СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ФУНКЦИОНАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ИНФРАСТРУКТУРОЙ ИНЖЕНЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ УНИКАЛЬНЫХ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

Система автоматизированного функционально-технического управления в режиме реального времени инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций уникальных (высотных, большепролетных) жилых и общественных зданий в процессе их строительства и эксплуатации (входящей в состав Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций), представляющая собой устройство в виде аппаратурно-информационной модели, относится к области комплексной безопасности жизнедеятельности населения и городских территорий, предупреждения чрезвычайных ситуаций (ЧС) техногенного и природного характера и может быть использована при управлении инфраструктурой обеспечения инженерной безопасности несущих конструкций уникальных зданий в процессе их строительства и эксплуатации, объединяющей специализированные подразделения различной ведомственной подчиненности: локальные центры управления (ЦПУ-центральный пульт управления) инженерными системами здания, входящие в состав подразделений городского жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), региональный центр управления кризисными ситуациями МЧС России (ЦУКС) и ситуационный центр (СЦ) региональной Администрации, а также при управлении процессами мониторинга технического состояния конструкций уникальных зданий и управлении рисками возникновения ЧС с целью снижения их последствий (гибели людей, экономического ущерба вследствие разрушения несущих конструкций здания, разрушения или нарушения функционирования элементов прилегающей застройки, транспортных магистралей, энергокоммуникаций и т.д.).
Управляемые процессы реализуются элементами, непосредственно входящими в состав инфраструктуры обеспечения инженерной безопасности несущих конструкций уникальных жилых и общественных зданий в процессе их строительства и эксплуатации, при участии элементов «внешней среды управления»: Генерального заказчика (Потребителя), использующего жилое или общественное здание в соответствии с его назначением; Генерального подрядчика (при реализации проекта строительства); инфраструктур: космической системы навигации (ГЛОНАСС/GPS/Galileo и т.д.); региональной геодезии, в т.ч. инфраструктуры обеспечения региональной базовой системы координат (создания и эксплуатации региональной геодезической спутниковой сети базовых референцных станций); доставки и приема информации; служб эксплуатации инженерных систем городского ЖКХ; аварийно-спасательной службы МЧС России.
Структурно-функциональная схема системы представлена на фиг.1.
Система за счет автоматизированного функционально-технического управления в режиме реального времени инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций, состоящей из входящих в ее состав подразделений различного ведомственной подчиненности, осуществляющих свою деятельность в рамках Единой государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС на основе автономного и самостоятельного административного управления, основываясь на принципе «прямой и обратной связи» позволяет в режиме реального времени или с установленной нормативной документацией периодичностью:
1) центру управления инженерными системами здания (ЦПУ), входящему в состав подразделений городского жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ):
- производить замеры и получать полную и достоверную информацию об изменениях параметрических характеристиках, характеризующих техническое состояние инженерных несущих конструкций здания в целом (наземной и подземной частей) и отдельных особо ответственных элементов конструкции относительно проектной расчетной (исходной) пространственно-прочностной модели здания, а также геогидрологическое состояние грунтового массива под основанием здания и в зоне, прилегающей к периметру здания, относительно пространственной геодезической модели грунтового массива по результатам предпроектных геодезических исследований (изысканий) территории предполагаемого строительства;
- моделировать, анализировать и прогнозировать изменения напряженно-деформируемого состояния (НДС) основания и конструкции здания, пространственного положения конструкции здания и ее особо ответственных элементов, вызванные воздействием внешних и внутренних нагрузок, в т.ч. изменениями гидрогеологического структурного состава и НДС грунтового массива;
- выявлять номенклатуру и пространственные координаты дестабилизирующих факторов;
- производить оценку степени инженерной безопасности здания (способности здания или сооружения противостоять возможному обрушению или нарушению режима функционирования) в соответствии с нормативной шкалой допустимых и недопустимых диапазонов;
- производить выбор управляющих решений из массива альтернативных вариантов и своевременно формировать управляющие воздействия на элементы инфраструктуры обеспечения безопасности инженерных конструкций зданий с целью предупреждения возникновения ЧС или снижения уровня их последствий;
- проводить мониторинг и своевременно корректировать параметры геодезического положения здания относительно региональной и глобальной систем координат;
- задавать временной режим мониторинга инженерной безопасности здания;
2) региональному центру управления кризисными ситуациями МЧС России (ЦУКС):
- своевременно получать полную и достоверную информацию о степени инженерной безопасности комплекса уникальных здания, находящихся на территории региона, о номенклатуре и пространственных координатах дестабилизирующих факторов;
- своевременно и обоснованно выявлять потенциально опасные объекты городской инфраструктуры, определять их пространственные координаты, идентифицировать степень опасности ЧС (угрозы возникновения поражающих факторов и воздействий источников ЧС на население, хозяйственные объекты и окружающую среду) в соответствии с нормативной шкалой допустимых и недопустимых диапазонов;
- производить выбор управляющих решений из массива альтернативных вариантов и своевременно формировать управляющие воздействия на элементы инфраструктуры обеспечения безопасности инженерных конструкций зданий, включая аварийно-спасательные и аварийно-восстановительные подразделения МЧС, ситуационный центр (СЦ) региональной администрации с целью предупреждения возникновения ЧС или снижения уровня их последствий;
- задавать временной режим мониторинга степени опасности ЧС;
3) региональному ситуационному центру (СЦ) региональной администрации:
- своевременно получать полную и достоверную информацию о степени инженерной безопасности комплекса уникальных зданий, находящихся на территории региона, о номенклатуре и пространственных координатах дестабилизирующих факторов;
- своевременно и обоснованно выявлять потенциально опасные объекты городской инфраструктуры, определять их пространственные координаты, идентифицировать степень инженерной безопасности объекта и степень опасности ЧС;
- производить выбор управляющих решений из массива альтернативных вариантов и своевременно формировать управляющие воздействия на элементы инфраструктуры обеспечения безопасности инженерных конструкций зданий, включая аварийно-технические подразделения ЖКХ, подразделения планирования ремонтно-восстановительных работ, ЦУКС МЧС с целью повышения уровня инженерной безопасности уникальных зданий, объектов прилегающей городской инфраструктуры, предупреждения возникновения ЧС или снижения уровня их последствий;
- задавать временной режим мониторинга инженерной безопасности комплекса уникальных зданий;
- получать информацию о текущем геогидрологическом состоянии грунтового массива сегментов региона для формирования и актуализации региональной геодезической базы данных.
