Интеллектуальная система высокоточного позиционирования сложных инженерно-строительных объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Интеллектуальная система высокоточного позиционирования сложных инженерно-строительных объектов

А.А. Шамраев

Е.О. Шамраева

Н.В. Щербинина

В данной статье авторы освещают проблему разработки эффективных методов выявления и прогнозирования деформаций сложных инженерно-строительных объектов. Ее успешное решение и последующее развитие вносят важный вклад в обеспечение надежности, долговечности и безопасности эксплуатации сооружений. Решение этой задачи создает условия для повышения эффективности использования капитальных вложений в строительство, помогает рационально планировать различные регламентные работы, в том числе геодезические наблюдения за деформациями сооружений, а также приносит определенный социальный эффект.

Ключевые слова: прецизионная система позиционирования; мониторинг; глобальная навигационная спутниковая система; ГЛОНАСС; GPS

In given article authors highlight the problem of developing effective methods for identifying and predicting deformations of complex engineering-building objects. Its successful solution and subsequent development make an important contribution to ensuring the reliability, durability and safety of objects maintenance. The solution of this problem creates conditions for increasing the efficiency of using capital investments in building, helps rationally plan various routine works, including geodetic observations of structures deformations, and also brings a certain social effect.

Keywords: Precision positioning system; monitoring; global navigation satellite system; GLONASS; GPS

За время, прошедшее с момента создания спутниковых радионавигационных систем (СРНС) второго поколения - ГЛОНАСС и GPS, была экспериментально доказана возможность использования навигационного поля, создаваемого этими системами, для реализации высокоточных алгоритмов навигационно-временных определений с использованием измерений псевдодоплеровской фазы сигналов, принимаемых навигационной аппаратурой потребителя (НАП). При этом становится возможным определение не только абсолютных и относительных координат точки нахождения потребителя, но и его пространственной ориентации (угловых координат). При использовании спутниковых методов точность координатных определений в сочетании с оперативностью получения конечных результатов определяются степенью необходимой детальности исследований, а также экономическими возможностями организации данного вида работ. Развитие высокоэффективных спутниковых методов координатных определений на основе применения СРНС ГЛОНАСС и GPS принципиальным образом изменяют технологию и точность определения геодезических координат и принципы построения геодезических сетей, являющихся фактической реализацией систем координат.

Актуальность изучения и анализа возможностей мониторинга на основе наблюдений СРНС заключается в его высокой эффективности. Системы спутникового мониторинга могут функционировать непрерывно, не требуя присутствия человека, предоставляя информацию о пространственных смещениях (по трём координатам) в режиме реального времени. При этом основой являются результаты измерений на постоянно действующих референцных станциях и спутниковых приёмниках, устанавливаемых в контролируемых точках, обеспечивающие мониторинг инженерных сооружений и геодинамических процессов в приповерхностных структурах локальных территорий с высокой точностью.

При разработке и реализации мероприятий по инженерной защите сложных инженерно-строительных объектов требуется не только организация стационарных наблюдений, но оценка и прогноз изменения состояния природно-технических систем (ПТС) для принятия управленческих решений и предотвращения чрезвычайных ситуаций, так как разработка и внедрение планов застройки городских территорий нередко осуществляется без учета развития опасных природных и техноприродных процессов. Существенное улучшение экологического состояния урбанизированных территорий возможно только при разработке и реализации комплексных решений, как единого целого, что требует разработки системы интеллектуального автоматизированного мониторинга как на муниципальном уровне, так и на уровне субъектов Российской Федерации. В связи с этим становится актуальной проблема разработки методов, моделей и алгоритмов интеллектуального автоматизированного мониторинга сложных инженерно-строительных объектов для организации непрерывного пространственно-временного контроля за состоянием и развитием ПТС, а сам мониторинг должен быть комплексным, что требует как теоретического обоснования объединения различных методов и технологий в рамках комплексного интеллектуального мониторинга, так и их практической реализации. Практическое применение результатов исследований ПТС урбанизированных территорий интеллектуальными методами позволяет реализовать на практике комплексную систему геомониторинга за ПТС для предотвращения чрезвычайных ситуаций, что особенно актуально как для крупных городов, так и для удаленных инфраструктурных объектов.

Решению перечисленного комплекса задач посвящена настоящая работа. Авторы посвятили ее разработке методов и алгоритмов спутникового мониторинга, анализу их эффективности, и в целом внедрению спутниковых технологий в одно из важнейших направлений хозяйственной деятельности - обеспечение безопасной эксплуатации сложных инженерно-строительных объектов.

