Информационно-аналитическая система мониторинга механической безопасности конструкций сложного инженерного сооружения
INFORMATION AND ANALYTICAL SYSTEM FOR MONITORING MECHANICAL SAFETY OF CONSTRUCTIONS OF COMPLEX ENGINEERING STRUCTURES

Изобретение относится к области мониторинга сложных инженерных сооружений, а именно для оперативного контроля состояния элементов конструкций сложных и уникальных инженерных сооружений, таких как мосты, плотины, большепролетные и высотные здания и т.п.
Из уровня техники известна система для мониторинга искусственных сооружений высокоскоростной магистрали (Патент RU 2698419), которая обеспечивает безопасность путем автоматического, в режиме реального времени информирования о критическом изменении состояния конструкций искусственных сооружений, контроля интегральных характеристик конструкций, снижения риска утраты конструкциями свойств, определяющих их надежность, снижения риска разрушения конструкций, перехода в ограниченно работоспособное состояние, аварийное состояние, обеспечение проведения работ периодического мониторинга. Система содержит блок мониторинга опор, включающий двухосевые датчики наклона опор и трехосевые датчики вибрации, блок мониторинга пролетных строений, включающий двухосевые датчики наклона пролетных строений и трехосевые датчики вибрации, блок мониторинга верхнего строения пути, включающий датчики линейного перемещения рельсов, рельсовых плит и балок, блок мониторинга внешних климатических воздействий, включающий датчики контроля скорости и направления ветра, влажности, температуры окружающей среды и узлов конструкции искусственного сооружения, давления, интенсивности и количества осадков, блоки сбора и преобразования данных, блоки сравнения измеряемых датчиками сигналов с их критическими данными, блок обработки и анализа данных мониторинга искусственного сооружения, блок диагностики датчиков по уровню их технической надежности, блоки сравнения измеряемых датчиками сигналов с их критическими данными, сервер обработки и анализа данных мониторинга.
Недостатком известного изобретения является отсутствие возможности проведения в реальном времени непрерывного контроля, с высокой точностью (до двух миллиметров в плане и трех миллиметров по высоте), пространственных перемещений элементов конструкции искусственного сооружения, из-за отсутствия в составе предлагаемой системы измерительной аппаратуры, использующей сигналы спутниковых навигационных систем. Использование в системе датчиков линейного перемещения позволяет измерять лишь относительные перемещения элементов конструкции (попарно) в одной плоскости. В системе не раскрыта методика анализа данных и оценки состояния искусственного сооружения, не применяется математическое (конечно-элементное) моделирование конструкции искусственного сооружения для получения оценок состояния элементов конструкции и их остаточного ресурса.
В качестве ближайшего аналога заявленного изобретения выбрана система спутникового мониторинга смещений инженерных сооружений с использованием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, описанная в патенте RU 2467298. Система предназначена для определения пространственных смещений с целью заблаговременного предупреждения о тенденциях изменений геометрических параметров сооружения в сторону критической ситуации. Система содержит аппаратно-программный комплекс датчиковой и преобразующей аппаратуры, включающий: двухчастотные приемники ГЛОНАСС/GPS, датчики наклона, метеостанцию с датчиками температуры, относительной влажности, давления, датчиками силы и направления скорости ветра, датчиками осадков, датчиками солнечной радиации, каналообразующие средства связи, общую шину информационного обмена; базовую станцию с приемниками ГЛОНАСС/GPS и каналообразующими средствами связи; объектовый центр мониторинга, включающий: автоматизированное рабочее место оператора с ПЭВМ на базе процессора, каналообразующие средства связи.
Однако, использование двухчастотных навигационных приемников ГЛОНАСС/GPS в данной системе не позволяет получить более точные и достоверные результаты измерения смещений конструкций. Система не производит расчет остаточного ресурса конструкций, не обеспечивает возможность непрерывного контроля в режиме реального времени напряженностей элементов конструкции для диагностики напряженно-деформируемого состояния, так как в данной системе не применяются тензометрические датчики.
В свою очередь, предлагаемое изобретение представляет собой дальнейшее совершенствование систем, предложенный в аналогах, и предназначено для автоматизированного контроля, в режиме реального времени, состояния конструкций сложного инженерного сооружения, обнаружения потенциально опасных деформаций и нарушений целостности элементов конструкции, используя четырехсистемные мультичастотные приемники глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS/Galileo/BeiDou, а также для прогнозирования разрушения или потери устойчивости конструкции и предоставления результатов мониторинга и прогнозирования потребителям посредством информационного сервиса.
