Учредитель журнала

Автоматизированная система мониторинга динамических параметров напряженно-деформированного состояния

УДК 69.059.2

DOI 10.52815/0204-3653_2022_02186_27
EDN: LFZGAC

Евтушенко Сергей
профессор, д. т. н., Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Адамцевич Любовь
доцент, к. т. н., Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. e-mail: AdamtsevichAO@mgsu.ru

Кучумов Михаил
аспирант, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Железнов Егор
студент бакалавриата, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Введение

Техническое состояние строительных конструкций зависит от дефектов несущих элементов зданий и сооружений, появляющихся в результате воздействия агрессивных технологических и природных воздействий, эксплуатационных статических и динамических нагрузок и климатических явлений. Эти негативные факторы приводят к изменению характеристик работоспособности конструкций, снижению их эксплуатационных свойств, в том числе несущей способности. Часто подобным негативным явлениям способствуют ошибки в проектировании, повреждения при нарушении технологий изготовления и монтажа, дефекты из‑за неудовлетворительной эксплуатации и несвоевременных ремонтов, коррозия металлов, биохимические воздействия, старение материалов.

Рис. 1. Скриншоты отправителя СМС-сообщений (начало работы):
а – изображение приложения на рабочем столе смартфона; б – рабочий интерфейс программы (программа готова к запуску); в – демонстрация работы с правами доступа
Источник: авторы

Работы по обнаружению и устранению дефектов строительных конструкций нередко производятся несвоевременно, что приводит к серьезным нарушениям как в отдельных элементах конструкций, так и всего сооружения в целом. Восстановление эксплуатационных свойств конструкций приводит к значительным материальным затратам. Важнейшей задачей при проведении обследований [1‑3] является правильная и своевременная оценка состояния элементов зданий, влияния различных дестабилизирующих факторов, прогнозирование дальнейшего развития дефектов, а также разработка мероприятий по их стабилизации или устранению по результатам обследования. В этой связи, целесообразным видится применение своевременных автоматизированных решений по организации обследований [4‑6], выполнение ремонтов и работ по реконструкции, с учетом полной и объективной информации об их техническом состоянии. Для этих целей вводится понятие «автоматизированный мониторинг», подразумевающее непрерывное инструментальное наблюдение за напряжениями и деформациям, в том числе при динамических воздействиях.
Большинство методик обследования [7, 8] и оценки технического состояния несущих строительных конструкций предполагает использование переносных технических средств [9, 10] и относительно простой инструментальной базы с ограниченными функциональными возможностями [11‑5, 16‑18]. Данные методы мониторинга обладают высокой надежностью, но имеют существенный недостаток: они могут быть выполнены только в период планового обследования, ремонта или реконструкции. Кроме того, применяемые сегодня методы мониторинга могут быть весьма трудоемкими, затратными, и очень неэффективными при выполнении задач на технически сложных объектах, к которым относятся, например, железнодорожная инфраструктура, мосты, туннели, а также уникальные объекты, для которых не установлены технические регламенты [19‑20].
Большинство объектов железнодорожной инфраструктуры имеют индивидуальные объемно-планировочные и конструктивные решения, выполненные из различных видов строительных материалов. Конструкции зданий железнодорожной инфраструктуры эксплуатируются в различных условиях и не всегда расположены в легко доступных местах [21]. Стоимость предлагаемого на сегодняшний день оборудования достаточно высока, что также создает препятствия в его широком использовании.

Рис. 2. Скриншоты отправителя СМС-сообщений (запуск):
а – служба запущена; б – уведомление о том, что приложение “спарсило” 27 входящих СМС;
в – уведомление о том, что СМС-сообщений больше не поступало
Источник: авторы

Исходя их вышесказанного, можно сделать вывод, что вопрос усовершенствования методик мониторинга технического состояния зданий и сооружений при динамических воздействиях занимает одно из основных мест в системе комплексной безопасности функционирования строительных объектов железнодорожной инфраструктуры.

Для решения сложных инженерных задач необходимо совершенствование действующей измерительной базы и внедрение новых средств измерения, которые смогли бы обеспечить максимально точные результаты и увеличение количества и качества информации, получаемой как в прикладных (например, в рамках проведения геотехнического мониторинга), так и в экспериментальных целях. Данная статья посвящена разработке автоматизированной системы мониторинга (АСМ) динамических параметров напряженно-деформированного состояния объектов железнодорожной инфраструктуры.

