СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ВЕРТИКАЛЬНОГО НАПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА АНТЕННО-МАЧТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ
METHOD OF MONITORING LINEAR AND ANGULAR DEVIATION FROM VERTICAL DIRECTION FOR REMOTE MONITORING OF ANTENNA MAST STRUCTURES

Изобретение относится к области определения состояния несущих конструкций антенно-мачтовых сооружений, оперативного оповещения об изменении их состояния, предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций и может быть использовано в автоматизированных системах мониторинга безопасности несущих конструкций в процессе эксплуатации зданий и сооружений.
Известен способ определения устойчивости зданий и сооружений (патент РФ на изобретение №2245531), включающий возбуждение колебаний испытуемого объекта на собственных частотах воздействием на него последовательности ударных импульсов малой амплитуды, измерение колебаний с помощью установленных на объекте датчиков, определение динамических характеристик объекта, экспериментальное определение значений поверхностной прочности, и/или объемной прочности, и/или параметров армирования элементов конструкции объекта, и/или осадки, и/или сдвига, и/или крена объекта, и/или глубины залегания фундамента, и/или его поверхностной прочности, и/или его объемной прочности, и/или период собственных колебаний грунта под объектом, и/или вокруг него, измеренный, по меньшей мере, по первому тону колебаний, и/или логарифмический декремент их затухания, и/или уровень грунтовых вод, сравнение полученных экспериментальных значений с данными теоретических моделей, рассчитанных для данной конструкции объекта и материалов изготовления, и определение устойчивости зданий и сооружений методом экспертных оценок.
Возможности способа ограничиваются контролем параметров, позволяющих оценивать изменение прочности несущих конструкций, а также необходимостью привлечения экспертов для оценки. Способ не обеспечивает связь оценок изменения прочности с опасностью аварий в режиме реального времени и не может быть использован в системе предупреждения аварий.
Также известен способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений (патент РФ на изобретение №2247958), характеризующийся использованием ЭВМ в качестве пункта контроля и обработки информации. Согласно способу производят программный опрос датчиков (измерительных преобразователей), установленных в местах диагностирования конструкции, полученную информацию преобразуют, оцифровывают и передают на пункт контроля, где сигналы регистрируют и сравнивают их с заранее зафиксированными значениями, в качестве которых используют данные метрологической аттестации, проведенной перед началом эксплуатации, а по отклонению поступивших сигналов судят о наличии изменений контролируемых параметров. Способ позволяет осуществлять постоянный контроль за состоянием конструкции и в любой момент времени получать информацию о ее состоянии.
Оценка по данным метрологической аттестации не позволяет судить о степени опасности изменений контролируемых параметров. Возможности способа ограничиваются контролем параметров, позволяющих судить об изменении надежности несущих конструкций. Способ не обеспечивает возможности использования в системе предупреждения аварий в режиме реального времени. К недостаткам данного способа следует отнести необходимость осуществления запроса информации с целью ее вывода на носитель.
Известен также способ контроля состояния элементов строительных конструкций (патент РФ №2327105), основанный на осуществлении опроса датчиков, установленных в местах диагностирования конструкции, преобразовании полученной с датчиков информации и ее передаче на пункт контроля, который выполнен в виде компьютера с программным обеспечением, где осуществляют регистрацию и сравнение полученной информации с заранее введенными в память компьютера фиксированными величинами, формировании условного изображения контролируемого объекта, повторяющего его конструкцию. При этом на условном изображении объекта в местах, соответствующих реальному расположению датчиков, размещают цветные метки-индикаторы, выводят упомянутое изображение с метками-индикаторами на экран компьютера, обеспечивая постоянную связь упомянутых меток-индикаторов с датчиками, а в качестве фиксированной величины для каждого датчика используют полученное путем предварительных расчетов предельно допустимое значение измеряемого параметра. Результаты опроса датчиков и результаты сравнения последней принятой с них информации отражают в реальном времени через цвет меток-индикаторов и его смену на условном изображении объекта. По цвету индикаторов судят об исправности датчиков и состоянии конструкции.
Недостатком данного способа является низкая вероятность выявления предаварийных и аварийных ситуаций из-за отсутствия возможности пересчета предельно допустимых значений измеряемых параметров, обусловленной старением конструкций и воздействием внешних физических факторов.
Возможности способа ограничиваются контролем величин, позволяющих оценивать изменение состояния элементов строительных конструкций. Способ не обеспечивает оценку степени опасности изменения значений измеряемых параметров с опасностью аварий в режиме реального времени и не может быть использован в системе предупреждения аварий.
