Сборник проектов Питер

Техническое описание проекта

Идея проекта заключается в разработке эволюционной технологии формирования инвестиционного портфеля и создании на ее основе программной системы. Общая схема программного продукта представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Техническая схема проекта

Изученные эволюционные алгоритмы были использованы для разработки нового самонастраивающегося алгоритма стайного типа, работа которого состоит в следующем:

1.Инициализируется популяция индивидов, которая делится на 5 частей. Назовем каждую часть подгруппой.

2.Для каждой подгруппы выполняется один из 5 алгоритмов поиска оптимального решения: PSO, FFA, WPS, BA или CSA.

3.На каждой итерации производится «миграция» индивидов из одной подгруппы в другую. «Миграция» не превышает 10%. Найденные лучшие значения одним алгоритмом заменяют худшие найденные решения другим алгоритмом.

Причем число поколений не установлено, задается лишь максимальное число вычислений функции, чтобы алгоритм сошелся к какому-то решению. Размер популяции меняется в ходе работы алгоритма (сначала в популяции всего 10 индивидов): он может как увеличиваться, так и уменьшаться. Вычисления завершаются либо при выполнении критерия останова, либо если число вычислений превысило максимально возможное значение.

На данный момент алгоритм был реализован для решения однокритериальных задач безусловной оптимизации и апробирован на тестовых задачах. Кроме того, изучаются другие способы самонастройки размера популяции для усовершенствования разработанного алгоритма при решении более сложных задач (и тестовых и практических).

В процессе работы программного продукта будут выполняться следующие действия: автоматическая настройка интеллектуальных информационных технологий

(ИИТ) при помощи самонастраивающихся эволюционных алгоритмов,

111

прогнозирование параметров модели с помощью полученных ИИТ, поиск решения оптимизационной задачи при помощи самонастраивающихся эволюционных алгоритмов, формирование инвестиционного портфеля с его оценкой согласно результатам решения оптимизационной задачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование эффективности стайного алгоритма (и вещественного, и бинарного) и его частных случаев для однокритериальных задач условной и безусловной оптимизации показало, что надежность методов высока, а потому их применение целесообразно. Для ускорения работы PSO и одновременного его применения на многих процессорах, алгоритм (и стандартный, и бинарный) был распараллелен. В итоге желаемый эффект был достигнут, что однако не сказалось на количестве ресурса, затрачиваемого для достижения оптимума с заданной погрешностью. Решение многокритериальных задач условной и безусловной оптимизации стайным алгоритмом сводилось к приближенному построению множеств и фронтов Парето. Глобально лучшая позиция для частицы определялась с помощью σ- алгоритма. В итоге было установлено, что PSO эффективен не только для решения однокритериальных задач: его надежность высока и для многокритериальных задач, более того, увеличение числа критериев приводило к большему заполнению внешнего архива, в котором сохранялись недоминируемые по Парето решения.

После завершения тестирования стайного алгоритма и установления его эффективности были решены две практические задачи инвестиционного анализа. Можно выделить следующие этапы реализации продукта:

•Разработка математических моделей для оценивания эффективности инвестиционных проектов.

•Разработка самонастраивающегося эволюционного алгоритма стайного типа, позволяющего решать задачи статической и динамической оптимизации для управления инвестиционными проектами и формированием инвестиционных портфелей.

•Создание программного продукта, реализующего прогнозирование данных при помощи интеллектуальных информационных технологий, автоматически сгенерированных разработанными эволюционными алгоритмами.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Kennedy J., Eberhart R. Particle Swarm Optimization // Proceedings of IEEE International Conference on Neural Networks. IV, 1995. P. 1942-1948.

2.Kennedy, J., Eberhart, R. C. A discrete binary version of the particle swarm algorithm // Proceedings of the World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics 1997, Piscataway, NJ. pp. 4104-4109, 1997.

112

3.X. S. Yang, Firefly algorithms for multimodal optimization, Proc. 5th Symposium on Stochastic Algorithms, Foundations and Applications, SAGA 2009, Eds. O. Watanabe and T. Zeugmann, Lecture Notes in Computer Science, 5792, 169-178 (2009).

