CZ309836B6 - Způsob monitorování stavu mostní konstrukce a zařízení pro monitorování stavu mostní konstrukce - Google Patents

Abstract

Způsob a zařízení pro monitorování stavu mostní konstrukce (13) spočívá v tom, že zařízení je pevně spojené s mostní konstrukcí (13) a zahrnuje senzor (1) pro zaznamenávání vibrací mostní konstrukce (13), modul (2) pro zpracování signálu ze senzoru (1) a napájecí modul (3) pro napájení modulu (2) pro zpracování signálu, přičemž senzor (1) je spojen s modulem (2) pro zpracování signálu a modul (2) pro zpracování signálu je spojen s napájecím modulem (3). Modul (2) pro zpracování signálu je uzpůsoben pro výpočet deskriptoru invariantního pro danou mostní konstrukci (13) a popisujícího stav mostní konstrukce (13), přičemž hodnota deskriptoru vypočítaná ze signálu zaznamenaného v určitém časovém rozmezí popisuje míru poškození mostní konstrukce (13) v tomto určitém časovém rozmezí.

Description

Způsob monitorování stavu mostní konstrukce a zařízení pro monitorování stavu mostní konstrukce

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení a způsobu pro monitorování stavu mostní konstrukce, který je založen na měření vibrací mostní konstrukce a vyhodnocování naměřeného signálu.

Dosavadní stav techniky

Z hlediska bezpečnosti dopravy na mostních konstrukcích je důležité monitorovat jejich stav, který se typicky zhoršuje se stářím mostu či s jeho vysokou dopravní vytížeností. Mechanické poškození, k němuž vlivem těchto nepříznivých faktorů dochází, obecně ovlivňuje vibrační chování mostu, a proto se ve stavu techniky pro monitorování stavu mostních konstrukcí nejčastěji používají právě senzory vibrací. Senzor vibrací může být realizován např. jako polovodičový akcelerometr, který však není pro měření vibrací mostních konstrukcí příliš vhodný, a to zejména v nízkofrekvenčních oblastech. Často je navíc potřeba také použít síť většího počtu akcelerometrů či jiných senzorů, jak je popisováno, např. v článku A Wireless Sensor Network-Based Structural Health Monitoring System for Highway Bridges (Xiaoya Hu a kol., 2013), a porovnat naměřené hodnoty s teoretickým modelem či s dříve zaznamenanými hodnotami, jako je popisováno např. v patentovém dokumentu JP 2018179535 A. Použití akcelerometrů je zveřejněno také v dalším patentovém dokumentu CN 204255494 U.

Lepšími vlastnostmi pro měření vibrací mostních konstrukcí také v nízkofrekvenčních oblastech se vyznačují geofony či tzv. seismické senzory, které se jinak používají především v oblasti měření zemětřesení. Použití geofonu pro monitorování stavu mostu je popisováno v patentovém dokumentu CN 206161147 U, ovšem tento dokument nezveřejňuje zpracování naměřených dat pokročilými matematickými metodami, které by umožňovaly stanovení invariantních deskriptorů, a které by tudíž odstraňovaly potřebu teoretického modelu daného mostu. Ve stavu techniky se pro zpracování dat nejčastěji používá pouze Fourierova transformace, jako je uvedeno např. v dokumentu JP 2018179535 A či v množství dalších nepatentových dokumentů a vědeckých článků.

Bylo by proto vhodné přijít s řešením zařízení a příslušného způsobu pro monitorování stavu mostní konstrukce, které by umožňovalo měření vibrací a následné zpracování naměřených dat tak, aby byla odstraněna potřeba porovnání s teoretickým modelem či s dříve naměřenými hodnotami a aby se zařízení vyznačovalo jednoduchou konstrukcí bez nutnosti použití sítě většího množství senzorů.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje způsob monitorování stavu mostní konstrukce zahrnující kroky:

- zaznamenání vibrací mostní konstrukce senzorem, přičemž signál ze senzoru je analogový signál;

- převedení signálu ze senzoru na digitální signál; a

- zpracovávání digitálního signálu modulem pro zpracování signálu.

- 1 CZ 309836 B6

Podstata způsobu dle předkládaného vynálezu spočívá v tom, že krok zpracovávání digitálního signálu modulem pro zpracování signálu zahrnuje krok vypočítání deskriptoru invariantního pro danou mostní konstrukci a popisujícího stav mostní konstrukce, přičemž hodnota deskriptoru vypočítaná ze signálu zaznamenaného v určitém časovém rozmezí popisuje míru poškození mostní konstrukce v tomto určitém časovém rozmezí. Krok zpracovávání digitálního signálu modulem pro zpracování signálu dále před krokem vypočítání deskriptoru zahrnuje krok provedení spojité vlnkové transformace digitálního signálu. Krok zpracovávání digitálního signálu modulem pro zpracování signálu dále před krokem provedení spojité vlnkové transformace digitálního signálu zahrnuje krok vypočítání derivace délky oblouku digitálního signálu, přičemž výsledkem kroku provedení spojité vlnkové transformace digitálního signálu je frekvenční spektrum délky oblouku.

Výhoda tohoto způsobu spočívá v tom, že umožňuje charakterizovat stav mostní konstrukce bez potřeby teoretického modelu dané mostní konstrukce a bez nutnosti porovnání získaných dat s dříve naměřenými hodnotami. Výstupem předkládaného způsobu prováděného v určitém časovém rozmezí je deskriptor, tedy číslo, které samo o sobě poskytuje jasnou informaci o míře poškození mostní konstrukce. Sledováním výsledných hodnot deskriptoru získaných v různých časových rozmezích tak lze dlouhodobě monitorovat stav mostní konstrukce. Metoda spojité vlnkové transformace poskytuje vysokou citlivost v oblasti nízkých frekvencí, na rozdíl od Fourierovy transformace. Z frekvenčního spektra délky oblouku je možné následně vypočítat hodnotu deskriptoru.

