ОСОБЕННОСТИ  АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ  СИСТЕМЫ  МОНИТОРИНГА  ПРИ  РЕШЕНИИ  ИНЖЕНЕРНЫХ  ЗАДАЧ

Черёмухина  Олеся  Олеговна

студент  2  курса,  кафедра  маркшейдерского  дела,  геодезии  и  геоинформационных  систем  ПНИПУ,  РФ,  г.  Пермь

E-mail:  olesya.cheryomukhina@gmail.com

Богданец  Евгений  Сергеевич

научный  руководитель,  ст.  преподаватель  каф.  МДГиГИС  ПНИПУ,  РФ,  г.  Пермь

Решением  одной  из  важных  инженерных  геодезических  задач  является  определение  процессов  деформации,  оседания,  изменения  структуры  предметов.  Данные  явления  возникают  в  процессе  взаимодействия  объектов  друг  с  другом.  За  этими  процессами  специалисты  по  всему  миру  ведут  наблюдения.  Их  интересуют  как  количественные,  так  и  качественные  показатели.  Часто  для  этого  используют  термин  «мониторинг»,  который  происходит  от  латинского  слова  monitor  —  наблюдение,  контроль,  предостережение.  Русский  учёный  Александр  Кукуев  утверждает,  что  в  русский  язык  это  слово  попало  из  английского  и  связано  с  учебно-воспитательным  процессом,  поскольку  в  переводе  означает  «наставничество,  обучение»  [1].  Мониторинг  —  это  непрерывный  процесс  наблюдения  и  регистрации  параметров  объекта,  в  сравнении  с  заданными  критериями.  Сегодня  этот  термин  можно  встретить  в  различных  сферах  деятельности  человека:  в  медицине,  в  метеорологии,  в  строительстве,  и  т.  д. 

Конкретно  для  геодезической  сферы  мониторинг  деформаций,  как  процесс,  не  является  новейшей  разработкой.  Некоторые  характеристики  традиционной  системы  мониторинга:

·     Это  серия  измерений,  выполненная  в  течение  некоторого  времени,  с  целью  определения  изменений  геометрических  параметров  (размеров)  в  одной,  двух  или  трех  плоскостях.

·     Для  измерений  может  быть  использовано  различное  оборудование:  электронные  тахеометры,  GPS,  нивелиры,  датчики  углов  наклона  и  другое.

В  настоящее  время  все  чаще  используется  автоматизированная  система  мониторинга  (АСМ).  Ключевыми  отличиями  возможностей  автоматизации,  которая  пришла  на  смену  «традициям»,  являются:

·     Минимальное  присутствие  человека  на  объекте; 

·     Возможность  обработки  и  получения  результатов  в  реальном  времени.

Одним  из  составных  частей  автоматизированного  мониторинга  деформаций  является  сенсор  (или  датчик).  Это  первичный  преобразователь,  элемент  измерительного,  сигнального,  регулирующего  или  управляющего  устройства  системы,  преобразующий  контролируемую  величину  в  удобный  для  использования  сигнал.  Различают  активные  и  пассивные  сенсоры.  Активные  сенсоры  собирают  информацию  с  пассивных  сенсоров.

Рисунок  1.  Типы  сенсоров

Для  того  чтобы  результат  был  визуально  понятен  и  понимаем,  встраивают  вычислительный  центр,  который  производит  обработку  собранных  данных  в  количественном  виде.  Автоматизированный  мониторинг  отличается  тем,  что  включает  в  себя  оповестительный  центр,  который  сообщает  специалисту  о  возможных  чрезвычайных  ситуациях  в  реальном  времени.  Так  как  автоматизированный  мониторинг  является  непрерывным  процессом,  то  происходит  непрерывное  взаимодействие  этих  трех  составляющих. 

Для  выполнения  автоматизированного  мониторинга  уже  имеются  готовые  технические  и  программные  решения.  В  настоящий  момент  лидирующими  компаниями  в  этой  области  являются  Leica  GeoSystems,  Topcon  и  Trimble.  В  таблице  1  приведены  наиболее  распространенные  системы  мониторинга,  которые  применяются  в  мире. 

Таблица  1.

Примеры  АСМ

Из  таблицы  1  видно,  что  в  роли  сенсоров  применяются  как  геодезические,  так  и  геотехнические  приборы  —  от  электронных  тахеометров  до  датчиков  температуры  и  давления. 

На  данный  момент,  компания  Trimble  предлагает  стандартный  набор  сенсоров.  Отсутствие  модульной  системы  делает  ее  менее  гибкой  при  использовании.

