СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ
METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING AND CONTROLLING STATE OF MANMADE STRUCTURES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для мониторинга состояния конструкции искусственного сооружения в процессе его эксплуатации, в частности может применяться в системах мониторинга искусственных сооружений железнодорожного транспорта.
Известен способ автоматизированного сбора акселерометрической информации железнодорожного моста, реализованный в системе BriMon (http://www.cs.toronto.edu/~delara/courses/csc2228//papers/brimon.pdf), характеризующийся мониторингом состояния конструкции в момент прохода по ней поезда за счет развертывания беспроводной сенсорной сети на базе акселерометров с координатором сети, расположенным на локомотиве проходящего мимо поезда.
Недостатками упомянутого способа автоматизированного сбора информации являются низкая информационная составляющая и большие объемы акселерометрических данных, передаваемых с удаленных узлов в координатор сети, приводящие к значительному расходу энергии передатчиком, а также сниженная надежность системы за счет использования подвижного приемопередающего модуля, расположенного на локомотиве поезда.
Известен способ контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения (патент РФ №2327105, МПК G01M 7/00), согласно которому проводят опрос тензометрических датчиков, интегрированных в беспроводные узлы и установленных в критичных точках конструкции, оцифровывают снятые с датчиков данные и передают их на координатор сети, где информацию регистрируют и сравнивают с эталонными значениями, полученными при испытаниях конструкции и по отклонению судят об изменениях. Способ позволяет осуществлять постоянный контроль за состоянием сооружения или конструкции.
Недостатки его выражаются в том, что способ учитывает только тензометрические данные о конструкции, эталонные фиксированные величины, с которыми сравниваются текущие показания датчиков и которые могут быть записаны в узел только заранее без возможности перезаписи, вычисленные отклонения характеризуют сложившуюся в конструкции ситуацию только косвенно ввиду того, что в память удаленных узлов занесено только нормальное (эталонное) состояние конструкции в локальной точке и способ предусматривает питание датчиков по проводной контактной сети или аккумуляторов ограниченной емкости.
Известна также беспроводная система сбора информации от интегрированных датчиков, содержащая размещаемые на контролируемом объекте сенсорные узлы и координатор, связанный с управляющим компьютером (патент РФ №61447, G08C 17/00). Она и принята за прототип.
Недостатком этого устройства является то, что предложенная система не способна обеспечить непрерывную работу в автономном режиме из-за ограниченности энергетических ресурсов источников питания узлов и использования протокола передачи, аналогичного по принципу работы протоколу беспроводных сетей IEEE 802.11, что повышает энергопотребление устройства.
Задачей заявляемого изобретения является создание системы мониторинга, основанной на беспроводных сенсорных узлах с интегрированными в них тензометрическими и акселерометрическими датчиками, способных немедленно включаться и работать в автономном режиме при возникновении нагрузки в широком температурном диапазоне и на большом удалении от центра мониторинга для предотвращения разрушения конструкции искусственного сооружения за счет отслеживания его состояния, распознавания аварийных ситуаций на начальном этапе их возникновения, прогнозирования состояния конструкции, своевременного реагирования, а также обеспечение надежной работы такой системы за счет снижения объемов и повышения информационной составляющей данных, передаваемых с удаленных беспроводных узлов в координатор сети и возможности подзарядки аккумулятора с использованием энергии окружающей среды.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе контроля и управления состоянием искусственных сооружений, включающем опрос датчиков, установленных в местах диагностирования конструкции, сравнение полученной величины с заданным значением и передачу разницы в координатор сети, где осуществляют регистрацию полученной информации, формируют условное изображение контролируемого объекта, повторяющее его конструкцию, размещают на нем в местах, соответствующих реальному расположению датчиков, метки-индикаторы, выводят упомянутое изображение с метками-индикаторами на экран управляющего компьютера, обеспечивая постоянную связь меток-индикаторов с датчиками, а результаты опроса датчиков отражают в реальном времени на условном изображении объекта, по которому судят об исправности датчиков и состоянии конструкции, согласно заявляемому изобретению осуществляют непрерывный мониторинг, для чего используют систему датчиков, интегрированных в узлы, каждый из которых содержит конкретную метамодель, представляющую собой набор кластеров, характеризующихся присущими им ограничениями признакового пространства, при этом каждый кластер соответствует определенной ситуации на контролируемом объекте, результат опроса конкретного узла сравнивают с данными его метамодели и определяют, к какому из кластеров относится сложившаяся ситуация, а в координатор сети передают информацию об определенном кластере и относительном положении сложившейся ситуации в признаковом пространстве и по результатам сопоставления изменений положения ситуаций прогнозируют выход параметров конструкции за допустимые пределы, причем при возникновении ситуаций, не относящихся ни к одному из существующих кластеров, дополняют метамодели узлов новыми кластерами, характеризующими новые ситуации, перезаписывая их по радиоканалу в узлы, а непрерывность мониторинга обеспечивают подзарядкой питающих аккумуляторов узлов за счет энергии среды.
Поставленная задача решена также за счет того, что устройство контроля и управления состоянием искусственных сооружений, содержащее связанные посредством радиоканала сенсорные узлы, размещенные в местах диагностирования, каждый из которых состоит из интегрированных датчиков, источника питания, приемопередатчика и контроллера, выполненного с возможностью обработки данных, полученных от датчиков, координатора с подключенным к нему через интерфейс управляющим компьютером, программное обеспечение которого выполнено с возможностью передачи данных от узлов системы, находящихся вне прямой зоны радиовидимости, дополнительно содержит входящие в координатор базу данных, связанную с приемопередатчиком и накапливающую информацию об объекте за продолжительный период времени, и блок анализа состояния конструкции, связанный с базой данных и управляющим компьютером и выполненный с возможностью прогнозирования состояния конструкции искусственного сооружения, при этом источник питания каждого из узлов выполнен с возможностью подзарядки за счет энергии среды.
