CC BY
29АПВПМ-2019
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ МЕТОДАМИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Т. Ю, Бугакова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Новосибирск
УДК 528.2:528.4
Б01: 10.24411/9999-016А-2019-10010
В совокупности геодинамические и техногенные системы представляют собой сложные системы, главной проблемой обеспечения безопасности которых, является невозможность полностью исключить риск возникновения чрезвычайных ситуаций в таких системах и необходимость свести этот риск к минимуму. Для контроля пространственно-временного состояния (ПВС) техногенных систем необходимы данные об их геометрических свойствах, как функциях времени. К ним относятся форма, размеры, положение в пространстве и другие свойства, характеризующие взаимное расположение множества элементов системы относительно внешней среды и относительно друг друга. Исходными данными для моделирования служат временные ряды координат множества контрольных точек исследуемой системы, полученные по результатам повторных циклов геодезических измерений. Выполнить непосредственное измерение таких свойств геодезическими средствами чаще всего не удаётся и поэтому для их определения в работе применяются методы численного моделирования. Ключевые слова: пространственно-временное состояние, техногенная система, математические методы, чрезвычайные ситуации, геодезический контроль, риск, мультиагентная система.
Введение
Проблемы риска и производственной безопасности техногенных систем в настоящее время имеют большее значение. Особую актуальность они приобретают в связи с возникновением техногенных катастроф при строительстве и эксплуатации крупных инженерных сооружений, например, в атомной энергетике, химической промышленности, машиностроении, на транспорте и других отраслях хозяйственной деятельности. Причинами катастроф в основном являются неправильная эксплуатация человеко-машинных систем и различные геодинамические процессы и явления. Так как техногенная система (ТС) — это сложная, искусственно созданная человеком конструкция, которая работает в контакте с природной окружающей средой, то обеспечение безопасности техногенных систем основано на совокупности задач относящихся к различным областям знаний. К ним относятся задачи политического, социально-экономического, управленческого, технологического характера и т.д.
Одним из признаков возникновения техногенных катастроф является изменение состояния ТС. Состояние техногенных систем определяется множеством свойств. Поэтому производить оценку состояния ТС необходимо комплексно, привлекая к этому процессу множество специалистов из различных областей профессиональной деятельности (строителей, архитекторов, геодезистов и т.д.). Методом геодезического контроля можно оценить только пространственно-временное состояние (ПВС) техногенной системы, т.е. определить ее положение в пространстве относительно неподвижной системы координат и времени [1].
Для определения и оценки ПВС конструкций зданий и сооружений, применяются современные технологии геодезического контроля, такие как, методы нивелирования, лазерное сканирование, автоматизированные системы мониторинга, ГНСС и др. Существующие регламенты и инструкции по эксплуатации ТС определяют порядок, объем работ и периодичность геодезических измерений. Для выявления изменений ПВС
!ЯВ.\ 978-5-901548-42-4
ТС, геодезические данные проходят определенную обработку при помощи специализированных программ, в которых заложены математические алгоритмы. Однако, анализ современных ПК' и систем проектирования, позволил сделать вывод о том, что среди программных продуктов, существующих на российском рынке, нет такого программного решения, который позволил бы системно (комплексно) подходить к проблеме определения, анализа и контроля пространственно-временных состояний ТС по геодезическим данным. Отсутствует автоматизированная информационно-аналитическая система обработки непрерывно-дискретного потока данных в режиме реального времени, соединяющая в единый алгоритм контроль (получение геодезических данных о ПВС ТС), оценку, анализ ПВС ТС (как в целом, так и конкретно по параметрам), прогнозирование сценариев возможного развития событий для своевременных управленческих решений и предупреждения чрезвычайных ситуаций. Отсутствуют интеллектуальные системы контроля ПВС ТС по геодезическим данным. Исследование современных методов обработки геодезических данных обнаружило отсутствие системной методологии, рассматривающей объект как систему, ориентирующей исследование на раскрытие целостности объекта, на выявление многообразных типов связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину в целях комплексной оценки изменения пространственно-временного состояния ТС, установления причинно-следственных связей и прогнозирования сценариев развития динамических процессов.