Достигнутая к настоящему времени точность угловых определений с помощью построенной по принципу фазовой интерферометрии угломерной НАП СРНС имеет порядок нескольких угловых минут, что соответствует точности высококлассных гироскопических средств, традиционно применявшихся для определения угловой ориентации, при этом стоимость угломерной НАП оказывается в два-три раза ниже. Кроме того, угломерная НАП свободна от известных недостатков гироскопических систем, так как в ней отсутствует эффект деградации точности с увеличением времени измерений, и имеется возможность коррекции сбоев в условиях автономной работы. Одной из важнейших задач, с которой сталкиваются разработчики фазовых радиоинтерферометрических систем определения угловых координат и параметров смещения сложных инженерно-строительных объектов, является раскрытие неоднозначности измерения разности хода сигналов, т.к. однозначными указанные измерения являются только при разности хода меньше половины длины волны несущих колебаний. Разработанные до настоящего времени методы раскрытия неоднозначности фазовых измерений предполагают, что для определения ориентации любой оси объекта используется только одна база. Основным недостатком этих методов является необходимость наблюдения максимально возможного количества навигационных космических аппаратов. Имеющиеся технические решения обладают недостаточной точностью измерения смещений. Поэтому повышение точности расчета характеристик смещений сложных инженерно-строительных объектов (до значений среднеквадратических ошибок 0,5-1 мм) и обеспечение непрерывного контроля параметров смещений инженерных сооружений - является актуальной и важной задачей. В рамках настоящей работы было предложено использовать «сырые» данные навигационных спутников и специальные алгоритмы обработки для получения прецизионных данных о положении и смещениях объектов.

Обобщенная структурная схема интеллектуальной системы высокоточного позиционирования сложных инженерно-строительных объектов и ее применение для решения поставленных задач иллюстрирует рисунок 1. Основу системы составляют интеллектуальные узлы сбора и обработки первичной информации о координатах объекта, динамике их изменения; расчетные данные получают на основе измерений показаний навигационных спутников и показаний локальных инерциальных датчиков (инклинометров, акселерометров и др.).

сооружение инженерный сложный строительство

Рисунок 1 - Интеллектуальная система высокоточного позиционирования в задачах мониторинга сложных инженерно-строительных объектов

Через доступный канал передачи (сети GSM) данные от первичных узлов через TCP/IP сети поступают в центры обработки и хранения данных. Интеллектуальные алгоритмы обработки данных и поддержки принятия решений позволяют обеспечить предоставление разнообразных сервисов как для диспетчеров - обеспечение безопасной эксплуатации сложных инженерно-строительных объектов благодаря ранней диагностике целостности сооружений, а также оперативному обнаружению потери устойчивости сооружений на основе технологии высокоточного позиционирования; так и для обычных пользователей - предоставление информации о дорожном трафике, доступности и загруженности муниципального транспорта, построение 3D карт дорожных покрытий, сельскохозяйственных угодий и др.

Для тестирования предложенных алгоритмов и методов был спроектирован прототип узла сбора и первичной обработки информации (рисунок 2). Прототип включает съемный процессорный модуль (на базе MSP432E401Y); GPS-приемник (на базе модуля NEO-M8T), позволяющий получить доступ к «сырым» навигационным данным; GSM-модуль, который обеспечивает канал передачи данных; интегральный инерциальный датчик MPU9255, обеспечивающий получение данных о текущем положение объекта в пространстве. Для хранения, чтения и записи данных была использована СУБД PostgreSQL, серверная часть системы реализована средствами языка высокого уровня Python, а также различными фреймворками, которые позволяет легко и гибко создавать компоненты REST-сервиса.

Рисунок 2 - Прототип узла сбора и обработки информации

Разработанное клиент-серверное программное обеспечение позволило повысить точность расчета характеристик смещений инженерных сооружений с погрешностью не более 1 мм. Дальнейшее развитие проекта предполагает развертывание и тестирование полномасштабной системы мониторинга сложных инженерно-строительных объектов и разработку интеллектуальных методов поддержки принятия решений на основе данных от системы позиционирования.

Список литературы

1. Генике А.А., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. Изд. 2-е перераб. и доп.- М.: Картгеоцентр, 2004.- 355с.

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 4-е , переаб. и доп. - М.: Радиотехника, 2010. - 800с.

3. Поваляев А.А. Спутниковые радионавигационные системы: время, показания часов, формирование измерений и определение относительных координат. - М.: Радиотехника, 2008. - 328с.

4. Матвеев В.В. Инерциальные навигационные системы: Учебное пособие. Изд-во ТулГУ, 2012.-199 с.

Размещено на Allbest.ru