Техническим результатом является повышение достоверности оценки состояния и остаточного ресурса конструкции сложного инженерного сооружения, повышение оперативности доведения до потребителей актуальной информации о рисках разрушения или потери устойчивости конструкции сложного инженерного сооружения, а также обеспечение интеграции, реализуемого предлагаемой системой информационного сервиса с внешними системами для построения решений по обеспечению комплексной безопасности сложных инженерных сооружений.
Для достижения технического результата информационно-аналитическая система мониторинга механической безопасности конструкций сложного инженерного сооружения включает в себя пользовательский интерфейс и веб-сервис, обеспечивающие контроль состояния сложного инженерного сооружения и предоставление информации о состоянии сложного инженерного сооружения по данным сервера, связанного с множеством устройств контроля параметров сложного инженерного сооружения и факторов окружающей среды, выявляющего опасное состояние данного сложного инженерного сооружения, исходя из анализа его параметров, при этом пользовательский интерфейс представляет собой тематический портал, размещенный в корпоративной сети или сети Интернет, обеспечивающий контроль состояния сложного инженерного сооружения и хранящийся на веб-сервере, связанном при помощи системы SCADA и посредством каналов связи, поддерживающих протоколы TCP/IP и/или Modbus, с множеством внешних устройств контроля параметров сложного инженерного сооружения и факторов окружающей среды, выбранных из перечня, включающего тензометры, инклинометры, датчики линейного перемещения, датчики вибрации, датчики температуры, датчики метеостанции, четырехсистемные мультичастотные приемники глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS/Galileo/BeiDou. Веб-сервер выявляет опасное состояние сложного инженерного сооружения, исходя из анализа динамики изменения контролируемых параметров сложного инженерного сооружения, расчета остаточного ресурса и оценки вероятности отказов элементов сложного инженерного сооружения и прогнозирования возможных сценариев развития опасного состояния сложного инженерного сооружения.
На фиг. 1 представлена общая схема информационно-аналитической системы.
На фиг. 2 схематично представлен алгоритм работы информационно-аналитической системы.
Текущие измерения от датчиковой аппаратуры, включающей датчики угла наклона, вибрации, температуры, линейного перемещения, тензометрические датчики и данные от аппаратно-программных комплексов, использующих сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и метеостанции собираются и обрабатываются в подсистеме сбора и обработки информации (СОИ). Обмен данными между датчиковой аппаратурой, аппаратно-программным комплексом ГНСС и подсистемой сбора и обработки информации осуществляется с помощью SCADA-системы и программных ОРС-серверов по протоколам Modbus RTU, Modbus TCP с интерфейсами RS-485/422 и Ethernet по сетям ТСРЯР. Форматы и протоколы данных, передаваемых от датчиковой аппаратуры и аппаратно-программных комплексов ГНСС определяются разработчиками аппаратуры и комплексов, преобразование форматов данных обеспечивается драйверами сопряжения датчиковой аппаратуры и аппаратно-программных комплексов ГНСС со SCADA-системой.
В подсистеме СОИ структурированные данные об измеряемых параметрах и о состоянии датчиковой аппаратуры и аппаратно-программных комплексов ГНСС записываются в базу данных, входящую в состав сервера баз данных, неструктурированные измерения и служебная информация от аппаратно-программных комплексов ГНСС записывается в виде файлового хранилища в форматах RANGECMP, RTCM. SCADA-система и сервер баз данных взаимодействуют с помощью структурированного языка запросов SQL. Сервер баз данных формирует структуры, содержащие следующие наборы данных: оперативные данные; исторические данные; исходные данные.
Исходные данные формируются в базе данных при построении подсистемы и содержат описание структуры конструкции сложного инженерного сооружения, характеристики элементов конструкции, перечень и классификацию внешних воздействующих факторов с оценкой рисков их наступления, оценки угроз, результаты математического (конечно-элементного) моделирования конструкции, используемые в качестве входных данных для анализа технического состояния сложного инженерного сооружения. В результате математического моделирования сооружения определяются элементы конструкции, подверженные максимальным нагрузкам и деформациям, рассчитываются предельные значения напряженностей, вертикальных и горизонтальных прогибов и смещений элементов конструкций, рассчитываются значения свободных колебаний элементов конструкций.
