автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ и разработка математических моделей и алгоритмов оптимизации транспортной нагрузки при освоении горных территорий

На правах рукописи

Даурова Альбина Ахсарбековна

АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАНСПОРТНОЙ НАГРУЗКИ ПРИ ОСВОЕНИИ ГОРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Специальность: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ-2004

Работа выполнена на кафедре «Региональная геология и геодезия» Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета)

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Келоев Тазрет Амурханович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Хасцаев Борис Дзамболатович

доктор технических наук Заалишвили Владислав Борисович

Ведущая организация: Управление по руководству городским

транспортом и организацией дорожного движения, г. Владикавказ

Защита состоится 28 декабря 2004 г, в 1100 на заседании диссертационного совета Д212.246.01 в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете) по адресу: 362021, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ(ГТУ).

Факс: (8672) 749945. Электронная почта: skgtu@skgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКГМИ(ГТУ).

Автореферат разослан 26 ноября 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совега д.т.н., проф.

Алкацев М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Опыт транспортного освоения территорий показывает, что наиболее сложные задачи в управлении строительством и дальнейшим функционированием автомобильных дорог возникают в районах со специфическими ландшафтно-климатическими и инженерно-геологическими условиями, к каковым, в частности, относятся горные территории, строительство и эксплуатация различных сооружений в которых характеризуются высокой степенью геоэкологической и геодинамической напряженности и связаны с чрезвычайно большими материальными затратами и трудоемкостью. Вместе с тем очевидна и общепризнанна необходимость усиления охраны горного рельефа из-за роста опасности его существенного негативного изменения.

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

Актуальность проблемы, исследуемой в настоящей работе, обусловлена, таким образом, необходимостью

«мел««

С. Пете 08 80

ции автомобильных дорог в горных условиях максимальной экологической безопасности, определяемой способностью окружающей среды противостоять воздействию на нее дестабилизирующих факторов, способных нарушить равновесное состояние окружающей среды и её ресурсоемкости, а также технической безопасности, рассматриваемой как способность технической системы -автодороги - противостоять нарушению ее работоспособности под влиянием конструктивных недоработок и внешних воздействий.

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

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

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

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

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

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

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

6. Выполнить экспериментальную проверку разработанной методики на конкретном объекте.

Основная идея работы заключается в предложении двухуровневой системы принятия решений в деле строительства автомобильных дорог. Первый уровень представляет собой исследование, заключающееся во всестороннем сопоставлении альтернатив строительства с уделением особого внимания раз-

работке комплексных методов оценки воздействия на окружающую среду и выбора оптимального варианта автомобильной дороги. Второй предполагает организацию строительства, обеспечивающего максимальную адаптацию трассы автодороги к горному рельефу на основе использования геологического подхода к оценке степени влияния строительства дорог на устойчивость горных территорий.

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

Научная новизна и значимость работы заключаются в следующем:

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

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

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

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

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

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

Практическая значимость. Результаты исследований являются значительным вкладом в теорию оптимизации проектных решений в деле управления состоянием автомобильных дорог в горной местности. Впервые предложена оптимизационная модель, адаптированная к задаче минимизации экологической нагрузки, для оценки и выбора альтернативы дороги методом поиска варианта, ближайшего к «идеальному». Усовершенствована методика трассиро-

вания, ориентированная на повышение надежности проектных решений и снижение расходов на строительство.

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

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и практические результаты обсуждались на научно-технических конференциях Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) (1999 - 2002 г.г.); на международна научно-практических конференциях: «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы развития» (г. Владикавказ, 2001,2004 г.г.), «Информационные технологии и системы: наука и практика» (г. Владикавказ, 2002г.), «Evolutionary MciuGuS fer Design, Opt!mi ziition «md Ocîitrol with Applications to industrial and Societal Problems» (Barcelona, Spain, 2003); «Информационные технологии и системы: новые информационные технологии в науке, образовании, экономике» (г. Владикавказ, 2003 г.)

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12-ти статьях.

Струю-ура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 90 наименований. Общий объем диссертации составляет 158 страниц текста, включая 24 рисунка и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приводится обоснование актуальности темы исследования, формулируются цели работы, раскрыта научная новизна, отмечена практическая значимость работы, перечислены положения, выносимые на защиту, дана информация об апробации и реализации результатов работы.

В первой главе приводится краткий исторический обзор исследований взаимодействия автомобильных дорог с окружающей средой; рассматривается современное состояние исследуемой проблемы; обосновывается предлагаемая в диссертационной работе система управления строительсвом автомобильных дорог.

На протяжении всей истории исследования взаимодействия автомобильных дорог с окружающей средой, которым посвящены труды многих крупных

отечественных и зарубежных ученых, в том числе В.Ф. Бабкова, Е.М. Лобанова, Н.П. Орнатского, А.П. Васильева, В.М. Сиденко, В.К. Некрасова, П.Я. Дзениса, В.Р. Рейнфельда, И.Е. Евгеньева и др., производятся на базе системного подхода с использованием качественного и количественного моделирования. При этом реализовываются динамические, матричные, стохастические, многомерные, оптимизационные и другие модели, имеющие свои достоинства и недостатки.

Изначально применение системного подхода было ограничено, что связано с недоучетом ряда факторов, в частности, геологического, приводящим к существенному, часто непоправимому, ущербу.

Большой вклад в исследование методов проектирования трассы дорог и в развитие методики оптимизации трассы внесли О.В. Андреев, Г .А Федотов, М.Л. Соколов, ЯВ. Хомяк, В.В. Филиппов, Б.В. Полонский, Е.Л. Фильштейн, И.В. Турбин, М.А. Григорьева и др. Проблему опасных процессов, развиваю-

мтцуло на гип пцша^штапт ил V чппаппи пгачпчгппт лч<пл1мшп| пчэдп кл^

ни ыи1\*1|ил 11|Л1|>!Ъ*!1и,1Ь-Ли111_1 14 ЛДЦи^иИ) Ди|/или]и1и Ь1 11 ии п\.

