автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация синтеза и анализа проектных решений распределения инфраструктуры городских инженерных сетей

На правах рукописи

Михайличенко Алексей Вячеславович

АВТОМАТИЗАЦИЯ СИНТЕЗА И АНАЛИЗА ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ ГОРОДСКИХ ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ

Специальность:

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2ЯНВ2012

Москва - 2011

005007503

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»),

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Волков Андрей Анатольевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Павлов Александр Сергеевич кандидат технических наук, доцент Игнатьев Александр Владимирович

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «Воронежский ГАСУ»).

Защита состоится 28 декабря 2011 года в 12.00 на заседании диссертационного совета Д212.138.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, КМК, НОЦ ИСИАС, ауд. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан 28 ноября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета /

/Я—

// Куликова Е.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время эффективность создания новой и использования существующей инфраструктуры городского коммунального хозяйства является одним из основных направлений деятельности городских служб. Все более значимым становится влияние факторов, стимулирующих реальную экономию энергии, топлива и способствующих повышению эффективности инженерных сетей, росту заинтересованности в энергосбережении и принятию оптимальных решений по развитию систем.

На сооружение, развитие и реконструкцию систем тепло-, водо-, газоснабжения ежегодно расходуются значительные денежные средства. Эти системы стали крупнейшими потребителями металла и энергосилового оборудования. Сказанное делает очевидным первостепенное значение количественного обоснования принимаемых решений и автоматизации самих процессов, связанных с оптимальным проектированием и распределением инфраструктуры городских инженерных сетей, что требует соответствующего математического, программного, информационного и организационного обеспечения.

Например, одним из вариантов решения задачи реструктуризации и оптимизации существующих систем теплоснабжения является замена центральных тепловых пунктов (ЦТП) на индивидуальные тепловые пункты (ИТП) - небольшие тепловые пункты, обслуживающие часть, одно или несколько зданий в зависимости от нагрузки. Таким образом, можно было бы сократить тепловые потери на перенос тепловой энергии от источника потребителям. В связи с этим особенно актуальным становится проблема оптимального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей с учетом расположения объектов подосновы, расположения и нагрузки потребителей, стоимости реструктуризации существующих элементов сетей и возможности использования существующей инфраструктуры.

При этом возникают предпосылки по созданию новой научной базы и разработке новых подходов по реструктуризации и модернизации систем водо- и теплоснабжения для внедрения в очерченную область новых инновационных и энергоэффективных технологий.

Рассматриваемые в этой связи в диссертации модели и методы создания элементов систем автоматизации проектирования (САПР) для решения обозначенных проблем используют и развивают отдельные вопросы следующих современных научных направлений фундаментальных и прикладных наук в контексте заявленной инженерной практики:

- теория графов;

- теория гидравлических цепей;

- теория математического моделирования;

- численные методы;

- теория матриц;

- элементов вычислительной геометрии.

Цель диссертации состоит в разработке методики автоматизированного оптимального распределения инфраструктуры инженерных сетей с учетом существующих структур, объектов подосновы, расположения и нагрузки потребителей, стоимости реструктуризации существующих элементов сетей.

Реализация поставленной цели подразумевает решение следующих основных задач:

- анализ существующих методов оптимального расчета расположения инфраструктуры;

- формализация подхода к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- разработка открытой модели распределения инфраструктуры инженерных сетей с возможностью адаптации для применения в рамках развития городских сетей различных типов;

- разработка алгоритма многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- прогнозирование проблем реализации алгоритма многокритериального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- формулировка перспективных направлений дальнейших исследований в рамках обозначенной предметной области.

Объектом исследования являются инфраструктуры городских инженерных сетей, включая теорию их оптимального распределения, а также технические решения в области проектирования инженерных сетей и распределения их инфраструктуры.

Предмет исследования - автоматизация проектирования оптимального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

Теоретические и методологические основы исследования определяются проблемной областью решаемых задач и включают в себя математические методы визуализации и связывания графов, методы системного анализа, математического моделирования и нелинейного программирования, вычислительной математики, аналитической геометрии, положения теории гидравлических сетей и экономики энергетики.

Используются труды, исследования, публикации отечественных и зарубежных авторов в области системотехники строительства, теории и практики разработки САПР, проектирования и схемно-параметрической оптимизации гидравлических сетей.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в обосновании и решении на основании математических методов задачи создания подхода к построению САПР распределения инфраструктуры инженерных сетей города.

В результате выполненного исследования автором получены следующие новые результаты:

- предложен новый подход к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- разработана открытая модель распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- разработан алгоритм многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

На защиту выносятся указанные выше результаты, составляющие научную новизну диссертации.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в создании методов, средств и разработке практических рекомендаций для построения технических решений по распределению инфраструктуры инженерных сетей города. На основе предложенной в диссертации методики разработаны рекомендации по реализации элементов САПР построения технического проекта по оптимизации инженерных сетей. Практическая значимость исследования подтверждается практическим внедрением полученных результатов.

Апробация результатов исследования. Основные теоретические и методические положения диссертации докладывались и апробированы на

Международных межвузовских научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (г.Москва, 2010, 2011 гг.), секции Научно-методического совета по информационным системам и технологиям науки и образования в области строительства (НМС ИСТ) при Международной Ассоциации строительных вузов (АСВ) и Учебно-методическом объединении (УМО) вузов Российской Федерации в области строительства (2010, 2011 гг.), Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (г.Москва, 2011г.), заседаниях и научных семинарах кафедр Системного анализа в строительстве (САС) и Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве (ИСТАС) ФГБОУ ВПО «Московской государственный строительный университет» (г.Москва, 20092011 гг.).

Внедрение результатов исследования. Экспериментальная проверка и практическое внедрение результатов работы выполнено в Обществе с ограниченной ответственностью (ООО) «Инженерная фирма «ГИПРОКОН».

Материалы диссертации опубликованы в 2010-2011 гг. в 7 научных работах, в том числе - в 5 работах в научных изданиях, входящих в действующий перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, утвержденный Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, основных выводов и предложений, библиографического

списка и приложений.

Содержание диссертации соответствует п.и. 1, 3, 8 паспорта специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования. Представлена методологическая схема исследования (рис. 1).

В первой главе диссертации производится анализ проектных решений по проектированию инженерных городских сетей, методов оптимального расположения инфраструктуры, математического и информационного обеспечения задачи распределения инфраструктуры городских сетей.

Анализ выявил, что проблема оптимального проектирования сложных пространственно-распределенных систем трубопроводного транспорта является одной из самых актуальных в отраслях строительства в настоящее время. Данная проблема подразумевает постановку, формализацию и типизацию проектных решений процедур и процессов проектирования в САПР. Немаловажным аспектом данной проблемы является разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений в САПР.

В связи с этим, принципиальным моментом является общность данного комплекса технико-экономических задач, составляющих проблему' оптимального проектирования инженерных сетей.

Наиболее типичные задачи проектирования в данной области заключаются в выборе:

1) мест размещения и параметров источников, что фактически предопределяет в рамках проектируемой системы возможные уровни снабжения;

2) конфигурации сети (трубопроводной, электрической или в виде совокупности каналов для транспортировки воды и проч.), которая связывает множество рассредоточенных потребителей с источниками;

3) физико-технических (дискретных и непрерывных) параметров всех элементов системы;

4) способов развития и реконструкции источников (при наличии уже существующей части объекта проектирования);

5) мероприятий по обеспечению и повышению структурной и технологической надежности системы.

Общая постановка задачи по проектированию автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов взамен центральных подразумевают размещение ИТП в обслуживаемых зданиях, однако допускает использование для этих целей отдельно стоящих зданий. В связи с этим, для оптимального выбора мест размещения и параметров источников подразумевается использование моделей геоинформационных сетей и математических методов, основывающихся на расчете необходимых параметров с учетом географического расположения объектов автоматизации. В силу сказанного еще одним немаловажным аспектом задачи САПР распределения инфраструктуры инженерных сетей является построение методов геометрического моделирования проектируемых объектов.

