Современное методологическое обеспечение ресурсосберегающей технологии оптимизации трасс инженерных сооружений по геодезическим данным

УДК 528.48: 65.11 В.Ф. Ловягин СГГ А, Новосибирск

СОВРЕМЕННОЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАСС ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПО ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ

Решения задач исследования и проектирования сложных технических систем (инженерных сооружений) взаимосвязаны. Очевидно, решения тех и других задач должны иметь общую методологическую основу исследования сложных систем, включающую системно-структурный, объектноориентированный и другие подходы [1]. Поэтому данная статья включает подходы к решению проблемы инженерных изысканий и проектирования сложных инженерных сооружений, в частности, сооружений линейного типа (линий электропередачи и связи, нефте- и газопроводов, авто - и железных дорог и т. п.) на иной методологической основе.

Процесс проектирования представляется в виде иерархической системы. В её подсистемах (уровнях и блоках) присутствуют такие основные операции, как изобретательство, инженерный анализ, оптимизация и принятие решений.

Одной из основных задач инженерной геодезии является создание геодезических построений для обеспечения проектирования, строительства и эксплуатации промышленных инженерных сооружений. При этом в единой системе координат должны быть определены на земной поверхности или вынесены в натуру положения точек и направления осей в соответствии с пространственной или пространственно-временной структурой инженерного сооружения.

Традиционно при инженерных изысканиях и проектировании трасс сооружений линейного типа большая роль в определении оптимального пространственного положения сооружения принадлежит геодезистам. Результаты геодезических работ в значительной степени предопределяют эффективность проектных работ, строительства и эксплуатации будущего сооружения.

Приходится констатировать, что в традиционной технологии инженерных изысканий и проектирования указанного типа инженерных сооружений имеет место противоречивая ситуация, когда трасса выносится в натуру до процесса определения мест установки опор линий электропередачи (ВЛ) или площадок нефтеперекачивающих станций в нефтепроводах. Это искусственно ограничивает область проектирования, так как не позволяет рассматривать всё многообразие возможных проектных вариантов, что, в конечном счете, ведет к неоправданному расходу различных ресурсов, т. е. к неоптимальному решению задачи. Причиной тому является раздельная, т. е. не системная, организация производственного процесса, осуществляющего технологическую формулу «сбор, обработка информации о местности -камеральная разработка трассы - вынос в натуру оси сооружения -проектирование». Цена такого разделения труда между процессами

инженерных изысканий и проектированием, в частности, в электросетевом строительстве приводит, по некоторым источникам, к омертвлению капитала до 15% от общих капитальных затрат.

Таким образом, для предотвращения негативных явлений в использовании различных ресурсов при проектировании и строительстве, актуальной является проблема осуществления многовариантного моделирования и оптимизации компоновочных решений по размещению проектируемого объекта на местности по критерию минимизации затрат на его строительство.

Традиционная технология слишком упрощена и, вследствие этого, не оптимальна для условий непрерывно возрастающей сложности искусственной среды, и если эффективность традиционных методов размещения на местности проектируемого объекта в основном зависит от интуиции и прошлого опыта проектировщика, то теперь картина резко изменилась [2]: «на передний план выдвинулась задача теоретического обоснования и планирования, моделирования программы эксперимента, начиная от формулировки задачи и кончая процедурой интерпретации ожидаемых опытных данных». Наступившая эра геоинформационных технологий позволяет эффективно влиять на процесс принятия решения путем оперативного создания аналоговых, электронных и цифровых карт местности в нужном месте и в нужный момент и удобном для потребителя масштабе.

Соответствие геоинформационных технологий современным требованиям автоматизированного проектирования (АП) заключается в том, что создаваемая геоинформационная среда позволяет в интерактивном режиме проектировать в вариантах компоновку элементов будущего сооружения и осуществлять их привязку к местности, где намечено строительство, т. е. позволяет вести многовариантное проектирование в пределах пространства управляемых параметров.

Такая концепция проектирования инженерных сооружений линейного типа связана с реализацией формулы «сбор, обработка и интерпретация информации о среде - проектирование - оптимизация решений - вынос трассы в натуру». Это вызывает принципиальное разделение технологических потоков в традиционных производственных процессах собственно проектирования и инженерных изысканий с эффективным качественным изменением существа задач указанных процессов.

