Система для мониторинга искусственных сооружений высокоскоростной магистрали
SYSTEM FOR MONITORING HIGH-SPEED HIGHWAY ARTIFICIAL STRUCTURES

Изобретение относится к области обеспечения безопасности функционирования железнодорожного транспорта, и может быть использовано для мониторинга на искусственных сооружениях высокоскоростного магистралей.
Известно способ неразрушающего контроля поверхности туннеля, содержащее тепловизионную систему, перемещающуюся относительно контролируемой поверхности (RU 2263903, G01N 25/72, 10.11.2005). Тепловизионная система осуществляет контроль посредством проведения бесконтактной диагностики технического состояния тепловыделяющих объектов в туннелях. Дефекты объектов контроля выявляются средствами теплового контроля и характеризуются наличием локальных участков температурных аномалий.
Однако известное решение не позволяет осуществить мониторинг напряженно-деформируемых состояний, линейных перемещений, углов наклона пролетных строений и других статических и динамических характеристик конструкций искусственных сооружений.
Известно техническое решение, предназначенное для оценки технического состояния конусов и устоев железнодорожных мостов в сложных гидрологических условиях (RU 2490612, G01M 5/00, E04G 23/00, 20.08.2013), которое осуществляет моделирование с последующим расчетом технического состояния конусов, устоев и опирающихся на них пролетных строений железнодорожных мостов, при этом фактические значения параметров и характеристик состояния, повреждений и дефектов определяют с помощью приборных средств. Оценка технического состояния применима для конкретных элементов железнодорожного моста и не может использоваться для комплексного мониторинга при строительстве и эксплуатации искусственного сооружения.
Известны способ и устройство обеспечения безопасности моста (RU 2598803, G08B 21/00, E01D 12/00, G01S 15/00, G01S 13/00, 27.09.2016).
Устройство обеспечения безопасности моста содержит рабочее место оператора, модуль охранной сигнализации с охранным пультом, выход которого соединен с системным блоком, а входы соединены с датчиками контроля безопасности, а также модуль управления радиолокатором, содержащим по меньшей мере два радиолокатора, установленных на мостовых подходах и модуль гидролокации, содержащий контроллер гидролокации, соединенный с гидролокаторами, выполненными в выносной (подводной) части, состоящей из активных приемно-излучающих модулей, объединенных в секции длиной от 100 до 1000 м каждая и связанных магистральным кабелем с источниками энергоснабжения, обеспечивающей излучение и прием зондирующего сигнала, обработку сигнальной информации, передачу информации на стационарный надводный пункт наблюдения.
Известное техническое решение обеспечивает:
- сбор и обработку информации;
- видеонаблюдение;
- пожарная сигнализация;
- контроль акватории;
- мониторинг состояния строительных конструкций, включая контроль:
углов наклона пилонов, колебательных процессов и вибрации вант, натяжения вант, вертикальных перемещений;
- контроль транспортного потока;
- защита от несанкционированного проникновения лица (группы лиц) в зону транспортной безопасности.
Известное изобретение обеспечивает защиту моста со стороны акватории и контроль ситуации на мостах большой протяженности, однако оно не обеспечивает мониторинг динамических характеристик и комплексный мониторинг искусственного сооружения.
Наиболее близким техническим решением является устройство для контроля и управления состоянием искусственных сооружений (RU 2434300, G08C 17/00, 20.11.2011), содержащее систему датчиков, локально расположенных на объекте и связанных с микроконтроллером, приемопередатчик сенсорного узла, связанный с микроконтроллером и обменивающийся информацией через радиоканал с приемопередатчиком координатора сети, аккумулятор, генератор, способный преобразовывать энергию среды в электрическую и связанный с аккумулятором, базу данных, блок анализа состояния конструкции, связанный с базой данных и управляющим компьютером.
Изобретение используется для мониторинга состояния конструкции искусственного сооружения в процессе его эксплуатации на железнодорожном транспорте.
Недостатком данного изобретения является невозможность оперативного принятия решения по обеспечению безопасности искусственных сооружений при появлении смещений объектов верхнего строения пути, отклонению конструкций от вертикали и колебаний конструкций.
Задачей изобретения является разработка системы обеспечения безопасности путем автоматического, в режиме реального времени информирования о критическом изменении состояния конструкций искусственных сооружений, контроля интегральных характеристик конструкций, снижения риска утраты конструкциями свойств, определяющих их надежность, снижения риска разрушения конструкций, перехода в ограниченно работоспособное состояние, аварийное состояние, обеспечение проведения работ периодического мониторинга.
Технический результат заключается в повышении достоверности оценки состояния искусственных сооружений высокоскоростной магистрали.
