Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов проектирования организации строительного производства при ремонте инженерных коммуникаций 9
1.1. Методы разработки программы производства работ при ремонте инженерных коммуникаций 9
1.2. Диагностика эксплуатационных и конструктивных показателей в процессе проектирования производства работ для ремонта инженерных коммуникаций 17
1.3. Мониторинг эксплуатационных и конструктивных показателей объектов инженерных коммуникаций для проектирования организации ремонтных работ 19
1.4. Выводы по главе 1 33
Глава 2. Методологические основы анализа технико- экономических характеристик производства работ при ремонте инженерных коммуникаций на промышленных и гражданских объектах 36
2.1. Основные принципы оценки показателей производства работ при ремонте инженерных коммуникаций с различными дефектами 36
2.2. Установление очередности производства работ при ремонте инженерных коммуникаций с учетом показателей строительно-монтажных работ 41
2.3. Методические рекомендации для проектирования организации производства работ при ремонте определенной совокупности объектов 47
2.4. Выводы по главе 2 54
Глава 3. Разработка математической модели оценки эффективности организации строительного производства при ремонте инженерных коммуникаций 57
3.1. Построение иерархической структуры для количественного анализа эффективности организации строительного производства 57
3.2. Формирование плана производства работ при ремонте инженерных коммуникаций с учетом сохранения работоспособности объектов инженерных коммуникаций 61
3.3. Моделирование количественной оценки показателей ремонта объектов инженерных коммуникаций в условиях реализации различных способов производства работ 72
3.4. Выводы по главе 3 77
Глава 4. Построение интерактивной системы оценки эффективности организации строительного производства при ремонте инженерных коммуникаций 80
4.1. Исследование результатов практической реализации интерактивной системы оценки эффективности организации строительного производства при ремонте инженерных коммуникаций 80
4.2. Расчет показателя эффективности организации производства работ при ремонте инженерных коммуникаций на промышленных и гражданских объектах 100
4.3. Принципы оценки проектных решений производства работ при ремонте инженерных коммуникаций в условиях мониторинга эксплуатационных и конструктивных показателей объектов 113
4.4. Выводы по главе 4 117
Заключение 120
Список литературы
- Диагностика эксплуатационных и конструктивных показателей в процессе проектирования производства работ для ремонта инженерных коммуникаций
- Установление очередности производства работ при ремонте инженерных коммуникаций с учетом показателей строительно-монтажных работ
- Формирование плана производства работ при ремонте инженерных коммуникаций с учетом сохранения работоспособности объектов инженерных коммуникаций
- Расчет показателя эффективности организации производства работ при ремонте инженерных коммуникаций на промышленных и гражданских объектах
Диагностика эксплуатационных и конструктивных показателей в процессе проектирования производства работ для ремонта инженерных коммуникаций
На современном этапе развития сети инженерных коммуникаций весьма актуальна постановка задачи создания и реализации концепции выполнения ремонтных работ на объектах инженерных коммуникаций (РИК). Инженерные коммуникации, являясь структурно сложной и территориально распределенной системой, в процессе эксплуатации испытывают различные воздействия внешней среды, которые могут снижать эксплуатационную надежность [1].
Тем не менее осуществление на действующих инженерных коммуникациях определенных организационно-технических и профилактических мероприятий способно заметно повысить их надежность. Выявить возможный характер таких мероприятий, а также обосновать их экономическую эффективность можно с помощью математического моделирования процессов, определяющих надежность инженерных коммуникациях.
Математическая модель составляется для решения конкретной задачи и должна быть по возможности простой, но давать результаты расчетов с достаточной для инженерной практики точностью. При составлении модели важны степень ее детализации, а также строгое математическое определение параметров, характеристик и понятий, которыми она оперирует.
Основным в рамках рассматриваемой проблемы является понятие надежности инженерных коммуникаций, т.е. свойство объекта выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Таким образом, надежность - характеристика качественная. Количественная же оценка надежности связана с понятием отказа, под которым понимается случайное событие, переводящее объект инженерных коммуникаций в неработоспособное состояние. Отказ может возникнуть в любой момент времени и влечет за собой необходимость ремонтных работ непосредственно с момента возникновения отказа с целью восстановления работоспособности инженерных коммуникаций.
Отказ элемента инженерных коммуникаций является случайным событием, поскольку нельзя заранее точно указать момент его возникновения.
Для ремонтируемых элементов инженерных коммуникаций, в частности участков трубопроводов, необходимо изучить последовательность случайных событий, представляемых повторяющимися отказами, следующими за многократными ремонтами.
