Геоинформационные технологии в решении задач ресурсосбережения в строительстве линейных сооружений

УДК 528.48: 65.011 В.Ф. Ловягин СГГ А, Новосибирск

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ

В статье рассматривается вариант решения задачи ресурсосбережения в процессе проектирования путем управления процессом пространственной оптимизации перспективных зон размещения на местности проектируемого линейного сооружения с использованием геоинформационных моделей местности (ИММ) по геодезическим и геолого-геофизическим измерениям параметров свойств природных и искусственных объектов местности

(пиом).

Устойчивое развитие среды обитания человека во многом зависит от решения проблемы ресурсосбережения и решения социальных задач нового промышленного и гражданского строительства. Эффективность решения проблемы ресурсосбережения при проектировании линейных инженерных сооружений (авто- и железных дорог, линий электропередачи и связи, нефтепроводов и газопроводов и т.д.) связана с пространственным положением продольной оси сооружения или трассы. В свою очередь решение задачи оптимизации трасс зависит от организации производственно - технологического процесса трассирования. Под понятием «трассирование» в прикладной геодезии понимается комплекс инженерно - изыскательских работ по изысканию площадок и трасс проектируемых сооружений, эффективность которого определяется методами и средствами сбора, обработки и интерпретации измеряемых параметров свойств природных и искусственных объектов местности (ПИОМ).

В настоящее время с развитием информационных технологий в проектировании линейных инженерных сооружений (ЛИС) и высокопроизводительных средств и методов сбора данных о состоянии земной поверхности в широком понимании геодезическая информация значительно увеличилась в объеме и изменилась в качестве измерений. Это привело к пересмотру стратегии развития не только прикладной геодезии как науки и связанных с ней других наук о Земле (инженерной геологии, геофизики, гидрологии и метеорологии), но и производственно -технологического процесса инженерно-строительных изысканий (ИСИЗ) трасс ЛИС.

Сложность процедуры проектирования оценки вариантов трасс определяется тем, что экономический параметр недоступен для непосредственного измерения и может определяться только косвенно по результатам геодезических и геолого-геофизических измерений параметров свойств ПИОМ. Кроме того, без учета результатов промежуточных проектных решений, в частности проекта варианта расстановки опор в анкерных пролетах для ВЛ, оценка вариантов трассы будет не состоятельной. Поэтому разработке альтернативных вариантов проекта расстановки опор должен предшествовать процесс ИСИЗ по каждому из рассматриваемых

вариантов, что невыполнимо по причине большого объема затрат различных ресурсов на эти цели.

Так как интерпретация данных разнородных геодезических и геологогеофизических измерений свойств ПИОМ рассматриваются как сложные геодинамические системы, поэтому задачу оптимизации трасс необходимо решать на основе системно - структурного подхода (ССП) [1].

Математическое моделирование процесса проектирования в инженерном деле опирается, прежде всего, на данные о строении, составе и физических свойствах как природных объектов, относящихся к геосферам Земли (литосферы, атмосферы, гидросферы и др.), так и объектов, относящихся к искусственной среде, созданной человеком. Здесь необходимо отметить, что сбор указанных данных проводится геодезическими методами и средствами в широком смысле, т.е. методами физической геодезии, космической геодезии, методами аэрофотокосмической съемки, что подчеркивает значение геодезии в решении задач интерпретации и пространственного отображения геологогеофизической информации.

Глобальные спутниковые системы GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия), автоматизация угловых и линейных измерений и их математическая обработка позволяют оперативно получать с необходимой точностью значения, как пространственных параметров проектируемого инженерного сооружения, так и параметров учитываемых свойств местности, в том числе данных, характеризующих геодинамические процессы. Эти особенности обусловливают большую сложность проектирования технических систем с природными компонентами [1].

Необходимость учета динамических параметров свойств ПИОМ при проектировании ЛИС вызвано случаями аварийных ситуаций на действующих инженерных объектах, в частности на нефтепроводах при кратковременных смещениях локальных участков земной поверхности, причиной которых являются природные или техногенные факторы. Таким образом, проектирование трасс ЛИС необходимо вести не только в пространстве, но и во времени X{(x.y.z),t)}.

Таким образом, для предотвращения негативных явлений в использовании различных ресурсов при строительстве, актуальной проблемой является осуществление многовариантного моделирования компоновочных решений пространственного размещения проектируемого объекта на местности с оптимизацией альтернативных вариантов по критерию минимизации капитальных затрат на его строительство. Заметим, что такая функция в технологическом процессе инженерных изысканий отсутствует. Если эффективность традиционных методов размещения на местности проектируемого объекта в основном зависит от интуиции и прошлого опыта специалиста-изыскателя, 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 множества прикладных аналоговых, электронных и цифровых карт местности в нужном месте и в нужный момент и удобном для потребителя масштабе.

Заметим, что соответствие геоинформационных технологий современным требованиям автоматизированного проектирования (САПР) заключается в том, что создаваемая геоинформационная среда должна обеспечить в интерактивном режиме процесс проектирования в вариантах компоновку элементов будущего сооружения и осуществлять их привязку к местности, где намечено строительство. Это связано с организацией многовариантного проектирования в пределах пространства управляемых параметров [3]. Таким образом, ГИС становится подсистемой САПР конкретного инженерного сооружения.

Очевидно, что традиционный путь организации решения поставленной проблемы даже при условии осуществления сквозной автоматизации процесса сбора и обработки исходной информации не имеет перспективы, так как не нацелен на конечный результат - минимизацию капитальных затрат на новое строительство.