следовали В.М. Дранников, Г.М. Шахунянц, Э.М. Добров, Ю.М. Львович, З.М. Караулова, Х.Я. Мурадов и др.

Технология проектно-изыскательских работ, существовавшая в Российской Федерации до 1997г., не предполагала осуществления исследований состояния автомобильных дорог на всех стадиях и этапах их создания и функционирования, начиная от стадий предпроектных разработок, когда обосновывается размещение дороги, до ее реконструкции, включая все стадии проектирования, строительства и эксплуатации. Именно с этим и были связаны многие ошибки в размещении и проектировании автодорог. Однако и сегодня зачастую предпроектные и проектные исследования носят констатационный характер и редко содержат в себе оценочную информацию и прогноз. Ошибки в размещении и проектировании автодорог привели к тому, что состояние многих из них на сегодняшний день может расцениваться как опасное. Поэтому в настоящей работе предлагается двухуровневая система управления строительством автомобильных дорог в горных условиях на основе реализации разработанных российскими учеными методологических концепций геоэкологического и геотехнического анализа, позволяющих придать исследованиям прогнозно-оценочный характер и избежать большинство ошибок еще на предпроектной и проектной стадиях.

На первом уровне проводится исследование полезности альтернативных вариантов дороги с комплексной оценкой их воздействия на ок-

ружающую среду и выбор проектного варианта; на втором определяется оптимальное положение трассы автомобильной дороги на горном склоне с учетом его устойчивости.

Первый уровень предполагает всесторонний анализ экологических последствий строительства дороги до начала его осуществления. Более того, на этом этапе рассматриваются все возможные альтернативы строительства, включая и отказ от него.

На основе анализа результатов исследования полезности, сопоставления преимуществ и возможного нанесенного ущерба, принимается решение о реализации того или иного альтернативного варианта.

Автодороги на горных территориях являются практически единственными транспортными путями. Отказы горных дорог, как транспортных сооружений сопряжены с большими потерями и издержками. Причиной таких отказов, как правило, становятся развивающиеся на склонах опасные процессы, в частности оползневые, отрицательное влияние которых на дороги учитывается недостаточно полно.

Одним из слабых звеньев в проектировании горных дорог является то, что существующая практика трассирования не позволяет обеспечить оптимального выбора положения трассы с учетом затрат на обеспечение устойчивости земляного полотна совместно со склоном. Трассирование ведется без количественного учета степени устойчивости дорожного полотна на горном склоне. Вопросы защиты дороги от опасных процессов обычно рассматриваются как функция уже принятых проектных решений по проложению трассы. Это не способствует заблаговременному поиску оптимальных вариантов трассы, учитывающих возможность оптимизации конструкции дорожного полотна. Поэтому вторым уровнем системы управления строительством должны стать назначение и выбор варианта трассы дороги на горных склонах в пределах полученного на первом этапе направления с одновременным рассмотрением ряда задач, связанных с оценкой устойчивости и эксплуатационной надежности дорожной конструкции, а также со стремлением исключить активизацию самих опасных геологических процессов как результата строительства дороги на горном склоне.

Во второй главе изложена методика оценки и выбора оптимального варианта горной дороги из множества альтернативных, как решение многокритериальной задачи. Последовательное решение задачи возможно только на основе

декомпозиции. Поэтому предлагается разбить эту общую задачу на ряд частных и определить тем самым этапы, составляющие содержание исследования, лежащего в основе первого уровня принятия решений в деле строительства автодорог.

Содержание исследования:

1. Анализ существующего положения.

2. Градация достижения целей.

3. Сопоставление альтернативных вариантов.

4. Оценка альтернативных вариантов и выбор проектного решения.

Анализ существующего положения предполагает исследование положения

в области дорожного движения (движение, начинающееся и заканчивающееся в данном районе; транзитное движение; интенсивность движения), а также положения в области окружающей среды (физико-географическая и техногенная

характеристика района планирования; климат и микроклимат; геоморфологическое р&йСИНрСииЯНС^ Ипл£!!1ф[!0~ГСш1иГ!{ЧуСКг1С уСЛОвпя ТСррмТ'Орг'г"; Г£ОЛОП1Ч£-

ские и инженерно-геологические процессы, происходящие на территории планирования, и их динамика; зоны сейсмодислокаций и т.д.).

Градация достижения целей предполагает определение целей строительства и разработку критериев их достижения.

Сопоставление альтернативных вариантов включает описание самих альтернативных вариантов дороги, включая дорожную систему без каких-либо изменений, а также определение экологических последствий с помощью матриц экологической зависимости, составленных для экологических ландшафтных единиц, на которые разбивается район планирования.

Оценка альтернативных вариантов и выбор проектного решения представляют собой непосредственно многокритериальную оптимизацию, реализованную двумя способами: в основе первого - анализ полезности альтернативных вариантов, вытекающий из метода достижимых целей; второй способ представляет собой поиск решения задачи, ближайшего к «идеальному».

Использование результатов решения поставленной задачи в процессе исследований существенно сокращает необходимое количество анализируемых состояний системы и позволяет производить сравнительный анализ показателей функционирования автодороги, как по их точным значениям, так и по экспертным оценкам этих величин.

Таким образом, содержание исследования включает всю полноту поставленной задачи и позволяет дать комплексную оценку воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду.

Первый способ предполагает выполнение работ по следующим этапам: разработка системы целей наряду с критериями оценки их достижения; взвешивание целей; расчет частичной и полной полезности на основе определения «достижения целей»; ранжирование альтернативных вариантов дороги.

