ВВЕДЕНИЕ
На данный момент Россия является второй страной в мире по объему грузовых перевозок, что не может не сказаться на функционировании городской транспортной системы. Существенное влияние на работу городской транспортной системы оказывает состояние улично-дорожной сети (УДС) города и входящих в ее состав мостов, путепроводов, эстакад, тоннелей и других дорожно-транспортных сооружений. Выход из строя или ухудшение условий эксплуатации отдельных транспортных сооружений и объектов резко снижает эффективность работы всей транспортной системы, промышленно-хозяйственного и социально-культурного потенциала города.
Важная роль мостов и путепроводов в организации транспортного процесса определяет высокие требования к транспортно-эксплутационному состоянию сооружений, обусловливает необходимость своевременного их ремонта и реконструкции. Между тем сложившаяся система организации и выполнения ремонтных работ на городских транспортных сооружениях не в состоянии быстро и качественно решать эти задачи. Во многом это объясняется недостаточной проработкой или отсутствием каких-либо экономико-математических обоснований при выборе схем проведения ремонтных работ.
На сегодняшний день, когда монополия на распределение и проведение работ государственными организациями утрачена, и получение заказа на проведение до-рожно-ремонтных работ происходит в процессе проведения тендера между конкурирующими частными предприятиями, при оценке варианта проекта производства ремонтных работ основным, а зачастую и единственным критерием по-прежнему остается минимум капитальных затрат.
При этом долгое время господствовавший в дорожно-строительной отрасли оптимизационный подход, при котором находилось минимальное значение некоей целевой функции от капитальных затрат, и выбор варианта ремонта происходил почти автоматически, уже не отвечает требованиям сегодняшних экономических условий в стране [36]. На сегодняшний день необходима оценка варианта ремонта городских дорожно-транспортных сооружений по многим критериям. Уже давно настала необ-
ходимость учитывать не только экономические, но также социальные и экологические последствия проведения ремонтных работ.
При переходе к многокритериальному оцениванию встает проблема согласования решений - проведения переговоров между заинтересованными лицами по выбору компромиссного решения. Только компьютерные системы поддержки принятия решений (СППР) в настоящее время способны обеспечить сравнение и анализ боль-шого количества вариантов проектов ремонта городских дорожно-транспортных сооружений, каждый из которых оценивается по многим критериям. Поэтому разрабатываемая концепция выбора варианта проекта путем согласования несовпадающих интересов должна быть реализована в виде подсистемы в системе поддержки принятия решений.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методического обеспечения выбора вариантов ремонта и реконструкции городских транспортных сооружений на основе совместного использования технологии
'1Лл имитационного моделирования транспортных потоков и системы поддержки приня-
та
тия решений.
Цель диссертационной работы предопределила постановку и решение следующих задач:
- анализ существующих мероприятий и вариантов технологий по ремонту и реконструкции городских транспортных сооружений;
- анализ основных направлений развития компьютерных СППР на современном этапе;
- анализ существующих критериев и методов оценки и выбора вариантов ремонта и реконструкции городских транспортных сооружений;
f - разработка и обоснование методов получения исходной информации для выбо-
ра управленческих решений ремонта и реконструкции транспортных сооружений на базе имитационного моделирования транспортных потоков;
- разработка алгоритмов и компьютерных программ для выработки компромиссных решений лицами, принимающими решения (ЛПР), с несовпадающими ин-
тересами;
- разработка методики использования подхода для решения экономических и управленческих задач и апробация данной методики.
Предметом исследования являются процессы принятия управленческих решений по выбору вариантов ремонта и реконструкции городских транспортных сооружений.
