Способ контроля антенно-мачтовых сооружений
CONTROL METHOD OF ANTENNA-MAST STRUCTURES

Изобретение относится к области контроля состояния несущих конструкций антенно-мачтовых сооружений (АМС), оперативного оповещения об изменениях их состояния, предупреждения чрезвычайных ситуаций и может быть использовано в автоматизированных системах мониторинга состояния антенно-мачтовых сооружений.
Известны способы мониторинга напряженно-деформированного состояния сооружений [1-4], заключающиеся в том, что в тело сооружения в заданных точках устанавливают датчики на основе волоконно-оптических решеток Брэгга, которые соединяют оптическими волокнами с интеррогатором, передают по оптическим волокнам зондирующие импульсы, в интеррогаторе принимают оптические сигналы, отраженные на волоконно-оптических решетках Брэгга, и по результатам обработки этих сигналов оценивают напряженно-деформированного состояния сооружения в точках, где установлены датчики. Однако, по результатам контроля напряженно-деформированного состояния сооружения в его отдельных точках невозможно оценивать состояние АМС в целом.
Известны способы мониторинга напряженно-деформированного состояния сооружений [3-13], заключающиеся в том, что в тело сооружения закладывают сенсорные оптические волокна, в которые подают зондирующие оптические сигналы и методами Бриллюэновской оптической рефлектометрии и/или когерентной оптической рефлектометрии и/или поляризационной оптической рефлектометрии и/или маломодовой оптической рефлектометрии и/или иными методами оптической рефлектометрии измеряют распределения напряженно-деформированного состояния сооружения вдоль сенсорных оптических волокон. Однако, контроль только распределений напряженно-деформированных состояний вдоль сооружения и его элементов не позволяет оценивать состояние АМС в целом.
Известны способы контроля вертикальности АМС, которые осуществляются средствами геодезического мониторинга в установленном порядке проведения данных работ путем проведения геодезических угловых измерений [14, 15]. Недостатком данного способа является то, что при заданной периодичности - минимум два раза в год, контроль вертикальности АМС в межповерочный период не проводится.
Известен способ контроля линейных и угловых отклонений от вертикального направления для дистанционного мониторинга антенно-мачтовых сооружений [16]. Способ заключается в установке закрепленного на АМС трехосного акселерометра, с помощью которого определяют линейные и угловые отклонения от вертикального положения АМС, и дальнейшей фиксации и обработке этих данных. При этом, 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. Недостатками настоящего способа является отсутствие информации о причинах отклонений и колебаний АМС от вертикального положения, отсутствие данных об уровнях напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов и металлических конструкций АМС, отсутствие информации о пространственном положении фундамента АМС.
Наиболее близким к заявляемому является известный способ контроля состояния антенно-мачтовых сооружений [17], заключающийся в установке на его мачте блока с трехосным акселерометром, установке на ней, через равные расстояния, блоков с трехосными акселерометрами, установке анемометра, установке в ее заданных сечениях датчиков напряженно-деформированного состояния, а также установке блока с трехосным акселерометром в ее фундамент и сейсмодатчика в грунт, сборе и обработке данных измерений, по результатам которой затем в режиме online оценивают состояние АМС и причины возможных отклонений мачты от вертикальности, ее геометрии, о пространственном положении фундамента и уровнях напряжений конструктивных элементов мачты. Основной недостаток данного способа заключается в том, что датчики напряженно-деформированного состояния устанавливаются в отдельных точках заданных сечений АМС. Это позволяет оценивать распределения напряженно-деформированных состояний вдоль АМС только в первом приближении. Как следствие, велика вероятность того, что рост локальных напряженно-деформированных состояний на участках между датчиками и, соответственно, локальных дефектов элементов конструкции АМС не будет своевременно выявлен и локализован. Это недопустимо в условиях повышенной коррозионной активности, сильной вибрации и больших ветровых нагрузок.
