CC BY
176
УДК 528.344
РАЗРАБОТКА И НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДЕФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА
Бернд Хиллер
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский переулок, 4, аспирант кафедры геодезии, e-mail: bhiller@leica-gfk.ru
Харьес Каюмович Ямбаев
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский переулок, 4, доктор технических наук, профессор кафедры геодезии, e-mail: yambaev@miigaik.ru
В статье рассмотрены вопросы разработки и практического применения автоматизированной подсистемы геодезического деформационного мониторинга гидротехнических сооружений, а также основные результаты натурных исследований автоматизированной системы геодезического деформационного мониторинга на шлюзовых камерах Волгоградского гидроузла. Показана эффективность интегрирования электронных тахеометров-автоматов и цифровых инклинометров со сбором и обработкой геодезической информации единой управляющей программой GeoMos.
Ключевые слова: тахеометр-автомат, цифровой инклинометр, деформация, мониторинг, управляющая программа, автоматизированная система геодезического деформационного мониторинга, гидротехнические сооружения.
DEVELOPMENT AND NATURAL TESTS OF AUTOMATED SYSTEMS OF DEFORMATION MONITORING
Bernd Hiller
Moscow State University of Geodesy and Cartography, 105064, Russia, Moscow, 4 Gorokhovsky pereulok, Postgraduate of Department Geodesy, e-mail: bhiller@leica-gfk.ru
Har'es K. Jambaev
Moscow State University of Geodesy and Cartography, 105064, Russia, Moscow, 4 Gorokhovsky pereulok, D. Sc., Professor of Department Geodesy, e-mail: yambaev@miigaik.ru
The paper describes problems of the development and practical use of an automated deformation monitoring subsystem ASGDM for waterworks GTS and the main results of ASGDM field studies on lock chambers of the Volgograd waterworks facilities. The effectiveness of the integration of robotic total stations and digital inclinometers with the geodetic data collection and processing in the unified control software GeoMos is demonstrated.
Key words: automated total station, digital inclinometers, deformation, monitoring, control program, automated system of geodetic deformation monitoring, waterworks.
1. Введение
Деформационный мониторинг является важной составной частью общей системы обеспечения безопасности строительства и эксплуатации уникальных и особо ответственных инженерных сооружений.
Широкое распространение получил мониторинг таких уникальных инженерных сооружений, как гигантские плотины ГЭС, высотные здания, крупные мостовые переходы, вантовые мосты на основе периодических геодезических наблюдений и геотехнических измерений [1-5]. В результате обработки результатов повторных измерений получают информацию о текущем состоянии объекта в виде значений планово-высотных деформаций, смещений и отклонений от проектного или предыдущего его состояния [6-12].
Геотехнические средства позволяют фиксировать другие параметры, например, степень напряженно-деформированного состояния (акселерометры, трещиномеры и т. п.). Геодезический и геотехнический мониторинг анализируются совместно для определения корреляции и причин изменения состояния объекта. В общих случаях процесс сбора данных мониторинга нуждается в автоматизации процесса измерений, унификации процедуры и получении результатов с однородной точностью и периодичностью.
Каждый объект уникален и требует создания своей конкретной системы и технологии мониторинга с учетом специфики технологических характеристик и сложности объекта, количества определяемых параметров и необходимой точности измерений, изменяющейся инфраструктуры геоданных и местных условий. Современные технологии измерений, новейшие средства коммуникаций, мощные вычислительные системы и программные продукты позволяют создавать автоматизированные системы геодезического деформационного мониторинга (АСГДМ), которые востребованы, активно внедряются в России и за рубежом [13] (рис. 1).
АСГДМ обладают рядом отличий и преимуществ в сравнении с традиционными повторными измерениями, среди которых:
- возможность контроля данных в реальном масштабе времени (онлайн) и с удаленного места доступа;
- возможность практически непрерывного мониторинга - 24 часа в сутки, 7 дней в неделю и т. д.;
- данные могут передаваться в единый центр обработки информации и принятия соответствующих решений с помощью таких средств, как Wi-Fi, GSM, LAN, Интернет.
В стране уже реализован ряд проектов АСГДМ [13] на основе реальных автоматизированных средств измерений, например для деформационного мониторинга мостового перехода Красноярской ГЭС (рис. 2).
