(57)【要約】  建造物に衝撃を与えるまたはそうでなければ悪影響を与える、負荷または他の事象の前、最中、および後の物理的または関連する特徴、もしくは建造物に関連付けられる現象に関するデータを検出、測定する、建造物の１つまたは複数の部分または領域に取り付けられた、あるいはその近傍のセンサおよび／またはセンサモジュールを備える、構造的健全性監視システムが、提供される。センサモジュールは、検出された現象を測定し、デジタルデータに変換し、データを主局に送信し、データ編集し、格納し、分析する。主局は、感知された現象に基づいて、事象後の建造物の健全性に関して何の対応をとるか判断する検査官を支援することに有用である、分析作業成果物を作成するように構成される。
2020513571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
建造物の構造的健全性(health)を監視することに使用するシステムであって、
建造物の少なくとも一部の物理的状態に関連付けられた現象を検出するための前記建造物に取り付けられた、またはその近傍の１つまたは複数のセンサまたはセンサモジュールを備え、
前記センサモジュールは、前記検出された現象を測定し、デジタルデータに変換し、前記データを１つまたは複数の主局に送信するように適合され、
前記主局は、前記センサモジュールによって前記主局に送信されたデータを受信するように構成され、
前記主局は、前記建造物の１つまたは複数の状態または特徴を表す分析作業成果物を生成するために、前記データに関する１つまたは複数の操作を実行するように構成される、建造物の構造的健全性を監視することに使用するシステム。
【請求項２】
前記主局が、運動、周波数、またはモードなどの、感知された物理的構造的測定値および特徴に関するデータおよび情報を作成するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記主局が、前記感知された物理的構造的測定値および特徴に基づいて、分析作業成果物に関する報告または勧告する通信を作成するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記システムが、拡大縮小可能に構成され、複数の主局が、ある期間にわたり収集されるデータを取得し、前記データをサーバなどの他のコンピュータデバイスに送信する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記システムは、前記センサモジュールがデータまたは命令を、無線ネットワークを通して前記主局に送信するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムは、前記主局がデータまたは命令を前記センサモジュールに無線で送信するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記センサモジュールが、休止状態にあるように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記センサモジュールが、動的状態にあるように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記センサモジュールは、前記建造物が負荷を受けている間に、前記建造物の示度を取得するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記センサモジュールが、橋に取り付けられるまたは接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記橋が、鉄道橋である、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記センサモジュールは、列車が前記橋上を移動する前、最中および／または後に、前記鉄道橋の示度を取得するように構成された、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記センサモジュールが、標準クロックタイムを使用するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記センサモジュールのうちの少なくとも１つが、加速度計、ジャイロスコープセンサ、磁気計、赤外線もしくは風センサ、またはそれらの組合せなどの、１つのまたは複数の種類のセンサからなる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記センサモジュールのうちの少なくとも１つが、以下の構成要素、センサ、電池、太陽光発電ユニット、プログラム可能な論理演算装置、メモリ、デジタイザ、ＷＩＦＩデバイス、および通信リンクのうちの１つまたは複数からなる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記センサモジュールのうちの少なくとも１つが、データ処理を実行するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記主局が、データおよび分析結果を、データ格納、処理、分析または出力生成のための１つまたは複数の中央サーバに送信する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システムが、建造物モデルをさらに備え、前記建造物の前記物理的状態は、監視サイクルが実行されるとき、定期的に更新される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記センサモジュールは、前記システムが、所定の基準に基づいて、建造物の全てまたは一部が事前設定された限度またはしきい値内にあるか、あるいはそれらを超えているか否かを評価するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記システムが、２つ以上の建造物のための複数の主局を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
２つ以上のセンサを備えるセンサモジュール。
【請求項２２】
前記モジュールが、加速度計、ジャイロスコープセンサ、または磁気計のうちの２つ以上を含む組合せを備える、請求項２１に記載のセンサモジュール。
【請求項２３】
建造物のセグメント上のまたはその近傍の一連のセンサモジュールから収集されたデータを同期するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本発明は、橋、鉄道、高速道路、ダム、堤防、壁、トンネル、建築物などのような建造物の状態および健全性を監視し、評価するための装置、システムおよび方法、ならびに構造的健全性に関する現象の検出に使用するセンサに関する。
【０００２】
[002]本出願は、内容の全てが本明細書での参照により組み込まれる、２０１６年１１月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／４２３，７２９号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
[003]本発明は、建築物、ダム、橋、および他の建造物の構造的健全性の監視に関し、建造物および複数の建造物の一定の状態を、経時的かつ建造物に影響する事象後に測定するシステムおよび機器を含む。
【０００４】
[004]構造的事象の測定に関する技術には、多くの参照文献が含まれる。
【０００５】
[005]１９９６年６月１８日に登録されたＭｃＥａｃｈｅｒｎの米国特許第５，５２６，６９４号は、風によって励起されている間の多層建築物の加速度周波数スペクトルを測定し記録する電子測定機器の開示を主張しており、上記周波数スペクトルは、構造的剛性を部分的に示すとされ、地震、爆発、またはハリケーンなどの外傷性の構造的事象が発生し、風励起の周波数スペクトルの変化が、建築物に対する隠れた構造的損傷を検知するために使用される。
【０００６】
[006]２００１年９月１８日に登録されたＳｔｒａｓｅｒ，ｅｔ  ａｌ．の米国特許第６，２９２，１０８Ｂ１号は、構造的情報を、無線データリンクを通して中央データ収集装置に送信する、電池駆動のデータ収集装置を備える構造監視システムの開示を主張している。データ収集装置は、機械的振動センサ、データ収集回路、デジタル無線送信機、および装置に電力を供給する電池を備えるとされる。Ｓｔｒａｓｅｒ  ｅｔ  ａｌはさらに、彼らの中央データ収集装置は、データ収集装置から送られるデータを受信するデジタル無線受信機、およびデータ処理用のマイクロプロセッサを備えるとする。
【０００７】
[007]２００３年１２月９日に登録されたＷｏｏｄ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第６，６６１，３４６Ｂ１号は、所定周波数範囲の全域で安全な地面加速度と危険な地面加速度とを分ける、しきい値の加速度または周波数曲線を超える地面加速度を検出する地震検出回路を備える建築物用の安全システムの開示を主張しており、そのシステムは、１軸に沿った線形加速度を測定し、測定加速度の大きさを示す加速度信号を生成する加速度計を備え、フィルタ回路が、フィルタリング済加速度信号を加速度信号から作成し、しきい値回路が、フィルタリング済加速度信号と所定のしきい値電圧とを比較し、比較結果を示す地震検出信号を作成する。
【０００８】
[008]２０１１年２月３日に公開されたＣａｂｒａｌ  Ｍａｒｔｉｎの米国特許出願公開第２０１１／００２９２７６Ａ１号は、固定されたまたは可動の建造物における歪を監視するシステムおよび手順の開示を主張しており、その多様な効果により、システムおよび手順は、建造物全体に分散設置された複数の傾斜計、少なくとも１つのジャイロスコープ、および複数の加速度計から構成されると言われている。
【０００９】
[009]２０１３年４月２日に登録されたＡｂｅｒｃｒｏｍｂｉｅ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第８，４１０，９５２Ｂ２号は、加速度計などのセンサが物理的構造上に配置され、３軸の加速度計データが機械的な力のデータに変換され、それが次に処理され構造に関する危機的事象の早期警告を提供し、その早期警告は、規定されたサンプリング時間にわたり、早期警告するしきい値を超える相違点の、各種の要素からなる測定値がいくつか発生することに基づき、早期警告信号は、人の観測者に視覚的、聴覚的、または触知的な信号を通して提供される、方法の開示を主張している。
【００１０】
[0010]２０１３年１２月３１日に登録されたＢｅｌｏｖ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第８，６１８，９３４Ｂ２号は、自律的検知モジュール、データを格納し処理する中央部、およびデータ分析用のソフトウェアを使用することに基づく、建造物の長期状態監視のシステムおよび方法の開示を主張しており、自律的検知モジュールは、監視される構造の状態に関するパラメータを測定する一連のセンサ、不揮発性メモリ、無線データ転送ユニット、コントローラ、クロック回路、電池、環境発電デバイス、および電力管理ユニットを含む。
【００１１】
[0011]２０１４年１月９日に公開されたＣｈｅｕｎｇ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許出願公開第２０１４／００１２５１７Ａ１号は、建築物の構造的支柱に取り付けられたＭＥＭＳ加速度計センサ用いて測定点の回転に基づいて、建築物への構造的損傷を評価する方法の開示を主張しており、測定点の回転は、中央ユニットに無線で送信され、中央ユニットは、支柱の塑性的屈曲点の高さまたは支柱の曲率係数などの所定の支柱の構造的パラメータを経験的に組み込む、支柱の塑性変形モデルを用いて、構造的支柱の残留ドリフトを推定し、構造的損傷は、次に、性能に基づいた、残留漂流物を損傷に関連付ける地震工学的性能のしきい値から、損傷状態を判定することによって推定される。