Компания  Topcon  отличается  наличием  самого  большого  количества  модулей.  Текущая  версия  программы  DC3Pro  позволяет  подобрать  любую  из  четырех  возможных  конфигураций  для  мониторинга  плотин,  тоннелей,  путей  и  дорог,  масс  грунта.

Leica  GeoSystems  предлагает  такой  же  широкий  набор  сенсоров,  как  и  компания  Topcon  при  работе  с  АСМ.  Кроме  этого,  данная  компания  более  подробно  раскрывает  возможности  своего  программного  обеспечения,  а  именно:  выделяет  два  основных  модуля,  Monitor  и  Analyzer,  которые  отвечают  за  сбор  и  анализ  данных  соответственно.

И,  последнее,  говоря  об  оповестительном  центре  данных  систем,  выбор  трех  компаний  идет  в  пользу  беспроводных  средств  связи.  Это  может  быть  как  Интернет,  так  и  мобильная  связь.  Также  каждая  из  компаний  предоставляет  организацию  внешнего  доступа  данных,  что  соответствует  поддержке  онлайн  приложений.

Одной  из  отличительных  сторон  автоматизированного  мониторинга  является  определении  координат  во  времени  и  пространстве  в  реальном  времени.  Данной  составляющей  мониторинга  является  спутниковый  мониторинг  деформаций  с  помощью  специальных  встроенных  приемников,  глобальных  навигационных  спутниковых  систем,  или  сокращенно  ГНСС  (GNSS).  В  случаях  отсутствия  связи  со  спутником  координаты  можно  определить  с  помощью  TPS-систем  в  местной  системе  координат.  Анализ  мирового  опыта  по  применению  наиболее  известных  и  распространенных  GNSS-приемников  и  TPS-систем  рассмотрен  в  таблице  2.

Таблица  2.

Приемники  в  АСМ

Главным  отличительным  признаком  GNSS  мониторинга  является  независимость  от  времени  суток  и  различных  погодных  условий,  так  как  для  измерений  не  нужны  видимые  ориентиры.  Использования  технологии  GNSS  позволяет  определять  координаты  двумя  способами:  абсолютным  и  дифференциальным.  При  первом  методе  точность  может  составлять  несколько  метров.  Для  более  точных  измерений  необходимо  применять  второй  метод,  для  которого  понадобится  два  GNSS-приемника.  Один  из  них  выполняет  базовую  функцию,  он  устанавливается  в  специально  заданной  точке.  Второй  GNSS-приемник  передвигается  по  тем  точкам,  для  которых  проводится  вычисление  [7]. 

Ниже  рассмотрим  примеры  применения  АСМ  в  различных  отраслях.  Выделим  следующие  направления:

1.  Строительство  и  эксплуатация;

2.  Охрана  окружающей  среды  или  архитектуры;

3.  Горные  работы.

Направление  «Строительство  и  эксплуатация»:  проект  мониторинга  моста,  составленный  в  2010  году  в  Москве,  был  реализован  как  тестовый  вариант  и  на  данный  момент  не  применяется  [3,  с.  1].  В  данном  проекте  специалисты  были  заинтересованы  в  анализе  долговременных  и  внезапных  деформаций.  Точность  проведения  мониторинга  до  1—2  мм  и  2—3  мм,  и  дискретность  от  15  минут  и  от  1  секунды  соответственно  (Рисунок  2).  Следующий  пример  является  актуальным  ввиду  строительства  Олимпийских  объектов  в  городе  Сочи  [2].  Наличие  эффективной  транспортной  развязки  и  удобство  перемещения  по  городу  предполагает  активное  строительство  подземных  тоннелей.  Компании  застройщики  работают  с  программой  Leica  GeoMoS.  По  их  словам  система  эффективно  работает,  дает  хорошие  результаты  и  высокую  точность  проведения  работ  —  0,6мм±1  мм/км.  Дискретность  проведения  мониторинга  в  Сочи  —  2  часа,  такая  же,  как  и  в  Гонконге,  где  проводилось  аналогичное  строительство  тоннелей  в  2006  году  с  использованием  программы  Leica  GeoMoS  [6,  c.  6].  Последний  пример  в  области  строительства  —  это  строительство  подземной  линии  в  Цюрихе  (Швейцария),  где  была  применена  новая  версия  программы  мониторинга  от  Trimble,  4DC.  Дискретность  проведения  работ  составила  30  минут,  а  точность  —  1мм±1  мм/км  [8].

