СИСТЕМА СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА СМЕЩЕНИЙ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ГЛОНАСС/GPS
SYSTEM OF SATELLITE MONITORING OF ENGINEERING FACILITIES DISPLACEMENTS USING SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS GLONASS/GPS

Изобретение относится к области автоматизированных систем мониторинга смещений инженерных сооружений и может быть использовано для ведения непрерывного контроля смещений и колебаний элементов конструкций мостов, плотин, башен и других инженерных сооружений с целью ранней диагностики целостности сооружения, а также оперативного обнаружения первичных признаков (предвестников) потери устойчивости сооружения, главным образом промышленных и социально значимых сооружений, связанных с массовым посещением людей, к которым относятся и спортивные сооружения, здания, промышленные объекты и др.
При создании систем мониторинга решаются следующие основные задачи:
- выбор объектов контроля (тип конструкций, число контролируемых однотипных конструкций);
- выбор наиболее ответственных конструктивных элементов сложных конструкций, определение в них опасных сечений и 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 фактических смещений, напряжений, усилий в контролируемых конструктивных элементах;
- определение (оценка) технического состояния конструкций по данным сопоставления (анализа) натурных наблюдений с результатами расчетов или с критериальными характеристиками;
- определение габаритов размеров сложного инженерного сооружения (размеры в плане и по высоте).
До настоящего времени на конструкции упомянутых выше объектов устанавливались механические приборы.
Недостатком механических приборов является необходимость проведения измерений в ручном режиме с последовательным обходом точек контроля. Для постоянного слежения за состоянием конструкций, а также непрерывной регистрации и хранения полученной информации требуется применение электромеханических и электронных высокоточных и малогабаритных приборов, позволяющих проводить измерения, обработку, передачу данных в автоматизированном режиме и осуществлять их хранение в режиме накопления, формирования банка информации.
Во всем мире технически сложное и масштабное строительство таких сооружений, как дворцы спорта и спортивные сооружения, не обходится без средств непрерывного геодезического мониторинга как на стадии строительства, так и при эксплуатации. Современные сложные сооружения в результате влияния природных и техногенных воздействий различного характера испытывают значительные статические и динамические нагрузки, вызывающие смещение элементов и узлов, перенапряжение и деформацию несущих конструктивных элементов.
Переменные динамические нагрузки вызывают резонансные процессы конструкции инженерного сооружения (ИС). Совпадение наведенных частот от воздействия внешних факторов с собственными резонансными частотами конструкции ИС вызывает резкое (скачкообразное) увеличение амплитуды колебаний, нередко проводящее к разрушению строения.
Спутниковые методы мониторинга позволяют определять как перемещения конструкций, так и резонансные частоты колебаний конструкций.
Актуальность мониторинга ИС заключается, с одной стороны, в эффективности инженерно-технических решений, соблюдении технологических и эксплуатационных регламентов, естественном старении сооружения, влиянии человеческого и природных факторов и, как следствие, - в угрозе их обрушения, а с другой - в возможности отслеживания первичных признаков (предвестников) аварии или обрушения.
К наиболее вероятным человеческим факторам следует отнести: ошибки инженерно-технических решений и расчетов, нарушение технологии при создании и эксплуатации ИС, агрегатов, электрических сетей и коммуникаций, а также преднамеренные и непреднамеренные действия, в результате которых может произойти нарушение целостности ИС (разрушение конструкционных элементов, отдельных узлов, агрегатов и сооружения в целом) и др. Несоблюдение условий эксплуатации, связанных с возникновением резонансных колебаний, может привести к весьма значительным разрушениям и серьезным социально-экономическим последствиям.
К основным природным факторам относятся: смена времени года, суточные колебания температуры и солнечная активность (наличие прямого солнечного излучения), изменение силы и направления ветра, количество осадков, сейсмические факторы. Как следствие этого, происходят просадки и смещение фундамента. В наиболее нагруженных элементах конструкции сооружений возникают и развиваются скрытые дефекты (происходит пластическая деформация, смещение, коррозионное растрескивание, зарождаются и развиваются трещины и т.д.). Указанные причины могут привести к нарушению конструктивных характеристик и аварии сооружения. Аварийный отказ сооружения в этом случае имеет износовый характер.
В целом изложенные выше факторы естественного и иного характера могут привести к чрезвычайным ситуациям и техногенным катастрофам, для выявления признаков которых с целью последующего оперативного их устранения и предназначено предлагаемое изобретение.
