автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования инженерного мониторинга эксплуатационных параметров сложных строительных сооружений

На правах рукописи

РГо ОД

КОЗЛОВ Владимир Иванович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ИНЖЕНЕРНОГО МОНИТОРИНГА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ СЛОЖНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

(на примере железобетонных автодорожных мостов)

Специальность 05. 13. 12. Системы автоматизации проектирования

(строительство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Научно-производственном центре «Мосты и водоотводы» при

Казанской государственной архитектурно-строительной академии

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гусаков А.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Синенко С.Л.

кандидат технических наук Коротин A.A.

Ведущая организация

Центральный научно-исследовательский и проектно-эксперимен гальный институт

организации, механизации и технической помощи строительству (АОЗТ ЦНИИОМТП)

Защита состоится

Ж

/о

2000 года в

JZ

часов на заседании

диссертационного совета Д 053.11.11 в Московском государственном строительном университете по адресу: Москва. Шлюзовая наб. д. 8, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан 2-0 сентября 2000 года

Учёный секретарь диссертационного совета Чулков В.О.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Системотехнические взаимосвязи проблем экологии и экономики на фоне постоянного усложнения инженерно-строительных объектов, сооружений и производственных технологий, а также необходимость их устойчивой эксплуатации требуют формирования нового взгляда на понятие мониторинга. Отработанные принципы организации и методы наблюденнй, используемые в экологическом мониторинге, должны быть применены к строительным сооружениям как к объектам наблюдения, поскольку техногенные воздействия оказывают разрушающее влияние не только на природную среду, но и на инженерные объекты Таким образом, возникает потребность в новом виде деятельности, который можно определить как инженерный мониторинг.

Разработка и организация систем инженерного мониторинга в строительстве актуальна, в первую очередь, для сложных строительных сооружений. Практика показывает, что устойчивое функционирование сооружений с большим числом индивидуальных и уникальных характеристик во многом определяется текущим наблюдением и контролем их параметров на стадии эксплуатации. Проведение инженерного мониторинга состояния сложных объектов позволит избежать многих неблагоприятных воздействий на них и непредсказуемых, часто аварийных, последствий.

Стохастический характер и неопределенность стадий жизненного цикла, свойственные сложным системам, какими являются строительные сооружения, в наибольшей степени проявляются на стадия их эксплуатации. При этом в течение цикла эксплуатации сооружения подвергаются усиливающимся воздействиям внешней среды, также имеющим вероятностный характер. Типичными представителями сложных строительных сооружений являются уникальные мостовые сооружения -внеклассные железобетонные автодорожные мосты Соблюдение имеющихся норм при эксплуатации таких мостов не является гарантией устойчивой реализации расчетного эксплуатационного цикла моста. В сложной системе внеклассного железобетонного автодорожного мостового

сооружения невозможно предусмотреть и регламентировать все эксплуатационные параметры, нагрузки и ситуации. Кроме того, в течение длительного периода эксплуатации мостов изменяются нормы и методы оценки их состояния.

Обеспечение устойчивой эксплуатации сложных строительных сооружений, таких как железобетонные автодорожные мосты, требует постоянного наблюдения за проявлением дефектов и деформаций элементов моста, а также прогнозирования последствий подобных изменений. Инструментом текущего наблюдения и контроля отклонений эксплуатационных параметров может стать инженерный мониторинг. Разработка системы инженерного мониторинга объекта требует обоснования методического, технического и программного обеспечения, что наиболее эффективно может быть выполнено в среде САПР. Поэтому актуальность выбора темы диссертации и направления исследования продиктованы практической необходимостью своевременного решения имеющихся проблем в области эксплуатации сложных строительных сооружений, что может быть сделано на примере железобетонных автодорожных мостовых сооружений.

Цель исследования: создание в интегрированной информационной среде САПР инженерного мониторинга как инструмента обеспечения устойчивой эксплуатации сложных строительных сооружений.

Достижение цели предопределило постановку и решение следующих задач:

• Анализ практического опыта текущих наблюдений и контроля над эксплуатационным циклом сложных строительных сооружений;

• Теоретическое обоснование научной базы исследования;

• Разработка общей методологической схемы исследования;

• Формулировка концепции высокотехнологичного инженерного мониторинга эксплуатационных параметров сложных строительных сооружений;

• Разработка структуры САПР инженерного мониторинга, выбор инструментальных средств, математических методов и программного

обеспечения, адекватно отражающих специфику сложных строительных сооружений;

• Оптимизация разработанной системы при эксплуатации автодорожных мостов через реку Волга у г. Казани и реку Вятка на автодороге Казань -Набережные Челны;

• Обоснование эффективности применения мониторинга эксплуатационного цикла автодорожных мостовых сооружений

Объект исследования: внеклассные железобетонные автодорожные мостовые сооружения, при эксплуатации которых в наибольшей степени проявляются специфические особенности и характерные проблемы сложных строительных сооружений.

Предмет исследования1 инженерный мониторинг эксплуатационного цикла сложных строительных сооружений как процесса взаимодействия подсистем объекта между собой и агрессивно-динамического воздействия внешней среды на сооружение.

Теоретическая и методологическая база исследования: системный подход, системотехника строительства, теория устойчивости систем, теория информации, вероятностно-статистический подход, моделирование, целевое программирование, методы решения многокритериальных задач, экспертные методы анализа информации и принятия решений, имитационно-интерактивные модели, инструментально-из мерительные методы космической геодезии. В расчетах широко применялась компьютерная техника.

