ИСТРА

Введение

Посещая с сыном аквапарк и обращая внимание на конструкцию перекрытий, впустую тратя время в пробках на эстакадах и чувствуя при этом, как я и мой джип воспринимаем действие колебаний данных сооружений, бывая на технически сложных и уникальных объектах и узнавая из средств массовой информации об авариях на им подобных, я неоднократно задумывался о степени ответственности разработчика, с которой он должен подходить к проектированию систем мониторинга инженерно-технических конструкций таких объектов. Можно было бы упомянуть и о тех из нас, кто на продолжительное время оставался без электричества или связи по причине обрушения опор ЛЭП или АМС, но на значимость вопроса это не повлияет. В этой связи появился интерес к данной актуальной научно-технической задаче (проблемой её как-то особо и не назовёшь) и, я решил потратить время на её изучение и решение, используя имеющееся фундаментальное образование и опыт работы.

Итак, что же мы имеем для организации и проведения мониторинга инженерно-технических конструкций (конструктивных элементов) наших рукотворных объектов по данным открытых предложений и доступных публикаций? Во-первых, в качестве инструмента первичных измерений предлагается достаточно большое количество датчиков и преобразователей физических величин в основном иностранного производства. Однако, в перечне их технических характеристик, как правило, отсутствуют данные о точности этих средств. Во-вторых, предлагается широкая номенклатура средств сбора, регистрации и некоторой обработки информации. Что же касается обработки и анализа результатов мониторинга, говорится нечто вроде того, что «наши специалисты на высоком уровне проанализируют информацию … и т.д.». Так мониторинг инженерно-технических конструкций это искусство?! Значит, мы не в состоянии организовать оперативный дистанционный мониторинг? Каждый сеанс измерений на объекте должен анализировать доктор наук? Какие специалисты? Вроде того, который по записям виброграмм на строящемся здании с двухмесячным интервалом сделал вывод следующего содержания (не цитирую дословно, но суть сохраняю): «смещение частоты основного тона собственных колебаний в высокочастотную область на 0,005 Гц свидетельствует об увеличении жёсткости конструкции, что вызвано остеклением здания»? Какими датчиками им были зарегистрированы первичные измерения проекций линейного ускорения (тем более 7 лет назад) и откуда такая высокая точность обработки? Даже при уровне точности акселерометров, используемых для целей мониторинга на сегодняшний день, это противоречит смыслу информационного неравенства Фишера. И, главное, этот специалист сравнил между собой две случайные величины, не имея никаких априорных данных о них, чего не рискнул бы в моё время сделать ни один второкурсник нашего ВУЗа. Он, скорее всего, просто не подозревал, что имеет дело со случайными величинами.

Таким образом, уделяя должное внимание электрической и логической совместимости различного оборудования при проектировании систем мониторинга, специалисты обходят стороной вопросы задания требований по точности первичных средств измерений и последующей математической обработки и анализа результатов. Опираясь на опыт разработки и испытаний различных технических систем, наш коллектив может утверждать, что успеха в создании систем мониторинга может добиться только тот, кто хорошо освоил все особенности технологической цепочки «объект испытаний – средство измерений – потребитель результатов математической обработки и анализа измерительной информации». Русскую инженерную школу всегда отличала глубина понимания физической сущности решаемой задачи и разработка адекватных ей математической постановки и решения. Мы, следуя её традициям, не ставя во главу угла глупости от IT-химер, опираясь только на свои силы, теоретическим выводом, расчётом и опытом выстроили всю упомянутую выше технологическую цепочку и можем утверждать, что имеем полный комплекс программно-аппаратных решений для организации оперативного дистанционного мониторинга инженерно-технических конструкций зданий и сооружений различного функционального назначения.

