автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Оценка и прогнозирование рисков в системе инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог

На правах рукописи

005060518

БЕНДЕР Оксана Анатольевна

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РИСКОВ В СИСТЕМЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Специальность: 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г з т 2013

Новосибирск - 2013

У ,

С,-

005060518

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС) на кафедре «Технология, организация и экономика строительства».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Воробьев Валерий Степанович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология, организация и экономика строительства», декан факультета «Строительство железных дорог»

Ефименко Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобильные дороги» ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Конкин Алексей Владимирович,

кандидат технических наук, начальник отдела информационных технологий и связи ГКУ НСО «Территориальное управление автомобильных дорог Новосибирской области» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная

академия (СибАДИ)»

Защита состоится «23» мая 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета ДМ 218.012.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС) по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 224, тел. (383) 328-04-02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения». / }

Автореферат разослан «19» апреля 2013 г. ' - "

Отзывы на автореферат диссертации, подписанные и заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Л.Ю. Соловьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Важным элементом управления надежностью дорожной сети является система диагностики и оценки транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог. Для получения на основе диагностики и оценки состояния дорог наиболее полной, объективной и достоверной информации внедряются самые современные методы и средства инструментального контроля диагностических показателей. Так как любые измерительные приборы обладают погрешностями, то в системе контроля возникают ошибки 1-го и 2-го рода, которые на стадии принятия решений порождают риски производителя дорожно-строительных работ и риски пользователя автомобильными дорогами. Проблеме управления рисками в различных отраслях, в том числе и автомобильно-дорожной, в настоящее время уделяется довольно серьезное внимание. Вместе с тем, как показал анализ публикаций, данная проблема в автомобильно-дорожной отрасли чаще всего рассматривается с позиций влияния рисков на безопасность движения автотранспорта, влияния рисков на сроки реализации и стоимость инвестиционных проектов. Вопросам оценки, прогнозирования и влиянию рисков инструментального контроля на социально-экономические показатели сторон причастных к строительству, ремонту и эксплуатации дорог уделяется в научно-практическом плане недостаточно внимания. Недостаточная теоретическая разработка данной проблемы и сопутствующих задач, появление новых требований к качеству строительных и ремонтных работ при оптимальном использовании ресурсов и снижении затрат, обусловленных необоснованными рисками, делают ее крайне актуальной.

Степень разработанности темы исследований. В области проектирования и строительства автомобильных дорог большое значение имеют основополагающие труды профессоров Бабкова В.Ф., Бируля А.К. Развитию научных основ эксплуатации автомобильных дорог, их ремонта и содержания посвящены работы профессоров Васильева А.П., Золотаря И.А.,

Зарецкого Ю.К., Иларионова В.А., Калужского А.Я., Казарновского В.Д,. Корсунского М.Б., Красикова O.A. Эксплуатационная надежность автомобильных дорог в природных условиях Сибири исследована в ряде работ профессора Ефименко В.Н. Большой вклад в теорию и практику математического моделирования внесли Вентцель Е.С., Ларичев О.И, Моисеев H.H., Нейлор К. Научные основы управления состоянием и надежностью различных технических объектов с позиций теории рисков созданы трудами профессоров Сергеева А.Г., Столярова В.В., Шейнина A.M.

Управление рисками в процессе инвестиционных проектов исследовалось Артамоновым A.A. Проблемами рисков и надежности в строительстве занимались Андерсен Т., Линда Н., Чеховский А. и др.

Однако в большинстве работ отечественных и зарубежных ученых не в полной мере отражена проблема оценки рисков в системе инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог.

Объект исследования. Система содержания автомобильных дорог.

Предмет исследования. Оценка и прогнозирование рисков в системе инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния покрытия дорожной одежды.

Цель исследования. Повышение достоверности оценки и прогнозирования рисков в системе инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог для снижения социально-экономических потерь участников автодорожных проектов.

Задачи исследования, обеспечивающие достижения цели:

1. Реализовать визуальное и техническое диагностирование транспортно-эксплуатационного состояния участков исследуемой автомобильной дороги.

2. Разработать вероятностные и имитационные модели оценки и прогнозирования рисков в системе инструментального контроля диагностических параметров транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог.

3. Разработать алгоритмы и программное обеспечение для оценки и

прогнозирования рисков в системе диагностики транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог, реализовать компьютерный эксперимент.

4. Выполнить экспериментальные исследования и компьютерное моделирование рисков производителя ремонтных работ и пользователя автомобильных дорог, дать оценку вероятных экономических потерь.

Основная идея исследования состоит в установлении связи оценки рисков и соответствующих экономических потерь в функции достоверности инструментального контроля транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог.

Научная новизна исследования заключается в том, что предложена многоподходная методика для количественной оценки и прогнозирования рисков и экономических потерь в системе инструментального контроля качества содержания автомобильных дорог, состоящая в следующем:

- впервые разработаны формализованные модели количественного прогнозирования рисков в условиях статистической неопределенности системных агентов процесса контроля транспортно-эксплуатационного состояния покрытия дорожной одежды;

- предложены новые методы и модели оценки экономических потерь производителей дорожно-строительных и ремонтных работ и пользователей автотранспорта в функции рисков инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог;

- предложены новые алгоритмы и программные приложения для количественного расчета рисков в системе контроля ровности дорожного покрытия.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке методов и моделей, развивающих теорию управления в части многоагентного исследования поведения системных объектов-агентов в условиях неопределенности и рисков принятия решений в системе диагностики и

контроля качества производства ремонтных работ.

