автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Выбор оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки

На правах рукописи

ХОЛОДОВ Петр Николаевич

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РЕШЕНИЯ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА ОСНОВЕ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ

Специальность 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 МАР 2012

Иркутск-2012

005012838

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ИрГУПС).

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент, Подвербный Вячеслав Анатольевич.

Официальные оппоненты:

Анисимов Владимир Александрович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», профессор кафедры «Изыскания и проектирование железных дорог»,

Кирпичников Константин Александрович, кандидат технических наук, доцент, «Забайкальский институт железнодорожного транспорта» - филиал ФГБОУ ВПО ИрГУПС в г. Чите, доцент кафедры «Строительство железных дорог».

Ведущая организация:

Закрытое акционерное общество «Восточно-Сибирских транспортных проектировщиков» (ЗАО «Востсиб-транспроект»), г. Иркутск.

Защита состоится 11 апреля 2012 года в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета ДМ 218.003.06 при ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева, д. 47, ауд. 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан 11 марта 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

Кулинич Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность исследования

Спецификой отрасли железнодорожного строительства является многовариантность проектных решений, которые отличаются между собой политическими, экономическими, техническими, экологическими и социальными факторами. Выбор варианта проектного решения из множества исходных альтернатив подразумевает отказ от прочих вариантов в пользу одного оптимального (наилучшего) решения. Данные, которыми руководствуется лицо, принимающее решение (ЛПР), представляют собой оценки сравниваемых вариантов проектных решений по различным критериям. Одним из важных критериев является показатель чистого дисконтированного дохода. Большое значение также имеют другие частные критерии эффективности, такие как: срок окупаемости, продолжительность и сложность строительства, трудоемкость эксплуатации, воздействие на природную среду и др. В различных ситуациях принятия решений некоторые из частных критериев эффективности могут быть оценены количественно, некоторые - качественно (лингвистически). За каждое принятое решение ЛПР несет ответственность. В процессе выбора оптимального решения следует с особой тщательностью рассмотреть все возможные последствия. Поэтому, разработка и внедрение методики выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки является актуальной научно-технической задачей.

Объектом исследования являются задачи выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки в четкой среде.

Цель исследования состоит в разработке методики выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки.

Для достижения цели в диссертации решены следующие задачи:

1) изучены и проанализированы существующие теоретические методы и практические способы принятия решений, проведена оценка их применимости при проектировании железных дорог;

2) модифицированы известные методы принятия решений с целью возможности их внедрения в практику проектирования железных дорог;

3) предложена методика выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки при индивидуальном и групповом принятии решений;

4) предложен алгоритм процедуры выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки и выполнена его автоматизация в виде программы для ЭВМ;

5) проведена реализация предложенной методики и внедрена программа для ЭВМ в практику проектного института.

Методы исследования

В работе использованы основные положения теории информации, теории вероятностей, методы принятия решений, методы бинарных отношений.

Научная новизна

1. Предложена методика выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки при индивидуальном и групповом принятии решений.

2. Предложен алгоритм процедуры выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки.

Личный вклад автора

Все основные исследования, включая постановку цели и задач работы, создание методики выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки, разработка алгоритма процедуры выбора и программ для ЭВМ, внедрение методики и программ в проектную деятельность и в учебный процесс выполнены автором лично. Участие автора подтверждается значительным числом публикаций по теме, а также результатами апробации на научных конференциях.

Достоверность научных результатов подтверждается

- использованием методологии многокритериального принятия решений;

- разработкой системы поддержки принимаемых решений в проектировании железных дорог на основе предложенных процедур принятия решений;

- использованием лицензионного программного обеспечения Delphi 2010;

- экспериментальной проверкой работоспособности предложенной методики и разработанных программ в задачах проектирования железных дорог (проектирование защитных сооружений и реконструкции плана железнодорожного пути на ВосточноСибирской железной дороге, проектирование вариантов трассы легкого рельсового транспорта в Иркутске).

Практическая ценность

Внедрение предложенной методики в практику работы проектной организации позволяет эффективно решать многокритериальные задачи выбора оптимальных вариантов проектных решений. Произведена модификация известных методов, которая позволила расширить сферу их применения, повысить их точность и, в конечном итоге, повысить обоснованность принимаемых решений и качество проектирования железных дорог. При этом учтены основные возможные ситуации, возникающие в проектировании железных дорог на предпроектной стадии и стадии проект (технико-

экономическое обоснование):

1) при наличии количественной оценки вариантов решения в пределах требуемой точности предложен модифицированный метод идеальной точки;

2) при отсутствии количественной, но хорошо структурируемой качественной оценке вариантов предложен модифицированный метод анализа иерархий;

3) при расчетах с использованием приблизительных количественных оценок предложен модифицированный метод порогов несравнимости Electre I.

Проведено внедрение предложенной методики и программы для ЭВМ - «Система поддержки принимаемых решений (Валерия)», разработанной автором на основе предложенного алгоритма процедуры выбора оптимального решения, в практику проектного института - Восточно-Сибирского института проектирования транспортных систем (ВСИПТС ИрГУПС). Автоматизация разработанной методики позволила повысить эффективность ее внедрения.

Предложенная в работе методика выбора оптимального решения и разработанная программа могут в дальнейшем стать основой для разработки методических рекомендаций по принятию оптимальных решений при проектировании железных дорог.

