MACHINES AND MECHANISMS

Optimization of structural solutions for hydrotechnical facilities using digital modeling and intelligent control systems

Authors

  • Artem V. Lobanov National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26, Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337
  • Leonid I. Elkin National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26, Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337
  • Biymyrza A. Sulaimanov National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26, Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337
  • Georgiy A. Kozyrev National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26, Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337
  • Dmitriy D. Vorobyev National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26, Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337

How to cite

GOST Lobanov A. V., Elkin L. I., Sulaimanov B. A., Kozyrev G. A., Vorobyev D. D. Optimization of structural solutions for hydrotechnical facilities using digital modeling and intelligent control systems // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2026. Vol. 70. No. 1. P. 67-77.
APA Lobanov, A. V., Elkin, L. I., Sulaimanov, B. A., Kozyrev, G. A. & Vorobyev, D. D. (2026). Optimization of structural solutions for hydrotechnical facilities using digital modeling and intelligent control systems. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 70(1), 67-77.

Abstract

The article is devoted to the optimization of structural solutions for hydrotechnical facilities under conditions of increasing uncertainty in the hydrological regime and long-term material degradation, proposing a transition from static calculation schemes to digital twins integrating information modeling, computational hydrodynamics, structural analysis, and intelligent control. It is shown that the traditional representation of a concrete mass as an isotropic medium leads to systematic errors in assessing stability and filtration reliability, since aging has a pronounced zonal character and is associated with microfracturing, leaching, and cyclic freezing-thawing. Based on the analysis of long-term observation series from more than 1500 sensors and the results of laboratory tests of cores, significant discrepancies between design and actual parameters have been established: in the zone of variable water level, the filtration coefficient increases by almost two orders of magnitude, and in the contact zone, a decrease in the modulus of elasticity by 17,56% is recorded with high variability, which requires the introduction of spatially heterogeneous parameters into calculation models. Numerical modeling of the stress-strain state with subsequent topological optimization of the gravity dam profile demonstrates the possibility of reducing the concrete volume by 11,59% while maintaining normative stability margins, but reveals an increase in tensile stresses in the crest zone, necessitating local structural reinforcement. For predictive control of the filtration regime, statistical and machine learning models are compared; the highest accuracy is provided by hybrid neural network approaches with physical constraints (RMSE 0.076 m, R² 0.991), allowing early detection of anomalies and reducing the integral accident risk by 24,5%. Barriers to implementation are noted, related to the lack of unified data exchange standards, algorithm validation, requirements for computational resources, and cybersecurity of critical infrastructure; the need for continuous updating of the digital model based on monitoring data to maintain the reliability of forecasts and adaptive management of spillway regimes is justified.

Keywords

hydrotechnical facilities digital twin topological optimization concrete degradation intelligent control systems

References

Баялиева Ж.А., Нурудинов У.К., Жамангапова А.К. Потенциал гидроэнергетики, ее сильные и слабые стороны // Вестник Кыргызского национального аграрного университета им. К.И. Скрябина. 2021. № 1(55). С. 122-127.

Беспалюк Л.А., Букалова Н.П. Моделирование процессов в инженерных системах внутреннего водоснабжения и канализации // Химия. Экология. Урбанистика. 2025. Т. 3. С. 181-184.

Большев А.С., Фролов С.А., Шонина Е.В. Цифровой двойник плавучего заякоренного гидротехнического сооружения как инструмент для решения инженерно-технических задач // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2024. Т. 313. С. 49-60.

Васильев Ю.С., Кубышкин Л.И. О технологии проектирования объектов гидроэнергетики // Гидротехническое строительство. 2014. № 7. С. 2-8.

Ереско А.С., Ереско С.П. Оптимизация проектных параметров гидропривода строительных машин // Системы. Методы. Технологии. 2010. № 3(7). С. 57-63.

Ибрагимова Э.И. Применение геоинформационной системы при строительстве объектов водного хозяйства и гидроэнергетики // Экономика и управление: проблемы, решения. 2024. Т. 12. № 9(150). С. 58-63.

Качаев А.Е. Эффективность и преимущества использования информационного моделирования при обследовании гидротехнических сооружений // Наука и мир. 2025. № 3. С. 26-30.

Кузьмин Г.П. Особенности проектирования морских гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство. 2010. № 4. С. 37-40.

Лим В.Г., Нещадимов В.И., Климов Ю.Н. Применение искусственного интеллекта в системах автоматизированного проектирования и управления строительным производством // Межотраслевая информационная служба. 2005. № 4. С. 31-36.

Осадчий С.Д., Герасимович Н.М., Мусиенко С.П. Анализ и подходы к разработке проектных технологических решений реконструкции и ремонта гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство. 2007. № 8. С. 7-11.

Пупырев Е.И., Ширяевский В.Л., Герасимов В.А. Предпроектная оценка эффективности сооружений очистки воды и обработки осадков // Водоснабжение и санитарная техника. 2021. № 7. С. 41-49.

Сенников М.Н., Молдамуратов Ж.Н. Методика формирования оптимальных комплексов машин при реконструкции ГМС // Механика и технологии. 2014. № 3(45). С. 93-101.

Теличенко В.И. К вопросу информационного обеспечения принятия организационно-технологических решений при проектировании малых водоочистных сооружений // Энергосбережение и водоподготовка. 1997. № 1. С. 69-70.

Щербина В.И., Коган Е.А., Козлов Р.В., Герасимов Н.В., Тищенко А.А. Совершенствование системы мониторинга гидротехнических сооружений путем внедрения систем автоматизации КИА // Гидротехническое строительство. 2009. № 8. С. 10-14.

Янковец М.А., Гурбан О.К., Пинчук В.В. Формирование структурных решений гидроблоков управления приводов технологического оборудования при их проектировании // Актуальные вопросы машиноведения. 2025. Т. 14. С. 131-135.

Issue

Section

MACHINES AND MECHANISMS

Metrics

76 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 5 6 7 8 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.

Most read articles by the same author(s)