Жук Н.А., Дорохова Л.Н., Кожан Е.А.*
АО «Научно-технологический институт транскрипции, трансляции и репликации», г. Харьков, Украина;
* Национальный заповедник «София Киевская», г. Киев, Украина
ОСОБЕННОСТИ МОНИТОРИНГА, ВЕРОЯТНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ПАМЯТНИКОВ АРХИТЕКТУРЫ
(Доклад на 4-м Симпозиуме в Троицко-Сергиевой Лавре, Россия, 2009 г.)
Стратегия управления рисками сохранности памятников архитектуры, первоначальная идея которой предложена в АО «Научно-технологический институт транскрипции, трансляции и репликации», была поддержана учёными и специалистами Национального заповедника (НЗ) «София Киевская» и Института геологических наук НАН Украины. В течение нескольких лет она проходила апробацию и совершенствовалась на объектах НЗ «София Киевская» и других исторических памятниках г. Киева. В результате совместных усилий была разработана авторская методология управления рисками сохранности исторических и иных объектов [1]. Суть вышеуказанной стратегии сводится к следующему:
1. Основой стратегии управления рисками сохранности памятников архитектуры является управление по прогнозу (а не по факту их разрушения), т.е. проведение превентивных мероприятий, упреждающих невосполнимые изменения памятников архитектуры под действием негативных факторов окружающей среды, износа и старения, что является единственной возможностью сохранности исторической и, соответственно, ценовой значимости этих объектов при минимальных затратах.
2. Основной задачей управления рисками сохранности памятников архитектуры как сооружений является выявление закономерностей влияния различных факторов на сооружения напрямую или через их основания с целью прогнозирования и управления состоянием сооружений. Поэтому эти объекты целесообразно представлять в виде систем «основание-сооружение».
3. Для памятников архитектуры конечной целью управления должно быть состояние, не хуже чем начальное (текущее) состояние, т.е. сутью управления такими объектами является исключение или хотя бы ослабление влияния внешней среды, износа и старения элементов самой системы.
4. По каждому значащему параметру системы есть зоны нечувствительности, в пределах которых изменение параметров не приводит к изменению системы. Эти зоны приводят к образованию естественных классов риска состояния системы, что ведёт к необходимости ввода классификатора рисков, к которому необходимо привязывать всю систему управления.
5. Задача сохранности памятников архитектуры должна формулироваться и решаться как стохастическая (вероятностная) задача управления рисками изменения (выхода за допустимые пределы) параметров системы «основание-сооружение». Соответственно, и классификатор риска должен быть вероятностным, чтобы учитывать воздействия всех основных случайных факторов.
6. Задача вероятностного прогнозирования поведения параметров системы «основание-сооружение» должна строиться на комплексном мониторинге и математическом моделировании самой системы. Мониторинг основания должен дополняться радиофизическими методами и средствами оперативного и неразрушающего обследования, а мониторинг сооружения – обеспечиваться дистанционной системой сканирования его геометрии, состояния конструкции и поверхностей (фресок, мозаик, лепки).
7. Управление рисками сохранности памятников архитектуры должно строиться на современной теории управления, учитывающей все основные особенности нынешнего состояния и закономерности будущего изменения природных и техногенных условий существования этих памятников. Такой теорией на сегодняшний день является Достаточно общая теория управления [2], разработанная авторами из Санкт-Петербурга.
8. При выстраивании управления рисками сохранности памятников архитектуры должны учитываться все важнейшие факторы, влияющие на их состояние: глобальные космические процессы (активность Солнца, прецессия оси Земли, изменение наклона её оси и эволюция эксцентриситета её орбиты, что влияет на глобальное изменение климата Земли); локальные космические процессы (положение Луны и планет Солнечной системы, что влияет на долгосрочный прогноз погоды); текущее состояние человеческой цивилизации (её численность, техногенная деятельность и экология); современное состояние науки и технологии (для развития методов и средств управления сохранностью памятников).
9. Управление рисками сохранности памятников архитектуры должно строиться по полной функции управления с детальным формулированием вектора целей по каждому значащему параметру системы «основание-сооружение». Из теории управления [2] известно, что если не обеспечена предсказуемость поведения системы по прогнозу, то практическое управление поведением такой системы невозможно. А квалифицированный прогноз может быть сделан только на основании такого же квалифицированного комплексного мониторинга системы.
Динамика техногенных процессов, обусловленных активизацией деятельности человека в современных условиях, негативно влияет на сохранность исторических объектов и требует отслеживания рисков изменения их состояния в процессе эксплуатации.
Устойчивое управление сохранностью памятников архитектуры, которые представляются как инженерные системы «основание-сооружение», обязательно включает в себя: комплексный мониторинг факторов внешней среды (природной и техногенной); постоянный контроль текущего состояния системы (износа и старения) и результатов управления (воздействия на систему); сбор статистики поведения параметров системы в прошлом (для разработки и коррекции модели системы).
Частными задачами управления в части мониторинга и прогнозирования системы «основание-сооружение» являются:
– постоянное накопление данных о системе «основание-сооружение» и среде её существования;
– хранение накопленной информации в единой базе данных;
– сравнение параметров с допустимыми значениями и выявление тенденций их изменения;
– сортировка и создание выборок из базы данных;
– статистическая обработка и нахождение вероятностных характеристик системы;
– построение вероятностной модели системы;
– вероятностное прогнозирование поведения параметров системы;
– выявление связи изменения параметров с факторами окружающей среды;
– выработка рекомендаций по управлению сохранностью системы.
Современный этап проявления экологических факторов можно определить как комплексный, преимущественно техногенный процесс стойкого повышения уровней грунтовых вод и увлажненности пород зоны аэрации, которые усложняют эксплуатацию памятников архитектуры.
Основными задачами мониторинга территорий, которые подтапливаются, являются: определение условий развития подтопления и определение границ возможного его развития под влиянием природных и антропогенных факторов; оценка особенностей влияния непостоянных во времени факторов; обоснование и прогнозирование возможного развития этого процесса во времени и пространстве.
Разработка методологии управления рисками в зонах подтопления на основе данных мониторинга предполагает:
– развитие методологии обработки первичной информации, отражающей поведение системы «основание-сооружение» для сложных инженерно-геологических, гидрогеологических и техногенных условий;
– выявление и уточнение закономерностей поведения исследуемых параметров, влияющих на состояние системы «основание-сооружение»;
– сопоставление полученных закономерностей с внешними факторами, выявление причин изменения значимых параметров;
– уточнение параметров и развитие структуры классификатора состояния системы «основание-сооружение»;
– уточнение оценок вероятностей изменения класса риска (прогноз изменения состояния системы «основание-сооружение»).
Поэтому для создания оптимальной системы мониторинга мы продолжаем развивать, кроме теоретического, также техническое и технологическое его обеспечение.
Для проведения мониторинга основания разработана технология зондирования подповерхностного пространства с системой «Терразонд-3» на основе специально разработанного сканирующего георадара и целевого программного обеспечения.
Сканирующий георадар с виртуально распределённой антенной (антенной решёткой) основан на радиофизических принципах зондирования для картографирования подповерхностных объектов и структур грунтов в условиях плотной застройки и сложной помеховой обстановки для комплексного решения инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических задач.
Система позволяет провести подповерхностное картографирование грунтов с большой разрешающей способностью (0,1-0,2 м) на глубинах до 30 м с определением уровня грунтовых вод, влажности грунтов, границ слоев, пустот и других образований природного или антропогенного происхождения (в т.ч. участков подтопления, утечек из коммунальных сетей и др.). Опыт практического применения этого метода был использован на объектах Национального заповедника «София Киевская», где система «Терразонд-3» зарекомендовала себя как необходимое техническое средство квалифицированного комплексного мониторинга основания.
Для обеспечения мониторинга сооружения разработана и частично реализована технология лазерно-телевизионного сканирования конструкций объектов, имеющих монументальную живопись (мозаики, фрески, лепки).
Разрабатываемая система лазерно-телевизионного сканирования предназначена для автоматического контроля деформаций зданий и состояний покрытий стен с большой разрешающей способностью (порядка 0,001 м) и аналогов пока не имеет. Она позволит при ее полной реализации строить 3D-модели объектов и осуществлять инструментальную паспортизацию памятников архитектуры.
Для устойчивого управления рисками сохранности памятников архитектуры, представляемых как системы «основание-сооружение», в условиях воздействия случайных факторов необходимо создавать стохастические (т.е. вероятностные) модели этих объектов (с параметрами в виде случайных функций, т.е. процессов) и обеспечивать качественный прогноз их состояния на 1-5 лет вперёд.
Для определения характеристик случайной функции из опыта нужно иметь минимум 10 её реализаций. Памятники архитектуры являются уникальными сооружениями, поэтому они имеют только одну реализацию своих параметров, которые и представляют собой случайные функции.
Чтобы получить необходимые характеристики случайной функции из её единственной реализации, она должна обладать тремя важными свойствами:
1) быть стационарной, т.е. иметь постоянные характеристики во времени;
2) быть эргодической, т.е. её корреляционная функция должна зависеть только от разности аргументов, а не от величины самих аргументов;
3) периодичность измерения случайного параметра должна допускать выявление влияния периодических факторов некоторой максимальной частоты (или минимального периода).
Если функция нестационарная, необходимо представить её в виде суммы стационарной случайной функции и неслучайной величины (или неслучайной функции). Таким способом удается выявить неслучайное влияние какого-либо внешнего фактора, который затем вычитается, а случайная функция тем самым центрируется. Далее исследуется несводимая к более простым видам центрированная случайная функция.
Вероятностные модели системы «основание-сооружение» строятся на основе алгоритмов быстрого преобразования Фурье, теории выбросов стационарных случайных процессов и других методов. Нашими специалистами полностью освоены эти технологии и приспособлены для управления сохранностью архитектурных памятников.
Модели на основе быстрого преобразования Фурье пригодны для проведения научных исследований, но не пригодны для автоматизации прогноза поведения системы «основание-сооружение». Модели же на основе теории выбросов просты в реализации и пригодны для автоматизации прогноза и оперативного управления параметрами системы.
Таким образом, разработанные нами технологии и методология управления рисками для объектов особой архитектурной значимости на сегодняшний день позволяет полностью и в комплексном виде отслеживать текущее состояние этих объектов, строить их вероятностные модели, прогнозировать поведение их параметров в будущем, на основе чего может быть построено управление их сохранностью и квалифицированное принятие решений руководителями любых рангов.
Литература
1. Дорохова Л.М., Жук Н.А., Кожан Е.А., Куковальская Н.М., Рыбин В.Ф., Фроленко С.В. «Методология управления рисками для объектов особой архитектурной, исторической или хозяйственной ценности». – Киев: Авторское свидетельство № 27862 от 03.03.2009, 55 с.
2. ВП СССР. «Достаточно общая теория управления». – http://dotu.ru/, 2003.
Смотрите другие работы автора - на http://proza.ru/avtor/zhuck.