Сущностью предлагаемого изобретения является расширение области применения.
Эта сущность достигается тем, что согласно способу способ контроля состояния антенно-мачтовых сооружений, заключающемуся в установке на его мачте блока с трехосным акселерометром, установке на ней, через равные расстояния, блоков с трехосными акселерометрами, установке анемометра, установке в ее заданных сечениях датчиков напряженно-деформированного состояния, установке блока с трехосным акселерометром в ее фундамент и сейсмодатчика в грунт, сборе и обработке данных измерений, при этом дополнительно вдоль мачты укладывают сенсорные оптические волокна, параллельно с которыми укладывают оптические волокна с включенными в них волоконно-оптическими решетками Брэгга, методами Бриллюэновской оптической рефлектометрии и/или иными методами оптической рефлектометрии измеряют распределения напряженно-деформированных состояний элементов конструкции АМС вдоль сенсорных оптических волокон, калибруют полученные кривые распределений напряженно-деформированных состояний по результатам обработки оптических сигналов отраженных на волоконно-оптических решетках Брэгга, и затем в режиме online по результатам обработки данных измерений оценивают состояние АМС и причины возможных отклонений параметров состояния АМС.
На фиг. 1 представлена схема реализации способа контроля состояния антенно-мачтовых сооружений. Схема включает мачту АМС – 1, блок трехосевых акселерометров – 2, анемометр – 3, фундамент АМС – 4, первый кабель – 5, блок сбора, обработки и передачи данных - 6, датчик НДС – 7, второй кабель – 8, сейсмодатчик – 9, диспетчерский пункт – 10, сенсорные оптические волокна -11, оптические волокна с волоконно-оптическими решетками Брэгга – 12, оптический рефлектометр – 13, интеррогатор – 14. При этом, на мачте АМС 1 установлены блоки трехосных акселерометров 2 (через равные расстояния) и анемометр 3. В фундамент АМС 4 установлен один блок трехосных акселерометров 2. Вышеуказанные элементы соединены первым кабелем 5 и с его помощью подключены к блоку сбора, обработки и передачи данных 6, который оборудован вблизи АМС. По периметру заданных сечений мачты АМС 1 установлены датчики НДС 7, которые соединены вторым кабелем 8 друг с другом и с блоком сбора, обработки и передачи данных 6. В грунте, рядом с фундаментом АМС 4, установлен сейсмодатчик 9, который подключен к блоку сбора, обработки и передачи данных 6. При этом, вдоль мачты уложены сенсорные оптические волокна 11, параллельно с которыми уложены оптические волокна с включенными в них волоконно-оптическими решетками Брэгга 12. Сенсорные оптические волокна 11 подключены к оптическому рефлектометру 13, а оптические волокна с включенными в них волоконно-оптическими решетками Брэгга 12 подключены к интеррогатору 14. Причем оптический рефлектометр 13 и интеррогатор 14 подключены к блоку сбора, обработки и передачи данных 6.