Научная новизна исследования:

• Выявлена необходимость нового подхода к понятию «мониторинг», сформулнрована концепция инженерного мониторинга сложных строительных сооружений;

• предложено использование системного подхода к анализу эксплуатационного цикла сложного строительного сооружения как процесса динамического взаимодействия технического объекта и природной среды;

• разработана открытая модель системы инженерного мониторинга, основанная на модульном принципе взаимодействия подсистем в интегрированной информационной среде САПР;

• предложен алгоритм многокритериальной оценки устойчивости эксплуатационного состояния сложного строительного сооружения;

• адаптирован новый метод инструментальных наблюдений за эксплуатационным состоянием внеклассных железобетонных автодорожных мостов с применением в среде САПР космической геодезии.

На защиту выносятся:

• концепция инженерного мониторинга сложных строительных сооружений как инструмента обеспечения устойчивости эксплуатационного цикла сложного строительного сооружения в процессе динамического взаимодействия технического объекта и природной среды;

• открытая модель автоматизированного проектирования инженерного мониторинга, основанная на модульном принципе взаимодействия подсистем в интегрированной информационной среде САПР;

• алгоритм многокритериальной оценки устойчивости эксплуатационного состояния сложного строительного сооружения;

• новый метод инструментальных наблюдений за эксплуатационным состоянием внеклассных железобетонных автодорожных мостов с применением космической геодезии.

Практическая значимость результатов исследования состоит в использовании их при эксплуатации железобетонных автодорожных мостовых сооружений. Методический подход, разработанный в диссертации, может быть использован при автоматизированном проектировании систем инженерного мониторинга сложных строительных сооружений и систем комплексного мониторинга территории или региона.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались на секции "Строительство" Российской Инженерной Академии, на научно-практических конференциях Казанской государственной архитектурно-строительной академии, на

совещаниях в Государственной дорожной службе республики Татарстан и в Научно-производственном центре "Мосты и водоотводы''.

Публикации по теме диссертации: опубликовано 12 печатных работ, в том числе получены 1 патент и 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, выводов и предложений, списка библиографии. включающей 125 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной проблематики диссертационной работы в области мониторинга эксплуатационных параметров сложных строительных сооружений.

В первой главе проведен анализ состояния и перспектив развития мониторинга, рассмотрены возникновение и развитие мониторинга, необходимость инженерного мониторинга технических объектов в условиях агрессивно-динамических воздействий внешней среды, взаимосвязь инженерного мониторинга и устойчивой эксплуатации сложных строительных сооружений.

Определены цель, задачи и актуальность исследования. Установлено, что закономерности порождаемых свойств сложных систем в условиях объективной неопределенности их функционирования могут быть выявлены на основе постоянных наблюдений за функционированием сложной системы и статистического анализа всей доступной информации о них.

Значительное количество исследований и практических разработок в области экологического мониторинга в последние годы вызвано постоянно возрастающей актуальностью экологических проблем. Различия функций, целей, задач и объектов наблюдения систем экологического мониторинга определяются многообразием и сложностью проблем. главным инструментом решения которых является мониторинг. Дальнейшие исследования мониторинга в направлении инженерных систем необходимы в силу очевидной неотвратимости техногенных изменений природной сферы.

Устойчивая эксплуатация сложных строительных сооружений в условиях усиливающихся воздействий внутренних и внешних

дестабилизирующих организационных, технологических и экологических воздействий, ограничений и связей может быть обеспечена постоянными комплексными наблюдениями за сооружением как системой в течение всего эксплуатационного цикла. Инженерный мониторинг эксплуатационных качеств обеспечивает оценку устойчивости текущего состояния сооружения, прогнозирования последствий и предупреждения предельного или аварийного его состояния.

Создание системы эффективного инженерного мониторинга сложных строительных сооружений, таких как железобетонные автодорожные мосты, требует разработки математических моделей и функционального программного обеспечения, реализующих методологию системного подхода, а также инструментальных средств и методов, основанных на современных технологиях получения и обработки информации. Наиболее эффективно это можно осуществить в среде САПР.

Во второй главе рассмотрены теоретические и методологические основы исследования, в качестве которых приняты системный подход и анализ сложных строительных объектов, системотехника строительства, принципы устойчивости систем применительно к эксплуатационному циклу строительных сооружений, моделирующий подход, современные технологии получения и обработки информации в системах экологического и инженерного мониторинга.

Применение отобранных методологических основ исследования позволило в среде САПР проводить проектирование инженерного мониторинга для надежной эксплуатации и поддержания устойчивости эксплуатационного цикла сложного строительного сооружения. Методология исследования представлена в виде логической блок-схемы на рис. 1.

На первом этапе для принятого объекта исследований осуществлен анализ практического опыта текущих наблюдений и контроля над эксплуатационным циклом железобетонных автодорожных мостовых сооружений. В процессе анализа проблема разработки высокотехнологичного мониторинга сложных строительных сооружений определилась как тема исследования. Были конкретизированы предмет исследований и цель работы.

Анализ практики

текущих наблюдений и контроля над эксплуатационным циклом сложных строительных сооружений_

I

Тема исследования:

автоматизация проектирования инженерного мониторинга эксплуатационных параметров сложньр^роительных сооружений____

3 | Цель работы:_______

создание в интегрированной информационной среде САПР инженерного мониторинга как инструмента обеспечения устойчивой эксплуатации сложных строительных сооружений

Задачи:

-си

Объект:

внеклассные железобетонные автодорожные мосты

_5 I Предмет:

инженерный мониторинг эксплуатационного цикла сложного строительного сооружения__

анализ практического опыта; обоснование научной базы исследования; разработка методологической схемы исследования;

формулировка концепции инженерного мониторинга;

разработка структуры САПР; оптимизация системы при эксплуатации мостов через реку Волга и реку Вятка; обоснование эффективности мониторинга

| Методо.Ю! ические основы:

Результаты:

КТЦ^НС

системотехника строительства; теория устойчивости систем,

моделирование, экспертные методы анализа имитационно-интерактивные модели; методы космической геодезии _

8

новый подход к понятию «мониторинг», концепция инженерного мониторинга; системный подход к эксплуатационному циклу;

открытая модель инженерного мониторинга в среде САПР,

алгоритм многокритериальной оценки устойчивости;

адаптированный метод космической геодезии.