4.X. S. Yang, A new metaheuristic bat-inspired algorithm, in: Nature Inspired Cooperative Strategies for Optimization (NICSO 2010) (Eds. J. R. Gonzalez et al.), Springer, SCI 284, 65-74 (2010).

5.Chenguang Yang , Xuyan Tu and Jie Chen.: Algorithm of Marriage in Honey Bees Optimization Based on the Wolf Pack Search. International Conference on Intelligent Pervasive Computing – IPC2007 (2007) 462-467.

6.X. S. Yang and S. Deb, Cuckoo search via L´evy flights, in: Proc. of World Congress on Nature & Biologically Inspired Computing (NaBic 2009), IEEE Publications, USA, pp. 210-214 (2009).

7.Eiben A.E., Smith J.E. Introduction to evolutionary computation. Springer, Berlin, 2003.

9.Auger A. Benchmarking the (1+1) evolution strategy with one-fifth success rule on the BBOB2009 function testbed. Rothlauf [22]. P. 2447–2452.

10.Hansen N., Auger A., Ros R., Finck S. Real-parameter black-box optimization benchmarking 2009: Experimental setup // Technical Report RR-6828, INRIA, 2009.

11.Hornby G. S. The age-layered population structure (ALPS) evolutionary algorithm // http://coco.gforge.inria.fr/doku.php?id=bbob-2009-results, July 2009. Noiseless testbed.

12.Gallagher M. Black-box optimization benchmarking: results for the BayEDAcG algorithm on the noiseless function testbed. Rothlauf [22]. P. 2281–2286.

13.Korosec P., Silc J. A stigmergy-based algorithm for black-box optimization: noiseless function testbed. Rothlauf [22]. P. 2295–2302.

14.El-Abd M., Kamel M.S. Black-box optimization benchmarking for noiseless function testbed using an EDA and PSO hybrid // Rothlauf [22]. P. 2263–2268.

15.Nicolau M. Application of a simple binary genetic algorithm to a noiseless testbed benchmark // Rothlauf [22]. P. 2473–2478.

16. Posik P. BBOB-benchmarking two variants of the line-search algorithm // Rothlauf [22]. P. 2329–2336.

17.Auger A. Benchmarking the (1+1) evolution strategy with one-fifth success rule on the BBOB2009 function testbed. Rothlauf [22]. P. 2447–2452.

18.Kubalik J. Black-box optimization benchmarking of prototype optimization with evolved improvement steps for noiseless function testbed // Rothlauf [22]. P. 2303–2308.

19.El-Abd M., Kamel M. S. Black-box optimization benchmarking for noiseless function testbed using PSO Bounds // Rothlauf [22]. P. 2275–2280.

20.Auger A., Ros R. Benchmarking the pure random search on the BBOB-2009 testbed // Rothlauf [22]. P. 2479–2484.

21.Garcia-Nieto J., Alba E., Apolloni J. Noiseless functions black-box optimization: evaluation of a hybrid particle swarm with differential operators // Rothlauf [22]. P. 2231–2238.

22.Posik P. BBOB-benchmarking a simple estimation of distribution algorithm with Cauchy distribution // Rothlauf [32]. P. 2309–2314.

113

23.Zhang Q., Zhou A., Zhao S., Suganthan P. N., Liu W., Tiwari S. Multiobjective optimization test instances for the CEC 2009 // Department of Computing and Electronic Systems, University of Essex, UK, Working Report, 2008.

24.Клешков В.М., Семенкин Е.С. Модели и алгоритмы распределения общих ресурсов при управлении инновациями реструктурированного машиностроительного предприятия // Проблемы машиностроения и автоматизации, № 3. – 2006. 24-31 с.

25.Хайниш С.В. и др. Российское предприятие ВПК: выжить и развиваться. – М.: Рохос, 2003. – 240 с.

26.Пуртиков В. А. Постановка задачи оптимизации выбора кредитного портфеля. // Вестник НИИ СУВПТ. Красноярск: НИИ СУВПТ. – 1999. – Вып. 2. с. 145-159.

114

Е.Э. Шмидт (студентка, 3 курс)

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР, Томск)

Научный консультант – П.Н. Дробот, к.ф.-м.н., доцент ФИТ ТУСУР

СПОСОБ ГИДРОФОБНОЙ ЗАЩИТЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Реферат

Ключевые слова: строительные материалы, гидрофобность, влагоотдача, влажность, водопроницаемость, гигроскопичность, истинная плотность, истираемость, морозостойкость, пластичность, пористость, упругость, прочность, твердость.