Анализ математического обеспечения распределения инфраструктуры инженерных сетей выявил наиболее подходящие методы для решения задачи оптимального расположения объектов распределения.

11АУЧ11О-ТЕХНИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА Возможность автоматизации оптимального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей на основе использования современных методов и моделей систем автоматизации проектирования._

I

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ Инфраструктура и технические решения в области проектирования городских инженерных сетей.

ЦЕЛЬРАБОТЫ

Разработка методики автоматизированного оптимального распределения инфраструктуры инженерных сетей с учетом существующих структур, объектов подосновы, расположения и нагрузки потребителей._

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ Автоматизация проектирования оптимального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

I

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

- анализ существующих методов оптимального расчета расположения инфраструюуры;

- формализация подхода к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- разработка открытой модели распределения инфраструктуры инженерных сетей с возможностью адаптации для применения в рамках развития городских сетей различных типов;

- разработка алгоритма многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- прогнозирование проблем реализации алгоритма многокритериального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- формулировка перспективных направлений дальнейших исследований в рамках обозначенной предметной области.

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Математические методы визуализации и связывания графов, методы системного анализа, математического моделирования и нелинейного программирования, вычислительной математики, аналитической геометрии, положения теории гидравлических сетей и экономики энергетики. Труды отечественных и зарубежных авторов в области системотехники строительства, теории и практики разработки САПР, проектирования и оптимизации гидравлических сетей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ Новый подход к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

Открытая модель распределения инфраструктуры городских инженерных сетей Алгоритм многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

I

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1 Выполнен анализ существующих проектных решений, математического и информационного обеспечения задачи распределения инфраструктуры городских инженерных сетей. 2. Формализован подход к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры городских инженернь.х сетей, заключающийся в расчете функции потенциала произвольной точки плана, основанного на вычислении значений критериев возможности и критериев значения. 3. Разработана открытая модель распределения инфраструктуры гооодских инженерных сетей, подразумевающая ее использование для различных наборов необходимых критериев. 4. Разработан алгоритм многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры городских инженерных сетей, основывающийся на выделении порядка рассмотрения участков плана по опорным точкам. 5. Описана практика реализации технических решений методики оптимального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей определяющая основные этапы процесса разработки инструментов распределения инфраструктуры в САПР. 6. Перспективными направлениями для дальнейшего исследования определены формализация подхода использования алгоритмов для автоматизированного построения контурных линий, ограничивающих области экстремумов критериев функции потенциала, введение новых методик оптимизации работы алгоритма, уточнение верификации результатов его работы._

I

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ Экспериментальная проверка и практическое внедрение результатов работы выполнено в Обществе с ограниченной ответственностью (ООО) «Инженерная фирма «ГИПРОКОН».

f—

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ Доклады на Международных межвузовских научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», секции НМС по информационным системам и технологиям науки и образования в области строительства при УМО и АСВ, Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», заседаниях и научных семинарах кафедр САС и ИСТАС ФГБОУ ВПО «МГСУ». Результаты диссертации опубликованы в 7 научных работах._

Рис. 1. Методологическая схема исследования

Метод обратного средневзвешенного расстояния - это способ многомерной интерполяции на нерегулярной сетке. Существует много вариаций метода, отличающихся как концептуальными, так и техническими аспектами, В частности, в ряде различных пакетов реализован локальный вариант метода, генерирующий С1-непрерывные интерполянты и обладающий умеренной трудоемкостью (0(7/7о#Л9 - время построения модели, 0(logN) - время интерполяции). Преимущество данного метода заключается в простоте реализации, работоспособности в пространстве любой размерности и работает на сетке с совпадающими узлами. Недостатками - низкая точность на некоторых конфигурациях точек, невысокая скорость работы. Метод обратного средневзвешенного расстояния часто применяется в задачах САПР при моделировании поверхности области застройки.

Модифицированный метод Шепарда вводит ряд уточнений в классический алгоритм интерполяции по обратному средневзвешенному расстоянию, учитывая только те объекты которые лежат в непосредственной близости от искомой точки. При этом для хранения точек, по которым строится интерполяция, используется дерево для быстрого доступа к объектам и быстрого определения наиболее близких к рассчитываемой точке исходных элементов. Данный метод используется в задачах САПР для более точного моделирования поверхностей и карт распределения.

Билинейная интерполяция также используется в САПР для моделирования поверхностей в тех случаях, когда точки, по которым строится интерполяция, могут быть определены в виде равномерной сетки.

Триангуляция Делоне используется для интерполяции тех значений, которые не могут быть сформированы в равномерную сеть и требуется рассчитать точное значение для точки лежащей внутри треугольника, полученного в результате триангуляции.

Задача построения триангуляции по заданному набору двумерных точек заключается в соединении данных точек в планарный граф, все внутренние области которого являются треугольниками. Триангуляция считается оптимальной, если сумма длин всех ребер минимальна среди всех возможных триангуляций, построенных на тех же исходных точках.

Поиск интерполированного значения внутри треугольника происходит в три этапа:

- находится точка пересечения прямой проведенной из одной из вершин треугольник и искомую точку и противоположным ребром треугольника;

- вычисляется значение в точке пересечения методом сплайновой или линейной интерполяции по двум значениям в вершинах ребра;

- по значению в противоположной ребру вершине и значению, рассчитанному в точке пересечения, рассчитывается значение в искомой точке.

Интерполируемые значения, получаемые с использованием триангуляции Делоне, являются более точными, чем по алгоритму обратного средневзвешенного расстояния. Поэтому триангуляция используется в задачах САПР не только для визуализации поверхностной модели, но и в качестве входных данных для соответствующих процедур при проектировании.

Многоугольником Вороного для заданной точки 6 (Р1( Рп) называется геометрическое место точек на плоскости, которые находятся ближе к точке Р-, чем к любой другой. Диаграммой Вороного называется совокупность всех многоугольников Вороного этих точек. Построение диаграммы Вороного является двойственной задачей триангуляции Делоне.

Наиболее оптимальным способом построения диаграммы Вороного является алгоритм Форчуна. В основе данного алгоритма лежит использование заметающей прямой. Перемещение заметающей линии происходит по одной из осей координат. Для всех точек, лежащих в пройденной линией области, строится парабола следующего вида:

(у — ж/)2 4- у/2 — I2

У~ 2 *(у/-1)

где х/ и у/ центр фокуса параболы (одна из заданных точек - центром многоугольника Вороного), Ь - положение заметающей прямой (для данной формулы - ее положение на оси у). Пересечения соседних парабол образуют границы многоугольников Вороного. Точка пересечения трех парабол является центром окружности, построенной через три точки образующих данные параболы. Такая точка образуется при достижении заметающей линией отметки Утах ~~ крайней точки окружности построенной по трем соседним вершинам.

Таким образом, алгоритм заключается в отработке двух типов событий -события добавления новой точки в алгоритм и созданию новой параболы и события достижения заметающей линией крайней точки построенной по трем исходным точкам окружности. После прохождения замыкающей линии по всем точкам определенным алгоритмом получается диаграмма Вороного следующего вида (рис. 2):

Рис. 2. Результат построения диаграммы Вороного по заданным точкам

В задачах САПР диаграммы Вороного используются для распределения потребителей по ближайшим источникам.

Информационное обеспечение данной системы автоматизации проектирования представляет собой совокупность систем проектной и управленческой документации, единой системы классификации и кодирования информации и массивов информации, используемых в автоматизированных системах.

Таким образом, информационное обеспечение представляет собой совокупность: данных, языковых средств описания данных, методов организации, хранения, накопления и доступа к информационным массивам, обеспечивающим выдачу всей информации, необходимой в процессе решения функциональных задач и справочной информации абонентам системы.

В качестве информационного обеспечения задачи распределения инженерных сетей можно рассмотреть наиболее подходящие для этих целей ГИС-системы и программное обеспечение по проектированию инженерных сетей.