Теоретической и методологической базой исследования явились законодательные и нормативные материалы, определяющие условия деятельности предприятий автомобильно-дорожной отрасли, работы ведущих отечественных и зарубежных специалистов в области принятия решений в условиях многокритериальности. Научно-методический инструментарий диссертационного исследования включает системный и ситуационный подходы, методы многокритериальной оптимизации, методы имитационного моделирования сложных транспортных систем, методы компьютерной визуализации данных и проведения многовариантных расчетов на основе баз данных.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
- предложен набор критериев для оценки вариантов ремонта и реконструкции городских транспортных сооружений, принципиально не сводимых к единому критерию, и на их основе разработан многокритериальный подход к выбору вариантов;
- разработан и обоснован метод получения исходной информации для выбора управленческих решений на основании имитационного моделирования транспортных потоков;
- предложена методика проведения компьютерных экспериментов на участке производства ремонтных работ на городском транспортном сооружении и в зоне его влияния для получения исходной информации;
- разработаны методики выбора компромиссных решений ЛПР с несовпадающими интересами, только часть из которых является строго экономическими.
Практическое значение результатов диссертации заключается в их направ-
ленности на решение конкретных задач, стоящих перед предприятиями, занимающимися ремонтом и реконструкцией городских транспортных сооружений; в применении этих результатов в учебном процессе по специальности «Прикладная информатика в экономике». Результаты диссертационного исследования нашли практическое применение, подтвержденное справками о внедрении.
Апробация работы. Основные положения и результаты выполненного ис-следования докладывались и обсуждались на 2-ой научно-практической и научно-методической конференции молодых ученых с участием деятелей науки стран СНГ и зарубежья «Человек-Общество-Наука», на IX международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем», на IV международном симпозиуме «Открытое общество и устойчивое развитие: местные проблемы и решения», Московской конференции молодых ученых «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса» и ежегодных научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ). Работа прошла апробацию на засе-
дании ученого совета РОО «Академии промышленности и менеджмента».
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в девяти публикациях общим объемом 7,6 п.л. (из них принадлежит автору — 3,4 п.л.). В их числе четыре публикации в материалах международных научных конференций.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав основного текста, заключения, библиографического списка (116 наименований) и двух приложений. Работа содержит 159 страниц машинописного текста, 77 рисунков и 11 таблиц.
В первой главе описана специфика проведения ремонтных мероприятий на городских транспортных сооружениях, а также классификация этих мероприятий и их технико-экономический анализ; приведены основные этапы и методы поддержки принятия решений; раскрыты факторы, оказывающие определяющее влияние на процесс поддержки принятия решений с помощью СППР; описано функционирование СППР. Проанализированы существующие методы оценки и выбора вариантов ремонтных работ на рассматриваемых сооружениях.
Во второй главе описаны основные составляющие имитационной модели
движения транспортного потока в местах производства ремонтных работ на городских транспортных сооружениях, позволяющей с достаточной степенью точности прогнозировать режим движения транспортного потока для любой конкретной схемы организации движения и типа ремонтируемого сооружения. Представлена концептуальная модель движения потоков автомобилей, разработан алгоритм имитационной модели движения транспортного потока в местах производства ремонтных работ, разработана методика имитационных экспериментов с моделью на ЭВМ. Приведена методика параметрического исследования характеристик движения для различных вариантов схем организации движения при производстве ремонтных работ на городских транспортных сооружениях с целью получения исходных данных для многокритериальной оценки проекта организации ремонтных работ.
В третьей главе предложена концепция согласования несовпадающих интересов, реализованная в виде прикладной системы (программы), представлены методики выбора компромиссных вариантов проекта ремонта и реконструкции городских ., транспортных сооружений с использованием разработанной системы, и приведены
процедуры использования данной системы на конкретном примере. Показано, что использование системы дает возможность рассмотрения большого количества вариантов, экономии ресурсов, времени ЛПР, затраченного на принятие решения, улучшает понимание ЛПР проблемы, позволяет протоколировать процесс переговоров. Даны рекомендации по внедрению методики.
В заключении содержатся основные выводы и результаты диссертационного исследования.