Технический результат достигается тем, что система мониторинга искусственных сооружений высокоскоростной магистрали содержит блок мониторинга опор, включающий включающий двухосевые датчики наклона опор, установленные на внешних углах стоек по диагонали, и трехосевые датчики вибрации, размещенные в середине внутренних сторон опор, блок мониторинга пролетных строений, включающий двухосевые датчики наклона пролетных строений, установленные в местах опирания пролетных строений, и трехосевые датчики вибрации, установленные попарно в середине каждого второго пролетного строения, блок мониторинга верхнего строения пути, включающий датчики линейного перемещения рельсов, рельсовых плит и балок, блок мониторинга внешних климатических воздействий в виде метеостанции, установленной на искусственном сооружении и включающей датчики контроля скорости и направления ветра, влажности, температуры окружающей среды и узлов конструкции искусственного сооружения, давления, интенсивности и количества осадков, блоки сбора и преобразования данных, блоки сравнения измеряемых датчиками сигналов их критическими данными, блок обработки и анализа данных мониторинга искусственного сооружения, к соответствующим входам которого через информационную шину подключены выходы блоков сбора и преобразования данных, блок диагностики датчиков по уровню их технической надежности, входы которого через диагностическую шину подключены к выходам блоков сравнения измеряемых датчиками сигналов их критическими данными, и сервер обработки и анализа данных мониторинга, входы которого соединены с выходами блока обработки и анализа данных и блок диагностики датчиков по уровню их технической надежности, при этом информационные выходы датчиков блока мониторинга опор, блока мониторинга пролетных строений, блока мониторинга верхнего строения пути и блока мониторинга внешних климатических воздействий подключены к входам соответствующего блока сбора и преобразования данных, а их диагностические выходы - к входам соответствующего блока сравнения измеряемых датчиками сигналов с их критическими данными.
Для металлических пролетов искусственных сооружений в блок мониторинга пролетных строений введены датчики для измерения деформации, установленные в углах коробчатого пролетного строения в середине пролета.
В системе для мониторинга искусственных сооружений на основании данных железнодорожного моста рассматриваются:
- безопасность - путем автоматического, в режиме реального времени информирования о критическом изменении состояния конструкций;
- автоматический контроль интегральных характеристик конструкций;
- снижение риска утраты конструкциями свойств, определяющих их надежность, посредством своевременного обнаружения на ранней стадии:
- негативное изменение состояния, которое может привести к разрушению и повлечь людские потери;
- переход объектов в ограниченно работоспособное состояние;
- переход объектов в аварийное состояние, с полной или частичной потерей несущей способности;
- обеспечение проведения работ периодического мониторинга.
При проведении мониторинга строительных конструкций мостов для пропуска скоростных поездов предусматривается определение необходимых параметров различных частей сооружения. Мониторингу подлежат элементы сооружения, подверженные наибольшим нагрузкам и наибольшим изменениям состояния в процессе строительства и эксплуатации: опоры и пролетные строения.
Основными параметрами, подлежащими мониторингу, являются:
- абсолютное и относительное смещение конструкций;
- динамические параметры (динамический коэффициент), влияющие на износ конструкций;
- напряженно-деформированное состояние пролетного строения;
- напряженно-деформированное состояние свай;
- напряженно-деформированное состояние рельсов;
- температура рельсов;
- смещение рельсов, рельсовой плиты и балок.
Мониторинг проводится для выполнения следующих задач:
- непрерывный мониторинг деформации (напряжения) в местах, определенных архитектурными решениями и расчетами несущих конструкций;
- непрерывный мониторинг колебаний конструкций;
- непрерывный мониторинг отклонения конструкций от вертикали;
- постоянный вывод и контроль результатов мониторинга;
- выдачу тревожного сигнала в случае превышения значения сигналов датчиков величин, определяемых заказчиком;
- хранение полученных данных.
Для решения данных задач в составе системы мониторинга искусственных сооружений ВСМ используются следующие функциональные подсистемы:
- подсистема мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС);
- подсистема мониторинга изменения конфигурации конструкции;
- подсистема измерения динамических характеристик конструкции;
- подсистема измерения смещений рельсов, рельсовой плиты и балок;
- подсистема мониторинга оценки внешних климатических воздействий.
Рабочим элементом подсистемы НДС являются тензометрические датчики (тензометры). Могут устанавливаться на любом этапе строительства (эксплуатации). Начальной точкой считается начало работы СМИК, при которой показания тензометров считаются нулевыми. Контрольные точки установки тензометров определяются расчетом несущих конструкций.
Подсистема мониторинга изменения конфигурации конструкции состоит из двухосевых датчиков угла наклона - инклинометров. Кроме непосредственного измерения отклонения конструкции от вертикали данная подсистема определяет положение (смещение) в точках установки через уклоны. Величины уклонов, полученные при измерениях в продольной и поперечной осях сооружений, дают возможность получить наклон в любом направлении. Накопленная статистика позволяет делать вывод об изменении вертикальной и горизонтальной жесткости опор.