Объектом исследования являются физические свойства строительных материалов, часто применяемых при строительстве домов.

Цель работы – выявить причины разрушения и способы сохранения физических свойств строительных материалов при воздействии воды.

Основные разработки в работе – систематизирован материал о влиянии воды на физические свойства строительных материалов; проанализированы данные климатической ситуации, на основе которых выполнено прогнозирование морозоустойчивости строительных сооружений; разработаны рекомендации к использованию добавок в строительные материалы; создана модель дома, устойчивого к воздействию воды.

Введение

Строительство всегда имело огромное стратегическое значение для любой страны, и в настоящее время отмечается, так называемый, «строительный бум», когда строительство стало одной из ключевых отраслей в развитии страны. Это очень ответственная отрасль, ведь здания должны стоять десятки лет, и от их добротности, прочности, функциональности зависит не только будущий облик городов, но и жизнь, и здоровье тех, кто будет в них работать и жить – наших детей, внуков и правнуков.

Особое пристальное внимание уделяется вопросам жилищного строительства в ключе развития экономики. Перед отечественными и иностранными строителями, работниками стройиндустрии открывается огромный фронт работы, к которой уже сегодня они должны начать подготовку.

Изучение разрушения строительных материалов – тема, давно интересующая многих исследователей, как в нашей стране, так и за рубежом. Этой проблемой занимались такие ведущие специалисты строительной индустрии как Ильинский В.М., Комар А.Г., Воробьев В.А., Горчаков Г.И., Попов К.Н.

115

Чтобы здание или сооружение было прочным и долговечным, необходимо знать те агрессивные воздействия внешней среды, в которых будет работать каждая конструкция. Зная эти воздействия и назначенные конструкции, можно сформулировать требования к материалу конструкции. Вышесказанное определило цель проведения нашей работы: выявить причины разрушения и способы сохранения физических свойств строительных материалов при воздействии воды.

Исследование включает в себя ряд задач:

1)проанализировать научную информацию о влиянии воды на физические свойства строительных материалов;

2)систематизировать научную информацию о влиянии воды на физические свойства строительных материалов;

3)провести собственные эксперименты на изучение воздействия воды на физические свойства строительных материалов;

4)обосновать разрушение строительных материалов при воздействии воды;

5)разработать рекомендации;

6)выполнить прогнозирование разрушения домов;

7)сконструировать модель дома;

8)провести опрос жителей;

9)проанализировать полученные результаты.

Гипотеза: поскольку физические свойства строительных материалов изменяются под действием воды, то, объяснив этот процесс и выявив причины их разрушения, мы сможем разработать рекомендации по их применению и сохранению, сконструировать модель дома, более устойчивого к воздействию воды.

Исследование включает в себя методы:

1)описательный;

2)теоретический анализ;

3)сбор данных;

4)эксперимент;

5)сравнительный;

6)моделирование;

7)работа с исследовательским материалом;

8)прогнозирование.

Объект исследования: физические свойства строительных материалов, часто применяемых при строительстве домов.

Предмет исследования: исследование изменения физических свойств строительных материалов под воздействием воды и способ сохранения свойств строительных материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) систематизирован материал о влиянии воды на физические свойства строительных материалов;

116

2)проанализированы данные климатической ситуации, на основе которых выполнено прогнозирование морозоустойчивости строительных сооружений;

3)разработаны рекомендации к использованию добавок в строительные

материалы;

4)создана модель дома, устойчивого к воздействию воды;

Результаты проведенного исследования подтверждают, что действительно следует повысить роль общественности в оценке угрожающей опасности, чтобы ликвидировать нежелательное разрушительное воздействие воды на жизнь человека.

Практическое применение заключается в том, что результаты работы можно использовать в образовательных целях в углублении знаний по физике, в практических целях – при строительстве сооружений.

