автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели и алгоритмы проектирования и функционирования систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений

На правах рукописи

ШАХРАМАНЬЯН Андрей Михайлович

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Специальность:

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте (Государственном университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук Волков Андрей Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Чулков Виталий Олегович

кандидат технических наук, профессор Кунин Юрий Саулович

Ведущая организация:

Институт системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН).

Защита диссертации состоится 16 мая 2005 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.138.01 при Московском государственном строительном университете по адресу: 115114, Москва, Шлюзовая наб., д.8, ауд. 528.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан 15 апреля 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Объективное повышенное внимание к вопросам техногенной безопасности всех классов, а также развитие современных информационных технологий способствуют сегодня появлению оригинальных подходов к построению технических систем, ориентированных на решение таких задач на новом высокотехнологичном уровне и в строительной отрасли.

Одной из самых важных проблем безопасности строительных объектов является адекватная оценка устойчивости и физического износа зданий и сооружений, а также проблемно-ориентированный мониторинг этих параметров с целью эффективного контроля их технического состояния. Данная проблема носит достаточно широкий характер, является особенно актуальной для крупных мегаполисов, где преобладают бурные темпы строительства, плотная застройка, неустойчивость грунтового массива, а также в случае различных чрезвычайных ситуаций (землетрясения, наводнения, цунами и др.), негативно влияющих на состояния уцелевших зданий и сооружений. Недавние наводнения в Европе, России и других странах, сильные землетрясения в различных точках планеты, разрушение аквапарка «Трансвааль» в Москве и множество подобных чрезвычайных ситуаций показывают крайнюю важность и актуальность проблемы проектирования и функционирования систем мониторинга технического состояния зданий и сооружений.

В настоящее время существует и активно развивается процесс т.н. автоматизации зданий и сооружений. Это направление рынка технологий получило название «интеллектуальное здание». Первые публикации на обозначенную тему появились еще в последней четверти прошлого столетия. Предпосылками появления интеллектуальных зданий в то время стали, в основном, вопросы энергосбережения и, что особенно важно, - безопасности.

Сегодня, когда практика создания интеллектуальных зданий осгро нуждается в адекватных научных основаниях и теоретические вопросы комплексного проектирования подобных систем выходят на первый план, предложена и активно развивается концепция гомеостата строительных объектов (А.А. Волков), неотъемлемой частью практической реализации которой является мониторинг технического состояния зданий и сооружений. В общем случае, реализация комплексной концепции интеллектуального здания предполагает взаимную многоуровневую интеграцию огромного количества проблемно ориентированных подсистем в рамках единой функциональной модели на основе использования современных информационно-аналитических технологий, методов, средств и инженерно-технических решений всех уровней.

Несмотря на наличие значительного числа теоретических и практических работ в области мониторинга строительных объектов с различными целями, среди которых следует особо отметить труды В.0. Чулшва, И.Я. Мастурова, Г^. Нигметова, ВА Котляревского, Ю.С. Кунина, Г.Э. Шаблинского и др., целый ряд специфических вопросов построения проблемно ориентированных систем дис-танциошого мониторинга зданий и сооружений остается исследованным лишь в небольшой степени.

Речь илет об анализе различных проблем построения подобных систем в контексте как программно-аппаратного, так и математико-алгоритмического обеспечения процесса мониторинга в их взаимосвязи на системотехническом уровне организации наблюдения обоснованно выделенных групп параметров зданий и сооружений с целью эффективного контроля их технического состояния.

В этой связи тема диссертации может быть охарактеризована как актуальная и значимая в современных условиях развития научно-технического прогресса в области строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

Научно-техническая гипотеза предполагает возможность повышения эффективности процессов и оценки результатов контроля технического состояния зданий и сооружений на основе использования современных информационно-аналитических технологий и программно-аппаратных средств.

Целью диссертационной работы является разработка моделей и алгоритмов построения систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, интегрированных в функциональные системы управления зданиями и сооружениями.

В связи с поставленной целью в диссертации сформулированы и решены следующие основные задачи

• анализ существующих методов обследования зданий и сооружений в контексте оценки возможностей построения систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений:

• разработка общего подхода к проектированию автоматизированных систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений как элемента функциональных систем управления зданиями и сооружениями;

• разработка алгоритмов и математическое моделирование систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений;

• разработка и анализ прототипа автоматизированной системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений;

• экспериментальная проверка предложенного прототипа автоматизированной системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, анализ результатов.

Объект исследования: функциональные системы управления зданиями и сооружениями в контексте реализации функций активной безопасности и интеллектуальной автоматизации строительных объектов.

Предмет исследования: методы, алгоритмы, модели и системы автоматизированного контроля (мониторинга) технического состояния зданий и сооружений.

Методология исследования: системный анализ, системотехника строительства, математическое, имитационное, компьютерное и функциональное моделирование, теория построения автоматизированных систем, работы отечественных и зарубежных ученых в рассматриваемой области.

Достоверность научных результатов исследования подтверждается выполненной в диссертации оценкой адекватности предложенных моделей и алгоритмов, а также внедрением результатов исследований и их проверкой независимыми методами и системами обследования зданий и сооружений.