Výhodně je definována prahová hodnota pro detekci míry poškození mostní konstrukce, přičemž deskriptor je vypočítán jako číslo odpovídající poměru části frekvenčního spektra délky oblouku, ve které je hodnota spektra vyšší než prahová hodnota pro detekci míry poškození mostní konstrukce, vůči celkové šířce frekvenčního spektra délky oblouku. Výpočet deskriptoru je tedy založen na provedení cyklu, který projíždí celou šířku spektra a pro každý bod spektra je rozhodnuto, zda došlo, nebo nedošlo k překročení prahové hodnoty. Vztažení na celou šířku spektra je následně provedeno podělením šířkou spektra, nebo např. podělením počtem bodů spektra.

Způsob dle předkládaného vynálezu výhodně zahrnuje krok normování deskriptoru na 100 %. Díky normování získá deskriptor hodnotu na škále od 0 % do 100 %, která názorně a srozumitelně popisuje míru poškození mostní konstrukce. Čím vyšší je hodnota deskriptoru, tím lepší je stav mostní konstrukce.

Způsob dle předkládaného vynálezu výhodně zahrnuje krok zesílení signálu zesilovačem. Zesílení signálu zesilovačem umožní odlišit užitečný signál senzoru, odpovídající vlastním vibracím mostní konstrukce, od šumu pozadí.

Způsob dle předkládaného vynálezu výhodně zahrnuje krok odfiltrování části signálu frekvenčním filtrem. Díky odfiltrování části signálu je do mikropočítače propuštěn pouze signál obsahující vlastní kmitání mostní konstrukce. Tím lze jednak zefektivnit výpočty, ale zejména je zaručeno, že deskriptor je počítán především z dat odpovídajících vlastnímu kmitání mostní konstrukce, a nikoliv okolnímu rušení. Na základě toho lze konstatovat, že i vypočítaný deskriptor popisuje stav samotné mostní konstrukce, zatímco vliv okolí je minimalizován.

Způsob dle předkládaného vynálezu výhodně zahrnuje krok detekování průjezdu vozidla. Detekce průjezdu vozidla je výhodná z toho důvodu, že umožňuje ušetřit energii potřebnou k výpočtům prováděným mikropočítačem, neboť např. výpočet deskriptoru není potřeba provádět neustále, ale pouze tehdy, je-li na mostní konstrukci detekován průjezd vozidla. Šetřena je také kapacita úložiště. Díky detekování průjezdu vozidla lze rovněž monitorovat hustotu dopravy po mostě.

- 2 CZ 309836 B6

Způsob dle předkládaného vynálezu výhodně zahrnuje krok zaslání notifikace správci komunikace, a to například v případě, že byla získána a následně potvrzena hodnota deskriptoru výrazně odlišná ve srovnání s dříve získanými hodnotami deskriptoru. Tato změna ukazuje na zhoršení stavu mostní konstrukce. Notifikace je zaslána např. na server bezdrátově spojený se zařízením dle předkládaného vynálezu, přičemž správce komunikace má k tomuto serveru přístup a může ze zaslané notifikace vyvodit patřičné důsledky.

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje také zařízení k provádění způsobu podle předkládaného vynálezu pevně spojené s mostní konstrukcí a zahrnující senzor pro zaznamenávání vibrací mostní konstrukce, modul pro zpracování signálu ze senzoru a napájecí modul pro napájení modulu pro zpracování signálu, přičemž senzor je spojen s modulem pro zpracování signálu a modul pro zpracování signálu je spojen s napájecím modulem. Podstata zařízení dle předkládaného vynálezu spočívá v tom, že modul pro zpracování signálu je uzpůsoben pro výpočet deskriptoru invariantního pro danou mostní konstrukci a popisujícího stav mostní konstrukce, přičemž hodnota deskriptoru vypočítaná ze signálu zaznamenaného v určitém časovém rozmezí popisuje míru poškození mostní konstrukce v tomto určitém časovém rozmezí, přičemž modul pro zpracování signálu je uzpůsoben pro vypočítání derivace délky oblouku digitálního signálu a pro provedení spojité vlnkové transformace signálu.

Výhoda tohoto zařízení spočívá především v tom, že umožňuje charakterizovat stav mostní konstrukce pomocí jednoho čísla (deskriptoru), které popisuje míru poškození této mostní konstrukce. Tento deskriptor je invariantní pro danou mostní konstrukci, což znamená, že pro získání jasné informace o míře poškození mostní konstrukce není nutné získanou hodnotu deskriptoru porovnávat s teoretickým modelem mostu či dříve naměřenými hodnotami. Nezávisí rovněž ani na konkrétním umístění zařízení na mostní konstrukci, stejně jako není pro měření vibrací potřeba síť většího množství senzorů. Invariance spočívá také v tom, že deskriptor nezávisí na tom, jaké vozidlo po mostě projelo (zda osobní či nákladní), tedy co vyvolalo vibrace, a nezávisí také na délce mostní konstrukce. Metoda spojité vlnkové transformace (CWT) je výhodná především z důvodu vysoké citlivosti v oblasti nízkých frekvencí; na rozdíl od běžně používaných metod, jako je Fourierova transformace.

Senzor je výhodně realizován jako elektromechanický seismický senzor, který je rovněž výhodný především z toho důvodu, že umožňuje přesné měření také v nízkofrekvenční oblasti.

