Способ обработки измерений и анализа динамических характеристик строительных конструкций в режиме квазиреального времени и система обработки измерений и анализа динамических характеристик строительных конструкций в режиме квазиреального времени
METHOD OF PROCESSING MEASUREMENTS AND ANALYSIS OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF BUILDING STRUCTURES IN QUASI-REAL TIME MODE AND SYSTEM FOR PROCESSING MEASUREMENTS AND ANALYSIS OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF BUILDING STRUCTURES IN QUASI-REAL TIME MODE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области автоматизированных систем мониторинга технического состояния зданий и сооружений и может быть использовано при проектировании и эксплуатации зданий и сооружений.
Уровень техники
Известны способ и система определения устойчивости зданий и сооружений (патент RU №2245531, МКИ G01M 7/00, публ. 27.01.2005), используемые для определения устойчивости объектов (зданий и сооружений), при этом система для определения устойчивости зданий и сооружений содержит блок ударного устройства, блок формирования электрического синхроимпульса, блок преобразования колебаний в электрический сигнал, блок аналого-цифрового преобразования электрического сигнала, блок цифрового запоминающего устройства и блок управления цифровым запоминающим устройством, блок ввода экспериментальных и/или расчетных значений поверхностной прочности, и/или объемной прочности, и/или параметров армирования элементов конструкции объекта, и/или осадков, и/или сдвигов, и/или кренов объекта, и/или глубины залегания фундамента, и/или его поверхностной прочности, и/или его объемной прочности, и/или периода собственных колебаний грунта под объектом, и/или вокруг него, измеренного, по меньшей мере, по первому тону колебаний и/или уровня грунтовых вод, блок сравнения экспериментальных данных с нормированными данными, рассчитанными для данных конструкций и материалов испытуемого объекта и состава грунта под ним и/или вокруг него и блок воспроизведения полученных данных, связанные по шинам управления и данных между собой и с остальными функциональными блоками системы. Недостатком аналога являются недостаточное быстродействие из-за необходимости вручную выполнять обработку результатов измерений параметров колебаний и визуально анализировать спектры колебания и принимать на основе такой обработки и анализа решения о состоянии объекта, что сказывается на их точности.
Кроме того, недостаточная точность обусловлена и тем, что контроль осуществляется в дискретном режиме и оценка состояния объекта формируется только в момент «снятия» информации,
Известна система мониторинга технического состояния зданий и сооружений (патент RU №66525, МКИ G01M 7/00, опубл. 10.09.2007), содержащая блок ударного устройства, блок вибродатчиков, блок обработки и выходной информации, блок измерения ускорений колебаний объекта и/или блок измерения скоростей колебаний объекта и/или блок измерения амплитуд колебаний объекта и/или блок измерения наклонов и/или блок измерения прогибов и/или блок измерения напряжений и/или блок измерения нагрузок и/или блок измерения абсолютной и неравномерной осадки и/или блок контроля трещин, стыков и швов и/или блок измерения геодезических параметров, блок градации выходной информации, причем выход блока вибродатчиков и/или выход блока измерения ускорений колебаний объекта и/или выход блок измерения скоростей колебаний объекта и/или выход блока измерения амплитуд колебаний объекта и/или выход блока измерения наклонов и/или выход блока измерения прогибов и/или выход блока измерения напряжений и/или выход блока измерения нагрузок и/или выход блока измерения абсолютной и неравномерной осадки и/или выход блока контроля трещин, стыков и швов и/или выход блока измерения геодезических параметров соединены с входом блока обработки и выходной информации, выход которого соединен с входом блока градации выходной информации.
Система не содержит средств, позволяющих обрабатывать массив данных от блоков измерения колебаний, что отрицательно сказывается на ее быстродействии и точности.