Из уровня техники известны способ и устройство для относительного спутникового позиционирования движущихся платформ (см. патент США на изобретение US 6961018, опубл. 01.11.2005). Изобретение направлено на определение относительного положения движущихся платформ с использованием спутниковых навигационных технологий и оборудования, установленного на платформах. Оно основано на принципах космической навигации - дифференциальных системах и использует дифференциальную ГНСС в режимах, приводящих к минимуму передачи данных и расчетных нагрузок на вспомогательные процессоры. Изобретение обеспечивает точное позиционирование и относительную навигацию.
Из уровня техники известны способ и устройство для наземной съемки участков с одной или более неустойчивой зоной (см. патент США на изобретение US 7199872, опубл. 03.04.2007). Изобретение относится к области наземной съемки (мониторинга) участка с одной или более неустойчивыми зонами и хотя бы одной контрольной точкой, размещенной за пределами зон нестабильности, где контроль смещений осуществляется по относительным показаниям датчиков, размещенных в различных точках участка.
Из уровня техники известна измерительная сейсмическая система с использованием GPS-приемников (см. патент США на изобретение US 7117094, опубл. 15.07.2004). Система мониторинга трехмерных сейсмических данных, включающая множество цифровых датчиков, центра управления и обработки данных, базовая GPS-станция с антенной, расположенная в максимально открытой в верхней полуплоскости полусферой, и роверными GPS-приемниками, использующими сигналы базовой станции для определения своего местоположения с высокой точностью.
Из уровня техники известны метод и система GPS и WAAS фазовых измерений для относительного позиционирования (см. патент США на изобретение US 6469663, опубл. 24.10.2000). Метод точного определения относительного положения между двумя точками с помощью информации о фазах несущих из приемников, способных производить кодовые и фазовые измерения сигналов, передаваемых со спутников GPS, а также сигналов, передаваемых с WAAS, EGNOS, MSAS или других щирокозонных дифференциальных систем спутников (далее именуемые просто как «спутники WAAS»). Эти сигналы обрабатываются в приемных системах для определения относительной позиции, для съемки или иных приложений. Обработка сигналов ведется аналогично той, которая используется в существующих GPS-фазовых приемниках. Метод отличается более быстрым и надежным разрешением неоднозначности фазовых измерений, защитой от пропуска фазовых циклов и потери части спутников, а также возможностью расширения рабочего диапазона, позволяя увеличить базу между приемниками путем включения ионосферной модели, представленной WAAS.
Известные из уровня техники технические решения обладают следующим недостатком:
- недостаточная точность мониторинга смещений сооружений.
Система спутникового мониторинга смещений инженерных сооружений с использованием систем ГЛОНАСС/GPS предназначена для определения пространственных смещений с целью заблаговременного предупреждения о тенденциях изменений геометрических параметров сооружения в сторону критической ситуации.
Техническим результатом заявленного изобретения является:
- повышение точности и эффективности мониторинга смещений сооружений;
- расширение функциональных возможностей объектового центра мониторинга, осуществляющего:
1. Определение спектральных характеристик колебаний элементов конструкции;
2. Создание реальной модели поведения объекта;
Технический результат достигается применением глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) ГЛОНАСС/GPS, повышающей эффективность мониторинга смещений зданий и сооружений за счет непрерывности и точности измерений, их более высокой автоматизации.
Использование систем ГЛОНАСС/GPS позволяет обеспечить автоматизированную диагностику состояния объекта, включая сбор, обработку информации по всем контролируемым параметрам в едином объектовом центре в режиме реального времени, и оперативное предоставление достоверных данных мониторинга аварийным и инженерным службам.
Для расширения функциональных возможностей объектового центра мониторинга используется программное обеспечение, обеспечивающее:
- обработку и интерпретацию данных, выявление аномалий, получение интегральных оценок и моделей нештатных ситуаций в отношении инженерного сооружения (объекта) с использованием 3D-моделирования, космических и аэроснимков;
- ведение информационных баз данных для обеспечения поддержки принятия и реализации управленческих решений по защите объектов (накопление и архивацию данных);
- подготовку и использование моделей развития ситуаций по состоянию полученных оперативных данных;
- прогнозирование угроз объектам, динамики изменения состояния их защищенности под влиянием техногенных и природных факторов;
- подготовку вариантов для принятия управленческих решений руководству (должностным лицам) эксплуатирующей организации в случае возникновения угрозы и факта критической (чрезвычайной) ситуации на объекте, а также оперативное информационное взаимодействия с ГУ МЧС России, Центром космических услуг (ЦКУ).
Для комплексного решения задач в объектовом центре мониторинга ИС предусматривается создание баз данных (БД) объектового центра мониторинга, включающих:
- программные модули модели развития ситуаций вблизи объекта: пожар, наводнение, разлив аварийных химически опасных веществ (АХОВ);
- программный модуль прилегающих участков дорог с их параметрами (характеристиками);
- программный модуль основных характеристик здания, сооружения (оборудование, технологические системы);
- программный модуль банка данных космо- и/или аэроснимков.