1. Особенности изготовления бетона с добавкой золы

Более II тысячелетий идет поиск лучшего строительного материала. Римляне первыми сказали свое слово в долгой истории развития строительных материалов, создав смесь из негашеной извести и пемзы. Без этой смеси была бы немыслима невероятная по красоте и прочности архитектура древности. Спустя II тысячи лет Джон Смит смог улучшить состав строительной смеси. История развития бетона на этом не закончилась. За последние 35 лет бетон превратился из трехкомпонентной в пятикомпонентную систему. Наряду с цементом, заполнителями и водой обязательными компонентами бетона стали минеральные и химические добавки. Применение золы в качестве минеральной добавки, по мнению автора, является непременным атрибутом современной технологии изготовления бетона. Зола, благодаря своим специфическим качествам, способствует улучшению характеристик, как бетонной смеси, так и бетона и позволяет сделать производство бетона более рентабельным.

Методика изготовления бетона остается неизменной. Но необходимо процентное соотношение основной бетонной смеси и добавок (в нашем случае, золы). После проведения экспериментов, которые приведены в последующих разделах, были замечены закономерности, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1. Изготовление бетона с различными пропорциями золы.

117

Для заданной консистенции бетона снижение водопотребности может привести к общему улучшению его технологических свойств. Гранулометрические характеристики крупных и мелких заполнителей и частиц цемента влияют на объем пустот и водопотребность бетонной смеси. Введение тонких частиц минеральных добавок, обычно имеющих размеры 1-20 мкм, должно усиливать влияние портландцементных зерен на снижение пористости в бетонной смеси, что снижает потребность в воде для получения бетона заданной консистенции. При проведении экспериментов было установлено, что замена 30% цемента золой снижает водопотребность примерно на 7% при постоянной осадке конуса. При использовании трех видов золы с различными размерами частиц было отмечено снижение водопотребности на 5-10% в растворах равной консистенции при добавлении 33,67 или 133% золы от массы цемента.

2. Научно-технические основания проекта

Научно-техническими основаниями проекта являются результаты проведенных экспериментов:

Эксперимент №1 «Определение истинной плотности строительных материалов» Вывод: на основании проделанного эксперимента можно заключить, что наибольшей истинной плотностью обладает бетон с добавками, а наименьшей –

древесина.

Эксперимент №2 «Определение средней плотности строительных материалов» Вывод: на основании проделанного эксперимента можно заключить, что наибольшей средней плотностью обладает полимер с добавками, а наименьшей – древесина. Практическое значение средней плотности строительного материала велико: ее необходимо знать при расчетах прочности (устойчивости) строительных

конструкций, а также для подсчетов при перевозке материалов. Эксперимент №3 «Определение пористости строительных материалов»

Вывод: на основании проделанного эксперимента можно заключить, что наибольшей пористостью обладает древесина, а наименьшей – полимер с добавками.

Пористость материалов имеет очень большое значение в строительстве, так как с нею связаны такие важные свойства, как прочность, водопоглощение, водопроницаемость, теплопроводность, морозостойкость, звукопроницаемость, кислостойкость и др. Для изготовления водонепроницаемых конструкций нужны материалы с малой пористостью; малотеплопроводные конструкции необходимо изготовлять из высокопористых материалов с пониженной теплопроводностью.

Также в нашей жизни имеет место такая проблема, как воздействие сульфатов (солей серной кислоты) на свойства строительных материалов. Добавление золы, а также трехкальциевого алюмината, приводит к решению данной проблемы, т.е. к формированию менее химически активного и менее пористого бетона. Гранулометрические характеристики крупных и мелких заполнителей и частиц цемента

118

влияют на объем пустот и водопотребность бетонной смеси. Введение золы усиливает влияние портландцементных зерен на снижение пористости в бетонной смеси.

Эксперимент №4 «Определение водопоглощения по массе строительных материалов»

Вывод: на основании проделанного эксперимента можно заключить, что наибольшим водопоглощением обладает древесина, а наименьшим – полимер с добавками. Водопоглощение – очень важный фактор. От него зависит водостойкость материала, который в условиях работы в сооружении может подвергаться воздействию воды.

Эксперимент №5 «Определение водопроницаемости строительных материалов» Вывод: на основании проделанного эксперимента можно заключить, что наибольшей водопроницаемостью обладает древесина, а наименьшей – полимер с добавками. Водопроницаемость материалов – важнейший показатель их качества. Значение водопроницаемости обратно пропорционально количеству больших пор (>100нм) в гидратированном цементном тесте. Данный эксперимент показывает, что введение в портландцемент золы, вызывает уменьшение размера пор, т.е. превращение больших пор в мелкие – процесс, который ведет к существенному уменьшению

водопроницаемости.

