Введение
Концепция цифрового двойника — виртуальной реплики физического гидротехнического сооружения, способной отслеживать его состояние, появилась достаточно давно. Однако только в настоящее время она постепенно обретает черты реальной технологии, способной оказать глобальное влияние и на рынок [1]. Любое сооружение может иметь цифровую копию в 2D или 3D формате, известную как цифровая модель сооружения. BIM-модель объекта представляет собой наиболее информативную модель, содержащую разнообразные данные. BIM модель не подвержена повреждениям или утрате информации со временем и исходя из своей основной концепции, она является вечной [2,3]. То есть натурное сооружение и его модель живут независимо друг от друга и для взаимодействия им нужен посредник – специалист или его цифровой двойник – некий интерфейс, который будет транслировать связь между воздействиями на сооружения от внешнего мира и реакцию на него от сооружения [2,3]. То есть у нас выстраивается комплекс «натурная конструкция гидротехнического сооружения – интерфейс – цифровая модель конструкции гидротехнического сооружения». Данные мониторинга, являющиеся данными реакции натурной конструкции на воздействия внешней среды на сооружение, сопоставляются с расчётными данными прогнозного состояния гидротехнического сооружения и с эталонными данными нормальной работы сооружения при действии тех или иных нагрузок.
Методология
Применение цифровых двойников изделий в промышленности является развитием парадигмы компьютерного моделирования и цифрового инжиниринга изделий согласно ГОСТ Р 57700.37— 2021 [4]. Инженеры-конструкторы и проектировщики могут использовать симуляционные модели для передачи эксплуатационных данных и верификации своих расчетных моделей, а также для уточнения различных параметров. Это позволяет им получить более точное представление о работе конструкций и сооружений в реальных условиях, что в свою очередь способствует улучшению последующих версий, повышению надежности и безопасности сооружений следующих поколений. Использование виртуальных датчиков и сенсоров позволяет инженерам и разработчикам исследовать поведение различных явлений в условиях, где установка физических датчиков нецелесообразна или невозможна. Это обеспечивает более глубокое понимание процессов, позволяет проводить более точные и детальные анализы, а также оптимизировать проектирование и функционирование технических систем и устройств. Таким образом, использование виртуальных средств моделирования и симуляции позволяет инженерам создавать более эффективные и инновационные технические решения [4]. Нейронные сети в цифровых двойниках помогают архитекторам оптимизировать проекты зданий и сооружений, а городским планировщикам — улучшить управление городским транспортом, а также эффективно реагировать на чрезвычайные ситуации, воплощая концепцию "умных" городов (smart cities). Цифровые двойники, основанные на мультифизической симуляции, также используются для отработки различных учебных сценариев в случаях, когда обучение на реальных физических объектах может быть слишком дорогим или опасным. Такие цифровые модели позволяют проводить обучение и тренировки, моделируя различные ситуации и сценарии без необходимости использования реальных активов [1]. При создании конструкции сооружения с использованием цифровых двойников основные изменения происходят на этапе разработки. На этой стадии применение цифровых двойников позволяет обосновывать решения путем быстрой проверки изменений в конструкции и ее компонентах в ходе виртуальных испытаний, а также анализировать влияние изменений в одних компонентах на другие. Кроме того, цифровой двойник помогает определить критические зоны и оптимальное количество датчиков, необходимых для сбора данных о работе объекта с целью обеспечения его технической эксплуатации и модернизации.
Результаты
Цифровой двойник, разрабатываемый и применяемый на всех стадиях жизненного цикла изделия, играет ключевую роль в обеспечении высокой готовности и эффективности сооружений. Наполнение и функциональность цифрового двойника должны соответствовать конкретной стадии жизненного цикла сооружения в соответствии с ГОСТ Р 56136—2014 [5]. Интегрированная логистическая поддержка, как совокупность инженерных действий, осуществляемых с применением управленческих, инженерных и информационных технологий, направлена на обеспечение высокой готовности изделий при снижении затрат на их эксплуатацию и обслуживание. Важно, чтобы показатели готовности изделий, такие как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и другие, были на должном уровне, что обеспечивается использованием цифровых двойников на всех этапах жизненного цикла сооружений [6]. При этом сооружение должно удовлетворять условиям эксплуатации (operating conditions): совокупности факторов, воздействующих на физический объект (образец, комплекс) при его применении по назначению, транспортировании, ТО, ремонте и хранении на стадии эксплуатации. В СП 58.13330.2019 - Свод правил. Гидротехнические сооружения. Основные положения. Приложение Г, приведены нагрузки и воздействия, которые необходимо учитывать в работе [7, с. 29-31]: Г.1 Постоянные и временные (длительные и кратковременные) нагрузки и воздействия; Г.2 Особые нагрузки и воздействия.