Комплекс специального программного обеспечения ОЦМ ИС состоит из ряда модулей:
- программный модуль ведения параметров прилегающих участков дорог с их параметрами (характеристиками);
- программный модуль ведения основных характеристик инженерного сооружения ВСК (зданий, сооружений, оборудования, включая важные узлы и агрегаты, технологических систем и др.);
- программный модуль ведения банка данных космо- и/или аэроснимков;
- программные модули построения модели развития ситуаций вблизи объекта: пожар, наводнение, разлив аварийных химически опасных веществ (АХОВ);
- программа создания 3D-модели объекта и прилегающей территории;
- специальное программное обеспечение «Автоматизированная система поддержки принятия решений должностного лица на основе динамики мониторинговых показателей ДПА» (АСППР);
- программа ведения паспорта объекта.
Технический результат достигается тем, что система содержит: аппаратно-програмный комплекс датчиковой и преобразующей аппаратуры, включающий: двухчастотные приемники ГЛОНАСС/GPS, датчики наклона, метеостанцию с датчиками температуры, относительной влажности, давления, силы и направления скорости ветра, осадков, солнечной радиации, каналообразующие средства связи и общую шину информационного обмена; базовых станций с приемниками ГЛОНАСС/GPS и каналообразующими средствами связи; объектового центра мониторинга, включающего: автоматизированные рабочие места оператора с ПЭВМ на базе процессора, каналообразующие средства связи; при этом выходы двухчастотных приемников ГЛОНАСС/GPS аппаратно-программного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры, датчиков наклона, метеостанции соединены с первым, вторым и третьим входами общей шины информационного обмена соответственно, выход общей шины информационного обмена соединен через каналообразующие средства связи аппаратно-програмного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры по каналам связи с каналообразующими средствами связи объектового центра мониторинга, приемник ГЛОНАСС/GPS базовой станции через каналообразующие средства связи базовой станции соединен по каналам связи с каналообразующими средствами связи объектового центра мониторинга, каналообразующие средства связи объектового центра мониторинга соединены с автоматизированными рабочими местами оператора с ПЭВМ на базе процессора, при этом процессор ПЭВМ автоматизированного рабочего места оператора объектового центра мониторинга выполнен с возможностью:
- сбора, математической обработки и архивирования поступающей информации от базовых станций и датчиковой преобразующей аппаратуры;
- вычисления динамических параметров состояния объекта;
- определения спектральных характеристик колебаний элементов конструкции объекта;
- создания реальной модели поведения объекта;
- прогнозирования состояния объекта в течение его жизненного цикла;
- ведения автоматизированной базы данных по сооружению, включая первичные измерения и результаты обработки, а также аналитическую информацию по инженерному сооружению;
- непрерывного контроля состояния элементов конструкций инженерного сооружения оператором объектового центра мониторинга;
- подготовки отчетов в автоматизированном режиме;
- вывода на экран оператора сообщения о наличии превышения критических значений параметров;
- передачи сообщений в вышестоящие организации по стандартным протоколам информационного обмена;
- занесения в базу данных факторов, приводящих к возникновению критических ситуаций.
В качестве каналообразующих средств связи используются GSM/GPRS модемы и/или UHF радиомодемы.
В системе спутникового мониторинга ИС с использованием систем ГЛОНАСС/GPS используются современные двухчастотные ГЛОНАСС/GPS-двухчастотные приемники геодезического класса точности, например Leica GMX902 GG.
Кроме обеспечения конкретного целевого использования программных продуктов Spider и GeoMoS, новизна заявленного технического решения заключается в разработке и применении вышеперечисленного СПО.
Расширение функций ОЦМ предоставляет комплексное решение, обеспечивая мониторинг состояния ИС не только на коротких интервалах времени, но и на длительных интервалах (в период всего жизненного цикла сооружения), ведение ситуационного плана с нанесенными на него зонами последствий от возможных чрезвычайных ситуаций на объекте, формирование базы данных по состоянию самого объекта мониторинга, состоянию прилегающей территории (на случай ликвидации чрезвычайных ситуаций).
При этом объектовый центр мониторинга (ОЦМ) ИС предназначен для решения оперативных и долгосрочных задач.
К оперативным задачам относятся:
- сбор, математическая обработка и архивирование поступающей информации от базовых станций и датчиковой преобразующей аппаратуры (ДПА);
- вычисление динамических параметров состояния объекта;
- подготовка отчетов должностным лицам, отвечающим за безопасное состояние объекта.
