Учредитель журнала

Разработка программного комплекса по автоматизированной обработке результатов геотехнического мониторинга для зон вечной мерзлоты

УДК 699.88

DOI 10.52815/0204-3653_2023_1190_20
EDN: RSMIVX

Шилова Любовь
Доцент, к. т. н., НИУ МГСУ
E-mail: shilovala@mgsu.ru

Соловьев Дмитрий
Старший научный сотрудник,
к. ф.-м. н., ИО РАН, ОИВТ РАН
E-mail: solovev@ocean.ru

Мефедов Евгений
Студент НИУ МГСУ
E-mail: anna.gorshik@yandex.ru

Алексеев Андрей
Доцент, к. т. н., НИУ МГСУ
E-mail: ADR-alekseev@yandex.ru

Введение

Зоны вечной мерзлоты появляются в регионах, где среднегодовая температура воздуха на протяжении длительного времени остается ниже нуля градусов Цельсия, поэтому они распространены на значительной территории: в Арктике, Северной Евразии и Северной Америке, в некоторых районах Антарктики и в горных районах высоких широт.
По данным Национального центра данных о снеге и льдах (NSIDC) в Арктике находится около 25 % всей зоны вечной мерзлоты на Земле. Кроме того, Арктика является одним из наиболее уязвимых регионов для изменений климата, которые могут существенно повлиять на состояние и распространение зон вечной мерзлоты в этом регионе.
Строительство зданий в зоне вечной мерзлоты является серьезным вызовом для строителей и инженеров, поскольку земля содержит большое количество льда и мерзлых грунтов. Одна из главных проблем, с которой сталкиваются строители, заключается в том, что мерзлотные грунты не обладают достаточной прочностью для удержания тяжелых зданий и сооружений. При размораживании грунта, он может оседать, что приводит к опасности обрушения здания. Поэтому, важно выбрать правильную конструкцию здания и методы фундаментирования, учитывая особенности таких грунтов [1].
Строительство в зонах вечной мерзлоты может приводить к непредвиденным экологическим последствиям. При размораживании мерзлых грунтов может произойти выделение метана, который является сильным парниковым газом. Это может усилить глобальное потепление и негативно повлиять на окружающую среду [2], [3].
Для решения проблемы возведения объектов капитального строительства в зоне вечной мерзлоты необходимо проводить тщательное геологическое исследование грунтов и выбирать технологии строительства, которые учитывают особенности мерзлых грунтов. Важно также проводить систематический мониторинг зданий и инженерных сооружений, расположенных в зоне вечной мерзлоты, для выявления возможных проблем и рисков. Вместе с тем, возведение зданий, сооружений и элементов транспортной инфраструктуры в зонах вечной мерзлоты, а также последующая их эксплуатация на фоне изменения климата вызывает необходимость решения ряда сложных инженерных задач.
На сегодняшний день существует значительное количество публикаций по проблеме строительства зданий в зоне вечной мерзлоты. Эта тема является важной для инженеров, строителей, экологов и других специалистов, которые работают в условиях криолитозоны. Среди публикаций можно найти научные статьи, технические отчеты, руководства и другие источники, которые содержат информацию о технологиях строительства в зоне вечной мерзлоты, методах фундаментирования, оценке рисков и других важных аспектах.
Геотехнический мониторинг играет важную роль в процессе строительства зданий в зоне вечной мерзлоты. Он позволяет выявлять возможные проблемы и риски, связанные с оседанием земли и размораживанием мерзлых грунтов, и принимать меры для их устранения. Геотехнический мониторинг включает в себя такие процессы, как мониторинг уровня грунтовых вод, температуры и влажности почвы, а также наблюдение за осадками и другими изменениями в окружающей среде.
Благодаря геотехническому мониторингу можно проводить систематический анализ состояния зданий и инженерных сооружений в зоне вечной мерзлоты, а также быстро реагировать на возможные проблемы и риски. Это помогает сохранить безопасность строительных объектов и уменьшить экологические последствия строительства в криолитозоне.
Исследования, представленные в публикациях по проблемам геотехнического мониторинга включают работы, посвященные моделированию и расчету состояний криолитозоны в условиях эксплуатации строительных объектов [4]–[11], а также посвященные изучению изменения состояния грунтов и экосистем с учетом глобального изменения климата [12], [13].
Например, работа [4] посвящена вопросам оценки состояния дорожной сети в Магаданской области с учетом изменения климатических условий ее эксплуатации. Оценка состояния дорожного полотна проводилась с помощью моделирования температурного режима почвы в реперных точках, для которых имелись массивы информации по многолетним значениям климатических данных. В результате исследования сформированы критические значения для рассмотренных реперных точек.