Результаты
Согласно [8, с.30-31] за период в 70 лет к 2008 году в мире произошло свыше тысячи аварий крупных ГТС (плотин), то есть неудачно осуществленных проектов. Анализ аварий ГТС за 70 лет показывает, что основными их причинами являются: разрушение основания и недостаточная пропускная способность водосбросов с переливом воды через гребень плотин. Процентное соотношение основных причин аварий ГТС дано в табл. 1. Таблица 1. Соотношение причин аварий больших плотин Предлагаемая схема мониторинга даже для системы «малое гидротехническое сооружение – основание сооружения – водная среда – внешняя среда в виде нагрузок и воздействий» в этом случае оказывается сложнее, чем в случае обычных наблюдений или мониторинга, так как требуется связать все отклики сооружения с правильными параметрами цифрового двойника при описании малого гидротехнического сооружения. Концепция физического двойника малого гидротехнического сооружения и инфраструктуры основывается на «принципе эталона»: сверке эталонного поведения объекта при текущем сочетании нагрузок с показаниями датчиков. Если расхождение превышает допустимую погрешность — значит, на физическом объекте возник какой-то дефект, неучтенный физическим двойником, требуется срочное обследование [3]. В физический двойник записывается информация о ветровых воздействиях (аэродинамические коэффициенты, спектры и числа Струхаля) при различных направлениях и параметрах ветра. Если мы имеем статистически точные метеоданные для этого участка местности, то дело только за подходящим аэродинамическим расчетным пакетом и квалификацией расчетчиков.
Обсуждение
Один из способов создания интерфейса между физическим объектом-гидротехническим сооружением и его численной моделью - это использование датчиков для сбора данных о работе сооружения в реальном времени. Эти данные могут быть переданы в численную модель для анализа и сравнения с её прогностическими значениями. Это позволит управлять работой гидротехнического сооружения на основе данных из его численной модели и увеличит эффективность работы сооружения. Использование BIM (Building Information Modeling) модели для гидротехнического сооружения дает ряд преимуществ: позволяет интегрировать информацию о конструкции, геометрии, материалах, электричестве, водоснабжении и др. в единой цифровой модели и улучшает понимание как проекта, так и сочетания его компонентов. Визуализация и анализ BIM модели в трехмерном виде облегчает понимание его функционирования. А с помощью специальных программных инструментов можно проводить анализ прочности, устойчивости и т.д. BIM модель может быть использована не только на стадии проектирования и строительства, но и на этапе эксплуатации и обслуживания сооружения. Она служит основой для управления жизненным циклом сооружения, обеспечивая актуальную информацию о его состоянии и обслуживании [9 - 12]. Наводнения сегодня вместе с ветровыми воздействиями приводят к авариям сооружений, жертвам, а также большим материальным потерям. Необходимо, чтобы все это было прописано в стандартах для указания на возможные проблемы в эксплуатации гидротехнических сооружений.
Обсуждение
Например, связь между большим объемом снега зимой 2024 года и катастрофическим паводком от его таяния весной показала, что это важный аспект гидрометеорологической информации (см. рис. 1 и рис. 2). Рисунок 1 - Наводнения в Кургане в апреле 2024 года Ситуация в Кургане – второе по масштабам наводнение за историю наблюдений. Рисунок 2 - График подъема уровня воды в реке Из происшедшего можно сделать вывод о том, что необходимы в водохранилища для сдерживания паводков, а также о том, что люди не следуют требованиям гидрологической безопасности и осваивают низкие затопляемые поймы рек с риском для своих строений и жизней. Необходимо делать выводы… Это же касается и разработки методики прогнозирования возможных уровней воды и ветровых нагрузок для поддержания гидротехнических сооружений, инженерных сооружений и инфраструктуры в рабочем состоянии во избежание аварий, ущербов и потерь. И тут весьма важным является бассейновое изучение поведения рек как в естественных условиях, так и в городских, где реки выполняют важные функции линейных экокоридоров и несут большую антропогенную нагрузку. Вполне вероятно, что для наиболее проблемных речных зон с точки зрения в первую очередь паводков, необходимо к цифровой модели гидротехнического сооружения подключать цифровую модель речного русла или водоема для прогноза как прорывных паводков (волн размыва), так и распространения паводков весенних от таяния снегов, так и дождевых с зонами затоплений.
Выводы
Выводы. Физический двойник малого гидротехнического сооружения — это программно-аппаратный комплекс, включающий в себя: — расчётную численную модель конструкции (на основе BIM-модели); — набор ветровых нагрузок для различных направлений и характеристик ветра (в том числе при наличии эрозии берегов водоема); — набор основных нагрузок (ледовые, гидродинамические, просадки грунта и т. д.); — расчетный модуль для оперативной оценки перемещений точек мониторинга при актуальных внешних воздействиях; — модуль сверки и идентификации замеренных и расчетных (прогнозируемых) напряжений и перемещений точек мониторинга; — базу данных напряженно-деформированных состояний элементов конструкции при различных вариантах нагружения; — алгоритмы оценки и прогноза повреждаемости элементов конструкции; — модуль оценки ресурса проблемных участков конструкции [4]. При взаимодействии цифровых двойников всех модулей системы «малое гидротехническое сооружение – основание сооружения – водоём – внешняя среда в виде нагрузок и воздействий» мы сможем обеспечить надежную и безопасную работу комплекса «натурная конструкция гидротехнического сооружения – интерфейс – цифровая модель конструкции гидротехнического сооружения», в том числе в автоматическом режиме.