Основные требования, предъявляемые к таким системам:

- полнота отображения состояния системы проектирования и достоверности информации;

- организация хранения информации об объектах системы в векторном представлении;

- одноразовая регистрация и одноразовый ввод информации с последующим многократным и многоцелевым использованием;

- организация эффективной и разнообразной работы с информацией методами, которые характеризуются областью применения системы (например, возможность интерактивного определения расстояния между объектами с учетом расположения объектов подосновы);

- возможность визуального представления информации об объектах распределения, потребителях, существующих участках инфраструктуры и т.д. с указанием их координат и технических параметров;

- развитие информационного обеспечения путем наращивания данных и организации новых связей и проектирования более совершенных методов и способов обработки информации;

- возможность дополнения визуальной модели с помощью новых слоев, имеющих возможность цветовой визуализации интерполированных значений критериев на всей области плана, в том числе и по множеству наборов данных;

- возможность импорта и экспорта хранимой информации в наиболее распространенные форматы поддерживаемые большинством геоинформационных систем.

Также, система должна удовлетворять следующим специфическим особенностям САПР:

- иерархическая структура систем проектирования и управления;

- наличие общей цели для всей системы и частных целей для системы любого уровня, подчиненных общей цели;

- наличие большого количества составных элементов, связанных между собой каналами связи.

Анализ существующих проектных решений, математического и информационного обеспечений выявил необходимость в разработке нового подхода к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры инженерных сетей.

Во второй главе описывается подход к синтезу проектных решений, открытая модель и математическая модель расчета критериев распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

Для формирования основного подхода к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры инженерных сетей предложено понятие потенциала точки размещения инфраструктуры. Потенциал размещения инфраструктуры отражает степень оптимальности расположения объектов распределения в произвольной точке плана.

В связи с этим, основной подход к синтезу проектных решений для данной задачи САПР заключается в определении набора наиболее характерных для данной области применения критериев и определение их взаимосвязи с функцией потенциала.

Для расчета показателя потенциала распределения инфраструктуры инженерных сетей предлагается использовать открытую модель, представленную функцией потенциала, устанавливающей зависимость координат произвольной точки плана (рассматриваемой области в системе координат) от значения критериев, определяющих показатель наиболее выгодного расположения объекта распределения для данной точки.

Синтез проектных решений распределения инфраструктуры определяется разбиением рассматриваемой области плана на участки, подразумевающие наиболее вероятные пространственные экстремумы функции потенциала.

Открытость модели подразумевает ее использование для любых необходимых критериев, характерных для данной области применения.

Для определения потенциала произвольной точки предлагается ввести разделение критериев, формирующих расчетную функцию, на критерии

возможности и критерии значения.

Критерии возможности определяют возможность использования данной точки области для распределения. В том случае если условие заданное одним из таких критериев не выполняется, данная точка не может рассматриваться в качестве потенциальной для распределения инфраструктуры.

Критерии значения определяют оптимальность использования данной точки среди других возможных точек пространства и таким образом влияют на ее потенциал. Каждый критерий значения связан с весовым коэффициентом, определяющим значимость данного коэффициента для совокупного расчета функции потенциала. При этом предполагается, что сумма весовых коэффициентов должна быть равной 1. Таким образом, функцию потенциала данной точки можно определить следующим образом:

(У a>i * k¡(x,y), min (kje¡) > о

Р'(*.У)= tí

(О, min (fc;6/) = 0

где 1- вектор критериев значений, 3-вектор критериев возможностей.

Рассмотрим применение открытой модели на примере задачи выбора мест размещения тепловых пунктов в одном из районов города. Для расчета функции потенциала введем пять основных критериев - необходимая нагрузка, удаленность потребителей друг от друга, наличие объектов подосновы в точке размещения, удаленность имеющейся инфраструктуры теплоснабжения и затраты на прокладку и обслуживание теплосети при размещении ИТП в данной точке.

Первым из критериев расположения индивидуального теплового пункта является необходимая нагрузка, которую ИТП должен обеспечить при размещении в произвольной точке плана. Нагрузка является заданным параметром.

Рассчитаем критерий для места расположения теплового пункта по нагрузке. Для этого введем параметр Я' и рассчитаем параметр О', где

№

<?',(*. У) =

I

где ЛГ - количество объектов попадающих в область ограниченную радиусом Я относительно точки х, у.

Вторым критерием может служить критерий удаленности потребителей друг от друга. Одним из преимуществ замены системы центрального теплоснабжения на сооружение индивидуальных тепловых пунктов является сокращение тепловых потерь на пути от теплового пункта до потребителя. Поэтому сокращение длины трубопровода от источника до потребителей приведет к сокращению тепловых потерь в системе.

Таким образом, для каждой точки области можно рассчитать максимальную удаленность потребителей попадающих в заданную область, ограниченную радиусом Я:

Ь'Лх.У) - тзхЬ,

Третьим критерием выбора распределения тепловых пунктов является наличие объектов подосновы на рассматриваемой области. Этот критерий необходим в том случае, если тепловой пункт будет располагаться в отдельно стоящем здании, а не в подвальных помещениях отапливаемых зданий.

Для этого для каждой точки, необходимо будет выбрать все объекты подосновы, которые лежат в данной области. Зная конфигурацию данных объектов и конфигурацию отдельно стоящего здания теплового пункта можно определить наложение предполагаемого ТП с объектом подосновы. Для определения наложения можно проверить каждую точку, описывающую отдельно стоящее здание для теплового пункта на попадание в выпуклую оболочку, описывающую конфигурацию объекта подосновы.

Таким образом, критерий попадания объекта на объект подосновы можно обозначить следующим образом:

с = i0, Pi c conv(A)

Ii, Pi Ф conv(A)

Четвертым критерием выбора распределения тепловых пунктов может являться наличие уже имеющейся инфраструктуры теплоснабжения.

Для этого вычисляется минимальное расстояние до тех элементов инженерных сетей, которые связывают потребителей, попадающих в область, ограниченную радиусом R.

Ni

Lcs = ^ fy _i_

ht = min (J(x - xtJ)2 + (x- yu)2)

где i - индекс элемента инженерной сети, обеспечивающего потребителей попадающих в радиус R, а j - номер сегмента данного элемента.

Пятым критерием могут служить затраты на прокладку трубопровода и обслуживания сети для тех объектов, которые попадают в область действия индивидуальных тепловых пунктов.

Постоянная составляющая затрат по тепловым сетям определяется в соответствии с выражением:

£ ZTci = а * ^ kTÜ(dO * ^ + Y. te/lui2 ieit ui2 ieii ui2

где а - коэффициент ежегодного возврата капитала: А^ай) - удельные капиталовложения в строительство и реконструкцию тепловых сетей (тыс. руб./м) в зависимости диаметра трубопровода на г'-ом участке ТС; i; - длина i-oro участка ТС (м); Итсг = £TC*kTci(di) * i; - условно-постоянные эксплуатационные затраты по тепловым сетям (тыс. руб./год); £тс - нормативный коэффициент ежегодных отчислений.

Затраты в электроэнергию, затрачиваемую на перекачку теплоносителя по системе в каждый период t, рассчитывается по следующей зависимости:

ZV хиниТк , л т

Z3mt = Ci*33t* 2, —->t = U

ie/3u/4 ie/3u/4 lt

где зэ1 - стоимость электрической энергии (руб./МВт.ч); Хц - расход сетевой воды на ¡-ом участке в период t (т/ч); Hit - действующий напор насосной станции на г'-ом участке в период г(м. вод. ст.); Tit - число часов работы насосной станции на ¡'-ом участке в период ¡(часов в период t); r]it - КПД насосной станции на ¡'-ом участке в период f.

Затраты на тепловые потери по системе в каждые период t определяются в соответствии с выражением:

^Z™t = 3Tnt * h,t = 1,T

le! ш

где зтп£ - стоимость тепловой энергии (руб./Гкал); <7¡t(d¡) - удельные тепловые потери на i-ом участке, соответствующие типу изоляции трубопровода и способу его прокладки (Гкал/м).

