Вся электронная библиотека >>>

Содержание книги >>>

 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Шахтное и подземное строительство


Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

 

Часть I. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ШАХТНОГО И ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ОПТИМИЗАЦИЯ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

 

 

Поиск решений. После того как задача проектирования определена, т.е. уяснена цель и сделаны выводы из оценки исходных материалов, необходимо сформировать идею решения инженерной задачи в виде принципиальной схемы или эскиза всего подземного сооружения, отдельных горных выработок, узлов, устройств, процессов, элементов, причем таких идей может и должно быть множество, в противном случае, как известно, инженерная задача не возникает.

Формирование идеи проектного решения относят к области творчества, являющегося неотделимой частью проектирования.

Поиск возможных решений зависит от числа, ценности и разнообразия идей проектировщика.

В процессе поиска решений следует стремиться мыслить широко, не увязая в трясине подробностей. Необходимо избегать поспешных решений, отыскивать новые идеи, радикально отличающиеся от всех предыдущих, всегда считать, что имеется лучшее решение, чем то, которое известно.

Творчество — это деятельность, которая дает новые, впервые создаваемые, оригинальные продукты, имеющие общественное значение: изобретение новых машин и устройств, открытие новых закономерностей в науке, создание произведений искусства, литературы и т.п. В основе творчества человека лежит создание нового в форме представлений (образов). Такое представление в сознании предметов, непосредственно не воспринимаемых органами чувств в данный момент, возможно потому, что в мозгу остаются следы прошлых воспоминаний, т.е. действует механизм памяти.

Память закрепляет в сознании обычно все повторяющееся, важное, отсеивая несущественное, сохраняет лишь некоторую совокупность повторяющихся элементов группы сходных объектов или наиболее характерные черты одного конкретного объекта. Поскольку человек обобщает, суммирует прошлые восприятия в едином образе, прежний опыт служит путеводителем в новых ситуациях, при новых обстоятельствах.

Человек может представить себе и такие предметы, которые он не видел раньше. Перед тем как выполнить чертеж объекта, процесса или элемента, проектировщик заранее представляет себе их образ и может в широких пределах менять характер этого образа. Ничто не мешает ему представить обделку подземного сооружения в виде резиновой оболочки или массив породы, сложенный невесомыми частицами, и т.п. Во всех этих случаях способность к представлению перерастает в воображение. Но как бы ни были фантастичны возникающие в сознании образы, они всегда складываются из элементов прошлого опыта. Расчленяя и сочетая разнообразные природные элементы, их свойства и качества, сопоставляя объекты друг с другом, человек получает самые различные их комбинации.

 

 

Способность к воображению появляется уже на стадии представления, но наибольший простор для ее развития создает абстрактное мышление. На этой стадии используют такие приемы, как анализ (мысленное расчленение предметов, выделение их свойств, сторон, с тем чтобы лучше их представить) и синтез (мысленное соединение этих свойств, сторон в нечто целостное, конкретное). Благодаря умению различным образом синтезировать, соединять элементы, взятые из действительности, мышление может выйти за пределы того, что существует в данный момент, предвосхитить будущее, создавать планы деятельности, новые машины, конструкции, технологические приемы и т.п.

При формировании идеи проектного решения большое значение имеет догадка — первоначальное предположение, которое еще в достаточной мере не изучено, не выяснены его логические и эмпирические основания.

В возникновении догадки большую роль играет наличие интуиции. Немалое значение в приобретении интуиции имеют способности и опыт проектировщика, эстетическое развитие, развитие восприимчивости, строй его мышления, различные случаи из его жизни. Влияние этих случайных факторов, быстрота и внезапность решения задачи выглядят как озарение.

К одному из сложных видов творчества принадлежит изобретательство, т.е. воплощение научных идей в технические решения (изобретения) путем создания и внедрения принципиально новых технологических процессов, материалов, орудий труда, превосходящих по своим технико-экономическим показателям лучшие отечественные и мировые достижения. Изобретение — это идея, воплощенная в конкретную физическую форму (описание, чертежи, модели и т.п.), показывающую ее техническую осуществимость. В современных условиях создание изобретений — изобретательство — чаще всего не изолированный факт, а обязательная составная часть творческого процесса разработки новых проектных решений.