Научная новизна. Впервые, в рамках реализации концепции интелчекту-ачьных зданий, разработаны методы и алгоритмы построения систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений в режиме реального времени, интегрированных в комплексные функциональные системы управления зданиями и сооружениями на всех уровнях.

Практическая ценность и значимость работы заключается в создании типовой системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, интегрированной с единой дежурно-диспетчерской службой (ЕДДС) города.

Реализация предложенной системы позволяет:

• существенно повысить уровень безопасности зданий и сооружений за счет ранней диагностики повреждений строительных конструкций;

• значительно повысить оперативность реагирования ЕДДС в случае обнаружения реальной угрозы обрушения зданий и сооружений.

Практическая значимость диссертации подтверждается внедрением полученных результатов.

Внедрение результатов. Результаты диссертации были использованы при разработке1 Национального стандарта Российской Федерации ГОСТ Р 22.1.122005 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования»; Методики оценки систем безопасности и жизнеобеспечения на потенциально опасных объектах, зданиях и сооружениях, аттестованной Правительственной комиссией по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций и обеспечению пожарной безопасности; Московских городских строительных норм (МГСН 4.19-05) «Многофункциональные высотные здания и комплексы».

Прототип системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, разработанный в рамках диссертации был внедрен на здании Общества с ограниченной ответственностью «Экономические программы».

Отдельные части диссертации использованы в учебном процессе подготовки и переподготовки специалистов на кафедре информационных систем и технологий управления строительством и системного анализа в строительстве Московского государственного строительного университета (МГСУ).

Апробация работы. Содержание и результаты проведенного исследования докладывались автором на всероссийских и международных конференциях («Научная сессия МИФИ - 2002», Москва, МИФИ [2,3]; X Юбилейный Международный форум «Технологии безопасности», Московская область, выставочный комплекс «Крокус Экспо» и др.), а также обсуждались и одобрены на заседаниях кафедр, секций, профильных лабораторий и семинарах МГСУ, МФТИ, Всероссийского научно-исследовательского института по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций (ВНИИ ГОЧС), Академии Государственной противопожарной службы МЧС России, Секции «Строительство» Российской инженерной академии (РИА).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, общим объемом 27.95 п.л., в том числе лично автором -3,3 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и предложений, библиографического списка и приложений.

На защиту выносятся:

• общий подход к проектированию автоматизированных систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений как элемента функциональных систем управления зданиями и сооружениями;

• алгоритмы и математические модели систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений;

• прототип автоматизированной системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений;

• экспериментальная проверка прототипа автоматизированной системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, анализ результатов.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, д.т.н. А.А. Волкову, д.т.н. С.А. Качанову, к.т.н. Г.М. Нигметову, д.т.н. В,А. Котлярев-скому за постоянное внимание и консультации в части формулировки и решения теоретических и практических проблем, возникавших в процессе подготовки диссертации, д.т.н. Н.Г Топольскому за доброжелательные и заинтересованные обсуждения материалов диссертации и высказанные критические замечания, В.В. Гинзбургу, ОС. Волкову, ИЛ. Толкунову, М.Ю. Прошлякову и ДВ. Бахмату за помощь в организации и проведении научно-экспериментальных работ, М.В. Егорову, ИЕ. Штуицайгеру и М.Е. Петрову за помощь при разработке прототипа системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, А.И. Ушакову, к.г.н. А.В. Орлову и Т.П. Радионову за проявленное понимание и предоставленную возможность проведения и завершения исследования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертации раскрывает актуальность темы исследования, определяет объект, предмет и новизну диссертации.

Методологическая схема исследования представлена на рис. 1.

Первая глава диссертации - анализ теории и практики дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений.

К сожалению, в последнее время в силу целого ряда объективных факторов, растет число разрушений конструкций зданий и сооружений. Увеличение количества аварийных обрушений зданий и сооружений можно связано с несколькими основными причинами. Наряду с устаревшим жилым фондом, нуждающимся в переоснащении, это и бурные темпы строительства, не всегда профессиональное проектирование, свободная выдача лицензий на строительные работы и проч.

Причины полных или частичных обрушений зданий могут быть связаны с различными факторами, такими как внешние воздействия, неравномерная просадка грунтов, климатические и снеговые нагрузки, плохие условия эксплуатации здания, дефекты строительства и проч.

НАУЧНО ТЕХНИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА I Возможность говышения эффективности процессов и I оценки результатов контроля техническое состояния I здании и сооружении на основе использования современньх информационно аналитических технологии и I программно ачпаратнь х средств__

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ Функциональные системы управления зданиями и сооружениями в контексте реализации функции активной безопасности и интеллектуальной автоматизации строительных объектов

'цель работы

Разработка моделей и алгоритмов построения систем дистанционного мониторинга технического состояния здании и сооружении интегрированных в комплекснье автоматизировать е системь , правления зданиями и |сооружениями_

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ Методы алгоритмы модели и системы автоматизированного контроля (мониторинга) технического состояния здании и сооружении

Е

,МЕТОДОЛОгИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ' Системный анализ системотехника строительства математическое имитационное компьютерное I и функциональное моделирование теория построения автоматизированных систем работы I [ отечественных и зарубежных ученых в рассматриваемой области_,