Оперативные данные формируются и обновляются в базе данных в соответствии с темпом поступления текущих (актуальных) измерений параметров мониторинга.
Исторические данные формируются по мере накопления измерительной информации, данных об изменении порогов предаварийного и аварийного состояния и вероятностей возникновения аварии (перехода в аварийное состояние).
На базе веб-сервера работают две подсистемы: подсистема анализа и прогнозирования технического состояния (АиПТС) и подсистема взаимодействия с пользователями и внешними системами (ВПВС).
Веб-сервером в составе предлагаемого изобретения может выступать программно-технический комплекс, построенный на базе промышленного компьютера или серверной ПЭВМ стоечного исполнения под управлением серверной операционной системы Microsoft Windows Server с архитектурой х86-64. Могут быть применены аналогичные программно-технические комплексы.
Подсистема анализа и прогнозирования технического состояния (АиПТС) работает под управлением веб-сервера и взаимодействует с сервером баз данных с помощью структурированного языка запросов SQL, реализуя следующие функции:
- автоматизированная оценка состояния (вероятности перехода в аварийное состояние) конструкций сложного инженерного сооружения;
- прогнозирования остаточного на текущий момент ресурса конструкций сложного инженерного сооружения;
- определение элементов конструкций сложного инженерного сооружения, требующих дополнительного обследования или ремонтно-восстановительных работ;
- прогноз возможных аварий.
Вероятность перехода элемента конструкции в аварийное состояние p(t) описывается функцией:
вepx.
ниж.
где t и t - время достижения функциями, ограничивающими разброс значений параметра, порога перехода в аварийное состояние. В(а, b) - Бета функция.
Вероятность перехода конструкции, состоящей из i-элементов в аварийное состояние вычисляется следующим образом:
В подсистеме АиПТС собранная в базе данных измерительная информация анализируется относительно расчетных пороговых значений. Оценивается динамика (скорость) изменения показаний по каждому измеряемому параметру и фиксируются превышения заданных пороговых значений. Опасной ситуация диагностируется и регистрируется как событие в базе данных, начиная с роста значений измеряемого параметра по модулю с превышением порогов предаварийного состояния и далее с прогнозом на достижение (или превышение) порогов аварийного состояния без возврата в зону допустимых значений.
По каждому зарегистрированному событию рассчитывается вероятность перехода в аварийное (опасное) состояние взаимосвязанного элемента конструкции.
По мере накопления событий в привязке к шкале времени они выстраиваются в цепочки и группируются в соответствии с принадлежностью сгенерировавшего событие параметра к элементам конструкции. Для каждого элемента выбирается наибольшая вероятность перехода в аварийное (опасное) состояние из соответствующей группы. Производится вычисление остаточного ресурса для каждого элемента конструкции. Для каждого элемента конструкции из набора исходных данных выбираются соответствующие прогнозные сценарии развития опасной ситуации, заранее сформированные и записанные в базу данных.
Сценарии возникновения опасной ситуации ранжируются по тяжести последствий и вероятности отказа элементов сложного инженерного сооружения.
В результате, подсистема АиПТС выявляет опасное состояние сложного инженерного сооружения, исходя из анализа динамики изменения контролируемых параметров сложного инженерного сооружения и сценариев перехода сложного инженерного сооружения в опасное (аварийное) состояние.
Подсистема взаимодействия с пользователями и внешними системами (ВПВС) предоставляет информационные сервисы оценки вероятности перехода сложного инженерного сооружения в аварийное состояние, оценки остаточного ресурса сложного инженерного сооружения и подготовки рекомендаций для снижения рисков возникновения техногенных чрезвычайных ситуаций. Подсистема ВПВС работает на базе веб-сервера, который обеспечивает работу тематического портала (веб-сайта) и веб-сервисов. Взаимодействие с пользователями осуществляется посредством графического интерфейса тематического портала в форме отображения информации в графическом, табличном и текстовом виде. Взаимодействие с внешними системами обеспечивается веб-сервисом, построенным в соответствии с архитектурой REST с использованием протоколов и стандартов HTTP, XML, JSON.
