Новые информационные технологии мониторинга гидротехнических сооружений

II университета

'ЖУРНАЛ водных / / коммуникации

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Н. А. Балонин,

д-р техн. наук, проф., СПГУВК;

П. А. Гарибин,

д-р техн. наук, проф., СПГУВК;

В. Е. Марлей,

д-р техн. наук, проф., СПГУВК

НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

NEW INFORMATION TECHNOLOGIES FOR HYDRAULIC STRUCTURES

MONITORING

Рассмотрена технология автоматизированного мониторинга гидротехнических сооружений на основе сетевых компьютерных технологий, сотовой связи, математических методов.

The paper examines a technology of the automated monitoring of hydraulic structures on the basis of the network computer technologies, cellular network, mathematical methods.

Ключевые слова: мониторинг гидротехнических сооружений, шлюзовая модель, русловой процесс, методы Data Mining, VISUAL MATLAB.

Key words: hydraulic structures monitoring, lock model, bed process, Data Mining methods.

Введение

Развитие аппаратных средств [1], сетевых компьютерных технологий, сотовой связи, математических методов открывает новые перспективы в автоматизации мониторинга гидротехнических сооружений.

Вот ряд новых возможностей:

— сбор и передача данных с датчиков без компьютера с помощью мобильного телефона, имеющего выход в Интернет;

— сбор данных о состоянии гидротехнических сооружений с использованием веб-камер, для анализа отличий текущего изображения от ранее сделанных;

— размещение программ анализа данных и управления на сервере компьютерной сети вне гидротехнических сооружений;

— анализ данных, используя методы Data Mining, метод группового учета аргументов, позволяющие выявить шаблоны поведения и построить модели динамики измене -ния свойств;

— создание виртуальных моделей гидротехнических сооружений, организация непрерывного режима отслеживания результа-

тов измерений и результатов моделирования, использование моделей для прогнозирования состояния сооружений;

— организация работы научных групп с междугородним и международным участием при помощи традиционных для Интернета средств (форумов, блогов, сайтов) с доступом через эти средства к управлению и обработке информации с удаленных объектов.

В приведенном списке содержатся пункты разной степени общности, и он не исчерпывает все возможности. Рассмотрим подробнее приведенные пункты.

Интернет-мониторинг гидротехнических сооружений Рассмотрим использование данных возможностей на конкретном примере функционирования Учебно -научного центра безопасности гидротехнических сооружений (УНЦ БГТС) Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций, созданного по решению Коллегии Министерства транспорта РФ в 2003 г.

Рассматриваемые технологии могут быть применены и к реальным гидротехни-

ческим сооружениям, имеющим на настоящий момент весьма низкую контролеспособ-ность.

На сегодняшний день в составе Центра функционируют две лаборатории: гидротехническая лаборатория им. проф. В. Е. Тимоно-ва (рис. 1), лаборатория технической эксплуатации портовых сооружений.

После проведения кардинальной реконструкции помещения гидротехнической лаборатории и полного обновления стендовой базы УНЦ БГТС обладает уникальным стендовым оборудованием, в значительной мере не имеющим аналогов в России по возможности моделирования гидромеханических процессов в ГТС.

Универсальная шлюзовая модель предназначена для проведения гидравлических исследований судоходных шлюзов. Общая длина — 37,1 м, ширина лотков верхнего и нижнего бьефов — 3,2 м. Размеры камеры шлюза в плане — 10,0 х 1,0 м, высота стен — 1,0 м. Камера и головы шлюза выполнены прозрачными. Система водооборота обеспечивает стенд расходом воды до 200 л/с, что при масштабе 1:30 соответствует натурному расходу до 1000 м3/с.

Шлюзовой стенд может быть использован для проведения исследований вопросов безопасности работы судоходных шлюзов: условий входа, выхода и стоянки судов в каме-

Рис. 1. Гидротехническая лаборатория им. проф. В. Е. Тимонова

ре шлюза; навалов судов на элементы шлюза (ворота, стены); условий прорыва напорного фронта.

