Рассматриваются методологические основы формализации задач управления структурой и свойствами строительных материалов на основе их представления как сложных систем с присущими им системными атрибутами.
Ключевые слова: строительные материалы, сложные системы, системные атрибуты материалов, рецептурно-технологические параметры, формализация управления свойствами и структурой.
При разработке методов синтеза строительных материалов основную роль играет системный подход к исследованию проблем идентификации, фундаментальные исследования математических и вычислительных проблем управления, концептуальных аспектов идентификации и моделирования, компьютерных проблем развития информационно-вычислительной среды. Пока существует актуальная потребность создания наукоемких методологий для начальных этапов поиска решений трудных (существенно нестандартных) практических задач, содержащих трудно формализуемые и высокие требования к качеству управления (оценивания, прогнозирования) [1].
При решении задач идентификации (как правило, включается и процесс человеческого выбора) для описания реальности многое зависит от априорной нацеленности исследователя на применение определенного математического аппарата, от степени его разработанности и часто подсказываются математической интуицией. На уровне конкретного теоретического исследования основные интеллектуальные усилия направляются на структуризацию и абсолютную формализацию данного процесса. В рамках математического дисциплинарного образа наиболее важны теоретические исследования по выбору и оценке качества «наилучшей» структуры (заданное семейство математических уравнений). Содержанием структурной идентификации в основном является математическое моделирование и исследование локальных фрагментов без учета их реального контекста и включает этапы:
- разработка содержательной постановки практической задачи,
- выбор математической задачи с заданными параметрами,
- поиск адекватных значений заданных параметров математической задачи,
- коррекция содержательной постановки практической задачи,
- предварительный выбор и алгоритмизация адекватной постановки,
- поиск решения пробной постановки практической задачи и др.
Наибольшая ответственность возникает при процедуре принятия решений (объекты плохо формализуемы; сложная иерархия задач; задачи оперативного управления являются лишь фрагментами глобальной задачи управления качеством и требуют отслеживания частных критериев и т. д.). Большинство из этих задач возможно решить лишь на междисциплинарном уровне (естественно желательно каждый фрагмент локальной или глобальной задачи — в пределах одной дисциплины), что требует подготовки соответствующего интеллектуального потенциала внутри различных дисциплинарных научных школ. Однако построение полностью автоматических систем управления качеством практически неразрешима: человек всегда будет пользоваться безусловным приоритетом перед результатами анализа (например, многокритериальная оценка строительных материалов коллективом экспертов).
Рассчитывать на решение всех вопросов идентификации материалов (как структурной, так и параметрической) скорее всего не стоит, но создание и внедрение прототипов новых систем идентификации остаются чрезвычайно актуальными. Это относится и к тиражированию эталонных прикладных разработок теории идентификации в различные отрасли промышленности (ярким примером служит формализация шкалы Купера-Харпера; многократно подтвердилась эффективность при синтезе материалов специального назначения [2,3]).
Для разработки и управления качеством строительных материалов с регулируемой структурой и свойствами для защиты от радиации (с использованием системного подхода, теорий идентификации и управления; по введенной иерархии критериев и выделенным комплексами решаемых частных задач) строилась иерархическая структура материала с оценками её элементов (основа перспективного планирования всего комплекса разработок и отдельных систем [2]).
Неопределенность целей при многокритериальном синтезе материалов была преодолена с использованием линейной свертки, введением контрольных показателей, построением множеств Парето и др.
В большинстве случаев целевая функция определялась исходя из желаемого вида кинетических процессов формирования основных физико-механических характеристик композиционных строительных материалов (прочность, модуль упругости, усадка, изменение внутренних напряжений, химическая стойкость, водопоглощение и водостойкость и т. д.) на основе решения сначала общей, а затем частной задачи идентификации [4]. Такой выбор целевой функции, в частности, определялся возможностью установления связи между строением композиционного материала и проявляющимися при соответствующих условиях изменениями макроскопических характеристик.
На основе классификации наиболее распространенных видов кинетических процессов строилась их обобщенная модель [4]. Каждый из рассматриваемых кинетических процессов — частный случай обобщенной модели. Алгоритмы определения параметров моделей составлялись исходя из характерных точек кинетических процессов (точки экстремума, перегиба, установившиеся значения и т. д.).
Параметрическая идентификация кинетических процессов сводилась к определению параметров обобщенной модели (например, корней характеристического полинома).
При решении отдельных задач целевая функция формировалась с учетом как реакции системы на пробные воздействия, так и синхронных измерений характеристик системы и управляющих воздействий в процессе нормальной эксплуатации.
Учитывая сложность моделей систем и трудность установления влияния рецептурно-технологических параметров на характеристики материалов, специально разрабатывалась методика управления выходными характеристиками материала на основе изучения кинетических процессов формирования физико-механических характеристик материала. Определялись перекрестные связи (синергетика) между свойствами материала. На их основе уточнялись структурные и математические модели систем и подсистем с последующей идентификацией параметров (для отдельных систем — из условий получения экстремумов целевых функций).
Оптимизация структуры и свойств материала по параметрам кинетических процессов формирования его физико-механических характеристик осуществлялась на основе специально разработанного функционала качества.
При выбранной балльности шкалы идентификация областей равных оценок производилась на основе сравнения расчетных границ с экспериментальными.
Связь характеристик материала с параметрами модели определялся по экспериментальным данным, рецептурный состав материала — с использованием градиентных методов.
При управлении качеством радиационно-защитных композиционных материалов оказалось эффективным использование принципа Парето: начальные 20 % определяют последующие 80 % времени выхода контролируемого параметра 
на эксплуатационное значение:
,
.
Применение принципа Парето значительно облегчает и разработку рецептуры (содержание ингредиентов, гранулометрический состав и т. д.): выделить элементы в рецептуре, определяющие, в основном, эксплуатационные характеристики материала. Так, для эпоксидных композиционных материалов для защиты от радиации прочность и плотность,в основном, определяются степенью наполнения и видом модификатора.
Использовался и итеративный способ улучшения качества материала на основе последовательного построения на каждом этапе соответствующих диаграмм Парето.
Результаты исследований прошли многочисленную апробацию [5…7] при разработке строительных материалов различного назначения.
Литература:
1. Прангишвили И. В., Лотоцкий В. А., Гинсберг К. С., Смолянинов В. В. Идентификация систем и задачи управления: на пути к современным системным методологиям // Проблемы управления. — 2004. — № 4. — С.2–15.
2. A.Danilov, I. Garkina. Systems approach to the modeling and synthesis of building materials / Contemporary Engineering Sciences. — Vol. 8. — 2015. — no. 5. — P.219–225. http:// dx.doi.org/10.12988/ces.2015.517
3. Данилов А. М., Гарькина И. А. Сложные системы: идентификация, синтез, управление: монография. — Пенза: ПГУАС. — 2011. — 308 с.
4. I.Garkina. Modeling of kinetic processes in composite materials / Contemporary Engineering Sciences. -Vol. 8. — 2015. — no. 10. — P. 421–425. http://dx.doi.org/10.12988 /ces. 2015. 5258
5. Данилов А. М., Гарькина И. А., Сорокин Д. С. Гомеостатическая концепция моделирования систем в строительном материаловедении / Региональная архитектура и строительство. — 2014. — № 4. — С. 24–30.
6. Данилов А. М., Гарькина И. А. Системный подход к конструированию композиционных материалов / Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. — 2012. — № 7 (162). — С. 23–25.
7. Гарькина И. А., Данилов А. М., Петренко В. О. Из опыта разработки материалов специального назначения / Современные проблемы науки и образования. — 2014. — № 5. — С. 235.