Реализация и внедрение результатов работы

1. Предложенная автором методика и программа «Валерия» позволили принять оптимальные решения в следующих проектах, выполненных ВСИПТС ИрГУПС:

1) выбор оптимального варианта лавинозащитных сооружений по титулу «Защитные сооружения на Восточно-Сибирской железной дороге. 996 км пк 2-4 участка Кунерма - Дельбичинда», договор субподряда с Иркутскжелдорпроектом - филиалом ОАО «Росжелдорпроект» № 2559/СП, 2008 год;

2) выбор оптимального варианта селезащитных сооружений по титулу: «Защитные сооружения на Восточно-Сибирской железной дороге. 995 км пк 1-2 участка Кунерма - Дельбичинда», договор субподряда с Иркутскжелдорпроектом - филиалом ОАО «Росжелдорпроект» № 2560/СП, 2008 - 2009 годы;

3) выбор оптимального варианта трассы легкого рельсового транспорта по титулу «Комплексная экспертная оценка целесообразности устройства грузопассажирского железнодорожного сообщения г. Иркутск - аэропорт «Иркутск-Новый», договор субподряда с ОАО «Иркутскгражданпроект» № ВСИПТС-09-01, 2009 год;

4) выбор оптимального варианта защитных сооружений от скальных обвалов по титулу «Модернизация железнодорожного пути на участке Улан-Удэ - Заудин-ский, путь 1, от 5641 км пк 3+07 до 5649 км пк 2+50, 7,90 км», договор с ВосточноСибирской железной дорогой - филиалом ОАО «РЖД» № ВСИПТС-11-03, 2011 год;

5) выбор оптимального варианта реконструкции плана железнодорожного пути по титулу «Модернизация железнодорожного пути на участке Половина - Белая, путь 2, от 5081 км пк 2+78 до 5099 км пк 6+62, 18,4 км», договор с Восточно-Сибирской железной дорогой - филиалом ОАО «РЖД» № ВСИПТС-11-07, 2011 год.

2. Предложенная методика и программа «Валерия» внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО ИрГУПС:

1) для студентов специальности 270204.65 «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство»: при разработке курса лекций по дисциплине «Изыскания и проектирование железных дорог»; при проведении практических занятий по курсовому проекту «Проект участка новой железнодорожной линии»; при выполнении дипломного проектирования;

2) для студентов специальности 270115.65 «Экспертиза и управление недвижимостью»: при разработке курса лекций по дисциплине «Методы принятия проектных решений в строительстве»; при проведении лабораторных и издании учебно-методического пособия по лабораторным работам.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки при индивидуальном и групповом принятии решений.

2. Модифицированные методы идеальной точки, анализа иерархии и Electre 1 для применения в отрасли проектирования железных дорог.

3. Алгоритм процедуры выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки.

Апробация результатов исследования

Основные материалы работы докладывались и обсуждались на:

1) студенческой конференции «УнИКС-2007», Иркутск, ИрГУПС, 2007 г.,

2) четырех Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации российских железных дорог», Иркутск, ИрГУПС, 2007-2010 гг.,

3) трех Международных научно-практических конференциях студентов и аспирантов «Problems and Prospects of Survey, Design, Construction and Maintenance of Northeast Asia Transport Systems», Иркутск, ИрГУПС, 2009-2011 гг.,

4) Международной научно-практической конференции «Развитие транспортной инфраструктуры - основы роста экономики Забайкальского края», Чита, ЗабИЖТ, 2008 г.;

5) Международной научно-практических конференции «Проблемы трансферта современных технологий в экономику Забайкалья и железнодорожный транспорт»,

Чита, ЗабИЖТ, 2011 г.;

6) Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы развития железнодорожного транспорта», Красноярск, ДЦНТИ КрЖД, 2009 г.;

7) двух межвузовских научно-практических конференциях «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», Иркутск, ИрГУПС, 2009, 2011 гг.;

8) технических советах службы пути Восточно-Сибирской дирекции инфраструктуры в 2008 и 20 И гг.

9) заседаниях кафедры «ИППЖДиУН» ИрГУПСа в 2007-2011 гг.,

10) технических совещаниях ВСИПТС ИрГУПС в 2008-20 И гг.

Публикации. По результатам работы опубликована 21 работа, из них 4 статьи в

изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также получены 3 свидетельства о государственной регистрации разработанных программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, приложений. Объем работы составляет 168 стр. машинописного текста, в том числе 41 рисунка, 54 таблиц и 6 приложений. Список использованных источников содержит 160 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, показана научная новизна, практическая значимость работы, сформулированы цели исследования, излагается основное содержание работы.

В первой главе диссертации приведен краткий обзор трудов ученых, которые занимались решением данной проблемы, методов теории принятия решений и составлен краткий очерк о программах ЭВМ осуществляющих поддержку принимаемых решений. Проведен анализ методов теории принятия решений с целью возможности внедрения в практику проектирования железных дорог.

Основополагающий вклад в развитие теории принятия решений внесли российские и зарубежные ученые: М.А. Айзерман, Ф.Т. Алескеров, Р. Беллман, А.Н. Борисов, Э.Й. Вилкас, Э.Р. Вилюмс, Т.М. Виноградская, Д. Дюбуа, Л. Заде, К. Керне, Р. Кини, А. Кофман, В.Б. Кузьмин, О.И. Ларичев, В.Н. Лившиц, Р. Льюс, И.И. Макаров, C.B. Микони, H.H. Моисеев, О. Моргенштерн, Э. Мушик, П. Мюллер, Дж. фон Нейман,, В.В. Подиновский, А. Прад, X. Райфа, Б. Руа, A.A. Рубчинский, Т. Саати, В.Б. Соколов, Р. Стэнсфилд, Л.Я. Сукур, Р.И. Трухаев, П. Фишберн, М. Эддоус и многие другие.