Второй альтернативный путь решения задачи оптимизации трасс, в отличие от традиционной технологии, связан с разработкой технологии поиска оптимального пространственного размещения проектируемого объекта на основе многовариантного проектирования. Поэтому в настоящей работе предпринята попытка, определиться с методологическими принципами и конструктивным решением задачи определения по данным о свойствах ПИОМ пространственно-экономической структуры трассы в форме ее математической модели. Это позволит проследить изменения состояния системы, связывающей координаты точек в экономической среде, параметры движения и внешние воздействия. Поставленная задача относится к классу поисковых задач, где целевую функцию невозможно выразить в явном виде, поэтому решение задачи оптимизации трасс линейных сооружений (ВЛ и др.), требует индивидуального подхода.

Концепция решения проблемы многокритериальной оптимизации рассматривает структуру прикладной ГИС с ее колоссальной размерностью как трехуровневую иерархическую геоинформационную систему [4].

Ось линейного инженерного сооружения согласно концепции проектирования ГИС выносится в натуру по данным проекта, разработанного на многовариантной основе с использованием ЦММ с динамической базой данных.

Такой подход позволяет во много раз уменьшить размерность системы и тем самым на каждом уровне оптимизировать объемы получения необходимой информации для формирования на каждом из уровней прикладную ЦММ со своей структурой и параметрами как инструмента для синтеза вариантов, отвечающих принятому критерию. Во-вторых, полный перебор возможных вариантов состояния исследуемой системы заменяется анализом несравненно меньшего количества вариантов, каждый из которых

формируется путем сравнительно небольших преобразований предыдущего варианта и превосходит его по принятому критерию оптимальности [1].

По условию решения задачи, элементы среды рассматриваются как факторы, влияющие на экономическую эффективность проектируемого инженерного сооружения. Полученная база применима ко всем свойствам системы и может быть наблюдаема с однозначным определением свойств системы. Таким образом, регулируемыми параметрами проектируемой системы являются пространственные координаты характерных точек трассы Х(х,у,Н). Разные наблюдения одной и той же переменной различаются по значению параметров, что позволяет наблюдать состояние системы на каждом уровне в виде той или иной математической детерминированной модели (ММ), т. е. моделей, параметры которых однозначно определимы и идеализируют объект, отвлекаясь от второстепенных признаков и скрытых связей с другими объектами. Декомпозиция сложной системы на иерархические уровни осуществлена согласно методу объектноориентированного подхода [5].

Анализ данных натурного эксперимента для определения устойчивости технологического процесса выполнялся автором по статистическим выборкам четырех законченным проектированием и строительством ВЛ (Сибирское отделение института «Энергосетьпроект»). Результаты выборки представлены в таблице.

Таблица 1. Данные сравнения фактических капитальных затрат и с применением новой технологии оптимизации трассы ВЛ

Наименование объекта Оптима- льный вариант (км/т.р.) Вариант «воздушная прямая» (км/т.р.) Рекомендуе-мый к строительству вариант (км/т.р.) Ктр/ Копт Ку%

ВЛ 220 кВ Красноярск 190,85 183,79 188,85 1,038 20,2

- ПС Северная 3547,00 4610,90 4442,10 1,252

ВЛ 220 кВ Чулымская- 174,37 169,65 178,07 1,028 9,5

Барабинск 3017,40 3556,90 3333,70 1,105

ВЛ 220 кВ Коченево- 85,87 80,15 84,37 1,071 9,8

Чулым 1567,70 1985,50 1738,60 1,103

ВЛ 220 кВ 33,11 32,01 35,08 1,034 11,1

Заря - Мошково 1036,10 1026,40 1166,30 1,126

ВЛ 220 кВ 126,50 112,24 126,00 1,127 9,1

Большеречье- Загородняя 2458,40 3646,80 2704,20 1,100

Характер сравниваемых данных указывает на устойчивую тенденцию снижения капитальных затрат в случае применения ГИС -технологии оптимизации трасс при проектировании инженерных сооружений. Выявленное снижение капитальных вложений в новое строительство в среднем на 10 % (без учета результата первой строки табл. 2) подтверждает адекватность разработанной модели подсистемы первого уровня ГИС -

технологии оптимизации трасс инженерных сооружений по критерию минимизации капитальных вложений в строительство.

Разработанное в Сибирской государственной геодезической академии методическое, алгоритмическое и программное обеспечение внедрены в производственную деятельность АО «Энергосетьпроект» и АО ВНПО «РосЛЭП» (г. Новосибирск). Разработка применялась в процессе обоснования оптимального варианта трассы нефтепровода (на стадии ТЭО в период 20032004 годов) от Ванкорского месторождения до терминала Енисей - Малая Хетта (длина варианта трассы составляет 345 км.), а также в

производственном процессе обоснования оптимального варианта коридора проектируемых трасс инженерных коммуникаций на стадии рабочего проекта Самбургского нефтегазоконденсатного месторождения, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Панкрушин, В.К. Математическое моделирование и идентификация геодинамических систем / В.К. Панкрушин. - Новосибирск: СГГА, 2002. - 424 с.

2. Машимов, М.М. Очерк о предметах и областях и взаимопроникновениях геодезии, иконометрии и картографии новейших времен / М.М. Машимов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.- 1999. - N3. - С. 44 - 57.

3. Ловягин, В.Ф. Разработка прикладных ГИС для трассирования инженерных сооружений линейного типа / В.Ф. Ловягин // Геодезия и картография. -1997. - N3. - С. 55 - 57.

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

5. Гарди, Б. Объектно-ориентированное проектирование с примером применения на С++ / Б. Гарди. - М.: Изд.- Бином; СПб.: Невский диалог, 1998. - 560 с.

6. Ловягин, В.Ф. Методы параметрической оптимизации в САПР трасс линий электропередачи / В.Ф. Ловягин // Геодезия и картография. - 1997. - N9. - С. 54 - 55.

© В.Ф. Ловягин, 2007