Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из основных задач современной науки является исследование состояний природных и техногенных объектов (сейсмически активных участков земной поверхности, строительных сооружений, прецизионных сооружений, экологически загрязненных пространств и т. д.) с целью обеспечения безопасности граждан, сохранности жилищного фонда и предупреждения чрезвычайных ситуаций. Природные и техногенные катастрофы, произошедшие в последнее время, обусловливают необходимость разработки новых приемов и методов исследования и прогнозирования состояния таких объектов.
Одним из приоритетных направлений в этой области является разработка методов геодезического контроля.
Усовершенствование измерительных и технических средств получения и обработки геодезических данных создало благоприятные условия для своевременного поступления информации, позволяющей предупредить и предотвратить опасные, аварийные ситуации на объектах.
При создании систем контроля состояния объектов решаются следующие основные задачи:
выбор объектов контроля;
выбор наиболее ответственных конструктивных элементов объектов;
назначение контрольных точек для установки приборов и измерений;
разработка методов определения контролируемых параметров;
выбор серийных или разработка индивидуальных технических средств контроля, изготовление и установка их на объекте;
проведение инструментальных и визуальных наблюдений;
определение изменения состояния объектов (фактических перемещений, напряжений и т. д.) по данным сопоставления (анализа) натурных наблюдений с результатами расчетов или с критериальными характеристиками.
Затем, на основе проведенного исследования, заказчику, проектным организациям и другим заинтересованным лицам систематически передается информация о состоянии объекта.
Однако усовершенствование технологий и методов в сфере строительства и других отраслях народного хозяйства требует создания принципиально новой, автоматизированной системы контроля состояний объектов. Значимость такой системы заключается в непрерывном, автоматизированном наблюдении за состоянием объекта с целью обеспечения безопасности жизнедеятельности, избежания чрезвычайных ситуаций, влекущих за собой огромные финансовые и моральные потери вплоть до человеческих жертв.
Автоматизированный контроль состояния жизненно важных объектов
(жилых многоэтажных сооружений, сложных инженерных конструкций,
экологических пространств) нуждается в сопровождении новыми методами
обработки, визуализации и передачи информации для своевременного принятия
решений (например, оповещения необходимых инстанций, детального
исследования объекта или экстренных мер безопасностиУ
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ і
СПекрАрг А, і I
9Ъ woWfr/ \
Система предупреждения и оповещения должна быть отнесена к разряду обязательных услуг населению.
В связи с этим изучение состояний объектов, безусловно, является актуальным и приоритетным направлением исследований.
Степень разработанности проблемы. Принципам геодезического контроля состояний объектов посвящены работы российских ученых: Асташенкова Г.Г., Барана П.И., Буденкова Н.А., Гуляева Ю.П., Жукова Б.Н., Ильина А.Г., Конусова В.Г., Лебедева Н.Н., Левчука Г.П., Лобова М.И., Михелева Д.Ш., Новака В.Е., Панкрушина В.К., Стороженко А.Ф., Черникова В.Ф., Уставича Г.А., Шаульского В.Ф., Швеца В.Б., Ямбаева Х.К. и др.
Анализ современных исследований в области геодезического контроля состояний объектов показывает на необходимость в дальнейших разработках как технологий контроля, так и методов обработки данных. В идеале, система геодезического контроля должна представлять собой автоматизированную систему оперативного обмена информацией и содержать сеть центров коммутации и абонентских пунктов, обеспечивающих обмен данными, подготовку, сбор, хранение, обработку, анализ и рассылку информации.
В настоящее время в систему геодезического контроля входит комплекс натурных наблюдений, который заключается в определении горизонтальной и (или) вертикальной составляющих общих перемещений объектов или их частей.
В работах Соколова В.И., Зюкина А.Г., Гудкова А.В. предлагается оценивать пространственно-временное состояние крупных сооружений на основе анализа математической модели, в качестве которой используется случайная векторная функция X(t), отображающая состояние объекта в форме движения точки по траектории в фазовом многомерном пространстве.
Большое внимание задаче изучения состояния объектов в многомерном фазовом пространстве уделено в работах Панкрушина В.К., где состояние объекта представлено в виде математических моделей динамических систем в форме уравнений авторегрессии, моделей типа «вход - выход», а также «вход -состояние - выход». При решении задач оптимизации, исследования устойчивости и других состояний объекта в пространстве определяемые параметры рассматриваются как множества, между элементами которых должны быть заданы определенные взаимоотношения.