【００１２】
[0012]２０１４年４月１日に登録されたＺｅｎｇ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第８，６８６，８５０Ｂ２号は、地震動の検出および検出された地震動に基づいて少なくとも１つの警報の通知を提供することの開示を主張しており、具体的には、建造物の隠れた部分に配置され得るセンサデバイスは、地震動を検出し得、受信した地震動が所定のしきい値よりも大きいか否かを判定し得、地震動が所定のしきい値よりも大きい場合、センサデバイスは、警報通知を１つまたは複数の警報装置に送信し得る。
【００１３】
[0013]他の参照文献には、Ｃｈｉｎｔａｌａｐｕｄｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  Ｃｉｖｉｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ、ＩＥＥＥ  ＩＮＴＥＲＮＥＴ  ＣＯＭＰＵＴＩＮＧ、Ｍａｒｃｈ−Ａｐｒｉｌ  ２００６、Ｋｏｔｔａｐａｌｌｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｔｗｏ  Ｔｉｅｒｅｄ  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｓｅｎｓｏｒ  ｎｅｔｗｏｒｋ  ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｈｅａｌｔｈ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．５０５７（２００３）、Ｆａｒｒａｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｅｎｓｏｒ  ｎｅｔｗｏｒｋ  ｐａｒａｄｉｇｍｓ  ｆｏｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｈｅａｌｔｈ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ、Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｇａｔｅ、ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＡＮＤ  ＨＥＡＬＴＨ  ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧ−Ｊａｎｕａｒｙ  ２００６、Ｔｏｒｆｓ  ｅｔ  ａｌ．，Ｌｏｗ  Ｐｏｗｅｒ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  ｆｏｒ  Ｂｕｉｌｄｉｎｇ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ、ＭＥＭＳＣＯＮ  ｐｒｏｊｅｃｔ、ｗｗｗ．ｍｅｍｓｃｏｍ．ｃｏｍ、Ｘｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ａ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｆｏｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ、ＳｅｎＳｙｓ  ’０４、Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  ３−５、２００４、Ｒｉｃｅ  ｅｔ  ａｌ．，Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｓｍａｒｔ  ｓｅｎｓｏｒ  ｆｒａｍｅｗｏｒｋ  ｆｏｒ  ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｈｅａｌｔｈ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ、Ｓｍａｒｔ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｖｏｌ．６、Ｎｏ．５−６（２０１０）４２３−４３８、Ｐａｋｚａｄ  ｅｔ  ａｌ．，Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｃａｌａｂｌｅ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  ｆｏｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ、ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＩＮＦＲＡＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＳＹＳＴＥＭＳ、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１、Ｍａｒｃｈ  １、２００８、ならびにＰａｅｋ  ｅｔ  ａｌ．，Ａ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  ｆｏｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  Ｈｅａｌｔｈ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ：Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ、Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｓｅｎｓｉｎｇ、Ｕｎｉｖ．Ｃａｌ．、Ｍａｙ  ５、２００５が含まれる。
【００１４】
[0014]前述の参照文献は、その全体が本明細書に全て記載されたかのように、参照により本明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
[0015]本発明の１つの目的は、建造物の戦略的資産管理を実行することになる、拡大縮小可能な構造的健全性監視システムおよび装置を提供することであり、上記建造物は、建造物の最適な管理が、建造物の健全性に基づいて判定され実施される、決定区分内に位置づけられ得る。ほんの一例として、本発明は、検査員および適切な決裁者が、建造物の取替が必要か、または経済的に好ましいか否かを、もしくは建造物の長期の良好な健全性の見込みを、決定または判定することを支援する。
【００１６】
[0016]本発明の別の目的は、建造物の戦略的資産管理を実行することになる、拡大縮小可能な構造的健全性監視のシステムおよび装置を提供することであり、上記建造物は、さらなる決定区分内に位置づけられ得る。一例として、本発明は、検査員および適切な決裁者が、（１）建造物が修繕、取替、または他の可能性のある改善を必要としているか否か、（２）建造物の修繕、取替、または他の可能性のある改善に関する建造物の健全性に対して、緊急性または優先順位がどの程度存在するのかを、決定または判定することを支援する。
【００１７】
[0017]本発明の別の目的は、経時的に建造物の健全性を監視し、建造物のライフサイクルを通して、進行中の建造物の検査および保守を支援する、拡大縮小可能な構造的健全性監視のシステムおよび装置を提供することである。
【００１８】
[0018]本発明の別の目的は、急激な浸食作用、衝突、脱線、または地震などの異常な事象中に建造物の完全性および安全性の迅速な評価を達成する、拡大縮小可能な構造的健全性監視のシステムおよび装置を提供することである。
【００１９】
[0019]本発明の別の目的は、建造物の視覚的検査に大きく基づく現在の方法を補完も補助もする、客観的で適時の観測を提供することによって、建造物の人による検査の仕事を支援し向上させることである。
【００２０】
[0020]本発明の別の目的は、構造的健全性を監視することに用いる、新規のセンサモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
[0021]本発明は、構造的健全性監視装置と、構造に影響を与えるまたは衝撃を与える事象の後の、もしくは経時的な、建造物の状態を監視するシステムと、使用方法とを含む。
【００２２】
[0022]ほんの一例として、本発明は、鉄道、高速道路、ダム、堤防、壁、トンネル、建築物、下部構造体および基礎、擁壁、鋼鉄橋（プレートガーダ、トラス、および破壊危機にある鋼鉄橋を含む）、コンクリート橋、石橋および石工橋、ならびに木橋を含む橋などの、建造物の健全性を監視、評価するために活用され得る。
【００２３】
[0023]ある実施形態では、本発明は、建造物の１つまたは複数の部分または領域に取り付けられた、またはその近傍のセンサと、センサモジュールからなり、建造物に衝撃を与えるまたはそうでなければ悪影響を与える、負荷または他の事象の前、最中、および後の物理的または関連する特徴、もしくは建造物に関連付けられる現象に関するデータを検出、測定する。発明者らによって作成されたセンサモジュールは測定し、検出された現象をデジタルデータに変換し、データを主局に送信し、データ編集し、格納し、分析する。
【００２４】
[0024]主局は、センサモジュールによって主局に送信されたデータを収集または収穫するように特別に構成またはプログラムされ、データに関してある一定の演算を実行する、コンピュータデバイスからなる。たとえば、本発明のある実施形態では、センサモジュールに結合された主局と、１つまたは複数のプログラムされたアルゴリズムは、上述のプログラムを実行し、建造物の多様な状態および特徴またはその一部を示す、作業成果物を生成するためにデータに関する多様な分析および操作を履行し、変換されたデータ、情報、報告、勧告などを含む出力を生成し、それが構造物の人の検査員などの他者に忠告し、支援し、経時的に、または建造物に影響を与える事象の後に、建造物の健全性または状態を、良好に、より効果的に監視し診断する、または建造物を取替、修理、または改善するために、行動がとられるべきか否かを判定する。その現在の状態では、本発明は、構造的事象の原因を診断せずに、むしろ本発明は、検査員または構造的診断を専門に責任をもつ他の専門家を、検討中の建造物の状態に関する客観的な証拠を提供することによって支援する。
【００２５】
[0025]プログラムされたアルゴリズムおよび構成に結合された主局は、一例として、運動学的な、周波数分析およびモード分析、ならびに結果として生じる作業成果物を含む、センシングされた物理的な構造的測定値および特徴に関するデータおよび情報を作成する。たとえば、以下にさらに全体的に表明されるように、センサ、センサモジュールおよび主局、ならびにそれらに付随する部分および特徴によって作成される分析的な作業成果物は、センサによって測定される加速度および回転角に基づいて、構造的構成要素の動作を説明する運動学的量と、振動の共振周波数の変化が建造物の挙動における変化を示す共振周波数と、一例として動作しているまたは振動している波動、回転、捻じれ、および揺れとして抽出され視覚化される、建造物の垂直方向、横方向、および縦方向の振動モードである、時間合わせされた運動学的量を使用する振動モードとを含む。