Таким образом, применение открытой модели с определенными критериями позволяет определить алгоритм оптимального распределения инфраструктуры инженерной сети.

В третьей главе описывается методы и алгоритм оптимального распределения инфраструктуры инженерной сети, а также рассматриваются вариантное использование данного алгоритма.

Распределение инфраструктуры инженерной сети в общем случае подразумевает:

- определение оптимального количества и технических параметров объектов распределения;

- поиск пространственных экстремумов функции потенциала при заданных ограничениях, которые налагает объект распределения;

- пересчет функции потенциала при последовательном распределении объектов инфраструктуры;

- проверку выбранного варианта распределения на соответствие всех ограничений, определяемых для системы;

- проверку выбранного варианта распределения на оптимальность.

Блок схема алгоритма многокритериальной оптимизации представлена на рис. 3. Входными данными алгоритма многокритериальной оптимизации распределения являются:

- размеры рассматриваемой области, определенные планом;

- радиус области рассмотрения, рассчитываемый на основании размера плана и данных о суммарной нагрузке или задаваемый пользователем;

- набор опорных точек, определяющий приоритетные области рассмотрения плана для распределения инфраструктуры, задаваемый пользователем;

- набор вариантных параметров функций расчет критериев для определения потенциала точки плана;

- информация о расположении, конфигурации и влиянии объектов подосновы на процесс распределения инфраструктуры инженерных сетей;

- информация о расположении, конфигурации и технических параметрах объектов потребления;

- информация о расположении, конфигурации и технических параметрах существующих объектов инфраструктуры инженерных сетей;

- ограничения и условия, определяемые нормами и правилами, а также характером области применения алгоритма;

- веса для каждого из критериев, определяющих функцию потенциала.

Размеры рассматриваемой области, радиус области рассмотрения, набор опорных точек, набор вариантных параметров критериев задачи

1.Расчет критериев функции потенциала для массива опорных точек.

/ /.

/ Параметр С.

/ детализаци /■■—■

и сетки /

/ веса 7

/ критериев / функции / / потенциала /

База норм и правил \

Л

7

/ База объектов | существующей у инфраструктуры ^

3,Выбор базовой опорной точки в соответствии со значением функции [■ потенциала и заданных ограничений

4.Наложение расчетной сетки на область вокруг базовой опорной точки ограниченной заданным радиусом

11.Исключение базоьсй

опорной течки из процесса определения базовой опорной точки ^

Не удовлетворяет

Удвслетворяет

'9.Проверка заданного"

расположения на овлетворение ограничения системы

Ю-Построение диаграммы Вороного { для проверки оптимальности [. данного расположения

—Не оптимально-

/ Данные о

/ распределении /

/ обеъктов /

/ /

7

Рис. 3. Блок-схема алгоритма многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры

Определение оптимального количества объектов распределения на примере распределения индивидуальных тепловых пунктов рассчитывается исходя совокупной нагрузки всех потребителей системы и множества допустимых вариантов мощности объектов распределения.

В набор заданных опорных точек добавляются точки определяющие конфигурацию плана. Для каждой опорной точки рассчитываются значения каждого из критериев, определяющих функцию потенциала (блок 1). Далее для каждого критерия по заданным точкам строится интерполяционная функция для возможной корректировки расположения опорных точек.

Далее рассчитывается функция потенциала для набора опорных точек на основании рассчитанных значений критериев (блок 2).

На основании полученных значений выбирается базовая опорная точка, от которой начинается расчет покрытия объектами распределения потребителей. Выбор осуществляется по максимальному значению функции потенциала с учетом соответствующих ограничений (блок 3).

Вокруг выбранной опорной точки определяется область с заданным во входных данных радиусом. Далее накладывается сетка с фиксированным значением шага, который зависит от радиуса области или от введенного пользователем алгоритма значения (блок 4). Для каждого узла сетки рассчитывается функция потенциала (блок 5) и производится автоматическое уточнение положения объекта распределения (блок 6).

Затем, базовая опорная точка и набор связанных с метом распределения потребителей исключаются из дальнейшего расчета (блок 7) и выбирается следующая опорная точка (блок 8). После чего производится расчет для следующей области (возвращаясь к блок}' 3).

В случае если для последующих расчетов система перестает удовлетворять заданным ограничениям (блок 9), вариант отбрасывается и меняется порядок рассмотрения областей (блок 11). Это происходит путем повышения веса для следующей по значению функции потенциала опорной точки.

Проверка оптимальности выбранной конфигурации может быть проведена путем построения диаграммы Вороного по рассчитанным точкам с проверкой попадания потребителей в области соответствующих объектов распределения (блок 10). В случае если заданная конфигурация не удовлетворяет требованиям оптимальности (блок 11), может быть выполнен перерасчет расположения точек распределения путем изменения порядка рассмотрения областей расположения.

Вариантное использование данного алгоритма подразумевает возможность определения пользователем алгоритма многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры инженерных сетей набора опорных точек, которые будут задавать начальную область и порядок работы алгоритма.

Определение опорных точек может быть выполнено на основании карты, построенной по ключевым критериям функции потенциала. Опорные точки определяют центр рассматриваемой области и на основании их расположения производится определение наиболее подходящего места распределения инфраструктуры и последующий пересчет функции потенциала для других областей.

Для определения точности работы, вариантное использование алгоритма подразумевает возможность корректировки радиуса области рассмотрения.

В случае использования в качестве одного из критериев функции потенциала расчетной длины от объекта распределения до потребителей с учетом объектов подосновы, появляется возможность регулировки точности расчета путем увеличения детализации накладываемой сетки.

Четвертая глава диссертации посвящена практике использования методики распределения инфраструктуры инженерных сетей, в главе приводятся практические рекомендации и описываются возможные сложности по реализации технических решений данной методики.

Настоящее решение представляет собой интерактивную САПР, направленную на повышение эффективности процесса проектирования распределения инфраструктуры инженерной сети.

Процесс реализации технического решения по распределению инфраструктуры инженерных сетей состоит из следующих этапов:

- планирования, который подразумевает анализ требований к решению, формирование концептуального, логического и физического дизайна системы, формирование спецификаций на все элементы системы;

- прототипирования, на котором, в рамках реализации прототипов элементов системы, вводятся дополнения и уточнения в концептуальный, логический и физический дизайн системы;

- разработки, включающий процесс написания кода решения, его документирования и создания инфраструктуры решения;

- стабилизации, подразумевающий тестирование решения, проверку соответствия функционала системы заданным требованиям и критериям оптимальности, а также проведение пилотной эксплуатации;

- развертывания, определяющий процесс внедрения системы пользователям, а также сбор информации для определения направления последующего развития системы.

Задачами этапа планирования являются:

- разработка дизайна и архитектуры решения - определение пользовательских требований, требований к технологиям, а также порядка использования этой информации для проектирования предлагаемой модели приложения;

- создание функциональной спецификации - спецификации, в которой описываются требования, которой должно удовлетворять будущее решение;

- разработка планов проекта - определение и планирование задач, которые будет выполнять проектная команда, и их объединение в генеральный план проекта;

- разработка генерального графика проекта - создание генерального календарного графика проекта, состоящего из, выраженных в виде контрольных точек календарных графиков для каждой из ролей в проектной команде;

- создание среды разработки, тестирования и пилотной эксплуатации -создание отдельной среды, в рамках которой будет разрабатываться и тестироваться решение.

Задачами этапа прототипирования являются:

- разработка прототипов наиболее ключевых для проекта участков решения - разработка частичного функционала системы с целью определения интерфейсов взаимосвязи ключевых объектов системы;

- разработка дополнений и уточнений к планам и графикам проекта -определение несоответствий и упущений в результатах этапа планирования выявленных при прототипировании ключевых участков решения.