Практическую значимость работы составляют:

1. Рекомендации по выбору метрологических характеристик приборов контроля ровности дорожного покрытия, использованные в проекте капитального ремонта автомобильной дороги «Усть-Каменогорск-Зыряновск».

2. Программный пакет для оценки и прогнозирования рисков, внедренный в ТОО «Центр социальных проектов» для обоснования точностных показателей средств измерения в автоматизированных системах технологической подготовки производства.

3. Использование результатов исследований преподавателями учебных заведений.

Методология и методы исследования. Примененная в работе методология как система формирования принципов и способов организации и ведения теоретической и практической деятельности основана на методах системного подхода, теории рисков, методах моделирования, экспертных оценок, стандартах системы менеджмента качества.

Положения, выносимые на защиту:

- вероятностные и имитационные модели количественной оценки и прогнозирования рисков в системе инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния дорожной одежды;

- алгоритмы и программное обеспечение для расчета рисков и экономических потерь в системе контроля ровности дорожного покрытия;

- результаты компьютерного моделирования рисков инструментального контроля ровности дорожного покрытия в условиях статистической неопределенности системных агентов.

Достоверность результатов обеспечивается соответствием результатов исследования теоретическим положениям квалиметрии и системного анализа, их взаимной непротиворечивостью, и определяется адекватностью математических моделей, корректным применением общеметодических принципов и методов научного исследования, достаточностью

информационной базы, сходимостью результатов теоретических и экспериментально-статистических исследований в условиях эксплуатации, основанных на современных методах исследований, и обработкой полученных результатов известными методами математической статистики.

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Строительство зданий, сооружений и транспортных коммуникаций» Восточно-Казахстанского государственного технического университета им Д. Серикбаева в 2012 году, межкафедральном научном семинаре Томского государственного архитектурно-строительного университета (ТГАСУ) в 2012 году, объединенном научном семинаре Сибирского государственного университета путей сообщения в 2013 году и на конференциях:

- международной 66-ой научно-практической конференции ФГБОУ ВПО «СибАДИ» «Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования -основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России», Омск, 18-19 октября 2012 г;

- международной научно-практической конференции «Научный прогресс на рубеже тысячелетий», Чехия, 27 мая - 05 июня 2012 г;

- международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» г. Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 26-28 апреля 2012 г;

- десятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, Политехнический университет, 09-11 декабря 2010 г;

- международной научно-технической конференции «Роль вузов в формировании инновационной экономики», ВКГТУ, Усть-Каменогорск, 25-26 сентября 2008 г;

- международной научно-практической конференции «Стратегия территориального инновационного развития региона "Золотое кольцо Алтая"», Усть-Каменогорск, 4-5 октября 2007 г.;

- международной конференции «Инженерное образование и наука в XXI веке», Алматы, 24-25 сентября 2004 г.

Публикации результатов исследований. По результатам исследования опубликовано 8 научных работ, в том числе 4 работы (личный вклад 1,72 п.л.) в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы (140 источников) и четырех приложений, изложенных на 140 страницах. Основной текст работы содержит 24 таблицы и 31 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, объект и предмет исследования, новизна и практическая значимость, приведены данные об апробации результатов работы, перечислены полученные результаты.

В первом разделе работы рассмотрены современное состояние проблемы, проведен анализ критериев и методов оценки качества строительства и содержания автомобильных дорог, отмечена роль статистических факторов в процессе контроля транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог, выполнен анализ инструментальных средств контроля конструктивных и эксплуатационных параметров дорожного покрытия. Было установлено, что качеству контроля сопутствуют риски, которые бывают двух типов: первого и второго рода. Количественно данные риски оцениваются вероятностями ложного брака (Р;,б) и необнаруженного брака (Р„б)- Ложный брак интерпретируется как риск производителя, а

необнаруженный брак, как риск заказчика или потребителя работ. Эти риски приводят к экономическим потерям. Обзор показал, что задачи количественного оценивания рисков и экономических потерь в их функции, разработаны недостаточно, так как в каждом конкретном случае существует своя специфика в формализации задачи и прикладная интерпретация результатов. Предыдущими исследованиями также было установлено, что уровень рисков в значительной мере зависит от степени неопределенности нормативного и метрологического обеспечения процесса контроля, что требует специального теоретического и экспериментального изучения.

Второй раздел. С целью системного исследования процесса формирования рисков и их количественной оценки был использован многоподходный метод моделирования, который использует, по мере необходимости, следующие три подхода: системной динамики, дискретно-событийный и агентное моделирование.

Необходимость использования перечисленных подходов обоснована тем,

что:

- моделируемая система состоит из разных по своей природе объектов и процессов, взаимно влияющих друг на друга, таких как дорожное покрытие, процессы измерения, сравнение измеренного значения с нормативом, процесс принятия решений, моделирование которых требует использования разных методов;

- в пределах одной модели варьируются уровень абстракции и такие неопределенности как статистические вариабельности: контролируемого параметра, инструментальных средств измерения, предельных значений параметров и законов распределения;

- различные процессы и процедуры модели проще и эффективнее описывать, используя разные подходы.