С точки зрения теории надежности последовательность случайных событий, представляемых повторяющимися отказами, следующими за многократными ремонтами позволяют рассматривать функционирование инженерных коммуникаций как марковский случайный процесс с непрерывным временем и двумя состояниями: Ф1, при котором система инженерных коммуникаций работает нормально, и Ф2 - когда на объекте инженерных коммуникаций производятся ремонтные работы.
Переход из Ф1 в Ф2 происходит под воздействием потока отказов, а обратный переход из Ф2 в Ф1 - под воздействием потока восстановлений. Под потоком отказов для инженерных коммуникаций понимается последовательность однородных событий - аварий, происходящих в произвольные моменты времени.
Время между двумя последующими отказами объектов инженерных коммуникаций есть непрерывная случайная величина, которая может быть описана некоторой плотностью распределения вероятностей (дифференциальным законом распределения) /(т). Функция /(т), получаемая на практике путем обработки данных наблюдений о состоянии объектов инженерных коммуникаций, полностью определяет все параметры потока и, в частности, его важнейшую характеристику - интенсивность отказов, которая в общем случае зависит от времени.
Интенсивность отказов элемента системы инженерных коммуникаций можно описать аналитической функцией плотности вероятности возникновения отказа в определенном промежутке времени - это и есть риск эксплуатации объекта [2]. При этом, конструктивная надежность зависит от прочностных характеристик конструкций инженерных коммуникаций, а эксплуатационная надежность определяется качеством и условиями эксплуатации инженерных коммуникаций.
Таким образом, практика эксплуатации и ремонта объектов инженерных коммуникаций обуславливает основные направления совершенствования организационного и технологического планирования ремонта инженерных коммуникаций (рис. 1.1): диагностики инженерных коммуникаций; ранжирования объектов инженерных коммуникаций; степени важности объектов инженерных коммуникаций по функциональному назначению, техническому состоянию, условиям эксплуатации; методам проведения ремонтных работ.
Выделим из направлений совершенствования организационного и технологического проектирования производства работ при ремонте инженерных коммуникаций формирование систем анализа очередности производства работ, а также производство работ при ремонте объектов без прекращения эксплуатации инженерных коммуникаций. Показатели и характеристики формирования концепции систем анализа очередности производства работ при ремонте инженерных коммуникаций приведены на рис. 1.2.
Совершенствование организации и технологии установления очередности производства работ при ремонте - это определение очередности по эксплуатационному назначению элементов инженерных коммуникаций, т.е. очередность производства работ при ремонте зависит от риска эксплуатации объекта с дефектами.
Установления очередности производства работ при ремонте инженерных коммуникаций с учетом эксплуатационных характеристик должно учитывать: к1 конструкционные особенности объекта инженерных коммуникаций (например, диаметр труб); Кг - характеристики режима эксплуатации (например, производительность); природно-климатические и инженерно-геологические условия прокладки инженерных коммуникаций; кз - наличие специальных технических решений в условиях преодоления препятствий;; кл - эксплуатационные характеристики системы коррозионной защиты.
Установление очередности производства работ при ремонте инженерных коммуникаций с учетом показателей строительно-монтажных работ
Затраты на осуществление решений, связанных с такими сложными объектами и процессами, непрерывно возрастают, а последствия неудачных решений становятся все серьезнее. Выбор эффективного организационного или технологического решения как правило основан не на предшествующем опыте инженерно-технического работника, а на использовании научных методов математического и имитационного моделирования.
Представление организационного или технологического процесса в виде иерархической структуры способствует правильному пониманию проблемы и формированию вариантов решения поставленных задач в определенной последовательности.
Современное состояние методологии принятия решений интересует сейчас многих специалистов в самых различных областях человеческих знаний. Поэтому цель настоящей работы состоит в создании интерактивной системы автоматизации проектирования производства ремонтных работ в условиях повышения работоспособности инженерных коммуникаций, в обсуждении основных положений теории принятия решений, ее методов и возможностей.
Следует отметить, что имеются различные высказывания относительно перспектив и возможностей теории принятия решений. Одни авторы высказываются весьма оптимистично, считая, что уже есть примеры полностью автоматизированных решений и то, что развитие вычислительной техники очень скоро приведет к полной замене человека в этой области. Другие, наоборот, утверждают, что ПЭВМ никогда не смогут принимать решения лучше, чем это делают люди, и люди никогда не доверят машинам принятия ответственных решений.
