автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация анализа и обработки данных для выбора конструктивных параметров технологических машин с использованием вложенных процессов

На правах рукописи

НЕРЕТИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ АНАЛИЗА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЛЯ ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЛОЖЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.13.06- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете)

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Николаев Андрей Борисович

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Суворов Дмитрий Наумович

Кандидат технических наук, доцент Брыль Владимир Николаевич

Ведущая организация: Российский научно-исследовательский институт информационных технологий и систем автоматизированного проектирования (Рос НИИАТ и АП), г. Москва.

Защита состоится марта 2006г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу:

125319 ГСП А-47, Москва, Ленинградский пр., д.64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ(ГТУ).

Автореферат разослан 2]_ февраля 2006г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять в адрес совета института.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент п Михайлова Н.В.

ХООСА

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

В настоящее время большое внимание уделяется разработке систем поддержки принятия решений в различных областях знаний. Однако на практике недостаточно полно используется спектр математических методов с развитыми формами визуализации данных. Обычно, исследователи не достаточно свободно владеют аналитическими методами, поэтому приходится динамически подстраивать формы представления аналитических расчетов непосредственно под каждого. В классическом варианте, когда реализуются программные модули аналитической обработки, это требует значительных временных затрат, причем неизвестно - будут ли они работоспособны в плане поддержки принятия решений именно данным лицом. В связи с этим предлагается методика интеграции пользовательских приложений, реализованных в различных инструментальных средах, которая представлена упорядоченной совокупностью включенных методов и их алгоритмической структурой с привязкой к разнородной системе баз данных. Реализация методики выполнена на примере проблемы выбора типов технологических и транспортных машин и режимов их функционирования на грунтах со слабой несущей способностью.

Диссертация посвящена решению проблемы автоматизации и создания открытого программно-моделирующего комплекса для повышения эффективности управления технологическими и транспортными машинами.

Цель и основные задачи исследования

Целью настоящей работы является создание системы автоматизации обработки и анализа статистических и модельных данных функционирования технологических и транспортных машин и выбор их конструктивных параметров с использованием вложенных процессов.

В соответствии с поставленной в диссертации целью решаются задачи:

• анализ систем поддержки принятия решений, инвариантных к предметным областям;

• анализ и систематизация методов и моделей расчета характеристик взаимодействия технологических и транспортных машин с деформируемыми грунтами;

• формализация методики обработки и анализа статистических данных на примере оценМ|^^Ац^щ^ущ-|грунтов и профиля местности по эксперимента. 1ьны*£юлидо£кл }

С.! оэ

• автоматизация методики моделирования динамических систем на примере модели взаимодействия одиночного колеса с грунтом;

• создание универсальной методики интеграции разнородных компонентов динамических систем и анализ характеристик взаимодействия многоколесных транспортных и технологических машин;

• разработка базы экспериментальных данных по характеристикам грунта и профиля дорожного полотна,

• разработка программно-моделирующего комплекса с открытой структурой на основе интеграции с математическими пакетами в рамках гибридной системы поддержки принятия решений

Методы исследования

Теоретической основой диссертационной работы являются общая теория систем, методы оптимизации, случайные процессы, имитационное моделирование, исследование операций, регрессионный анализ, дисперсионный анализ, механика грунтов и другие.

Научная новизна

Научную новизну работы составляет создание и использование гибридной системы поддержки принятия решений, обеспечивающей автоматизацию анализа и обработки данных для расчета режимов функционирования и выбора конструктивных параметров технологических машин с использованием вложенных процессов.

На защиту выносятся:

• методика поиска и оценки адекватности новых эмпирических зависимостей по экспериментальным данным статистической базы моделей осадки и сдвига;

• новые аналитические зависимости моделей погружения штампа;

• формализованное представление сцепленных процессов системы «движитель-грунт»;

• методика интеграции имитационных и аналитических моделей компонентов системы «движитель-грунт».

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных зависимостей. Достоверность положений и выводов диссертации

подтверждена положительными результатами внедрения разработок в ряде крупных организаций.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Разработан программно-моделирующий комплекс, позволяющий в интерактивном режиме использовать оперативные данные о состоянии грунтов для принятия решений по выбору типов технологических и транспортных машин для выполнения работ на грунтах со слабой несущей способностью. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ЗАО «Автотехцентр СИМ», ООО «Техноком», а также используются в учебном процессе МАДИ(ГТУ). Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов.

Апробация работы

Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение:

• на республиканских и межрегиональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах (1999-2006 гг.);

• на заседании кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ(ГТУ)

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура работы соответствует списку перечисленных задач и содержит описание разработанных методов, моделей и алгоритмов.

В первой главе диссертации рассмотрены принципы построения систем поддержки принятия решений, инвариантных к предметным областям.

Показано, что автоматизация процесса поддержки принятия решения, отличная от прямого доступа к «сырым" данным требует использования моделей. При этом поиск вывода данных из базы также осуществляется при помощи процесса, инициируемого моделью. Управление моделями менее исследовано по сравнению с двумя другими компонентами СПР, однако в этой области ведется активный поиск. Управление моделями обеспечивается с помощью следующих средств:

• системы управления базой моделей (СУБМ), используемой для поиска, генерации, преобразования параметров и реструктурирования моделей, включения "справочника модели" с целью поддержки информации о доступных моделях;

• блока выполнения моделей, предназначенного для управления прогонкой модели и осуществления связи между моделями;

• процессора команд моделирования, необходимого для интерпретации инструкций моделирования, получаемого из блока управления диалогом, и направления выработанных команд в СУБМ или блок выполнения моделей;

• интерфейса с базой данных, используемого для поиска элементов данных в базе, прогонке моделей и хранения выходной информации модели с целью дальнейшей обработки, рассмотрения или использования ее в качестве входных данных другой модели.

Анализ и систематизация задач в области моделирования взаимодействия технологических машин с целью выбора конструктивных характеристик в зависимости от свойств грунта и характеристик дорожного полотна привела к схеме исследований, приведенной на рис.1. Верхний уровень связан с принятием управленческих решений по выбору типов машин. Для принятия решения необходимо наличие данных о конструктивных характеристиках всех доступных типов транспортных и технологических машин. С другой стороны, выбор типа должен быть обоснован условиями его конкретного применения, т.е особенностями функционального использования и состояния грунта на конкретном строительном объекте. Свойства грунта существенно влияют на эффективность использования машин, поэтому необходима разработка формализованных моделей грунта

Взаимосвязь задач автоматизации выбора конструктивных параметров технологических машин

Выбора конструктивных параметров технологических машин I

Ъ ц ~

Моделирование передвижения многоколрсной машины |

Расчет харатсгериетикJ

__^_

Моделирование случайного профиля

~ гг и ~

Статистические модели грунта <

Рис.1.

Решение задач среднего уровня связано с определением оптимальных режимов взаимодействия конкретного типа машины с конкретным типом грунта. Основой расчета должна быть совокупность

математических моделей описания процесса взаимодействия движителя, что дает основу для расчета технических характеристик. В свою очередь модели анализа характеристик транспортных и технологических машин и формальные методы оптимизации дают основу задачам синтеза, которые вместе с экспертными оценками составляют основу методологии выбора типов машин и режимов их работы.

Для реализации системы поддержки принятия решений выбора конструктивных характеристик технологических машин проведен анализ моделей взаимодействия технологических и транспортных машин с грунтом со слабой несущей способностью. Рассмотрены вопросы математического моделирования процесса взаимодействия и проведен сравнительный анализ наиболее распространенных схем. Показана эффективность полуэмпирических методов определения характеристик передвижения транспортных машин.

За последние годы класс эмпирических зависимостей режимов погружения штампа существенно расширен. Проведенные исследования показали, что, несмотря на большое разнообразие эмпирических моделей взаимодействия, интерактивный режим обработки результатов экспериментов на базе современных статистических пакетов и методов многомерного статистического анализа дает основу синтезу для создания новых более точных моделей.

Приведен анализ методов моделирования рельефа местности

на предмет их включения в общий контур моделирования характеристик передвижения транспортных и технологических машин на грунтах со слабой несущей способностью.

Рассмотрены основные модели расчета характеристик взаимодействия одиночного колеса с деформируемым основанием, а именно методы Беккера, Забавникова и другие. Выявлен класс зависимостей и характеристик взаимодействия машин с грунтами со слабой несущей способностью: зависимость удельных потерь энергии от величины удельной свободной тяги; зависимость удельных потерь энергии от величины буксования и другие.

