Модель строительного мониторинга

При рассмотрении строительного мониторинга как инструмента обеспечения инженерной безопасности целесообразно формализовать пространство действия мониторинга. Определим два вида пространства, в которых функционирует мониторинг:

• информационное пространство - двумерное пространство (информация как независимое измерение плюс время). В информационном пространстве мониторинг получает (потребляет) информацию, перерабатывает информацию и выдает (сообщает) информацию;
• пространство реальных событий - четырехмерное пространство (три декартовых координаты плюс время), в котором происходят все ощущаемые нами события. В пространстве реальных событий мониторинг передает информационный продукт (рекомендации) службам, ответственным за ликвидацию или пресечение деструктивного события. Информационное пространство можно рассматривать как модель, в рамках которой удобно анализировать функцию мониторинга с точки зрения его качества и достижения основной поставленной цели.

Если рассматривать пространство реальных событий, то цель мониторинга считается достигнутой, если развитие деструктивного события пресечено или само деструктивное событие ликвидировано. С точки зрения информационного пространства цель мониторинга считается достигнутой, если деструктивное событие обнаружено. В рамках модели информационного пространства примем, что факт обнаружения деструктивного события эквивалентен факту пресечения деструктивного события. Это допущение строится на предположении о том, что организация мероприятий по ликвидации деструктивного события реализована абсолютно идеально и факт обнаружения деструктивного события однозначно означает его ликвидацию. Эта посылка не является сугубо абстрактной, напротив, отделив факт фиксации деструктивного события от дальнейших действий по его ликвидации, мы получаем возможность сконцентрироваться на анализе измерительного мониторинга для того, чтобы оценить его качество и дать рекомендации по его оптимальной организации как процесса.

Двумерное информационное пространство имеет две координаты: информация (по оси ординат) и время (по оси абсцисс). Информация, как переменная, может быть строго неотрицательной (т. е., либо информации нет, либо она представлена некоторым положительным числом). По аналогии с временным конусом в пространстве Минковского в точке пересечения осей абсцисс и ординат мы имеем момент настоящего, которое связано с измерительным мониторингом и измерительный блок поставляет системе текущую информацию.

Левая (отрицательная) полуось абсцисс представляет прошлое - здесь присутствует информация, заданная предыдущим этапом и поставляемая в систему мониторинга через механизм нормативного блока.

Соответственно, правая, положительная полуось времени, представляет область будущего, информацию о котором продуцирует блок систематизации в виде прогнозов развития событий, моделирования и различных сценариев, и, в конечном итоге - в виде рекомендаций, базирующихся на сумме знаний о деструктивном событии в прошлом и настоящем.

Понятие "информации о деструктивном событии" можно рассматривать как некую абстрактную переменную, фиксация которой - главная цель мониторинга в информационном пространстве. Каждый блок мониторинга имеет свои возможности для определения деструктивного события соответствующего уровня. Например, определение качества бетона в пределах нормативного блока позволяет выявить и пресечь деструктивное событие в том случае, если заявленные параметры бетона не соответствуют протоколу лабораторных испытаний.

Измерительный блок, в свою очередь, непосредственно фиксирует факт деструктивного события в процессе проведения контрольных измерений. При этом важно видеть, что измерительный блок - более высокая ступень обнаружения деструктивного события по сравнению с нормативным блоком, поскольку фильтрация причин деструктивного события в рамках нормативного блока не распространяется на причины, возникающие в процессе реальной эксплуатации контрольного объекта. Далее, не всегда информация, представленная нормативным блоком и измерительным блоком мониторинга, достаточна для фиксации деструктивного события.

Блок систематизации, при соответствующей модели обработки полученной информации, позволяет зафиксировать деструктивное событие, недоступное аналитическим механизмам предыдущих двух блоков. Наконец, существует такой уровень информации о деструктивном событии, который не "ловится" в рамках заданной системы строительного мониторинга. Цель данного исследования - определить практические параметры, рекомендации и установки по организации строительного мониторинга таким образом, чтобы максимизировать вероятность обнаружения деструктивного события в информационном пространстве.

Рассмотрим более подробно функциональный блок строительного мониторинга, связанного с контрольно-измерительной аппаратурой. Измерительный мониторинг, являющийся одним из важнейших компонентов строительного мониторинга в целом, присутствует на двух этапах последовательного осуществления: на этапе контроля и на этапе анализа.

Введем следующие функции и переменные:

А - точность измерительного мониторинга;

В - стоимость измерительного мониторинга;

С - долговечность измерительного мониторинга;

D - степень (величина) деструктивного события;

T - текущее время контроля;

Tmax - максимальное время контроля.

Определим взаимосвязь введенных функций и переменных. Примем за аксиому тот факт, что точность и долговечность измерительного мониторинга суть функции стоимости, при этом точность и степень деструктивного события еще зависят и от текущего времени контроля: A (B, t) ;C (B) ; D (t) ; Tmax = const. Система измерительного мониторинга тем точнее, чем меньше A (B, t). Фактически, А (ВД) - относительная погрешность измерения.

