CN117191950B - 一种挂轨结构健康监测方法、系统、存储介质及计算设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种挂轨结构健康监测方法、系统、存储介质及计算设备，其包括：获取轨道的动态响应数据，将动态响应数据进行信号处理及频谱分析后，得到动态响应数据对应的固有频率；根据固有频率确定潜在裂纹区域，获取潜在裂纹区域的应变能数据，根据应变能数据计算得到轨道裂纹结构刚度，由应变能数据点对点确定裂纹区域的裂纹位置；将固有频率输入曲面模型，动态确定整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度，将点对点确定裂纹区域的裂纹位置与整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度相结合，以对裂纹的位置、大小和深度进行评估。本发明结合固有频率监测和应变片监测实现动态在线监测，替代了手动的繁琐操作和整体结构健康状况的信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构健康监测技术领域，特别是关于一种挂轨结构健康监测方法、系统、存储介质及计算设备。
背景技术
在现代设施中，尤其是在那些需要持续运行、监测和维护的关键设施中，利用机器人技术进行巡检和维护变得越来越普遍。悬挂轨道式机器人是常用的一种方案，当前为了确保其安全和稳定运行，常常需要进行定期的巡检，当往往忽略了挂轨结构本身的健康状态，其结构和材料往往因环境温湿度、腐蚀、机械磨损、振动冲击等因素影响。挂轨道作为机器人移动的基础，其稳定性和完整性至关重要。挂轨道上的裂纹或损伤可能导致机器人运行受阻，或者在严重情况下可能导致机器人坠落，造成设备损坏或人员伤害。因此，对挂轨道的裂纹进行监测是非常必要的。
除了主要依赖于定期的人工检查外，常用超声波检测、视觉检测、应变片检测、电磁波检测。超声波检测是通过向挂轨发送超声波，再接收其反射回来的波。裂纹或缺陷会导致超声波的反射模式改变，缺点是需要有人员进行操作且可能在检测中需要中断交通。视觉检测是使用高分辨率的摄像机或摄像头对轨道进行定期或连续的监视，然后使用图像处理技术来检测可能的裂纹，缺点是设备布置不方便且受环境影响因素多（如污渍、光线、阴影）。应变片检测是通过在轨道上固定应变片，检测应变，从而确定是否有裂纹发展，缺点是需要点对点监测，为每个感测点进行电线布设。电磁波监测通过使用电磁波探测材料内部的缺陷或裂纹，缺点是需要专门的设备并且容易收到环境因素的干扰。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种挂轨结构健康监测方法、系统、存储介质及计算设备，通过结合固有频率监测和应变片监测实现动态在线监测，替代了手动的繁琐操作和整体结构健康状况的信息。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种挂轨结构健康监测方法，包括：获取轨道的动态响应数据，将动态响应数据进行信号处理及频谱分析后，得到动态响应数据对应的固有频率；根据固有频率确定潜在裂纹区域，获取潜在裂纹区域的应变能数据，根据应变能数据计算得到轨道裂纹结构刚度，并由应变能数据点对点确定裂纹区域的裂纹位置；将固有频率输入曲面模型，动态确定整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度，将点对点确定裂纹区域的裂纹位置与整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度相结合，以对裂纹的位置、大小和深度进行评估。
进一步，获取轨道的动态响应数据，包括：在待监测的轨道上设置有多个加速度传感器，通过加速度传感器获取轨道的动态响应数据。
进一步，根据加速度传感器的检测范围进行设置，以将检测范围覆盖整个轨道。
进一步，根据固有频率确定潜在裂纹区域，包括：若固有频率发生变化，则将该发生变化的固有频率所在区域确定为潜在裂纹区域。
进一步，获取潜在裂纹区域的应变能数据，包括：在潜在裂纹区域部署应变片，以实时监测获取潜在裂纹区域的应变能数据。
进一步，轨道裂纹结构刚度为：
其中，为轨道裂纹结构刚度；/>，E表示杨氏弹性模量；/>表示泊松比；/>表示轨道的宽度；/>表示圆周率；/>表示轨道的高度；/>表示裂纹宽度，/>表示裂纹高度。
进一步，将该固有频率输入曲面模型后，获得与曲线的交点：
式中，表示曲面模型；/>表示第/>阶固有频率；/>是表示对应裂纹位置和刚度/>的倒数组成的坐标点。
一种挂轨结构健康监测系统，其包括：固有频率获取模块，获取轨道的动态响应数据，将动态响应数据进行信号处理及频谱分析后，得到动态响应数据对应的固有频率；应变模块，根据固有频率确定潜在裂纹区域，获取潜在裂纹区域的应变能数据，根据应变能数据计算得到轨道裂纹结构刚度，并由应变能数据点对点确定裂纹区域的裂纹位置；监测模块，将固有频率输入曲面模型，动态确定整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度，将点对点确定裂纹区域的裂纹位置与整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度相结合，以对裂纹的位置、大小和深度进行评估。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。