Предлагается система целей, определенная после консультаций с представителями различных дисциплин. В качестве первичных целей определены следующие: содействие региональному развитию; уменьшение масштабов ущерба окружающей среде; улучшение дорожного движения; повышение экономической эффективности. Для каждого критерия оценки определяется степень, в которой каждый альтернативный вариант отвечает конкретной цели. ^'Достижение цели)) характеризуется с помощью классов или рангов по шкале от 0 до 10. В результате ранжирования или классификации могут быть установлены ранги для альтернатив в отношении каждого критерия. Для определения веса каждой из первичных целей назначаются эксперты в составе нескольких групп.

Альтернативный вариант с наибольшей общей полезностью рассматривается как наиболее выгодный, т.е. вариант, обеспечивающий максимум

н

М

оп =шах

/= 1. . N

011 I =

Е 2 V,

Ш о,к1

И

где N - количество альтернативных вариантов дороги; Н - число экспертов; Е - количество групп экспертов; 2- количество первичных целей; X,

- количество вторичных целей, соответствующих /-й первичной цели; Ои

- оценка, выраженная в процентах, данная j-tл (¡—1,...,Н) экшертом /-й (¡-¡,...,2) цели; Оик*> - «достижение» по десятибалльной шкале вторичной А-й (к=1,...,Х,) цели, соответствующей /-й (¡=¡,...,1) первичной цели, при оценке альтернативы / (1=1,...,И) по мнению экспертов группы м> (\у=1,...,Е), считаем оптимальным.

Главная особенность комплексной задачи многокритериальной оптимизации заключается в том, что при применении традиционных подходов ее решением является, как правило, не единственная оптимальная точка, а целое множество оптимальных по Парето точек. Для выбора единственного решения на исходную задачу налагаются дополнительные условия. Предлагаемый в работе подход к решению многокритериальных оптимизационных задач позволяет сводить их к однокритериальным без привлечения дополнительных условий.

Пусть формальная постановка многокритериальной задачи поиска оптимального проектного варианта дороги имеет вид:

где X - вектор переменных, задающий характеристики дороги; - область допустимых значений переменной цели строительства

Пусть критерия, определяемая решени-

ем однокритериальной задачи вида:

Решив задачу (2) применительно к каждому критерию, получим вектор ^ = ,Кг], которому в Z-мерном пространстве соответствует точка А (рис.1).

Рис.1. Число критериев Z=3.

Поскольку точка А соответствует «идеальному» в смысле Парето сочетанию значений целевых функций системы (1), которое может отвечать недопустимому вектору переменных, об эффективности полученного допустимого решения можно судить по расстоянию между точкой А и точкой, координаты которой определяются значениями соответствующих критериев. Тогда задачу (2) можно заменить однокритериальной, сведя ее к поиску вектора переменных, минимизирующего величину

Пусть усредненная по экспертным группам степень

достижения цели /',{X), определяемая /-м (/—1,...,№) решением задачи. (1),

тор в пространстве критериев, соответствующий вектору в пространстве аргументов.

Определение экспертами степеней достижения целей строительства позволяет считать, что существуют некие гипотетические варианты дороги, - векторы X' И Л" в пространстве аргументов, - характеризующиеся соответственно максимально и минимально возможными степенями -

пространстве критериев, т.е. векторы задают

возможно недопустимые параметры соответственно «лучшей» и «худшей» дорог.

Пусть также в пространстве критериев «лучшей» дороге соответствует точка В, а «худшей» - точка А. Тогда задача выбора оптимального варианта дороги может быть сведена к поиску такой точки Ь в пространстве критериев, что проекция ПрАвВЬ отрезка ВЬ на отрезок АВ будет минимальной, при этом соответствующий этой точке вектор Б пространстве аргументов будет допустим.

Тогда решение многокритериальной задачи (1) сводится к решению однокритериальной задачи:

Если же множество оптимальных решений задачи (1) определено, искомым решением считается вариант, доставляющий минимум значения целевой функции (3).

В третьей главе рассматриваются теоретические основы количественной оценки устойчивости дорожного полотна на горном склоне.

Анализ строения системы и возможных форм нарушения се устойчивости показывает, что, во-первых, нарушения системы возможны в шести случаях: смещение части самого склона вместе с дорожным полотном по поверхности скольжения, смещение верховой или низовой части склона, смещение насыпной части дорожного полотна по поверхности склона, нарушение устойчивости верхового откоса выемки или низового откоса насыпи, а, во-вторых, оценка устойчивости может быть сведена к использованию расчетных методов Маслова. В соответствии с ними коэффициенты устойчивости системы против первых четырех форм нарушения могут быть определены по выражению

а оценка устойчивости откосов может быть выполнена на основе метода круглоцилиндрической поверхности скольжения с использованием формулы:

где Q¡ - вес расчетного /-Г0 блока; а, - угол наклона к горизонту поверхности скольжения в пределах /-го блока; с,- сцепление грунта на поверхности скольжения в пределах /-го блока; 1р, - угол внутреннего трения грунта на поверхности скольжения в пределах блока.

Совокупность выражений (4) и (5) представляет собой математическую модель устойчивости системы «горный склон - дорожное полотно» в целом. Система устойчива полностью, если вероятность нарушения устойчивости по любой из форм не превышает некоторой принятой нормы, определяемой допустимым значением коэффициента устойчивости. Отсюда вытекает условие устойчивости системы, если

то систему можно считать полностью устойчивой.

Устойчивость любого элемента системы «горный склон - дорожное полотно» связана с положением оси трассы Меняя координаты оси, можно изменять параметры элементов системы, что приводит к изменению значений коэффициентов устойчивости элементов системы, а, следовательно, и системы в целом.

Для описания взаимосвязи устойчивости системы «горный склон - дорожное полотно» и положения оси трассы рассматривается схема, представленная на рис.2.

Рис.2. Изображение поверхностей склона, скольжения и контура дорожного полотна.