4) Потребителю, использующему жилое или общественное здание в соответствии с его назначением:
- своевременно получать информацию о степени опасности ЧС;
- своевременно и правильно выполнять мероприятия, предусмотренные планом поведения аварийно-спасательных работ в случае наличия дестабилизирующих факторов.
Известна система централизованного управления автоматизированной обработкой дорог противогололедным реагентом (см. Патент на полезную модель №63091 от 10.05.2007 г., авторы: Лужков Ю.М., Соломонов Ю.С. и др. - [1]), включающая связанные между собой центральный терминал управления, автоматические метеорологические станции, стационарные и/или мобильные системы противогололедной обработки, при этом автоматические метеорологические станции выполнены с возможностью определения параметров окружающей среды и/или параметров дорожного покрытия определенного участка дороги и направления полученных параметров на центральный терминал, выполненный с возможностью определения на основе полученных параметров вероятности возникновения гололедной обстановки на соответствующем участке дороги, а стационарные системы и/или мобильные средства нанесения реагента выполнены с возможностью упреждающего нанесения противогололедного реагента на упомянутый соответствующий участок.
Известная система централизованного управления автоматизированной обработкой дорог противогололедным реагентом имеет с предлагаемой системой ряд отдельных совпадающих признаков, заключающихся в том, что:
- система является устройством, предназначенным для реализации функций управления;
- в состав системы включен центр управления («центральный терминал») как элемент системы, включающий в свой состав автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, сервер данных, аппаратуру связи, выполненный с возможностью определения, на основе полученных от других элементов системы параметров, вероятности возникновения определенной критической ситуации (гололедной обстановки) и передачи соответствующих управляющих воздействий элементам системы, выполненным с возможностями своевременной разработки решений по ее предупреждению и своевременной их реализации, что характеризует известный и предлагаемый объекты только с точки зрения того, что оба объекта являются «системой», т.е. их построение и функционирование основано по принципу: «вход» - «процесс» - «выход»;
- взаимосвязь между элементами системы с целью передачи и приема информации реализуется по средствам использования аппаратуры связи, которая в свою очередь соединена с автоматизированным рабочим местом (АРМ) оператора центрального терминала через сервер данных;
- обе системы функционируют в следующих режимах работы: измерение параметрических характеристик, анализ данных измерений, контроль (мониторинг) и прогнозирование изменений параметрических характеристик, их учет, принятие управляющих решений на основе результатов обработки данных измерений.
Известная система не может быть принята за аналог или прототип предлагаемой системы, так как в отличие от предлагаемой системы имеет:
1) не один («центральный терминал»), а три центра управления (ЦПУ здания; ЦУКС МЧС; СЦ региональной администрации), взаимодействие которых основано на матричном, а не на централизованном принципе управления, следовательно имеет в своей структуре три соответствующих основных сервера сбора, обработки, архивации и передачи информации; три АРМ операторов; кроме того, согласно требований нормативной документации (ГОСТ Р 22.1.12) предлагаемая система имеет три резервных сервера сбора, обработки, архивации и передачи информации, а также резервную линию связи;
2) отличное от предлагаемой системы целевое назначение и технический результат, следовательно, отличные комплектации АРМ и серверов, входящих в состав системы, а именно:
- известная система предназначена только для функционального управления «технологическим процессом» (обработкой дорог противогололедным реагентом); предлагаемая система предназначена для управления «объектом» («инфраструктурой безопасности инженерных несущих конструкций, состоящей из входящих в ее состав подразделений различного ведомственной подчиненности, осуществляющих свою деятельность в рамках Единой государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС»), как в части технического управления его деятельностью, направленной на получение требуемого технического результата (достижения требуемого уровня показателя инженерной безопасности здания), так и функционального управления, направленного на достижение требуемого социально-экономического результата (достижения минимально возможного показателя опасности ЧС: гибели людей, экономического ущерба вследствие разрушения несущих конструкций здания, разрушения или нарушения функционирования элементов прилегающей застройки, транспортных магистралей, энергокоммуникаций и т.д.);
3) отличный от предлагаемой системы принцип функционирования и номенклатуру функций управления, а именно:
- функционирование известной системы осуществляется на основе использования управляющих воздействий в виде последовательного «вмешательства», при функционировании системы не используются управляющие воздействия типа «обратной связи» (системой реализуется однонаправленный поток информации и вызванной ей последовательности действий);
- в номенклатуре функций известной системы не предусматриваются функции виртуального математического моделирования и прогнозирования технического результата, а также функции взаимодействия системы с «внешней средой».