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Аиализ существующих методов обследования здании и сооружении в контексте оценки возможностей построения систем дистанционного мониторинга технического состояния здании и сооружении разработка общего подхода к проектированию автоматизированных систем дистанционного мони-орин-а технического состояния здании и сооружении как элемента функциональных систем управления 1 зданиями и сооружениями разработка алгоритмов и математическое I моделирование систем дистанционного мониторинга технического состояния здании и сооружении разработка и анапиз протот<"а I автоматизированной системы дистанционного мониторинга , техни"еского состояния здании и сооружении экспериментальная | проверка предложенного прототипа автоматизированной системы I дистанционного мониторинга технического состояния здании и сооружении анализ результатов

НАУЧНАЯ НОВИЗНА | Впервые в рамках реализации | концепции интеллектуальньх здании разработаны методы и алгоритмы построения систем дистанционного мониторинга | технического состояния здании и сооружении в режиме '

реального времени |

иь-егр/рованпох в комплексные функциональные I системь управления зданиями и сооружениями на всех уровнях |

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Предпожено и обосновано оеапизовывать систему дистанционного мониторинга технического состояния здании и сооружении как элемента комплексной автоматизированной системы управления зданиями (вооружениями) использовать методь динамического анализа и контроля неравномерных осадок при построении систем дистанционного мониторинга технического состояния здания и сооружения интегрировать систему дистанционного мониторинга технического состояния здании и сооружении с единси дежурно диспетчерской службой города Разработан общии подход к пооекгированию и функционированию системы дистанционного мониторинга технического состояния здании и ссор,»ении интегрирова»нои в комплексную функциональную систему управления зданием /сооружением) Разработаны математические модели и алгоритмы проектирования и функционирования систем дистанционного мониторинга технического состояния здании и сооружении вь полнено проектирование реализация и внедрение прототипа системы дистанционного мониторинга технического состояния здании и сооружении Выполнена проверка адекватности разработанного прототипа системы с использованием независимых методов обследования здании и сооружении Осуществлен дистанционныи мониторинг технического состояния здания в центре города Москвы в результате которого обнаружены отрицательные изменения в объекте мониторинга связанные со строительством в непосредственной близости нового многоэтажного здания

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

I Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 22 1 12 2005 I «Безопасность в чрезвычайных ситуациях Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами здании и , сооружении Общие требования» методика оценки систем безопасности I и жизнеобеспечения на потенциально опасных объектах зданиях и I сооружениях аттестованной правительственной комиосиеи по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуации и обеспечению ' пожарном безопасности московские городские строительные нормь МГСН 4 19 05 «Многофункциональные высотнье зда'ия и комплексы» Общество с ограниченном ответственностью «Экономические программы» Учебный процесс подготовки и переподготовки специалистов на кафедре информационных систем и технологии управления строительством Московского государственного строительного университета_______

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Доклады на всероссийских и международных конференциях и семинарах МГСУ МФТИ ВНИИ ГОЧС академии ГПС МЧС России Секции «Строительство» Российской инженерной академии (РИА) Публикация результатов исследования в 14 научных трудах_

Ри(. I Методологическая схема исстедования

В настоящее время контроль технического состояния жилых зданий осуществляется жилищной инспекцией не реже чем раз 5 лет. Практика показывает что'

• здания не обследуются вовсе или должным образом с периодом в 5 лет;

• процессы, приводящие к разрушениям зданий, могут происходить между плановыми обследованиями.

Существует немало примеров неожиданных обрушений зданий и сооружений, вследствие которых погибают люди. Одним из таких примеров является неожиданное обрушение аквапарка «Трансвааль» в Москве в 2004 году.

Вопросы безопасности особенно актуальны для мест массового скопления людей и потенциально опасных объектов. Возникновение одной чрезвычайной ситуации на таких объектах может повлечь возникновение целого спектра аварий и катастроф по принципу домино (взрывы, химическая авария, пожары и др.), связанных с массовой гибелью людей.

В целях реализации комплексной безопасности строительных объектов необходимо рассматривать мониторинг технического состояния зданий и сооружений как элемент единой функциональной системы управления зданием (сооружением), которая реализует решение как широкого спектра задач безопасности, так и других задач жизнедеятельности. Концепция интеллектуального здания подразумевает создание единого центра управления интеллектуальными системами здания (сооружения), в связи с чем необходимо рассматривать систему мониторинга состояния их параметров как дистанционно управляемую, с целью развертывания таких систем в эксплуатационных службах распределенных объектов.

В настоящее время существуют многочисленные методы обследования зданий и сооружений, которые условно можно разделить на три группы: визуальные, инструментеппчые и инструментально-технические. В основу визуальных методов положено обследование зданий (сооружений) экспертами по внешним при-шакам. В основу инструментальных методов положено обследование зданий (сооружений) экспертами с использованием специализированных средств (ультразвуковые приборы, динамический комплекс, георадар и др.). Инструментально-технические методы дополняют первые две группы методов использованием программных средств конечно-элементного анализа для решения широкого спектра задач. Для реализации дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, методы обследования должны удовлетворять следующим условиям:

• позволять получать интегральную оценку технического состояния объекта мониторинга;

• обладай универсальностью и не зависеть от типа объекта мониторинга;

• быть легко реализуемыми на практике.