Способ осуществляется следующим образом. Под действием ветровой нагрузки или сейсмических колебаний грунта мачта АМС 1 отклоняется от вертикали. Блоки трехосевых акселерометров 2 дают информацию об ориентации в пространстве участков мачты АМС 1 в местах их установки. Минимальное количество блоков трехосевых акселерометров 2 не менее трех. Блок трехосевых акселерометров 2, установленный в фундаменте АМС 4, дает информацию о пространственном положении фундамента АМС 4. Программное обеспечение блока сбора, обработки и передачи данных 6 преобразует в режиме реального времени информацию с блоков трехосевых акселерометров 2 об их положении в пространстве в реальную геометрию мачты АМС 1 и ее фундамента АМС 4 в формате 3-D, возникающую под воздействием ветровой нагрузки или сейсмических колебаний. Полноту контроля состояния АМС обеспечивает информация об уровнях НДС в элементах конструкции мачты АМС 1 при ее критических отклонениях от вертикали. Эту информацию обеспечивают установленные по периметру заданных сечений мачты АМС 1 датчики НДС 7, сенсорные оптические волокна 11 с оптическим рефлектометром 13 и оптическими волокнами с включенными в них волоконно-оптическими решетками Брэгга 12 с интеррогатором 14. Сравнивая показания анемометра 3 о направлении и скорости ветра с величиной и направлением изгиба мачты АМС 1, полученных с блоков трехосевых акселерометров 2, оператор диспетчерского пункта 10 может оценить ситуацию, является она штатной или аварийной. Таким же образом оператор оценивает колебания мачты с учетом информации от сейсмодатчика 9. При этом по распределениям НДС, полученным с помощью сенсорных оптических волокон 11 и откалиброванных с помощью оптических волокон с включенными в них волоконно-оптическими решетками Брэгга 12 выявляют и локализуют аварийные элементы конструкции АМС 1. Таким образом, реализуется универсальный, комплексный способ контроля состояния антенно-мачтовых сооружений, предназначенный для определения как отклонений от вертикальности, так и причин отклонений с информацией об уровнях НДС конструкций в режиме реального времени.
В отличие от известного способа, которым является прототип, заявляемым способом за счет применения сенсорных оптических волокон и Бриллюэновской оптической рефлектометрии и/или иных методов оптической рефлектометрии НДС контролируют не в отдельных сечениях АМС, а вдоль всей мачты и получают кривые распределения НДС вдоль мачты, что обеспечивает более полную картину для определения состояния АМС и позволяет своевременно выявлять и локализовать дефекты и авариные элементы конструкции АМС, в частности, аварийные металлические элементы в условиях повышенной коррозии, вибрации и ветровой нагрузки. Как следствие, это обеспечивает расширение области применения способа контроля состояния антенно-мачтовых сооружений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент RU 2005133274.
2. Патент RU 2377497.
3. Inaudi D. Overview of fibre optic sensing to structural health monitoring applications// ISISS'2005, International Symposium on Innovation & Sustainability of Structures in Civil Engineering, 2005, p.p. 1-16.
4. López-Higuera J.M., Rodriguez L., Quintela A., Cobo A., Madruga F.J., Conde O.M., Lomer M., Quintela M.A., Mirapeix J. Fiber optics in structural health monitoring//  Proc. of SPIE, v.7853, 2016, p.p. 78530D-1.
5.  Патент EP2897310.
6.  Патент US20030174924.
7.  Hotate K. Brillouin Optical Correlation-Domain Technologies Based on Synthesis of Optical Coherence Function as Fiber Optic Nerve Systems for Structural Health Monitoring// Appl. Sci., v. 9(187), 2019, p.p. 1-48.
8.  Liehr S., Munzenberger S., Krebber K. Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing// Optics Express, v. 26(8), 2018, pp.10573-10588.
9.  Патент RU2287131.
10.  Патент RU2562689.
11.  Патент RU2672794.
12.  Liu X., Jin B., Bai Q., Wang Y., Wang D., Wang Y. Distributed Fiber-Optic Sensors for Vibration Detection// Sensors, v. 16(1164), 2016, pp. 1-31.
13.  Weng Y., Wang T., Pan Z. Multi-functional fiber optic sensors based on mode division multiplexing// Optical Materials, v.7(6), 2017, pp. 1917-1933.
14.  Инструкция по эксплуатации антенных сооружений радиорелейных линий связи/ Министерство связи СССР // ГЛАВСВЯЗЬПРОЕКТ. Государственный Союзный Проектный Институт. Утверждена Министерством связи СССР 14 января 1980 г.
15.  СТ-011-3 Приложение 4. Требования к проведению геодезического контроля антенных опор / ОАО «Мобильные телесистемы».
16.  Патент RU 2477454.
17.  Патент RU 2626069.