Известно устройство контроля состояния конструкции здания или инженерного строительного сооружения (патент РФ №2327105), содержащее пункт контроля, характеризующийся использованием компьютера, измерительные преобразователи, размещенные в местах диагностирования конструкции, связанный с ними блок предварительной обработки сигналов, включающий плату аналого-цифрового преобразователя, и средства связи блока предварительной обработки сигналов с упомянутым компьютером, выполненным с возможностью опроса измерительных преобразователей, приема и регистрации сигналов, содержащих измерительную информацию, и с возможностью сравнения упомянутой информации с заранее внесенными в его память фиксированными величинами, снабженное средствами наглядного представления информации, включающими выведенное на экран компьютера условное изображение контролируемой конструкции и цветные метки-индикаторы, размещенные на упомянутом изображении в соответствии с размещением измерительных преобразователей и выполненные с возможностью отражения в реальном времени посредством своего цвета и его изменения исправности соответствующего измерительного преобразователя и результатов сравнения последней принятой с него информации, при этом компьютер выполнен с возможностью одновременного со сменой цвета метки-индикатора вывода на экран дополнительных сведений о типе и исполнении элемента конструкции, на котором размещен соответствующий упомянутой метке-индикатору измерительный преобразователь.
Также известна система мониторинга технического состояния зданий и сооружений (патент РФ на полезную модель №66525), 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, и блок градации выходной информации.
Недостатком этой системы является отсутствие возможности непрерывного функционирования, отсутствие возможности прямого измерения собственных частот колебаний несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений, отсутствие возможности мониторинга и отображения данных об изменении состояния несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений в режиме реального времени, отсутствие блока передачи информации внешним потребителям через информационные сети и/или каналы связи, осуществление посредством блока ударного устройства только импульсного (ударного) динамического воздействия на конструктивные элементы.
Известен способ планово-предупредительного контроля физического состояния зданий и сооружений (Патент РФ на изобретение №2163009, МПК 7 G01M 7/02, 2001), включающий определение динамических характеристик объекта по измерениям под воздействием вибрации его колебаний, отличающийся тем, что физическое состояние объекта определяют путем измерения микроколебаний объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождений, в условиях которого находится обследуемый объект, или под воздействием управляемого источника вибраций посредством группы периодически последовательно перемещаемых по схеме наблюдений трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно идентичным трехкомпонентным вибродатчиком в фиксированной опорной точке, расположенной на обследуемом объекте или вблизи него, при этом на основании первичного детального инструментального неразрушающего инженерно-сейсмологического обследования здания или сооружения определяют исходные параметры динамических характеристик, отображающие исходное физическое состояние объекта в целом и отдельных его блоков, узлов и элементов, посредством последующих плановых периодических подобных обследований определяют стабильность или скорость и направление изменения во времени параметров динамических характеристик объекта, выявляют аномалии в параметрах динамических характеристик, оценивают влияние выявленных изменений и аномалий параметров динамических характеристик на физическое состояние объекта и получают инструментальные данные для квалифицированной оценки физического состояния здания или сооружения и техническое обоснование для своевременного ремонта, реконструкции или сноса объекта.
Общим недостатком всех упомянутых выше технических решений является то, что они основаны на анализе записей виброграмм (регистрируются результаты измерений ускорений в точках установки акселерометров, проводятся их прямые преобразования Фурье, выделяются основные собственные частоты (причем не алгоритмически, а вручную), вычисляются периоды, декременты собственных колебаний, которые затем сравниваются с проектными значениями, случайная природа измерений при этом не учитывается. Отсутствует возможность выделения и контроля вертикальности сооружения в качестве главенствующего параметра устойчивости конструкции.
В настоящее время контроль вертикальности АМС проводится средствами геодезического мониторинга (путем проведения геодезических угловых измерений). Порядок проведения данных работ определен, например, в следующих документах.
1. Инструкция по эксплуатации антенных сооружений радиорелейных линий связи/ Министерство связи СССР // ГЛАВСВЯЗЬПРОЕКТ. Государственный Союзный Проектный Институт. Утверждена Министерством связи СССР 14 января 1980 г.
2. СТ-011-3 Приложение 4. Требования к проведению геодезического контроля антенных опор / ОАО «Мобильные телесистемы» (разработана для ОАО «МТС» на основе (1).