Перечисленным условиям в качестве методов обследования зданий и сооружений при дистанционном мониторинге наиболее удовлетворяют методы динамического испытания и контроля неравномерной осадки, относящиеся к группе инструментальных методов. Данные методы получают информацию о состоянии всего объекта мониторинга, применимы к любым типам объектов мониторинга и легко реализуются на практике, так как не нуждаются в большом количестве датчиков для съема информации. Для особо опасных и значимых объектов оправданной может оказаться использование инструментальных методов контро-

ля геологического строения, так как они позволяют получать важную информацию об изменении геологической структуры площадки здания (сооружения), что, в большинстве случаев, отрицательно отражается на техническом состоянии объекта. В дополнение к этим методам могут использоваться и инструментально -технические методы, которые дополняют и расширяют спектр решаемых задач. Например, использование инструментально-технических методов позволяет системе дистанционного мониторинга делать выводы и прогнозы относительно надежности и остаточного ресурса объекта.

Вторая глава диссертации посвящена методам, моделям и алгоритмам построения систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений.

В связи с тем, что система дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений является общегородской, что тесно корреспондируется с недавно принятым законом г. Москвы «О мониторинге технического состояния жилых домов на территории города Москвы» №21 от 7 апреля 2004 года, предлагается рассматривать такую систему в составе неотъемлемого элемента единой дежурно-диспетчерской службы (ЕДДС) города.

В качестве упомянутого неотъемлемого элемента может выступать заранее созданный в ЕДДС Центр мониторинга технического состояния зданий и сооружений, основными задачами которого являются:

• мониторинг технического состояния жилищного фонда города, потенциально опасных объектов (ПОО), мест массового скопления людей;

• детальное обследование зданий и сооружений города при получении признаков ухудшения их технического состояния;

• паспортизация и сертификация зданий, сооружений.

При построении автоматизированных систем мониторинга технического состояния зданий и сооружений необходимо учитывать факт наличия других систем интеллектуальных зданий и их архитектуру. На основе анализа существующих систем интеллектуальных зданий предложена архитектура построения автоматизированной системы дистанционного мониторинга технического состояния -АС «МОНСОЗИС» (рис. 2).

Нижние уровни представляют аппаратные устройства, такие как кабельная сеть, сейсмические датчики, наклономеры, импульсные возбудители колебания и контроллеры. На верхних уровнях консолидируется вся информации от аппаратных устройств в SCADA системе (Supervisory Control And Data Acquisition - Система оперативного управления и сбора данных) и происходит интеграция АС «МОНСОЗИС» с другими системами здания и внешними системами (ЕДДС и др.) с использованием подхода EAI (Enterprise Application Integration - интеграция прикладных систем предприятия).

С целью реализации автоматизированных систем дистанционного мониторинга технического состояния здатгй"и сооружений разработаны модели и алгоритмы функционирования системы. Функционирование систем дистанционного мониторинга описывается в виде математических моделей и алгоритмов, на базе которых проведено компьютерное моделирование системы дистанционного мониторинга (рис. 3). Модель системы дистанционного мониторинга состоит из ма-

тематических моделей внешних воздействий, объекта мониторинга (ОМ) анализа данных, принятия решения

Математическая модель внешних воздействий описывается в виде математических моделей различных внешних нагрузок, таких как сейсмических, вибрационных, снеговых, ветровых, действующих на здание (сооружение).

Математическая модель объекта мониторинга описывается в виде конечно-элементной схемы, с использованием известного метода конечных элементов. В общем виде математическую модель объекта мониторинга можно описать в виде следующего выражения:

^-/(^Л.^ЛЛ). (1)

где Б, - факторы модели.

- размерность модели; РА - область моделирования; Fg - степень моделирования;

- геометрические параметры; Бр - физические параметры.

Математическая модель анализа данных предназначена для обработки результатов обследования, моделируемых с использованием математической модели объекта мониторинга. В качестве метода обследования используется метод динамического анализа, который, на основе проведенного в первой главе анализа, обоснованно выбран для построения системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений. Блок схема математической модели анализа данных представлена на рис. 4. Модель состоит из трех основных элементов:

• алгоритм разбиения и обработки исходных данных;

• преобразование Фурье;

• алгоритм выделения собственных частот колебаний.

Рис 4 Блок-схема математической модели анализа данных

Целью математического моделирования анализа данных является получение собственных частот колебания объекта мониторинга. Исходными данными

модели являются временные ряды - номер конечного элемента мате-

матической модели объекта мониторинга) Временные ряды XI, VI, 21 представляют собой результаты динамического анализа математической модели объекта мониторинга С целью получения максимально правдоподобных спектральных характеристик колебания здания, исходные временные ряды первоначально обрабатываются алгоритмом разбиения и обработки исходных данных, с помощью которого происходит разбиение временных рядов по временным окнам или характерным частям (например, выделение ударов) и производится математическая обработка (сглаживание, удаление тренда). С использованием преобразования Фурье:

осуществляется переход к спектральным характеристикам временных рядов, на основе которых с применением алгоритма выделения собственных частот выделяются массивы соби венных частот РХ1, РУ1, Б21 (например, БХЩ) частота первого тона 1-ого конечного элемента по оси X).