К долгосрочным задачам относятся:
- определение спектральных характеристик колебаний элементов конструкции объекта;
- создание реальной модели поведения объекта;
- прогнозирование состояния объекта в течение его жизненного цикла.
ОЦМ выполняет следующие функции:
- сбор в режиме реального времени измерительной информации базовых станций и ДПА;
- математическую обработку измерительной информации базовых станций и ДПА с получением динамических параметров состояния объекта (смещений контрольных точек по трем координатам, наклонов несущих конструкций);
- анализ состояния объекта с выявлением критических состояний элементов конструкций сооружения;
- ведение автоматизированной базы данных по сооружению, включая первичные измерения и результаты обработки, а также аналитическую информацию по инженерному сооружению;
- непрерывный контроль состояния элементов конструкций инженерного сооружения оператором ОЦМ;
- подготовку отчетов (ежесуточных, ежемесячных, квартальных, по факту критической ситуации и др.) в автоматизированном режиме;
- вывод на экран оператора сообщения о наличии превышения критических значений параметров, имеющих место в одном или нескольких контролируемых элементах конструкций сооружения, и передачу сообщений в вышестоящие организации по стандартным протоколам информационного обмена;
- занесение в базу данных факторов, приводящих к возникновению критических ситуаций.
Для решения задач и выполнения функций ОЦМ оснащен необходимыми аппаратно-программными средствами.
АРМ оператора ОЦМ ИС предназначено для математической обработки измерительной информации базовых станций и ДПА, вычисления динамических параметров состояния объекта, формирования сообщений и текущих отчетов должностным лицам, отвечающим за состояние объекта, решения долгосрочных задач (вычисления спектральных характеристик состояния конструкции, разработки реальных моделей текущего и прогнозируемого состояния объекта для сбора и архивирования измерительной информации с базовых станций и ДПА, связи ОЦМ с базовыми станциями и ДПА).
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежом, где показана структурная схема системы спутникового мониторинга смещений инженерных сооружений с использованием систем ГЛОНАСС/GPS, где:
1 - аппаратно-программный комплекс датчиковой и преобразующей аппаратуры, включающий:
2 - двухчастотные приемники ГЛОНАСС/GPS;
3 - датчики наклона;
4 - метеостанция с датчиками температуры, относительной влажности, давления, датчиками силы и направления скорости ветра, датчиками осадков, датчиками солнечной радиации;
5 - каналообразующие средства связи;
6 - общая шина информационного обмена;
7 - базовая станция, включающая:
8 - приемник ГЛОНАСС/GPS,
9 - каналообразующие средства связи,
10 - объектовый центр мониторинга,
11 - автоматизированные рабочие места оператора с ПЭВМ на базе процессора;
12 - каналообразующие средства связи.
Принцип работы заявленной системы спутникового мониторинга инженерных сооружений с использованием систем ГЛОНАСС/GPS заключается в следующем: аппаратно-программный комплекс датчиковой и преобразующей аппаратуры устанавливается непосредственно на объекте наблюдения, количество и расположение двухчастотных приемников ГЛОНАСС/GPS, датчиков наклона, метеостанций определяется для каждого объекта исходя из особенностей инженерной конструкции, аппаратно-программный комплект датчико-преобразующей аппаратуры служит для приема спутниковых сигналов ГНСС ГЛОНАСС/GPS, усиления и первичной обработки с целью выделения полезной навигационной информации и преобразования в цифровой вид и передает спутниковую информацию по каналообразующей аппаратуре на АРМ оператора с ПЭВМ на базе процессора объектового центра мониторинга инженерного сооружения для дальнейшего получения координат контролируемых точек мониторинга и определения их пространственных смещений.
Базовая станция устанавливается на удалении и неподвижно относительно объекта мониторинга и служит опорной точкой, относительно которой вычисляются смещения наблюдаемого объекта.
Измерительная информация с приемников ГЛОНАСС/GPS базовых станций в виде фазовых измерений на частотах L1 и L2, приемников ГЛОНАСС/GPS аппаратно-программного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры в виде фазовых измерений на частотах L1 и L2, датчиков наклона и метеостанции в режиме реального времени через каналообразующие средства связи по каналам связи по протоколу TCP/IP поступает в ОЦМ, где проходит первичная обработка и архивация информации. Практически одновременно осуществляется вычисление текущих параметров состояния объекта (смещений контрольных точек, установленных на объекте мониторинга, наклонов несущих опор), а также отчетов о состоянии объекта. При обнаружении деформаций формируется и немедленно отправляются соответствующие сообщения должностным лицам о нештатной (предкритической) или критической ситуации.
