JPWO2020018753A5 - - Google Patents

Description

本特許出願は、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年７月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／６９９，９５１号、及び２０１９年７月１８日に出願された米国実用特許出願第１６／５１５，２６４号の利益及び優先権を主張する。

本発明は、一般に、タワーを監視するためのシステムに関し、より詳細には、構造評価及び解析のためのデータを与えるシステムに関する。

タワーは複数の用途のために使用される。たとえば、タワーは、エネルギー、油、水などの資源又は情報を第１の場所から別の場所に送るために使用される。第１のポイントから第２のポイントに伝搬される情報は、関係するネットワーク、関係するエネルギー、関係する通信などであり得る。別の状況では、タワーは、天候又は他の環境情報など、ある場所についての情報を収集するために配置され得る。タワーは、風力タービンなどの機器をサポートするために、又は電気を伝える導体を支持するために配置され得る。タワーは、発電所、工場などにおける煙突又は他の同様の機能として働き得る。本出願におけるタワーは、限定はしないが、格子タワー、支線塔（ｇｕｙｅｄ ｍａｓｔ）、及びポール構造であり得る。

タワーは、多数の状況、環境、及び場所に配置され得る。したがって、タワーは、自然災害、環境要因、物理的接触、疲労破壊及び通常の損傷（ｗｅａｒ ａｎｄ ｔｅａｒ）につながる潜在的に有害な風振動など、様々な外部現象の影響を受け得る。したがって、タワーが様々な外部現象と相互作用するにつれて、タワーの効力は損なわれ得る。いくつかの状況では、タワーが整合していない場合、ホストになる又はサービスを与えるタワーの能力は低下するか又は事実上無効にされ得る。

上記で説明したような状況を処理するための従来の技法は、各タワーを頻繁に検査する専門家を雇うか、又はタワーが動作不能になった後にタワーを修理する必要がある。前者の場合、専門家を雇うことは、コストがかかり、効果的でなく、ロバストでない解決策であり得る。さらに、いくつかのタワーは、地理的に遠方にあり、したがって、移動が極めて容易でないエリアにあり得る。

さらに、後者の場合、問題が検出された後にタワーが修復される場合、かなりのダウンタイムを経験し得る。タワーが損なわれる（場合によっては修復不可能である）ので、タワーに関連するシステムは、タワーが修復されるか又は交換されるまで、動作不能にされ得る。

変形を検出するための構造的健全性監視のための従来の技法は、センサーの測定値を損なう変位中の加速の結果として、タワーなど、フレキシブルな構造上で信頼できないチルト・センサーを使用する、回転又はチルト検出を対象にしている。タワー変位並びに回転を検出することなしに、重大な構造的健全性問題が見逃され得、したがって、これらの問題は、タワー実装に影響を及ぼす問題を検出し、監視し、修復する際に、対処されないままにされ得る。

したがって、構造的完全性及び性能に関連する、タワーに関係する問題に対処するための従来の技法は、少なくとも上述の理由で欠けているところがある。

本発明の一態様では、タワー監視システムが提供される。タワー監視システムは、タワーに取り付けるためのセンサー・ユニットを備える。センサー・ユニットは、構造の主軸に対する変位読み取り結果基準（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒｅａｄｉｎｇｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を取得するための少なくとも１つの変位センサーを含む。本システムは、さらに、変位読み取り結果を受信し、保存するための、センサー・ユニットと通信しているリモート・サーバを提供する。プロセッサは、変位読み取り結果を検討し、変位から、タワーの各主振動モードによる平均変位を分離するモーダル解析を実行するように構成される。

本発明の別の態様によれば、プロセッサは局所的環境要因との相関を行い、タワーの動作の健全性にとって重要な変位のしきい値を超えたときに、アラートが生成される。

本明細書で説明される図面は、選択された実施例のみの例示を目的としており、本開示の範囲を限定するものではない。本開示に関連する発明的概念は、添付の図面と組み合わせて以下の説明を参照することによってより容易に理解されよう。

リモート・タワーの構造健全性に関するデータを受信し、送信する、センサー・ユニットと地上管制ユニット（ＧＣＵ）とを有するリモート・タワーを示すリモート・タワー監視システムの概略図である。 リモート・タワーの上部に近い保護ハウジング内に含まれているセンサー・ユニットの拡大斜視図である。 リモート・タワーの下部に近い保護ＧＣＵハウジング内に含まれているＧＣＵの拡大斜視図である。 リモート・タワー監視システム中の様々な構成要素を示すブロック回路図である。 風力の結果としてのリモート・タワー上の応力の計算を取得するための一連の従来のステップを示す図である。 風力の結果としてのリモート・タワー上の応力の計算を取得するための一連の従来のステップを示す図である。 風力の結果としてのリモート・タワー上の応力の計算を取得するための一連の従来のステップを示す図である。 風力の結果としてのリモート・タワー上の応力の計算を取得するための一連の従来のステップを示す図である。 風力の結果としての、応力の計算を取得するための、又はリモート・タワー上のプロファイルのためのデータを収集するための、本開示による一連のステップを示す図である。 風力の結果としての、応力の計算を取得するための、又はリモート・タワー上のプロファイルのためのデータを収集するための、本開示による一連のステップを示す図である。 風力の結果としての、応力の計算を取得するための、又はリモート・タワー上のプロファイルのためのデータを収集するための、本開示による一連のステップを示す図である。 外力に対するタワーの動的応答を評価するためにＧＣＵと通信しているリモート・コンピュータによって実行されるモーダル解析の図式表現である。 外力に対するタワーの動的応答を評価するためにリモート・タワー監視システムによって実行される様々なステップを示す図である。 リモート・タワーの構造健全性を決定するためにリモート・タワー監視システムによって実行される様々なステップを示す図である。