Математическая модель принятия решения предназначена для получения оценки технического состояния здания (сооружения) и оценки надежности на основе теории расчета строительных конструкций на надежность (В.В. Болотин, А Р Ржаницын, В.Д. Райзер), математических моделей внешних воздействий и объекта мониторинга.

Оценка технического состояния здания (сооружения) в рамках математической модели принятия решения основывается на одновременном анализе следующих характеристик: динамические характеристики объекта мониторинга (частоты собственных колебаний) и неравномерная осадка объекта мониторинга (наклоны и крены).

В работе ВА Котляревского (2001 год), приведено формализованное описание экспресс-оценки технического состояния зданий и сооружений по динамическим харак1ери<ликам. Пола1ая, чго масса здания неизменна с течением времени, можно записать следующее соотношение:

где С' - жесткость в момент времени!; Д' -период времени: ч' - собственная частота по 1-ой форме в момент времени 1.

Предположив, что износ здания связан с уменьшением его жесткости, можно ввести показатель износа по 1-ой форме колебания:

и, впоследствии, получить показатель износа усредненный по п формам колебания:

Показатель износа и есть величина, даюшая выводы об оценке технического состояния здания или сооружения.

На практике, собственные частоты колебания здания зависят от множества факторов, таких как: тип здания, податливость грунта, неравномерные осадки, различные дефекты. В этом случае также представляется целесообразным при сравнении собственных частот колебания здания в разные моменты времени рассматривать накопленную статистику и опыт, анализ которых дает возможность оценить зависимость изменения собственных частот зданий от их категорий технического состояния, которые в свою очередь были установлены другими независимыми методами обследования.

В основу анализа неравномерных осадок объекта мониторинга положено сравнение текущих значений наклонов (крена) зданий (сооружений) с предельно допустимыми.

Модель принятия решения о техническом состоянии здания (сооружения) основанная на одновременном анализе динамических характеристик и неравномерных осадок, может быть реализована по различным схемам, например выбор наибольшей категории технического состояния по результатам анализа перечисленных выше характеристик.

Компьютерное моделирование системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений выполнено на основе приведенных математических моделей. Математическая модель объекта мониторинга и внешних воздействий реализована с использованием программного комплекса конечно-элементного анализа - ANSYS Mechanical фирмы ANSYS Corporation, и программных комплексов, разработанных автором: программного комплекса для расчета строительных конструкций <'Dynamic» [2], программною комплекса моделирования сейсмических нагрузок <<MSN» [3]. Математические модели анализа данных и принятия решения реализованы в программном комплексе MATLAB фирмы Mathwcks. Рассмотрим пример компьютерной модели анализа данных.

Компьютерная модель анализа данных состоит из трех модулей, реализованных на внутреннем языке математического пакета MATLAB (m-язык):

• DataFragmentation (разбиение и обработка исходных данных);

1 SpectrumCalculation (вычисление спектров с использованием преобразования Фурье);

• EigenFrequencyExtraction (выделение собственных частот).

На рис. 5 приведен информационный поток компьютерной модели анализа данных. Исходные данные, в составе временных рядов, полученных с использованием динамического анализа компьютерной модели объекта мониторинга и размера временного окна задаваемого пользователем, поступают на вход модуля DataFragmentation. Модуль DataFragmentation фрагментирует и обрабатывает исходные временные ряды временным окном и на выходе выдает массивы фрагмен-тированных данных. Для каждого фрагмента временных рядов в модуле Spec-trumCalculation вычисляются спектры, которые в свою очередь идут на вход модуля EigenFrequencyExtraction для вычисления собственных частот.

«data» «module» ^ . «data» «module»

I Исходные данные DataFragmenlation Фрагментироаанные данные SpectmmCalcu'alioii

, «data» ' . «module» ______> «data»

Собственные частоты EigenRequencyExtraction | Спектры

Рис. 5. Алгоритмическая схема информационного потока компьютерной модели анализа данных

В табл. 1-3 приведены спецификации рассмотренных модулей.

_Табл. 1. Спецификация модуля Ра1аК^теп<айоп

| Сигнатура: \

1 [Т\\'.к]=Г)а!аРгатеп1а1юп(Х. 1\уЫо\у):

Входные данные:

Х„ ■ Хш

Матрица ускорений по одной оси Х- .........где п - количество записей,

-

га - количество точек в записях; Шпс1т - временное окно разбиения данных

| (задается в точках).___

! Выходные данные:

тхи ... тх1к

Матрица ТШ = ..........где п - количество записей, к - количество

| 7Ш"„, .. ШХЛ

| временных окон в одной записи. Т\УХ,, - массив данных в пределах временного

^окна; Количество окон в одной записи - к._

_Табл. 2. Спецификация модуля 5рес1гитСа1си1а1юп

Сигнатура:

Входные данные:

TWXn . . Т№Хи

Матрица TW = ... , где п - количество записей, к - количество вре-

TWX„t . • ттл

менных окон в одной записи, TWX,J - массив данных в пределах временного

окна; Г - временной шаг между двумя соседними точками записей.

Выхойиые данные:

FX„ ..

Матрица FX= ..... ... , где п - количество записей, к - количество вре-

менных окон в одной записи, ИХ,, - массив данных спектра в пределах времен-

ного окна.