Что в нашем понимании означает оперативный дистанционный мониторинг? Во-первых, анализ характеристик объекта (по перечню согласно Приложения Д ГОСТ Р 53778-2010) по результатам измерений под воздействием внешних возмущающих факторов только естественного происхождения (микросейсмических, техногенных, атмосферных). Это предъявляет требования по точности измерений проекций линейного ускорения на уровне не хуже 0,005 м/сек2. Ни у кого из разработчиков не встречал подобного рода априорных оценок. Не делали? Без этого, увы, нельзя. По состоянию на начало 2012 г. такие датчики с приемлемыми эксплуатационными и стоимостными характеристиками созданы. Во-вторых, участие человека-оператора в работе системы мониторинга сводится (как максимум) только к инициализации (кнопкой, манипулятором и т. п.) технологических процессов мониторинга, к фиксации факта появления сигнала тревоги и реагированию на него. Это стало возможным благодаря корректному подходу к автоматической  идентификации характеристик основного тона и наиболее значимых обертонов колебаний объекта и показателей точности их определения, а также адекватной реальным условиям мониторинга процедуре принятия решения о состоянии объекта. Также не встречал ничего подобного, видел ручные, «полуавтоматизированные» операции, сравнение с допуском и прочий «век минувший» (подобно тому, что упоминалось выше).

Ниже мы представляем некоторые наши соображения, касающиеся разработки программно-аппаратных средств для систем оперативного дистанционного мониторинга зданий и сооружений. Полные алгоритмы не представляем по известным соображениям, но всегда готовы поделиться и ими на взаимовыгодных условиях.

 

1. Общие условия проведения мониторинга
2. Общая архитектура системы мониторинга
3. Общая структура программы мониторинга

 

 

 

1. Общие условия проведения мониторинга

Система мониторинга – совокупность технических средств, предназначенных для регистрации и измерения различных параметров, включая накопление и обработку поступающей информации индивидуально для конкретного объекта.

Согласно ГОСТ Р 22.1.12-2005, в отношении данной системы применяется термин «структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений» (СМИС). Одним из объектов контроля СМИС являются инженерно-технические конструкции (конструктивные элементы) зданий и сооружений.

С технической точки зрения, цели мониторинга зданий и сооружений могут быть сформулированы следующим образом:

1. Оценка реального текущего технического состояния зданий и сооружений в условиях штатных микросейсмических, техногенных и атмосферных воздействий для выдачи рекомендаций диспетчерским службам по дальнейшей эксплуатации и ремонту.
2. Уточнение проектных значений характеристик зданий и сооружений по результатам оценки состояния в реальных условиях эксплуатации.
3. Выдача рекомендаций эксплуатирующим и проектным организациям по разработке программ, построению систем мониторинга, совершенствованию нормативной документации в области строительства.

Первая цель достигается методом оценки и прогнозирования технических характеристик зданий и сооружений по результатам измерений статических, кинематических и динамических параметров состояния. В качестве оцениваемых характеристик могут использоваться тренды в изменении частот форм собственных колебаний, логарифмических декрементов затухания и др.

Основной метод достижения второй цели – проверка адекватности расчётных математических моделей, используемых в проектировании зданий и сооружений, реальным условиям эксплуатации. В качестве исходных данных для её решения могут использоваться статистики технических характеристик зданий и сооружений по результатам наблюдений за период мониторинга. Результатами её решения являются подходящие опытно-теоретические оценки этих характеристик. Необходимость её реализации в системах мониторинга зданий и сооружений обусловлена следующими обстоятельствами:

• проектные (расчётные) значения динамических характеристик здания определяются по приближённым моделям и эмпирическим зависимостям, которые не всегда полно учитывают внешние факторы (не являются адекватными реальным условиям);
• динамические характеристики зданий изменяются с течением времени под воздействием внешних возмущающих факторов (микросейсмических, техногенных, атмосферных);
• в каждом сеансе мониторинга влияние внешних факторов различно и оценки динамических характеристик являются случайными величинами (статистиками), не отражающими реальной картины правильности принятых проектных решений и действительного состояния здания при их единичном использовании;
• измерения, используемые в ходе оценивания динамических характеристик здания, искажены случайными погрешностями, статистические характеристики которых в общем случае неизвестны.

Анализ известных публикаций, показывает, что разработчики методов и систем мониторинга не в полной мере учитывают данные условия. В основу методического обеспечения систем мониторинга, как правило, закладывается идея простого сравнения текущих динамических параметров зданий и сооружений с расчётными (проектными) значениями. Далее вычисляются обобщённые показатели износа здания. С точки зрения математической статистики, реализация идеи простого сравнения текущего значения характеристики с расчётным связана с возрастанием вероятности ошибок как первого, так и второго рода. Поэтому учёт отмеченных условий на этапе разработки систем мониторинга представляется актуальным.

