Результат интеллектуальной деятельности: Система контроля и диагностики искусственных сооружений

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для непрерывного мониторинга напряженно-деформированного состояния конструкций, контроля и диагностики технического состояния искусственных сооружений, таких как пролетные строения, мосты, эстакады, виадуки, путепроводы, туннели различного назначения и конструктивного исполнения в процессе их эксплуатации на основе технологии виброакустического контроля.

Известна система мониторинга верхнего строения безбалластного и бесстыкового пути на мосту высокоскоростной магистрали, содержащая датчики температуры, датчики смещения и волоконно-оптические тензодатчики, которые установлены на шейке рельса и закреплены посредством клея на измерительных точках нейтральной оси шейки рельса, при этом параллельно волоконно-оптическому тензодатчику установлены датчики температуры рельсовой плети, которые прикреплены к рельсу посредством теплопроводного геля кремниевой кислоты, датчики температуры рельсовой плиты, опорной плиты и моста установлены в отверстиях, выполненных в этих элементах конструкции, причем отверстия для установки датчиков температуры рельсовой плиты выполнены на верхней и торцевой ее сторонах, датчики смещения рельса относительно рельсовой плиты и продольного относительного смещения концов моста установлены в измерительных точках этих элементов конструкции, при этом датчики температуры, датчики смещения и волоконно-оптические тензодатчики выполнены на основе волоконных решеток Брэгга, а их выходы через соответствующие демодуляторы по линии связи соединены с сервером сбора данных, который каналом связи соединен с сервером обработки данных (RU2681766, B61K 9/08, 12.03.2019).

Известная система мониторинга позволяет точно определять состояние верхнего строения пути.

К недостатку этой системы следует отнести наличие большого количества датчиков, их сложный и дорогостоящий монтаж, а также существенные затраты финансовые и временные на обслуживание данного оборудования на инфраструктуре железнодорожного пути.

В качестве прототипа принято устройство дистанционного контроля состояния безбалластного железнодорожного пути, содержащее расположенные под каждым рельсом в два слоя сенсорно-оптический кабель фиксации перемещения и сенсорно-оптический кабель фиксации температуры, выполненные с возможностью их подключения к измерительной аппаратуре, причем первый слой сенсорно-оптического кабеля фиксации перемещения и сенсорно-оптического кабеля фиксации температуры расположен под укрепленным слоем земляного полотна, второй слой - в нижней части щебеночно-песчано-гравийной смеси, а каждый слой сенсорно-оптического кабеля фиксации перемещения механически связан с грунтом посредством фиксаторов (RU2613126, B61L 23/04, 15.03.2017).

Известное устройство позволяет осуществить надежный контроль состояния безбалластного железнодорожного пути на всей требуемой протяженности за счет повышения точности измерения деформации, устранения влияния температурных эффектов, особенно в случае, когда температура в грунте неоднородна.

Однако известное устройство не позволяет осуществить контроль более сложных искусственных сооружений (например, мостовых сооружений), у которых одним из наиболее важных параметров является частота собственных колебаний.

Технический результат заключается в упрощении системы диагностирования и расширении ее функциональных возможностей за счет обеспечения контроля искусственных сооружений со сложной конфигурацией.

Технический результат достигается тем, что в системе контроля и диагностики искусственных сооружений, содержащей волоконно-оптический кабель, соединенный с измерительной аппаратурой, согласно изобретению измерительная аппаратура состоит из рефлектометра, выход которого соединен с вычислителем, который через преобразователь сигналов подключен к процессору, соединенному с блоком памяти, в котором записана база данных о предельно-допустимых значениях параметров собственных колебаний элементов диагностируемого искусственного сооружения, выход процессора соединен со входом модуля регистрации, к выходу которого подключен модуль связи, блок памяти дополнительно соединен с блоком обучения, при этом волоконно-оптический кабель прикреплен к основным элементам диагностируемого искусственного сооружения с обеспечением плотного к ним прилегания и возможностью перемещения относительно этих элементов при их колебании.

На чертеже представлена структурная схема системы контроля и диагностики искусственных сооружений.