В работе [13] приведена структурная блок-схема АСГДМ, в которой, кроме средств ГНСС, интегрированы автоматизированные электронные тахеометры (ЭТА) и высокоточные цифровые наклономеры - инклинометры (ВЦИ), управляющее программное обеспечение GeoMos (рис. 1). Отметим, что в настоящее время аналогичные по структуре АСГДМ внедряются на таких гидротехнических сооружениях, как Бурейская, Саяно-Шушенская и Красноярская гидроэлектростанции [14].
Рис. 1. Блок-схема АСГДМ
СХЕМА РАС ПОЛОЖЕНИЯ ПУНКТОВ ОПОРНОЙ ПЛАНОВО И СЕТИ ИКОНТРОЛЬНЫХ ПУНКТОВ ПО ГРЕБНЮ ГОТО ШНЫ
М1: КОС ,- Т^ ■
TPS+6aso63fl станция G RID
+ датчик температуры и давления STS
TPS+базо вая станция GR1D
+ датчик температуры и давления STS
-20 —23
Датчик температуры и давления STS
\ ДЭТШК температуры и давления STS
/ ^тчик /температуры и давления STS
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А. Пункт опорной
шпноеорс сети гаэроуип.
Пртш. 36Q* + GMH902 I Пргаш. 360""
Пункты установки электронного тахеометра-автомата Наблюдаемые точки
б)
Рис. 2. Деформационный мониторинг мостового перехода на Красноярской ГЭС: а) схема мониторинга; б) расположение контрольных точек и роботизированных тахеометров
Рассмотрим рекомендуемую в [13] систему АСГДМ для деформационного мониторинга гидротехнических сооружений и обсудим полученные результаты натурных исследований такой системы на шлюзовых камерах Волгоградского гидроузла (рис. 3).
Рис. 3. Общий вид шлюзов № 30 и 31
Пилот-проект геодезического мониторинга деформаций шлюзовых камер Волгоградского гидроузла (см. рис. 3) на основе анализируемой структурной схемы АСГДМ реализован в 2015 г.
Работы выполнялись с целью натурных испытаний АСГДМ в реальных условиях действующего гидроузла для мониторинга состояния стенок действующих шлюзовых камер при их заполнении и опорожнении, оценке точности определения полученных планово-высотных перемещений стен камер по отдельности и относительно друг друга.
В качестве измерительных аппаратных средств применялись электронные тахеометры ТМ-30 и цифровые инклинометры серии NIVEL 200 фирмы Leica Geosystem, а также управляющее программное обеспечение GeoMos той же фирмы (рис. 4). Схема расположения ТМ-30 и NIVEL 200 на объекте приведена на рис. 5.
Рис. 4. Состав АГДСМ
Рис. 5. Схема расположения тахеометра ТМ30 и инклинометров №УЕЬ200
2. Задачи и состав наблюдений
2.1. Определение трехмерных перемещений контрольных точек, расположенных на стенках шлюзов относительно базовой пункта (пункт установки высокоточного электронного тахеометра)
Определение трехмерных перемещений контрольных точек выполнялось электронным тахеометром ТМ30 полярным способом. Технические характеристики тахеометра приведены на рис. 4. Методика измерений состояла в следующем. Тахеометр устанавливался на пилоне трубчатой конструкции, управляющий промышленный компьютер был смонтирован в специальном ящике в непосредственной близости от пилона и соединен с тахеометром кабелем. Контрольные точки были закреплены призмами, попарно, на противоположных стенках секций 2, 4, 5, 8 шлюзов 30 и 31. Расстояние до самой дальней точки составляло 266,5 м (31-22), до самой ближней - 46,7 м (30-81). Управляющее ПО GeoMos обеспечивало выполнение программы наблюдений и постобработки полученных результатов.
Программа наблюдений подразумевала периодическую установку тахеометра на пилоне для проведения очередного цикла наблюдений и включала следующие операции:
- периодическое переопределение координат базовой точки и ориентирование прибора методом обратных либо линейно-угловой, либо линейной засечки перед началом очередного цикла наблюдений;
- определение координат контрольных точек полярным способом при двух кругах каждые 5 минут;
- снятие отсчетов с комбинированного датчика температуры и давления каждые 10 минут. Полученные данные использовались для автоматического введения поправок в измеренные тахеометром линии.
