CC BY
168
технология строительных процессов. механизмы и оборудование
УДК 658.51 + 627
М.И. Бальзанников, Б.Г. Иванов, А.А. Михасек
ФГБОУ ВПО «СГАСУ»
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Обсуждается проблема возможных повреждений или разрушений конструктивных элементов гидротехнических сооружений при их длительной эксплуатации вследствие воздействия природно-климатических факторов и старения материала конструкций. Рассматривается целесообразность формирования эффективной системы управления состоянием гидротехнических объектов, служащей для предотвращения опасных разрушений объектов. Показано, что от рациональной реализации такой системы зависят продолжительность безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений, минимизация эксплуатационных расходов и негативного воздействия на окружающую среду. В основе системы управления гидротехническим объектом должны лежать современные информационные системы постоянного мониторинга состояния конструкций гидротехнических сооружений, обладающих оперативностью, достоверностью, малозатратностью, автоматизированностью, мобильностью и интеллектуальностью. Рассмотрены основы построения системы мониторинга двух видов: индикативного и репрезентативного.
Ключевые слова: гидротехнические сооружения, эксплуатация объекта, система управления состоянием гидротехнического объекта, мониторинг.
В процессе эксплуатации гидротехническое сооружение (ГТС) и его конструктивные элементы подвергаются воздействию различных природно-климатических факторов, постоянных и временных нагрузок и т.д. В результате такого воздействия в конструктивных элементах появляются повреждения и дефекты, материал конструкций претерпевает негативные структурные преобразования. Повреждения развиваются с разной интенсивностью и могут в конечном счете вызвать разрушение этого элемента, что, в свою очередь, может привести к созданию аварийной ситуации по гидротехническому сооружению в целом.
Кроме того, материал, используемый в конструктивных элементах ГТС со временем неизбежно стареет, теряет свои первоначальные качества и, естественно, потребительские свойства. при этом повышается опасность разрушения сооружения и нанесения вреда окружающей природной среде.
Для предотвращения разрушения ГТС и исключения его негативного влияния на окружающую среду требуются большие затраты на восстановительный ремонт его конструкций и поддержание нормального эксплуатационного состояния объекта. От эффективности действий по сохранению эксплуатационных свойств ГТС — эффективности управления гидротехническим сооружением (управления его состоянием, режимом эксплуатации, сохранением надежности, долговечности, качеством выполнения своих функций, финансовыми потоками и т.д.) зависят продолжительность безопасной эксплуатации гидротехнического объекта, сведение к минимуму негативного воздействия на окружающую среду и величины эксплуатационных расходов.
На кафедре природоохранного и гидротехнического строительства Самарского государственного архитектурно-строительного университета (СГАСУ) традиционно выполняются научно-исследовательские работы по оценке состояния ГТС [1], раз-
© Бальзанников М.И., Иванов Б.Г, Михасек А.А., 2012
119
ВЕСТНИК
7/2012
работке мероприятий по их ремонту и восстановлению, а также совершенствованию конструктивных решений [2].
В частности, выполнены обследования состояния основных сооружений низконапорных гидроузлов Самарской области. Под обследование попадали и оценивались раздельно: состояние подпорного сооружения, в качестве которого, как правило, использовалась грунтовая плотина из местных материалов, и состояние водосбросных сооружений. Высота обследованных грунтовых плотин колебалась в пределах от 2 до 15 м, средняя высота плотин составила 6.. .8 м.
Результаты показали, что из всего объема обследованных грунтовых плотин более 35 % находятся в неудовлетворительном состоянии и требуют незамедлительного ремонта до начала паводкового сезона для предотвращения негативных последствий [3].
Сказанное свидетельствует о необходимости повышения эффективности управления гидротехническими сооружениями.