Система контроля и диагностики искусственных сооружений содержит волоконно-оптический кабель 1 соединенный с измерительной аппаратурой, состоящей из рефлектометра 2 выход которого соединен с вычислителем 3, который через преобразователь 4 сигналов подключен к процессору 5, соединенному с блоком 6 памяти, в котором в цифровом виде записана база данных о предельно-допустимых значениях параметров собственных колебаний элементов диагностируемого искусственного сооружения, выход процессора 5 соединен со входом модуля 7 регистрации, к выходу которого подключен модуль 8 связи, блок 6 памяти дополнительно соединен с блоком 9 обучения, при этом волоконно-оптический кабель 1 прикреплен к основным элементам диагностируемого искусственного сооружения с обеспечением плотного к ним прилегания и возможностью перемещения относительно этих элементов при их колебании.

Система контроля и диагностики искусственных сооружений работает следующим образом.

Искусственные сооружения рассматриваем как колебательную систему, которая определяет сооружение, в котором, в результате нарушения равновесия, возникают те или другие колебания. Для упрощения диссипативную систему, где учитывают рассеивание тепловой энергии при колебаниях, рассматриваем как консервативную, в которой рассеянием энергии пренебрегают. При колебаниях происходит периодический переход одного вида энергии в другой, когда потенциальная энергия U (энергия, определяемая положением системы) переходит в ее кинетическую энергию K (энергию движения) и наоборот. Периодические колебания сооружения характеризуются круговой частотой, технической частотой и амплитудой колебаний. Круговая (циклическая) частота ω (рад/с) − это число колебаний за 2π секунды. Техническая частота ƒ (или просто частота, Гц) − это число колебаний за одну секунду:

ƒ (1)

(2)

Любое сооружение можно рассматривать как систему с распределенным по нему бесконечным числом элементарных масс. Поэтому оно является системой с бесконечно большим числом динамических степеней свободы. Расчет сооружений в такой постановке является сложной задачей, обычно ее используют для расчета колебаний лишь простейших систем − балок, пластин и некоторых типов оболочек. Иногда, вводя только несколько сосредоточенных масс, удается достаточно точно описать простейшие колебания. Если этого сделать нельзя, то увеличение числа степеней свободы приближает результат к точному решению, но резко возрастает объем вычислений.

Сооружение и ее части совершают колебания с частотами, которые определяются чувствительным непрерывным сенсором в виде волоконно-оптического кабеля, который улавливает возбуждение колебаний и передает сигнал для определения, сравнения и регистрации сигналов отклика конструкций. Полученные в реальном времени результаты инструментальных измерений через преобразователь сигналов поступают в процессор для последующего анализа цифровых значений этих частот колебаний и сравнения с имеющейся базой данных дефектов и шума, который не учитывается при определении дефекта.

В системе используется свободное волокно оптоволоконного кабеля в качестве распределенного датчика для определения дефектов сооружений и их местоположения по вибрации конструкции самого сооружения. В оптическое волокно поступает оптический сигнал (импульс), который частично отражается от неоднородностей волокна, вызванных акустической вибрацией конструкции. За счет вибрации кабеля, вызываемой вибрацией конструкции сооружения, происходит изменение отражения сигнала, который принимается рефлектометром 2 и поступает на вычислитель 3. После вычисления частоты и преобразования ее в цифровой вид в преобразователе 4 сигналов, полученная информация поступает в процессор 5. Вибрация и колебания сооружения создают воздействие на волоконно-оптический кабель и непосредственно оказывают модулирующее воздействие на оптическую несущую в волоконно-оптическом кабеле на сердцевину волокна. Полученная рефлектометром информация представляется в виде рефлектограммы, а сигнал с выхода рефлектометра 2 представляет собой модулированный оптический сигнал от воздействия колебаний сооружения по амплитуде и длительности воздействия. Он поступает в вычислитель 3, где с помощью преобразований Фурье определяется частота колебания сооружения, а после преобразования в преобразователе 4 значение частоты в цифровом формате поступает на вход процессора 5 для сравнения в нем с цифровыми значениями допустимых значений колебаний сооружения, содержащихся в блоке 6 памяти.