Такая реализация способа и устройства позволяет получить наглядную и оперативную картину состояния контролируемого объекта, поскольку в способе контроля состояния конструкции искусственного сооружения, включающем опрос датчиков, установленных в критичных местах диагностирования конструкции, преобразование полученных с датчиков данных и передачу этой информации в координатор, сравниваются полученная после предобработки информация датчиков с данными метамодели сенсорного узла, содержащей информацию о различных состояниях конструкции и ранее созданная в блоке анализа состояния конструкции при помощи эксперта на основании базы данных. Запись метамодели в удаленный узел осуществляется по радиоканалу оператором через управляющий компьютер. В координатор сети передается лишь вывод о состоянии конструкции в точке размещения сенсорного узла, представляющий собой порядковый номер ситуации, происходящей на объекте, и отклонение от ее эталонного значения. Информационная составляющая вывода о локальном состоянии значительно выше, а объем передаваемых данных ниже, чем необработанные данные датчиков.
Созданная метамодель представляет собой набор кластеров, каждый из которых характеризуется набором присущих ему ограничений признакового пространства данных, а также соответствует определенному типу состояния конструкции, среди которых присутствуют нормальная и некоторые типы аварийных ситуаций. Вывод о состоянии конструкции в локальной точке представляет собой номер кластера и величину отклонения от него в метапространстве данных. В сенсорном узле предусмотрена возможность удаленной перезаписи метамодели в тех случаях, если старая потеряла свою актуальность либо появились новые кластеры типов ситуаций. Работа эксперта при создании метамодели заключается в том, чтобы связать найденные блоком анализа состояния конструкции новые кластеры с реальными ситуациями, происходящими на искусственном сооружении. Наблюдение за динамикой развития процесса старения (изнашивания) конструкций в метапространстве дает возможность применить автоматические алгоритмы прогнозирования состояния конструкции.
Предлагаемое устройство содержит систему датчиков, локально расположенных на объекте и связанных с микроконтроллером через интерфейс, 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. При этом программное обеспечение микроконтроллера выполнено с возможностью предварительной обработки поступающих с датчиков данных, сравнения полученной информации с данными метамодели сенсорного узла и вычисления вывода о состоянии конструкции в локальной точке размещения системы датчиков сенсорного узла. Также управляющий компьютер выполнен с возможностью записи в удаленный узел по радиоканалу индивидуальной метамодели, которая создается блоком анализа состояния конструкции на основании базы данных.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства, реализующего способ.
Устройство контроля и управления состоянием искусственных сооружений содержит систему датчиков 1, связанных с микроконтроллером 2 через интерфейс, приемопередатчик сенсорного узла 3, связанный с микроконтроллером 2 и приемопередатчиком координатора сети 6, аккумулятор 4, питающий энергией блоки 1, 2 и 3, генератор 5, связанный с аккумулятором 4, базу данных 7, блок анализа состояния конструкции 8, связанный с блоками 6, 7 и управляющим компьютером 9.
Все блоки устройства реализованы на базе известных выпускаемых элементов.
Устройство работает следующим образом.
Датчики устанавливают в местах диагностирования состояния искусственного сооружения, выявленных на основе опыта эксперта, имитационным и (или) аналитическим моделированием, как точки, предрасположенные к первоочередному разрушению. Интегрированные в узлы датчики 1, расположенные на искусственном сооружении, начинают непрерывно измерять параметры конструкции в локальных точках. Цифровые данные, поступающие с датчиков, обрабатываются и агрегируются на основании метамодели посредством программно-аппаратного обеспечения микроконтроллера 2, который передает вывод о состоянии конструкции в локальной точке на приемопередатчик сенсорного узла 3, обменивающийся информацией через радиопротокол, аналогичный IEEE 802.15.4, с приемопередатчиком координатора сети 6. Питание системы датчиков 1, микроконтроллера 2 и приемопередатчика 3 сенсорного узла осуществляется от аккумуляторной батареи 4. Генератор 5 (необязательный элемент), интегрированный в состав сенсорного узла, преобразует энергию среды в электрическую, что позволяет производить подзарядку аккумулятора 4 в режиме работы устройства. В частности, могут использоваться солнечные батареи, пьезогенераторы, емкостные и индуктивные генераторы.
Приемопередатчики сенсорных узлов 3 передают вычисленные выводы на координатор сети, где приемопередатчик координатора 6 транслирует ее в базу данных 7. Накопленная таким образом информация обрабатывается блоком анализа состояния конструкции 8, производится оценка ее текущего состояния, и осуществляется прогнозирование состояния искусственного сооружения. Обработанная информация передается на управляющий компьютер 9.
Блок анализа состояния конструкции 8 способен в автоматическом режиме сигнализировать оператору о произошедшей аномалии, в случае чего к работе подключают эксперта, который маркирует аномалию соответствующим типом ситуации, произошедшей на искусственном сооружении, и создает новую группу метамоделей, которые затем удаленно записываются на сенсорные узлы.
Результаты контроля могут быть использованы для текущей оценки технического состояния сооружения, причем дистанционно, и служить основанием для решения специальных вопросов, возникающих в процессе эксплуатации, в том числе для разработки проектов ремонта и других.
1 - система датчиков
2 - микроконтроллер
3 - приемопередатчик сенсорного узла
4 - аккумулятор
5 - генератор
6 - приемопередатчик координатора сети
7 - база данных
8 - блок анализа состояния конструкции
9 - управляющий компьютер