Проведен анализ статистических методов на предмет применимости к решению проблем моделирования взаимодействия транспортных и технологических машин на грунтах со слабой несущей способностью. В результате в диссертации предлагается использовать всю совокупность статистических методов."'включив их в контур автоматизированной системы поддержки принятия решений по выбору типов машин для конкретной ситуации, режимов их функционирования а также конструктивных параметров

В диссертации ставится задача автоматизации моделирования

взаимодействия транспортных и технологических машин с грунтовым основанием при выполнении земляных, строительных и монтажных работ С одной стороны необходима классификация методов моделирования взаимодействия транспортных и технологических машин с грунтом С другой стороны, постановка задач, решение которых позволит реализовать целостную методику выбора режимов функционирования машин и их конструктивных параметров

Во второй главе разработаны формальные методы проектирования систем поддержки принятия решений. Исследованы взаимозависимые проблемы, касающиеся природы, ситуаций принятия решений, а также обеспечивающие сервисные средства и технологии.

Основная предпосылка системного подхода - выделение в системах, не смотря на их специфику, множества общих элементов. Окружение (внешняя среда) - множество объектов и условий вне границ системы, которые взаимодействуют с системой, но не контролируются ею. При формировании методики проектирования и моделирования рассмотрены следующие составляющие (см рис1.) Роль - возможное влияние системы на ее окружение. Она определяет, какими средствами система располагает, и что является ее целями. Компоненты системы - идентифицированные элементы внутри системы, обычно представляющие собой функциональные блоки. Для выделения компонентов используются два общих принципа разделение в соответствии с функционированием и специализация в зависимости от областей окружения. Первый принцип связан с требованием эффективного выполнения частных задач, а второй - с необходимостью образовывать интерфейсы с частными аспектами окружения.

Архитектура отражает связи между компонентами системы и между компонентами и окружением. Основной принцип организации элементов системы - оптимальный баланс между координацией и автономией Предпочтительно обеспечивать минимальную взаимозависимость компонентов, которая еще позволяет системе выполнять ее функции как единого целого.

Системные ресурсы - элементы, которые используются или потребляются при построении и функционировании системы и, как и окружение, находятся вне границ системы, однако частично контролируются ею.

Архитектура системы определяется окружением, в котором функционирует система, и методом, с помощью которого они воздействуют на окружение. Следовательно, рассмотрению

компонентов организации системы должно предшествовать изучение внешних аспектов

Взаимодействие компонентов системы поддержки принятия решений

Результаты анализа и входные данные

ИГ

J

, Выбор и ввод ( исходных данных

V____,__

Л

г ^

Наблюдения I *| Пользователи

^---

Интерпретация у- ^ Правила

Гипотезы I-— Вывод ]

__) 'ч____.____У

Заключение |

Рис.2.

Разработаны принципы формализованного описания компонентов транспортной системы, а именно, эмпирических моделей грунтового основания, профиля дорожного полотна, методов взаимодействия одиночного колеса с деформируемым основанием.

Характеристики грунтового основания вычисляются, в основном, на основании экспериментальных данных по результатам погружения и сдвига штампа, имеющего различные формы. Количество эмпирических моделей, разработанных различными исследователями, составляет несколько десятков.

В связи с этим предлагается универсальная модель расчета и сравнительного анализа эмпирических зависимостей, открытая для включения, как новых экспериментальных данных, так и новых моделей (Рис.3.).

Общая схема реализована на основе создания параметризуемых макросов пакета 81аКзйса, включенных в гибридную среду поддержки принятия решений.

Предложенная схема автоматизации обладает развитыми средствами визуализации данных и позволяет оперативно проводить анализ адекватности новых моделей Так, на рис.4, представлена одна из форм визуализации зависимости тангенсальной реакции от

нагрузки и сдвига, а также схем сравнительного анализа точности моделей.

Структура экспериментальных данных и модельных экспериментов

Модели расчета

БД Экспериментов

Mod 1 Mod 2 Mod n

Рис.3.

На основе проведенного сравнительного анализ классических моделей отработана методика оценки эффективности моделей с использованием методов регрессионного, дисперсионного и факторного анализа. Это позволило в автоматизированном режиме проводить исследования по синтезу новых эмпирических моделей. Результаты поиска привели к новым эмпирическим зависимостям, среди них модели, представленные в табл.1

Все полученные результаты исследований сведены в единую статистическую базу данных, включающую первичную (исходную), вторичную (расчетные характеристики регрессионных моделей погружения) и производные от них по сравнительному анализу и оценке значимости влияния факторов

Для отработки новых моделей используется стандартный синтаксис (табл.1.), который позволяет экспериментаторам, не владеющим навыками программирования описывать аналитические модели и получать соответствующие результаты оценки

Визуализация экспериментальных данных по штамповым экспериментам

30 ¡СИЕ МЫ су

СяНаоЛиаРкяЬгУаПяМг »

Модель

х = (с + 1дЭ-0)-(1-е 0 = кг"

Рис.4.

Регрессионные модели

Синтаксис

~Г МП-Мак О 25%-79%

ч 5 13 0 Мв^ап у»1ие

Таблица 1.

Ти=(с+1дГ0)*( 1 -ехр(-И\Ш)) 0=к*г**п

0 = в<*+ьЛ)

^=(к+к2-Х) + (ка + ккС1Х)1пО

<Э=ехр(а+Ь*8Я11(2)) зяг1(2)=(кя+к^*1_М)*1пС) зяй(г)= (к+кг^М) +

Проведен сравнительный анализ моделей, учитывающих скорость взаимодействия. Найдено концептуальное подобие между эмпирическими характеристическими кривыми погружения и кривой плотности гамма-распределения. Так при малых скоростях, грунт ведет себя как мелко дисперсионная среда (большое количество степеней свободы гамма-распределения) При очень больших скоростях - как монолит (одна степень свободы). Показано, что число степеней свободы п сильно коррелирует со скоростью взаимодействия. Предельные соотношения могут быть записаны.

V—>оО => /7—>1, V—>0 => Л—>оо.

На основе соответствующих преобразований указанных переменных, получена результирующая зависимость, учитывающая скорость погружения контактной площадки:

F(z,V | dz,dv,VKp) = n 1 (*d2z)- .

2*•гГ-

л

где dz, dv, VKp - параметры регрессии, Г - гамма-функция. Полученная зависимость также включена в программный комплекс, что позволяет повысить точность расчетов характеристик взаимодействия машин с грунтом.

В результате предложена универсальная подсистема моделирования свойств грунта, включенная в интегрированную программную среду автоматизации расчета характеристик функционирования технологических и транспортных машин

Разработана компонента обработки и анализа данных экспериментов по характеристикам микрорельефа пои пооведении штамповых экспериментов, которая также вошла в состав гибридной СППР. При реализации измерений использовался динамический преобразователь профиля, который вырабатывает электрический сигнал в аналоговой ферме, являющийся линейным преобразованием ординат микропрофиля дорожной поверхности под колесом. Затем проводилась его дискретизация с помощью АЦП и полученная информация заносилась в БД.

Проведенный спектральный и корреляционный анализ по 20-ти километровому участку дал интересные результаты. Так, на рис 5 представлен спектр, который имеет явно выраженные пики Кроме того, частная автокорреляция практически нулевая кроме сдвига на один лаг Это позволяет представить модель профиля в виде марковского случайного процесса.

На основе полученных результатов, в диссертации поставлена и решена задача моделирования профиля местности и характеристик параметров грунта с заданными статистическими свойствами

В общем случае, модель профиля представляет случайное поле, при этом каждая траектория передвижения определяет случайный процесс характеристик. Если свойства процесса определены через автокорреляционную функцию R(m), то для физической реализуемости процедуры генерации выборочной траектории необходимо ограничить область определения ковариационной функции(рис.6.).

Граница выбирается так, что за ее пределами корреляция между случайными величинами практически отсутствует. Образуем

л

последовательность = £ хдУ = 1»2.

Предположим, что Мг\, =0, тогда для справедливо-

мь, = «I *д+; = £ x,Mn,+y = X x,Mr\ = = 0.

(2)

Спектральная плотность и частная автокорреляция дорожного

полотна

Spedrtf mb/иш VAB3 Ne ef CNtKSSO

НвтгтИд weiCM. 0Э57 44Í4 ¡411 03S7

PftitM AutticoireMsn Fin^i

e*

WARptdWOfk-l)

OW OAS 010 OS 020 0 25 0 30 0 35 8 40 0 46 FrMiMftcy

Рис.5.

а для значений M^¡£¡+, выполнятся:

Г n л л п

Li=i /-i J f i /-i

(3)

где М<Ч+;-2

|0, Ык+! [Мг\2, ¡ = к + 1

Необходимые значения х, для совпадения ковариационной функции последовательности \ с заданной Я(т) определяется на основании решение системы методом Зейделя. Решение сводится к итерационной процедуре решения систем линейных алгебраических уравнений относительно отклонений 4 от точного решения, т.е. Аек=5к, где 6к - вектор невязок на к-ом шаге итерации.

