CC BY
21
УДК 004.042
А.А. Сошников
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УНИКАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Обсуждены теоретические основы проектирования системы непрерывного мониторинга технического состояния (НМС) уникальных сооружений. Рассмотрено информационное обеспечение системы НМС с позиций систем обработки потоковых данных, комплексных событий (CEP) и SCADA-систем. Выделены архитектурные особенности системы НМС.
Ключевые слова: уникальные сооружения, мониторинг технического состояния, банк данных, обработка комплексных событий.
Ввиду постоянного усложнения проектов и технологий строительства особое значение приобретает проблема непрерывного контроля технического состояния конструкций уникальных и технически сложных сооружений с целью предупреждения возникновения аварийных ситуаций и обеспечения их устойчивой эксплуатации на протяжении всего жизненного цикла. При непрерывном мониторинге приходится иметь дело с внушительными объемами цифровых данных, получаемых от цифровых вторичных преобразователей. Получаемая информация должна оперативно обрабатываться по мере обновления буферов данных цифровых преобразователей. С учетом вышесказанного становится очевидной необходимость применения системы непрерывного мониторинга состояния (НМС) уникальных сооружений, основным назначением которой является формирование банка данных мониторинга, своевременное оповещение ответственных лиц о зафиксированных изменениях состояния системы, требующих внимания [1].
Как правило, оснащение технически сложного инженерного объекта средствами мониторинга необходимо на этапе его строительства, т.е. отдельные элементы системы НМС устанавливаются и используются уже на этом этапе жизненного цикла объекта. Таким образом, к системе НМС в целом и банку данных системы в частности выдвигаются требования модульности и расширяемости, которые должны быть учтены еще на этапе проектирования этой системы, что, очевидно, приводит к усложнению проекта системы мониторинга. В контексте информационного обеспечения систем НМС под модульной и расширяемой архитектурой системы НМС понимается такая ее организация, при которой функциональность системы может быть расширена путем внедрения в ее структуру новых компонентов, обеспечивающих выполнение новых функций. Интеграция функциональности новых компонентов с уже имеющимися приводит к появлению новых функций системы. Функционирующая система непрерывного мониторинга технического состояния уникальных сооружений должна обеспечивать решение следующих основных задач:
контроля количественных параметров и качественных признаков, характеризующих техническое состояние сооружения;
оперативного предоставления информации о текущем состоянии сооружения и функционировании системы мониторинга обслуживающему персоналу;
накопления данных о работе сооружения и организации удобного доступа к ним с целью их последующего анализа;
формирования периодических отчетов, позволяющих судить о состоянии сооружения и его изменении во времени.
© Сошников А.А., 2012
283
вестник ц/2012
В настоящее время мониторинг в большинстве случаев сводится к контролю показателей путем сравнения с заданными предельными величинами и оповещению ответственных лиц о фактах выхода контролируемой величины за дозволенные пределы с сохранением файлов с измерениями. Анализ данных мониторинга в основном не автоматизирован и проводится постфактум. В существующих системах мониторинга актуальны и требуют значительной проработки задачи совершенствования процессов сохранения, анализа и контроля данных, оперативного доступа к ним. Очевидно, с развитием технологий, совершенствованием методов обработки (сбора, анализа, хранения, представления и пр.) информации, вопросы контроля состояния и устойчивой эксплуатации сооружений должны выходить на новый уровень проработки.
Рассмотрим информационное обеспечение (ИО) системы НМС с позиций информационных систем обработки потоков данных Information Flow Processing (IFP) [2], и систем SCADA, находящих широкое применение в инженерной деятельности, направленной на решение задач контроля и управления. Современные SCADA-системы в основном используются в промышленных АСУ ТП с целью сбора и контроля определенного набора параметров, оказания управляющих воздействий (управление технологическим оборудованием и т.п.) [3]. Специфика использования систем НМС не предполагает управления. Бесспорно, некоторые особенности разработки архитектуры хранилищ данных SCADA-систем, например, такие как интеграция с различными РСУБД [4], генерирование сигналов тревог, должны учитываться и при разработке банка данных систем НМС. РСУБД удобны для решения задач выборки данных для последующего анализа, формирования отчетов и хранения метаданных в системе НМС. Рассмотрение ИО системы НМС с позиции систем обработки потоков данных IFP открывает новые возможности обработки оцифрованных сигналов датчиков. Несмотря на различия в архитектуре и используемых моделях данных, языковых особенностях, механизмах обработки потоков данных, системы IFP объединены общим свойством обработки информации по мере ее поступления с периферии системы к ее центру. На сегодняшний день выделяют две основные модели систем IFP: модель обработки потоковых данных (Data Stream Processing) и модель обработки сложных событий (Complex Event Processing — CEP). Первая из них является своего рода эволюционировавшей реляционной моделью, рассматриваемой с позиции продуцирования исходящих потоков данных на основе поступающих от различных источников входящих потоков данных, и применяется в системах Data Stream Management System (DSMS). Относительная персистентность данных в традиционных СУБД обусловливает способ работы с ними, основанный на SQL-запросах. Модель обработки потоковых данных, использующаяся в DSMS, не отказывается от использования синтаксически схожих с SQL языковых конструкций и оперирует с их помощью выходящим потоком данных, выполняя запросы последовательно, что приводит к постоянному обновлению выходного потока данных. Модель CEP рассматривает входящий поток данных как источник информации о внешних событиях [2], совокупности которых представляют комплексные события. Таким образом, эта модель предполагает применение шаблонов комплексных событий для их идентификации в потоке событий более низкого уровня. Обоснованным представляется применение подобной модели в системе НМС, поскольку приходится иметь дело с, казалось бы, несвязанными потоками данных, первоисточник которых, как правило, — сооружение с уникальными характеристиками. В существующих нормах [5] предлагается и широко применяется в SCADA-системах на практике способ контроля параметров мониторинга, основанный на отслеживании изменения измеряемой величины в соответствии со следующим условием: е ~ < n.(t) < еД где n.(t) — экспериментальное значение контролируемого параметра i, получаемое в момент времени t, прямым измерением или косвенно (вычислением); е-, е + — нижний и верхний пределы диапазона допустимого изменения контролируемого параметра (нормы контроля).
