автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процесса проектирования составов бетонных смесей и их корректировки на основе прогнозирования качества будущего бетона с использованием четких и нечетких моделей

На правах рукописи

ЛИХАЧЕВ Денис Валерьевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ИХ КОРРЕКТИРОВКИ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА БУДУЩЕГО БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧЕТКИХ И НЕЧЕТКИХ МОДЕЛЕЙ

Специальность 05.13.06 -Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел - 2004

Работа выполнена в Орловском государственном техническом университете (ОрелГТУ).

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор Суздальцев Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Коробко Виктор Иванович - кандидат технических наук

Андреев Владимир Олегович

Ведущая организация: - Воронежский государственный архитектурно-

строительный университет

диссертационного совета Д.212.182.01 при Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, г.Орел, Наугорское шоссе, 29. Факс

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_ 44 » сеитЯШ 2004 г.

Защита состоится

в

сов на заседании

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Актуальность темы.

В современном строительстве не обойтись без бетонных смесей, их используют при возведении широкого диапазона искусственных сооружений от фундаментов зданий до мостов высокой сложности. Основными критериями, предъявляемыми к производству бетона, являются минимально возможные сроки и качество исполнения. Потребность в бетоне с различными качественными параметрами с течением времени не уменьшается, однако к его качеству предъявляются все более и более жесткие требования. Задача по удовлетворению выпуска бетона в увеличивающихся объемах с соблюдением требуемого качества решается за счет использования средств автоматизации этого процесса.

Работы по созданию автоматизированных систем управления процессами приготовления бетонных смесей начинались в 1980 году в рамках целевой программы ОЦ026 Госстроя СССР и выполнялись параллельно несколькими коллективами разработчиков в Москве, Минске, Киеве и Баку. В 1986 году разработки были продолжены в рамках одного из разделов комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ при участии СССР, ГДР, НРБ и ЧССР. По времени технологический процесс приготовления бетонной смеси, включая подбор состава и лабораторные испытания, занимает около 30 суток. Как отмечается в работах д.т.н. проф. Малининой ЛА., проф. Михайлова В.В. (НИИЖБ Госстроя), одной из самых важных операций технологического процесса (ТП) производства железобетонных конструкций является подбор (проектирование) состава бетонной смеси (БС). В результате проектирования состава БС должно быть определено соотношение между компонентами, при котором будет гарантирована прочность бетона в конструкции, необходимая подвижность бетонной смеси и минимальный расход цемента. Проектирование состава бетона включает: назначение требований к бетону; выбор материалов и получение характеристик их свойств; определение предварительного состава бетона; корректировку состава в пробных замесах. При корректировке проводят предварительные испытания для получения уточненных зависимостей свойств бетона и бетонной смеси, приготовленных на данных компонентах и оборудовании по принятой технологии. При проведении этих испытаний используются математические методы факторного планирования эксперимента и обработки его результатов. Основная сложность автоматизации проектирования состава бетонной смеси заключается в том, что характеристики компонентов, БС и бетона, имеют нечеткий характер, то есть находятся в определенных диапазонах значений. Установление связей между параметрами бетона или прогнозирование его качества представляет собой сложную проблему, решение которой лежит в сфере новых подходов, базирующихся на современных информационных, программных и компьютерных технологиях. Объектом исследования является технологический процесс изготовления бетонной смеси для тяжелых бетонов.

Предметом исследования является процесс автоматизированного проектирования составов бетонных смесей.

Целью диссертационной работы является снижение временных затрат при проектировании составов бетонных смесей и снижение брака в процессе проектирования при заданном качестве бетона.

Исходя из этой цели, в работе поставлены следующие основные задачи: • Провести анализ систем автоматизации планирования эксперимента для проектирования

• Разработать на основе четких математических моделей (ММ) программу и программно-технический комплекс (ПТК) процесса планирования эксперимента по испытанию образцов состава БС.

• Разработать систему автоматизированного проектирования (САПР) составов БС с использованием четких ММ и провести ее испытания.

• Разработать алгоритм и ММ прогнозирования качества бетона в условиях нечеткого представления параметров компонентов, БС и конечного продукта- бетона.

• Сформулировать подход к САПР составов БС с учетом использования нечеткой ММ прогнозирования качества бетона.

• Разработать имитационную модель САПР составов БС на базе нечетких ММ.

• Провести экспериментальные исследования параметров компонентов БС на имитационной модели.

Методы и средства исследований. При решении диссертационных задач были использованы методы математической статистики, теории нечетких множеств, планирования эксперимента, факторного анализа. Экспериментальные исследования проведены на производственной базе ОАО «Мостострой-66» (г.Орел). Численная реализация ММ и оптимизационных процедур осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ. Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ с использованием специализированных программ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен новый подход к автоматизированному проектированию составов бетонных смесей, основанный на представлении параметров компонентов (включая химические добавки) БС, технологического процесса и готового изделия в виде нечетких множеств и их преобразованиях.

2. В рамках вышеуказанного подхода разработана математическая модель автоматизированного проектирования состава бетонной смеси в условиях нечеткого представления данных (НМ1).

3. В рамках сформулированного подхода разработана нечеткая математическая модель (НМ2) прогнозирования качества бетона.

4. Разработана обобщенная компьютерная имитационная модель проектирования составов БС на основе НМ1 и НМ2.

5. Разработаны программы и программно-технический комплекс (ПТК), автоматизирующие процесс проектирования составов БС, базирующиеся на существующей методике проектирования составов тяжелых бетонов с учетом использования химических добавок (четкие модели).

6. Разработаны программа и ПТК, автоматизирующие процесс планирования испытаний образцов бетона с обработкой экспериментальных данных, базирующиеся на основе теории многофакторного эксперимента.

Практическую ценность работы составляют:

• Алгоритмы, программы и компьютерная имитационная модель (ИМ) автоматизированного проектирования составов бетонных смесей в условиях нечеткого представления параметров компонентов бетонной смеси и бетона.

• ПТК, основанный на использовании существующей методики проектирования составов тяжелых бетонов с учетом использования химических добавок (свидетельство об официальной регистрации программы №2002611417).

• ПТК, реализующий существующие алгоритмы планирования испытаний образцов бетона.

• Устройство для определения подвижности бетонной смеси, защищенное в виде полезной модели (авторское свидетельство RU 21278). Положения, выносимые на защиту

1. Подход к автоматизированному проектированию составов бетонных смесей, основанный на представлении параметров компонентов (включая химические добавки) БС, технологического процесса и готового изделия в виде нечетких множеств и их преобразованиях.

2. Математическая модель автоматизированного проектирования состава бетонной смеси в условиях нечеткого представления данных (НМ1).

3. Нечеткая математическая модель (НМ2) прогнозирования качества бетона.

4. Компьютерная имитационная модель проектирования составов бетонных смесей на основе НМ1иНМ2.

5. Программы и ПТК, автоматизирующие процесс проектирования составов БС с применением химических добавок и процесс планирования испытаний образцов бетона с последующей обработкой экспериментальных данных.

На основе приведенных в диссертационной работе исследований на базе предприятия ОАО «Мостострой-66», г.Орёл в 2001 году было внедрено устройство для определения подвижности бетонной смеси, в 2002 году была внедрена программа для ЭВМ и ПТК по подбору состава тяжелого бетона, в 2004 году принято решение об использовании методики прогнозирования качества бетонной смеси и реализованной на ее основе программе для ЭВМ. По результатам различных разделов диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ в журналах и сборниках. Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференция «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (ОрелГТУ, июнь-июль 2001г., г.Орел), на 6-ой Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (25-26 сентября 2002г., г.Н.-Новгород, Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук РФ), на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (23-25 апреля 2002г., г.Воронеж, Воронежский государственный технический университет), на международной конференции «Технологические комплексы, оборудование предприятий строительных материалов и стройиндустрии» (август 2003г., г.Белгород, БГТУ им. В.Г.Шухова), на международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании, производстве» (ИНТОП) (11-12 мая 2004г, г.Орел, ОрелГТУ), на ежегодных научных конференциях и семинарах ОрелГТУ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, включающего ПО наименований, и приложений. Объем диссертации 114 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 9 таблиц, 11 приложений на 34 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении отражена актуальность темы, сформированы цель работы и основные задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая ценность результатов исследований. В первой главе представлена классификация бетонов по их составам и назначению, даны их основные характеристики и характеристики заполнителей. Проведен анализ технологических и организационных условий производства бетонов. Представлен технологический цикл производства бетонной смеси. Наибольшей по времени является подготовительная стадия технологического процесса, на которой осуществляется проектирование состава расчетным

методом, а также проводят испытания образцов и корректировку состава в случае необходимости. Проведен анализ методик проектирования состава бетонной смеси и методов планирования испытаний. Отмечены недостатки методов подбора состава бетонной смеси. Недостатками являются большая длительность процесса - у опытного специалиста на осуществление теоретического подбора состава уходит от 4 до 8 часов, необходимость наличия высокой квалификации у специалиста, осуществляющего подбор, а также необходимость проверки результатов теоретического подбора экспериментальными данными (эксперимент длится 28 суток).