Кроме того, для оценки качества дорожного полотна предлагается использовать результаты кросскорреляционного анализа (рис.6.).

Приведенный график (рис 6) показывает на существенные поперечные колебания дорожного полотна.

Следующая компонента представляет формализованное описание методов и алгоритмов расчета параметров взаимодействия колесных машин с грунтом со слабой несущей способностью, которое является основой для расчета характеристик движения многоколесной машины

Кросскорреляционная функция дорожного полотна

CrossCorrelation Function Ftret SR Lagged SL

Ставится и решается задача разработки расчетного метода, позволяющего исследовать влияние основных параметров системы колесо-грунт В основном, методы расчета базируются на решении интегральных уравнений. В связи с этим компонента СППР реализуется на основе интерфейсного взаимодействия с МаНаЬ. Так, например, метод Беккера основывается на поиске угла, для которого выполняется условие определения параметра ао' (а0)=0:

л/2 я/2

| д(а, а0) • sin а • da + J т(а, а0) • cos а ■ da-

2 W DB

(4)

и- а

Оо а0

Дифференциальные характеристики определяются на основании соотношения:

»-Г-.-

2-к

■Ji(a,a0)

(5)

т(а, а0) = (д(а, а0) ■ ¿дв + с) •) 1 - ехр

V V

Алгоритм расчета сводится к вычислению следующих характеристик взаимодействия: тягово-энергетической характеристики зависимости момента М=М(\,\/}\ зависимости величины колеи г=г(\, V), зависимости величины тяги Р=Р(\, 10; зависимости заполнения колеи (вынос грунта) от буксования г^г^Х зависимости величины колеи от скорости движения ?=/{]/) при яСолвО, построению эпюр удельных реакций по линии контакта д=д(а), т=т(а) в зависимости от 1 и V.

Расчет дифференциальных и интегральных характеристик каждого колеса независимо от метода, по которому получены его характеристики, позволяет формально перейти к расчету тяговых характеристик многоколесной машины. При этом предполагается выполнение согласованных условий, которые формально можно

представить в виде вложенной системы моделей, представленной на рис 7.

Разработанные в диссертации механизмы формирования методик расчета позволяют настраивать программный комплекс на произвольную конфигурацию, т.е. система инвариантна к используемым методам. Последняя запись является примером описания расчетного алгоритма. Методика выбора режимов работы технологической машины предполагает последовательное использование моделей оценки чувствительности к параметрам грунта В качестве методов анализа (Ме^апИ) используются: анализ функции (Ме(_Л/п); анализ чувствительности (МеПпГ): анализ регрессии (Ме(_гед) и др Предлагается синтаксис записи согласования интерфейсных переменных по расчету параметров взаимодействия, пример которой представлен на рис.8.

Вложенная структура моделей одиночного колеса

I System

W V,

WHEEL.

Паоаметры i—--1

ID В Тур I

Model OBJ

Мп-

Век

Zab

Wheel, V

DIF CHAR: a q(a) x(a)

INT CHAR OBG: P, M, z, zv fv/, 9

Г "Г ! 1

Рис.7.

Zc(WHEEL,)=0;Zc(WHEELj)=Zc(WHEELj.i) Ij = MET_FIZ(TR(WHEELj), INT_CHAR(GROUND)) Wj = Wj(PARM (TRANS)) Vj = Vj(PARM(TRANS))

INT_CHAR(WHEELj) = MET_MIR(lj, Wj, Vj, ZJA, PARM(WHEELj), INT_CHAR(GROUND) : j - î~m ))

INT_CHAR(TRANS) = MET_MOOM(INT_CHAR(WHEELj) : j = \~m

На основе моделей регрессионного анализа модельных экспериментов напряженного состояния под колесом было показано, что эпюра экспериментальных удельных реакций на рабочем участке обода колеса имеет выраженный максимум. Проведенный анализ показал, что точность аппроксимации возрастает при разбиении области на две [а0, ам] и [ам, ак]. Аналитический вид зависимостей имеет поправочный регрессионный коэффициент р, что дает дополнительное увеличение точности модели:

где qм - максимальное значение нагрузки, ам - значение угла, соответствующее максимуму напряженности, а0 и ак - начальный и конечный угол контакта. Показано, что в результате такой аппроксимации точность определения интегральных характеристик по сравнению с методами Беккера и Забавникова выше на 6-8%.

На рис.9, приведена диаграмма по сравнительному анализу точности различных методов, полученная с использованием разработанной компоненты.

Интегральные характеристики многоколесных машин определяются на основании характеристик взаимодействия каждого колеса и определяются на основании соотношения-

м

(6)

(7)

Сравнительный анализ точности методов расчета

2,ш 1!

Последнее соотношение дает базу для расчета тяговых характеристик многоколесной машины. Однако учет маневренности, т.е. скорости, ускорения, угла поворота, распределения нагрузки и других параметров определяет характеристики каждого колеса. Таким образом, возникает обратная связь, и решение задачи сводится к итерационной процедуре последовательного уточнения характеристик Основу прямого метода, т.е. методу расчета интегральных характеристик колеса, дает алгоритм взаимодействия одиночного колеса На рис.10, представлена вложенная структура некоторых компонентов многоколесной машины

Под функционированием системы и модели понимается процесс изменения ее состояния во времени. Состояние включает всевозможные аспекты, такие как погодные условия, микрорельеф и профиль дороги, ускорение, крен и деферент технологической машины и др Моделирование процесса в целом должно включать модель дорожного полотна, модели взаимодействия движителя с поверхностью дороги, модели самой транспортной машины и др Примем все они связаны между собой и вложены одна в другую Предполагается, что вся система разделяется на множество объектов, связанных между собой различными способами.

В третьей главе диссертации работе ставится и решается задача формализации принципов построения системы поддержки принятия решений для интерфейсного согласования компонентов модели передвижения машины.

Взаимосвязь моделей динамики технологической машины

| Система "машина-грунт" ! I Машина '

J

Wheel] | : р I' ' Г"'

Мгее12

¡2,Рг,..

IГ —1 I ¡ Грунт

\УЬее1п

I, Л..-

с.к.п...

П' п7 п'

Рис.10.

Для информационно-логической модели взаимодействия машины с грунтом предлагается доменно-ориентированная структура модели

данных (рис.11.). Выделены следующие базовые домены: характеристики автомобиля, наименование, оценки параметров регрессии, сравнительный анализ моделей, характеристики шин, описание эксперимента, экспериментальные данные, физические свойства грунтов.

На их основе построены составные домены: автомобили, шины, грунты, эксперименты, регрессионные модели. Все атрибуты составных доменов образуются в результате наследования атрибутов от связанных с ними доменов.

С целью адекватного представления объектных моделей в работе предлагается модель данных, основанная на использовании математической теории категорий. Любой объект предметной области будем ассоциировать с некоторой универсальной сущностью Е.

Доменно-ориентированная структура модели данных

Физические свойства грунтов

Рис.11.

Каждый экземпляр сущности характеризуется множеством атрибутов А = {А, А2..., Ап}. Атрибуту соответствует область возможных значений. Между множеством атрибутов и областями возможных значений задается отображение вида: Dom: А -» D, где

Р = {01, 02,. , 0П} - области возможных значений, О, - область возможных значений.

Таким образом, атрибуту А, соответствует область значений Оот(А)) Дня идентификации элементов из множества объектов Е выделяется номерное множество N. С множеством экземпляров сущности Е свяжем атрибут Е. который обозначает отношение принадлежности объекта предметной области к множеству экземпляров сущности Е и задает идентификатор экземпляра сущности.

Множество N можно ассоциировать с универсальным множеством идентификаторов экземпляров сущности. Это требует разработки соответствующей нумерации экземпляров сущности (М-» Е). В качестве области значения атрибута Е рассматривается подмножество N (Оот(Е) с Ы). В качестве атрибута объектов, наряду с атрибутом Е, может использоваться атрибут Е', значения которого ссылаются на другие объекты из множества Е (Оот(Е') с Оот(Е)). Такой атрибут рассматривается как ссылочный атрибут или атрибут связи Таким образом, множество N рассматривается так же как элемент множества Р (Ы е Б). Предложенный объектно-ориентированный подход для создания системы баз данных позволит значительно повысить уровень совместимости и целостности данных за счет использования типового интерфейса, типовых доменов и отношений между ними. Позволит создать условия для расширения системы методов и моделей за счет стандартизации доменов и свойств системной открытости, используя объектно-ориентированные языки программирования.

В диссертации введены формальные операции над процессами Результатом формального процессного подхода явилось множество вариантов организации методик расчета.

Предполагается, что система это множество параметров

£?-{£7(}"=! (влажность, угол поворота и др.). Каждый параметр принимает множество числовых значений, обозначаемое в дальнейшем как а(д,) Определим состояние процесса в целом, как з-< с?/,<7г<7/<7п >. гДе Процесс 2 есть четверка.