Специфики строительных соортаений и автодорожных мостов:

возможностей системного подхода в изучении сложных динамических систем; понятия устойчивости систем: возможностей высокотехнологичных систем получения и обработки информации:

Экспериментальная проверка результатов

Инженерного мониторинга эксплуатации мостов через р. Волга у г. Казани и р. Вятка на автодороге Казань - Набережные Челны

II

Внедрение и практическое и спо.п. зон аипе результатов

САПР комплексного мониторинга природно-технической среды

Рис. 1. Логическая блок-схема исследования

На следующем этапе были определены задачи, требующие решения для достижения поставленной цели. Разработаны методологические основы решения задач и исследования в целом, общей теоретической базой которых являются системный подход, моделирование, экспертные методы анализа информации и принятия решений. На данной основе проведены исследования:

• состояния, проблем и практического опыта текущих наблюдений и контроля над эксплуатационным циклом сложных строительных сооружений;

• специфики сложных строительных сооружений и железобетонных автодорожных мостов;

• возможностей системного подхода и моделирования в изучении сложных динамических систем;

• понятия устойчивости систем применительно к эксплуатационному циклу строительного сооружения,

• возможностей использования современных высокотехнологичных систем получения и обработки информации для решения задач данной работы;

Разработанная в результате исследований открытая модель инженерного мониторинга, основанная на модульном принципе взаимодействия подсистем в интегрированной информационной среде САПР, была экспериментально проверена в процессе эксплуатации автодорожных мостов через реку Волга у г. Казани и через реку Вятка на автодороге Казань - Набережные Челны. На этапе экспериментальной проверки проведена отработка и оптимизация системы инженерного мои иторинга.

Анализ результатов экспериментальной проверки позволил сформулировать предложения по внедрению и дальнейшему практическому использованию разработанной системы, что является заключительным этапом исследований. Исследовательская работа основана на большом практическом опыте автора, его инженерных разработках и публикациях, посвященных различным аспектам предмета и объекта исследований, а также на анализе научных трудов отечественных и зарубежных авторов по

рассматриваемой проблеме, представленных в списке использованной литературы.

Третья глава посвящена разработке системы инженерного мониторинга в среде САПР для железобетонных автодорожных мостов. Для этого разработана модульная структура САПР инженерного мониторинга и проблемно-ориентированного программного обеспечения, дано решение информационно-измерительных задач в модуле наблюдения, предложены математическая интерпретация параметров системы в вычислительном модуле и технология анализа информации и выработки решений в экспертном модуле.

Функционирование системы инженерного мониторинга обеспечивается разработанным пакетом проблемно-ориентированных программ, общая структура которого имеет модульный принцип Модель структуры САПР и проблемно-ориентированного программного обеспечения инженерного мониторинга является открытой системой, состоящей из четырёх подсистем: наблюдения, вычислений, экспертной и управляющей (рис.2). В модели формализованные вычисления сочетаются с использованием экспертных методов обработки знаний, оценок и принятия решений (рис.3) Проблемная ориентация системы мониторинга осуществляется путём дополнения модулями базы знаний системы мониторинга.

Текущее эксплуатационное состояние мостового сооружения представляется в виде информационной модели, включающей в себя полное множество существенных параметров состояния, необходимых для решения задач распознавания и классификации. Анализ многопараметрических информационных потоков проводится с использованием соответствующих их природе математических моделей и методов. В составе инженерного мониторинга характер воздействий внешней среды на объект и оценка возможности устойчивой эксплуатации сооружения в моделируемых экспертом внешних условиях определяются математическими методами целевого программирования с использованием интерактивно-экспертных процедур.

подсистема подсистема экспертная подсистема

наблюдения вычислении подсистема управляющих

воздействий

Рис. 2 Структура САПР инженерного мониторинга

блок информационной поддержки решений

информационная модель эксплуатационного состояния объекта

база данных инженерного мониторинга

база математических моделей

эксплуатационных состояний объекта

база знаний

информационные ресурсы других баз данных и знаний

блок принятия _решений

языковой процессор

процессор проблем

итерации (имитационное моделирование эксплуатационных условий)

дополнение, корректировка, обновление информации

эксперт

интерфейс

моделирования.

обработки и

отображения

информации

экспертная система

I

блок реализации _решений___

оценка

эксплуатационного состояния объекта

прогноз динамики

эксплуатационного

цикла

выработка

стабилизирующих

воздействий

выработка

управляющих

рекомендаций

управляющая система оолее высокого уровня; комплексный мониторинг природно-тсхнической среды

Рис. 3. Структура экспертной подсистемы САПР инженерного мониторинга

В условиях рассредоточенности значимой информации по многим базам данных и знаний, большого объёма не формализуемой исходной информации, значительной неопределённости реализации

эксплуатационного цикла, отсутствия аналогов сложного сооружения осуществляется экспертная обработка информационных ресурсов. В экспертном модуле инженерного мониторинга поддерживается смешанная продукционная модель представления знаний: как информации экспертного типа от специалистов из различных документальных источников и нормативов, так и база знаний, формирующаяся по обучающей выборке эвристических правил и предписаний. Экспертные знания структурируются как методом опроса специалистов, так и методом индуктивного обучения искусственной экспертной системы.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена практическому использованию результатов исследований и определению их эффективности. На основе сопоставления традиционного и мониторингового подходов к организации эксплуатационного цикла мостов показана технико-экономическая эффективность инженерного мониторинга и полученных результатов исследования. Их экспериментальная проверка проведена автором в Научно-производственном Центре «Мосты и водоотводы» при Казанской Государственной Архитектурно-Строительной Академии в течение длительного периода времени (более 15 лет) инженерного мониторинга мостов через реки Волга и Вятка у города Казани.