_______Табл. 3. Спецификация модуля EigenFrequencyExtraction

! Сигнатура:

[FREQXj-EigenFrequencyExtraction(FX, method, lfreq,hfreq);_

Входные данные-j FXU .. FXU

' Матрица FX = . , . , где n - количество записей, к - количество вре-

| fx,x ... гаг*

менных окон в одной записи, FX4 - массив данных спектра в пределах времен' ного окна; method - целое число, представляющее номер метода выделения собственных частот, 0 - усреднение данных по временным окнам и вычисление j значения частоты при максимальной амплитуде в диапазоне частот от значения параметра lfreq до значения параметра hfreq, 1 - вычисление значения частоты 1 при максимальной амплитуде в диапазоне частот от значения параметра lfreq до значения параметра hfreq по всем временным окнам; lfreq - нижняя граница

' диапазона частот; hfreq - верхняя граница диапазона частот.______

^Выходные данные ■

1 Массив FREQX = (FRF.QX1, ..„FREQXn). где п - количество записей, FREQXi ' - значение вычисленной частоты i-ой записи.

Оценка адекватности моделей и алгоритмов проведена с использованием набора контрольных расчетов, в которых исследуется модель здания без дефектов (в первом случае) и с дефектами (во втором случае). Под дефектами понимается пониженные модули упругости элементов модели здания. Анализ результатов контрольного примера, позволяет говорить об адекватности построенных моделей и алгоритмов.

В третьей главе диссертации описан прототип системы дистанционного мониторинга технического сосюяния зданий и сооружений.

В рамках диссертации был разработан прототип АС «МОНСОЗИСЛ -PROFIVE Building. Основное назначение PROFIVE Building состоит в получении результатов, показывающих принципиальную возможность реализации системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений. На рис. 6 приведена схема функциональной модели PROFIVE Building, на рис. 7 -архитектура.

Архитектура PROFIVE Building представлена в виде четырех подсистем:

• блок управления PROFIVE Building;

• подсистема учета объектов мони юринга и устройств системы;

• подсистема управления устройствами системы;

• подсистема анализа и обработки записей.

Блок управления PROFIVE Building предназначен для организации взаимодействия всех подсистем, предоставляет интерфейс для просмотра списка объектов мониторинга, списка датчиков, сейсмозаписей и отчетов, позволяет взаимодействовать с подсистемами учета объектов мониторинга и устройств системы, анализа и обработки записей и управления устройствами системы.

Подсистема учета объектов мониторинга и устройств системы предназначена для ведения реестра объектов мониторинга и устройств системы Устройствами системы могут быть датчики различного типа (например, сейсмодатчики и наклономеры) Подсистема позволяет получать, вводить и изменять информацию об обследуемых зданиях и сооружениях (как адрес объекта, схема размещения

устройств системы, отчеты (паспорта безопасности) предыдущих обследований и проч.). Подсистема предназначена также для просмотра, ввода и изменения информации о типах устройств (датчиков).

Подсистема управления устройствами системы предназначена для организации взаимодействия с устройствами системы. Подсистема имеет трехуровневую архитектуру, включающую:

• клиентские приложения (верхний уровень);

• промежуточный слой (FTP-сервер);

• серверные приложения (нижний уровень).

Подсистема анализа и обработки записей предназначена для анализа записей архива сейсмозаписей, путем обработки их в математическом пакете MATLAB фирмы Mathworks. С помощью данной подсистемы производиться передача записей объекта мониторинга из архива сейсмозаписей в среду MATLAB и анализ записей с использованием специализированных приложений в среде MATLAB.

MeiBtpiaH 1лава диссертции рассмафивает вопросы практики реализации и экспериментальной проверки систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений.

Прототип системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений - PROF1VH Building был внедрен на одном из зданий в центре Москвы. Перед развертыванием системы предварительно было проведено первоначальное обследование объекта с целью получения информации о его текущем состоянии и разработки плана развертывания системы дистанционного мониторинга, включаюшего информацию о схемах расстановки датчиков, импульсных возбудителей и других элементов системы дистанционного мониторинга.

Первоначальное обследование объекта было выполнено мобильным диагностическим комплексом, созданным во ВНИИ ГОЧС для выполнения полного комплекса работ по обследованию технического состояния зданий и сооружений. Обследование здания мобильным диагностическим комплексом проводилось в феврале 2004 юда, в ходе которою был проведен комплекс работ по выявлению технического состояния здания. Были выполнены такие работы, как геологическое обследование площадки здания, визуальные контроль, неразрушающий прочностной контроль основных конструктивных элементов, обследование фундаментов, геодезические работы, динамические испытания.

По результатам обследования получена оценка технического состояния здания, сформирован паспорт безопасности и разработан проект развертывания системы дистанционного мониторинга.

По результатам обследования мобильным диагностическим комплексом также были зафиксированы следующие результаты динамического испытания здания для последующего мониторинга их изменений: «Нормативные значения периодов собственных колебаний здания по первому тону должны составлять: [TiJ - 0,24с, [T/J = 0,386с. Полученные из эксперимента значения периодов собственных колебаний соответственно составляют' 7/ч = 0,16с, 7д - 0,2с. Т.е., интегральная жесткость здания с бопьшим запасом превышает нормативные значения Здание соответствует 1категории состояния - нормальное».

