СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Заявляемая полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для оценки и прогнозирования технического состояния судоходных шлюзов, причальных сооружений, конструкций зданий и других строительных сооружений по результатам непрерывного или с заданной периодичностью измерения деформаций сооружений в процессе их эксплуатации. Решение явилось результатом разработки специалистами Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций автоматизированной системы мониторинга состояния камеры судоходного шлюза.
До недавнего времени определение деформаций судоходных шлюзов на территории России осуществлялся традиционными геодезическими методами (створные наблюдения), щелемерами, с помощью компарированной инварной проволоки, рулетки и др. (см. «Руководство по натурным наблюдениям за деформациями гидротехнических сооружений и их основными геодезическими методами». - М.: Энергия, 1980, стр.103.). Контроль состояния сооружений проводился работниками служб мониторинга, которые регистрировали показания приборов и вели визуальные наблюдения. Однако анализ результатов наблюдений на различных гидроузлах показал, что во многом они зависели от квалификации специалистов и зачастую были недостаточно полноценны.
Более достоверные и объективные сведения позволяли получить системы с электронными уклономерами (инклинометрами), используемые на особо опасных объектах (см. пат. РФ №2401426 МПК G01B 21/22, опубл. 10.10.2010; пат. РФ №2291397 МПК G01C 9/00, опубл. 10.01.2007 и др.). С помощью уклономеров определялся угол наклона строительной части сооружений относительно горизонтальной линии, при этом на выходе прибора пропорционально изменению угла наклона изменялся сигнал, дальнейшая обработка которого осуществлялась соответствующими измерительными устройствами. По результатам измерений производилась оценка технического состояния сооружений и составлялся прогноз их реакции на внешние воздействия.
Выпускаемые отечественными производителями приборы указанного типа имеют точность порядка 0,1°, что позволяет измерять деформации от 35 мм при длине (высоте) элемента порядка 20 м. Однако, такие параметры неприемлемы при контроле судоходных гидротехнических сооружений (СГТС), так как даже обычные критериальные значения фиксируемых на них деформаций (до 30 мм) ниже минимального предела измерений приборов.
Зарубежными фирмами выпускаются более точные устройства того же назначения. Среди них - прибор ZEROTRONIC, разработанный швейцарской фирмой WYLER AG и отвечающий требованиям, описанным выше. Основным рабочим элементом инклинометра ZEROTRONIC является маятник, перемещения которого вызывают изменение индуктивности магнитного поля, заключенного между двумя электродами. Прибор адаптирован для работы в различных условиях, для чего вся электроника помещена в герметично исполненный нержавеющий корпус. Минимальный предел измерений устройства составляет 0,1÷2,0 мм, что позволяет с достаточно высокой точностью оценивать техническое состояние контролируемых СГТС. Кроме того, прибор обладает высокой стойкостью к воздействиям окружающей среды и вибрациям и возможностью одновременной фиксации деформаций в двух направлениях. При всем том ZEROTRONIC имеет один существенный недостаток - высокую стоимость, составляющую ≈ 140 тыс. руб. Это, с учетом потребности в нескольких комплектах приборов на одно гидротехническое сооружение, (так, на один 8-10-камерный шлюз может потребоваться 30-40 комплектов измерительных устройств) делает использование ZEROTRONIC нерентабильным.
По технической сущности наиболее близким аналогом к предлагаемой системе и принятым за ее прототип является система по пат. РФ №2340476 МПК G01B 21/22, опубл. 10.12.2008. Известная система предназначена для осуществления контроля состояния опор линий электроснабжения по определению угла их отклонения от вертикали. Для измерения угла наклона используют горизонтальный пузырьковый уровень и веб-камеру, размещенную таким образом, чтобы пузырек уровня полностью присутствовал в кадре веб-камеры. С помощью веб-камеры получают фотоизображение пузырька в горизонтальном пузырьковом уровне, затем полученные кадры обрабатывают с помощью специальной программы в блоке обработки изображения, после чего определяют величину наклона сооружения. Недостатком прототипа является недостаточная для условий использования заявляемого устройства точность полученных результатов и соответственно возможность точной оценки технического состояния сооружения.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в увеличении точности оценки технического состояния строительных сооружений.
Для решения поставленной задачи в системе контроля технического состояния строительных сооружений, (содержащей также как и прототип, горизонтальный пузырьковый уровень, веб-камеру, размещенную таким образом, чтобы пузырек уровня полностью присутствовал в кадре, блок обработки фотоизображения, вход которого соединен с веб-камерой) в отличие от прототипа, пузырьковый уровень и веб-камера размещены в светонепроницаемом герметичном корпусе, при этом под уровнем, выполненным в виде высокоточной прозрачной ампулы, установлена подсветка. В свою очередь блок обработки фотоизображения соединен с центром мониторинга технического состояния сооружения и выполнен в виде блока построения графика изменения интенсивности свечения вдоль продольной оси пузырькового уровня, блока определения положения пузырька, блока калибровки положения пузырька, блока определения величины деформации. При этом центр мониторинга технического состояния сооружения снабжен блоком сравнения деформации с ее допустимым значением и блоком сигнализации об аварийной ситуации.
Сопоставление предлагаемой системы и прототипа, а также анализ выявленной информации в области измерительной техники показал, что поставленная задача - увеличение точности оценки технического состояния строительных сооружений решается в результате новой совокупности признаков и позволяет сделать вывод о соответствии системы, предлагаемой в качестве полезной модели, критерию «новизна».
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг.1 - приведена схема системы контроля,
на фиг.2 - схема блока обработки фотоизображения,
на фиг.3 - графики изменения уровня воды в камере шлюза h=f(t) и перемещения стен камеры шлюза Xi=f(t) в процессе наполнения камеры водой.