Процесс изобретательства может быть условно разделен на следующие этапы: подготовка к решению — накопление знаний и совершенствование мастерства, формулирование задачи; концентрация усилий — упорная работа с целью получения решения; передышка — период умственного отдыха, когда изобретатель отвлекается от решения поставленной задачи; озарение — получение искомого решения; доведение работы до конца — обобщение, логическая оценка, фиксация.

Все или отдельные этапы могут циклически повторяться, причем нельзя недооценивать любой из них. Приведенное описание процесса, конечно, не может научить изобретать. Оно только помогает привести в систему творческий процесс изобретательства. Существуют также некоторые общие принципы и приемы, излагаемые ниже, которые могут быть полезными в процессе изобретательства.

Преодоление психологической инерции. Под психологической инерцией понимают предрасположение к какому-нибудь конкретному образу мышления при решении поставленной задачи. Речь идет не о том, чтобы обязательно отказаться от использования лучшего из применявшегося ранее, а о том, что нельзя ограничивать рассмотрение уже известным.

Выше было показано, что всегда имеется более чем одно решение. Следует помнить также, что осуществленные решения базировались на существовавших к тому времени материалах, оборудовании и технологии. Научно-технический прогресс создает предпосылки к использованию совершенно новых решений.

Психологическая инерция является следствием обучения и знакомства с вопросом, приверженности к излюбленной идее, нетерпения, поспешности или напряжения при решении задачи.

Можно привести очень много примеров неудачных технических решений, связанных с психологической инерцией проектировщиков. Характерным примером в этом отношении является традиционный открытый вариант строительства Верхне-Туломской ГЭС с напором 55 м, мощностью 228 МВт. Подрядная финская фирма «Иматран-Войма» предложила альтернативный подземный вариант гидроэлектростанции без увеличения сметной стоимости. При его осуществлении было достигнуто снижение фактической стоимости строительства на 19% по сравнению со сметной.

Таким образом, на первом этапе проектирования преодоление психологической инерции является абсолютно необходимым. Этот этап может быть успешно выполнен только в случае отказа от традиционной схемы взглядов и представлений.

Метод группового подхода. Одним из методов коллективного творчества, который можно применять при разработке новых идей и схем подземных сооружений, является групповой подход или, как его иногда называют, метод «мозгового штурма». Сущность этого метода состоит в том, что собирают группу специалистов для совместной работы, перед нею ставят задачу, которую следует решить, и далее происходит свободный обмен мнениями. При этом следует обязательно соблюдать определенные условия.

Во-первых, в процессе работы недопустимы критика или какие-либо оценки предложенных идей.

Во-вторых, важнейшим требованием при групповом подходе является получение большого числа идей. При этом следует иметь в виду, что одна идея зачастую порождает одну или несколько других.

В-третьих, специалисты должны свободно высказывать свои мысли, не заботясь о том, насколько реально их воплощение.

После того как высказано и зафиксировано (на аудиокассете или в стенограмме) достаточно большое число идей, процесс «мозгового штурма» прекращают и начинают предварительный анализ идей, при котором, естественно, большая их часть будет отброшена как нереальная, а оставшаяся может быть использована при проектировании. При использовании этого метода целесообразно привлекать людей, не являющихся специалистами в проектировании подземных сооружений: физиков, механиков, математиков, обладающих достаточно широкой эрудицией и не связанных традиционными представлениями.

Метод инверсии состоит в том, что при решении задачи вспоминают традиционный метод и, грубо говоря, поступают наоборот. Задачу пытаются решить с противоположной или измененной позиции. Например, если в рассматриваемом устройстве деталь расположена вертикально (например, затвор гидротехнического тоннеля), то следует подумать, нельзя ли ее расположить горизонтально. При строительстве тоннелей чаще всего вначале проводят калотту, а затем штроссу. Можно принять обратное решение: вначале пройти штроссу, закрепить ее стены, а затем проводить калотту, что в ряде случаев может оказаться более целесообразным.