Известна информационная модель финансового управления холдингом (см. Свидетельство на полезную модель №26665 от 10.12.2002 г., авторы: Чубайс А.Б., Меламед Л.Б. и др. - [2]), содержащая персональные компьютеры топ-менеджеров холдинга, соединенные с автоматизированными рабочими местами и персональными компьютерами топ-менеджеров департаментов, соединенными с автоматизированными рабочими местами топ-менеджеров департаментов, персональные компьютеры топ-менеджеров энергокомпаний, соединенные с автоматизированными рабочими местами и персональными компьютерами топ - менеджеров холдинга и департаментов, при этом автоматизированные рабочие места энергокомпаний соединенные с автоматизированными рабочими местами департаментов, отличающаяся тем, что в нее введены сервер базы данных бюджетов и серверы системы сбора и обработки информации, причем сервер базы данных бюджетов соединен с персональными компьютерами топ-менеджеров холдинга и департаментов и автоматизированными рабочими местами и серверами системы сбора и обработки информации, соединенными с персональными компьютерами топ-менеджеров энергокомпаний и их автоматизированными рабочими местами и автоматизированными рабочими местами холдинга и департаментов.
Известная информационная модель финансового управления холдингом имеет с предлагаемой системой автоматизированного функционально-технического управления в режиме реального времени инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций уникальных зданий ряд совпадающих признаков.
В состав обеих систем (моделей) входят взаимосвязанные в определенном порядке аппаратурные элементы:
- автоматизированные рабочие места (АРМ) и персональные компьютеры (ПК) соответствующих элементов управляемой инфраструктуры;
- серверы системы сбора и обработки информации, что позволяет классифицировать обе модели как устройства, имеющие схожую элементную базу;
Связи между отдельными аппаратурными элементами систем (моделей) выполнены в виде телефонных каналов связи или каналов связи информационной системы Интернет («аппаратуры связи»), а также каналов связи информационных систем соответствующих инфраструктур (локальных сетей), являющихся аппаратурными элементами систем (моделей).
Известная система (модель), как и предлагаемая, предназначена для управления «инфраструктурным объектом» (известная система - холдингом; предлагаемая - инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций уникальных жилых и общественных зданий), а также реализуемыми им «технологическим процессом» (известная - процессом формирования и оборота финансовых потоков; предлагаемая - процессом мониторинга и предупреждения ЧС).
Функционирование обеих систем (моделей) осуществляется на основе принципа использования управляющих воздействий «вмешательство» и «обратная связь».
При этом известная информационная модель финансового управления холдингом в сравнении с предлагаемой системой автоматизированного функционально-технического управления в режиме реального времени инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций уникальных зданий имеет ряд существенных отличительных признаков и недостатков.
Прежде всего, известная модель и предлагаемая система имеют различные целевое назначение и технический результат, следовательно, отличные комплектации автоматизированных рабочих мест и серверов, входящих в их составы, различный аппаратный состав и сетевую компоновку системы связи.
Известная информационная модель предназначена для финансового управления инфраструктурой типа «холдинг», которая сама по определению является единой финансовой системой, поэтому задачей модели является создание информационных баз, баз знаний и баз бюджетов, на основе которых можно выработать своевременное управляющее воздействие холдингом и входящими в него дочерними энергокомпаниями с целью только финансового управления при обеспечении равновесного баланса расходов и доходов, достижение требуемой степени равновесия между которыми является основным результатом функционирования модели в части выполнения ей управленческих задач и операций, критерием его оценки. При этом известная модель не ставит задачи и не обеспечивает формирование баз данных тактико-технических (ТТХ) характеристик поставляемой потребителю электроэнергии, являющейся основной продукцией жизнедеятельности управляемого моделью объекта - «холдинга»; достижение требуемого уровня этих характеристик не является результатом управленческих функций модели.
Известная информационная модель не предусматривает режим функционирования, заключающийся:
- в измерении технических параметрических характеристик технического объекта (электроэнергии), следовательно, в своей структуре не содержит аппаратных средств измерений и обработки данных измерений;
- в поддержке принятия управляющих решений на основе взаимного влияния технического и социально-экономического результата, установления баланса между этими результатами.
Предлагаемая система имеет не один («центральный терминал») центр управления элементами инфраструктуры, связанных единой административной вертикалью, а три центра управления элементами инфраструктуры различной ведомственной подчиненности (ЦПУ здания; ЦУКС МЧС; СЦ региональной администрации), связанных единством цели (обеспечения безопасности), взаимодействие которых основано на матричном, а не на централизованном принципе управления.
При этом известная информационная модель финансового управления холдингом имеет вертикально-последовательную иерархическую архитектуру построения (следовательно, обеспечивает последовательную информационно-административную структуру принятия и реализации управляющих решений). Предлагаемая система имеет последовательно-параллельную (матричную) архитектуру построения.
Кроме того, известная информационная модель предназначена для формирования исходных данных и принятия управляющих решений на верхнем стратегическом уровне управления холдингом (на уровне топ-менеджеров) и не предусматривает возможность оперативного использования данных и принятия решения на более низких (тактическом и операционном) уровнях управления.
Отсутствие возможности принятия управляющих решений на основе взаимного влияния технического и социально-экономического результата; оперативной оценки текущей ситуации, принятия оперативных решений по управляющим воздействиям в реальном режиме времени при вертикально-последовательной строго иерархической архитектуре построения известной информационной модели финансовым управлением холдингом является существенным ее недостатком.
Данные различия являются основными отличительными признаками и недостатками известной информационной модели [2] по отношению к предлагаемой системе. В связи с этим, известная система не может быть принята за аналог или прототип предлагаемой системы.
Известна система централизованного автоматизированного функционально-экономического управления в режиме реального времени консорциумом по созданию космических систем дистанционного зондирования земной поверхности (см. Патент на полезную модель №88168 от 20.05.2009 г., автор Куркова О.П. - [3]), которую можно принять за прототип. Система [3], также как и заявляемая полезная модель представляет собой устройство в виде аппаратурно-информационной модели.