Разработанная практическая методика инженерного мониторинга внеклассных мостов представляет собой открытую систему в среде САПР и может наращиваться новыми программными продуктами по мере возникновения новых практических задач, а также адаптироваться для мониторинга других строительных сооружений.

Общие выводы

1. Проведенный анализ состояния эксплуатационных параметров сложных строительных сооружений на примере объектов - представителей (внеклассных железобетонных автодорожных мостов) в условиях постоянного воздействия экологических и техногенных факторов показал.

что необходим системный контроль за функционированием объектов для выявления и своевременного предупреждения их деформаций и изменений эксплуатационных параметров. Анализ данных обследований показал, например, что своевременный учёт диагностической информации позволяет более чем на 40-50% уменьшить неблагоприятные воздействия на мостовые сооружения. Установлено, что диагностические наблюдения наиболее целесообразно вести методами инженерного мониторинга, который возможно проектировать как организационно-техническую систему в современной информационной среде САПР. Предложена обобщенная функциональная последовательность инженерного мониторинга эксплуатационных параметров сложных строительных сооружений. 2. Рассмотрены железобетонные внеклассные мосты как объекты -представители сложных строительных сооружений для исследования проблем эксплуатации в условиях агрессивно-динамических воздействий внешней Среды. Выявлено, что таким мостам и мостовым переходам присущи основные специфические особенности сложных строительных сооружений.

3 Разработаны теоретические и методологические основы инженерного мониторинга, включающие системный подход к анализу сложных строительных сооружений, принципы устойчивости систем применительно к эксплуатационному циклу строительных сооружений, моделирующий подход и современные технологии получения и обработки информации в системах наблюдений и их анализа. Для проведения исследований сформирована методологическая схема.

4. Исследование и обработка информации инженерного мониторинга железобетонных автомобильных мостов проводилась в среде САПР, для чего разработана укрупненная структура САПР и состав проблемно-ориентированного программного обеспечения, включающего подсистемы: наблюдений, вычислений, экспертную и управляющих воздействий. Все подсистемы являются открытыми и могут дополняться новыми программными продуктами, а проблемная ориентация осуществляется путем дополнения системы модулями в виде компонентов базы знаний системы мониторинга.

5. Предложена концептуальная модель интегрированной подсистемы наблюдений, которая обеспечивает единую информационно-измерительную среду инженерного мониторинга, основанную на информационной совместимости всех задач получения, обработки и использования данных. Это предопределяет высокую эффективность выполнения инженерного мониторинга.

6. Предложена математическая интерпретация вычислительного модуля инженерного мониторинга, основанная на подходе к решенню многокритериальных задач, при котором отсутствуют ограничения на вид функций параметров информационной модели объекта (могут быть дискретными) и область (может быть несвязной). Предлагаемая математическая модель в составе системы инженерного мониторинга автодорожных мостов позволяет установить характер воздействий внешней Среды на объект и оценить возможность устойчивой эксплуатации мостового сооружения в моделируемых экспертом внешних условиях.

7. Разработана технология анализа информации и выработки решений в экспертном модуле. Предложена структура этого модуля, включающая три блока (информационной поддержки, принятия и реализации решений) и позволяющая в среде САПР с помощью экспертных систем и экспертов-профессионалов оценивать состояние объектов, прогнозировать динамику эксплуатационного цикла, вырабатывать стабилизирующие и управляющие решения. Решения могут приниматься в автоматическом режиме при условии полноты и непротиворечивости правил и в интерактивно-диалоговом режиме в условиях неопределенности системы правил и необходимости логико-семантического анализа информации экспертами.

8. Проведена на протяжении более 15 лет экспериментальная проверка статистических и аналитических наблюдений дестабилизирующих воздействий в течение цикла эксплуатации внеклассных железобетонных автодорожных мостовых сооружений, на базе которых проходило внедрение результатов диссертационных исследований.

Наиболее представительными объектами внедрения результатов исследований были автодорожные железобетонные мосты через реку Волга у г. Казани и через реку Вятка на автодороге Набережные Челны. На примере этих сооружений были экспериментально проверены результаты

исследований, в частности два возможных подхода к организации эксплуатационного цикла внеклассных мостовых сооружений (традиционный подход и под контролем инженерного мониторинга). Инженерный мониторинг позволяет ограничиваться предупредительными ремонтами и эксплуатировать мосты длительный период времени без капитальных ремонтов и остановки движения по мосту, что дает очевидный экономический эффект. Эксплуатационное состояние мостов проверялось с помощью разработанной модели изменения во времени геометрических параметров конструкций в процессе эксплуатации или испытательной нагрузки. Графики деформаций от нагрузки и их теоретические значения оказались близкими, что подтвердило адекватность предложений методики обработки данных.

Опубликованные работы, патенты и авторские свидетельства автора по теме диссертации

1. Козлов В.И. Методологические основы мониторинга деформаций строительных сооружений. Научно-технический сборник Центра образования, науки и культуры ГАНГ им. И.М. Губкина. -М.: "Блок", 1997. - С. 22-23.

2. Самитов P.A.. Козлов В.И. Системотехнический мониторинг деформаций строительных сооружений в составе расчетно-конструктивной подсистемы САПР (на примере автодорожных мостов). Сборник науч. и педагог, тр. кафедры САПР МГСУ. - М.: МГСУ. - 2000. - С. 87-89.

3. Самитов P.A.. Козлов В.И. САПР мониторинга деформаций автодорожных мостов. Сборник науч. тр. кафедры САПР МГСУ. Изд. 2-е.-М.: Фонд "Новое тысячелетие". 2000. - С. 149-151.

4. Самитов P.A.. Козлов В.И. Мониторинг деформаций автодорожных мостов. Научно-технический сборник Центра образования, науки и культуры ГАНГ им. И.М. Губкина. -М.: "Блок", 1997. - С. 22-23.