同様の数字がいくつかの図全体にわたって対応する部分を示す、図を参照すると、本発明の一態様は、リアルタイム及び／又はほぼリアルタイムでタワー１２の構造健全性を監視し、解析し、傾向解析又は他の評価のための履歴データを与えることが可能であるタワー監視システム１０に関する。以下でさらに詳細に説明するように、本システム１０は、横方向変位並びにねじり回転及び揺動回転の大きさ及び方向、永久変形、有害な振動を測定することが一意に可能であり、外力に対するタワーの動的応答を評価するためにモーダル解析を実行することが可能である。そのような外力としては、風、氷及び地震の力、並びに、衝撃、タワー・クライマー、建設活動、野生生物などのような、他のあまり規則的でない力がある。

最初に図１～図３を参照すると、例示的な一実施例によるタワー監視システム１０の態様が示されている。システム１０は、センサー・ユニット１４と、地上管制ユニット１６（ＧＣＵ）と、センサー・ユニット１４とＧＣＵ１６との間で電力及びデータを送るためのケーブル１８とを含む。データは、新しいソフトウェア、更新、読み取り結果などを含むことができる。ケーブル１６はまた、リモート・コンピュータからＧＣＵ及びセンサーへの新しいソフトウェアのリブート又はアップロードのために使用される。概して、タワー１２は、最初に、地面から垂直に延びる軸Ａに沿って建てられている。軸Ａは、タワー１２の重量が軸Ａの周りにほぼ平衡状態で分配されるように、タワー１２の重心に沿って位置する。タワー１２は、一般に、地下基礎構造への接続及び／又は一連の固定された支線（ｇｕｙ－ｗｉｒｅ）（図示せず）を介してなど、１つ又は複数の支持構造によって軸Ａに沿って維持される。タワー１２は、地面上に又は地面に隣接して位置する下部２０と、下部２０の反対側に位置する上部２２とを含む。タワー１２の横方向変位は、一般に、透視的な矢印によって示されているように、上部２２に近いほど、振幅が大きくなる。「タワー」という用語は、本開示の範囲から逸脱することなく、建築物及び橋梁など、他の構造物を含むことができることを諒解されたい。

センサー・ユニット１４は、好ましくは、タワー１２の上部２２の近くに位置する。センサー・ユニット１４は、ストラップ２６及び／又はボルトなどの代替方法を用いてタワー１２上に取り付けられた（図２に全体的に示されている）耐候性ハウジング２４を含む。ケーブル１８はまた、ストラップ２６を介してタワー１２に固定され得る。ハウジング２４とケーブル１８とセンサー・ユニット１４との間の接続は、通信タワーなど、高無線周波数エネルギー、及び電光が起こりやすい環境における動作のために設計され、タワー１２によって支持され得る電子機器と干渉しない。

センサー・ユニット１４は、少なくとも１つの、しかし好ましくは複数のセンサーを含んでいる。網羅的なリストではないが、複数のセンサーは、（３軸加速度計などの）加速度計２８、温度センサー３０、圧力センサー３２、ジャイロスコープ３４、インクリノメータ３６、氷センサー３８、湿度センサー４０、降水センサー４２、照明センサー４４、磁力計４６、他の変位センサー４７、及び他の環境センサー４９を含むことができる、変位センサー及び環境センサーを含む。変位センサーは、タワー変位（横方向、揺動、ねじり）の大きさに関係する連続的な変位読み取り結果を取ること、及び環境センサーは、変位に寄与する環境要因の大きさに関係する環境読み取り結果を取ることが好ましい。１つの環境要因が図１に一連の透視的な円弧として示されており、「Ｅ．Ｆ．」と指定される。ハウジング２４は、他の外部センサーがハウジング２４に接続されることを可能にするように、又は、タワーの高さに沿った他のハウジングが電力及びデータ・ケーブル１８を使用して互いにデイジー・チェーンされることを可能にするように設計される。ハウジング２４はまた、様々なセンサーが、そこを通って延在することを可能にする１つ又は複数の開口４８、又は他のセンサーが、そこから突出することを可能にするウィンドウ５０を含み得る。開口４８及びウィンドウ５０は同様にＧＣＵ１６（図示せず）上に位置し得る。ＧＣＵ１６は、図３に最も良く表されており、また、全体的に示されている耐候性ハウジング２５を含む。