Задачами этапа разработки являются:

- разработка компонентов решения - реализация всех элементов системы;

- документирование реализованных компонентов решения;

- создание последовательных регулярных сборок решения на основе систем непрерывной интеграции;

- разработка спецификаций тестирования для этапа стабилизации.

Задачами этапа стабилизации являются:

- тестирование решения, подразумевающее тестирование компонентов, баз данных, инфраструктуры, защиты, интеграции, ресурсоемкое™ и оптимальности решения;

- проведение пилотной эксплуатации с привлечением будущих пользователей и использованием реальных данных.

Задачами этапа развертывания являются:

- создание формальной документации по развертыванию и административным процедурам, содержащей планы по внедрению проекта и перевода решения в режим эксплуатации и дальнейшего сопровождения;

- развертывание и стабилизация решения;

- проведение послепроектного анализа с целью определения дальнейших направлений развития решения.

Практические рекомендации при реализации технических решений данного подхода обуславливаются областью применения данной методики. Это обусловлено математическим обеспечением расчета критериев возможностей и значений для функции потенциала распределения инфраструктуры.

Так, одной из особенностей реализации алгоритма построения триангуляции Делано является наличие серьезных погрешностей при работе с большими порядками координат и конфигурацией точек, подразумевающих определение сильно вытянутых треугольников.

Триангуляция Делано не может быть использована, если все имеющиеся точки расположены на одной линии. В этом случае необходимо использовать метод обратного средневзвешенного расстояния.

Для реализации модифицированного метода Шепарда необходимо организовать такую структуру хранения объектов, чтобы не было необходимости перебирать все исходные точки для поиска каждого нового интерполированного значения. Одной из распространенных практик оптимизации расчета ближайших

к данной точке объектов является метод организации структуры хранения объектов с помощью дерева с двоичным разбиением пространства. Это дерево позволяет быстро отсортировать объекты в порядке удаления от наблюдателя.

Построение диаграммы Вороного требует определения геометрических примитивов, участвующих в расчете, в рамках объектно-ориентированного подхода. Геометрическое расположение данных объектов относительно друг друга определяет возможность быстрого перерасчета «линии прибоя» и нахождения новых событий, определяющих поведение алгоритма в дальнейшем.

В связи с тем, что объем вычислений при определении функции потенциала для ключевых точек плана может оказаться достаточно высок, рекомендуется использование технологии переноса вычислений в САПР на графический процессор. Распараллеливание вычислений для данной задачи может значительно сократить время отклика системы на действия пользователя и уменьшить время расчета на ключевых блоках алгоритма многокритериальной оптимизации распределения.

Ввиду того, что алгоритм обуславливает выполнение одних и тех же наборов инструкций для большого количества однотипных объектов, рекомендуется реализация конвейера для обеспечения производительности на многоядерных многопроцессорных системах. В этом случае все блоки алгоритма, определенные в своем контексте выполнения, будут работать над разными блоками внешней информации одновременно (рис. 4).

| Процедура А Поток 1

- - ■ -/ ^ / Блок / / Залирг / данных 1 / ^ч^Cewl< ющий \ фор" у

.......... ..........

/ //' Запио / / -^"Сем 1..... а ющий \ афор" }

Процедура N и Поток N

Блок ^ данных N у

Рис. 4. Схема организации конвейера в процессе расчета однотипных данных

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Анализ существующих проектных решений, математического и информационного обеспечения задачи распределения инфраструктуры городских инженерных сетей определил необходимость использования геоинформационных систем и методов вычислительной геометрии для решения данной задачи, а также выявил необходимость к формализации нового подхода к синтезу проектных решений распределения.

2. Формализован подход к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры городских инженерных сетей, заключающийся в расчете функции потенциала произвольной точки плана, основанного на вычислении значений критериев возможности и критериев значения.

Данные критерии обуславливают возможность и оптимальность использования произвольной точки плана в качестве места расположения объектов распределения.

3. Разработана открытая модель распределения инфраструктуры городских инженерных сетей, подразумевающая ее использование дтя различных необходимых критериев, характерных для любой подходящей области применения с помощью введения весовых коэффициентов для каждого критерия модели.

Модель определена на примере задачи распределения индивидуальных тепловых пунктов взамен системы городского централизованного теплоснабжения.

4. Разработан алгоритм многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры городских инженерных сетей, основывающийся на выделении порядка рассмотрения участков плана по опорным точкам, определяемым исходя из распределения значений критериев функции потенциала на всей рассматриваемой области плана.

Вариативное использование алгоритма дает возможность регулировать точность и эффективность его функционирования.

5. Описана практика реализации технических решений методики оптимального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей, определяющая основные этапы процесса разработки инструментов распределения инфраструктуры в виде системы автоматизированного проектирования (САПР), а также устанавливающая рекомендации реализации ключевых элементов системы, обусловленных областью применения подхода.

Даны рекомендации по оптимальной реализации алгоритма, позволяющие сократить время расчета в основных блоках алгоритма до минимального, определенного используемой при автоматизации проектирования технической вычислительной инфраструктурой.

6. В качестве перспективных направлений для дальнейшего исследования в рамках обозначенной предметной области выделены следующие:

- формализация подхода использования алгоритмов для автоматизированного построения контурных линий, ограничивающих области экстремумов критериев функции потенциала;

- построение новых методик оптимизации работы алгоритма;

- уточнение верификации результатов работы алгоритма.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1. Михайличенко, A.B. Моделирование инженерных сетей в САПР [Текст] // Сб. науч. тр. «Системный анализ, управление и обработка информации в строительстве». - Вып. №2. - М.: МГСУ, 2010. - 0,5 п.л.

2. Михайличенко, A.B. Алгоритм интерактивного обозначения площадей в геоинформационных системах [Текст] // Сб. науч. тр. Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». - М.: Издательство АСВ, 2011. - Т.1. - 0,5 п.л. (в соавторстве, авторский вклад - 0,25 п.л.).

3. * Михайличенко, A.B. Перспективное энергоэкологическое моделирование в ГИС-технологиях при автоматизированном проектировании на геоэкологических принципах [текст] // Геориск. - 2011. - №3. - 0,5 п.л. (в соавторстве, авторский вклад - 0,25 п.л.).

4. * Михайличенко, A.B. Механизм интерактивного обозначения площадей в геоинформационных системах [Текст] // Вестник МГСУ. - 2011. - К«6. - 0,5 пл. (в соавторстве, авторский вклад - 0,25 п.л.).

5. * Михайличенко, A.B. Методы теории вероятностей при сценарном моделировании режимов эксплуатации зданий и комплексов в САПР [Текст] // Вестник МГСУ. - 2011. - №6. - 0,5 п.л. (в соавторстве, авторский вклад - 0,25 п.л.).

6. * Михайличенко, A.B. Повышение энергоэффективности инженерных систем жилищно-коммунального комплекса [Текст] // Вестник МГСУ. - 2011. -№6. - 0,5 п.л. (в соавторстве, авторский вклад - 0,25 п.л.).

7. * Михайличенко, A.B. Методы автоматизации схемно-структурной оптимизации гидравлических сетей [Текст] // Вестник МГСУ. - 2011. - №6. - 0,25 п.л.

* - работы, опубликованные в научных изданиях, входящих в действующий перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Лицензия ЛР №020675 от 09.12.1997 г.

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»_

Подписано в печать: 14.11.2011. Формат: 60x84 1/16 Печать: XEROX

Объем: 1,0 пл._Тираж: 100_Заказ №: б/н

НОЦ ИСИАС, 129337, г. Москва, Ярославское ш., 26, ФГБОУ ВПО «МГСУ»

Введение.

1. Анализ существующих подходов и проектных решений распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

1.1. Анализ существующих проектных решений распределения инфраструктуры инженерных сетей.

1.2. Анализ математического обеспечения задачи распределения инфраструктуры инженерных сетей.

1.3. Анализ информационного обеспечения задачи распределения инфраструктуры инженерных сетей.

1.4. Выводы по главе 1.

