Інструментарій освоєння підземного простору мегаполісів на основі модифікованого методу морфологічного аналізу
| dc.contributor.author | Савченко, Ілля Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2025-04-22T08:54:57Z | |
| dc.date.available | 2025-04-22T08:54:57Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Савченко І.О. Інструментарій освоєння підземного простору мегаполісів на основі модифікованого методу морфологічного аналізу. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.04 «Системний аналіз і теорія оптимальних рішень». – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2024. Проблема освоєння міського підземного простору і розвитку підземного будівництва є актуальною глобально – все більше країн світу стикаються з неможливістю подальшого розвитку міст «вшир» і «вгору», і звертаються до можливостей, які надає підземний простір. Підземне будівництво забезпечує зменшення рівня шкідливих викидів, сприяє покращенню екологічної ситуації, підвищенню якості та безпеки життя людини, дозволяє захистити критичну інфраструктуру. Підземні споруди можуть виконувати подвійну функцію як укриття. В роботі розглядається наукова проблема створення системної методології, що формує комплексне бачення підземного будівництва з урахуванням невизначеностей і багатофакторних ризиків. Метою роботи є створення інструментарію планування і прийняття рішень в процесах освоєння підземного простору мегаполісів на основі модифікованого методу морфологічного аналізу (МММА). Для цього розроблено системний підхід, в рамках якого розширено, вдосконалено, масштабовано інструментарій системного аналізу, розроблено моделі для розв’язання практичних задач освоєння підземного простору великих міст. Ці моделі були застосовані для дослідження ряду практичних проблем українських міст, пов’язаних із плануванням підземного будівництва. Оскільки задача освоєння підземного простору мегаполісів є складно формалізовною, тобто інформації щодо об’єктів дослідження притаманний ряд характеристик (неточність, неповнота, протирічність, нечіткість, недостовірність тощо), які унеможливлюють їх аналіз методами традиційними дослідження операцій, природа цих недосконалостей була проаналізована, і були запропоновані прийоми, процедури, алгоритми визначення проявів впливу цих факторів для задач, що розв’язуються за допомогою МММА, а також нові способи і модифікації методу, що дозволяють зменшувати наслідки цих невизначеностей, і отримувати адекватні результати навіть в умовах недосконалих вхідних даних. На основі вдосконалення математичного апарату МММА були створені процедури оцінювання чутливості моделі, тобто визначення допустимих змін вхідних даних, що не призводять до зміни результату. Таким чином створено механізм протидії неточності вхідних даних за рахунок перевірки можливості впливу похибки на результат, і визначення найбільш критичних елементів вхідних даних, на які слід звернути особливу увагу. Розроблено прийоми використання МММА в умовах неповноти вхідних даних. Розроблено процедуру виявлення протирічності вхідних даних. Розроблено нечітку модифікацію методу морфологічного аналізу, в якій на основі використання нечітких попередніх оцінок альтернатив розраховуються нечіткі оцінки з урахуванням взаємозв’язків між параметрами. Запропоновано процедуру аналізу упередженості моделі для оцінювання можливої її недостовірності. Задача освоєння підземного простору мегаполісів супроводжується швидкою генерацією надвеликих масивів даних і знань, обробка яких виходить за межі можливостей людини, тому були розроблені спеціальні інструменти для інтеграції МММА у процес передбачення, які використовують результати обробки великих масивів даних: розроблено інтерактивні людино-машинні процедури напівавтоматизованого видобування морфологічних таблиць із семантичних мереж для трьох типів морфологічного опису – опис об’єкту, опис стану об’єкту, опис дії або події; а також розроблено процедури оцінювання вхідних даних в МММА на основі використання результатів текстової аналітики великих корпусів неструктурованої інформації. З метою масштабування МММА для складних системних задач, в яких взаємодіє значна кількість сутностей, було узагальнено звичайну двоетапну процедуру методу, і на її основі розроблено методику побудови, оцінювання і використання мереж морфологічних таблиць у трьох режимах: оцінювання підготовленості – базова оцінка рішень, що адресують деяку задачу або проблему, для надання підтримки прийняття рішень щодо результативності відповідних заходів; моніторинг – використання МММА у поєднанні з розробленим автоматизованим оцінюванням на основі текстової аналітики для завчасного виявлення потенційно небажаних подій; реакція – розв’язання задачі з фіксованим параметром у випадку, коли небажана подія вже відбулась, і необхідно