Анализ и разработка математических моделей и алгоритмов оптимизации транспортной нагрузки при освоении горных территорий

Опыт транспортного освоения территорий показал, что наиболее сложные проблемы в управлении строительством и дальнейшим функционированием автомобильных дорог возникают в районах со специфическими ландшафтно-климатическими и инженерно-геологическими условиями, к каковым, в частности, относятся горные территории, строительство и эксплуатация различных сооружений в которых характеризуются высокой степенью геоэкологической и геодинамической напряженности и связаны с чрезвычайно большими материальными затратами и трудоемкостью. Вместе с тем освоение горных районов, приводящее к возрастанию техногенных нагрузок на природную среду, делает очевидной и общепризнанной необходимость усиления охраны горного рельефа.

Являясь в экологическом отношении ярко выраженными полосами отчуждения, автомобильные дороги изменяют рельеф, микроклимат и гидрологический режим местности, загрязняют почву, атмосферу, поверхностные и грунтовые воды разрушают тысячелетиями сложившиеся места обитания жизненных сообществ, нарушают пути миграции животного мира, уничтожают реликтовых и редких представителей флоры. Горные экосистемы особенно ранимы при строительстве дорог, поскольку прокладка ведётся в основном в районах с нетронутой природой. Кроме того, природно-ресурсный потенциал гор является более ограниченным по сравнению с равнинным.

Горные территории отличаются от других ландшафтов по геолого-тектонической и климатической истории их возникновения, антропогенного освоения, и по особенностям протекающих там экзогенных процессов. Среди особенностей, в геоэкологическом отношении, одной из главных является формирование высокогорных оползней, обвалов и селевых потоков, зависящее от комплекса пород, последовательности их залегания в разрезе склона, от принадлежности склона к геологической структуре, их неотектонической активности, от характера интенсивности поля естественных напряжении, а также сейсмической климатической позиции склона. Медленное и скрытое развитие подавляющего большинства экзогенных процессов, связанное с термодинамикой грунтовой толщи и изменением мерзлотного режима, приводит к тому, что аварийная и даже катастрофическая ситуация может возникнуть даже спустя десятилетия после его сооружения.

Анализ проектов сооружения автомобильных дорог, расположенных в высокогорной зоне, показывает, что имеющаяся в распоряжении строительных организации инженерно-геологическая и геоэкологическая информация дает основу для решения, в основном, задачи приспособления проектируемых сооружений к относительно статичным условиям. При этом задачи защиты дорог от опасных природных явлений, связанных с сильным распространением явлений эрозии, проявлением слабой устойчивости склонов, таких как оползни, землетрясения, паводки, сели, лавины и т. п. решаются лишь частично и преимущественно на основе визуальной информации. Мало что делается для прогноза вредного воздействия транспортных сооружений на природную среду и проектирования мероприятий, компенсирующих или предотвращающих это воздействие. Недостаточность методов и средств для решения этих задач приводит к большим трудностям в управлении транспортным освоением горных территорий, что снижает его эффективность. Тенденция к увеличению объемов дорожного строительства в местах с особо сложными условиями, в которых невозможно или нерационально применение типовых конструктивных и технологических решений лишь обостряет проблему. Типизация принимаемых внутри каждой группы особых условий решений, когда комплексные методы оценки воздействия на окружающую среду не находят широкого применения для прогнозирования последствий строительства, не привели к улучшению экологического состояния природной среды. Проблема изучения взаимосвязи между антропогенными видами деятельности и их экологическими последствиями не только остается открытой, но и усиливает к себе внимание.

Большинство горных районов переживает сегодня экологическую деградацию. Не исключение и Северо-Кавказский регион, в котором горные системы оставляют 34% территории, занимая 86,5 тыс. км. При этом в.

О О.

Северной Осетии, площадь которой 8 тыс. км горы занимают 7 тыс. км, составляя 87% территории республики.

Отсутствие должной научной проработанности приводит к нежелательным последствиям, проявляющимся в нарушении рельефа, загрязнении водной и воздушной сред, неблагоприятном влиянии на человека, флору и фауну. Так, строительство Транскавказской автомагистрали под Рокским перевалом без должной экологической экспертизы привело на отдельных участках к нарушению почвенно-растительного покрова, вскрытию водоносных горизонтов, развитию оползневых и эрозионных процессов. Эксплуатация автодороги создает дополнительную нагрузку на природную среду, что, в конечном счете, проявляется и в определенных изменениях естественных климатических условий.