Контрольные точки на шлюзе 30 и 31 были объединены в две группы, для каждой группы выполнялась вышеуказанная программа наблюдений. Данные поступали на управляющий компьютер и хранились в базе данных SQL (Structured Query Language - «язык структурированных запросов»), а средствами приложений GeoMos просматривалась и визуализировалась как оперативная информация, так и информация из базы данных.
2.2. Контроль стабильности положения базовой точки (точки установки высокоточного электронного тахеометра)
Для контроля стабильности положения пилона с электронным тахеометром предусматривалось его периодическое переопределение относительно четырех твердых пунктов методом обратной линейной и линейно-угловой засечек. Твердые пункты были закреплены призмами-отражателями на стабильном основании.
Переопределения выполнялись с периодичностью один раз в сорок минут. Автоматическое обновление координат тахеометра не выполнялось, собранные данные использовались только для контроля.
2.3. Определение планово-высотных смещений и кренов стенок шлюзовых камер по секциям в периоды шлюзований
Относительное плановое положение стенок шлюзов друг относительно друга, как за длительный период, так и в периоды шлюзований, определялось путем непосредственных измерений восьми горизонтальных проложений между парными точками на противоположных стенках секций, а также их вычислениями по определенным тахеометром координатам контрольных точек.
Для сравнения горизонтальные перемещения контрольных точек в направлении, перпендикулярном оси шлюза, определялись по данным высокоточных датчиков-инклинометров NIVEL. Два датчика-инклинометра были установлены на шлюзе № 30 на противоположных стенках секции № 8.
Управление датчиками-инклинометрами выполнялось ПО GeoMos. Вычисление горизонтальных смещений осуществлялось путем пересчета угла наклона в линейную величину; по конструкции шлюзовой камеры высота стенки шлюза составляет 20 м, вычисления смещений выполнялись каждую минуту.
В данном проекте были использованы два датчика-инклинометра, технические данные которых приведены на рис. 4. Инклинометры были закреплены на противоположных стенках секции № 8, шлюза № 30. Для получения общего изменения длины линии между двумя противоположными стенками результаты, полученные для каждого инклинометра, складывались и визуализировались программой GeoMos в виде графика и рассматривались как отдельный виртуальный сенсор.
Преимущества инклинометра типа NIVEL220 - полностью автоматическая и практически не обслуживаемая работа после установки и наладки, высокая чувствительность инклинометров, прямое измерение наклонов стенок шлюза в двух плоскостях. Ограничения - достаточно высокая стоимость при использовании большого количества инклинометров.
3. Результаты наблюдений
3.1. Трехмерные перемещения контрольных точек, полученные тахеометром ТМ-30
На графике рис. 6 отражены данные по трем шлюзованиям в период 07.08.2015 г. с 11 ч 30 мин до 14 ч 20 мин. Среднее расстояние для данных контрольных точек от тахеометра составляло 46,7 м. Возвратные деформации в плане по точке 30-81 в среднем составляли 0,4-0,5 мм, по точке 30-82 в среднем 4,2-4,5 мм в направлении, перпендикулярном оси шлюза, в направлении вдоль оси - в среднем 0,3-0,5 мм для обеих точек. По высоте видны четко зафиксированные упругие деформации величиной 2 мм для обеих точек. Для наглядности на графиках показаны изменения относительно первого измерения во взятом временном интервале (рис. 6).