Модели такого типа относятся к имитационным и используются при описании процесса функционирования объекта.
Огромное значение в задачах изучения состояния объектов имеет анализ и интерпретация результатов геодезических наблюдений.
В работах Гуляева Ю.П. изложены методы вероятностно-статистического анализа результатов геодезических измерений деформаций оснований и сооружений: обоснованы выбор и определение косвенных характеристик пространственной жесткости зданий по геодезическим данным; даны рекомендации по использованию корреляционного анализа для выявления степени зависимости между деформациями и грунтовыми, строительными
условиями и множественного регрессионного анализа для построения модели,
связывающей результаты геодезических измерений деформаций с грунтовыми и
строительными характеристиками. Результаты анализа рекомендованы
Гуляевым Ю.П. к использованию для ориентировочных расчетов при осуществлении мониторинга состояния сооружений, что повышает экономичность и надежность проектирования оснований и фундаментов.
Для исследования состояния сложных или больших объектов, гибких и недоступных покрытий в работах Барана П.И., Колесника И.Н. предложены методы использования теории линейного преобразования на основе представительных точек, фиксированных или маркированных при помощи лазерных приборов. Деформационные характеристики авторами определяются из уравнений второго порядка, представляемых в линейной форме.
В свете последних достижений науки и техники разработано новое оборудование - 3d сканер, который быстро и качественно решает проблему отображения сложных, недоступных поверхностей.
Однако задача геодезического контроля объекта предполагает не статическую модель, отображающую его состояние, а динамическую, определяющую изменение состояния наблюдаемого объекта во времени и пространстве.
Объекты, изучаемые геодезическими методами, обычно имеют сложную структуру. В связи с этим, системы геодезического контроля могут быть большими и сложными. Для оценки их состояний необходимо иметь как конкретную информацию о движении каждой точки системы, так и обобщенную информацию о движении системы и ее подсистем.
Традиционными методами оценивают функции, характеризующие изменение пространственного положения каждой точки геодезической системы в отдельности. Обобщенную же информацию о движении системы и ее структурных элементов получают в результате применения «неформальных» методов (интуиции и опыта специалиста), что влечет неоднозначность интерпретации эмпирических данных и формулирования выводов о состоянии объекта. Чтобы избежать этого, движение объекта или его частей должно иметь четкое системное математическое описание.
Переход от привычной декартовой системы координат к фазовому п-мерному пространству позволяет определять эволюцию состояния объекта (геодезической системы как единого целого) в виде явной функции координат и времени, что формализует оценку пространственно-временного состояния как всей системы в целом, так и ее подсистем, давая возможность получения объективной информации о состоянии объекта. В теоретической и прикладной геодезии получение объективной информации об объекте по геодезическим данным всегда представляет научную ценность.
Таким образом, объективно возникает противоречие между необходимостью определения состояния объекта или его частей как системы, и реальной возможностью решения этой задачи. Полное или частичное разрешение этого противоречия является основным направлением исследований в диссертации.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в усовершенствовании системы контроля изменения пространственно-временного состояния объектов по данным геодезических наблюдений, а именно: в разработке методики оценки устойчивости состояний объектов методом фазового пространства, обобщающей и формализующей информацию об объекте в целом и его составных частях.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
разработать метод оценки изменения состояния объекта и его структурных частей в виде явной функции координат и времени в фазовом пространстве;
-
выполнить интерпретацию и анализ полученных результатов;
-
выполнить прогнозирование изменения состояния объекта и его структурных элементов;
4) выполнить практическую реализацию методики оценки устойчивости
состояний объектов методом фазового пространства по геодезическим данным.
Объект и предмет исследования. В данной работе под объектом исследования понимается система геодезических знаков (СГЗ), внедренная в тело объекта (участок земной поверхности, здание, сооружение и т. д.) и контролирующая изменение его пространственного состояния.
Предметом исследования в диссертации является методика оценки изменения пространственно-временного состояния объекта по геодезическим данным с целью ответа на вопрос об устойчивости или неустойчивости объекта относительно внешней среды и характере изменений этого состояния.
Теоретическая и методологическая база исследования. При
выполнении диссертационной работы использовались основы теории системного анализа, теоретической механики и математического аппарата векторной алгебры применительно к важной задаче геодезии - определению состояния объекта по геодезическим данным. Использование известных перечисленных физических и математических основ позволяет по-новому рассматривать задачу определения состояний объектов по геодезическим данным и открывает перспективы в ее развитии.