На основании анализа автоматизированных решений вопроса проектирования состава бетона можно сказать, что существующие программы для ЭВМ не позволяют гибко подходить к подбору состава, а также, что является существенным недостатком, не позволяют использовать химические добавки - улучшители свойств бетона.

Проведен также анализ компонентного состава бетонной смеси и влияния компонентов на качество готовой продукции. Проанализированы основные параметры сырья (цемента, песка, щебня, химических добавок), бетонной смеси, бетона, их взаимное влияние и способы контроля. Это позволило найти соответствие между количественными значениями параметров компонент бетона, бетонной смеси, технологического процесса и готового изделия и их лингвистическим представлением. Из анализа задач автоматизации сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке САПР составов бетонных смесей и планирования испытаний. Создание САПР составов исходных материалов бетонной смеси осуществляется на основе представленной на рисунке 1 схемы.

На входе показаны функции характеристик заполнителей требуемых характеристик бетонной смеси и бетона (Р2), а также характеристик химических добавок (Р3), а на выходе -массовые показатели компонент готовой бетонной смеси: цемента (Ц), песка (П), щебня (Щ), воды (В), химических добавок (Д).

Разработан алгоритм проектирования состава бетонной смеси на основании требований, изложенных в СНиП 3.06.04-91 и представленной схемы (Рисунок 2). Алгоритм разбит на 3 модуля: модуль теоретического подбора, модуль коррекции состава и модуль подготовки состава к передаче в производство.

Модульный принцип построения объясняется необходимостью корректировки результатов работы и гибкостью системы подбора состава БС. На основе данного алгоритма разработана математическая модель процесса проектирования (подбора) состава бетонных смесей.

Выходная функция конечного состава бетонной смеси определяется как:

Рь Р3). 0)

где каждая из входных функций Р, определяется следующим образом:

Р,=Мц, М№щ, Рщ, рп, 1Га РГщ), (2)

Р2=/(П/Щ, В/Ц, ОК, Ябтре6), (3)

где Яц - активность цемента, Мм>Щ - модуль крупности щебня, рщ и рп - плотности щебня и песка соответственно, АУп и - влажность песка и щебня, П/Щ - требуемое соотношение между песком и щебнем по массе, В/Ц - требуемое соотношение между водой и цементом по массе, ОК - требуемое значение подвижности бетонной смеси после ее изготовления, Яе трвэ -требуемое значение прочности бетона на 28 сутки после изготовления бетонной смеси, Кд -количество сухого вещества добавки в % от объема раствора, рд - плотность добавки. На базе данной математической модели на языке УБ разработана программа для ЭВМ «ФоБеС-01» и ПТК автоматизированного проектирования, которые являются решением для автоматизации подбора состава бетонной смеси на производстве. Программа зарегистрирована в патентном ведомстве Российской Федерации. Интерфейс ввода данных на проектирование представлен на рисункеЗ.

Также во второй главе рассмотрен вопрос автоматизации процесса планирования испытаний образцов бетонной смеси. Сущность планирования эксперимента и выбора состава бетонов с применением математико-статистических методов заключается в установлении математической зависимости между заданными свойствами бетона и расходом и свойствами составляющих материалов.

Получаемая математическая зависимость используется для назначения и поиска оптимальных составов. Построение математических зависимостей производится на основе специальных лабораторных экспериментов с последующим их уточнением в производственных условиях. Был разработан алгоритм процесса планирования испытаний образцов бетона (Рисунок 4).

На основании алгоритма разработана математическая модель процесса планирования испытаний образцов бетона с последующей обработкой результатов эксперимента Математической моделью служит функция отклика У, связывающая прочность, как параметр оптимизации, характеризующую результаты эксперимента с переменными параметрами - В/Ц, количеством добавки и долей песка в смеси заполнителей, которыми варьировали при проведении опытов

По известным рекомендациям используем план 1-ою порядка для описания прочностных характеристик вида

У = Ъ$+ЪЬ1х1+ЪЬуХ1х} 1Ф] (5)

где - исследуемое свойство бетона, - исходные факторы, - расчетные

коэффициенты, - порядковые номера факторов

Программно была составлена таблица плана эксперимента для проведения непосредственно производственных экспериментов Эксперимент был осуществлен в производственных условиях на базе ОАО «Мостострой-66» (г Орел) Были изготовлены тестовые образцы Окончательные значения прочности образцов являлись входными данными для работы второго модуля программно-технического комплекса В результате было получено выражение, характеризующее зависимость прочности от указанных выше факторов

YR2S = 376 38 - 57 38Х, -14 88Х2 + 1713Х,Х,

(6)

Данное выражение может использоваться для получения оптимальных результатов прочности бетона. Была разработана программа для осуществления автоматизированного планирования эксперимента с обработкой его результатов, выполненная в виде приложения для ЭВМ типа IBM PC с использованием встроенной объектно-ориентированной инструментальной среды программирования Visual Basic for Applications 6 0 Внешний вид интерфейса модуля планирования эксперимента представлен на рисунке 5

На основании алгоритма и разработанной на его основе ММ создан ПТК планирования испытаний, который позволяет подготовить эксперимент, обработать его результаты и выдать уравнение, которое может использоваться для решения задач, связанных с корректировкой и оптимизацией состава бетона.

Применение программы позволяет сократить до 15-20 минут время на подготовку и планирование эксперимента и в 1,6 раза время расчетов при обработке результатов эксперимента; повысить эффективность работы сотрудников строительных лабораторий за счет использования менее квалифицированных сотрудников на данном этапе; оперативно подходить к процессу подбора состава БС с учетом введения новых химических добавок и их характеристик; осуществлять различные варианты подбора в зависимости от наличия исходных компонент и накапливать эти варианты в базе данных. В целом же разработанный ПТК позволяет автоматизировать расчеты при планировании испытаний образцов бетона, а также обработку результатов этих испытаний, что существенно сокращает временные затраты на этой стадии производства и позволяет сократить более чем в 10 раз время расчетов при проектировании состава БС; исключить ошибки расчетчика в процессе проектирования.

В третьей главе рассматривается новый подход к созданию САПР составов БС. Новый подход к проектированию составов бетонных смесей (ПРОСБС) включает процедуры автоматизированного подбора состава заполнителей, прогнозирования качества будущего бетона и корректировку состава по результатам прогнозирования качества и представляет собой САПР составов БС, базирующуюся на двух взаимосвязанных нечетких математических моделях, функционирующих в режиме пошагового приближения к оптимальному качеству будущего бетона с использованием нечетких правил преобразования информации, основанных на экспертных и экспериментальных данных. Структура САПР составов БС с прогнозированием качества представлена на рисунке 6.

Рассмотрены основные понятия и терминология нечетких систем, используемых в новом подходе. В состав системы проектирования входят 2 нечеткие модели: модель проектирования (НМ1) и модель прогнозирования качества (НМ2) с обратной связью. Рассмотрим весь процесс подробнее (Рисунок 7).

