3 000 глаз для искусственного интеллекта. Как устроена система мониторинга конструкций Лахта Центра

    Самое сильное впечатление от небоскреба Лахта Центра получаешь, когда смотришь на него снизу, от подножия — вверх и кажется, что он уходит куда-то в небесную бесконечность. И вот именно тогда, а не с далеких городских ракурсов, захватывает дух от высоты и мощи. И где-то десятой очередью приходит мысль – хорошо точно знать, что строили толково и на совесть. И дважды хорошо, что у нас есть он, мониторинг. Разработка отечественных программистов, специально для комплекса. Волшебная вещь, для предотвращения малейшей возможности плохих вариантов развития будущего. Под катом – все о том, как это работает.




    Любое здание подвергается воздействию множества внешних сил. Перепады температуры и влажности, напор ветра, давление масс снега, неоднородность почвы и ее изменение с течением времени. На небоскребы с их размерами, массой и сложностью конструкции, это влияние возрастает многократно.
    Возникновение деформаций, зон повышенного напряжения конструкции опасно даже для небольших коттеджей, что уж говорить о небоскребах, где последствия незамеченных изменений в конструктиве несоизмеримо более критичны.

    image

    Поэтому во всех современных высотных зданиях применяются системы мониторинга деформаций, предполагающие использование целого комплекса инструментов контроля.

    image

    Лупа в этот инструментарий, конечно, не входит, зато входит множество датчиков. В Лахта Центре их порядка 3 тысяч, и расположены они во всех ключевых конструкционных элементах всех сооружений комплекса.

    Самая многочисленная группа – тензометры, находящиеся на переднем крае деформационной обороны. Это одни из самых надежных и долговечных, а потому и распространенных датчиков, которые используются для измерения деформаций и напряжений. Все дело в простоте конструкции.

    По сути, тензометр — это просто отрезок высокопрочной стальной проволоки — струны, натянутой внутри полой металлической трубки между двумя концевыми блоками. При деформации конструкции расстояние между концевыми блоками меняется, вместе с ним изменяется сила натяжения струны и, соответственно, частота колебаний. Смена состояния преобразуется в цифровые сигналы, которые через мультиплексоры и даталоггеры (регистраторы данных) передаются в систему мониторинга.

    image

    Тензометрические датчики приварены к металлическим балкам, залиты в бетон, а отсутствие возможности их обслуживания компенсируется многократным резервом количества. Он установлены даже в шахты ниже свайного поля до геодезических отметок минус 100 м.


    Кликабельно

    Сигнал с каждого из порядка 2,5 тыс. тензометрических датчиков Лахта Центра передается в систему мониторинга, и даже выход из строя отдельных тензометров — хотя особо там ломаться нечему — не особо отразится на точности общей картины состояния сооружения.


    Кликабельно

    Информация с тензометров аккумулируется раз в час и передается на сервер раз в шесть часов. Этого более чем достаточно для такого вялотекущего по своей природе процесса как деформация. Совсем другое дело колебания зданий – это процесс быстрый, непрерывный, а по изменению характеристик колебания также можно выявить изменения в конструкциях. Для этого через каждые несколько этажей башни Лахта Центра организованы контрольные пункты, оснащенные акселерометрами – измерителями колебаний.

    image

    Устройство простейшего акселерометра. Груз закреплён на пружине. Демпфер подавляет колебания груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменяя показания прибора

    На основе измерений строится амплитудно-частотная характеристика конструктивных элементов здания, а отклонение от нормы частоты или амплитуды – сигнал о том, что что-то пошло не так.

    image

    Еще один тип датчиков – инклинометры, — измеряют угол наклона конструктивного элемента, на котором установлены.

    image

    Современный измерительный комплекс установлен в шпиле башни Лахта Центра. С помощью GNSS-станции отслеживается положение шпиля в двумерной системе координат: спутник, грубо говоря, снимает рисунок, который башня рисует шпилем в зависимости от силы и направления ветра.