ＧＣＵ１６は、（電力グリッド若しくは太陽電池又は両方など）外部電源５２からの電力を受け取る。連続的な電力が外部電源５２からＧＣＵ１６に供給され、ケーブル１８に沿ってセンサー・ユニット１４に供給される。センサー・ユニット１４によって収集されたデータはケーブル１８によってＧＣＵ１６に送られる。ＧＣＵ１６は（１つ又は複数の交換可能なゲルセル・バッテリーなど）バックアップ・バッテリー５４を含む。センサー・ユニット１４は、バックアップ・バッテリー５４が外部電源５２の故障の場合にセンサー・ユニット１４に電力を与えることができる時間を最大にするように、低動作電力要件で連続的に動作するように設計される。ＧＣＵ１６は、風速及び風向を測定するための風力計（ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ）５６及び風翼５８、氷センサー６０、火災検出６２、カメラ６４、セキュリティ・デバイス６６、サイト機器又はシステム監視６８など、様々な他の監視デバイスに接続するように設計される。センサー・ユニット１４及びＧＣＵ１６からの情報は、送信機７０を介して、中央サーバ及び／又はクラウド・サーバなど、リモート・サーバ７２に送られる。ＧＣＵ１６の送信機７０は、モノのインターネット（ＩｏＴ）又は同様の技術を使用して、処理されたデータをＧＣＵ１６からリモート・コンピュータ７４に送るために、セルラー・フォン接続など、ワイヤレス接続を介して、又は直接インターネット接続を介してリモート・サーバ７２に接続され、処理されたデータは、さらに、遠隔ロケーションにおいて処理され、解析され得る。

センサー・ユニット１４及びＧＣＵ１６の構成要素は、極めて高い信頼度、並びに低温動作条件と高温動作条件の両方における故障間平均時間（ＭＴＢＦ）を有するように選択され、振動にさらされるタワー１２に設置される。さらに、監視システム１０が必要とする唯一の日常保守はバックアップ・バッテリー５４の定期的交換である。またさらに、センサー・ユニット１４は、比較的低い質量及び突出領域を有し、したがって、センサー・ユニット１４がタワー１２の構造負荷に及ぼす影響は、センサー・ユニット１４がタワー１２上にどのようにまたどこに取り付けられるかにかかわらず、わずかである。

次に図４を参照すると、システム１０の回路１００の例示的なブロック図が示されている。その中に与えられた様々な要素は特定の実装を可能にする。したがって、エレクトロニクス及び回路の当業者は、同様の機能を達成するために様々な構成要素を代用し得る。回路１００は、電力システム１０１と、ＧＣＵシステム１０２と、センサー・システム１０４と、リモート・コンピュータ・システム１０６とを含む。電力システム１０１は、電力監督回路１１０を介して監視される（電源５２に関連する）電源回路１０８と、主に電源回路１０８を介して充電される（バックアップ・バッテリー５４に関連する）バックアップ・バッテリー回路１１２とを含む。いくつかの構成では、電源回路１０８の故障の場合にバックアップ・バッテリーへの充電を行う２次方法があるように、２次又はバックアップ電源回路１０９が含まれ得る。たとえば、電源回路１０８はグリッドであり得、第２の電源回路１０９は太陽電池であり得る。電力試験ユニット１１４は、電力がＧＣＵ１６に送られていることを保証するために、電源回路１０８及び／又は２次電力回路１０９からの電流についてテストする。停電の場合、電力試験ユニット１１４は、リモート・コンピュータ７４に警告が送られるプロトコルを開始するためにバックアップ・バッテリー５４を利用し得る。その上、タワー１２の健全性をもはや効果的に監視することができない停電イベントでは、視覚警報ユニット１１６がＧＣＵシステム１０２上に配置され、視覚警報ユニット１１６は、未知のステータスのオンサイト・サービス人員に警告するために、光るＬＥＤなどを介してそのような障害を視覚的に示すことができる。電力システム１０１の動作は、ＧＣＵシステム１０２中に配置されたコントローラ１１８を含む。コントローラ１１８は、プロセッサ１２０と、（送信機７０に関連する）通信ユニット１２２と、機械可読非一時的ストレージを有するメモリ１２４とを含む。プログラム及び／又はソフトウェア１２６がメモリ１２４に保存され、したがって、データ１２８が多くのセンサー及び検出器を介して取得される。プロセッサ１２０は、ソフトウェア１２６及びデータ１２８に基づいて命令を実行し、たとえば、タワー１２の応答に不整がある場合、リモート・コンピュータ７４に警告を送る。ＧＣＵシステム１０２とリモート・コンピュータ・システム１０６との間の通信は通信ユニット１２２によって搬送され、情報の送信と受信の両方を可能にする。したがって、ソフトウェア１２６及びデータ１２８は、リモート・コンピュータ・システム１０６からの命令を介して更新され得る。それに限定されないが、例示的なセンサー５６、５８、６０もＧＣＵシステム１０２中に示されている。センサー・システム１０４は、ケーブル１８を用いてＧＣＵシステム１０２に接続され、ただ１つの非限定的な例として、センサー２８～４６を含むことが示されている。センサー・システム１０４によって取り出されたデータはメモリ１２４にローカルに記憶され得る。停電の場合、ＧＣＵシステム１０２は、電力が戻るか又はリモート若しくはローカル・サービス人員からオーバーライドされるまで、リモート・コンピュータ・システム１０６との通信を中止し、すべてのデータをメモリ１２４にローカルに記憶することよって、バックアップ・バッテリー５４を保存し得る。リモート・コンピュータ・システム１０６は、ＧＣＵシステム１０２のコントローラと同様の又は同等のコントローラ１３０と、ユーザ操作のためのユーザ・インターフェース１３２とを含み得る。ユーザ・インターフェース１３２は、限定はしないが、モニタ及びキーボード、タッチスクリーン、ポータブル・タブレット・デバイスなどを含むことができる。