2. Проектирование распределения инфраструктуры инженерных сетей

2.1. Синтез проектных решений распределения инфраструктуры инженерных сетей.

2.2. Моделирование распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

2.3. Формирование критериев оптимального распределения инфраструктуры инженерных сетей.

2.4. Выводы по главе 2.

3. Автоматизация оптимального распределения инфраструктуры инженерных сетей.

3.1. Распределение инфраструктуры инженерных сетей.

3.2. Многокритериальная оптимизация распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

3.3. Вариантное использование алгоритма многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Практика распределения инфраструктуры инженерных сетей.

Актуальность темы исследования. В настоящее время эффективность создания новой и использования существующей инфраструктуры городского коммунального хозяйства является одним из основных направлений деятельности городских служб. Все более значимым становится влияние факторов, стимулирующих реальную экономию энергии, топлива и способствующих повышению эффективности инженерных сетей, росту заинтересованности в энергосбережении и принятию оптимальных решений по развитию систем.

На сооружение, развитие и реконструкцию систем тепло-, водо-, газоснабжения ежегодно расходуются значительные денежные средства. Эти системы стали крупнейшими потребителями металла и энергосилового оборудования. Сказанное делает очевидным первостепенное значение количественного обоснования принимаемых решений и автоматизации самих процессов, связанных с оптимальным проектированием и распределением инфраструктуры городских инженерных сетей, что требует соответствующего математического, программного, информационного и организационного обеспечения.

Например, одним из вариантов решения задачи реструктуризации и оптимизации существующих систем теплоснабжения, является замена центральных тепловых пунктов (ЦТП) на индивидуальные тепловые пункты (ИТП) - небольшие тепловые пункты, обслуживающие часть, одно или несколько зданий в зависимости от нагрузки [1].

Таким образом, можно было бы сократить тепловые потери на перенос тепловой энергии от источника потребителям. В связи с этим особенно актуальным становится проблема оптимального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей с учетом расположения объектов подосновы, расположения и нагрузки потребителей, стоимости реструктуризации существующих элементов сетей и возможности использования существующей инфраструктуры.

При размещении объектов распределения помимо экономической эффективности необходимо учитывать их социальные, экологические воздействия, влияние на здоровье и безопасность людей. Неэкономические критерии в задаче размещения инфраструктуры инженерных сетей могут иметь решающее значение. Требуется многокритериальное решение задачи с позиций общественной эффективности.

При этом возникают предпосылки по созданию новой научной базы и разработке новых подходов по реструктуризации и модернизации систем водо- и теплоснабжения для внедрения в очерченную область новых инновационных и энергоэффективных технологий [2].

Рассматриваемые в этой связи в диссертации модели и методы создания элементов систем автоматизации проектирования (САПР) для решения обозначенных проблем используют и развивают отдельные вопросы следующих современных научных направлений фундаментальных и прикладных наук в контексте заявленной инженерной практики:

- теория графов;

- теория гидравлических цепей;

- теория математического моделирования;

- численные методы;

- теория матриц;

- элементов вычислительной геометрии.

Цель диссертации состоит в разработке методики автоматизированного оптимального распределения инфраструктуры инженерных сетей с учетом существующих структур, объектов подосновы, расположения и нагрузки потребителей, стоимости реструктуризации существующих элементов сетей.

Реализация поставленной цели подразумевает решение следующих основных задач:

- анализ существующих методов оптимального расчета расположения инфраструктуры;

- формализация подхода к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- разработка открытой модели распределения инфраструктуры инженерных сетей с возможностью адаптации для применения в рамках развития городских сетей различных типов;

- разработка алгоритма многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- прогнозирование проблем реализации алгоритма многокритериального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- формулировка перспективных направлений дальнейших исследований в рамках обозначенной предметной области.

Объектом исследования являются инфраструктуры городских инженерных сетей, включая теорию их оптимального распределения, а также технические решения в области проектирования инженерных сетей и с распределения их инфраструктуры.

Предмет исследования - автоматизация проектирования оптимального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

Теоретические и методологические основы исследования определяются проблемной областью решаемых задач и включают в себя математические методы визуализации и связывания графов, методы системного анализа, математического моделирования и нелинейного программирования, вычислительной математики, аналитической геометрии, положения теории гидравлических сетей и экономики энергетики.

Используются труды, исследования, публикации отечественных и зарубежных авторов в области системотехники строительства, теории и практики разработки САПР, проектирования и схемно-параметрической оптимизации гидравлических сетей.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в обосновании и решении на основании математических методов задачи создания подхода к построению САПР распределения инфраструктуры инженерных сетей города.

В результате выполненного исследования автором получены следующие новые результаты:

- предложен новый подход к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- разработана открытая модель распределения инфраструктуры городских инженерных сетей;

- разработан алгоритм многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры городских инженерных сетей.

На защиту выносятся указанные выше результаты, составляющие научную новизну диссертации.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в создании методов, средств и разработке практических рекомендаций для построения технических решений по распределению инфраструктуры инженерных сетей города. На основе предложенной в диссертации методики, разработаны рекомендации по реализации элементов САПР построения технического проекта по оптимизации инженерных сетей. Практическая значимость исследования подтверждается практическим внедрением полученных результатов.

Апробация результатов исследования. Основные теоретические и методические положения диссертации докладывались и апробированы на Международных межвузовских научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (г.Москва, 2010, 2011 гг.), секции Научно-методического совета по информационным системам и технологиям науки и образования в области строительства (НМС ИСТ) при Международной Ассоциации строительных вузов (АСВ) и Учебно-методическом объединении (УМО) вузов Российской Федерации в области строительства (2010, 2011 гг.), Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (г. Москва, 2011г.), заседаниях и научных семинарах кафедр Системного анализа в строительстве (САС) и Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве (ИСТАС) ФГБОУ ВПО «Московской государственный строительный университет» (г. Москва, 2009-2011 гг.).

Внедрение результатов исследования. Экспериментальная проверка и практическое внедрение результатов работы выполнено в Обществе с ограниченной ответственностью (ООО) «Инженерная фирма «ГИПРОКОН».

Материалы диссертации опубликованы в 2010-2011 гг. в 7 научных работах, в том числе - в 5 работах в научных изданиях, входящих в действующий перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, утвержденный Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, основных выводов и предложений, библиографического списка и приложений. Содержание диссертации соответствует п.п. 1, 3, 8 паспорта специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство).

Основные выводы и предложения

1. Анализ существующих проектных решений, математического и информационного обеспечения задачи распределения инфраструктуры городских инженерных сетей определил необходимость использования геоинформационных систем и методов вычислительной геометрии для решения данной задачи, а также выявил необходимость к формализации нового подхода к синтезу проектных решений распределения.

2. Формализован подход к синтезу проектных решений распределения инфраструктуры городских инженерных сетей, заключающийся в расчете функции потенциала произвольной точки плана, основанного на вычислении значений критериев возможности и критериев значения.

Данные критерии обуславливают возможность и оптимальность использования произвольной точки плана в качестве места расположения объектов распределения.

3. Разработана открытая модель распределения инфраструктуры городских инженерных сетей, подразумевающая ее использование для различных необходимых критериев, характерных для любой подходящей области применения с помощью введения весовых коэффициентов для каждого критерия модели.

Модель определена на примере задачи распределения индивидуальных тепловых пунктов взамен системы городского централизованного теплоснабжения.

4. Разработан алгоритм многокритериальной оптимизации распределения инфраструктуры городских инженерных сетей, основывающийся на выделении порядка рассмотрения участков плана по опорным точкам, определяемым исходя из распределения значений критериев функции потенциала на всей рассматриваемой области плана.

Вариативное использование алгоритма дает возможность регулировать точность и эффективность его функционирования.

5. Описана практика реализации технических решений методики оптимального распределения инфраструктуры городских инженерных сетей, определяющая основные этапы процесса разработки инструментов распределения инфраструктуры в виде системы автоматизированного проектирования (САПР), а также устанавливающая рекомендации реализации ключевых элементов системы, обусловленных областью применения подхода.