Пусть задан неподвижный контур - поперечный разрез склона, поверхность которого может быть описана в виде кусочно-линейной функции По-

верхность скольжения оползневого тела задана в виде кусочно-линейной функции Б,(х)= С/*+</, Кроме того, имеется подвижной контур - контур земляного полотна, описываемый также кусочно-линейной функцией, имеющей вид-

угол заложения откоса насыпи или выемки, постоянные величины, определяющие вид поверхности склона, поверхности скольжения и контура дорожного полотна. Отсек обрушения разделен вертикалями на расчетные блоки.

Точка О - проекция оси трассы на данном поперечнике - перемещается вместе с контуром дорожного полотна в горизонтальном и вертикальном направлениях, в связи с чем меняются веса расчетных блоков, определяемые их геометрией, которые, в свою очередь, определяют сдвигающие и удерживающие силы в расчетной схеме системы и её элементах, а следовательно, и устойчивость систе-

Вычисление площади поперечного сечения блоков производится как разница интегралов функций, описывающих поверхности склона и контура земляного полотна на склоне. Так, площадь /-го блока за пределами контура земляного полотна определяется зависимостью:

В пределах контура земляного полотна для участков насыпи и выемки имеем соответственно:

Определив площади блоков, можно подсчитать Веса расчетных Сликов пи

формуле - средний удельный вес грунта в пределах рас-

четного блока, т/м3. Тогда коэффициент устойчивости склона против

смещения его с дорожным полотном, связанный с положением оси дорожного

полотна на склоне, выраженный с использованием формул расчета (4) и (5) по методу Маслова, будет иметь вид:

Аналогично могут быть получены значения

тов устойчивости рассматриваемой системы.

коэффициен-

П

ЛНЛ!^ ППТи»("1ПТ 1ГЛГ"П ГТЛЧЛЧ'ДИПГТ ПППА^ПГЛГП ПЛ1ТОТП1 III ГЛЛ11Л11 Л1/ЧЛПП

............*...........11^1 и 11М1иш«1111Я О ни 1и2>11и1>1 сплину

сводится к реализации следующих шагов.

1. На основе анализа геологического строения склона на каждом поперечнике определяется область в пределах которой значения всех шести коэффициентов устойчивости оказываются не ниже заданных. В зависимости от строения склона найденная область может быть непрерывной, прерываться или же отсутствовать. Если область существует, в ней отмечают участки с самыми высокими степенями устойчивости.

2. На каждом интервале рабочие отметки полотна изменяют по вертикали, что означает необходимость устройства насыпи или выемки в данной точке склона, и определяются предельные с точки зрения устойчивости их значения. В пределах области безопасного строительства отмечают лучшие в смысле устойчивости положения дорожного полотна.

3. Операции по оптимизации проводят на всех поперечниках земляного полотна на оползнеопасном склоне участка трассы. В зависимости от поставленной задачи производят выборку положений оси трассы, которые в дальнейшем будут использованы для получения кривых трассы.

Строительная стоимость С„бщ поперечника складывается из стоимости земляных работ по выемке грунта, стоимости работ по возведению насыпной части поперечника и стоимости подпорных сооружений, состоящую из - стоимости подпорных стенок, а - стоимости свайных конструкций. Очевидно, что значения С^щ, так же как и все составляющие, являются функция-

ми координат (х,у) оси трассы. Минимуму С„сщ будет, очевидно, соответствовать оптимальное по строительной стоимости положение оси трассы на данном поперечнике. Таким образом, на каждом поперечнике при заданном ограничении коэффициента устойчивости системы можно найти положение оптимальной оси, отвечающей минимальной строительной стоимости конструкции. Математически задача оптимизации принимает вид

F=CIJ6,I| (х;у)= Сн(х,у) + С„(х;у)+ Сж(х,у)+ Са(х,у)-*тт;

где Ж- целевая функция от аргумента (х;у) на заданном поперечнике, или, если рассматривать весь участок трассы,

N п

где (х„у) - координаты оси трассы в пределах 1-ГО поперечника; N - количество всех поперечников на оползнеопасном склоне участка 1рассы. Суть этой задачи заключается в том, чтобы найти такие положения оси дорожного полотна, при которых достигался бы минимум строительных затрат для всех поперечников. Если в результате на участке окажется несколько альтернативных вариантов трассы на склоне, то целевая функция стоимости представится в следующем виде:

<=1

где - количество всех поперечников на варианте трассы, определяющее ее длину; (хУ';уУ)- координаты оси /ой трассы на /-ом поперечнике. При наличии множества альтернативных вариантов трассы мощности 3 решение оптимизационной задачи очевидно:

Четвертая глава посвящена описанию построенной на принципах оптимального проектирования программ автоматизированной технологии оценки альтернативных вариантов автомобильной дороги и проектирования трассы в

условиях горного рельефа. Описаны разработанные и примененные в программе алгоритмы, а также программный интерфейс. В структуре системы выделены два основных блока, реализующих соответствующие уровни управления состоянием автомобильных дорог на предпроектной стадии и в стадии проектирования.

Первый позволяет дать интегральную оценку воздействия строительства автомобильной дороги на окружающую среду с учетом степеней достижения целей строительства.

Рекомендуемая технология оценки и выбора альтернативного варианта дороги сводится к следующим шагам.

1. По топографическим данным намечают альтернативные варианты автомобильных дорог.

2. В районе прохождения автомобильных дорог выделяют области, обладающие однородными экологическими характеристиками, - экологические ландшафтные единицы.

3. Определяются факторы влияния в каждой экологической единице.

4. Назначенные в составе нескольких групп эксперты определяют цели строительства и оценивают степени их достижения.

5. В зависимости от выбранного метода расчета определяется полезность либо близость к «идеальному» того или иного варианта дороги.

6. Из всех вариантов лицо, принимающее решение, отбирает окончательный проектный вариант.

Общая схема автоматизированной процедуры оценки альтернативных вариантов, осуществляемой лицом, принимающим решение, сводится к реализации шагов следующего алгоритма:

Алгоритм оценки альтернативных вариантов дороги.

1. Ввод числа экологических ландшафтных единиц.

2. Выбор критериев.