2. Общая архитектура системы мониторинга

В основу построения рассматриваемых систем стационарного мониторинга зданий и сооружений положены следующие физические явления:

• каждому зданию или сооружению присущ индивидуальный комплекс значений динамических характеристик колебаний, отображающий свойства подстилающего грунта (основания), фундамента, строительных материалов, особенности объекта, а также их изменения во времени и нарушение целостности строительной конструкции в ходе эксплуатации;
• выходные динамические характеристики колебаний объекта (на частотах собственных форм), регистрируемые датчиковой аппаратурой, формируются под постоянным действием микросейсмических, техногенных и атмосферных (ветровых) нагрузок.

Для определения динамических характеристик колебаний объекта в рамках неразрушающего контроля также может использоваться метод динамического нагружения конструкции.

В соответствии с ГОСТ Р 22.1.12-2005 архитектура системы стационарного мониторинга включает следующие элементы:

1. Цифровые датчики контроля изменения параметров состояния инженерных несущих конструкций.
2. Комплекс средств автоматизации (для организации сбора, обработки, передачи информации во внешнюю автоматизированную диспетчерскую систему управления).
3. Многофункциональная кабельная система (кабеленесущие конструкции, электрические и слаботочные кабели, коммутирующие устройства).
4. Программное обеспечение.

Определение конкретного облика системы требует решения следующих основных задач:

1. Разработки системы критериев и методов оценки текущего и прогнозируемого технического состояния зданий и сооружений.
2. Определение состава и размещения датчиковой аппаратуры.
3. Технического проектирования системы сбора и обработки измерительной информации.

Критериями оценки технического состояния зданий и сооружений, их отдельных блоков, узлов и элементов являются численные значения параметров динамических характеристик колебаний объекта (определяемые во времени и пространстве):

• частоты и формы собственных колебаний;
• величины амплитуд смещений, скоростей смещений и ускорений в точках измерения;
• параметры затухания;
• передаточные функции грунт – фундамент, фундамент – этажи;
• компоненты динамических деформаций, напряжений и др.

Согласно Приложения Д ГОСТ Р 53778-2010, в паспорте здания (сооружения) указываются используемые в качестве таких критериев периоды и логарифмические декременты основного тона собственных колебаний вдоль большой, малой и вертикальных осей, а также крены здания вдоль большой и малой осей. Также предлагается использовать передаточные функции, построенные для различных по высоте участков здания.

Под передаточной функцией части здания понимается отношение компонентов спектров мощности зарегистрированных сигналов в двух точках здания, а именно: в месте динамического воздействия, заданного, например, в виде широкополосного импульса от неупругого удара, и в месте регистрации отклика от этого воздействия, прошедшего через рассматриваемую часть здания.

Методы определения динамических характеристик колебаний объекта, спектрального анализа функций (в данном случае – записей виброграмм) известны. Разработка новых и модификация известных методов решения указанных задач в настоящем отчёте продиктована общими условиями мониторинга в части специфики получаемой измерительной информации.

Задача определения состава и размещения датчиковой аппаратуры для организации стационарного мониторинга зданий и сооружений осуществляется при проведении проектных, строительных и монтажных работ для вновь строящегося объекта; планового капитального ремонта – для объектов находящихся в эксплуатации. Исходные данные для её решения содержатся в программе мониторинга и паспорте здания. Количество, типы и места размещения приборов определяются характером контролируемых элементов конструкции и здания в целом (математической моделью здания  в виде точечных масс, их размещения, степеней свободы, на основе которых рассчитываются собственные частоты, и т.д.), а также утверждённым проектом или нормативным документом перечнем критериев оценки технического состояния.

Имеющиеся многофункциональные цифровые датчики позволяют реализовать с требуемой точностью измерения в каждой точке установки проекций вектора ускорения на три ортогональные оси, углов наклона относительно горизонтальной плоскости по двум ортогональным направлениям. Данный состав измеряемых параметров является достаточным для определения рассмотренных выше критериев оценки технического состояния объекта.

Техническое проектирование системы сбора и обработки измерительной информации предполагает разработку протоколов обмена данными между датчиковой аппаратурой и оборудованием автоматизированных рабочих мест управления, обработки и анализа измерительной информации, способов передачи и записи информации, прокладки кабельной сети, коммутации, конфигурирование аппаратуры управления и обработки.