Дистанционный мониторинг здания с использованием PROFIVF Building выполнятся в течение полугода с марта по август 2004 года, посте чего система бьпа демонтирована по причине усиления, капитального ремонта и надстройки верхних этажей

На первоначальном этапе обследование здания происходило на основе регистрации естественных колебаний здания, т е без применения вынуждающей силы (рис 8(а))

На протяжении по тутора месяцев основной тон колебания зда"а в продольных и поперечных направлениях составлял около 5 Гц (рис 8(6)), что совпадает с результатами испытания мобичьным диагностическим комплексом

Примерно с середины апреля 2004 года, выдетение частоты собственных колебаний из микросейсмических записей естественных колебаний здания пере-стапо быть четким Данное явление можно связать со следующими причинами повысился уровень вибрационного шума в районе здания, в здании произошли изменения, приведшие к более разболтанному и хаотичному колебанию

С использованием дистанционной системы мониторинга бьпа проведена серия испытаний с применением вынуждающей силы для возбуждения колебания здания На рис 8(в) приведен пример колебания здания и спектр (рис 8(г)) от 28 июня 2004 года Как видно из рис 8(в), по зданию производились четыре удара в течение 20 секунд

Рис 8 Резучьтаты динамического испытания (а)-запись колебания от 31 03 2004 (б) - спектр записи от 31 03 2004 (в) - запись колебания от 28 06 2004 (г) - спектр записи от 28 06 2004

Из анализа спектров записей от 28 июня 2004 года видно, что основной тон колебания здания сместился в низкочастотную область и находится в районе 33.5 Гц.

При неизменности массы и геометрических характеристик здания, уменьшение основного тона кочебания свидетельствует об уменьшении жесткости здания.

В рассматриваемом случае уменьшение основного тона колебания здания вызвано строительством нового здания в непосредственной близости от объекта мониторинга В марте для строительства нового здания был вырыт котлован (рис 9(а)) В июне уже можно было наблюдать большую часть недостроенного здания, масса которого, давя на грунт, вызвало перераспределение напряжений в грунте, что отразилось на старом здании и его динамических характеристиках (рис. 9(6))

(а) (б)

Рис 9 Стройка нового знания рядом с объектом мониторинга Га)-котлован вблизи объекта мониторинга - март 2004 roía, (б) - возведенное здание вбли ш объекта мониторинга

-июнь2004 тда

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

В результате проведенного в диссертации комплекса теоретических и экспериментальных научно-исследовательских работ, в рамках реализации концепции интеллектуальных зданий, были разработаны новые подходы, включающие модели и алгоритмы проектирования и функционирования систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, и, тем самым, рассмотрены на новом современном техническом уровне вопросы безопасности зданий (сооружений) и находящихся в них людей

В диссертации были получены следующие основные результаты 1 На основе комплексного системотехнического анализа проблемы мониторинга строительных объектов, методов и средств обследования зданий и сооружений, существующей практики проектирования и функционирования автоматизированных систем управления зданиями (сооружениями), парадигмы го-меостата строительных объектов как функциональной системы, ориентированной на компенсацию и/или подавтение втияния возмущений чюбого характера и интенсивности на устойчивое состояние строительного объекта (А А Волков, 2001), было предложено и обосновано

• реализовывать систему дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений как элемента комплексной функциональной системы управления зданиями (сооружениями);

• использовать методы динамического анализа и контроля неравномерных осадок при построении систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений;

• интегрировать систему дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений с единой дежурно-диспетчерской службой города.

2. Разработан общий подход к проектированию и функционированию системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, интегрированной в комплексную функциональную систему управления зданием (сооружением). В рамках предложенных решений, на основе анализа построения существующих систем интеллектуальных зданий, разработана архитектура построения системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, исследованы проблемы ее интеграции с внешними системами, такими как единая дежурно-диспетчерская служба города.

3. Разработаны математические модели и алгоритмы проектирования и функционирования систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений. На основе математических моделей было проведено компьютерное моделирование системы, включая конечно-элементное моделирование объекта мониторинга, моделирование динамических испытаний, обработку результатов динамического анализа и принятие решения о техническом состоянии объекта мониторинга. В диссертации выполнена оценка адекватности разработанных моделей.

4. Осуществлено проектирование, реализация и внедрение прототипа системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений АС «МОНСОЗИС» - PROFIVE Building. Архитектура PROFIVE Building представлена в виде четырех подсистем:

• блок управления PROFIVE Building;

• подсистема учета объектов мониторинга и устройств системы;

• подсистема управления устройствами системы;

• подсистема анализа и обработки записей.

В рамках проектирования прототипа системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений была разработана его функциональная модель, архитектура и модель данных.

5. Выполнена проверка адекватности разработанного в рамках диссертации прототипа системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений с использованием независимого мобильного диагностического комплекса для обследования зданий и сооружений, достоверность которого подтверждается успешным много четким использованием для проведения комплексных работ по оценке технического состояния строительных объектов.