Если одна часть устройства, сооружения находится внутри, а вторая снаружи, то следует подумать, нельзя ли их поменять местами. Например, при проведении серии взрывов в забое вначале взрывают заряды в центральных шпурах, затем в промежуточных и периферийных. Существует и обратная схема: вначале взрывают периферийные шпуры, а затем центральные. Так осуществляют предварительное контурное взрывание.

Приведенных примеров, видимо, достаточно, чтобы пояснить сущность метода инверсии — повернуть вверх дном, вывернуть наизнанку, поменять местами и т.д.

Использование аналогий. Метод аналогий основан на сходстве многих процессов, протекающих в природе. Прежде всего аналогия может быть проведена между подземными сооружениями различных типов и назначения (например, горизонтальными, наклонными, вертикальными), затем между разными видами подземных сооружений и далее между подземными сооружениями и объектами, используемыми в разных областях экономики. Использование метода аналогий на первых этапах проектирования может оказаться весьма эффективным, однако требует от инженера широкого круга знаний в области науки и техники.

Можно привести массу примеров аналогии подземных сооружений с другими объектами (стены и перекрытия наземных зданий, естественные пещеры, трубопроводы и т.п.). Рассмотрим, например, поиск путей повышения скорости проведения тоннелей по крепким породам. Где есть аналогия? — При бурении нефтяных скважин. Как поступают там? — Применяют шарошки. Попробуем использовать эту аналогию. Но при проходке тоннеля гравитационные силы тяжести от шарошек на забой не действуют. Значит, надо предусмотреть устройство подачи для обеспечения силового воздействия исполнительного органа на забой. Так были созданы тоннелепроходческие машины для проведения выработок больших поперечных сечений по самым крепким породам.

Используя аналогию с закрепляющим действием промывочной жидкости при бурении глубоких скважин, для строительства подземных сооружений разработали способ «стена в грунте». При проектировании организации подземного транспорта можно использовать аналогию с организацией общехозяйственного или даже общественного транспорта.

Важно иметь в виду, что в век технического прогресса развитие техники идет достаточно быстро в самых различных направлениях и поэтому систематическое изучение достижений в смежных отраслях с использованием метода аналогий должно стать неотъемлемой частью работы проектировщика.

Фантазия. При решении практически любой задачи возникают трудности, часть из которых кажется непреодолимой. В этом случае можно сделать допущение, что некоторые из них преодолены, и рассматривать задачу дальше. Если ее решение окажется заманчивым, то можно вернуться к «белому пятну» (фантазии) и, обдумывая методы его устранения, перейти от фантазии к действительности.

Немалая фантазия потребовалась при создании анкерной крепи. Фантастичным представлялось применение света для разрушения горной породы, однако уже сейчас разрабатывают проекты проходческих комбайнов, разрушающих породу при помощи лучей лазера. Чистой фантазией казалось применение артиллерийских установок для проходки тоннелей, но проведенные эксперименты показали перспективность такого способа разрушения породы.

Систематическое исследование новых комбинаций известных принципов может дать качественно новое решение. Этот метод может быть описан определенным алгоритмом и принципиально прост в осуществлении, однако требует просмотра, как правило, очень большого числа вариантов. Поэтому он может иметь перспективу только при использовании ПЭВМ.

