книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

трассы, конструктивные и технологические решения, пара­ метры эксплуатационного оборудования и т. п.

В.А. Гарбером разработаны научные основы проектирова­ ния тоннельных конструкций (горных транспортных тонне­ лей^ перегонных тоннелей метрополитенов и станций метро­ политенов) с учетом технологии их сооружения [17]. Мате­ матические модели стоимости и трудоемкости сооружения конкретных объектов линий метрополитена и горного тон­ неля разработаны на основе комплексного структурного анализа технологии их сооружения и нормативов по трудо­ емкости и стоимости, входящих в ЕРЕР и ЕНиР на строи­ тельство тоннелей и метрополитенов.

Результаты этого комплексного анализа синтезировались в виде функционала, первая часть которого представляет со­ бой сумму произведений отдельных коэффициентов, являю­ щихся функцией п-го числа факторов, влияющих на расчет стоимости и трудоемкости сооружения тоннелей.

(1.61)

(1.62)

где:

Тр - трудоемкость сооружения линии метрополитена или горного тоннеля;

Ст - стоимость сооружения линии метрополитена или гор­ ного тоннеля;

к - количество объектов, входящих в проектируемую ли­ нию метрополитена или горного тоннеля;

1 - количество технологических операций, составляющих технологию сооружения 1-го объекта линии метрополитена или горного тоннеля;

f>j -функция зависимости трудоемкости j-й технологиче­

ской операции i-ro объекта от влияющих факторов;

принятия решений и математического моделирования. Про­ блемы построения автоматизированных систем проектиро­ вания требуют решения задач, связанных с интеграцией достижений в данной области.

Комплексная задача проектирования предполагает иссле­ дование целостной картины для получения данных о матери­ альных процессах, информационных потоках и процессах принятая решений в различных ситуациях. Процесс проек­ тирования представляет собой ряд взаимосвязанных этапов или уровней, на каждом из которых могут использоваться классы моделей, имеющие свою форму представления, тер­ минологию и математический аппарат.

Все множество представлений для решения задач инже­ нерного проектирования может быть отнесено к трем ос­ новным типам: ,

•выбор из банка данных;

•преобразование ситуаций;

•сведение задачи к подзадачам.

Первый из этих способов решения предполагает наличие множества готовых (типовых) проектов строительства под­ земных сооружений, описание которых доступно проекти­ ровщику. Описание объектов проектирования представляет собой некоторую целостность и характеризует каждый объ­ ект в виде отношения "объект — подземное сооружение".

Под преобразованием ситуаций понимаются задачи, в формулировке которых заданная исходная ситуация и целе­ вое условие (модель целевой ситуации) определяются путем задания связей в некотором множестве объектов. Процесс решения задачи проектирования состоит в поиске пути пре­ образования исходной ситуации в целевую. Для этого пред­ полагается наличие или возможность построения структур­ но-функциональной модели определенного класса объектов (например: протяженные выработки горнодобывающих предприятий или гидротехнические тоннели), а так же суще­ ствование готовых компонентов (элементов), из которых может быть синтезирована модель объекта проектирования. В качестве готовых компонентов могут быть, например, ти­ повые сечения горных выработок, конструкции крепей и т.п.

Принцип сведения задачи к подзадачам предполагает функциональную декомпозицию исходной задачи на сово­ купность таких подзадач, решение которых приводит к по­ лучению требуемых результатов, сформулированных по от­ ношению к исходной. Процесс применяется рекурсивно до получения подзадач, решение которых известно или сущест­ вует набор методик для их решения. Использование этого принципа, определяемого как редукция сложности, эквива­ лентно декомпозиции объекта на подобъекты более низкого уровня и установлению связей между этими объектами.

Все рассмотренные выше методы не являются строго изо­ лированными, а служат методологической основой блочно­ иерархического подхода (БИП). Поэтому в процессе проек­ тирования на различных этапах могут использоваться раз­ личные методы или их совокупность. На высшем уровне сведение к подзадачам, на уровне составных подобъектов преобразование ситуаций, на уровне элементов выбор из банка данных.

Наиболее полно основные принципы БИП, заключающие­ ся в представлении проектируемой системы в виде иерархии объектов, реализованы в имитационных моделях (ИМ). По­ этому ИМ может служить основой при реализации БИП.

Рассмотрим основные подходы применения методов ими­ тации к решению задач проектирования.

При использовании ИМ принято выделять два подхода к решению задачи проектирования: итерационный и иерархи­ ческий, хотя на практике используется комбинация из них.

При итерационном подходе в качестве начального пред­ ставления объекта проектирования может быть задана уп­ рощенная модель, которая затем представляется за конечное число итераций, т.е. с помощью конечного числа изменений глобального, локального или какого-либо другого характера, должна быть приведена к виду, для которого выполняются требования, предъявляемые проектируемому подземному объекту.

Очевидно, что для реализации итерационного подхода с использованием имитационного моделирования необходимы средства, позволяющие осуществлять сравнение моделей, их накапливание, а также изменение.