Очевидным недостатком указанного контроля является то, что при заданной периодичности - минимум два раза в год, контроль вертикальности АМС в межповерочный период не проводится.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является:
обеспечение проведения контроля вертикальности АМС с любой периодичностью (от непрерывного мониторинга до любого вида периодического) с автоматической регистрацией и отображением результатов, а также выдачей аварийных сигналов без вмешательства человека-оператора;
обеспечение, при использовании результатов промежуточных вычислений (амплитуды и частоты основного тона и наиболее значимых обертонов собственных колебаний), организации также и дистанционного контроля технического состояния элементов конструкции АМС;
требуется гораздо меньших трудовых и материальных затрат (по предварительным оценкам 30-50 тыс. рублей на одно АМС за 10-15 лет эксплуатации против 2000-2700 тыс. рублей за единичный контроль АМС).
Указанный технический результат достигается тем, что способ контроля линейных и угловых отклонений от вертикального направления для дистанционного мониторинга антенно-мачтовых сооружений (АМС), включающий обработку параметров прибора, фиксирующего линейные и угловые отклонения от вертикального положения АМС, характеризуется тем, что в качестве прибора используют трехосный акселерометр, закрепленный на АМС, регистрируют проекции линейного ускорения на три ортогональные оси акселерометра, по меньшей мере, для двух последовательных сеансов измерения, а линейные и угловые отклонения от вертикального положения антенно-мачтовых сооружений вычисляют по результатам выделения и анализа поступательной составляющей динамических характеристик поступательно-колебательного движения АМС, вычисленных с учетом величин упомянутых проекций линейного ускорения.
Кроме того, при выделении и анализе поступательной составляющей динамических характеристик поступательно-колебательного движения АМС, сначала вычисляют амплитудочастотные характеристики проекций линейного ускорения по трем ортогональным осям методом прямого преобразования Фурье для обоих зарегистрированных сеансов, затем последовательно определяют полные вариации амплитудочастотных характеристик проекций линейного ускорения по трем ортогональным осям для зарегистрированных сеансов, вычисляют полные вариации проекций линейного ускорения по трем ортогональным осям при помощи обратного преобразования Фурье полных вариаций их амплитудочастотных характеристик, определяют проекции относительного перемещения АМС на три ортогональные оси за время, прошедшее от предыдущего сеанса к последующему, двойным интегрированием полных вариаций проекций линейного ускорения по трем ортогональным осям методом трапеций определяют относительное изменение углов отклонения АМС от вертикального положения за время, прошедшее от предыдущего сеанса к последующему, и вычисляют проекции абсолютного линейного отклонения АМС от вертикальности на горизонтальную плоскость.
Кроме того, после вычисления значений линейных и угловых отклонений осуществляют контроль текущего состояния АМС путем сравнения их с нормативными допусками, а измеренные проекции линейного ускорения фиксируют для использования в последующем плановом сеансе измерения и дистанционном мониторинге с передачей результатов контроля по каналу связи к удаленному диспетчерскому пункту.
Кроме того. при осуществлении контроля текущего состояния АМС путем сравнения значений линейных и угловых отклонений с нормативными допусками формируют сигнала тревоги при невыполнении любого из выражений:
j
j
где x, y - линейные отклонения,
- угловое отклонение,
0
h - высота установки прибора на АМС.
Кроме того, при определении проекции относительного перемещения АМС на три ортогональные оси за время, прошедшее от предыдущего сеанса к последующему, на участке возможного отсутствия измерительной информации используют ее линейную модель, учитывающую динамику изменения ускорений от предыдущего сеанса к последующему.
На фиг.1 представлена блок-схема системы для реализации способа.
На блок-схеме показан блок трехосного инерциального цифрового измерительного устройства 1 (прибор - трехосный акселерометр), сигнал с которого поступает на блок прямого преобразования Фурье 2, сигнал с которого поступает на вход запоминающего устройства 3 и суммирующее устройство 4, второй вход которого связан с выходом запоминающего устройства 3. С выхода суммирующего устройства 4 сигнал поступает на вход блока обратного преобразования Фурье 5, чей сигнал поступает на входы блока двойного интегрирования 6 и блока вычисления угловых поправок 7, с выходов блока двойного интегрирования 6 и блока вычисления угловых поправок 7 сигналы поступают на разные входы блока вычислений отклонения от вертикальности 8, сигналы с которого поступают на вход блока допускового контроля отклонений 9 для последующего мониторинга и формирования сигнала тревоги.