Поэтому существует проблема регламентирующая отсутствие системной методологии определения пространственно-временного состояния ТС по геодезическим данным и отсутствие автоматизированной информационно-аналитической системы обработки непрерывно-дискретного потока данных в режиме реального времени. Разработка системной методологии и информационно-аналитической системы для комплексной непрерывной во времени оценки, анализа и прогноза пространственно-временного состояния техногенных систем дает возможность своевременно принимать управленческие решения для предотвращения чрезвычайных ситуаций при эксплуатации техногенных систем.
Таким образом, в настоящее время ситуация в геодезии характеризуется наличием объективного противоречия между новыми технологическими возможностями получения и обработки геодезических данных и отсутствием системной методологии увязывающей в единый информационно-аналитический комплекс определение, оценку и прогнозирование сценариев изменения ПВС ТС для непрерывного во времени контроля ПВС и своевременного принятия управленческих решений.
1 Методология исследований
Проблему отсутствия системной методологии определения ПВС ТС по геодезическим данным и отсутствие автоматизированной информационно-аналитической системы обработки непрерывно-дискретного потока данных в режиме реального времени позволяют решить мультиагентные технологии, которые реализуются на основе мультиагентных систем, применяемых там, где протекает большой поток информации и требуется принятие управленческих решений.
Мультиагентная система (MAC) основана на взаимодействии между собой интеллектуальных агентов, способных функционально общаться между собой и совместно принимать решения. Каждый агент включает в себя решение задачи анализа, прогноза и диагностики, выявления скрытых зависимостей и поддержки принятия оптимальных решений, на основе заложенных в него математических методов и алгоритмов обработки данных [2].
Основными преимуществами мультиагентных систем являются: параллельное выполнение операций, их способность к самоорганизации, управление знаниями, способность принимать распределенные управленческие решения, управлять ресурсами. На сегодняшний день существует множество мультиагентных систем, которые решают задачи в самых разных областях: поиск, электронная коммерция, оптимальное динамическое планирование производства и сбыта продукции, логистика, экономика, транспорт, моделирование, телекоммуникации, однако в геодезическом производстве мультиагентные системы не применяются.
Результатом достижения глобальной цели MAC в геодезии является определение пространственно-временного состояния ТС в реальном режиме времени, прогнозирование, подбор оптимальных математических методов определения ПВС ТС и применение интеллектуальных алгоритмов принятия решений [3].
На рис. 1 приведена обобщенная схема мультиагентного подхода к решению задачи определения пространственно-временного состояния ТС, состоящий из блока сбора данных (агент 1), блока аналитики (агент 2) и блока управления (агент 3).
Агент 1 представляет собой автоматизированную систему мониторинга, изображенную на рисунке 1. Она состоит из множества контрольных устройств, установленных в теле системы (датчиков), приемника
Рис. 1: Концептуальная модель мультиагентной системы (МАС)
и преобразователя сигналов (ПиПС), базы данных. Этап сбора данных предполагает поступление полной (необходимой для принятия решения) информации о техногенной системе и ее передачу в модуль управления. Данные, передаваемые контрольными устройствами, имеют к степеней свободы, что позволяет в дальнейшем установить корреляцию процессов и установить причинно-следственные связи.
Агент 2 содержит базу данных математических алгоритмов для решения задач определения пространственно-временного состояния ТС. и алгоритм выбора стратегии, в основе которого лежит функция эффективности применения того или иного алгоритма.
Агент 3 принимает управленческие решения, осуществляет обратную связь с ТС и осуществляет передачу информации пользователю. Функциями этого агента являются принятие решений о частоте дискретизации поступления данных от агента 1. декомпозиции ТС. определение ее структурных частей, требующих детального рассмотрения и выявления причины изменения ПВС, локализации мест деформации и установления причинно-следственных связей [4].
2 Численные методы определения изменения пространственно-временного состояния техногенных систем
В настоящее время существует многообразие программных продуктов для обработки геодезических данных. Основным инструментом, применяемым в большинстве программного обеспечения для определения ПВС ТС. являются математические методы. Разнообразие целей, уникальность ТС и особенности изменения ПВС часто требуют индивидуального подхода к обработке результатов геодезических измерений. При этом часто возникают трудности выбора оптимального математического метода для решения поставленной задачи. В связи с этим необходимо иметь базу математических алгоритмов и методику формирования оптимального математического алгоритма для конкретно поставленной цели.