При иерархическом подходе модели объекта создаются в соответствии с заданными уровнями абстракции. На каждом следующем уровне абстракции происходит уточнение пре­ дыдущего, то есть на первом уровне абстракции задается упрощенная модель, которая затем детализируется при пе­ реходе к следующим уровням включением новых подмоде­ лей, уточняющих исходную модель, введение более сложных зависимостей и т.д.

Следовательно, при использовании указанного подхода необходимо включение в систему имитации средств, позво­ ляющих оперативно производить модификацию модели, а также средства для уточнения понятий или описания слож­ ных понятий с помощью более простых.

На основе описанных подходов к организации процесса проектирования могут быть сформулированы общие требо­ вания к моделям'применяемым в САПР [61]:

•система моделей должна предоставлять возможность отображать различные ситуации, возникающие при решении проблемы проектирования;

•возможность оперативной корректировки структур и процедур поиска решений;

•способность подстройки диалога к предметной области

иуровню пользования;

•возможность организации диалога в естественной для пользователя форме.

В основе сформулированных требований лежит проблема интелектуализации средств моделирования и их приближе­ ние к конечному пользователю. Основой для решения ука­ занных проблем можно считать использование новой ин­ формационной технологии (НИТ), основы которой были за­ ложены в процессе развития искусственного интеллекта

(ИИ).

Новая информационная технология обработки и предос­ тавления информации нашла свое воплощение во многих приложениях, таких как, понимание естественного языка, распознание образов, в экспертных и других интеллектуаль­ ных системах.

В последние годы аспекты применения НИТ исследова­ лись в различных областях: базах данных, языках програм­ мирования, искусственного интеллекта и получили названия, определенные, согласно воззрениям в соответствующих об­ ластях. Это теория моделей данных в базе данных, абстракт­ ные типы данных и объектное представление в языках про­ граммирования, проблемы представления знаний. Несмотря на различные области, где разрабатывались и применяются достижения НИТ, этим направлениям свойственно представ­ ление семантики данных. Поэтому естественно, предложить использование баз данных, являющихся информационными моделями, представляющие из себя составную часть СИИ для представления статической структуры и элементов ди­ намической структуры имитационной модели.

Однако на практике, если в имитационном моделирова­ нии основное внимание уделяется адекватности отображе­ ния с точки зрения временной части модели, то в информа­ ционных моделях главное внимание уделяется оптимальному представлению на физическом уровне элементарной и атри­ бутной части модели, а в моделях ИИ - механизмом вывода и представления информации (определенной или неопреде­ ленной) в виде удобном для реализации этих механизмов. Для ЕДи СИИ существуеттенденция к постепенному слиянию:

•прямые аналогии между понятием "модель", исполь­ зуемых в технологии баз данных и понятием "метод представления знаний" в области искусственного ин­ теллекта;

появление дедуктивных баз данных, в которых к БД добавлены дедуктивные функции и которые могут об­ рабатывать не только фактические знания и факты в правилах, но и сами правила; использование существующих систем управления ба­ зой данных (СУБД) в конкретных СИИ.

С другой стороны, развитие систем имитации достаточно независимо, в основном без учета результатов, полученных в области технологии представления данных и знаний, что в значительной мере снижает эффективность и качество ими­ тационных моделей. Важность управления данными и их об­

работка в процессе моделирования позволяет сформулиро­ вать в качестве одного из основных принципов разработки систем имитации принцип независимости данных от выпол­ нения имитационной программы.

В качестве средства обеспечивающего реализацию данно­ го принципа, может быть БД с соответствующей СУБД, при­ способленная к потребностям моделирования. В базе данных могут хранится описания моделей, результаты прогонов мо­ дели, результаты анализа и т.д. При этом БД является сред­ ством интеграции компонентов систем программной под­ держки моделирования.

Основными преимуществами подхода, ориентированного на использование БД и СИИ является возможность реализа­ ции и использования таких средств программной поддержки моделирования, как средства автоматизированною построе­ ния моделей, средства оперативного управления экспери­ ментом и др.

§1.4.2. Методы представления технических систем в виде имитационных моделей

Сувеличением числа задач, решаемых методами имита­ ционного моделирования, становится очевидной необходи­ мость применения определенной совокупности средств, ко­

торые позволяли бы реализовать весь процесс ИМ, начиная от построения модели и подготовки исходных данных до проведения имитационного эксперимента по требуемой про­ грамме и обработке полученных результатов.

Имитационное моделирование как научный подход пред­ полагает рассмотрение следующего круга основных вопро­ сов:

•уточнение и формализация целей создания модели;

•выбор или создание средств для проведения модели­ рования; анализ правильности создания модели;

выполнение эксперимента с моделью, удовлетворяю­ щей поставленным целям.