ГЛАВА 1. УЧЕТ СПЕЦИФИКИ МЕРОПРИЯТИЙ ПО РЕМОНТУ И
РЕКОНСТРУКЦИИ ГОРОДСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
ПРИ ИХ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ И ВЫБОРЕ ВАРИАНТОВ
1.1. Классификация и особенности проведения мероприятий по
ремонту и реконструкции городских транспортных сооружений и их
учет при технико-экономическом анализе
Автомобильный транспорт стремительно развивался после второй мировой войны и на данный момент является доминирующим видом транспорта в мире.
По данным [88] в странах бывшего Советского Союза дороги обеспечивают 80% грузовых и 58% пассажирских перевозок. В Российской Федерации в перспективе ожидается рост грузовых перевозок по автомобильным дорогам от 13% до 22% и даже 41% (в зависимости от темпов экономического роста страны). Уже сейчас доля легковых автомобилей в транспортом потоке на автомобильных дорогах возросла с 20-30% в 1985 г. до 55-65% и более в 2000 г. [12]. Кроме того, Россия в данный мо- мент является второй страной в мире по объему грузовых перевозок. Увеличение спроса на автомобильные перевозки увеличивает загруженность движения дорожной сети, в том числе и городских дорожно-транспортных сооружений, которые не приспособлены для интенсивного движения, особенно тяжелых грузовых автомобилей.
К основным городским дорожно-транспортным сооружениям относятся мосты, путепроводы, эстакады и тоннели.
Мост - искусственное сооружение, предназначенное для обеспечения движения транспорта через водную преграду. Мост состоит из пролетного строения и опор, передающих давление пролетных строений на грунт. В городских условиях зачастую мосты предназначены для одновременного пропуска пешеходных и транспортных потоков [86].
Путепровод - искусственное сооружение, предназначенное для пропуска транспортного потока в разных уровнях. Их устраивают на пересечении магистральных улиц с железнодорожными линиями или другими магистральными улицами [86].
10
Эстакада предназначена для расположения дорожного полотна в верхнем уровне по отношению к поверхности земли и служит для полной изоляции скоростного движения от местного. Эстакада отличается от путепровода значительной протяженностью [86].
Тоннели строят на пересечении городских магистралей с водными преградами, железными дорогами или с другими магистралями. Тоннели являются подземны-ми искусственными сооружениями.
Мосты, путепроводы и эстакады являются наиболее ответственными элементами улично-дорожной сети городов. С выходом их из строя возможен длительный перерыв движения, что ведет к значительному росту стоимости перевозок из-за удлинения транспортных маршрутов. Увеличивают стоимость перевозок и ограничения движения по транспортным развязкам (снижение скорости, введение одностороннего движения, ограничение веса пропускаемых транспортных средств и др.), вводимые в связи с плохим состоянием путепроводов, мостов и эстакад. Поэтому улучшение транспортно-эксплуатационного состояния мостов и путепроводов является важной народнохозяйственной задачей.
Городские транспортные сооружения в процессе их эксплуатации подвергаются износу, степень которого зависит от воздействия разнообразных факторов [20, 21], Различают физический и моральный износы искусственных сооружений. При физическом износе происходит снижение во времени грузоподъемности, прочности, долговечности и надежности сооружений. Физический износ основных конструктивных элементов сооружения (проезжей части, пролетных строений, опор и фундаментов) под влиянием многочисленных внешних факторов происходит неравномерно. Это объясняется различными условиями их работы под воздействием разнообразных нагрузок. Дольше всего работают опоры и фундаменты сооружения, по сроку службы которых определяется срок службы всего сооружения. По экспертным оценкам этот срок составляет 100-150 лет. Значительно больше подвержены физическому износу пролетные строения, работающие на изгиб. Наиболее быстро происходит физический износ элементов проезжей части искусственных сооружений (дорожных покрытий,
11
деформационных швов, сопряжений с насыпью и т. д.), находящихся под непосредственным воздействием динамических нагрузок. Срок службы подобных элементов не превышает 3-10 лет.
Величина физического износа конструктивных элементов во многом зависит от материала и технологии строительства сооружений. Различие в сроках службы отдельных конструктивных элементов и всего сооружения в целом обусловливает необ-ходимость замены или ремонта элементов проезжей части и пролетных строений в процессе эксплуатации объекта [91].
