Программная часть, фундаментальная и организационная структура программно-аппаратного комплекса для обеспечения безопасности возводимых гидротехнических и гидроэнергетических сооружений

Полный текст

1. Введение В настоящее время повышенное внимание уделяется обеспечению безопасности гидротехнических сооружений (ГТС), в том числе в рамках требований Федерального закона № 117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений». В этих целях осуществляется постоянный контроль за состоянием гидротехнических сооружений, в первую очередь на основе контрольно-измерительной аппаратуры (КИА). Для получения и обработки результатов измерений контролируемых величин с помощью установленной в сооружениях КИА внедряются различные информационно-диагностические системы. Данная работа является продолжением исследований, представленных в [1-4], и описывает построение программной части программно-аппаратного комплекса (ПАК) на примере Загорских ГАЭС [5; 6]. 2. Методы Разработка программной части программно-аппаратного комплекса проводится на основе методов программирования. В рамках расчетного модуля, входящего в ПАК, разрабатываются пространственные конечно-элементные модели, на основе которых определяется напряженно-деформированное состояние ГТС (ГЭС/ГАЭС) и их оснований. В указанных конечно-элементных моделях воспроизводятся конструктивные особенности ГТС, включая межблочные строительные швы, присущие гидротехническому железобетону; основание сооружений и грунтовые засыпки за стенами сооружений. Также в конечно-элементных моделях воспроизводится этапность возведения сооружений, укладки грунтов в обратные засыпки за стенами ГТС. Данные обследований состояния ГТС, передаваемые в информационно-диагностическую систему, получены на основе визуальных и инструментальных методов. 3. Результаты ПАК представляет собой модульную оболочку, состоящую в базовом режиме работы из трех компонентов: объединенной информационно-диагностической системы (ИДС), расчетного (РМ) и экспертного (ЭМ) модулей. Объединенная ИДС осуществляет мониторинг и диагностику состояния ГТС. Для соблюдений действующей законодательной базы на ГТС установлены диагностические информационные системы, функционирующие независимо друг от друга. При этом изменение режима эксплуатации одной из станций оказывает существенное влияние на другую, в связи с этим возникла необходимость разработки единой системы, позволяющей проводить комплексный анализ состояния Загорской ГАЭС и Загорской ГАЭС - 2 с учетом их взаимного влияния. Разработанная система базируется на web-сервере, интегрирующем информацию по двум станциям. Информация по показаниям КИА представляется в виде WebUI c возможностью скачивания в текстовых и табличных форматах, при этом возможна отправка push-уведомлений о происшествиях. ИДС выполняет следующие функции: сбор и обработку данных мониторинга, представление данных пользователям, передача контролируемых показателей и факторов экспертному модулю. Расчетный модуль состоит из единых и локальных пространственных математических моделей: геофильтрационной (ГФМ), геомеханической (ГММ) и НДС. Все модели, совместно с многовариантными калибровочными и прогнозными расчетами, хранятся в РМ в формате данных, который позволяет обращаться к ним в режиме реального времени; описание элементов расчетного модуля подробно разбиралось в [1]. Для работы с математическими моделями широко применяются современные вычислительные комплексы, такие как Modflow, Midas GTS, Аnsys, примеры использования которых приведены в [7-12]. При разработке конечно-элементных моделей сооружений Загорских ГАЭС учитывался опыт моделирования ГТС [13-16]. При необходимости доработки моделей или при проведении дополнительных расчетных исследований изменения в расчетных моделях проводятся интерактивно в среде разработки каждой из них. В связи с разной конечно-элементной аппроксимацией, подбираемой исходя из баланса скорости расчетов и необходимой точности, математические модели не связаны между собой единой сеткой конечных элементов, обмен информацией происходит при помощи скриптов управления, передающих полученные решения из ГФМ в ГММ, а из ГММ в модель НДС в виде граничных условий. Расчетные сценарии моделирования выполнялись поэтапно, после каждого цикла расчетов результаты направлялись в следующий как граничные условия, кроме того, предавались в архив ПАК и экспертный модуль, что позволяет получить набор исходной информации для автоматизированного определения возможных опасностей. Экспертный модуль - блок, осуществляющий оценку состояния ГТС на основании сравнения натурных данных, поступающих в ИДС, и результатов, полученных по расчетным сценариям на математических моделях. При этом экспертный модуль может быть полностью интегрирован в расчетный модуль для оптимизации исходного кода и ускорения процессов оценки состояния ГТС. ЭМ при функционировании отдельным блоком ПАК в автоматизированном режиме выполняет следующие задачи: получение данных от объединенной ИДС, ведение баз знаний по сценариям/расчетным случаям и опасностям, оценку отклонений контролируемых показателей от расчетных значений, идентификацию возможных опасностей, заложенных экспертным путем, оповещение пользователей ПАК о выявленных опасностях путем рассылки push-уведомлений; Кроме базовых блоков используется модуль «Архив», основной целью которого является сбор исходной информации по выполненным исследованиям. Результаты научно исследовательских, изыскательских и ремонтных работ системно оцениваются и интегрируются в общую базу данных системы ПАК. Данный подход позволяет учитывать в разрабатываемых сценариях моделирования фактическое состояние сооружений и сравнивать показания объединенных ИДС с актуальными данными, полученными из проводимых исследований. Описание взаимодействия ПАК с другими системами. Отличительной чертой ПАК является гибкая структура интеграции с ИДС объектов, взаимодействие с которыми происходит по протоколам асинхронной репликации баз данных и файловых хранилищ, по заданному расписанию. Репликация распространяется в направлении от станционной ИДС к ПАК. Часть инструментария, обеспечивающего обмен информацией, представлена следующими средствами: 