Современные строительные объекты, включая дорожно-­строительные, требуют принципиально новых подходов к мониторингу их технического состояния, особенно в части контроля вертикальных перемещений оснований и фундаментов, которые подвержены деформациям под воздействием внутренних и внешних факторов, что проявляется как неравномерные осадки.

При этом традиционные методы геодезического мониторинга, основанные на периодических измерениях, довольно часто оказываются недостаточными для своевременного выявления опасных процессов. Решить описанную проблему удается с помощью непрерывного автоматизированного мониторинга с применением инновационных технологий искусственного интеллекта.

К традиционным способам нивелирования зданий и сооружений относят прежде всего оптическое геометрическое и тригонометрическое нивелирование, которое выполняется с помощью нивелиров и тахеометров.

К ограничениям нивелирования оптическими методами следует отнести:

требование видимости между точками геодезического хода, что резко затрудняет наблюдения в стесненных условиях плотной городской застройки, а также внутри зданий, в подвалах, подземных сооружениях, на объектах типа галерей в плотинах;

низкую цикличность измерений — для эксплуатируемых сооружений от 3–4 раз в год до одного раза в 1–5 лет, что не всегда позволят своевременно распознать надвигающуюся аварию, не дает возможность отследить динамику развития осадок во времени;

низкую максимальную цикличность измерений — на практике для традиционных методов нивелирования максимальная цикличность составляет один раз в сутки, что применяется, например, при проходке тоннелей подземных сооружений для мониторинга зданий окружающей застройки, но этого бывает недостаточно, учитывая скорость проходки современными тоннелепроходческими комплексами до 10–15 м в сутки;

ограниченную применимость в сложных условиях, так как традиционные методы малоэффективны при низких температурах, в неблагоприятных погодных условиях, в условиях трудной доступности, при наличии опасных и вредных факторов.

Указанные недостатки приводят к запаздыванию в выявлении деформаций, что повышает риск аварий. Это со всей очевидностью подтверждает отечественная практика последних десятилетий, включая мониторинг, проводившийся с типовой для объектов цикличностью один раз в два года.

К новым способам нивелирования относят автоматизированные виды нивелирования, примерами которых являются спутниковое и роботизированное.

Спутниковое нивелирование выполняется с помощью ГНСС‑приемников (ГНСС глобальная навигационная спутниковая система, то есть Global Navigation Satellite System, GNSS). Следует отметить: точность спутникового нивелирования имеет сантиметровый порядок, что в большинстве случаев недостаточно для нивелирования строительных объектов.

Роботизированное нивелирование выполняется с помощью оптико-­электронных тахеометров и нивелиров с сервоприводами, которые наводятся автоматически. В этом случае обеспечивается хорошая точность измерений. Причем типичная цикличность повышается до ежесуточной.

Область применения роботизированного нивелирования еще в большей степени, чем традиционного оптического, ограничивается фактором стесненных условий (в случае сложного геодезического хода крайне нерационально применять множество стационарно установленных дорогостоящих оптико-­электронных приборов). Также при использовании роботизированного нивелирования сильнее заметна зависимость от погодных факторов, поскольку неблагоприятные метеоусловия создают пропуски в наблюдениях с суточной и более частой цикличностью.

Гидростатическое нивелирование, с одной стороны, входит в число классических способов нивелирования и обладает наивысшей точностью среди них, с другой — хорошо поддается автоматизации, поэтому получило новый импульс развития в последнее время.

Принцип гидростатического нивелирования основан на создании системы сообщающихся сосудов, где уровень жидкости занимает равную высотную отметку. При возникновении разности осадок между точками крепления измерительных сосудов в них изменяется высота столба жидкости, что четко фиксируется высокоточными датчиками.

Отечественная система гидростатического нивелирования «Монитрон» обладает универсальностью применения, поскольку она эффективно функционирует как на открытых площадках, так и внутри различных сооружений. Конструкция системы предусматривает соединение измерительных сосудов посредством гибких шлангов повышенной прочности, маршрут прокладки которых может иметь ответвления и изменять направление для обхода архитектурных препятствий или прохождения через технологические проемы. При монтаже внутри зданий шланговая трасса, как правило, располагается выше человеческого роста, чтобы исключить помехи для персонала и технологических процессов.