Изобретение может применяться для мониторинга механической безопасности объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта, например - железнодорожного мостового перехода. При создании информационно-аналитической системы мониторинга механической безопасности сложного инженерного сооружения (ИАС МБСИС) железнодорожного мостового перехода проводится инструментальное и визуальное обследование конструкций объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта, выполняется построение конечно-элементной модели конструкций объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта, позволяющее исследовать влияние нагрузок на изменение напряженно-деформированного состояния элементов конструкции, выявить влияние повреждений отдельных элементов конструкции на изменение напряженно-деформированного состояния остальных элементов, оценить влияние внешних воздействий и нагрузок на смещения (перемещения, прогибы) элементов конструкций. В результате обследования и моделирования получается набор исходных данных, включающий:
- элементы и узлы конструкции, подверженные наибольшим нагрузкам и деформациям, принимаемые за контролируемые точки и определяющие места размещения измерительной аппаратуры;
- прогнозы возможных последствий для устойчивости и целостности конструкций в случае превышения напряженностей или допустимых деформаций и смещений в контролируемых точках (узлах, элементах конструкций);
- предельно допустимые напряжения в элементах конструкции под нагрузкой;
- предельные значения перемещений узлов элементов конструкции;
- расчетные частоты собственных колебаний конструкции.
Подготовленные данные записываются в хранилище в виде структур реляционной БД и используются для расчета вероятности отказа элементов конструкций объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта по мере накопления информации от измерительной аппаратуры.
На основе исходных данных определяется состав комплекса технических средств системы, включающий:
- комплект датчиковой и преобразующей аппаратуры, устанавливаемой непосредственно в контролируемых точках железнодорожного мостового перехода;
- аппаратно-программный комплекс ГНСС (АПК ГНСС), включающий измерительные модули ГНСС (мультичастотные приемники ГНСС ГЛОНАСС/GPS/Galileo/BeiDou), устанавливаемые в контролируемых точках на верхнем поясе ферм железнодорожного мостового перехода и локальную базовую станцию ГНСС, устанавливаемую в непосредственной близости от объекта инфраструктуры железнодорожного транспорта на геодезический репер или на железобетонную опору, заглубленную в землю не менее, чем на глубину промерзания;
- сервер, размещаемый на объекте инфраструктуры железнодорожного транспорта и обеспечивающий работу SCADA-системы и СУБД;
- сервер, размещаемый на объекте инфраструктуры железнодорожного транспорта и обеспечивающий работу веб-сервера;
- рабочие станции (ПК) пользователей;
- средства связи, обеспечивающие канал передачи данных между датчиковой и преобразующей аппаратурой, АПК ГНСС, серверами и рабочими станциями пользователей.
Средства связи включают:
- коммутаторы;
- медиаконвертеры (устройства преобразования Ethernet канала в оптоволоконный канал связи);
- преобразователи интерфейсов (RS-232/422/485 в Ethernet).
Комплект датчиковой и преобразующей аппаратуры включает:
- тензодатчики (тензометры), размещаемые на продольных и поперечных балках верхнего и нижнего поясов ферм железнодорожного моста;
- датчики температуры (температуры поверхности металлоконструкций), размещаемые на продольных и поперечных балках верхнего и нижнего поясов ферм железнодорожного моста;
- датчики линейного перемещения, размещаемые на краях ферм железнодорожного моста;
- датчики вибрации, размещаемые на опорах и на балках нижнего пояса ферм железнодорожного моста;
- инклинометры (датчики угла наклона), размещаемые на опорах и на балках нижнего пояса ферм железнодорожного моста;
- датчики метеостанции (датчики скорости и направления ветра), размещаемые на верхнем поясе ферм железнодорожного моста.
На основании подготовленных исходных данных выбираются следующие контролируемые параметры:
- напряжения в наиболее нагруженных элементах конструкции;
- перемещения контрольных точек;
- наклоны промежуточных опор;
- частоты собственных колебаний опор;
- частоты собственных колебаний конструкций;
- температура конструкций;
- данные локальной метеостанции (скорость и направление ветра).
Результатом работы системы будут следующие выходные данные:
- величины контролируемых параметров;
- информация о состоянии датчиковой и преобразующей аппаратуры и АПК ГНСС, сообщения об изменении состояний («неисправность», «нет связи», «обслуживание»);
- сообщения и сигналы о превышении контролируемыми параметрами пороговых значений («предупреждение», «тревога»);
- рассчитанные значения вероятностей перехода элементов конструкции в аварийное состояние;
- остаточные ресурсы конструкций и их составных частей;
- информация о возможных сценариях развития опасных ситуаций (разрушений конструкций, нарушения целостности, потери устойчивости);
- варианты действий по предотвращению развития аномальной (опасной) ситуации.