Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН С
ДЕФОРМИРУЕМЫМ ОСНОВАНИЕМ ї 11
-
Проблемы и задачи моделирования процессов взаимодействия технологических машин с грунтом 11
-
Методология измерения параметров местности 19
-
Взаимосвязь между нагрузкой и осадкой 19
-
Взаимосвязь между напряжением сдвига и перемещением 22
-
Сравнительный анализ моделей взаимодействия 24
1.3. Математические методы моделирования процессов взаимодействия
технологических машин с деформируемым грунтовым основанием 30
-
Основные принципы имитационного моделирования 31
-
Декомпозиционные подходы к моделированию сложных технических систем 36
-
Имитационные и гибридные модели 38
-
Оценочные показатели и характеристики микропрофиля дорожного полотна 43
-
Моделирование функционирования технологических машин для грунтовых поверхностей, заданных статистическими характеристиками 51
Выводы по главе 1 55
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ СИСТЕМЫ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГРУНТА, ДОРОЖНОГО ПОЛОТНА И АГРЕГАТОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ 57
2.1. Разработка методики и моделей оценки характеристик грунта по
штамповым экспериментам 57
-
База данных штамповых экспериментов 57
-
Модели погружения и сдвига 59
-
Модель учета скорости 65
-
Методика сравнительного анализа моделей взаимодействия на основе дисперсионного анализа 69
-
Выбор значимых параметров системы показателей грунта 73
2.2. Разработка методики оценивания характеристик дорожного
полотна 75
-
Показатели ровности участков автомобильных дорог 75
-
Экспериментальные исследования по оценке ровности дорог..78
-
Результаты статистического анализа 82
-
Разработки модели генерации случайного процесса микропрофиля дорожного полотна 86
-
Разработка метода анализа взаимодействия одиночного колеса с деформируемым грунтом 87
-
Методика расчета взаимодействия многоколесных машин с грунтом слабой несущей способности 94
2.5. Методика выбора конструктивных параметров технологических
машин 97
Выводы по главе 2 100
3. АНАЛИТИКО-ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ НА
ДЕФОРМИРУЕМОМ ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ 102
-
Разработка моделей и методов проектирования базы данных системы поддержки принятия решений 102
-
Формализация имитационной модели динамики функционирования технологической машиной ПО
-
Операции над процессами ПО
-
Формальное описание процесса поведения агрегатов технологических машин 114
-
Алгоритмическая модель процесса 116
3.3. Разработка методики взаимодействия агрегатов технологических
машин с использованием сцепленных процессов 126
Выводы по главе 3 136
4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ БАЗ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И АЛГОРИТМА ВЛОЖЕННЫХ
ПРОЦЕССОВ 137
-
Структура декомпозиционного метода вложенных процессов 137
-
Программная реализация модели вложенных процессов 140
-
Результаты экспериментальных исследований по оценке профиля автомобильных дорог 149
-
1-ая очередь кольцевой автомобильной дороги вокруг Санкт-Петербурга 149
-
Капитальный ремонт автомобильной дороги Москва - Нижний Новгород 152
4.4. Программная реализация методики расчета одиночного колеса и
многоколесной машины с грунтом 153
-
Проектирование встраиваемых библиотек расчетов 154
-
Структура программных модулей, реализующих встраиваемую библиотеку расчетов 155
-
Подсистема работы с данными 158
-
Связывание переменных вычисляемой функции метода расчета с переменными из источников исходных данных 161
Выводы по главе 4 162
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 163
ЛИТЕРАТУРА 164
ПРИЛОЖЕНИЕ. Документы о внедрении результатов работы 175
Введение к работе
В настоящее время большое внимание уделяется разработке систем поддержки принятия решений в различных областях знаний. Однако на практике недостаточно полно используется спектр математических методов с развитыми формами визуализации данных. Обычно, исследователи не достаточно свободно владеют аналитическими методами, поэтому приходится динамически подстраивать формы представления аналитических расчетов непосредственно под каждого. В классическом варианте, когда реализуются программные модули аналитической обработки, это требует значительных временных затрат, причем неизвестно - будут ли они работоспособны в плане поддержки принятия решений именно данным лицом. В связи с этим предлагается методика интеграции пользовательских приложений, реализованных в различных инструментальных средах, которая представлена упорядоченной совокупностью включенных методов и их алгоритмической структурой с привязкой к разнородной системе баз данных. Реализация методики выполнена на примере проблемы выбора типов технологических и транспортных машин и режимов их функционирования на грунтах со слабой несущей способностью.
Диссертация посвящена решению проблемы автоматизации и создания открытого программно-моделирующего комплекса для повышения эффективности управления технологическими и транспортными машинами.
Целью настоящей работы является создание системы автоматизации обработки и анализа статистических и модельных данных функционирования технологических и транспортных машин и выбор их конструктивных параметров с использованием вложенных процессов.
