Автор:
Бернд Хиллер
Генеральный директор ООО “Фирма Г.Ф.К.”
Илья Вячеславович Сухов
Начальник отдела технической поддержки ООО “Фирма Г.Ф.К.”
Владимир Тимофеевич Ли
Директор направления «Системы мониторинга» ООО “Инжиниринговый центр ГФК”
Эксплуатация гидротехнических сооружений (ГТС), в частности, высоконапорных плотин, требует непрерывного и систематического контроля устойчивости сооружений, основания и береговых примыканий. В общем комплексе натурных наблюдений геодезические методы наблюдений за состоянием ГТС являются достаточно точными и позволяют надежно оценить фактическое состояние сооружения, выявить нежелательные процессы, происходящие в сооружении, и в комплексе с результатами других измерений принять решения по своевременному предотвращению аварийных ситуаций.
Безопасность строительства и эксплуатации тела плотины и инфраструктурных объектов ГТС во многом обеспечивается правильно организованной системой наблюдений за их деформациями (мониторинг деформационных процессов). Деформационный мониторинг должен вестись постоянно по определенному регламенту на протяжении всего периода строительства и эксплуатации объекта. Имеющаяся сегодня нормативно-методическая база по деформационному мониторингу ГТС в процессе их строительства и эксплуатации во многом устарела и не учитывает возможности современной геодезической, контрольно-измерительной техники, коммуникационной и компьютерной техники.
«Традиционными» геодезическими методы контроля деформаций могут применяться для решения определенных задач контроля стабильности отдельных частей ГТС. Но, данные методы, даже в случае использования современных геодезических приборов с автоматической регистрацией и обработкой результатов измерений, являются достаточно трудоемкими и, что самое важное, в части обеспечения безопасности объектов ГТС, не оперативными. При использовании любых «традиционных» технологий деформационного мониторинга имеется временной разрыв между измерениями деформаций и получением результатов. Кроме того, эти методы дискретны. По этой причине всегда существует вероятность возникновения аварийных ситуаций в тот момент, когда данные о деформациях и их анализ относительно допустимых величин отсутствуют. Может возникнуть ситуация появления критических для данного объекта деформаций, но очередной цикл наблюдений должен проводиться через неделю, две недели, месяц. Изменения состояния конструкции плотины, вызываемые изменением нагрузки на нее вследствие колебания уровня воды, эксплуатационной нагрузки и тектонических процессов, должны находиться под постоянным контролем для обеспечения безопасности конструкции плотины и, следовательно, безопасности людей, живущих в зоне возможного затопления.
Указанные недостатки могут быть устранены с применением автоматизированных систем деформационного мониторинга (АСДМ), имеющих следующие преимущества:
- Выполнение измерений деформаций и постоянное сравнение с допустимыми (проектными) величинами в реальном времени.
- Возможность осуществлять мониторинг объектов 24 часа в сутки, 7 дней в неделю и 365 дней в году с заданной дискретностью.
- Обеспечение высокой точности и однородности измерений. Исключение ошибок исполнителя измерений.
Управление АСДМ с удаленного места. Осуществляются автоматический сбор данных, предварительный анализ полученной информации и отправку ее в любое место через Интернет или другие каналы связи. - АСДМ может быть построена таким образом, что при выявлении критических величин или опасных тенденций (скорости увеличения) деформационных процессов на объекте издается сигнал тревоги с автоматическим оповещением через каналы связи ответственных людей с целью оперативного принятия решений для предотвращения аварий и спасения людей.
Геодезический мониторинг в автоматическом режиме позволяет постоянно или с заданным периодом периодически проводить измерения контрольных точек, находящихся снаружи и внутри тела плотины, а также в непосредственной близости от активной зоны деформаций.
Такие измерения дают возможность определить величину деформаций, скорость и ускорение смещений
При использовании современных средств, данные измерений поступают сразу в цифровом виде, а новейшие средства связи передают эти данные на вычислительные системы для обработки в режиме реального времени. Существующие на сегодняшний день программные продукты и специальные алгоритмы обработки позволяют автоматизировать процесс сбора, передачи и обработки информации в значительной степени, в том числе данные мониторинга, сокращая трудоемкость и повысить оперативность. Это превращает процессы периодического обследования сооружений в действительный оперативный мониторинг.
Автоматизированная система деформационного мониторинга (АСДМ) ГТС состоит из трех важных сегментов:
- Измерительное оборудование, датчики, работающие автономно, т.е. без участия исполнителя или оператора. Они предназначены для сбора параметров, которые передаются в центр мониторинга для обработки и анализа.
- Каналы коммуникации, предназначенные для удаленного управления измерительными приборами и датчиками, а также для передачи измеренных параметров в центр управления.
- Центр управления системой мониторинга, в состав которого входит сервер (компьютер) с установленным программным обеспечением, предназначенным для управления и контроля работой датчиков, сбора и обработки измерений, анализа. Кроме того функции программы позволяют формировать сообщения и сигналы тревоги в случае превышения измеряемых параметров заданных критических значений.
- Автоматизированные системы деформационного мониторинга также могут быть (и должны быть) интегрированы в общие системы обеспечения безопасности эксплуатации ГТС.
В рамках реконструкции системы оперативного контроля состояния (СОК) ГТС Саяно-Шушенской ГЭС им. П.С. Непорожнего» (СШГЭС) компаниями ООО «Фирма Г.Ф.К.» и ООО «Инжиниринговый центр ГФК» в сотрудничестве и Научно-исследовательским институтом энергетических сооружений (НИИЭС) РусГидро была запроектирована, сконфигурирована, установлена и запущена в опытную эксплуатацию автоматизированная система деформационного мониторинга (АСДМ), основанная на применении геодезических спутниковых технологий с использованием Глобальной Навигационной Спутниковой Системы (ГНСС).