Известная система [3] централизованного автоматизированного функционально-экономического управления консорциумом по созданию космических систем предназначена для создания информационных баз, баз знаний, баз данных:
- по тактико-техническим (ТТХ) и конструктивно-технологическим характеристикам создаваемых консорциумом в рамках реализуемого проекта космических систем (КС) и космических аппаратов (КА),
- по техническим, производственным и экономическим ресурсам, необходимым для достижения требуемых ТТХ КС и КА,
- по показателям эффективности, определяющим баланс между ТТХ КС и КА и параметрами ресурсов, используемых для их достижения;
- по показателям суммарных бюджетов проектов создания КС и КА;
- по показателям долей бюджетов элементов инфраструктуры консорциума, формируемых в рамках реализуемых им проектов, на основе которых можно выработать своевременные управляющие воздействия на элементы инфраструктуры консорциума, а также Генерального заказчика и элементы инфраструктуры «внешней среды», с целью обеспечения баланса между требуемыми Генеральному заказчику ТТХ КС и КА и используемыми консорциумом ресурсами для их достижения, обеспечения баланса между суммарным бюджетом проекта по созданию КС и КА и долями бюджетов элементов инфраструктуры консорциума.
Также система [3] централизованного автоматизированного функционально-экономического управления в реальном режиме времени консорциумом представляет собой устройство в виде аппаратурно-информационной модели, содержащее: автоматизированные рабочие места (АРМ) топ-менеджеров элементов инфраструктуры консорциума и элементов инфраструктуры «внешней среды» (в т.ч. в лице Головного заказчика КС и Потребителей информации о дистанционном зондировании Земли), центральный терминал управления консорциумом, соединенные по средствам аппаратуры связи.
Система [3] автоматизированного управления консорциумом имеет с предлагаемой системой ряд отдельных совпадающих признаков, заключающихся в том, что:
- в состав обеих систем входят взаимосвязанные в определенном порядке аппаратурные элементы: автоматизированные рабочие места (АРМ) и персональные компьютеры (ПК) соответствующих элементов управляемой инфраструктуры; серверы системы сбора и обработки информации, линии и аппаратура системы связи (что позволяет классифицировать обе системы как устройства, имеющие схожую элементную базу);
- обе системы предусматривают возможность управления как «инфраструктурными элементами», так и реализуемыми ими «технологическими процессами», направленными на получение технического и социально-экономического результатов;
- обе системы предусматривают поддержку принятия управляющих решений на основе взаимного влияния технического и социально-экономического результата, установления баланса между этими результатами;
- в алгоритмах функционирования информационной модели обеих систем в качестве основных исходных данных используются базовые проектные расчетные технические характеристики технического объекта, относительно диапазонов которых осуществляется оптимизация технического и социально-экономического результата; в качестве конечных критериальных показателей используются значения целевых функций, описывающих соотношение технического и социально-экономического результатов (в известной системе - значение функции эффективности проекта в определенный момент времени как функции аргументов, характеризующих целевую результативность и затрачиваемые на ее достижение ресурсы; в предлагаемой системе - значение функции эффективности и функционирования инфраструктуры обеспечения безопасности в определенный момент времени как функции двух аргументов, характеризующих инженерную безопасность здания и опасность ЧС); для достижения требуемых значений целевых функций в моделях обеих систем используется тактика многоступенчатой параметрической оптимизации;
- обе системы имеют матричную последовательно-параллельную архитектуру построения, обеспечивающую оперативное управление инфраструктурными элементами и технологическими процессами как на верхнем стратегическом уровне управления, так и на более низких тактическом и операционном уровнях;
- обе системы реализуют функции управления по принципу «вмешательство» - «обратная связь».
При этом известная система [3] централизованного автоматизированного управления консорциумом в сравнении с предлагаемой системой автоматизированного функционально-технического управления в режиме реального времени инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций уникальных зданий имеет ряд существенных отличительных признаков и недостатков.
Прежде всего, известная система [3] и предлагаемая система имеют различные целевое назначение, технический и социально-экономический результаты, следовательно, отличные комплектации автоматизированных рабочих мест и серверов, входящих в их составы, различный аппаратурный состав и сетевую компоновку интегрированной системы связи.
Предлагаемая система имеет три центра управления и не реализует принцип централизованного управления на базе «центрального терминала».
Известная система управления консорциумом не предусматривает режим функционирования, заключающийся в измерении технических параметрических характеристик технического объекта (КС; КА), а использует лишь их расчетные значения, следовательно, в своей структуре не содержит аппаратных средств измерений и обработки данных измерений.
Не смотря на то, что известная система управления консорциумом по созданию КС дистанционного зондирования Земли и предлагаемая система автоматизированного функционально-технического управления в режиме реального времени инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций уникальных зданий имеют в совокупности различные целевое назначение и технический результат; отличные комплектации автоматизированных рабочих мест и серверов, входящих в их составы, но при этом обе системы имеют ряд совпадающих признаков, известная система принята заявителем за аналог предлагаемой системы, но не может быть классифицирована как прототип.
Проведенный заявителем патентно-информационный поиск показал, что заявляемая совокупность существенных признаков по заявляемой полезной модели не известна.
Технический результат заключается в повышении эффективности функционирования инфраструктурных элементов Единой государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС, управления процессом обеспечения инженерной безопасности несущих конструкций уникальных жилых и общественных зданий; в повышении показателей инженерной безопасности несущих конструкций зданий и безопасности ЧС при их строительстве и эксплуатации за счет создания информационных баз, баз знаний, баз данных, на основе которых можно выработать своевременные управляющие воздействия на элементы инфраструктуры Единой государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС, а также инфраструктурные элементы «внешней среды» и Потребителя, в части принятия и реализации ими тех или иных технических и организационных решений с целью снижения рисков возникновения или снижения последствий ЧС (гибели людей, экономического ущерба вследствие разрушения несущих конструкций здания, разрушения или нарушения функционирования элементов прилегающей застройки, транспортных магистралей, энергокоммуникаций и т.д.).