Известны способ и система мониторинга и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений (Патент RU №2381470, МКИ G01M 7/00, публ. 10.09.2009), содержащая устройство ударного устройства, блок обработки и выходной информации, блок градации выходной информации, и/или датчики измерения вибраций объекта, и/или датчики измерения ускорений колебаний объекта, и/или датчики измерения скоростей колебаний объекта, и/или датчики измерения амплитуд колебаний объекта, и/или датчики измерения наклонов, и/или датчики измерения прогибов, и/или датчики измерения напряжений, и/или датчики измерения нагрузок, и/или датчики измерения абсолютной и неравномерной осадки, и/или датчики контроля трещин, стыков и швов, и/или датчики измерения геодезических параметров, датчики давления (в том числе для контроля давления объекта на грунт и/или давления грунта на объект), и/или датчики измерения деформаций, и/или датчики измерения температуры, и/или датчики измерения влажности (при этом все перечисленные выше датчики объединены в одном блоке блок датчиков и оборудования автоматизированной системы мониторинга), блок расчета параметров технического состояния объекта, блок фильтрации параметров технического состояния объекта, блок определения трендов и экстраполяции параметров технического состояния нижней части объекта, блок сравнения, пороговое устройство, блок математического моделирования и расчета параметров технического состояния верхней части объекта, блок корректировки параметров математической модели объекта, электронный ключ, блок отображения прогнозной и мониторинговой информации, причем выход блока датчиков и оборудования автоматизированной системы мониторинга соединен с входом блока расчета параметров технического состояния объекта, первый выход которого соединен с входом блока фильтрации параметров технического состояния объекта, а второй выход соединен с входом блока обработки и выходной информации, выход которого соединен с входом блока градации выходной информации, первый выход блока фильтрации параметров технического состояния объекта соединен с первым входом блока математического моделирования и расчета параметров технического состояния верхней части объекта, второй выход блока фильтрации параметров технического состояния объекта соединен с входом блока сравнения, выход блока сравнения соединен с входом порогового устройства, первый выход которого соединен с входом блока корректировки параметров математической модели объекта и первым управляющим входом электронного ключа, а второй выход соединен со вторым управляющим входом электронного ключа, выход блока корректировки параметров математической модели объекта соединен со вторым входом блока математического моделирования объекта и расчета параметров технического состояния верхней части объекта, первый выход которого соединен с входом блока сравнения, а второй выход соединен с первым входом блока отображения прогнозной и мониторинговой информации, третий вход блока математического моделирования объекта и расчета параметров технического состояния верхней части объекта соединен с выходом блока определения трендов и экстраполяции параметров технического состояния нижней части объекта, вход которого соединен с выходом электронного ключа.
Недостатком решения по патенту №2381470 является недостаточное быстродействие, в том числе из-за избыточности параметров, которые получают в процессе обработки измерений с инклинометров, тензометров и других датчиках и которые содержат информацию об углах наклона, деформации, давлении и других параметрах, построения трендов для измеренных параметров и прогноза их будущих значений, математического моделирования состояния объекта в будущем. В данном решении отсутствует описание решения по обработке большого потока вибрационных измерений.
Известен также способ мониторинга технического состояния строительных объектов (Патент RU, №2460980 МКИ G01M 7/00, публ. 27.11.2011), который увеличивает быстродействие описанного выше (патент №2381470) способа и системы мониторинга, и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений, и который включает определение контролируемых элементов строительного объекта на основании анализа угроз, и/или конструктивных особенностей, и/или местоположения, и/или внешних воздействий, и/или анализа напряженно-деформированного состояния строительного объекта, формирование симметричных пар контролируемых элементов строительного объекта и/или их частей, определение контролируемых параметров, отображающих состояния сформированного множества контролируемых элементов и/или их частей, определение набора измеряемых параметров, на основании которых возможно определение контролируемых параметров, определение допустимых значений или интервалов допустимых значений контролируемых параметров, в соответствии с которыми определяют техническое состояние объекта, измерение для симметричных контролируемых элементов строительного объекта и/или их частей параметров, на основании которых определяют абсолютные и относительные значения контролируемых параметров, сравнение абсолютных значений контролируемых параметров с их допустимыми значениями или интервалами допустимых значений, а относительных контролируемых параметров с допустимой погрешностью измерений, суждение по результатам сравнения, полученным на начальном интервале времени, об адекватности математической модели объекта, при вынесении суждения по результатам сравнения о неадекватности коррекция математической модели объекта, формирование выводов о текущем техническом состоянии объекта на основе сравнения абсолютных и/или относительных значений контролируемых параметров с их допустимыми значениями или интервалами допустимых значений, заданными в виде конкретных величин или интервалов.
Недостатком аналога по патенту №2460980 является недостаточная точность определения состояния несущих конструкций объекта мониторинга и большой объем параметров, подлежащих обработке, что отрицательно влияет на быстродействие системы.
Общим недостатком приведенных аналогов является недостаточная точность диагностирования текущего технического состояния строительного объекта, так как в известных решениях определяют техническое состояние здания и сооружения лишь на момент снятия датчиками различных характеристик (периоды собственных колебаний, наклоны и др.) и не учитывают возможные изменения работы несущих строительных конструкций, удерживающих здание от разрушения при различных внешних воздействиях и режимах, что может в ряде случае значительно отражаться на текущих показаниях датчиков.