また図４を参照すると、サーバ７２は、様々なデータを記憶するストレージ・サーバであり得る。たとえば、サーバ７２に記憶されたデータは、履歴データ１３４、リアルタイム・データ１３６、２次環境データ１３８、及びタワー・ロケーション・データ１４０として分類され得る。履歴データ１３４は、特定のタワー１２、並びに／又は同様の構造とそれぞれのタワーの対応するセンサー・ユニットから記録された環境データとを有する複数の他のタワーの動き及び永久的変位に関係し得る。リアルタイム・データ１３６は、タワー、又は同様の構造とそれぞれのタワーのセンサー・ユニットからのリアルタイムの環境読み取り結果及び変位読み取り結果とを有する他のタワーからのリアルタイム・データ・キャプチャに関係し得る。２次環境データ１３８は、測候所及び地質ステーションなどのソースからのリアルタイムの履歴環境データを与えることができる。タワー・ロケーション・データ１４０は、特に、すべてのタワーが同時に同様の環境要因にさらされているときに、データがタワー間の不一致について相互参照され得るように、事前定義された近傍内のタワーからのデータに関係し得る。図４における回路１００のブロック図はただ１つの例として与えられており、様々なセンサー、データ、コントローラ、メモリ、プロセッサ、及び他の構成要素は、ＧＣＵ１６、センサー・ユニット１４、及び／若しくはリモート・コンピュータ７４中に、並びに／又は本発明の範囲からの排除なしに他の構成中に、ローカルに配置され得ることを諒解されたい。たとえば、コントローラ１１８及び構成要素は、リモート・コンピュータ７４に配置されるか、又はリモート・コンピュータとＧＣＵ１６の両方に配置され得る。

前に説明したように、サーバ７２は、地方測候所及び／又はローカルに設置された計装から取得された風のデータ及び氷のデータ、並びにアメリカ地質調査所（ＵＳＧＳ）及び／又はローカルに設置された加速度計などのソースからの地震データなどを、タワー１２の応答と相関させるために、情報を収集する。タワー１２の測定された応答と組み合わせられたこの相関は、タワー１２のより正確な解析を可能にし、センサー・ユニット１４からのローカル環境読み取り結果を検証する。したがって、タワー１２は、変位と、環境要因に対する不規則な応答とについて厳密に正確に監視され得、また、提案される追加の負荷又は疲労解析につながり、すべての支持されたアタッチメントをマッピングし、評価する必要を回避することができる。改善された解析は可能であり、それは、突出した領域、適切な空気抵抗（ｗｉｎｄ ｄｒａｇ）係数、遮蔽係数、減衰係数、突風効果（ｇｕｓｔ ｅｆｆｅｃｔ）係数などの必然的に保守的な決定を伴う従来の計算解析のための力の計算が、これらの計算の効果として必要とされず、係数が、収集されたデータ中に監視システム１０によってキャプチャされるからである。タワー１２の測定された応答は、他の負荷状態の下で予想される応力レベル及び応答を決定するために、タワー解析ソフトウェアに直接入力されるか又は外挿され得る。同じ方法は、変更された条件又は追加の負荷が設置された後のタワーの応答を検証するために使用され得る。

人工知能ルーチン（ＡＩ）又はソフトウェア１２６と組み合わせられた収集されたデータは、膨大な量のデータの人による検討なしに、当該の事象（シグネチャ事象）を検出することが可能である。この情報を用いると、タワー監視システム１０は、タワーに影響を及ぼし得る様々なあまり一般的でない事象、たとえば、風事象、氷事象、及び地震事象以外の力を識別することができる。たとえば、本発明のタワー監視システム１０は、小球（又は別の物体）がいつタワーに衝突したか、（人がタワーに上るなど）不正な活動、落雷、支線塔上のギャロッピング又はゆるんだ支線、ゆるんだハードウェア又はアタッチメント、及びタワーに対する改変／破壊行為を識別することができる。タワーにおいて事象が起こったというアラート又は警告をタワー所有者（又はオペレータ）に与えることに加えて、タワー監視サービスは、タワー上のスケジュールされた作業がいつ開始し、終了するかを監視するために使用され得る。