Сущность заявляемой полезной модели представляющей собой устройство в виде аппаратурно-информационной модели состоит в том, что система обеспечивает управление элементами инфраструктуры, входящими в Единую государственную систему предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций в процессе строительства и эксплуатации зданий и содержит: метрологические средства измерения параметрических характеристик конструкции здания - вертикальных и горизонтальных смещений здания по верхнему уровню, собственных колебаний здания и колебаний здания под действием ветровой и сейсмической нагрузок, вертикальных и горизонтальных перемещений критических элементов конструкции здания, деформаций основания здания, наклона здания по основанию, осадки основания здания, давления на основание здания, установленные непосредственно на элементах конструкции здания; метрологические средства измерения параметрических гидрогеологических характеристик грунтового массива, установленные в грунтовых скважинах под основанием здания и в зоне, прилегающей к периметру здания; средства измерения метеорологических параметров окружающей среды - температуры, влажности, атмосферного давления, направления и скорости ветра, установленные непосредственно на здании, выполненные с возможностью автоматического осуществления измерений в режиме реального времени или с заданной периодичностью и передачи результатов измерений по проводным и беспроводным каналам связи, соединенные по средствам единой информационной системы связи и аппаратуры связи с основным и резервным серверами сбора, обработки и архивации информации локальной сети центрального пульта системы управления и мониторинга инженерными системами здания, выполненными с возможностью в режиме реального времени сбора исходных данных для автоматизированного формирования баз данных разнородных метрологических измерений, автоматизированной их интегрированной обработки в режиме реального времени и в режиме постобработки с заданной периодичностью, автоматизированного вычисления параметров, построения и визуализации 3D-моделей пространственно-прочностного и напряженно-деформируемого состояния конструкции здания, гидрогеологического состояния грунтового массива на основании исходных данных по результатам метрологических измерений, выполнения расчетно-аналитических операций по экстраполяции интегрированных 3D-моделей и сопоставления величин их параметрических характеристик с начальными проектными величинами, выбора вариантов управляющих воздействий в виде технических и организационных решений, направленных на обеспечение соответствия параметров пространственно-прочностного и напряженно-деформируемого состояния конструкции здания, соответствия показателей инженерной безопасности здания и безопасности ЧС нормативным диапазонам, автоматизированного формирования баз данных результатов моделирования и выполнения расчетно-аналитических операций, задания режима и диагностики средств измерений, в свою очередь соединенными по средствам аппаратуры связи локальной сети с автоматизированным рабочим местом оператора центрального пульта управления, выполненным с возможностью переключения с основного сервера на резервный в ручном режиме, и по средствам единой информационной системы связи и аппаратуры связи с основным и резервным серверами сбора, обработки и архивации информации локальных сетей регионального центра управления кризисными ситуациями МЧС России и Ситуационного центра администрации региона, выполненными с возможностью сбора исходных данных, поступающих с центральных пультов управления зданий, для автоматизированного формирования баз данных, выполнения аналитических операций по определению уровня показателей инженерной безопасности здания и безопасности ЧС и их соответствия нормативным диапазонам, выбора вариантов управляющих воздействий на инфраструктурные элементы «внешней среды» (исполнительные подразделения МЧС, региональной администрации, ЖКХ) с целью реализации действий организационно-технического характера, направленных на обеспечение инженерной безопасности несущих конструкций уникальных зданий, предупреждение ЧС или снижения уровня их последствий, автоматизированного формирования баз данных результатов выполнения аналитических операций и выбранных управляющих воздействий, в свою очередь соединенными по средствам аппаратуры связи локальных сетей с автоматизированными рабочими местами операторов центра управления кризисными ситуациями МЧС России и Ситуационного центра администрации региона (соответственно), выполненными с возможностью переключения с основного сервера на резервный в ручном режиме, и по средствам единой информационной системы связи и аппаратуры связи с серверами и автоматизированными рабочими местами диспетчерских служб исполнительных инфраструктурных элементов «внешней среды»; также содержит аппаратуру и кабельную сеть единой информационной системы связи между элементами системы управления, выполненные с возможностью переключения в автоматическом и ручном режиме с основного на резервный канал связи; резервные источники электропитания метрологических средств измерения, серверов и автоматизированных рабочих мест, выполненные с возможностью переключения в автоматическом и ручном режиме с основного на резервный источник питания.
На фиг.1 представлена структурно-функциональная схема заявляемой полезной модели. На фиг.2 - модуль измерительной аппаратуры пространственно-динамических характеристик конструкций зданий по фиг.1. На фиг.3 - модуль измерительной аппаратуры параметрических характеристик грунтового массива по фиг.1. На фиг.4 - модуль измерительной аппаратуры параметрических характеристик окружающей среды по фиг.1. На фиг.5 - аппаратный модуль сбора, обработки и архивации информации инженерной безопасности в составе ЦПУ здания по фиг.1. На фиг.6 - модуль сбора, обработки и архивации ЦУКС МЧС по фиг 1. На фиг.7 - модуль сбора, обработки и архивации СЦ региональной Администрации по фиг 1.
