Программные продукты и системы

Любое промышленно-гражданское строительство неразрывно связано с прокладкой инженерных коммуникаций. Выбор оптимального способа прокладки является актуальной задачей в освоении подземного пространства городов.

Из всевозможных способов, таких как открытая прокладка, прокладка с различными видами крепления траншеи, динамически развивающимся и самым перспективным направлением подземного строительства является бестраншейная прокладка коммуникаций. Наиболее распространены микротоннелирование, горизонтально направленное бурение, продавливание стального футляра, бурошнековое бурение и направленный прокол.

Разделим способы прокладки коммуникаций на две группы – Y1 и Y2 (далее – группы способов):

·     Y1 – бестраншейный способ; Y1={X1, X2, X3, X4, X5}, где Х1 – микротоннелирование, Х2 – бурошнековое бурение, X3 – продавливание стального футляра, X4 – горизонтально направленное бурение, X5 – направленный прокол.

·     Y2 – открытый способ; Y2={Z1, Z2, Z3, Z4}, где Z1 – крепление вертикальными стенками, Z2 – деревянные крепления, Z3 – крепление консольными трубами, Z4 – крепление стальными трубами.

Необходимо создать методику выбора способа прокладки инженерных коммуникаций, позволяющую на основании множества исходных данных технического задания найти вариант реали- зации инженерных решений, используя методы теории принятия решений нечетких множеств и численного анализа.

Тем самым в рамках реализации методики ставится задача выбора способа прокладки подземных инженерных коммуникаций (множество {X1, X2, X3,...}) при определенных заданных условиях (H, D, C, P, A, G, L, M) (табл. 1).

Таблица 1

Исходные вводные данные (по материалам ТЗ)

Разработанная методика выбора способа прокладки инженерных коммуникаций включает три основных этапа.

1.   Выбор группы способов прокладки (построение дерева решений № 1) при заданных условиях (C, P, G, H). Строится дерево решений № 1, в котором определяется множество {Y} возможных групп способов при Y, равном Y2 (если возможен открытый способ при заданных условиях), или Y, равном Y1 (если возможен бестраншейный способ).

2.   Прокладка бестраншейным способом (построение дерева решений № 2 как продолжения дерева решений № 1 в случае, когда значение листа приходит к показателю Y1). При заданных условиях (F, D, L, G) строится дерево решений № 2, при котором определяется множество {X} возможных способов бестраншейной прокладки коммуникаций X={X1, X2, X3,…}.

3.   Прокладка открытым способом (построение дерева решений № 3 как продолжения дерева решений № 1 в случае, когда значение листа приходит к показателю Y2). При заданных условиях (A, H3) строится дерево решений № 3, при котором определяется множество {X} возможных способов открытой прокладки коммуникаций, где X={Z1, Z2, Z3, Z4}.

Построение дерева решений № 1 необходимо для определения возможной группы способов Y. В рамках этапа 1 на подэтапе 1 происходит построение узлов. Для этого древовидная структура характеризуется множеством узлов, происхо- дящих от единственного начального узла, называемого корнем. Для первого дерева в качестве классификационных узлов принимается весь набор исходной информации, на основании которой требуется принять решение (C, P, G, H). Эти узлы также будут классификационными признаками в поставленной задаче (табл. 2).

На подэтапе 2 этапа 1 происходит построение ветвей. Для этого используется метод ветвей и границ – общий алгоритмический метод для нахождения оптимальных решений различных задач оптимизации, особенно дискретной и комбинаторной. Процедура ветвления состоит в разбиении области допустимых решений на подобласти меньших размеров.

Ветви и границы в рамках каждого из узлов для дерева решений № 1 следующие:

С=1 при стесненных условиях;

C=0 при отсутствии стесненных условий;

P=1 при наличии преград на пути прокладки инженерных коммуникаций;

P=0 при отсутствии преград;

G=1 при высоком уровне грунтовых вод;

G=0 при низком уровне грунтовых вод;

значение ветви Н*=0 при 0

H*=1 при H>7.

На подэтапе 3 этапа 1 происходит построение терминальных решений (листьев), то есть возможных решений, которые могут быть приняты с помощью данного алгоритма.

Таблица 2

Описание узлов для дерева решений № 1

Для дерева решений № 1 листьями являются два значения: Y1 – группа бестраншейных способов прокладки инженерных коммуникаций и Y2 – группа открытых способов.

В результате прохождения всех ветвей дерева решений получаем f1(C, P, G, H) – функцию результата прохождения дерева решений № 1 (см. табл. 3).

Таблица 3

Фрагмент результата прохождения дерева решений № 1

После прохождения этого уровня возможны два варианта дальнейшего развития событий, а именно: прокладка бестраншейным (переходим к дереву решений № 2) или открытым способом (переходим к дереву решений № 3) (рис. 1).

При построении дерева решений № 2 определяются возможные способы бестраншейной прокладки.

В рамках этапа 2 на подэтапе 1 происходит построение узлов (табл. 4). В данном случае представлены три варианта узла диаметр футляра в зависимости от значения ветви для узла материал футляра согласно инженерным характеристикам.