Актуальность проблемы, исследуемой в настоящей работе, обусловлена, таким образом, необходимостью обеспечения максимальной экологической безопасности, определяемой способностью окружающей среды противостоять воздействию на нее при строительстве автодорог дестабилизирующих факторов, способных нарушить равновесное состояние окружающей среды и её ресурсоемкости, а также технической безопасности, рассматриваемой как способность технической системы — автодорогипротивостоять нарушению ее работоспособности под влиянием конструктивных недоработок и внешних воздействий.

Цель исследования состоит в разработке методов оценки воздействия на окружающую среду строительства и эксплуатации автомобильных дорог в горных условиях и выбора на основе всестороннего сопоставления альтернатив строительства оптимального проектного варианта дороги, а также в разработке моделей и алгоритмов адаптации трассы к горному рельефу, обеспечивающих заданный уровень противооползневой устойчивости дорожного полотна, что по своей совокупности представляет собой реализацию двухуровневой системы принятия решений в области строительства автомобильных дорог в горных условиях.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать общую концепцию выбора оптимального варианта трассы из множества альтернативных как решение многокритериальной задачи.

2. Осуществить градацию целей с критериями оценки их достижения и систематизировать процедуру оценки по каждому показателю.

3. Обобщить известные методы геотехнических расчетов устойчивости склонов и откосов и разработать методику количественной оценки устойчивости дорожного полотна на горном склоне применительно к задаче трассирования дороги.

4. Разработать методы оптимизации применения конструктивно-технологических решений, обеспечивающих устойчивость дорожного полотна на горном склоне.

5. Разработать компьютеризованную методику оценки и выбора оптимального варианта дороги и методику проложения оптимальной трассы на горном склоне.

6. Выполнить практическую апробацию разработанной методики на конкретном объекте.

Настоящая работа представляет собой, исследование в области эколого-экономической оценки влияния на окружающую среду строительства и эксплуатации автомобильных дорог в горных условиях, а также рациональной организации проложения трассы автомобильных дорог на горных склонах.

В работе учитываются следующие основные факторы воздействия автодорожного комплекса на окружающую природную среду:

Геологический — локальные изменения рельефа, нарушение геоморфологии местности.

Геохимический — изменение условий протекания природных химических процессов, вовлечение в химически активную деятельность больших объемов горной массы и воды и, как следствие, изменение физических и химических свойств подземных и поверхностных вод, почвы и растительности.

Биологический — нарушение сложившихся взаимоотношений в природе, уничтожение отдельных видов растений и животных, нарушение среды обитания человека и животных.

Экологический — отражающийся на общей экологии в связи с затратами на строительство, содержание и эксплуатацию дороги, а также на природоохранные мероприятия.

Такой многофакторный подход к оценке воздействия на окружающую среду позволяет надлежащим образом и полностью обеспечивать учет всех последствий, связанных со строительством дороги. Особо подчеркивается геологическая сторона исследования. Это связано с множественностью форм воздействия на геологическую среду строительства автомобильных дорог и отсутствием в должной мере разработок, касающихся сочетания дороги с природной средой в условиях геоэкологически сложного горного ландшафта.

Настоящая диссертационная работа выполнена на основе собранного автором фактического материала и опыта проектирования, строительства и эксплуатации горных дорог в Республике Северная Осетия-Алания, в частности, Транскавказской автомобильной магистрали, а также комплекса теоретических и экспериментальных исследований.

Основная идея работы заключается в предложении двухуровневой системы принятия решений в деле строительства автомобильных дорог.

Первый уровень представляет собой исследование, заключающееся во всестороннем сопоставлении альтернатив строительства с уделением особого внимания разработке комплексных методов оценки воздействия на окружающую среду и выбора оптимального варианта автомобильной дороги. Второй предполагает организацию строительства, обеспечивающего максимальную адаптацию трассы автодороги к горному рельефу на основе использования геологического подхода к оценке степени влияния строительства дорог на устойчивость горных территорий как диссипативных систем.

Методы исследований. Работа выполнена с привлечением основных положений системного анализа. Включает математический анализ, математическое моделирование, методы теории многокритериальной оптимизация. Применены результаты исследований в области геологии, ландшафтной геофизики, экологии.

Систематизация и обобщение большого фактического материала в этой области дали возможность решить ряд задач, имеющих как научное, так и практическое значение для правильного определения характера взаимодействия автодороги с окружающей средой и с целью предотвращения развития опасных природных и природно-техногенных процессов.

Научная новизна и значимость работы.

1. Предложен новый метод решения многокритериальной задачи оценки и выбора оптимального альтернативного варианта дороги в условиях горного рельефа на основе использования оптимизационных моделей.

2. Разработана процедура оценки полезности альтернативных вариантов строительства с разделением района планирования на экологические ландшафтные единицы, что позволяет более эффективно производить сравнительный анализ показателей функционирования дорог.