Таким образом, структурная компоновка аппаратуры предлагаемой системы автоматизированного функционально-технического управления в режиме реального времени инфраструктурой безопасности инженерных несущих конструкций уникальных зданий состоит из шести основных модулей из представленных на фиг.1-7 модулей: модуль измерительной аппаратуры, установленной непосредственно на элементах конструкции уникального здания и обеспечивающей измерения следующих его пространственно-динамических параметрических характеристик: вертикальных и горизонтальных смещений здания по верхнему уровню; собственных колебаний здания и колебаний здания под действием ветровой и сейсмической нагрузок; вертикальных и горизонтальных перемещений критических элементов конструкции здания; деформаций основания здания; наклона здания по основанию; осадки основания здания; давления на основание здания; модуль измерительной аппаратуры, установленной в грунтовых скважинах под основанием здания и в зоне, прилегающей к периметру здания, и обеспечивающей измерения параметрических гидрогеологических и динамических характеристик грунтового массива; модуль измерительной аппаратуры, установленной непосредственно на здании и обеспечивающей измерения метеорологических параметров окружающей среды; модуль аппаратуры сбора, обработки и архивации данных измерений, управления режимами функционирования самой системой и самодиагностики процесса ее эксплуатации, входящий в состав центрального пульта (ЦПУ) системы мониторинга и управления инженерными системами здания (может располагаться как непосредственно в специально выделенных помещениях здания, так и дистанционно); модуль аппаратуры сбора, обработки и архивации данных регионального ЦУКС МЧС; модуль аппаратуры сбора, обработки и архивации данных регионального ситуационного центра (СЦ).
Модули сбора, обработки и архивации информации включают АРМ операторов; основные и резервные серверы сбора, обработки и архивации информации. При этом модуль сбора, обработки и архивации информации ЦПУ дополнительно включает мобильный процессор сбора, интегрированной обработки и архивации разнородных данных измерений. Кроме этого данный модуль дополнительно сопряжен с пультом управления региональной референцией сетью базовых геодезических станций как с инфраструктурным элементом «внешней среды» для обмена информационными данными по определению и уточнению (периодическому пересчету) параметров региональной географической и локальной систем координат в режиме /«воздействие»-«обратная связь»/.
Модули сбора, обработки и архивации информации сопряжены соответственно с системами оперативной сигнализации системы управления инженерными системами здания; аварийно-диспетчерской службы МЧС; аварийно-инженерной службы ЖКХ и регионального СЦ, оснащенными стандартными средствами аварийного экстренного оповещения («внешней среды управления»).
Все модули аппаратуры соединены по средствам аппаратуры и соединительных проводных (кабельных линий) и беспроводных основных и резервных сетей единой информационной системы связи, включающей в себя соединение элементов аппаратуры отдельных модулей в виде телефонных каналов связи, каналов связи информационных локальных систем соответствующих инфраструктурных элементов и здания, каналов связи информационной системы Интернет, входящих в состав системы автоматизированного функционально-технического управления в режиме реального времени инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций уникальных зданий.
В качестве персональных компьютеров, серверов, контроллеров, элементов единой информационной системы связи применяются серийно выпускаемая и специальная аппаратура и элементы, предназначенные для формирования электрорадиотехнических комплексов и сетей.
В качестве измерительной аппаратуры применяются специальные и стандартно выпускаемые метрологические средства, обеспечивающие измерения необходимых физических величин в соответствии с используемыми технологиями метрологических измерений, в том числе специально адаптированными для решения поставленных задач, например таких как: GNSS - технология для измерения вертикальных и горизонтальных перемещений верха здания и комплекса параметров колебаний здания; РВГИ-технология для измерения параметров геогидрологического и динамического состояния грунта.
Для обеспечения функционирования системы применяется специальное программное обеспечение для обработки данных измерений, расчетно-аналитические программы для моделирования и визуализации НДС и прочностных характеристик здания; моделирования состояния грунтового массива, специально разработанное программное обеспечение формирования (поддержки принятия) в автоматизированном режиме управляющих воздействий, специальное и стандартное программное обеспечение для архивации информации и формирования баз данных на основе результатов измерений, их обработки, формируемым и принимаемым к реализации управляющим решениям, а также специальное и стандартное программное обеспечение для управления режимами функционирования системой и ее диагностики.
Предлагаемая система используется в следующих режимах управления: контроль, учет, анализ, планирование, контроль, прогнозирование параметров управления и управляющих воздействий.
Основным принципом функционирования системы является поддержание значения целевой функции системы - показателя эффективности фунционирования (на соответствующих уровнях иерархии принимаемых управляющих решений) в каждый конкретный момент времени в базовом диапазоне проектных расчетных значений в соответствии с требованиями нормативной документации.
Предлагаемая система автоматизированного функционально-технического управления в режиме реального времени инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций уникальных зданий функционирует следующим образом.