При исследовании различных свойств проектируемого объекта имитационная модель, как заменитель реальной сис­ темы должна отражать ее свойства и особенности, а также допускать варьирование структуры и параметров. Данные требования ставят задачу разработки специальных подходов к описанию модели, а также увеличение степени универ­ сальности применяемых алгоритмических решений. Степень универсальности ИМ может быть увеличена за счет исполь­ зования средств ИИ на этапе представления знаний пред­ метной области и общих подходов в выделении и описания отдельных элементов модели как сложной системы.

Для описания объектов проектирования в САПР можно использовать математическую схему динамической системы с дискретным вмешательством случая, покрывающею доста­ точно широкий класс объектов (системы массового обслу­ живания, конечные и вероятностные автоматы и т.д.). Ис­ пользование такою описания позволяет ввести универсаль­ ную схему системы моделирования, настраиваемую на тот или иной вид объектов, для которой решается задача проек­ тирования. На данной идее может быть реализована автома­ тизированная система моделирования дискретных и дис­ кретно-непрерывных систем [12]. Элементы моделируемой системы имитируются на небольших интервалах времени независимо друг от друга, а взаимодействие элементов сво­ дится к обмену сигналами по известному оператору сопря­ жения.

В этом случае имитация процесса функционирования сис­ темы включает [12]:

•имитацию функционирования элементов системы;

•имитацию взаимодействия элементов;

•управление очередностью систем событий.

Другая задача связана с отображением определенного множества свойств реальной системы, которые исследуются на данном этапе процесса проектирования. Из всего много­ образия свойств реальной системы проектировщика интере­ сует определенная совокупность этих свойств, связанная с назначением системы. Требуемая совокупность свойств должна найти свое отображение в модели. ИМ при этом, яв­

ляясь представлением системы или процесса в некоторой форме, отличной от реального или предполагаемого вопло­ щения, должна достаточно полно отображать процессы функционирования реальной системы с точки зрения инте­ ресующих проектировщика свойств и уровня знаний. Вы­ полняя процесс построения модели реальной системы, при­ ходится сталкиваться с тем, что система содержит большое число элементов различной физической природы, каждый из которых характеризуется своим набором параметров и функциональных зависимостей. Структура ИМ определяется либо структурой моделирования системы, либо на основании априорных теоретических предположений, либо наличием ограниченного числа экспериментальных данных, получен­ ных на реальном объекте.

Модель, отражающая формы и способы взаимодействия элементов и обладающая свойством взаимно-однозначною соответствия между элементами моделируемой системы и модели, относится к изоморфным, что позволяет сделать взаимную подстановку элементов модели в реальную систе­ му и наоборот.

Однако в реальных условиях все многообразие связей, элементов и параметров не может быть включено в модель из-за отсутствия точных сведений о системе, и соответст­ венно приходится строить гомоморфную модель, модель от­ ражающую действия. В этой связи требуется решение зада­ чи связанной с представлением элементов сложной системы (СС), для которых отсутствуют математические модели, т.е. использовать методы ИМ для определения соответствия ме­ жду локальными моделями в структуре всей модели, а затем соответствие между поведением локальных моделей и пове­ дением модели в целом. С этой целью отбрасываются несу­ щественные факторы или части системы и проверяется со­ ответствие (адекватность) модели по выбранной совокупно­ сти признаков, например, по совокупности переменных "вход - выход". Если данные упрощения проведены коррект­ но, то мы получим приближенное отображение реальной системы на модель.

Этот подход особенно эффективен при оценке природно­ технических геосистем, поскольку, чем сложнее становится

объект, тем сложнее реализация физической модели и по­ строение математической.

§ 1.4.3. Инструментальные средства систем моделирования

Организация систем имитационного моделирования тесно связана с методологическими аспектами построения модели и проведения имитационного эксперимента.

Одним из существенных моментов при построении инст­ рументальных средств (ИС) является разработка методологи­ ческих основ имитационного моделирования, охватывающих все составляющие процесса исследования на модели.

Имитационное моделирование занимает промежуточное звено между методами теоретических исследований на осно­ вании математических моделей и физического моделирова­ ния, когда знания об объекте недостаточно полны, что имеет место на начальных этапах проектирования сложных систем. Для того чтобы информационно описать объект, необходимо детализировать знания до такой степени, чтобы они позво­ ляли рассматривать структуру объекта. Но даже когда по­ строить математическую модель, которая всесторонне опи­ сывает поведение объекта как единого целого, нельзя, ис­ следование поведения объекта, тем не менее, возможно, ес­ ли будет установлено взаимное соответствие между локаль­ ными моделями в структуре всей модели. Использование эм­ пирических методов, задающих описание процесса в вероят­ ностных терминах, в сочетании с методами имитации, кото­ рые позволяют оценить пригодность полученных эмпириче­ ских моделей и использование новой технологии обработки информации, дает возможность получения ряда информаци­ онных моделей в базе данных и использовать 'эту базу для расширения знаний о функционировании сложной системы.

Вне зависимости от целей и назначения моделирования выделяют семь технологических этапов создания и исполь­ зования имитационного моделирования:

1.Формулировка целей.

2.Построение концептуальной модели.

3.Построение математической модели.