5. Козлов В.И., Еремеев В.П. Мост на плитных опорах. Сельское строительство, 1985, №9.

6. Козлов В.И., Еремеев В.П. Ремонт устоя моста. Автомобильные дороги, 1986, №8.

7. Козлов В.И.. Самитов P.A. Оползнеустойчивое водопропускное сооружение. Татарский центр научно-технической информации. Казань, 1994.

8. Козлов В.И., Самитов P.A. Противозаиливающаяся конструкция для водопропускных труб транспортных сооружений. Татарский центр научно-технической информации. Казань, 1994.

9 Козлов В.И., Самитов P.A. Усиленный балочный мост. Патент №1717693 от 28.12. 1992.

10. Козлов В.И., Еремеев В.П. Ограждение проезжей части моста. Авторское свидетельство №1451203 от 15.09.1988.

11. Козлов В.И., Красных В.А. Мост. Авторское свидетельство №1470841 от 08.12.1988.

12. Козлов В.И., Еремеев В.П. Усиленная железобетонная балка моста. Авторское свидетельство Xsl595990 от 01.06.1990.

Введение.

Глава 1. Анализ состояния и перспектив мониторинга сложных строительных сооружений.

1.1 Возникновение и развитие понятия мониторинга.

1.2 Необходимость инженерного мониторинга технических объектов в условиях агрессивно-динамических воздействий внешней среды.

1.3 Взаимосвязь инженерного мониторинга и устойчивой эксплуатации сложных строительных сооружений.

1.4 Железобетонные автодорожные мосты как объекты-представители для исследования проблем эксплуатации объекта в условиях агрессивно-динамических воздействий внешней среды.

1.5 Выводы. Цель, задачи, актуальность диссертации.

Глава 2. Разработка теоретических основ инженерного мониторинга.

2.1 Системный подход к анализу сложных строительных объектов.

2.2 Понятие устойчивости систем применительно к эксплуатационному циклу строительного сооружения.

2.3 Моделирующий подход в изучении сложных строительных систем.

2.4 Применение современных технологий получения и обработки информации в системах инженерного мониторинга.

2.5 Выводы. Методологическая схема исследования

Глава 3. Исследование и разработка системы инженерного мониторинга железобетонных автодорожных мостов.

3.1 Разработка структуры САПР и проблемно-ориентированного программного обеспечения.

3.2 Решение информационно-измерительных задач в модуле наблюдения.

3.3 Математическая интерпретация параметров системы в вычислительном модуле.

3.4 Технология анализа информации и выработки решений в экспертном модуле.

3.5 Выводы.

Глава 4. Внедрение и эффективность результатов исследования при эксплуатации железобетонных автодорожных мостов.

4.1 Обоснование эффективности применения системы инженерного мониторинга.

4.2 Результаты внедрения системы инженерного мониторинга при организации эксплуатации внеклассного моста через реку Вятка на автодороге Казань - Набережные Челны.

4.3 Выводы.

Процесс постоянного усложнения строительных сооружений на фоне неизбежного усложнения проблем экологии приводит к такому состоянию природно-технический системы, в котором техногенные воздействия оказывают разрушающее влияние не только на природную среду, но и на инженерные сооружения. На крупных объектах в последние годы наблюдается множество предельных и аварийных ситуаций, обусловленных развитием неблагоприятных экологических процессов.

Проблемы общей экологической обстановки оказывают растущее дестабилизирующее влияние также на наиболее сложные и уникальные мостовые сооружения - внеклассные мосты. Загрязнение рек, воздушной среды, широкое применение химически активных веществ приводят к изменению несущих свойств грунтов в основаниях опор, а также преждевременному разрушению покрытий и конструкций мостов.

Практика показывает, что при правильной постановке системы текущих наблюдений и контроля подсистем на стадии эксплуатации сооружений с большим числом индивидуальных и уникальных характеристик, подобных ситуаций можно было бы избежать. Различные системы наблюдения за статическими и динамическими характеристиками строительных сооружений в строительстве существуют очень давно. Однако применение современных высокоточных инструментальных технологий в условиях интегрированной компьютерной информационной среды позволяют ставить и решать гораздо более сложные задачи безаварийной эксплуатации сложных строительных объектов на уровне комплексного мониторинга их эксплуатационного цикла. 5

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ состояния эксплуатационных параметров сложных строительных сооружений на примере объектов - представителей (внеклассных железобетонных автодорожных мостов) в условиях постоянного воздействия экологических и техногенных факторов показал, что необходим системный контроль за функционированием объектов для выявления и своевременного предупреждения их деформаций и изменений эксплуатационных параметров. Анализ данных обследований показал, например, что своевременный учёт диагностической информации позволяет более чем на 40-50% уменьшить неблагоприятные воздействия на мостовые сооружения. Установлено, что диагностические наблюдения наиболее целесообразно вести методами инженерного мониторинга, который возможно проектировать как организационно-техническую систему в современной информационной среде САПР. Предложена обобщенная функциональная последовательность инженерного мониторинга эксплуатационных параметров сложных строительных сооружений.

2. Рассмотрены железобетонные внеклассные мосты как объекты - представители сложных строительных сооружений для исследования проблем эксплуатации в условиях агрессивно-динамических воздействий внешней Среды. Выявлено, что таким мостам и мостовым переходам присущи основные специфические особенности сложных строительных сооружений.

3. Разработаны теоретические и методологические основы инженерного мониторинга, включающие системный подход к анализу сложных строительных сооружений, устойчивость систем применительно к эксплуатационному циклу строительных сооружений, моделирующий подход и современные технологии получения и обработки информации в системах наблюдений и их

138 анализа. Для проведения исследований сформирована методологическая схема.