【００２６】
[0026]ある実施形態では、本発明のシステムは、拡大縮小可能であり、複数のシステムおよび建造物の行列が作成され、それによって複数の主局は、ある周期にわたって収集されるデータを取得し、それを中央サーバに送信する。中央サーバは、橋などの多くの建造物のデータファイルを参照し、全ての収集された橋の複数の報告を生成する。したがって、本発明は、全鉄道システムの分析、報告、およびデータを提供する。その実施において、本発明は、各々の橋のデータを分析することができ、各々の測定されたパラメータを含む更新可能な橋のモデルを作成するために用いられる橋の履歴記録を編集することができ、さらなる使用のための履歴記録用の傾向を作成することができる。
【００２７】
[0027]本発明のある実施形態では、センサモジュールは、データを主局に、たとえばＷＩＦＩを介して無線で送信する。
【００２８】
[0028]本発明のある実施形態では、主局は、データまたは命令をセンサモジュールに、たとえばＷＩＦＩを介して無線で送信する。
【００２９】
[0029]本発明のある実施形態では、センサモジュールは、休止状態にあり、電力を節減できるようにする。
【００３０】
[0030]本発明のある実施形態では、センサモジュールは、動的状態にあり、センサは、建造物が動的または外傷性事象を受けている間の建造物の示度を取得する。
【００３１】
[0031]本発明のある実施形態では、センサモジュールは、先述の建造物が負荷を受けているとき建造物の示度を取得する。
【００３２】
[0032]本発明のある実施形態では、センサモジュールは、鉄道の橋を含む橋に取り付けられまたは接続されており、列車が橋の上を移動する前、最中、および後に橋の示度を取得する。
【００３３】
[0033]本発明のある実施形態では、センサモジュールは、標準クロックタイムを使用する。
【００３４】
[0034]本発明のある実施形態では、所与のセンサモジュールは、加速度計、ジャイロスコープのセンサ、磁気計、またはそれらの組合せなどの１つまたはいくつかの種類のセンサからなる。
【００３５】
[0035]本発明のある実施形態では、センサモジュールは、プリント配線基板などの支持媒体、および１つまたは複数の以下の構成要素、センサ、電池、太陽光発電ユニット、プログラム可能な論理演算装置、メモリ、デジタイザ、ＷＩＦＩデバイス、およびアンテナを含むリンクからなる。
【００３６】
[0036]ある実施形態では、本発明は、システムが建造物の多様な部分をまたは建造物全体を監視し評価し得るように、所与の建造物のいくつかの部分に配置された、いくつかのセンサモジュールを活用する。
【００３７】
[0037]ある実施形態では、センサモジュールは、計算の開始またはデータクレンジングを含むデータ処理を行うように構成される、またはプログラムされる。
【００３８】
[0038]本発明のある実施形態では、主局は、命令を１つまたは複数の休止中のセンサに送信し、動作状態または変化状態に「目覚め」させるように構成される。
【００３９】
[0039]本発明のある実施形態では、主局は、データおよび分析結果を、さらなるデータの格納、処理、分析、または出力生成のための１つまたは複数の中央サーバに送信する。
【００４０】
[0040]ある実施形態では、本発明は、「建造物モデル」を作成し、建造物の物理的状態は、監視サイクルが実行されるとき、定期的に更新される。
【００４１】
[0041]ある実施形態では、本発明は、所定の基準に基づいて、建造物の全てまたは一部が、事前設定された限度またはしきい値内にあるか、またはそれらを超えているか否かを評価する。
【００４２】
[0042]別の実施形態では、本発明は、いくつかのセンサモジュールおよび主局を、企業によって所有され、制御され、または使用される多様な建造物に活用し、一例として鉄道会社によって用いられる全ての橋などの建造物のいくつかまたは全てを監視することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】[0043]本発明内のセンサモジュール、通信リンク、主局、およびサーバを備える橋建造物の図である。
【図２】[0044]本発明の主要構成要素の高級ビュープランである。
【図３】[0045]本発明に関連して構成され使用されるセンサモジュールの標本の拡大デジタル写真の複写である。
【図４】[0046]本発明のシステムの較正表の作成に基づいてデータを同期する方法の高級ビューである。
【図５】[0047]本発明の分析プリプロセッサにオフセットデータを送るために図４の較正表の使用の高級ビューである。
【図６】[0048]本発明のシステムプロセスの最上位アルゴリズム図または論理図である。
【図７】[0049]本発明のシステムの事前処理事象のアルゴリズム図または論理図である。
【図７Ａ−１】[0050]本発明のシステムの事前処理事象のアルゴリズム図または論理図のさらなる詳細である。
【図７Ａ−２】[0050]本発明のシステムの事前処理事象のアルゴリズム図または論理図のさらなる詳細である。
【図７Ｂ−１】[0051]本発明のシステム用の運動学的量のシステム計算方法である。
【図７Ｂ−２】[0051]本発明のシステム用の運動学的量のシステム計算方法である。
【図７Ｃ】[0052]本発明の周波数分析システムの方法の一例である。
【図７Ｄ】[0053]本発明のシステムのモードの分析の方法の一例である。
【図７Ｅ】[0054]本発明のシステムの特徴抽出方法の一例である。
【図８】[0055]本発明のシステムの建造物モデルの更新を詳細に示すアルゴリズム図である。
【図９】[0056]本発明の報告生成の形体を詳細に示すアルゴリズム図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
[0057]本発明の効用、用途、および長所
[0058]本発明の効用および用途は、上述しさらに全体に後述するように、建造物が、均衡状態下、または動荷重もしくは静荷重下にある間、あるいは所与の期間中、強力なツールを、建造物の所有者および操作員、ならびに建造物の損傷または異常を診断することに責任を負う、あるいは物理的状態または外傷性の著しい事象の前、最中、または後に建造物の物理的状態の変化を監視することを担当する、検査官、技術者、建築家、および他の専門家に提供することである。
【００４５】
[0059]本発明者らは、鉄道および高速道路の橋、ダム、堤防、擁壁、トンネル、および建築物を含む多種多様な建造物への使用に適している、構造的健全性監視（「ＳＨＭ」）システムを発明した。本発明は、建造物に係る種々の問題を解決し対処する。たとえば、戦略的資産在庫管理を目的として、本発明は、たとえば、（１）建造物が、近い将来の取替を必要とするか否か、または建造物の取替が経済的に好ましいか否か、（２）長期の良好な健全性を有する構造、あるいは（３）建造物の必要とされる修理または取替に関する緊急性および優先順位の程度など、建造物のある一定の範疇内でのそれらの位置をトリアージすることを可能にする。
【００４６】
[0060]ここで予想されるように、本発明は、単独で（厳格な性能および信頼性保証を必要とする）「安全システム」を構成しないし、存在している人間の建造物検査官の置換えを構成しない。本明細書で説明する本発明は、建造物の視覚的検査に大きく基づく、現在の主観的で典型的には定期的な方法を補完も補助もする、客観的で適時の観測を提供することによって、人間の検査官を支援することを意味する。それにもかかわらず、本発明は、数ある中でも、経時的に建造物の健全性を監視し、建造物のライフサイクルを通して、進行中の検査および保守を支援すること、ならびに急激な浸食作用、衝突、脱線、または地震などの異常な事象中に建造物の完全性および安全性の迅速な評価を達成する。
【００４７】
[0061]本発明によって対処される構造的特徴および用途は、一例として、下部構造体状態、基礎状態を含む下部構造体および基礎、浸食作用の効果、擁壁、トンネル、鋼鉄橋であってプレートガーダ、トラス、および破壊危機にある橋を含む鋼鉄橋、コンクリート橋、石橋および石工橋、ならびに木橋を含む。
【００４８】
[0062]本発明の装置、方法、およびシステムは、動的な（活荷重）励起と環境の（静荷重）励起の両方の場合における、建造物の状態の現実世界の態様を反映した、有用な結果として生じる産出物を提供する。たとえば、ある実施形態では、本発明は、建造物の挙動における変化の報告を、可能であれば変化率を提供し、事象に関して初期になされた場合、適時に経済的な改善行動を可能にする。さらに、本発明の実施形態は、考慮中の建造物の異常な、非一貫性の、または非対称の挙動の報告を提供する。さらなる実施形態では、本発明は、洪水、列車脱線、衝突、または地震などの異常な事象に関連した変化あるいは構造的な変化がないことと、建造物において観測した変化の特質と、および変化または異常な、非一貫性の、あるいは非対称な建造物の挙動の部位とに関する適時の状態報告および警報を提供する。本発明のやはりさらなる実施形態では、橋とその進入路との間の、または同一の橋において隣接する梁間との間の係数の差異の検出および定量化が提供される。本発明はさらに、橋の能力（負荷と速度に基づいた）の評価の精度を向上させるのに有効な観測結果を測定し作成するだけでなく、推定される橋の構造的疲労の精度を向上させるのに有効な観測結果を測定し作成する。また、本発明の実施形態は、建造物における火災の検出および報告を提供し、さらに連邦鉄道管理局（ＦＲＡ）規則に従って維持していることの記録を提供する。
【００４９】
[0063]本発明の装置、方法、およびシステムはさらに、建造物に損傷を与える事象を取り巻く状況に関連付けられる挙動の範囲の検出および分析を提供する。たとえば、本発明の実施形態は、（１）同一の事象に対しての建造物の、異なるが類似する部分間の状況事象、（２）類似状態下の異なる事象中の建造物の同一の部分での状況事象、に応じた差異を検出する。さらに、ある程度まで、本発明は、それら自体が建造物内部の問題を示し得る応答をときには報告し得るが、全ての事例において、構造検査官または構造技術者による事後点検が、診断を完了し構造的改善を処方するために必要とされる。
【００５０】
[0064]建造物への損傷は、徐々の劣化または他の建造物への長期の害に、または突然もしくは比較的短期にわたって建造物に衝撃を与え得る特定の外傷性事象に由来し得る。長期の構造的影響に対して、本発明は、経時的な建造物における変化を評価するために定期的測定を実施するように計画され得る。たとえば、ある実施形態では、本発明のシステムは、列車の鉄道の橋上の通過などのある一定の事象の測定を実施するように計画され得る。突然もしくは短期の損傷に関して、本発明のシステムは、特定のしきい値をセンサにおいて設定することによって、橋脚での平底荷船の打撃、地震などのある一定の予期しない事象の測定を実施するようにプログラムされ得る。システムが休止中の電力節約モードにあるときでさえ、通電されたままの加速度計の場合、そのような事象の発生は、システムを始動させる「しきい値を超える」センサ示度を作成する。
【００５１】
[0065]本発明は、いくつかの建造物が洪水または他の異常な水流の間の特定の懸念である浸食作用による損傷のより高いリスク下にある、問題に対処する。これらの場合では、本発明の実施形態は、長期間通電されたままであり得る、また水中で機能し得る、橋脚および接合部上の有線ワイヤモジュールを含み得る。
【００５２】