図５Ａ～図５Ｄは、風力の結果としてのリモート・タワーの応力の計算を取得するための一連の従来のステップである。図５Ａから開始して、構造上にある物のオンサイト・マッピングのステップがあり、その後、抵抗、遮蔽、及び力を決定するステップを含む図５Ｂが続く。次に、変位は、図５Ｃに示されているように計算され、これらのステップから、応力及び反力は、図５Ｄに示されているように計算される。次に図６Ａ～図６Ｃを参照すると、本開示による一連のステップが提示されている。これらのステップにより、応力の計算が取得されるか、又は風力の結果としてのリモート・タワーのプロファイルのためのデータが収集される。図６Ａから開始して、センサー・ユニット１４は風速及び応答を収集し、それから変位が、図６Ｂに示されているように収集された情報から直接取得され得る。変位読み取り結果に続いて、図６Ｃに示されているように応力及び反力が計算され得る。

センサー・ユニット１４（たとえば、加速度計、ジャイロスコープ、及び磁力計からの読み取り結果）とＧＣＵ１６とから受信された情報に基づいて、ソフトウェア１２６は、さらに、構造評価又は解析のためのタワーの振動モードからの応答の様々な寄与の大きさ及び方向を決定し、記録するために、解析（モーダル又はそれ以外）を実行するように構成され得る。より詳細には、ソフトウェア１２６は、ねじり回転及び揺動回転の大きさと方向とを決定するためにデータを受信し、解析するように構成される。ソフトウェア１２６はまた、構造に対する健全性又は動作への関心の応答の検出が実行可能命令によってリモート・コンピュータ７４に自動的に通信されるような、所定のしきい値を含み得る。所定のしきい値に加えて、ソフトウェア１２６はまた、渦励振（ｖｏｒｔｅｘ ｓｈｅｄｄｉｎｇ）及びバフェティング（ｂｕｆｆｅｔｉｎｇ）などの有害な振動、過大な負荷又は基礎問題、ソーラーひずみ、並びに剛性とダンピングと固有周波数とを含むタワー１２の構造特性による永久変形の発生を決定するために、リアルタイムで及び／又は別の方法でデータを利用することができる。上述のデータのすべては、最初にメモリ１２４に記憶され、後でサーバ７２などリモート・ストレージに送信されるか、又はリアルタイム・データ１３６として送信され得る。

図７は、本発明の一態様による例示的なモーダル解析の図式表現である。モーダル解析は、構造の健全性への影響をより正確に査定するために、タワーの応答に寄与するモード（たとえばモード１、モード２、又はモード３）を決定するために、リモート・コンピュータによって実行される。好ましい実施例では、センサー・ユニット１４は、モードがそこから推定され得る３軸加速度計を含む。加速度計及び／又は他のセンサーからの変位データは、変位の方向と大きさとを決定するために使用され得る。ソフトウェア１２６は、変位データなど、センサー・データを周波数領域における表現に変換する命令を含む。例として、ソフトウェア１２６はモーダル解析の一部として高速フーリエ変換又は同様のアルゴリズムを利用する。モード１、２、及び３のための周波数表現は、アルゴリズムから決定される変位の平均及び振動成分を使用することによって、タワーに作用する応力をより正確に測定するために、別個に見られ得る。これらの読み取り結果は構造の主軸、すなわち、対称軸に沿っている。たとえば、モード３は、モード１の横方向変位と同様の横方向変位を示すが、モード３では、タワーに、特にタワー構造の下部又は下側部分において著しくより多い応力がかかる。モーダル解析は、タワー構造における応力の適切な計算を可能にする。全体の変位がわかっているだけでは、タワー構造上の応力の正確な評価は不可能である。タワー構造の固有周波数読み取り結果に基づいて、ソフトウェア１２６は、さらに、タワー構造が、固有周波数に一致する環境要因（たとえば、渦励振又は地震）にさらされており、したがって、組合せにより、危険又は壊滅的な、タワー構造への追加の応力が生じ得る場合、オペレータにアラートするように実装され得る。モーダル解析は、変位、又は変位と構造への影響とに対する各有意なモードのモード寄与を決定することが不可能である他の知られているタワー監視システムと比較して、有利である。本発明のモーダル解析機能の別の固有の特徴は、自立タワー１２の場合、複数のセンサー・ユニットがタワー上の異なる高さに配置される必要なしに、構造の高さ全体にわたってタワー応答を決定するために、ただ１つのセンサー・ユニット１４が使用され得ることである。モーダル読み取り結果は、たとえば、現在の／最近のモードを前に保存されたモーダル読み取り結果の上に重ね合わせることによって、履歴データと比較され得る。時間経過に伴ういくつかのモードの変化は、構造疲労を示すことができるだけでなく、オペレータが、減衰、追加の支持構造、又は機器の配置転換による予防措置のために構造内の弱いポイントの位置を特定するのを助ける詳細を与えることもできる。