а)
ft'Jopr GiWili
-ч .... -'-V-.¿х- ^ ■ U- - \ Л « .' Л—- ■■ i - s-
OTOGPllIX] WC4C01M21D 0-~Л4ЛМ1 12* C-_JOV3MJ Ч1Ч VUWl 1150 HOVXrilUH *НИ1 IH1» 0ЧИФ1 ■ ч П
Erwh
SO SIT PS [LonflDisp) шгшгнпгточы£ 30-S1 иршдщшрошв пшкза
ЗО-вЙТРЗ isp] n>
4 к смяпгнпг точки Ju-a J ■^мендикупярно осы пшкза
-*- 50-SLtiS rlraiiifritp) снещшне точки 30-81 вдаль оси пшниа
$<1-вгтрз сиещеиие л,™вдальмнпшниа
Э О- SIT PS [HeiflhtDisp) 01
4 5 смещшне точки 30-81 по высвте
-*- 30-3STPS [Heiflhttiip) см гшгны г точки 30-S1 по высотг
б)
Рис. 6. Планово-высотные смещения контрольных точек: а) расстояние от тахеометра до контрольных точек 46,7 м; б) расстояние от тахеометра
до контрольных точек 144 м
3.2. Контроль стабильности положения тахеометра на базовом пункте
Во время проведения работ использовались два способа контроля стабильности положения тахеометра: 1 - периодическое переопределение координат методом обратной линейно-угловой засечки и 2 - методом линейной засечки. Во время эксперимента засечка выполнялась автоматическом режиме с периодом от 40 до 15 мин. Координаты станции, по которым рассчитывались координаты искомых контрольных точек, принимались по результатам измерений, выполненных вручную в начале каждого рабочего дня, результаты автоматических повторных измерений использовались только для оценки работы системы (рис. 7, 8).
о мм
Чгк
Л £ Л Л
л: рЛЧ, \Р 1 3
| I ."Г 1 4нн 3
У ч К у
к/ 4НН
{4)И
4НН
-а км
ОМЮТ»«» К. 11ПП15> "Г ЕВОг на 1С овпас Яг13-119 Ш1ЭгаЮ22 1ВПИ111Н «ЛЗС01& Ч ВЫЗОЛИМ
111*1*41 Й1*_В*М ы * »11 ¡1
Рис. 7. Обратная линейная засечка, в автоматическом режиме измерений разброс координат составляет ± 0,25 мм
На этих графиках использованы обозначения: сплошная полоса - координаты станции, определенные вручную, отдельные точки - определенные в автоматическом режиме. На графиках также показана кривая отсчетов по датчикам-инклинометрам, позволяющая считать, что в период шлюзования можно не учитывать изменение координат тахеометра, поскольку, как выяснилось, пилон с тахеометром перемещался вместе с сооружением.
Рис. 8. Обратная линейно-угловая засечка, в автоматическом режиме измерений разброс координат составляет ± 0,5 мм
4. Заключение
По результатам проведенного исследования сделаем следующие основные выводы:
- изменения трехмерного положения контрольных точек в периоды шлюзования при помощи высокоточного электронного тахеометра определяются достаточно надежно;
- опытным путем для конкретных условий проведения данного исследования и для ЭТА типа ТМ-30 установлено, что оптимальные результаты получаются при максимальном удалении контрольных точек от электронного тахеометра не более 170-180 м;
- система мониторинга надежно фиксировала плановые перемещения в периоды шлюзования в пределах 4-5 мм и высотные деформации величиной ± 2 мм на расстояниях до контрольных точек от 46 до 174 м;
- неравномерные горизонтальные смещения внешних стенок шлюзов (примыкающих к грунту) в среднем составили 1,5-2,5 мм, а внутренних (соединенных между собой лотком для сброса воды) - 4-5,5 мм;
- полностью подтвердилась целесообразность и рентабельность измерений горизонтальных смещений стенок секций шлюзов системой высокоточных дат-
чиков наклонов - высокоточных инклинометров типа №УБЬ200 (рис. 9); направление кренов в продольном и поперечном направлениях в периоды шлюзования, а также вычисленные значения горизонтальных смещений полностью совпадают с данными измерений, полученных роботизированными тахеометрами;
- проведение испытаний АСГДМ в рамках данного пилот-проекта позволяет утверждать, что стенки камер шлюзов при наполнении и опорожнении наклоняются равномерно, без изломов и имеют вышеприведенные численные значения;
- при суточных наблюдениях влияние температуры становится существенным (рис. 10). При долгосрочных наблюдениях следует устанавливать инклинометры в местах, защищенных от солнечного нагрева;
- датчики-инклинометры работают полностью в автоматическом режиме, имеют высокую чувствительность, могут непрерывно выдавать информацию в течение 24 ч в сутки;
- результаты наблюдений по взаимному влиянию шлюзов 30 и 31 друг на друга при наполнении и опорожнении показали, что при наполнении первого из них (шлюза № 30) шлюз № 31 «всплывает» на 2-2,5 мм, что объясняет зафиксированные на графиках подобные перемещения, отражающие взаимовлияния процессов в соседних шлюзах.
¡лисы
1 '/
л Л ' г
пмтт! нюво"!!» мгаи*;а Лишне Ег-аотягт спас*" с-оютя«+ ртаяря'* 'готп^л тшна вдютя^г ртаэтГ»-«
»■|Н В-«ЛМ аурЬштЬ
- горизонтальные смещения по оси X точки 30-81 зо-згт; _ г0рИ30нхальные смещения по оси X точки 30-82
Рис. 9. Горизонтальные смещения по данным измерений инклинометров
рншин «чтила I» 'А'сг.ая+л сммня го кчютзсг Ф«ЖХИ,1!
I1—-4TI
M-ipi
зо-з Lit _ наклон п0 оси х в точке 30-81 В мм/м
эо-егн (incixi _ наклон п0 оси х в точке 30-82 в мм/м ■30-siH finely* _ наклон п0 оси y в точке 30-81 в мм/м зс-згн tinciYi _ наклон п0 оси Y в точке 30-82 в мм/м
■зп-&1н ст«аф) _ температура в точке 30-81 в градусах Цельсия зо-вгн (т&шрз _ температура в точке 30-82 в градусах Цельсия
Рис. 10. Измеренные наклоны инклинометрами в мм/м
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Джоел ван Кроненброк. Применение технологий ГНСС для деформационного мониторинга сооружений // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 29-40.
2. Проблемы обеспечения точности координатно-временных определений на основе применения ГЛОНАСС технологий / А. С. Толстиков, В. А. Ащеулов, К. М. Антонович, Ю. В. Сурнин // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 2 (18). - С. 3-11.
3. Хасенов К. Б., Гольцев А. Г., Салпышев О. Д. Выверка строительных конструкций с использованием лазерных приборов // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 3 (19). - С. 14-17.
4. Никонов А. В. Особенности применения современных геодезических приборов при наблюдении за осадками и деформациями зданий и сооружений объектов энергетики // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 4 (24). - С. 12-18.
5. Комплексное обследование гидротехнических сооружений на Чардаринском водохранилище / С. Г. Ожигин, Ж. С. Нугужинов, Е. Н. Хмырова, Н. А. Имранова, М. Б. Игем-берлина // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 4 (28). - С. 13-18/
6. Каленицкий А. И., Ким Э. Л. О комплексной интерпретации данных геодезическо-гравиметрического мониторинга техногенной геодинамики на месторождениях нефти и газа // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 3-13.
7. 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.
8. Косарев Н. С., Щербаков А. С. Статистический анализ точности определения положений спутников систем ГЛОНАСС и GPS // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 2 (26). - С. 9-18.
9. Статистическое исследование перемещений подпорных стенок по результатам геодезических измерений / Р. В. Шульц, А. А. Анненков, А. М. Хайлак, В. С. Стрилец // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 3 (27). - С. 35-153.
10. Кобелева Н. Н., Хорошилов В. С. Построение по геодезическим данным прогнозной модели процесса перемещений гребня плотины Саяно-Шушенской ГЭС (на этапе эксплуатации 2007-2009 гг.) // Вестник СГГА. - 2015. - Вып. 4 (32). - С. 5-12.
11. Хиллер Бернд, Староверов С. В., Мясников Я. В. О возможности использования цифровой инклинометрии для геодезического мониторинга инженерных сооружений // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2015. - № 1. - С. 86-87.
12. Геодезический мониторинг мостов. Градостроительство и территориальное исследование / Хиллер Бернд, В. С. Староверов, Р. В. Шульц, А. В. Адаменко. - Киев : КНУБА, 2011. - С. 413-420.
13. Хиллер Бернд. Цифровые инклинометры в системах автоматизированного геодезического мониторинга деформаций // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2015. - № 6. -С. 23-30.
14. Хиллер Бернд. Технология геодезического деформационного мониторинга - опыт применения // Открытый градостроительный форум, сессия «Безопасность строительства и эксплуатации объектов». - Новосибирск, 2010. - С. 111-115.
Получено 10.02.2016
© Бернд Хиллер, Х. К. Ямбаев, 2016