Napájecí modul výhodně zahrnuje akumulátor, solární panel a nabíjecí systém spojený s akumulátorem a solárním panelem. Díky tomu nemusí být zařízení připojeno ke zdroji elektrické energie, ale dokáže využívat energii ze slunečního záření, kterou na elektrickou energii přeměňuje.

Modul pro zpracování signálu výhodně zahrnuje AD převodník uzpůsobený pro převedení signálu ze senzoru na digitální signál a mikropočítač uzpůsobený pro zpracování tohoto digitálního signálu. Mikropočítač efektivně provádí s digitálními daty potřebné výpočty za účelem získání hodnoty deskriptoru.

Modul pro zpracování signálu výhodně zahrnuje zesilovač, přičemž zesilovač je spojený se senzorem. Zesílení signálu pomocí zesilovače umožní odlišit užitečný signál senzoru, odpovídající vlastním vibracím mostní konstrukce, od šumu pozadí. Tento šum může vznikat např. tehdy, nachází-li se mostní konstrukce poblíž jiné komunikace s velmi frekventovanou dopravou.

Modul pro zpracování signálu výhodně zahrnuje frekvenční filtr. Díky tomuto filtru je možné dále do mikropočítače propustit pouze signál v určitém rozmezí frekvencí, které obsahuje vlastní kmitání široké škály mostních konstrukcí, ale které zároveň neobsahuje rušení. To se objevuje především v oblasti vyšších frekvencí.

- 3 CZ 309836 B6

Zařízení dle předkládaného vynálezu je výhodně realizováno ve formě krabičky připevněné k mostní konstrukci. Jedná se tedy o kompaktní zařízení, které příliš neruší vizuální stránku mostu a které poskytuje ochranu pro všechny vnitřní součástky před vnějšími vlivy. Solární panel může být naopak umístěn na vnější stěně krabičky.

Zařízení dle předkládaného vynálezu pro pevné spojení s mostní konstrukcí výhodně zahrnuje držák, přičemž držák zahrnuje první díl držáku uzpůsobený pro upevnění k mostní konstrukci a druhý díl držáku uzpůsobený pro upevnění k zařízení, přičemž první díl držáku a druhý díl držáku jsou uzpůsobeny pro vzájemné zapadnutí. Díky takovému držáku je umožněno spolehlivé a pevné uchycení zařízení k mostní konstrukci, čímž je zajištěna také správná funkce senzoru. Provedení dvou dílů, které do sebe vzájemně zapadají, také minimalizuje množství spojovacího materiálu (typicky šroubů), který by musel být pro upevnění použit.

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:

obr. 1 je znázorněno blokové schéma zařízení dle předkládaného vynálezu v prvním příkladném provedení;

obr. 2a je znázorněn první díl držáku pro připevnění zařízení dle předkládaného vynálezu k mostní konstrukci;

obr. 2b je znázorněn druhý díl držáku pro připevnění zařízení dle předkládaného vynálezu k mostní konstrukci ;

obr. 3 je znázorněno zařízení dle předkládaného vynálezu v provedení krabičky upevněné k mostní konstrukci pomocí držáku ;

obr. 4 je znázorněn vývojový diagram způsobu dle předkládaného vynálezu včetně znázornění kroků předcházejících kroku zpracovávání digitálního signálu modulem pro zpracování signálu;

obr. 5a je znázorněn vývojový diagram kroku zpracovávání digitálního signálu modulem pro zpracování signálu způsobu dle předkládaného vynálezu s důrazem na dílčí krok vypočítání deskriptoru v prvním příkladném provedení ;

obr. 5b je znázorněn vývojový diagram kroku zpracovávání digitálního signálu modulem pro zpracování signálu způsobu dle předkládaného vynálezu s důrazem na dílčí krok vypočítání deskriptoru v alternativním příkladném provedení; a obr. 6 je znázorněn vývojový diagram způsobu dle předkládaného vynálezu se znázorněním kroku detekování průjezdu vozidla a zaslání notifikace správci komunikace.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude dále objasněn na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy. Předmětem vynálezu je zařízení pro monitorování stavu mostní konstrukce 13 a také způsob monitorování stavu mostní konstrukce, přičemž pro větší přehlednost a logickou návaznost textu bude v rámci příkladných uskutečnění nejprve popsáno právě zařízení a jeho jednotlivé prvky

- 4 CZ 309836 B6 a následně bude popsán způsob monitorování stavu mostní konstrukce 13, neboť tento způsob lze provádět právě pomocí uvedeného zařízení.

Zařízení k provádění způsobu dle předkládaného vynálezu v prvním příkladném provedení, jak je znázorněno na obr. 1, zahrnuje senzor 1, modul 2 pro zpracování signálu a napájecí modul 3, přičemž senzor 1 je spojen s modulem 2 pro zpracování signálu a modul 2 pro zpracování signálu je spojen s napájecím modulem 3. Zmíněná spojení jsou výhodně realizována jako elektrická spojení, alternativně je však možné, např. v případě spojení senzoru 1 a modulu 2 pro zpracování signálu, realizovat spojení jako bezdrátové.

