Мониторинг состояния объектов методом фазового пространства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 528.482 Т.Ю. Бугакова СГГ А, Новосибирск

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ ФАЗОВОГО ПРОСТРАНСТВА

Основной задачей мониторинга состояний объектов (сейсмически активных участков земной поверхности, строительных сооружений, прецизионных сооружений, экологически загрязненных пространств и т. д.) является обеспечение безопасности граждан, сохранности жилищного фонда, предупреждение чрезвычайных ситуаций. События последнего времени вызывают необходимость разработки новых приемов и методов мониторинга и прогнозирования их состояния. Одним из приоритетных направлений в этой области являются методы геодезического контроля состояний объектов. Усовершенствование измерительных и технических средств получения и обработки геодезических данных создают благоприятные условия для приобретения своевременной информации позволяющей предупредить и предотвратить опасные, аварийные ситуации.

В связи с этим мониторинг состояний объектов, безусловно, является актуальным и приоритетным направлением.

При создании систем мониторинга решаются следующие основные задачи:

- Выбор объектов контроля;

- Выбор наиболее ответственных конструктивных элементов объектов;

- Назначение контрольных точек для установки приборов и измерений;

- Разработка методов определения контролируемых параметров;

- Выбор серийных или разработка индивидуальных технических средств контроля, изготовление и установка их на объекте;

- Проведение инструментальных и визуальных наблюдений;

- Определение изменения состояния объектов (фактических перемещений, напряжений и т. Д.) По данным сопоставления (анализа) натурных наблюдений с результатами расчетов или с критериальными характеристиками.

На основе проведенного мониторинга заказчику, проектным организациям, другим заинтересованным организациям систематически передается информация о состоянии объекта, включая рекомендации и предложения по эксплуатации и использованию.

Однако, усовершенствование технологий и методов в сфере строительства и других отраслях народного хозяйства требуют создания принципиально новой, автоматизированной системы контроля состояний объектов. Значение такой системы заключается в непрерывном, автоматизированном наблюдении за состоянием объекта с целью обеспечения безопасности жизнедеятельности, избежания чрезвычайных ситуаций, влекущих за собой огромные финансовые и моральные потери. Система предупреждения и оповещения должна быть отнесена к разряду обязательных услуг населению и должна входить в организацию по ЧС. Автоматизированный контроль состояния жизненно важных объектов (жилых многоэтажных сооружений, сложных инженерных конструкций, экологических пространств) имеет необходимость сопровождения новыми методами обработки, визуализации и передачи информации для своевременного принятия решений (например, оповещения необходимых инстанций, детального исследования объекта или экстренных мер безопасности).

При решении вопроса математической обработки данных необходимо учитывать, что автоматизированная система контроля, внедренная в тело объекта (сооружения) организует передачу сигналов любого типа на магнитный носитель. Таким образом, методы обработки таких данных должны быть адаптированы к этому условию и не привязаны к конкретно какой либо метрической системе.

Следуя классическим задачам мониторинга состояний объектов по геодезическим данным, реальному объекту приводят в соответствие аналоговую модель: систему геодезических контрольных знаков,

внедренную в тело объекта и жестко связанную с ним. Согласно приоритету решения задач мониторинга выполняют все технические аспекты установки, размещения геодезических знаков, выбора методов и средств их контроля. Структурно система контроля состояний объектов в классическом варианте основана на процедуре агрегирования. Имея базу геодезических данных

V

Уі )

гі ).

(і)

где і у е [Ід, Т], (у = 1, тп) - время съемки;

А/г, (/ — 1, п) - конечное множество геодезических знаков,

выполняется анализ движения каждого геодезического знака, сопровождаемого следующей информацией: графики осадок

геодезических знаков, графики средних и неравномерных осадок, изолиний и эпюр. Вся полученная информация сводится в единый образ изменения состояния объекта (агрегируется). С точки зрения информационных аспектов изучения систем процедура агрегирования дает объективную информацию о движении каждого элемента системы (геодезического знака) и субъективную о движении всей системы в целом, так как в последнем случае имеет место неформальный подход к анализу данных, выраженный в виде мастерства, опыта и интуиции специалиста.

Создание автоматизированной системы контроля состояний объекта делает необходимым формулирование следующих задач:

1. Оперативное предоставление объективной информации о состоянии объекта в целом;

2. Определение выхода состояния объекта за критический уровень;

3. Определение границ структурных частей объекта;

4. Прогнозирование будущего состояния объекта.

Решение этих задач невозможно без применения методов системного анализа основанных на декомпозиции системы, который дает объективную информацию об изменении всего объекта и его частей в виде вектор функции (2)

где V/ - орт векторы базиса п - мерного пространства состояний; Я, ^

- множество входных сигналов. Каждому циклу наблюдений с номером у в пространстве состояний соответствует точка, радиус вектор которой (2). Эта точка и представляет состояние объекта в цикле с номером у . Множество точек, радиусы векторы которых определяются вектор функцией (2) в каждом цикле наблюдений, образует в фазовом пространстве фазовую траекторию, характеризующую изменения состояния объекта от цикла к циклу.