Подсистема измерения динамических характеристик конструкции определяет вибрационный и колебательный отклик элементов конструкции на внешние воздействия. В точках установки с помощью акселерометров измеряют ускорение, которое пересчитывается в характеристики вибрации, собственные частоты, перемещения. Для применения в составе оборудования мониторинга мостовых сооружений используются акселерометры с нижней частотой от 0 Герц, которые устанавливаются на конструкциях для регистрации возникающих в них колебаний под воздействием различных видов нагрузок.
Подсистема измерения смещений рельсов, рельсовой плиты и балок определяет смещение рельсов по отношению к рельсовой плите, смещение рельсовой плиты по отношению к балкам и взаимное смещение балок в районе деформационных швов. В качестве источника данных применяются датчики линейных перемещений, которые устанавливаются в концах сооружений в районе деформационных швов.
Подсистема мониторинга оценки внешних климатических воздействий выполнена в виде метеостанции, представляющей собой комплекс датчиков контроля скорости и направления ветра, влажности, температуры окружающей среды, давления и интенсивности и количества осадков. Размещение метеостанций предусмотрено на сооружениях с устанавливаемой СМИК.
На чертеже представлена структурная схема варианта выполнения предлагаемого технического решения система мониторинга железнодорожного моста высокоскоростной магистрали.
Система мониторинга железнодорожного моста высокоскоростной магистрали содержит блок 1 мониторинга опор, включающий двухосевые датчики 2 наклона опор, установленные на внешних углах стоек по диагонали, и трехосевые датчики 3 вибрации, размещенные в середине внутренних сторон опор, блок 4 мониторинга пролетных строений, включающий двухосевые датчики 5 наклона пролетных строений, установленные в местах опирания пролетных строений на опоры, и трехосевые датчики 6 вибрации, установленные попарно в середине каждого второго пролетного строения, блок 7 мониторинга верхнего строения пути, включающий соответственно датчики 8-10 линейного перемещения рельсов, рельсовых плит и балок, блок 11 мониторинга внешних климатических воздействий в виде метеостанции, установленной на искусственном сооружении и включающей соответственно датчики 12-16 контроля скорости и направления ветра, влажности, температуры окружающей среды и узлов конструкции искусственного сооружения, давления, интенсивности и количества осадков, блоки 17-20 сбора и преобразования данных, блоки 21-24 сравнения измеряемых датчиками сигналов их критическими данными, блок 25 обработки и анализа данных мониторинга искусственного сооружения, к соответствующим входам которого через информационную шину 26 подключены выходы блоков 12-16 сбора и преобразования данных, блок 27 диагностики датчиков по уровню их технической надежности, входы которого через диагностическую шину 28 подключены к выходам блоки 21-24 сравнения измеряемых датчиками сигналов с их критическими данными, и сервер 29 обработки и анализа данных мониторинга, входы которого соединены с выходами блока 25 обработки и анализа данных и блок 27 диагностики датчиков по уровню их технической надежности.
При этом информационные выходы датчиков 2 и 3 блока 1 мониторинга опор подключены к входам блока 17, а их диагностические выходы - к входам блока 21. Информационные выходы датчиков 5-6 блока 4 мониторинга пролетных строений подключены к входам блока 18, а их диагностические выходы - к входам блока 22. Информационные выходы датчиков 8-10 блока 7 мониторинга верхнего строения пути подключены к входам блока 19, а их диагностические выходы - к водам блока 23. Информационные выходы датчиков 12-16 блока 11 мониторинга внешних климатических воздействий подключены к входам блока 20, а их диагностические выходы - к входам блока 24.
Выход сервера 29 обработки и анализа данных мониторинга через блоки 30 и 31 подключен к единому диспетчерскому центру 32 управления (ЕДЦУ).
Система для мониторинга искусственных сооружений высокоскоростной магистрали, в качестве которого представлено описание железнодорожного моста для высокоскоростной магистрали, функционирует следующим образом.
Блок 1 мониторинга осуществляет мониторинг изменения конфигурации опор железнодорожного моста.
На каждой стойке опоры моста устанавливают двухосевые датчики 2 наклона - инклинометры, которые обеспечивают статическую диагностику опор, определяя их угол наклоны. Датчики 2 наклона - инклинометры устанавливают на внешних углах стоек по диагонали, что позволяет с максимальной точностью проводить измерения.
В середине внутренних сторон опор устанавливаются трехосевые датчики 3 вибрации - трехосевые акселерометры, которые позволяют определить вибрационный и колебательный отклик опор на воздействие высокоскоростного поезда. Трехосевые акселерометры в точках установки измеряют ускорение, которое пересчитывается в характеристики вибрации, собственные частоты, перемещения.