Такого рода противоречивые высказывания создают у многих неправильное представление о самой проблеме принятия решений и вызывают предубеждения по отношению к теории, которая занимается ее изучением. Эти предубеждения отчасти обусловлены тем, что современное состояние теории принятия решений мало освещается в широкой научно-технической литературе, а отчасти тем, что многие авторы, отдавая дань моде, необоснованно используют термин принятие решений. Вопрос о предмете теории принятия решений в автоматизированных системах проектирования технологических процессах является довольно сложным. Одного указания на то, что эта теория занимается проблемами, связанными с выбором людьми наилучших решений, совершенно недостаточно. Эти проблемы изучаются и другими научными дисциплинами.
В сложных реальных ситуациях представления лица, принимающего решение с помощью автоматизированной системы проектирования производства работ, о задаче, обычно оказываются неполными и нечеткими. Они не позволяют ему априори полностью оценить эффективность различных организационных и технологических вариантов решений, сформировать желательную последовательность реализации рассматриваемых вариантов, а также остановиться на реальной формулировке списка показателей и характеристик выбора. Другими словами, система предпочтений лица, принимающего решение, является слабоструктуризованной. Именно эта слабая структуризованность системы предпочтений, лежащей в основе проводимого выбора, выделяет такие задачи в особый класс — задачи принятия решения с помощью автоматизированных систем проектирования производства работ.
Слабая степень структуризации присуща большинству исходных содержательных постановок задач выбора, решаемых различными математическими методами. Для ее преодоления обычно разрабатывается математическая модель, в рамках которой и осуществляется структуризация исходной содержательной задачи. Математическое моделирование задач ранжирования организационных и технологических процессов предполагает существование возможности представления рассматриваемых проблем в виде совокупности блоков с количественной оценкой критериев выбора вполне определенного вида. Таким образом, оценка критериев выбора - это главная задача процесса ранжирования. Так, в задачах линейного и нелинейного программирования задача ранжирования решается путем представления критериев выбора в виде количественных величин с одновременным заданием математических операций, реализация которых позволяет анализировать получаемую структуру ранжированных решений.
Вопросы, связанные с получением значений коэффициентов целевой функции, выделением класса задач выбора, в которых критерий выбора может быть описан определенной целевой функцией, в теории математического программирования не рассматриваются. Преодоление трудностей в автоматизированных системах проектирования производства работ - это разработка таких методов структуризации, которые не исключают возможность изменения всей иерархической структуры процесса самим инженерно-техническим работником. Таким образом, инженерно-технический работник не только не исключается из такого процесса структуризации, но и принимает в нем непосредственное участие. При этом, теория принятия решений с помощью автоматизированной системы проектирования производства работ отнюдь не предполагает наличия у лица, принимающего решения, каких-либо идеализированных качеств. Напротив, эта теория подсказывает инженерно-техническому работнику, столкнувшемуся с трудной проблемой выбора, как выйти из этого положение, выбрав действие, наилучшим образом отвечающее его индивидуальным оценкам и предпочтениям. Цель такого подхода в том, чтобы помочь нам размышлять и действовать немного более систематически — если нам это понадобится.
Решение проблем с помощью автоматизированной системы проектирования производства работ обычно разделяют на несколько видов в зависимости от того, принимаются ли решения индивидуумом или коллективом, насколько однозначна связь между решениями и их исходами, как характеризуются исходы выбираемых решений. Обсуждение всего многообразия задач принятия решений, очевидно, выходит далеко за рамки настоящей работы. Для того чтобы сузить круг рассматриваемых проблем, в дальнейшем мы ограничимся только задачами индивидуального принятия решений в условиях определенности (в детерминированных ситуациях). В этих задачах лицо, принимающее решение, единственно, а каждый альтернативный вариант решения приводит к некоторому вполне определенному исходу.
