Оцінювання планування підземної інфраструктури великих міст на основі когнітивного моделювання
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Мусієнко Д.І. Оцінювання планування підземної інфраструктури великих міст на основі когнітивного моделювання — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 124 – Системний аналіз (12 – Інформаційні технології). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
У дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу розробки методології оцінювання планування підземної інфраструктури великих міст на основі когнітивного моделювання в умовах невизначеності. Дослідження проблеми планування підземного простору є актуальним в контексті глобальної урбанізації, оскільки концентрація населення у великих містах вимагає активного освоєння підземного простору для розміщення транспортної, комунальної та інженерної інфраструктури. Складність геологічних умов, множинність факторів ризику та наявність різних типів невизначеності ускладнюють прийняття обґрунтованих рішень щодо планування підземних споруд. Особливої актуальності набуває проблема оцінювання планування підземної інфраструктури для міста Києва, де складні інженерно-геологічні умови правобережної частини, наявність зсувонебезпечних територій та ризики воєнного характеру створюють додаткові виклики для прийняття рішень. Існуючі методи аналізу не дозволяють у повній мірі врахувати багатофакторність та взаємозалежність ризиків підземного будівництва. Необхідність системного підходу до аналізу взаємозв’язків між факторами ризику та підтримки прийняття рішень в умовах невизначеності обумовлює актуальність розробки відповідної методології на основі когнітивного моделювання. Метою дослідження є розробка методології оцінювання планування підземної інфраструктури великих міст на основі когнітивного моделювання в умовах невизначеності. Для досягнення поставленої мети вирішено такі завдання: проведено аналіз світового досвіду планування підземного простору; розроблено теоретичні основи когнітивного моделювання складних систем; запропоновано методи структурного аналізу когнітивних карт на основі симпліціального аналізу та аналізу спільнот; здійснено практичне застосування розробленої методології на прикладі м. Києва з проведенням сценарного моделювання для підтримки прийняття рішень щодо доцільності будівництва тунельних конструкцій. Дослідження складається з чотирьох розділів, в яких послідовно проаналізовано світовий досвід планування підземного простору, розроблено теоретичні основи когнітивного моделювання складних систем, запропоновано методи структурного аналізу когнітивних карт та продемонстровано практичне застосування методології на прикладі м. Києва. У першому розділі проведено комплексний аналіз сучасного стану планування та розвитку підземної інфраструктури мегаполісів. Систематизовано світовий досвід планування підземного простору на прикладі Китаю, Німеччини, Фінляндії та Індії. Проаналізовано вплив геологічного середовища на підземне будівництво, включаючи характеристики ґрунтових масивів, гідрогеологічні умови та тектонічну активність. Досліджено природу та джерела невизначеності при плануванні підземних споруд, зокрема виділено параметричну невизначеність, структурну невизначеність та невизначеність, пов’язану з неповнотою знань про геологічне середовище. Обґрунтовано необхідність застосування когнітивного моделювання для аналізу складних систем факторів в умовах невизначеності, що зумовлена обмеженістю кількісних даних та суб’єктивністю експертних оцінок. У другому розділі розглянуто теоретичні методологічні основи когнітивного моделювання складних систем. Обґрунтовано застосування двоетапного підходу, що включає процес передбачення та когнітивне моделювання. Наведено формальне визначення когнітивної карти як знаково-орієнтованого графа та функціонального графа, як його розширення. Визначено етапи розробки когнітивної моделі: побудова когнітивної карти, обґрунтування структурної стійкості, обґрунтування чисельної стійкості, симпліціальний аналіз та аналіз модулярності. Розглянуто методи аналізу структурної стійкості на основі дослідження циклів позитивного та негативного зворотного зв’язку. Розглянуто методи аналізу чисельноїї стійкості когнітивної карти на основі критерію Ляпунова та зв’язок власних чисел матриці суміжності з характером динамічної поведінки системи. Описано процедуру приведення когнітивної моделі до стійкого стану шляхом коригування вагових коефіцієнтів зв’язків. Описано модель імпульсного процесу для когнітивного моделювання, яка дозволяє відстежувати розповсюдження збурень по вершинах когнітивної карти у дискретному часі. Представлено методологію сценарного аналізу, що дозволяє оцінювати реакцію системи на різні типи зовнішніх впливів шляхом задання початкових імпульсів у відповідних вершинах когнітивної карти та спостереження за динамікою зміни значень цільових концептів. У третьому розділі розроблено методи структурного аналізу когнітивних карт на основі симпліціального аналізу та аналізу спільнот. Представлено теоретичні основи симпліціального аналізу, включаючи поняття симплексів, симпліціальних комплексів, q-зв’язності та ексцентриситету. Показано, що ці інструменти дозволяють оцінити багатовимірну структуру зв’язків у когнітивній карті та виявити ізольовані або слабо інтегровані елементи системи. Детально описано алгоритми виявлення спільнот: Greedy Modularity, Walktrap, Louvain, Leiden та Leiden CPM з аналізом їх обчислювальної складності