3. Ввод числа альтернативных вариантов дороги.

4. Ввод числа экспертных групп и числа экспертов в каждой группе.

5. Ввод процентных оценок каждой первичной цели и степеней достижимости каждой вторичной цели.

6. Выбор метода расчета.

7. Если выбран анализ полезности, то перейти к шагу 9, иначе - к шагу 8.

8. Поиск варианта дороги, ближайшего к «идеальному». Перейти к шагу 10.

9. Поиск оптимального варианта дороги на основе анализа полезности.

10. Вывод результатов.

11. Выбор оптимального варианта дороги.

12. Конец.

Второй программный блок представляет собой реализацию второго уровня управления состоянием дорог, а именно средство оптимизации трассирования дороги в горных условиях в пределах заданного на первом уровне направления, которое сводится к выполнению следующих шагов:

1. По топографическим данным намечают эскиз трассы.

2. Проводят инженерно-геологические изыскания по трассе с получением данных о геологическом строении склона, на основе которых определяют области допустимого строительства.

4. В пределах найденной области на каждом поперечнике отмечают лучшие положения оси трассы, определяют и корректируют продольный профиль с целью уменьшения протяженности участков с недостаточной устойчивостью и объемов специальных сооружений и проводят оптимизацию положения оси на поперечниках по строительной стоимости.

5. Аналогичным образом прорабатывают другие эскизные варианты трассы в пределах заданной территории. Из всех вариантов лицо, принимающее решение, на основе многокритериального подхода окончательно отбирает проектный вариант.

Общая схема автоматизированной процедуры трассирования представлена следующим алгоритмом:

Алгоритмпоиска оптимальногоположения трассы на склоне.

1. Ввод данных о поперечных сечениях на базовой сетке.

2. Ввод данных о поверхностях склона и скольжения на каждом поперечнике.

3. Ввод характеристик грунта.

•4. Ввод стоимости подпорных сооружений.

5. Определение области допустимого строительства в пределах склона с устройством полунасыпи-полувыемки для всех поперечников.

6. Определение верхних и нижних границ области безопасного строительства на каждом поперечнике.

7. Определение опасных участков склона, устойчивость которых обеспечивается применением подпорных сооружений.

8. Оптимизация положения оси земляного полотна на поперечниках по строительной стоимости.

9. Вывод вариантов трассы.

10. Выбор проектного варианта дороги.

11. Конец.

В первом программном блоке реализованы алгоритмы поиска оптимального решения на основе анализа полезности и метода поиска решения, ближайшего к «идеальному».

Во втором программном блоке были использованы алгоритмы определения области допустимого строительства по трассе, области оползневой безопасности, интерполирования сплайнами для проектирования продольного профиля, оптимизации по строительной стоимости.

ПяТЙН ГДЭВ2 П0С2Я1ЦеИа Практической апробаЦИИ Р—Зр~ООТ2ННОЙ МСТОДИКИ. В качестве конкретного объекта, принят участок (54-55км.) Транскавказской магистрали в районе прохождения по оползневому телу Мсита. На рассматриваемом участке действующей дороги имеется отрезок протяженностью 175 м (ПК 101-104), пересекающий поверхность оползня.

При влажности коэффициенты устойчивости для существующего

положения полотна дороги составляют:

К}=1.7], {(<¡=1.097, т.е. система на данном опорном сечении (ПК 102+5) имеет требуемый уровень устойчивости. Однако при увеличении влажности до выявляется недостаточная устойчивость склона, связан-

ная с зависимостью от влажности физико-механических свойств грунтов, что требует осуществления более детальной проработки этого участка.

Таким образом, причинами оползневых деформаций являются как при-грузка склона насыпью дороги, так и переувлажнение склона.

В целях апробации предлагаемой методики были проведены необходимые расчеты и оценки. В качестве предварительной трассы был принят существующий участок дороги, предложенный проектной организацией на основе

традиционной методики трассирования. Для проведения необходимых расчетов весь участок трассы был поделен на отрезки, и были заданы еще четыре дополнительных опорных сечения склона. На каждом из этих опорных сечений выбрали по несколько опорных точек, для которых выполнили расчеты по оценке

степени устойчивости системы «склон - дорожное полотно» так, как показано выше.

В результате исследования было установлено, что существующая трасса проходит на границе и вне границ области оползневой безопасности. Область позволяет оптимизировать продольный профиль трассы переносом последней в пределах ПК 101-104 на 3-5м вниз по склону. Применение подпорных сооружений на данном участке не приводит к изменению (повышению) устойчивости системы из-за мощности оползневого тела.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненной работы заключаются в следующем:

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

Поставлены и систематизированы основные задачи исследования.

2. Обобщены и дополнены ранее развитые подходы к аналитической оценке эффективности строительства автомобильных дорог. Разработана комплексная система целей строительства и критериев их достижения. Предложен новый подход к оценке эффективности и полезности альтернативных вариантов дороги, основывающийся на методе поиска варианта, ближайшего к «идеальному».

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

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

5. Экспериментальная яронерка разработанных и программно резлизован-ных алгоритмов решения поставленных задач, подтвердила их высокую эффективность, а также адекватность выбранных математических моделей.

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

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Келоев ТА, Даурова А.А. Оценка воздействия на окружающую среду как фактор принятия решения // Вестник МАНЭБ. 2001, №4. С, 19-20.

2. Келоев ТА, Даурова А.А., Гусалова З.Б. Описание ландшафта в определении экологических последствий дорожного строительства // Вестник МАНЭБ. 2001, №4. С.21-23.

3. Келоев ТА, Даурова А.А. Оценка скорости склоновых движений в горном рельефе // Материалы IV междунар. конференции «Устойчивое развитие горных территорий». Владикавказ, 2001. С.449-450.

4. Даурова А.А., Гусалова З.Б., Келоев Т.А. Автотранспортный комплекс и окружающая среда // Труды молодых ученых. Владикавказ: Издательство Владикавказского научного центра, 2002. Вып. 3. С.115-119.