Рассмотрим в качестве примера возможные комбинации при проектировании подземных сооружений только по принципиальным элементам. Транспортный тоннель может иметь прямоугольную, корытную, коробовую или круглую форму (4 варианта); в плане — прямолинейную, криволинейную форму или состоять из прямолинейных и криволинейных элементов (3 варианта); профиль — односкатный, двускатный (2 варианта); обделка может отсутствовать или быть анкерной, рамной, монолитной бетонной однородной, монолитной железобетонной, из сборного железобетона, многослойной (8 вариантов); тоннель может быть пройден в виде одной выработки, двух или нескольких (2 варианта и более); проведение можно осуществлять со стороны порталов, подходных выработок или одновременно со стороны порталов и подходных выработок (3 варианта); подходные выработки могут быть вертикальными, наклонными или горизонтальными (3 варианта); проведение можно осуществлять сплошным забоем, с нижним уступом или с верхним уступом (3 варианта); разрушение забоя — механическими средствами или с применением буровзрывных работ (2 варианта); доставку породы — рельсовым, конвейерным или колесным транспортом (3 варианта). Возможно еще большее число вариантов, однако и перечисленных достаточно для формирования свыше 62 тыс. комбинаций. Поэтому метод систематического исследования комбинаций, несмотря на его внешнюю привлекательность, следует использовать только как вспомогательный.

Оптимизация принятия решения. Оптимизацией называют процесс поиска решения инженерной задачи, удовлетворяющего как заданной цели, так и условиям задачи. Цель любой инженерной задачи — достижение экстремума (максимума или минимума — в зависимости от существа задачи) определенного технического или экономического показателя, называемого критерием оптимальности и принимаемого за меру оценки качества проектируемой системы.

Условиями инженерной задачи являются исходные величины, оптимизируемые параметры и ограничения. В качестве исходных величин выступают физико-механические свойства горных пород, обводненность, температура пород, технические характеристики машин, механизмов, различного оборудования и т.п. Эти величины нельзя изменить в ходе решения инженерной задачи, как говорят, ими нельзя управлять, но они влияют на исход решения задачи.

В ряде случаев в качестве исходных величин могут выступать вообще неизвестные факторы, значения которых нельзя предсказать заранее, но которые также влияют на решение задачи. Например, при проектировании безнапорного гидротехнического тоннеля необходимо установить высоту свободного пространства от поверхности воды до шелыги свода. Однако уровень поверхности воды зависит от паводка, величина которого и момент наступления заранее неизвестны.

К оптимизируемым параметрам в области проектирования подземных сооружений можно отнести, например, форму и размеры поперечного сечения выработок, материал и конструкцию обделки, тип выработки, место и глубину заложения, расстояния между подходными выработками и множество других. Эти параметры в ходе решения инженерной задачи могут быть изменены, т.е. ими можно управлять, добиваясь заданной цели или с достаточной точностью приближаясь к ней.

Однако оптимизируемые параметры не могут принимать любые значения. Например, габаритный размер не может иметь отрицательную или нулевую величину; скорость движения воздуха в горной выработке не может превышать допустимого максимального значения и т.п. Следовательно, эти параметры имеют ограничения, которые могут быть двух видов: функциональные и областные. С помощью функциональных ограничений точно задают рабочие характеристики, входные параметры и др. Функциональные ограничения всегда выражают в виде равенства: например, «должен быть принят бетон марки 300» или «масса патрона ВВ равна 250 г». Областные ограничения отличаются от функциональных лишь тем, что их выражают неравенствами.

Оптимизация предполагает определение управляемых параметров, которые приводят критерий оптимальности к экстремальному значению. Функцию, выражающую критерий оптимальности через оптимизируемые параметры, называют целевой. Таким образом, элементами задачи оптимизации являются: целевая функция, ограничения и управляемые параметры. Математические методы оптимизации описывают пути поиска управляемых параметров, которые приводят к экстремальному значению целевую функцию при различных ограничениях. В качестве целевой функции (критерия оптимальности) чаще всего выступает стоимость, однако ею может быть и какая-либо рабочая характеристика, некоторая комбинация показателей или величина, которую проектировщик желает максимизировать или минимизировать.

Расчетные методы оптимизации дают единственное, строго оптимальное решение сравнительно редко. Гораздо чаще они дают только возможность выделить некоторую область практически равноценных оптимальных решений, в пределах которой должен быть осуществлен окончательный выбор или, как говорят, принято решение.