Системная динамика предусматривает рассматривать все этапы и процедуры как систему процессов, что отвечает требованиям ИСО 9001.

Агентное моделирование для оценки и прогнозирования рисков на этапе

принятия решений в системе диагностики и контроля качества производства ремонтных работ в статистических условиях неопределенности опирается в большей части на вероятностное и имитационное моделирование. Агентное моделирование исследует автономное поведение системных объектов-агентов и то, как это поведение определяет поведение всей системы в целом. В отличие от системной динамики исследователь оценивает поведение агентов на индивидуальном уровне, а поведение системы в целом есть результат деятельности всех агентов, что называется - моделирование «снизу вверх».

В работе контроль исследуется, как многоагентная система, представленная рисунком 1.

Внешние агенты (проект)

Г

Среда

Агент дорога

Контрол ь

>1 си с

Ь. и

и <

{Бизм;

Рнб

Рлб

Агент -система решение

_ J

Годен

Негоден

Агент - система ремонта

Рисунок 1 — Многоагентная модель контроля с восстановлением функционального качества объекта В системе выделены следующие агенты: внешние агенты (проект); агент дорога; агент прибор; агент норматив; агент - система решение; агент - система ремонт. Обязательной процедурой контроля является измерение. Измерение рассматривается как самостоятельный агент, который обладает независимой характеристикой — законом распределения погрешности.

Показатели качества, согласно установленным требованиям, не должны выходить за некоторые допустимые нормативы. Нормативы (пределы) могут быть односторонние (снизу или сверху) и двухсторонние. Общая оценка качества автомобильных дорог определяется значениями показателей потребительских свойств, которые обеспечиваются фактическими значениями уровня эксплуатационного содержания, геометрических параметров, технических характеристик, качеством инженерного оборудования и обустройства. В контексте данной работы были экспертно выбраны два показателя: продольная ровность дорожного покрытия и модуль упругости дорожной одежды. В связи с тем, что ровность дорожного покрытия и прочность дорожной одежды находятся в тесной корреляционной связи, то объектом для дальнейших исследований был выбран показатель ровности.

При верхнем нормативном ограничении вероятность ложного брака Рлб

(риск производителя работ) находится из следующего выражения:

у2

РЛ6 = Ъ \ -гг^-е Ж- I -Л-.е^Уф (1)

1=1 5,- < ¿ЛС, $ ^Я-СГу

Вероятности необнаруженного брака Рнб при верхнем ограничении находится из следующего выражения:

(^-■у2 у2

к 1 -аз 1 ? 2

/=1 л/27Г<75

Рассматривая случай ограничения нормативов «снизу», что имеет место при оценке прочности дорожной одежды, получены следующие аналитические выражения:

(^■у2 у2

к 1 1 -Уст2 11\

= «й- \ -±-.е1аУау ^

/=15. л/2ка5 _(5._5н)л/2лау

к 5''+1 1 9—-2 +«> 1 2сг2 Г4">

4 = ^ I (4)

/=1 л!2л<7$

Приведенные формулы ориентированы на простые частные случаи системы контроля.

В связи с тем, что по своей природе нормативы являются величинами случайными, то возникает необходимость в разработке универсальной модели. Универсальность модели состоит в том, что нормативные значения рассматриваются, как величины случайные, а поле нормативов проецируется на поле контролируемого параметра произвольным способом. Для данного случая в качестве закона распределения контролируемого параметра был выбран закон Вейбулла. Исследования показали, что он является наиболее распространенным, и наиболее приемлемым для целей моделирования среди известных законов. При определенных значениях параметра формы закон Вейбулла позволяет моделировать нормальный, экспоненциальный и некоторые другие законы. Аналитическое выражение интегральной функции распределения закона Вейбулла имеет вид

'бЛ"

(5)

где а — параметр масштаба; (3 — параметр формы.

Использование, интегрального выражения упрощает численное интегрирование в расчетных значениях ошибок контроля. Для целей компьютерного моделирования наиболее эффективным является имитационный подход. Алгоритм имитационной модели расчета ошибок Рнб, Р1б и достоверности Б для распределения контролируемого параметра по закону Вейбулла и произвольного расположения поля допуска по отношению к среднему значению диагностического параметра приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 — Имитационный алгоритм формирования ошибок при допусковом контроле и произвольном расположении нормативов

В третьем разделе приведены результаты натурных исследований и компьютерного эксперимента, а также практические рекомендации.

В качестве объекта исследования была определена дорога «Усть-Каменогорск-Зыряновск», находящаяся в IV дорожно-климатической зоне. В результате визуального диагностирования было выделено 5 однородных участков (макроучастка) длиной: 46 км, 14 км, 20 км, 3 км, 87 км со сроками эксплуатации 5 лет, 3 года, 5 лет и 6 лет соответственно. Четвертый макроучасток не исследовался.