Блок 4 осуществляет мониторинг изменения конфигурации пролетных строений железнодорожного моста.
Для осуществления статической диагностики в местах опирания пролетных строений на опоры устанавливают датчики 5 наклона пролетных строений (двухосевые инклинометры). По изменению углов наклонов определяют величину изгибной деформации пролетов. Места опирания выбираются в точках с максимальным углом отклонения по горизонтали. Две рабочие координаты установки инклинометров по продольной оси пролетов дают возможность получить величину угла наклона в двух направлениях.
Для измерения динамических характеристик пролетных строений служат трехосевые датчики 6 вибрации - акселерометры, измеряющие ускорение в точках установки. Ускорение пересчитывается в другие динамические и статические характеристики, в частности, вибрации, собственные частоты, перемещения. Трехосевые акселерометры устанавливаются попарно в середине пролетов, определяя реакцию на движущиеся высокоскоростные поезда. На мостах акселерометры устанавливаются на каждом втором пролетном строении.
На металлических пролетных строениях устанавливаются тензометрические датчики - тензометры (на чертеже не показаны), преобразующие величину деформации в удобный для измерения сигнал. Для диагностики напряженно-деформируемого состояния между опорами тензометры устанавливают в углах коробчатого пролетного строения в середине пролета.
При высокоскоростном движении элементы верхнего строения пути испытывают повышенные динамические нагрузки, при которых возникают взаимные смещения его элементов относительно друг друга.
Блок 7 мониторинга верхнего строения пути определяет смещение рельсов по отношению к рельсовой плите с помощью датчиков 8 линейных перемещений рельсов, смещение рельсовой плиты по отношению к балкам с помощью датчиков 9 линейного перемещения плит, взаимное смещение балок в районе деформационных швов с помощью датчиков 10 линейного перемещения балок.
В качестве источника данных используют показания датчиков 10, установленных на концах сооружения в районе деформационных швов. На сооружении устанавливаются восемнадцать датчиков перемещений, по девять с каждого конца. Из них четыре датчика определяют смещения рельсов по отношению к рельсовой плите, четыре датчика определяют смещения рельсовой плиты по отношению к балкам, а один - взаимное смещение балок в районе деформационного шва.
Для учета влияния внешней среды на состояние искусственного сооружения служит информация метеостанции. Метеостанции являются неотъемлемой частью системы определения состояния конструкций и размещается на сооружениях с устанавливаемой системой мониторинга.
Результаты измерения характеристик опор с информационных выходов датчиков 2 и 3 блока 1 диагностики опор передаются по каналам проводной связи в блок 17 сбора и преобразования данных, а результаты контроля их состояния - в блок 21.
Результаты измерения датчиков 5 и 6 блока 4 диагностики пролетных строений передаются в блок 18, а результаты их контроля их состояния - в блок 22.
Результаты диагностики датчиков 8-10 блока 7 мониторинга верхнего строения пути передаются в блок 19, а результаты их контроля их состояния - в блок 23.
Результаты измерений датчиков 12-16 метеостанции передаются в блок 20, а результат их контроля - в блок 24.
В блоках 17, 18, 19 и 20 результаты измерения датчиков 2-3, 5-6, 8-10 и 12-16 преобразуются в информационные данные соответственно углов наклона и вибрации опор, углов наклона и вибрации пролетных строений, относительных линейных перемещений рельсов, балок и рельсовых плит, внешних климатических воздействий (температуры окружающей среды и узлов конструкции, влажности, скорости и направления ветра).
В блоках 21, 22, 23 и 24 электрические сигналы соответственно от датчиков 2-3, 5-6, 8-10 и 12-16 преобразуются в информационные данные сравнения с критическими данными датчиков по характеристикам измеряемых величин.
Информация блоков 17, 18, 19 и 20 по общей проводной шине 26 передается в блок 25 обработки и анализа данных мониторинга искусственного сооружения, где осуществляется ранжирование состояния элементов конструкций в зависимости от предыдущего состояния и важности функционирования в объекте моста.
Информация блоков 21, 22, 23 и 24 по общей проводной шине 28 передается в блок 27, осуществляется ранжирование их состояния по уровню их технической надежности и времени замены или ремонта.
Данные с выходов блоков 25 и 27 передаются в сервер 29, где записываются в блок 30 памяти режима работы реального времени и в блок памяти 31 данных эксплуатационного режима работы. Данные блока 30 памяти используются работниками оперативного контроля и управления движением высокоскоростных поездов в едином диспетчерском центре управления (ЕДЦУ) для принятия оперативных мер по безопасному функционированию элементов конструкции моста. Данные блока 31 памяти используются в центре управления безопасностью (ЦУБ) для контроля безопасности элементов конструкций искусственного сооружения и своевременной замены диагностических датчиков.