次に図８を参照すると、構造の健全性への影響をより正確に査定するために、タワー１２の方向性変位の大きさに対する個々の環境寄与を決定する、リモート・コンピュータによって実行される傾向解析が与えられる。より詳細には、図８は、タワー１２の変位を生じる環境要因の個々の寄与を決定するソフトウェア実装方法２００を与える。方法２００は、感知ユニット１４からの変位読み取り結果によってタワーの初期変位を感知すること（２０２）から始まる。変位が起こると、環境要因又は環境条件は、感知ユニット１４、ＧＣＵ１６上に位置する複数の環境センサーの環境読み取り結果、リモート・ストレージ、並びに／又は他のローカル・ソース及び環境ソースからの他のデータによって決定される（２０４）。環境要因を決定する（２０４）間に、各々の関連する大きさ読み取りの結果、たとえば、風速、降水量、温度などが収集される。環境要因の大きさの変化と、タワーの変位の生じた変化とを示すリアルタイム・データが収集される（２０６）。感知された環境要因のうちのただ１つが存在し、大きさが同様であり、同様に構成されたタワー（又は同じタワー）に対して作用している履歴データがある場合、その要因についての寄与が決定される（２０８）。一方、環境要因の一意の組合せを伴う状況では、ブロック２１０に全体的に示されている環境要因の低減が必要であり得る。そのような事例では、いくつかの、しかしすべてが寄与するとは限らない、環境要因が存在し、必須ではないが、好ましくは、大きさが同様であり、同様に構成されたタワー（又は同じタワー）である、履歴データが収集される（２１２）。ステップ２１４では、各環境要因の特定の寄与を分離するために、変位の大きさなど、タワー読み取り結果が履歴データから減じられる。もちろん、いくつかの環境要因は、タワー応答がそれらの個々の応答の和よりも大きくなるように、相乗的に働く。したがって、風及び氷など、特に有害である環境要因の組合せをより良く理解するために、計算された値と実際の値との間の不一致が留意される（２１６）。計算は、保存され（２１８）、正確さのために、また、さらにタワーの不規則挙動にフラグを付けることを支援するために、将来の寄与決定において相互参照される。たとえば、タワーが氷を保持している場合、モーダル解析によって決定される、有害な振動が風により発生し得る。

タワー構造の不整を決定するソフトウェア実装方法３００の非限定的な例が図９に提示されている。本方法は、変位読み取り結果によって変位を感知すること（３０２）によって始まる。感知されたデータは常に記録され得る（３０４）。変位が、タワーの健全性、タワーによってサポートされる機器の性能、又は他の重要事項にとって有害である、所定のしきい値を超えないこと（３０６）を保証するために、変位は常に監視され、環境データと相関させられる。変位が所定のしきい値を上回る場合、本システムは、潜在的な構造上の欠陥について警告するために、対応する警報をアクティブ化する（３０８）。変位が所定のしきい値を上回らない場合、本システムは、変位を環境要因、たとえば風と相関させる（３１０）。相関する環境要因がセンサー・ユニット又はＧＣＵから感知されない場合、警報は、さらなる調査のために、対応する警告を与える（３１２）。相関する環境要因が決定された場合、タワー挙動の不整について全体として示されているように、データの２次ソースとのタワー応答の比較（３１４）が実行される。比較（３１４）は、不整についてのタワーの変位読み取り結果と比較するために、同じ環境要因にさらされる健全なタワーの予想される変位プロファイルを展開するために、同様の環境要因をもつ事例についてサーバを探索することを含む。予想される変位プロファイルを展開するための比較（３１４）は内部ボックス３１６～３２２の任意の組合せを含み得る。より詳細には、タワーの変位が、同様の構成を有し、同様の環境要因にさらされるタワーの履歴データと比較され得（３１６）、タワーの変位が近くのタワーの変位と比較され得（３１８）、ソフトウェアは、感知された環境要因を、サード・パーティ・データ（たとえば、測候所）などの２次環境データと比較し得（３２０）、ソフトウェアは、環境要因を考慮することもあり考慮しないこともある、又は環境要因に基づくこともあり基づかないこともある、図７に示されたモーダル解析などのモーダル解析（３２２）を実行し得る。１つ又は複数の比較（３１４）が構造疲労を示す（３２４）、たとえば、変位読み取り結果が、所与のモードについての予想される変位プロファイルよりも多いしきい値量である場合、本システムは警告を送る（３２６）。１つ又は複数の比較（３１４）が構造疲労を示さない場合、本システムは構造疲労についてタワーを監視し続ける（３２８）。１つ又は複数の比較（３１４）が過少利用を示す（３３０）、たとえば、タワーが、予想される変位プロファイルが示唆するほどは変位させられていない場合、タワーは、過少利用されており、より多くの機器をサポートすることが潜在的に可能であることについて、フラグが付けられる。履歴データとの比較３１６は同じタワーの履歴データを含むことができ、タワーが前にさらされた環境要因の下で経験したより大きい範囲の変位が、潜在的な構造疲労損傷、タワー構造の残りの予想される寿命、又は他の進行している構造問題を示すために使用され得ることを諒解されたい。履歴データは、前に実行されたモーダル解析をも含み得、個々のモードは、タワー又はそれの基礎に対する構造的変化を識別するために比較され得る。その上、周波数測定と振幅測定の一方又は両方に関係する所定のしきい値が使用され得、しきい値を超えるモード読み取り結果は警報又はアラート・プロトコルをアクティブ化する。プロセッサ中に記憶されたデータは、タワー１２の検出されたモードと比較され得る、渦励振、バフェティングなどのうちの１つ又は複数に関連するモード・プロファイルをも含み得る。比較は、タワー１２のモード上にプロファイルを重ね合わせることを含む、探索を実装する任意のタイプのソフトウェアによって行われ得る。時間経過に伴うモードの変化も監視され、構造損傷を示すことができる。

