Разработка метода оптимизации конструкций жестких аэродромных покрытий

В последнее десятилетие роли наук и новой техники в деле дальнейшего совершенствования строительного проектирования и повышения качества проектных решений уделяется значительное внимание. В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 гг. и на период до 1990 года», утвержденных ХХУ1 съездом КПСС, поставлена задача «. Улучшить проектно-сметное дело, осуществлять строительство по наиболее прогрессивным и экономичным проектам. Предусматривать в них повышение эффективности капитальных вложений на основе использования достижений научно-технического прогресса и передового опыта, экономии и труда. Расширить автоматизацию проектно-конструкторских и научно-исследовательский работ .» [5.4]".

Современные аэропорты и аэродромы являются чрезвычайно сложными, капиталоемкими, но в то же время и рентабельными комплексами инженерных сооружений. В связи с широким объемом аэродромного строительства вопросы повышения эффективности и качества проектных решений становятся особенно актуальными. Для эксплуатируемых в настоящее время реактивных воздушных судов требуются взлетно-посадочные полосы длиной 2000;4000 м при ширине 40−60 м. Общая площадь покрытий, необходимая для взлета, посадки, руления, стоянки и обслуживания воздушных судов (самолетов и вертолетов), в крупных аэропортах достигает О.

600 000 м* и больше. Стоимость возведения искусственных покрытий составляет 25% всех затрат на строительство аэропорта.

Необходимость обеспечения надежного функционирования дорогостоящих аэродромных сооружений ставит большие задачи перед проектировщиками аэродромов в связи с непрерывным развитием летательных аппаратов, увеличением их движения на аэродромах, возрастанием массы, взлетно-посадочных характеристик воздушных судов и степени их эксплуатационного воздействия на сооружения. Конструкция аэродромных покрытий должна быть экономичной и обеспечивать длительный срок службы. Покрытия, сохраняя прочность и ровность, должны без разрушения воспринимать нагрузки от воздушных судов, внутренние напряжения от колебания температур, тешговые и механические воздействия струй газов реактивных двигателей, а также усилия, возникающие от неравномерного изменения несущей способности подстилающего грунта. Особые трудности возникают при проектировании аэродромов в особых сложных грунтовых и гидрогеологических условиях территорий Крайнего Севера и Западной Сибири на заболоченных и вечно-мерзлых грунтах.

Необходимш условием успешного решения возникших проблем в сфере строительного проектирования аэропортов и аэродромов является в первую очередь применение современной вычислительной техники, внедрение новых способов проектирования на основе математических методов, а также переход к созданию автоматизированных систем строительного проектирования.

ЭВМ 3-его и 4-ого поколений с полным комплектом периферийного оборудования позволяют принципиально по новому организовать процесс проектирования. При системном использовании средств автоматизированного проектирования инженер-проектировщик может добиться наиболее экономичных проектных решений при одновременном значительном улучшении эксплуатационных качеств аэродромных сооружений, что достигается прежде всего широким использованием в процессе работы методов математического моделирования и оптимизации проектных решений, реализация которых при традиционных способах проектирования практически невозможна .

В одиннадцатой пятилетке предстоит значительно повысить уровень автоматизации проектных работ. По новому ставятся задачи перед министерствами и ведомствами, проектными организациями и коллективами научных работников. Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 312 от 30 марта 1981 г. «0 мерах по дальнейшему улучшению проектно-сметного дела» поставлена задача перехода в близкайлие годы на автоматизированное проектирование и уже в текущей пятилетке довести уровень автоматизации проектных работ до 15−20 $ от общего объема. Такой переход неизбежно связан с перестройкой технологии и методов изысканий и проектирования аэродромов и аэропортов, и, прежде всего, с разработкой и обоснованием эффективных математических моделей и способов оптимизации основных аэродромных сооружений — искусственных покрытий жесткого типа.

В настоящей работе предлагается автоматизированный метод оптимизации эвроритм. В этом методе ЭВМ предоставлен поиск информации, трудоемкие многовариантные расчеты, а проектировщику оставлен анализ результатов, получаемых в зцобной форме. Результатом решения задачи является не только единственное оптимальное решение, но и множество Парето [I], [47], в котором находится это оптимальное решение. Это дает возможность проектировщику выбрать решение, оптимальное по всем другим критериям, которые не могут быть формализованы и реализованы в вида программы для ЭВМ.