¿=<5, Т, Г, а> (8)

где. в - пространство состояний; Т - множество времен изменения состояний, Р - фазовая характеристика процесса, определяемая как преобразование состояния во времени Р.Т-^Э, а- отношение линейного порядка на Т.

Введенные операции позволяют создать формализованное описание как отдельных составляющих процессов (динамическое

изменение характеристик грунта, профиль дороги и др.), так и взаимодействие моделей процессов компонентов транспортной системы. Так, процесс распределения нагрузки на каждое колесо можно рассматривать с одной стороны как автономный процесс, а с другой как проекцию всего процесса, включая динамику передвижения и процесс взаимодействия.

Система определяется, как множество О некоторых параметров д, (¡=1. п) Будем рассматривать объект, как составную часть системы 0|с0. Генерация процесса 20 выполняется путем задания оператора

где- < е Г0;; А - множество аргументов: Ас О; ю- случайное число.

Включение параметра со позволяет задавать оператор от случайных значений аргументов, а также случайные операторы, например, генерация случайного профиля дороги или случайных свойств грунта. В ходе развития процесса множество аргументов А0' изменяется. Обозначим эту зависимость как А°'.

На основе предложенного процессного описания решается задача построения вычислительного процесса, имитирующего совокупность параллельных процессов, описывающих передвижения машины.

Пусть заданы два элементарных оператора и Л* одного процесса I, причем /7/^Л/,, (Ьк сцеплен с Л,.).

Утверждение. Если то

а) Ш,

б) первым должен вычисляться оператор Л/.

Действительно, поскольку процесс 2. развивается в соответствии

с треком элементарных операторов и порядком а на Т, то сцепление элементарного оператора в момент времени и с любым оператором, имеющим Ш, невозможно. Но поскольку Л,-*/?*, то следовательно Т.к то отсюда следует, что пространство состояний /?, является

частью аргументов оператора /?/,. Таким образом, вычисление Л* невозможно без определения состояния /?*.

Рассмотрено влияние отношения сцепления на последовательность выполнения операторов. Пусть заданы два процесса 11 и 22, условно изображенные на рис.12. Дискретные состояния процесса пронумерованы от 1 до 13, а процесса Ъ2 - от 14 до 26. При этом возможны четыре типовых случая.

(9)

А Моделирование процесса Z1 при несцепленных операторах

нщ.

Поскольку сцепление отсутствует для всех /, то

последовательность вычислений элементарных операторов не имеет значения и операторы И^Ы) могут вычисляться в любом порядке

Б Моделирование процесса в общем случае.

Естественно предположить, что последовательные состояния одного процесса сцеплены между собой.

Предположим, что Ь,для всех / = и. Из утверждения следует, что в таком случае для всех / = 1 ,п. Таким образом, последовательность сцепленных операторов строго следует порядку а на Т. Из этого же утверждения следует, что последовательность вычислений операторов должна определяться этим же порядком.

В. Моделирование несцепленных между собой процессов и 7.2.

Предполагаем что процессы и 12 в отдельности представлены общим случаем Если /?,1 - операторы процесса а Л/ - операторы процесса то по предположению отсутствует сцепление между /),1 и Л,2 для всех / и / Так же, как и в случае А, здесь последовательность вычислений элементарных операторов из разных процессов не имеет значения Однако, поскольку все Л,1 сцеплены между собой, и все Л* также сцеплены между собой, важно, чтобы в этой последовательности выполнялся порядок а! для процесса и а2 для процесса Т.2 В частности, возможен вариант вычисления сначала всех операторов процесса а затем всех операторов процесса Ъ2. Очевидно, что порядок оц и а2 при этом сохраняется.

Г. Моделирование сцепленных между собой процессов и 22.

В этом случае должен быть обязательно выдержан порядок ои для Тл и аг для Ъъ поскольку в общем случае внутри каждого процесса существует сцепленность элементарных операторов.

Кроме того, необходимо выполнить условия утверждения для любой пары сцепленных операторов из разных процессов. Так, для приведенного на рис. 12. примера в соответствие с условиями утверждения 1, из операторов Ь^ и Ьи первым должен вычисляться оператор Ьь из и первым - /?18 и т.д.

В результате получим возможный порядок вычислений' /?и, (Ь2, Ы, (Лз, М, /717, итд.

Каждый элементарный оператор Ьс, (например, метод расчета характеристик взаимодействия одиночного колеса) оперирует с параметрами и изменяет состояние объекта При этом параметры представляют- а - входной параметр (параметры грунта, параметры колеса, режим движения); Ь - выходной параметр (характеристики

взаимодействия); с - рабочий параметр (дифференциальные характеристики) Входной параметр означает его принадлежность к множеству А, выходной - к формированию состояния б, , рабочий - к тому и другому множеству одновременно

Пример сцепления процессов

11 Хг ^ Ц ^ ^ 17 Ц ^о 111 112

Рис 12.

В свою очередь процедура расчета характеристик взаимодействия является последовательностью элементарных операторов, реализующих этапы расчета. Если на треке операторов указать используемые этими операторами параметры и их взаимосвязи, то получим операторно-параметрическую схему.

Рассмотрим случай задания двух достаточно близких по описанию процессов (трек А) и 2г (трек В). Этот случай соответствует параллельному моделированию близких процессов (например, двух одинаковых по характеристикам колес). И в том и в другом треке используются эквивалентные операторы /?1 и но они взаимодействуют с разными параметрами, как входными, так и выходными Для решения поставленной задачи инициатор процесса наряду с вышеперечисленными свойствами приобретает некоторое содержание в виде совокупности параметров. Параметры в этой совокупности должны быть упорядочены Эта совокупность представляет локальную среду процесса.

В диссертации предлагается следующая схема свертки описаний двух процессов в одно общее описание (рис.13) С инициатором 11 связана локальная среда (а, е), а с инициатором 12 - локальная среда (Г, д) Оператор модифицирован в оператор который связан с параметром Ь и первым параметром локальной среды инициатора

Оператор /?'2 связан с параметрами Ь, с, с1 и вторым параметром локальной среды инициатора. Операторы и Ь'2 в этом случае будут объединенными. Инициаторы ^ и 12 присутствуют в этой схеме одновременно

Объединенное описание процессов и 12

Р,

"Ч

Ь\

И',

1Х -> (а,е)

Ь (Л*)

локальные среды Рис.13.

-- V 11'12

Эта схема распространяется и на случай п параллельно протекающих процессов. Процессы, сгенерированные треком или структурой, использующими объединенные элементарные операторы и локальные среды называются подобными. Таким образом, для описания совокупности подобных процессов достаточно иметь одно объединенное описание трека или структуры и множество одинаково структурированных локальных сред, привязанных к инициаторам.

В четвертой главе на основе формализованных моделей процессов и компонентов интерфейсного согласования в диссертации разработан алгоритм расчета вложенной модели. При реализации моделирующего алгоритма функционирования транспортной машины элементом декомпозиции являются уровни описания процессов (расчет взаимодействия колеса с грунтом, передача параметров взаимодействия на ось транспортной машины, расчет динамических характеристик движения машины и др). При этом передача параметров идет как снизу вверх, так и сверху вниз. Взаимосвязь уровней вложенности показана на рис.14.

На рисунке используются обозначения.

х^Ц) - интегральные характеристики модели объекта технологической машины, передаваемые из <?-го на (д+1)-й уровень (например, перераспределение нагрузки на колеса для вычисления характеристик взаимодействия);

Б,"СО- характеристики взаимодействия, переданных из (д+1)-го уровня на <7-ый уровень (интегральные характеристик каждого колеса в модели расчета динамики движения технологической машины)

Взаимосвязь уровней вложенности

Рис. 14.

Расчет интерфейсных переменных производится по следующей схеме:

1. Последовательный расчет характеристик, начиная с верхнего уровня, поступающих от составных объектов верхнего к-го уровня (/с=0,...,О-1) во вложенные процессы (/с+1)-го уровня.

2. Последовательно, начиная с нижнего уровня О, в котором отсутствуют составные объекты, и динамические характеристики могут быть определены непосредственно по имеющимся данным.

3. Полученные дифференциальные характеристики подставляются в качестве параметров метода расчета в моделях более высокого уровня, при этом используется основное соотношение межуровневого интерфейса, вытекающее из свойства вложенности.

Предложенная схема расчета динамических характеристик движения машины носит достаточно универсальный характер и может быть использована для разнообразных приложений.

На основе разработанной модели в работе рассматриваются вопросы моделирования нестационарных динамических режимов управления технологической машиной.