Моральный износ путепроводов, мостов и других искусственных сооружений происходит независимо от физического износа. Под моральным износом подразумевается несоответствие пропускной и несущей способности сооружения постоянно возрастающим требованиям городского транспорта. Существуют две разновидности морального износа городских транспортных сооружений. Первая из них возникает в том случае, когда фактические напряжения от возросших нагрузок в основных конст- руктивных элементах превышают допустимые значения. Вторая разновидность обу-словлена ростом интенсивности городского транспорта, который приводит к такому положению, когда фактическая интенсивность превышает пропускную способность сооружения [52].
Практика показывает, что наибольшее значение имеет последняя разновидность морального износа. Данное положение объясняется тем, что моральный износ городских сооружений, вызванный исчерпанием их пропускной способности, наступает гораздо раньше, чем другие разновидности морального или физического износа. Быстрый износ сооружений связан с особой специфической ролью городских пересечений в транспортной системе города.
Надежная работа городских транспортных объектов закладывается в процессе их проектирования [79], строительства и обеспечивается правильной эксплуатацией сооружений. Следует подчеркнуть, что применение качественных строительных материалов и конструктивных элементов не гарантирует их надежную работу в течение всего срока эксплуатации сооружения. В процессе эксплуатации необходимо
12
осуществлять целый комплекс мероприятий, направленных на сохранение основных конструкций сооружения в рабочем состоянии. Это достигается путем проведения профилактических и капитальных ремонтов, соблюдением условий эксплуатации и содержания городских транспортных сооружений.
Для крупных сооружений экономически оправдано установление таких сроков службы, при котором моральный и физический износы сооружений были бы примерно одинаковы. В то же время для малых и средних городских транспортных объектов необходимо учитывать возможность их стадийного развития в процессе эксплуатации.
Определение долговечности искусственных сооружений с точки зрения морального износа в настоящее время весьма проблематично, поскольку связано с перспективами развития городского транспорта и величиной транспортных потоков в будущем. До сих пор точность таких прогнозов была явно недостаточной.
По экспертным оценкам, средние сроки службы (в годах) основных элемен- тов транспортных конструкций по физическому износу могут быть приняты в сле-дующих пределах [13]:
Покрытие проезжей части 6-7
Гидроизоляция 7-10
Деформационные швы компенсаторного типа 2-3
То же, типа «скользящий лист» 5-6 Железобетонные пролетные строения:
плитные сборные 50-60
плитные и ребристые монолитные 70-80
ребристые сборные с диафрагмами 40-50
ребристые сборные бездиафрагменные 60-70 Пролетные строения:
сталежелезобетонные со сплошными балками 70-80
стальные со сквозными фермами 60-70
Массивные бетонные и каменные опоры более 100 Опоры из сборного железобетона:
столбчатые 70-80
свайные и свайно-стоечные 50-60
. Фундаменты всех типов более 100 Конуса насыпи с укреплением:
засевом трав 6-8
мощением 15-20
из бетонных плит 15-20
13
Сроки службы путепроводов, мостов и эстакад следует назначать исходя из срока службы наиболее долговечных элементов сооружения. При этом необходимо предусматривать периодическую замену менее долговечных элементов.
Для существующих сооружений, имеющих дефекты, сроки замены конструктивных элементов могут быть определены с использованием данных, приведенных в табл. 1.1 и 1.2, принимая, что сооружения, имеющие физический износ более 60%, подлежат реконструкции. Но при этом следует также помнить, что необходимость в реконструкции может наступить раньше из-за морального износа сооружения.
Таблица 1.1
Величина износа железобетонных пролетных строений, %
Категория неисправности Фактический срок службы, годы
до 20 30 40 50 60 70 80 90
0 7 12 17 23 30 38 45 56
I 25 28 32 36 42 47 52 60
и 44 45 47 49 52 55 58 >60
III >60 >60 >60 >60 >60 >60 >60 >60
Таблица 1.2
Величина износа опор,
Категория неисправности Фактический срок службы, годы.