Стенд для исследования русловых процессов предназначен для исследования процессов в открытых русловых потоках. Лоток стенда имеет размеры в плане 40,0 х 2,0 м, высота стен — 0,7 м, головную систему водо-питания, регулируемый подъемно-опускной водослив. Может быть использован для проведения гидравлических исследований участков свободных рек; изучения работы струена-правляющих и выправительных судоходных сооружений; разработки и моделирования противопаводковых сооружений на реках.

Гидравлический лоток с волнопро-дуктором и малый стеклянный гидравлический лоток предназначены для исследования работы судоходных гидротехнических сооружений. Они оборудованы системой во-допитания и измерительными комплексами, позволяющими проводить исследования в широком диапазоне направлений.

На стендах возможны исследования моделей глухих, водосливных, земляных, камен-но-набросных плотин; вопросов прорыва напорного фронта, перелива воды через гребень плотины; динамики размыва тела плотины; волновых явлений и процессов размыва русел рек и каналов в нижних бьефах сооружений, а также исследования фрагментарных моделей

гидротехнических сооружений.

Уникальность данной лаборатории заключается в том, что гидротехнические сооружения выполнены в рабочих масштабах моделирования. В настоящее время не существует других подобных стендов, поэтому желательно облегчить доступ к ним для возможно большего числа специалистов. Наиболее рационально это осуществить с

использованием сетевых технологии, ранее не использовавшихся для этих целей.

Для реализации используем уникальный отечественный программный продукт — сетевую версию MatLab On Line (iMatLab) http:// artspb.com/matlab [2]. Использование данной программной системы обеспечивает возможность:

1) одновременной обработки результатов от многих независимых источников на одном удаленном сервере;

2) использования результатов экспериментов территориально разобщенными научными коллективами;

3) использования математического обеспечения для обработки результатов без установки его на компьютеры пользователей (технология тонкого клиента).

Несколько слов о математических инструментах в сети. В Internet Matlab (iMatLab) за основу принята стилизованная версия языка Matlab, изложенная в фундаментальной работе Дж. Голуба и Ч. Ван Лоуна «Матричные вычисления» [3]. При этом были учтены некоторые особенности интернет-языков программирования. Нумерация компонент переменных начинается не с единицы, а с нуля. Типичные матричные присвоения выглядят так же, как и в MatLab: A = [-1 - 3; 3 - 2], вектор вводится строчно b = [1 1]. Транспонирование матрицы дается унарной операцией tr (A). Матричные выражения, берутся в фи-

ш

152J

Рис. 2. Модель судна в шлюзе

гурные скобки A{B * С}, это касается также присвоения значения A{B}. Решение системы линейных уравнений Ax = b выглядит в таком случае как x = {A \ b} и т. п. Соглашения к стилизации оправданы тем, что резко упрощают сетевую версию транслятора.

Хочется отметить, что данный подход находится в русле современных тенденций и даже обладает приоритетом, поскольку только в последней из трех самых известных сетевых версий математических систем обработки данных (MatLab, Maple, Matchematica) в мае 2009 г. начались серьезные ее модификации для создания сетевой версии wolframalpha.com.

Для международного сообщества инженеров и сотрудников фирм в рамках iMatLab создан англоязычный блог http://artspb.com/ online/index.php, где представлена субмарина и прочие модели. На форуме имеются достаточно серьезные разработки участников, в частности студенческая группа из Университета водных коммуникаций непосредственно на форуме разработала виртуальную модель субмарины, демонстрируя принципиальную возможность такого способа организации работы. Ведущий сайт, форум и статьи студентов представлены на одном из наиболее развитых в университетской среде сайтов прикладного математического обеспечения http://exponenta. ru.

В качестве иллюстрации рассмотрим применение данной технологии на примере физического эксперимента на шлюзе в лаборатории им. проф. В. Е. Тимонова

На рис. 3, 4 показаны гидравлические характеристики головной системы наполнения судоходного шлюза с переливом через плоские ворота и из-под плоских ворот, на графиках приведены кривые датчиков положения затвора (в мм, красным), уровня воды (мм, голубым), гидродинамической силы (гс, зеленым) в процессе сетевого эксперимента. Данные эксперимента передаются с компьютера лаборатории через радиомодем

на сервер ¡МаЛаЬ. где данные проходят обработку (рис. 3-5).