В главе приведено описание программной реализации методики расчета режимов функционирования технологических машин, а также результаты внедрения на предприятиях транспортного комплекса

Разработанные в предыдущих главах методы и алгоритмы расчета характеристик взаимодействия реализованы в виде программного комплекса Структура пакета соответствует вышеперечисленным задачам и включает компоненты редактирования параметров, выбора и настройки методов расчета физических параметров взаимодействия, выбора методов анализа (регрессионного, факторного и др.) параметров системы взаимодействия колесной машины с грунтом слабой несущей способности.

База данных поддерживает настройку параметров и характеристик грунтового основания; конструктивных параметров колесных движителей; рабочих режимов движителя и др.

При разработке пакета выдержан открытый принцип и предусмотрена возможность наращивания используемых методов расчета на основе взаимодействия с пакетами 3*айзйса (статистический анализ штамповых экспериментов), Ма^аЬ (решение дифференциальных уравнений моделей взаимодействия), вРЭв (имитация процессов передвижения). На данном этапе в программный комплекс включены методы Беккера; Забавникова, а также их адаптация на основе полученных в работе регрессионных зависимостей Результаты расчета параметров взаимодействия сопровождаются как выводом числовых результатов, так и визуализацией дифференциальных и интегральных характеристик взаимодействия Сходимость расчетных процедур и выбор начальных значений параметров итерационных процедур сопровождается визуализацией их сходимости.

В заключении представлены основные результаты работы

Приложение содержит документы об использовании результатов работы.

Основные выводы и результаты работы

1. Проведен анализ и классификация методов расчета характеристик взаимодействия транспортных и технологических машин на грунтах со слабой несущей способностью.

2 Выявлены и исследованы основные закономерности, связанные с несущей способностью грунта при перемещении транспортных и технологических машин. Разработана вероятностная модель учета скорости воздействия контактной площадки на деформацию с учетом стохастических свойств грунта. Разработана система баз данных характеристик грунта.

3 Проведен ряд экспериментов по оценке микрорельефа дорожного полотна и разработана модель случайного процесса формирования микропрофиля.

4. Разработана методика интеграции имитационных и аналитических моделей компонент системы «движитель-грунт» в единый контур моделирования. Разработан вложенный алгоритм расчета характеристик передвижения транспортных и технологических машин

5. Разработан программно-моделирующий комплекс, реализующий предложенные методы и алгоритмы. Комплекс внедрен для практического применения в ЗАО «Автотехцентр СИМ», ООО «Техноком», а также используется в учебном процессе в МАДИ(ГТУ).

Публикации по теме диссертационной работы

Результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах, среди них:

1 Неретин А А. Применение вероятностно-статистических методов к расчету труб коллектора на прочность II Расчет и исследование несущей способности сооружений аэропортов: Сб. науч. тр. М , 2000, МАДИ (ГТУ). - 69-75.

2. Неретин A.A., Носов В.П. Геодезическое сопровождение при строительстве дорог II Анализ совершенствования методов строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сб науч тр. М., 2002, МАДИ (ГТУ). - 32-38.

3. Неретин A.A.. Соколова Л.В. Оптимизация управления дорожно-строительными машинами // Методы прикладной информатики и коммуникационные технологии в автоматизации и управлении; Сб. науч. тр. М., 2005, МАДИ (ГТУ). - 54-57

4 Неретин A.A. Выбор рациональных режимов управления транспортными машинами по результатам имитационного эксперимента // Методы прикладной информатики в промышленности и образовании: Сб. науч. тр. М., МАДИ (ГТУ), 2005. - С. 56-61.

5. Неретин A.A., Николаев А.Б., Балдин А.В Методика и алгоритм расчета характеристик вложенных процессов иерархических систем в гибридных неоднородных системах // Модели и методы автоматизации управления: Сб. науч. тр. М., МАДИ (ГТУ), 2006. - С. 75-84.

6. Неретин A.A. Система анализа и обработки экспериментальных данных характеристик дорожного полотна //Модели и методы автоматизации управления' Сб. науч. тр. М., МАДИ (ГТУ), 2006. - С. 49-57.

Подписано в печать й О. 02. 200£г. Тираж }00 экз Заказ №

СЮО «Техполшрафценгр» ПЛД № 53-411

Формат 60x84/16. Усл. леч. л. Тел./факс: (095) 151-26-70

3.0 О Ъ7 Z3

3729

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН С ДЕФОРМИРУЕМЫМ ОСНОВАНИЕМ.}.

1.1. Проблемы и задачи моделирования процессов взаимодействия технологических машин с грунтом.

1.2. Методология измерения параметров местности.

1.2.1. Взаимосвязь между нагрузкой и осадкой.

1.2.2. Взаимосвязь между напряжением сдвига и перемещением.

1.2.3. Сравнительный анализ моделей взаимодействия.

1.3. Математические методы моделирования процессов взаимодействия технологических машин с деформируемым грунтовым основанием.

1.3.1. Основные принципы имитационного моделирования.

1.3.2. Декомпозиционные подходы к моделированию сложных технических систем.

1.3.3. Имитационные и гибридные модели.

1.4. Оценочные показатели и характеристики микропрофиля дорожного полотна.

1.5. Моделирование функционирования технологических машин для грунтовых поверхностей, заданных статистическими характеристиками.

Выводы по главе 1.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ СИСТЕМЫ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГРУНТА, ДОРОЖНОГО ПОЛОТНА И АГРЕГАТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ.

2.1. Разработка методики и моделей оценки характеристик грунта по штамповым экспериментам.

2.1.1. База данных штамповых экспериментов.

2.1.2. Модели погружения и сдвига.

2.1.3. Модель учета скорости.

2.1.4. Методика сравнительного анализа моделей взаимодействия на основе дисперсионного анализа.

2.1.5. Выбор значимых параметров системы показателей грунта.

2.2. Разработка методики оценивания характеристик дорожного полотна.

2.2.1. Показатели ровности участков автомобильных дорог.

2.2.2. Экспериментальные исследования по оценке ровности дорог

2.2.3. Результаты статистического анализа.

2.2.4. Разработки модели генерации случайного процесса микропрофиля дорожного полотна.

2.3. Разработка метода анализа взаимодействия одиночного колеса с деформируемым грунтом.

2.4. Методика расчета взаимодействия многоколесных машин с грунтом слабой несущей способности.

2.5. Методика выбора конструктивных параметров технологических машин.

Выводы по главе 2.

3. АНАЛИТИКО-ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ НА ДЕФОРМИРУЕМОМ ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ.

3.1. Разработка моделей и методов проектирования базы данных системы поддержки принятия решений.

3.2. Формализация имитационной модели динамики функционирования технологической машиной.

3.2.1. Операции над процессами.

3.2.2. Формальное описание процесса поведения агрегатов технологических машин.

3.2.3. Алгоритмическая модель процесса.

3.3. Разработка методики взаимодействия агрегатов технологических машин с использованием сцепленных процессов.

Выводы по главе 3.

4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ БАЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И АЛГОРИТМА ВЛОЖЕННЫХ ПРОЦЕССОВ.

4.1. Структура декомпозиционного метода вложенных процессов.

4.2. Программная реализация модели вложенных процессов.

4.3. Результаты экспериментальных исследований по оценке профиля автомобильных дорог.

4.3.1. 1-ая очередь кольцевой автомобильной дороги вокруг Санкт-Петербурга.

4.3.2. Капитальный ремонт автомобильной дороги Москва - Нижний Новгород.

4.4. Программная реализация методики расчета одиночного колеса и многоколесной машины с грунтом.

4.4.1. Проектирование встраиваемых библиотек расчетов.

4.4.2. Структура программных модулей, реализующих встраиваемую библиотеку расчетов.

4.4.3. Подсистема работы с данными.

4.4.4. Связывание переменных вычисляемой функции метода расчета с переменными из источников исходных данных.

Выводы по главе 4.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке систем поддержки принятия решений в различных областях знаний. Однако на практике недостаточно полно используется спектр математических методов с развитыми формами визуализации данных. Обычно, исследователи не достаточно свободно владеют аналитическими методами, поэтому приходится динамически подстраивать формы представления аналитических расчетов непосредственно под каждого. В классическом варианте, когда реализуются программные модули аналитической обработки, это требует значительных временных затрат, причем неизвестно - будут ли они работоспособны в плане поддержки принятия решений именно данным лицом. В связи с этим предлагается методика интеграции пользовательских приложений, реализованных в различных инструментальных средах, которая представлена упорядоченной совокупностью включенных методов и их алгоритмической структурой с привязкой к разнородной системе баз данных. Реализация методики выполнена на примере проблемы выбора типов технологических и транспортных машин и режимов их функционирования на грунтах со слабой несущей способностью.

Диссертация посвящена решению проблемы автоматизации и создания открытого программно-моделирующего комплекса для повышения эффективности управления технологическими и транспортными машинами.