оперативно прийняти рішення для пом’якшення наслідків. Розроблений апарат було продемонстровано на прикладі задачі моделювання і пом’якшення наслідків соціальних лих, викликаних катастрофами і тероризмом. Розроблено програмне забезпечення на базі SAS Studio з користувацькими модулями мовою C#, які відповідають базовим крокам МММА: конструювання морфологічних таблиць; оцінювання морфологічних таблиць; оцінювання матриць взаємозв’язків і зв’язків; розрахунок оцінок альтернатив параметрів для одноетапної та двохетапної процедур морфологічного аналізу; виведення і візуалізація результатів. Формат розробленого програмного забезпечення дозволяє компонувати модулі у різних конфігураціях для розв’язання задач різної природи і складності. Розроблено стратегію використання різних процедур МММА в процесі сценарного аналізу, що деталізує способи і рамки застосування розроблених елементів методу в залежності від поставлених задач, характеристик вхідних даних. В рамках створення інструментів розв’язання реальних задач освоєння підземного простору, і випробування їх на практиці, було побудовано ряд моделей з використанням розроблених вдосконалень МММА. Була створена модель для порівняння ділянок потенційного підземного будівництва на передпроєктній стадії на основі аналізу інженерно-геологічних факторів, пов’язаних із ділянкою. Модель використовує двоетапний МММА, де на першому етапі розглядаються 10 інженерно-геологічних параметрів, а на другому визначаються оцінки 6 параметрів, що описують рішення, в тому числі доцільність чи недоцільність будівництва, доцільні масштаби і рівень забудови, ризики, пов’язані з будівництвом, і їх характеристики. Модель була випробувана на 4 реальних ділянках м. Києва. Проаналізовано перспективи будівництва на кожній із ділянок з урахуванням отриманих результатів. Проведений аналіз упередженості моделі і процедура виявлення протиріч для підвищення довіри до результатів. Були створені моделі для оцінювання пріоритетності побудови підземних споруд конкретного призначення, зокрема, паркінгів і автомобільних тунелів із залученням мережі морфологічних таблиць, в яких присутні як інженерногеологічні фактори із базової задачі, так і структурно-функціональні фактори, що характеризують ділянку з точки зору потреби у відповідному типі підземної споруди. Для оцінювання автомобільних тунелів була створена також гібридна модель, що поєднує елементи МММА і методу аналізу ієрархій для формування ранжувань за альтернативною процедурою. Модель оцінювання пріоритетності будівництва паркінгів використана для двох реальних ділянок м. Києва. Сформульовано висновки щодо переваги однієї з ділянок над іншою. Модель оцінювання впливів будівництва автомобільних тунелів на фактори ризику була використана для аналізу тунелів, будівництво яких передбачене Генеральним планом м. Києва. Задача розглядалась з використанням більш простої моделі для порівняння двох тунелів, і з використанням розширеної моделі, що враховує також безпекові фактори, для всіх восьми запланованих тунелів. На основі отриманих результатів обґрунтовано пріоритетність будівництва певних тунелів порівняно з іншими. Комбінована модель на основі МММА і методу аналізу ієрархій підтвердила результати, отримані з використанням МММА окремо, і також продемонструвала гнучкість використання при експертному підході до оцінювання критеріїв відповідно до пріоритетів ОПР. Модель оцінювання структурно-функціональних факторів було адаптовано до задачі порівняння двох альтернативних ділянок потенційного будівництва Одеського метрополітену, з точки зору їх впливу на ряд факторів – вирішення транспортних проблем, сприяння розвитку міста і туристично-рекреаційному потенціалу, забезпечення цивільного захисту, тощо. На основі цієї моделі отримані результати, що дозволяють порівняти альтернативні проєкти за їх впливом на різні сфери міського життя. Для цієї задачі також було проведено аналіз чутливості, який показав, що результати розв’язання є достатньо стійкими і слабко залежать від зміни окремих оцінок вхідних даних. Розроблено прототип моделі на основі двоетапного МММА для порівняння урбаністичних об’єктів з точки зору їх протидії небажаним подіям. В моделі аналізуються характеристики небажаної події, і наслідки, які така подія може викликати для заданого типу урбаністичних об’єктів. Ця морфологічна модель була застосована для порівняння системи каналізаційних труб, що проходять по дну р. Дніпро, і підземного дюкера, що використовується з тією ж метою. Результати аналізу показали суттєву перевагу підземного дюкера, що дозволяє рекомендувати його в якості пріоритетного проєкту. Також ця модель була використана для порівняння мостового і тунельного переходів р. Дніпро, також підтверджуючи перевагу підземного будівництва з точки зору протидії несприятливим