Сущность изобретения
Технический результат в заявленном изобретении - повышение достоверности результатов мониторинга с одновременным повышением быстродействия за счет уменьшения объема данных, получаемых в процессе измерений параметров, характеризующих напряженно-деформированные состояния (НДС) строительных конструкций здания, сооружения.
Достижение технического результата обусловлено снижением количества обрабатываемых параметров, характеризующих параметры вибраций строительных конструкций зданий, сооружений, выделением из потока виброизмерений информации, свидетельствующей об изменениях НДС строительных конструкций путем фильтрации потока данных виброизмерений при помощи фильтра, настраиваемого в автоматизированном режиме на выделение информации, свидетельствующей об изменении НДС строительных конструкций, благодаря чему повышается достоверность оценки их состояния и одновременно уменьшаются ложные реагирования системы на события, не связанные с изменением НДС строительных конструкций.
Для непрерывного анализа изменений показаний датчиков и анализа трендов таких измерений в последнее время активно используют автоматизированные системы мониторинга технического состояния зданий и сооружений.
Опыт использования автоматизированных систем мониторинга показал, что результаты измерений представляют собой большой массив данных и для его корректной обработки и получения достоверных результатов по оценке технического состояния объекта необходимо выполнять аналитическую обработку измеренных данных.
При этом наиболее большой массив поступает от измерительных систем динамического мониторинга (датчики вибрации). Результаты вибрационных измерений также являются наиболее сложными с точки зрения их обработки, так как для них сложно выделить четкие правила и абсолютные величины, которые будут определять изменение НДС стрительных конструкций и не реагировать на другие постоянно присутствующие изменения, которые влияют (в частности, порывы ветра, строительные и ремонтные работы, работа оборудования, создающие временные вибрации) на вибрационные параметры колебаний, не оказывают при этом на НДС объекта.
Существующие методы анализа вибрационных характеристик объекта, как правило сводятся к контролю частот и амплитуд колебаний. Однако, на практике, такой прямой контроль сложно исполним, так как частоты и амплитуды колебаний могут сильно меняться под действием различных внешних факторов (например, ветровые нагрузки) или случайных выбросов, что повлечет за собой ложное "срабатывание" системы мониторинга при отсутствии реального изменения напряженно-деформированного состояния строительных конструкций.
Предлагаемые способ и система обработки измерений и анализа динамических характеристик строительных конструкций в режиме квазиреального времени позволяют устранить данный недостаток путем обработки результатов виброизмерений на основании вычисления медианных значений контролируемых величин и их сравнения с заданными интервалами.
Описание графических материалов
На фиг. 1 представлен График граничных значений для каждой частоты виброколебаний допустимых значений частоты и амплитуды на совмещенном спектре, на котором частота отложена по оси абсцисс, амплитуда - по оси ординат.
На фиг. 2 представлена блок-схема «Системы обработки измерений и анализа динамических характеристик строительных конструкций в режиме квазиреального времени», где приняты следующие обозначения:
1 - блок вибродатчиков
2 - блок датчиков измерений ускорений колебаний объекта
3 - блок датчиков измерений скоростей колебаний объекта
4 - блок датчиков измерений амплитуд колебаний объекта
5 - блок регистрации измерений
6 - блок обработки и анализа виброизмерений
Осуществление изобретения.
Заявленные «Способ обработки измерений и анализа динамических характеристик строительных конструкций в режиме квазиреального времени» и «Система обработки измерений и анализа динамических характеристик строительных конструкций в режиме квазиреального времени» осуществляются следующим образом.
Способ обработки измерений состоит из двух этапов:
1. Подготовительный
2. Рабочий
На подготовительном этапе решается задача формирования граничных условий для значений частот и амплитуд колебаний на основании реальных записей колебаний объекта для последующего автоматизированного контроля изменения амплитудно-частотных характеристик.
Для определения граничных условий выполняются следующие действия:
1)Выбирается репрезентативная выборка, показывающая вибрационную картину в разных условиях работы (день, ночи, будни, выходные, при различных температурных режимах, на спортивных объектах во время массовых мероприятий, таких как матчи, концерты), то есть необходимо набрать максимально возможный массив результатов измерений в штатных ситуациях для настройки параметров фильтрации и задать граничные интервалы такими, чтобы, например, при проведении спортивного мероприятия на стадионе система мониторинга не выдала сигнал об аварийной ситуации. Граничные значения для каждой частоты задаются полосой допустимых изменений по частоте и амплитуде (на фиг. 1, такие полосы показаны в виде прямоугольников.).
