Н.П. Огарева (заведующий кафедрой — академик РААСН, доктор технических наук, профессор В.П. Селяев); доктор физико-математических наук, профессор О.А. Голованов (Военный учебно-научный центр СВ «Общевойсковая академия Вооруженных сил Российской Федерации», филиал, г. Пенза) Монография рекомендована к публикации научно-техническим советом МГСУ Авторы: Ю.М. Баженов, И.А. Гарькина, А.М. Данилов, Е.В. Королев С40 Системный анализ в строительном материаловедении : монография / Ю.М. Баженов [и др.] <...> Предложены методы оптимизации, основанные на скаляризации глобального критерия и построении множеств Парето. <...> Серные композиты с заданной подвижностью смеси . <...> Модели серных композиционных материалов по частным критериям . <...> Оптимизация структуры и свойств эпоксидных композитов повышенной плотности . <...> Синтез материалов на основе решения лексикографической задачи оптимизации . <...> При структурном исследовании компози ционных материалов предметом являются строение, фазовый состав, связи, топология и т. п.; при функциональном — динами ческие характе ристики (кинетические процессы сорбции агрессивных сред, разрушения мате риала и др.), стойкость в эксплуатационной среде, экономическая эффек тив 32 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ ность (что при неизменной структуре системы зависит от свойств ее эле ментов и их отношений). <...> Однако невозможно его применять в усло виях повышенных температур, т. е. как элементы (снег), так и сама сис тема (строение) не обладают стойкостью (свойство) в эксплуатационной среде. <...> Именно поэтому исследования структуры и свойств материала осуществляются на основе изготовления опытных образцов и изучения межэлементных связей при сохранении целостности системы (например, 42 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ так изучаются кинетические процессы формирования физико-механических характеристик материала). <...> 44 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ В настоящее <...>
Системный_анализ_в_строительном_материаловедении.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Библиотека научных разработок и проектов МГСУ
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ
В СТРОИТЕЛЬНОМ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ
москва 2012
Стр.1
УДК 519.7:691
ББК 38
С40
СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ
Рецензенты:
кафедра строительных конструкций Национального исследовательского
Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева
(заведующий кафедрой — академик РААСН, доктор технических наук,
профессор В.П. Селяев);
доктор физико-математических наук, профессор О.А. Голованов
(Военный учебно-научный центр СВ «Общевойсковая академия
Вооруженных сил Российской Федерации», филиал, г. Пенза)
Монография рекомендована к публикации
научно-техническим советом МГСУ
Авторы:
Ю.М. Баженов, И.А. Гарькина, А.М. Данилов, Е.В. Королев
С40
Системный анализ в строительном материаловедении :
монография / Ю.М. Баженов [и др.] ; М-во образования
и науки Росс. Федерации, ФГБОУ ВПО «Моск. гос. строит.
ун-т». Москва : МГСУ, 2012. — 432 с. (Библиотека научных
разработок и проектов МГСУ).
ISBN 978-5-7264-0683-1
С позиций системного анализа рассмотрены методы и алгоритмы
структурно-параметрического систеза, идентификации и управления
в сложных системах. Предложены методы оптимизации, основанные
на скаляризации глобального критерия и построении множеств Парето.
Применительно к синтезу строительных композиционных материалов
функционального назначения сформулированы принципы проектирования
сложных систем.
Для магистрантов, аспирантов и научных сотрудников в области
строительства.
УДК 519.7:691
ББК 38
ISBN 978-5-7264-0683-1
© ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2012
Стр.2
Оглавление
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1. Системные методологии в научных исследованиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2. Композиционные мате риа лы как системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1. Системные атрибуты композиционных материалов . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2. Качественный анализ материалов как систем:
когнитивное моделирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3. Разработка иерархических структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3. Алгоритм синтеза сложных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
3.1. Методика ПАТТЕРН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
3.2. Структурная схема синтеза. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4. Некоторые методы оптимизации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1. Задачи однокритериальной оптимизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2. Линейное программирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.1. Методы решения задач линейного программирования. . . . . . 74
4.2.2. Двойственная задача линейного программирования. . . . . . . . 85
4.2.3. Получение начального допустимого базисного решения . . . . 89
4.3. Нелинейное программирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4. Градиентные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4.1. Метод Франка—Вулфа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4.2. Метод штрафных функций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5. Метод линейной аппроксимации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.6. Квадратичное программирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.7. Планирование эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5. Оценка качества сложных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.1. Методы экспертных оценок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2. Ранговая корреляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.2.1. Задачи ранговой корреляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.2.2. Анализ парных ранговых статистических связей . . . . . . . . . . 151
5.2.3. Множественная корреляция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.2.4. Неполные последовательности рангов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.2.5. Парные сравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.2.6. Определение весовых коэффициентов методом
экспертных оценок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.2.7. Комплексные показатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.3. Элементы квалиметрии. Количественная оценка качества . . . . . . . 176
Стр.3
4
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ
6. Оценка качества композиционных материалов:
кинетические процессы, идентификация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.1. Основные виды кинетических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.2. Параметрическая идентификация кинетических
процессов в гомогенных и дисперсных системах . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.3. Кинетические процессы как временные ряды . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.4. Регрессионные методы идентификации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.4.1. Статическая задача для системы с одним выходом . . . . . . . . 230
6.4.2. Статическая задача для системы с несколькими входами
и несколькими выходами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.4.3. Регрессионная идентификация
динамических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
7. Методологические принципы проектирования
композиционных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
7.1. Методология проектирования сложных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
7.2. Эволюция представлений о строительных материалах. . . . . . . . . . . 242
7.3. Полиструктурная теория . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.3.1. Основные закономерности формирования
микроструктуры композитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.3.2. Основные закономерности формирования
макроструктуры композитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.4. Синтез радиационно-защитных строительных композитов. . . . . . . 253
7.4.1. Определение химического состава . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.4.2. Выбор типа структуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
7.4.3. Декомпозиция критериев качества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.4.4. Определение управляющих рецептурных
и технологических факторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.4.5. Определение исходных областей компонентов
структурных уровней. Вяжущее вещество. . . . . . . . . . . . . . . . 276
7.5. Некоторые особенности проектирования
серных композиционных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
7.5.1. Серные композиты с заданной подвижностью смеси . . . . . . 292
7.5.2. Бетоны с заданной средней плотностью. . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
7.5.3. Дисперсно-армированные серные материалы . . . . . . . . . . . . . 307
7.5.4. Модели серных композиционных материалов
по частным критериям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
8. Многокритериальный синтез материалов
специального назначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
8.1. Однокритериальная оптимизация.
Функционалы качества. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
8.2. Оптимизация структуры и свойств
эпоксидных композитов повышенной плотности . . . . . . . . . . . . . . 353
8.3. Определение весовых констант в функционале качества . . . . . . . . 364
8.4. Управление качеством. Многокритериальная оптимизация . . . . . . 368
8.4.1. Постановка задачи многокритериальной оптимизации . . . . 368
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
8.4.2. Синтез материалов на основе решения
лексикографической задачи оптимизации . . . . . . . . . . . . . . . 371
8.4.3. Метод последовательных уступок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
8.4.4. Некоторые способы преодоления
неопределенностей целей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
8.4.5. Определение множеств Парето . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
8.4.6. Минимизация размерности критериального пространства.
Метод главных компонентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
8.4.7. Принцип Парето в управлении качеством . . . . . . . . . . . . . . . . 398
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Приложение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
Термины и определения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
Стр.5