В математической формулировке задачи проектирования присутствуют два понятия: практически оптимальное решение и оптимальное решение. В производственном проектировании имеет смысл только практически оптимальное решение, которое будучи не обязательно оптимальным по принятому критерию, но возможно более близким к нему, может быть осуществлено на практике. Оптимальные решения часто неприемлемы из-за необходимости соблюдения дополнительных ограничений, возникающих в ходе самого проектирования, Поэтому решение задачи проектирования невозможно, если не будут получены варианты проектных решений, характеризующие всю область возможных решений или по крайней мере наиболее перспективную ее часть. Проектировщик должен иметь возможность выбора проектного решения.

Программа становится инструментом в руках проектировщика, с помощью которого он может за короткое время проводить сложные эксперименты и получать информацию для окончательного решения, а не «черным ящиком», который после задания исходных данных выдает единственное оптимальное решение. Реальная обстановка часто бывает настолько сложна и многогранна, что знание единственного оптимального решения недостаточно или это решение неполно по эвристическим соображениям, которые невозможно ввести в программу. По этой причине многие разработанные программы, не рбладающие достаточной гибкостью, быстро становятся ненужными.

В диссертации подробно излагаются разработанные авторш следующие основные положения:

1. Сформулирована и решена многокритериальная задача оптимизации конструкций жестких аэродромных покрытий. Главным критерием является минимум приведенных строительных и эксплуатационных затрат, одним из основных критериев — надежность покрытия.

2. При исследовании целевой функцди и области ее определения методом исследования операций и системного анализа определено, что задача оптимизации жестких аэродромных покрытий является задачей нелинейного дискретного программирования комбинаторного типа.

3. Для решения задачи оптимального проектирования разработан эвроритм, получающий варианты проектных решений, характеризующие наиболее перспективную часть области возможных решений и оставляющий проектировщику возможность окончательного выбора. Такой подход к решению задачи совместными усилиями проектировщика и ЭВМ позволяет получать оптимальные решения, которые могут быть осуществлены на практике.

4. Использование структурирования множества допустимых решений, исследование свойств множества и составляющих его подмножеств и разработка способов быстрого поиска внутри подмножеств, основанных на их овойствах, позволили получить эффективный метод поиска перспективных решений.

5. Алгоритм и программа на ЭВМ ЕС-1022 для реализации разработанного метода построены по модульному принципу, они включают всю необходимую для расчета информацию и дают возможность расширения системы «покрытие» и включение ее в общую систему «аэродром» .

6. Разработанная практическая методика автоматизированного проектирования позволяет проектировщику получать практически оптимальные решения по нескольким, в т. ч. эвристическим, критериям которые не могут быть в настоящее время формализованы, и проводить научные исследования с помощью построенной математической модели.

Результаты исследований внедрены в практику проектирова-вания аэродромных покрытий в ПШ и НИИ ГА «Аэропробкт». Годовой экономический эффект, подтверждаемый приведенным в приложении расчетам, составляет 178 тыс.рублей. Результаты исследований были использованы при проектировании покрытий аэропортов Горький, Внуково, Симферополь, Тбилиси и ряда других, для разработки альбома типоеых конструкций, которая ведется в настоящее время в «Аэропроекте», а также в научной и учебной работе кафедры «Аэропорты» МАДИ, при эксплуатационной оцзнке прочности аэродромных покрытий ряда аэропортов сети гражданской авиации для новых типов воздушных судов.

Основные положения диссертации опубликованы в 4-х работах и доложены на XI и XII научно-исследовательских конференциях ГЛАДИ.

В диссертации основное внимание уделено оптимизации следующих конструкций покрытий:

— однослойные бетонные и армобетонные на искусственном основании, обработанном цементом, и без основания, а также на искусственном основании, необработанном вяжущим или обработанном органическим вяжущим или без него;

— двухслойные бетонные или с верхним слоем из армобетона на искусственном основании, необработанном вяжущим или обработанном органическим вяжущим или без искусственного основания;

— бетонные с верхним слоем из асфальтобетона на искусственном основании, необработанном вяжущим или обработанном органическим вяжущим или без искусственного основания.

Работа содержит общее количество страниц 231 Из них 148 страниц текста, 27 иллюстраций, 4 основных таблиц, 10 страниц литературы (98 библиографических названий) и 42 страниц приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

На основе выполненных исследовании по разработке метода оптимизации конструкций жестких аэродромных покрытий южно сделать следующие выводы:

1. Аэродромные покрытия являются сложным элементом функционирования комплекса аэропорта, зависящим от значительного числа параметров и переменных, влияющих на выбор окончатежьно-го варианта проекта. Поэтов для решения задачи автоматизированного проектирования жестких аэродромных покрытий должен быть применен системный подход.