Senzor 1 je pevně spojený s mostní konstrukcí 13, čímž je zajištěno, že na něj jsou přenášeny vibrace mostní konstrukce 13, typicky způsobené průjezdem vozidel. V případě, že je monitorovaná mostní konstrukce 13 uzavřená pro dopravu, nebo je na ní malý provoz, lze monitorovat odpověď mostní konstrukce 13 na definovaný impuls. Jako definovaný impuls lze použít impakt v geometrickém středu mostu, například o hodnotě energie 90 J či o jiné vhodné hodnotě energie. Vibrace mostní konstrukce 13 senzor 1 zaznamená a naměřená data v podobě signálu senzoru 1 jsou poté zpracovávána v modulu 2 pro zpracování signálu, který signál vyhodnocuje s cílem detekovat strukturální poruchy a nestability mostní konstrukce 13, tj. určit míru poškození mostní konstrukce 13. Ve výhodném provedení je senzor 1 realizován jako elektromechanický seismický senzor, tzv. geofon, přičemž tento senzor 1 zaznamenává vibrace mostní konstrukce 13 a na svém výstupu poskytuje napěťový signál odpovídající zaznamenaným vibracím mostní konstrukce 13. Elektromechanický seismický senzor je výhodný především z toho pohledu, že umožňuje dostatečně přesné měření vibrací také v nízkofrekvenční oblasti. Alternativně je použit jiný typ senzoru 1, výhodně takový, který umožňuje dostatečně spolehlivé měření vibrací také v nízkofrekvenční oblasti.

Jak je patrné ze schématu na obr. 1, signál ze senzoru 1 je přiveden do modulu 2 pro zpracování signálu, který v prvním příkladném provedení zahrnuje mikropočítač 4, zesilovač 5, frekvenční filtr 6, AD převodník 7 a paměť 8. Signál ze senzoru 1, tj. analogový, typicky napěťový signál, je konkrétně přiveden do zesilovače 5. Zesilovač 5 slouží k zesílení signálu ze senzoru 1, přičemž zesílený signál je z výstupu zesilovače 5 přiveden na vstup frekvenčního filtru 6, s nímž je zesilovač 5 spojen. Zesilovač 5 může být realizován např. jako operační zesilovač 5. Frekvenční filtr 6 slouží pro odfiltrování určitých frekvencí signálu, přičemž propouští signál pouze v určitém rozmezí frekvencí, výhodně např. v rozmezí frekvencí 0,7 Hz až 140 Hz. Takové rozmezí umožňuje obsáhnout vlastní kmitání široké škály mostů, ale zároveň již neobsahuje rušení, které se může objevovat převedším ve vyšších frekvencích.

Tento signál je po průchodu frekvenčním filtrem 6 přiveden na vstup AD převodníku 7, který je spojen s frekvenčním filtrem 6 a který zajišťuje digitalizaci signálu. Modul 2 pro zpracování signálu je v prvním příkladném provedení realizován jako deska elektroniky, která zahrnuje výše uvedené součástky, tedy zesilovač 5, frekvenční filtr 6, AD převodník 7, mikropočítač 4 a paměť 8.

Data v podobě digitálního signálu jsou dále přivedena na vstup mikropočítače 4, kde jsou dále zpracovávána a vyhodnocována s cílem detekovat strukturální poruchy a nestability mostní konstrukce 13. Zpracovávání signálu je realizováno pomocí programu, který je prováděn mikropočítačem 4 a který je uložen v paměti 8. Postup tohoto zpracovávání a vyhodnocování digitálního signálu, které je prováděno s využitím spojité vlnkové transformace signálu, bude podrobněji popsán níže v části, která se věnuje způsobu monitorování stavu mostní konstrukce 13.

V prvním příkladném provedení je mikropočítač 4 spojen se zesilovačem 5, AD převodníkem 7, pamětí 8 a také s napájecím modulem 3, který slouží pro napájení modulu 2 pro zpracování signálu, konkrétně pro napájení mikropočítače 4. Spojení mikropočítače 4 se zesilovačem 5 je výhodné především z toho důvodu, že zesilovač 5 funguje jako tzv. „variable-gain“ zesilovač 5,

- 5 CZ 309836 B6 což znamená, že digitálním signálem z mikropočítače 4, který je přiveden zpět na zesilovač 5, lze podle potřeby měnit zesílení zesilovače 5. Pokud např. mikropočítač 4 vyhodnotí, že není dostatečný odstup mezi samotným signálem a šumem pozadí, může zvýšit zesílení zesilovače 5.

Energie je do mikropočítače 4 dodávána prostřednictvím nabíjecího systému 11, který je součástí napájecího modulu 3 a k němuž je dále v prvním příkladném provedení připojen akumulátor 9 a solární panel 10, které jsou rovněž součástí napájecího modulu 3. Akumulátor je v prvním příkladném provedení realizován jako 12V akumulátor typu AGM (absorbent glass mat). Alternativně je použit jiný typ akumulátoru 9, případně akumulátor 9 s jinou hodnotou napětí. Nabíjení akumulátoru 9 je řízeno nabíjecím systémem 11, k němuž je připojen solární panel 10, který přeměňuje energii z dopadajícího světla na energii elektrickou.

Zařízení dle předkládaného vynálezu je v prvním příkladném provedení realizováno ve formě krabičky 12, která je pevně uchycena k mostní konstrukci 13 a která zahrnuje jednotlivé prvky zařízení, jak byly popisovány výše, tj. senzor 1, modul 2 pro zpracování signálu a napájecí modul 3. V případě, že je napájecí modul 3 proveden tak, že zahrnuje solární panel 10, tedy v provedení, které odpovídá prvnímu příkladnému provedení napájecího modulu 3, je tento solární panel 10 umístěn na povrchu krabičky 12 či obecně vně krabičky 12, aby mohl zachycovat dopadající sluneční záření. Samotný napájecí systém 11 a akumulátor 9 jsou však již výhodně uloženy uvnitř krabičky 12, stejně jako senzor 1 a modul 2 pro zpracování signálu, tedy např. deska elektroniky s mikropočítačem 4, zesilovačem 5, frekvenčním filtrem 6, AD převodníkem 7 a pamětí 8, jak odpovídá prvnímu příkladnému provedení modulu 2 pro zpracování signálu.