В качестве базовой установки примем, что анализируемые параметры имеют три градации: низшая, средняя, высшая. В такой постановке мониторинг как технико-экономический объект по качеству, стоимости и сроку службы может иметь 1, 2 и 3 класс соответствия. Если введенные выше функции точности, долговечности и стоимости рассмотреть как параметры, характеризующие конкретную систему мониторинга, то возможно присвоить параметрам точности мониторинга индекс А, параметрам стоимости - индекс В, а параметрам срока службы - индекс С. В таком случае можно для конкретной системы мониторинга получить краткое обозначение, характеризующее ее в этих терминах.

Система измерительного мониторинга - продукт наукоемкий, включающий в себя результаты применения высоких технологий. Достижение более высокой точности однозначно связано с увеличением затратных средств. То же относится и к созданию систем измерительного мониторинга с более высокой долговечностью. С другой стороны, не всегда объем затраченных средств и полученная в результате точность измерительного мониторинга (или долговечность) находится в разумном соотношении. Поэтому попробуем вывести некоторые заключения, характеризующие оптимальность организации измерительного мониторинга в переменных "точность - долговечность - стоимость - время".

Введем функцию технического качества измерительного мониторинга: E (B, t) = C (B) /A (B, t) (1)

По аналогии с (1) введем функцию уровня деструктивного события: l (t) = Tmax/D (t) (2)

Типичные варианты зависимостей Е (ВД) и l (t) изображены на Рис. 3 а-3 в. На рис. 4 а-4 б представлены типичные виды зависимостей точности долговечности и технического качества измерительного мониторинга от его стоимости. Все функции представлены в некоторый фиксированный момент времени I. N. На рис. 4 а представлены 3 различные деструктивные события, определяемые в момент to соответствующими уровнями

Dl (tN), D 2 (tN), и D 3 (tN)

Для определения параметров оптимального мониторинга в заданный момент времени to, обратимся к иллюстрации, представленной на рис. 36. С точки зрения достижения максимального качества системы измерительного мониторинга при увеличении затрат от Bi до В 2 в фиксированный момент времени to, необходимо, чтобы площадь фигуры, ограниченной функциями E (B, to) (от Bi до 62) и l (to), а также вертикальными прямыми В= Bi и В=В 2, была максимальной, т. е. чтобы функция технического качества при вложении дополнительных средств АВ= В 2 - В выросла как можно больше, тем самым "захватив" в зону доминирования как можно больше уровней функции развития деструктивного события l (t).

Выражение (4) может быть использовано для выведения условий оптимального мониторинга в пространстве "точность-долговечность-стоимость" в фиксированный момент времени.

Проанализируем выражение (4) : - при низких значениях функции технического качества (Е<1) выражение отрицательно. При этом любые траты вплоть до максимума, не дают эффекта. Другими словами, если тратить деньги на установку низкоточных недолговечных датчиков в большом количестве, оптимума измерительного мониторинга не достичь.

• при фиксированных средних/высоких значениях функции технического качества (соответственно, точности и долговечности) оптимум мониторинга достигается при возрастании затрат ЛВ;
• при фиксированном значении затрат АВ оптимальный мониторинг достигается при максимуме Е, т. е. максимальных точности и долговечности;
• при большом значении I для достижения оптимального (максимально качественного) мониторинга необходимо, прежде всего, повышать точность в сочетании с долговечностью на заданном объеме затрат ЛВ. Другими словами, если высока вероятность деструктивного события (например, слабые грунты оснований), то лучший мониторинг достигается установкой максимально точных и долговечных датчиков на удельную сумму затрат;
• при малых значениях I можно обойтись мониторингом низкой точности с низкой долговечностью при увеличении затрат на установку большого количества датчиков. Другими словами, в таком случае достаточно иметь экстенсивный способ организации измерительного мониторинга.

Приведенный опыт построения аксиоматических основ и системного анализа может быть полезен при построении общей теории строительного мониторинга. Современная практика, к сожалению не всегда являющая примеры абсолютно безопасного и надежного строительства, настоятельно требует обязательного и повсеместного введения мониторинга. Эта тенденция, будучи сегодня содержательно обоснованной, должна привести к нормативным документам, формально закрепляющим мониторинг, как на стадии проектирования, так и на стадиях строительства и эксплуатации сооружений.

Дальнейшие исследования в области теории строительного мониторинга целесообразно развивать в следующих направлениях:

• изучение проблем нормативного и системного мониторинга;
• формирование оптимальной приборной базы, исходя из положений оптимального соотношения "точность-долговечность-стоимость" ;
• развитие перспективных направлений измерительных систем для строительного мониторинга, в частности, датчиков на базе волоконной оптики;
• проведение большого числа лабораторных и натурных испытаний, установка систем мониторинга на различные объекты с целью повышения безопасности и, одновременно-с целью накопления опыта в реальном времени.