Согласно требованиям ПР РК 218-03-02 «Инструкция по оценке ровности дорожных покрытии толчкомером» (далее Инструкция) на каждом макроучастке было определено количество коротких участков - микроучастков и их длина. Тогда, при известной длине макроучастка £,• и установленной длине микроучастка /, были определены объемы выборок: //=500 м, т, = 92; /2=300 м, т2=46; /¿=400 м, т3=50; /,=1000 м, т5 = 87.

В качестве прибора для оценки ровности дорожных покрытий Инструкцией рекомендуется использовать толчкомер ТХК-2, который в данном исследовании был установлен на автомобиль марки ГАЗЕЛЬ. С целью уменьшения влияния колейности рекомендуется осуществлять два проезда автомобиля в прямом и обратном направлениях. При установленной неоднородности этих выборок необходимо проведения третьего проезда. В случае отсутствия различия, прямая и обратная выборки объединялись в одну для дальнейшей статистической обработки. Оценка статистической однородности выборок осуществлялась по Б-критерию Фишера и, в случае необходимости, по ^критерию Стьюдента. Результаты измерений ровности дорожного покрытия заносились в журнал.

Для использования результатов натурных экспериментов в моделях расчета рисков, были выявлены законы распределения ровности дорожного покрытия для каждого макроучастка. Исследование на принадлежность эмпирических распределений к теоретическому, было реализовано по стандартной методике, использующей критерий Пирсона, и показало, что гипотеза о принадлежности к нормальному закону с доверительной вероятностью 0,95 не отвергается для первого, второго и третьего макроучастков. Аналитическая форма функций плотности распределения для этих макроучастков имеют следующий вид:

на первом макроучастке

для второго макроучастка

/1(5,о-2,52ср) =

2А-\[2л

- для третьего макроучастка

/1(5,,сг3,5ЗСр) =

21,\42ж

(5-Н9Г 1298

(5-135Г 1152

(5—167) 1470

(7)

(8)

Гипотеза о принадлежности эмпирического распределения пятого макроучастка к нормальному закону с доверительной вероятностью 0,95 отвергается, поэтому была исследована вторая гипотеза на принадлежность распределения к закону Вейбулла. На рисунке 3 представлена гистограмма распределения неровности дорожного покрытия на пятом макроучастке.

Ф <1?

ровность см/км

Рисунок 3 - Гистограмма распределения неровности дорожного покрытия на пятом макроучастке

Данная гипотеза не была отвергнута с доверительной вероятностью 0,95 с параметром формы р=2,84. Тогда, аналитическое выражение функции

теоретической плотности распределения ровности дорожного покрытия на пятом макроучастке (км 83-170) будет иметь следующий вид:

М[)) = 2,84($-60)ехр[-(5-6())2Ы] (9)

Интегральная функция распределения будет иметь следующий вид

ОД = 1- ехр[-(8-60)2Я4] (10)

С целью исследования зависимости рисков Рл5 и Рнб от погрешности измерения, величины нормативов, форм законов распределения, статистических характеристик был разработан алгоритм, программа расчета рисков контроля и проведен компьютерный эксперимент.

По результатам эксперимента был произведен расчет рисков Рл6 и Рнб для исследуемых макроучастков дороги. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты компьютерного моделирования рисков контроля неровностей покрытия макроучастков автомобильной дороги «Усть-Каменогорск-Зыряновск»

Вероятность Вероятность ложного

Макроучастки, необнаруженного брака РЛб%

км брака Р„б% (риск производителя

(риск пользователя) работ)

1.0-46 6 10-12

2. 46-60 км 6-8 10

3. 60-80 км 6-7 8-10

5. 83-170 км 8-10 12-15

Анализ результатов моделирования (таблица 1) показал, что при одной и той же точности измерений толчкомером ТХК-2 значения рисков на разных участках дороги оказались неодинаковыми, так как законы распределения контролируемого параметра на этих участках различные. Это подтверждает выдвинутую гипотезу о том, что риск - показатель системный и зависит не

только от погрешности прибора. Этот вывод необходимо учитывать при выборе метрологических показателей инструментальных средств контроля. Системная взаимосвязь агентов контроля становится очевидной при пространственной демонстрации результатов компьютерного моделирования, которые представлены на рисунках 4 и 5.

Графическое компьютерное моделирование было осуществлено для случая верхнего нормативного ограничения в соответствии с Инструкцией. На этих рисунках представлены результаты для недетерминированного норматива с коэффициентом вариации норматива у=0,2 и распределением контролируемого параметра по закону Вейбулла.

Рисунок 4 -Трехмерная модель зависимости РЬВ = 7(8Ю,8В)

Трехмерная пространственная интерпретация зависимости риска производителя (РЬВ) демонстрирует его тесную системную связь с нормативом (8В) и значением погрешности в отношении к вариации контролируемого параметра (БЮ). Визуальный анализ трехмерной модели приводит к выводу о сложной функционально нелинейной связи риска производителя с нормативом и погрешностью измерения нормированной по отношению к

среднеквадратическому отклонению контролируемого параметра.

Зависимость риска пользователей дороги представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 -Трехмерная модель зависимости PNB = Z(SIG,SB)

Математические модели, программное обеспечение и результаты экспериментов могут быть использованы при экономическом обосновании проектов строительства, капитального ремонта и реконструкции автомобильных дорог.

На примере исследуемой автомобильной дороги были получены следующие оценки экономических потерь.

