CC BY
155
ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ДЕФОРМАЦИЙ УСТЬ-КАМЕНОГОРСКОГО СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА
Владимир Адольфович Середович
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор, проректор по НИР и ИД СГГА, тел. +7(383)343-39-57, e-mail: sva@ssga.ru
Галина Николаевна Ткачева
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, начальник центра инженерно-геодезических систем и технологий, тел.
+7(383)361-01-13, e-mail: nimc132@list.ru
Александр Владимирович Середович
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, кандидат технических наук, директор центра лазерного сканирования, тел. +7(383) 343-39-57, e-mail: a.v.seredovich@ssga.ru
В статье описана технология проектирования и создания стационарных автоматизированных систем геодезического мониторинга деформаций Усть-Каменогорского судоходного шлюза.
Ключевые слова: геодезический мониторинг деформаций элементов инженерных сооружений, стационарная автоматизированная система геодезического мониторинга, автоматизированный геодезический контроль элементов соружений, потсоянный геодезический контроль за безопасной эксплуатацией сложных инженерных объектов.
GEODETIC DEFORMATION MONITORING OF UST-KAMENOGORSK SHIPPING LOCK
Vladimir A. Seredovich
Ph.D., Prof., Vice-rector for Research and Innovations, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108 Novosibirsk, phone: +7(383)343-39-57, e-mail: sva@ssga.ru
Galina N. Tkachyova
Head of Engineering Surveying Systems and Technologies Centre, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., 630108 Novosibirsk, phone: +7(383)361-01-13, e-mail:
nimc132@list.ru
Alexander V. Seredovich
Ph.D., Director of Laser Scanning Centre, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., 630108 Novosibirsk, phone: +7(383) 343-39-57, e-mail: a.v.seredovich@ssga.ru
The technology for the automated stationary system designing and construction is described. It is to be used for geodetic deformation monitoring of Ust-Kamenogorsk shipping lock.
Key words: geodetic deformation monitoring, automated stationary system for geodetic deformation monitoring, constant geodetic monitoring of complex engineering structures operational safety.
Одним из наиболее актуальных направлений постоянного геодезического контроля за безопасной эксплуатацией сложных инженерных объектов безусловно является создание автоматизированных систем геодезического мониторинга. Это направление развивается в нашей стране на протяжении последних 25-30 лет. Возникнув как лабораторный эксперимент в начале 80-х годов XX века, мониторинг в области геодезического контроля обрёл свои ясные очертания к концу 90-х годов, когда небывалый научно-технический прогресс в области создания компьютерной техники, широкий спектр возможностей программирования, позволили перевести в практическую плоскость разработку и создание стационарных систем геодезического мониторинга деформаций элементов инженерных сооружений. Такой технологический и методологический подход к натурным наблюдениям, в частности - геодезическим, позволил выйти на качественно новый, невозможный традиционными способами уровень сбора геодезической информации, а именно:
- Возможность единовременного опроса большого количества датчиков, интегрированных с геодезической контрольно-измерительной аппаратурой (КИА), т. е. получение информации в режиме реального времени, для принятия превентивных мер безопасности в аварийных ситуациях;
- Исключение или минимизация влияния человеческого фактора при геодезических наблюдениях, снижающих получение ошибочных данных;
- Анализ полученной информации с возможностью построения модели статической и динамической работы сооружения и его взаимодействия с окружающей средой;
- Использование получаемой геодезической информации при разработке комплексной системы оценок риска возникновения аномальных геодинамических процессов в районе строительства или эксплуатации инженерных сооружений.
Под системой автоматизированного геодезического контроля элементов сооружений подразумевается полный комплекс организационно-технических и методологических решений, а также программно- технических средств, включающий следующие этапы:
- Разработку технорабочего проекта для решения конкретных задач геодезического мониторинга на объекте с рекомендациями по выбору оборудования и программного обеспечения;
- Разработку (при необходимости) или применение стандартных технических средств, которые устанавливаются на существующую КИА без разрушения сложившиеся традиционных средств и систем контроля;
- Разработку специального прикладного программного обеспечения для конкретных задач геодезического мониторинга;
- Монтаж, наладку технических средств, настройку и метрологическую аттестацию аппаратной и программной частей системы.
