CC BY
32
УДК 502.22:517:519.8
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Дмитрий Анатольевич Борисов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры картографии и геоинформатики, тел. (383)343-18-53, e-mail: dimitry.borisoff@gmail.com.
В работе представлена методика определения пространственно-временного состояния техногенных объектов по геопространственным данным. Реализовано программное решение определения формы и локальных деформаций техногенных объектов на основе алгоритма Делоне. Приведены примеры использования данной методики для техногенных объектов.
Ключевые слова: техногенный объект, моделирование, метод конечных элементов, триангуляция Делоне, программная реализация.
TECHNIQUE FOR DETERMINING THE SPATIAL-TEMPORAL CONDITION OF TECHNOGENIC OBJECTS
Dmitry A. Borisov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Postgraduate student, Department of Cartography and Geoinformatics, tel. (383)343-18-53, e-mail: dimitry.borisoff@gmail.com
The article represents the technique of determining the space-time state of technogenic objects using the geospatial data. Software solution for determining shape and local deformations of technogenic objects on the basis of the Delaunay algorithm was implemented. The article presents examples of applying this technique for the technogenic objects.
Key words: technogenic object, simulation, finite elements method, Delaunay triangulation, software implementation.
Стремительное развитие технологий строительства, совершенствование методов и инструментов геодезического контроля техногенных объектов не приводят к полному исчезновению проблемы техногенного риска и полной безопасности жизни и здоровья людей. Следовательно, проблема определения изменения пространственно-временного состояния (ПВС) техногенных объектов (ТО) является актуальной, так как ее решение позволит минимизировать величину техногенного риска и предупредить возможные чрезвычайные ситуации.
Требования к определению пространственно-временного состояния техногенных объектов на сегодняшний день также растут, поэтому данных, полученных классическими методиками геодезии, уже не хватает. При использовании таких методов как, геометрическое нивелирование, определение горизонтальных смещений и кренов, вертикальных и горизонтальных углов, расстояний и превышений, зачастую не удается определить изменение пространственно-временного положения объекта в целом. Единой, унифицированной методики
определения ПВС ТО, основанной на математических алгоритмах и программных комплексах в России нет. Поэтому встает вопрос о разработке такой методики определения пространственно-временного состояния техногенных объектов, с помощью которой можно будет оценить изменение состояния техногенной системы или ее крупных участков как единого целого.
Результатом геодезических измерений, основанных на современных технологиях (лазерное сканирование, ГНСС технологии, автоматизированный мониторинг), являются данные, имеющие геопространственную привязку и представленные в виде массива (облака) координат контрольных точек (координаты X, У, X), которые далее будем называть геопространственными данными. Эти данные являются основой для определения пространственного положения объектов.
Современные геоинформационные системы и системы проектирования позволяют создавать, хранить, анализировать, перерабатывать и предоставлять потребителю пространственную информацию, а программы для трехмерного моделирования дают возможность трехмерной визуализации объектов по геопространственным данным. Анализируя возможности современных ГИС и систем проектирования, можно сделать вывод о том, что среди программных продуктов, существующих на российском рынке, нет такого программного комплекса, который позволял бы комплексно подходить к решению задачи определения пространственно-временных состояний (ПВС) объектов по геопространственным данным, а программы трехмерного моделирования не решают в полной мере задачу визуализации изменения ПВС объектов. Поэтому для определения пространственно-временного состояния объектов и контроля их изменения необходимо применение методов математического моделирования. В совокупности с современными программными продуктами методы математического моделирования дают возможность выполнять комплексную оценку пространственно-временного состояния объектов, прогнозировать его изменение, выполнять на основе геопространственных данных визуализацию опасных процессов, принимать оперативные управленческие решения в чрезвычайных ситуациях [1].
Математическая модель, построенная на основе точек с координатами Х(?), У(1), Х(?), позволяет определить пространственно-временное состояние (ПВС) объекта, но из-за высокой технологической сложности некоторых объектов требуется комплексная оценка их пространственно-временного состояния, предполагающая анализ, прогнозирование ПВС, интерпретацию полученных результатов [2-4].
В настоящее время основным инструментом, который применяется в большинстве программного обеспечения для решения сложных инженерных задач и моделирования являются численные методы. Они позволяют свести решение к выполнению конечного числа арифметических действий, при этом результаты получают в виде числовых значений с некоторой заданной точностью [5-8].
Количество численных методов, разработанных к настоящему времени, огромно. Одни обладают большей общностью, другие имеют весьма специальное назначение и используются для узкого круга физических задач. При этом
у начинающих инженеров часто возникают трудности выбора конкретного метода для решения поставленной задачи, и они нуждаются в информации, позволяющей выбрать оптимальный численный метод [9].