Таблица 4

Описание узлов для дерева решений № 2

В рамках этапа 2 на подэтапе 2 происходит построение ветвей. При выборе бестраншейного способа прокладки инженерных коммуникаций возникает большое количество вариантов развития ситуаций. В связи с этим ветви узлов принимают следующие значения:

F=1 при стальном футляре;

F=2 при железобетонном футляре;

F=3 при полиэтиленовом футляре;

D1=1 при D=100 мм;

…

D1=13 при D=1420 мм;

D2=1 при D=600 мм;

…

D2=6 при D=2000 мм;

D3=1 при D=160 мм;

…

D3=13 при D=1200 мм;

L=1 при L40 м;

…

L=8 при L1200 м;

G=1 при высоком уровне грунтовых вод;

G=0 при низком уровне грунтовых вод.

В рамках этапа 2 на подэтапе 3 происходит построение терминальных решений (листьев). Бестраншейная прокладка коммуникаций является динамически развивающейся отраслью подземного строительства и имеет ряд альтернатив решения проектов, в том числе с разными диаметрами прокладки.

Описание листьев для дерева решений № 2: R – направленный прокол; B1…B5   – бурошнековая установка с различными диаметрами прокладки; J1…J6 – горизонтально направленное бурение с различными диаметрами прокладки; M1…M10 – микротоннелепроходческие комплексы с различными диаметрами прокладки.

По прохождении всех ветвей дерева решений № 2 получаем функцию f2(F, D, L, G).

В результате прохождения дерева решений для прокладки коммуникаций бестраншейным способом выделяется от одной до четырех возможных альтернатив оборудования (направленный прокол, горизонтально направленное бурение, бурошнековая установка, микротоннель, продавливание стального футляра).

При описании построения дерева решений № 3 определяются возможные способы прокладки при открытой проходке.

В рамках этапа 3 на подэтапе 1 происходит построение узлов. Открытая проходка является одним из наиболее простых инженерных способов, поэтому имеет всего два узла для построения дерева решений № 3: A – преграды в виде автодорог, при которых возникает необходимость проведения дополнительных мероприятий, связанных с большими финансовыми и временными потерями; H3 – глубина прокладки инженерных коммуникаций.

В рамках этапа 3 на подэтапе 2 происходит построение следующих ветвей для узлов дерева решений при выборе способа прокладки коммуникаций открытым способом (№ 3):

A=1 при наличии преград автодорог;

А=0 при отсутствии автодорог;

H3=1 при H<1;

H3=2 при 1

H3=3 при 3

H3=4 при 3,5

На подэтапе 3 этапа 3 происходит построение листьев. Прокладка коммуникаций открытым способом включает в себя четыре возможные альтернативы использования оборудования, которые и являются листьями дерева решений: Z1 – вертикальные стенки, Z2 – деревянные крепления, Z3 – консольные трубы, Z4 – стальные трубы.

В результате прохождения всех ветвей дерева решений № 3 при выборе способа открытой коммуникации можно построить функцию f3(А, H) (табл. 5).

Таблица 5

Результаты прохождения дерева решений № 3

После прохождения этого уровня выходим на единственно возможный вариант прокладки открытым способом – с помощью вертикальных стенок, деревянных креплений, консольных или стальных труб (рис. 2).

Практическая реализация вышеуказанных этапов методики заключается в построении реляционной БД как камеры хранения информации, позволяющей сохранять данные в таблицах, считывать подмножества данных и объединять таблицы друг с другом для выборки связанных записей, хранимых в различных таблицах.

Для доступа к БД, таблицам, записям и полям использован код Visual Basic.NET. Информация об узлах, ветвях и листьях деревьев решений № 1, № 2 и № 3 хранится в таблицах tblDecisiontree1, tblDecisiontree2 и tblDecisiontree3 (табл. 6).

Таблица 6

Фрагмент таблицы полей и их типов в БД

Далее записи редактируются, извлекаются и удаляются с помощью хранимых процедур и/или запросов на языке SQL для удобства пользования.

Апробация методики и внедрение результатов исследования проходили на базе проектов инженерного обеспечения застроек Московской области Института «Каналстройпроект». Для расчетов использованы данные технико-экономического обоснования проекта – «Подающие водоводы для жилого района «Рублево–Архангельское» г. Красногорска Московской области». В данном проекте на определенных участках возникала необходимость прокладки водопроводной трубы в футляре диаметром 1000 мм в условиях плотной городской застройки и многочисленных зеленых насаждений.

С помощью описанной методики было построено дерево решений, состоящее из трех этапов, и при его реализации выявлены три возможные альтернативы прокладки инженерной коммуникации: микротоннелирование (Х1), прокладка при помощи бурошнековой установки (Х2) и продавливание стального футляра (Х3).

Дальнейший детализированный выбор оптимального способа прокладки инженерных коммуникаций возможен при использовании метода нечеткого программирования.

Литература

1.   Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. М.: Наука, 1981. 208 с.

2.   Высшее горное образование: Шахтное и подземное строительство: учебник для вузов. М.: Изд-во АГН, 2003. Т. I, II. 815 с.

3.   Бреннер В.А. [и др.]. Щитовые проходческие комплексы. М.: Изд-во «Мир горной книги», 2009. 447 с.

4.   Бондаренко И.С., Баранникова И.В. Анализ факторов, влияющих на выбор технологии строительства коммуникационного тоннеля // Горный информ.-аналит. бюл. Вып. № 10: Информатизация и управление-1. 2008. С. 124–129.

5.   Харари Ф. Теория графов. М.: Мир, 1973. 300 с.

6.   Ишин А.В., Корчак А.А. Анализ факторов, влияющих на эколого-экономическую эффективность использования подземного пространства реконструируемых городских тер- риторий // Горный информ.-аналит. бюл. Вып. № 9. 2009. С. 165–170.