5. Даурова А.А. Экономико-математическое обоснование выбора природно-охраккых мероприятий // Материалы междунар. конференции «Информационные технологии и системы: наука и практика». Владикавказ, 2002. С.287-289.

6. Ходова С.Н., Даурова А.А., Гусалова З.Б. Задача минимизации общего экологического ущерба // Материалы междунар. конференции «Информационные технологии и системы: наука и практика». Владикавказ, 2002. С.473-475.

7. Келоев Т.А., Даурова А.А. Оценка скорости смещения обломочного материала по склону // Вестник МАНЭБ. 2003, №3. С.9-10.

8. Groppen V.O., Tomaev M.H., Daurova А.А. Optimal Software Design Principles // Fifth Conference on Evolutionary Methods for Design, Optimization and Control with Applications to Industrial and Societal Problems: Abstracts. Barcelona, September 15-17,2003. P.132.

9. Даурова А.А., Гусалова З.Б. Задача выбора оптимального варианта трассы горной дороги // Материалы междунар. конференции «Информационные технологии и системы: новые информационные технологии в науке, образовании, экономике». Владикавказ, 2003. С.87-89.

10. Даурова АА, Гусалова З.Б. Анализ полезности для оценки и выбора проектного варианта горной дороги // Материалы V междунар. конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы». Владикавказ, 2004. С.581-583.

11. Даурова А.А. Решение многокритериальной задачи оптимального трассирования методом поиска варианта, ближайшего к «идеальному» // Материалы V междунар. конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы». Владикавказ, 2004. С.580-581.

12. Келоев ТА., Даурова А.А. Обоснование двухуровневой системы принятия решений при строительстве автомобильных дорог в горных условиях // Труды молодых ученых. Владикавказ: Издательство Владикавказского научного центра, 2004. Вып. 3. С. 107-109.

Сдано в набор 12.11.2004 г., подписано в печать 22.11.2004 г.

Гарнитура Таймс. Печать трафаретная. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,28. Тираж 100 экз. Заказ № 33.

Типография ООО НПКП «МАВР», Лицензия Серия ПД № 01107, 362040, г. Владикавказ, ул. Августовских событий, 8, тел. 44-19-31

*2618 S

Введение.

Глава 1. Теоретические аспекты экологизации процессов транспортного освоения горных территорий.

1.1. Краткий обзор исследований взаимодействия автомобильных дорог с окружающей средой.

1.2. Автомобильная дорога как природно-техническая система.

1.3. Современные методологические концепции в изучении функционирования системы «автомобильная дорога -окружающая среда».

1.4. Двухуровневая система управления строительством автомобильных дорог в горных условиях.

1.5. Выводы.

Глава 2. Оценка и выбор проектного варианта горной дороги.

2.1. Общая постановка задачи и определение этапов ее решения

2.2. Анализ существующего положения в области окружающей среды

2.2.1. Экологические ландшафтные единицы. Матрицы экологической зависимости.

2.2.2. Оценка геодинамической напряженности и гравитационной опасности для обоснования проектного решения по размещению дороги.

2.2.3. Оценка скорости склоновых процессов.

2.3. Анализ полезности для оценки и выбора альтернативного варианта автомобильной дороги.

2.3.1. Разработка системы целей.

2.3.2. Взвешивание целей.

2.3.3. Расчет частичной и полной полезности варианта дороги

2.4. Поиск оптимального варианта автомобильной дороги.

2.4.1. Постановка задачи.

2.4.2. Решение задачи в случае однородных и неоднородных критериев.

2.5. Выводы.

Глава 3. Оптимизация трассирования автомобильной дороги в условиях горного рельефа.

3.1. Теоретические основы количественной оценки устойчивости дорожного полотна на горном склоне.

3.1.1. Причины и формы нарушения устойчивости.

3.1.2. Устойчивость насыпи на склоне.

3.1.3. Устойчивость откосов земляного полотна.

3.2. Математические модели устойчивости системы «горный склон -дорожное полотно».

3.2.1. Модель устойчивости склона, основанная на определении коэффициентов устойчивости.

3.2.2. Адаптация модели к задаче поиска оптимального положения оси трассы.

3.2.3. Модель задачи поиска области оползневой безопасности

3.3. Определение оптимального положения оси трассы.

3.3.1. Оптимизация плана и профиля дороги.

3.3.2. Оптимизация по строительной стоимости.

3.4. Выводы.

Глава 4. Автоматизированная технология оценки альтернативных вариантов автомобильной дороги и проектирования трассы с применением методов оптимизации.

4.1. Общая схема процедуры принятия решений для оценки и выбора проектного варианта горной дороги и трассирования.

4.2. Используемые алгоритмы.

4.3. Интерфейс.-.

4.4. Выводы.

Глава 5. Экспериментальная проверка методики.

5.1. Физико-географические и техногенные условия в районе прохождения дороги.

5.1.1. Геоморфологическое районирование.

5.1.2. Климат.

5.1.3. Геологическое строение.

5.1.4. Геологические и инженерно-геологические процессы

5.2. Характеристика и строение оползневого тела.

5.3. Результаты оценки устойчивости.

5.4. Выводы.

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

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

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

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

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

О О

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

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

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

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

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

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

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

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

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

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

6. Выполнить практическую апробацию разработанной методики на конкретном объекте.

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

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

Геологический - локальные изменения рельефа, нарушение геоморфологии местности.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна и значимость работы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные результаты выполненной работы заключаются в следующем:

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

Поставлены и систематизированы основные задачи исследования.

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

Разработана комплексная система целей строительства и критериев их достижения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

1. Tansley A.G. The use and abuse of vegetational concepts and terms. Ecology, 1935. vol. 16. №3.

2. Сукачев B.H. Основы генетической классификации в биоценологии. Журн. общ. биол., 1944, т.5. С. 17-29.

