Решение методологической проблемы геоинформационного обеспечения многовариантного проектирования линейных сооружений

УДК 528.48:5.011 Л.Ю. Гладун, В.Ф. Ловягин СГГА, Новосибирск

РЕШЕНИЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МНОГОВАРИАНТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ

L.Y. Gladun, V.F. Lovyagin

Siberian State Academy of Geodesy, Novosibirsk

SOLUTION OF METHODOLOGICAL PROBLEM ON ENGINEERING SURVEYS DATAWARE FOR MULTIVARIANT DESIGNING OF LINEAR CONSTRUCTIONS

The authors put forward a variant of the vital problem solution. It is connected with engineering surveys dataware for multivariant designing of linear constructions by means of system-structural and object-oriented approaches to collecting, processing and interpretation of information on the conditions of the area to be developed.

Усиление динамических процессов в различных сферах Земли усложняет установление и оценку их взаимной связи с конструктивными параметрами проектируемого инженерного сооружения. Поэтому проблема оптимизации трасс в аспекте экономической эффективности проектируемого инженерного сооружения, оставаясь нерешенной, породила во второй половине XX в. множество разработок как у нас в стране, так и за рубежом. Характерным для всех известных работ является то, что эту проблему пытались решить в пределах одной процедуры: путем модернизации существующей технологии инженерных изысканий трасс с использованием традиционной методологической базы решения задачи оптимизации. Практически вес известные разработки (например, система Сгес1о или Тrassopti) ориентированы на решение проблем автоматизации сбора и обработки информации в рамках традиционной парадигмы инженерных изысканий трасс. Такой подход к решению проблемы оптимального проектирования не способствует разрешению противоречий традиционной технологии.

Если эффективность традиционных методов принятия решений построена в основном на интуиции и прошлом опыте специалиста-изыскателя [1], то теперь на передний план выдвинулась задача теоретического обоснования, планирования и моделирования программы эксперимента.

Таким образом, для предотвращения негативных явлений в использовании различных ресурсов при проектировании и строительстве необходимо осуществлять многовариантное моделирование и оптимизацию компоновочных решений по пространственному размещению проектируемого объекта на местности с оценкой вариантов по критерию минимизации затрат на его строительство. Решение поставленной проблемы

тесно связано с процессом познания закономерностей влияния свойств ПИОМ на экономическую эффективность нового строительства.

Математическое моделирование оптимизационных процессов в инженерном деле опирается, прежде всего на данные о строении, составе и физических свойствах как природных объектов, относящихся к геосферам Земли (литосфере, атмосфере, гидросфере и др.), так и объектов, относящихся к искусственной среде, созданной человеком. Геодезические и геолого-геофизические наблюдения свойств ПИОМ ведутся методами физической геодезии, космической геодезии, методами аэро-, фото- и космической съемки. Поэтому процесс сбора, обработки и интерпретации разнородных геодезических и геолого-геофизических наблюдений в теории систем рассматривается как динамическая ГИС, направленная на решение прикладных задач, в том числе проектирования инженерных сооружений [5]. Прикладные ГИС относятся к стационарным (не зависимым от параметра времени) системам и входят в структуру вышестоящей САПР определенного класса инженерных сооружений в качестве подсистем.

Методологическая основа решения рассматриваемой проблемы такова. Система геодезических, геофизических и других наблюдений, их обработки, интерпретации и принятия решений является системой с распределенными природными компонентами. Природными компонентами (объектами) являются как физическая поверхность Земли, так и геофизическая среда (литосфера, гидросфера, атмосфера и т. д.). Сложность системы с природными компонентами определяется сложностью проблемы, сложностью управления процессом разработки, сложностью обеспечения гибкости конечного информационного продукта и сложностью описания отдельных подсистем [2]. Эти характерные особенности сложных систем с природными компонентами обусловливают сложность решения проблемы оптимизационного проектирования технических систем, в частности ГИС-оптимизации трасс линейных инженерных сооружений. Из существующих методов, которые направлены на решение растущей сложности систем (метод структурного проектирования или метод организации потоков данных и т. д.), метод объектно-ориентированного проектирования (ООП) наиболее полно отвечает решению проблемы оптимизации трасс инженерных сооружений. Организованная таким образом система рассматривается как упорядоченная совокупность объектов на различных иерархических уровнях, которые в процессе взаимодействия друг с другом обеспечивают функционирование системы как единого целого. Поскольку проектирование осуществляется в пространстве регулируемых параметров системы X (х, у, г), то управление процессом заключается в многошаговом целенаправленном изменении состояния системы в некоторых дискретных точках этого пространства.

Поскольку необходимо исследовать местность на больших пространствах, структура ГИС-технологии пространственной оптимизации трасс представляется в виде иерархических уровней, определяющих последовательность процессов сбора, обработки и интерпретации

геодезических и геолого-геофизических данных о свойствах ПИОМ. Разделение на иерархические уровни технологического процесса осуществляется на основе методологии объектно-ориентированного подхода по критерию степени детализации информации о свойствах природных и искусственных объектов местности[4].

В теории сложных систем количество взаимозависимых подсистем и выбор низшего уровня формализации трактуется как произвольная задача и определяется разработчиком [6]. Анализ производственных материалов технологического процесса инженерных изысканий трасс позволил обосновать структуру этого геоинформационного процесса (гипотезу состояния исследуемого объекта), определив ее как геоинформационную трехуровневую иерархическую систему оптимизации трасс [2, 5].

