CC BY
44
УДК 528.48 Ю.П. Гуляев СГГ А, Новосибирск
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАК СОСТАВЛЯЮЩАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Yu.P. Gulyaev SSGA, Novosibirsk
PROGNOSTICATION AS A PART OF GEODESIC MONITORING OF NATURAL-TECHNICAL SYSTEMS
The place and role of prognostication in the geodesic monitoring of natural-technical systems, in geo-ecology and territories sustainable development is identified in the paper. The geodesic monitoring is unique instrument, because only by its means and methods it is possible to determine accurately spatio-temporal position of various controlled Earth objects, change of their dimensions and shapes.
Geodesic data integrally reflect results of complicated interaction of sub-systems in each studied natural-technical system and give quantitative basis for mathematical modeling of observed processes and phenomena. Mathematical modeling synthesizes regularities of the process, which form a basis for the prognostication. The complete monitoring covers observations, evaluation, prognosis of behavior and condition of controlled object. The prognostication allows timely taking preemptive measures for elimination of influence of unfavorable effects of the process development.
It is underlined that today geodesic monitoring of construction deformations is specially developed. At the micro-local level of the hierarchy of the "construction-environment" natural-technical system the geo-dynamic process develops as the result of interaction of the construction with soil basis and environment, which cause deformations. There is prognostication in this research field developed at up-to-date scientific and technical level. It is underlined, that SSGA publishes in 2008 the monograph of present paper author, professor Yu.P. Gulyaev "Prognostication of constructions' deformations based on geodesic observations". The theoretical and methodological basics of mentioned prognostication are stated in the monograph as well as considerable experience of its realization. The part of modeling problems is oriented for self-instruction.
Энциклопедическое толкование мониторинга определяется тремя ключевыми составляющими: наблюдениями, оценкой и прогнозом поведения и состояния исследуемых объектов. Прогноз является сложной вероятностной составляющей и поэтому нередко исключается из содержания мониторинга. Такой не полный по содержанию мониторинг снижает возможности управляющих воздействий, направленных на своевременное ослабление неблагоприятных последствий в развитии контролируемых процессов. Существуют различные виды мониторинга, назначение и название которых определяются многообразием видов наблюдаемых объектов.
Большинство мониторинговых исследований направлены на экологизацию жизни человеческого общества и регулирования его взаимодействия с природной средой. В основу этого положена геоэкология -
междисциплинарная наука об экологических проблемах геосфер [4]. Инструментом контроля и регулирования служит мониторинг природнотехнических систем с включением в него функций управляющих воздействий [1, 5]. К природно-техническим системам можно отнести любые системы антропогенной трансформации природной среды. В конечном счете мониторинг природно-технических систем характеризует в большой мере уровень устойчивого развития территорий.
Геодезический мониторинг занимает особое, уникальное место в решении проблем геоэкологии и устойчивого развития в целом. Только его методами и средствами, понимаемыми в широком междисциплинарном смысле, точно определяются пространственно-временное положение всевозможных контролируемых объектов Земли, изменение их размеров и форм. Геодезические данные интегрально отражают результаты сложного взаимодействия подсистем в каждой исследуемой природно-технической системе и служат количественной основой для математического моделирования наблюдаемых процессов и явлений. Территориальное пространство, представленное в виде геодезической информации, позволяет в эквивалентной форме отражать, сравнивать и критериально оценивать через точные метрические характеристики многообразные показатели устойчивого развития.
Наиболее распространенным видом геодезического мониторинга в настоящее время являются наблюдения за процессами деформаций сооружений и технологического оборудования. Сооружение, взаимодействующее с грунтовым основанием и внешней средой, безусловно является природно-технической системой микролокального уровня иерархии. Деформации конструкций сооружения возникают преимущественно из-за деформации его основания, т.е. из-за неравномерной осадки грунтов, а осадка грунтов под давлением массы сооружения представляет собой геодинамический процесс. Такие процессы относятся к геоэкологической категории [3]. В результате реализации геодезического мониторинга деформаций сооружений решаются всегда актуальные задачи обеспечения их надежности, долговечности, безопасности эксплуатации.
Прогнозирование деформации сооружений, соответствующее требованиям геодезического мониторинга, разработано и введено в действие в 1991 г. в виде нормативных рекомендаций [6] Главным управлением геодезии и картографии и Министерством энергетики и электрификации СССР. Однако резкий спад экономики России в период социально -политических преобразований страны не позволил эффективно использовать выполненные разработки. Полагаю, что наступило время для широкого использования и дальнейшего развития этих разработок в составе геодезического мониторинга.