3. Миронов А.А., Евгеньев И.Е. Автомобильные дороги и охрана окружающей среды. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1986. 284 с.

4. Бабков В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения. М.: Транспорт, 1970. 256 с.

5. Лобанов Е.М. Проектирование дорог с учетом психофизиологии водителя. М.: Транспорт, 1980. 311 с.

6. Орнатский Н.П. Проектирование, благоустройство автомобильных дорог. М.: Высшая школа, 1974. 136 с.

7. Васильев А.П. Состояние дорог и безопасность движения автомобилей в сложных погодных условиях. М.: Транспорт, 1976. 224 с.

8. Сиденко В.М., Михович С.И. Эксплуатация автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1976. 287 с.

9. Некрасов В.К., Алиев P.M. Эксплуатация автомобильных дорог. М,: Высшая школа, 1983. 287 с.

10. Бабков В.Ф. Ландшафтное проектирование автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1980. 190 с.

11. П.Дзенис П.Я., Рейнфельд В.Р. Пространственное проектирование автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1968, 112 с.

12. Евгеньев И.Е. К оценке влияния автомобильной дороги на окружающую среду // В кн.: Строительство и эксплуатация автомобильных дорог и мостов: Труды Белдорнии. Минск, 1975.

13. Беляев В.И. Теория сложных геосистем. Киев: Наукова думка, 1975. 155 с.

14. Пэнтл Р. Методы системного анализа окружающей среды. М.: Мир, 1970. 213 с.

15. Экологические системы. Адаптивная оценка и управление. /Под ред. К.С. Холинга. М.: Мир, 1981. 397с.

16. Миронов А.А. Системный подход к взаимодействию автомобильных дорог с окружающей средой // В кн.: Повышение качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР: Тезисы докладов научно-технического семинара. Владимир, 1982. С. 96-100.

17. Применение оценки воздействия на окружающую среду. Автомагистрали и плотины // Доклад целевой группы. Организация Объединенных Наций, Нью-Йорк, 1998.

18. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М.: Статистика, 1980. 263 с.

19. Инженерно-геологические аспекты рационального использования и охраны геологической среды. /Под ред. Е.М. Сергеева. М.: Наука, 1981. 240 с.

20. Дранников A.M., Стрельцес Г.В., Купраш Р.П. Оползни на автомобильных дорогах. М.Транспорт, 1972. 157 с.

21. Браславский В.Д., Львович Ю.М., Грицюк Л.В. Противооползневые конструкции на автомобильных дорогах. М.: Транспорт, 1985. 301 с.

22. Львович Ю.М., Мотылев Ю.Л. Укрепление откосов земляного полотна автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1979. 159 с.

23. Шахунянц Г.М. Земляное полотно железных дорог. М.: Трансжелдориздат, 1953.

24. Мурадов X.5L Основы методологии оптимального проложения трассы автомобильной дороги на горном склоне с учетом его устойчивости: Автореф. дис. д-ра техн. наук. М., 2000. 37 с.

25. Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1979.

26. Бабков В.Ф., Васильев А.П., Дивочкин О.А. Автомобильные дороги: Проектирование и строительство. М.: Транспорт, 1983. 240 с.

27. Коновалов С.В., Орешкин Б.М. Организация и технология строительства дорог в сложных природных условиях. М.: Высшая школа, 1968. 385 с.

28. Хомяк А.В., Скорченко В.Ф. Автомобильные дороги и окружающая среда. Киев: Вища школа, Изд-во при Киев, ун-те, 1983. 159 с.

29. Федотов Г.А. Автоматизированное проектирование автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1986. 316 с.

30. Бируля А.К. Проектирования автомобильных дорог. 4.1. М.: Автотрансиздат, 1961. 499 с.

31. Бондарик Г.К. Общая теория инженерной (физической) геологии. М.: Недра, 1981. 256 с.

32. Бондарик Г.К., Ярг JI.A. Природно-технические системы и их мониторинг//Инженерная геология, 1990. № 5. С. 3-9.

33. Королев В.А. Мониторинг геологической среды. М.: Изд-во МГУ, 1995.272 с.

34. Ретеюм А.Ю., Дьяконов К.М., Куницын Л.Ф. и др. Природа, техника, геотехнические системы. М.: Наука, 1978. 147 с.

35. Теоретические основы инженерной геологии. Социально-экономические основы. М.: Недра, 1985. - 259 с.

36. Теория и методология экологической геологии. /Под ред. Трофимова. М.: Изд-во МГУ,1997. 368 с.

37. Цернант А.А. Экосистемные принципы инженерной геомеханики в криолитзоне // Доклады международной конференции по открытым горным земляным и дорожным работам. М., 1994. С. 198 211.

38. Измалков В.И., Измалков А.В. Техногенная и экологическая безопасность и управление риском. СПб.: НИЦЭБ РАН, 1998. 482 с.

39. Ревзон А.Л., Камышев А.П. Природа и сооружения в критических ситуациях. Дистанционный анализ. М.: Триада, Лтд, 2001. 208 с.

40. Гарагуля Л.С, Гордеева Г.И., Хрусталев Л.Н. Оценка геоэкологического состояния природно-технических систем в криолитзоне //Геоэкология, 1997. № 4. С. 40-53.

41. Гарагуля Л.С, Гордеева Г.И., Хрусталев Л.Н. Районирование территории криолитзоны по степени влияния техногенных геокриологических процессов на экологические условия // Криосфера Земли, 1997. т. 1. № 1. С. 30-38.

42. Ревзон А.Л. Картографирование состояний геотехнических систем. М/. Недра, 1992. 223 с.

43. Ревзон А.Л. Космическая фотосъемка в транспортном строительстве. М.: Транспорт, 1993. 272 с.

44. Анализ и оценка природных рисков в строительстве. //Материалы международной конференции. М.:ПНИИИС, 1997. 173 с.