Измерительная аппаратура, установленная на конструктивных элементах здания, в грунтовом массиве под основанием здания и в грунтовом массиве в территориальной зоне, прилегающей к периметру здания, обеспечивает в автоматическом режиме в режиме реального времени или с заданной периодичностью в соответствии с планом мониторинга, заложенным в программное обеспечение режима функционирования системы, измерения значений параметров физических величин, являющихся исходными данными для анализа НДС здания, его прочностных и пространственных характеристик. Режим измерений параметров для каждой физической величины выбирается в зависимости от требований, установленных нормативной документацией. Дополнительно сервер ЦПУ оснащен программным обеспечением для диагностики и задания режимов функционирования компонентов модуля измерительной аппаратуры, учета данных об их технических характеристиках, данных о метрологической аттестации и переаттестации. Местоположение средств измерений устанавливается на основании результатов прочностного расчета конструкции и основания здания, выполняемого на проектном этапе строительства. Местоположение средств измерения (каждого сенсора) фиксируется относительно локальной системы координат здания и вносится в программное обеспечение сервера ЦПУ здания на этапе пуско-наладочных работ системы. Площадь прилегающих к зданию территорий, повергаемых мониторингу, устанавливается в соответствии с нормативной документацией и при необходимости может быть увеличена по заявке региональной геодезической службы или других заинтересованных ведомств. Данные измерений поступают на сервер ЦПУ, подвергаются интегрированной обработке в режимах реального времени и постобработки в соответствии с алгоритмами соответствующего программного обеспечения. В процессе интегрированной обработки фактические данные измерений в автоматическом режиме визуализируются на АРМ оператора (в графическом и/или табличном представлении), анализируются путем сопоставления с заданной шкалой допустимых диапазонов «безопасности/опасности». В случае, если значение какого-либо из параметров превышает границу безопасного диапазона, информация о превышении автоматически поступает на АРМ оператора ЦПУ в виде предупреждающего сигнала. Обработанные данные разнородных измерений по одному каналу связи поступают на архивацию в базу данных измерений на сервере ЦПУ; по другому каналу связи, являясь исходными данными для расчетно-аналитических операций по интегрированному 3D-моделированию НДС, пространственного положения здания и 3D-моделированию грунтового массива, поступают на обработку и визуализацию результата в графическом и/или табличном представлении (на АРМ оператора) посредствам использования соответствующего программного обеспечения сервера. Все программное обеспечение 3D-моделирования строиться на основе принципа «конечных элементов». Параметры получаемых 3D-моделей сопоставляются с исходными расчетными параметрами проектных пространственно-прочностной 3D-модели здания и структурно-параметрической 3D-модели грунтового массива, составленной по результатам предпроектных геодезических изысканий. Обе проектные модели исходно закладываются в программное обеспечение сервера ЦПУ для каждого конкретного строительного объекта. Параметры фактической на данный временной этап мониторинга и проектной моделей анализируются путем сопоставления на предмет соответствия допустимым диапазонам «безопасности/опасности». В случае если значение какого-либо из параметров превышает границу безопасного диапазона, информация о превышении автоматически поступает на АРМ оператора ЦПУ в виде предупреждающего сигнала. Данные результатов интегрированного моделирования по одному каналу связи поступают на архивацию в базы данных на сервере ЦПУ; по другому каналу связи, являясь исходными данными для расчетно-аналитических операций по экстраполяции интегрированных 3D-моделей, поступают на обработку и визуализацию результата (в графическом и/или табличном представлении) на АРМ оператора (посредствам использования соответствующего программного обеспечения) в виде окончательной 3D-модели НДС здания с учетом влияния изменений параметров грунтового массива. Далее параметры этой конечной 3D-модели поступают на архивацию в базу данных мониторинга на сервере ЦПУ и повторно сопоставляются с расчетными параметрами проектной пространственно-прочностной 3D-модели здания. В случае, если значение какого-либо из параметров превышает границу безопасного диапазона, по одному каналу информация о превышении автоматически поступает на АРМ оператора ЦПУ в виде предупреждающего сигнала, по другому каналу поступает на обработку для оценки показателей уровня инженерной безопасности и безопасности ЧС, далее в аналитический блок поддержки принятия управляющих решений посредствам программного обеспечения выбора варианта или вариантов из массива множества альтернативных типовых управляющих решений. Массив множества альтернативных типовых управляющих решений («сценариев действий») в виде базы данных исходно закладывается в сервер ЦПУ. Структура построения массива учитывает как вариантность типовых технических предупреждающих аварийную ситуацию решений с учетом типа конструкции и назначения здания, так и вариантность организационных решений в соответствии со шкалой инженерной опасности здания и опасности ЧС. Информация о фактическом уровне показателей инженерной безопасности и безопасности ЧС, о результатах выбора управляющего воздействия поступает на АРМ оператора ЦПУ и архивируется в соответствующих базах данных на сервере ЦПУ. В случае, если уровень показателей инженерной безопасности здания и безопасности ЧС ниже границ допустимых значений, данная информация параллельно в виде предупреждающего сигнала поступает на сервер регионального ЦУКС МЧС и на сервер регионального СЦ с указанием местоположения здания в региональной системе координат и местоположения дестабилизирующего фактора в локальной системе координат конструкции здания, визуализируется на АРМ операторов ЦУКС и СЦ. Одновременно на сервер ЦУКС и сервер СЦ поступает развернутая информация о результатах мониторинга (параметрические характеристики дестабилизирующего фактора) и о выборе управляющего технического решения, направленного на устранение или снижение уровня дестабилизирующего фактора. При этом, региональный ЦУКС МЧС и региональный СЦ дооснащены специальными серверами сбора, обработки и архивации информации (основным и резервным), АРМ операторов. Серверы СЦ и ЦУКС оснащены программным обеспечением для более детальной оценки уровня инженерной безопасности здания и безопасности ЧС соответственно; аналитическим блоком программного обеспечения поддержки принятия управляющих организационных решений и программным обеспечением формирования баз данных. Результаты обработки поступившей с ЦПУ здания информации визуализируются (в графическом и/или табличном представлении) на АРМ операторов и передаются операторам диспетчерских служб соответствующих исполнительных структурных подразделений МЧС, региональной администрации и ЖКХ (инфраструктурным элементам «внешней среды»), с которыми по средствам (проводных/беспроводных) каналов и аппаратуры связи соединены серверы ЦУКС и СЦ. По принципу «обратная связь» с АРМ операторов ЦУКС и СЦ на сервер ЦПУ здания могут задаваться параметры режимов мониторинга (режимы измерений), а также поступает обратная информация о окончательно принимаемых управляющих организационно-технических решений, о введении при необходимости режима аварийно-спасательной ситуации. В случае поступления на сервер ЦПУ информации о введении режима аварийно-спасательной ситуации, она в автоматическом режиме отражается на АРМ оператора ЦПУ в виде предупреждающего сигнала, а также автоматически поступает в блок аварийной сигнализации (для оповещения Потребителя здания) сервера системы управления инженерными системами здания.