Значительный вклад в развитие вопросов теории и практики многокритериаль-

ного выбора в проектировании железных дорог внесли: Г.Л. Аккерман, В.А. Аниси-мов, Вл. А. Анисимов, Г.Ю. Бирюкова, И.В. Благоразумов, В.А. Бучкин, Н.С. Бушуев, Ю.А. Быков, Б.А. Волков, К.Ю. Ворончихин, A.B. Гавриленков, А.Е. Гибшман, С.М. Гончарук, A.B. Горинов, Б.И. Гороховцев, В.Н. Дегтяренко, P.E. Емельянов,

A.Р. Едигарян, А.Л. Исаков, И.И. Кантор, К.А. Кирпичников, Т.П. Коваленко,

B.Ю. Козлов, А.П. Кондратченко, В.А. Копыленко, И.П. Корженевич, В.В. Космин, H.A. Лебедева, И.М. Лисицын, B.C. Миронов, Т.М. Немченко, Н.С. Нестерова, Г.С. Переселенков, В.А. Подвербный, Е.С. Свинцов, А.И. Скутин, A.B. Соколов, Э.С. Спиридонов, О.Б. Суровцева, И.В. Турбин, В.Я. Цветков, A.A. Цернант, Г.И. Черномордик, В.В. Четвертнова, B.C. Шварцфельд и другие.

Следует отметить значительный вклад в решение проблемы обоснования оптимальности проектных решений в проектировании железных дорог проектных и научно-исследовательских институтов: ВНИИЖТа, ВНИИТСа (ЦНИИСа), ИКТП, Гипро-трансТЭИ, проектно-изыскательских институтов: «Мосгипротранс», «Ленгипро-транс», «Киевгипротранс», «Томскгипротранс», «Уралгипротранс», «Сибгипро-транс», «Востсибтранспроект», «Дальгипротранс», а также проектно-изыскательских институтов - филиалов ОАО «Росжелдорпроект» и многих других проектных и научно-исследовательских институтов, транспортных университетов и отраслевой академии.

В существующих «Методических указаниях по сравнению вариантов проектных решений железнодорожных линий, узлов и станций» основной упор идет на экономическую эффективность капитальных вложений в проектирование железнодорожного объекта. Экономический эффект вложений, в первую очередь, подразумевает денежные затраты. Этот показатель является одним из самых значимых показателей в рыночной экономике страны. Но он не является всесторонним показателем, подчеркивая только материальную выгоду, ожидаемую от капитальных вложений. Для всесторонней оценки и «правильного» восприятия всей картины оценивания вариантов проектных решений, необходимо учитывать все критерии, которые влияют в той или иной степени на результат сравнения.

Именно поэтому, автор считает существующий подход к обоснованию выбора проектного решения в отрасли железнодорожного транспорта недостаточным для современных условий проектирования и оценки проектных решений.

Выполненный анализ позволил определить цель диссертационного исследования и перечень задач для ее достижения.

Во второй главе диссертации на основе анализа существующих методов принятия решений, автор предложил методику выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки. Методика включает

три модифицированные метода, сферы применения которых зависят от ситуации принятия проектного решения.

Процедура принятия решений при проектировании железных дорог в условиях многокритериального выбора состоит из совокупности этапов:

формирование множества вариантов решения проектной задачи; формирование множества частных критериев эффективности; оценивание сравниваемых вариантов по частным критериям эффективности;

определение множества Парето (при необходимости); выявление предпочтений ЛПР (назначение весовых коэффициентов частных критериев эффективности);

выбор оптимального решения на основе многокритериальной оценки сравниваемых вариантов;

проверка чувствительности принимаемого решения; окончательное принятие решения.

В зависимости от характера и полноты исходных данных, характеризующих ситуацию принятия решения, возможны следующие группы задач.

1. Группа задач в условиях полной определенности - все значения исходных данных по вариантам являются четкими множествами и выражены в количественных соотношениях - для решения предлагается модифицированный метод идеальной точки.

2. Группа задач с хорошо заметными структурными связями, когда невозможно количественно оценить рассматриваемые варианты, но возможно качественно (на основе лингвистических критериев) попарно их сравнить - для решения предлагается модифицированный метод анализа иерархии.

3. Группа задач с ориентировочными оценками вариантов - для решения предлагается модифицированный метод порогов несравнимости Electre 1.

Модификации известных методов предложены автором по ряду причин.

1. При проектировании железных дорог в качестве частных критериев эффективности могут использоваться такие показатели, функции которых не являются линейными от аргументов. Например, показатель шумового загрязнения, выраженный в дБА, имеет логарифмическую функцию. В методике автором предлагается вместо классического метода применять модифицированный метод идеальной точки.

2. На предпроектной стадии проектирования железных дорог возможна ситуация принятия решения, в которой ЛПР не имеет возможности назначить весовые коэффициенты частных критериев эффективности прямым методом. В методике автором предлагается модифицированный метод идеальной точки, в котором назначение весов частных критериев в такой ситуации производится по алгоритму выявления сте-

пени важности критериев аналогично алгоритму, реализуемому в методе анализа иерархии.

3. В классическом методе анализа иерархии Т. Саати было предложено в качестве случайного индекса (СИ) принимать величину индекса согласованности (ИС) обратно-симметричной матрицы, сгенерированной случайным образом. В качестве модификации метода анализа иерархии автором предложена программа для ЭВМ, способная вычислять СИ кососимметричных матриц, который в дальнейшем предлагается использовать в проверке согласованности матриц попарных сравнений. Предложенная модификация повышает точность метода на 10-20 % и, следовательно, повышает обоснованность принимаемых решений в проектировании железных дорог.