Краткая характеристика объекта контроля и особенности геодезического мониторинга
Усть-Каменогорский судоходный шлюз расположен в 10 км выше по течению реки Иртыш от города Усть-Каменогорска (Республика Казахстан) и предназначен для пропуска судов через створ Усть-Каменогорского гидроузла. Конструктивно Усть-Каменогорский шлюз состоит из одной камеры шахтного типа, общей протяжённостью напорного фронта 41, 32 метров, верхнего подхода с двумя причальными стенками длиной 100 метров, расположенный у правого берега реки на 400 метров выше от торца нижней головы, проектной длиной 58 метров (фактически, после частичного обрушения) - 30, 5 метров и отбойно-направляющего понтона 67 метров непосредственно у верхней головы шлюза и нижнего подходного канала с двумя причальными линиями (см. рис.1). В состав геодезических работ по определению деформаций гидротехнических сооружений Усть-Каменогорского шлюза в соответствии с программой натурных наблюдений входит:
1. Измерение величин горизонтальных сдвигов бетонных блоков камеры шлюза в результате деформаций основания сооружения под воздействием гидростатического давления;
2. Измерение планово-высотных смещений блоков, разделенных температурно-осадочными швами относительно друг друга;
3. Определение величины горизонтальных деформаций камеры шлюза на различных отметках под воздействием температуры, гидростатического давления и т.д.
Рис. 1
В 2008 г. был выполнен очередной цикл высокоточных геодезических измерений с целью определения осадок и деформаций гидротехнических сооружений Усть-Каменогорского шлюза, после которого руководством по эксплуатации было принято решение о разработке качественно нового подхода
к мониторингу деформаций, а именно — установить на объекте стационарную автоматизированную систему геодезического деформационного мониторинга планово-высотных смещений бетонных элементов камеры шлюза (далее -система).
Если учесть, что объект находится в длительной эксплуатации и расположен в сейсмически активном районе, то такой подход должен был увеличить точность измерения деформаций в режиме реального времени, исключить влияние человеческого фактора при снятии показаний, повысить оперативность контроля за счёт значительного сокращения продолжительности цикла измерений и одновременности снятия показаний. В этом же году специалистами Сибирской Государственной Геодезической Академии (Россия, г. Новосибирск) и ТОО «Синетик» (Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск) был разработан проект, включающий в себя самые современные технические решения, учитывающие уникальность конструкций шлюза и реализующие особый подход к геоезическим наблюдениям за деформациями камеры шлюза.
Краткая характеристика основных проектных решений
Структурно, с точки зрения используемых типов геодезической КИА и очередности ввода в эксплуатацию, система подразделяется на подсистемы: сеть сдвигомеров, сеть щелемеров, пьезометрическая сеть (см. рис. 2)
В состав комплекса технических средств входят: измерительные
преобразователи, линии связи, управляющий вычислительный комплекс (промышленный компьютер и устройства связи с объектом). Комплекс технических средств организован таким образом, что позволяет выбранной номенклатурой реализовать наибольшее число функций системы при помощи серийных изделий, минимизировать состав дополнительно разрабатываемой аппаратуры и суммарную длину линий связи, обеспечить необходимую точность и помехозащищенность системы при ее эксплуатации на объекте. Система реализует функцию централизованного контроля планово-высотных смещений бетонных элементов камеры шлюза путем непосредственного измерения смещений по обратным отвесам, щелемерам и пьезометрам. В соответствии с указанной функцией системы по логическим признакам выделены следующие структурные элементы:
- Преобразование смещений бетонных элементов камеры шлюза в смещения контрольных точек одной из подсистем;
- Первичное преобразование смещений контрольных точек в электрический сигнал;
- Преобразование амплитуды электрического сигнала в цифровой код;
- Математическая обработка;
- Непосредственное отображение выходных данных в инженерных единицах;
- Прием и хранение базы данных;
- Отображение выходной информации;
- Управление, синхронизация, контроль.
□
1. Пульт оператора
2. Сервер
3. Магистральный ■ преобразователь
4. Линии ' связи
6. Датчики
5. Контроллеры
..................^9.....
Сеть сдвигомеров Сеть щелемеров
3. Магистральный преобразователь
Контроллеры
Датчики
& «
Пьезометрическая сеть
Рис. 2. Структурная схема системы геодезического мониторинга Усть-
Каменогорского шлюза:
1 - пульт оператора; 2 - сервер; 3 - магистральный преобразователь; 4 - линии связи; 5 - контроллеры; 6 — датчики (сеть сдвигомеров, сеть щелемеров, пьезометрическая
сеть)
Перечисленные структурные элементы совместно с объединяющими их информационными и управляющими связями выполнены для стационарного геодезического деформационного мониторинга Усть-Каменогорского шлюза.