[0066]外傷性事象は、建造物へ深刻な損傷をもたらし得る、または多くの場合そうでない可能性もあるが、緊急対処を要するか否かを迅速に判定する必要がある。本発明は、原因の判定および他の判定を行うために、構造的検出および分析を、検査官、構造技術者、または第１の対応者に提供する。本発明のシステムのある実施形態では、センサモジュールは、ある一定の始動しきい値を用いて設定され得る。したがって、しきい値を超えるセンサ示度が、事象自体からデータを収集するために間に合うように、センサモジュール始動をもたらす場合、次にこのデータは、本明細書で説明する分析プログラムによって、解析され得る。さらに、構造的事象からのそのデータが、最も影響を受けるそれらのセンサモジュールからのみ利用可能な事象においては、１つのセンサモジュールでのしきい値を超える示度が、センサモジュール始動での数秒の遅延を伴い、全てのセンサモジュールが収集サイクルを実行することをもたらす。さらに、実際の事象からのデータが利用できないとき、構造的ステータスは、事後に、静荷重および活荷重状況の両方において、本発明のシステムによって収集されるデータからやはり推測され得る。予期される構造的損傷の程度により、これは、繰返しのプロセスであり得る。たとえば、静荷重データがまず検査される。この検査が建造物に対して有意な変化を示さない場合、次に、追加のデータが、活荷重状態下で、おそらく、負荷状態に関連し得る交通の重量および速度を徐々に増大させることによって、測定され収集され得る。
【００５３】
[0067]本発明の効用は、本質的に経済性でもある。たとえば、本発明は、十分購入可能であり、多数の橋に適用されるとき、投資および所有するコストに関して、好ましい見返りを提供することで支援する。適切な経済的要因は、以下を含む。
【００５４】
Ａ．本発明を活用する各々の橋で使用する本発明のシステムおよび装置の低い初期取得コスト。
【００５５】
Ｂ．本発明を活用する対象建造物の構造的分析およびリバースエンジニアリングなどの比較的少ない準備作業がある。これは、多くの場合有限要素モデルの開発および検定を含む、従来の方法を大部分除外する。
【００５６】
Ｃ．本発明の一部として使用される無線センサモジュールは、存在する建造物に、迅速かつ経済的に設置され得る。ほとんどの場合、システム設置は、以下を包含する。
【００５７】
１．位置調査ならびにセンサモジュールの数および適切な位置の決定。
【００５８】
２．センサが水平であるか否かを判定するため、センサモジュールを重力の垂直方向におおよそ位置合わせするための、アルコール水準器または気泡水準器使用のセンサの建造物への適用。
【００５９】
３．互いに対してのセンサモジュールの位置および３次元（３Ｄ）グリッドシステムにおける建造物上のキーポイントを記録すること。これらの位置を決定するための大概の方法には、搬送波位相強化ＧＰＳ（ＣＰＧＰＳ）が用いられる。
【００６０】
４．ある実施形態では、本発明のシステムが自己較正方式であり、静荷重状態下において、加速度計を較正するために測定済みの重力方向を使用し、磁気計を構成するために磁場の局所方向を使用し、ジャイロスコープを較正するために測定済みの角速度を使用すること。
【００６１】
５．システムの構成および初期化が、主局によって全てのセンサへのＬＡＮリンクを確立していること、および収集持続時間などのセンサ操作パラメータを設定することを含むこと。
【００６２】
６．動的（活荷重）および環境（静荷重）入力の両方に応じた建造物の性能のベースライン化。
【００６３】
Ｄ．本発明の装置およびシステムにより設置後および稼働寿命中の最小限の保守が可能になる。１つの要因はセンサモジュールの電池寿命である。
【００６４】
[0068]本発明の装置およびシステムにより、橋の立地から制御所などの他の位置への接続性の最小化または不必要化が可能になる。本発明の装置およびシステムの「付加価値」は、個別の建造物およびその環境により顕著に変化し得る。橋の間では、異なる特性および経済的考慮を伴う橋は、以下の通りである。
【００６５】
Ａ．「記念碑的」と呼ばれることがある橋または他の建造物は通常、あまりにも高価で取替できないと考えられ、それゆえ本発明による効果的な継続保守が重要になり得る。検査官がそのような大規模な建造物上で検査を完遂することは、非常に困難で、危険であり得る。たとえば、北米には約６００のそのような鉄道橋があり、さらに多くの高速道路の橋がある。
【００６６】
Ｂ．破壊危機にある橋は、いくつかの重要な構成要素のうちの１つが故障した場合、壊滅的な破損をもたらす、相互依存的で冗長性のない不適切な設計特性を有する橋である。高速道路に比べて鉄道においては一般的ではないが、いくつかの鉄道橋は、「冗長性を欠く」とされ、破壊危機にあると考えられ得る。
【００６７】
Ｃ．浸食危機にある橋は、接合部または基礎の水流による浸食および洗掘に悩まされそうなように配置されている。そのような橋は、洪水または鉄砲水の期間に相当高まったリスクを経験し得る。高いリスクの期間は、数日間続き得る。
【００６８】
Ｄ．「面倒な」とされ得る橋は、急激に変化する構造状態のより高いリスク下にあることが知られ、したがって、通常１年に１回だけ検査される安定した橋よりも頻繁な検査を必要とする。本発明の装置およびシステムは、人による検査の頻度を削減可能であり、一方、全体のレベルおよび構造状態認識の適時性を向上させる。
【００６９】
Ｅ．その知覚される構造的状態により取替が指定された橋は、事実上、局在的な修理可能な劣化を有するか、単に事実よりも悪い状態にあるように見え得る。本発明の装置およびシステムの客観的測定は視覚的観測に基づいた判断を確認することまたは否定することを支援する。
【００７０】
Ｆ．多くの橋は、それらが損傷を避けるためかつ摩滅を制限するために課せられる制限的な速度限界（低速命令）を有するので、大量に運行される鉄道において渋滞原因地点である。これらは通常、非常に保守的な推定方法によって設定される。本発明の装置およびシステムの客観的測定によってこれらの推定の精度を改善することは、交通流の制限を低減するのに非常に役立ち得る。
【００７１】
Ｇ．貨車の最大許容重量が増大された。増大された重量限界が意図されるまたは認可される場合、各橋は、高められた容量（ときには対応する速度抑制と共に）を評価、認証の何れかが必要であり、さもないとその鉄道線は、全体の鉄道網よりも下のステータスに格下げされる。本発明の装置およびシステムを使用することによって、評価過程に客観的測定を付加することは、特に当初の文書化が不可能であった橋にとっての結果を向上させる。
【００７２】
[0068]本発明の装置、システム、および方法のさらなる説明および特徴
[0069]本発明の構造的健全性監視方法および装置は、上述しさらに詳細に後述するように、説明され、有効化される。
【００７３】
[0070]ある実施形態では、本発明は、建造物の１つまたは複数の部分または領域に搭載され取り付けられた、またはその近傍のセンサと、センサモジュールからなり、建造物に衝撃を与えるまたはそうでなければ悪影響を与える、負荷または他の事象の前、最中、および後の物理的または関連する建造物に関連付けられる現象を検出する。センサモジュールは測定し、検出された現象をデジタルデータに変換し、データを主局に送信し、データ編集し、格納し、分析する。
【００７４】
[0071]図１に例示されるように、センサモジュール１は、建造物に関連付けられる物理的または関連する現象を検出する橋建造物２に取り付けられている。センサモジュールは、検出された現象を読み出し、デジタルデータに変換し、ローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮ」）または広域ネットワーク（「ＷＡＮ」）などのＷＩＦＩネットワーク３を通じて、データを主局４に送信し、データ編集し、格納し、分析する。ある実施形態では、データはまた、ローカルデータハブ（「ＬＤＨ」）図２の１４を通じて送信され得る。さらに、ある実施形態では、１つまたは複数の主局は、データおよび情報を１つまたは複数の中央サーバ図１の５へ送信し得る。
【００７５】
[0072]図２は、本発明の主要構成要素の高級ビュープランを示す。図２に示すように、建造物に関連付けられる多様な物理的現象たとえば、衝撃、振動、温度、および角運動１０、歪みおよび変位１１、熱、風、および湿度１２が、センサモジュール図１の１および図２の１２ａによって読み出され、データに変換される。上述のように、ある実施形態では、センサモジュールは、無線通信伝達に関するデータを、無線ネットワークを介して主局図２の１３に直接送信する。別の実施形態では、センシングされたデータは、センサモジュール１２ａからＬＤＨ１４および１４ａを介して、計算され生成された建造物の推定ステータスを含む分析的な作業成果物１３ａを生成する、プログラムされたアルゴリズムに基づいて処理または分析する主局１３に伝達される。そのような作業成果物は、建造物１３ａの建造物の安定性、構造的変化、火災、構造的損傷、移動、または変形を含む。さらに、主局は、建造物、建造物モデリング、およびモデル更新に関して、かつ、建造物内変化および構造的監視、計算を学習し更新する機械またはシステム、構造的傾向および予測、構造的静荷重分析および活荷重分析、構造的故障、構造的変則および変則局在、ならびに事象の厳格度および構造的現象１３ｂに関して、実行するプログラムされたアルゴリズムを備えて構成される。ある実施形態では、主局は、主局によって生成される分析的な作業成果物が評価され表示され得る、中央サーバなどの他の装置１５に遠隔操作可能に接続される。
【００７６】
[0073]上述の本発明の構成要素および特徴は、さらに詳細に以下で説明する。
【００７７】
[0074]センサ
[0075]本特許明細書内で用いられる用語「センサ」は、用語が当業者によって理解され得るように使用される。たとえば、「センサ」の１つの定義は、その目的がその環境での事象または変化を検知し、次に対応する出力を提供することである、対象物またはデバイスを示す。センサは、ときには変換器の一種としてまたは変換器を使用することとして理解され、電気的または光学的信号などの多様な種類の出力を提供し得る。たとえば、ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｓｅｎｓｏｒを参照のこと（２０１６年５月２９日時点で確認）。センサの出力信号は、デジタルまたはアナログであり得る。同上。前述の参照は、参照により本明細書に組み込まれ、本明細書で全体が表明されたこととする。
【００７８】
[0076]本発明に関連したセンサは、加速度計、ジャイロスコープセンサ、磁気計、風センサ、赤外線センサ、湿度センサ、または発明者の努力傾注分野の当業者に知られる他のセンサを含む。
【００７９】
[0077]本発明のある実施形態では、加速度計は、かなり使用される。用語「加速度計」は、本明細書において使用されるように、当業者によって理解されていると思われるものである。一般的な感覚では、加速度計は、重力加速度を含む加速度を測定するデバイスである。本発明に関連して用いられる加速度計は、負荷をかける対象である建造物の動作および振動を測定する。本発明の文脈内で用いられる用語「負荷」は、活荷重および静荷重を含む。建造物上にかけられる負荷は、それだけには限らないが、人の活動、装置、工事作業、破壊、削孔および掘削、鉄道と道路と橋などとにかけられるような負荷移動、衝突、衝撃、衝突衝撃負荷、崩壊、風および突風、圧力、支持損失、地盤破壊、劣化、摩耗、洗掘、浸食、建造物または建造物接続内の破壊、火災、洪水、水流、吹送流、ならびに地震および余震を含む、種々の源からのものであり得る。構造的健全性監視の分野では、建造物がこれらの状態にどのように反応するか測定および記録することが、建造物の安全性および存立可能性を評価するために、非常に重要またはいっそう重大であり得る。
【００８０】