さらに、履歴データ３１６及び／又は近くのタワーからのリアルタイム・データ３１８との比較３１４は、健全なタワーの予想される変位プロファイルを展開するために時間経過に伴う変位測定を平均化し、タワーの変位が予想される変位を上回る所定のしきい値である場合、警報をアクティブ化するステップを含むことができることが諒解されるべきである。たとえば、いくつかの近くのタワーの応答は、より正確な予想される変位を決定するために平均化され得る。同様に、異なる構造を有するタワーの場合、履歴データ又はリアルタイム・データに基づいて相関が引き出され得る。たとえば、より大きいタワーは、同様の環境要因の下で対象タワーのレートの約１／２のレートで変位されることが示され得、したがって、２つの挙動間の相関は、不整が終えられ得る前に、対象タワーがより大きいタワーの約２倍反応することを考慮する。警報警告は、ローカルであり、及び／又はリモート・コンピュータ７４に送られ得る。システム１０において取得されるすべての他のデータのような警報アクティブ化は、警報などを生成するしきい値を確立又は修正するための履歴データとして記録され、記憶され得る。すべてのデータは、リモートで記憶され得、また、永久的に、しかし、好ましくは、一時的に、ＧＣＵ１６、リモート・サーバ７２、又はリモート・コンピュータ７４にローカルに記憶され得る。

本発明のタワー監視システム１０はタワー所有者に広範囲の追加の利益を与える。たとえば、負荷事象の前及び後からのデータを比較することによって、有害な発振と構造に対する変化とをリモートで検出することが可能である。リアルタイム（又はほぼリアルタイム）で、タワー監視システムは、センサー・ユニット１４からのデータ、タワー・サイトにおける随意のセンサーからのデータ、天気予報ステーション、ＵＳＧＳなどからの情報をあらかじめ決められたしきい値と比較し、検査又は他の行為が必要であり得ることをタワー所有者にアラートするために、それらのしきい値を超えたときにアラートを生成することも可能である。タワー監視システムはまた、時間期間にわたる平均と比較される変位の傾向を示す定期的「健全性」報告を与え、タワー所有者に永久ひずみを報告し、タワーに対する追加及び／又は改変からの応答を検証することができる。タワー監視システムはまた、タワーの振動を制御するために１つ又は複数の構造ダンパーを調整するために使用され得る周波数解析を行うことができる。

本発明のタワー監視システムは、応答における漸進的変化又は傾向を測定することが可能である。そのような傾向解析は、腐食、ゆるんだ構造構成要素、破壊行為、負荷の追加、過負荷をかけられたタワー、構造的改変の有効性、基礎問題に関する問題を識別し、周期的負荷、座屈（ｂｕｃｋｌｉｎｇ）などを受けたタワーの残りの疲労寿命を予測するために有用であり得る。たとえば、初期診断を形成するために、本システムが前の同様の事象にフラグをつけることができる膨大な量のデータを有することによって、同じ又は異なるタワーにおいて、タワーの不規則挙動が前に指摘されたことがあり得る。

タワー監視システムは、タワー所有者にとって潜在的な収入機会であり得る、十分に利用されていない構造を識別すること、必要とされる構造検査間隔を最適化し、潜在的に延長すること、公的調査／関心に基づくサービス・トリップを低減すること、ポストストーム管理コストを低減し、臨界しきい値を超えたというアラートを生成したタワーに作業員を向けることのみによって、損傷したタワーに効率的に対処すること、過負荷をかけられた構造を識別すること、タワーによってサポートされるサービスの信頼度を高め、保険料を下げることが可能である。