до 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 4 7 10 13 17 21 25 30 35
I 22 24 27 29 32 35 38 41 45
П 42 43 44 45 47 48 50 52 54
Ш >60 >60 >60 >60 >60 >60 >60 >60 >60
Во многих случаях для того, чтобы отремонтировать какой-то из элементов моста или путепровода, нужно заменить и другие, иногда еще не требующие ремонта конструктивные элементы. Например, для ремонта износившейся гидроизоляции проезжей части нужно одновременно заменить защитный слой и покрытие (даже если срок их ремонта еще не наступил), так как без вскрытия и их удаления нет доступа к гидроизоляции.
14
Несвоевременность ремонта большинства конструктивных элементов пагубно отражается на долговечности работы соседних элементов. Если, например, своевременно не отремонтировать вышедшее из строя перекрытие деформационных швов, то от удара колес автомобиля будут разрушаться участки плиты проезжей части у шва. Очевидно также, что неработающие гидроизоляция и водоотвод усугубят коррозию металла пролетных строений. Таких примеров взаимосвязи и влияния со-стояния одних элементов моста на другие можно привести достаточно много.
Часто ремонт или замена уже вышедших из строя элементов (деформационных швов, барьеров безопасности, покрытия проезжей части, сопряжения с насыпью и др.) затруднены из-за невозможности закрыть движение на время ремонта.
Следует напомнить, что чаще других выполнения ремонтных работ требует проезжая часть, как наименее долговечный элемент транспортных сооружений. Поэтому ее конструктивное исполнение уже на стадии проектирования должно предусматривать возможность быстрого ремонта или полной ее замены.
Таким образом, при проектировании и строительстве городских транспорт-ных сооружений необходимо учитывать фактор неравномерного износа элементов и конструкций, а основным принципиальным требованием должна быть возможность доступа к конструктивным элементам и их заменяемость.
Согласно [19, 80] ремонты подразделяются на текущий, выборочный капитальный и полный капитальный. На рис. 1.1 приведена номенклатура ремонтных работ с учетом специфики эксплуатации дорожно-транспортных сооружений в г. Москве.
Основная задача текущего ремонта заключается в систематическом предохранении конструктивных элементов сооружения от преждевременного износа и в оперативном устранении возникающих мелких повреждений и неисправностей.
Различают два вида текущего ремонта: профилактический, планируемый заранее и непредвиденный, потребность в котором выявляется уже в процессе эксплуатации. Своевременное проведение профилактических ремонтов предупреждает дальнейшие повреждения и снижает общие расходы на эксплуатацию сооружения.
Классификация видов ремонтных работ на мостах ( путепроводах)
Текущий ремонт
Устранение мелких повреждений и
неисправностей на отдельных элементах.
(Работы производятся без складирования
материалов в течение одного дня, 'с
колес").
Профилактический
Непредвиденный
- замена отдельных бортовых камней; -замена отдельных участков перильного ограждения;
- заделка ям в проезжей части;
- заделка трещин;
- штукатурно-покрасочные работы.
Выборочный капитальный ремонт элементов
Полный капитальный ремонт сооружения (реконструкция)
Аварийный ремонт
Доведение габаритов и расчетных нагрузок
до нормативных, без замены или усиления
основных текущих элементов.
Ограждения и тротуары:
- замена ограждении;
- ремонт деформационных швов;
- замена тротуарных блоков;
- замена бортового камня.
Проезжая часть:
- замена покрытия проезжей части;
- укладка дополнительного слоя асфальтобетона, поверхностная обработка, восстановление поперечного уклона.
Сопряжение моста с насыпью:
- ликвидация просадок.
Плита проезжей части:
- заделка трещин.
Опорные части и подферменники;
- замена опорных частей с подъемом пролетного строения.