та особливостей застосування. Обґрунтовано застосування аналізу спільнот для обґрунтування кількісних вагових характеристик когнітивної карти, виявлення функціональних підсистем та сприяння досягненню структурної стійкості моделі. Проведено порівняльний аналіз алгоритмів виявлення спільнот за критеріями модулярності та внутрішньої щільності, що дозволяє обрати найбільш адекватний метод для конкретної когнітивної карти. У четвертому розділі проведено практичне застосування розробленої методології для оцінювання планування підземної інфраструктури м. Києва. Проаналізовано стратегічні плани розвитку підземної інфраструктури міста, зокрема генеральний план розвитку м. Києва, який передбачає будівництво мережі тунелів для вирішення транспортних та інфраструктурних проблем. Систематизовано інженерно-геологічні та структурно-функціональні фактори, що впливають на підземне будівництво, включаючи характеристики ґрунтів, глибину залягання підземних вод, наявність карстових порожнин та техногенне навантаження від існуючої забудови. Класифіковано ризики підземного будівництва, включаючи природні, техногенні ризики та ризики воєнного характеру, що є особливо актуальним для сучасних умов України. Побудовано когнітивні карти двох тунелів: тунелю 1 (що проходить під Ботанічним садом НАН України від Наддніпровського шосе до вулиці Саперно-Слобідської) та тунелю 5 (що проходить через р. Дніпро від площі Перемоги до Броварського проспекту). Когнітивні карти включають концепти, що описують геологічні, конструктивні, екологічні та безпекові аспекти тунельних конструкцій, а також зв’язки між ними, що відображають причиннонаслідкові залежності. Застосовано методи симпліціального аналізу для обґрунтування структурної цілісності когнітивних карт. Побудовано примальні та дуальні симпліціальні комплекси, проведено q-аналіз та обчислено структурні Q-вектори. Вперше проведено аналіз ексцентриситетів вершин когнітивної карти підземної інфраструктури. Виявлено, що вихідні когнітивні карти мають вершини з ексцентриситетом ∞, що свідчить про структурну нецілісність та обмеження керованості системи. Вперше застосовано методи пошуку та аналізу спільнот до когнітивних карт підземної інфраструктури. Обчислено модулярність та внутрішню щільність спільнот. Метод Leiden CPM дозволив ідентифікувати вершини, видалення яких підвищує внутрішню щільність спільнот. На основі результатів симпліціального аналізу та аналізу спільнот проведено перебудову когнітивних карт тунелів 1 і 5. Після перебудови усі вершини симпліціальних комплексів мають скінченні значення ексцентриситету, що підтверджує структурну цілісність нових когнітивних карт. Побудовано когнітивні моделі тунелів шляхом приведення когнітивних карт до структурної та чисельної стійкості. Проведено сценарне моделювання для чотирьох типів загроз: терористична атака, реалізація техногенних загроз, зсуви порід та сейсмічні загрози. Порівняльний аналіз показав, що тунель 5 є більш стійким до всіх досліджуваних загроз, окрім терористичних, тоді як тунель 1 є більш вразливим до техногенних і природних загроз та має більший вплив на наслідки для навколишнього середовища у випадку реалізації загроз. Встановлено, що тунель 5 потребує дещо більшого часу на відновлення, що обґрунтовується довжиною та складністю локації тунелю. Результати сценарного моделювання надають інформаційну підтримку для прийняття рішень щодо доцільності побудови тунельної конструкції. Результати дисертаційного дослідження мають наукову та практичну цінність для планування та оцінювання підземної інфраструктури великих міст. Наукова новизна полягає у тому, що вперше застосовано методи симпліціального аналізу та аналізу спільнот до когнітивних карт підземної інфраструктури, що дозволило виявити структурні недоліки когнітивних карт та обґрунтувати їх перебудову. Набуло подальшого розвитку застосування методу Leiden CPM для ідентифікації вершин когнітивної карти, що потребують додаткових зв’язків для підвищення внутрішньої щільності спільнот. Розроблена методологія забезпечує системний підхід до аналізу складних взаємозв’язків між факторами ризику при оцінюванні планування підземної інфраструктури. Запропоновані методи симпліціального аналізу та аналізу спільнот дозволяють обґрунтовувати структурну цілісність когнітивних карт та виявляти невірні дані у кількісних вагових характеристиках. Практична цінність роботи полягає у можливості застосування розробленої методології для оцінювання планування конкретних об’єктів підземної інфраструктури, порівняння альтернативних варіантів будівництва та формування рекомендацій щодо зниження ризиків. Методологія може бути адаптована для оцінювання планування інших типів складних інфраструктурних об’єктів. Результати сценарного моделювання надають інформаційну підтримку для прийняття рішень в умовах невизначеності щодо доцільності побудови тунельної конструкції та порівняльного аналізу альтернативних сценаріїв будівництва.
Опис
Ключові слова
когнітивне моделювання, підземна інфраструктура, симпліціальний аналіз, аналіз спільнот, модулярність, сценарний аналіз, невизначеність, прийняття рішень, cognitive modeling, underground infrastructure, simplicial analysis, community detection, modularity, scenario analysis, uncertainty, decision-making
Бібліографічний опис
Мусієнко, Д. І. Оцінювання планування підземної інфраструктури великих міст на основі когнітивного моделювання : дис. … д-ра філософії : 124 Системний аналіз / Мусієнко Данило Ігорович. – Київ, 2026. – 205 с.