4. Исследование и обработка информации инженерного мониторинга железобетонных автомобильных мостов проводилась в среде САПР, для чего разработана укрупненная структура САПР и состав проблемно-ориентированного программного обеспечения, включающего подсистемы: наблюдений, вычислений, экспертная подсистема и подсистема управляющих воздействий. Все подсистемы являются открытыми и могут дополняться новыми программными продуктами, а проблемная ориентация осуществляется путем дополнения системы модулями в виде компонентов базы знаний системы мониторинга.

5. Предложена концептуальная модель интегрированной подсистемы наблюдений, которая обеспечивает единую информационно-измерительную среду инженерного мониторинга, основанную на информационной совместимости всех задач получения, обработки и использования данных. Это предопределяет высокую эффективность выполнения инженерного мониторинга.

6. Предложена математическая интерпретация вычислительного модуля инженерного мониторинга, основанная на подходе к решению многокритериальных задач, при котором отсутствуют ограничения на вид функций параметров информационной модели объекта (могут быть дискретными) и область (может быть несвязной). Предлагаемая математическая модель в составе системы инженерного мониторинга автодорожных мостов позволяет установить характер воздействий внешней Среды на объект и оценить возможность устойчивой эксплуатации мостового сооружения в моделируемых экспертом внешних условиях.

7. Разработана технология анализа информации и выработки решений в экспертном модуле. Предложена структура этого модуля, включающая три блока (информационной поддержки, принятия и реализации решений) и позволяющая в среде САПР с помощью экспертных систем и экспертов-профессионалов

139 оценивать состояние объектов, прогнозировать динамику эксплуатационного цикла, вырабатывать стабилизирующие и управляющие решения. Решения могут приниматься в автоматическом режиме при условии полноты и непротиворечивости правил и в интерактивно-диалоговом режиме в условиях неопределенности системы правил и необходимости логико-семантического анализа информации экспертами.

8. Проведена на протяжении более 15 лет экспериментальная проверка статистических и аналитических наблюдений дестабилизирующих воздействий в течение цикла эксплуатации внеклассных железобетонных автодорожных мостовых сооружений, на базе которых проходило внедрение результатов диссертационных исследований.

Наиболее представительными объектами внедрения результатов исследований были автодорожные железобетонные мосты через реку Волга у г. Казани (протяженностью 1037м), через реку Вятка на автодороге Набережные Челны и мост в г. Казани через р. Казанка на 3-ей транспортной дамбе. На примере этих сооружений были экспериментально проверены результаты исследований, в частности два возможных подхода к организации эксплуатационного цикла внеклассных мостовых сооружений (традиционный подход и под контролем инженерного мониторинга). Инженерный мониторинг позволяет ограничиваться предупредительными ремонтами и эксплуатировать мосты длительный период времени без капитальных ремонтов и остановки движения по мосту, что дает очевидный экономический эффект. Эксплуатационное состояние мостов проверялась с помощью разработанной модели изменения во времени геометрических параметров конструкций в процессе эксплуатации или испытательной нагрузки. Графики деформаций от нагрузки и их теоретические значения оказались близкими, что подтвердило адекватность предложений методики обработки данных.

1. Алексеев О.В., Викторов А.Д., Кутузов В.М. Проблемы и пути создания системы мониторинга окружающей среды // Мониторинг, 1995, №1.

2. Анохин ПК. Принципиальные вопросы общей теории функциональных систем. М., АН СССР, 1971. Базилевич Л.А. Модели и методы рационализации и проектирования организационных структур управления. Л., ЛФЭИ, 1991.

3. Борисов А.Н., Алексеев A.B., Г.В. Меркурьева и др. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений. М., Радио и связь, 1989.

4. Булгаков С.Н. Технологичность железобетонных конструкций. М., ВЗМИ, 1980.

5. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М., «Наука», 1978.

6. Васильев А.П. Ремонт и содержание искусственных сооружений. М., ГипродорНИИ, 1985.

7. Вернер Б., Питер М. Руководство по оценке эффективности инвестиций. -М. «Инфра-М», 1995.

8. Владимирский С.Р. Современные методы проектирования мостов. СПб., «Папирус», 1998.

9. Владимирский С.Р. Системотехника мостостроения. СПб., «Питер», 1994.

10. Власов В.В. Общая теория решения задач. М., Изд-во ВЗПИ, 1990.

11. Газинская Е.В. Методы моделирования инженерно-экологических проблем в системах автоматизированного проектирования городского строительства: Автореф. дис. д-ра техн. наук. /МГСУ М., 1997.

12. Гвишиани Д.М. (под ред.) Многокритериальные задачипринятия решений. М., Машиностроение, 1978.

13. Гибшман Е.М. Архитектурное проектирование мостовыхсооружений: Учебное пособие. М., МАДИ, 1988.

14. Гитберг В.Д. Системное проектирование в строительстве. Л.,

15. Стройиздат. Ленингр. отд., 1987.

16. Горбовский Б.Е. Основы нормирования деформаций мостов. -Саратов, СГУ, 1978.

17. Гохман О.Г. Экспертное оценивание. Воронеж, ВГУ, 1991. Григорьев Э.П. Методологические основы компьютерной технологии принятия решений в системном проектировании: Автореф. дис. д-ра техн. наук. /МГСУ - М., 1996.

18. Гусаков А.А.(под ред.). Системотехника строительства. М., Фонд «Новое тысячелетие», 1999.

19. Демидов H.H. Анализ экологической обстановки в регионе. В кн. Экспертные системы в проектировании и управлении строительством. М., Стройиздат, 1995.

20. Денисов A.A., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления. JI., Энергоиздат, 1982.

21. Дубов Ю.А., Травкин С.И., Якимец В.Н. Многокритериальные модели формирования и выбора вариантов систем. М., «Наука», 1986.

22. Дюбуа Д., Прад А. Теория возможностей. Приложения к представлению знаний в информатике. М., «Радио и связь», 1990.

23. Евланов Л.Г. Основы теории принятия решений. М., АНХ СССР, 1981.