Следующие  примеры  рассмотрены  в  рамках  направления  «Охраны  окружающей  среды  или  архитектуры».  При  строительстве  подземной  линии  в  Цюрихе  одной  из  значимых  причин  использования  АСМ  была  охрана  архитектурных  сооружений  над  строительством  тоннелей,  т.  е.  все  те  исторически  важные  здания  не  должны  были  претерпевать  даже  малейших  деформаций  или  малейшего  изменения  геометрического  положения  сооружений.  Интересен  так  же  пример  по  охране  плотин  на  озере  Diamond  Valley  в  Канаде.  Там  проводились  не  только  работы  по  мониторингу,  но  и  изучалось,  насколько  эффективно  действует  оповестительный  центр  системы.  Была  использована  система  ALERT,  разработанная  Канадским  Центром  Инженерной  Геодезии.  Мониторинг  производился  раз  в  сутки  с  точностью  до  5  мм  [10,  c.  7]. 

Ярким  примером  в  направлении  «Горные  работы»  является  работы  на  карьере  BC  в  Канаде.  Прежде  чем  активно  использовать  систему  автоматизированного  мониторинга,  специалисты  уделили  огромное  внимание  вопросу  рефракции,  т.к.  работы  на  карьере  производились  при  различных  температурах  от  +8  до  +22  °С  в  июле  и  августе  [5,  c.  4].  Следовательно,  какой  бы  отлаженной  не  была  система  мониторинга,  всегда  надо  учитывать  максимальное  количество  факторов,  влияющих  на  процесс. 

Существует  так  же  огромное  количество  примеров,  которые  относятся  к  традиционной  системе  мониторинга.  В  России  согласно  нормативным  документам  по  охране  недр  мониторинг  выполняется  не  менее  двух  раз  в  год  [4].  Точность  работ  до  1  мм.  Однако  сбор  и  обработка  данных  не  будет  такой  же  быстрой  как  при  автоматизированном  мониторинге.  Специалист  затрачивает  больше  времени  и  ресурсов.  Данные  примеры  представлены  на  рисунке  2. 

Рисунок  2.  Область  применения  и  точность  проведения  АСМ:  Обозначения:  разделение  по  направлениям:  бежевый  цвет  —  строительство  и  эксплуатация,  зеленый  —  охрана  окружающий  среды  или  архитектуры,  темно-розовый  —  горные  работы;  пример  в  эллипсе  —  российский  опыт,  пример  в  прямоугольнике  —  зарубежный  опыт.

Согласно  рисунку  2  аналогичный  по  точности  результат  получается  при  мониторинге  раз  в  полгода,  раз  в  сутки  и  один  раз  в  час.  Это  можно  рассматривать  как  преимущество.  Когда  нужна  оперативность  и  точность  —  используют  АСМ.  В  критических  ситуациях,  связанных  с  безопасностью  жизнедеятельности  человека,  АСМ  может  снимать  показатели  с  частотой  до  1  секунды. 

Как  определить  дискретность?  Дискретность  равна  практической  целесообразности.  Все  объекты  на  земле  подвержены  изнашиванию  и  «старению».  Особенно  это  касается  жилых  объектов.  Например,  чтобы  избежать  человеческих  жертв  при  обрушении  жилого  объекта,  специалисты  устанавливают  АСМ  и  ведут  дистанционное  наблюдение  за  процессами  деформаций.  При  анализе  данных  и  некотором  прогнозе  инженеры  получают  количественную  информацию,  например,  время,  когда  деформации  достигнут  точки  разрушения.  Ввиду  предупредительного  характера  мониторинга,  целесообразно  рассчитать  частоту  проведения  работ  с  расчетом  на  время  принятия  решений  и  на  эвакуационный  период.  Представим  визуально  следующую  зависимость  времени  от  критичности  ситуации  (Рисунок  3).

Рисунок  3.  График  зависимости  времени  от  критичности  ситуации

Стремление  к  нулю  по  горизонтальной  оси  предполагает  наличие  минимального  промежутка  времени  до  точки  обрушения.  Мониторинг  помогает  обозначить  точку  предупреждения.  При  грамотном  анализе  специалистов  нахождение  критической  точки  обрушения  позволяет  обозначить  интервал  времени,  который  условно  можно  назвать  «Время  принятия  решения  и  исполнение».  Данный  период  позволяет  снизить  всевозможные  риски  проявления  неблагоприятных  последствий.  Таким  образом,  периодичность  проведения  мониторинга  должна  быть  сопоставима  со  временем  наступления  критической  ситуации  и  скоростью  реагирования  на  проявление  деформаций. 

Рассмотрим  варианты  нахождения  дискретности. 

Дискретность  проведения  мониторинга  влияет  на  количество  и  качество  данных.  Существует  прямая  зависимость  между  частотой  проведения  мониторинга  и  результатом  прогнозирования,  т.  е.  наиболее  точный  результат  получается  при  оптимально  заданной  дискретности.  Данную  тенденцию  можно  проследить  на  рисунке  4. 