1. Экономические потери в денежном выражении в функции риска производителя работ (заказчика) в общем случае составят:

ЭЛЙ= Скр X Р|лб, (11)

где Скр - нормативы удельных единовременных затрат на капитальный ремонт автомобильных дорог общего пользования.

Вероятности Р^б в процессе контроля ровности толчкомером разных участков дороги отличаются (приведены в таблице 1 ) и потери Э|л6 также будут различные. Результаты расчетов указанных потерь для макроучастков

исследуемой дороги приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Экономические потери в функции риска Рлб

Макроучастки, км Вероятность ложного брака Рлб% Экономические потери ЭЛбм

тг/км руб./км

1. 0-46 12 2343000 468600

2. 46 км-60 км 10 1953000 390600

3. 60 км-80 км 10 1953000 390600

5. 83 км-170 км 15 2929000 585800

Второй вид потерь, обусловленный вероятностью необнаруженного брака в процессе контроля ровности Рнб, интерпретируется, как «потери пользователя» дорог. Численное значение «потерь пользователя» в работе определялось в форме потерь на транспортных расходах, представленных функцией технических параметров: интенсивности движения в год обследования дороги, авт/сут; коэффициентом изменения интенсивности движения во времени; предельно допустимым и фактическим значениями комплексного показателя состояния дороги с точки зрения обеспечения расчетной скорости. Данные потери несли бы пользователи дороги, если бы не были выполнены ремонтные работы. Причины данных потер ь должны быть ликвидированы при выполнении ремонтных мероприятийза исключением вероятного необнаруженного брака Рнб (недоремонт). Величина этих потерь для дороги, на которой проводились экспериментальные исследования, на каждый километр составит

Э„б= ДЭтрхР„б = 5200000хРнб=5200000х0,10=520 ООО тг (104000 руб.)

По результатам работы были сделаны выводы и рекомендации.

Заключение

Исследования, выполненные в настоящей работе, позволяют считать возможным дальнейшее развитие теории управления рисками в системе диагностирования транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог. В диссертационной работе в соответствии с поставленными задачами получены следующие научные и практические результаты: 1. Теоретически обоснована методика количественной оценки и прогнозирования рисков инструментального контроля транспортно-

эксплуатационных показателей автомобильной дороги в условиях статистической неопределенности процесса принятия решений. Разработана агентная структурно-функциональная модель системы управления рисками, вероятностные и имитационные модели оценки и прогнозирования рисков в функции инструментальных погрешностей приборов при детерминированных и недетерминированных нормативах для случаев нормирования по пределу «снизу» и нормирования по пределу «сверху», а также универсальная модель произвольного расположения нормативов на поле контролируемого параметра. Вероятные ошибки в процессе принятия решений в системе контроля следует интерпретировать как риски производителя дорожных работ и пользователя автомобильными дорогами. Вероятностные и имитационные модели позволяют количественно оценивать и прогнозировать указанные риски при заданных статистических параметрах контрольно-измерительных процессов и агентов системы контроля.

2. Экспериментальная проверка адекватности теоретических предпосылок в оценке инструментальных рисков контроля транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог реальным условиям была осуществлена на дороге III категории протяженностью 170 км. В результате визуального диагностирования на всей исследуемой трассе были выделены пять характерных участков разной длины и срокам эксплуатации. Экспериментальные исследования ровности дорожного покрытия толчкомером ТХК-2 показали статистическую неоднородность выборок отдельных участков дороги, что отразилось на законах распределения результатов измерения. Распределения результатов измерения ровности на выбранных участках аппроксимируются законами Гаусса и Вейбулла.

3. Разработаны алгоритмы и программные приложения для компьютерного моделирования и расчета рисков производителя ремонтно-строительных работ и пользователей автомобильных дорог. Анализ результатов моделирования показал, что количественно указанные риски зависят от следующих статистических законов и параметров: законов распределения контролируемого параметра и погрешности измерения, системной связи в виде отношения среднего квадратического отклонения случайной погрешности измерения к среднему квадратическому отклонению контролируемого параметра, а также расположения нормативных значений параметра на поле

контролируемого параметра. Анализ также приводит к выводу, что величина рисков не определяется однозначно абсолютной величиной погрешности, а определяется относительной величиной погрешности прибора к среднему квадратическому значению распределения контролируемого параметра и величиной нормативов.

4. В результате компьютерного эксперимента найдены количественные оценки инструментальных рисков контроля ровности покрытия дорожной одежды на исследуемых участках, которые варьируют для риска производителя работ в диапазоне от 6% до 10%, а для риска пользователей в диапазоне от 8% до 15%. Расчеты прогнозируемых экономических потерь в функции рисков показали следующее: вероятные экономические потери, производителя работ составят 585800 руб./км, потери пользователей автомобильными дорогами в зависимости от снижения фактической скорости движения автотранспорта составили 104000 руб./км.

Полученные научно-практические результаты исследований в форме математических и имитационных моделей и программных приложений могут иметь более широкое применение и быть использованы в смежных технических областях и задачах для оценки качества контрольно-измерительных работ.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации I. Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Бендер O.A. Количественное оценивание рисков в системе контроля качества автомобильных дорог // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск, 2012. - №1. С. 30-33.