Исходными данными для моделирования пространственно-временного состояния техногенных систем служат временные ряды координат X^, (г = 1, 2 ...п) множества п геодезических контрольных точек, установленных в теле ТС, полученные по результатам повторных циклов геодезических измерений. Для контроля пространственно-временного состояния техногенных систем необходимы данные об их геометрических свойствах, как функциях времени. К ним относятся свойства, характеризующие взаимное расположение множества контрольных геодезических точек системы относительно внешней среды и относительно друг друга. Выполнить непосредственное измерение таких свойств даже современными техническими средствами чаще всего не удаётся и поэтому для их определения применяют методы численного моделирования.
Рассматривая отдельные геодезические контрольные точки или некоторые их множества, связанные заданными отношениями (как элементарные объекты) можно установить структуру, геометрические параметры которой будут являться свойствами ТС, характеризующими ее пространственное состояние. Возможность различного выбора элементарных объектов обеспечивает свободу в определении структуры. В результате на множестве исходных геодезических данных могут быть определены геометрические объекты но обязательно состоящие из конечного множества точек. Например, прямая, проходящая через две заданные точки, плоскость, содержащая три заданные точки, многоугольник, составленный из отрезков прямых и т.д. Это позволяет находить свойства объектов в виде различных геометрических признаков (рисунок 2):
• внешнюю конфигурацию, в которой отображается структура объекта (точка, линия, полоса, оболочка, стержень, слой) и размерность пространства состояний:
Рис. 2: Пример структуры, определенной на множестве контрольных геодезических точек с координатами
х,у,г
На рис. 2 обозначено:
• Ы, N1 — нормали, проведенные к плоскости конечных элементов;
• § — расстояние между контрольными точками;
• р — площади конечных элементов;
• а — углы между направлениями;
• р — углы между нормалями.
Приведенные параметры являются основными и простейшими геометрическими характеристиками ТС, которые могут быть получены по геодезическим данным. Кроме этих характеристик, существует множество других вариантов: условие принадлежности четырех точек одной и той же плоскости, угол между плоскостями, угол между прямой и плоскостью, расстояние от точки до прямой, проекция вектора на плоскость и т.д. Все они являются основными элементарными объектами, из которых можно, исходя из целей моделирования или конструктивных особенностей ТС, оценивать качественные свойства и вычислять значения геометрических характеристик [1].
Как правило, изменение ПВС ТС происходит в результате влияния внешних факторов, что приводит к изменению положения ТС относительно системы координат и (или) деформациям. Анализируя движения и деформации, можно судить об «опасности» состояния ТС и принимать необходимые меры для снижения риска и ущерба от возникновения чрезвычайных ситуаций. Особую опасность для эксплуатации ТС представляют деформации. Фактически деформации представляют собой движения частей системы относительно друг друга, сопровождающиеся изменениями формы и размеров. В геодезии существуют различные методы определения деформаций, в основе которых заложены алгоритмы вычисления приращений координат контрольных точек относительно первоначального состояния или относительно друг друга, а также вычисления параметров отклонения элементов конструкции ТС от принятых стандартов.
Применение численных математических методов обработки данных позволяют представить изучаемую ТС в виде математической модели, увязывающей математическими соотношениями всю систему в целом и, таким образом, определить ее форму. Форма и размеры систем определяются границей, отделяющей ее от внешней среды. Форма любой системы определяется набором интегральных и дифференциальных характеристик. Интегральными характеристиками, например, являются геометрические свойства всей системы возможность ее представления одним геометрическим телом, его размеры, площадь поверхности,
объем занимаемого пространства, числовые значения инвариантных характеристик. Дифференциальными характеристиками системы служат направления касательных и нормалей к поверхностям и/или линиям, ограничивающим систему, их кривизна, площади частей поверхности и длины линий, охватывающих эти части и другие.
Для определения формы ТС. по координатам множества геодезических точек необходимо, в соответствии с целыо. выбрать геометрический образ, который принимается в качестве модели формы, и определить требования (критерии), которым этот образ должен удовлетворять. После этого нужно оценить значения конечного числа параметров, необходимых для математического описания выбранного геометрического образа формы системы соответственно предъявляемым требованиям [5.6].
