Ученые Пермского Политеха обучили нейронную сеть, которая теперь способна с точностью до 92% прогнозировать поведение дорожных конструкций, усиленных геосинтетическими материалами на слабых грунтах. «Эта разработка является уникальной — подобных систем для расчета конструкций дорожного полотна такого типа в мировой практике пока не существует», — сообщили UpackUnion в пресс-службе вуза.
Исследование проходило в два этапа. Сначала были проведены сотни виртуальных экспериментов с дорожными конструкциями и создана подробная база данных. Для этого использовался метод компьютерного моделирования, разбивающий дорогу на множество элементов для точного расчета ее поведения под нагрузкой тяжелой техники.
«Был протестирован ряд различных комбинаций параметров — менялись свойства грунта, характеристики дорожных слоев, тип синтетического укрепляющего материала и величина транспортной нагрузки», — описали последовательность работы в вузе.
Далее, используя накопленные данные виртуальных экспериментов, разработчики обучили нейронную сеть. Она принимает на вход 13 параметров дорожной конструкции и выдает два ключевых показателя: величину просадки полотна и напряжение в геосинтетическом материале.
«Результаты испытаний подтвердили высокую эффективность разработанной нейронной сети. Проведенные тесты показали надежность работы системы — в ходе независимых запусков точность прогнозов сохранялась в диапазоне от 88,27% до 92,06%», — поделился результатами исследований Владимир Клевеко, доцент кафедры «Автомобильных дорог и мостов» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Также в вузе отмечают, что важным преимуществом нейросети выступает ее способность выявлять наиболее значимые факторы, влияющие на прочность дорожной конструкции. Анализ показал, что ключевым фактором является прочность грунта. Именно от него зависит, насколько быстро образуется колея, и какая нагрузка ляжет на геосинтетическую сетку. Чтобы предотвратить эту проблему, наиболее важна толщина асфальтового покрытия, а для долговечности самой сетки — ее жесткость.
В перспективе ученые намерены оформить патент на программное обеспечение, что станет важным шагом для его внедрения в практику проектирования. Использование этой методики кардинально ускорит работу: сроки расчетов сократятся, при этом пропадет необходимость в дорогостоящем специализированном ПО.
Практическая значимость
В Пермском Политехе объясняют актуальность разработки, ссылаясь на кризис в отечественном лесопромышленном комплексе. За девять месяцев 2025 года объем заготовки сократился на девять процентов. Спад связан в том числе и со сложной логистикой удалённых регионов: исторически слабая транспортная сеть, осложнённая вечной мерзлотой и заболоченными землями, затрудняет строительство современных дорог. При этом наиболее богатые леса расположены в наименее доступных районах. Возникает замкнутый круг: колоссальные ресурсы остаются неосвоенными из-за отсутствия инфраструктуры, а строительство дорог в таких условиях требует существенных затрат, не окупаемых при традиционных методах.
Десятилетиями единственным решением были «зимники» — временные дороги, которые можно использовать только в морозы. Промерзший грунт служил надежным основанием, а покрытые льдом реки и болота превращались в переправы. Этот способ позволял добираться до самых удаленных участков, сводя к минимуму затраты на транспортировку.
Из-за климатических изменений — сокращения зимнего сезона на 15-20% по сравнению с показателями 30-летней давности — этот подход стал ненадежным.
«В результате возникла необходимость массово переходить с сезонных «зимников» на всесезонные дороги. Однако слабые заболоченные грунты, характерные для лесных регионов, не выдерживают тяжести лесовозов, быстро образуя глубокие колеи. Это не только ухудшает состояние дорог, но и катастрофически увеличивает стоимость перевозки. Сегодня для укрепления грунта используют геосинтетику — это прочные материалы из синтетических полимеров, которые не гниют в земле и служат десятилетиями», — пояснили в ПНИПУ.
Обычно это специальные сетки или полотна, которые укладывают между слоями дороги. Такая прослойка выполняет функцию армирования: при прохождении тяжелого транспорта она перераспределяет точечную нагрузку от колес на большую площадь, не давая щебню утонуть в мягком грунте и предотвращая образование колеи. Таким способом можно создавать устойчивые дорожные конструкции даже на сложных грунтах, что особенно важно в труднодоступных регионах с заболоченными землями или вечной мерзлотой.
«Существующие методы расчета прочности и долговечности дорог с геосинтетикой устарели. Они используют формулы и прошлый опыт, но не могут точно предсказать, как будут взаимодействовать современные материалы со сложными грунтами. В результате инженер сталкивается с риском: либо заложить в проект избыточное количество материалов, сделав его неоправданно дорогим, либо, пытаясь сэкономить, спроектировать дорогу, которая не выдержит интенсивных нагрузок и быстро разрушится», — объясняют в вузе.
Разработка Пермского Политеха, по словам исследователей, станет для проектировщиков и лесопромышленных компаний доступным инструментом при проектировании устойчивых всесезонных дорог на слабых грунтах. Это приведет к значительному снижению стоимости строительства и повысит рентабельность освоения удаленных лесных массивов. В конечном счете, снижение логистических издержек положительно скажется на себестоимости всей лесной продукции — от строительных материалов до бумаги и мебели.
Фото: Freepik.com