[0078]本発明のある実施形態では、ジャイロスコープセンサもまた、使用される。本明細書で用いられるように、用語「ジャイロスコープセンサ」は、当業者によって理解されていると思われるものである。一般に、ジャイロスコープセンサは、建造物の角回転速度を測定するデバイスである。
【００８１】
[0079]本発明のある実施形態では、磁気計が使用される。用語「磁気計」は、本明細書において使用されるように、当業者によって理解されていると思われるものである。一般に、磁気計は、地球の磁場、ならびに磁気建造物および電気的装置からなどの他の磁場を測定し、重力に対する建造物の傾きを測定する能力を有する。たとえば、Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ  ＆  Ｐｒｏｇｎｏｓｔｉｃｓ  Ｔｏ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  Ｈｅａｌｔｈ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔの、ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ  ＨＥＡＬＴＨ  ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧ  ２００３、Ｆｕ−Ｋｕｏ  Ｃｈａｎｇ、ＤＥＳ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ｉｎｃ．，ｐ．１０３および諸所を参照のこと。前述の参照は、参照により本明細書に組み込まれ、本明細書で全体が表明されたこととする。
【００８２】
[0080]本発明のある実施形態では、赤外線温度センサが使用される。用語「赤外線センサ」は、本明細書において使用されるように、当業者によって理解されていると思われるものである。一般に、赤外線センサは、７００ｎｍから１４，０００ｎｍの範囲の電磁波を感知する。これらのセンサは、対象物によって発せられる赤外線エネルギーを、エネルギーを対象物によって発せられる赤外線エネルギーに比例した電気的信号に変換する、１つまたは複数の光検出器上に焦点を合わせることによって作動する。任意の対象物によって発せられる赤外線エネルギーは、その温度に比例するので、電気的信号は、測定中の対象物の温度の正確な示度を提供する。
【００８３】
[0081]本発明のある実施形態では、風センサもまた、使用される。用語「風センサ」は、本明細書において使用されるように、当業者によって理解されていると思われるものであり、たとえば風速計である。
【００８４】
[0082]本発明のある実施形態では、建造物を囲む気団の湿度が測定される。建造物の近傍または周囲の気団の湿度を測定するために使用される方法は、当業者によって容易に理解され得る。一例として、湿度計は、本発明に従って建造物近傍の湿度を感知するために使用される。
【００８５】
[0083]センサモジュール
[0084]説明したように、本発明のシステムアーキテクチャは、センサ測定情報を主局に供給する複数のセンサモジュールを備える。好ましくは、センサモジュールは、電池駆動であり、設置を容易にし、経済的にする。好ましくは、電池は、通常状態下でおおよそ５〜１０年長持ちすべきである。さらに、センサモジュールは、電池電力を節約するために、低デューティサイクルを有することが好ましい。本発明のある実施形態では、電池駆動のセンサモジュールは、検知および通信などの特定の機能を実行するとき以外は、休止状態に留まる。ある実施形態では、センサモジュールが休止状態にある間、リアルタイムクロック（「ＲＴＣ」）、加速度計および限られた無線機能だけが作動したままとなる。センサモジュールは、事前設定時刻にＲＴＣによって呼び起こされ得る。加速度計は、それが事前設定されたしきい値を超える値を感知したとき、センサモジュールを呼び起こすことになり、その時刻にセンサモジュールは、主局との接続を確立し、次に、全体の目覚まし命令を全ての他のセンサモジュールに送信する。
【００８６】
[0085]図３は、本発明に関連して構成され使用されるセンサモジュールの例の図である。示したように、センサモジュールは、プリント配線基板（「ＰＣＢ」）２０を備える。３軸加速度計２１、３軸ジャイロスコープセンサ、３軸磁気計２３、および無線電波／ＭＣＵ２４、ならびにアンテナ２５を含む一連のセンサが、他の構成要素の間で、ＰＣＢ上に搭載またはハンダ付けされている。
【００８７】
[0086]センサアーキテクチャ
[0087]上述のように、本発明は、その１つの実施形態において、建造物全体への複数センサの適用を利用する。例示的な目的として、この実施形態での建造物は、図１に示すような鉄道橋である（正確な縮尺率ではない）。しかしながら、建造物の複雑性および構成は、当業者によって理解され得るような、利用されるセンサモジュールの数および位置に関して評価されることになる１つの要因である。たとえば、当業者が本明細書を読んだ際に認識し得るように、より複雑な建造物がより多くのセンサモジュールを必要とし得る一方で、より簡潔な建造物は、より少ないモジュールを必要とし得る。
【００８８】
[0088]多数のセンサモジュールの使用により、建造物への損傷のより良好な探索が可能になり、特定のセンサモジュールの誤動作または故障の際のバックアップを提供する。加えて、場合によっては、複数センサの測定が、現象の同定を識別するために、または最適化するために必要であり得、そうでなく単一のセンサモジュールでは認識できない。
【００８９】
[0089]本発明の好ましい実施形態では、３軸加速度計が、他の装置の中でもとりわけ、３軸ジャイロスコープおよび３軸磁気計の使用と同様に、使用される主要なセンサ種であり、その結果３次元センシングを提供する。対象の伝達周波数は、一般に低い。たとえば、活荷重建造物状況にある列車からの入力は、おおよそ１００Ｈｚにおいて見られる。鉄道橋の正常な周波数は、おおよそ０．５〜１．５Ｈｚである。いくつかの事例では、おおよそ２０００Ｈｚの超高調波が対象となる。好ましくは、活荷重サンプリングは、１６ｇの最大振幅、１２〜１４ビットの精度であり、環境の入力の静荷重サンプリングは、１ｇ未満となり、１６ビットを必要とし得る。
【００９０】
[0090]ある実施形態では、使用される各センサモジュールは、温度感知可能であり得る。しかしながら、湿度は、広域変数であり、それは建造物でわずか１ヶ所または２ヶ所で感知され得る。風は、さらに広域変数であり、橋などの建造物の長さおよび状況により、１ヶ所または数カ所で感知され得る。火災に関して、赤外線感知およびその検出が非常に推奨される。
【００９１】
[0091]以下の説明および表１は、多様な種類の、建造物への具体的な損傷事象、データ、本発明が提供する測定値および分析結果の６つの例を示す。
【００９２】
[0092]破壊された構造的部材または接続：建造物の寿命を通じて、腐食または摩耗による劣化は、構造的性能の損失をもたらし、たとえば部材が破壊するまたは接続点が剛性を失う。この劣化は、静荷重および活荷重の両方の下、または活荷重の間だけ兆候が現れる。始まりは、徐々にまたは突然であり得る。
【００９３】
[0093]洗掘および浸食：洗掘および浸食は、建造物の基礎の周囲から土壌および岩を除去する水流をもたらす。これが過剰に進行する場合、基礎は、建造物への深刻な負の影響により、脆弱化されまたは破壊されることになる。洗掘および浸食は、非常に急激に、具体的には洪水状態の間に、臨界点に到達し超過し得る。状況を悪化させて、洪水の水は、多くの場合濁っており、水中の基礎の周囲の損傷を視覚的に評価することを困難にまたは不可能にする。
【００９４】
[0094]車両または平底荷船の打撃、あるいは橋上の脱線などの衝突：水路および自動車道路に架かる橋は、建造物に打撃を与える船または自動車からの損傷を免れない。極端な事例では、径間は、部分的にまたは完全に、その支持体を打ち落とされる、あるいは建造物全体が崩壊する。多くの事例では、衝突は、報告されないままとなり、そのことにより、損傷は疑われない場合もある。
【００９５】
[0095]地震および猛烈な気象：地震の事象または猛烈な気象は、基礎、支持体に損傷をもたらす、すなわち径間を打撃しその支持体を完全に打ち落とす。建造物全体が崩壊し得る。従来の検査実施との共通の難しさは、地理的エリア内の全ての橋が検査され、使用の承認を得られるまで、運用は保留される必要があり得ることである。本発明は、各橋の構造的状態を速やかに報告可能であり、それにより検査に優先順位をつけ、より適時の運用復帰を支援できる。
【００９６】
[0096]火災：橋上での火災は、珍しいことではなく、多くの場合、修理を正当化するのに十分厳しい損傷をもたらさない。木橋を完全に黒焦げにするのに十分に広範な火災でも、それを実質的に脆弱化させるのに十分に、構造的部材の断面を低減しないこともある。本発明は、損傷程度の迅速な判定において、有益な支援を提供する。火災からの熱が、橋に取り付けられたセンサモジュールを損傷する傾向があるが、それらは速やかに交換可能である。さらに、通常橋外に位置する主局は、分析的記録を収容する。これにより、新たなセンサモジュールが配置されると即時に、本発明のシステムが監視を継続することを可能にする。
【００９７】
[0097]洪水および漂流物堆積：出水および強烈な流水は、多くの地域における現実である。洗掘および浸食の効果に加えて、洪水は、流水および橋を打撃する漂積物によって建造物に働く横方向の圧力により橋に損傷をもたらす。さらに、木および葉を含む漂積物の堆積は、水流に有効な断面を減少させ、より高い水位と増大された横方向圧力の両方をもたらし得る。
【００９８】
[0098]本発明の装置およびシステムは、以下の表１に集約されたもののような現象を感知し処理する。表１は、Ａ列に列挙した建造物への損傷の種類と、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦ列の各々の上部で識別された本発明によって用いられる多様なセンサによって測定される現象とを、相互的に関連させている。
【００９９】
【表１】
2020513571.tif 000003
2020513571.tif 000004
2020513571.tif 000005
[0099]主局
[00100]センサまたはセンサモジュールは、図１の４、図２の１３の主局と通信し、測定情報を供給する。
【０１００】
[00101]後述するように、主局は、太陽光または送電線駆動の専用コンピュータまたはコンピューティングシステムからなる。このプラットフォームは、堅牢化されており、気象、出水、電磁干渉などのような環境および立地条件的な危険からの保護を提供する。Ｌｏｇｉｃ  Ｓｕｐｐｌｙの、ＤＳ−１００１−ｇ８ｇｃは、主局が組立て構成される場合、基本的なコンピュータデバイスとしての役割を果たし得る。好ましくは、主局は、建造物上に直接取り付けられず、建造物が燃えたり崩壊したりする場合でも、それが破壊されないように評価される。
【０１０１】
[00102]本発明のある実施形態では、本明細書で説明されるように、主局は、センサモジュールからのデータの受信およびセンサモジュールへの命令の送信によるものも含め、センサモジュールと通信し制御するように構成またはプログラムされている。加えて、主局は、本明細書で説明されるような対象建造物において、タスクおよび分析を実行し、分析的な作業成果物および報告を作成するように構成、プログラムされる。主局は、他の構成要素および機能の中でもとりわけ、１つまたは複数の中央処理装置（ＣＰＵ）、オペレーティングシステムおよびアプリケーションソフトウェア、ファームウェア、データ処理、メモリ、データ構造、入出力手段、他のコンピュータデバイスならびにネットワークへの接続および連結性、たとえばインターネット、ＶＰＮおよびＬＡＮ、ならびに他の公共の、私設の、または安全なネットワーク、ディスプレイ、周辺機器、たとえば、インタフェース、キーボード、マウス、マイクロフォン、スピーカ、カメラ、プリンタなどを含む。