Эксперимент №6 «Определение морозостойкости строительных материалов» Вывод: на основании проделанного эксперимента можно заключить, что

наибольшей морозостойкостью обладает бетон с добавками, а наименьшей – древесина. Эксперимент №7 «Определение прочности строительных материалов» Вывод: на основании проделанного эксперимента можно заключить, что

наибольшей прочностью в насыщенном состоянии обладает полимер с добавками, а наименьшей – кирпич.

При строительстве обязательно рассчитывают прочность строительных материалов и их запас прочности. Это обусловлено следующими факторами:

1)при испытаниях получают показатели, которые характеризуют только средние значения прочности материалов. Наиболее слабые части их разрушаются раньше, чем напряжение достигнет среднего значения предела прочности. Многие материалы, нагруженные до напряжения, составляющего только часть предела прочности (50-70%), сильно деформируются. Следовательно, запас прочности надо принимать тем больше, чем менее однороден материал;

2)в каменных и других хрупких материалах образуются трещины раньше достижения напряжения, равного пределу прочности;

3)при многократной переменной нагрузке под влиянием так называемой усталости материала может произойти разрушение при напряжении, равном только половине предела прочности;

4)под действием атмосферных факторов изменяются первоначальные свойства материала, со временем происходит его «старение», сопровождаемое понижением прочности.

119

При сепарации или диспергировании ускоряется флокуляция частиц портландцемента, что увеличивает степень ранней гидратации. Поэтому прочность бетона при добавлении в его смесь золы равным образом возрастает через 7 и 28 суток. А самую высокую прочность бетон показывает только через 91 суток.

Отрицательное влияние на прочность и плотность бетона оказывает наличие больших пор в гидратированном цементном тесте и микротрещин в зоне контакта цементного теста с заполнителем. Повышение прочности и долговечности бетона, связанное с использованием золы в качестве добавки, обусловлено превращением больших пор в мелкие и уменьшением микротрещин в зоне контактов.

3. Обоснование разрушения строительных материалов при воздействии воды

Все материалы, применяемые при возведении зданий и сооружений (за исключением металла, стекла и сплошных пластиков), обладают (в большей или меньшей степени) пористой структурой. Вместе с тем, существование пор и капилляров ставит проектировщиков и строителей перед необходимостью позаботиться о гидрофобизации и гидроизоляции сооружения. В противном случае влага, попавшая в капиллярную сеть кирпича или бетона, начинает мигрировать по микропустотам.

Долговечность является одним из основных требований, предъявляемых к бетону. Он должен противостоять целому ряду внешних воздействий, таким как замерзание-оттаивание, карбонизация и проникновение хлоридов, при этом сохраняя свои технические характеристики и структурную целостность. Инженеры и технологи, занимающиеся бетоном, рассматривают качество верхнего слоя-слоя бетона между стальной арматурой и поверхностью бетона – как важный аспект в обеспечении долговечности материала. На защитный слой бетона, включая этапы строительных технологий, влияют несколько факторов, такие как укладка, уплотнение и твердение. Подбор состава смеси и свойства бетона, все же, оказывают более значительное влияние на долговечность.

Вода добавляется в бетон для гидратирования цемента. Поскольку минимальное количество воды необходимое для гидратирования слишком мало, чтобы обеспечить достаточную обрабатываемость, дополнительная вода необходима, чтобы «пластифицировать» смесь и сделать возможными ее обработку и укладку на месте. Это дополнительная вода после испарения увеличивает пустоты и поры в структуре бетона и приводит к увеличению проницаемости бетона для газов, пара и жидкостей особенно в его поверхностном слое.

Излишек воды в смеси приводит к тому, что качество строительного бетона ухудшается из-за влияния таких воздействий, как замерзание-оттаивание, которое приводит к образованию выступов и сколов на поверхности бетона, а так же карбонизации и проникновения хлоридов, которое, в конечном итоге, приводит к коррозии арматуры. Все эти воздействия могут послужить причиной растрескивания, которое может привести к структурным изменения бетона и усугубить ситуацию тем,

120