2) Осуществляют удаление тренда, что может быть выполнено, например, построением методом наименьших квадратов линейного тренда и вычитанием его из записи, и дрейфа нуля, определяемого значением постоянной составляющей и удалением ее из записей результатов вибрационных измерений (акселерограмма, велосиграмма, сейсмограмма);
3) Осуществляется валидация данных и исключение из выборки измерений, которые не прошли проверку валидации. Валидация осуществляется на предмет наличия нехарактерных выбросов, которые могут сильно исказить спектр. Один из методов валидации - это вычисление среднеквадратичного отклонения и проверка на наличие в записи измерений, абсолютные значения которых превышают в n раз среднеквадратичное отклонение. В случае отсутствия таких измерений запись считается валидной. Согласно теории вероятности у случайных величин, которые имеют нормальное распределение, с вероятностью 99.7 не должно быть выбросов от среднего значения (0) более чем на три среднеквадратичных отклонения (Правило трех сигм), отсюда, чтобы исключить ложные выбросы, с вероятностью 99.7 интервал должен быть не менее n σ (т.е. n среднеквадратичных отклонений), что означает требование для каждой точки измерения находиться в рамках интервала от -n/2 среднеквадратичных отклонений до n/2 среднеквадратичных отклонений, значение «n» не должно быть менее 6, конкретное значение выбирается исходя из требований к точности оценки валидации.
4) Осуществляют построение спектра вибрационных измерений (например, с использованием метода быстрого преобразования Фурье) для каждой записи выборки.
5) Получают спектр всех записей выборки и выводят их на единый совмещенный график (наложение спектров) или строят спектрограмму.
6) Визуальным способом с использованием построенного графика с совмещенными спектрами или спектрограммы определяют пиковые частотные области, подлежащие контролю.
7) Для каждой частотной области, подлежащей контролю, определяют:
- среднее значение частоты;
- среднее значение амплитуды;
- допустимый диапазон отклонений частот от среднего значения частоты;
- допустимый диапазон отклонений амплитуд от среднего значения амплитуды.
В качестве средних значений частоты и амплитуды могут использоваться их медианные значения.
Данные четыре значения описывают граничные условия для каждой контролируемой частотной области и представляются на графике спектра (Фиг. 1) в виде прямоугольника.
Этап 2. Рабочий
На рабочем этапе осуществляют непрерывную обработку и анализ результатов вибрационных измерений в соответствии с граничными условиями, которые были определены на подготовительном этапе.
Для каждой вибрационной записи колебаний на рабочем этапе выполняются следующие действия:
1) Осуществляют удаление тренда и дрейфа нуля из результатов вибрационных измерений (акселерограмма, велосиграммы, сейсмограмма);
2) Осуществляют валидацию данных на предмет наличия нехарактерных выбросов, которые могут сильно исказить спектр. Валидацию осуществляют, например, путем вычисления среднеквадратичного отклонения и проверки на наличие в записи измерений, абсолютные значения которых превышают в n раз среднеквадратичное отклонение. В случае отсутствия таких измерений запись считается валидной.
3) Осуществляют построение спектра вибрационных измерений (например, с использованием метода быстрого преобразования Фурье).
4) Для каждого заданного на подготовительном этапе граничного условия определяется выборка измерений из анализируемой записи, которая соответствует частотному интервалу граничных условий.
5) На основании полученной выборки измерений вычисляется медианное (или среднее) значение амплитуды, которое проверяется на предмет попадания в интервал допустимых значений амплитуд, заданный граничными условиями (что графически означает попадание такого значения амплитуды в прямоугольник, отображающий граничные условия соответствующей частотной области). При этом вычисление медианного или среднего значения амплитуды выбирается исходя из следующих соображений: для исключения выбросов предпочтительнее использовать медианное значение, но с учетом того, что предварительно выбросы и дрейф нуля уже были удалены с точки зрения точности использование средних значений дает практически ту же точность, что и использование медианных значений. 6) В случае попадания вычисленного значения амплитуды в интервал, ограниченный допустимыми граничными значениями, - тест считается пройденным (т.е. нет существенных изменений в работе конструкций), в противном случае - нет (если тест не пройден значит произошли какие-то изменения в НДС конструкций и требуется реагирование, в частности это может быть проведение дополнительного детального анализа).
Таким образом, предлагаемый способ позволяет свести сложный процесс анализа данных виброизмерений к простым дискретным результатам, которые в свою очередь упрощают дальнейший анализ и построение правил в рамках автоматизированных систем мониторинга технического состояния зданий и сооружений.
Предлагаемый способ мониторинга технического состояния строительных объектов заключается в измерении параметров вибрации объекта мониторинга: это могут быть непосредственно параметры вибрации, измеряемые и/или ускорения колебаний объекта и/или скорости колебаний объекта и/или амплитуды колебаний объекта, в регистрации измерений, на основе которых вычисляются спектры колебаний, проводится анализ спектров колебаний на основе заданного множества граничных условий, по результатам которого выдается булевая информация о положительном или отрицательном результате проверки: «1» - тест пройден, нет изменений напряженно-деформационного состояния объекта мониторинга, требующих реагирования, или «0», т.е. тест не пройден, наличие изменений напряженно-деформационного состояния объекта мониторинга показывает необходимость принятия тех или иных мер для предотвращения дальнейшего развития нештатной ситуации, предотвращения аварии.
Система мониторинга технического состояния строительных объектов, реализовывающая приведенный выше способ, включает блоки измерительных преобразователей 1, 2, 3 и 4, в качестве которого могут быть использованы блок вибродатчиков и/или блок датчиков измерений ускорений колебаний объекта и/или блок датчиков измерений скоростей колебаний объекта и/или блок датчиков измерений амплитуд колебаний объекта, результаты измерений с которого поступают на вход блока регистрации измерений 5, осуществляющий регистрацию измерений, поступающих с одного или нескольких блоков датчиков, результат регистрации измерений с которого в свою очередь поступает на блок обработки и анализа виброизмерений 6, осуществляющий обработку и анализ виброизмерений на основе заданного множества граничных условий и вывод результата в виде булевой информации о положительном или отрицательном результате проверки.
Блок регистрации измерений 5 осуществляет преобразование аналоговых сигналов, поступающих с блоков датчиков 1-4, в цифровой вид и представляет собой аналогово-цифровой преобразователь.
Блок обработки и анализа виброизмерений 6 может быть реализован в виде программно-аппаратного комплекса, который осуществляет обработку и анализ результатов измерений в соответствии с алгоритмом, описанным выше как рабочий этап способа, при этом в качестве граничных установлены значения, полученные на предварительном этапе заявленного способа.
В устройстве линии связи функциональных блоков системы могут выполняться как в виде проводных, так и в виде беспроводных линий связи, либо в виде комбинаций проводных и беспроводных линий связи.
В качестве датчиков измерений ускорений колебаний объектов могут использоваться акселерометры,. в качестве датчиков измерений скоростей колебаний - велосиметры.
В качестве датчиков измерения амплитуд колебаний объекта могут использоваться датчики измерения амплитуд смещения или/и сейсмометры.
Система является автоматизированной и может быть выполнена как стационарной, так и мобильной.
Система может быть реализована на существующих средствах.
Так, действие датчиков вибрации (измерительных преобразователей) при измерении параметров вибрации основано на кинематическом (координаты точек исследуемого объекта измеряют относительно выбранной неподвижной системы координат) и динамическом (параметры исследуемого вибрационного процесса измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, реализуемой, как правило при помощи инерционного элемента, сочленяемого с вибрирующим объектом через упругий подвес) принципах.
Измерительные преобразователи, реализующие динамический принцип измерения и измеряющие абсолютные значения параметров вибраций делятся по принципу работы на генераторные, в которых осуществляется прямое преобразование механической энергии в электрический сигнал (пьезоэлектрические, индукционные и др.), и параметрические, в которых под действием механического сигнала изменяются электрические параметры схем такие как сопротивление, емкость, частота и т.д (тензорезисторные, магнитоупругие, вибрационно-частотные, электронно-механические и др.). Кроме того, датчики вибраций делятся на контактные и бесконтактные, использование тех или других обусловлено в первую очередь возможностью установки датчика непосредственно на объекте, параметры вибрацим которого подлежат измерению. В отношении конкретного типа датчиков вибрации выбор определяется диапазоном частот и амплитуд вибрации.
Аналогично, в качестве датчиков измерений ускорений колебаний объекта, измерений скоростей колебаний объекта, измерений амплитуд колебаний объекта могут использоваться присутствующие на рынке приборы, измеряющие соответствующие параметры, выбор конкретных приборов, помимо экономических показателей, определяется точностью их показаний в требуемом диапазоне, способом установки (непосредственно на объекте либо дистанционно), другими соображениями, которые известны специалисту и определяются спецификой объекта мониторига.
Реализация заявленных способа и системы на известных средствах обеспечивает достижение декларируемого технического результата.