【０１０２】
[00103]上述のように、本発明のある実施形態では、検出されたデータまたはセンサモジュールによる示度は、ローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮ」）を通して、より好ましくは無線電波伝送を利用した無線ネットワークを通して、主局に送信される。以下に説明するように、センサによって検出される情報は、センサモジュールから主局に直接渡されても、ローカルデータハブ（「ＬＤＨ」）などの１つまたは複数の中間リンクに送られ、それを介して主局につながれてもよい。図２の１４、１４ａ。好ましい実施形態では、ＬＤＨファームウェアは、本発明の通信システムの内部操作および接続を管理することになる。
【０１０３】
[00104]本発明に使用されるソフトウェアは、ファームウェア、システムソフトウェア、および分析的なソフトウェアを含む。好ましい実施形態では、センサモジュール、主局、および他の本発明の構成要素の内部操作、静止、および接続性を管理する専用ファームウェアが提供される。さらに、ＬＤＨファームウェアは、主局または他の構成要素の内部操作および接続性を管理する。
【０１０４】
[00105]主局は、センサモジュールから受信したデータに基づいて分析を実行する。分析は、ソフトウェアコードで具現化された多様なアルゴリズムに従って実行される。
【０１０５】
[00106]リンクおよび通信
[00107]好ましくは、センサモジュールは、無線ローカルネットワークを介して、主局に接続される。しかしながら、他の実施形態では中間リンクが使用される。本発明の無線アーキテクチャは、システム設置を簡略化し、ケーブルへの損傷のリスクが進行することを除外する。小電力無線リンクは、受容可能な電力使用およびスループットを伴い、センサモジュールからの未処理データを転送するために利用可能である。本明細書での本発明者らは、固定された場所にあるユニットとの通信には、単純な星型トポロジーが、概して効果的であり、網状ネットワークより電力節約できることを見出した。
【０１０６】
[00108]他の実施形態では、センサからの通信経路が困難であり得る状態が存在し得て、リレーポイントが有効であることが分かった。たとえば、いくつかの建造物、たとえば橋およびトンネルは、長さが数キロメートル（数マイル）であり、これは個別のワイヤレス技術の範囲よりも長いことがある。中間リンクが必要な場合、アーキテクチャは、ＬＤＨなどの特別な通信ノードを含み得る。ある実施形態では、ＬＤＨは、建造物たとえば橋の部分集合内のセンサモジュールから情報を収集し、次にそれを他のＬＤＨを介して主局へ、または直接主局へ中継する。別の実施例として、橋が非常に長い場合、それを各端部に主局を有する２つの独立した設置に分けることが推奨可能であり得る。
【０１０７】
[00109]ＬＤＨは、湿度および風などのより広域の現象の検知をホストするためにさらに使用され得る。ＬＤＨは、連続運転を可能にし、他の電力管理懸念を除去するために、太陽光または送電線駆動であり得る。いくつかの事例では、電力および通過情報を取得するために、有線で本発明のシステムに接続する、センサモジュールの変形形態を使用することが必須であり得る。これは、より長い期間の連続運転を可能にすることになる。それはまた、センサモジュールが水没し、無線リンクが使用不可能な、出水状況において、運転を可能にすることになる。ローカルのＬＤＨはさらに、センサモジュールからの有線接続を終端する有益なポイントであり得る。有線通信は、所与の状態下で無線通信が実現できない場合において、ときには全体でまたは部分的に必要とされ、当業者によって理解され得る本発明の範囲内になおあり得る。
【０１０８】
[00110]さらに、分析的機能に関して、本発明のある実施形態では、測定データの分析は、主局において利用可能な分析結果を用いて、現地で実行される。主局において分析機能の全てをホストすることは、簡潔で効果的である。しかしながら、他の実施形態では、未処理データまたは中間分析成果物は、主局から中央サーバなどの他のポイントへ、外部接続を介して伝送され得る。外部通信は、主局におけるインタフェースによって提供され、電話、携帯データ、衛星、ＷＩＦＩ、電波、および現場外接続用の他のシステムへインタフェースすることを含み得る。
【０１０９】
[00111]分析方法、処理および作業成果物
[00112]本発明はさらに、上述し、さらに詳しく後述するように、センサの組合せと、センサモジュールと、主局と、追加のサーバとを含み、追加のサーバは、処理することと、演算することと、アルゴリズムと、ソフトウェアとを有し、ソフトウェアは、ファームウェアと、システムソフトウェアと、分析ならびに報告および勧告機能とを含む。
【０１１０】
[00113]センサモジュールは、上述したように、本発明のシステムの内部操作、静止、および接続性を管理するファームウェアを備える。さらに、ＬＤＨファームウェアは、システムの構成要素の内部操作および接続性を管理する。主局内のシステムソフトウェアは、他の機能およびサービスの中でもとりわけ、管理、安全、データベース、ヒューマンマシンインタフェース（「ＨＭＩ」）、システム接続性、および他の上述したデータ伝達に関する機能などの、機能およびサービスを提供する。本発明の構造的健全性監視を実行する分析は、コードで具現化された多様なアルゴリズムによって定義される。本発明の複数の実施形態では、分析機能は、システム内の多様なポイントで実現され得る。
【０１１１】
[00114]本発明の１つまたは複数の実施形態では、センサおよびセンサモジュールによって検出され測定されたデータは、処理を行う主局に送信される。通常、主局は、ローカルでの橋の処理が実現する位置にあり、収集されたデータおよび結果は、再検討用に保存され、評価および勧告の報告が作成される。別の実施形態では、センサモジュールは、トリガの実行およびデータクレンジングなどの検出されたデータのいくつかの処理を実行する。しかしながら、センサモジュールはバッテリー駆動なので、処理することを他ノードに割り当てることが、経時的にセンサモジュール電力を節約することによって、電池寿命を伸ばすことになる。センサモジュールによるデータクレンジングおよびトリガの実行処理は、センサモジュール構成要素の処理電力を活用し、一方、電池電力および使用量は温存する。主局は、フルサービスのオペレーティングシステムを有する専用コンピュータを備え、それによって、十分なストレージ、演算能力、オペレーティングシステム、および他の資源であって、複雑なアルゴリズムと上述した収集された未処理データおよび処理済みの情報の保存とを支援する他の資源を有する。
【０１１２】
[00115]図６は、本システム処理の上位レベルのアルゴリズムまたは論理図を示し、外部システムおよびサブシステムの収集値６０が、センサモジュール事象データファイル６１に供給され、そのセンサモジュールデータファイル６１、ならびに建造物データ６２および処理パラメータ６３が、処理事象モジュール６４に供給される。処理事象モジュールは、次に、報告６８を直接生成する、または分析的作業成果物６５を作成し、それが次に建造物モジュール構成要素６６に送信され、そこで建造物モデルデータが更新されモデルモジュール６７に送信され、それが報告６８を生成するために用いられ、それが結果として、勧告データ６９を作成し、それがシステムのユーザ６９ａによってＨＭＩを介して使用可能であり、システムのユーザ６９ａは、未処理データファイル、分析作業成果物、および建造物モデルを含む中間データにアクセス可能である。
【０１１３】
[00116]図７は、システム処理の処理事象アルゴリズムまたは論理図を示し、外部システムおよびサブシステムインタフェース６０、６１、６２、および６３の事象データおよびパラメータ情報は、事前処理され７０、事前処理システムは以下に詳細に説明されるが、次に、分析モジュールへと送信され、建造物の運動７１、周波数７２、およびモード７３を決定する。７１、７２、および７３の分析出力は、特徴抽出するモジュール７３ａへと送信される。モジュール７３ａは、次に、結果として生じる特徴を抽出し、報告７４および広域分析的作業成果物７５の生成を可能にする。
【０１１４】
[00117]本発明のアルゴリズムの、システムの、および構成要素の運転をさらに掘り下げると、図７Ａ−１及び図７Ａ−２は、事前処理事象の一例のデータ種類およびシステム計算を示し、建造物パラメータ用の設定たとえば建造物定義およびセンサパラメータ、処理パラメータ用の設定、たとえばヘッダ情報の抽出などの事象用のセンサの全てからの信号データのローディング、ならびに事象データおよび特徴データの初期化を含み、図７Ｂ−１及び図７Ｂ−２は、センサおよびセンサモジュール毎の運動学的量のシステム計算方法を詳細化し、たとえば、線加速度、角速度、向き、センサのためのジャイロスコープ信号データを用いた線加速度補正、およびセンサ間の事象タイミングの同期に関することを含み、図７Ｃは、動的事象型の周波数分析用のシステム計算方法の一例を詳細化し、たとえば、衝撃的な短い持続時間の信号のパラメータの計算、および長い持続時間の信号のパラメータの計算を含み、図７Ｄは、動負荷および静負荷型事象のモードの分析のシステム計算方法の一例を詳細化し、たとえば、動的負荷下の動作の基本構造モードのシステム計算、時間合わせされたセンサデータを用いた信号伝播時間の計算、建造物の傾斜角の計算、および静荷重事象を用いた動的分析用のセンサ較正を含み、図７Ｅは、本発明の特徴抽出システム計算を詳細化し、静的事象特徴、運動特徴、周波数特徴、および建造物の動作のモードの計算を含む。
【０１１５】
[00118]本明細書で説明されるように、本発明は、建造物モデルを作成し、特定の建造物たとえば橋の形態および特徴が、複合モデルを作成するために使用される。建造物の健全性および状態は、経時的に監視され分析されるので、取得される分析データおよび分析作業成果物は、建造物モデルを更新するために使用され、それにより、建造物の健全性が経時的にどのように変化したのか、ユーザが評価できるようになる。図８は、建造物モデルの更新を詳細に示すアルゴリズム図を示し、本発明のある実施形態では、広域分析作業成果物８０に基づいて、センサモデルは、建造物用に更新され８１、単一の建造物構成要素モデルが更新され８２、同様の建造物モデル用の更新された合成が作成される８３。これらの処理に基づいて、モデル更新システムは、広域建造物モデル８４を作成する。
【０１１６】
[00119]図９は、本発明の報告生成の形体を詳細に示すアルゴリズム図を示す。示したように。事象が処理され９０、事象分析作業成果物９１が生成され、事象分析作業成果物データ９１はローカル建造物モデル９２からのデータと比較され比較データ９３を生成し、比較データ９３は偏差評価構成要素９４に示すように９１、９２、および９３に基づいて偏差を評価するために使用され、それが次に同じものの適切なステータスならびに勧告および報告を生成し９５、９６、それはユーザによってアクセス可能である９７。
【０１１７】
[00120]本発明の１つまたは複数の実施形態では、システム処理、アルゴリズム、および他の分析機能は、開発および保守を軽減するために、高レベル言語でまたはＭＡＴＬＡＢ（商標）またはＣなどのプラットフォームで記述される。ＭＡＴＬＡＢ（商標）（ｍａｔｒｉｘ  ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）は、マルチパラダイム数値計算環境および第４世代プログラミング言語である。ＭＡＴＬＡＢにより、行列操作、関数およびデータのプロット、本発明のシステムおよび方法に関して後述されるものを含む、本明細書で用いられるアルゴリズムの実装およびコーディング、ユーザインタフェースの作成、ならびにＣ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ、Ｆｏｒｔｒａｎ、およびＰｙｔｈｏｎを含む他の言語で記述されたプログラムとインタフェースすることが可能になる。
【０１１８】
[00121]ＭＡＴＬＡＢは、元来、主に数値計算用に意図されたが、オプションのツールボックスが、ＭｕＰＡＤ（商標）シンボリックエンジンを使用し、シンボリック計算能力を利用することを可能にしている。追加パッケージＳｉｍｕｌｉｎｋは、グラフィカル・マルチドメイン・シミュレーションおよび動的な組込システム用のモデルベース設計を付加する。ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／ＭＡＴＬＡＢを参照のこと（２０１６年１１月６日時点で確認）。
【０１１９】
[00122]本発明の少なくとも１つの実施形態では、ＭＡＴＬＡＢ（商標）のツールおよび特徴は、本発明の分析およびソフトウェアを構築する際に好ましい。ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｍａｔｈｗｏｒｋｓ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｍａｔｌａｂ／を参照してみると、ＭＡＴＬＡＢは、エンジニアリングシステムを構築すること、ならびにＭＡＴＬＡＢ（商標）上で構築された他のシステムとの関数およびインタフェースに特に好適であり適合する。さらに、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｍａｔｈｗｏｒｋｓ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｍａｔｌａｂ／ｆｅａｔｕｒｅｓ．ｈｔｍｌ＃ｍａｔｌａｂ＿ｉｓ＿ｄｅｓｉｇｎｅｄ＿ｆｏｒ＿ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ＿ａｎｄ＿ｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓも参照のこと。
【０１２０】
[00123]前述の参照文献は、参照により本明細書に組み込まれ、その全体が本明細書に全て表明されたこととする。
【０１２１】
[00124]好ましくは、本発明に従って、以下の分析システムおよび処理は、本明細書において説明された他の変換される測定データの中でもとりわけ、ローカルで保存される分析作業成果物（「ＡＷＰ」）を製造するために主局レベルでのデータを活用し、決定を下し、他のサーバでは、所有者または操作員の鉄道線下にあるものなどの考慮中の建造物たとえば所与の橋または複数の橋用に開発された複数の挙動モデルに対しての事象データを評価し、適時の勧告メッセージおよび周期的なステータス報告を作成する。
【０１２２】
[00125]１．事前処理
[00126]本システムの運転の初期ステップのうちの１つでは、本発明は、信号処理を実行し、建造物の監視に関連して、センサおよびセンサモジュールによって生成され伝送された、未処理データから有用な信号を抽出する。第１の場合では、未処理データは通常、かなりの量のノイズを含み、周波数成分内に著しい不均一性を有する混沌状態として説明されることがあり、特に活荷重状況では、環境データは、過大なノイズの短い期間の除去を必要とし得る。本発明に従ったデータに実行される操作は、対象の事象の検出および分類化、測定量の物理単位への変換、較正、共通座標系への適応、異なるセンサからのデータの時刻同期、および多様な後続の計算のためにノイズを抑制し所望の帯域を提供する多様なフィルタリング操作を含む。異なる事前処理が、加速度計、ジャイロスコープ、および磁気計のデータに適用される。
【０１２３】
[00127]未処理データの事前処理に関連する問題への解決を提供する上で、本発明は、センサにおけるクロックタイムを繰り返し測定し、それらを主局におけるクロックタイムと比較する、新規な統計的手法を活用するデータ同期処理を含む。一般に、センサ時刻の主局時刻からの残留偏差のばらつきの分析が、センサクロックを較正するために使用される。この方法は、センサメッセージキュー中の干渉、雑音のある通信リンク、または遅延により、主局からセンサへのメッセージ送信中に発生する時間ばらつきを補正する。
【０１２４】
[00128]データ同期較正
[00129]方法、要件、および計算
[00130]以下の説明および実施例は、橋の監視用の主局すなわち橋主局（「ＢＭＳ」）などの単一の主局を含む単一のネットワーク内に接続された、橋セグメント上の一連のセンサモジュールから収集されたデータを同期するためのデータ、方法、計算、および要件を説明する。データを同期するための方法は、較正表の作成に基づく。図４を参照されたい。
【０１２５】
[00131]図４に示すように、ＢＭＳは、各センサモジュールに複数回問合わせ３１、センサモジュール残留偏差３２を計算し、残留偏差を３３に示す較正表に記録する。較正表は、その時点の残留偏差情報を下記の分析に提供し、それにより、分析システムが、所与の橋上の多様なセンサから収集したものを自動的に同期することを可能にすることになる。これらの操作は、センサモジュールと主局との間の同時性を保証するために、較正表に十分な精度を与える方法を説明する。方法は、主局からセンサモジュールへのメッセージ送達での遅延に起因する、データ同期エラーを低減または除去することを意図する。
【０１２６】
[00132]以下の専門用語が、本明細書で使用される。センサモジュールのデータタイミング信号は、デジタル化処理を駆動するために使用される。８００Ｈｚのデータタイミング信号は、加速度、ジャイロスコープ、および磁気計の信号を作成し、タイミングチップからもたらされる。データクロックは、データタイミング信号の脈動数のカウントの運転を維持するレジスタである。
【０１２７】
[00133]さらに、図５に示すように、図４の較正表は、各センサモジュールの残留偏差データ４０を分析プリプロセッサ４１に送信する。示したように、分析プリプロセッサは、各センサから収集されたデータを、残留偏差に基づいて時間合わせする。分析プロセッサは次に、使用する時間同期されたセンサデータを処理する４２。
【０１２８】
[00134]例示で使用された同期方法は、以下の前提と条件を考慮する。
【０１２９】
Ａ．メッセージをＢＭＳからセンサモジュールへ送信し、センサモジュールがそのデータクロックを読み出す最小時間遅延は、全てのセンサモジュールで同一である。
【０１３０】
Ｂ．ＢＭＳは、任意の時刻に、読み出されたメッセージをセンサモジュールに送信できる。
【０１３１】
Ｃ．センサモジュールからＢＭＳへの返信時刻は考慮されない。
【０１３２】
Ｄ．通信リンクの再試行遅延時間は、後述するように、ばらつき得る。
【０１３３】
Ｅ．センサモジュールのデータクロックは、同一のカウントに設定されなくてもよい。
【０１３４】
Ｆ．センサモジュールのデータクロックは、自由継続であり、特定のカウントも時刻も設定されない。（それらは、よって、所望される場合、他の理由で設定され得るが、このことはデータ同期には必要とされない。）
Ｇ．各センサモジュールは、収集された最新の（または最初の、あるいは両方の）サンプルのデータクロックカウントを、ヘッダ内に格納する。
【０１３５】
[00135]以下の実施例は、簡単にするために、ミリ秒（「ｍｓ」）を時間の単位として使用する。実際のクロック値は、ＢＭＳまたはセンサモジュールでも、クロックレートにおけるカウントにある。クロックレート変換は、説明しない。
【０１３６】
[00136]データ同期方法の実施例
[00137]以下の実施例は、１つのセンサモジュール用の較正表が作成されることとする。他のセンサモジュールのそれらを作成することは、同様であり独立している。
【０１３７】
[00138]実施例１．１
[00139]送信メッセージを再試行しない例
[00140]表２は、ＢＭＳが、センサモジュールに、多様な時刻にそのデータクロックカウントを読み出し、報告を返すことを要求することを示している。この際、全てのセンサにおおよそ一定に留まると推定される、送信読出し動作に関連付けられる５ｍｓの最小遅延が存在する。ここで、１つのセンサだけが、応答させられているが、全てが同時になされる必要がないからである。ＢＭＳは、それが返信を得るときでなく、それがメッセージをセンサモジュールに送信するとき、それ自体のクロックレジスタを読み出す。センサモジュールは、メッセージを受信したとき読み出したデータクロックカウントをＢＭＳに返信する。返信遅延は、結果に影響を及ぼさない。センサモジュールのデータクロックの２つの示度を示す。メッセージ伝播時間が同一なので、ＢＭＳとデータクロックとの間の残留偏差では両者は一致する。クロックは、データ同期較正処理中に、顕著にドリフトしない。
【０１３８】
[00141]この実施例でのいくつかの重要な要素を示す。
【０１３９】
Ａ．ＢＭＳは、メッセージを送信するとき、そのクロックカウントを較正表内に格納する。
【０１４０】
Ｂ．センサモジュールは、メッセージを受信したとき、そのデータクロックカウントを読み出す。
【０１４１】
Ｃ．ＢＭＳは、センサモジュールのデータクロックカウントを格納し、返信に関する残留偏差を計算する。残留偏差は、（ＢＭＳのクロックカウント）−（センサモジュールのクロックカウント）である。
【０１４２】
【表２】
2020513571.tif 000006
[00142]この表から、このセンサモジュールの両方の残留偏差が同一の１０７４５であることに留意されたい。データ同期に必要な残留偏差を獲得するために、さらなる計算は、必要でない。
【０１４３】
[00143]最終のデータ収集サンプルの時刻は、このセンサモジュールからのヘッダに記録される。それが０であるなら、たとえば、ＢＭＳクロックタイムにおける最終のサンプルの時刻は、残留偏差＋センサモジュールのクロック＝１０７４５＋０＝１０７４５として得られる。この計算は、任意の他のセンサモジュールにも同様であり得る。さらに、センサモジュールのクロックレジスタを最初に読み出した計算された時刻は、較正表の値から１０７４５＋１０５＝１００８５０である。この値は、センサモジュールが実際にはそのクロックを１０８５５に読み出したので、実際には５ｍｓ早い伝播遅延量である。データ同期値の全てが５ｍｓ外れることになることは、問題ではない。重要なことは、それらが全て同一量だけＢＭＳクロックタイムから外れることになることである。絶対の時刻は、データ同期で必要とされない。ＧＰＳまたはＵＴＣあるいはＢＭＳ時刻の１ｍｓ以内で、データが何時取得されたかを知ることは、知る必要のないことである。
【０１４４】
[00144]実施例１．２
[00145]送信メッセージを再試行する例
[00146]全てのセンサモジュールが、最初の試行で、ＢＭＳから読み出されたメッセージを受け取るとは限らない。次の実施例は、送信伝播遅延が異なる場合の、センサモジュールのデータクロックを読み出す３回の試行を示す。センサモジュールのデータクロックは、異なる開始カウントを有し、この方法を機能させるために、ＳＭの全てが同一のクロックカウントに設定されなくてもよいことを示している。動作および結果が、表３に記載されている。
【０１４５】
【表３】
2020513571.tif 000007