Целью настоящей работы является создание системы автоматизации обработки и анализа статистических и модельных данных функционирования технологических и транспортных машин и выбор их конструктивных параметров с использованием вложенных процессов.

В соответствии с поставленной в диссертации целью решаются задачи:

• анализ систем поддержки принятия решений, инвариантных к предметным областям;

• анализ и систематизация методов и моделей расчета характеристик взаимодействия технологических и транспортных машин с деформируемыми грунтами;

• формализация методики обработки и анализа статистических данных на примере оценивания параметров грунтов и профиля местности по экспериментальным данным;

• автоматизация методики моделирования динамических систем на примере модели взаимодействия одиночного колеса с грунтом;

• создание универсальной методики интеграции разнородных компонентов динамических систем и анализ характеристик взаимодействия многоколесных транспортных и технологических машин;

• разработка базы экспериментальных данных по характеристикам грунта и профиля дорожного полотна;

• разработка программно-моделирующего комплекса с открытой структурой на основе интеграции с математическими пакетами в рамках гибридной системы поддержки принятия решений.

Теоретической основой диссертационной работы являются общая теория систем, методы оптимизации, случайные процессы, имитационное моделирование, исследование операций, регрессионный анализ, дисперсионный анализ, механика грунтов и другие.

Научную новизну работы составляет создание и использование гибридной системы поддержки принятия решений, обеспечивающей автоматизацию анализа и обработки данных для расчета режимов функционирования и выбора конструктивных параметров технологических машин с использованием вложенных процессов.

На защиту выносятся:

• методика поиска и оценки адекватности новых эмпирических зависимостей по экспериментальным данным статистической базы моделей осадки и сдвига;

• новые аналитические зависимости моделей погружения штампа;

• формализованное представление сцепленных процессов системы «движитель-грунт»;

• методика интеграции имитационных и аналитических моделей компонентов системы «движитель-грунт».

Структура диссертационной работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, методик и алгоритмов.

В первой главе диссертации проводится системный анализ проблем моделирования проходимости технологических машин на грунтах слабой несущей способности. Рассмотрены основные эмпирические зависимости определяющие погружения штампа в деформируемый грунт, что дает основу построению физических моделей оценки характеристик взаимодействия технологической машины на грунте слабой несущей способности. Показано, что математический аппарат моделирования машин высокой проходимости дает основу расчета взаимодействия технологических машин на грунтах со слабой несущей способностью.

Во второй главе разработаны методы и алгоритмы решения задач оценивания параметров грунта на основе статистической обработки данных по штамповым экспериментам. Разработаны физические модели напряженного состояния при локальном воздействии на грунт. Проведено исследование воздействия штампа с деформируемым основанием при ударных нагрузках. Разработаны методика оценивания и классификации параметров регрессионных зависимостей и характеристик взаимодействия технологической машины с грунтом слабой несущей способности при выполнении строительных работ. Проведены исследования по анализу влияния сдвигающих воздействий на осадку. В результате получены новые аналитические зависимости описания осадки под технологической машиной от сдвигающего усилия, превосходящие по точности традиционно используемые модели. Проведен анализ робастности методов многомерного статистического анализа к решению задач классификации грунтов и разработана методика сравнительного анализа схем погружения. Сформулированы единые требования к программной реализации базы данных и методов статистического анализа экспериментальных данных по штамповым экспериментам на грунтах со слабой несущей способностью.

В третьей главе диссертации ставятся и решаются задачи разработки имитационной модели функционирования технологической машины на грунте со слабой несущей способностью, позволяющей рассчитать тяговые характеристик технологических машин в зависимости от режимов их движения и параметров грунта. Проведен анализ сходимости итерационных процедур, реализующих методы моделирования взаимодействия с деформируемым грунтом. Проведено исследование режимов функционирования и разработана методика сравнительного анализа точности методов. Поставлена и решена обратная задача - задача оценки параметров грунта по характеристикам функционирования технологической машины. Проведен анализ условно нестационарных случайных процессов, являющихся моделью поведения технологической машины в условиях не стационарности и разработан алгоритм оптимизации режимов перемещения технологической машины при выполнении строительных работ на грунтах со слабой несущей способностью.

В четвертой главе даются описание программно-аппаратного комплекса, реализующего предложенную в работе методику анализа и синтеза режимов взаимодействия технологических машин с грунтами со слабой несущей способностью. Приведено описание основных экспериментов взаимодействия движителей различной формы на грунтах, результатов методик расчета тяговых и энергетических характеристик технологических машин. Приводится описание программных форм, реализующих режимы ввода и описания параметров машин и грунта, а также форм визуализации решения задач анализа и принятия решений по выбору типов машин и режимов их движения.

Проведена апробация методики и показано, что ее использование позволяет за счет адаптации режимов существенно повысить эффективность использования технологических машин, что ведет к сокращению сроков выполнения земельных, транспортных и строительных работ в целом. Кроме того, показано снижение затрат на поддержание работоспособности парка технологических машин.

В заключении представлены основные результаты работы.

Приложение содержит копии актов о внедрении результатов диссертационной работы в промышленности.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных зависимостей. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения разработок в ряде крупных организаций.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Разработан программно-моделирующий комплекс, позволяющий в интерактивном режиме использовать оперативные данные о состоянии грунтов для принятия решений по выбору типов технологических и транспортных машин для выполнения работ на грунтах со слабой несущей способностью. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ЗАО «Автотехцентр СИМ», ООО «Техноком», а также используются в учебном процессе МАДИ(ГТУ). Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов.

Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение:

• на республиканских и межрегиональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах (1999-2006 гг.);

• на заседании кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ(ГТУ).

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования на предприятиях промышленности. Они представляют непосредственный интерес в области комплексной автоматизации технологических процессов управления технологическими машинами.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, опубликованных на 175 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 126 наименований и приложения.

Основные выводы и результаты работы

1. Проведен анализ и классификация методов расчета характеристик взаимодействия транспортных и технологических машин на грунтах со слабой несущей способностью.

2. Выявлены и исследованы основные закономерности, связанные с несущей способностью грунта при перемещении транспортных и технологических машин.

3. Разработана вероятностная модель учета скорости воздействия контактной площадки на деформацию с учетом стохастических свойств грунта. Разработана система баз данных характеристик грунта.

4. Проведен ряд экспериментов по оценке микрорельефа дорожного полотна и разработана модель случайного процесса формирования микропрофиля.

5. Разработана методика интеграции имитационных и аналитических моделей компонент системы «движитель-грунт» в единый контур моделирования. Разработан вложенный алгоритм расчета характеристик передвижения транспортных и технологических машин.

6. Разработан программно-моделирующий комплекс, реализующий предложенные методы и алгоритмы. Комплекс внедрен для практического применения в ЗАО «Автотехцентр СИМ», ООО «Техноком», а также используется в учебном процессе в МАДИ(ГТУ).

1. Авотин Е.В., Александров А.К., Кемурджиан А.Л. Обеспечение безопасности движения автоматических транспортных машин в условиях бездорожья. - В кн.: Динамика управляемых систем, Новосибирск, Наука, 1979, стр.7-14.

2. Агейкин Я.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители. -М.: Машиностроение, 1972, 184с.

3. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981.-232с.

4. Бабков В.Ф. Сопротивление грунтов деформированию с различными скоростями: Труды МАДИ, 1955, N16 - С. 107-118.

5. Бабков В.Ф., Бируля А.К., Сиденко В.Н. Проходимость колесных машин по грунту. М.:Автотрансиздат,1959.-189с.

6. Баловнев В.И. Вопросы подобия и физического моделирования землеройно-транспортных машин. М.: Строймаш, 1968. - 203 с.

7. Баловнев В.И. Методы физического моделирования рабочих процессов дорожно-строительных машин. М.: Машиностроение, 1974. - 232 с.

8. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность-машина: Пер. с англ./Под ред. В.В. Гуськова. М.: Машиностроение, 1973. - 520 с.

9. Бируля A.M. Исследование взаимодействия колес с грунтом как основа оценки проходимости. ВКН.: Проблемы повышения проходимости колесных машин. - М.: Изд-во АН СССР. 1989. - с. 111 - 118.

10. Блудов С. А. Исследование сопротивления колесных тракторов перекатыванию. Минск: 1952

11. Бобков В.Ф., Бируля А.К., Сиденко В.М. Проходимость колесных машин по грунту. М.: Автотрансиздат, 1959. - 189с.

12. Вагик А.Т. Напряжения в массиве почвы от действия сосредоточенной нагрузки. "Вопросы сельхоз механики" Изд-во Украина, Минск, 1965,

13. Василенко М.М. К теории качения колеса со следом. Сельхозмашины, 1990, N 9, с. 10 14.