Разработка АСМ и программного комплекса

Рассмотрим разработку АСМ и программного комплекса по передаче и обработке данных и алгоритма, включающего веб-сервер и Android-приложения.
Программный комплекс, входящий в АСМ, состоит из двух приложений: отправителя СМС-сообщений и сервера приложений (который в свою очередь состоит из веб-сервера, базы данных (БД), «парсера» данных).
Отправитель был создан в виде Android-приложения (рис. 1) с помощью технологии Anko. После запуска данной службы, её основная задача состоит в том, чтобы работать в фоновом режиме – с заданной периодичностью просматривать входящие СМС-сообщения, выбирая среди них валидные (по номеру устройств или маске сообщений) и сохранять в локальную базу данных, чтобы позже отправить их на сервер (рис. 2). На сервере настроен модуль авторизации для защиты данных, а также используются cookie для хранения текущей сессии. На главной странице находится окно авторизации, куда необходимо ввести валидные данные – логин и пароль пользователя (рис. 3). В этом случае откроется интерфейс просмотра состояния датчиков мониторинга трещин [17-18]. Первый элемент – комбинированный список (рис. 4), который необходим для выбора нужного устройства. Следующий элемент – график с сериями зависимостей ширины трещины, температуры и влажности от времени, которые строятся с помощью технологии Google Charts (рис. 5). Точки для графиков берутся из сервера БД. Ниже находится таблица с этими же данными для удобства просмотра.
Для сохранения данных используется технология Anko-SQLite. Служба отправляет недоставленные сообщения на сервер при помощи структуры okhttp3. Это позволяет создавать POST-запросы и GSON, который переводит классы данных Kotlin в специальную разметку JSON. Сервер приложений создан при помощи фреймворка Ktor. Данный фреймворк использует Netty в качестве веб-сервера, Exposed в качестве СУБД сервера SQLite, в которую будут сохранены все точки, содержащие данные с датчиков. При обращении отправителя со специальным POST-запросом на сохранение новых данных они проверяются и в случае успеха распаковываются из JSON и сохраняются в базу данных. На веб-запросы браузера отдаются статические веб-страницы, заполненные динамическими данными из базы данных при помощи kotlinx.html.
Алгоритм процесса передачи данных представлен на рис. 6. В начале работы страница сервера представляет собой пустой график, не отображающий каких-либо данных. Как только выбранный пользователем датчик мониторинга трещин с необходимым идентификационным номером [17, 18] пришлёт данные о состоянии трещины (стыка), на графике будет построена начальная точка, а в таблице будут внесены сведения о ширине раскрытия трещины, влажности, температуре окружающей среды и времени снятия покзаний, собранные при первом снятии показаний. В зависимости от выбранного режима получения данных, график будет достраиваться новыми точками и соединяющими их прямыми, а таблица будет пополняться новыми данными. При работе с графиком, пользователь может выделить необходимую серию измерений, сравнить зависимости, а также выделить конкретную точку для более детального и удобного просмотра полученных данных.

Рис. 3. Скриншоты веб-страниц сервера: а – страница ввода данных пользователя;
б – страница для выбора нужного устройства (датчика)
Источник: авторы
Рис. 4. Скриншоты веб-страницы с графиками зависимости ширины раскрытия трещины, температуры и влажности от времени: а – устройство (датчик) с идентификационным номером 1; б – устройство (датчик) с идентификационным номером 2
Источник: авторы
Рис. 5. Общий вид рабочего окна сервера
Источник: авторы


Разработанная по данному алгоритму автоматизированная система мониторинга НДС объектов капитального строительства сейчас тестируется и планируется адаптировать ее для применения при мониторинге объектов железнодорожной инфраструктуры.

Рис. 6. Алгоритм процесса передачи данных
Источник: авторы

Заключение

В статье приведено описание разработанного алгоритма программного комплекса, входящего в автоматизированную систему мониторинга напряженно-деформированного состояния объектов капитального строительства. Разработан план работ для адаптации к применению к объектам железнодорожной инфраструктуры. В соответствии с этим планом оформляются заявки на получение патента на датчики, основанные на электрохимическом преобразователе для измерения параметров НДС при динамических воздействиях. На основе плана работ оформлена заявка на получение гранта РНФ.