Само по себе принятие решения есть компромисс. Принимая решение, необходимо взвешивать суждения о ценности, что включает рассмотрение экономических факторов, технической целесообразности, научной необходимости, а также учитывать социальные и так называемые человеческие факторы. Принять правильное решение — значит выбрать такую альтернативу (альтернативой называется каждая из исключающих друг друга возможностей), в которой с учетом всех этих разнообразных факторов будет оптимизирована общая ценность.

Необходимость принятия решений возникает постоянно. Многие решения принимают без специальных обоснований, на основе интуиции и здравого смысла. Мозг человека, обладающего необходимым запасом знаний, наделен природной способностью к принятию в большинстве случаев правильных, притом наиболее оптимальных решений. Оптимизация и принятие таких решений происходят как бы сами собой, на основе жизненной практики.

Подобным образом принимают некоторые решения в процессе проектирования подземных сооружений, особенно при использовании метода аналогий и повторных решений. Например, форму поперечного сечения горной выработки, материал обделки, вид транспорта, способ вентиляции и ряд других решений принимают обычно без специального расчета, а только на основе имеющегося опыта и здравого смысла.

Но чаще всего решения инженерных задач бывают более ответственными. Чем более сложным и дорогостоящим является проектируемый объект, процесс или элемент, тем менее допустимы «волевые» решения и тем большее значение приобретают научные методы, позволяющие заранее оценить последствия каждого решения, отбросить недопустимые и рекомендовать наиболее удачные.

Из числа расчетных методов оптимизации и принятия решений наиболее распространенным является метод вариантов. Иногда, особенно при проектировании ГЭС, применяют графический метод, В настоящее время идет процесс широкого внедрения методов исследования операций, к которым относят методы математической оптимизации, теории полезности, статистические методы, методы сетевого планирования и управления и др. Ряд вопросов проектирования решают экспериментальными методами.

Оптимизация служит для количественного обоснования принимаемых решений при относительно небольшом числе критериев оптимальности. Необходимость учета значительного числа зачастую противоречивых критериев привела к возникновению теории полезности. Полезностью называют меру ценности результатов возможных решений. В качестве «ценности» могут выступать деньги и многие другие факторы, например, время, престиж, потеря невосполнимых ресурсов и т.д. Теория полезности дает способ измерения ценностей различного рода по единой шкале полезности в виде так называемых функций полезности.

Начало отсчета и единицу шкалы для каждой функции полезности можно выразить таким образом, чтобы все функции имели одинаковые шкалы. Коэффициенты при функциях полезности могут иметь различные названия: вес фактора, весовой коэффициент, относительный вес, степень важности, ранг и др. Числовые коэффициенты при функциях полезности обычно определяют путем статистической обработки значимости (удельного веса) принятых или выделенных оценок критериев, даваемых, по возможности объективно, специалистами-экспертами.

Расчетные или количественные методы оптимизации дают наилучшее решение задачи, выраженной в виде целевой функции. Но такая функция никогда не является точным описанием, поэтому полученное этими методами оптимальное решение также никогда не является единственным наилучшим решением реальной задачи. В ряде случаев выбор решения является исключительно сложным вопросом, который носит субъективный характер и предполагает учет неколичественных социальных факторов и суждений о ценности.

Поэтому принятие окончательного решения выходит за рамки какого-либо точного расчета, его относят к компетенции одного ответственного лица, например, главного инженера проекта или чаще — группы лиц (членов технического совета, руководителей предприятий и т.п.), которым предоставлено право окончательного выбора. При этом они могут учитывать наряду с рекомендациями, вытекающими из математических расчетов, еще ряд соображений количественного и качественного характера. Часто бывает необходимо несколько поступиться одной из характеристик (например, надежностью), с тем чтобы получить выигрыш в другой (например, в затратах).

 

К содержанию книги:  Шахтное и подземное строительство

 

 Смотрите также:

 

Строительные машины    Оборудование для производства железобетонных изделий    Строительные машины   Краны для строительства мостов   Монтаж трубопроводов   Грузовые автомобили    Строительные машины и их эксплуатация