факторам. Для обох задач аналіз проводився як для множини несприятливих подій, так і для конкретних сценаріїв небажаних подій. Як узагальнення розглянутих окремих задач, була запропонована мережа морфологічних таблиць оцінювання потенціалу території підземного будівництва, яка синтезує функціонально-планувальну організацію міського простору та інженерно-геологічні фактори геологічного середовища для територій, що розглядаються. Розроблений інструментарій може бути використаний для розв’язання практичних задач, пов’язаних із освоєнням підземного простору великих міст, застосований для порівняння будь-яких інших об’єктів інфраструктури і формування основ системної стратегії розвитку міського підземного простору з метою мінімізації військових, техногенних і природних загроз. Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні системної методології освоєння підземного простору мегаполісів у вигляді інструментарію модифікованого методу морфологічного аналізу, який може використовуватись для широкого спектру задач планування підземного будівництва, включаючи аналіз доцільності будівництва з урахуванням інженерно-геологічних, структурно-функціональних, безпекових факторів, відбору критичних технологій, ранжування множини проєктів або альтернативних проєктних конфігурацій, оцінювання наслідків впливу можливих небажаних подій з урахуванням різних сценаріїв їх появи, тощо. Це дає в руки муніципалітетів, міських державних адміністрацій, інвестиційних груп і суспільних організацій, які опікуються розвитком міст, ефективний інструмент управління ризиками та інвестиціями при освоєнні підземного простору мегаполісів. | |
| dc.description.abstractother | Savchenko I.O. Modified morphological analysis-based tool set for mastering underground space of metropolises. – Qualifying scientific work, manuscript. Thesis for a doctoral degree in technical sciences on the specialty 01.05.04 "System analysis and optimal decision theory". – National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorskyi Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The problem of mastering the urban underground space is globally relevant, as more and more countries encounter the problem of impossible city growth sidewise and upwards, and refer to the capaacities of the underground space. The underground construction provides the reduction of harmful emissions, benefits the ecological situation, improves the quality of life, and safety of the dwellers, provides the protection for the critical infrastructure. The underground facilities may perform the secondary function as shelters. In this study, a scientific problem of creating a system methodology for the complex vision of underground construction is addressed, with the consideration of uncertainties and multifactor risks. The goal of the research is to create a planning and decision support tool set for the processes of mastering underground space of metropolises, based on the modified morphological analysis method (MMAM). This required a system approach, within which the system analysis tool set was enhanced, improved, and scaled, and the models for solving practical tasks of mastering underground space of big cities were developed. These models were applied for studying a number of practical problems of Ukrainian cities, related to the underground construction planning. Since the problem of mastering underground space of metropolises is difficult to formalize, meaning that the information regarding the objects of research has a number of characteristics (imprecision, incompleteness, contradictoriness, indistinctness, unreliability) that render the traditional operation research methods inefficient, the nature of these imperfections was analyzed, and several techniques, procedures, algorithms were suggested for assessing the impact of these factors in MMAM problems, as well as new upgrades and modifications for MMAM that reduce the impact of these imperfections, and allow to achieve adequate results even in case of imperfect input data. After improving the MMAM mathematical apparatus, the procedures for assessing the model sensitivity were created, that determine the admissible disturbance of input data that does not tangibly affect the result. Thus, a mechanism was created for countering imprecision in input data by checking the impact of a potential error in data on the result, and detecting the most critical input data elements that require special attention. The techniques for using MMAM under conditions of incomplete input data were developed. The procedure for detecting contradictoriness of input data was proposed. The fuzzy modification of the morphological analysis method was developed, where fuzzy preliminary estimates of alterntives are used to calculate