m_0867

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

В долине р. Кунерма продолжительность периода со снежным покровом более 200 дней. Устойчивый снежный покров образуется обычно в последних числах сентября. Число дней с осадками составляет в зимний период примерно 25–30. В ноябредекабре имеют место преимущественно осадки обложного типа, продолжительностью от одних до трех суток, в результате чего сходят лавины из свежевыпавшего снега. В январе-феврале наблюдается незначительное количество осадков, которые, как правило, не создают лавинной опасности. В это время преобладает ясная морозная погода. Особенности этого периода выражаются в интенсивном выхолаживании, инверсии температур и активной ветровой деятельности. Весенний период в целом характеризуется усилением ветровой деятельности, потеплением. Амплитуда колебаний температур воздуха в этот период может превышать 25–30°. Интенсивность выпадения осадков резко возрастает.

Высота снежного покрова в горах, по данным наблюдений, достигает к середине весны 200 см. На некоторых склонах северной экспозиции максимум снегонакопления может отмечаться уже в середине зимы. Неравномерное распределение снежного покрова объясняется орографическими особенностями района и ветровым режимом.

Основные лавиноопасные участки, по данным противолавинной станции Восточно-Сибирской железной дороги, показаны на рис. 1 и 2.

61

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 1. Схема расположения лавиносборов на 991–998 км

62

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 2. Схема расположения лавиносборов на 997–1007 км

На участке с 991 по 1 007 км выявлено 19 опасных склонов. Данные по сходам лавин с этих склонов за последние 11 лет приведены в таблице.

Данные по лавиноопасным склонам

Из анализа полученных данных видно, что наиболее лавиноопасными являются лавиносборы (л.с.) № 29, 30, 31 и 32 (частота сходов и объемы сошедших лавин наибольшие). В 2011 г. произошел сход лавины с выходом на путь с лавиносбора № 30. Схема схода приведена на рис. 3. Для лавиносборов № 29–32 ха-

63

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

рактерен сход лотковых лавин (рис. 4) (все фото предоставлены начальником противолавинной станции ВСЖД А.И. Гессеном).

Рис. 3. Схема схода лавины с выходом на путь

Рис. 4. Номера лавиносборов и снегонакопление

Лавиносборы такого типа четко выражены в рельефе с четко выделяемыми зонами зарождения, транзита и отложения. Угол

64

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

наклона в зоне зарождения лавин колеблется от 40º до 27º, в зоне транзита – от 27º до 17 º, в зоне отложения – от 13º до 5º. Движение лавин происходит по склонам восточной экспозиции. Подстилающая поверхность представляет собой крупнообломочную осыпь с поперечником обломков около 20 см. Склоны покрыты отдельными скальными глыбами. При этом коэффициенты трения зависят от угла наклона склона и площади лавиносбора и изменяются в пределах от 0,3 до 0,6. Эти коэффициенты должны учитываться при проектировании лавинозащитных сооружений.

В настоящее время основным способом защиты от лавин являются профилактические мероприятия, которые включают в себя наблюдение, оповещение и искусственное обрушение путем артиллерийских обстрелов склонов. Все эти мероприятия осуществляются силами противолавинной станции Восточно-Сибирской железной дороги. Главная проблема состоит в определении времени искусственного обрушения, поскольку не существует методики, позволяющей с достаточной вероятностью осуществить прогноз схода лавин. Поэтому эффективным способом защиты на рассматриваемых участках следует считать инженерно-технические мероприятия, к которым относятся: предупреждение накопления снега на склоне, предупреждение соскальзывания снега со склона и защита от движущихся лавин.

Вопросы технико-экономического обоснования проектных решений по защите железнодорожного пути от снежных лавин весьма актуальны, так как осуществление этой защиты требует больших средств и, кроме того, способ защиты от лавин влияет на работу железной дороги в целом.

До сих пор при сравнении вариантов лавинозащитных сооружений не учитывается то, что они являются частью большого комплекса устройств, образующих железнодорожный путь, и что следует сравнивать варианты защитных устройств и мероприятий не только между собой, но и с учетом их влияния на весь комплекс устройств пути и на конечные результаты работы железной дороги в целом. Могут быть, например, весьма дешевые способы защиты пути от лавин, приводящие к длительным перерывам движения поездов. В определенных условиях они могут оказаться эффективными, а в других (при больших размерах движения) – недопустимыми.

65

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

На выбор способа защиты пути от лавин влияют начальный грузопоток и темп его роста, абсолютная величина затрат на защиту от лавин конкретного объекта, этапность усиления железной дороги, удорожание строительных затрат в условиях эксплуатируемой линии. Следует учитывать также и активность конкретных лавинных очагов. Пока нерешенным остается вопрос учета текущих затрат по вариантам профилактического обрушения снега со склонов. Дело в том, что в зависимости от погодных условий эти затраты по величине подвержены вероятностной изменчивости.

Оптимальное решение данной проблемы и внедрение более совершенной методики в практику проектирования может дать экономический эффект не менее 5–10 % стоимости лавинозащитных устройств.

Для лавиносборов № 29–32 в качестве защиты от лавин можно предложить следующие варианты:

–устройство лавинонаправляющей дамбы по левому берегу р. Шахтара, геометрические параметры которой следует определить расчетом;

–строительство тормозящих земляных конусов в зоне транзита лавиносборов № 30 и 31 на склонах не круче 17º;

–строительство снегоудерживающих сооружений в зоне зарождения лавин.

Для лавиносбора № 65 также необходимо разработать вариант комплексной противолавинной защиты, куда должны входить удерживающие, тормозящие и направляющие сооружения.

Выбор лучшего варианта должен производиться на основе технико-экономического сравнения.

66

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

УДК 625.1

Э.С. Спиридонов, А.Н. Гордов

СИНТЕЗИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА СТРОИТЕЛЬСТВА ТРАНСПОРТНЫХ ОБЪЕКТОВ

Синтезирующая система мониторинга строительства или реконструкции транспортных объектов должна сохранять статистику наблюдений за объектом, мнения экспертов и осуществлять интеллектуальный анализ данных. Это позволит прогнозировать состояние объекта, собственно системы мониторинга и осуществлять упреждающее управление, не допуская сбоев и больших потерь от нарушения безопасности технологического процесса на объекте.

Из информационных сообщений известно, что почти половину стыковок космических кораблей и их модулей не удается осуществить в автоматическом режиме, т.е. система автоматического управления есть, а интеллектуальности ее функционирования нет. Включение человека в процесс формирования автоматических систем и управления ими должно быть дополнено интеллектуальным мониторингом, тогда система будет функционировать эффективно, с положительными результатами.

Так как строительство является сложной динамической системой, требующей постоянного контроля, то при мониторинге ее важным элементом является учет человеческого фактора, и чтобы избежать сбоев в системе, необходимо принимать во внимание его интеллектуальность.

Системы должны обеспечить и автоматический режим, и интеллектуальность функционирования. Это исключит зависимость успешности работы системы от субъекта управления, его психоэмоциональных качеств (человеку свойственно уставать, отвлекаться), его ограниченных возможностей по горизонту управления (одновременно человек может анализировать в среднем только семь факторов), объему памяти и скорости анализа. Интеллектуальность разрабатываемых систем предполагается развивать в двух направлениях: заимствование интеллекта у человека (опытное лицо, принимающее решение, обучает машину) и генерация собственного интеллекта (машина содержит механизмы самообучения, которое происходит в процессе работы).

67

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Вкомпании ОАО «РЖД» осуществляется переход от политики регламентного обеспечения безопасности (анализ состояния искусственных сооружений в заданные сроки) и устранения сбоев по мере их возникновения в системе к управлению по сложившемуся состоянию объектов инфраструктуры с учетом его прогноза на будущее. Эта технология недопущения сбоев является, кроме того, и менее затратной.

Становится ясно, что на сегодняшний день возникает потребность в разработке современных систем долгосрочного мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры. Для решения этой задачи существует несколько техникотехнологических альтернатив.

Одним из наиболее перспективных путей решения обозначенной выше проблемы является развитие средств и методов дистанционного зондирования Земли и геоинформационных систем. С недавнего времени это направление получило широкую поддержку компании. С помощью спутниковых технологий можно идентифицировать местоположение подвижных единиц на транспорте, изменение состояния искусственных сооружений (например, подвижки грунта).

Однако возможности спутников не безграничны. По данным некоторых авторитетных изданий, такие параметры, как надежность и разрешающая способность подобных систем, являются недостаточными для множества приложений, где эффективнее применять другие методы.

Впоследнее время для целей мониторинга все чаще применяют технологию беспроводных сенсорных сетей (БСС). Основным элементом таких систем является беспроводной сенсорный узел. В его состав входят пять основных элементов: приемо-передающее устройство, микроконтроллер и модуль памяти, программное обеспечение, автономный источник питания и система сенсоров.

Вот лишь немногие потенциальные возможности технологии БСС: измерение вибраций и ударных нагрузок искусственных сооружений; анализ загазованности объекта исследования (например, тоннелей), в том числе идентификация просачивания на объект грунтовых вод и газов; оценка напряженнодеформированного состояния конструкций; измерение влажности

итемпературы среды, влияющих на скорость износа элементов

68

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

сооружений; анализ акустического состояния объекта (обеспечение безопасных уровней шумов оборудования); определение скоростей движения подвижных единиц и многих других параметров функционирования объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта.

Аналогичные системы для контроля напряженнодеформированного состояния мостов как одна из альтернатив мониторинга уже созданы. Например, на основании данных такого мониторинга в Университете Центральной Флориды была создана имитационная модель беспроводной сенсорной сети пролетного строения моста. Статистические данные представляют собой системные матрицы жесткости, массы и демпфирования при различных воздействиях и сценариях повреждений. Модель позволяет имитировать статические и несколько типов динамических нагрузок, а также на координатной сетке поверхности пролетного строения расставлять виртуальные сенсорные узлы трех видов.

В настоящее время существует устойчивая тенденция уменьшения размеров и потребляемой мощности, удешевления устройств, работа которых основана на использовании БСС.

При проектировании системы возникла проблема выбора частотного диапазона работы системы. В России существует несколько открытых ISM-диапазонов: 433 и 868 МГц, 2,4 и 5 ГГц. Наиболее подходящей в нашем случае является частота 2,4 ГГц. Этот диапазон обеспечивает сравнительно высокую скорость передачи информации, на его основе созданы стандартные протоколы связи и защиты информации, осуществляется поддержка сложных топологий, обеспечена высокая помехоустойчивость и сравнительно низкая загруженность. Все это позволяет значительно повысить надежность функционирования системы.

При выборе протокола передачи данных от объекта целесообразно использовать стандарты IEEE 802.15.4/ZigBee. Они обеспечивают минимальное энергопотребление и скорость, вполне достаточную для приложений мониторинга вибрационной нагрузки искусственных сооружений. В частности, создаваемое устройство в активном режиме потребляет порядка 20–25 мА, а в спящем – около 6 мкА. Скорость передачи данных для выбранного протокола составляет 250 кбит/с.

69

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

На беспроводных модулях от компании Atmel на предприятии было реализовано программное обеспечение, позволяющее наладить сбор информации от системы датчиков и управлять ее состояниями. Также в среде MATLAB были созданы имитационная модель объекта мониторинга и графический интерфейс визуализации данных и управления сетью.

Вся сеть датчиков ИСКВНИС разбивается на несколько субсетей, каждая из которых работает на своем частотном канале. На сенсорном узле производится предобработка первичных данных датчиков при строительстве инженерного сооружения (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент строительства моста на трассе М4 «Дон»

Затем информация передается на координатор сети, который через дуплексный спутниковый канал передает данные мониторинга в центр удаленного обслуживания.

На основании входных данных графического интерфейса программа моделирует конкретные ситуации и записывает выходные данные в специальный файл. Это позволяет разрабатывать алгоритмы агрегации данных на сенсорных узлах.

Рассмотрим конкретный пример мониторинга. Мониторинг в практике базируется на правильном проектировании технологии ведения работ и приводит к снижению затрат на процесс и повышению уровня безопасности.

70