Нельзя не сказать, что эта система использует серийно выпускаемые датчики гидростатического нивелира цифровые ДГЦ‑19 (включены в Госреестр СИ № 82892–21) с точностью измерений 0,1 мм при диапазоне измерений 100 мм. Цикличность измерений составляет 1 раз в минуту, что обеспечивает непрерывный мониторинг. Важной особенностью системы является ее адаптация к экстремальным климатическим условиям (работа при температурах до минус 65 °C, защита от влаги и пыли IP66, взрывобезопасное исполнение 1Ex db IIС T6 Gb Х).

Базовый срок службы составляет 15 лет. Так, в системе Территориальных строительных нормативов для города Москвы введен сметный сборник МРР‑3.10–20 на использование датчиков в задачах автоматизированного геотехнического мониторинга.

В ДГЦ‑19 применены запатентованные информационно-­технические решения, реализующие оптико-­электронный способ снятия показаний.

Как показывает практика, наибольшую практическую ценность система представляет для мониторинга:

транспортной инфраструктуры (тоннели, мостовые сооружения, аварийно-­опасные участки железнодорожного полотна);

внутренних пространств любых зданий и сооружений, например, в подвалах, на цокольных или первых этажах жилых и промышленных зданий;

зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах;

гидротехнических сооружений;

морских нефтегазовых платформ;

объектов ядерной энергетики, обращения с радиоактивными материалами и отходами;

резервуаров, включая криогенные.

Широкий спектр возможных применений превращает имеющиеся гидронивелиры в универсальный инструмент для организации как краткосрочных наблюдательных программ, так и систем постоянного мониторинга.

Главной отличительной особенностью системы гидростатического нивелирования системы является ее комплексный характер, что представляет не просто комплект контрольно-­измерительной аппаратуры, а полностью готовое решение «под ключ», которое обеспечивает быстрый ввод в эксплуатацию. Особенностью упомянутой системы является облачная интеграция: датчики передают данные через интернет в личный кабинет пользователя на специализированной платформе, что позволяет получать информацию о состоянии объекта в режиме реального времени из любой географической точки.

Преимущества для пользователей заключаются в следующем.

1. Удобство эксплуатации: доступ к данным через защищенный российский интернет-­сервис; круглосуточный мониторинг с надежным хранением информации; возможность коллективной работы с предоставлением доступа к данным через интернет любым заинтересованным специалистам из любых организаций.

2. Универсальный интерфейс: веб-доступ через стандартные браузеры («Яндекс», Crome и другие) без необходимости установки дополнительного программного обеспечения; кроссплатформенная поддержка (любые настольные операционные системы, мобильные устройства на Android и iOS).

3. Широкий набор инструментов для анализа результатов нивелирования: графики вертикальных перемещений, распределение вертикальных перемещений на характерных планах объекта в виде изолиний или изополей, автоматизированное формирование отчетов.

4. Система оповещений: многоканальные уведомления (SMS, e-mail, голосовые вызовы); круглосуточная служба поддержки.

5. Гибкость конфигурации: возможность работы без выхода в интернет (локальная сеть предприятия); адаптация под особые требования информационной безопасности.

Именно такая архитектура системы обеспечивает принципиально новый уровень удобства и эффективности мониторинга по сравнению с традиционными решениями.

Система гидростатического нивелирования воплощает в себе новейшие достижения в области анализа данных мониторинга вертикальных перемещений строительных объектов, объединяя две перспективные технологии — цифровые двой­ники и искусственный интеллект. Данный симбиоз создает мощный аналитический инструментарий для комплексной оценки технического состояния зданий и сооружений различного типа и назначения.

Цифровые двой­ники создаются с применением методов конечно-­элементного моделирования. Это модели напряженно-­деформированного состояния строительного объекта и его основания, адаптированные к реальным условиям эксплуатации с учетом множества параметров, от механических характеристик грунтов основания до изменяющихся нагрузок и воздействий. Постоянное сопоставление расчетных данных с показаниями датчиков позволяет системе с высокой точностью определять фактическое напряженно-­деформированное состояние конструкций в режиме реального времени и прогнозировать его развитие.