Основной особенностью системы управления состоянием гидротехнических сооружений (СУСГТС) является то, что она позволяет регулировать процесс эксплуатации (содержания) ГТС: не просто получать информацию, но и дифференцированно распределять средства, т.е. регулировать финансирование в зависимости от принятой стратегии эксплуатации. при правильном содержании объекта, а именно при выполнении работ, относящихся в первую очередь к надзору, уходу и профилактике, ремонт может и не потребоваться.
В Самарской области эксплуатируется около 700 ГТС различных категорий и разного назначения. Большая их часть — земляные сооружения, к тому же не имеющие собственников, т.е. попросту бесхозные. техническое состояние большинства таких сооружений оставляет желать лучшего. Ситуацию усугубляет отсутствие постоянного мониторинга, как этого требует ГОСТ Р 22.1.11—2002 «Мониторинг состояния водоподпорных гидротехнических сооружений (плотин) и прогнозирование возможных последствий гидродинамических аварий на них». Самое сложное время года для губернатора и областного МЧС, глав администраций районных поселений и городов — паводковый период.
На рис. приведен пример разрушения плотины после прохождения паводка [3].
Общий вид разрушения грунтовой плотины
Обычно паводковая комиссия решает: выдержат или нет плотины и дамбы приток вод за счет снеготаяния; как обеспечить безопасность региона; сколько на это потребуется средств и кто будет выполнять противопаводковые мероприятия. Как можно принимать решения, не имея достоверных данных для расчетов и прогнозов, в т.ч.
Технология строительных процессов. Механизмы и оборудование
потребностей финансирования этих мероприятий? Поэтому разработка концепции и создание региональной системы управления состоянием ГТС — важная и актуальная научно-техническая и экономическая проблема.
Основными принципами современной концепции обеспечения эффективности и безопасности следует считать: постоянство мониторинга состояния гидротехнических сооружений, оперативность, доступность, достоверность, малозатратность, прогнозируемость состояния ГТС; управляемую безопасность (не пассивно наблюдать и фиксировать, а своевременно реагировать); автоматический режим осуществления; интеллектуальность.
синтезируемая система мониторинга должна обеспечивать статистику наблюдений за объектом, мнения экспертов (нужны встроенные базы данных) и осуществлять интеллектуальный анализ данных (нужны встроенные базы знаний). Это позволит прогнозировать состояние объекта, собственно системы мониторинга и осуществлять упреждающее управление, не допуская сбоев и больших потерь от нарушения безопасности технологического процесса на объекте.
В системе должны быть обеспечены и автоматический режим, и интеллектуальность функционирования. Это исключит зависимость успешности работы системы от субъекта управления, его психо-эмоциональных качеств (человек устает, отвлекается), его ограниченных возможностей по горизонту управления (одновременно человек может анализировать в среднем только семь факторов), объему памяти и скорости анализа. Интеллектуальность разрабатываемых систем предполагается развивать в двух направлениях: заимствование интеллекта у человека (опытное лицо, принимающее решение, обучает машину) и генерация собственного интеллекта (машина содержит механизмы самообучения, которое происходит в процессе работы).
Целесообразно осуществить переход от политики регламентного обеспечения безопасности гидротехнических сооружений (анализ состояния ГТС в заданные сроки) и устранения сбоев по мере их возникновения в системе к управлению по сложившемуся состоянию объектов инфраструктуры с учетом его прогноза на будущее. Следует отметить, что такая технология недопущения разрушений и сбоев является, кроме того, и менее затратной.
Становится ясно, что на сегодняшний день возникает потребность в разработке современных систем постоянного долгосрочного мониторинга объектов ГТС.
В СГАСУ имеется опыт разработки экологических систем сбора информации [4]. Разработанная система может быть использована для построения экологического мониторинга региона или отдельных объектов с целью сбора информации и оперативного управления какими-либо характеристиками окружающей среды.
особенностью экологической системы сбора информации является наличие двухуровневого построения мониторинга. при этом элементы второго уровня, включающие и датчики экологического контроля состояния окружающей среды, размещаются в непосредственной близости к наблюдаемому объекту или на мобильных установках и связаны сотовой связью с сетью Интернет, через которую информация передается на центральный диспетчерский пункт.
Использование такой системы обеспечит повышение эффективности ее функционирования за счет повышения достоверности информации экологического мониторинга вследствие цифрового кодирования передаваемых выходных сигналов датчиков, увеличения скорости передачи информации на центральный диспетчерский пункт, повышения скорости обработки данных экологического мониторинга и оперативности выполнения анализа состояния окружающей среды, а также высокой мобильности экологической системы за счет применения датчиков экологического контроля, размещаемых на мобильных контрольных пунктах.
Для решения задачи по разработке современных систем постоянного долгосрочного мониторинга гидротехнических объектов существует несколько технико-техно-
ВЕСТНИК 7/2012
логических альтернатив. одним из наиболее перспективных путей решения проблемы является развитие средств и методов дистанционного зондирования Земли и геоинформационных систем. С недавнего времени это направление получило широкое применение в различных сферах хозяйственной деятельности. С помощью спутниковых технологий можно идентифицировать изменение состояния гидротехнических сооружений (например, подвижки грунта и т.д.). однако возможности спутников не безграничны. по данным некоторых авторитетных изданий, такие параметры, как надежность и разрешающая способность таких систем, являются недостаточными для множества приложений, где эффективнее применять другие методы.
В последнее время для целей мониторинга все чаще применяют технологию беспроводных сенсорных сетей (БСС). Основным элементом таких систем является беспроводной сенсорный узел. В его состав входят пять основных элементов: при-емо-передающее устройство, микроконтроллер и модуль памяти, программное обеспечение, автономный источник питания и система сенсоров. Вот лишь немногие потенциальные возможности технологии БСС: измерение вибраций и нагрузок ГТС; анализ и идентификация просачивания через тело плотины фильтрационной воды; оценка напряженно-деформированного состояния конструкций; измерение влажности и температуры среды, влияющих на скорость износа элементов сооружений и многих иных параметров функционирования объектов инфраструктуры ГТС.
В основу интеллектуальной части системы мониторинга планируется заложить базы знаний агентов БСС, включая распределенную базу знаний агентов нижнего уровня и центральную базу знаний агентов верхних уровней. распределенная база знаний включает модели локальных динамических процессов, протекающих в контролируемых объектах, а центральная база знаний — модель глобального деформационного процесса и алгоритмы выработки диагностических решений. В основу экспертной системы планируется заложить модели нечеткого вывода. Их логика формируется экспертами (разработчиками, строителями и обслуживающим персоналом). Она остается открытой для совершенствования на протяжении всего периода эксплуатации интеллектуальной системы (ИС).
На вход модели нижнего уровня подается информация с датчиков. Эти данные обрабатываются алгоритмом быстрого преобразования Фурье и на основании базы знаний локальных деформационных процессов производится нечеткое вычисление локальных параметров, которые передаются на координатор сети. при помощи специальных технологий размещенная на удаленном узле информация может быть перепрошита в любой момент, когда это станет необходимо. Имеются в виду ситуации сезонных изменений погодных условий, когда параметры воздействий могут меняться.
В базе знаний агента верхнего уровня в виде нечетких правил будет заложена логика экспертов и соответствующие схемы вывода диагностических сообщений. Аргументами правил являются параметры локальных деформаций, полученные от агентов нижнего уровня, а также некоторые параметры внешних воздействий. нечеткие правила устанавливают причинно-временную связь между текущими и последующими состояниями процесса.
Мониторинг предполагается внедрять двух видов: индикативный и репрезентативный. репрезентативность означает, что гидротехническое сооружение обследуется полностью во взаимодействии всех факторов внутренней и внешней среды с учетом особенностей технологического процесса, в который включен объект исследования. репрезентативный мониторинг дорог и трудозатратен, требует много времени на его осуществление. В этой связи важно выделить параметры экспресс-контроля (индикаторы), доступные для измерения и коррелированные с установленными показателями безопасности, измеряемые легко и быстро. Измерение и оценка индикаторов и составляет суть индикативного мониторинга.
Технология строительных процессов. Механизмы и оборудование
Таким образом, общая методика мониторинга состоит из двух этапов. На первом этапе осуществляется индикативный мониторинг, определяющий общую динамику параметров гидротехнического сооружения, и при необходимости, если эта динамика отрицательная по системе заданных критериев, включается второй этап — репрезентативный мониторинг. Это позволит осуществить оперативность, достоверность, снижение затрат на процесс идентификации уровня безопасности гидротехнического сооружения.
Выводы. 1. При длительной эксплуатации гидротехнического сооружения из-за воздействия различных природно-климатических факторов и старения материала его конструкций появляются повреждения и дефекты, которые могут вызвать повреждение или разрушение конструктивных элементов, что, в свою очередь, может привести к созданию аварийной ситуации и возникновению опасности нанесения вреда окружающей среде.
2. Для предотвращения опасных повреждений и разрушений гидротехнических объектов необходима эффективная система управления их состоянием. От рациональной реализации такой системы зависят продолжительность безопасной эксплуатации гидротехнических объектов, минимизация эксплуатационных расходов и негативного воздействия на окружающую среду.
3. Система управления гидротехническим объектом должна основываться на современных информационных системах постоянного мониторинга состояния конструкций гидротехнических сооружений, обладающих оперативностью, достоверностью, малозатратностью, автоматизированностью, мобильностью и интеллектуальностью.
4. Рассмотрены основы построения системы мониторинга гидротехническими объектами двух видов: индикативного и репрезентативного. При репрезентативном мониторинге гидротехнические сооружения обследуются полностью во взаимодействии со всеми факторами внутренней и внешней среды с учетом особенностей технологического процесса наблюдаемого объекта. Для индикативного мониторинга важно использовать экспресс-контроль показателей безопасности, измеряемых легко и быстро.
5. В основу интеллектуальной части системы мониторинга предложено заложить базы знаний агентов беспроводных сенсорных сетей, включая распределенную базу знаний агентов нижнего уровня и центральную базу знаний агентов верхних уровней. При этом распределенная база знаний включает модели локальных динамических процессов, протекающих в контролируемых объектах, а центральная база знаний — модель глобального деформационного процесса и алгоритмы выработки диагностических решений. Такой подход позволит осуществить оперативность, достоверность и снижение затрат на процесс идентификации уровня безопасности гидротехнических сооружений.
Библиографический список
1. Бальзанников М.И. 50 лет кафедре природоохранного и гидротехнического строительства Самарской государственной архитектурно-строительной академии // Гидротехническое строительство. 2003. № 2. С. 55—57.
2. Пути повышения эффективности и надежности гравитационных плотин из малоцементного бетона / В.А. Шабанов, С.В. Осипов, М.И. Бальзанников и др. // Гидротехническое строительство. 2001. № 12. С. 2—7.
3. Бальзанников М.И., Родионов М.В., Селиверстов В.А. Повышение экологической безопасности эксплуатируемых грунтовых гидротехнических сооружений // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2011. № 1. С. 100—105.
4. Бальзанников М.И., Лукенюк Е.В., Лукенюк А.И. Экологическая система сбора информации о состоянии региона / Патент РФ на полезную модель 70026. 2008. Бюлл. № 1.
Поступила в редакцию в июне 2012 г.
вестник 7/2012
Об авторах: Бальзанников Михаил Иванович — доктор технических наук, профессор, ректор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, (846) 24217-84, sgasu@sgasu.smr.ru;
Иванов Борис Георгиевич — доктор технических наук, доцент, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, (846) 242-17-84, sgasu@sgasu.smr.ru;
Михасек Андрей Александрович — кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г Самара, ул. Молодогвардейская, 194, (846) 242-17-84, sgasu@sgasu.smr.ru.
Для цитирования: БальзанниковМ.И., ИвановБ.Г., МихасекА.А. Система управления состоянием гидротехнических сооружений // Вестник МГСУ 2012. № 7. С. 119—124.
M.I. Bal'zannikov, B.G. Ivanov, A.A. Mikhasek SYSTEM OF CONTROL OVER THE CONDITION OF HYDRAULIC ENGINEERING STRUCTURES
The problem of potential damage and destruction of constituent parts of hydraulic engineering structures, as well as deterioration of materials in the course of their continuous operation under the impact of natural and climatic factors is considered in the article. Practicability of development and implementation of the control system designated for the monitoring of the condition of hydraulic engineering structures and aimed at prevention of their destruction is under discussion. The authors insist that the safe operation of a hydraulic engineering structure, minimization of its maintenance costs and its negative impact on the environment depend on the step-by-step implementation of the aforementioned system.
Control over a hydraulic engineering facility should be based on advanced information systems capable of monitoring the structure condition in the non-stop mode. The systems should be efficient, reliable, cost-effective, computer-controlled, mobile and intelligent. Concepts of the two types of monitoring systems, an indicative and a representative one, are described in the article. Key words: hydraulic structure, structure operation, monitoring.
References
1. Bal'zannikov M.I. 50 let kafedre prirodookhrannogo i gidrotekhnicheskogo stroitel'stva Samarskoy gosudarstvennoy arkhitekturno-stroitel'noy akademii [50th Anniversary of Department of Environmental Protection and Hydraulic Engineering, Samara State Academy of Architecture and Civil Engineering]. Gidrotekhnicheskoe stroitelstvo [Hydraulic Egnieering]. 2003, no. 2, pp. 55—57.
2. Shabanov V.A., Osipov S.V., Bal'zannikov M.I. Puti povysheniya effektivnosti i nadezhnosti gravitacionnykh plotin iz malocementnogo betona [Methods of Improving the Efficiency and Reliability of Gravity Dams Made of Low Cement Concrete]. Gidrotekhnicheskoe stroitelstvo [Hydraulic Engineering]. 2001, no. 12, pp. 2—7.
3. Bal'zannikov M.I., Rodionov M.V., Seliverstov V.A. Povyshenie ekologicheskoy bezopasnosti ekspluatiruemykh gruntovykh gidrotekhnicheskikh sooruzhenii [Improvement of Environmental Safety of Earth Hydraulic Structures in Operation], Vestnik SGASU. Gradostroitelstvo i arkhitektura [Proceedings of SGASU. Urban Construction and Architecture]. 2011, no. 1, pp. 100—105.
4. Bal'zannikov M.I., Lukenyuk E.V., Lukenyuk A.I. Ekologicheskaya sistema sbora informatsii o sostoyanii regiona [Ecological System of Collection of Data concerning the Condition of the Region]. RF Patent 70026. 2008, Bulletin no. 1.
About the authors: Bal'zannikov Mikhail Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Environmental Protection and Hydraulic Engineering Structures, Rector, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SSUACE), 194 Molodogvardeyskaya St., Samara, Russian Federation; +7 (846) 242-17-84; sgasu@sgasu.smr.ru;
Ivanov Boris Georgievich — Doctor of Technical Sciences, Associated Professor, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SSUACE), 194 Molodogvardeyskaya St., Samara, Russian Federation; +7 (846) 242-17-84; sgasu@sgasu.smr.ru;
Mikhasek Andrey Alexandrovich — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SSUACE), 194 Molodogvardeyskaya St., Samara, Russian Federation; +7 (846) 242-17-84; andremixas@mail.ru.
For citation: Bal'zannikov M.I., Ivanov B.G., Mikhasek A.A. Sistema upravleniya sostoyaniem gidrotekhnicheskikh sooruzheniy [System of Control over the Condition of Hydraulic Engineering Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 119—124.