2. Бендер O.A. Прогнозирование рисков в системе капитального ремонта автомобильных дорог//Вестник СибАДИ. - Омск, 2012. - Выпуск 6(28). С. 15-18.

3. Бендер O.A. Реализация параллельной обработки информации при планировании в дорожной отрасли / O.A. Бендер, А.И. Квасов, O.E. Бакланова / Высокие технологии и фундаментальные исследования, Т.4: сборник трудов Десятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 0911.12.2010 / под ред. А.П. Кудинова. - СПб.: Изд-во Политехи, университета, 2010. - С. 149-154. (личный вклад 0,19 п.л.)

4. Бендер O.A. Агентная модель прогнозирования рисков в системе контроля качества ремонта автомобильных дорог / O.A. Бендер, В.Д. Верескун, B.C. Воробьев // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - Ростов-на-Дону, 2013. - №1(49). С. 103-108. (личный вклад 0,15 пл.)

II. Статьи в научных журналах, сборниках научных трудов и материалов научно-практических конференций

5. Бендер O.A. Методика оценки рисков в системе управления качеством капитального ремонта автомобильных дорог / O.A. Бендер, B.C. Воробьев // Материалы Международной 66-й научно-практической конференции «Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования — основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России», 18-19 октября 2012 г., г. Омск — Омск: Изд-во СибАДИ. - С. 52-56.

6. Бендер O.A. Оценка рисков в системе контроля качества покрытия автомобильных дорог // Материалы международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе», апрель 2012 г., г. Пермь - Пермь: ПНИПУ. - Раздел 3.2. - С. 68 - 74.

7. Бендер O.A. Оценка влияния скорости движения автотранспорта на единовременные ремонтные затраты в функции рисков контроля качества дорожного покрытия / O.A. Бендер, В.А. Корнев (личный вклад 0,22 п.л.)// Materialy VIII mezinarodni vedecko - prakticka conference «Vedecky pokrok na prelomu tysyachalety - 2012». - Dil 28. Fyzika. Technicke védy: Praha 27 kvétna -05 cervna 2012 roku / Publishing House «Education and Science» S. 68-72.

8. Бендер O.A., Квасов А.И., Бакланов А.Е., Бакланова O.E. Программный комплекс ЭСАД параллельной обработки информационных ресурсов для реализации на многопроцессорном вычислительном кластере — Свидетельство о государственной регистрации объекта интеллектуальной собственности № 1572 от 15 октября 2010 г. Комитета по правам интеллектуальной собственности Министерства юстиции Республики Казахстан.

БЕНДЕР ОКСАНА АНАТОЛЬЕВНА

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РИСКОВ В СИСТЕМЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

по специальности 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки)

Подписано в печать «18» апреля 2013 г. 1,5 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №2673 Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук. 191

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи

04201358298

БЕНДЕР ОКСАНА АНАТОЛЬЕВНА

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РИСКОВ В СИСТЕМЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Специальность: 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

(технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Воробьев Валерий Степанович

Новосибирск - 2013

Содержание

Введение.......................................................................................................................4

1 Проблемы и методы управления рисками в системе строительства и ремонта автомобильных дорог.................................................................................................9

1.1 Проблемы управления качеством ремонта автомобильных дорог..................9

1.2 Количественная оценка и прогнозирование ошибок контроля и рисков в системе управления качеством автомобильных дорог.........................................18

1.3 Методы и инструментальные средства контроля качества дорожной одежды

автомобильной дороги..............................................................................................28

Выводы по разделу....................................................................................................41

Задачи исследования.................................................................................................42

2 Теоретические основы оценки и прогнозирования рисков инструментального контроля качества автомобильных дорог...............................................................43

2.1 Методологические предпосылки теоретических исследований....................43

2.2 Оценка инструментальных рисков в системе контроля транспортно-эксплуатационного состояния дорожного покрытия (в процессе капитального ремонта)......................................................................................................................45

2.2.1 Разработка многоагентной методики количественного оценивания рисков в процессе контроля качества строительных объектов.........................................45

2.2.2 Случай допускового нормирования...............................................................54

2.2.3 Влияние стохастической природы нормативных значений на качество контроля диагностируемого параметра..................................................................57

2.3 Разработка универсальной модели....................................................................62

2.4 Модели оценки вероятных экономических потерь в функции рисков процесса контроля.....................................................................................................67

3 Экспериментальные исследования и статистическая обработка данных........71

3.1 Общая методика экспериментальных исследований......................................71

3.2 Визуальное диагностирование автомобильной дороги Усть-Каменогорск -Зыряновск...................................................................................................................74

3.3 Экспериментальные исследования ровности автомобильной дороги «Усть-

Каменогорск-Зыряновск» Восточно-Казахстанской области..............................79

3.4 Разработка программного обеспечения для компьютерного эксперимента расчета рисков инструментального контроля........................................................86

3.5 Результаты компьютерного моделирования рисков производителя ремонтных работ и пользователя автомобильными дорогами.............................91

3.6 Оценка вероятных экономических потерь в функции рисков процесса

контроля.....................................................................................................................97

4 Оценка эффективности математического и прикладного программного

обеспечения разработанного в диссертационной работе....................................102