一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明缓解了在图像和视频拼接时存在的不规则边界、扭曲、畸变等问题。
2、传统的检查可能是定期或者基于需要进行的，但本发明能实时在线监测，可以提供持续的、实时的健康信息。
3、本发明通过结合固有频率监测和应变片监测，可以更全面地评估结构的健康状况。不同的监测技术可以检测到不同类型的潜在问题，集成这些技术有助于提高监测的准确性。
4、本发明减少人工干预，能够替代手动操作，降低了人为错误的风险，同时也减少了对人力资源的需求。
5、本发明对长期数据存储和分析，在线监测系统可以长时间存储数据，这不仅可以用于当前的健康评估，还可以用于长期趋势分析，有助于预测和计划未来的维护工作。
综上，由于本发明减少了人工巡检的需求和提早发现潜在问题，从而避免了更大的修复成本，长远看本发明具有更加高效的经济。
附图说明
图1是本发明实施例中挂轨结构健康监测方法流程图；
图2是本发明实施例中裂纹横截面示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了解决挂轨无法实时动态监测和提供整体结构健康状况的信息的问题，本发明提供一种挂轨结构健康监测方法、系统、存储介质及计算设备，构建固有频率监测模型和监测方法，通过结合固有频率监测和应变片监测实现动态在线监测，降低人工干预，具备长期动态监测和历史数据管理分析功能，最大化保障挂轨安全。
在本发明的一个实施例中，提供一种挂轨结构健康监测方法，应用于结构健康监测。本实施例中，该健康监测方法通过传感技术、数据分析和信号处理实现结构健康监测。当结构发生裂纹或损伤，其固有频率会受到影响，但固有频率的变化可能微小且难以准确地与特定裂纹位置或大小关联，而应变片可以为精确的裂纹位置信息，通过对挂轨结构的仿真实验，评估受力和应变大的结构位置，对该位置通过应变片进行重点监测。因此，本实施例通过固有频率提供的整体结构信息，可以知道何时以及在哪些关键区域使用应变片来进行更详细的监测。
如图1所示，该挂轨结构健康监测方法包括以下步骤：
1）获取轨道的动态响应数据，将动态响应数据进行信号处理及频谱分析后，得到动态响应数据对应的固有频率；
2）根据固有频率确定潜在裂纹区域，获取潜在裂纹区域的应变能数据，根据应变能数据计算得到轨道裂纹结构刚度，并由应变能数据点对点确定裂纹区域的裂纹位置；
3）将固有频率输入曲面模型，动态确定整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度，将点对点确定裂纹区域的裂纹位置与整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度相结合，以对裂纹的位置、大小和深度进行评估，实现轨道的健康监测。
上述步骤1）中，获取轨道的动态响应数据，可以通过以下方式进行获取：在待监测的轨道上设置有多个加速度传感器，通过加速度传感器获取轨道的动态响应数据。
可选的，根据加速度传感器的检测范围进行设置，以将检测范围覆盖整个轨道。
上述步骤2）中，根据固有频率确定潜在裂纹区域，具体实现方法为：将固有频率与基线数据进行比较，若固有频率发生变化，则将该发生变化的固有频率所在区域确定为潜在裂纹区域。
上述步骤2）中，获取潜在裂纹区域的应变能数据，具体实现方法为：在潜在裂纹区域部署应变片，以实时监测获取潜在裂纹区域的应变能数据。
上述步骤2）中，由于轨道结构可以设定为矩形梁结构，故根据卡氏第二定理，计算出荷载相对位移与弯矩M、应变能的关系，由此得出轨道裂纹结构刚度/>的计算为：
其中，，E表示杨氏弹性模量；/>表示泊松比；/>表示轨道的宽度；/>表示圆周率；/>表示轨道的高度；/>表示裂纹宽度，/>表示裂纹高度。
上述步骤3）中，如图2所示，由于裂纹改变了轨道梁结构的固有频率，当监测得到一个固有频率，将该固有频率输入曲面模型后，获得与曲线的交点：
式中，表示曲面模型；/>表示第/>阶固有频率；/>是表示对应裂纹位置和刚度/>的倒数组成的坐标点。
本实施例中，在固有频率选取中，选择前三阶作为健康监测模型的输入变量。通过输入多阶固有频率及刚度值，得到整体区域的裂纹位置。
在本发明的一个实施例中，提供一种挂轨结构健康监测系统，其特征在于，包括：
固有频率获取模块，获取轨道的动态响应数据，将动态响应数据进行信号处理及频谱分析后，得到动态响应数据对应的固有频率；
应变模块，根据固有频率确定潜在裂纹区域，获取潜在裂纹区域的应变能数据，根据应变能数据计算得到轨道裂纹结构刚度，并由应变能数据点对点确定裂纹区域的裂纹位置；
监测模块，将固有频率输入曲面模型，动态确定整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度，将点对点确定裂纹区域的裂纹位置与整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度相结合，以对裂纹的位置、大小和深度进行评估。
上述实施例中，获取轨道的动态响应数据，包括：在待监测的轨道上设置有多个加速度传感器，通过加速度传感器获取轨道的动态响应数据。