明らかに、本発明の多くの改変及び変形が上記の教示に照らして可能であり、添付の特許請求の範囲内にありながら具体的に説明されたものとは別のやり方で実施され得る。さらに、すべての請求項及びすべての実施例のすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、互いと組み合わせられ得ることを理解されたい。たとえば、監視システムは、タワーの寿命にわたる連続監視のために、又は所望の特定の情報を取得するための短期監視のために使用され得る。高無線周波数エネルギー環境に設置されていないセンサー・ユニットの場合、センサー・ユニットは、それ自体の電源と、ケーブル及びＧＣＵの必要がなしにサイトにおいてインターネットへのワイヤレス通信によって又は直接接続によってデータを送信する手段とともに組み立てられ得る。サーバ、コントローラ、及びリモート・コンピュータは、本開示の範囲から逸脱することなく、いくつかの異なる方法で実施され得る。別段に規定されていない限り、「リアルタイム」は、遅延が数秒又は数分のみであるほぼリアルタイムを指すことができ、また、データ読み取り結果の連続的な受信及び送信を指すことができる。また、別段に規定されていない限り、ＧＣＵ１６上の例示的なセンサー／検出器、及びセンサー・ユニット１４上の例示的なセンサーのリストは、すべて、本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＣＵ１６又はセンサー・ユニット１４のいずれかに配置され、又は２つの間に様々な組合せで構成され得ることを諒解されたい。そのような変形は本開示からの逸脱と見なされるべきでなく、すべてのそのような改変は開示の範囲内に含まれるべきものである。

Claims (20)

1. タワーへの取付けのための、構造の主軸に対する変位読み取り結果基準を取得するための少なくとも１つの変位センサーを有する、センサー・ユニットと、
   前記変位読み取り結果を受信し、保存するための、前記センサー・ユニットと通信しているリモート・サーバと、
   前記変位読み取り結果を検討し、前記変位読み取り結果から前記タワーの振動の少なくとも１つのモードによる平均変位を分離するモーダル解析を実行するように構成されたプロセッサと
   を備える、タワー監視システム。
2. 前記プロセッサが前記変位読み取り結果を周波数表現として前記少なくとも１つのモードに変換する、請求項１に記載のタワー監視システム。
3. 前記少なくとも１つのモードが第１のモード及び第２のモードを含み、前記第１のモードが固有周波数を含む、請求項２に記載のタワー監視システム。
4. 前記リモート・サーバが所定のしきい値を含み、前記プロセッサが、前記少なくとも１つのモードを前記所定のしきい値と比較し、前記所定のしきい値を超えた場合、警報を生成するようにさらに構成された、請求項２に記載のタワー監視システム。
5. 前記第２のモードが、横方向変位、ねじり回転、及び揺動回転のうちの１つを含む、請求項３に記載のタワー監視システム。
6. 前記第１のモード及び前記第２のモードとは異なる第３のモードをさらに含む、請求項３に記載のタワー監視システム。
7. 前記リモート・サーバは、前記プロセッサが前記少なくとも１つのモードと比較する、前に実行されたモーダル解析に関する履歴データを含む、請求項２に記載のタワー監視システム。
8. 前記変位読み取り結果を前記リモート・サーバにワイヤレスで送信するための、前記センサー・ユニットと電気通信している地上管制ユニット（ＧＣＵ）を含む、請求項１に記載のタワー監視システム。
9. 前記ＧＣＵが、前記センサー・ユニットに電気を与えるための外部電源を含み、前記外部電源の故障時に使用するためのバックアップ・バッテリー回路をさらに含む、請求項８に記載のタワー監視システム。
10. 前記プロセッサが、剛性、固有周波数、及び減衰のうちの少なくとも１つを含む、前記タワーの静的及び動的特性を決定するようにさらに構成された、請求項１に記載のタワー監視システム。
11. 前記プロセッサが環境条件を考慮する、請求項１０に記載のタワー監視システム。
12. 前記タワーの永久変形を検出するためのインクリノメータを含む、請求項１に記載のタワー監視システム。
13. 前記プロセッサが、前記リモート・サーバからのデータを受信するリモート・コンピュータに位置する、請求項１に記載のタワー監視システム。
14. 前記プロセッサが、時間期間にわたる前記変位読み取り結果の傾向解析を実行し、同様の応力に応じて徐々に増加する変位の大きさによりタワー・オペレータにアラートするようにさらに構成された、請求項１に記載のタワー監視システム。
15. 前記プロセッサが、同様の応力に応じて時間経過に伴う前記少なくとも１つのモードの周波数変化時に警報を生成するための、時間期間にわたる前記少なくとも１つのモードの傾向解析を実行するようにさらに構成された、請求項２に記載のタワー監視システム。
16. 前記プロセッサが、前記第１のモードの傾向解析を実行し、前記固有周波数の変化時に警報を生成するようにさらに構成された、請求項３に記載のタワー監視システム。
17. 前記リモート・サーバが、渦励振、バフェティング、及び永久変形のうちの少なくとも１つに関するモード・プロファイルを含む、請求項１に記載のタワー監視システム。
18. 前記プロセッサが、前記少なくとも１つのモードを前記モード・プロファイルと比較するようにさらに構成された、請求項１７に記載のタワー監視システム。
19. 前記変位センサーが、加速度計と、ジャイロスコープと、磁力計とを含む、請求項１に記載のタワー監視システム。
20. 前記プロセッサが、環境要因と、前記環境要因に関連する変位の所定のしきい値とを相関させるようにさらに構成され、前記変位が前記所定のしきい値を超えたときに警報が生成される、請求項１に記載のタワー監視システム。