На основе обработки «сырых» данных, получаемых от АПК БС и АПК ДПА, в АРМ оператора с ПЭВМ на базе процессора с помощью СПО Leica GNSS Spider выполняется уравнивание данных для каждого комплекта базовой станции и ДПА, установленного на объекте мониторинга, и выгрузка их с заданной дискретностью в СУБД Ms SQL Server в формате NMEA, где размещены время получения измерительной информации, геодезические широта, долгота и высота, отнесенные к фазовому центру антенны ДПА, установленной на объекте мониторинга. Указанные координаты определены в геоцентрической системе координат WGS - 84.
Исходными форматом для загрузки в СПО АСППР является формат NMEA, из которого считываются эллипсоидальные координаты - геодезические широта и долгота В, L и геодезическая высота Н, а также время их определения.
Для организации процесса мониторинга производится длительный набор измерительной информации на интервале нескольких суток. По результатам измерений на АРМ оператора с ПЭВМ на базе процессора получают фиксированное уравненное решение относительно координат ДПА и данных с базовых станций с максимальной точностью. В этот период выполняется отбраковка измерений, имеющих критические весовые характеристики из-за геометрического фактора расположения КА ГНСС, а также измерений, полученных при неблагоприятных природных (сейсмическая активность) метеорологических (ветровые нагрузки) условиях и условиях высоких эксплуатационных нагрузок.
Полученные таким образом координаты для каждого датчика ДПА (координаты, отнесенные к фазовому центру антенны ДПА, установленной на объекте мониторинга) фиксируются как константы для выполнения последующего анализа частотно-амплитудных характеристик объекта.
В процессе навигационного мониторинга координаты фазового центра антенны ДПА определяются с дискретностью установленного режима мониторинга, который может составлять от 1 до 20 Гц.
T
T
T
Расчет смещений элементов конструкций инженерного сооружения и анализа амплитудных характеристик такого смещения выполняется в линейных величинах и для наглядности отображается в прямоугольной декартовой системе координат. Преобразования эллипсоидальных координат В, L и геодезической высоты Н в топоцентрические координаты X, Y, Z выполняются по известным формулам координатных преобразований последовательным перевычислением из системы эллипсоидальных координат В, L, Н в геоцентрическую систему и далее - в топоцентрическую систему координат.
Г
Г
Г
Геоцентрические эллипсоидальные координаты «широта», «долгота» и «высота» - В, L и Н - связаны с геоцентрическими декартовыми координатами X, Y, Z формулами:
где N и М - радиусы кривизны сечения первого вертикала и меридианного эллипса
а
где  и е - большая полуось и эксцентриситет общеземного эллипсоида.
Исходя из того, что файлы формата NMEA формируются относительно каждой базовой станции, для каждого синхронного измерения геоцентрические координаты ДПА уравнивают получением их средневесового значения на основе оценок, помещенных в NMEA, относительно каждой базовой станции по формулам:
где Р1 и Р2 - веса, устанавливаемые в зависимости от удаления ДПА от базовых станций, а также средних квадратических ошибок (помещены в файлах формата NMEA), полученных по внутренней сходимости результатов измерений координат ДПА от каждой из двух базовых станций (программа должна обеспечивать расширение числа используемых базовых станций).
Для общего случая формулы (1.3) будут иметь вид:
где n - число базовых станций.
Для формирования картины амплитудных характеристик объекта и на основе определяемых по формулам (1.4) координат вычисляются для каждого установленного режимом мониторинга измерения приращения (изменения) координат относительно ранее установленных их «базовых» значений по формулам:
где n=1, 2, … i порядковый номер текущих значений координат.
В свою очередь приращения (изменения) топоцентрических координат
T
Г
(XYZ) связаны с изменениями геоцентрических координат (XYZ) зависимостью:
Матрица поворота А имеет элементы
Таким образом, с помощью формул (1.6) получаем в линейной форме в топоцентрической системе текущие отклонения координат ДПА от их заранее установленных «базовых» значений в режиме реального времени с установленной дискретностью.
Общий вектор отклонения амплитудных параметров мониторинга определяется по формуле:
Далее все полученные амплитудные характеристики, выявленные датчиками в режиме с установленной дискретностью интервала мониторинга, заносятся в отдельные файлы, создаваемые непрерывно в процессе мониторинга для каждого датчика.
Если в период мониторинга на суточном интервале не было установлено отклонений от нормального функционирования системы, файл суточного мониторинга обновляется.
При установлении события отклонения от нормального функционирования системы созданные за сутки файлы амплитудных характеристик архивируются в архивной папке «События».
