Köprüler, yollar, su sistemleri ve güç ızgaraları gibi altyapı varlıkları modern toplumun arka kemiğini oluşturur. Güvenilir performansları ekonomik verimlilik, halk güvenliği ve yaşam kalitesi için kritiktir. Ancak, bu varlıklar kullanım nedeniyle zaman boyunca zaman alır, çevresel faktörler ve yaşlanma malzemeleri. mühendisler ve politika yapıcılar için meydan okuma, bakım, rehabilitasyon ve bu varlıkların kullanımları en iyi şekilde tamamlamak için stratejik kararlar almak için önemlidir.
Integer Programming
Integer programlama (IP) bazı veya tüm karar değişkenlerinin tam olarak tam olarak değer alması gerektiği matematiksel bir optimizasyon alanıdır.Tümleşik programlamalar, sürekli değişkenlerle ilgilenen modeller, tamsayı programlama, altyapı yönetiminde ortak olan ayrı seçimlere olanak sağlar. Örneğin, bir köprüyü tamir etmeyi veya bir evet/hayır kararı) doğal olarak tam anlamıyla bir ikili değişkenle modellenir (0 veya 1).
Integer programlama problemleri genellikle sürekli meslektaşlarından daha zor. NP-hard problemlerinin sınıfına aitler, bu çözüm zamanı, problem büyüklüğü ile üst düzeye çıkabilir. Ancak, çözümün çözümünde en iyi veya yakın teknoloji (örneğin Gurobi, CPLEX ve SCIP gibi açık kaynaklı alternatifler) büyük, gerçekçi örneklerle ele almak mümkün olmuştur. Modern çözücüler, teknikleri kullanarak ve heuristics en iyi şekilde ve yakın-optimal çözümleri bulmak için.
Tam programlamanın temelleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için, Operasyon Araştırma ve Yönetim Bilimleri Enstitüsü'nden kaynak atıfta bulun ([Dön:0)INFORMS). veya optimizasyon üzerine akademik ders kitapları.
Bir Integer Programlama Modeli Altyapı Yönetimi için Formülting an Integer Programming Model for Infrastructure Asset Management
Gerçek dünya problemini üç anahtar bileşenle tercüme etmek için tam tam tam tam tam bir programlama uygulamak: karar değişkenleri, kısıtlamalar ve objektif bir işlev.
Karar Değişkenleri
Örneğin, IP modellerinde en yaygın değişkenler ikili (0-1) değişkenler belirli bir zamanda belirli bir eylem alınıp alınıp alınmadığını temsil eder. Örneğin, [[Dönem:0))|Dönem:0|Dönem:) veya yedeklenme süresi ile ilgili olarak, geçici değişkenlerin bir süre içinde değişkenin değişkeni olarak, temel kararların tekrarlanabilir.
Eklenmeler
Eksler altyapı yöneticileri tarafından karşı karşıya kalan gerçek sınırlamaları ele alır: Common kısıtlamalar şunları içerir:
- [FONT=0]Budget kısıtlamaları: [Dönetici: [Dönetici:0] [Döntilmiş bütçeyi aşamaz.[Dönem:0][Dönemli[Dönemli[Dönemli)[Dönemli[Dönemli)[Düzüğün [Dönemli)[Düzüğün [Düzgülün: 9)
- [FONT:0)Kaynak kısıtlamaları: [Dönetici: 1) Sınırlı mürettebat boyutları, ekipman kullanılabilirliği veya malzeme tedariki.
- [FONT:0)Teknik kısıtlamalar:[[Dönetici:0) Örneğin, bir varlık planlama ufukta bir kez daha değiştirilemez veya belirli bakım türleri minimum gecikme ile takip edilmelidir.
- [FONT:0)Performance kısıtlamaları:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetmelik kısıtlamaları:[Dönetici: 1 ) Her varlık için kabul edilebilir koşul düzeyleri.
- [[Düzg:0)Logical kısıtlamalar:[Dönetici:[Dönetici: 1) Eğer varlık A değiştirildiyse, o zaman varlık B denetlenmelidir.
Objektif Fonksiyonlar
Hedef genellikle altyapı sisteminin toplam ömrünü en üst düzeye çıkarmak, bu da çeşitli şekillerde ölçülebilecektir. Ortak bir yaklaşım, her varlıkın asgari düzeyde hizmette kalmasını sağlamak için her türlü koşul seviyesinin üzerinde durmaktadır. Alternatif olarak, amaç, belirli bir hizmet hayatı dahil etmek için toplam yaşam döngüsü maliyetlerini en aza indirmektir.
Matematiksel olarak basit bir formülasyon olabilir:
⁇ [DÜ:0)[[DÜye: 1) ⁇ [Üye:2)[DÜye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye) ⁇
Operasyonel[Dönetici:0)[Dönetici[Dönetici:2)[Dönetici[Dönetici:0)))) ve fayda, varlığın toplumsal değerini yansıtmakta ve bu değerin işleyişini yansıtmaktadır.
Gerçek Dünya Uygulamaları
Integer programlama modelleri çeşitli altyapı alanlarına başarıyla uygulanmıştır. Aşağıda üç açıklayıcı örnek vardır.
Bridge Management Systems Systems
Ulaşım ajansları sınırlı fonlarla binlerce köprü yönetiyor. IP modelleri, Amerikan Sivil Mühendisleri Derneği (ASCE) tarafından yapılan bir çalışma, ABD Federal Otoyol Yönetimi'nin en büyük yaklaşımlarına kıyasla köprü ağının ömrünü uzatabileceğini gösterdi.