Способ дистанционного мониторинга АМС заключается в реализации следующей последовательности операций:
1) регистрация измерений проекций линейного ускорения на три ортогональные оси инерпиального цифрового измерительного устройства (трехосного акселерометра), установленного на АМС, в двух последовательных сеансах измерений с номерами j-1 и j соответственно, между которыми, возможно, отсутствует измерительная информация;
2) вычисление амплитудочастотных характеристик проекций линейного ускорения по трем ортогональным осям (методом прямого преобразования Фурье) для обоих зарегистрированных сеансов (номера j-1 и j соответственно);
3) определение полных вариаций амплитудочастотных характеристик проекций линейного ускорения по трем ортогональным осям для зарегистрированных сеансов (j-того и j-1-го);
4) вычисление полных вариаций проекций линейного ускорения по трем ортогональным осям при помощи обратного преобразования Фурье полных вариаций их амплитудочастотных характеристик;
5) определение проекций относительного перемещения АМС на три ортогональные оси за время, прошедшее от предыдущего сеанса к последующему, двойным интегрированием полных вариаций проекций линейного ускорения по трем ортогональным осям методом трапеций, причем на участке возможного отсутствия измерительной информации используется ее линейная модель, учитывающая динамику изменения ускорений от предыдущего сеанса к последующему;
6) определение относительного изменения углов отклонения АМС от вертикального положения за время, прошедшее от предыдущего сеанса к последующему, и вычисление проекций абсолютного линейного отклонения АМС от вертикальности на горизонтальную плоскость.
7) контроль текущего состояния АМС путем сравнения вычисленных значений линейных и угловых отклонений с нормативными допусками;
8) регистрация измерений проекций линейного ускорения на три ортогональные оси инерциального цифрового измерительного устройства (трехосного акселерометра), установленного на АМС, в последующем плановом сеансе и повторение п.п.2 - 8 и т.д.
Системы координат (СК), используемые в способе.
Система координат прибора (ПСК) Oxyz, правая прямоугольная: ось Ox направлена вдоль горизонтальной оси прибора в сторону разъема, ось Oz перпендикулярна оси Ох и направлена к земле, ось Oy дополняет систему до правой тройки.
Геодезическая система координат (ГСК) Ox'y'z', правая прямоугольная:
направление оси Oz' совпадает с направлением вектора ускорения силы тяжести g (определяется по пузырьковому уровню теодолита), оси Ох' и Оу' перпендикулярны оси Oz' и ориентированы относительно элементов конструкции АМС (в направлении данных осей средствами геодезического мониторинга оцениваются отклонения АМС от вертикальности х, у).
0
0
Для однозначного толкования результатов геодезического и дистанционного мониторинга необходимо проводить их сравнение в единой СК. Кроме того, отклонения АМС от вертикальности на момент начала дистанционного мониторинга х, у используются в качестве начальных условий для интегрирования уравнений динамики АМС в точке установки прибора.
Для совмещения СК Oxyz с СК Ox'y'z' требуется выполнить два последовательных поворота:
z
1-й поворот против часовой стрелки вокруг линии узлов - перпендикуляра к плоскости zOg(z') - на угол α:
1-й поворот задается матрицей
x
2-й поворот против часовой стрелки вокруг оси Oz'(g) на угол α:
2-й поворот задается матрицей
x
В дальнейшем будет полагаться, что начальная поправка  к углу α будет определяться в ходе начальной установки прибора совместно с геодезическим подразделением.
x'←X
2
1
Таким образом, матрица перехода от СК Oxyz к СК Ox'y'z' A=А×А определится следующим образом:
Таким образом, нам понятно, как получить начальные условия, с какой матрицей работать.
0
N-1
Техническое решение позволяет идентифицировать динамические характеристики колебаний АМС в диапазоне частот [f, f], соответствующем частоте регистрации информации.
Амплитуда и фаза колебаний АМС, соответствующие одним и тем же частотам, на различных этапах мониторинга не совпадают. Именно разность АЧХ и ФЧХ колебаний содержат информацию о динамике поступательного движения АМС от этапа к этапу мониторинга в точке установки прибора.
Результирующее колебание-разность
ΔW(t)=A·sin(ωt+φ),
где А и φ определяются по правилам сложения колебаний
1
1
1
знак A при этом изменяется на противоположный, а φ заменяется на φ+π. Формирование сигнала тревоги.