fuzzy estimates that take into account the relations between parameters. The procedure for analyzing model bias was suggested for evaluating its potential inadequacy. The problem of mastering underground space of metropolises is accompanied by rapid generation of extra large volumes of data and knowledge, processing which is beyond the human capabilities, which led to the development of special techniques for integration of MMAM into the foresight process, making use of the results of processing large volumes of data: the interactive human-machine procedures of semiautomated extraction of morphological tables from semantic networks were developed for three types of morphological descriptions – the description of an object, the description of the object’s state, and the description of an action or an event; also, the procedures of obtaining input data for MMAM on the base of the text analysis results of large volumes of unstructured information were developed. To scale MMAM for complex system problems with numerous entities interacting, the ordinary two-stage method procedure was generalized, and used as a base for the technique of constructing, assessing and utilizing the networks of morphological tables in three modes: evaluating preparedness – the basic assessment of alternative decisions addressing a certain task or a problem, for decision support regarding the efficiency of different measures; monitoring – the employment of MMAM, combined with the developed automated input data extraction from text analysis, to detect potentially unfavorable events in time; reaction – the solution of the fixed parameter problem in case the unfavorable event already happened, to promptly make a decision for mitigating the consequences. The developed apparatus was illustrated on the example of the problem of modeling and mitigation of social disasters caused by catastrophes and terrorism. Software on the base of SAS Studio with C# user modules was developed for the basic MMAM steps: constructing morphological tables, assessing morphological tables, assessing interdependency and dependency matrices, calculating parameter alternative estimated using one-stage or two-stage morphological analysis procedures, output and visualization of results. The format of the developed software allows to combine the modules in different configurations tailored to solve tasks of different nature and complexity. A strategy for using different MMAM procedures in the scenario analysis process was developed, detailing the framework and guidelines of using the developed method elements, depending on the tasks, and the characteristics of the input data. A number of models were constructed that make use of the MMAM improvements to create the tools for solving real problems of mastering underground space, and to test those tools in practice. A model was created for the comparison of the potential underground construction sites at the pre-project stage on the base of geological engineering factor analysis for the site. The model employs the two-stage MMAM, with 10 geological engineering factors assessed at the first stage to determine the 6 decision parameters at the second stage, including the favorability of construction, the advisable scale and level of construction, the related risks, and their characteristics. The model was tested on 4 real sites in Kyiv. The prospects of underground construction on each of them was analyzed, considering the obtained results. To improve the credibility of results, the model bias analysis, and the contradictoriness detection procedures were conducted. The models were created for assessing priority of construction of underground structures with specific purposes, particularly parking lots and car tunnels, using a network of morphological tables with both geological engineering factors, and structural and functional factors that characterize the site regarding the demand for the specific underground facility type. For evaluation of car tunnels, a hybrid model was also created, that combines MMAM and analytic hierarchy process for obtaining rankings according to an alternative procedure. The model for assessing parking lot construction priorities was tested for two real sites in Kyiv. The inference was made for the advantage of one site over the other. The model for assessing the impact of car tunnels on the risk factors was used to analyze the tunnels, envisioned by the Kyiv city General plan. The problem was considered first using a simpler model for comparison of two tunnels, and then using an enhanced model that took into account also safety factors, for each of the eight planned tunnels. The obtained results justified the priorities of certain tunnels, compared to the others. The combined