На вход блока фаззификации (йк 1) поступают данные о параметрах компонент смеси и требований к качеству смеси вида - где А - активность цемента, кг/см2; Р -

требуемая прочность конечного продукта (бетона), кг/см2; О - осадка конуса готовой БС, см; W - влажность песка, %. На первом этапе четкие данные диапазонов входных переменных под воздействием правила представляются в виде лингвистических переменных - терм-множеств вида:

В таблице 1 представлен пример квантования одного из входных данных для прогнозирования - активности цемента (малая, низкая, нормальная, высокая, очень высокая). Таким же образом осуществлено квантование остальных входных данных для проектирования состава бетонной смеси.

Таблица 1. Квантование переменной (А) и ее функция принадлежности.

Наименование лингвистической переменной и область изменения пар-ра Уровень квантования Функция принадлежности

min max

Активность цемента (А) 400... 550 кг/см2 Низкий (N13) 400 430 Низкая = e-0.0139(W

Ниже нормы (ИМ) 430 460 Ниже ^) = е-0.0,39(Л-445)2

Норма (2£) 460 490 Норма ^) = e-0.0139(W

Выше нормы (РМ) 490 520 Выше ^) = г0.0139(Л-505)2

Высокий (РВ) 520 550 Высокая ^) = <Г0.0.39(Л-535)2

Термы определяются с помощью функций принадлежности ц(х) вида:

мЬ>у) = е 3 (8)

где а - коэффициент квантования, Ь - пиковое значение каждого диапазона из множества

Т(УЙ), vj - значение переменной из множества значений Граничными условиями для данной функции являются:

В результате на выходе блока fuzl имеем нечеткие входные данные вида Vy , которые под воздействием правила fe преобразуются в нечеткое множество данных о составе бетонной

смеси - Smn .Правило имеет вид «если..., то ...» и определяется следующим выражением:

Полученный нечеткий вариант состава бетонной смеси сохраняется в блоке запоминания состава (БЗС). Далее в блоке defl осуществляется дефаззификация нечеткого состава по методу медианы - правило В результате мы имеем четкие данные о составе бетонной смеси

вида В блоке выбора направления передачи данных о составе

бетонной смеси (БВНПДС) осуществляется сравнение суммы количественных данных о полученном составе с критерием оценки качества подбора состава согласно правилу которое имеет следующий вид:

fsmn1' если Smn* minF(Smn,S3ad,Qs)

\Smn2, если Smn = minF{Smn,S3ad,Qs)

(H)

Если выполняется первое условие, то данные о составе из БЗС возвращаются на вход блока декомпозиции (<Сес1), где согласно набору правил /} осуществляется корректировка нечеткого состава до тех пор пока не будет выполнятся второе условие (11). Правило у} записывается следующим выражением:

где Я тп - скорректированные данные о нечетком составе. В этом случае нечеткие данные из

блока запоминания составов вида Бтп 2 поступают на вход блока декомпозиции (с!ес2) второй нечеткой модели - НМ2. Далее осуществляется преобразование нечеткого состава, согласно правилу которое определяется выражением:

Я 2 = Зтп 2 -> Рк

(13)

где Pk - множество нечетких значений прочности. Используя правило минимакса (/"7), осуществляется дефаззификация нечеткого значения прочности. Данное правило имеет вид:

(14)

где Рк - множество четких значений прочности бетона на сжатие.

Полученные четкие данные поступают на вход блока оценки результатов прогноза прочности (БОРП). Выбор данных о прочности готового продукта зависит от результатов преобразования согласно иравилуЛ вида:

|'Рк 1, если Рк Ф minF(Pk,P3ad,QP) \рк 2, если Рк = minF(Ph ,P3ad,QP)

Pi ='

(15)

где - критерий оценки прочности, - заданное значение прочности. В случае выполнения первого условия осуществляется возврат на вход блока БЗС, откуда данные возвращаются к повторной декомпозиции (dec I), согласно набора правил определяющегося следующим выражением:

R2 =Sm„ 2-> Рк (16)

Цепь преобразований осуществляется до тех пор пока не начнет выполнятся второе условие из выражения (15), т.е. прочность будет находится в допустимых пределах по критерию оценки прочности. В этом случае принимается решение о пригодности спроектированного состава Sm с представлением результата прогноза Рк. Все приведенные выше правила, определяют структуру нечетких выводов системы проектирования состава заполнителей БС и прогнозирования прочности на сжатие для спроектированного состава, как характеристики его качества.

Применение нового подхода к созданию САПР составов БС позволяет: за счет применения нечетких ММ осуществлять прогнозирование прочности бетона на этапе проектирования состава смеси; в соответствии с результатами прогноза осуществлять корректировку состава смеси; объединить в своем составе процедуры автоматизированного подбора состава, прогнозирования качества будущего бетона и корректировку состава смеси; разработать имитационную модель проектирования составов БС с прогнозированием качества и корректировкой состава заполнителей по результатам прогноза качества будущего бетона. При этом нечеткая ММ проектирования составов БС и нечеткая ММ прогнозирования качества будущего бетона в качестве преобразования входных параметров используют термы фаззификации в виде экспоненциальной функции, для осуществления нечетких выводов -максиминные композиции (композиционное правило Заде), а для дефаззификации нечетких данных - соответственно метод медианы и метод наименьшего максимума. На основании данного подхода была разработана компьютерная имитационная модель проектирования составов бетонных смесей.

Четвертая глава посвящена имитационному моделированию САПР составов бетонных смесей с использованием нечетких математических моделей, основанному на трудах д.т.н. Суздальцева А.И., Гумбатова Р.Т., к.т.н. Ерютиной Е.П.

На основании представленного подхода и структурной схемы (рисунок 7) были разработаны алгоритмы для нечетких моделей проектирования (НМ1) и прогнозирования (НМ2), которые после объединения образуют единый алгоритм модели проектирования с прогнозированием

качества. Была получена выходная функция прогнозирования прочности для спроектированного состава:

Г-МУу °/1)°/2)°/зМ[((^ °/1)°/2)°/з]°(8зад л05)])л

А (((([[((Ку 0/1)0/2)0/3]» (5мЭ л )] о /?) с /8)) с л2?]) Согласно выражениям (7-9) выражение (20) примет вид:

У = ([Б т„ о /3 ] л ртл о /3 ] о л )]) л

А((((Р/иЯо/3]0(5за() л/7)0/3)).^ Л07»])

(20)

(21)

Г = л 2) д (((([5тя о а й8)] о /6 ) о /7)) о Л ]) (22) затем подставим в выражение (22) значения выражений (13,16,19):

У = (5т„ л Бтп 2) л {Рк = [/>зад л йР\) (25)

и в итоге получим выражение:

У = {8тп аБтп 2)лРк2 (26)

Выражение (27) определяет зависимость результата нечеткого проектирования состава заполнителей бетонной смеси с прогнозированием качества (прочности на сжатие) бетона. На основании данного алгоритма и структурной схемы САПР состава БС была разработана общая компьютерная ИМ автоматизированного проектирования в виде программы для ЭВМ. В состав программы включены три модуля: модуль ввода данных для проектирования и прогнозирования; модуль вывода результатов проектирования и прогноза; модуль коррекции состава. В программу также включены базы знаний для осуществления нечетких операций. Каждый из модулей использует интерфейс, представляющий собой диалоговое окно конечного пользователя. Внешний вид пользовательского интерфейса модуля 1 представлен на рисунке 8.

Айм дм ЧЯМЮфйМаА АмЮкстьммпН

Гв*>«1» тро-сст» ] у» ггяая гвм/м I

йакйг"" ГЯ".

1 * пЛиИтаф^Ш^Ш-ка 1

Рисунок 8. Пользовательский интерфейс модуля ввода данных для проектирования.

Программа разработана для использования на ЭВМ типа 1ВМ РС АТ 486 и выше. В состав ПТК помимо персональной ЭВМ должны входить печатающее устройство и набор контрольно-измерительных средств для определения параметров заполнителей бетона и

параметров бетонной смеси и готового бетона. Структура алгоритма производства бетона с использованием данного ПТК представлена на Рисунке 9.

Рисунок 9. Структура алгоритма производства бетона с использованием ПТК с САПР составов

бетонных смесей.

В блоке 1 выделены технические средства входного контроля заполнителей смеси, в блоке 2 представлен ПТК с САПР составов БС, в блоке 3 средства контроля качества БС, в блоке 4 -отгрузка готовой смеси, в блоке 5 - контроль качества готовых изделий из бетона. В главе приведены результаты экспериментального исследования на имитационной модели. В соответствии с разработанной методикой были проведены эксперименты, результаты которых приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты определения прочностных характеристик на имитационной модели.

Результаты Отклонение данных

Шаг Требуемая экспериментальных прогноза от заданного

корректировки, прочность исследований на значения прочности,

0.5с изделия Ягреб, имитационной модели, %

кг/см2 кг/см2

1 375 350 6.7

2 375 360 4

3 375 370 13

4 375 380 13

5 375 375 0

Графически результаты исследования на имитационной модели и требуемая прочность представлены на Рисунке 10, где Я^щ - максимальное значение прочности для нечеткого

диапазона, соответствующего требуемой прочности (390 кг/см2); - минимальное значение прочности для нечеткого диапазона.

К кг/см2

500

400

300 200 100 0

0 1 2 3 4 5 6

Рисунок 10. Результаты нечеткого прогнозирования на имитационной модели.

На оси абсцисс отложена последовательность шагов операции прогнозирования. Первоначально отклонение от требуемого значения составляло 6,7%, затем после корректировки состава смеси значение прогноза изменялось до тех пор, пока не совпало с требуемым значением прочности. Использование модели прогнозирования дает возможность определить итоговую прочность и своевременно внести корректировки в состав бетонной смеси. Время, затраченное на проектирование с использованием данной модели, составило 2 -3 минуты.

Применение программы для ЭВМ и ПТК позволяет: сократить до нескольких десятков секунд время, затрачиваемое на проектирование состава бетонной смеси; отображать прогнозируемое значение прочности бетона для спроектированного состава бетонной смеси; осуществлять коррекцию состава бетонной смеси в зависимости от результатов прогноза качества за счет количественного перераспределения состава заполнителей БС задолго до изготовления опытных образцов; повысить эффективность работы сотрудников строительных лабораторий за счет использования менее квалифицированных сотрудников для подбора состава. В заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы:

1) Предложен подход к проектированию состава бетонной смеси с прогнозированием качества, основанный на представлении параметров БС, параметров ее компонент, параметров ТП, параметров химической добавки, и параметров готового бетона в виде нечетких множеств и их преобразованиях с использованием единой функции принадлежности для всех терм-множеств входных данных, позволивший разработать математическую модель САПР составов БС с прогнозированием прочности бетона. При этом в качестве преобразования входных параметров используются термы фаззификации в виде экспоненциальной функции, в качестве нечетких выводов - максиминные композиции (композиционное правило Заде), а в качестве методов дефаззификации -соответственно метод медианы и метод наименьшего максимума.

2) В рамках предложенного подхода разработаны ММ автоматизированного

прогнозирования качества бетонной смеси и ММ автоматизированного проектирования составов бетонных смесей по параметрам компонент, добавок и требованиям к конечному продукту, базирующиеся на представлении нечетких множеств указанных параметров в виде нечетких преобразований и позволяющей при частой смене сырья и предъявляемых требований к качеству бетона сократить время на подготовку к производству, материальные затраты, использование труда специалистов высокой квалификации и стабилизировать параметры готовых изделий.

3) Разработана имитационная модель на базе нечетких ММ проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования их качества, которая объединяет их в единый комплекс проектирования с прогнозированием качества готового бетона на стадии подготовки к производству, что ведет к значительной экономии людских, временных и материальных ресурсов.

4) Разработана ММ и ПТК автоматизированного подбора состава БС, позволяющая сократить время расчетов по подбору состава бетонной смеси до 10-15 минут, повысить эффективность работы сотрудников строительных лабораторий, более гибко подходить к процессу подбора состава бетона в вопросе введения новых химических добавок и их характеристик.

5) Разработана ММ и ПТК автоматизированного планирования испытаний образцов бетона с обработкой экспериментальных данных. Данная модель позволяет получить многие зависимости исследуемых свойств бетона, тем самым открывается возможность с помощью ЭВМ и программного обеспечения прогнозировать свойства бетона за короткое время с учетом изменения параметров входящих компонентов в широких пределах. Автоматизация выбора и накопления самих моделей планирования факторных экспериментов сокращает время планирования и обработки результатов до 60-80 минут чистого времени, что предопределяет экономию времени, энергетических и интеллектуальных затрат при планировании экспериментов для испытания опытных образцов бетонной смеси.

На базе полученных математических моделей проведены экспериментальные исследования, позволившие получить следующие результаты: длительность процесса проектирования сократилось с 760 часов до 0,2 часа; нормативная трудоемкость проектирования снизилась с 20 н/час до 0,2 н/час; стоимость процесса проектирования одного варианта состава бетонной смеси снизилась с 969,61 руб. до 10,5 руб.; ожидаемый годовой экономический эффект внедрения результатов автоматизации процесса проектирования составляет ~ 38 365 рублей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Суздальцев А.И., Лихачев Д.В. Об одном подходе к проектированию составов бетонных смесей с прогнозируемой моделью оценки качества. «Информационные технологии в науке, образовании, производстве». Материалы международной научно-технической конференции: 11-12 мая 2004г. - Орел: ОрелГТУ, 2004, ТЗ. - с.67-70.

2. Суздальцев А.И., Лихачев Д.В. Экспериментальное исследование процесса проектирования бетонных смесей на имитационной модели. «Информационные технологии в науке, образовании, производстве» (ИНТОП). Материалы международной научно-технической конференции: 11-12 мая 2004г. - Орел: ОрелГТУ, 2004, ТЗ. - с.135-139.

3. Суздальцев А.И., Лихачев Д.В. Проектирование составов бетонных смесей с использованием нечеткой логики и компьютерных технологий. Энерго- и

ресурсосбережение XXI век: Материалы второй международной научно-практической интернет-конференции./ Орел: ОрелГТУ, Издательский Дом «Орлик», 2004.- с.54-58.

4. Суздальцев А.И., Лихачев Д.В. Проектирование составов бетонных смесей с использованием прогнозируемой модели оценки качества в условиях нечеткого представления данных. Известия ОрелГТУ. Выпуск 4.- Орел: ОрелГТУ, 2003. - с.57-61.

5. Суздальцев А.И., Сафронов Е.О., Лихачев Д.В. Проблемы автоматизации процесса приготовления бетонных смесей. Сборник научных трудов ученых Орловской области. Вестник науки. Выпуск 6. В 2 томах. Т.1.- Орел: ОрелГТУ, 2001. - с. 100-105

6. Суздальцев А.И., Лихачев Д.В., Сафронов Е.О. Анализ методов и средств по выбору состава бетонных смесей. Сборник научных трудов ученых Орловской области. Вестник науки. Выпуск 6. В 2 томах. Т.1.- Орел: ОрелГТУ, 2001. - с.97-100

7. Лихачев Д.В. Сокращение брака, энергетических и временных затрат при планировании экспериментов для испытаний опытных образцов бетонной смеси. Энерго- и ресурсосбережение - XXI век. / Материалы Первой региональной научно-практической конференции. - Орел: ОрелРЦЭ, 2001. - с.291-293

8. Лихачев Д.В. Устройство для определения подвижности бетонной смеси. Методы и средства измерений физических величин./ Материалы 6-ой Всероссийской научно-технической конференции. - ЕНовгород: Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук РФ, 2002г., - с.29

9. Лихачев Д.В. Прогнозирование состава бетонных смесей по физико-механическим характеристикам заполнителей, химических добавок и конечного продукта. //Труды региональной научно-технической конференции Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве. Воронеж: Изд-во «КВАРТА», 2002.- С.93 - 94.

10. Лихачев Д.В. Планирование эксперимента для подбора состава бетонной смеси с использованием компьютерных технологий//Технологические комплексы, оборудование предприятий строительных материалов и стройиндустрии: Материалы международной интернет-конференции. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2003.- С. 106 - 108.