Оценивая тот или иной численный метод, основное внимание необходимо уделять таким качествам, как универсальность, точность аппроксимации, простота алгоритма, объем вычислений и т. п. Для проведения практических расчетов нужно выбирать достаточно надежные методы, обладающие хорошей сходимостью и опробованные на большом количестве разнообразных задач [10, 11].
Исходя из вышесказанного, можно сделать предположение, что необходима классификация техногенных объектов, с помощью которой пользователь предлагаемой методики смог бы выбрать оптимальный численный метод (таблица). Техногенные объекты можно классифицировать по признаку геометрической сложности на:
- линейные - вытянутые преимущественно в одном измерении;
- площадные - невысокие объекты, растянутые в двух измерениях;
- комплексные - объекты с нестандартной геометрической формой, либо технологически или конструктивно сложные.
Таблица
Пример выбора математического метода по типу объекта
Тип объекта Программные комплексы Математические методы
Линейные объекты AutoCAD Civil 3D Аппроксимация геометрическими фигурами: цилиндром, усеченным конусом, вытянутым параллелепипедом
Площадные объекты AutoCAD Structural Detailing, Bentley Microstation, Autodesk Building Systems, ArchiCAD Применение методов конечных разностей и конечных элементов в зависимости от сложности объекта. Конечными элементами могут быть как двухмерные фигуры, так и многогранники
Комплексные объекты Autodesk Revit, Bentley AutoPlant Применение метода декомпозиции для упрощения сложно структурированных объектов на более простые блоки с дальнейшим выбором подходящего численного метода
Пространственно-временное состояние любого объекта характеризуется формой, размерами и ориентацией в пространстве. Изменение формы и размеров, как правило, сопряжено с интегральными или дифференциальными деформациями, а изменение ориентации - с поступательным и/или вращательным движением вокруг вертикальной или горизонтальной оси. В связи с этим в работе предлагается следующий алгоритм методики определения пространственно-временного состояния техногенных объектов:
- выбор метода сбора геопространственных данных об объекте в зависимости от требуемой точности;
- построение массива (облака) геопространственных данных;
- выбор оптимального метода для построения математической модели в зависимости от геометрической сложности исследуемого объекта;
- построение математической модели объекта;
- определение интегральных и дифференциальных деформаций, по изменению формы, размеров и геометрических параметров модели объекта;
- определение изменения положения модели объекта в пространстве (выявление поступательного и вращательного движений);
- анализ полученной информации для определения изменения ПВС объекта.
Приведенная методика является комплексной для определения геометрического положения и геометрических параметров объекта и характеризует его пространственно-временное состояние, которое может меняться в зависимости от воздействия каких-либо внешних или внутренних факторов. Данная методика может применяться не только для техногенных объектов, но и для технических систем любой сложности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Яковлев Д. А. Задачи визуализации результатов мониторинга пространственно-временных состояний техногенных объектов по геопространственным данным средствами ГИС // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 2. - С. 183-187.
2. Бугакова Т. Ю., Вовк И. Г., Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем по геометрическим свойствам и оценка техногенного риска методом экспоненциального сглаживания // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 47-58.
3. Бугакова Т. Ю., Вовк И. Г. Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства». - Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2012. -Т. 2. - С. 100-105.
4. Бугакова Т. Ю., Вовк И. Г. Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем по геометрическим свойствам // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. Т. 3. - С. 26-31.
5. Бугакова Т. Ю., Борисов Д. А., Яковлев Д. А. Программная реализация метода Делоне для определения формы и размеров техногенных объектов по геопространственным данным // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2014. - № 4/С. - С. 15-19.
6. Бугакова Т. Ю., Борисов Д. А. Модель определения пространственно-временного состояния техногенных систем методами по данным геодезических наблюдений // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : 6-я Междунар. конф. «Раннее предупреждение и управление в кризисных ситуациях в эпоху "Больших данных"» : сб. материалов (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. - С. 56-62.
7. Бугакова Т. Ю., Борисов Д. А. Разработка методики определения пространственно-временного состояния техногенных объектов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -2015. - № 5/С. - С. 246-250.
8. Бугакова Т. Ю., Борисов Д. А. Определение ориентации техногенных объектов в пространстве по геодезическим данным // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 1. - С. 159-163.
9. Мокрова Н. В. Основы численных методов : учеб. пособие. - М. : Изд-во Моск. гос. ун-та инженерной экологии, 2006. - 90 с.
10. Фаддеев М. А., Марков К. А. Численные методы : учеб. пособие. - Н. Новгород : Изд-во Нижегород. гос. ун-та им. Н. И. Лобачевского, 2010. - 158 с.
11. Вовк И. Г. Моделирование в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА. - 2011. -Вып. 1 (14). - С. 69-75.
© Д. А. Борисов, 2017