В качестве методологической основы решения рассматриваемой комплексной проблемы ряда технических наук, в которых большую роль играет геодезия, принимаем следующие концептуальные положения.

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 (гидросфера, атмосфера, гравитационное поле и т. п.). Сложность системы с природными компонентами определяется сложностью проблемы; сложностью управления процессом разработки; сложностью

обеспечения гибкости конечного информационного продукта и сложностью описания отдельных подсистем. Характерные особенности сложных систем с природными компонентами обусловливают большую сложность решения проблемы оптимизационного проектирования технических систем, в частности, трасс линейных инженерных сооружений.

При проектировании трасс инженерных сооружений, очевидно, необходимо предусмотреть влияние на такие сооружения геодинамических процессов как локальных, так и региональных. В связи с этим математические модели проектируемых трасс и геолого-геофизической среды, а также систем разнородных комплексных наблюдений и их обработки рационально строить в пространстве состояний [2]. Из существующих методов, которые направлены на решение растущей сложности систем (метод структурного проектирования или метод организации потоков данных и т. д.) метод объектноориентированного проектирования (ООП) наиболее полно отвечает решению проблемы оптимизации трасс инженерных сооружений [2]. В основе объектно-ориентированного подхода лежит представление о том, что сложные системы необходимо проектировать как совокупность взаимодействующих друг с другом объектов, рассматривая каждый объект как экземпляр определенного класса, причем классы при этом образуют иерархию. Проектирование объектно-ориентированной системы (ООС) предполагает эволюционный путь развития системы на базе небольших подсистем. Создание такой модели ООС, которая основывается на объектах (объектах окружающей среды), принадлежащих проблемной области, и сформулировано как результат применения объектно-ориентированной декомпозиции. От того, насколько правильно будет разделена ООС на подсистемы, зависит эффективность отладки (настройки) каждой из этих систем и в какой степени конечный продукт функционирования системы будет свободен от ошибок. Таким образом, ООС рассматривается как упорядоченная совокупность объектов на различных иерархических уровнях, которые в процессе взаимодействия друг с другом обеспечивают функционирование системы как единого целого.

Методологической базой ООП является системно-структурный подход (ССП). В ССП главными понятиями являются «система и структура», «система и модель», рассматриваемые как парные категории. Выделяя оперативно-целевой аспект ССП, система имеет быть определена как некоторый фрагмент объективной реальности, выполненный исследователем для достижения определенной цели, при этом выделяемый фрагмент является объектом системы, т. е. учитывается структурно-функциональный аспект системы. ССП включает в себя субъективный элемент - человека. Таким образом, «вход» ССП к решению системных задач включает в себя и субъективный фактор, связанный с так называемым целеполаганием (например, с уяснением цели оптимального проектирования трассы конкретного линейного сооружения. Но результат на «выходе» ССП основывается на трех объективных методах теоретических исследований, математического моделирования и экспериментальных исследований.

Морфологическая сторона структурного аспекта связана с характеристиками строения системы, а организационная - со способами взаимодействия объектов системы. Представление структуры объекта в форме графов приводит к рассмотрению иерархических многоуровневых систем. Таким образом, на языке математики, структура системы - это задание отношения на множестве элементов системы, удовлетворяющих некоторому набору аксиом. Системы, для которых имеется возможность описания их структуры, называются структурированными.

Принципиально важным моментом является то, что моделирование состояния динамической системы выполняется в пространстве состояний теории динамических систем и управления. При этом концептуальная модель такой системы строится в виде трехуровневой иерархической структуры [1].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ловягин В.Ф. Методологические аспекты постановки задачи оптимизации трасс с позиций системно-структурного подхода // Вестник Сибирской государственной геодезической академии / СГГА. - Вып.8. - Новосибирск, 2002. - С. 60 - 68.

2. Середович В.А., Панкрушин В.К., Кузнецов В.И., Мазуров Б.Т., Ловягин В.Ф. Идентификация движения и напряженноОдеформированного состояния самоорганизующихся геодинамических систем по комплексным геодезическим и геофизическим наблюдениям. - Новосибирск: СГГА. - 2004. - 320 с.

© В.Ф. Ловягин, 2005