[00147]表３の較正表は、今度は異なる残留偏差値を有することに留意されたい。最も大きい値１０５３５は、ＢＭＳからの最も少ない数の送信試行に関連付けられ、クロック間の残留偏差の最良の推定値として選択される値である。両方のセンサモジュールが、正確に同時刻（ＢＭＳクロックで１０８５０）に収集を停止したとすると、このとき、このセンサモジュール内のクロックタイムは、最終のサンプルが収集されたとき、２１０であったであろうとしたとき、収集された最終のサンプルのＢＭＳ時刻は、１０５３５＋２１０＝１０７４５である。このことは、先述の実施例でのセンサからのデータ同期時間と一致する。
【０１４６】
[00148]データ同期の概要
[00149]実施例で用いられる要件
[00150]前述のデータ同期実施例で用いられたデータ同期要件は、以下の通りである。本発明の他の実施形態または態様を作成し使用する上で、全てのそのような要件が適用されるとは限らないこと、またはいくつかは変更され得ることを当業者なら分かる、ということに留意されたい。
【０１４７】
Ａ．収集を通したデータ同期で用いられるクロックおよびデータ同期較正表の生成間隔の２００秒の所望の精度は、１〜２ｍｓである。好ましくは、０．６２５ｍｓである。
【０１４８】
Ｂ．クロック分解能最小値は、１ｍｓである。
【０１４９】
Ｃ．センサモジュールは、クロックレジスタ値を、収集された最初のまたは最後のサンプルに関連付けられるヘッダに書き込む。
【０１５０】
Ｄ．ヘッダのクロック値は、おおよそ８００Ｈｚのデータストローブクロック信号のいくつかの約数のカウンタである。
【０１５１】
Ｅ．ＢＭＳは、ＳＭ内のデータストローブクロックカウントを読み出すために、メッセージを任意の時刻に送信し得る。
【０１５２】
Ｆ．ＢＭＳは、それ自体のクロックカウントを任意の時刻に読み出し得る。
【０１５３】
Ｇ．ＢＭＳは、実施例に示すような５０項目まで有する各センサ用のデータ同期較正表を構成し得る。
【０１５４】
Ｈ．各センサ用のデータ同期較正表は、センサ事象毎にヘッダデータ内に格納される。
【０１５５】
Ｉ．クロックレジスタは、少なくとも１日後にオーバーフローすべきである。
【０１５６】
Ｊ．センサモジュール内のクロックは、収集期間中にリセットされるべきではない。クロックカウントのゼロへの反転は、受容可能である。
【０１５７】
[00151]クロックチップ性能
[00152]表４は、データ同期要件に対する多様なクロックチップの性能を示す。使用されるサンプルレートは、８００Ｈｚである。
【０１５８】
【表４】
2020513571.tif 000008
[00153]２．運動学
[00154]運動学的量は、センサによって測定された加速度および角回転に基づいて、橋構成要素の動作を説明する。速度、移動、および回転角の微分は、変位から速度に、速度から線加速度に、別に、角度から角速度に関して、微分方程式の解答を必要とする。雑音のある測定データを用いた、これらの方程式の解答は、ノイズによって生み出される大きな歪をもたらし得て、それは積分処理によって増幅される。
【０１５９】
[00155]異なる手法が本発明よって利用される。本発明のある実施形態では、変位は、加速度データから直接計算される。さらに、速度データが、微分によって生成され、それは積分よりもかなり小さな誤差を生み出す。
【０１６０】
[00156]ジャイロスコープセンサもまた、線加速度データを補正するために使用される。ジャイロスコープの線加速度は、角速度測定値を歪ませないが、加速度計の角回転は、加速度測定値を歪ませる。大きなｇ値が顕著な加速度成分を他軸に導入するので、特にそれらが垂直方向よりむしろ水平方向に位置合わせされる場合、この効果は、重大である。
【０１６１】
[00157]本発明はまた、任意のセンサの向きの変化を経時的に測定するために、環境データ収集値を使用する。環境データは、定期的にまたは特別の関心の時刻に収集される。加速度計データは、重力の方向を測定するために使用され、それはデータ記録の長さにより、０．０１度までまたはさらに正確であり得る。磁気計データは、磁場の方向を測定するために使用され、それは、その低いサンプルレートにより約４倍低い精度を有する。
【０１６２】
[00158]３．周波数分析
[00159]建造物は、特定の周波数で他の周波数よりも大きく共振し、振動の共振周波数における変化は、建造物の挙動における顕著な変化を示す。振幅と共に共振周波数の非線形のばらつきの存在は、構成要素の剛性が周波数によりどのように変化するか、すなわち、構成要素が堅いと見ることができるか、柔らかいと見ることができるかを示す。共振は、鋼鉄は、より高い周波数およびより多くの共振周波数の高調波を生み出し得るので、木製と鋼鉄製の建造物では別の仕方で処理される。
【０１６３】
[00160]建造物への強烈な大きさの衝撃または激突を含む事象では時折、高振幅、高周波信号がデータ記録内に生成され、たとえば線路中の変形、車輪または橋の構成要素の位置ずれの存在を示し得る。衝撃は、時間で良好に限定され、おそらく数ｍｓｅｃだけ継続し、またはことによると長い時間鳴り響く、高振幅信号を生成し、このことは、構成要素内での伝播遅延を測定すること、および構成要素間の信号の伝達を測定することに有用であり、橋内部の接続に関する追加情報を明らかにする。
【０１６４】
[00161]周波数および振幅の挙動は、剛性、減衰、モードエネルギー、非線形性、および伝播速度などの橋のパラメータを導出するために使用される。
【０１６５】
[00162]４．モード分析
[00163]橋などの建造物は、動的力によって励起されたとき、振動モードを有する。時間合わせされた運動学的量を用いて、垂直方向、横方向、および横断方向での振動モードが、抽出され、所望される場合は視覚化され得る。これらのモードの形態は通常、単純移動または振動波動、回転、捻じれ、および揺れである。
【０１６６】
[00164]５．分析作業成果物（「ＡＷＰ」）への特徴抽出
[00165]上述した処理ステップの各々は、橋の場合なら列車横断のまたは環境の収集時などの、特定の事象での建造物の動的または静的状態の多様な態様を集約する一連のパラメータをもたらす。抽出されたパラメータは、主局でのさらなる分析用に、分析作業成果物として保存される。各事象は、日時、橋の識別証明および種類、温度、風の速度および方向、雨、雪、または氷結状態を含む、データが取得された全体条件を説明するヘッダ情報を伴う。
【０１６７】
[00166]６．データベースへのＡＷＰの統合
[00167]ヘッダの記述および全てのセンサの未処理データから抽出されたパラメータから構成される、事象毎のＡＷＰは、再び橋毎の橋建造物の場合では、検索可能なデータベースに収集される。同様の状態下で取得されたデータは、日、時刻、橋ｉｄ、橋種類、橋構成要素、事象種類、温度、湿気種類およびレベル、およびセンサを含む検索パラメータの設定範囲によって、見つけられる。データは、１つの橋毎に、または全ての橋の同様の構成要素毎に検索され得る。
【０１６８】
[00168]７．建造物モデル構築
[00169]検索可能なデータベースは、全ての機器を備えた建造物からのデータの大規模な急速拡大収集を提供し、システムの建造物毎の多様な種類のモデルを構築するために使用され得る。たとえば、橋の監視の事例では、橋モデルは、本質的には、エンベロープまたは動作限界を有する橋挙動の要約であり、各橋上でＢＭＳによって収集されたデータを、直近の事象からのＡＷＰを用いたＡＷＰパラメータと比較することを可能にし、現在の橋状態またはステータスを決定し、いくつかの範囲外のパラメータにより、勧告報告が生成される必要があるか否かを判定する。これらのモデルのどれも、任意の建造物または任意の建造物の一部の有限要素モデルなどの、いかなる改善されたモデリングも必要としない。モデルは、各事例において、本発明のセンサの首尾一貫した再現性のある設置によって測定されたときの、実際の橋の挙動に基づく。
【０１６９】
[00170]３つの種類の橋モデルが、本発明の範囲内にある。
【０１７０】
[00171]モデル１は、受容可能な動作限界を有する、センサ毎の傾向線である。このモデルは、センサに関連付けられた多様なパラメータの、現在の状態および変化率を測定する。好ましくは、このモデルは、効果的にするために、比較的長い期間にわたるデータ収集を必要とする。
【０１７１】
[00172]モデル２は、同一の橋の類似の構成要素（上部、水平材、杭）の挙動から編集された、構成要素モデルである。このモデルは、１つの構成要素の他のものに対する、異常な、一貫性のない、または非対称な挙動の検出を可能にする。それは、設置以降より使用され得て、初期化に長時間を要さない。
【０１７２】
[00173]モデル３は、類似の条件下の、類似の建造物および多様な類似の種類の橋から導出された複雑複合モデルである。このモデルは、モデル２に類似しているが、さらに広範で多様なデータを使用し、他のものの大部分と類似しない橋を識別する。
【０１７３】
[00174]橋毎の橋モデルは、より多くのデータが橋毎に利用可能になったとき、繰り返し更新される。モデルの開発および更新は、橋の全てから収集されたＡＷＰの全てへのアクセスを有する、中央の場所でなされる。
【０１７４】
[00175]８．評価および報告
[00176]ＢＭＳは、各事象がその橋上で発生した後、迅速にＡＷＰを取得する。それは、１つまたは複数の現在インストールされているローカルの橋モデルを使用して、ＡＷＰパラメータを評価し、１つまたは複数のものが動作限界外であるか否かを判定する。ＢＭＳは次に、橋のステータスを更新し、追加のデータまたは現場視察の必要性の当局に通知する勧告報告を送信し得る。
【０１７５】
[00177]９．拡大縮小可能性
[00178]本発明のシステムの少なくとも１つの実施形態では、拡大縮小可能であり、複数のシステムおよび建造物の行列が作成され、それによって複数の主局は、ある周期にわたって収集されるデータを取得し、それを中央サーバに送信する。中央サーバは、橋などの多くの建造物のデータファイルを参照し、全ての収集された橋の複数の報告を生成する。したがって、本発明は、全鉄道システムの分析、報告、およびデータ。その実施において、本発明は、各々の橋のデータを分析することができ、各々の測定されたパラメータを含む橋のモデルを作成するために用いられる橋の履歴記録を編集することができ、さらなる使用のための履歴記録用の傾向線を作成することができる。
【０１７６】
[00179]本明細書での上述の説明、および図面は、本発明の実施形態の例示であり、本発明の範囲を限定すると解釈されるべきでない。本発明の構成要素、システム、および方法におけるこれらおよび他の変形形態は、当業者には明白になるであろう。
【図１】
2020513571.tif 000009
【図２】
2020513571.tif 000010
【図３】
2020513571.tif 000011
【図４】
2020513571.tif 000012
【図５】
2020513571.tif 000013
【図６】
2020513571.tif 000014
【図７】
2020513571.tif 000015
【図７Ａ−１】
2020513571.tif 000016
【図７Ａ−２】
2020513571.tif 000017
【図７Ｂ−１】
2020513571.tif 000018
【図７Ｂ−２】
2020513571.tif 000019
【図７Ｃ】
2020513571.tif 000020
【図７Ｄ】
2020513571.tif 000021
【図７Ｅ】
2020513571.tif 000022
【図８】
2020513571.tif 000023
【図９】
2020513571.tif 000024
【国際調査報告】
2020513571.tif 000025