На первом уровне моделирование системы целесообразно осуществлять по данным о свойствах ПИОМ, почерпнутых, в основном, из фондовых, справочных и других материалов исследования территории, где намечено строительство. Интерпретируя собранную информацию, построим экономико-цифровую модель местности (ЭЦММ) в пределах ОП. Поскольку информация, собираемая о районе, где намечено строительство, представляет собой множество сведений разной достоверности, процесс оптимизации трасс на первом иерархическом уровне ориентирован не на поиск собственно трассы, а на поиск неких «перспективных зон» (ПЗ), пространственное положение которых представляется множеством сравнительно узких полос внутри ОП. Оценка вариантов ПЗ осуществляется по экономическому критерию

min F (R), ReRD

RD={R|f(R)> 0, g(R)=0},

где F (R) - целевая функция или сумма капитальных затрат (R); RD -область ограничения значений параметра R.

Это выражение означает, что нужно найти минимум функции F (R) в пределах области RD пространства управляемых пространственных параметров заданной ограничениями типа неравенств f(R)> 0 и равенств

g(R)=o.

Второй уровень функционирования системы связан с оптимизацией параметров пространственной модели, сформированной уже на основе проведенной детализации информации о свойствах ПИОМ в пределах ПЗ. Уточненные данные о свойствах ПИОМ позволяют формировать в плоском пространстве ПЗ такую модель местности, которая способствует проведению процедуры генерации ограниченного множества вариантов «трассировочных полос»

Заметим, что процедура параметрической оптимизации ТП по линейному параметру на втором иерархическом уровне приводит к дальнейшей локализации пространства поиска оптимальной трассы по сравнению с ПЗ. Это обстоятельство создаст благоприятные предпосылки для реализации третьего уровня технологического процесса -формирования трехмерной ЦММ с соответствующей БД.

Целью третьего уровня геоинформационного технологического процесса является создание в пределах оптимальной ТП прикладной трехмерной ЦММ по данным топографической съемки и данным геолого -геофизических исследований местности. ЦММ позволяет в интерактивном режиме осуществлять проектирование множества альтернативных вариантов пространственного расположения на местности инженерного объекта. Например, вести по модели местности расстановку опор с использованием полных расчетных пролетов ВЛ, что ведет к оптимизации использования различных ресурсов при строительстве. Эта процедура является недоступной при традиционной технологии проектирования.

Результаты проведенных исследований существующего технологического процесса инженерных изысканий трасс на новой методологической основе системно-структурного и объектно-ориентированного подходов легли в основу разработки концепции геоинформационной системы оптимизации трасс инженерных сооружений по геодезическим и геолого-геофизическим данным о свойствах ПИОМ [1, 5]. Концепция направлена на оптимальное решение проблемы пояска в исходном пространстве ОП предельно узкой трассировочной полосы местности между начальной и конечной точками трассы с оптимальным сочетанием свойств ПИОМ (в аспекте минимизации влияния их на стоимость сооружения проектируемого объекта). Формирование в пределах ТП прикладной трехмерной ЦММ по геодезическим и геолого-геофизическим данным о свойствах ПИОМ создает условия для осуществления в интерактивном режиме (методами и средствами САПР проектирования инженерного объекта многовариантной компоновки с последующей оптимизацией решения по экономическому критерию. Концепция процесса оптимизации трасс направлена на преодоление противоречия традиционной технологии линейных инженерных изысканий путем реализации технологической формулы сбор ч обработка информации о местности—моделирование—оптимизация параметров трассы—разработка проекта—вынос трассы в натуру. При этом создаются условия организации управления технологическим процессом с полномерным использованием цепи обратной связи с непосредственной оценкой качества геодезических и геолого-геофизических работ в аспекте эффективной реализации проектируемого инженерного сооружения.

Таким образом, процесс инженерных изысканий трасс эволюционирует в направлении создания геоинформационной среды для решения задач многовариантного проектирования инженерных сооружений в автоматизированном режиме. При этом процесс сбора, обработки и

интерпретации информации о свойствах ПИОМ рассматривается как сложная, иерархически организованная геоинформационная система.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Левчук Г.П., Новак В.Е., Конусов В.Г. Прикладная геодезия. Основные методы и принципы инженерно-геодезических работ. - М.: Недра. - 1981. - 440 с.

2. Ловягин, В.Ф. Концептуальные положения моделирования ГИС-технологии процесса оптимизации трасс инженерных сооружений по данным геодезических и геолого-геофизических наблюдений // Изв. вузов «Геодезия и аэрофотосъемка». - 2005. -№ 2. - С. 27-41.

3. Диксон Дж. Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятие решений. М.: Мир, 1969. - 440 с.

4. Гарди Буч. Объектно-ориентированное проектирование с примером применения на С++. - М.: «Издательство Бином», СПб.: «Невский диалог», 1998. - 560 с.

5. Ловягин В.Ф. Альтернатива развития инженерных изысканий - структурная оптимизация технологического процесса // Геодезия и Картография. - 2006. - С. 30-35.

6. Ван Гиг. Дж. Прикладная общая теория систем: в 2 кн. / Дж. ван Гиг. - М.: Мир, 1981. - 734 с.

© Л.Ю. Гладун, В.Ф. Ловягин, 2008