4. Автоматизация процесса принятия решения является важнейшим условием эффективного внедрения и применения предлагаемой методики. При решении задач третьей группы с помощью модифицированного метода порогов несравнимости Electre I автором предлагается алгоритм назначения весов частных критериев эффективности аналогично процедуре в методе анализа иерархии и алгоритм выявления ядер недоминируемых альтернатив путем постепенного ослабления индексов согласия и несогласия, начиная с условия полного доминирования (С а,а, ~ 1 и (1А<А =0).

5. Во всех модифицированных методах принятия решений автором предлагается этап анализа чувствительности принимаемого решения. Проверка чувствительности принимаемого решения к задаваемым изменениям значений весовых коэффициентов частных критериев эффективности позволяет убедиться в обоснованности (устойчивости) принимаемого решения.

Остановимся подробнее на модификации методов принятия решений, включенных в предлагаемую автором методику выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки.

1 группа задач (для решения предлагается модифицированный метод идеальной точки).

Выбор оптимального решения предлагается проводить на основе глобального критерия, определяемого по формуле

где С ] - весовые коэффициенты частных критериев эффективности, учитывающие значимость каждого критерия, безразмерные, причем должно выполняться условие:

(О

£ С, = 1 , Vy = \,т , при 0 < С j < 1 ,

(2)

Г] - нормализованные значенияу-ых частных критериев для сравниваемых /'-ых вариантов определяют для .г максимизируемых критериев по формуле (3), для минимизируемых - по формуле (4)

г;

где Я \ - реальное, ненормализованное значение у'-го частного критерия для /-го варианта направления в соответствующих единицах измерения

(л; - Л;)'

г> ~ для; = 1^, О)

Г1 = -¡ГТ> яля ) = 5 + \,т . (4)

По мнению автора, применение формул (3) и (4) в полном соответствии с идеей, заложенной в метод идеальной точки, обосновано только для критериев, функции которых имеют линейную зависимость от аргументов (далее - равноинтервальные критерии).

Предлагается выделить четыре вида частных критериев эффективности:

1) равноинтервальный - имеющий функцию вида_у = кх\

2) показательный - имеющий функцию папа.у = </;

3) степенной - имеющий функцию вида .у = х"\

4) логарифмический - имеющий функцию вида у = logaX.

Исходя из этого, в формулах (3) и (4) предлагается вместо значениий функций)', использовать значения аргументов х этих функций.

Так для критериев с показательной функцией в формулах (3) и (4) предлагается использовать значение равное Я = 1о%ау, со степенной функцией - значение К = /"а), с логарифмической функцией - значение Я = а у.

Например, уровень шума в дБА определяется как = где Р/ - изме-

ренное значение давления, Р0 - опорное давление, принятое за исходное. В данном случае автором предлагается использовать значение Я = Ю0,1у.

После расчета глобальных критериев по формуле (1) предлагается выполнять анализ чувствительности принимаемого решения к значениям весовых коэффициентов частных критериев эффективности. Для этого предлагается незначительно изменять веса критериев таким образом, чтобы не изменился ранговый порядок критериев.

Порядок проведения анализа чувствительности после выполнения основного расчета:

упорядочить критерии сравнения по убыванию важности;

рассчитать границы интервалов точности значений весов критериев к, по

формулам (5) - (7)

к 1 + \ + к! к J_l + к ]

к,е

2

кх + к2

для V./ е 2, т - 1 , + к„.

к , . + к, 1-1 ( )■

2

+ к.

(6)

(7)

где /и - количество критериев сравнения.

Формулы (6) и (7) применимы для расчета границ интервалов точности для первого и последнего по порядку убывания важности критериев соответственно, а формула (5) - для остальных критериев.

2 группа задач (для решения предлагается модифицированный метод анализа иерархии).

Метод анализа иерархии, разработанный американским ученым Т. Саати, является широко распространенным методом решения многокритериальных задач. Одним из важных достоинств данного метода является этап выявления противоречивости структуры предпочтений ЛПР за счет проверки нарушения численной (кардинальной) и транзитивной (порядковой) согласованности. Автором предлагается модификация метода, которая уточняет этап проверки.

В соответствии с классическим методом анализа иерархии производится попарное качественное сравнение выбранных для оценки параметров с заполнением матрицы решения количественными значениями, соответствующими качественной оценке. После сравнения, производится расчет индекса согласия (ИС). Затем производится проверка согласованности данных. Параметром, определяющим «степень» согласованности матрицы, полученной в процессе решения, является отношение полученного ИС к случайному индексу (СИ).

Отношение согласованности определяется по формуле

' - 5-

Допустимым считается уровень Т меньше 0,1. Если значение Г превышает этот уровень, рекомендуется провести сравнения заново.

В классическом методе анализа иерархий Т. Саати было предложено в качестве СИ принимать величину индекса согласия обратно-симметричной матрицы, сгенерированной случайным образом.

В таблице 1 представлены порядок матрицы (первая строка) и средние СИ (вторая строка), принятые в классическом методе анализа иерархий Т. Саати по результа-

....

там расчетов, выполненных в Уортонской школе бизнеса (США).

Таблица 1 - Зависимость значения случайных индексов от порядка матриц

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0,00 0,00 0,58 0,90 1,12 1,24 1,32 1,41 1,45 1,49 1,51 1,48 1,56 1,57 1,59

Автором для проверки и уточнения значений СИ была разработана программа для ЭВМ - «Случайный индекс обратно-симметричных матриц», которая позволяет вычислять случайный индекс и сравнивать его со значениями, определенными в методе анализа иерархий Т. Саати (см. табл. 1).