Основная трудность принятия решений с помощью автоматизированной системы проектирования производства в детерминированных ситуациях связана с априорным отсутствием таких скалярных показателей, которыми может быть оценено качество альтернативных вариантов решений. Причиной отсутствия этих показателей в большинстве сложных и важных практических задач обычно является исходная многоаспектность понятия цель принятия решений (а следовательно, и понятия «качество варианта решения»). При этом часто оказывается возможным провести содержательную декомпозицию цели по ее отдельным аспектам на подцели и ввести показатели, характеризующие степень достижения этих подцелей в рамках данной задачи,
Формирование плана производства работ при ремонте инженерных коммуникаций с учетом сохранения работоспособности объектов инженерных коммуникаций
Матрица, где количество столбцов равно количеству строк, является квадратной и положительной, имеет собственное значение X Z п (действительное и максимальное по модулю). Этому собственному значению соответствует собственный вектор 0, сумма положительных компонентов которого равна 1. Следовательно, ранги сравниваемых характеристик будут соответствовать количественной оценке компонентов собственного вектора и эти величины можно положить в основу ранжирования характеристик. Следует отметить, что рассчитанные величины компонентов собственного вектора позволяют оценить степень их влияния на реализацию поставленной в задаче цели с учетом всех характеристик, которые представлены в виде балльных оценок в матрице экспертных суждений инженерно-технических работников.
Итак, матрица экспертных суждений инженерно-технических работников [Е] приводит нас к необходимости определения компонентов собственного вектора этой матрицы, что позволяет ранжировать используемые в матрице характеристики [99, 100, 101].
Если собственное значение матрицы [Е] равно tamx и 0 - собственный вектор, то можно записать равенство Е-0 = А,тах-0 . (3.2) Из соотношения (3.2) собственный вектор 0 с точностью до постоянной величины (pconst = const определяется из соотношений q co„sr0 = lim
При вычислении со бственного вектора 0 и собственного значения Хтах следует установить границу точности вычислений, т.е. допустимую погрешность 4 = 0,01 (достаточная для практики точность независимо от порядка матрицы) с учетом номера итерационной процедуры Z (Z = 1 - к = 1; Z = 2- k = 2;Z = 3- k = 3и т.д.):
Сумма компонент собственного вектора 0 равна единице, так как вектор нормирован [102]: 01+02 + ...+0п=1. (3.6) Воспользуемся алгоритмом возведения в степень матрицы [103, 104, 105], аналитическое представление которого выражается в виде И-И = И2 ; [Ер-И2 = [Е]4 ; [Е]4.[Е]4 = И8 И8-И8 = И16 ; 3-7) Здесь обратим внимание на тот факт, что величина [Е]16 дает достаточную точность и можно записать следующее соотношение qw0 = [Е]16.е/{ет-[Е]16.е} (3 8)
Итак, для представленной выше иерархической структуры с целью установления очередности производства работ при ремонте определенной совокупности инженерных коммуникаций, на первом этапе (блок 2) необходимо сформировать матрицу интегральной количественной оценки по одной группе характеристик по сравнению с изменениями оценок по другой группе характеристик, где количество строк равно количеству столбцов —» 9 (матрица попарных сравнений):
На втором этапе формируются матрицы для блока 3 по аналогии с блоком 2 (интегральная количественная оценка по одной характеристике по сравнению с изменениями оценок по другой характеристике) и блока 4 (интегральная количественная оценка по одной характеристике по отношению ко всем рассматриваемым объектам инженерных коммуникаций). При этом используется шкала суждений 1 - 9 (балльная оценка), что определяет интенсивность вклада каждой характеристики в конечную цель с учетом экспертной оценки вероятности появления отказа на данном объекте инженерных коммуникаций.
Компоненты собственного вектора матрицы попарного сравнения Лі, М, ... , Лп, а также согласованность суждений инженерно-технических работников с целью установления очередности производства работ при ремонте определенной совокупности инженерных коммуникаций в рассматриваемом случае будут равны: Хі = 0,312; Х2 = 0,223; Хз = 0,152; Х4 = 0,103; Х5 = 0,069; Х6 = 0,052; Х7 = 0,040; Х8 = 0,029; Х9 = 0,020; X = 9,392; Consistency = 0,049. Полученные результаты свидетельствуют о том, что инженерно-технические работники отдали предпочтение влиянию на ранжирование производства работ при ремонте определенной совокупности инженерных коммуникаций группе характеристик Лі = 31,2% (нормативные проектные решения). Группа характеристик Л = 10,3% (коррозионная защита) в три раза меньше Лі, но в пять раз больше Л9 = 2,0% (восприимчивость к повреждениям). Последовательное представление попарного сравнения характеристик в блоке 3 и блоке 4 приведено в табл. 3.2 - табл. 3.4. Количественные данные указанных таблиц позволяют установить очередность производства работ при ремонте определенной совокупности инженерных коммуникаций с учетом отраженных в базе данных эксплуатационных и конструктивных показателей.