Даны рекомендации по оптимальной реализации алгоритма, позволяющие сократить время расчета в основных блоках алгоритма до минимального, определенного используемой при автоматизации проектирования технической вычислительной инфраструктурой.

6. В качестве перспективных направлений для дальнейшего исследования в рамках обозначенной предметной области выделены следующие:

- формализация подхода использования алгоритмов для автоматизированного построения контурных линий, ограничивающих области экстремумов критериев функции потенциала;

- построение новых методик оптимизации работы алгоритма; уточнение верификации результатов работы алгоритма.

1. Ливчак, В. И., Табунщиков, Ю. А. и Шилкин, Н. В.

2. Автоматизированные тепловые пункты в зданиях взамен центральных тепловых зданий. Москва : АВОК-ПРЕСС, 2009.

3. Михайличенко, А. В. Повышение энергоэффективности инженерных систем жилищно-коммунального комплекса. Москва : МГСУ, 2011.

4. Chen, W. F. The Civil Engineering Handbook. Boca Raton, New York, London, tokyo : CRC Press, 1995.

5. Николаевская, И. А., Горлопанова, Л. А. и Морозова, Н. Ю.

6. Инженерные сети и оборудование территорий, зданий и стройплощадок. Москва: Академия, 2005.

7. Меренков, А. П. и Хасилев, В. Я. Теория гидравлических цепей. Москва : Наука, 1985.

8. Григорьев, Э. П., и др., и др. Архитектурно-строительное проектирование. Методология и автоматизация. Москва : Стройиздат, 1986.

9. Ильин В.Н., Фролкин В.Т.,Бутко А.И. Автоматизация системотехнического проектирования: Учеб. пособие. Москва: Радио и связь, 1987.

10. Бриллюэн, Л. Наука и теория информации. Москва : Наука, 1960.

11. Гусаков, А. А., и др., и др. Выбор проектных решений в строительстве. Москва: Стройиздат, 1982.

12. Михайличенко, А. В. Методы теории вероятностей при сценарном моделировании режимов эксплуатации зданий и комплексов в САПР. Москва: МГСУ, 2011.

13. Черноруцкий, И. Г. Методы принятия решений. СПб : БХВ-Петербург, 2005.

14. Айзерман, М. А. Выбор варинтов: основы теории. М.: Наука, 1990.

15. Орловский, С. А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. Москва : Наука, 1981.

16. Гафт М.Г., Подиновский В.В. О построении решающих правил в задачах принятия решений, б.м.: Автоматика и телемеханика, 1981.

17. Ван, Гиг Дж. Прикладная общая теория систем. Москва : Мир, 1981.

18. Семечкин, А. Е. Системный анализ и системотехника. М.: SvS-Apryc, 2005.

19. Подиновский, В. В. Парето-оптималъные решения многокритериальных задач. Москва : Наука, 1982.

20. Михалевич, В. С. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. Москва : Наука, 1982.

21. Волков, А А. Методология проектирования функциональных систем управления зданиями и сооружениями. Москва : МГСУ, 2003.

22. ЗАО «НЕЙРОСПЛАВ». CIT forum. В Интернете. 2004 г. http://citforum.ru/consulting/BI/resolution/.

23. Катулев, А. Н. Математические методы в системах поддержки принятия решений. М.: Высшая школа, 2005.

24. Вязгин, В. А. Математические методы автоматизированного проектирования. Москва : Высшая школа, 1989.

25. Фаддеев, Д. К. и Фаддеева, В. Н. Вычислительные методы линейной алгебры, б.м. : Лань, 2002.

26. Уайлд, Д. Д. Методы посика экстремума. Москва : Наука, 1967.

27. Моисеев, Н. Н. Математические задачи системного анализа. Москва : Наука, 1981.26. —. Современное состояние теории исследования операций. Москва: Наука, 1979.

28. Press, William Н., и др., и др. Numerical Recipes in С. New York: Press Syndicate of the University of Cambridge, 1992. ISBN 0-521-43108-5.

29. Dahlquist, G. и Bjorck, A. Numerical Methods. New Jersy: Prentice Hall, 1974.

30. Goodwin, E. T. Modern Computating Methods. New York: Philosophical Library, 1961.

31. Knuth, D. E. Tha Art of Computer Programming, б.м. : Addison-Wesley, 1998.

32. Jhonson, L. W. и Riess, R. D. Numerical Analysis, б.м.: Addison-Wesley, 1982.

33. Abramowitz, M. и Stegun, I. A. Handbook of Mathematical Functions. New York : Dover Publications, 1964.

34. Gill, P. E., Murray, W. и Wright, M. H. Numerical Linear Algebra and Optimization. Redwood City : Addison-Wesley, 1991.

35. Скворцов, А. В. Триангуляция Делоне и ее применение. Томск: Издательство Томского университета, 2002.

36. Фукс, A. JI. Предварительная обработка набора точек при построении триангуляции Делоне. Томск : Изд-во Том. ун-та., 1998.

37. De Floriani, L. A. A pyramidal data structure for triangle based surface description, б.м.: IEEE Computer Graphics and Applications, 1989.

38. Михайличенко, А. В. Моделирование инженерных сетей в САПР. Москва: МГСУ, 2010.

39. Сиротюк, В.О. Теоретические основы проектирования оптимальных структур распределенных баз данных. Москва : СИНТЕГ, 1999.

40. Липаев, В.В. Системное проектирование сложных программных средств для информационных систем. Москва : СИНТЕГ, 1999.

41. Любарский, Ю.А. Интеллектуальные информационные системы. Москва: Наука, 1990.

42. Гинзбург, В. М. Проектирование информационных систем в строительстве. Москва : Издательство АСВ, 2002.

43. Белоногов Г.Г., Кузнецов Б.А. Языковые средства автоматизированных информационных систем. Москва : Наука, 1983.

44. Михайличенко, А. В. Перспективное энергоэкологическое моделирование в ГИС-технологиях при автрматизированном проектировании на геоэкологических принципах, б.м. : Геориск., 2011.

45. Логинов, К. В. Модели и алгоритмы режимов работы сложных гидравлических сетей. Диссертация на соискание степени кандидата физико-технических наук. Омск : б.н., 2004 г.

46. Абрамов, Н. Н. Водоснабжение. Москва : Стройиздат, 1974.

47. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Москва: Машиностроение, 1992.

48. Апарцев, М. М. Наладка водяных систем централизованного теплоснабжения. Москва : Энергоатомиздат, 1983.

49. Беляйкина, И. В., Витальев, В. П. и Громов, Н. К. и др. Водяные тепловые сети. Справочник по проектированию. Москва : Энергоатомиздат, 1988.

50. Николаев, А. А. Проектирование тепловых сетей. Справочник проектироващика. Москва: Издательство литературы по строительству, 1965.

51. Тихомиров, А. К. Теплоснабжение района города. Хабаровск: Тихоокеанский государственный университет, 2006.

52. Ильина, Т. Н. Основы гидравлического расчета инженерных сетей. Москва : Издательство ассоциации строительных вузов, 2007.

53. Абрамов, Н. Н. Графические методы расчета водопроводных систем. Москва: Наркомхоз, 1946.

54. Альтштуль, А. Д. Гидравлические сопротивления. Москва : Недра, 1970.

55. Михайличенко, А. В. Методы автоматизации схемно-структурной оптимизации гидравлических сетей. Москва : МГСУ, 2011.

56. Кононович, Ю. В. Обеспечение теплового режима зданий массовой застройки в холодный период года. Москва : б.н., 1991.

57. Дмитриев, В. В. Основные вопросы теплофикации городов. М. : Госнаучтехиздат, 1983.

58. Чистович, С. А., Аверьянов, В. К. и Темпель, Ю. Я.

59. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления. Л.: Стройиздат, 1987.