3. Построена математическая модель устойчивости склона, адаптированная к задаче поиска расположения оси трассы, обеспечивающего требуемую степень устойчивости дорожного полотна на горном склоне.

4. Усовершенствована методика назначения проектного варианта трассы и выбора оптимального положения трассы дороги на горном склоне.

5. Построены алгоритмы принятия решений для оценки и выбора проектного варианта горной дороги и трассирования.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена аналитическими выкладками, а также результатами практического использования предложенных в диссертации методик, алгоритмов и программных средств.

Практическая значимость&diamsРезультаты исследований являются значительным вкладом в теорию оптимизации проектных решений в деле управления состоянием автомобильных дорог в горной местности. Впервые предложена оптимизационная модель, адаптированная к задаче минимизации экологической нагрузки, для оценки и выбора альтернативы дороги методом поиска варианта, ближайшего к идеальному. Усовершенствована методика трассирования, ориентированная на повышение надежности проектных решений и снижение расходов на ликвидацию «отказов» в функционировании горных дорог и поддержание их в эксплуатационном состоянии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и практические результаты обсуждались на научно-технических конференциях Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) (1999 — 2002 г. г.) — на международных научно-практических конференциях: «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы развития» (г. Владикавказ, 2001, 2004 г. г.), «Информационные технологии и системы: наука и практика» (г. Владикавказ, 2002 г.), «Evolutionary Methods for Design, Optimization and Control with Applications to Industrial and Societal Problems» (Barcelona, Spain, 2003) — «Информационные технологии и системы: новые информационные технологии в науке, образовании, экономике» (г. Владикавказ, 2003 г.) Основные результаты исследований опубликованы в 12-ти статьях.

Объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 90 наименований, и приложения. Содержит 158 страниц текста, включая 24 рисунка, 9 таблиц.

Основные результаты выполненной работы заключаются в следующем:

1. Обоснована актуальность создания математических моделей и эффективной организации двухуровневой системы управления состоянием автомобильных дорог на всех стадиях от предпроектной до эксплуатационной, обладающей рядом специфических особенностей, обусловленных горным рельефом.

Поставлены и систематизированы основные задачи исследования.

2. Обобщены и дополнены ранее развитые подходы к аналитической оценке эффективности строительства автомобильных дорог.

Разработана комплексная система целей строительства и критериев их достижения.

Предложен новый подход к оценке эффективности и полезности альтернативных вариантов дороги, основывающийся на методе поиска варианта, ближайшего к идеальному.

3. На основе анализа теоретических основ количественной оценки устойчивости земляного полотна на горном склоне создан и исследован комплекс математических моделей устойчивости системы «горный склонземляное полотно», охватывающий все аспекты строительства.

4. На базе построенных моделей, создана компьютеризованная система поддержки принятия решений для оценки и выбора проектного варианта горной дороги и трассирования в горных условиях.

5. Экспериментальная проверка разработанных и программно реализованных алгоритмов решения поставленных задач, подтвердила их высокую эффективность, а также адекватность выбранных математических моделей.

6. Созданный программный продукт внедрен в практику разработки новых проектных решений по строительству автомобильных дорог в горных условиях.

К настоящему моменту усложнились проблемы дорожного строительства, требующие глубинных изменений в процессе проектирования, строительства и эксплуатации дорог: сложны и часто противоречивы требования, предъявляемые к дорогам (стоимость строительства, безопасность движения, энергоемкость перевозок, охрана природы) — растут объемы потребляемых ресурсов при усиливающихся ограничениях на источники энергии и материалывсе более явной становится тенденция необходимости сокращения сроков строительства.

Эти сложные проблемы дорожной отрасли начинают решаться на начальной стадии функционального, конструкторского и технологического проектирования автомобильных дорог. В настоящих условиях главная задача проектирования в значительной степени состоит в анализе данных изысканий, оценке и оптимизации проектных решений. На первое место выходят требования системного, целостного подхода к проектированию с прогнозированием работы автомобильной дороги с оценкой последствий проектных решений для общества и природы.

Это прежде всего возможность проектировать дорогу с наилучшим соответствием заданию, начиная от формирования концепции дороги на стадии проектного задания до геометрических конструкций в рабочих чертежах. Математическое, алгоритмическое, программное информационное обеспечение дают возможность оптимизировать конструкцию, всесторонне исследовать проектное решение.

Одной из главных причин, обеспечивающих качество проектных решений, является тщательная алгоритмическая проработка сложных задач проектирования в условиях горной местности с использованием современных научных положений.

В этом смы, сле разработанная в настоящей диссертационной работе методика способствует повышению качества проектных решений и полноценному экологическому обоснованию проектов автомобильных дорог в горных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая диссертационная работа является законченной научно-исследовательской работой, в которой решены актуальные научно-технические задачи.