Курсовая работа: Алгоритмы и математическое моделирование систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений

Введение.

Актуальность темы исследования:

В условиях интенсивного развития городской инфраструктуры, увеличения этажности зданий, усложнения конструктивных решений и роста числа уникальных и большепролетных сооружений, проблема обеспечения их безопасной эксплуатации приобретает первостепенное значение. По данным Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору, ежегодно в Российской Федерации фиксируется более 200 аварий и инцидентов на зданиях и сооружениях различного назначения, значительная часть которых связана с прогрессирующим ухудшением технического состояния конструкций, вызванным как естественным износом, так и воздействием внешних факторов. Традиционные методы обследования, основанные на визуальном осмотре и точечных инструментальных измерениях, носят дискретный характер, не позволяют отследить динамику изменения параметров в реальном времени и зачастую не обеспечивают своевременного обнаружения предаварийных ситуаций.

Переход к дистанционному мониторингу с использованием современных измерительных комплексов – наземного лазерного сканирования, спутниковой интерферометрии (InSAR), волоконно-оптических датчиков, систем вибродиагностики и глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) – позволяет формировать непрерывные временные ряды данных о перемещениях, деформациях и параметрах внешней среды. Однако эффективность таких систем определяется не только техническими характеристиками сенсорного оборудования, но и качеством алгоритмического и математического обеспечения, способного адекватно обрабатывать большие объёмы разнородной информации, выделять информативные признаки, отделять полезный сигнал от шумов и на этой основе строить достоверные прогнозы изменения технического состояния.

Актуальность работы усугубляется отсутствием унифицированных подходов к созданию алгоритмов обработки данных дистанционного мониторинга применительно к строительным объектам. Существующие методики часто заимствуются из смежных областей (геодезии, машиностроения) без учёта специфики строительных конструкций – нелинейного характера деформирования, влияния температурно-влажностных полей, длительных процессов ползучести и усадки материалов. В этой связи разработка специализированного алгоритмического и математического обеспечения, ориентированного на задачи мониторинга зданий и сооружений, является важной научно-практической задачей, решение которой позволит повысить достоверность оценки технического состояния, сократить время реакции на возникновение опасных отклонений и, в конечном счете, снизить риски аварий.

Степень разработанности темы:

Теоретические основы мониторинга строительных конструкций заложены в работах В.И. Травуша, Г.И. Шапиро, В.И. Колчунова, А.И. Бедова и др. Методы математической обработки геодезических и деформационных рядов рассматриваются в трудах Ю.В. Пискунова, В.С. Ринкевича. В последние годы активно развиваются подходы с использованием искусственных нейронных сетей и методов машинного обучения (исследования А.В. Касаткина, Д.С. Сухова, а также зарубежных авторов S. Hochreiter, J. Schmidhuber и др.). Вместе с тем, комплексные исследования, объединяющие вопросы фильтрации, выделения трендов, прогнозирования на основе гибридных моделей и интеграции с цифровыми двойниками, представлены фрагментарно, что определяет необходимость системного подхода к решению указанной проблемы.

Цель работы заключается в разработке и обосновании алгоритмического и математического обеспечения системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, обеспечивающего повышение достоверности оценки и прогнозирования изменений конструктивных параметров.

Задачи исследования:

- Провести анализ современных методов дистанционного мониторинга зданий и сооружений, выявить их преимущества и ограничения, а также сформулировать требования к обработке получаемых данных.

- Систематизировать типы первичных данных (геодезические, деформационные, вибрационные, метеорологические) и определить основные виды искажений, присутствующих в измерительной информации.

- Исследовать существующие математические модели, используемые для описания напряженно-деформированного состояния конструкций и временной динамики деформационных процессов.

- Разработать алгоритмы фильтрации, сглаживания и выделения трендов для временных рядов телеметрических данных, обеспечивающие повышение отношения сигнал/шум.

- Создать алгоритмы обнаружения аномальных отклонений и предаварийных ситуаций на основе комбинации статистических методов и методов машинного обучения.

- Предложить и апробировать методы краткосрочного и долгосрочного прогнозирования изменения технического состояния, включая модели на основе рекуррентных нейронных сетей (LSTM, GRU).

- Оценить эффективность разработанных алгоритмов на модельных и реальных данных, определить перспективы их интеграции в архитектуру системы мониторинга и цифровые двойники объектов.

Объект исследования:

Системы дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений, рассматриваемые как совокупность сенсорных подсистем, каналов передачи данных, алгоритмического и программного обеспечения.

Предмет исследования:

Алгоритмы сбора, предварительной обработки, анализа и прогнозирования параметров технического состояния, а также математические модели деформационных процессов, применяемые в рамках систем дистанционного мониторинга.

Методология исследования:

Теоретической основой работы выступают положения системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории цифровой обработки сигналов, регрессионного анализа, методов искусственного интеллекта (нейронные сети). Для решения поставленных задач применяются методы имитационного и натурного моделирования, сравнительного анализа, а также программная реализация алгоритмов на языке Python с использованием библиотек научных вычислений (NumPy, SciPy, Pandas, scikit-learn, TensorFlow/Keras). Верификация разработанных алгоритмов проводится на тестовых наборах данных, сгенерированных с учетом реальных статистических характеристик, а также на архивных данных систем мониторинга действующих зданий.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные алгоритмы и математические модели могут быть непосредственно использованы при создании автоматизированных систем мониторинга для конкретных объектов – высотных зданий, большепролетных сооружений, исторических зданий, а также при модернизации существующих систем контроля. Внедрение предложенного алгоритмического обеспечения позволит:

- повысить достоверность выделения информативных параметров за счет адаптивной фильтрации;

- сократить время обнаружения опасных отклонений за счет автоматизированного анализа временных рядов;

- перейти от пороговой системы сигнализации к предиктивной, прогнозирующей развитие ситуации;

- снизить эксплуатационные затраты на проведение периодических инструментальных обследований.