Модель и алгоритмы оценки состояния линейных объектов водопроводных и тепловых сетей в условиях неопределенности

• Автор: Голубева, Александра Александровна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 158 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 1. ВОДОПРОВОДНЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ СЕТИ, ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ИХ СОСТОЯНИЯ И ПУТИ РЕШЕНИЯ
1.1 Обще представление водопроводных и тепловых сетей
1.1.1 Водопроводные и тепловые сети как подклассы инженерных сетей
1.1.2 Жизненный цикл водопроводной и тепловой сети
1.2 Задачи управления эксплуатацией. Методы оценки состояния линейных объектов водопроводных и тепловых сетей
1.3 Применение нечеткого моделирования для решения задач оценки состояния линейных объектов водопроводных и тепловых сетей
1.4 Методы параметрической инициализации и идентификации нечетких систем
1.4.1 Обзор методов идентификации нечетких систем
1.4.2 Методы параметрической идентификации нечетких моделей основанные на производных
1.4.3 Методы параметрической идентификации нечетких моделей основанные на мегаивристиких методах
1.4.4 Алгоритмы инициализации параметров нечеткой системы
1.4.5 Анализ существующих методов инициализации и обучения нечетких систем. Структурная идентификации нечетких моделей
1.4.6 Гибридные алгоритмы
1.5 Постановка задачи, выбор и обоснование методов и алгоритмов для решения задачи оценки состояния линейных объектов водопроводных и тепловых сети на основе нечеткого моделирования
Выводы
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ОБЪЕКТОВ ВОДОПРОВОДНЫХ И ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОГО АППРОКСИМАТОРА
2.1 Математическая модель и методика решения задачи оценки состояния линейных объектов водопроводных и тепловых сетей на основе нечеткого аппроксиматора
2.2 Алгоритмическое обеспечение решения задачи оценки состояния линейных объектов водопроводных и тепловых сетей
2.2.1 Алгоритмы идентификации параметров нечеткой системы
2.2.2 Применение для инициализации нечеткой системы типа Такаги-Сугено алгоритма на основе линейной регрессии
2.2.3 Гибридный метод выбора нечеткой системы и идентификации параметров
2.2.4 Применение алгори тма на основе метода наименьших квадратов для идентификации консеквентов правил нечетких систем типа синглтон, Такаги-Сугено
2.2.5 Применение алгоритма градиентного спуска для идентификации консеквентов правил нечеткой системы типа Мамдани с применением интегральной дефаззификации
Выводы
ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА АППРОКСИМАЦИИ ДАННЫХ
3.1 Функциональные возможности программного комплекса аппроксимации данных
3.1.1 Общая архитектура разработанного программного обеспечения
3.1.2 Концептуальное представление программного комплекса аппроксимации данных
3.2 Описание классов программного комплекса аппроксимации данных

3.2.1 Файлы программного комплекса
3.2.2 Классы программного компонента «Инициализация и обучение нечеткой системы
3.2.3 Классы программного компонента «Нечеткий вывод»
3.2.4 Классы программного компонента «Интерфейс»
3.2.5 Классы программного компонента «Загрузка данных»
3.3 Описание пользовательского интерфейса программного комплекса аппроксимации данных 110 Выводы
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОГО ЧИСЛЕННОГО МЕТОДА ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ НЕЧЕТКИХ СИСТЕМ И АЛГОРИТМА ИНИЦИАЛИЗАЦИИ
4.1 Тестовые источники экспериментальных исследований
4.2 Исследование численного метода параметрической идентификации нечеткой системы типа синглтон
4.3 Исследование численного метода параметрической идентификации нечеткой системы типа Мамдани
4.4 Исследование численного метода параметрической идентификации и алгоритма параметрической инициализации нечеткой системы типа Такаги-Сугено
4.5 Исследование численного метода параметрической идентификации нечетких систем типа синглтон, Мамдани, Такаги-Суг ено для решения задачи оценки состояния линейных объектов водопроводных и тепловых сетей для определения приоритетности проведения капитальных ремонтов участков трубопроводов тепловых сетей
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Приложение Д
Приложение Е
Приложение Ж
Приложение И
Приложение К
Приложение Л
Приложение М