Работа выполнялась в следующие этапы:
1. Рекогносцировка и выработка вариантов решений совместно со специалистами СШГЭС и НИИЭС,
2. Проектирование системы под руководством (НИИЭС),
3. Заказ и поставка оборудования и программного обеспечения,
4. Прокладка кабельных трасс (электрических и коммуникационных) специализированной фирмой,
5. Установка и подключение геодезического спутникового оборудования и коммуникационных блоков,
6. Загрузка программного обеспечения,
7. Проведение тестовых запусков системы и устранение неполадок,
8. Обучение специалистов СШГЭС,
9. Запуск системы в опытную эксплуатацию.
Данная автоматизированная система деформационного мониторинга является частью комплекса геодезических и геотехнических программно-аппаратных средств и предназначена для наблюдений за плановыми смещениями гребня плотины.
Конечной целью создания АСДМ является обеспечение комплексной безопасности при эксплуатации сооружений СШГЭС.
АСДМ используемая на СШГЭС состоит из:
- ГНСС приёмников (3 базовых станций, 7 мониторинговых станций);
- Управляющей программы первого уровня: Специальное программное обеспечение (СПО) Leica Spider;
- Управляющей программы второго уровня: СПО GeoMos;
- Программы для просмотра и выборки данных за весь или определенный периоды СПО третьего уровня (пользовательский) Sentris Viewer;
- Каналообразующей аппаратуры и оборудования;
- Управляющего сервера.
ГНСС приемники принимают сигналы глобальных спутниковых систем позиционирования ГЛОНАСС и GPS и выполняют их первичную обработку. Данные спутниковых измерений («сырые» данные в бинарном виде) поступают в каналообразующую аппаратуру для их преобразования и передачи на сервер в Центре управления АСДМ.
СПО первого уровня Leica Spider, установленное на первом рабочем сервере, контролирует и управляет работой базовых станций и мониторинговыми приемниками, а именно: контролирует основной канал связи (в отсутствии сигнала с основного канала СПО автоматически переключается на аварийный канал и при восстановлении сигнала в основном канале переключается на основной канал), получает сырые данные от приемников и архивирует их в виде файлов в международном формате RINEX для возможной последующей обработки, выполняет автоматическую обработку данных, используя принцип дифференциального позиционирования, получает точные пространственные геодезические координаты станций мониторинга в системе координат WGS и сохраняет их в базе данных MSQL. Специальное программное обеспечение первого уровня Leica Spider отображает текущую информацию о состоянии ГНСС, приемников и результаты обработки данных в виде настраиваемых окон, табличных форм на экране монитора первого рабочего сервера в Центре управления АСДМ.
CПО второго уровня GeoMos, установленное в Центре управления АСДМ на второй рабочий сервер, принимает данные от СПО первого уровня Leica Spider и пересчитывает пространственные геодезические координаты мониторинговых станций в локальную систему координат, вычисляет смещения контролируемых точек, отображает последние данные в виде графиков на экране рабочего сервера, хранит данные в МSQL базе данных.
При помощи CПО третьего уровня (пользовательский) Sentris Viewer обеспечивающего просмотр данных, оператор имеет возможность делать выборку данных за определённый им период по любой точке. На основании выборки оператор выполняет оценку полученных данных и проводит анализ.
АСДМ функционирует автономно. Все процессы в системе, включая опрос датчиков, сбор данных и обработку данных, запрограммированы и происходят автоматически.
Спутниковые приемники базовых станции и станций мониторинга формируют поток первичных данных для измерений в режиме «статика пост процесс» типичными параметрами дискретности 5 сек. При этом объем файла спутниковых данных (в формате RINEX) полученных в течении 1 часа составляет около 6-8 Мб в зависимости от количества отслеживаемых спутников ГНСС. Для возможности получения данных за любой период времени для постобработки система сохраняет и архивирует файлы на жесткий диск сервера АРМ круглые сутки. Обработка и формирование результата осуществляется с любой заданной периодичностью, но с учетом особенности спутниковой технологии определения местоположения дифференциальным способом.
В настоящее время система устойчиво работает в режиме опытной эксплуатации, давая непрерывный поток данных для дальнейшего комплексного анализа.
В настоящее время компании ООО «Фирма Г.Ф.К.» и ООО «Инжиниринговый центр ГФК» продолжают сотрудничество с НИИЭС и СШГЭС по внедрению второй системы на базе высокоточных автоматизированных электронных тахеометров и акселерометров. Также реализуется проект на Бурейской ГЭС.
Следует отметить, что на территории России находятся порядка 8000 особо опасных и технически сложных объектов, объектов повышенного уровня ответственности и уникальных объектов, к которым законодательство Российской Федерации предъявляет повышенные требования к обеспечению безопасности [Градостроительный кодекс РФ, Закон N 190-ФЗ от 29.12.2044 г., Федеральный закон N 384-ФЗ от 30.12.2009 г.].
Для таких объектов, как огромные по масштабам инженерно-технические сооружения, например, высотные здания (400 м и выше), здания и сооружения со сложными архитектурными формами, крупнейшие плотины, гигантские мосты и сверхдлинные тоннели, крупные спортивные сооружения и т.п. резко возрастают требования к обеспечению их устойчивости, как на стадии строительство, так и их эксплуатации. Выполнение повышенных требований к устойчивости упомянутых объектов возможно только с помощью внедрения современных автоматизированных технологий деформационного мониторинга, обеспечивающих высокую точность и надежность получения результатов наблюдений.
Бернд Хиллер
Связаться Бернд ХиллерООО «Фирма Г.Ф.К.» Генеральный директор