1) применение универсального http-протокола; 2) использование открытых форматов данных (txt, csv, xls, xlsx, xml) для передачи информации от удаленных систем; 3) применение скриптовых механизмов обработки и передачи данных в ПАК и между ПАК и внешней средой. Модульная архитектура ПАК представлена на рисунке. Она позволяет разделить функционал каждого элемента и организовать эффективное управление системой. Модернизация ПАК осуществляется подключением дополнительных модулей без переработки программы, что позволяет комплектовать систему не только предлагаемыми блоками, но и вносить разрабатываемые элементы, необходимые конкретному объекту. Рис. Модульная структура ПАК со схемой реализации процессов Figure. Modular structure of a hardware and software complex with a process implementation scheme Обмен информацией между модулями осуществляется с помощью интеграционного программного обеспечения ПАК и скриптов управления. По желанию пользователей реализованы два алгоритма передачи информации: 1) внутренний - взаимосвязь пользователей и модулей осуществляется по внутренним каналам внутри сервера ПАК без выхода в интернет; 2) внешний - взаимосвязь проходит по защищенному соединению через глобальную сеть. Клиентский запуск ПАК для авторизованных пользователей возможен через web-протокол с любого рабочего ПК. Требования к ПК зависят от глубины визуализации предоставления результатов расчетного модуля. Укрупненно алгоритм функционирования ПАК можно представить следующим образом: 1) работа с данными ИДС - в автоматизированном режиме или по желанию пользователя происходит репликация данных мониторинга ИДС в архив ПАК; 2) импорт данных из архива ПАК в экспертный модуль - скриптовая передача необходимой и структурированной информации из архива ПАК в экспертный модуль; 3) запрос экспертным модулем расчетных значений РМ и их сравнение с текущими показаниями ИДС; 4) инициация расчетным модулем скриптовых подпрограмм для поиска оптимального совпадения, формирование пула данных по расчетным сценариям; 5) направление пула данных в экспертный модуль для предварительной идентификации факторов, которые могут привести к изменению параметров; 6) определение «коридора» допустимого изменения значений для контролируемых параметров; 7) оценка величин выхода значений из допустимого коридора; 8) выдача оператору аналитической информации в случае нахождения в «коридоре», экстренное оповещение пользователей ПАК в случае выхода контролируемых параметров из допустимых значений (при этом в состав оповещения входит краткое описание опасности и ссылка на соответствующий набор выходных документов); 9) передача данных в архив ПАК для дальнейшего использования при оценке состояния ГТС. В общем виде информационные связи взаимодействия ПАК можно описать как: 1) получение данных мониторинга от объединенной ИДС - результаты мониторинга накапливаются в архиве ПАК; ЭМ получает их в автоматическом режиме не реже одного раза в сутки через WebUI, используя интегрированное в ПАК программное обеспечение; 2) вывод информации из РМ для формирования базы данных результатов расчетов - осуществляется при проведении расчетных исследований на этапе разработки системы, для обмена информацией используется WebUI, результаты сохраняются в архиве ПАК и передаются в ЭМ; 3) представление информации через WebUI в виде документов и информации - web-сервер ПАК предоставляет пользователю для просмотра и анализа: - технические документы о сценариях/расчетных случаях; - отклонениях контролируемых показателей от расчетных значений; - экспертные заключения о выявленных опасностях; - ретроспективные натурные данные из объединенной ИДС. 4) оповещение пользователей о выявленных опасностях - в случае выявления опасной ситуации всем пользователям направляются уведомления в виде e-mail сообщений, в которых находятся ссылки на описание предполагаемого сценария развития событий и натурные данные из объединенной ИДС; 5) при штатном режиме работы пользователям не менее одного раза в неделю направляется e-mail сообщение, подтверждающее нормальную эксплуатацию объекта. При возникновении ситуации под названием «инцидент» проводятся следующие операции: - фиксация ПАК нештатной ситуации - отклонений/нарушений в работе ГТС, превышение по диагностическим показателям критериальных значений; - формирование в ПАК первичного отчета о состоянии ГТС и его передача в адрес заказчика и экспертных организаций, которыми могут являться аналитический центр, генеральный проектировщик, экспертные центры и др.; - обработка экспертами полученных данных, разработка рекомендаций по выявлению и устранению обнаруженного инцидента; - принятие решения владельцем ГТС о необходимости и составе воздействий на основании данных ПАК и экспертного заключения. 4. Заключение В результате работ над ПАК реализована модульная оболочка, состоящая из объединенной ИДС, экспертного и расчетного модулей, позволяющая комплексно подходить к вопросу безопасности взаимовлияющих ГТС. Разработана структура внутренних взаимосвязей модулей и алгоритмы принятия решений при различных натурных показаниях контрольно-измерительной аппаратуры. Заложены программные связи, позволяющие оценить изменение параметров, которые могут привести к отклонениям/нарушениям в работе ГТС. Описана и разработана схема принятия решений при возникновении инцидентов, которая позволяет при помощи ПАК оперативно планировать и реализовывать воздействия для обеспечения надежности ГТС.

Об авторах

Антон Сергеевич Антонов

Научно-исследовательский институт энергетических сооружений (филиал АО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт “Гидропроект” имени С.Я. Жука»); Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: Antonov.An.S@yandex.ru

главный инженер по оборудованию и гидротехническим сооружениям, директор аналитического центра безопасности оборудования и ГТС НИИЭС (филиал АО «Институт Гидропроект), старший преподаватель кафедры гидравлики и гидротехнического строительства НИУ МГСУ, кандидат технических наук

Российская Федерация, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 2; Российская Федерация, 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26

Список литературы