Интеллектуальная аналитическая система гидростатического мониторинга построена на алгоритмах машинного обучения, которое применяется для анализа закономерных вертикальных перемещений при нормальной эксплуатации объекта. Искусственный интеллект, обученный на имеющихся данных, выявляет сложные зависимости между различными факторами: нагрузками, температурными колебаниями, изменениями уровня грунтовых вод и т. п.

Это нужно, чтобы прогнозировать отклик сооружения при таких же видах нагрузок и воздействий, но в новых комбинациях численных значений, которые могли прежде не встречаться. В дальнейшем с помощью найденных зависимостей система динамически формирует диапазон ожидаемых вертикальных перемещений, свой­ственных для нормальной эксплуатации, применительно к текущему моменту времени. Выход за пределы этого диапазона служит сигналом о потенциально опасных изменениях в техническом состоянии наблюдаемого объекта.

Особенностью системы является ее способность работать как виртуальный эксперт, который непрерывно анализирует поступающие данные, фиксирует отклонения, оценивает их значимость, оперативно предупреждая персонал о критических изменениях.

Сочетание физически обоснованных моделей цифровых двой­ников с адаптивными возможностями искусственного интеллекта создает уникальную аналитическую среду. Она обеспечивает не только контроль текущего состояния, но и прогнозирование его изменений, что особенно ценно для ответственных объектов с высокими требованиями к безопасности. Подобная интеграция передовых технологий позволяет перейти от простого мониторинга к интеллектуальному управлению техническим состоянием сооружений.

Экономическая эффективность системы подтверждается, во‑первых, снижением затрат на мониторинг по сравнению с традиционными методами, при существенном увеличении циклов наблюдений каждый датчик системы гидростатического нивелирования за год выполняет более 500 тыс. измерений; во‑вторых, оптимизацией эксплуатационных расходов за счет своевременного планирования профилактических ремонтов с учетом фактического состояния объекта по данным мониторинга; в‑третьих, уменьшением рисков аварий и связанных с ними финансовых потерь, учитывая, что повышение надежности строительных объектов увеличивает срок их службы и снижает затраты на капитальный ремонт.

Мониторинг технического состояния ведется с целью обеспечения безопасного функционирования ГТС за счет своевременного обнаружения на ранней стадии негативных изменений технического состояния. Следует различать два аспекта мониторинга: собственно систематические измерения (наблюдения) и анализ их результатов. Своевременность обнаружения деструктивных процессов зависит от цикличности обоих аспектов мониторинга.

Своевременность означает наличие резерва времени до момента потенциально возможной аварии, что позволяет осуществить контраварийные мероприятия. В результате снижается риск аварий и уменьшаются затраты на содержание ГТС: чем раньше обнаружен деструктивный процесс, тем меньше объем накопленных дефектов и повреждений и, следовательно, объем проводимого ремонта.

Надо подчеркнуть, что отечественная система гидростатического мониторинга зарекомендовала себя как эффективное решение для строительной отрасли, обеспечивая оперативное выявление строительных рисков и повышение инженерной безопасности. Ее применение позволяет своевременно обнаружить на ранней стадии негативные изменения технического состояния зданий и сооружений различного типа и назначения, повысить общий уровень надежности строительных объектов, полностью соответствуя требованиям российских нормативных документов в области технического мониторинга.

Ключевым достижением системы гидростатического нивелирования является переход от периодических измерений к непрерывному автоматизированному мониторингу. Это стало возможным благодаря сочетанию трех инновационных технологий: гидростатического нивелирования высокой точности, цифровых двой­ников и интеллектуальной аналитики. Такой комплексный подход обеспечивает качественно новый уровень контроля за особо ответственными объектами.

Интеграция непрерывного мониторинга с искусственным интеллектом открывает новые возможности для прогнозирования и предотвращения строительных аварий. Внедрение упомянутой системы позволяет не только повысить надежность и долговечность сооружений, но и добиться значительной экономии эксплуатационных затрат.

В заключение надо сказать, что система гидростатического нивелирования представляет собой не просто инструмент мониторинга, а целостную концепцию управления безопасностью различных строительных объектов, сочетающую передовые технологии с практической эффективностью и экономической целесообразностью.

Валерий Васильев