Процедура декомпозиции системы имеет иерархическую структуру, состоящую из к уровней детализации. Где к зависит как от степени сложности самого объекта, так и от вида, скорости движения влияющего на изменение его состояния. Критерием принятия решения о переходе от уровня к уровню является проверка условий выхода состояния объекта за предельно допустимые границы. При определенных обстоятельствах структурирование может осуществляться до неделимого элемента системы - геодезического знака. В этом случае анализ системы контроля переходит к классическому виду (1).

Структурная схема алгоритма процедуры декомпозиции (схема 1) рассмотрена на примере модели системы ГЗ (геодезических знаков) (рис. 1).

Для полной автоматизации системы контроля первой задачей мониторинга состояния является замена реального объекта его аналоговой моделью: системой датчиков встроенных в тело объекта. Автоматизация системы заключается в передаче непрерывного (или с периодом ?) потока сигналов базе данных. Метод математической обработки сигналов поступивших в базу данных, реализующий алгоритм декомпозиции (схема 1) подробно представлен в работах [1, 2, 3, 4] и полностью решает перечисленные задачи автоматизированной системы контроля состояний.

2

1

А

3•

•7

6

Рис. 1. Модель системы геодезических знаков

Таким образом, задача создания автоматизированной системы контроля состояний объектов практически реализуема, и ее решение может быть

использовано в любых сферах деятельности человека с целью предупреждения чрезвычайных ситуаций, проведения профилактических мер для обеспечения безопасности жизнедеятельности.

Схема 1. Структурная схема алгоритма процедуры декомпозиции Поток непрерывных сигналов X, подаваемых на вход системы

Анализ входных сигналов X, описание природы объекта, анализ структуры объекта

I УРОВЕНЬ ДЕКОМПОЗИЦИИ:

1. Анализ функции изменения состояния системы ГЗ в фазовом пространстве

2. Расчет прогнозного значения функции состояния системы ГЗ

3. Расчет предельных значений функции состояний системы ГЗ

4. Принятие решения о переходе на II уровень декомпозиции

II УРОВЕНЬ ДЕКОМПОЗИЦИИ:

1. Анализ функции изменения состояния подсистемы ГЗ блока А в фазовом пространстве

2. Расчет прогнозного значения функции состояния подсистемы ГЗ блока А

3. Расчет предельных значений функции состояния подсистемы ГЗ блока А

4. Сравнительный анализ изменения состояний подсистемы ГЗ блока А и подсистемы ГЗ блока Б

5. Принятие решения о переходе на III

уровень декомпозиции___________________

II УРОВЕНЬ ДЕКОМПОЗИЦИИ:

1. Определение границ структурных частей (подсистем) блока А

2. Анализ функций изменения состояния подсистем блока А в фазовом пространстве

3. Расчет прогнозного значения функций состояния подсистем блока А

4. Расчет предельных значений функций состояний подсистем блока А

5. Сравнительный анализ изменения состояний подсистем блока А

6. Принятие решения о переходе на IV

уровень декомпозиции___________________

1. Анализ функции изменения состояния подсистемы ГЗ блока Б в фазовом пространстве

2. Расчет прогнозного значения функции состояния подсистемы ГЗ блока Б

3. Расчет предельных значений функции состояния подсистемы ГЗ блока Б

4. Сравнительный анализ изменения состояний подсистемы ГЗ блока Б и подсистемы ГЗ блока А

5. Принятие решения о переходе на III

уровень декомпозиции____________________

1. Определение границ структурных частей (подсистем) блока Б

2. Анализ функций изменения состояния подсистем блока Б в фазовом пространстве

3. Расчет прогнозного значения функций состояния подсистем блока Б

4. Расчет предельных значений функций состояний подсистем блока Б

5. Сравнительный анализ изменения состояний подсистем блока Б

6. Принятие решения о переходе на IV

уровень декомпозиции____________________

Количество уровней декомпозиции выясняется в ходе реализации алгоритма

1 1 1 і 1 1 1 1 1

Выходные сигналы У

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Бугакова Т.Ю. Моделирование эволюции состояний основания сооружения по геодезическим данным. Известия вузов. Строительство. 2000. № 9.

2. Математическое моделирование для геодезического контроля состояния инженерных сооружений/ Бугакова Т.Ю., Вовк И.Г.// Геодезия и картография №8,2003 г.

3. Математическое моделирование эволюции объектов прикладной геодезии / Бугакова Т.Ю., Вовк И.Г. // Геодезия и картография №11,1999 г.;

4. Бугакова Т.Ю. Новая технология моделирования эволюции состояний объекта по геодезическим данным. /Научные труды II и III Международного конгресса «Ресурсо-и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве» / -Новосибирск: НГАСУ, 2000. -160 с. ;

5. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П Основы системного анализа: Учеб. 2-е изд., доп.-Томск: Изд-во НТЛ, 1997.-396с.:ил.

6. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. Для вузов - 3-е изд., перераб. И доп. - М.: Высш. Шк., 2001. - 343 с.: ил.

© Т.Ю. Бугакова, 2005