24. Еремеев В.П. Предельные и аварийные состояния мостов. -Казань, КГАСА, 1994.

25. Ермаков С.М., Михайлов Г.АП. Статистическое моделирование. —М., «Наука». 1982.

26. Ефимов П.П. Теоретические основы оценки технических параметров автодорожных мостов и методов управления ими:

27. Автореф. дис. д-ра техн. наук. / СибГАПС Новосибирск, 1997.

28. Жуковин В.Е. Нечеткие многокритериальные модели принятия решений. Тбилиси, «Мецниереба», 1988.

29. Заде JI. Размытые множества и их применение в распознавании образов и кластер-анализе. В кн. Классификация и кластер. -М., «Мир», 1980.

30. Каплинский А.И. и др. Моделирование и алгоритмизация слабоформализованных задач выбора наилучших вариантов систем. Воронеж, ВГУ, 1991.

31. Касти Дж., Большие системы, связность, сложность и катастрофы. М., «Мир», 1982.

32. Катулев А.Н., Михно В.Н., Виленчик JI.C. и др. Современный синтез критериев в задачах принятия решений. М., Радио и связь, 1992.

33. Кобылянский В.В. Развитие сети региональных и ведомственных информационно-аналитических центров. // ИВТ, 1997, №1.

34. Кошкарев A.B., Тикунов B.C. Геоинформатика. М., Картгеоцентр, 1993.

35. Коугия В.А., Грузинов В.В. Геодезические работы при строительстве мостов.

36. Красильников В.А. Промышленное зодчество и экология. М., Стройиздат, 1992.

37. Кузьмин И.В. Основы моделирования сложных систем. К., Вища школа, 1981.

38. Куликов Ю.А. Имитационные модели и их применение в управлении строительством. М., Стройиздат, 1983. Кулиш В.И. Вероятностная оценка надежности и долговечности мостовых железобетонных конструкций. -Хабаровск: ХГТУ, 1993.

39. Ларичев О.И. Объективные модели и субъективные решения. -М., Наука, 1987.

40. Ларичев О.И. и др. Выявление экспертных знаний (процедуры и реализации). М., «Наука», 1989.

41. Лебедев А.Н. Моделирование в научно-технических исследованиях. М., «Радио и связь», 1989. Леонец A.A., Василенко В.И. Навигация для всех. // Сети и телекоммуникации, 1999, №2.

42. Лисицкий Д.В. (под ред.). Геоинформатика. М., «Недра», 1993.

43. Международная конференция по ремонту и содержанию мостов // Автомобильные дороги, 1991, №3.

44. Мелихов А.Н. и др. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой. М., «Наука», 1990.

45. Методические рекомендации по вопросам охраны окружающей среды при проектировании автодорожных переходов через водотоки. М., СоюздорНИИ, 1985.

46. Михалевич B.C., Волкович В.Л. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М., «Наука», 1982.

47. Мосты. Взаимосвязь между технологией возведения и конструкциями: Симпозиум АИПК. Л., 1991. М., ВПТИТРАНССТРОЙ, 1991.

48. Натан A.A. Разработка математического обеспечения процессов автоматической обработки экологической информации с целью обнаружения экстремальных ситуаций. -г. Долгопрудный, МФТИ, 1991.

49. Нейлор К. Как построить свою экспертную систему. М., Энергоатомиздат, 1991.

50. Новожилова Н.И. Исследование долговечности и экономичности искусственных сооружений. Л., ЛИСИ, 1998. Новожилова Н.И., Быстрое В.А., Шайкевич В.Л. Прогнозирование надежности конструкций стальных и железобетонных мостов. - Л., ЛИСИ, 1989.

51. Носарев A.B. Мосты: История, дискуссии. Новые решения, опыт. -М., 1997.

52. Орлов В.Г. Эксплуатационная надежность искусственных сооружений. Сб. научн. тр. // ВНИИ ж.-д. трансп. М., «Транспорт», 1989.

53. Осипов В.О. (под ред.) Содержание, реконструкция, усиление и ремонт мостов. М. Транспорт, 1996.

54. Пассек B.B. Обрушение мостовых конструкций за рубежом (обзор). М., ЦИНИТИ, 1990.

55. Пичужкин И.В., Жарков В.Н., Фадеева М.М., Каркова Т.В. Организационные структуры управления в условиях рынка. -Владимир, ВГТУ, 1994.

56. Поспелов Д.А. Большие системы. Ситуационное управление. — М., «Знание», 1975.

57. Принципы и методы определения норм нагрузок на ландшафты. М., Ин-т географии АН СССР, 1987. Руднев В.Е., Володин В.В., Лучанский K.M., Петров В.Б. Формирование технических объектов на основе системного анализа. - М., Машиностроение, 1991.

58. Сильянов В.В. Проблемы эксплуатации автомобильных дорог и мостов. М., ВИНИТИ, 1990.

59. СНиП 3.06.04-91. Мосты и трубы / Госстрой СССР. М., АПП ЦИТП, 1996.

60. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М., Высшая школа, 1985.

61. Супонницкий С.З. К вопросу о долговечности железобетонных мостов // Совершенствование конструкций и методов расчета автодорожных мостов: Межвуз. сб. научн. тр. / ЛИСИ. Л., 1987.

62. Техническая диагностика и эксплуатационная надежность искусственных сооружений (монограмма). Дмитриев Ю.В. -Хабаровск, ДВГУПС, 1999.

63. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Статистический анализ данных на компьютере. М., «ИНФРА», 1998.147

64. Углицкий Б.Е. Применение математических методов и моделирования в исследовании и проектировании конструкций мостов. М., Стройиздат, 1979.

65. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам. М., Мир, 1989.

66. Ушаков И.А. (под ред.) Надежность технических систем. М., Радио и связь, 1985.