Zmíněné součástky jsou v krabičce 12 výhodně pevně uloženy, aby nedocházelo k jejich uvolňování. Klíčové je pak především pevné uložení senzoru 1, neboť pevným uložením senzoru 1 v krabičce 12, která je zároveň pevně uchycená k mostní konstrukci 13, je zajištěno pevné uchycení senzoru 1 vůči mostní konstrukci 13, které je nezbytné pro správnou funkci senzoru 1 a pro spolehlivé měření vibrací mostní konstrukce 13.

Pevné uchycení krabičky 12 k mostní konstrukci 13 je v prvním příkladném provedení realizováno pomocí držáku 14, který výhodně zahrnuje první díl 14a držáku 14 a druhý díl 14b držáku 14, přičemž první díl 14a držáku 14 je upevněn k mostní konstrukci 13 a druhý díl 14b držáku 14 je upevněn ke krabičce 12, jak je vidět na obr. 3. První díl 14a držáku 14 je pro upevnění k mostní konstrukci 13 např. opatřen otvory pro spojovací šrouby, jak je vidět na obr. 2a, kterými je přišroubován či přivrtán k mostní konstrukci 13. Druhý díl 14b držáku 14 analogicky zahrnuje příslušné otvory pro upevnění ke krabičce 12, jak je vidět na obr. 2b. První díl 14a držáku 14 a druhý díl 14b držáku 14 jsou uzpůsobeny pro vzájemné zapadnutí, např. tak, že první díl 14a držáku 14 zahrnuje přijímací dutinu a druhý díl 14b držáku 14 zahrnuje přijímanou část, jejíž nasunutím do přijímací dutiny je zajištěno spojení prvního dílu 14a držáku 14 a druhého dílu 14b držáku 14. Toto spojení je ještě zajištěno dotažením ze strany pomocí šroubů. Alternativně je upevnění krabičky 12 k mostní konstrukci 13 realizováno jinak, např. pomocí klasického šroubovacího třmenu, který se v této oblasti techniky používá.

Zařízení dle předkládaného vynálezu také může být, typicky bezdrátově, spojeno se serverem, na který může např. zasílat notifikace správci komunikace či data o hustotě dopravy.

V následující části bude popsán způsob monitorování stavu mostní konstrukce 13 dle předkládaného vynálezu s důrazem na způsob zpracování signálu pro vyhodnocování stavu mostní konstrukce 13.

Způsob dle předkládaného vynálezu v prvním příkladném provedení dle obr. 4 zahrnuje nejprve krok zaznamenání vibrací mostní konstrukce 13 senzorem 1, přičemž signál na výstupu senzoru 1 je analogový signál, typicky napěťový signál. Tento analogový signál nesoucí informace o vibracích mostní konstrukce 13 je následně zesílen zesilovačem 5 a dále je část tohoto signálu

- 6 CZ 309836 B6 odfiltrována frekvenčním filtrem 6. Na výstup frekvenčního filtru 6 je tak propuštěn pouze signál v určitém rozmezí frekvencí, výhodně např. v rozmezí frekvencí 0,7 Hz až 140 Hz, jak bylo popisováno výše.

Způsob dle předkládaného vynálezu dále zahrnuje krok převedení signálu ze senzoru 1 na digitální signál, přičemž provedení tohoto kroku je realizováno AD převodníkem 7, který je v prvním příkladném provedení připojen na výstup frekvenčního filtru 6. Alternativně je AD převodník 7 připojen na výstup zesilovače 5, pokud modul 2 pro zpracování signálu frekvenční filtr 6 nezahrnuje, případně přímo na výstup senzoru 1, pokud modul 2 pro zpracování signálu nezahrnuje ani zesilovač 5. Zesílení signálu zesilovačem 5 a odfiltrování části signálu frekvenčním filtrem 6 je však z pohledu spolehlivého monitorování stavu mostní konstrukce 13 výhodné.

Dále způsob dle předkládaného vynálezu zahrnuje krok zpracovávání digitálního signálu modulem 2 pro zpracování signálu, konkrétně mikropočítačem 4, který je součástí modulu 2 pro zpracování signálu, ještě konkrétněji pomocí programu, který je prováděn mikropočítačem 4 a který je uložen v paměti 8. Krok zpracovávání signálu modulem 2 pro zpracování signálu zahrnuje v prvním příkladném provedení několik po sobě následujících dílčích kroků, které jsou v detailu znázorněny na obr. 5a a obr. 5b, a to krok vypočítání derivace délky oblouku digitálního signálu, krok provedení spojité vínkové transformace digitálního signálu a krok vypočítání deskriptoru, který opět zahrnuje několik dílčích kroků.

Označíme-li digitální signál získaný za určitý časový úsek určitou snímkovací frekvencí As jako C(t), kde t značí samplovací bod a 1/As odpovídá vzdálenosti mezi dvěma samplovacími body, je derivace délky oblouku získána podle vztahu:

ds(t) dt dC(t) dt

Jako samplovací frekvence Fs je použita frekvence, která je alespoň dvojnásobkem nejvyšší zaznamenané frekvence naměřeného signálu, tj. horní mezní hodnoty propuštěného rozmezí frekvencí frekvenčním filtrem 6. Tato horní mez je v prvním příkladném provedení 140 Hz, a proto je v tomto provedení volena samplovací frekvence Fs alespoň 280 Hz. Výhodně je i s rezervou volena samplovací frekvence Fs = 330 Hz. Alternativně může být hodnota samplovací frekvence Fs volena jako jiná hodnota, pokud stále splňuje podmínku, že je alespoň dvojnásobkem nejvyšší zaznamenané frekvence naměřeného signálu.