Выше представлена математическая модель процесса обоснованного определения очередности производства работ при ремонте инженерных коммуникаций и предложен алгоритм принятия решений, учитывающий принципы реализации автоматизированного проектирования, что позволяет осуществлять организационное и технологическое проектирование ремонтных работ в кратчайшие сроки с неограниченным числом сравниваемых объектов инженерных коммуникаций.
Концептуальная модель интерактивной системы анализа очередности производства работ при ремонте инженерных коммуникаций с учетом балльного анализа промышленной безопасности в условиях интенсивной эксплуатации способствует формированию соответствующей функциональной моделе системы инженерных коммуникаций, применение которой обеспечивает снижение стоимости подготовки обоснованных решений и сокращение продолжительности процедуры принятия решения, и как следствие, снижение финансовых затрат на формирование ремонтной программы инженерных коммуникаций.
Расчет показателя эффективности организации производства работ при ремонте инженерных коммуникаций на промышленных и гражданских объектах
Веб-сервер позволяет обеспечить возможность работы соответствующих инженерно-технических работников с нормативно-техническими документами по РИК в интерактивном режиме; организовать доступ в сети Интернет к расчетно-аналитическим возможностям для определения оптимальной ремонтной программы для систем объектов инженерных коммуникаций и формирования проектов производства работ при ремонте инженерных коммуникаций. Функциональная модель комплексной системы оценки эффективности организации строительного производства при РИК, предназначенная для информационной поддержки автоматизированного проектирования производства работ при ремонте инженерных коммуникаций, использует принципы диаграмм потоков данных DFD (Data Flow Diagram), которые являются центральными составляющими структурного анализа, моделирующих процессы обработки данных. Модель системы проектирования разрабатывалась путем продвижения по структурной иерархии с реализацией поэтапной детализации. На рис. 4.5 приведены принципы диаграммы потоков данных высшего уровня, которые дают возможность понять характер связей системы с внешней средой
Математическая модель процесса обоснованного определения очередности производства работ при ремонте инженерных коммуникаций основана на аксиоматическом предположении о том, что компоненты собственного вектора 0 и являются ранжирующими характеристики в каждом блоке. Для установления общей очередности производства работ при ремонте определенной совокупности объектов инженерных коммуникаций нам надо использовать принцип обобщения решения, т.е. получить глобальный собственный вектор с учетом уже полученных в блоке 2 и блоке 3 собственных векторов и их компонентов.
В соответствии с принципами матричного анализа можно записать оценку инженерно-технических работников в виде количественной величины реализации аварийной ситуации (отказа) на каждом объекте Pi, Р2, ... , Р9 из рассматриваемой совокупности по уже полученным интегральным показателям (компонентам собственных векторов блока 2, блока 3 и блока 4) в виде алгебраических выражений:
Последнее соотношение используется для установления очередности ремонта инженерных коммуникаций на промышленных и гражданских объектах. Здесь следует обратить внимание на следующее обстоятельство. Дело в том, что величина эксплуатационного риска для одного объекта из совокупности не несет в себе никакой информативной составляющей, так как математическая модель описывает только процесс попарного сравнения объектов, т.е. величину эксплуатационного риска для одного объекта можно сопоставить с величиной эксплуатационного риска для другого объекта. Результат такого сопоставления и есть информационная качественная и количественная характеристика величины опасности продолжения эксплуатации одного и второго объекта без производства ремонтных работ.
Отметим еще одну особенность предлагаемой математической модели для установления очередности ремонта инженерных коммуникаций на промышленных и гражданских объектах. Она заключается в том, что даже на новых системах инженерных коммуникаций существует определенная объективная вероятность реализации отказа одного из элементов системы, поэтому сумма характеристик Zi=i,9 РІ 0.
Итак, предположим, что нам надо установить очередность производства работ при ремонте определенной совокупности инженерных коммуникаций: ON-1, ON-2, ON-3 и ON-4 - соответственно, четыре системы инженерных коммуникаций с относительной протяженностью LВ(ON-l)/L = 0,25, LI – II(ON-2)/L = 0,25, LIII – IV(ON-3)/L = 0,25, LIII – IV(ON-4)/L = 0,25 и одинаковым сроком эксплуатации (25 лет).
База данных интерактивной автоматизированной системы установления очередности ремонта инженерных коммуникаций содержит 9 характеристик по ON-1, ON-2, ON-3 и ON-4. Исходные значения характеристик для анализа очередности производства работ при ремонте инженерных коммуникаций (четырех объектов, соответственно ON-1, ON-2, ON-3 и ON-4):