Особенности взаимодействия железнодорожного земляного полотна и многолетнемерзлых грунтов в субарктической части криолитозоны, а также причины деградации многолетнемерзлых грунтов описаны в работе [5].
В публикации [6] предложены варианты проектных решений самоохлаждающихся отдельно стоящих столбчатых фундаментов заводского производства в условиях деградации вечной мерзлоты с учетом последних достижений в рассматриваемой области.
Лабораторное исследование несущей способности металлической сваи в зависимости от местных геокриологических условий представлены в данной работе [7].
В исследовании [8] показаны результаты анализа данных многолетнего мониторинга аварийности и безопасности гидротехнических сооружений криолитозоны с 1776 по 2015 гг.
Интересными в рамках данного исследования являются работы, связанные с использованием современных информационных технологий для сопровождения строительства и эксплуатации зданий и сооружений в криолитозоне.
В статье [9] представлен подход к решению проблемы поддержания устойчивости откоса насыпи за счет его искусственного замораживания. При этом для расчета теплового потока в откосе насыпи была разработана трехмерная математическая модель в виде приложения для Microsoft Windows. Представленное в работе приложение позволяет сформировать долгосрочный прогноз температурного поля в откосе насыпи в зависимости от конструктивных и технологических особенностей. В результате проведенных исследований выявлена эффективность использования сезонных охлаждающих устройств для повышения устойчивости откосов насыпи за счет их промерзания.
Публикация [10] описывает подход к обнаружению утечек из трубопроводов с учетом возможного повреждения фундамента трубопровода из-за таяния вечной мерзлоты; решению проблем автоматической классификации дефектов, которые привели к утечкам; проблем оперативного обнаружения пятен коррозии в трубопроводах, а также проблем определения текущего состояния коррозионного процесса в трубопроводе с использованием технологий машинного обучения.
В статье [11] представлен обновленный алгоритм для оценки прогнозируемого риска эксплуатации дорожного полотна для климатических условий Якутска и Уренгоя от характерных для этих зон условий потепления.
В работе [14] описан комплекс программ для определения изменений границ зон вечной мерзлоты в условиях распространения тепловых полей от различных инженерных объектов, действующих в арктических регионах. А вот в работе [15] представлены алгоритмы и программное обеспечение для определения граничных условий на поверхности мерзлого грунта с учетом реального процесса промерзания и оттаивания порового раствора грунта.
Интеллектуальная система управления техническим и эксплуатационным состоянием автомобильных дорог в криолитозоне представлена в работе [16]. Интеллектуальная информационная система используется для сбора информации о текущем состоянии автомобильной дороги, погодных и климатических условиях, характеристиках транспортных потоков.
Вместе с тем анализ публикаций свидетельствует о том, что наиболее важным вопросом при строительстве и эксплуатации сооружений в районах распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ) является их сохранение в мерзлом состоянии. Устойчивость и долговечность сооружений существенно зависят от температурного режима грунтов основания фундаментов, обеспечение которого является основным фактором сохранности сооружений при строительстве и эксплуатации.
Контроль обеспечения требуемого температурного режима грунтов основания осуществляется геотехническим мониторингом. Под геотехническим мониторингом понимается комплекс работ, основанный на наблюдениях за температурным и гидрогеологическим режимами ММГ, деформациями конструкций фундаментов и надземных конструкций зданий и сооружений.
В состав геотехнического мониторинга входят также наблюдения за: состоянием материала конструкций, температурой грунта в основании сооружений; температурой воздуха в подполье; деформациями фундаментов; гидрогеологическим режимом основания, динамическими и сейсмическими колебаниями. Мониторинг включает большой спектр разноплановых наблюдений, выполняемый как в автоматическом, так и в ручном режимах.
Представленное исследование посвящено разработке подхода к автоматизации геотехнического мониторинга в криолитозоне для сокращения сроков его проведения.