Параллельно с формированием таблицы суточного файла данных, получаемых с установленной дискретностью режима мониторинга, формируется файл для суточного интервала мониторинга, разбитого на отрезки времени, равные одному часу по следующей методике:
Все полученные на часовом интервале данные ΔX, ΔY, ΔZ усредняются для каждого спутникового датчика со своими весовыми коэффициентами по формулам:
где Р - весовые коэффициенты, полученные в знаменателе формулы (1.4).
Усредненные значения ΔXч, ΔYч, ΔZч отображаются на трех «суточных» графиках мониторинга - по координатным осям, принятым для каждого датчика топоцентрических систем координат.
Затем все полученные на суточном интервале данные ΔХ, ΔY, ΔZ, их графики и средневесовой вектор смещения, рассчитанный по формулам:
(i=1…24)
где P - весовые коэффициенты, полученные в знаменателе формулы (1.9),
по завершении очередных суток автоматически помещаются в файл «Отчет за сутки» по дате наблюдений. Файлы «суточных» отчетов, накопленные за период мониторинга, хранятся в папке «Архив» в директориях «Норма» - при нормальном режиме состояния и в директории «События» - при наличии отклонений от параметров нормального функционирования системы.
Файл «Отчет за сутки» накапливается и формируется в реальном времени. Доступ к этому файлу на этапе его формирования осуществляется через основное меню входом в окно «Режим мониторинга» и далее - «Интервал» - «Сутки». По истечении суток сформированный файл перемещается (копируется) в папку «Отчет за сутки» и в папку «Архив». Далее он открывается вновь в папке «Интервал» - «Сутки» окна «Режим мониторинга» для нового набора информации амплитудных колебаний. В итоге при входе в окно основного меню «Отчет за сутки» открывается информация, накопленная за предшествующие сутки наблюдений.
При этом с помощью метеодатчика параллельно ведется мониторинг метеорологических условий навигационных измерений, набор метеорологической информации выполняется на суточном интервале и с установленной дискретностью отображается в файле отчета за сутки на графиках:
- температурного режима;
- ветровых нагрузок;
- количества выпавших осадков;
- уровня влажности;
- атмосферного давления.
Для указанных величин определяются их среднесуточные значения, затем они заносятся в таблицу.
При получении на установленном интервале наблюдений амплитудных характеристик, выходящих за рамки допустимых величин в соответствии с заранее установленным критерием нормального режима, но принятых для нормального закона распределения, и при условии непревышения допуска критерия, установленного для режима безопасных отклонений, система продолжает отслеживать указанный режим. На экране монитора АРМ оператора ОЦМ в состоянии любой конфигурации выводится окно с сообщением «Режим безопасных отклонений». Выход в такой режим не влечет за собой принятия кардинальных решений. Система автоматически архивирует информацию режима реального времени и по интернет-каналу пересылает ее в муниципальный навигационно-информационный центр (НИЦ) и соответствующие ГУ МЧС России.
При получении отклонений, превышающих величины, установленные для критерия режима безопасных отклонений, на экран монитора АРМ оператора ОЦМ выводится окно с сообщением «Режим повышенного внимания» и сопровождается звуковым сигналом. Отклонения, превышающие величины, установленные для критерия нормального режима и режима безопасных отклонений, могут возникать, как это было отмечено выше, в случаях повышенной сейсмоактивности (до шести баллов), сильных ветровых нагрузок (более 25 метров в секунду), смещений и подвижек фундамента объекта из-за действий грунтовых вод, резонансных явлений при интенсивной эксплуатации сооружения. При этом система автоматически архивирует информацию режима реального времени и по интернет-каналу пересылает ее в муниципальный НИЦ, где в оперативном режиме выполняется анализ нештатной ситуации.
В случае такого рода события СПО АСППР выводит на экран инструкцию, определяющую действия дежурного оператора АРМ ОЦМ. В ней указывается:
- доклад по телефону о наличии ситуации лицам, принимающим управленческие решения;
- доклад по телефону о наличии ситуации в НИЦ;
- контроль доведения отчетных данных и данных мониторинга режима реального времени в НИЦ по интернет-каналу;
- занесение в рабочий журнал времени начала «события» числа датчиков, фиксирующих отклонение, метеопараметров, условий эксплуатации.
В случае, когда система фиксирует отклонения, превышающие величины, установленные для критерия режима повышенного внимания, на экран монитора АРМ оператора выводится окно с сообщением «Аварийный режим» и сопровождается специальным звуковым сигналом. Автоматически информация об аварийном режиме доводится по всем возможным каналам связи до лиц, принимающих управленческие решения. Анализ ситуации выполняется, как и при режиме повышенного внимания. Кроме того, для должностных лиц доводится команда о необходимости эвакуации людей из здания.