6. С использованием прототипа системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений проведен полугодовой мониторинг технического состояния здания в центре города Москвы. Анализ результатов дистанционного мониторинга позволяет говорить о возможности практического использования разработанной системы, в частности - своевременно обнаружить от-

рицательные изменения в объекте мониторинга, связанные со строительством в непосредственной близости нового многоэтажного здания

7 Выполненная работа, полученные теоретические и практические результаты позволяют определить основные направления дальнейших исследований в рамках рассматриваемой предметной области

• дальнейшее совершенствование теории дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений в контексте оптимизации задач массового практического внедрения предложенных решений,

• автоматизация проектирования систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений в составе систем гомеостатическо-го проектирования строительных объектов,

• анализ специфики построения систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий ь сооружений для вновь возводимых и эксплуатируемых объектов,

• построение систем дистанционного мониторинга геологического строения строительной площадки здания (сооружения) с целью раннего обнаружения и прогноза развития процессов, отрицательно влияющих на техническое состояния зданий и сооружений в режиме реального времени,

• интеграция систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений с кадастровыми системами на базе геоинформационных технологий, с целью оценки стоимости объектов недвижимости,

• развитие методов автоматической дефектоскопии зданий в системах дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений с использованием систем класса ГИС и САПР,

• развитие методов оценки и планирования средств на капитальные ремонты зтаний и сооружений на основе чанных систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1 Нигметов Г М , Шахраманьян А М Технология оценки сейсмостойкости и устойчивости зданий и сооружений / Безопасность жизнедеятельности - №12 2001 - 0,25 п л (авторский вклад - 0 1 п л )

2 Котляревский В А , Шахраманьян А М Математическое моделирование конструкций как физически нелинейных систем по деформированной схеме на действие статических динамических и кинематических нагрузок V Научная сессия МИФИ-2002 Сб науч тр - М МИФИ, 2002 -Т5 - 0,15 п л (авторский вклад - 0,05 п л )

3 Котляревский В А , Шахраманьян А М Моделирование сейсмических записей/'Научная сессия МИФИ-2002 Сб науч тр -М МИФИ, 2002 Т5 -с - 0 15 п л (авторский вклад - 0,05 п л )

4 Методика оценки систем безопасности и жизнеобеспечения на потенциально опасных объектах зданиях и сооружениях // Качанов С А Волков О С Шахраманьян АМ и лр - М ФЦ «ВНИИ ГОЧС» 2003 - 1,5 т (авторский вклад-0,15 п л )

5 О возможностях сопряжения систем мониторинга и [правления безопасностью и жизнеобеспечением зданий и сооружений с единой дежурно-диспетчерской службой /' С А Качанов, О С Волков, А М Шахраманьян и др // Технологии гражданской безопасности - №1, 2004 - 0,6 п л (авторский вклад -0,1т)

6 Шахраманьян AM Теория и практика дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений / Сб науч тр каф ИСТУС МГСУ

Информационные системы и техно IOI ии управ 1ения строительством - Вып .Yd - М МГСУ, 2004 - 0,25 п ч

7 ВотковАА Шахраманьян А М Направтенный мониторинг в концепции гомеостата зданий и сооружений системный анализ проблемы // Сб науч тр каф ИСТУС МГСУ / Информационные системы и технологии управления строительством -Вып Лг°1 -М МГСУ, 2004 -0,5пл (авторский вклад 0,25 п л )

8 Anahsi delle deformazioni degli edifici e costruzioni stonci nonche provvedimenti pnontan per ndurre ll danno // G L Koff, G M Nigmetov, A M Shak-hramanyan and others - M ПОЛТЕКС 2004 (на итальянском языке) - 5 5 п л (авторский вклад - 0,5 п л )

9 Die analyse von deformationen bistonscher gebaude und bauwerke erstmabnahmen zur schadensbegrenzung // G L Koff, G M Nigmetov, A M Shakhra-manyan and others - M ПОЛТЕКС, 2004 (на немецком языке) - 5,75 п л (авторский вклад - 0,5 п л )

10 Historical building and construction deformation analysis and priority measures or damage lowering // G L Koff, G M Nigmetov A M Shakhramanyan and others - M ПОЛТЕКС 2004 (на немецком языке) - 5,4 п л (авторский вклад - 0 5 п л)

11 Анализ деформаций исторических зданий и сооружений и первоочередные меры по ) меньшению ущерба //Г Л Кофф, Г М Нигметов, А М Шахра-маньян AM и др - М ПОЛТЕКС, 2004 - 5,75 п л (авторский вклад - 0,5 п л )

12 Волков АА, Шахраманьян AM Дистанционный мониторинг в функциональных системах управления зданиями // Сб на\ч гр "Системный анализ, }правление и обработка информации в строительстве" -Вып №1 -М МГСУ, 200л - 0,25 п л (авторский вклад - 0,1 п л)

13 Безопасность в чрезвычайных ситуациях Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений Общие требования ГОСТ Р 22 1 12-2005 '/ С А Качанов, О С Волков, А М Шахраманьян и др - М , 2005 - 1,65 п л (авторский вклад - 0,15 п л )

14 Волков А А , Шахраманьян А М Теория и практика мониторинга технического состояния зданий и сооружений // Сб науч тр МИКХиС / Под общ ред С М Яровенко - М МИКХиС 2005 - 0,25 п л (авторский вклад - 0,1 п л )

КОПИ-ЦЕНТР св. 7:07:10429 Тираж 100 экз. Тел. 185-79-54 г. Москва, ул. Енисейская д. 36

Ж./2- С'^/З

■ 875

19 М«и 2005 -