После определения отношения согласованности Т ЛПР предоставляется право выбора значения СИ (предложенного в классическом методе Т. Саати или вычисленного в программе), необходимо отметить, что разница достигает порою 10-20 %.

Насколько значимо число генераций для определения значения СИ можно понять, взглянув на два рисунка, приведенных ниже (рис.1 и 2).

I

Рисунок 1 - Множество точек СИ Рисунок 2 - Множество точек СИ

при числе параметров 5 при числе параметров 5

при числе генераций 500 при числе генераций 100 000

Значение СИ, определенное при числе генераций матриц ¡00 000 составило 1,01. Учитывая большое число генераций, такую оценку СИ можно считать устойчивой и принять СИ = 1,01 за «точное значение СИ».

Значение, определенное в школе Уортона и предложенное в методе Т. Саати равно 1,12 (см. табл. 1), что больше вычисленного на 9,82 %.

По расчетам автора, модифицированный метод анализа иерархии за счет автоматизации расчетов СИ, обеспечивающей увеличение числа генераций косо-симметричных матриц и их порядка, а также за счет полного соответствия принципам

принятия решений по методу анализа иерархии, позволяет повысить точность метода на 10-20 %, за счет чего повышается обоснованность принимаемых решений в проектировании железных дорог.

3 группа задач (для решения предлагается модифицированный метод пологов несравнимости Electre I).

Достоинством классического метода Electre I (автор метода - Б. Руа с коллегами) является возможность оперировать значениями индексов, ограничивающими диапазон сопоставимости заданных параметров при неполной плохо структурированной исходной информации.

Автором в модифицированном методе предложен алгоритм назначения весов частных критериев эффективности аналогично процедуре в методе анализа иерархии, а именно, путем попарного сравнения критериев, а также алгоритм выявления ядер недоминируемых альтернатив путем постепенного ослабления индексов согласия и несогласия, начиная с условия полного доминирования ( С Л = 1 и

¿И =0).

После подсчета индексов согласия (Сл>л ) и несогласия (dА А/ ) превосходства одной альтернативы А, над другой Aj предлагаются следующие варианты действия:

а) самостоятельное задание ЛПР допускаемых (пороговых) значений индексов с целью выявления ядер недоминируемых альтернатив;

б) автоматическое постепенное ослабление индексов согласия и несогласия (с задаваемым ЛПР шагом подбора), начиная с условия полного доминирования (Сл.л, = 1 и dÀiAj = 0 ).

Принципиальная схема принятия индивидуального принятия решения по предложенной методике, включающая 3 ветви модифицированных методов для трех групп задач, представлена на рисунке 3.

При принятии решений коллективом (группой) ЛПР предлагается использовать шкалу, согласно которой назначаются веса (ранги) индивидуальных решений в зависимости от занимаемой должности, опыта, квалификации ЛПР (экспертов), участвующих в процедуре группового принятия решения (табл. 2).

Анализ количества и качества исходной информации

1 метод характеризуется полнотой исходной информации в виде количественных оценок вариантов сравнения по критериям 2 метод характеризуется исходной информацией без возможности количественной оценки вариантов сравнения, но с хорошо структурируемыми качественными попарными соотношениями между вариантами по критериям сравнения

1

Используется метод идеальной точки Используется метод анализа иерархии

Заполнение таблицы значений критериев оценивания по вариантам сравнения

I ~

Анализ критериев оценивания: 1) задание направление оптимизации;

21 задание вила шкал

X

Выявление множества по Паре-то (по мнению автора, рекомендуется только при полной уверенности ЛПР в полной достоверности исходной информации)

Назначение весовых коэффициентов критериев сравнения:

1) прямое назначение, в т.ч. нормализацией оценкой критериев с использованием принятых шкал);

2) вычисление через попарное сравнение критериев;

3) голосование группой ЛПР

Назначение весовых коэффициентов критериев сравнения:

1) прямое назначение, в т.ч. нормализацией оценкой критериев с использованием принятых шкал);

2) вычисление через попарное сравнение критериев;

3) голосование группой ЛПР

X

Нахождение соотношений между вариантами через попарное сравнение по качественной шкале (очень сильно, значительно, существенно, умеренно превосходит или уступает, равнозначны)

Определение оптимальности вариантов по значению глобального критерия

Определение оптимальности вариантов по количественному индикатору качества каждой из альтернатив

Анализ чувствительности весов критериев на результат сравнения

Анализ чувствительности весов критериев на результат сравнения

3 метод характеризуется отсутствием четкой оценкой вариантов

по критериям сравнения, есть только ориентировочные (приблизительные) значения этих оценок и возможность попарного сравнения по шкале "больше", "равно" или "меньше"

Используется метод Electre I

Заполнение таблицы значений критериев оценивания по вариантам сравнения с заданием длины

Назначение весовых коэффициентов критериев сравнения:

1) прямое назначение, в т.ч. нормализацией оценкой критериев с использованием принятых шкал);

2) вычисление через попарное сравнение критериев;

3) голосование га/ппой ЛПР

Нахождение соотношений между вариантами через попарное сравнение по качественной шкале (больше, меньше, равнозначны)

X

Нахождение матриц индексов согласия и несогласия превосходства одних вариантов над другими

Анализ полученных индексов согласия и несогласия путем:

1) задание допустимых индексов;

2) постепенного ослабления индексов согласия и несогласия, начиная с условия полного доминирования

Анализ чувствительности весов критериев на результат сравнения

Анализ ЛПР полученных результатов и выбор оптимального варианта сравнения или, при необходимости, задание дополнительных условий и повторное сравнение вариантов_