2. Задача оптимизации конструкций жестких аэродромных покрытий многокритериальна. Одним из основных критериев оптимальности является надежность покрытия. Система «покрытие» рассмотрена с точки зрения теории надежности, разработан алгоритм оптимизации покрытий по надежности. Главным критерием оптимальности решения является минимум приведенных строительных и эксплуатационных затрат. Разработанная математическая модель задачи оптимизации конструкций жестких аэродромных покрытий включает расчетную и информационную схемы модели, описание управляемых и неуправляемых переменных, а также параметров оптимизации.

3. Задача оптимизации жестких аэродромных покрытий заключается в нахождении такого значения вектора управляемых первой приведенные строительные и эксплуатационные затраты, область ее определения задана техническими, технологическими, конструктивными и ресурсными ограничениями. С позиций системного подхода определена структура целевой функции РОО — Сцр^ F (fta.6,.

OCH^C^Flo^CgjFlog) и использована область ее определения. Ограничения, задающие область определения U, комбинаторны и нелинейны, функция.

FCX) также дискретна и нелинейна. Следовательно, задача оптимизации конструкций жестких аэродромных покрытий является задачей нелинейного дискретного программирования комбинаторного типа.

4. Для решения сформированной задачи оптимального проектирования требуется получить не оптимальное решение, а практически оптимальное проектное решение, принимаемое к дальнейшей проработке и строительству, т. е. множество допустимых решений X€D, соответствующих экстремальному или близкому к нему значению целевой функции. В настоящей работе разработан эври-ритм, получающий варианты проектных решений, характеризующие наиболее перспективную часть области возможных решений. Такой подход к решению задачи совместными усилиями проектировщика и ЭВМ позволяет получать оптимальные решения, которые могут быть осуществлены на практике.

5. При разработке метода оптимизации использовано структурирование множества возможных решений и исследование свойств множества и составляющих его подмножеств. Такой подход следует логически из системного подхода к построению системы «покрытие». Структурирование и разработка способов быстрого поиска внутри подмножеств, основанных на их свойствах, позволили получить эффективный метод поиска перспективных решений.

6. Разработанный метод реализован, на ЭВМ EC-I022. Алгоритм и программа на языке PL/l построены по модульному принципу, они включают всю необходимую для расчета нормативно-справочную информацию, освобождая проектировщика от ее поиска и заполнение и тем самым сокращая время проектирования и возможность ошибки в задании исходных данных. Модульный принцип построения программы обеспечивает расширение системы «покрытие», включение ее в общую систему «аэродром», а также использование отдельных модулей в других программах.

7. На основе разработанного метода и программы на ЭВМ построена практическая методика автоматизированного проектирования, которая позволяет проектировщику получать практически оптимальные решения по нескольким, в т. ч. эвристическим, критериям, котсрые пока недостаточно исследованы и формализованы. Программа позволяет также проводить эксперименты с разработанной математической моделью и получать различные численные характеристики и зависимости между переменными задачи и может быть использована для научных исследований.

8. Результаты исследований внедрены в практику проектирования аэродромных покрытий в ГПИ и НИИ ГА «Аэропроект», годовой экономический эффект составляет 178 тыс.рублей. Разработанная методика использована при проектировании ряда аэродромов, для разработки альбома типовых конструкций, при эксплуатационной оценке прочности аэродромных покрытий ряда аэропортов сети гражданской авиации для новых типов воздушных суд он.

9. Разработанный метод оптимизации не исчерпывает всех видов жестких аэродромных покрытий. Одним из направлений дальнейших исследований является разработка методов оптимизации монолитных ненапряженных и предварительно напряженных железобетонных, сборных из предварительно напряженных железобетонных плит покрытий. Эти покрытия должны быть включены в общую систему «покрытие» .

В работе был определен главный критерий оптимальности-ми-нимум приведенных строительных и эксплуатационных затрат. Составляющие форлзулы затрат задаются в исходных данных и определяются частично вручную, частично по существующей программе автоматизированного расчета смет. Эта часть проектирования по разработанной методике наиболее трудоемка и требует дальнейшего исследования и автоматизации.

Системный подход к проектированию аэродромных покрытий требует учета всех факторов, влияющих на конструкцию в течение срока службы (изменение надежности, прочностных и деформационных показателей). Для полноты системы «покрытие» необходима разработка эксплуатационной подсистемы, моделирующей изменение, происходящие в конструкции покрытия, в результате воздействия вышеуказанных факторов.

Таким образом, мы определили три главных направления дальнейших исследований.