Z výsledné derivace délky oblouku o zkoumané délce (například časového rozmezí 10 minut) je provedena spojitá vínková transformace (CWT, Continuous Wavelet Transform), což je frekvenční metoda, která je známá a detailně popsaná v odborné literatuře. Tato metoda je použita především z důvodu vysoké citlivosti na nízké frekvence. V tomto případě je tedy spojitá vínková transformace prováděna na digitálním signálu, a proto je potřeba dostatečně vysoká samplovací frekvence As, jak bylo uvedeno výše.

Provedením CWT je získáno podrobné frekvenční spektrum délky oblouku v daném časovém okně. V tomto spektru je dále vyhledáno překročení definované prahové hodnoty pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13, na základě čehož je vypočítán deskriptor. Konkrétně je deskriptor vypočítán jako poměr části spektra, kde došlo k překročení této prahové hodnoty pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13, vůči šířce celého spektra. Krok vypočítání deskriptoru je podrobněji znázorněn na obr. 5a, kde je patrné, že přes celé vypočítané frekvenční spektrum, tj. v každém bodě spektra, je vyhodnocena podmínka, zdaje hodnota spektra vyšší než prahová hodnota pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13. Spektrum v rozmezí od 0,7 Hz do 140 Hz zahrnuje přibližně 300 datových bodů spektra, což představuje dobrý kompromis mezi přesností a výkonem zařízení. Alternativně však může být počet bodů spektra

-7 CZ 309836 B6 jiný. Získané podrobné frekvenční spektrum je bezrozměrné, nicméně je přímo úměrné spektrální hustotě výkonu. Prahová hodnota pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13 je v prvním příkladném provedení stanovena jako průměrná hodnota spektra přes celé spektrum (tj. přes všechny frekvence).

Pro výpočet deskriptoru je tedy nejprve definován částečný výsledek, který uvádí, v kolika bodech spektra k překročení prahové hodnoty pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13 došlo. Hodnota tohoto částečného výsledku je zpočátku nulová, nicméně postupně roste s tím, jak jsou zaznamenány body, v nichž došlo k překročení prahové hodnoty pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13. Pokud je tedy hodnota spektra v daném bodě vyšší než prahová hodnota pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13, je k částečnému výsledku, který tvoří základ pro výpočet deskriptoru, přičtena hodnota 1, případně jiná konstantní hodnota, která značí, že v daném bodě spektra došlo k překročení prahové hodnoty pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13. Pokud v daném bodě spektra k překročení prahové hodnoty pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13 nedošlo, není k částečnému výsledku přičtena žádná hodnota (či je přičtena hodnota 0) a cyklus přechází k dalšímu bodu spektra.

Je-li takto porovnána hodnota spektra s prahovou hodnotou pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13 pro celou šířku spektra (tj. ve všech bodech spektra), je vypočítána hodnota deskriptoru jako podíl hodnoty částečného výsledku a šířky spektra (obr. 5a), respektive přímo počtu bodů spektra (obr. 5b). Výsledný podíl je následně normován na 100 %. V případě, že je ve výpočtu podílu děleno šířkou spektra, tj. např. v prvním příkladném provedení hodnotou 139,3 Hz (140 Hz až 0,7 Hz), je v rámci normování deskriptoru potřeba nejen vynásobit deskriptor hodnotou 100, ale také hodnotou podílu šířky spektra a počtu bodů spektra, díky čemuž je deskriptor normován na 100 %. V případě, že je ve výpočtu podílu děleno rovnou počtem bodů spektra (nikoliv nejprve šířkou spektra), je pro normování deskriptoru na 100 % postačující vynásobení podílu částečného výsledku a počtu bodů spektra hodnotou 100.

Pokud byla ve výše popsaném postupu k částečnému výsledku přičítána jiná (pro každý bod však stejná) hodnota než hodnota 1, je pro normování deskriptoru na 100 % pochopitelně ještě nutné získaný výsledek podělit příslušnou přičítanou konstantní hodnotou odlišnou od hodnoty 1.

Takto vypočítaný deskriptor v rozmezí 0 až 100 % popisuje stav mostní konstrukce 13, konkrétně popisuje míru poškození mostní konstrukce 13, a je zároveň invariantní pro danou mostní konstrukci 13. Čím vyšší je hodnota deskriptoru, tím lepší je stav mostní konstrukce 13, neboť části spektra, v nichž je hodnota spektra pod prahovou hodnotou pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13, odpovídají zpravidla rezonancím, které jsou důsledkem mechanického poškození struktury mostní konstrukce 13. Pokud je tedy mostní konstrukce 13 poškozena více, je pod prahovou hodnotu pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13 větší část frekvenčního spektra délky oblouku, a hodnota deskriptoru je tedy nižší. Se zhoršujícím se stavem mostní konstrukce 13 roste především četnost rezonancí, ale také to, jak výrazné tyto rezonance ve spektru jsou, tj. jak výrazné jsou poklesy hodnot spektra na daných frekvencích. Podle výsledné hodnoty deskriptoru lze mostní konstrukce 13 také klasifikovat, přičemž tuto klasifikaci lze kalibrovat na mostech, jejichž stav je známý. Takto lze například stanovit, že výsledná hodnota deskriptoru nad 90 % odpovídá výbornému stavu mostní konstrukce 13 a použít tuto klasifikaci na další mostní konstrukce 13. Ve své podstatě je ovšem uvedený způsob invariantní pro danou mostní konstrukci 13, což znamená, že spolehlivě popisuje stav mostní konstrukce 13 sám o sobě, aniž by bylo nutné porovnávání dat s teoretickým modelem či dříve naměřenými hodnotami.