Рисунок 3 - Индивидуальное принятие решений по предложенной методике

Таблица 2 - Шкала относительной важности принимаемых решений ЛПР при коллективном принятии решений

Интенсивность относительной важности Занимаемая ЛПР должность в организации

9 Директор

8 Заместитель директора

7 Главный инженер проекта

6 Начальник отдела

5 Главный специалист

4 Инженер

Весовые коэффициенты важности Wj решений каждого ЛПР в процедуре коллективного (группового) выбора предлагается рассчитывать по формуле:

_

= ^-, У = 1,^ (9)

/=1

где М- количество ЛПР; /у - важность решений /-го ЛПР по табл. 2, при этом

£ со! = 1 , у = МГ (10)

Принципиальная схема коллективного принятия решения представлена на рисунке 4. В диссертации приведена блок-схема алгоритма процедуры выбора оптимального решения в проектировании железных дорог.

Рисунок 4 - Коллективное принятие решений по предложенной методике

В третьей главе диссертации рассмотрены вопросы применения предложенной методики для решения задач выбора оптимального решения в проектировании железных дорог при отнесении их в различные группы задач.

На примере решения проектной задачи выбора варианта противолавинных сооружений на участке Кунерма-Дельбичинда Восточно-Сибирской железной дороги (участок БАМ), выполненного в 2008 году ВСИПТС ИрГУПС, подробно рассмотрена универсальность предлагаемой методики, позволяющей делать обоснованный выбор оптимального решения на основе многокритериальной оценки в любой из трех групп задач при различном количестве и качестве исходной информации и различной степени доверия ЛПР к ее полноте и точности. Показано как влияет этап оценки чувствительности принимаемого решения к значениям весовых коэффициентов частных критериев эффективности.

На примере проекта по выбору оптимального варианта трассы легкого рельсового транспорта по титулу «Комплексная экспертная оценка целесообразности устройства грузо-пассажирского железнодорожного сообщения г. Иркутск - аэропорт «Иркутск-Новый», выполненного в 2009 году ВСИПТС ИрГУПС, было проанализировано значение предлагаемой модификации метода идеальной точки для повышения обоснованности принимаемого решения.

Кроме того в третьей главе, дано описание программы для ЭВМ «Система поддержки принимаемых решений (Валерия)». Программа «Валерия» реализует предлагаемую автором методику выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки в четкой среде. Автором предложен алгоритм процедуры выбора оптимального решения и выполнено написание программы на языке Delphi 2010. Автоматизация предложенной методики позволила повысить эффективность ее внедрения в практику проектного института - ВСИПТС ИрГУПС.

Программа «Валерия» позволяет решать следующие виды задач в четкой среде: 1) однокритериальные недерминированные задачи в условиях риска с конечным числом альтернатив с помощью различных частных критериев эффективности; 2) многокритериальные детерминированные и недерминированные задачи предложенными модифицированными методами (рис. 5).

Рисунок 5 — Окно программного модуля для расчета случайного индекса произвольной косо-симметричной матрицы при решении задач второй группы

Для подтверждения универсальности предлагаемой методики подробно рассмотрена последовательность действий ЛПР в программе «Валерия» на примере тестовой задачи выбора варианта направления проектируемой новой железной дороги Усть-Кут - Киренск - Непа - Верхнечонский ЦПС по материалам ТЭО, выполненного ЗАО «Востсибтранспроект» в 1987 г. (рис. 6).

Рисунок 6 - Результат проверки согласованности матриц при решении тестовой задачи выбора варианта направления железной дороги Усть-Кут - Киренск - Непа - Верхнечонский ЦПС

В четвертой главе приведены примеры внедрения разработанной методики в практику проектного института ВСИПТС ИрГУПС. Приведены примеры использования предлагаемой методики, реализованной в программе «Валерия», для решения задач:

1) выбора варианта противолавинных сооружений на участке Кунер-ма-Дельбичинда Восточно-Сибирской железной дороги (участок БАМ), выполненно-

го в 2008 году ВСИПТС ИрГУПС,

2) выбора оптимального варианта селезащитных сооружений на участке Ку-нерма-Дельбичинда Восточно-Сибирской железной дороги (участок БАМ), выполненного ВСИПТС ИрГУПС в 2008-2009 годах;

3) выбора оптимального варианта защитных сооружений от скальных обвалов на участке Улан-Удэ - Заудинский Восточно-Сибирской железной дороги (участок Транссиба), выполненного ВСИПТС ИрГУПС в 2011 году.

Рассмотрены условия задач, проведен анализ ситуации принятия решений, задачи отнесены к соответствующим группам, подробно описана процедура решения с использованием программы «Валерия», приведены скриншоты рабочих окон программы.

Так например, при решении на предпроектной стадии задачи выбора оптимального варианта защитных сооружений от скальных обвалов на участке Улан-Удэ - Заудинский ВСЖД, которая была отнесена к третьей группе задач, были намечены следующие варианты проектного решения:

Вариант 1 - улавливающая траншея глубиной 1,5 м и шириной по дну 4 м вдоль железнодорожного пути;

Вариант 2 - габионная стена высотой 3 м и шириной 2 м;

Вариант 3 - закрепление склона полимерной сеткой;

Вариант 4 - габионная стена высотой 2 м и шириной по дну 2 м с устройством улавливающей траншеи шириной по дну 2 м.

Для сравнения были предложены 4 критерия:

1) стоимость строительства защитных сооружений;

2) степень надежности защитных сооружений;

3) сложность строительства защитных сооружений;

4) трудоемкость эксплуатации защитных сооружений.