Информационная база исследования. Исходные материалы для исследований взяты из следующих информационных источников:
имитационная экспериментальная модель эволюции системы геодезических знаков в пространстве и во времени, созданная автором;
- наблюдения за движениями и деформациями жилого реконструируемого
дома (г. Новосибирск, ул. Октябрьская, 40). Данные предоставлены ООО «Научно-
исследовательский, проектно-технологический и производственный центр
"Сибстройреконструкция"»;
- результаты геодезических наблюдений за состоянием жилого дома,
предоставленные доктором технических наук, профессором кафедры геодезии
СГТА Гуляевым Ю.П.
Научная новизна выполненной работы состоит в следующем:
-
обоснован и реализован метод оценки изменения состояний объектов по временным рядам геодезических данных в виде явной функции координат и времени в фазовом пространстве на базе принципа агрегирования;
-
определены предельные границы изменения состояния объекта в фазовом пространстве;
-
выполнено структурирование объекта на основе метода декомпозиции «от общего к частному»;
-
состояние объекта представлено в виде несвободной системы геодезических знаков, движение которой при определенных условиях можно рассматривать как движение неизменяемой системы материальных точек в пространстве, что позволяет выявлять целые (неделимые) структурные части объекта.
Теоретическая значимость:
1) обоснован и реализован метод построения математической модели
изменения состояний объектов по временным рядам геодезических данных в
фазовом пространстве, как явной функции координат и времени на базе теории
системного анализа и векторной алгебры;
2) обоснована и реализована интерпретация результатов моделирования;
3) обоснован и реализован метод структурирования объекта на базе
теоретической механики твердого тела;
4) выполнена проверка адекватности модели изменения состояния объекта
цели моделирования;
5) разработана структурная схема методологии оценки состояний
объектов в фазовом пространстве.
Практическая значимость результатов состоит в возможности:
-
применения теоретических и практических разработок, изложенных в диссертации в работах по анализу и оценке состояний объектов естественного и техногенного происхождения (здания, сооружения, участки земной поверхности, экологические пространства);
-
своевременного предсказания неустойчивых и опасных состояний объектов по предлагаемой технологии;
-
создания автоматизированной системы контроля состояния объектов с целью своевременного и оперативного предсказания неустойчивых состояний объектов, предотвращения техногенных катастроф и аварий в строительстве;
5) использования разработанного автором программного обеспечения, позволяющего автоматизировать методику оценки изменения состояний объектов по геодезическим данным.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Интерпретация свойств объекта в фазовом пространстве, как фазовых координат, характеризует его состояние в момент времени t, обеспечивая
возможность моделирования эволюции пространственного состояния системы геодезических знаков одной вектор-функцией. Анализ этой функции дает общую картину изменения состояния системы в целом, а не отдельных ее знаков, что позволяет судить об устойчивости или неустойчивости состояния объекта, периодичности или цикличности процессов, влияющих на его изменение, а также прогнозировать эволюцию состояний объектов.
2. Структурирование системы геодезических знаков методом декомпозиции позволяет рассматривать объект в виде совокупности подсистем и элементов, где каждой подсистеме можно сопоставить вектор-функцию, характеризующую эволюцию ее пространствеїшого состояния. Анализ этих функций дает информацию об эволюции пространственных состояний подсистем относительно друг друга.
Основные результаты исследования (реализация)
Научные и практические результаты внедрены в следующих научных и производственных организациях:
- Сибирской государственной геодезической академии - в учебном
процессе при проведении курсовых работ у студентов 4 курса по специальности
«Геодезия» по дисциплине «Математическое моделирование на ЭВМ» и
студентов 3 курса по специальности «Информационные системы» по
дисциплине «Моделирование процессов и систем»;
ООО «Научно-исследовательский, проектно-технологический и производственный центр "Сибстройреконструкция"» - при изучении состояния жилого реконструируемого здания в г. Новосибирске;
- ОАО «Красноярскэнерго» - при прогнозировании эволюции состояний
энергетических объектов для предотвращения аварийных ситуаций.
Апробация работы. Результаты исследований обсуждались на 15 научных конференциях, 3 международных симпозиумах, были представлены на выставках, использованы в учебном процессе и внедрены в производство, о чем свидетельствуют 3 акта.
Публикации (по теме диссертации). По теме исследования опубликовано 18 работ, в том числе основных 12, из них 3 - в журналах, входящих в Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 136 наименований, содержит 29 таблиц, 32 рисунка, 10 приложений, изложена на 167 страницах.