    Кликабельно

    Метеостанция, в свою очередь, будет оценивать зависимость состояния конструкции от показаний влажности, температуры, скорости и направления ветра.


    Кликабельно

    Тахеометр, установленный на арке, по реперной точке измеряет лазером угол наклона и расстояние, смещение которых в какую-либо сторону может говорить об изменении в расположении сооружения, например, из-за осадки.

    image

    Но главная фишка автоматизированной системы мониторинга инженерных конструкций Лахта Центра,– не в разнообразии и количестве датчиков. Датчиками напичкано любое современное высотное здание, и в Burj Khalifa их не меньше. А вот система анализа поступающей с измерителей информации в петербургском супертолле по-настоящему уникальна. Она основана на постоянном сравнении реальной картины состояния зданий Лахта Центра, основанной на показаниях датчиков, с прогнозируемыми значениями деформаций.

    image

    Расчет напряженно-деформированного состояния конструкций выполняется на базе сертифицированного программного пакета моделирования конструкций на основе метода конечных элементов FEM-models компании ООО «ПИ Геореконструкция».

    Расчетная модель зданий создается совместно с учетом фундамента и основания (массива грунта), так как подземная и надземная части здания работают совместно, взаимно влияя друг на друга. Для создания расчетной модели здания конечные элементы системы наделяются свойствами реальных материалов с точно заданными текущими механическими параметрами.

    image

    FEM-модель строится с использованием проектной 3D-модели (BIM) с учетом реальной геометрии здания, которая может корректироваться в процессе строительства и эксплуатации. То есть, в интерактивной модели уточнена исходная BIM-модель и заложены характеристики реальных материалов, из которых изготовлен каждый элемент — класс бетона, толщины перекрытий, сечения балок и т.п.
    Владимир Лукин, руководитель направления по железобетонным конструкциям Лахта Центра, курирует создание проекта системы мониторинга комплекса Лахта Центр:
    — Сопоставление данных мониторинга с интерактивной конечно-элементной моделью дает возможность управлять параметрами модели, а именно: изменять конструктивную схему в соответствии с ходом возведения здания, изменять параметры материалов и конструкций в соответствии с исполнительной документацией, изменять величину нагрузок в соответствии с реальной картиной нагружения конструкций. Таким образом, конечно-элементная модель зданий адаптируется по мере изменения внешних условий и выдает прогнозы все более приближенные к реальным значениям, фиксируемым датчиками мониторинга.

    На основе проведенного расчета конструкций в программной среде проверяются все возможные версии развития деформаций. Таким образом находятся аварийные границы показаний датчиков, сценарии и алгоритмы развития деформаций, выполняется разработка критериев оценки реального технического состояния — устойчивости, остаточного ресурса и долговечности, в соответствии с показаниями датчиков мониторинга конструкций. Критерии оценки включают в себя абсолютные и относительные отклонения конструкций, учитывают поведение здания как единого целого.

    Дмитрий Бабичев, руководитель проекта компании «Телрос»:
    — Материалы, из которых построено здание, всегда имеют отличия от тех, что закладывались в конструкторской модели. Что, в свою очередь, влияет и на отклонения реальных нагрузок от расчетных. Математическая модель, которая используется в автоматизированной системе мониторинга состояния инженерных конструкций Лахта Центра – это модель реального объекта. И исходя из анализа показаний датчиков уже можно констатировать, что этот реальный объект оказался даже гораздо более жестким, чем проектная модель, и так построенная с более чем серьезным запасом прочности.

    image
    Схема размещения измерительного оборудования на трехмерной расчетной схеме

    FEM-модель — это настоящий цифровой двойник. Такой же, как, например, digital twins космических кораблей, которые используют в NASA, чтобы моделировать ситуации, происходящие в космосе. Ведь там сбор информации с датчиков при помощи телеметрии — тоже единственный способ контролировать ситуацию, выявлять неполадки, и, проанализировав и смоделировав на земле происходящее на орбите, искать возможные способы решения проблем.

    image

    Система мониторинга деформаций Лахта Центра отслеживает состояние несущих конструкций в режиме реального времени с частотой опроса до тысячи показаний в секунду, накапливает статистику практически с самого начала строительства здания, контролирует изменения по мере увеличения нагрузки и продолжит это делать во время эксплуатации. Более того, систему можно обучать и за счет этого автоматически изменять модель здания с учетом фактических показаний датчиков.

    image
    Провода от первых датчиков в сваях — они были установлены в самом начале строительства

    Еще одно отличие системы мониторинга, использующейся в Лахта Центре, от аналогов в других небоскребах – наличие не только аварийной границы деформации элементов здания, но и предупредительной. На основе той же математической модели с учетом реального состояния здания строится область допустимых значений, в которых нет отклонений от прогнозных показателей, и предупредительная область, которая с точки зрения СНиПа еще далека от аварийного состояния, но выход в нее – это уже повод для принятия управленческих решений.

    image
    Желтая зона – предупредительное отклонение от прогнозных значений, красная – аварийное

    Несмотря на то, что все данные, поступающие с датчиков, анализируются в автоматическом режиме, решения принимают люди. Диспетчер при поступлении тревожного сигнала сообщает об этом дежурному, который проводит визуальный осмотр, делает фотографию, привязанную в системе к нужной точке и готовит отчет. Этот отчет анализирует инженер-конструктор и принимает решение о перерасчете FEM-модели, если причины изменения параметров некритичны, и связаны, например с естественной и прогнозируемой осадкой здания. В противном случае оповещение получает главный инженер, который может принять решение даже об эвакуации. Но, учитывая запас прочности Лахта Центра, для развития такого сценария требуется внешнее воздействие на уровне шестибалльного землетрясения. Сигнал о приближении к аварийной границе развития деформаций автоматически передается в службы МЧС.

    Лахта Центр

    34,00

    Компания

    Поделиться публикацией
    Комментарии 30
      +20
      Обожаю этот блог. Вроде оно мне нафиг не упало, но столько интересного узнаешь. Ну и главное — слог автора интересен, подача материала заходит на ура. Вот я про это все. Спасибо.
        +2
        Спасибо вам. Исключительно приятно)
        +2
        Вот что мне нравится в публикациях «Лахта Центр» — это открытость.

        Иногда расстраивает, что, например, NASA отлично пиарится и выкладывает кучу материалов, которые и интересные, и делают им самим рекламу, а у нас же часто бывает «всё не для публикации», хотя наверняка многое можно и рассказать, и показать по части космоса, конструкций, строительства. Из открытого и не секретного, конечно. И речь именно о «самостоятельных» публикациях, а не выдумок журналистов или сто раз перепечатываемых одних и тех же фактах, жёлтых «сливах». В последние годы, конечно, лучше, но хочется всё-таки больше «научно-популярного из первоисточников», так сказать, напрямую.

        У «Лахты» и изображения, и схемы, и даже скриншоты некой системы управления объектом выложены — интересно вдвойне, хотя на них никакой тайны особо и нет. Спасибо за публикацию!

        Кстати, может быть сделаете отдельный пост про то, как именно управлять такими огромными объектами? Хотя бы в общих чертах, полагаю, кроме системы обеспечения темературного режима, механики, электрики, есть что-то такое, что действительно специфично и незнакомо тем, кто с такими объектами не сталкивался.
          0
          Спасибо! Тема по управлению объектом отличная, но наиболее интересная информация будет с живыми примерами – из диспетчерской. Чтобы и фото полевые были, и чтобы люди сами рассказывали. Вероятно, отложим ее на время хотя бы до предэксплуатационной подготовки.
            0
            Присоединяюсь к вышенаписавшему. После этой статьи осталось впечатление, что как будто побывал на мостике космического крейсера, впрочем, это здание и есть некий такой «космический корабль» — сверхсложный комплексный объект со множеством параметров и тонкостей, известных доселе только посвящённым.

            В который раз — благодарствую!
          +1
          Блог о skyscraper's rocket science.
          Заслуженно лучший техноблог хабра.
          Впрочем, лучше чем igrig, сформулировать сложно.
          Спасибо за отличные статьи!
            +1
            Спасибо, интересная и полезная статья.
            А что за софт у вас используется для отображения результатов мониторинга? Тот, что на скриншотах.
              +1
              Спасибо! Интерфейсы и отчеты написаны специально для систем Лахта Центра. В качестве базиса используется системная платформа Wonderware
              +4
              Добрый день.
              Есть ряд вопросов:
              1. Сколько простоит здание если система управления и диагностики работать не будет вообще.
              2. Какого вида управленческие решения бывают? Например, где-то загорелся красный индикатор, что будет дальше?
                0
                (удалено)
                  0
                  Первый вопрос тоже заинтересовал. Датчики заложены в фундамент и заменить их в случае поломки не выйдет. Насколько они «вечные», как долго они примерно проработают, если все пойдет по плану?
                    +1
                    На ваши вопросы ответил Владимир Лукин, руководитель направления по железобетонным конструкциям Лахта Центра и куратор разработки системы мониторинга комплекса Лахта Центр:
                    1. Основные несущие зданий рассчитаны на максимально возможные внешние воздействия (ветер, сейсмика), а также на прогрессирующее обрушение. Требования норм к прочности, надежности и безопасности, реализованные в проекте, выполняются в любой ситуации, даже если предположить, что система управления и диагностики вышли из строя.
                    2. См. последний абзац текста статьи.
                    +1

                    Не могу сообразить (осмыслить) таблицу данных с акселлерометра. Это выходит башню трясет на частоте 13 Гц с амплитудой 1.7 метра, да еще и по всем 3 осям? Человеку внутри хреново не станет?

                      0
                      тоже в голове не укладывается
                      там еще и гармоника 38 герц есть с размахом больше метра
                      такое ощущение что где-то делитель на 100 забыли добавить
                        0
                        я читал, что верхушки небоскребов действительно так шатает, но думал что медленная качка (хотя тоже ведь морскую болезнь поймать можно), но 13 Гц это что-то странное
                        +3
                        Могу предположить, что это данные из тестовой среды либо вообще из дизайна UI.
                        Амплитуда ~1.5 метра по каждой координате с частотой 38 Гц — это ускорение примерно от -10g до +10g с такой же частотой.

                        Я плохо представляю конструкцию массой с небоскреб, которая сможет такое выдерживать такие ускорения какое-либо заметное время.
                          0
                          я посмотрел внимательнее, совсем непонятно. Пишут о измерении АЧХ — но обычно АЧХ измеряют снимая отклик на подаваемую частоту, а тут то как? Не сами же башню трясут. И частоты тоже не совсем кратны, то есть это даже не гармоники. А… похоже значения частоты и амплитуды не комп считает, а просто оператор курсор подводит. Итого — неясностей полно, похоже и правда это тесты какие-то
                          0
                          Это не реальные данные. Просто графическая иллюстрация интерфейса с условными числами.
                          +3
                          А на какой срок экслуатации рассчитано здание? И что будет когда этот срок закончится?
                            +1
                            1. Рассчитано на 100 лет.
                            2. Считают что через 100 лет технологии сноса будут круче чем сейчас, так что сейчас данный вопрос не рассматривается.
                            (Так ответил автор в других постах)
                            0
                            Спасибо, интересная статья.
                            Но.
                            Интересно также узнать, сколько «живых» датчиков из всех установленных по категориям? Какую картину показывает на данный момент система мониторинга? Также интересно, как ее настраивали и запускали, не много не понятно, что с первоначальным состоянием: сразу показания с датчиков применялись к модели, или сначала надо было настроить «ноль» на основе их показаний?
                              +1

                              Спасибо! Очень интересно читать.


                              1. Струнные тензометры очень надёжны. Тем не менее часто струны рвутся при заливке в бетон, а так же в процессе эксплуатации. Слышал системе о выходом из строя 60% датчиков за 10 лет, при сроке службы в 20. Как часто у вас рвались датчики при заливке, сколько ставили изначально?
                                Кроме того, имеет место ослабления натяжения струны, с течением времени. Как это компенсируется?
                              2. Использованы полностью электронные акселерометры или связка Акселерометр+АЦП+устройство сбора и передачи данных?
                              3. Не очевидно в чём фишка, постоянного сравнения с моделью если датчики с той-же оперативностью покажут опасное изменение состояния конструкции, что и модель, а долговременные процессы требуют редкого контроля(годы)?
                              4. Расчёт предупредительных и аварийных границ, повсеместная практика, впервые столкнулся в проекте 2004 года, мониторинг крытого манежа. Проектов сделанных без предупредительных значений не встречал. На фишку не тянет.
                              5. Почему выбран именно Wonderware Application Server?
                                +1
                                Спасибо!
                                Привожу ответы Владимира Лукина, руководителя направления по железобетонным конструкциям Лахта Центра и куратора разработки системы мониторинга комплекса Лахта Центр:
                                1. Ответ на этот вопрос выходит за рамки общедоступной информации

                                2. То же самое

                                3. Требование о разработке компьютерной математической модели здания для мониторинга несущих конструкций заложено в действующие нормы. Другое дело, что в связи с трудоемкостью реализации, это в полном объеме не выполнялось.

                                4. Без указания проектов, в которых это «давно» реализовано, разговор беспредметный. Смеем заверить, что разработчики системы имеют полную и подробную информацию о том, что, где и как было реализовано. Приведете конкретный пример и разработчики дадут свой комментарий.

                                5. СМИК является подсистемой СМИС (система мониторинга инженерных систем), а та, в свою очередь, составной частью системы автоматизированного управления зданием (BMS). Все эти системы выполнены на единой платформе Wonderware
                                0
                                я так понимаю вся эта система датчиков нужна на совсем крайний случай — понять зданию звездец или еще постоит?
                                Так как ну покажут датчики что часть свай фундамета порвало или что-то в ядре здания безнадежно повреждено, починить ведь все равно никак?
                                  0
                                  Выражаю огромную блогодарность за материалы. Когда обыватель смотрит на вот такие сооружения никогда не понятно ценообразование. Почему так дорого? Много попила и все дела. А когда узнаешь детали, становится ясно, почему и так дорого и вообще много всего крайне интересного
                                    0
                                    Спасибо вам, что читаете эти материалы)).
                                    +1
                                    Нигде у Вас так и не смог найти четкого ответа на вопрос о шпиле (он сейчас как-то слишком темноватый по сравнению с остальным зданием). Читал что в моделировании решетка шпиля будет неотличима (в цветовом отношении) от остекления. Сейчас не так. Ещё буду доделывать или просто дизайнер выдал желаемое за действительное?
                                      0
                                      Тоже интересует, хотя вблизи кажется, что он просто недозастеклен.
                                        +1
                                        Некоторая визуальная разница сейчас наблюдается за счет того, что шпиль кажется чуть толще из-за установленных по его ребрам рельсов (в случае шпиля – фальшрельсов) системы обслуживания фасадов. Такие рельсы пройдут едиными линиями до самого низа башни, и это выровняет небольшую кажущуюся неравномерность по толщинам. Дополнительно единство восприятия будет обеспечивать архитектурная подсветка. По поводу разницы в материалах – она сохранится. Материалы подобраны максимально приближено. Дальше — только стекло, но остекление шпиля не предусмотрено. Это противообледенительная мера, отказ от которой невозможен – все-таки башня – самый северный небоскреб мира, про наш климат вы и сами все знаете.
                                        0
                                        По сути, тензометр — это просто отрезок высокопрочной стальной проволоки — струны, натянутой внутри полой металлической трубки между двумя концевыми блоками. При деформации конструкции расстояние между концевыми блоками меняется, вместе с ним изменяется сила натяжения струны и, соответственно, частота колебаний.

                                        А что заставляет проволоку колебаться и каким образом эти колебания регистрируются? А то говоря о надежности устройства вы только на струне сконцентрировались:)

                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                        Самое читаемое