Место воздействия на волокно волоконно-оптического кабеля 1 определяется рефлектометром 2 по разности рефлектограмм (определяется временем обратного излучения от источника вибрации). Система обеспечивает определение дефекта, а также местоположение данного дефекта диагностируемого объекта на расстоянии до 40-50 километров от рефлектометра 2 с точностью 5÷7 метров. При использовании в оптическом кабеле распределенных в световоде брэгговских решеток можно повысить протяженность диагностируемого объекта до 100-150 км, при сохранении точности измерении и чувствительности к внешним воздействиям от сооружений. С выхода преобразователя 4 сигналы в цифровом формате поступают в процессор 5, который производит их обработку, оценку и сравнение с данными (с допустимыми частотами колебаний в цифровом виде), находящимися в блоке 6 памяти, в котором записана база данных о предельно-допустимых значениях параметров собственных колебаний элементов диагностируемого искусственного сооружения. Полученные результаты записывается в модуль 7 регистрации и могут передаваться в режиме онлайн через модуль 8 связи в диспетчерский пункт для учета и принятия мер по повышению безопасности движения автотранспорта и/или поездов на искусственном сооружении, а также проведению предиктивного ремонта (по состоянию). Полученная информация должна быть достаточной для подготовки обоснованного заключения о текущем техническом состоянии сооружения и выдачи краткосрочного прогноза о его состоянии на ближайший период.

Крепление оптоволоконного кабеля к конструкции может быть осуществлено с помощью металлических стяжек и должно обеспечивать с одной стороны плотное прилегание к элементам конструкции, состояние которых необходимо непрерывно контролировать, с другой – перемещение относительно этих элементов при их колебании, так как жесткое крепление может привести к разрыву кабеля.

Диапазон измерений контрольно-измерительного комплекса должен включать в себя предельные допустимые значения измеряемого параметра конструкции. Согласно п.5.48, СП 35.13330.2011 в пролетных строениях конструкции значения периодов собственных колебаний не должны быть в интервале 0,45÷0,6 с (частота 1,7÷2,2 Гц). Так при проезде гусеничного транспорта по сооружению значение частоты составляет 3÷3,33 Гц, Организованная колонна людей вызывает колебания конструкции с периодом 0,4÷0,7 с (частота 1,43÷2,5 Гц). Наиболее надежное проектирование сооружения обеспечивает частоту собственных колебаний не менее удвоенного значения преобладающей частоты возмущения, т.е. она должна быть в диапазоне не менее 3÷5 Гц. Так, например, эталонные значения частот колебаний сталежелезобетонных пролетных строений на участке Тында –Ургал составляет 5,5-5,65 Гц, соответственно собственные колебания таких конструкций при достижении частот порядка 2,5 Гц считаются опасными, а менее 2 Гц – критическими. Воздействие транспортных средств (как шума) на пролетные строения определяется спектром частот собственных колебаний рам и кузовов автомобилей, железнодорожного подвижного состава, с закрепленными на них массами агрегатов и устройств, массами грузов и характеристиками жесткости рессор, пружин и пневмоподвесок, а также техническим состоянием поверхности проезжей части или железнодорожного пути. Диапазоны значимых частот вертикальных, поперечных и продольных собственных колебаний составляют соответственно: 1.2÷6 Гц; 3÷8 Гц; 9÷30 Гц. Для автотранспорта, например, выделяют две основные полосы частот воздействия: первая в диапазоне 1÷4 Гц, вторая 6÷10 Гц. Уровень вибраций определяют, как среднеквадратичное значение в заданных диапазонах частот. Сравнивают уровень вибраций с заданными проектировщиками мостового сооружения уставками по амплитуде вибраций. В случае превышения уставок, осуществляется запись сигнала вибраций и при необходимости принимается решение о прекращении движения или ограничения скорости движения по мостовому сооружению.

В случаях, когда предельные допустимые значения параметра неизвестны, диапазон должен выбираться на основе опыта выполнения аналогичных работ или на основе экспертной оценки. При определении дефекта конструкции процессор 5 непрерывно сравнивает частоту поступившего сигнала с имеющимися в базе данных блока 6 памяти:

- сигналов конструкции на действие временных подвижных нагрузок (температуры, ветра и пр),

- диапазонов изменения напряженно-деформированного состояния несущих конструкций моста в пределах допустимой нормы,

- динамических характеристик моста - основными формами и частотами свободных колебаний конструкции.