11. Авторское свидетельство Яи на полезную модель № 21278 Ш. Устройство для определения подвижности бетонной смеси./ Суздальцев А.И., Лихачев Д.В. Опубл. 10.01.2002, Бюл. изобрет. №1.

12. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2002611417. Программа подбора состава и параметров бетонной смеси «ФоБеС-01»./ Лихачев Д.В., 2002.

ЛР ИД №00670 от 05.01.2000г. Подписано в печать « ГЗ » СДиГА^рА. 2004г.

Усл.печ.л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № (ОН Отпечатано на полиграфической базе Орел ГТУ 302020, г.Орел, Нугорское ш., 29

№ 172 42

РНБ Русский фонд

2005-4 15572

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА БЕТОНА

1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ

1.2 МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

1.3 МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ БЕТОНА

1.4 ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.5 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ПЛАНИРОВАНИЯ ИСПЫТАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧЕТКИХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

2.1 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА, ПРОГРАММЫ И ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

2.2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА, ПРОГРАММЫ И ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ИСПЫТАНИЙ

2.3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

2.4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ИСПЫТАНИЙ

2.5 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 3 ФОРМИРОВАНИЕ НОВОГО ПОДХОДА К СОЗДАНИЮ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

3.1 НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ И НЕЧЕТКОСТИ В ТРАДИЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

3.2 НОВЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ 66 3.3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ НЕЧЕТКИХ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В НОВОМ ПОДХОДЕ.

3.4 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ НОВОГО ПОДХОДА

3.5 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЧЕТКИХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

4.1 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И НЕЧЕТКОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

4.2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И НЕЧЕТКОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦВССА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА БЕТОНА

4.3 РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

4.4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ НА

ОБЩЕЙ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

4.5 ВЫВОДЫ

В современном строительстве не обойтись без бетонных смесей, их используют при возведении широкого диапазона искусственных сооружений от фундаментов зданий до мостов высокой сложности. Основными критериями, предъявляемыми к производству бетона, являются минимально возможные сроки и качество исполнения [1.3]. Время выполнения заказа на производство бетона зависит от уровня технологического процесса, персонала и оборудования. На качество продукта влияют вышеуказанные факторы плюс качество используемых заполнителей (цемента, песка, щебня и химических добавок) [4, 5].

Потребность в бетоне с различными качественными параметрами с течением времени не уменьшается, однако к его качеству предъявляются все более и более жесткие требования. Задача по удовлетворению выпуска бетона в увеличивающихся объемах в рамках одного бетонного завода может быть решена двумя путями: увеличением производственных площадей, расширением и распараллеливанием технологических процессов; повышением производительности существующих процессов и обслуживающего их оборудования. При этом задача повышения качества бетона и в том, и в другом случае остаются главным критерием всего производства в целом [6. 11].

Повышение производительности приготовления бетонных смесей в рамках одного завода связано с автоматизацией измерения параметров исходного сырья (компонентов), устройств, с автоматизацией расчета рецептур, с автоматизацией подачи сырья и формирования смеси, с автоматизацией тракта выдачи готового продукта и его качественных показателей.

Работы по созданию автоматизированных систем управления процессами приготовления бетонных смесей начинались в 1980 году в рамках целевой программы 01Д026 Госстроя СССР и выполнялись параллельно несколькими коллективами разработчиков в Москве, Минске, Киеве и Баку. Несколько позже аналогичные работы велись в рамках различных региональных программ в Харькове, Одессе, Риге и других городах. В 1986 году разработки были продолжены в рамках одного из разделов комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ под эгидой Госкомитета по науке и технике СССР и при участии СССР, ГДР, НРБ и ЧССР. Практически на протяжении всего этого периода времени ряд иностранных фирм (Lohia, Stetter и др.) предпринимал энергичные усилия по выходу на рынок с аналогичными системами управления [12]. По времени технологический процесс приготовления бетонной смеси, включая подбор состава и лабораторные испытания, занимает около 30 суток [3, 13, 14]. Как отмечается в работах д.т.н. проф. Малининой JI.A., проф. Михайлова В.В. (НИИЖБ Госстроя), а также профессоров: Миронова С.А., Френкеля И.М.(НИИЖБ Госстроя), Баженова Ю.М. и Горчакова Г.И. (МИСИ) одной из самых важных операций технологического процесса производства железобетонных конструкций является подбор (проектирование) состава бетонной смеси. В результате проектирования состава бетонной смеси должно быть определено соотношение между компонентами, при котором будет гарантирована прочность бетона в конструкции, с учетом технологии ее изготовления, необходимая подвижность бетонной смеси и экономичность бетона (минимальный расход цемента).

Проектирование состава бетона включает: назначение требований к бетону; выбор материалов и получение данных, характеризующих их свойства; определение предварительного состава бетона; корректировку состава в пробных замесах. При корректировке проводят предварительные испытания для получения уточненных зависимостей свойств бетона и бетонной смеси, приготовленных на данных компонентах и оборудовании по принятой технологии, от водоцементного отношения и других факторов. При проведении этих испытаний используются математические методы факторного планирования эксперимента и обработки его результатов [13]. Основная сложность автоматизации проектирования состава бетонной смеси заключается в том, что характеристики компонентов, бетонной смеси и бетона, соответствующие удовлетворительному качеству, имеют нечеткий характер, то есть находятся в определенных диапазонах значений. Как следствие установление связей между параметрами готового изделия (бетона) или прогнозирование его качества представляет собой сложную проблему, решение которой лежит в сфере новых подходов, базирующихся на современных информационных, программных и компьютерных технологиях [108. 110].

Объектом исследования является технологический процесс изготовления бетонной смеси для тяжелых бетонов.

Предметом исследования является процесс автоматизированного проектирования составов бетонных смесей.

Целью диссертационной работы является снижение времени и трудоемкости при проектировании составов бетонных смесей и снижение брака в процессе проектирования при заданном качестве бетона.

Исходя из этой цели, в работе поставлены следующие основные задачи:

• Провести анализ систем автоматизации планирования эксперимента для проектирования состава бетонной смеси (БС) и систем подбора состава бетонных смесей с учетом использования в их составе химических добавок.

• Разработать на основе четких математических моделей (ММ) программу и программно-технический комплекс (ПТК) процесса планирования эксперимента по испытанию образцов состава БС.

• Разработать систему автоматизированного проектирования (САПР) составов бетонных смесей с использованием четких ММ и провести ее испытания.

• Разработать алгоритм и ММ прогнозирования качества бетона в условиях нечеткого представления параметров компонентов, бетонной смеси и конечного продукта - бетона.

• Сформулировать подход к САПР составов БС с учетом использования нечеткой ММ прогнозирования качества бетона.

• Разработать имитационную модель САПР БС на базе нечетких ММ.

• Провести экспериментальные исследования параметров компонентов БС на имитационной модели.

Методы и средства исследований. При решении диссертационных задач были использованы методы математической статистики, теории нечетких множеств, планирования эксперимента, факторного анализа. Экспериментальные исследования проведены на производственной базе ОАО «Мостострой-66» (г.Орел). Численная реализация математических моделей и оптимизационных процедур осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ. Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ с использованием специализированных программ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен новый подход к автоматизированному проектированию составов бетонных смесей, основанный на представлении параметров компонентов (включая химические добавки) БС, технологического процесса и готового изделия в виде нечетких множеств и их преобразованиях.

2. В рамках вышеуказанного подхода разработана математическая модель автоматизированного проектирования состава бетонной смеси в условиях нечеткого представления данных (НМ1).

3. В рамках сформулированного подхода разработана нечеткая математическая модель (НМ2) прогнозирования качества бетона.

4. Разработана обобщенная компьютерная имитационная модель проектирования составов бетонных смесей на основе НМ1 и НМ2.

5. Разработаны программы и программно-технический комплекс, автоматизирующие процесс проектирования составов БС, базирующиеся на существующей методике проектирования составов тяжелых бетонов с учетом использования химических добавок (четкие модели).