Помимо сетевого МайаЬ ^МаЬЬаЪ), форумов, блогов, создана принципиально новая система верстки электронных книг с исполняемыми на их страницах математическими алгоритмами с доступом к реально существующим и непрерывно работающим гидротехническим объектам — оранжереям. Отдельное направление развития, предусматривает контроль, полив и отображение жизнедеятельности растений, представленные электронными книгами по фитомониторингу и интернет-микроскопии.

Математическая обработка транслируемых материалов возможна прямо здесь (сглаживание, идентификация, управление шлюзом по обратной связи и т. п.). В качестве примера приведем сценарий фильтрации сиг-

Рис. 3. Гидравлические характеристики головной комбинированной системы наполнения судоходного шлюза с переливом через плоские ворота

нала гидродинамической силы (фильтр первого порядка):

G=receive('exp01'), f=G[2], t=line(f),

N=1, D=[10 1], F=lsim(N D f(t)), g=[ f F ], F=??

В данном случае с сервера считывается выборка данных первого эксперимента, считывается столбец, отвечающий фильтруемому сигналу, задаются параметры динамического фильтра в виде коэффициентов числителя и знаменателя передаточной функции апериодического звена и выводится итог, показанный на рис. 4.

Передачу информации с компьютера шлюза на сервер на передающей стороне обеспечивает система VISUAL MATLAB (рис. 5).

Создание виртуальной модели гидротехнического сооружения позволит непрерывно осуществлять контроль и прогнозирование его состояния и уточнения модели.

Рис. 4. VISUAL MATLAB, сайт поддержки технологии: http://artspb.com

II университета

'ЖУРНАЛ водных / / коммуникации

Каждая актуализация информации о состоянии сооружения сопровождается сравнением с прогнозом модели, в случае рассогласования вышеопределенной величины прогноз по модели пересчитывается, если рассогласование растет со скоростью выше некоторой заданной, то необходимо уточнение модели.

Рис. 5. VISUAL MATLAB, сайт поддержки технологии: http://artspb.com

Список литературы

1. О национальной системе интегрального информационного обеспечения транспортного комплекса Российской Федерации. Проект концепции 2009: Федеральный закон Рос. Федерации [Электронный ресурс]. Электрон. дан. Режим доступа: www.collegian.ru.

2. Балонин Н. А. Компьютерные методы анализа линейных динамических систем: дис. ... д-ра техн. наук. — СПб., 2008.

3. Голуб Дж., Лоун Ч. Ван. Матричные вычисления. — М., 1999.

4. Интеллект системообразующий и накопление информации, дающее жизнь интеллектуальным системам / С. М. Вертешев [и др.]. — СПб., 2009.

Ю. Г. Вишневский,

канд. техн. наук, доц., СПГУВК;

Фам Ки Куанг,

аспирант, СПГУВК

О ВЛИЯНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЗАЩИЩЕННОСТИ РАДИОЛИНИЙ ШИРОКОЗОННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ НА ВРЕМЯ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ш

150J

THE INFLUENCE OF ELECTROMAGNETIC PROTECTION OF RADIO LINES OF SATELLITE BASED AUGMENTATION SYSTEMS DURING THE PERIOD

OF THEIR REHABILITATION

В статье рассмотрены взаимозависимости коэффициента электромагнитной защищенности радиолиний широкозонных дифференциальных подсистем, времени их восстановления при отказах и допустимого времени прохождения информации до судна.

In this article we introduced the factor's of interdependences of electromagnetic protection of radio lines of system SBAS, time of their rehabilitation during failure and the admissible time ofpassing information to the vessel.

Ключевые слова: электромагнитная защищенность, радиолиния, широкозонная дифференциальная подсистема, время, восстановление.

Key words: electromagnetic protection, radio lines system, SBAS, time, rehabilitation.