В ООО «Диаформ» разработана автоматизированная система (далее Система) оценки и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений.
Система представляет собой современный высокотехнологичный комплекс с интеллектуальной функцией анализа и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений (ЗиС), которая позволяет оперативно прогнозировать техническое состояние объектов и предупреждать о возможных негативных ситуациях, связанных с эскалацией нагрузок (деформаций) строительных конструкций вплоть до аварийного состояния и разрушений. В разработке автоматизированной системы использованы современные методы математического моделирования и искусственного интеллекта (в частности – аппарат искусственных нейронных сетей), математической статистики, информационных технологий и программирования.
1. Основные особенности работы автоматизированной системы
1.1. Общие сведения
Датчики Системы устанавливаются в специально вычисленных точках строительных конструкций на основании проведенных исследований и рассчитанных карт распределения эквивалентных напряжений, перемещений в несущих конструкциях (как правило, в металлоконструкциях) здания или сооружения при заданной схеме комбинации загружений. Установленные датчики фиксируют в реальном времени различные показатели, как-то: деформацию элементов строительных конструкций, перемещение, наклон, уровень вибрации, температуру и ряд других параметров. Также для более точного анализа вышеуказанных параметров строительных конструкций проводятся метеорологические измерения. Основным типом используемых датчиков является датчик деформации, который, в зависимости от вида материала поверхности установки – бетон, металл, дерево и прочее – подразделяется на подтипы. Кроме того, информация «снимается» с датчиков температуры, как правило, по одному на каждом объекте, и с датчиков других типов. Количество установленных датчиков деформации и места их установки на строительных конструкциях объектов мониторинга определяются по результатам обследования и выполнения расчёта напряжённо-деформированного состояния. В зависимости от «параметров» объекта мониторинга, возможных схем загружения, наличия выявленных дефектов и ряда других факторов число установленных датчиков деформации может колебаться от четырех до ста и более. В «рамках» единичного ЗиС функционирование каждого датчика никак не влияет на функционирование всех других датчиков, установленных на том же объекте мониторинга, а все измерения каждого датчика являются независимыми и выполняются с равной точностью. Данные с датчиков, установленных на строительных конструкциях, подключенных к Системе объекта мониторинга, выводятся в реальном времени на монитор автоматизированного рабочего места удаленного наблюдения ответственным операторам в диспетчерской. На основании получаемой информации диспетчеры принимают решения, связанные с недопущением развития неблагоприятных ситуаций на контролируемых Системой объектах мониторинга и принимают меры в соответствии с утвержденной Инструкцией.
Таблица 1. Пример таблицы схем нагружения
1.2. Характеристика процесса сбора исходных данных в Системе В местах установки датчики деформации фиксируют изменение длины элементов несущих конструкций (относительную деформацию в мкм/м) как отклонение от заданного «нулевого» (базового) уровня. По каждому объекту мониторинга такой «нулевой» (базовый) уровень рассчитан для нормативного напряжения в конструкции [Н/мм2] при первой схеме загружения (собственный вес несущих конструкций + вес ограждающих конструкций и конструкций покрытия). Пример такого расчета показан в таблице 1, где выделенное значение является значением нулевого уровня. Кроме того, на некоторых объектах мониторинга установленные датчики объединены в отдельные группы, для каждой из которых произведен отдельный расчет схем загружения и границы зон индикации для Системы, пример которых приведен ниже. В ходе мониторинга Система постоянно контролирует показания датчиков деформации относительно рассчитанных для Системы границ состояний (в Системе они называются «зоны индикации») и сигнализирует оператору о том, в каком состоянии находятся строительные конструкции. Основных состояний – три (таблица 2): {«НОРМА», «ВНИМАНИЕ», «ТРЕВОГА (УГРОЗА)»}. Система настроена таким образом, что основной процесс поступления исходных данных с датчиков всех типов происходит следующим образом. а) Непосредственная фиксация единичного измерения одним датчиком происходит в настоящий момент один раз в две минуты (частота опроса датчиков при использовании соответствующего программно-аппаратного решения может достигать 100 кГц). б) Как указывалось выше, все датчики деформации в местах установки фиксируют изменение длины элемента несущих конструкций в [мкм/м] как отклонение от заданного «нулевого» (базового) уровня, который рассчитан для нормативного напряжения в конструкции (Н/мм2) при схеме загружения №1 для соответствующего объекта мониторинга. в) Полученные данные накапливаются в устройстве сбора и обработки данных типа CR1000 (так называемый даталоггер (datalogger) производства компании Campbell Scientific, США) в течение установленного времени сбора данных, после чего среднее значение отклонения от нулевого уровня (изменение деформации) за прошедший временной период (час или тридцать минут) отправляется на основной сервер Системы (временной период усреднения является настраиваемым значением, также можно передавать полный объем данных без усреднения). г) Фиксация показаний датчиков за прошедший период времени (например, один час либо тридцать минут) со всех датчиков всех объектов происходит в начале каждого часа (или получаса). д) Непосредственно полные ряды данных одного здания или сооружения фиксируются Системой в специальном первичном файле данных, начиная с временной отметки «01:00:00» (либо 00:30:00) и до временной отметки «00:00:00» с датой следующего дня. Так происходит потому, что в начале каждого нового дня (временная отметка «00:00:00») осуществляется запись показаний за последний час (или тридцать минут) предыдущего дня. е) Последовательности фиксируемых во времени показаний датчиков формируют уникальные временные ряды исходных данных. На основании поступивших данных Система далее осуществляет проверку на предмет выхода за установленные для датчиков границы состояний (в Системе – зоны индикации) строительных конструкций.
Таблица 2. Пример задания границ областей (зон индикации) состояний
2. Функциональность и архитектура программного обеспечения Программный комплекс, функционирующий в архитектуре «клиент-сервер» и реализующий необходимое математическое и алгоритмическое обеспечение прогнозирования для ЗиС, подключенных к Системе.
2.1. Общие сведения о функциональности
Программное обеспечение Системы в режиме «мягкого» реального времени для всех ЗиС анализирует временные ряды показаний со всех установленных датчиков, прогнозирует их показания и динамику состояний самих объектов мониторинга. Основная функциональность программного обеспечения Системы заключается в следующем:
а) осуществляется решение следующей последовательности задач:
• Задача №1 – краткосрочное прогнозирование показаний всех установленных и работоспособных датчиков на заданный период упреждения с заданным шагом,
• Задача №2 – краткосрочное прогнозирование состояний объектов мониторинга на базе полученных прогнозных значений установленных на них датчиков;
б) используются актуальные исходные первичные данные (из Системы) и существует возможность работать с различными множествами наборов границ зон состояний одновременно;
в) управление сбором и долговременным хранением всей информации, необходимой для эффективной работы Системы;
г) пользователю Системы предоставляется понятный графический интерфейс;
д) подготовка и представление пользователю Системы итоговых данных в числовой и графической форме как по результатам прогнозирования, так и по информации, имеющей служебный характер;
е) осуществляется сетевое взаимодействие с удаленной базой данных Системы и с другим внешним программным обеспечением как в среде исполнения, так и на стороне серверной подсистемы. Система осуществляет прогнозирование для каждого датчика каждого объекта мониторинга отдельно. Вследствие чего для всего множества ЗиС в целом Система разово решает задачу прогнозирования для более полутысячи временных рядов, что накладывает существенные требования к быстродействию применяемых методов. Учитывая также и то, что на объекты мониторинга могут оказывать и оказывают влияние различные внешние факторы, в первую очередь – погодные, установлены для методов прогнозирования следующие основные ограничения:
• время упреждения (временной горизонт прогнозирования) – 3 часа (может быть изменено в настройках системы);
• шаг прогноза – 1 час или 30 минут в зависимости от шага фиксации измерений соответствующим датчиком;
• для любого объекта мониторинга прогноз осуществляется на основании:
• показаний датчиков деформации и температуры (показания датчиков других типов пока не учитываются);
• заданных в Системе базовых уровней и границ состояний (зон индикации);
• прогнозируемые состояния объектов мониторинга соответствуют зонам индикации Системы, которые рассчитываются на этапе технического обследования. При необходимости Система может осуществлять прогнозирование показаний датчиков на достаточно длительный временной горизонт. Однако при этом точность прогнозирования для «дальних» временных отметок будет существенно ниже. В созданной Системе определение состояний объектов мониторинга осуществляется на основании результатов прогнозирования показаний его датчиков по следующему правилу:
• если для какой-либо точки упреждения прогнозное значение хотя бы одного из датчиков деформации будет в зоне другого более критичного состояния (относительного текущего), то в этом случае прогноз состояния ЗиС в целом для этой точки упреждения будет определен по самому «критическому» датчику;
• если для какой-либо точки упреждения прогнозные значения нескольких датчиков деформации будут в зонах различных состояний (например, и «ВНИМАНИЕ», и «УГРОЗА (ТРЕВОГА)»), то в этом случае прогноз состояния ЗиС в целом для этой точки упреждения выбирается как наиболее критический (то есть для примера – «УГРОЗА (ТРЕВОГА)»).
3. Клиентский модуль: функциональность и интерфейс
3.1. Общие сведения
Основные возможности Системы по решению задачи прогнозирования показаний датчиков и выполнению сервисных функций реализованы в функциональном клиентском модуле. Технически функциональный клиентский модуль выполнен в виде комплекса исполняемого программного приложения и нескольких библиотек динамической компоновки, реализующих отдельные служебные и интерфейсные функции. В свою очередь сама программа архитектурно включает в себя несколько модулей:
- модуль прогнозирования показаний датчиков и состояний объектов мониторинга; модуль служебных и сервисных методов;
- модуль отдельных элементов интерфейса пользователя.
Основные стадии работы функционального модуля после запуска могут варьироваться в зависимости от сохранённых пользовательских настроек (или настроек по умолчанию), тем не менее, наиболее характерную последовательность этапов функционирования модуля можно представить следующим образом:
• запуск клиентского модуля и загрузка его в оперативную память;
• установление связи с удаленной базой данных Системы через доступный интернет-канал;
• автоматическое получение данных об объектах мониторинга;
• автоматическое вычисление прогноза для датчиков по текущим данным для объектов (в соответствии с параметрами по умолчанию);
• автоматическое вычисление прогноза состояний объектов мониторинга;
• переход в режим готовности к взаимодействию с пользователем.
Перечисленные стадии являются наиболее общими для работы пользователя. В них, естественно, могут присутствовать отличия, например, если пользователь захочет внести изменения в настройки методов или Системы в целом.
3.2. Список экранов клиентского модуля
Основные функции Системы доступны пользователю посредством графического интерфейса и для его удобства распределены между отдельными экранами (рабочие области, информационные панели), которые реализованы в форме так называемых «вкладок». Список экранов клиентского модуля представлен в таблице.
Дополнительные сведения
а) Экраны интерфейса «Нормальные» и «Все объекты» имеют одинаковую структуру и предназначены для отображения всех либо отдельных подмножеств объектов мониторинга, разделяемых по прогнозу состояния объекта на ближайшую временную отметку упреждения, за исключением экрана «Все объекты», на котором для объектов указывается текущее, а не прогнозное состояние объекта.
б) Экран «Показания» (рисунок 1) является одним из основных рабочих экранов Системы, поскольку на нем уже отражаются результаты работы методов прогнозирования датчиков и комплексное состояние всего объекта мониторинга в целом. Переход на этот экран происходит путем выбора конкретного ЗиС из списка объектов на любом из следующих экранов: «Нормальные», «Опасные», «Критические» и «Все объекты». Он содержит следующие элементы интерфейса пользователя:
• информационная панель о текущем объекте мониторинга;
• список активных датчиков конкретного объекта мониторинга, где для каждого датчика показывается:
• вычисленное прогнозное значение через один час;
• прогнозное состояние датчика через час, определенное на основании вычисленного прогнозного значения и установленных границ зон индикации Системы.
в) Переход на экран «Графики» осуществляется с экрана «Показания». Здесь можно увидеть динамику изменения показаний конкретного датчика и вычисленные прогнозные значения на заданный период упреждения с заданным шагом. На графике реальные показания и прогнозные выделяются разным цветом, что позволяет пользователю легко ориентироваться, а массив вычисленных прогнозных значений, кроме того, можно сохранить в файл для дальнейший обработки. Как видно из рисунка 3, Система обладает возможностью масштабировать изображение по желанию пользователя до нужного ему значения с помощью «мышки».
г) Состояние объектов мониторинга определяется на основании установленных границ зон индикации в Системе. В случае появления прогноза, который говорит о возможном изменении состояния объекта на «ВНИМАНИЕ» или «УГРОЗА (ТРЕВОГА)», то есть если возникает, пусть даже отдаленная, опасность реализации фатального сценария (разрушение ЗиС и гибели находящихся в них людей) срабатывает индикация. Вследствие чего экраны «Критические» и «Опасные» имеют одинаковую структуру.
Таблица 3. Список экранов
Заключение
Разработанная автоматизированная система оценки и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений обладает следующими качественными характеристиками:
• в режиме «мягкого» реального времени решает всю последовательность основных задач: краткосрочное прогнозирование показаний датчиков, прогноз состояния объектов мониторинга;
• использует для прогнозирования такие возможности методов искусственного интеллекта, как аппарат искусственных нейронных сетей, который дает прогноз с высоким уровнем качества;
• прогноз показаний осуществляется независимо от типа исходных данных (деформация, наклон, температура и так далее)
• использует только актуальные исходные первичные данные мониторинга несущих строительных конструкций зданий и сооружений;
• предоставляет пользователю необходимые возможности для анализа поведения несущих конструкций контролируемых объектов мониторинга;
• предоставляет необходимые сведения экспертам при оценке соответствия объекта требованиям промышленной безопасности, а в последующем может стать основой риск-ориентированного подхода.
Рисунок 1. Пример рабочего экрана "Показания"
Рисунок 2. Пример рабочего экрана "График" (увеличенный масштаб)
Рисунок 3. Пример рабочего экрана "График" (увеличенный масштаб)