Критические значения линейных отклонений АМС от вертикальности представлены в СТ-011-3 Приложение 4. Требования к проведению геодезического контроля антенных опор (0,001 высоты).
Следовательно, нормальному состоянию АМС на j-м этапе мониторинга соответствует выполнение неравенства
Соответственно для углового отклонения
так как tg(206,28 угл.сек)=0,001.
Для формирования сигнала тревоги может использоваться одно из двух условий с учетом суммарной инструментальной, вычислительной и методической погрешности и требуемого уровня доверительной вероятности.
Начальные условия
0
N-1
j-1
1) Фурье-образы последовательностей , ,  на интервале [t, t]·j - номер этапа мониторинга, номер j-1 соответствует этапу мониторинга, предшествующему текущему. Значения
j-1
j-1
j-1
X(t)=Re(X(t))+Im(X(t))
хранятся в базе данных системы мониторинга вспомогательного оборудования (например, в ЭВМ удаленного диспетчерского пункта) (3 массива по 100 комплексных чисел).
x0
z0
0
0
j
j
2) ,  угловые отклонения АМС от вертикальности, зафиксированные на j-1 этапе мониторинга в ГСК α, α определяются в ходе установки прибора одновременно с линейными отклонениями x, y по результатам геодезического мониторинга и уточняются при плановом и неплановом его проведении. Все текущие значения  и x, y хранятся в базе данных системы мониторинга вспомогательного оборудования для графического отображения и статистического анализа.
Измерительная информация
0
N-1
j
3) Проекции линейного ускорения в точке установки прибора на оси ПСК , ,  на интервале [t, t].
Консервативная информация
0
4) h - высота установки прибора на АМС.
x0
x0
5) Δα - начальная поправка к углу α, определяемая относительно базовых направлений, используемых на АМС, совместно с геодезическим подразделением.
Алгоритм обработки результатов мониторинга АМС
1) Построение Фурье-образов последовательностей , ,  для текущего j-го этапа мониторинга:
где
0
k
j
В формуле (8) положено, что дискретным отсчетам зарегистрированных данных по времени t на интервале [t, t] соответствуют индексы
n
2) Определение полных вариаций j-го и j-1-го этапов мониторинга, соответствующих частотам f:
j
Вариации ΔX(t) содержат информацию о перемещении АМС в ПСК.
j
3) Построение последовательности (обратное преобразование Фурье ΔX(t)):
Двойное интегрирование последовательностей (10) методом трапеций
0
Идентификатор t текущего дискретного отсчета времени в формуле (10) эквивалентен дискретному номеру отсчета (t=0,1…N-1), в формуле (11) - физическому отсчету времени в пределах текущего этапа мониторинга (отсчет ведется от t=0).
4)  - последовательность (10) относительных
изменений ускорений за время, прошедшее от j-1-го до j-го этапа мониторинга. Средние значения
используются в формулах (1), (3) для вычисления приращений углов ,  за данное время. При этом в качестве g используется
5)  - последнее значение полученной последовательности (11) перемещений АМС в ПСК за время, прошедшее от j-1-го до j-го этапа мониторинга. Данное значение принимается за искомое перемещение АМС в ПСК.
6) Пересчет перемещений из ПСК в ГСК с использованием матрицы (5):
7) Вычисление текущих значений линейных и угловых параметров:
8) Контроль текущего состояния АМС с использованием условий (6), (7).
Дополнительно будут использоваться уже ранее разработанные алгоритмы мониторинга состояния строительных сооружений и оценки метрологической надежности прибора.
На участке возможного отсутствия измерительной информации используют ее линейную модель, например, в следующем виде:
0
k
j-1
1. На j-1-м интервале [t,t] находим:
0
k
j
2. На j-м интервале [t,t] находим:
3. За начало отсчета принимаем .
4. Находим оценки коэффициентов уравнения прямой , проходящей через точки  и :
.
5. Оценка перемещения на интервале времени  («дыра»):
Так для каждой координаты.
Таким образом, в предлагаемом способе достигается технический результат, заключающийся в обеспечении проведения контроля вертикальности АМС с любой периодичностью с автоматической регистрацией и отображением результатов, а также выдачей аварийных сигналов без вмешательства человека-оператора; обеспечении, при использовании результатов промежуточных вычислений (амплитуды и частоты основного тона и наиболее значимых обертонов собственных колебаний), организации также и дистанционного контроля технического состояния элементов конструкции АМС при одновременном значительном упрощении и удешевлении контроля.