Компоненты системы центрального пульта управления и модуля измерительной аппаратуры соединены (запитаны) с единой сетью электропитания здания, а также с резервными источниками питания, входящими в состав системы, или с резервным источником электропитания уникального здания и обеспечивающими бесперебойный режим работы.
При необходимости (по согласованию) на серверы ЦУКС и СЦ может с определенной периодичностью или в режиме реального времени поступать вся информация (или информация за определенный период) о результатах мониторинга уникального здания и грунтового массива в зоне прилегающих территорий, а также информация о результатах диагностики функционирования системы, включая средства измерения, серверы сбора, обработки и архивации информации, АРМ ЦПУ.
Информация о мониторинге состояния грунтового массива при необходимости с заданной периодичностью может поступать на сервер региональной геодезической службы.
Информация о 3D - моделей объектов строительства, при необходимости, может поступать на сервер региональной Администрации (Комитета по строительству) для формирования и актуализации баз данных о градостроительных объектах.
Предлагаемая система автоматизированного функционально-технического управления в режиме реального времени инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций уникальных жилых и общественных зданий соответствует требованиям нормативной документации, предъявляемым к системам мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений (ГОСТ Р 22.1.12 и др.), является оптимальной, с точки зрения ее построения, по числу входящих и выходящих связей, коммуникационных связей между ее элементами, что позволяет значительно сократить время принятия решений в процессе управления, обеспечить точность и гибкость управления, не ущемляя интересов элементов инфраструктуры, входящих в состав Единой государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС.
Предлагаемая система за счет использования измерительных средств, входящих в состав устройства и обеспечивающих реализацию высокоточных технологий метрологических измерений, иерархической архитектуры алгоритма функционирования позволяет точно и своевременно выявлять причины и тенденции развития изменений и отклонений от проектных диапазонов пространственно-прочностных параметров конструкции, НДС здания в процессе его строительства и эксплуатации, а также влияние здания на геогидрологическое состояние грунтового массива и прилегающие наземные и подземные элементы городской инфраструктуры; за счет аппаратуры автоматизации, расченто-аналитического программного обеспечения обработки информации измерений позволяет своевременно и обосновано формировать и принимать управляющие воздействия, направленные на предупреждение ЧС или снижение уровня их последствий.
Система может быть использована для управления инфраструктурными элементами различного ведомственного подчинения, входящими в состав Единой государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС, с целью решения задачи обеспечения инженерной безопасности несущих конструкций уникальных жилых и общественных зданий.
Система имеет модульную структуру построения и алгоритм функционирования, может дополнятся дополнительными функциональными модулями, при необходимости расширения круга задач управления.
Отдельные модули системы при необходимости могут быть использованы для деформационного мониторинга технического состояния аварийных зданий, а также для деформационного мониторинга рукотворных (сооружений) и природных объектов повышенной опасности, стратегических объектов.
Полагаем, что предложенное устройство (система) обладает всеми критериями полезной модели, так как заявляемая система в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных систем и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Новизна полезной модели заключается в том, что система централизованного автоматизированного управления в режиме реального времени инфраструктурой инженерной безопасности несущих конструкций уникальных зданий и сооружений представляет собой устройство в виде аппаратурно-информационной модели, состоящее из элементов автоматизированного контрольно-измерительной подсистемы (КИС); автоматизированных рабочих мест (АРМ), включающих персональные компьютеры (ПК), операторов ЦПУ здания, операторов ЦУКС и операторов СЦ, серверов баз данных, серверов подсистем сбора и обработки информации, аппаратуры, проводных (кабельных) и беспроводных сетей подсистемы связи, позволяющее создавать информационные базы, базы знаний, базы данных:
- по результатам измерений параметров, характеризующих текущее техническое состояние инженерной безопасности несущих конструкций уникального здания при воздействии внешних и внутренних нагрузок;
- по результатам измерений параметров, характеризующих текущее состояние грунтового массива под основанием здания и в зоне, прилегающей к периметру здания;
- по результатам выявления в грунтовом массиве инородных (рукотворных) объектов, их типов и характеризующих параметров;
- по результатам расчетного моделирования напряженно-деформируемого состояния (НДС) основания и конструкции здания, пространственного положения конструкции здания и ее особо ответственных элементов;
- по результатам расчетного моделирования гидрогеологического структурного состава, НДС грунтового массива под основанием здания и в зоне, прилегающей к периметру здания;
- по результатам расчетного моделирования взаимного влияния изменений параметрических характеристик конструкции здания и грунтового массива;
- по результатам идентификации степени инженерной безопасности несущей конструкции здания и опасности ЧС;
- по результатам выбора вариантов управляющих решений из массива множества альтернативных вариантов «сценариев действий»,
- по результатам оценки и оптимизации показателей эффективности функционирования элементов инфраструктуры, обеспечивающих инженерную безопасность здания, на основе которых, можно выработать своевременные управляющие воздействия на элементы инфраструктуры обеспечения инженерной безопасности конструкций зданий с целью предупреждения возникновения ЧС или снижения уровня их последствий.
Конструктивная реализация заявляемой системы не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источники информации:
1. Патент на полезную модель №63091 от 10.05.2007 г., авторы: Лужков Ю.М., Соломонов Ю.С. и др.
2. Свидетельство на полезную модель №26665 от 10.12.2002 г., авторы: Чубайс А.Б., Меламед Л.Б. и др.
3. Патент на полезную модель №88168 от 20.05.2009 г., автор Куркова О.П. - прототип.