Ремонт ребер крайних балок и ригелей:
- бетонирование трещин с дополнительным армированием;
- восстановление облицовки.
Ликвидация физического и морального износа конструкций.
- уширение проезжей части без усиления;
- усиление проезжей части без уширения;
- одновременное уширение и усиление
проезжей части;
- полная замена пролетного строения;
- полная замена отдельных опор.
Замена поврежденных элементов
Рис. 1.1. Классификация видов ремонтных работ на мостах (путепроводах )
16
К выборочному капитальному ремонту относят работы, цель которых довести габариты, пропускную и несущую способности сооружения до нормативных значений без замены или усиления основных несущих конструктивных элементов.
Полный капитальный ремонт (реконструкция) сооружения предусматривает ликвидацию физического, а в ряде случаев и морального износа конструкций и состоит из работ по ремонту, замене, а также усилению изношенных конструктивных элементов.
В [14,24, 68] даны другие классификации дорожно-ремонтных работ:
- содержание дорог;
- текущий ремонт;
- средний ремонт;
- капитальный ремонт.
В [13, 77] даны такие же классификации дорожно-ремонтных работ, как и в [24, 68], но без содержания дорог.
Под содержанием дорог понимают работы по систематическому уходу за дорожными одеждами, сооружениями и полосой отвода, поддержанию их в надлежащем порядке и чистоте для обеспечения хорошей работы дорог в течение всего года.
В комплекс работ по содержанию искусственных сооружений входят следующие работы: систематическая очистка от пыли, грязи, снега, льда, скалывание льда у опор, свайных кустов и ледорезов; устранение гололеда и скользкости покрытий путем посыпки песком и реагентами; устранение мелких повреждений.
Работы по содержанию дорожных одежд отличаются от других видов ремонтных работ тем, что при их проведении прочностные и другие характеристики дорожной конструкции не изменяются.
При текущем ремонте устраняют отдельные мелкие деформации и разрушения дорожных сооружений (в первую очередь покрытий и одежд) в целях предупреждения возможности перерастания их в более крупные.
Задача текущего ремонта - устранение постоянно возникающих в процессе эксплуатации мелких повреждений всех дорожных сооружений и их элементов, а
17
также выполнение профилактических работ, предохраняющих их от разрушения в период паводков и ледоходов.
Текущий ремонт подразделяют на плановый и предупредительный. Плановый ремонт проводят весной для ликвидации всех разрушений, накопившихся в зимний период, и осенью для подготовки дороги к зиме. Предупредительный (профилактический) ремонт проводят во все времена года в целях устранения повреждений по мере их возникновения.
При текущем ремонте не восстанавливают износ дорожного покрытия и не повышают прочность дорожной одежды. Тем не менее, после проведения такого ремонта повышается фактическая скорость движения и улучшается проезжаемость.
При текущем ремонте производят следующие работы: устранение деформаций и разрушений искусственных сооружений; ремонт и заполнение деформационных швов; заделка выбоин, трещин, колей, восстановление шероховатости поверхности покрытий; обеспыливание покрытий с помощью хлористого кальция, битума.
При среднем ремонте периодически (один раз в несколько лет) возмещают износ верхнего слоя дорожного покрытия и восстанавливают первоначальные эксплуатационные качества дороги и дорожных сооружений.
Задача среднего ремонта - одновременное исправление и устранение деформаций и разрушений как дорожного покрытия, так и всех других дорожных сооружений, находящихся на ремонтируемом участке дороги.
При среднем ремонте искусственных сооружений производят полную или частичную перестройку мостов или путепроводов при их длине до 42 м с доведением их габаритов и расчетных нагрузок до норм, соответствующих категории, установленной для ремонтируемой дороги; восстановление изношенных верхних слоев ас- фальтобетонных покрытий и укладка их вновь на отдельных участках этих покрытий; обеспечение в необходимых случаях шероховатости поверхности покрытий; замена, подъемка или выравнивание отдельных плит цементобетонных покрытий; улучшение проезжей части вяжущими и обеспыливающими материалами. |