Для контроля величин часто предусматривается задание нескольких уровней контроля, а по результатам контроля генерируются специальные сообщения (alarms) с целью информирования диспетчера [6]. Рассмотренный подход предлагается расширить дополнительной функциональностью распознавания сложных взаимосвязей параметров мониторинга и использовать в системе НМС для контроля и фильтрации данных, что определит событийно-ориентированный подход к обработке и хранению данных в системе НМС. События, зафиксированные системой НМС по разнотипным каналам данных в пределах заданного промежутка времени At, рассматриваются как возможно взаимосвязанные инциденты. При выявлении таких инцидентов система создает шаблон (pattern) поиска комплексного события и активизирует алгоритм сопоставления шаблона и вновь поступающих данных. Все случаи соответствия фиксируются в базе данных и в автоматическом режиме доводятся до сведения диспетчера в периодических отчетах.
Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке информационных систем и, прежде всего, их программного обеспечения, выражен в объектно-ориентированном подходе к проектированию [7]. Объектно-ориентированный анализ информационного обеспечения систем IFP и SCADA позволяет определить требования к архитектуре банка данных системы НМС, выделить основополагающие структурные компоненты и архитектурные особенности, которые предлагается использовать при проектировании архитектуры банка данных системы НМС. Основные требования заключаются в возможности добавления в системы новых модулей, возможности получения данных о состоянии системы удаленно, автоматического/автоматизированного создания отчетов о результатах мониторинга. Среди архитектурных особенностей необходимо отметить такие, как объединение нескольких входящих потоков данных в один исходящий, использование шаблонов распознавания сложных событий, оперативный контроль данных, интеграция с СУБД и формирование отчетов на основе архивных данных. Уникальная особенность системы НМС представляется автоматическим генерированием правил обработки поступающих событий мониторинга на основе результатов обработки предшествующих им событий, а также в оптимизации хранения и использования данных мониторинга и должна выражаться в структуре и методе формирования банка данных системы НМС. Становится очевидным, что звеном, консолидирующим данные мониторинга в системе НМС и обеспечивающим оперативный доступ к ним должен стать банк данных мониторинга, построенный на основе модульной и расширяемой архитектуры, обусловливающей возможность совершенствования проектирования банка данных с применением моделей и методов автоматизации САПР.
В заключение отметим вероятные пути совершенствования процессов обработки данных в системе НМС: применение механизмов CEP для непрерывного мониторинга состояния уникальных и технически сложных сооружений; изучение способов применения «облачных» технологий при организации систем НМС. Колоссальные вычислительные мощности «облачной» инфраструктуры могут оказать неоценимый вклад в решение задач анализа потоков данных, которыми оперирует система.
Библиографический список
1. Крутиков О.В., БлохинаН.С., СошниковА.А. Контроль состояния сооружений при непрерывном мониторинге: накопление и предоставление данных // Промышленное и гражданское строительство. 2011. № 11. С. 35—37.
2. Processing Flows of Information [Электронный ресурс]: From Data Streams to Complex Event Processing. Режим доступа: http://home.dei.polimi.it/margara/papers/survey.pdf. Дата обращения: 17.08.2012.
3. НоренковИ.П. Основы автоматизированного проектирования. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 336 с. (Сер. Информатика в техническом университете).
вестник 11/2012
4. Швецов Д. Интеллектуальные системы хранения данных в АСУ ТП // Современные технологии автоматизации. 2011. № 4. С. 42—46.
5. ГОСТ Р 53778—2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. Введ. 25.03.2010. М. : Стандартинформ, 2010. 96 с.
6. Крутиков О.В. Измерительные системы при непрерывном мониторинге мостов // Институт Гипростроймост. 2008. № 2. С. 89—92.
7. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений / Г. Буч, Р. А. Максимчук, М.У Энгл. и др. 3-е изд. М. : Вильямс, 2010. 720 с.
Поступила в редакцию в октябре 2012 г.
Об авторе: Сошников Александр Александрович — аспирант кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве, ФБГОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].
Для цитирования: СошниковА.А. Теоретические основы информационного обеспечения систем непрерывного мониторинга технического состояния уникальных сооружений // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 283—287.
A.A. Soshnikov
FUNDAMENTALS OF DATA SUPPORT OF SYSTEMS OF CONTINUOUS MONITORING OF THE TECHNICAL CONDITION OF UNIQUE STRUCTURES
Currently, continuous monitoring of the technical condition of structures is in most cases reduced to control over indicators compared to a set of limit values. The monitoring system alerts responsible officers about the facts within or beyond permissible limits and saves files that contain the measurement data. Generally, data analysis is non-automated and carried out post factum rather than in the real-time mode. Systems of continuous monitoring of the technical condition of structures need improved data monitoring, analysis and storage processes as well as the system of their immediate retrieval. Besides, the above procedures need a thorough assessment. Obviously, any advancement of technologies improves data processing (data collection, analysis, storage, presentation); therefore, issues of monitoring and operation of a sustainable system are to attain a new level.
The information support of the system of continuous monitoring of the technical condition of structures is viewed from the perspective of Information Flow Processing (IFP) and SCADA-systems. Contemporary SCADA-systems are widely used to control and manage the industrial environment of plants and factories.
Peculiarities of the system of continuous monitoring of the technical condition of structures consist in the fact that this system does not produce any direct influence on the subject under control. Undoubtedly, certain features of the SCADA system architecture (alert generation, integration with DBMS) might be considered in the course of development of systems of continuous monitoring of the technical condition of structures.
Systems of continuous monitoring of the technical condition of structures process basic interconnected monitoring events and generate more complex ones. Thus, the behavior of structures exposed to diverse influences may be considered in a new perspective.
It is obvious that systems of continuous monitoring of the technical condition of structures require a data warehouse responsible for managing complex events, data storage and presentation. Data warehouses are to be the major component of systems of continuous monitoring of the technical condition of structures.
Key words: monitoring of the technical condition, data warehouse, monitoring system, complex event processing, data presentation.
References
1. Krutikov O.V., Blokhina N.S., Soshnikov A.A. Kontrol' sostoyaniya sooruzheniy pri nepreryvnom monitoringe: nakoplenie i predostavlenie dannykh [Continuous Monitoring within the Framework of Control over the Condition of Structures: Data Accumulation and Presentation]. Promyshlennoe i grazhdans-koe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2011, no. 11, pp. 35—37.
2. Processing Flows of Information: from Data Streams to Complex Event Processing. Available at: http://home.dei.polimi.it/margara/papers/survey.pdf. Date of access: 17.08.2012.
3. Norenkov I.P. Osnovy avtomatizirovannogo proektirovaniya [Fundamentals of Computer-aided Design]. Moscow, MGTU im. N.E. Baumana publ., 2002, 336 p.
4. Shvetsov D. Intellektual'nye sistemy khraneniya dannykh vASU TP [Intellectual Systems of Data Storage in Automatic Control Systems]. Sovremennye tekhnologii avtomatizatsii [Contemporary Automation Technologies]. Moscow, 2011, no. 4, pp. 42—46.
5. GOSTR 53778—2010. Zdaniya i sooruzheniya. Pravila obsledovaniya i monitoringa tekhnichesk-ogo sostoyaniya. Vved. 25.03.2010. [State Standard of Russia 53778—2010. Buildings and Structures. Rules of Examination and Monitoring of the Technical Condition. Introduced on 25.03.2010]. Moscow, Standartinform publ., 2010, 96 p.
6. Krutikov O.V. Izmeritel'nye sistemy pri nepreryvnom monitoringe mostov [Measurement Systems in the Event of Continuous Monitoring of Bridges]. Moscow, Institut Giprostroymost Publ., 2008, no. 2, pp. 89—92.
7. Booch G., Maksimchuk R.A., Engle M.W., Yong B.J., Conallen J., Houston K.A. Ob"ektno-ori-entirovannyy analiz i proektirovanie s primerami prilozheniy [Object-oriented Analysis and Design with Applications]. Moscow, Vil'yams publ., 2010, 720 p.
About the author: Soshnikov Aleksandr Aleksandrovich — postgraduate student, Department of Information Systems, Technology and Automation in Civil Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; a.a.soshnikov@ gmail.com.
For citation: Soshnikov A.A. Teoreticheskie osnovy informatsionnogo obespecheniya sistem nepre-ryvnogo monitoringa tekhnicheskogo sostoyaniya unikal'nykh sooruzheniy [Fundamentals of Data Support of Systems of Continuous Monitoring of the Technical Condition of Unique Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 283—287.