Заключение..............................................................................................................111

Список литературы.................................................................................................113

Приложение А.........................................................................................................125

Приложение Б..........................................................................................................131

Приложение В..........................................................................................................132

Приложение Г..........................................................................................................133

Введение

Важным элементом управления надежностью дорожной сети является система диагностики и оценки транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог. Для получения на основе диагностики и оценки состояния дорог наиболее полной, объективной и достоверной информации внедряются самые современные методы и средства инструментального контроля диагностических показателей. Так как любые измерительные приборы обладают погрешностями, то в системе контроля возникают ошибки 1-го и 2-го рода, которые на стадии принятия решений порождают риски производителя дорожно-строительных работ и риски пользователя автомобильными дорогами. Проблеме управления рисками в различных отраслях, в том числе и автомобильно-дорожной, в настоящее время уделяется довольно серьезное внимание. Вместе с тем, как показал анализ публикаций, данная проблема в автомобильно-дорожной отрасли чаще всего рассматривается с позиций влияния рисков на безопасность движения автотранспорта, влияния рисков на сроки реализации и стоимость инвестиционных проектов. Вопросам оценки, прогнозирования и влиянию рисков инструментального контроля на социально-экономические показатели сторон причастных к строительству, ремонту и эксплуатации дорог уделяется в научно-практическом плане недостаточно внимания. Недостаточная теоретическая разработка данной проблемы и сопутствующих задач, появление новых требований к качеству строительных и ремонтных работ при оптимальном использовании ресурсов и снижении затрат, обусловленных необоснованными рисками, делают ее крайне актуальной.

Степень разработанности темы исследований. В области проектирования и строительства автомобильных дорог большое значение имеют основополагающие труды профессоров Бабкова В.Ф., Бируля А.К. Развитию научных основ эксплуатации автомобильных дорог, их ремонта и содержания посвящены работы профессоров Васильева А.П., Золотаря И.А., Зарецкого Ю.К., Иларионова В.А., Калужского А.Я., Казарновского В.Д,. Корсунского М.Б., Красикова O.A. Эксплуатационная надежность автомобильных дорог в природных условиях Сибири исследована в ряде работ

профессора Ефименко В.Н. Большой вклад в теорию и практику математического моделирования внесли Вентцель Е.С., Ларичев О.И, Моисеев H.H., Нейлор К. Научные основы управления состоянием и надежностью различных технических объектов с позиций теории рисков созданы трудами профессоров Сергеева А.Г., Столярова В.В., Шейнина A.M.

Управление рисками в процессе инвестиционных проектов исследовалось Артамоновым A.A. Проблемами рисков и надежности в строительстве занимались Андерсен Т., Линда Н., Чеховский А. и др.

Однако в большинстве работ отечественных и зарубежных ученых не в полной мере отражена проблема оценки рисков в системе инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог.

Объект исследования. Система содержания автомобильных дорог.

Предмет исследования. Оценка и прогнозирование рисков в системе инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния покрытия дорожной одежды.

Цель исследования. Повышение достоверности оценки и прогнозирования рисков в системе инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог для снижения социально-экономических потерь участников автодорожных проектов.

Задачи исследования, обеспечивающие достижения цели:

1. Реализовать визуальное и техническое диагностирование транспортно-эксплуатационного состояния участков исследуемой автомобильной дороги.

2. Разработать вероятностные и имитационные модели оценки и прогнозирования рисков в системе инструментального контроля диагностических параметров транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог.

3. Разработать алгоритмы и программное обеспечение для оценки и прогнозирования рисков в системе диагностики транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог, реализовать компьютерный эксперимент.

4. Выполнить экспериментальные исследования и компьютерное моделирование рисков производителя ремонтных работ и пользователя автомобильных дорог, дать оценку вероятных экономических потерь.

Основная идея исследования состоит в установлении связи оценки рисков и соответствующих экономических потерь в функции достоверности инструментального контроля транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог.

Научная новизна исследования заключается в том, что предложена многоподходная методика для количественной оценки и прогнозирования рисков и экономических потерь в системе инструментального контроля качества содержания автомобильных дорог, состоящая в следующем:

- впервые разработаны формализованные модели количественного прогнозирования рисков в условиях статистической неопределенности системных агентов процесса контроля транспортно-эксплуатационного состояния покрытия дорожной одежды;

- предложены новые методы и модели оценки экономических потерь производителей дорожно-строительных и ремонтных работ и пользователей автотранспорта в функции рисков инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог;

- предложены новые алгоритмы и программные приложения для количественного расчета рисков в системе контроля ровности дорожного покрытия.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке методов и моделей, развивающих теорию управления в части многоагентного исследования поведения системных объектов-агентов в условиях неопределенности и рисков принятия решений в системе диагностики и контроля качества производства ремонтных работ.

Практическую значимость работы составляют:

1. Рекомендации по выбору метрологических характеристик приборов контроля ровности дорожного покрытия, использованные в проекте капитального ремонта автомобильной дороги «Усть-Каменогорск-Зыряновск».

2. Программный пакет для оценки и прогнозирования рисков, внедренный в ТОО «Центр социальных проектов» для обоснования точностных показателей средств измерения в автоматизированных системах технологической подготовки производства.