Анализ практики обработки результатов геотехнического мониторинга для возведения строительных объектов в криолитозоне

После получения данных геотехнического мониторинга, у инженеров возникает вопрос об их быстрой обработке и интерпретации для анализа и создании стратегии дальнейших действий. Данные с логгеров переносятся на компьютер в виде таблицы (рис. 1), где указана измеренная температура на определенных отметках глубины.

Рис. 1. Пример исходных данных для обработки результатов
геотехнического мониторинга в криолитозоне
Источник: [17]

На рис. 1 изображен только небольшой пример того, как может выглядеть таблица результатов мониторинга. В действительности таблица может содержать несколько сотен строк с большим количеством значений температуры, которые необходимо обработать и проанализировать.
На данный момент инженеры производят анализ вручную, то есть без использования ­каких-либо программных комплексов, самостоятельно сравнивая измеренные показатели температуры с критически допустимым значением. Этот процесс имеет два основных, но очень серьезных недостатка:
Необходимо значительное количество времени для обработки результатов мониторинга.
Возможность допустить ошибку при анализе результатов вручную.
Использование сторонних программных комплексов для работы с электронными таблицами, таких как, например, Microsoft Excel и Google Sheets могло бы поспособствовать решению данных проблем, однако, это решение не может стать наилучшим по следующим причинам: это зарубежные программы, разработанные компаниями, которые базируются на территории Соединенных Штатов Америки и подчиняется законам этой страны. После того, как группа недружественных стран, в числе которых США, ввели ряд санкций против России, был взят курс на импортозамещение товарами, произведенными и зарегистрированными на территории РФ. В настоящее время отечественных аналогов данных программ не существуют, а свободно распространяемое зарубежное программное обеспечение (OpenOffice) имеет целый ряд функциональных ограничений. Поэтому создание собственного специализированного программного комплекса становится актуальной задачей.
Программы для работы с электронными таблицами, безусловно способны справляться с множеством задач разной сложности, однако они имеют еще один недостаток использования – излишняя перегруженность интерфейса и сложность в использовании. Разработанный программный комплекс для автоматизации обработки результатов геотехнического мониторинга будет обладать всем необходимым для проектировщиков и инженеров функционалом, при этом будет простым в эксплуатации.
Учитывая все вышеперечисленные нюансы, в необходимости создания программного комплекса для обработки результатов геотехнического мониторинга в криолитозоне сомнений не остается.

Разработка обобщенной схемы проведения геотехнического мониторинга

На основании проведенных исследований [18], процесс геотехнического мониторинга представлен в виде обобщенной схемы (рис. 2), из которой видно, что в процессе проведения мониторинга собирается достаточно большой массив данных, на основании которого строятся графики изменения перемещения фундаментов здания во времени, графики термометрических наблюдений за грунтовым массивом и пр. Данный факт обосновывает необходимость автоматизации сбора и обработки данных геотехнического мониторинга.

Рис. 2. Обобщенная схема проведения геотехнического мониторинга
при возведении строительного объекта в криолитозоне
Источник: [18]

Разработка программного комплекса для обработки результатов геотехнического мониторинга

Первым этапом создания программного комплекса для обработки результатов геотехнического мониторинга для возведения строительных объектов в криолитозоне является создание блок-схемы, на которой отображен алгоритм работы программы (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема программного комплекса
для обработки результатов геотехнического мониторинга
Источник: данные авторов

Для удобства и упрощения разработки программного комплекса, было принято решение разбить программу на несколько файлов с расширением.py – это файлы, содержащие исходный код программы или сценария, написанный на высокоуровневом языке программирования Python.
Код программы разбит на несколько файлов, представляющих в совокупности структуру программного комплекса (рис. 4):

Рис. 4. Файловая структура программы
Источник: данные авторов

vkr.py – файл, содержащий элементы интерфейса, созданного в программе Qt Designer;
vkr_code.py – файл, содержащий основной код программы;
class_Canvas.py – файл, в котором находится класс для создания графиков.
Графическая структура, описанная в файле vkr.py, представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структура интерфейса программы
Источник: данные авторов

Структуры меню «Файл» и «График» представлены на рис. 6.