上述实施例中，根据加速度传感器的检测范围进行设置，以将检测范围覆盖整个轨道。
上述实施例中，根据固有频率确定潜在裂纹区域，包括：若固有频率发生变化，则将该发生变化的固有频率所在区域确定为潜在裂纹区域。
上述实施例中，获取潜在裂纹区域的应变能数据，包括：在潜在裂纹区域部署应变片，以实时监测获取潜在裂纹区域的应变能数据。
上述实施例中，轨道裂纹结构刚度为：
其中，为轨道裂纹结构刚度；/>，E表示杨氏弹性模量；/>表示泊松比；/>表示轨道的宽度；/>表示圆周率；/>表示轨道的高度；/>表示裂纹宽度，/>表示裂纹高度。
上述实施例中，将该固有频率输入曲面模型后，获得与曲线的交点：
式中，表示曲面模型；/>表示第/>阶固有频率；/>是表示对应裂纹位置和刚度/>的倒数组成的坐标点。
本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
在本发明一实施例中提供的计算设备，该计算设备可以是终端，其可以包括：处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、存储器(memory)、显示屏和输入装置。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。该处理器用于提供计算和控制能力。该存储器包括非易失性存储介质、内存储器，该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现上述各实施例中的方法；该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、管理商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。处理器可以调用存储器中的逻辑指令。
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的一个实施例中，提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法。
在本发明的一个实施例中，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法。
上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种挂轨结构健康监测方法，其特征在于，包括：
获取轨道的动态响应数据，将动态响应数据进行信号处理及频谱分析后，得到动态响应数据对应的固有频率；
根据固有频率确定潜在裂纹区域，获取潜在裂纹区域的应变能数据，根据应变能数据计算得到轨道裂纹结构刚度，并由应变能数据点对点确定裂纹区域的裂纹位置；
将固有频率输入曲面模型，动态确定整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度，将点对点确定裂纹区域的裂纹位置与整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度相结合，以对裂纹的位置、大小和深度进行评估；
根据固有频率确定潜在裂纹区域，包括：若固有频率发生变化，则将该发生变化的固有频率所在区域确定为潜在裂纹区域；
获取潜在裂纹区域的应变能数据，包括：在潜在裂纹区域部署应变片，以实时监测获取潜在裂纹区域的应变能数据；
轨道裂纹结构刚度为：
其中，为轨道裂纹结构刚度；/>，E表示杨氏弹性模量；/>表示泊松比；/>表示轨道的宽度；/>表示圆周率；/>表示轨道的高度；/>表示裂纹宽度，/>表示裂纹高度，M为弯矩，/>为应变能；
将该固有频率输入曲面模型后，获得与曲线的交点：
式中，表示曲面模型；/>表示第/>阶固有频率；/>是表示对应裂纹位置/>和刚度/>的倒数组成的坐标点。
2.如权利要求1所述挂轨结构健康监测方法，其特征在于，获取轨道的动态响应数据，包括：在待监测的轨道上设置有多个加速度传感器，通过加速度传感器获取轨道的动态响应数据。
3.如权利要求2所述挂轨结构健康监测方法，其特征在于，根据加速度传感器的检测范围进行设置，以将检测范围覆盖整个轨道。
4.一种基于如权利要求1至3任一项所述挂轨结构健康监测方法的系统，其特征在于，包括：
固有频率获取模块，获取轨道的动态响应数据，将动态响应数据进行信号处理及频谱分析后，得到动态响应数据对应的固有频率；
应变模块，根据固有频率确定潜在裂纹区域，获取潜在裂纹区域的应变能数据，根据应变能数据计算得到轨道裂纹结构刚度，并由应变能数据点对点确定裂纹区域的裂纹位置；
监测模块，将固有频率输入曲面模型，动态确定整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度，将点对点确定裂纹区域的裂纹位置与整体区域的轨道裂纹位置和轨道裂纹结构刚度相结合，以对裂纹的位置、大小和深度进行评估。
5.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至3所述方法中的任一方法。
6.一种计算设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1至3所述方法中的任一方法的指令。
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