На рисунках 3 7 приведены примеры математического описания геометрических образов формы систе-
Рис. 3: Аппроксимация множества точек сферой
Рис. 4: Аппроксимация множества точек цилиндром
Рис. 5: Аппроксимация множества точек методом конечных элементов (метод Делоне)
Рис. 6: Аппроксимация множества точек спиралью в параметрическом представлении
Рис. 7: Определение деформации фундамента инженерного объекта методом сплайн-интерполяции
Изменение формы ТС, как функции времени является явным признаком ее деформации. А математическая модель формы позволяет определить количественные показатели деформации ТС в любой точке системы, а не только в точках геодезического контроля [7].
3 Результаты
В результате работы была сформирована база математических алгоритмов определения ПВС ТС, основанных на численных методах моделирования, которая может быть использована при разработке мультиаген-той системы определения пространственно-временного состояния техногенных систем. Приведенные методы математического моделирования позволят представить ПВС ТС в виде единой теоретической картины в целях комплексной оценки изменения пространственно-временного состояния ТС, установления причинно-следственных связей и прогнозирования сценариев развития динамических процессов.
Заключение
Изложенные математические методы определения пространственно-временного состояния ТС могут быть использованы в мультиагентных системах, а также в программных продуктах, предназначенных для обработки геодезических данных. Подбор оптимального математического решения при оценке ПВС ТС позволит своевременно принимать управленческие решения для предотвращения чрезвычайных ситуаций при эксплуатации техногенных систем и значительно снизить риск возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера.
Результаты исследований найдут применение при оценке и анализе техногенного риска в процессе проектирования, строительства и эксплуатации инженерно-технических систем: зданий и сооружений, дорог, нефте- и газопроводов, при решении задач физической геодинамики, в картографии, экологии и геоинформатике, а также могут быть использованы для определения пространственно-временного состояния технических систем любой сложности.
Список литературы
[1] Бугакова Т. Ю., Вовк II. Г. Определение вращательного движения объекта по результатам многократных геодезических измерений [Текст] // Интерэкспо Гео-Сибирь — 2013: IX Междунар. науч. конгр., 15-26 аир. 2013, - Новосибирск: СГГА, 2013. - С.88-92.
[2] Бугакова Т.Ю., Кноль И.А., Шарапов A.A. Разработка аппаратно-программного комплекса для прогнозирования и определения оптимального варианта изменения пространственно-временного состояния техногенных объектов // Регулирование земельно-имущественных отношений в России: правовое и геопространственное обеспечение, оценка недвижимости, экология, технологические решения. 2018. Т. 2. С. 183-190.
[3] Бугакова Т.Ю., Шарапов A.A. Алгоритмы функционирования мультиагентной системы определения пространственно-временных состояний объекта // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр., 17-21 апреля 2017 г., Новосибирск. Т. 7. С. 3-7.
[4] Бугакова Т.Ю., Кноль И. А. Мультиагентное моделирование пространственно-временного состояния техногенных объектов. // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр., 17-21 апреля 2017 г., Новосибирск. Т. 7. С. 8-13.
[5] Бугакова Т.Ю., Шарапов A.A. Разработка прототипа мультиагентной системы контроля состояния техногенных объектов //Вестник СГУГиТ. — 2017. — Вып. 1 (22). С. 142-150.
[6] Бугакова Т.Ю., Кноль И.А., Интерактивный контроль пространственно-временного состояния техногенных объектов с применением технологии WEBGL// Вестник СГУГиТ. — 2016. — Вып. 4 (36). — С. 114-121.
[7] Бугакова Т.Ю., Басаргин A.A., Каленицкий А.И. Применение ГИС-технологий и методов математического моделирования для определения крена плиты фундамента инженерного сооружения // Вестник СГУГиТ. - 2018. - Вып. 2 (23). - С. 70-78.
Бугакова Татьяна Юрьевна — к .т.н., доцент, заведующий кафедрой прикладной информатики и информационных систем Сибирского государственного университета геосистем и технологий;
e-mail: Bugakova-tu@yandex.ru.
Дата поступления — 30 апреля 2019 г.