3. Использование результатов исследований преподавателями учебных заведений.

Методология и методы исследования. Примененная в работе методология как система формирования принципов и способов организации и ведения теоретической и практической деятельности основана на методах системного подхода, теории рисков, методах моделирования, экспертных оценок, стандартах системы менеджмента качества.

Положения, выносимые на защиту:

- вероятностные и имитационные модели количественной оценки и прогнозирования рисков в системе инструментального контроля транспортно-эксплуатационного состояния дорожной одежды;

- алгоритмы и программное обеспечение для расчета рисков и экономических потерь в системе контроля ровности дорожного покрытия;

- результаты компьютерного моделирования рисков инструментального контроля ровности дорожного покрытия в условиях статистической неопределенности системных агентов.

Достоверность результатов обеспечивается соответствием результатов исследования теоретическим положениям квалиметрии и системного анализа, их взаимной непротиворечивостью, и определяется адекватностью математических моделей, корректным применением общеметодических принципов и методов научного исследования, достаточностью информационной базы, сходимостью результатов теоретических и экспериментально-статистических исследований в условиях эксплуатации, основанных на современных методах исследований, и обработкой полученных результатов известными методами математической статистики.

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Строительство зданий, сооружений и транспортных коммуникаций» Восточно-Казахстанского государственного технического университета им Д. Серикбаева в 2012 году, межкафедральном научном семинаре Томского государственного архитектурно-строительного университета (ТГАСУ) в 2012 году, объединенном научном семинаре Сибирского государственного университета путей сообщения в 2013 году и на конференциях:

- международной 66-ой научно-практической конференции ФГБОУ ВПО «СибАДИ» «Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования -основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России», Омск, 18-19 октября 2012 г;

- международной научно-практической конференции «Научный прогресс на рубеже тысячелетий», Чехия, 27 мая - 05 июня 2012 г;

- международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» г. Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 26-28 апреля 2012 г;

- десятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, Политехнический университет, 09-11 декабря 2010 г;

- международной научно-технической конференции «Роль вузов в формировании инновационной экономики», ВКГТУ, Усть-Каменогорск, 25-26 сентября 2008 г;

- международной научно-практической конференции «Стратегия территориального инновационного развития региона "Золотое кольцо Алтая"», Усть-Каменогорск, 4-5 октября 2007 г.;

- международной конференции «Инженерное образование и наука в XXI веке», Алматы, 24-25 сентября 2004 г.

Публикации результатов исследований. По результатам исследования опубликовано 8 научных работ, в том числе 4 работы (личный вклад 1,72 п.л.) в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы (140 источников) и четырех приложений, изложенных на 140 страницах. Основной текст работы содержит 24 таблицы и 31 рисунок.

1 Проблемы и методы управления рисками в системе строительства и ремонта автомобильных дорог

1.1 Проблемы управления качеством ремонта автомобильных дорог

Развитие экономики невозможно без системного обеспечения в форме транспортной инфраструктуры. Одна из общемировых тенденций - рост парка автомобилей и нагрузки на автомобильный транспорт в экономике любой страны. В 1970 году в мире насчитывалось 230 млн. автомобилей, в 1990 году их численность составила уже 550 млн. единиц, в 2000 году достигла 700 млн. единиц, а в 2010 году по оценкам специалистов превысила 1 млрд. единиц [100]. Динамика «автомобилизации» Казахстана по некоторым показателям значительно превосходит даже развитые страны, особенно в секторе личного автопарка. В целом за последние пять лет число автотранспортных средств в республике увеличилось на 80%. Это, прежде всего, связано с экономическим ростом Казахстана, при котором все больше и больше возникает необходимость в использовании подвижного состава автомобильного транспорта в целях удовлетворения потребностей в различных сферах деятельности.

Транспортная система Казахстана оказывает принципиальное влияние на его экономику в связи с географическими особенностями размещения населения, природных ресурсов и экономически развитых центров бизнеса. Это в значительной степени влияет на конкурентоспособность товаров, производимых в Казахстане. Транспортная составляющая затрат в себестоимости продукции для внутренних автомобильных перевозок составляет от 8% до 11%, что в 2-2,5 раза выше, чем в экономически развитых странах. Соответственно грузоемкость экономики Казахстана составляет более 9 т-км транспортной работы. В странах ЕС грузоемкость - менее 1 т-км/долл. [123].

Учитывая данный факт, Указом Президента Республики Казахстан от 11 апреля 2006 года № 86 была определена Транспортная Стратегия Республики Казахстан до 2015 года и план реализации данной Стратегии [128].

Достижение целей указанной Программы невозможно без развития, как в количественном, так и в качественном плане автодорожной сети Казахстана, состояние которой в настоящее время не отвечает современным требованиям и планам государства. В этой связи Правительством Республики Казахстан N 903 от 5 сентября 2003 года была разработана комплексная Программа на 20062012 годы развития автодорожной отрасли [128]. Настоящая Программа развития автодорожной отрасли на 2006-2012 годы разработана на основе Стратегического плана развития Республики Казахстан до 2015 года, утвержденного Указом Президента Республики Казахстан от 4 декабря 2001 года № 735. В целом она определяет курс на дальнейшее развитие и углубление экономических и технических реформ в