6. Разработаны программа и программно-технический комплекс, автоматизирующие процесс планирования испытаний образцов бетона с последующей обработкой экспериментальных данных, базирующиеся на основе теории многофакторного эксперимента.

Практическую ценность работы составляют:

- Алгоритмы, программы и компьютерная имитационная модель (ИМ) автоматизированного проектирования составов бетонных смесей в условиях нечеткого представления параметров компонентов бетонной смеси и бетона.

- ПТК, основанный на использовании существующей методики проектирования составов тяжелых бетонов с учетом использования химических добавок (свидетельство об официальной регистрации программы №2002611417).

- ПТК, реализующий существующие алгоритмы планирования испытаний образцов бетона.

- Устройство для определения подвижности бетонной смеси, защищенное в виде полезной модели (авторское свидетельство RU 21278).

Положения, выносимые на защиту:

1. Подход к автоматизированному проектированию составов бетонных смесей, основанный на представлении параметров компонентов (включая химические добавки) БС, технологического процесса и готового изделия в виде нечетких множеств и их преобразованиях.

2. Математическая модель автоматизированного проектирования состава бетонной смеси в условиях нечеткого представления данных (НМ1).

3. Нечеткая математическая модель (НМ2) прогнозирования качества бетона.

4. Компьютерная имитационная модель проектирования составов бетонных смесей на основе НМ1 и НМ2.

5. Программы и программно-технический комплекс, автоматизирующие процесс проектирования составов БС с применением химических добавок и процесс планирования испытаний образцов бетона с последующей обработкой экспериментальных данных.

На основе приведенных в диссертационной работе исследований на базе предприятия ОАО «Мостострой-66», г.Орёл в 2001 году было внедрено устройство для определения подвижности бетонной смеси (Приложение А), в 2002 году была внедрена программа для ЭВМ и ПТК по подбору состава тяжелого бетона (Приложение Б), в 2003 году принято решение об использовании методики прогнозирования качества бетонной смеси и реализованной на ее основе программе для ЭВМ.

По результатам различных разделов диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ в журналах и сборниках. Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференция «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (ОрелГТУ, июнь-июль 2001г., г.Орел), на 6-ой Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (25-26 сентября 2002г., г.Н.-Новгород, Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук РФ), на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (23-25 апреля 2002г., г.Воронеж, Воронежский государственный технический университет), на международной конференции «Технологические комплексы, оборудование предприятий строительных материалов и стройиндустрии» (август 2003г., г.Белгород, БГТУ им. В.Г.Шухова), на международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании, производстве» (ИНТОП) (11-12 мая 2004г, г.Орел, ОрелГТУ), на ежегодных научных конференциях и семинарах ОрелГТУ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, включающего 110 наименований, и приложений. Объем диссертации 114 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 9 таблиц, 11 приложений на 34 страницах.

4.5 ВЫВОДЫ

До использования компьютерной программы нечеткого проектирования с прогнозированием о будущей прочности бетона специалисты могли судить приблизительно и основываясь на своем собственном опыте. Но при этом любой специалист обязательно проведет экспериментальную проверку спроектированного состава с целью убедится в собственной правоте. Также не следует забывать, что проектирование традиционным способом довольно емкий процесс с точки зрения временных затрат.

Применение программы для ЭВМ и программно-технического комплекса позволяет:

- сократить до нескольких десятков секунд время, затрачиваемое на проектирование состава бетонной смеси;

- отображать прогнозируемое значение прочности бетона для спроектированного состава бетонной смеси;

- осуществлять коррекцию состава бетонной смеси в зависимости от результатов прогноза качества при неизменном составе заполнителей смеси за счет их количественного перераспределения задолго до изготовления опытных образцов;

- повысить эффективность работы сотрудников строительных лабораторий за счет использования менее квалифицированных сотрудников для подбора состава;

- сократить брак на производстве бетона за счет прогнозирования качества на стадии проектирования.

Все эти преимущества значительно повышают эффективность использования программы и программно-технического комплекса нечеткого проектирования состава заполнителей бетонной смеси с прогнозированием качества бетона, что в свою очередь ведет к сокращению времени технологического процесса производства бетона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подведем итоги проделанной работы. Основными результатами являются следующие:

1) Предложен подход к проектированию состава бетонной смеси с прогнозированием качества, основанный на представлении параметров бетонной смеси, параметров ее компонент, параметров технологического процесса, параметров химической добавки, и параметров готового бетона в виде нечетких множеств и их преобразованиях с использованием единой функции принадлежности для всех терм-множеств Т(Х) входных данных, позволивший разработать математическую модель САПР составов БС с прогнозированием прочности бетона.

2) В рамках предложенного подхода разработана математическая модель автоматизированного прогнозирования качества бетонной смеси по параметрам компонент, добавок и требованиям к конечному продукту, основанная на представлении нечетких множеств указанных параметров в виде нечетких преобразований и позволяющей при частой смене сырья и предъявляемых требований к качеству бетона сократить время на подготовку к производству, материальные затраты, использование труда специалистов высокой квалификации и стабилизировать параметры готовых изделий.

3) Разработана математическая модель автоматизированного проектирования составов бетонных смесей по параметрам компонент, добавок и требованиям к конечному продукту на базе сформулированного метода, базирующаяся на представлении нечетких множеств указанных параметров в виде нечетких преобразований и позволяющей при частой смене сырья и предъявляемых требований к качеству бетона сократить время на подготовку к производству, материальные затраты, использование труда специалистов высокой квалификации и стабилизировать параметры готовых изделий.

4) Разработана имитационная модель на базе математических нечетких моделей проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования их качества, которая объединяет их в единый комплекс проектирования с прогнозированием качества готового бетона на стадии подготовки к производству, что ведет к значительной экономии людских, временных и материальных ресурсов. При этом нечеткая математическая модель проектирования состава бетонной смеси и нечеткая математическая модель прогнозирования качества будущего бетона в качестве преобразования входных параметров используют термы фаззификации в виде экспоненциальной функции, в качестве нечетких выводов - максиминные композиции (композиционное правило Заде), а в качестве методов дефаззификации - соответственно метод медианы и метод наименьшего максимума.

5) Разработана математическая модель автоматизированного подбора состава бетонной смеси, позволяющая сократить время расчетов по подбору состава бетонной смеси, повысить эффективность работы сотрудников строительных лабораторий, повысить качество бетонной смеси за счет более высокой точности расчетов, более гибко подходить к процессу подбора состава бетона в вопросе введения новых химических добавок и их характеристик.

6) Разработана математическая модель автоматизированного планирования испытаний образцов бетона с обработкой экспериментальных данных. Данная модель позволяет получить многие зависимости исследуемых свойств бетона, тем самым открывается возможность с помощью ЭВМ и программного обеспечения прогнозировать те или иные свойства будущей бетонной смеси за короткое время с учетом изменения параметров входящих компонентов в широких пределах. Автоматизация выбора и накопления самих моделей планирования факторных экспериментов еще больше сокращает время и повышает объективность рассматриваемого процесса, а это и предопределяет экономию времени, энергетических и интеллектуальных затрат при планировании экспериментов для испытания опытных образцов бетонной смеси.

На базе полученных математических моделей разработаны следующие компьютерные программы:

1. программа автоматизированного подбора состава бетонной смеси;

2. программа автоматизированного планирования испытаний образцов бетона с последующей статистической обработкой экспериментальных данных;

3. программа автоматизированного прогнозирования прочности бетона. Данный комплекс программ:

1. позволяет сократить длительность процесса проектирования состава с 760 часов до 0,1 - 0,2 часа;

2. нормативная трудоемкость проектирования снизилась с 20 н/час до 0,2 н/час;

3. стоимость процесса проектирования одного варианта состава бетонной смеси снизилась с 969,61 руб. до 10,5 руб.;

4. ожидаемый годовой экономический эффект внедрения результатов автоматизации процесса проектирования составляет ~ 38 365 рублей.

1. Буров Ю.С. Технология строительных материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1971. - 265с.

2. Попов J1.H. Строительные материалы и детали. М.:Стройиздат, 1973. -392с.