Рис. 6. Структуры меню «Файл» и «График»
Источник: данные авторов

Основное окно программного комплекса для обработки результатов геотехнического мониторинга для возведения строительных объектов в криолитозоне выглядит следующим образом (рис. 7):

Рис. 7. Главное окно программного комплекса
для обработки результатов геотехнического мониторинга
Источник: данные авторов

Меню «График» содержит функцию «Создать» (можно вызвать сочетанием горячих клавиш «Alt+R»), с помощью которой можно построить график зависимости глубины от температуры.
Помимо функций в строке меню главное окно содержит поля ввода для контрольного значения температуры и строки для анализа (рис. 7), кнопку «Анализ», нажатие на которую происходит запуск соответствующего алгоритма, и виджеты для отображения результатов мониторинга и непосредственно открытого файла.
Для того, чтобы убедиться в правильной работоспособности созданного программного комплекса, необходимо провести его тестирование. Для этого использованы данные мониторинга Якутского комбината строительных материалов и конструкций, предоставленные лабораторией № 8 механики мерзлых грунтов и расчета оснований центра геокриологических и геотехнических исследований Национально-­исследовательского института оснований и подземных сооружений (НИИОСП) им. Н. М. Герсеванова – структурного подразделения АО «Национально-­исследовательский центр «Строительство» [17].
Для этого импортирован файл с данными в программу с помощью меню «Файл» -> «Открыть». В программе данные из открытого файла отображаются в виде таблицы (рис. 8):

Рис. 8. Программа после импорта данных
Источник: данные авторов

Далее необходимо ввести контрольное значение температуры в соответствующем поле. После нажатия на кнопку «Анализ» происходит работа алгоритма, после которого все ячейки со значениями, превышающими контрольное, были выделены синим цветом, а в виджете справа выведены строки, в которых были найдены эти значения (рис. 9):

Рис. 9. Результат работы алгоритма
Источник: данные авторов

При необходимости можно ввести номер конкретной строки для анализа данных в ней – для этого нужно ввести номер строки в соответствующее поле. Для того, чтобы вывести график по заданной строке можно воспользоваться функцией «Создать» меню «График» или воспользоваться комбинацией «горячих клавиш» «Alt+R». В результате этого появится окно с графиком зависимости глубины от температуры для заданной строки (рис. 10).

Рис. 10. График, построенный по данным 19 строки
Источник: данные авторов

При работе с графиком присутствует панель вспомогательных опций, таких как масштабирование, увеличение/уменьшение изображения, сохранение графика в различных расширениях и т. д.

Заключение и рекомендации по дальнейшему развитию программного комплекса

Программный комплекс, созданный в результате данной работы, не является многофункциональным и всеобъемлющим, поэтому можно предложить ряд рекомендаций по дальнейшему развитию комплекса для обработки результатов геотехнического мониторинга для возведения строительных объектов в криолитозоне:

  1. Осуществить поддержку всех контролируемых параметров геотехнического мониторинга для возведения и реконструкции объектов строительства в криолитозоне.
  2. Добавить поддержу ГИС.
  3. Разработать функционал для автоматизированного создания отчетов.
    При дальнейшей разработке можно не ограничивать функционал программного комплекса только данными по криолитозоне, а создать полноценный универсальный комплекс, который будет полезен специалистам вне зависимости от геоположения строительного объекта.

Таким образом, в ходе разработки программного комплекса для автоматизации обработки результатов геотехнического мониторинга для возведения строительных объектов в криолитозоне решены следующие задачи:

  • выполнен анализ публикаций и современной практики обработки результатов геотехнического мониторинга;
  • разработана обобщенная схема проведения геотехнического мониторинга;
  • разработана блок-схема автоматизированной программы обработки результатов геотехнического мониторинга;
  • разработана автоматизированная программа обработки результатов геотехнического мониторинга и выполнены тестовые расчеты, которые подтверждают ее работоспособность.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-55-71003 «Быстрые изменения окружающей среды в Арктике: последствия для благополучия населения, устойчивости развития
и демографии Арктического региона».