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Современное функционирование промышленности и жизнеобеспечивающей инфраструктуры тесно связано с развитием инженерных сетей. Объекты инженерных сетей играют важную роль в поддержании как основных, так и вспомогательных производств в промышленности, а также являются необходимой составляющей для надежной работы систем обеспечения жизнедеятельности населения, коммунально-бытовых служб, организаций социального назначения, средних и малых предприятий бизнеса и крупных промышленных предприятий. Такие разновидности инженерных сетей как водопроводные и тепловые сети наиболее подвержены старению и износу. Процесс поддержания водопроводных и тепловых сетей в работоспособном и надежном состоянии требует большого профессионального опыта и значительных материальных ресурсов. Из всего перечня объектов, составляющих трубопроводные сети, выделяются линейные объекты, которые требуют для поддержания в работоспособном и надежном состоянии наибольших материальных затрат. Поэтому важно выделить в жизненном цикле эксплуатации водопроводных и тепловых сетей этап оценки состояния линейных объектов сети. Решение задачи оценки состояния линейных объектов водопроводных и тепловых сетей позволит своевременно проводить работы по локализации аварийных ситуаций и предотвращать дальнейшее их развитие.
Огромный вклад в область исследования процессов функционирования водопроводный и тепловых сетей внесли ученые: М.М. Андрияшев [1], В.Н. Богословский [2], А.Г. Евдокимов [3], С.Ф. Копьев [4], A.A. Николаев [5], П.П. Пархоменко [6], И.Г. Староверов [7], Е.Я. Соколов [8], Е.П. Шубин [9], В .Я. Хасилев [10].
Постоянные исследования в области оценки состояния водопроводных и тепловых сетей ведут мировые компании: Диаконт, Электродиагностика, AMT, Stella, Schneider Electric, PUPE technologies, Stimcon, Inspecta, Pipelines international и т.д.
Так же проблемами оценки состояния трубопроводных сетей активно занимаются ученые ведущих вузов мировых держав, таких как: Россия, США, Китай и стран Европы.
В настоящее время мало уделяется внимания разработке и внедрению достаточно эффективных методов комплексной оценки состояния водопроводов и теплопроводов без вскрытия водо- и тепло- канала. Применение диагностических моделей и методов, определяющих состояние трубопровода водопроводной и тепловой сети, должно способствовать выявлению потенциально опасных участков.
Среди существующих способов определения состояния тепловых сетей, следует выделить два основных направления и подхода к данной проблеме:

Достоинствами данного алгоритма является его широкая область применения, возможность осуществления поиска решений в пространстве большой размерности, параллельная обработка множества альтернативных решений.
Основными недостатками метода являются его трудоемкость, невысокая эффективность на заключительных этапах эволюции, связанная со спецификой алгоритма, а также отсутствие гарантии оптимальности полученного решения.
Алгоритм муравьиной колонии
В основе алгоритма муравьиной колонии лежат наблюдения за поведением муравьев. При передвижении муравьи способны выделять фермент, данная способность ускоряет поиск пищи, так как фермент используется в роли маркера. Т.е. чем большее количество муравьев пройдёт по одному и тому же пути, тем больше концентрация фермента. Можно считать количество фермента пропорциональным искомому решению [102,145].
Суть алгоритма заключается в следующем: строятся ориентированные графы, по количеству функций принадлежности. Из каждой вершины выходят дуги с равномерно распределенными значениями нормированных параметров функций принадлежности входных переменных. По вершинам графов равномерно распределяются муравьи. Муравей посещает по п вершины за исключением начальной, ровно по числу параметров, задающих функцию принадлежности. Дуги, по которым прошёл муравей, будут приравниваться к найденным им решениям. Лингвистическая переменная зачастую описывается несколькими функциями принадлежности, в связи с этим муравьев делят на колонии. Каждая колония ищет параметры функции принадлежности на своем графе [103, 146].
Алгоритм заканчивает свою работу по достижению заданного числа итераций либо при получении ошибки, меньше заданной.
Алгоритм муравьиной колонии - это отдельный огромный малоизученный класс алгоритмов. Четко выделить достоинства и недостатки данного класса достаточно затруднительно, но можно отметить, что дискретные версии алгоритма отдают предпочтения окраинам, непрерывные, как и алгоритм роящихся частиц, основной поиск производят в перспективной области.
Алгоритм имитации отжига
Алгоритм имитации отжига основан на имитации физического процесса, такого как кристаллизация вещества, переход из одного состояния в другое. Данный процесс также наблюдается при отжиге у металлов. Предполагается, что при постепенно понижающейся температуре при кристаллизации атомы образуют кристаллическую решетку, но при всем при этом