MMAM/analytic hierarchy model confirmed the results obtained by the standalone MMAM model, and offered additional flexibility in the expert approach for weighting the criteria according to the decision maker’s opinion. The model for evaluating structural and functional factors was adapted for the problem of comparison of two alternative sections for the potential construction of the future Odesa subway, considering their impact on a number of factors – addressing the traffic problems, favoring the city development and the recreational potential, providing civil defense shelter, etc. The results obtained using this model allowed to compare the alternative projects by their impact on different processes of urban functioning. The sensitivity analysis was also conducted for this problem, showing that the calculation results are quite stable, and resilient to changes in individual values of input data. A two-stage MMAM model prototype was developed for evaluating urban objects’ resilience to unfavorable events. The model analyzes the event characteristics, and its potential consequence for a certain type of urban objects. This morphological model was applied for comparison of the sewer pipe system on the Dnipro river bed, and an underground drainage tunnel that performs the same function. The analysis results showed a substantial advantage for an underground tunnel, leading to its recommendation as a priority project. This model was also used to compare the bridge and tunnel crossings of Dnipro river, also demonstrating the advantage of underground construction regarding its resilience to unfavorable impacts. In both problems, the analysis was made for the whole multitude of unfavorable events encompassing all possible event configurations, as well as for specific scenarios of unfavorable events. As a generalization of the considered individual problems, a network of morphological tables was proposed for evaluating the underground construction potential of a territory, synthesizing the functional planning organization of the city space, and the geological engineering factors of the geological environment at the considered territories. The developed tool set can be applied for solving practical problems of mastering urban underground space of large cities, evaluation of any other infrastructure objects, and forming the basis of the system strategy for developing urban underground space with the purpose of minimizing military, technogenic, and natural threats. The practical value of the obtained results lies in the creation of a system methodology for mastering underground space of metropolises in the form of a modified morphological analysis tool set, applicable to a wide range of underground construction planning tasks, including the analysis of advisability of construction, considering geological engineering, structural and functional, safety factors; selection of critical technologies; ranking projects or alternative project configurations; assessing the consequences of potential unfavorable events, considering various scenarios of their emergence, etc. This gives the municipalities, city state administrations, investment groups, and public organizations that overseer city development, an efficient tool for risk and investment management during the process of mastering urban underground space. | |
| dc.format.extent | 49 с. | |
| dc.identifier.citation | Савченко, І. О. Інструментарій освоєння підземного простору мегаполісів на основі модифікованого методу морфологічного аналізу : реф. … д-ра техн. наук : 01.05.04 - Системний аналіз і теорія оптимальних рішень / Савченко Ілля Олександрович. – Київ, 2025. – 49 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/73482 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | системний аналіз | |
| dc.subject | сценарний аналіз | |
| dc.subject | прийняття рішень | |
| dc.subject | метод морфологічного аналізу | |
| dc.subject | невизначеність | |
| dc.subject | оцінювання ризиків | |
| dc.subject | міське планування | |
| dc.subject | підземна урбаністика | |
| dc.subject | підземний простір | |
| dc.subject | system analysis | |
| dc.subject | scenario analysis | |
| dc.subject | decision making | |
| dc.subject | morphological analysis method | |
| dc.subject | uncertainty | |
| dc.subject | risk assessment | |
| dc.subject | urban planning | |
| dc.subject | urban underground development | |
| dc.subject | underground space | |
| dc.subject.udc | 519.876 | |
| dc.title | Інструментарій освоєння підземного простору мегаполісів на основі модифікованого методу морфологічного аналізу | |
| dc.type | Thesis |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Savchenko_ref.pdf
- Розмір:
- 1.11 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: