CC BY
47
УДК 004
РАЗРАБОТКА И НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДЕФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА
Бернд Хиллер
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., 4; ООО «Фирма Г.Ф.К.», 109004, Россия, г. Москва, пер. Шелапутинский, генеральный директор 6, тел. (499) 212-70-27, e-mail: [email protected]
Харьес Каюмович Ямбаев
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., 4, доктор технических наук, профессор, тел. (499)267-15-45, e-mail: [email protected]
В докладе рассмотрены вопросы разработки и практического применения автоматизированной подсистемы геодезического деформационного мониторинга ГТС, а также основные результаты натурных исследований АСГДМ 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, АСГДМ - автоматизированная система геодезического деформационного мониторинга, ГТС - гидротехнические сооружения.
DEVELOPMENT AND NATURAL TESTS
OF THE AUTOMATED SYSTEM OF DEFORMATION MONITORING
Bernd Hiller
Moscow State University of geodesy and cartography, 105064, Russia, Moscow, Gorokhovsky
Lane, 4; SWL «FIRM F. K.», 109004, Moscow, Shelaputinsky lane, director «G.F.K», tel. (499) 212-70-27, e-mail: [email protected]
Haryes K. Yambayev
Moscow State University of geodesy and cartography, 105064, Russia, Moscow, Gorokhovsky Lane, 4, professor, Dr. Sci. Tech., tel. (499)267-15-45, e-mail: [email protected]
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, ASGDM - automated system of geodetic deformation monitoring, GTS - waterworks.
Деформационный мониторинг является важной составной частью общей системы обеспечения безопасности строительства и эксплуатации уникальных и особо ответственных инженерных сооружений.
Основой мониторинга деформаций уникальных инженерных сооружений как гигантские плотны ГЭС, высотные здания, крупные мостовые переходы (особенно вантовые мосты) являются результаты периодических (систематизированных) геодезических наблюдений и геотехнических измерений.
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.
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 получения результатов с однородной точностью и периодичностью.
Каждый объект уникален и требует создания своей конкретной системы и технологии мониторинга с учётом 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, внедряются и в России, и за рубежом [5] (рис. 1).
АСГДМ обладают рядом отличий и преимуществ в сравнении с традиционными повторными измерениями:
- 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 и по Интернету.
В нашей стране уже реализован ряд проектов АСГДМ [6] на основе реальных автоматизированных средств измерений, например, для деформационного мониторинга мостового перехода Красноярской ГЭС (рис. 2а, 2б).
В работе [5] 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).
Рис. 1. Блок-схема АСГДМ
СХЕМА РАС ПОЛОЗКЕ НМЛ ПУНКТОВ ОПОРНОЙ ПЛАНОВОЙ СЕТИ ИКОНТРОЛЬНЫХ ПУНКТОВ ПО ГРЕБНЮ НЛО ТИНЫ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ЦгНКГ опорной ШИНОЕОЙ СЯИГЩЦ10У71Т4 Принта 360* +
¿1 ~~^И Цишта 360*
А Пункты установки электронного тахеометра-автомата ф 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 [5] систему АСГДМ для деформационного мониторинга гидротехнических сооружений (ГТС) и полученные результаты натурных исследований такой системы на шлюзовых камерах Волгоградского гидроузла (рис. 3).
Рис. 3. Общий вид шлюзов № 30 и № 31
Кроме того, отметим, что в настоящее время аналогичные по структуре АСГДМ внедряются на таких ГТС, как Бурейская, Саяно-Шушенская и Красноярской гидроэлектростанциях.
Преимуществами АСГДМ на основе современных геодезических средств измерений, геотехнической контрольной аппаратуры и информационных 1Т-технологий являются:
- непрерывный мониторинг 24 часа в день, 7 дней в неделю, 365 дней в году;
- автоматическая запись данных повторных измерений, их анализ и сравнение с расчётными допустимыми значениями;
- подача сигнала тревоги и своевременное оповещение ответственных лиц после обнаружения критических деформаций.
Всё это убеждает в необходимости проведения натурных испытаний и анализе поставленных исследований на реальных объектах и необходимость обобщения практического опыта внедрения автоматизированных технологий деформационного мониторинга, накопленного в России и за рубежом.
Деформационный мониторинг должен сопровождаться разработкой плана мероприятий по снижению риска и ликвидации последствий возможных аварийных ситуаций, по обеспечению безопасности жизнедеятельности и населения, и объекта.
В 1915 году реализован пилот-проект геодезического мониторинга деформаций шлюзовых камер Волгоградского гидроузла (рис. 3) на основе структурной схемы АСГДМ. Работы выполнялись с целью натурных испытаний АСГДМ в реальных условиях действующего гидроузла для мониторинга со-
стояния стенок действующих шлюзовых камер при их заполнении и опорожнении, оценки 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.
Электронный тахеометр-авто мат ТМ 30 Характеристики
■ Измерение углов: ст = 1.0" (№, V)
■ Измерение линий: о = О.бтт + 1ррт
■ Дальность: >10'000т
■ Автонаведение на цель: до 3000м
■ Точность АТР 1"
Датчики углов наклона NÍVOl Характеристики
■Диапазон: А +/-1.51 мрад (5' 30") В +/- 2.51 мрад (9'30" С+/-3.00 мрад (11')
Визирные цели GMP104
■ Точность А ± 1,05" (0,5 мм/100м)
В ± 3,15" (1,5 мм/ЮОм)
С ±10,05" (5,0 мм/ЮОм)
"Ъя, Ш
Управляющая программа GeoMos
Каналы связи и инфраструктура
3
Рис. 4. Состав АГДСМ
Рис. 5. Схема расположения тахеометра ТМ30 и инклинометров NIVEL200
Определение трехмерных перемещений контрольных точек выполнялось электронным тахеометром ТМ30 полярным способом. Технические характеристики тахеометра на рис. 4.
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 метра (31-22), до самой ближней 46,7 метра (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 просматривались и визуализировались как оперативная информация, так и информация из базы данных.
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.
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-инклинометров выполнялось ПО GeoMos. Вычисление горизонтальных смещений осуществляется путём 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.
Ниже на графике отражен данные по трем шлюзованиям в период 07.08.2015 с 11ч. 30 мин. до 14 ч. 20 мин. Среднее расстояние для данных контрольных точек от тахеометра составляло 46,7 метра. Возвратные деформации в плане по точке 30-81 в среднем составляли 0.4 - 0.5 мм, по точке 30-82 в среднем 4,2 - 4.5мм 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 2мм для обеих точек. Для наглядности на графиках показаны изменения относительно первого измерения во взятом временном интервале (рис. 6а и б).
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 мин до 15 минут. 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 и 8).
На этих графиках: сплошная полоса - координаты станции определенные вручную, отдельные точки - определенные в автоматическом режиме. Так же на графиках 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.
игваИИ511-30 07ДВЯ01511:50 07ÄBJ20I5121C 07Л02015 12 Ж 07ДИЯ0151250 07AHI201S 1310 07Д8Л01530 0ГЯ&ИН5 13-50 07Яе/И>15 14:t0 C7j08i20t51
Epoch
v f. О'хл'. Ff fajiuEI
у /■**_____
Vw — V^ t7 V .
т-Л
vv
or ядр S 11 11 GfJ3K№SiiM) НСМПШИ» HtMHI-Ii
W-»l • 1йгЛ LH1
W-PJ >IH1U4'
«ГДЙФИ^И :Т(ЙШ -i] ч] A'AucifiiD идинта кшяним» о^яя« < * м CpMft
Ю-Pi ШчгеЬш*' ИКК Urnhiw* ЖП LHurtRl * M"« Utrirtnl
50 S1TPS [LoKlflDiipJ („VH,.^ 1ф1аЯЕЕ\ПЯртООС11 ШШН
30 егтрз (LorigDisp] а(гшгш1г хочки ■чмшдикупярно осы пшкза
SO SlTiS tlvaiiiinsj?) смещшве точив 30-81 вдоль оси штоза $с-егтрз jjjge^biip) смеЩенве точки 30-И вдоль осе шлюза
Э О-SIT PS [HeitfitDispi ™ 01
4 р смгщгнлгточки j0-S1 по высота
30-SSTPS [Hsiflhttisp) Слгшгнш г точки 1 по высота
б
Рис. 6. Планово-высотные смещения контрольных точек; (а) - расстояние от тахеометра до контрольных точек 46,7 м, (б) - расстояние от тахеометра
о контрольных точек 144 м
а
Чгч
41 *
V у
¡3£ X' л
ч я V г
В
шиняи »-потна! швшнм шали 1Е аьтгя«
Гид: 1..ин.|
№1З/ЯПЗВ §т.1_ЯСМ ЫШ1|1
«ргарнде чачинич ачзсяшы
■» МпЬ мм! 2ы!.1|
Рис. 7. Обратная линейная засечка, в автоматическом режиме измерений разброс координат составляет ± 0,25 мм
шин---
да----
№11---|- 1 1 1 "ТЙЬ
_ 1 --а------ ии--— II ■ у- д /
1Ж--1--- --1- I Ип 41}
1 №1=---- ■ сея--'1 д Р-
|.Ш У |<га--- 1КЯ---
зшл!ч ялпс!:н ■мшам зичдти н ииэ^н вьшпн еньтизи тя^к
ЕрвеИ
¿из^Мпй \Жл. 1.1-1М1 ■ ■* М-*8Л |£нМС1
Рис. 8. Обратная линейно-угловая засечка, в автоматическом режиме измерений
разброс координат составляет ± 0,5 мм
- 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 метров;
- система мониторинга надежно фиксировала плановые перемещения в периоды шлюзования в пределах 4-5 мм и высотные деформации величиной ± 2мм на расстояниях до контрольных точек от 46м до 174м.
- 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) от 4 до 5,5 мм;
- полностью подтвердилась целесообразность и рентабельность измерений горизонтальных смещений стенок секций шлюзов системой высокоточных датчиков наклонов - высокоточных инклинометров типа №УЕЬ200 (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;
-
I
- горизонтальные смещения по оси X точки 30-81
- горизонтальные смещения по оси X точки 30-82
Рис. 9. Горизонтальные смещения по данным измерений инклинометров
- 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;
злйш 1ЯН '■/ X -
■ 1 Л^Т 1 I
гомочп* нштр ^стда+п сп|та«я'+
Еаос
ЗО-ЗШГ СС1ЕЬапев)
зо-згт (ылыпй*)
- при суточных наблюдениях влияние температуры становится существенным (рис. 10). При долгосрочных наблюдениях следует устанавливать инклинометры в местах, защищенных от солнечного нагрева;
{ ли»-- -
-----
1а |.|
МО I М 1Т.
зо _ наклон п0 оси х в точке 30-81 в мм/м
эо-вгн ¡1нсIX) . наклон по оси X в точке 30-82 в мм/м
зо зан _ наклон п0 оси у в точке 30-81 в мм/м
- наклон по оси У в точке 30-82 в мм/м
зо-81н (тшр) . температура в точке 30-81 в градусах Цельсия - температура в точке 3 0-82 в градусах Цельсия
эо-егн стеир;
Рис. 10. Измеренные наклоны инклинометрами в мм/м
- датчики-инклинометры работают полностью в автоматическом режиме, имеют высокую чувствительность, могут непрерывно выдавать информацию в течение 24 часов в сутки;
- наблюдения по взаимному влиянию шлюзов 30 и 31 друг на друга при наполнении и опорожнении показали, что при наполнении шлюза № 30 шлюз № 31 «всплывает» на 2-2.5мм. Если рассматривать каждый шлюз в отдельности, то невозможно объяснить некоторые зафиксированные на графиках перемещения. Выглядит это как паразитный шум, а на самом деле это влияние процессов, происходящих на соседнем шлюзе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Хиллер Бернд. Технология геодезического деформационного мониторинга - опыт применения. «Открытый градостроительный форум, сессия «Безопасность строительства и эксплуатации объектов», Новосибирск 2010г., стр. 111-115.
2. Хиллер Бернд, Староверов С.В., Мясников Я.В. О возможности использования цифровой инклинометрии для геодезического мониторинга инженерных сооружений. Известия ВУЗов «геодезия и аэрофотосъёмка». 2015г. №1, стр. 86-87.
3. Kompendium "Die Gehemnisse der Neigungmesstechnik", Wyler AG, Winterthur. Switzerland, стр. 86-87.
4. Руководство по эксплуатации инклинометров серии NIVEL200.
5. Хиллер Бернд. Цифровые инклинометры в системах автоматизированного геодезического мониторинга деформаций. Известия ВУЗов «Геодезия и аэрофотосъемка», 2015г. №6, с. 23-30.
6. Хиллер Бернд. Староверов В.С., Шульц Р.В., Адаменко А.В. Геодезический мониторинг мостов. Градостроительство и территориальное исследование. К., КНУБА, 2011г., вып. 39, стр. 413-420.
© Бернд Хиллер, Х. К. Ямбаев, 2016