60. Витальев, В. П., Николаев, В. Б. и Сельдин, Н. Н. Эксплуатация тепловых пунктов и систем теплопотребления. М.: Стройиздат, 1988.

61. Евдокимов, А. Г. Оптимальные задачи на инженерных сетях. Харьков : Вища школа, 1976.

62. Евдокимов, А. Г., Дубровский, В. В. и Тевяшев, А. Д.

63. Потокораспределение в инженерных сетях. Москва : Стройиздат, 1979.

64. Зингер, Н. М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем. Москва : Энергия, 1976.

65. Каганович, Б. М. Дискретная оптимизация тепловых сетей. Новосибирск: Наука, 1978.

66. Меерович, Э. А. Геометрическая теория электрических цепей . б.м. : Электричество, 1947.

67. Сумароков, С. В. Математическое моделирование систем водоснабжения. Новосибирск : Наука, 1983.

68. Сухарев, М. Г. и Ставровский, Е. Р. Оптимизация систем транспорта газа. Москва : Недра, 1975.

69. Сидлер, В. Г. Разработка и применение методов идентификации параметров гидравлических сетей. Томск : ТПИ им. С.М.Кирова, 1977.

70. Попов, Ю. И. Определение расположения точек разветвления в сети трубопроводов. 1974.

71. Меренкова, Н. Н., Сеннова, Е. В. и Стенников, В. А. Схемно-структурная оптимизация систем централизованного теплоснабжения. 1982.

72. Богословский В.Н., Щеглов В.П., Разумов H.H. Отопление и вентиляция. Москва : Стройиздат, 1980.

73. Кокс Д.Р., Смит У.Л. Теория очередей. Москва : Мир, 1968.

74. Шакиров, В. А. Многокритериальный анализ размещения энергетических объектов. Братск : Братский Государственный Университет, 2007.

75. Мелентьев, Л. А. Системные исследования в энергетике. Москва: Наука, 1983.

76. Сумароков, С. В. Метод решения многоэкстремальной сетевой задачи. б.м.: Экономика и математические методы, 1976.

77. Абовский, Н.П. Творчество: системный подход, законы развития, принятие решений. Москва : СИНТЕГ, 1998.

78. Адамов, В.Е. Факторный индексный анализ (методология и проблемы). Москва: Статистика, 1977.

79. Саати, Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. Москва : Радио и связь, 1993.

80. Кочин, Д. Ю. Метод классификации заданного множества многокритериальных альтернатив. Москва : Эдиторал УРСС, 2001.

81. Ларичев, О. И. Качественные методы принятия решений. Москва: Физматлит, 1996.

82. Дубов, Ю. А. Многокритериальные модели формирования и выбора вариантов системы. Москва : Наука, 1986.

83. Дегтярев, Ю. И. Системный анализ и исследование операций. Москва : Высшая школа, 1996.

84. Куропаткин, П.В. Оптимальные и адаптивные системы. Москва: Высшая школа, 1980.

85. Балакшин, О.Б. Синтез систем. Москва : Инмаш РАН, 1995.

86. Гафт, М.Г. Принятие решений при многих критериях. Москва : Знание, 1979.

87. Гвишиани, Д.М. Многокритериальные задачи принятия решения. Москва: Машиностроение, 1978.

88. Кеттель, Дж. Увеличение надежности при минимальных затратах. Москва: Стройиздат, 1968.

89. Гусаков A.A., Ильин Н.И., Куликов Ю.А. Моделирование и применение вычислительной техники в строительном производстве: Справ, пособие. Москва: Стройиздат, 1979.

90. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. Москва: Высшая школа, 1985.

91. Бусленко, Н.П. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. Москва : Наука, 1977.97. —. Моделирование сложных систем. Москва : Наука, 1978.

92. Шубин, Е. П. Размещение пиковых источников тепла в городских системах централизованного теплоснабжения, б.м.: Министерство коммунального хозяйства, 1962.

93. Шифринсон, Б. Л. Основной расчет тепловых сетей. Москва: Госэнергоиздат, 1940.

94. Чупин, В. Р. Методы схемно-структурной оптимизации систем многопрофильных каналов. Иркутск : СЭИ СО АН СССР, 1981.

95. Храменков, С. В., Примин, О. Г. и Орлов, В. А. Реконструкция трубопроводных систем. Москва: Издательство ассоциации строительных вузов, 2008.

96. Громов, Н. К. Городские теплофикационные системы. Москва: Энергия, 1974.

97. Соколов, С. Я. Теплофикация и тепловые сети. Москва : МЭИ, 2001.

98. Манюк, В. И., Каплинский, Я. И. и Хиж, Э. Б. и др. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Москва : Стройиздат, 1988.

99. Ермольев, Ю. М. и Мельник, И. М. Экстремальные задачи на графах. Киев : Наук, думка, 1968.

100. Ope, О. Теория графов. Москва : Наука, 1968.

101. Кристофидес, Н. Теория графов. Алгоритмический подход. Москва : Мир, 1978.

102. Стенников, Николай Валерьевич. Методы комплексной реконструкции теплоснабжающих систем при совместной работе источников на единые тепловые сети. Иркутск : ИСЭМ СО РАН, 2009.

103. Занфиров, А. М. Техникоэкономический расчет водяных и тепловых сетей, б.м. : Тепло и сила, 1933.

104. Кирсанов, М. В. Экономический расчет водопроводных сетей. Москва : Минкомхоз РСФСР, 1949.

105. Блохин, Ю.И. Классификация и кодирование технико-экономической информации. Москва : Экономика, 1976.

106. СНиП 41-02-2003. Тепловые сети. Москва : б.н., 2003 г.

107. Chadwick, Andrew, Morfett, Jhon и Borthwick, Martin. Hydraulics in Civil and Environmental Engineering. Fourth edition. London and New York : Spon Press, 2004.

108. Поляк, Б. Т. Введение в оптимизацию. Москва : Наука, 1983.

109. Березовский, Б. А., и др., и др. Многокритериальная оптимизация: Математические аспекты. Москва : Наука, 1989.

110. Гуменникова, А. В. Адаптивные поисковые алгоритмы для решения сложных задач многокритериальной оптимизации. Красноярск : б.н., 2006.

111. Андерсон, Р. Доказательство правильности программ. Москва: Мир, 1982.

112. Морозов, А. Д. и Драгунов, Т. Н. Визуализация и анализ инвариантных множеств. Москва. Ижевск. : Институт компьютерных исследований, 2003.

113. Крумм, JI. А. Методы оптимизации при управлении электроэнергетическими системами. Новосибирск : Наука, 1981.

114. Майерс, Г. Надежность программного обеспечения. Москва : Мир, 1980.121. —. Искусство тестирования программ. Москва: Финансы и Статистика, 1982.

115. Дал О., Дейкстра Э., Хоор К. Структурное программирование. Москва : Мир, 1975.

116. Вирт, Н. Алгоритмы и структуры данных. Москва : Мир, 1989.124.—. Систематическое программирование. Введение. Москва : Мир, 1977.

117. Асташкин, В. В., и др., и др. Сравнительная оценка некоторых алгоритмов автоматизированного составления математических моделей гидравлических цепей химико-технологических систем, б.м. : АиТ, 1976.

118. Лазебник, А. И. и Цаллагова, О. Н. Оптимизация развития электрической сети на основе метода ветвей и границ, б.м. : Энергетика и транспорт, 1979.

119. Ласло, М. Вычислительная геометрия и компьютерная графика на С++. Москва : Бином, 1997.

120. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. Москва : Мир, 1979.

121. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. Москва : Наука, 1966.

122. Tsuchiyama, R., и др., и др. The OpenCL Programming, б.м. : Fixstars Corporation, 2010.

123. Munshi, А., и др., и др. OpenCL Programming Guide, б.м. : Addison-Wesley, 2011.

124. OpenCL.ru. OpenCL. В Интернете. 2011 г. http://opencl.ru/design.

125. Свами, M. и Тхуласираман, К. Графы, сети и алгоритмы. Москва : Мир, 1984 г.