В случае выбора кнопки основного меню, обозначенной как «Архив», осуществляется доступ к архивным данным мониторинга. В случае выбора кнопки основного меню, обозначенной как «3D-модель», на панели монитора развертывается окно с изображением трехмерной модели объекта мониторинга и мест установки на нем спутниковых датчиков. Средствами отображений на модели объекта показываются векторы смещений элементов конструкций, где установлены спутниковые датчики.
В случае выбора кнопки основного меню, обозначенной как «Отчет», на панели монитора развертывается окно с отображением информации, полученной за период мониторинга, сообщением о состоянии функционирования системы, сообщением о нештатных ситуациях.
В случае выбора кнопки основного меню, обозначенной как «Инструкция», оператор может просматривать всю информацию по объектам, хранящуюся в базе данных.
Экспериментальным путем выявлено, что по графикам изменения трех векторов в интервале 55 месяцев выявлены тренд и периодика координат во времени. Периодическая часть имеет в основном сезонный характер с годовым и полугодовым периодами. Тренд же может быть отнесен к движению блоков земной коры. Он на интервале 55 месяцев вычисляется достаточно надежно со ср. кв. ошибкой одной координаты в текущий момент времени менее 1 мм.
Результаты экспериментов подтверждают достижение технического результата в виде повышения точности и эффективности мониторинга смещений инженерных сооружений.
При этом в качестве спутниковых приемников используются геодезические приемники, а именно 2-частотные ГЛОНАСС/GPS-двухчастотные Leica GMX902 GG.
Спутниковый ГНСС-приемник, например типа Leica GMX902 GG, подключается к источнику электропитания и может работать в непрерывном режиме. С помощью интерфейсного кабеля, входящего в комплект, приемник GMX902 подключается к устройству связи каналообразующей аппаратуры или непосредственно к компьютеру, в памяти которого и записывается принимаемая измерительная информация для дальнейшей обработки, число каналов для приема сигналов ГНСС у каждого приемника - 72.
В качестве датчика наклона может использоваться высокоточный датчик наклона, например Leica Nivel 210, работающий на принципах оптоэлектроники, измеряющий величину угла наклона по двум осям и температуру в месте установки.
В качестве каналообразующих средств связи можно использовать GSM/GPRS модемы, UHF радиомодемы.
В качестве каналообразующих средств связи может использоваться конвертер, например МОХА N-Port IA 5220, который будет передавать измерительную информацию на объектовый центр мониторинга (ОЦМ).
Каналы связи должны обеспечивать сбор измерительной информации от базовых станций и ДПА в непрерывном (телеметрическом) режиме. Данная информация принимается в объектовом центре мониторинга (ОЦМ), архивируется и используется для анализа как в режиме реального времени, так и в режиме постобработки.
Для организации связи межу элементами системы могут использоваться различные типы коммуникаций:
- проводные (оптоволокно, витая пара);
- беспроводные (Wi-Fi, GSM/GPRS, UHF радиомодемы).
Конструктивно базовая станция представляет собой приемник, например Leica GMX902 GG в пыле- и влагозащищенном корпусе, который с помощью кабеля соединяется со спутниковой антенной Leica AX1203+. Предусмотрены следующие режимы измерений: статика, кинематика, кинематика в реальном масштабе времени (RTK) и дифференциальный кодовый режим (DGPS).
Во встроенном программном обеспечении реализуется GNSS- и RTK-технология SmartTrack+, которая обеспечивает надежный захват спутниковых сигналов ГЛОНАСС и GPS за считанные секунды даже в городских условиях, при ограниченной видимости на спутники. Технология измерений в режиме реального масштаба времени позволяет обрабатывать одновременно GPS и ГЛОНАСС данные для получения результатов в режиме RTK с сантиметровой точностью, частотой 20 Гц, на расстоянии от базовой станции 30 км и более. Инициализация выполняется за несколько секунд.
При этом метеостанция выполняется в виде крестообразной рамы, на которой установлены метеорологические датчики (комбинированный датчик температуры, относительной влажности, давления; комбинированный датчик силы и направления скорости ветра; датчик осадков; датчик солнечной радиации). Станция укреплена на мачте и оснащена антенной для передачи информации. Мачта устанавливается на специальной крестообразной станине, которая легко собирается и разбирается в полевых условиях. Для обеспечения дополнительной устойчивости мачту закрепляют четырьмя растяжками. Кабели прокладываются в герметичных каналах, изготовленных из алюминиевых сплавов, обеспечивающих изоляцию от внешней среды, а также защиту от диких зверей и грызунов.