Invariance spočívá také v tom, že deskriptor nezávisí na tom, jaké vozidlo po mostní konstrukci 13 projelo (zda osobní či nákladní), tedy co vyvolalo vibrace, a nezávisí také na délce mostní konstrukce 13.

- 8 CZ 309836 B6

Ve výhodném provedení však není výše popsaný krok zpracovávání digitálního signálu modulem 2 pro zpracování signálu, včetně jeho dílčích kroků vypočítání derivace délky oblouku digitálního signálu, provedení spojité vlnkové transformace digitálního signálu a vypočítání deskriptoru, prováděn neustále, ale pouze tehdy, je-li na mostní konstrukci 13 detekován průjezd vozidla. Detekování průjezdu vozidla, znázorněné také na obr. 6, je prováděno porovnáním zaznamenaných vibrací mostní konstrukce 13 s přednastavenou prahovou hodnotou pro detekci průjezdu vozidla, přičemž se jedná obecně o jinou prahovou hodnotu, než je prahová hodnota pro detekci míry poškození mostní konstrukce 13 používaná při výpočtu deskriptoru. Je-li amplituda zaznamenaných vibrací vyšší než prahová hodnota pro detekci průjezdu vozidla, znamená to, že byl detekován průjezd vozidla a krok zpracovávání digitálního signálu modulem 2 pro zpracování signálu je proveden tak, jak bylo ve větším detailu popsáno výše a jak je znázorněno na obr. 5 a či obr. 5b, a je vypočítán deskriptor. O provedení spojité vlnkové transformace rozhoduje mikropočítač 4 na základě amplitudy digitálních dat. Uvedená prahová hodnota pro detekci vozidla je nastavena tak, aby umožnila detekovat vozidlo, např. osobní či nákladní vozidlo, avšak již ne např. průchod chodce či průjezd cyklisty, neboť tento způsob zatěžování mostní konstrukce 13 má na mechanické poškození mostní konstrukce 13 ve srovnání s průjezdem osobních či nákladních vozidel zanedbatelný vliv. Prahovou hodnotu pro detekci průjezdu vozidla lze nastavit například při instalaci zařízení dle předkládaného vynálezu na mostní konstrukci 13, přičemž je nejprve proveden cyklus měření bez dopravy na mostní konstrukci 13 v tzv. učicím módu a následně po mostní konstrukci 13 projede jedno vozidlo. Zařízení si pak tuto získanou prahovou hodnotu pro detekci průjezdu vozidla uloží do pamětí a používá ji pro další měření. Výhodně je stanovena také další prahová hodnota, konkrétně prahová hodnota pro detekci průjezdu nákladního vozidla, jejíž hodnota je vyšší než prahová hodnota pro detekci průjezdu vozidla a která je nastavena tak, aby detekovala průjezd nákladního vozidla, ale již ne průjezd osobního vozidla.

Detekce průjezdu vozidla je výhodná především z toho důvodu, že není nutné, aby byl výpočet deskriptoru dle obr. 5a či obr. 5b prováděn neustále. Tím lze uspořit energii potřebnou k provádění výpočtů mikropočítačem 4 a také kapacitu úložiště, neboť výsledné hodnoty deskriptoru jsou výhodně ukládány, např. na vzdálený server či na jiné úložiště. Typicky není takto ukládána hodnota každého vypočítaného deskriptoru, ale např. pouze každého stého deskriptoru, čímž je opět šetřena kapacita úložiště, a navíc není vzhledem k povaze dat nutné častější ukládání. Kvalita mostní konstrukce 13 se vlivem dopravy zhoršuje spíše pomalu, v delším časovém horizontu. Pro ještě detailnější monitorování stavu mostní konstrukce 13 lze také hodnoty deskriptoru např. průměrovat za delší časové období, případně vynést hodnoty deskriptoru v závislosti na čase. Další výhoda detekce průjezdu vozidla spočívá v možnosti monitorování hustoty dopravy na mostní konstrukci 13, přičemž lze takto získat informace o četnosti průjezdu osobních či nákladních vozidel za určitý časový úsek. Na základě těchto dat lze pak sestavit např. histogramy četností průjezdu vozidel za celý den s libovolnou granularitou (šířkou časových oken) a tyto grafy dále porovnávat či jinak využívat. Informace o hustotě dopravy je výhodně jednou denně odeslána na server.

Způsob monitorování stavu mostní konstrukce 13 dále výhodně zahrnuje také krok zaslání notifikace správci komunikace, který je proveden v případě, že právě vypočítaná hodnota deskriptoru je odlišná od předchozích hodnot deskriptoru. Kritérium pro zhodnocení této odlišnosti může být opět založeno např. na definování určité prahové hodnoty, např. prahové hodnoty, která bude definována ve vztahu k předchozím hodnotám deskriptoru, např. bude odpovídat určitému procentu průměru předchozích hodnot deskriptoru za dané časové období. Notifikace je zaslána např. na server bezdrátově spojený se zařízením dle předkládaného vynálezu, přičemž správce komunikace má k tomuto serveru přístup a může ze zaslané notifikace vyvodit patřičné důsledky. Alternativně lze krok zaslání notifikace správci komunikace provést až poté, co je strukturální změna mostní konstrukce 13, tj. změna v hodnotě deskriptoru, potvrzena dalšími hodnotami deskriptoru. Ve své podstatě však pro získání základní a přehledné informace o stavu mostní konstrukce 13, konkrétně o míře poškození mostní konstrukce 13, není nutné vypočítanou hodnotu deskriptoru porovnávat s dříve zaznamenanými hodnotami, neboť

- 9 CZ 309836 B6 získaný deskriptor je invariantní pro danou mostní konstrukci 13 a na stupnici od 0 do 100 % sám o sobě dobře vypovídá o stavu mostní konstrukce 13.