В случае обнаружения неисправности в работе сооружения система указывает на элемент конструкции (определяет расстояние от рефлектометра 2), в котором диагностируется дефект (по заданной частоте) - переместившаяся опора, наличие трещины, заклиненный деформационный шов и т.п.

Информацию о текущих событиях, которые граничат с опасными условиями эксплуатации, выделяют для хранения и записывают в модуль 7 регистрации. Работа с модулем регистрации обеспечивает возможность более глубокой аналитической обработки, проведения обобщающих исследований процессов эксплуатации конструкции сооружения и формирования отчета за интересующий период.

Так как мостовое сооружение - достаточно сложная пространственная конструкция, которая обладает индивидуальной частотно-зависимой последовательностью пространственных (трехмерных) форм собственных колебаний, для каждой такой конструкции необходима своя база данных предельно-допустимых колебаний, поэтому в системе предусмотрен блок 9 обучения, который осуществляет автоматическую калибровку и фиксирует допустимые значения этих колебаний, тем самым самообучает базу данных допустимыми значениями возможных отклонений от спокойного состояния конструкции.

Для настройки системы с помощью блока 9 обучения необходимо установить пороговые значения частотного диапазона и провести математический анализ отклика сооружения, который проводится в несколько взаимосвязанных этапов:

- на этапе предварительного моделирования разрабатываются модели пролетных строений, для этого используется проектная документация или результаты обмеров,

- адаптация модели сооружения осуществляется на основе экспериментальных данных, полученных после проведения динамической диагностики, осмотра сооружения и установления причин различия теоретических и экспериментальных данных с учетом таких особенностей как заклинивание опорных частей, неравномерное опирание балок пролетного строения, нарушение взаимодействия пролетных строений с насыпями подходов, неразрезность слоев дорожной одежды между пролетами и т.д., работа опор, фундаментов и оснований, климатические условия проведения испытаний.

Все виды дефектов мостовых сооружений подразделяют на пять видов. Каждому отклонению от нормы содержания сооружения соответствует пять вариантов состояния сооружения:

1 - обеспечивается комфортный проезд транспортного средства;

2 - обеспечивается плавный проезд (ограничения скорости не требуется);

3 - сохраняются условия безопасности проезда, хотя требования по плавности не соблюдены (вводятся незначительные ограничения скорости движения);

4 - сохраняются условия безопасного проезда, но требуются ограничения не только скорости, но и массы транспортных средств;

5 - движение транспорта опасно (организация движения должна быть пересмотрена вплоть до закрытия движения по мосту или полосе).

При использовании нейросети, система может самообучаться после получения и ввода всех необходимых данных о возможных колебаниях и привязке этих колебаний к вариантам состояния конструкции. Нейросеть должна найти оптимальную разделяющую гиперповерхность в векторном пространстве данных, размерность которого соответствует количеству признаков (состояний сооружения). Обучение нейронной сети в таком случае заключается в нахождении таких значений (коэффициентов) матрицы весов, при которых нейрон, отвечающий за вариант состояния, будет выдавать значения частот близки к единице в тех случаях, когда сооружение имеет допустимые колебания, и значения близкие к нулю, если колебания критические.

Для удешевления системы и более широкого ее применения, возможно использование съемных систем определения и регистрации измерений, которые крепятся на конце волоконно-оптического кабеля и после проведения измерений на определенном временном участке, могут быть демонтированы, причем в этом случае модуль 8 связи можно не устанавливать. Далее модуль 7 регистрации направляется для расшифровки и проведения обобщающих исследований состояния и процессов эксплуатации конструкции сооружения и формирования отчета за интересующий период. Принятие решения по данному сооружению основывается на данных, полученных после формирования отчета. В этом случае мы не получаем непрерывного мониторинга, но снимаем большую часть расходов на содержание и обслуживание дорогостоящей техники при проведении измерений. На некоторых искусственных сооружениях достаточно проводить такие виды мониторинга с определенной периодичностью, что позволяет использовать один комплект диагностического оборудования на нескольких сооружениях, оборудованных только волоконно-оптическим кабелем.