Использование каналов систем беспроводной связи позволяет эксплуатировать станцию без оперативного доступа человека к станции (в автоматическом режиме).
В автономных автоматических метеорологических станциях использованы метеорологические датчики, обеспечивающие нормальную работу в широком температурном режиме (от минус 50°C до плюс 60°C). Метеорологические датчики располагаются внутри всепогодных прочных корпусов.
Комбинированный датчик температуры, относительной влажности, давления размещен в прочной жалюзийной будке с кольцевыми жалюзи. Жалюзийная будка защищает метеорологический датчик от атмосферных воздействий осадков, гололеда, ветра и солнечной радиации.
Датчик осадков работает как с подогревом (от минус 50°C до плюс 60°C), так и без подогрева (от 0°C до плюс 60°C).
Одновременные измерения фазовых дальностей до спутников ГЛОНАСС/GPS базовыми станциями и приемниками ГЛОНАСС/GPS позволяют вычислить относительные положения антенн датчиков (относительно базовых станций). Изменения этих положений являются смещениями конструкций. Метеостанцией фиксируются параметры окружающей среды, предоставляя информацию для учета в спутниковых измерениях, и вычисления корреляционных связей между состоянием среды и изменениями параметров состояния конструкций, узлов и агрегатов ИС. Математическая обработка измерительной информации с вычислением динамических параметров состояния сооружения, анализом его состояния, выработка сигналов оповещения о недопустимых отклонениях состояния объекта, формирование отчетов для должностных лиц, отвечающих за состояние объекта, выполняются объектовым центром мониторинга (ОЦМ).
Спутниковые двухчастотные приемники базовых станций и АПК ДПА обеспечивают определение мгновенных смещений конструкции объекта с разрешением 1,5 см, а в режиме постобработки - менее 1 см. Накопление измерительной информации и вычисление динамических параметров объекта в автоматизированных базах данных на длительных временных интервалах (часы, сутки, месяцы, годы) позволяет решить несколько задач.
Первая задача: определение спектральных характеристик колебаний элементов конструкции, узлов и агрегатов объекта.
Вторая задача: создание реальной модели поведения объекта в зависимости от режимов эксплуатации, погодных и климатических условий, других факторов.
При этом аппаратно-программный комплекс датчиковой и преобразующей аппаратуры (АПК ДПА) может состоять из:
- датчиков, например Leica GMX 902 GG;
- датчиков угла наклона, например Leica Nivel 210;
- модема-конвертера, например МОХА N-Port IA 5220;
- крепления для антенны, например AX 1203+GNSS;
- метеостанции;
- антенных, интерфейсных кабелей и кабелей электропитания.
Программные средства объектового центра мониторинга ИС (ОЦМ ИС) могут включать комплекс СПО ОЦМ ИС в составе, например:
- СПО Leica GNSS Spider Positioning;
- СПО Leica GeoMos;
- СПО БД ОЦМ ИС;
- СПО АСППР.
Специальное программное обеспечение Leica GNSS Spider Positioning, установленное на АРМ Системы, осуществляет связь со спутниковыми приемниками (как базовыми, так и мониторинговыми), выгружает файлы из внутренней памяти в базу данных автоматически через регулярные интервалы.
СПО Leica GNSS Spider Positioning реализует технологию спутникового позиционирования в режимах реального времени и с постобработкой. Оно вычисляет координаты точек мониторинга с использованием технологий разрешения неоднозначности фазовых спутниковых измерений в реальном времени по данным, получаемым непрерывно с базовых станций и спутниковых датчиков на точках мониторинга.
Прием измерительной информации и ее обработка от датчиков углов наклона производится СПО Leica GeoMos.
Основными и принципиально важными функциями этого программного обеспечения является получение и сбор данных о происходящих на наблюдаемом объекте деформациях и анализ полученной информации. Помимо этого система в состоянии информировать пользователей о наличии недопустимых отклонений как относительно некоторой заданной величины, так и происходящих за какой-либо промежуток времени, т.е. недопустимо быстрых изменениях положения объекта.
Данные измерений программное обеспечение получает от набора датчиков. В качестве таких датчиков могут выступать различные геодезические и геотехнические приборы - моторизованные тахеометры, цифровые нивелиры, ГЛОНАСС/GPS-системы, лазерные дальномеры, инклинометры, датчики температуры и давления, уровня жидкости, влажности, экстензометры.
Система дает возможность проводить мониторинг с использованием ГЛОНАСС/GPS-оборудования и традиционных измерительных датчиков. Также к системе могут подключаться метеосенсоры, которые ведут расчет и введение поправок в измерения температуры и давления.