67. Федоренко Н.П. (под ред.) Математика и кибернетика в экономике. М., Экономика, 1985.

68. Федулов A.A. и др. Введение в теорию статистически ненадежных решений. М., Статистика, 1979.

69. Федулов Ю.Г. Основы автоматизированного организационного управления. М., «РАГС», 1997.

70. Хакен Г. синергетика: Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. М., Мир, 1985.

71. Цикризис Д., Лоховски Ф. Модели данных. Финансы и статистика, 1985.

72. Шапиро В.Д. (под ред.) Управление проектами. СПб., «ДваТри» , 1993.

73. Шаталин В.Н. Экология человека и устойчивое развитие // Авиакосмическая и экологическая медицина, 1995, №3.

74. Шеко А.И. (под ред.) Мониторинг экзогенных геологических процессов. М., ВСЕГИНГЕО, 1986.

75. Шрейбер А.К. (под ред.). Строительное производство. М., Стройиздат, 1995.

76. Цвиркун А.Д. и др. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем (оптимизационно-имитационный подход). М., Наука, 1985.

77. Чичварин Н.В. Экспертные компоненты САПР. М., Машиностроение, 1991.

78. Элти д., Кумбс М. Экспертные системы: концепции и примеры. М., Финансы и статистика, 1987.

79. Эндрюс Д., Мак-Лоун Р. Математическое моделирование. М., «Мир», 1989.149

80. ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ, ПАТЕНТЫ И АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

81. Козлов В.И. Методологические основы мониторинга деформаций строительных сооружений. Научно-технический сборник Центра образования, науки и культуры ГАНГ им. И.М. Губкина. -М.: "Блок", 1997. с. 22-23.

82. Самитов P.A. Козлов В.И. Системотехнический мониторинг деформаций строительных сооружений в составе расчетно-конструктивной подсистемы САПР (на примере автодорожных мостов). Сборник науч. и педагог, тр. кафедры САПР МГСУ. М.: МГСУ. - 2000. - с. 87-89.

83. Самитов P.A. Козлов В.И. САПР мониторинга деформаций автодорожных мостов. Сборник науч. тр. кафедры САПР МГСУ. Изд. 2-е.-М.: Фонд "Новое тысячелетие". 2000. с. 149-151.

84. Самитов P.A. Козлов В.И. Мониторинг деформаций автодорожных мостов. Научно-технический сборник Центра образования, науки и культуры ГАНГ им. И.М. Губкина. -М.: "Блок", 1997. с. 22-23.

85. Козлов В.И., Еремеев В.П. Мост на плитных опорах. Сельское строительство, 1985, №9.

86. Козлов В.И., Еремеев В.П. Ремонт устоя моста. Автомобильные дороги, 1986, №8.

87. Козлов В.И., Самитов P.A. Оползнеустойчивое водопропускное сооружение. Татарский центр научно-технической информации. Казань, 1994.

88. Козлов В.И., Самитов P.A. Противозаиливающая конструкция для водопропускных труб транспортных сооружений. Татарский центр научно-технической информации. Казань, 1994.

89. Козлов В.И., Самитов P.A. Усиленный балочный мост. Патент №1717693 от 28.12. 1992.

90. Ю.Козлов В.И., Еремеев В.П. Ограждение проезжей части моста. Авторское свидетельство №1451203 от 15.09.1988.

91. ТАТАРСТАН АВТОМОБИЛЬ ЮЛЛАРЫ ПРОЕКТЛАУ РЕМОНТЛАУ -Т03У БЕРЛ5ШМ5СЕ

92. ТАТАРСКОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРОЕКТНО-РЕМОНТНО-СТРОИТЕЛЬНОЕ

93. ОБЪЕДИНЕНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ТАТАРСТАНА1. ТАТАВТОДОР1. ТАТАВТОДОР

94. Казанское линейное Дорожное управление

95. Казан, Односторонне-Ноксинская ур., 2 тел. 74-37-12, факс 74-36-82

96. Мост через реку Волга является основным и единственным по которому осуществляется движение автомобильного транспорта на правый берег в сторону "Москвы и Ульяновска. Это чрезвычайно важный объект не только для Татарстана, но и для России.

97. Проводимые постоянные высокоточные геодезические наблюдения за мостовым переходом позволяют уверенно эксплуатировать . мост и планировать ремонтно-восстановительные работы.

98. Мост через реку Волга «моложе» и планировать его усиление рано, поэтому сегодня нет смысла говорить об эффективности тех или иных мероприятий.

99. Очевидно только то, что постоянные геодезические наблюдения необходимы и полностью себя оправдывают.1. Мухьянов Р.С.

100. ТАТАРСТАН АВТОМОБИЛЬ ЮЛЛАРЫ РОЕКТЛАУ РЕМОНТЛАУ - TÖ3Y1. БЕРЛЭШМЭСЕ

101. ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРОЕКТНО-РЕМОНТНО-СТРОИТЕЛЬНОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ТАТАРСТАНА1. ТАТАВТОДОР1. ТАТАВТОДОР

102. Татарстан, 420039 Казан, Журналист ур. 2а

103. Мостовой переход через реку Вятка на автомобильной дороге Казань-Набережные Челны связывает не только г.Казань с Набережными Челнами с восточными районами Татарстана, но является еще и основной автомобильной дорогой в г.Уфу и на Урал.

104. Предварительный расчет экономической эффективности проводимых мероприятий показывает, что только за счет перепробега грузового автотранспорта по маршруту Казань-Сорочьи Горы-Набережные Челны потери составили бы 54 607569 рублей в год .

105. В этот расчет не вошли потери от грузовых автомобилей средней и малой грузоподъемности, а так же легковых автомобилей, автобусов, тракторов и др. Не включены потери от простоев на пароме у с. Сорочьи

106. В настоящее время планируется продолжение усиления пролетного строения моста.1. Горы.1. Шафиков Р.Х.