14. Васильев А.В., Докучаева Е.Н., Уткин-Любовцев O.JI. Влияние конструктивных параметров гусеничного трактора на его тягово-сцепные свойства.-М. Машиностроение, 1969.- 193с.

15. Верников И.С. Зависимость осадки гусеничного трактора в грунт от скорости его движения. Автомобильная и тракторная промышленность, 1952, N6, с. 19-20.

16. Водяник И.И. Анализ взаимодействия движителя с грунтом с помощью механической модели. "Известие ВУЗов" Машин, 1986. N6.

17. Вольский С.Г., Безбородов Г.Б., Кошарный Н.Ф. Методика экспериментального исследования опорно-сцепных свойств колесных движителей при малых скоростях. Автомобильный транспорт, 1996, N3, с. 88 - 89.

18. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств: Пер. с англ./ Под ред. А.И. Аксенова М.: Машиностроение, 1982. - 285 с.

19. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1988.-447 с.

20. Герсеванов Н.М. Основы динамики грунтовой массы. ОНТИ, 1937.

21. Горячкин В.П. Теория колеса. Собр. соч. в 3-х т. - М.: Колос, 1988.- т. 2, 720 с.

22. Гребенщиков В.А. Исследование сопротивления автомобилей по мягкому грунту. "Автом. промышленности". 1955 N12

23. Гребенщиков В.И. Исследование сопротивления движению автомобиля по мягким грунтам. Автомобильная и транспортная промышленность, 1955, N 12, с. 1 - 4.

24. Гуськов В.В. Оптимальные параметры сельскохозяйственных тракторов. -М.: Машиностроение, 1966. 195 с.

25. Гуськов В.В., Мельников Е.С. Влияние скорости движения гусеничного трактора на его тягово сцепные качества. - Механизация и элекрификация социалистического сельского хозяйства, 1968, N 11, с. 1 - 4.

26. Динамика планетохода / Е.В. Авотин, И.С.Балховитинов, А.Л.Кемурджиан и др. М.: Наука, 1979. 438с.

27. Довнаркович С.В. О различии в деформированных рыхлых и плотных песчаных оснований сооружений. М.: Наука, 1992. - 125с.

28. Забавников Н.А. и др. Определение коэффициента сопротивления качению жесткого колеса с грунтозацепами при движении по сминаемому грунту. Тракторы и сельхозмашины N1, 1973.-14-19с.

29. Забавников Н.А. Основы теории транспортных гусеничных машин. -М.: Машиностроение, 1974. 208 с.

30. Забавников Н.А., Батанов А.Ф., Мирошниченко А.В. Сравнение зависимостей давление деформация грунта: Сб. науч. тр./ Московское Высшее Техническое Училище им. Баумана. - М.: МВТУ им. Баумана, с. 72 -80.

31. Забавников Н.А., Мирошниченко А.В. Взаимодействие колеса с деформируемым основанием при учете скорости движения. Изв. вузов. Машиностроение, 1983, N 12, с. 102 - 105.

32. Забавников Н.А., Наумов В.Н., Рождественский Ю.Л. и др. Определение сил и моментов для случая взаимодействия прямолинейно движущегося колеса с деформируемым грунтом. Изв.ВУЗов. Машиностроение, 1975, N1, с.121-126.

33. Калацкий А.Н., Кононов A.M. Исследование прочностной характеристики суглинистой почвы как среды, взаимодействующей с движителем. Тракторы и сельхозмашины. 1982., N 4, с. 18 - 20.

34. Калужский Я.А. Измерение напряжений и деформаций при качении жесткого колеса.- Труды ХАДИ, 1953, Вып.14. Н/1529

35. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. -М.: Наука, 1970. 104 с.

36. Кленин Н.И. Исследование процесса смятия почвы твердыми телами. -М.: Сельхозиздат, 1960, т. 12, 56 с.

37. Кнороз В.И., Петров И.П. Оценка проходимости колесных машин. -Труды./ Научно авто-моторный институт. М.: НАМИ, 1973, N 142, с. 66 -76.

38. Кнороз В.И., Петров И.П., Хлебников A.M. Особенности грунтовой поверхности. Труды./ Научно-автомоторный институт - М.: НАМИ, 1975 N 123, с. 50-60.

39. Кнороз В.И., Петров И.П., Хлебников A.M. Особенности грунтовой поверхности. Труды./ Научно-автомоторный институт - М.: НАМИ, 1975 N 123, с. 50-60.

40. Корчунов С.С. Исследование физико-механических свойств торфа. -Труды ВНИИТМ, Вып.Х11, 1953.

41. Кошарный Н.Ф. Технико-эксплуатационные свойства автомобилей высокой проходимости. -Киев,Вища школа, 1981.-208с.

42. Красненьков В.И., Ловцов Ю.И., Данилин А.Ф. Взаимодействие гусеничного движителя с грунтом. Труды./ МВТУ, 1984, N 411, с. 108 - 130.

43. Ларионова С.В., Мацепуро В.М. Влияние скорости деформатора на сопротивление почвогрунтов. Труды аспирантов / Минск: Урожай, 1969, с. 14- 17.

44. Летошнев М.Н. Взаимодействие конной повозки и дороги. М.: Транспечать, 1929, - 127 с.

45. Львов Е.Д. Теория трактора.-М.:Машизд,1952.-252с.

46. Ляско М.И., Фубенчик Е.В. Влияние схемы подвески опорных катков на распределение удельного давления.

47. Ляхов Г.М. О динамическом вдавливании штампа в грунт. -Основания, фундаменты и механика грунтов. 1964, N 3, с. 9 11.

48. Малышев М.В. О влиянии среднего главного напряжения на прочность грунта и о поверхностях скольжения. Основания, фундаменты и механика грунтов, N4, 1963

49. Маршак А.Л. О профиле поверхности пневматических колес при контакте их с почвой. "Сельхозмашина", N3, 1956.

50. Маслов Н.И. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Высшая школа, 1968, - 629 с.

51. Мацепуро В.М., Калацкий А.Н. Исследование сопротивления почв и грунтов при больших скоростях сдвига. Труды / Всесоюзный институт механизации. - М.: ВИМ, 1975, N 69, с. 133 - 140.

52. Медведев М.И. Теория гусеничных систем.-Харьков-Киев, Науч.-техн. изд. Украина.-195с.

53. Миленький Ю.Д. Экспериментальное исследование движения колес по грунту в широком диапазоне скоростей. Труды./ Рижского инженерно-авиационного училища. - Рига: РИАУ, 1958, N 49, с. 32 - 42.

54. Мирошниченко А.В. Оценка деформационных характеристик опорного основания движителей. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1983, N 8, с. 159.

55. Никитин А.Д., Сергеев А.В. Теория танка.-М.:Из-во академии.-584с.

56. Новацкий В.К. Волновые задачи теории пластичности: Пер. с польского/Под ред. Г.С. Шапиро М.: Мир, 1978. - 304 с.

57. Оленик Н.И. Влияние изменения направления перемещения штампа а процессах деформирования почвы на сопротивление деформации- Сб научных трудов МИИСХП, т.Х11, м: 1960

58. Опейко Ф.А. Колесный и гусеничный ход.- Минск: Изд.АСХН БССР6 I960,- 228с.

59. Определение сил и моментов для случая взаимодействия прямолинейно движущегося колеса с деформируемым грунтом / Н.А.Забавников, В.Н.Наумов, Ю.А.Рождественский и др.- Изв.ВУЗов. Машиностроение, 1975, N3,c.l21-126

60. Пирковский Ю.В., Чистов М.П. Затраты мощности на образование колеи при качении жесткого колеса по деформируемому грунту. Труды НАМИ, Вып. 131, 1991.

61. Платонов В.Ф. Динамика и надежность гусеничного движителя. -М. Машиностроение, 1975

62. Полетаев А.Ф. Основы теории сопротивления качению и тяги жесткого колеса по деформируемому основанию. М.: Машиностроение, 1971

63. Развитие расчетных моделей определения сопротивления движению / А.Ф.Батанов, Н.А.Забавников, А.В.Мирошниченко, В.Н.Наумов.- Труды МВТУ, 1984, с.130-153.

64. Рождественский Ю.Л. Анализ потерь энергии в металоупругом колесе при качении по твердой поверхности. Труды МВТУ, 1979, N288, с. 18-35.

65. Рождественский Ю.Л., Машков К.Ю. Математическая модель взаимодействия упругого колеса с деформируемым грунтом в режиме бортового поворота.- Труды МВТУ, 1984, N411, с.85-108.

66. Рождественский Ю.Л., Наумов В.Н. Математическая модель взаимодействия металоупругого колеса с уплотняющимся грунтом. Труды МВТУ, 1980, N339, с.84-111.

67. Рокас С.И. Влияние скорости вдавливания на сопротивление грунта. -Основания, фундаменты и механика грунтов, 1971, N3, с.6-8.