Průmyslová využitelnost

Výše popsané zařízení a způsob monitorování stavu mostní konstrukce je dále možné využít také pro monitorování hustoty dopravy na mostní konstrukci.

Claims (15)

1. Způsob monitorování stavu mostní konstrukce (13) zahrnující kroky:

- zaznamenání vibrací mostní konstrukce (13) senzorem (1), přičemž signál ze senzoru (1) je analogový signál;

- převedení signálu ze senzoru (1) na digitální signál; a

- zpracovávání digitálního signálu modulem (2) pro zpracování signálu, vyznačující se tím, že krok zpracovávání digitálního signálu modulem (2) pro zpracování signálu zahrnuje krok vypočítání deskriptoru invariantního pro danou mostní konstrukci (13) a popisujícího stav mostní konstrukce (13), přičemž hodnota deskriptoru vypočítaná ze signálu zaznamenaného v určitém časovém rozmezí popisuje míru poškození mostní konstrukce (13) v tomto určitém časovém rozmezí, přičemž krok zpracovávání digitálního signálu modulem (2) pro zpracování signálu dále před krokem vypočítání deskriptoru zahrnuje krok provedení spojité vlnkové transformace digitálního signálu a přičemž krok zpracovávání digitálního signálu modulem (2) pro zpracování signálu dále před krokem provedení spojité vlnkové transformace digitálního signálu zahrnuje krok vypočítání derivace délky oblouku digitálního signálu, přičemž výsledkem kroku provedení spojité vlnkové transformace digitálního signálu je frekvenční spektrum délky oblouku.

2. Způsob monitorování stavu mostní konstrukce (13) podle nároku 1, vyznačující se tím, že je definována prahová hodnota pro detekci míry poškození mostní konstrukce (13), přičemž deskriptor je vypočítán jako číslo odpovídající poměru části frekvenčního spektra délky oblouku, ve které je hodnota spektra vyšší než prahová hodnota pro detekci míry poškození mostní konstrukce (13), vůči celkové šířce frekvenčního spektra délky oblouku.

3. Způsob monitorování stavu mostní konstrukce (13) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že zahrnuje krok normování deskriptoru na 100 %.

4. Způsob monitorování stavu mostní konstrukce (13) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že zahrnuje krok zesílení signálu zesilovačem (5).

5. Způsob monitorování stavu mostní konstrukce (13) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že zahrnuje krok odfiltrování části signálu frekvenčním filtrem (6).

6. Způsob monitorování stavu mostní konstrukce (13) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že zahrnuje krok detekování průjezdu vozidla.

7. Způsob monitorování stavu mostní konstrukce (13) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že zahrnuje krok zaslání notifikace správci komunikace.

8. Zařízení k provádění způsobu podle některého z nároků 1 až 7 pevně spojené s mostní konstrukcí (13) a zahrnující senzor (1) pro zaznamenávání vibrací mostní konstrukce (13), modul (2) pro zpracování signálu ze senzoru (1) a napájecí modul (3) pro napájení modulu (2) pro zpracování signálu, přičemž senzor (1) je spojen s modulem (2) pro zpracování signálu a modul (2) pro zpracování signálu je spojen s napájecím modulem (3), vyznačující se tím, že modul (2) pro zpracování signálu je uzpůsoben pro výpočet deskriptoru invariantního pro danou mostní konstrukci (13) a popisujícího stav mostní konstrukce (13), přičemž hodnota deskriptoru vypočítaná ze signálu zaznamenaného v určitém časovém rozmezí popisuje míru poškození mostní konstrukce (13) v tomto určitém časovém rozmezí, přičemž modul (2) pro zpracování signálu je uzpůsoben pro

- 11 CZ 309836 B6 vypočítání derivace délky oblouku digitálního signálu a pro provedení spojité vínkové transformace signálu.

9. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že senzor (1) je realizován jako elektromechanický seismický senzor.

10. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků 8 a 9, vyznačující se tím, že napájecí modul (3) zahrnuje akumulátor (9), solární panel (10) a nabíjecí systém (11) spojený s akumulátorem (9) a solárním panelem (10).

11. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků 8 až 10, vyznačující se tím, že modul (2) pro zpracování signálu zahrnuje AD převodník (7) uzpůsobený pro převedení signálu ze senzoru (1) na digitální signál a mikropočítač (4) uzpůsobený pro zpracování tohoto digitálního signálu.

12. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků 8 až 11, vyznačující se tím, že modul (2) pro zpracování signálu zahrnuje zesilovač (5), přičemž zesilovač (5) je spojený se senzorem (1).

13. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků 8 až 12, vyznačující se tím, že modul (2) pro zpracování signálu zahrnuje frekvenční filtr (6).

14. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků 8 až 13, vyznačující se tím, že je realizováno ve formě krabičky (12) připevněné k mostní konstrukci (13).

15. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků 8 až 14, vyznačující se tím, že pro pevné spojení s mostní konstrukcí (13) zahrnuje držák (14), přičemž držák (14) zahrnuje první díl (14a) držáku (14) uzpůsobený pro upevnění k mostní konstrukci (13) a druhý díl (14b) držáku (14) uzpůsobený pro upevnění k zařízení, přičemž první díl (14a) držáku (14) a druhý díl (14b) držáku (14) jsou uzpůsobeny pro vzájemné zapadnutí.