В результате сравнения после цикла итераций было выделено ядро недоминируемых альтернатив, состоящее из одного элемента - Вариант 4, при следующих значениях индексов: индексе согласия С Л/Л = 0,60; индекс несогласия =0,44 (рис.

7).

После обсуждения процедуры выбора на техническом совещании ВСИПТС ИрГУПС уровни индексов были признаны достаточными, решение было согласовано с заказчиком, утверждено и принято для разработки на стадии «проект».

Рисунок 7 - Результаты сравнения четырех вариантов противообвальных сооружений на участке Улан-Удэ - Заудинский ВСЖД; рекомендован Вариант 4

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Изучены и проанализированы существующие теоретические методы и практические способы принятия решений, проведена оценка их применимости при проектировании железных дорог.

2. Модифицированы известные методы принятия решений, что позволило расширить сферу их применения, повысить их точность и, в конечном итоге, повысить обоснованность принимаемых решений и качество проектирования железных дорог, при этом учтены основные возможные ситуации, возникающие в проектировании железных дорог на предпроектной стадии и стадии проект (технико-экономическое обоснование):

— при наличии количественной оценки вариантов решения в пределах требуемой точности предложен модифицированный метод идеальной точки;

— при отсутствии количественной, но хорошо структурируемой качественной оценке вариантов предложен модифицированный метод анализа иерархий;

— при расчетах с использованием приблизительных количественных оценок предложен модифицированный метод порогов несравнимости Electre I.

3. Предложена методика выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки при индивидуальном и коллективном (групповом) принятии решений.

4. Предложен алгоритм процедуры выбора оптимального решения в проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки и выполнена его автоматизация в виде программы для ЭВМ - «Системы поддержки принимаемых решений (Валерия)».

5. Проведены реализация предложенной методики и внедрение программы для

ЭВМ «Валерия» в практику проектного института, что позволило повысить оперативность, обоснованность принимаемых решений, увеличить вероятность их согласования с заказчиком за счет применения многокритериальной оценки, что положительно повлияло на эффективность работы проектного института и качество проектной документации, выдаваемой заказчику.

6. Предложенная в работе методика выбора оптимального решения и разработанная программа могут стать основой для разработки методических рекомендаций по принятию оптимальных решений при проектировании железных дорог на основе многокритериальной оценки.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в следующих работах автора:

в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Холодов, П. Н. Совершенствование процедуры принятия решений при проектировании железных [Текст] / П. Н. Холодов // Вестник транспорта Поволжья: научно-технический журнал. - Самара: Изд-во СамГУПС. - 2011. - № 4 (28): июль-август 2011. - С. 62-68.

2. Холодов, П. Н. Многокритериальный выбор оптимального решения при проектировании железных дорог / П. Н. Холодов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 4. - Иркутск: Изд-во ИрГУПС. -2011. - № 4 (32). - С. 76-82.

3. Титов, К. М. Автоматизация расчета определения стоимости шумозащитных мероприятий на стадии вариантного проектирования легкого рельсового транспорта на основе модернизированной методики СНиП Н-12-77 «Защита от шума» / К. М. Титов, П. Н. Холодов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 4. - Иркутск: Изд-во ИрГУПС.-2011.-№ 4 (32). - С. 154-157.

4. Холодов, П. Н. Применение методики многокритериального выбора оптимального решения при проектировании модернизации железнодорожного пути на перегоне Улан-Удэ - Заудинский Восточно-Сибирской железной дороги / П. Н. Холодов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 1. - Иркутск: Изд-во ИрГУПС. - 2012. -№ 1 (33). - С. 188-193.

свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617198. Случайный индекс обратно-симметричных матриц [Текст] / П.Н. Холодов ; правообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения». - № 2010615505 ; заявл. 28.10.2010 ; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 28.10.2010. - 1 с.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617609. Система поддержки принимаемых решений (Валерия) [Текст] / П.Н. Холодов, В.А. Подверб-ный ; правообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения». - № 2010615504 ; заявл. 08.10.2010 ; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 17.11.2010. -1 с.

7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012610521. Расчет стоимости шумозащитных мероприятий для рельсового транспорта [Текст] / П.Н. Хо-

лодов, K.M. Титов ; правообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения». - № 2011618309 ; заявл. 07.11.2011 ; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 10.02.2012.-1 с.

в других изданиях

8. Холодов, П. Н. Прототип системы поддержки принимаемых решений «Валерия» [Текст] / П. Н. Холодов // УнИКС - 2007 : сборник студенческих докладов по результатам конференции. - Иркутск: ИрГУПС.-2007.-С. 152-155.

9. Холодов, П. Н. Программа поддержки принимаемых решений в проектировании железных дорог [Текст] / П. Н. Холодов, В. А. Подвербный // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации российских железных дорог : материалы всероссийской научно-практической конф., 10-11 октября 2007 г. - Иркутск: ИрГУПС. -2007.-Т. 2.-С. 135-141.

10. Холодов, П. Н. Аналитический обзор систем поддержки принимаемых решений в проектировании железных дорог [Текст] / П. Н. Холодов, В. А. Подвербный // Развитие транспортной инфраструктуры - основы роста экономики Забайкальского края : материалы международной научно-практической конференции, г. Чита, 1-4 октября 2008 г. - Чита: За-6ИЖТ. - 2008.-Т. 1-С. 130-141.

11. Холодов, П. Н. Основные факторы выбора способа принятия решений при проектировании железных дорог [Текст] / П. Н. Холодов // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог : труды всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Иркутск., 15-17 мая 2008 г. - Иркутск: ИрГУПС. - 2009. - Т. 1. - С. 72-76.