68. Рукавишников С.В. Особенности взаимодействия гусеничного движителя снегоходных машин с полотном пути.Учебное пособие.-Горький :ГПИ, 1979.-94с.

69. Саакян С.С. Взаимодействие ведомого колеса и почвы. Ереван: Мин.селького хозяйства. Арм.ССР, 1959,- - 65с.

70. Сапожников В.В. Уточненный метод оценки напряженного состояния грунта под движителем автомобиля высокой проходимости. Межвузовский сб.науч.труд.: Теория, проектирование и испытание автомобиля. - м.:1982, N1, с.49-65.

71. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике. М.:Наука, 1965,- 132с.

72. Скотников В.А. Проходимость гусеничных машин.- Тракторы и сельхозмашины, 1963, N1, с.4-7.

73. Смирнов Г. А. Теория движения колесных машин. М.: Машиностроение, 1981.- 271с.

74. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. М.: Госиздат.физ.-мат. лит., 1970.- 244с.

75. Софиян А.П. Процессы колееобразования на опорной поверхности гусеничного движителя.- Тракторы и сельхозмашины, 1973, N46c.l6-18.

76. Стенд для исследования деформационных характеристик грунтового основания при динамическом взаимодействии/ А.Ф.Батанов, Н.А.Забавников, В.И.Механюк, А.В.Мирошниченко и др.- Машины, приборы, стенды. М., 1984, с.63-64.

77. Стрельцов Э.И. Исследование влияния некоторых эксплуатационных факторов на проходимость гусеничных трелевочных машин.- Автореферат дисс.к.т.н.6 М.:Химки, 1977.

78. Стрельцов Э.К., Перфильев Н.А., Смолин В.И. Распределение удельных давлений под гусеницей трелувочных машин. Тракторы и сельхозмашины, 1976, N1, с.8-11.

79. Тегуали К.П. Механика грунтов в инженерной практике. -М.:Госстройиздат, 1958.

80. Тегуали К.П. Механика грунтов в инженерной практике. -М.:Госстройиздат, 1958.

81. Терцаги К. Строительная механика грунтов. Гостехиздат, M-JI 1933

82. Транспортные средства на высокоэластичных движителях/ Н.Ф.Бочаров, В.И.Гусева, В.М.Семенов и др. М.Машиностроение, 1974. -208с.

83. Троицкая М.Н. Основы расчета прочности грунтов в дорожных конструкциях.- М.: Дис., 1945

84. Ульянв Н.А. Основы теории и расчета колесного движителя землеройных машин.- М.: Машгиз, 1962.-207с.

85. Флорин В.А. Основы механики грунтов.- Т71. M-JI, Госстройиздат, 1959.

86. Хархута Н.Я., Ивлев В.М. Реологические свойства грунтов. М.: Автотрнсиздат, 1961.-63 с.

87. Цлаф Л.Я. Вариационное исчисление и интегральные уравнения. -М,:Наука,1986. 176с.

88. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1979.- 272с.

89. Черкасов И.И., Ибрагимов К.С. Вдавливание жесткого штампа в плотный и рыхлый песок. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1971, N4, с.13-14.

90. Чистов М.П. Исследование сопротивления качению при движении полноприводного автомобиля по деформируемым грунтам.- Дисс., Москва, 1971.

91. Assur A. Locomotion over soft soil and snow.-SAE Preprint 1964, 13-171 N762, p. 1-29.

92. Chijiiwa K., Ogaki K. Sumposium. No 716, pp.29 to 32.

93. Davis P.F., Dexter A.R. Two methods for describing shapes of soil particles. De. Note DN/ER/191/1162. nant. Inst, argic. Engng, Silsoe,1971

94. Dexter A.R., Tanner D.W. Penetration of spheres into soil. Rt 1: Measurements in the field and experemental results. Dep. Note DN/ER/198/1162,nant. Inst, agric. Engng, Silsoe, 1972

95. Dexter A.R., Tanner D.W. The flow of sand and clay around penetrating spheres. Dep. Note DN/ER/122/1162, nant. Inst, agric. Engng, Silsoe, 1971

96. Dexter A.R., Tanner D.W. The packing density of particles. Pt.2: Log-normal mixtures. Dep.Note DN/ER/127/162, nant. Inst, agric. Engng, Silsoe, 1971

97. Ehrlich I.R., Sela A.D. J. of Terramechanics, Vol.8, N3, 1972

98. Evans I. J. of Terramechanics, Vol.1,N2,1964

99. Frank A. A. Om the Stability of an Algoritmic Biped Locomotion Machine. -Journal of Terramechanics, 1971, Vol.8, No.l, pp.41 to 50.

100. Hovland H.j. Soil inertia in wheel-soil interaction. J. of Terramechanics, 1973, Vol.10, No 3, pp 47 to 65.

101. Janosi Z., Hanamoto B. The analitical determination of drawbew pull as a function of slip for trached vehicles in deformable soil. Pr. First Int. Conf. on Mechanics of Soil, pp. 707 to 727, Torino

102. Johnson C.E., Mirphy G., Lovely W.G., Schafer R.L. Identifyingsoil dynamic parameters for soil-machine systems. Trans. ASAE 15(1) (1972)

103. Karafiath L.L., Nowatzki E.A. Soil Mechanics for Off-Road Vehicle Engeneering, Trans Tech. Publications, Switzerland, 1978, 50lp.

104. Koda Y., Odaki K. New pickups for measuring streeses in soil-machine interfaces and their application to the soil-vehicle systems. Komatare mfg. Co. Ltd., Tokyo, Japan

105. Luth H.J., Wismer R.D. Performance of plane soil cutting blades in sand. Trans. ASAE 14(2) 1971)

106. Miroshnichenko A.V. Variational problem of the mechanics vehicle soil interaction taking into account soil response performance. Proceedings of the 10th Intern.Conference of the ISTVS. (1990), pp.325 to 334.

107. Motion across Moon and planet soils V.V.Gromov, N.A.Zabavnikov, A.L Kemurjian et. Al. State Publishing House of Machinery (1986).

108. Nichols M.L. The dynamic properties of soils. An explanation of the dynamic properties of soils by means of colloidal films, Agr. Engng 12(7) (1931)

109. Nichols M.L. The dynamic properties of soils. II. soil and metal friction, Agric. Engng 12(8) (1931)

110. Nowatzki E.A., Karafia L.L. General yield conditions in a plasticity analysis of soil-wheel interaction. J. of Terramechanics, 1974, Vol. 11, No 1, pp. 29 to 44.

111. Oicha, Pakdn Optimum size of bullock Cart Wheels.- J. of Agric.Eng.Research, 1968, Vol.13, N2.

112. Okafeco O. Instrementation for measuring medial and tangential strees beneeth rigid wheels. J. of Terramechanics, Vol. 2, No 3, 1965

113. Rula A.A., Nuttall C.J. Analysis of ground mobility models. WES,Vicksburg, 1971, p.238.

114. Stafford J.V., Tanner D.W. An investigation into the effect of speed on the draught vegmivements of a chisel tine. Proc. 7th Conf. Int. Soil Tillage Res. Organization, Uppsala, 1976, 40, 1.

115. Turnage G.W. Measuring soil propeties in vehicle mobility research, resistance of coarse grain soils to high speed penetration. USAE Waterways Experiment Stattion, Technical Report Nj. 3-652, Report 6,July (1974)

116. Turnage G.W. Tire selection and Performance Prediction for off-rand wheeled-vehicle operations. Proceedings of the fourth international conference of the international siciety for terrain vehicle systems, Vol. 1, Stockholm, Sweden, April (1972)

117. Turnage G.W., Freitag D7R7 Effects of cone velocity and size on soil penetration resistance, ASAE Paper No. 69-670, December (1969)

118. Vincent E. Pressure distribution on and flow of sand past a rigid wheel. Proceeding First International Conference on the Mechanics of Soil Vehicle Systems, pp. 858 to 878, Torino, 1961

119. Wills B.M.D. International Conference of the International Society for Terrain-Vehicle Systems, 1966

120. Wismer R.D., Luth H.J. Off-road traction prediction for wheeled vehicles. Trans. ASAE 17(1) (1974)

121. Wismer R.D., Luth H.J. Performance of soil cutting blades in clay. Trans. ASAE 15(2) (1972)

122. Wismer R.D., Luth H.J. Rate effects in soil cutting. Siciety of automotive engeneers paper No. 71-0179, January (1971)

123. Wong Behaviov of soil beneath rigid wheels.- "Agric.En.Research", 1967-VI2, N4, p.257-269.

124. Zabavnikov N.A., Miroshnichenko A.V. The variational problem of the mechanics of vehicle soil interaction. Journal of Terramechanics (in press).