Структурный элемент «Преобразование смещений бетонных элементов в смещение контрольных точек подсистемы» реализован геодезической КИА (обратными отвесами, щелемерами и пьезометрами).
Структурный элемент «Первичное преобразование смещений контрольных точек в электрический сигнал подсистемы» реализован первичными датчиками из состава периферийных средств системы.
Структурный элемент «Преобразование амплитуды электрического сигнала в цифровой код» реализован вторичными измерительными преобразователями (контроллерами из состава периферийных средств системы).
Структурный элемент «Измерение» реализован техническими средствами устройства связи с объектом.
Структурный элемент «Математическая обработка», «Ведение информационного фонда», «Отображение выходных данных в инженерных единицах», «Управление, синхронизация, контроль» реализованы техническими средствами вычислительного комплекса (ВК), общим и специальным программным обеспечением (СПО).
Информационное обеспечение системы содержит описание всех сигналов и кодов, используемых для связи технических средств. В качестве основных критериев при разработке системы принята минимальность и достаточность информационного обеспечения. Свойство минимальности информационного обеспечения проявляется в отсутствии дублирования и минимизации избыточности информации и использования машинных ресурсов (время занятости процессора, занятость канала ввода-вывода, количество носителей информации и т. д.). Достаточность информационного обеспечения заключается в возможности реализации всех информационных функций системы. В основу разработки математической модели объекта контроля положено его представление в виде пространственной системы контрольных точек, связанных системой геодезических измерений. Входными переменными модели являются планово-высотные смещения контрольных точек, связанные системой геодезических измерений, выходными - изменения геометрических параметров геодезической КИА. Структурная и параметрическая идентификация модели выполняется с использованием вероятностно - статистического подхода и заключается в адаптации модели к объекту контроля. Структурное программное обеспечение системы подразделяется на общее и специальное программное обеспечение. Общее программное обеспечение (ОПО) представлено операционными системами Windows, Linux. Специальное программное обеспечение (СПО) представляет собой программную систему, обеспечивающую при поддержке ОПО выполнение всех функций системы, реализуемых с участием программируемых технических средств. Комплекс технических средств (КТС) разработан на основании требований к информационному и математическому обеспечению системы. В состав КТС входят ВК, на базе РС, стандартизированные средства измерения (первичные преобразователи и измерительные контроллеры), в составе изделий государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации. Работа системы инициализируется оператором. Переход на работу в режиме «АВАРИЯ» осуществляется автоматически и сопровождается выводом диагностического сообщения.
С 2009 г. успешно идёт поэтапная реализация этого проекта. Подсистема щелемеров и пьезометрическая сеть находятся на этапе опытной эксплуатации. Подсистема сдвигомеров находится на стадии пуско-наладочных работ (идёт установка технических средств и отладка программного обеспечения). Таким образом, система, основным назначением которой является автоматизация процессов контроля за деформациями бетонных элементов камеры Усть-Каменогорского шлюза успешно решает задачи оперативного контроля планово-высотных смещений гидротехнических элементов камеры шлюза и своевременного оповещения персонала при возникновении аварийных
ситуаций, что повышает эффективность технического обслуживания шлюза и безопасность его эксплуатации.
Заключение
1. Уникальность конструкции Усть-Каменогорского шлюза, длительность его эксплуатации и расположение в сейсмоактивном районе требует особого подхода к геодезическим наблюдениям и нуждается в непрерывном геодезическом мониторинге.
2. Постоянный геодезический мониторинг деформаций бетонных элементов камеры на Усть-Каменогорском шлюзе реализуется путём оснащения существующей геодезической КИА специализированными техническими и программными средствами, объединёнными в централизованную систему.
3. Использование унифицированных технических и программных средств для системы Усть-Каменогорского шлюза существенно сократило сроки её проектирования и внедрения.
4. Реализуемая на Усть-Каменогорском шлюзе система позволяет инженерному персоналу осуществлять непрерывный мониторинг геодезических деформаций и своевременно реагировать на внештатные ситуации.
© В.А. Середович, Г.Н. Ткачёва, А.В. Середович, 2012