Заявляемая система содержит (фиг.1) светонепроницаемый герметичный корпус 1, внутри которого размещены: источник света 2, установленный под высокоточной прозрачной пузырьковой ампулой 3, и веб-камера 4. Объектив камеры направлен на пузырек ампулы 3 с возможностью постоянного наблюдения за ним. (Для разработанной сотрудниками СПГУВК автоматизированной системы мониторинга была выбрана функциональная веб-камера GENIUS ISLIM 330)
Для увеличения точности результата измерений в системе веб-камеру 4, устанавливают над ампулой на расстоянии оптимальной настройки на объект, то есть таким образом, чтобы в объективе камеры при любом положении пузырька были видны его четкие контуры..
Высокая точность ампулы обеспечивается за счет высокой чувствительности прибора, которая достигается путем выбора соответствующего радиуса кривизны внутренней поверхности ампулы в ее продольном направлении. (В указанной системе мониторинга была использована ампула уровня АПЦН - 60"- 11×54 ГОСТ 2386-73).
При этом нормальные условия работы камеры и ампулы в натурных условиях создает светонепроницаемый корпус, защищающий эти элементы не только от осадков, но и от прямых солнечных лучей, особенно вредных для приборов с высокой чувствительностью. В свою очередь, для получения четких контуров фотоизображения пузырька, в светонепроницаемом корпусе установлена подсветка 2 (например, в виде светодиодов), ось которой совмещена с визирной осью камеры.
Обработка кадров, снятых веб-камерой, и вычисление деформации (угла наклона стенки камеры или перемещения ее верхней части в горизонтальной плоскости) осуществляется с помощью компьютерной программы, которая может быть представлена в виде блока обработки фотоизображения 5. Блок 5 выполнен (фиг.2) в виде последовательно соединенных блока построения графика изменения интенсивности свечения вдоль продольной оси пузырькового уровня (ампулы) 6, блока определения положения пузырька 7, блока калибровки положения пузырька 8, блока определения величины деформации 9 (угла наклона или перемещения верхней части стенки камеры в горизонтальной плоскости). Возможности блока 5, с выхода которого выдается сигнал в цифровой форме, позволяют подключить устройство в общую компьютерную сеть (центр мониторинга 10), объединяющую другие устройства контроля состояния массива и снабженную блоком сравнения величины деформации с допустимым значением 11 и блоком сигнализации об аварийной ситуации 12.
Система работает следующим образом.
Как указывалось выше, оценка технического состояния строительного сооружения (судоходного шлюза) производится по результатам измерений деформации объекта (угла наклона или перемещения стенок камеры шлюза в горизонтальной плоскости) в процессе его эксплуатации (изменения уровня воды в камере). Для этого непрерывно или с заданной периодичностью контрольно-измерительным узлом, основными элементами которого являются ампула уровня 3, веб-камера 4 и блок 5, определяют отклонение стенки, на верхней горизонтальной поверхности которой закреплен прибор.
Определение параметра производится в следующей последовательности:
- с помощью веб-камеры 4 создается цифровое изображение пузырька ампулы;
- в блоке 6 осуществляется выбор строки битовой матрицы цифрового изображения пузырька ампулы уровня, совпадающего с ее осью и для выбранной строки строится график интенсивности цвета (гистограмма);
- в блоке 7 определяется положение пузырька в пикселях как расстояние от края фотоизображения до места резкого изменения интенсивности цвета, которое соответствует началу пузырька;
- в блоке 8 осуществляется калибровка положения пузырька, для чего строится тарировочная кривая зависимости положения пузырька в пикселях от углов наклона в градусах. Тарировочную кривую можно построить, имея поверхности с заведомо известными углами наклона, на которые устанавливается прибор и записывается положение пузырька в пикселях при соответствующем угле наклона шаблонной поверхности. Кривая может быть построена при 3-х - 5-ти значениях известных углов наклона;
- в блоке 9 по тарировочной кривой осуществляется определение действительного угла наклона в градусах для любого (в заданных пределах) отклонения пузырька и соответственно вычисление величины горизонтального смещения верха стенки шлюза.
С выхода блока 9 сигнал поступает на блок 11, где осуществляется сравнение величины деформации с ее допустимым значением. Если отклонение параметра превысит допустимое значение, на блоке 12 появится сигнал, сообщающий о необходимости принятия оперативных мер.
На фиг.3 представлены графики изменения уровня воды в камере шлюза в процессе наполнения - h=f(t) и перемещения одной стены камеры секции, измеренные с помощью двух приборов: швейцарского датчика Zerotronic ±10 - X1=f(t) и заявляемого устройства - X2=f(t). Сравнение характеристик показало большую степень совпадения результатов и таким образом подтвердило высокую точность определения искомых параметров с помощью заявленной системы (порядка 15"). Это примерно в 10 раз выше точности, получаемой при использовании прототипа.
Как указывалось выше, заявляемая полезная модель была создана в составе разработки автоматизированной системы контроля состояния камеры судоходного шлюза. В 2010 г. система была апробирована на шлюзе Девятинского гидроузла Волго-Балтийского водного пути. Проведенные испытания дали положительный результат, подтвердивший возможность использования системы как для определения текущего уровня безопасности гидротехнического сооружений, так и для построения прогнозных моделей объекта. При этом предварительная оценка стоимости изготовления и внедрения прибора показала, что ее величина (10-15 тыс.руб.) на порядок ниже расходов, связанных с использованием в составе системы высокоточных импортных инклинометров.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленной полезной модели критерию «промышленная применимость».