3. Шестоперов С.В. Технология бетона. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1977. - 432с.

4. Гордон С.С. Прогноз долговечности железобетонных конструкций. Бетон и железобетон, 1992, №6, с.23-25.

5. Гордон С.С. Производство морозостойких железобетонных конструкций. Механизация строительства, 2001, №7, с.22-26.

6. Дараган К.А. Развитие и совершенствование железобетонных мостов. Краснодар: КПИ, 1982, -90с.

7. Лукин Н.П., Лозницкий А.С., Семенов С.В. Долговечность железобетонных автодорожных мостов. Совершенствование технологии строительства, повышение качества и долговечности конструкций автодорожных мостовых сооружений. Труды СоюздорНИИ, М.,1987, с.52-56.

8. Ken W. Day. Concrete mix design, quality control and specification // Academic Press, Boston, MA, 2000. 432 p.

9. Мусохранов B.B. Щетинина E.H. Проблемы мостовой отрасли на современном этапе и пути их решения. Обзорная информация, в.З, М., Информавтодор,1998, -56с.

10. Подвальный A.M., Каприелов С.С. Обеспечение долговечности бетонаи железобетона конструкций транспортных сооружений // Транспортное строительство. -№ 10,1996, с. 15-17.

11. Рязанов Ю.С. Качество строительства мостов. Автомобильные дороги. 1990, №4, с. 6-7.

12. АСУ процессами приготовления бетонных смесей. Современные технологии автоматизации, 1996, №1, с.44-47.

13. Руководство по подбору составов тяжелого бетона. / НИИ бетона и железобетона Госстроя СССР М.:Стройиздат., 1979.-103с.

14. Баженов Ю.М. Способы определения состава бетона различных видов. Учеб. Пособие для вузов. М., Стройиздат, 1975. 268с.

15. Анин Ю.М. И др. Рекомендации по технологии применения химических добавок при производстве монолитных бетонных и железобетонных конструкций тоннелей и метрополитенов. М.: Издательство НИИ Транспортного строительства, 1988. - 30с.

16. Бетон и железобетонные изделия. Материалы для изготовления бетона. -М.:Издательство стандартов, 1980. 231с.

17. Добавки в бетон мостовых сооружений. Опыт применения. Материалы совещания научно-производственных, проектных и мостостроительных организаций. Орел, 2000. 32 с.

18. Злепкин Н.Д. Долговечность мостовых сооружений. / Добавки в бетон мостовых сооружений. Опыт применения // Материалы совещания научно-производственных, проектных и мостостроительных организаций в г.Орле 17 февраля 2000г., Орел, Упрдор. Москва-Харьков;

19. АООТ «Мостострой-66», 2000г. с.3-5.

20. Андреева А.Б. Пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки в бетонах и растворах: Учебное пособие. М.: Высш. шк., 1988. - 55с.

21. ГОСТ 13015.0-83. Конструкции и изделия бетонные и железобетонные сборные. Общие технические требования. М.:Издательство стандартов,1986.- 13 с.

22. ГОСТ 26633-91. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия. М.:Издательство стандартов, 1992. - 21с.

23. ГОСТ 7473-94. Смеси бетонные. Технические условия. М.ТУП ЦПП, 2003.- 18с.

24. Контроль качества на строительстве мостов. Пособие для инженерно-технических работников мостостроительных организаций. / Сост.

25. Е.А. Варшавский, Б.В. Милованов, Е.П. Глушков. М.: Недра, 1994 - 302с.

26. ГОСТ 10178-85. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия. М.:Издательство стандартов, 1988. - 7с.

27. ГОСТ 310.1-76 ГОСТ 310.3-76, ГОСТ 310.4-81, ГОСТ 310.5-80, ГОСТ 310.6-85. Цементы. Методы испытаний. - М.:Издательство стандартов, 1985. - 39с.

28. ГОСТ 8735-88. Песок для строительных работ. Методы испытаний. М.: Издательство стандартов, 1989. - 32с.

29. ГОСТ 8736-93. Песок для строительных работ. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1995. - 13с.

30. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия /Госстрой России. М.:ГУП ЦПП, 2001.-20с.

31. ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходовпромышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний /Госстрой России. М.:ГУП ЦПП, 1998. -99с.

32. ГОСТ 23732-79. Вода для бетонов и растворов. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1998. - 5с.

33. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М.:Издательство стандартов, 1990. - 45 с.

34. ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности. М.:Издательство стандартов, 1989. - 17с.

35. ГОСТ 22690.0-77 ГОСТ 22690.4-77. Бетон тяжелый. Методы определения прочности без разрушения приборами механического действия. -М.:Издательство стандартов, 1982. - 23с.

36. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля. М.:Издательство стандартов, 1988. -26с.

37. СНиП 3.09.01-85. Производство сборных железобетонных конструкций и изделий/Госстрой СССР.- М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1988. 45с.

38. Руководство по применению химических добавок в бетоне /НИИЖБ Госстроя СССР.-М.: Стройиздат, 1980. 55с.

39. СНиП 82-02-95. Федеральные (типовые) элементные расхода цемента при изготовлении бетонных и железобетонных изделий и конструкций/Госстрой России.- М.:ФГУПЦПП, 1996. 15с.

40. Король В.И. Visual Basic 6.0, Visual Basic for Applications 6.0. Язык программирования. Справочник. -M.: КУДИЦ-ОБРАЗ., 2000.-448с.

41. Гарнаев А.Ю. Microsoft Excel 2000: разработка приложений. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2000.-576с.

42. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии: Учебное пособие для химико-технологических вузов. М.: Высшая школа, 1978. - 319с.

43. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд.-М.:Финансы и статистика, 1983. 471 с.

44. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986. — 544с.

45. Виноградов Ю.С. Математическая статистика и ее применение в текстильной и швейной промышленности. М.: Издательство Легкаяиндустрия, 1970.-263с.

46. Гмурман B.C. Теория вероятности и математическая статистика. -М.:СтандартГИЗ, I960.- 425с.

47. ГОСТ 10181-2000. Смеси бетонные. Методы испытаний /Госстрой России. М.:ГУП ЦГТП, 2001. - 30с.

48. Прикладные нечеткие системы: Пер. с япон./К. Асаи, Д. Ватада, С. Иваи и др.;под редакцией Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугэно. М.: Мир, 1993.-368с.

49. Алиев Р.А., Церковный А.Э., Мамедова Г.А. Управление производством при нечеткой исходной информации. М.:Энергоиздат, 1991. - 203с.

50. F. Martin McNeill and Ellen Thro, "Fuzzy Logic: A practical approach", Academic Press, 1994. 350 pages

51. Toshiro Terano, Kiyoji Asai, and Michio Sugeno, "Fuzzy Systems Theory and its Applications", Academic Press, 1992, 268 pages.

52. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д.А.Поспелова. М.: Наука, 1986. -312 с.

53. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств.- М.:Радио и связь, 1982.- 432 с.

54. Mamdani Е. Н. Applications of fuzzy algorithms for simple dynamic plant. Pore. IEE. vol. 121, n. 12, pp. 1585-1588, 1974.

55. A quick look at fuzzy TECH T-MP Microchip Technology Inc., 1995 - 42p.

56. Didier Dubois, Henri Prade, and Ronald R. Yager, editors "Readings in Fuzzy Sets for Intelligent Systems", Morgan Kaufmann Publishers, 1993. 916 pages

57. Аверкин A.H., Гаазе-Рапопорт М.Г., Поспелов Д.А. Толковый словарь по искусственному интеллекту.- М.:Радио и связь, 1992.- 256 с.

58. Кафаров В.В., Дорохов И.А., Марков Е.П. Системный анализ процессов химической технологии: Применение нечетких множеств. М.:Наука, 1986.-319с.

59. Заде JI.A. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессовпринятия решений.- В кн.: Математика сегодня.- М.:3нание, 1974, с. 5-49.