Программно-математическое обеспечение системы должно включать следующие методики:

• первичной обработки измерений, расчёта статических, кинематических, динамических параметров состояния объекта, вычисления статистических характеристик результатов измерений, отбраковку аномальных измерений;
• статистического оценивания текущих значений характеристик состояния объекта;
• формирования сигнала тревоги в случае превышения критического значения контролируемого параметра;
• прогнозирования значений характеристик состояния объекта на заданный период;
• вычисления подходящих опытно-теоретических значений характеристик состояния объекта по результатам наблюдений за период мониторинга;
• выработки решений по дальнейшей эксплуатации объекта.

Разработанные протоколы обмена информацией и конструктивные возможности для объединения многофункциональных цифровых датчиков в единую измерительную систему позволяют их использовать в составе систем мониторинга зданий и сооружений.

3. Общая структура программы мониторинга

 Предложения по формированию программы мониторинга представлены на рисунке 1.

Рисунок 1

На рисунке 1 приняты следующие обозначения:

– подходящее опытно-теоретическое (текущее) значение характеристики объекта, полученное по результатам j-того периода мониторинга. До начала первого периода принимается равным проектному значению характеристики и далее уточняется.

– оценка характеристики, полученная по результатам j-то периода мониторинга (по M данным i-тых этапов, i=1,…,M).

– прогнозируемое по  значение характеристики на дату j-того периода. Используется для принятия решения о дальнейшей эксплуатации объекта и планирования ремонтных работ.

– значение характеристики, полученное по данным измерений i-того этапа мониторинга в j-том периоде.

– критическое значение характеристики, при котором дальнейшая эксплуатация объекта должна быть прекращена. Определяется проектной организацией и используется для формирования сигнала тревоги.

Содержание программы обосновывается исходя из общих условий, рассмотренных в п. 1, и следующих соображений:

1. Объект мониторинга находится под постоянным воздействием большого числа возмущений геофизического (микросейсмического, атмосферного и др.) и техногенного характера. Эти возмущения носят случайный характер и их однозначное повторение от одного сеанса измерений к другому невозможно. Поэтому динамические характеристики объекта, полученные по данным конкретного сеанса измерений, носят случайный характер и являются реализациями неизвестных истинных значений характеристик. В силу центральной предельной теоремы, закон распределения таких реализаций можно считать примерно нормальным.
2. Динамические характеристики объекта постоянно эволюционируют во времени в силу естественных изменений в элементах конструкции объекта. Причём, значимые изменения относятся к достаточно продолжительному временному периоду.
3. Проектные значения характеристик, вычисляемые, как правило, по приближённым полуэмпирическим зависимостям, хотя и являются неслучайными, сами носят приближённый характер. Поэтому простое сравнение опытной реализации с допуском возможно только в исключительных критических ситуациях.
4. В рамках одного периода мониторинга динамические характеристики объекта относительно стабильны, т.е. имеют незначительный разброс от этапа к этапу. Данный разброс обусловлен незначительными вариациями возмущений и условий проведения измерений.

Мониторинг объекта в соответствии с предложенной программой организуется следующим образом:

1. Программой предусмотрена периодичность мониторинга с целью определения оценок текущих значений динамических характеристик объекта . Полученные оценки используются для проверки согласия их расчётных или полученных на предыдущих этапах мониторинга значений  с опытными данными. Если  согласуется в статистическом смысле с  , то она принимается в качестве текущего значения динамической характеристики, указываемой в отчётных материалах. В противном случае  корректируется.
   Продолжительность каждого j-того периода целесообразно принимать соответствующей условному делению года (зима - лето или зима – весна – лето - осень, исходя из соображений стабильности температуры, состояния грунта и т.д.).
2. В рамках каждого периода предполагается проведение измерений за M этапов, каждый из которых предполагает получение реализаций оценок динамических характеристик по данным измерений. По полученным реализациям вычисляются оценки , а также контролируется отсутствие на объекте предпосылок аварийной или опасной ситуации путём сравнения с  .
   В отношении периодичности повторения каждого этапа существуют различные мнения специалистов, от организации непрерывного мониторинга до нескольких недель или месяцев. По продолжительности этапа – от единиц до нескольких десятков минут.
3. В целях принятия решений о дальнейшей эксплуатации объекта и планирования ремонтных работ предусматривается прогнозирование динамических характеристики на заданную дату по их текущим значениям, оценённым в j-тых периодах на протяжении жизненного цикла.