Рисунок  4.  Влияние  дискретности  на  предсказание  событий

По  рисунку  4  видна  тенденция  изменения  доверительного  интервала,  и,  следовательно,  повышения  точности  прогнозирования. 

Представим  следующую  схему  определения  дискретности  проведения  мониторинга  (Рисунок  5).  Опираясь  на  проектно-аналитические  данные  и  зная  период  реагирования  на  проявление  деформаций,  можно  задать  оптимальную  дискретность.  Кроме  этого,  необходимо  сопоставлять  инструментальную  точность  и  точность  измерений,  поэтому  и  образуется  перекрытие  областей.  Причем  в  условиях  автоматизации  дискретность  не  может  быть  оптимальна,  если  ее  величина  больше  или  равна  периоду  реагирования.

Рисунок  5.  Определение  дискретности  проведения  мониторинга

Общую  схему  целесообразности  применения  АСМ  можно  рассмотреть  на  Рисунке  6.  Зная  природу  деформаций,  которая  складывается  из  скоротечности  и  величины  деформаций,  можно  вывести  период  реагирования  и  точность  измерений  из  данных  параметров  соответственно.  Далее  находим  дискретность,  которая  при  наличии  или  отсутствии  дополнительных  ресурсов,  выявляет  целесообразность  использования  АСМ.

Рисунок  6.  Алгоритм  целесообразности  применения  АСМ

Благодаря  своим  особенностям,  а  именно: 

1.  возможности  контроля  данных  в  реальном  времени  с  удаленного  места  через  Интернет  или  мобильную  сеть;

2.  возможности  осуществления  мониторинга  объектов  24  часа  в  сутки  7  дней  в  неделю  из  любой  точки  земного  шара;

3.  качественной  работе  при  расположении  сенсоров  измерительной  системы  в  недоступном  для  ручного  управления  оператором  месте;

4.  возможности  отследить  изменения  за  секунды,  минуты,  часы,  дни,  недели  или  месяцы;

АСМ  расширяет  возможности  изучения  объектов  окружающей  среды  и  обеспечивает  эффективность,  производительность  и  оперативность  при  решении  инженерных  задач. 

Список  литературы:

1.Кукуев  А.И.  Педагогический  мониторинг  личностно-ориентированного  образовательного  процесса:  дис.  к.п.н.:  13.00.01  /  Кукуев  Александр  Иванович.  Ростов-н/Д.,  2001.  —  329  с.

2.НАВГЕОКОМ.  Геодезические  приборы.  Система  мониторинга  железнодорожного  тоннеля  в  г.  Сочи.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.navgeocom.ru/projects/672/5111/  (дата  обращения  26.11.12).

3.Проект  автоматизированного  метода  ведения  постоянного  GNSS  мониторинга  объектов  и  сооружений.  Проект  мониторинг,  ЗАО  «ПРИН»,  г.  М.,  2010.  —  6  с.

4.Серия  07.  Охрана  недр  и  геолого-маркшейдерский  контроль.  Нормативное  обеспечение  охраны  объектов  от  вредного  влияния  горных  работ  и  их  ведение  в  опасных  зонах.  М.:  НТЦ  ПБ,  —  2013.  —  Вып.  8.  —  214  с.

5.Adam  Chrzanowski,  Rick  Wilkins.  Accuracy  evaluation  of  geodetic  monitoring  of  deformations  in  large  open  pit  mines.  12th  FIG  Symposium  on  Deformation  Measurements,  Baden,  May  2006.  —  11  с.

6.Calvin  Tse,  Jennifer  Luk.  Design  and  implementation  of  automatic  deformation  monitoring  system  for  the  construction  of  railway  tunnel:  a  case  study  in  West  Island  line.  2011.  —  7  c.

7.EFT  TOTAL  STATION.  Использование  GNSS  оборудования.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.eft-gnss.ru/  (дата  обращения  26.11.12).

8.EFT  TOTAL  STATION.  Системы  мониторинга  TRIMBLE.  Проект  4  —  Новая  железнодорожная  ветка  Durchmesserline  (Цюрих,  Швейцария).  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.eft-ts.ru/news/1344  (дата  обращения  26.11.12). 

9.Icentre.  Инжиниринговый  центр  ГФК.  Спутниковые  системы  точного  позиционирования.  Современные  технологии  автоматизированного  деформационного  мониторинга.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://icentre-gfk.ru/naprd/naprd_asdm_op.htm  (дата  обращения  26.11.12).

10.Rick  Wilkins,  Geoffrey  Bastin,  and  Adam  Chrzanowski.  Alert:  a  fully  automated  real  time  monitoring  system.  Proceedings,  11th  FIG  Symposium  on  Deformation  Measurements,  Santorini,  Greece,  2003.  —  8  c.