Su Dağıtım Ağı
Su boruları korrode ve zaman içinde sızıntılar geliştirir. Boruları yerleştirmek pahalı ve yıkıcıdır.Integer programlama modelleri, hizmet seviyelerini korumak için boru yedeklerini en üst düzeye kadar programlayabilir.
Road Pavement Bakım
Pavements trafik ve hava durumu nedeniyle kötüleşti. Ajanslar koruyucu bakım (örneğin, mühür kaplama) ve doğrulayıcı eylemler (örneğin, aşırı uçlular) ile ilgili optimizasyon modüllerine karar vermelidir. IP modelleri eğrileri ve bütçe döngülerinin en uygun yıllık programları üretmek için bozulmalarını ve bütçe döngüleri içerir.The World Bank's Highway Development and Management (HDM-4) sistemi tam tam tam anlamıyla programlama ilkelerine güvenen optimizasyon modülleri içerir.
Integer Programlamasını Kullanımının Faydaları
Sınıf varlık yönetimi için tam tam tam tam programlamayı benimsemek önemli avantajlar sunar:
- [FONT:0)Data-güdümlü kararlar:[[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönecimler:[Döncükler:[Döncükler:[Döncükler: 0,4, objektif analizlere öncelik vermenin ötesinde hareket eder.
- [FONT:0)Cost tasarrufları:[Döntsel kaynaklar tahsisi gereksiz onarımları azaltır ve pahalı başarısızlıklardan kaçınır.
- [FONT:0)Ölmüş yaşam süresi:[Dönetici:[Dönetici:0) Sürekli olarak varlık yaşam döngüsündeki en uygun noktalarda zaman müdahaleler erken bozulmayı önler.
- [FONT:0)Transbeveyn ticaret-offs:[Döneticiler: Karar vericiler, bütçe kesintilerinin etkisini değerlendirebilir veya genel altyapı sağlığında artış gösterebilirler.
- [FONT:0)Scalability:[Dönetici:[Dönetici: 0,3) Modeller, binlerce varlıkla ağlayabilir, birleşik bir görüş sağlayabilir.
Meydanlar ve düşünceler
Onun gücüne rağmen, tam anlamıyla programlama bir gümüş mermi değildir. Başarılı uygulama için çeşitli zorluklar ele alınmalıdır.
Data Quality ve Müsaitlik Durumu
IP modelleri doğru koşul değerlendirmelerine, bozulma oranlarına, maliyet tahminlerine ve başarısızlık sonuçlarına güveniyor. Birçok ajanslar kapsamlı veri eksikliğine sahiptir. varlık yönetimi veritabanında yatırımlar ve koşul izleme (örneğin, sensörler, denetimler) önkoşullar değildir. güvenilir veriler olmadan, model çıktıları yanıltıcı olabilir.
C ⁇ Kompleksiity
Büyük ölçekli IP problemleri hesaplamak yoğun olabilir. 30 yıllık bir ufukta 10.000 varlık ağı için, ikili değişken sayısı 300.000'i aşabilir.En iyi hesaplamaya veya bazı optimalliği feda eden heuristik yöntemlerin kullanımını en iyi şekilde çözebilir.
Uncertainty Modeling
Deterministic IP modelleri değişen koşullar altında kırılgan olan planlar üretebilir. Stokastik programlama veya sağlam optimizasyon gibi daha fazla optimizasyonlar bu konuyu ele alabilir, ancak karmaşıklıkları artırabilirler.
Organizasyon Satın Al-In
Mühendisler ve planlayıcılar "kara kutu" optimizasyon sonuçları konusunda şüpheci olabilir. Başarılı dağıtım, operasyon araştırma uzmanları ve alan uzmanları arasında işbirliği gerektirir. Eğitim ve modellerin nasıl benimsenmesi için gerekli olduğu hakkında şeffaf iletişim.
Future: Integer Programming with Machine Learning
Altyapı varlık yönetimindeki bir sonraki sınır, makine öğrenimi ile tamsayı programlamayı içerir. Makine öğrenme modelleri varlık durumu tarihsel veriler ve sensör akışlarından daha doğru şekilde bozulmayı tahmin edebilir. Bu tahminler daha sonra yeni veriler olarak adapte olan dinamik bakım programları üretmek için IP modellerine belayabilir.
Örneğin, tahmin edici bir model, belirli bir köprünün 5 yıl içinde kritik bir duruma ulaşacağını tahmin edebilir, standart bozulma eğrilerinden daha önce, IP modeli bu güncellenmiş tahmini ve yenidenschedules bakımının başarısızlığı önlemek için içerir. Bu kombinasyon, önscriptive analiz olarak bilinen ve tahmin edici öngörüleyici öngörücülerin ötesine geçmek için öngörür.
Araştırma grupları, [[0.INFORMS Analytics Society ) gibi araştırma grupları bu gelişmiş yöntemleri aktif olarak teşvik ediyor. Bilgisayar gücü büyümeye devam ediyor ve veri toplama daha ucuz hale geliyor, IP-ML hibrit sistemlerinin kamu ve özel altyapı kuruluşlarında daha yaygın kullanımını görmeyi bekleyebiliriz.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Integer programlama, altyapı varlıklarının yaşam süresini optimize edilmiş bakım ve yedek stratejileri aracılığıyla maksimize etmek için titiz bir çerçeve sağlar.Tam programlama ve yaşam döngüsü hedefleri, karar vericiler verimlilik ve varlık boyu önemli kazanımlar elde edebilir, ancak başarılı bir uygulama yüksek kaliteli veri, uygun hesaplama kaynakları gerektirir ve organizasyonel taahhütler kalırken, tam anlamıyla programlama gibi gelişmiş optimizasyon tekniklerinin benimsenmesi giderek daha da önemli hale gelecektir.