматизованого визначення дискретного стану з/б плит

З/б плити стале-з/б мостів
Параметр стану (нечітка множина)	Pl1	nzn	u	nzn	vn	naro
	Pl2	-	-	-	zm	zu
	Pl3	otd	set	-	set	set
	Pl4	m	m	m	b	b
	…
	Pl10	11	10	9	8	7
	Pl11	Norm	Norm	r	r	nk
	DS_Pl	1	2	3	4	5
	Дискретний стан сталезалізобетонної плити

Нечіткі логічні рівняння, тобто математична модель, яка зв'язує функції належності параметрів стану елементів з їх дискретними станами, мають такий вигляд:

(2)

Значення дискретного стану елемента знаходиться розв'язком рівняння нечіткого логічного висновку (3).

, (3)

де - нечітка множина дискретних станів елементів; - число термів (дискретних станів) множини , k=5. (Бази знань описують 5 дискретних станів, так само, як і таблиці експертних висновків. Але система автоматизації ухвалення рішень завдяки нечіткій логіці формує безперервну функцію деградації); - число вхідних змінних Pl_l, n=11;

- функція приналежності l-го вхідного значення параметра стану z-му терму змінної Pl_l, z [2,5]. - символи логічного множення і складання відповідно. Логічну структуру нечіткого висновку відображає дерево нечіткого висновку підсистеми (рис. 2).

Математично рішення про технічний стан моста формується на базі оцінок стану окремих елементів. Так, наприклад, - функція приналежності дискретного стану мостового полотна множині дискретних станів, обчислюється по формулі: автоматизація проектне ресурс міст

(4)

У формулі (4) та на рис. 2. D^p_mp-стан покриття (5); D^g_mp-гідроізоляції (6);

D^v_mp-водовідводу (7); D^t_rmp-тротуарів (8); D^p_omp-підвищеної огорожі (9); D^b_omp-бар'єрної огорожі (10); D^d_smp-деформаційних швів (11); D^s_mp-сполучення і поперечних подовжніх профілів (12). D_mp - стан мостового полотна.

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Рис. 2. Дерево логічного висновку для визначення дискретного стану окремих елементів і моста в цілому (фрагмент).

В рівняннях (5-12) Px, Gx,Vx і.т.д. - нечіткі множини параметрів стану покриття, гідроізоляції, водовідводу відповідно, i_p, i_g,i_v - індекси цих множин, , , - функції приналежності змінних ,,,термам нечітких множин ,, відповідно.

Модель автоматизації прогнозу залишкового ресурсу елементів моста є типовою для кожного елемента. Вона визначає інтенсивність відмов елемента () та його залишковий термін служби (t_ост) (рис. 3).

Теоретичною базою моделі автоматизації прогнозу залишкового ресурсу служить імовірнісна модель деградації. Згідно цієї моделі для елемента, який знаходиться в k-му дискретному стані, надійність P_tⁱ i-го елемента визначається рівнянням:

(13)

В нечіткої моделі P_tⁱ [P_t^imin; P_t^imax]; вихідні змінні визначаються шляхом математичного моделювання рівняння (13).

Рис. 3. Структурна схема моделі автоматизації прогнозу залишкового ресурсу елементів мостів.

Алгоритм автоматизації визначення залишкового ресурсу елемента.

Крок 1. Визначення [_min; _max].

Маємо надійність (P_tⁱ) та час (tⁱ) з попередньої моделі. Модель лінійно збільшує значення до тих пір, поки не зрівняються права та ліва частини рівняння (13). У цей момент фіксується .

Крок 2. Визначення [t'_ост^min;t'_ост^max]= t'_ост.

Знайдений інтервал [_min;_max]подається на вхід Математичної моделі визначення [t_ост^min;t_ост^max], t_ост визначається як

t_ост^min=f(Pt_{0.956 max})-tⁱ

t_ост^max=f(Pt_{0.956 min})-tⁱ

за формулою (13) - [t_ост^min, t_ост^max]T. (Pt0,956, коли елемент знаходиться в стані 5).

Крок 3. Уточнення t'_ост t_ост [t_ост^min;t_ост^max]проводиться шляхом врахування факторів впливу .

В третьому розділі розроблена модель автоматизованої оцінки технічного стану моста. Основою для неї послужила діюча в Україні методика експертної експлуатаційної оцінки мостів. Відповідно цій методиці експлуатаційний стан моста визначають п'ятьма експертними оцінками - безрозмірними коефіцієнтами стану:

K_1E - показник технічного стану елементів моста; K_2E - оцінка вантажопідйомності окремих елементів і моста в цілому; K_3E - показник оцінки пропуску води під спорудою; K_4E - показник умов руху транспорту по мосту; K_5E - показник ситуаційної оцінки.

На відміну від теоретичної методики, де коефіцієнти K_2E K_5E - розрахункові значення, тоді як показник K_1E знаходиться емпіричним шляхом, в роботі пропонується визначати показник технічного стану за результатами, отриманими нечіткою моделлю автоматизованої оцінки технічного стану елементів моста (14).

Надійність споруди в цілому:

(14)

де i= [1..N], N - число базових елементів моста;

- константи, [0.3;0.9]коефіцієнти ваги дефектності елементів.

Переваги запропонованого підходу в тому, що він дозволяє привести технічну оцінку моста і його елементів до єдиного показника - надійності (рис. 4).

Рис. 4. Функціональна схема моделі автоматизованої оцінки технічного стану і залишкового ресурсу моста.

Автоматизована оцінка залишкового ресурсу споруди в цілому виконується за тими ж принципами, що і оцінка залишкового ресурсу елементів (розділ 2).

Прийняття рішень про технічний стан мостів виконується нечітким логічним аналізатором згідно за правилами з бази знань (табл 3).

Таблиця 3. Нечітка база знань для визначення дискретного стану моста в автоматизованій експертній системі ухвалення рішень

Коефіцієнти	Номер і назва дискретного стану
	1 Справний	2 Обмежено справний	3 Працездатний	4 Обмежено працездатний	5 Непрацездатний
К 2Е	V_i	V_oi	V_r	V_or	V_nr
К 3Е	PV_i	PV_oi	PV_r	PV_or	PV_nr
К 4Е	T_i	T_oi	T_r	T_or	T_nr
К 5Е	S_i	S_oi	S_r	S_or	S_nr
Дискретний стан	1	2	3	4	5

Експлуатаційні коефіцієнти стану К _2ЕК _5Е розраховуються згідно нормативної методики, і трансформуються в нечіткий вид (рис. 5).

Нечіткий логічний висновок здійснюється згідно системі рівнянь (15), яка ізоморфна стовпцям табл. 3.

(15)

Узагальнюючи систему рівнянь (15), отримуємо:

. (16)

Рис. 5. Функції належностей термів нечіткої множини "Шкала експертних оцінок" для коефіцієнта К _2Е.

Загальна кількість параметрів моделі технічної оцінки складає 197 (128 правил і 356 лінгвістичних термів). Загальна кількість параметрів моделі прогнозу складає 16 (5 правил і 26 лінгвістичних термів).

Запропоновано методику оцінки адекватності експертної системи шляхом обчислення середньоквадратичного відхилення y_m - вихідної функції побудованої моделі від y_k - вихідної функції концептуальної моделі при відомому значенні , t [0;130](17).

(17)

Методика сприяє настройці функцій приналежностей експертної системи (рис. 7) отже, отриманню результату діагностики максимально наближеному до результату, якого потребує концептуальна модель. На рис. 7 t_mod - модельний час.

Рис. 7. Крива деградації русла до і після настройки.

В четвертому розділі створена математична модель об'єкту "міст" виражена сукупністю відносин, які відображують його структуру і параметри стану, представлені набором лінгвістичних змінних. Характеристичне єство "Лінгвістична змінна" математично представлено системою (18).

Размещено на http://www.allbest.ru/

, (18)

де - -та лінгвістична змінна (ЛЗ) стану i-го елемента моста - число ЛЗ i=1..7, - (її атрибути) ім'я, нечітка змінна, і її універсальна множина, - j-тий терм -тої ЛЗ;- ім'я і область визначення термів лінгвістичної змінної; j=1..Z - число термів ЛЗ. Наприклад, змінна стану "тріщина" елемента "залізобетонна плита сталезалізобетонних мостів" описується лінгвістичними змінними "Кількість" (=<" Окремі- od" [0;0,5], "сітки тріщин - set" [0,5;1]>), "Розкриття, мм" (=<" мале -m", [0;0,2], "велике-В" [0,2;0,5]>), тощо.

Розроблені інфологічна і даталогічна моделі бази знань.

Розроблені правила евристичного пошуку припустимих проектних рішень, основна ідея яких міститься в наступному:

Кожне проектне рішення з V_П={v_g}, містить множину кортежів , де g, S_g, t_остg, - номер стратегії, її вартість і залишковий ресурс споруди та характеристика безпеки при даній стратегії відповідно;

- нові значення надійності і залишкового ресурсу споруди після застосування g-тої стратегії; i - елемент; - номер стратегії для i-го елемента, ge={1,2}; - залишковий ресурс i-го елемента; - надійність i-го елемента;

={(()}

- нечітка множина категорій експлуатаційних заходів, що визначає проектне рішення для i-го елемента залежно від його надійності;

- орієнтовна вартість вибраного експлуатаційного заходу i-го елемента;

- нові значення надійності і залишкового терміну експлуатації елементу після інвестування сум .

Захід по експлуатації для кожного елемента формується згідно розробленому алгоритму евристичного пошуку припустимих проектних рішень:

1. За результатами роботи моделей оцінки технічного стану і прогнозу залишкового ресурсу елементів формуються характеристичні множини для елементів моста .

2. Категорія експлуатаційних мір визначається як імплікація: стан елементузахід по експлуатації: .

Для цього введені наступні евристичні правила:

; ; (19)

;

- j-тий терм множини припустимих рішень ("Вести нагляд", "потоковий ремонт", "середні ремонти", "вибірковій капремонт", "безперервний нагляд, капремонт"), j={1,5}.

Таким чином, формується одне або два рішення для кожного елементу: .

Орієнтовні вартості визначених стратегій:

,}

вводяться користувачем (або розраховуються окремим модулем, який потребує залучення нормативної бази актуальних розцінок в будівництві).

3. Дискретний стан кожного елементу (надійність) для кожної стратегії після ремонту визначається залежністю (20)

(20)

Моделлю визначення технічного стану моста перераховується надійність моста

з урахуванням нових значень надійностей елементів (розділ 3), а моделлю прогнозу залишкового ресурсу -

моста.

4. Виконується розрахунок коштів, необхідних для виконання кожної стратегії по мосту в цілому:

,

где - вартість робіт для i -го елемента стратегії з номером ge.

5. Формується множина проектних рішень, яка містить комплекс мір по експлуатації споруди

V_П={v_g}=<g,S_g,t_остg {<i,_i^gе>}>

перебором усіх варіантів проектних рішень для N елементів (21),

g{1,ge*i}, (n=ge*i).

Для кожного елемента може бути сформовано одне або два проектних рішення (в спірному випадку). Тоді для моста в цілому число проектних рішень належить інтервалу [1;2*i] варіантів.

(21)

Розроблено модель багатокритеріального вибору раціональних проектних рішень, сформульовану на основі модифікованого принципу Вальда.

Аналіз оптимальності проектного рішення здійснюється за двома критеріями: вартості SgSmin і залишковому терміну експлуатації споруди t_остimах g - ої стратегії. Алгоритм здійснюється за наступними кроками:

1. Формується множина оптимальних рішень по кожному з критеріїв. Для цього на множині припустимих варіантів вибираються значення

Smax=max(Sg); Smin=min(Sg); t_остmax=max(t_остg); t_остmin=min(t_остg)_.

2. На області припустимих рішень будуються функції приналежності критеріїв множині оптимальних рішень:

(22)

(23)

де S_min, S_max - мінімальне і максимальне значення вартості стратегій v_g;

(t_ост)_min, (t_ост)_max - мінімальне і максимальне значення залишкового ресурсу стратегій v_i;

x [Smin, Smax ](S-образна функція приналежності),

у [(t_ост)_min, (t_ост)_max] (Z-образна функція приналежності),

а,b [0;1]- коефіцієнти, що дозволяють варіювати строгістю критеріїв.

3. На множині припустимих рішень формується множина раціональних проектних рішень згідно k- му критерію:

(24)

де - порогові значення функцій приналежності >0.5. Зміна порогових коефіцієнтів користувачем також дозволяють варіювати строгість відбору і задаються на нечіткій множині "Пороговий коефіцієнт". Чим більше [0;1], тим більш строгий відбір.

Новизна розробленого способу полягає в:

- можливості зведення показників якості проектного рішення (цільових функцій), різних по своїй фізичній природі і характеру екстремумів до єдиного уявлення у вигляді значень функцій приналежності кожного проектного рішення множині "Раціональних рішень" по кожному з критеріїв;

- можливості варіювання строгістю критеріїв шляхом зміни коефіцієнтів а, b і .

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі розроблені моделі і алгоритми автоматизації підтримки прийняття проектних рішень про оцінку технічного стану і прогнозу залишкового ресурсу автодорожніх мостів і їх елементів. В роботі отримані наступні наукові і практичні результати:

1. Проведено аналіз традиційного процесу проектування стратегії експлуатації автодорожніх мостів та обґрунтовано доцільність залучення теорії нечітких множин для автоматизації цього процесу;

2. Виконано формалізацію даних, які не мають загальноприйнятих числових вимірників, для застосування в експертній системі (ЕС) автоматизованого прийняття рішень;

3. Розроблені моделі та методи автоматизованої оцінки технічного стану і прогнозу залишкового ресурсу мостів та підтримки прийняття проектних рішень стосовно стратегії експлуатації мостів;

4. Сформульовані математичні правила нечіткого виводу для обробки нечітких даних;

5. Розроблена математична модель бази знань САПР стратегії експлуатації мостів, що ґрунтується на лінгвістичному описі технічного стану моста та його елементів;

6. Запропоновано узагальнення нормативної оцінки технічного стану споруди, яке дозволяє виконати оцінку технічного стану як елементів, так і споруди в цілому на основі єдиного показника - надійності, що є результатом застосування нечітких множин в САПР;

7. Розроблена нова модель евристичного пошуку припустимих проектних рішень, яка полягає у введенні евристичного правила вибору в нечіткій постановці, що дозволяє спростити і скоротити процедуру пошуку;

8. Запропоновано модель багатокритеріального вибору в нечіткому середовищі раціональних проектних рішень стосовно стратегії експлуатації мостів, яка базується на принципі максиміна Вальда;

9. Запропоновано методику оцінки адекватності автоматизованої ЕС її концептуальної моделі. Проведено настройку та тестування ЕС за допомогою математичного пакету MatLab;

10. Впроваджені до складу галузевої Аналітичної експертної системи управління мостами, що розроблялась інститутом ДерждорНДІ ім. М.П. Шульгіна на замовлення Державної служби автомобільних доріг України, моделі, алгоритми підтримки прийняття рішень, база знань САПР стратегії експлуатації мостів, які автоматизують операції оцінки технічного стану і прогнозу залишкового ресурсу автодорожніх мостів та їх елементів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Приходько Т.А. Представление нечеткой информации // Сборник трудов факультета вычислительной техники и информатики. Випуск 1. ДонГТУ. - Донецк, 1996. С. 111-117.

2. Приходько Т.А. Система моделирования и диагностики строительных конструкций с элементами искусственного интеллекта // Сборник научных трудов ДонГТУ. Випуск 2. Донецк 1999. С. 300-303.

3. Приходько Т.А. Модель автоматичної класифікації технічного стану елементів мостів.// Зб. "Автомобільні дороги і дорожнє будівництво", № 66, Київ, 2003. С. 236-242.

4. Приходько Т.А. Модель автоматизации прогноза остаточного ресурса элементов металлических мостов на основе нечеткой логики. // Международнsй научный журнал Металлические конструкции, том 6, №1, Макеевка, 2003.С. 43-47.

5. Приходько Т.А. Автоматизация принятия решений относительно технического состояния мостов // Сб. "Діагностика, довговічність та реконструкція мостів", Львів. Каменяр.2004. С. 118-123.

6. Приходько Т.А. Оценка технического состояния элементов в рамках автоматизированной системи управления мостами. // Зб. "Автомобільні дороги і дорожнє будівництво", № 69, Київ, 2004. С. 205-210.

7. Приходько Т.А. Поддержка принятия решений в аналитической экспертной системе управления мостами. // Зб. "Автомобільні дороги і дорожнє будівництво", № 72, Київ, 2004. 210-216.

8. Приходько Т.А. Применение методов искусственного интеллекта для экспертной оценки технического состояния мостов. // Вісник Донбаської державної академії будівництва та архітектури. Збірник наукових праць. Вип. 2005-1(49), Макіївка,2005, С. 96-100.

9. Приходько Т.А. Комплексние средства автоматизации в САПР применительно к системе эксплуатации автодорожних мостов. Зб. "Дороги і мости", Вип.6, Київ, 2006г. С. 77-83.

АНОТАЦІЯ

Приходько Т.О. Автоматизація прийняття рішень при проектуванні стратегії експлуатації автодорожніх мостів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 - системи автоматизації проектувальних робіт, - Національний транспортний університет, Київ, 2007.

Новими науковими результатами є: комплекс моделей і алгоритмів автоматизованої оцінки технічного стану і прогнозу залишкового ресурсу мостів і їх елементів в умовах неповної інформації, які складають ядро експертної системи (ЕС) підтримки прийняття проектних рішень про стратегію експлуатації мостів; математична модель бази знань САПР стратегії експлуатації мостів; модифікація нормативної оцінки технічного стану споруди; правила евристичного пошуку допустимих проектних рішень нечіткій постановці, новий метод багатокритеріального вибору раціональних проектних рішень в нечіткому середовищі, заснований на методі максиміна Вальда.

Проведене тестування показало достатню збіжність результатів роботи експертної системі з результатами, отриманими від експертів.

Ключові слова: автоматизація прийняття рішень, стратегія експлуатації мостів, залишковий ресурс, моделі оцінки технічного стану і прогнозу ресурсу мостів, нечіткі множини, нечітка база знань.

АННОТАЦИЯ

Приходько Т.А. Автоматизация принятия решений при проектировании стратегии эксплуатации автодорожных мостов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 - системы автоматизированного проектирования, - Национальный транспортный Университет, Киев, 2007.

В диссертационной работе разработана совокупность математических моделей, алгоритмов, и инженерных методик, которая обеспечивает автоматизацию технической оценки и прогноза остаточного ресурса мостов и их элементов, а также автоматизированное принятие решений относительно мер по эксплуатации автодорожных мостов.

В работе проанализирована структура объекта диагностики и инженерные методы принятия решений о его техническом состоянии. Формализованы переменные состояния, описывающие дефекты элементов объекта и параметры окружающей среды. Разработана продукционная экспертная система, основными составляющими которой являются база знаний и дерево нечеткого вывода. Для учета множества разнородных параметров, комплексно характеризующих состояния и сооружения, и принятия решения в условиях неопределенности предложено использовать операции с нечеткими множествами.

Проведенное тестирование моделей оценки показало высокую сходимость результатов работы экспертной системы с экспериментальными данными.

Новыми научными результатами диссертации являются: комплекс моделей и алгоритмов автоматизированной оценки технического состояния и прогноза остаточного ресурса мостов и их элементов в условиях неполной информации, которые составляют ядро экспертной системы поддержки принятия проектных решений о стратегии эксплуатации мостов; математическая модель базы знаний САПР стратегии эксплуатации мостов; модификация нормативной оценки технического состояния сооружения; правила эвристического поиска допустимых проектных решений; метод многокритериального выбора рациональных проектных решений в нечеткой среде, основанный на методе максимина Вальда.

Практическая ценность работы заключается в разработке эффективных моделей и методов автоматизации принятия решения о техническом состоянии мостов и их элементов, и автоматизированного формирования комплекса эксплуатационных мероприятий. В состав Автоматизированной экспертной системы управления мостами (АЭСУМ), разработанной в ГосдорНИИ им. М.П. Шульгина, внедрены модели и алгоритмы оценки и прогноза остаточного ресурса мостов и структура базы знаний, позволяющая хранить лингвистическое описание дефектов.

Ключевые слова: автоматизация принятия решений, стратегия эксплуатации мостов, остаточный ресурс, модель оценки техничного состояния и прогноза ресурса мостов, нечеткие множества, нечеткая база знаний.

ANNOTATION

Prihodko T.A. Automation of decision-making at highway bridges strategy exploitation planning. - Manuscript.

The dissertation for the scientific degree of Candidate of Technical Sciences on specialty 05.13.12 - Systems for Computer-Aided Design. National Transport University, Kiev, 2007.

The conducted testing of models showed high convergence of the ES results with experimental results, have been obtained from experts.

New scientific results of dissertation are: models and algorithms for automated estimation of the bridge's and their elements' technical state and their residual resource forecasting in the conditions of incomplete information. This complex makes the kernel decision-making system for bridges' exploitation strategy design; mathematical model of knowledge base for bridges exploitation CAD system; modification of normative estimation of the technical state of road-transport bridges; heuristic search rules of feasible project solutions, which basis consists heuristic rule of choice in the uncertain environment; new way of multicriteria problem solving, that provides the rational project decisions choice, and based on the maksmin Vald's strategy.

The practical significance of work consists in development of decision-making automation effective models and methods, which provide technical state of bridges and their elements estimation, and the complex of maintenance measures automated design. This models and algorithms have inculcated as the complements of the Computer-Aided Expert Bridge Management System.

Keywords: automation of decision-making, exploitation strategy planning, residual resource, models of bridges technical state and their residual resource analysis and prediction fuzzy set, fuzzy model of knowledge base.

Размещено на Allbest.ru