45. Дзекцер Е.С. Методологические аспекты проблемы геологической опасности и риска//Геоэкология, 1994. №3. С. 3 10.

46. Мягков С.М. География природного риска. М.: Изд-во МГУ, 1995. 224 с.

47. Шеко А,И., Круподеров B.C. Оценка опасности и риска экзогенных геологических процессов //Геоэкология, 1994. № 3. С. 11-21.

48. Молодкин П.Ф. Антропогенная геоморфология. Ростов: Изд-во Ростовского госуниверситета, 1995. 64 с.

49. Ревзон А.Л., Камышев А.П. Оценка динамики экологического состояния зон отчуждения земель в транспортном строительстве // Экология и промышленность России, 1998. №2. С. 33 38.

50. Трофимов В.Т., Королев В.А., Герасимова А.С. Классификация техногенных воздействий на геологическую среду //Геоэкология, 1995. № 5. С. 96-107.

51. Питьева К.Е. Гидрогеохимические аспекты охраны геологической среды. М.: Наука, 1984. 214 с.

52. Тютюнова Ф.И. Гидрогеохимия техногенеза. М.: Наука, 1987. 318 с.

53. Герасимова А.С., Королев В.А. Проблемы устойчивости геологической среды к техногенным воздействиям. М.: АО «Геоинформмарк», 1994. 47 с.

54. Кюнтдель В.В. Оценка экологической устойчивости геологической среды к природным и техногенным воздействиям //Геоэкологические исследования и охрана недр. Обзор. М.:АО «Геоинформмарк», 1995. 29 с.

55. СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства, основные положения. М.: Минстрой РФ, 1997. 42 с.

56. СП 11-102-97. Инженерно-экологические изыскания для строительства. М.: Госстрой РФ, 1997. 41 с.

57. Дегтярев С. Экологическое проектировани //Автомобильные дороги. 2000. № 8. С.13.

58. Даурова А.А., Гусалова З.Б. Задача выбора оптимального варианта трассы горной дороги // Мат. межд. конф. «Информационные технологии и системы: новые информационные технологии в науке, образовании, экономике». Владикавказ, 2003.

59. Келоев Т.А., Даурова А.А., Гусалова З.Б. Описание ландшафта в определении экологических последствий дорожного строительства // Вестник МАНЭБ. 2001. №4.

60. Ревзон А.Л., Юровский Б.Л. Космическая информация и прогнозирование экзогенных процессов // Исследование Земли из космоса. 1983. №4. С. 47-53.

61. Келоев Т.А., Даурова А.А. Оценка вероятности развития оползней и обвалов в Горной Осетии // Вестник МАНЭБ. 2002. №4.

62. Келоев Т.А., Даурова А.А. Оценка скорости склоновых движений в горном рельефе // Мат. IV межд. конф. «Устойчивое развитие горных территорий». Владикавказ, 2001.

63. Даурова А.А., Гусалова З.Б. Анализ полезности для оценки и выбора проектного варианта горной дороги // Мат. V межд. конф. «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы». Владикавказ, 2004.

64. Кини P.JL, Райфа X. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения. М.: «Радио и связь», 1981. 560 с.

65. Гермейер Ю.Б. Введение в теорию исследования операций. М.: «Наука», 1971. 384 с.

66. Даурова А.А. Решение многокритериальной задачи оптимального трассирования методом поиска варианта, ближайшего к идеальному // Мат. V межд. конф. «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы». Владикавказ, 2004.

67. Автомобильные дороги: (Примеры проектирования). Учебн. пособие для вузов /Под ред. B.C. Порожнякова. М.: Транспорт, 1983. 303 с.

68. Мурадов Х.Я. Защита от оползня //Автомобильные дороги. 1999. № 9. С. 10-11.

69. Мурадов Х.Я. Оползневая безопасность горных дорог // Автомобильные дороги. 1999. № 11. С. 9-11.

70. Бабков В.Ф. Устойчивость земляного полотна автомобильных дорог. М.: Высшая школа, 1966.

71. Бабков В.Ф., Гербурт-Гейбович А.В. Основы грунтоведения и механики грунтов. М.: Высшая школа, 1964.

72. Иванов Н.Н., Пузаков Н.А. и др. Строительство автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1969.

73. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Высшая школа, 1968.

74. Вержбицкий В.М. Основы численных методов. М.: Высшая школа, 2002. 847 с.

75. Леонович И.И., Вырко П.А., Лыщин. Формулы и зависимости для решения дорожных и транспортных задач. Минск: Вышейша школа, 1974. 497с.

76. Макарян Н., Петросян Н. Профиль горных дорог // Автомобильные дороги. 2000 №3. С. 16.

77. Загоруйко Н,Н. Прикладные методы анализа данных и знаний. Новосибирск, 1999.

78. Берж К. Теория графов и ее применения. М.: Изд-во иностранной литературы, 1962.

79. Филлипов В.В., Величко Г.В. Проектирование продольного профиля в CREDO кубическими сплайнами //Автомобильные дороги, 2000. № Ю, С. 34-35.

80. Телло Э.Р. Объектно-ориентированное программирование в среде Windows. М.: Наука, 1993. 347 с.

81. Трайсера С., Пачеко К. Delphi 5, Руководство разработчика. М.: Изд. дом «Вильяме», 2000.

82. СниП 2.01.15.90. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. М.Д991.

83. СниП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства. М., 1997.

84. Гончаренко О.А,, Кулаев И.Г. Технический отчет по доизучению опасных геологических процессов по Северной части ТрансКАМа и Цейской автодороге за 1989 1990 г., Владикавказ, фонды КПР РСО-А.

85. Кортиев Л.И. Транскавказская автомагистраль. Владикавказ: Иристон, 2000. 334 с.

86. Галушкин И.В., Теняев В.Г. и др. Отчет о научно-исследовательской работе «Геоинформационная система экологического мониторинга территории». Владикавказ, 2002.