5 В соответствии с поставленной в диссертации целью решаются задачи: анализ систем поддержки принятия решений, инвариантных к предметным областям; анализ и систематизация методов и моделей расчета характеристик взаимодействия технологических и транспортных машин с деформируемыми грунтами; формализация методики обработки и анализа статистических данных на примере оценивания параметров грунтов и профиля местности по экспериментальным данным; автоматизация методики моделирования динамических систем на примере модели взаимодействия одиночного колеса с грунтом; создание универсальной методики интеграции разнородных компонентов динамических систем и анализ характеристик взаимодействия многоколесных транспортных и технологических машин; разработка базы экспериментальных данных по характеристикам грунта и профиля дорожного полотна; разработка программно-моделирующего комплекса с открытой структурой на основе интеграции с математическими пакетами в рамках гибридной системы поддержки принятия решений.
Теоретической основой диссертационной работы являются общая теория систем, методы оптимизации, случайные процессы, имитационное моделирование, исследование операций, регрессионный анализ, дисперсионный анализ, механика грунтов и другие.
Научную новизну работы составляет создание и использование гибридной системы поддержки принятия решений, обеспечивающей автоматизацию анализа и обработки данных для расчета режимов функционирования и выбора конструктивных параметров технологических машин с использованием вложенных процессов. На защиту выносятся: методика поиска и оценки адекватности новых эмпирических зависимостей по экспериментальным данным статистической базы моделей осадки и сдвига; новые аналитические зависимости моделей погружения штампа; формализованное представление сцепленных процессов системы «движитель-грунт»; методика интеграции имитационных и аналитических моделей компонентов системы «движитель-грунт».
Структура диссертационной работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, методик и алгоритмов.
В первой главе диссертации проводится системный анализ проблем моделирования проходимости технологических машин на грунтах слабой несущей способности. Рассмотрены основные эмпирические зависимости определяющие погружения штампа в деформируемый грунт, что дает основу построению физических моделей оценки характеристик взаимодействия технологической машины на грунте слабой несущей способности. Показано, что математический аппарат моделирования машин высокой проходимости дает основу расчета взаимодействия технологических машин на грунтах со слабой несущей способностью.
Во второй главе разработаны методы и алгоритмы решения задач оценивания параметров грунта на основе статистической обработки данных по штамповым экспериментам. Разработаны физические модели
7 напряженного состояния при локальном воздействии на грунт. Проведено исследование воздействия штампа с деформируемым основанием при ударных нагрузках. Разработаны методика оценивания и классификации параметров регрессионных зависимостей и характеристик взаимодействия технологической машины с грунтом слабой несущей способности при выполнении строительных работ. Проведены исследования по анализу влияния сдвигающих воздействий на осадку. В результате получены новые аналитические зависимости описания осадки под технологической машиной от сдвигающего усилия, превосходящие по точности традиционно используемые модели. Проведен анализ робастности методов многомерного статистического анализа к решению задач классификации грунтов и разработана методика сравнительного анализа схем погружения.
Сформулированы единые требования к программной реализации базы данных и методов статистического анализа экспериментальных данных по штамповым экспериментам на грунтах со слабой несущей способностью.
В третьей главе диссертации ставятся и решаются задачи разработки имитационной модели функционирования технологической машины на грунте со слабой несущей способностью, позволяющей рассчитать тяговые характеристик технологических машин в зависимости от режимов их движения и параметров грунта. Проведен анализ сходимости итерационных процедур, реализующих методы моделирования взаимодействия с деформируемым грунтом. Проведено исследование режимов функционирования и разработана методика сравнительного анализа точности методов. Поставлена и решена обратная задача - задача оценки параметров грунта по характеристикам функционирования технологической машины.
Проведен анализ условно нестационарных случайных процессов, являющихся моделью поведения технологической машины в условиях не
8 стационарности и разработан алгоритм оптимизации режимов перемещения технологической машины при выполнении строительных работ на грунтах со слабой несущей способностью.
В четвертой главе даются описание программно-аппаратного комплекса, реализующего предложенную в работе методику анализа и синтеза режимов взаимодействия технологических машин с грунтами со слабой несущей способностью. Приведено описание основных экспериментов взаимодействия движителей различной формы на грунтах, результатов методик расчета тяговых и энергетических характеристик технологических машин. Приводится описание программных форм, реализующих режимы ввода и описания параметров машин и грунта, а также форм визуализации решения задач анализа и принятия решений по выбору типов машин и режимов их движения.
Проведена апробация методики и показано, что ее использование позволяет за счет адаптации режимов существенно повысить эффективность использования технологических машин, что ведет к сокращению сроков выполнения земельных, транспортных и строительных работ в целом. Кроме того, показано снижение затрат на поддержание работоспособности парка технологических машин.
В заключении представлены основные результаты работы.
Приложение содержит копии актов о внедрении результатов диссертационной работы в промышленности.
Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных зависимостей. Достоверность
9 положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения разработок в ряде крупных организаций.
Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Разработан программно-моделирующий комплекс, позволяющий в интерактивном режиме использовать оперативные данные о состоянии грунтов для принятия решений по выбору типов технологических и транспортных машин для выполнения работ на грунтах со слабой несущей способностью. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ЗАО «Автотехцентр СИМ», ООО «Техноком», а также используются в учебном процессе МАДИ(ГТУ). Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов.
Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение: на республиканских и межрегиональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах (1999-2006 гг.); на заседании кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ(ГТУ).
Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования на предприятиях промышленности. Они представляют непосредственный интерес в области комплексной автоматизации технологических процессов управления технологическими машинами.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работах.
10 Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, опубликованных на 175 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 126 наименований и приложения.