12. Холодов, П. Н. Решение задачи многокритериального выбора на примере вариантного проектирования селезащитных сооружений на трассе БАМ [Текст] / П. Н. Холодов // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог : труды всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Иркутск., 20-24 апреля 2009 г. - Иркутск: ИрГУПС. - 2009. - Т. 2. - С. 62-67.

13. Kholodov, Р. N. Application of Program development "Valeria" by the Example of Alternative Design of Avalanche Protect Constructions on the BAM [Text] / P. N. Kholodov // Problems and Prospects of Survey, Design, Construction and Exploiting of Northeast Asia Railways : Students and Post-graduate Students' Works, presented at the First International Scientific-Applied Conference. - Irkutsk State Transport University (IrGUPS), Irkutsk, May 15, 2009 year. - Irkutsk: IrGUPS. - 2009. - P. 81-85.

14. Подвербный, В. А. Проектирование противолавинных сооружений на Восточно-Сибирской железной дороге [Текст] / В. А. Подвербный, Е. В. Филатов, Б. П. Мухаров и др. // Особенности проектирования и строительства железных дорог в условиях Дальнего Востока: межвузовский сборник научных трудов - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС. - 2009. - Т. 1.-С. 245-255.

15. Холодов, П. Н. Выбор метода решения многокритериальных задач при проектировании железных дорог [Текст] / П. Н. Холодов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: материалы межвузовской научно-практической конференции, 12-15 октября 2009 г. Иркутск: В 2 т. - Иркутск: Изд-во ИрГУПС. - 2009. - Т. 1. - С. 428-431.

16. Подвербный, В. А. Проектирование селезащитных сооружений для обеспечения безопасности движения поездов на железных дорогах [Текст] / В. А. Подвербный, Е. В.

Филатов, Д. А. Ковенькин и др. // Проблемы развития железнодорожного транспорта : Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию начала электрификации Красноярской железной дороги - Красноярск: ДЦНТИ Красноярской ж. д. -2009.-T. 1.-С. 121-132.

17. Методы принятия проектных решений в строительстве : учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ для студентов специальности «Экспертиза и управление недвижимостью» [Текст] / В.А. Подвербный, П.Н. Холодов, К.М. Титов. - Иркутск: ИрГУПС, 2010. - 72 е.: илл.

18. Холодов, П. Н. Разработка программного комплекса для поддержки принятия решений при проектировании железных дорог [Текст] / П. Н. Холодов // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог : труды IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Иркутск., 19-23 апреля 2010 г. - Иркутск: ИрГУПС. - 2010. - Т. 1. - С. 227-229.

19. Холодов, П. Н. Разработка программного модуля для расчета случайного индекса произвольной обратно-симметричной матрицы [Текст] / П. Н. Холодов // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог : труды IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Иркутск., 19-23 апреля2010 г.-Иркутск: ИрГУПС.-2010.-T. 1.-С. 229-232.

20. Podverbnyy, V. Multicriterian estimation of real estate objects in view of noise pollution criterion [Text] / V. Podverbnyy, K. Titov, P. Kholodov // Problems and Prospects of Survey, Design, Construction and Exploiting of Northeast Asia Transport Systems : Students and post-graduate students' works, presented at the Second International Scientific-Applied Conference. - Irkutsk State Transport University (IrGUPS), Irkutsk, May 14,2010. - Irkutsk: IrGUPS. - 2010. -P. 165-170.

21. Kholodov, P. Realisation of a multi-criterian choice technique at designing railways in a new program complex «VALERIA» [Text] / P. Kholodov // Problems and Prospects of Survey, Design, Construction and Exploiting of Northeast Asia Transport Systems : Students and postgraduate students' works, presented at the Second International Scientific-Applied Conference. -Irkutsk State Transport University (IrGUPS), Irkutsk, May 14, 2010. - Irkutsk: IrGUPS. - 2010. -P. 34-38.

22. Холодов, П. H. Модернизация программного комплекса «Система поддержки принимаемых решений (Валерия)» - как основа эффективного проектирования железных дорог [Текст] / П. Н. Холодов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: материалы второй межвузовской научно-практической конференции, 16-18 мая 2011 г. Иркутск: В 6 т. -Иркутск: Изд-во ИрГУПС. -2011. -Т. 1. -С. 485^189.

23. Kholodov, P. Multiversion railway design technique using the advanced program "Decision making supportive system (Valeria)" [Text] / P. Kholodov // Problems and Prospects of Survey, Design, Construction and Maintenance of Northeast Asia Transport Systems : Proceedings of the 3rd In-ternational Student and Postgraduate Research and Practice Conference. Irkutsk, May 30, 2011. - Irkutsk: Irkutsk State Transport University, 2011. - P. 24-27.

24. Холодов, П. H. Многовариантность проектных решений при проектировании ремонтов (модернизации) железнодорожных путей [Текст] ! П. Н. Холодов // Проблемы трансферта современных технологий в экономику Забайкалья и железнодорожный транспорт: Материалы международной научно-практической конференции, г. Чита, 13-14 октября 2011 г. - Т. 2. - Чита: ЗабИЖТ, 2011. - С. 96-104.

ХОЛОДОВ Петр Николаевич

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РЕШЕНИЯ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА ОСНОВЕ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ

Специальность 05.22.06 Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 02.03.2012 г. Тираж 100 экз.

Формат бумаги 60x84/16 Объем 1,5 п.л. Заказ №1754

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15, ФГБОУ ВПО ИрГУПС, Издательско-полиграфический центр