60. Борисов А.Н., Глушков В.И. Использование нечеткой информации в экспертных системах. Новости искусственного интеллекта, 3, 1991, с. 13 -41

61. Earl Сох, "The Fuzzy Systems Handbook: A Practitioner's Guide to Building, Using, and Maintaining Fuzzy Systems", Academic Press, Boston, MA 1994. 615 pages

62. Fuzzy Logic Toolbox. User's Guide, Version 2. The Math Works, Inc., 1999.

63. Норвич A.M., Турксен И.Б. Построение функций принадлежности.- В кн.: Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения/Под ред. P.P. Ягера. М.: Радио и связь, 1986.- С. 64-71.

64. Заде JI.A. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений.-М. Мир, 1976.-165 с.

65. Mamdani Е.С., Assilian С. An Experiment in Linguistic Synthesys with a Fuzzy Logic Controller //Int I.Man-machine Studies. Vol.7, 1975. p.22-26

66. Zade L. A. The concept of a linguistic variable and its application to approximate reasoning. Part 1,2, 3 // Information Sciences, n. 8 pp. 199-249, pp.301-357; n. 9 pp. 43-80.

67. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления.-М.:Энергоиздат, 1981.- 232 с.

68. Yagashita О., Itoh О., and Sugeno М. Application of fuzzy reasoning to the water purification process, in Industrial Applications of Fuzzy Control, Sugeno M, Ed. Amsterdam: North-Holand 1985, pp. 19-40.

69. Борисов A.H., Алексеев A.B., Меркурьева Г.В. и др. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений.- М: Радио и связь. 1989.-304 с.

70. Васильев В.И., Ильясов Б.Г. Интеллектуальные системы управления с использованием нечеткой логики: Учеб. пособие / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. -Уфа, 1995. -80 с.

71. Гумбатов P.T. Методология построения системы управления биохимической очисткой сточных вод с применением технологии искусственного интеллекта. //Приборы и системы управления. №11-М.:1999. с.49 - 56.

72. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. — М.: Радио и связь, 1981. — 286 с.

73. Ротштейн А.П., Штовба С.Д. Влияние методов деффазификации на скорость настройки нечеткой модели // Кибернетика и системный анализ.-2002.-№1.

74. Хорошевский В.Ф. Механизмы вывода решений в экспертных системах.-М.: МИФИ, 1988.- 44 с.

75. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений. -М.: СИНТЕГ, 1998. -376 с.

76. Теория автоматического управления: учебник для ВУЗов по специальности автоматика и телемеханика. В 2-х частях. 4.2. Теория нелинейных и специальных систем автоматического управления / Под ред. А.А. Воронова М.: Высшая школа, 1987. - 504с.

77. Тейз А., Грибомон П., Луи Ж. и др. Логический подход к искусственному интеллекту: от классической логики к логическому программированию.-М.:Мир, 1990.- 432 с.

78. Построение экспертных систем /Под ред. Ф. Хейеса-Рота и др. М: Мир, 1987.-441 с.

79. Мелихов А.Н., Берштейн Л.С., Коровин С.Я. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой.- М.: Наука, 1990.- 272 с.

80. Куликов Г.Г., Брейкин Т.В., Арьков В.Ю. Интеллектуальные информационные системы: Учеб. пособие / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. -Уфа, 1999. -120 с.

81. Кузьмин В.Б. Построение групповых решений в пространствах четких и нечетких бинарных отношений.- М:Наука, 1982.- 168 с.

82. Амамия М., Танака Ю. Архитектура ЭВМ и искусственный интеллект.-М.: Мир, 1993.-400 с.

83. Будущее искусственного интеллекта/Под ред. К.Е. Левитина и Д.А. Поспелова,- М.: Наука, 1991. 302 с.

84. Ларичев О.И., Мечитов А.И., Мошкович Е.М., Фуремс Е. М. Выявление экспертных знаний,- М.гНаука, 1989.- 128 с.

85. Макеев С.П. Декомпозиция задачи вычисления функции от взаимодействующих нечетких переменных. Техническая кибернетика, 5,1990, с. 207-211.

86. Левин Р., Дранг Д., Эделсон Б. Практическое введение в технологию искусственного интеллекта и экспертных систем с иллюстрациями на Бейсике.- М.: Финансы и статистика, 1990.- 239 с.

87. Литвак Б.Г. Экспертная информация. Методы получения и анализа.-М.: Радио и связь, 1982.- 184 с.

88. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. М.: Химия, 1995.-368 с.

89. Нейлор К. Как построить свою экспертную систему.- М.:Энергоатомиздат,1991.- 286 с.

90. Маковский В.А., Похлебаев В.И, Базы знаний (экспертные системы). М.: Издательство стандартов, 1993. - 37 с.

91. Поспелов Д.А. Моделирование рассуждений.- М.: Радио и связь, 1989,- 184 с.

92. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам.- М: Мир, 1989.- 388 с.

93. Экспертные системы для персонального компьютера: методы, средства, реализации: справочное пособие.- Мн.:Выс. шк., 1990.- 197 с.

94. Экспертные системы. Принципы работы и примеры/Под ред. Р. Форсайта.-М.: Радио и связь, 1987.- 224 с.

95. Элти Дж., Кумбс М. Экспертные системы: концепции и примеры.- М.: Финансы и статистика, 1987.- 191 с.

96. Ягер P.P. Множества уровня для оценки принадлежности нечетких подмножеств. В кн.: Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения. М.: Радио и связь, 1986, 71-78.

97. Хорошевский В.Ф. Автоматизация программирования экспертных систем.-М.: МИФИ, 1988.- 64 с.

98. Таунсенд К., Фохт Д. Проектирование и программная реализация экспертных систем на персональных ЭВМ.- М.: Финансы и статистика, 1990.- 320 с.

99. Стефани Е.П. Основы построения АСУ ТП. Учебное пособие для вузов-М.: Энергоиздат, 1982. 352с.

100. В.Н.Волкова, А.А.Денисов Основы теории систем и системного анализа:Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Системный анализ и управление». СПб.: Издательство СПбГТУ, 1997510 с. Табл. - 36. Ил. - 128. Библиогр. - 288 назв.t

101. Вопросы кибернетики. Логика рассуждений и ее моделирование.- М: ВИНИТИ, 1983.- 179 с.

102. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов.- М:Мир, 1979.- 536 с.

103. Борисов А.Н., Крумберг О.А., Федоров И.П. Принятие решений на основе нечетких моделей. Примеры использования.- Рига:3инатне, 1990.- 184 с.

104. ГОСТ 10060.0-95 ГОСТ 10060.4-95 Бетоны. Методы определения морозостойкости /Минстрой России. - М.:ГУП ЦПП, 1997. - 71с.

105. ГОСТ 12730.0-78 ГОСТ12730.4-78. Бетоны. Методы определения плотности, влажности, водоглощения и пористости. - М.:Издательство стандартов, 1985. - 31с.

106. ГОСТ 12730.5-84. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. -М.: Издательство стандартов, 1989. 16с.

107. Контроль качества с помощью персональных компьютеров/ Т. Макино, М. Охаси, и др.- М.: Машиностроение, 1991.- 224 с.

108. Машиностроение. Энциклопедия. T.III-7. Измерения, контроль, испытания и диагностика /В.В. Клюев, Ф.Р.Соснин, В.Н.Филинов и др. -М. Машиностроение, 1996. 464с.

109. Ю8.Ерютина Е.П., Суздальцев А.И. Прогнозирование качества хлебобулочных изделий и автоматизация процесса выбора добавок// Проблемы здорового питания: Тезисы докладов 1-й Международной научно-практической конференции. Орел:ОрелГТУ, 1998.-С.124-126.

110. Ерютина Е.П., Колоколов Ю.В., Суздальцев А.И. Сокращениеэнергетических и временных затрат производства хлебобулочных изделий при компьютерном прогнозировании их качества./ Межвузовский сборник научных трудов.- Брянск, 1998.-С.26-29.

111. Ю.Ерютина Е.П., Колоколов Ю.В., Суздальцев А.И. Моделирование процесса прогнозирования качества хлебобулочных изделий по параметрам исходного сырья. //Хранение и переработка сельхозсырья. 1999. №11,-с.48-49.