Методологические основы, обеспечивающие эффективность геодезического мониторинга природно-технических систем подробно изложены в статье [2]. Обобщенно они выражаются в комплексности геодезических и других натурных наблюдений, в грамотном структурно-
функциональном анализе условий возникновения и развития исследуемых процессов, в обеспечении необходимой пространственно-временной достаточности и измерительной точности наблюдений с учетом степени детерминированности процессов, в корректном математическом моделировании, в т.ч. прогнозировании.
Разработанная методика прогнозирования деформаций сооружений опирается на корреляционную теорию случайных функций при обеспечении условий статистической однородности моделируемых реализаций процесса, их линейности и нормальности распределения. В необходимых случаях производится формирование статистически однородных групп реализаций, линеаризация и нормализация процесса известными способами преобразования. Выполнение вышеуказанных условий позволяет оптимально оценивать параметры прогнозной кинематической и динамической моделей в виде двух первых условных моментных функций по простейшему критерию минимума средней квадратической погрешности. В таком случае обеспечивается решение задач статистического синтеза без априорной информации и находятся наилучшие прогнозы по каждой реализации процесса с предвычислением их точности. Реализации процесса определяются контролируемыми перемещениями конкретных деформационных марок, положение которых известно. Имеющийся опыт прогнозирования деформаций сооружений подтверждает его высокую точность.
В 2008 г. СГГА издает монографию автора данного доклада, имеющую название «Прогнозирование деформаций сооружений на основе результатов геодезических наблюдений». В ней изложены методологические и теоретические основы рассматриваемого прогнозирования, представлены разработки кинематической прогнозной модели и ряда модификаций динамической прогнозной модели в виде дифференциальных и рекуррентных уравнений, показаны методика прогнозирования и значительный опыт его реализации. Опыт отражает результаты контрольного прогнозирования деформаций сооружений ГЭС, осадки высотного здания МГУ, микроперемещений уникальных прецизионных объектов, просадки здания при направленном замачивании лессовых грунтов его основания. Уникальны результаты успешного опыта контрольного прогнозирования осадки элеваторных сооружений, выполненного с помощью динамической модели методом аналогии для стадии проектирования. В монографии возможно доступно изложена ее математическая часть, ряд примеров моделирования дан с расчетом на самостоятельное освоение решения прогнозных задач.
Математическое моделирование, в т.ч. прогнозирование, выполняемое на основе корреляционной теории случайных функций, может успешно распространяться на другие виды процессов, характеризующих геоэкологическую обстановку и в целом состояние устойчивого развития. Для этого нужно обеспечить при формировании исходной информации условия статистической однородности, линейности и нормальности. Наиболее сложным и главным является статистическая однородность
реализаций моделируемого процесса, определяющая степень его детерминированности, т.е. правомерность перехода от критериев выборочного метода к критерию статистической однородности. В конечном счете статистическая однородность обеспечивает высокий уровень достоверности прогнозирования. Выполнение условия статистической однородности останется главным и при разработке новых эффективных методов прогнозирования поведения и состояния природно-технических систем. Идентификаторами статистической однородности при математическом моделировании геоэкологической составляющей устойчивого развития могут служить физико-географические характеристики территорий, в частности - геологическое строение, геоморфологические особенности, климатические условия и др. Для оценки статистической однородности социально-экономических показателей устойчивого развития должны использоваться соответствующие идентификаторы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гамбурцев, А.Г. Концепция мониторинга природно-технических систем / А.Г. Гамбурцев // Геоэкология. - 1994. - № 4. - С. 12-19.
2. Гуляев, Ю.П. О методологии геодезического мониторинга природнотехнических систем / Ю.П.Гуляев // Геодезия и картография. - 2006. - № 3. - С. 19-24.
3. Гуляев, Ю.П. Задачи экогеологического и деформационного мониторинга / Ю.П. Гуляев, А.И. Каленицкий // Геодезия и картография. - 1996. - № 3. - С. 49-51.
4. Осипов, В.И. Геоэкология - междисциплинарная наука об экологических проблемах геосфер / В.И. Осипов // Геоэкология. - 1993. - № 1. - С. 4-18.
5. Рагозин, А.Л. Основные подходы к организации мониторинга природно-технических систем с целью снижения ущерба от природных и техноприродных катастроф / А.Л. Рагозин // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. -М.: ВИНИТИ, 1993. - С. 42-50.
6. Рекомендации по прогнозированию деформаций сооружений гидроузлов на основе результатов геодезических наблюдений / под науч. ред. Ю.П. Гуляева. - Л.: ВНИИГ, 1991. - 60 с.
© Ю.П. Гуляев, 2008
