СЪВРЕМЕННИ МЕТОДИ ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ НА ДЕФОРМАЦИИ НА ИНЖЕНЕРНИ СЪОРЪЖЕНИЯ

инж. Иван Янков, УАСГ, докторант към катедра „Приложна геодезия”

E-mail: i_r_iankov@abv.bg, ivan.iankov@gmail.com

Резюме:

Определянето на деформации на инженерните съоръжения по време на тяхното изграждане и експлоатация има сериозно отношение към тяхната сигурност. Наред с това са в сила и изискванията за висока тоност на определяне стойностите на деформациите, както и максималната ефективност при извършване на измерванията (максимално бързо измерване, осигуряващо необходимата точност). Основни фактори, които влияят на точността и ефективността на измерване са методът на измерване (респективно инструментите, които се използват), правилният избор на местата и стабилизирането на мрежата от изходни и контролни точки, както и методът на обработка на резултатите от измерванията. Освен от точността изборът на метод зависи силно и от вида на съоръжението, чиито деформации се изследват, а също и честотата на измерване (интервалите от време между отделните цикли).

В разработката са разгледани някои съвременни методи за изследване на деформации като спътниковите измервания и лазерното сканиране. Разгледани са принципите на работа при тези методи и възможността за тяхното прилагане в различни случаи, както и възможностите за оптимизация на методите в зависимост от конкретните условия. Застъпен е и въпросът с автоматизацията на дейностите по определяне на деформациите и деформационния анализ.

Abstract:

Determining deformations of the engineering installations while they are building and exploiting has a serious relation to their security.

Besides, the requirements of high accuracy of the deformations as well as the maximum effectiveness at measuring (maximum swiftness of measuring, producing the required accuracy) are valid.

Basic factors that have influence on the accuracy and the effectiveness of the measuring are the technique of measuring (respectively the utilized instruments), the right choice of the sites and the laying of the net of initial and control points as well as the technique of processing of the results from the measuring.

To choose a technique depends hardly on the type of the engineering installation, which deformations are studying, and on the measuring frequency (the intervals of time between the single cycles).

In this paper, there are considered some of the recent techniques of studying the deformations as the satellite observations and the laser scanning. There are looked at the basic principles of processing and their applications in different occasions as well as the opportunities for optimization of these techniques according to the specific circumstances. The problem with the automation activities in determining the deformations and the deformation analysis is concerned.

1. Въведение

Въз основа на развитието на технологиите в последните години голям интерес представляват изследванията на различните съвременни методи в геодезията с цел прилагането им в различни нейни области. Една приложните области на геодезията е изследването на деформации на инженерните съоръжения по време на тяхното строителство и експлоатация.

Деформациите представляват малки премествания на цялото съоръжение или взаимно преместване на различни части от него въз основа на промени в земната основа или възникнали или непрекъснато действащи напрежения и натоварвания от околната среда или вследствие на експлоатацията. Деформациите могат да бъдат опасни ако се проявяват в определени направления и големини. Резултат от тяхното появяване може да бъде затрудняване на експлоатацията на съоръжението, повреда в технологично оборудване и дори разрушаване на съоръжението, което често е съпроводено със сериозни материални щети и човешки жертви. Поради тази причина изследването на деформациите на съоръжението е една от съществените дейности свързани с неговата поддръжка, експлоатация и безопасност.

Инженерните съоръжения могат да бъдат изключително разнообразни по своя характер (конструкция, предназначение, размер и т.н.). Освен това факторите, които пораждат и влияят на деформациите също са разнообразни. Това налага систематизирането на видовете деформации и въвеждането на определени критерии и параметри, както и методи за представяне на резултатите, така че да бъде по-лесен техният анализ.

Следенето на деформации на дадено съоръжение се извършва въз основа на техническо задание. В това задание конструкторът на съоръжението (или съвместно с геодезиста) посочва т. нар. наблюдавани точки. Това са характерни точки от съоръжението избрани съгласно конструкцията и в същото време на сравнително удобни за прецизно измерване места. Освен това в заданието се посочва и стойността на минималната деформация, след настъпването, на която съоръжението може да счита за стабилно. Въз основа на тази стойност и съобразно конструкцията и земната основа се извежда времевия интервал, през който ще бъдат извършвани отделните цикли от измервания, както и точността на измерване.

Определянето на времевия интервал между отделните цикли е от значение за представителността на резултатите, получени при следенето на деформациите. Колкото по-малък е този интервал (по-често се извършват измервания), толкова по-детайлно се установява поведението на съоръжението. От друга страна, обаче прекалено честите измервания са икономически неефективни и поради това се търси разумен баланс между двете противоречащи си изисквания.

Често резултатите от определянето на деформациите на дадено инженерно съоръжение в поредния цикъл се предоставят за анализ на конструктора на съоръжението или друг специалист в областта. На база получените резултати се извършва анализ за поведението на съоръжението. Това налага резултатите да бъдат представени по определен начин (графично и аналитично).

Стойностите на деформациите обикновено са относително малки. Поради това в изключително голям процент от случаите се изисква висока точност при тяхното определяне. Обикновено се работи в локална координатна система с цел да не се огрешават допълнително резултатите от използването на точки от държавната мрежа. Точността, която трябва да бъде постигната обикновено води и до избор на метод на измерване, но в избора на метод участват и другии критерии. Задължително е избраният метод на измерване и съответно инструментът, с който той ще бъде реализиран да осигуряват необходимата точност, да бъдат икономически ефективни (дейностите да се реализират за минимално време и с минимален брой обслужващ персонал), както и да бъде възможно прилагането им в определения случай.

Деформациите могат да бъдат класифицирани по различни показатели. В зависимост от размерността на пространството, в което се проявяват могат да бъдат едномерни (най-често вертикални), двумерни (по-положение) и тримерни. Деформациите могат да бъдат абсолютни или относителни. Абсолютни са деформациите отнесени към нулевия цикъл на измерване, а относителните са деформациите между два последователни цикъла на измерване. Формулите, по които става изчислението са:

където Q_i^j е стойността определена в точка i в цикъл j, а ΔQ_iе съответната деформация. По формула (1) се изчислява големината на абсолютната деформацията, а по формула (2) – на относителната.

При деформациите по положение или в тримерното пространство може да се определи и векторът на деформацията, както и скоростта. Векторът на деформацията освен големина има и посока, която се определя от посочния ъгъл на правата дефинирана от точките от двата цикъла.

От съществено значение е резултатите от обработката на измерванията да се представят с техните доверителни интервали (при графично представяне) и средни квадратни грешки. Оценката на точността дава информация за това дали грешките при определянето на координатите на точките са достатъчно малки и следователно разликата в координатите на една и съща точка от два цикъла на измерване се дължи на деформация, а не на грешки в измерванията.

2. Изследване на деформации чрез спътникови навигационни системи

2. 1. Общи положения

С развитието на спътниковите навигационни системи се увеличава непрекъснато тяхното приложение в различни области на човешката дейност и в геодезията. В последно време се извършват изследвания и се разработват методи за прилагането на този вид измервания и при изследването на деформации на инженерни съоръжения и конструкции.

Към момента действащите спътникови системи са NAVSTAR или по-известна като GPS разработена от САЩ и ГЛОНАСС – почти изцяло изградена за пълно покритие на цялата Земя, разработена от Русия. Има проект и тестови изпитания на спътници и за трета спътникова система – „Галилео”, разработвана от Европейската космическа агенция.

С открити кодове и права за граждански достъп за геодезически измервания в момента е системата NAVSTAR (GPS), като това в най-скоро време предстои да се случи и с ГЛОНАСС.

Спътниковите навигационни системи се състоят от земни контролни станции, космически компонент и потребителски компонент.

За GPS земните контролни станции са седем и служат за контрол и корекция на орбитите на спътниците и сверяване на часовниците.

Космическият компонент на системата NAVSTAR се състои от 21 спътника, 18 от които са действащи и 3 резервни, движещи се на резервни орбити. Спътниците се движат в шест орбити по три спътника. Орбитите са приблизително кръгови, височината над Земята е около 20 200 km с период на една пълна обиколка 11 h 58 min.

Спътниците от системата GPS излъчват сигнали на фундаментална честота f₀=1.23 MHz. Всеки спътник е снабден с по четири атомни часовника за прецизно отчитане на времето. Всеки спътник излъчва синхронни сигнали за време, навигационни параметри и допълнителна информация. Съвкупността от тези данни се нарича спътниково или навигационно съобщение. Навигационните съобщения се предават на две т. нар. носещи честоти, които се означават съответно с L1 и L2. Те са функция от фундаменталната честота и имат стойности L1=154f₀=1575.42 MHz, L2=120f₀=1227.60 MHz. Двете носещи честоти допълнително са модулирани с прецизен код (P-код) с честота f₀, а честотата L1 е модулирана и с груб код с честота f₀/10 (C/A-код), който е опознавателен и служи за навигация.

Потребителският компонент на системата GPS (това важи и за другите навигационни системи) се състои от приемници и съответния софтуер за обработка на наблюденията. Има приемници, които приемат сигнали само на честота L1 (едночестотни приемници) и такива които приемат и двете носещи честоти L1 и L2 (двучестотни приемници).

Провеждани са изследвания с цел получаване на оптимален метод за изследване на деформации с използване на спътникови навигационни системи. Това означава избор на тип приемници, определяне на броя на използваните приемници, влиянието на различни фактори върху точността на измерванията и респективно крайните резултати, както и методите за обработка на измерванията.

При производителите на GPS приемници се наблюдава тенденция към намаляване на размера на оборудването. Това е още един съществен фактор, тъй като съответната апаратура става по-лесно преносима и по-лесно и безопасно използваема дори и при по-необичайни условия на измерване, при каквито се случва понакога да се работи при изследване на деформации.

GPS измерванията могат да бъдат автоматизирани и управлявани в реално време. Както бе споменато по-горе приемниците могат да бъдат едночестотни (приемащи и обработващи сигнал на честота L1) и двучестотни (приемащи и обработващи сигнал на честоти L1 и L2). Цената на двучестотните приемници обикновено е значително по-висока от цената на едночестотните. При изследване на деформации на повечето видове инженерни съоръжения (например язовирни стени) обикновено броят на наблюдаваните точки е значителен. За изследване на деформации посредством спътникови навигационни системи се работи изключително в режим Post Processing. Това е режим с набиране на данни (измерване на елипсоидните хорди между точките) и тяхната последваща обработка. За измерване на една хорда е небходимо два приемника (в двете точки, които я определят) да измерват едновременно. От тук следва, че при голям брой наблюдавани точки, е нужен по-голям брой приемници за измерването на хордите меджду тях. При използване на двучестотни приемници разходите значително се увеличават поради по-високата цена на двучестотните приемници. Както е известно върху GPS измерванията влияние оказват редица фактори. Един от най-съществените е рефракцията (закъснението на сигнала) породена от йоносферата и тропосферата. При прецизни измервания, каквито са тези при изследване на деформации рефракцията намалява точността на измерванията и следва да се вземе предвид. При едночестотните измервания не могат да бъдат директно определени корекциите заради йоносферната и тропосферна рефракция. На основата на емпирични данни се счита, че тези корекции са пренебрежимо малки за хорди с дължина под 10 km, но се оказва, че при повишена слънчева активност (наличие на тъмни петна по повърхността на Слънцето, съпроводени със засилена магнитна активност), се наблюдава съществено влошаване на сигнала приеман с честота L1 и така точността пада дори за хорди под 10 km.

Поради това е удачно комбинирането на едночестотните приемници с малък брой двучестотни, които са разположени по подходящ начин и с помощта на които се извеждат корекции заради смущенията предизвикани от йоносферата и тропосферата.

2. 2. Изследване на деформации чрез GPS измервания с комбинация от едночестотни и двучестотни приемници

Изследването на деформациите на инженерни съоръжения обикновено се свежда до следенето на преместванията на определена група от точки, наречени наблюдавани точки. Може да се каже, че в комбинация с изходните и контролни точки те образуват мрежа, чрез която се изследва съответното съоръжение.

Както при класическите ъглово-линейни измервания, така и при GPS измерванията съществено влияние върху точността имат следните три фактора Точността на измерванията, точността на изходните данни и геометричната конфигурация. Както бе споменато най-често при следене на деформации се работи в локална координатна система с цел елиминиране на влиянието на грешките в изходните данни.

Геометричната конфигурация на мрежата зависи от местоположението на наблюдаваните точки (обикновено определяни от конструктора на съоръжението) и правилния избор на местата на изходните и контролни точки, така че освен да бъдат удобни за използване и запазени от унищожаване, да бъдат по възможност извън деформационната зона на съоръжението и да осигуряват добра геометрична конфигурация на засечките, т.е. ъгъл на засичане при наблюдаваната точка между 30^g и 160^g. Освен тези изисквания при GPS измервания с комбинация от едночестотни и двучестотни приемници при изграждането на мрежата е необходимо да бъде спазено и следното изискване. Наблюдаваните точки, наблюденията върху които обикновено се извършват с едночестотни приемници да попадат изцяло във фигура, върховете на която са станции на двучестотни приемници. Наблюденията от тези станции, които се явяват като референтни (наблюденията на тях са непрекъснати през цялото време на измерване на мрежата), служат за извеждане на йоносферните и тропосферни корекции за района на измерване. На фиг. 1 е показан пример за взаимно разположение на референтни двучестотни приемници и едночестотните приемници на наблюдаваните точки.

При GPS измервания хордите се изчисляват на база единични, двойни и тройни фазови разлики. Най-масово се използват двойните фазови разлики. Ако от две точки i и j са наблюдавани спътниците и , могат да се запишат следните уравнения:

където Ф са фазите на сигналите приемани в съответната точка от съответния спътник, λ е дължината на вълната, е псевдоразстоянието от съответната точка до съответния спътник, N е съответстващият на брой на целите дължини на вълната в ρ псевдоразстоянието (нееднозначност), f е носещата честота, а δ са грешките в часовниците съответно на приемниците и спътниците.

Разликата между уравнения (3) се нарича единична фазова разлика, която елиминира грешката в часовниците на спътниците:

Разликата между уравнения (4) е разликата между единичните фазови разлики за двата спътника и се нарича двойна фазова разлика:

където

Уравнението на измерване за хорда между референтна точка R_i и коя да е наблюдавана точка с едночестотен приемник k (фиг. 1) е:

където α са параметри отнесени към точка с едночестотен приемник и удовлетворяват уравненията:

където r е броят на референтните станции с двучестотни приемници. Останалите недефинирани до момента параметри от уравнение (6) са V – вектор на поправките и ε_ΔΔФ– носеща фаза на шума при измерването.

В уравнение (6) изразът  се явява корекцията за йоносферното и тропосферното закъснение.

Уравнението на измерване за хорда между две наблюдавани точки j и k (с едночестотни приемници) е:

като α^j,k = α^k – α^j.

От съществено значение, както бе споменато по-горе е точността, която се постига. Изследвания на тази технология са проведени от екип на проф. Крис Ризъс (Chris Rizos) от Университета в Нов южен Уелс – Австралия. Изследванията са проведени за мрежа в Южна Калифорния (средна географска ширина) в периода 8–10 август 2000 г. Това е период на повишена магнитна слънчева активност. Анализът на резултатите показват, че при нанасяне на йоносферните и тропосферни корекции средната квадратна грешка намалява с 40 – 50 %, като по положение грешката е под 1 cm, а по височина 1.5 – 3 cm.

3. Използване на лазерното сканиране като метод за регистриране и анализ на деформации

3. 1. Основни принципи на лазерното сканиране

Лазерното сканиране е метод за съставяне на тримерни модели на заснемания обект. Основния принцип на работа на лазерния скенер не се отличава от принципа на измерване на безрефлекторната тотална станция. На фиг. 2 е показан модел на лазерен скенер на канадската фирма Optech. От инструмента се изпраща към заснемания обект лазерен лъч, който се отразява и попада обратно в обектива на инструмента. Разстоянието до обекта се изчислява на база времето за пропътуване на лъча до обекта и обратно. При известна стойност на хоризонтална посока (спрямо дадена точка) и известна стойност на зенитния ъгъл могат да бъдат изчислени пространствените координати (полярни или правоъгълни) на всяка заснета точка.

Фиг. 2

При геодезическо заснемане на даден обект се извършва координатно определяне на дискретно множество от точки, които достатъчно представително да описват обекта и да позволяват създаването на коректен негов модел. При лазерното сканиране по същество се извършва същото, но в този случай се определя значително по-голямо множество от точки (зависещо от разстоянието и резолюцията на скенера) и по този начин се изгражда значително по-пълна (на практика пълна) снимка на обекта. Всяка от заснетите точки след обработка получава пространствени координати в координатната система, в която се работи. Освен това при заснемане скенера записва и т. нар. лазерна отметка на всяка точка. Това е степента на поглъщане на енергията на лазерния лъч, която се определя от цвета, материала и други характеристики на елемента, върху който е разположена точката. Това позволява изображението, получено от скенера да бъде оцветено в тонове на сивото (grayscale) и по този начин да бъде улеснено дешифрирането на обектите. При сканиране има възможност за съчетаване на сканерното изображение с фотографско изображение с висока резолюция (извършено съвместно със сканирането или отделно от него), което да даде реалните цветове на заснемания обект.

На практика в повечето случаи е невъзможно да бъде обхванат заснемания обект с еднократно сканиране, поради което е предвидена възможност трансформация и привързване на отделни изображения направени от различни станции.

На фиг. 3 и фиг. 4 са показани изображенията на сграда получени съответно от фотографско заснемане и лазерното сканиране.

3. 2. Точност на лазерното сканиране

Както бе споменато при лазерното сканиране се получава практически пълно изображение на заснемания обект, което след обработка представлява негов 3D модел. По този показател информацията, която предоставя лазерния скенер е несравнима с информацията, която предоставя кой да е друг геодезически инструмент или метод, като се има предвид, че събирането на тази информация става автоматично (по време на сканирането не е необходима непрекъсната операторска работа) и за кратък период от време.

При деформационния анализ това е изключително силно предимство защото чрез съставения по този начин модел на съоръжението е значително по пълен от колкото координатното определяне само на наблюдаваните точки. Освен това софтуерът на повечето скенери позволява наслагване на изображенията от различните цикли и подходящото визуализиране (например чрез подходящо оцветяване) на местата където се явяват разлики (т.е. деформации).

От съществено значение обаче остава въпросът със точността, която може да предостави лазерният скенер, защото както бе споменато тя е от особено значение при изследването на деформации и евентуалната невъзможност за постигане на нужната точност при определени условия би могла да обезмисли предимствата на сканирането. Следователно е необходимо изследване на точността, която дава сканирането като метод, както и факторите, от които тя зависи. Това е от съществено значение за оптималното използване на този съвременен метод.

Лазерните скенери от висок клас по проспектни данни от производителите (Leica, Optech и др.) дават точност при измерване на ъгъл от порядъка на 4^cc, точност при измерване на разстояние 4 mm/km и съответно точност в координатите на точка определена с единично измерване 6 mm. Както и при другите видове инструменти в различни случаи на измерване тази точност може да се намали под влияние на различни фактори. От друга страна би могло да се извърши многократно измерване на дадена точка, което да повиши точността на нейното определяне, както и да даде оценка на точността. Имайки предвид, че по същество лазерното сканиране се свежда до далекомерно измерване би следвало да се нанасят необходимите корекции за рефракция и други смущаващи фактори, влияещи на разпространението на електромагнитните вълни.

4. Заключение

В заключение може да бъде направено обобщението, че развитието на технологиите оказва влияние и върху дейностите по регистриране и анализиране на деформациите на различни инженерни съоръжения. Освен улесняване и ускоряване на процеса на измерване, съвременните технически средства позволяват интегрирането на измерителната апаратура с устройства за предаване на данни (например радио-модем) в реално време към компютри. По този начин става възможно изграждането на системи за автоматизирано определяне на деформациите и други аспекти от поведението на дадено съоръжение. При това деформациите се определят в реално време, което прави възможна навременна реакция при възникване на критична ситуация. Естествено е изграждането на такива системи да струва повече средства от класическото наблюдение на деформациите, но има определени видове съоръжения (големи бетонови язовирни стени, високи кули и сгради, големи мостове и др.), където подобна инвестиция би била оправдана, имайки предвид пораженията, които би предизвикало разрушаването или повредата на съоръжението или част то него. Същото може да се каже и за по-малки, но подложени на непрекъснати динамични натоварвания съоръжения, където освен това е възможно присъствието на човек е нежелателно.

Изложените тук примери за използване на съвременни технически средства и методи за изследване на деформации не претендират за изчерпателност тъй като са възможни и други методи на прилагане на този вид измерителна апаратура в зависимост от конкретните условия, изисквания и клас на инструментите.

ЛУТЕРАТУРА

1. „Навгеоком”, Технологии лазерного сканирования, электронное издание, 2006

2. Boehler, W., M. Bordas Vicent, A. Marbs, Investigatinglaserscanneraccuracy, XIXth CIPA SimposiumatAntaliya, Turkey, 30.09.2003 – 4.10.2003

3. Jauger, R., S. Kaulber, M. Oswald, M. Bertges, GNSS/GPS/LPS based Online calarm system (GOCA)– Mathematical mtechnical realisation of a system for naturaland geotechnical deformation manalysis, Simposium FIG, Austria, 2006

 4. Janssen, V., C. Rizos, Mixed-mode GPS deformation monitoring – A cost-effective and accurate alternative, UniversitySydney, Australia, 2005

 5. Schneider, D., Terrestriallaserscanning forareabased deformation analysis of towers and water dams, Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Dresden University of Technology, Germany, 2006.