TWI754870B - 結構監測系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種結構監測系統，包含：裝設於一結構物件上的複數個標記單元；遠端監測該複數個標記單元的一監測裝置；以及與該監測裝置連接的一數據處理裝置。其中，該數據處理裝置還可包含：與該監測裝置連接的一數據接收模組，用以接收該監測裝置所監測到的資訊；以及與該數據接收模組連接的一數據處理模組，用以將該些資訊作進一步的計算分析。另外，一種結構監測方法亦被提出。

Description

結構監測系統及方法
本發明是關於一種結構監測系統及方法，尤指一種使用非破壞性監測結構監測系統及方法。
結構健康監測（Structural Health Monitoring, SHM）是利用非破壞性偵測或監控結構是否有損壞產生，並降低對結構運作影響。結構健康監測系統通常藉由感測器、數據採集、分析系統、監控中心及各項軟硬體，持續監控整體結構物健康狀況，除了早期評估與識別結構損傷，以預防災難性的破壞外，亦可探究損傷發生原因，改善下一代的結構設計。
目前結構健康監測以傳統感測器為大宗，如加速規、應變規等，然其存在著各式的問題，包含價格昂貴、安裝時間長、感測器疲勞及線路繁瑣導致施工人員不便等。以一般五十公尺長的風機為例，可能需黏貼數百個以上的應變規來進行監測。
為克服上述問題，有專家提出以影像量測方式進行結構健康監測。近年來影像量測方法已被廣泛應用在各種實驗力學，相較於傳統貼附感測器的量測，影像量測提供一種非接觸式的量測技術，可在不干擾待測物的情況下進行全域性的量測。不過，影像量測在現場試驗也遭遇到許多困難，如光照變化、目標物遮蔽、陰影及背景干擾等，皆會影響影像量測的結果。
有鑑於先前技術的各項缺失，本發明提供一種結構監測系統，可有效解決傳統影像設備於視線不佳或遮蔽物阻擋的環境下，導致無法量測的問題。該結構監測系統系統包含：複數個標記單元，裝設於一結構物件上；一監測裝置，遠端監測該複數個標記單元；以及一數據處理裝置，與該監測裝置連接。其中，該數據處理裝置包含一數據接收模組，與該監測裝置連接；以及一數據處理模組，與該數據接收模組連接。
進一步而言，本發明還提出一種結構監測方法，包含以下步驟：（A）裝設複數個標記單元於一結構物件上；（B）監測每一個標記單元所產生的結構位移，以取得每一個標記單元的一位移影像；（C）依據該位移影像，經影像處理取得每一個標記單元的一位移訊號；以及（D）依據每一個標記單元的該位移訊號計算該結構物件的一模態參數。
除此之外，本發明亦提出另一種結構監測方法，包含以下步驟：（I）設複數個標記單元於一結構物件上；（J）一時間間隔監測部分標記單元所產生的結構位移，以取得部分標記單元的一位移影像；（K）重複步驟（J），直至取得每一個標記單元的該位移影像；（L）依據該位移影像，經影像處理取得每一個標記單元的一位移訊號；以及（M）重組每一個標記單元的該位移訊號，並計算該結構物件的一模態參數。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：
於維運工程中，為了降低維護成本同時減少對結構運作影響，以避免結構出現嚴重的損傷或故障，發展可靠的結構健康監測系統（又稱非破壞性監測系統）及方法為重要的議題。據此，本發明提出一種結構監測系統及方法，以紅外線熱像裝置作為監測設備，安裝於結構物件上的發熱元件作為結構標記點，以記錄結構物件的響應。由於本系統是利用紅外線熱像技術進行標記點的監測，故可應用於視線不佳或遮蔽物阻擋的環境下，有效解決先前技術所面臨的問題。
首先，請參照第一圖，其為本發明較佳實施例之結構監測系統的示意圖。如第一圖所示，本發明之結構監測系統1包含：裝設於一結構物件100上的複數個標記單元10；遠端監測該複數個標記單元10的監測裝置20；以及與該監測裝置20連接的一數據處理裝置30。其中，該數據處理裝置30還可包含：與該監測裝置20連接的一數據接收模組32，用以接收該監測裝置20所監測到的資訊；以及與該數據接收模組32連接的一數據處理模組34，用以將該些資訊作進一步的計算分析。
除此之外，該數據處理裝置30還包含與該數據接收模組32或/及該數據處理模組34連接的一數據儲存模組36，該數據儲存模組36可儲存該數據接收模組32接收的資訊，或/及經該數據處理模組34計算分析後的資訊，以利於後續對於結構物件100的維運。
在本實施例中，結構物件100可以是橋墩、風機、燈塔或建築物等，本發明不應依此為限。
在本實施例中，所採用的監測裝置20是紅外線熱像裝置（Infrared thermal imager），而該裝設於結構物件100上的複數個標記單元10為可被前述之紅外線熱像裝置偵測的發熱元件如電熱片，然舉凡任何能透過紅外線熱像裝置偵測的發熱元件皆應於本發明的保護範圍內。
具體而言，本發明之結構監測系統1的運作方式是將複數個標記單元10（在此為電熱片）分散安裝於結構物件100上，並於該結構物件100遠處架設有一監測裝置20（在此為紅外線熱像裝置），以隨時遠端偵測該些標記單元10。而當結構物件100受到外力產生振動（如地震），或是無法用確定函數描述卻產生一定規律的隨機振動（如陣風作用響應或海上風機或鑽井平台受波浪作用等），會使每一個標記單元10產生些許的結構位移；此時，該監測裝置20拍攝記錄每一個標記單元10的位移（熱）影像並傳送至數據處理裝置30。
數據處理裝置30的數據接收模組32接收該些位移影像後，數據處理模34組利用影像處理技術將該位移影像轉換為每一個標記單元10的位移訊號，再透過位移訊號計算出結構物件100的模態參數，包含結構物件100的自然頻率、模態振動及阻尼等參數等，本發明不應依此為限。
而數據儲存模組36可儲存前述之至少一位移影像、該位移訊號或該模態參數的歷史數據，使用者可比對數據處理裝置34所計算出結構物件的模態參數，與歷史數據中的模態參數是否具有明顯的偏差；若是，表示該結構物件100可能故障或內部出現損毀，應馬上給予維護，以避免結構物件100發生無法挽回的破壞。具體而言，本實施例所指的歷史參數是將模態參數的數據，透過時間軸的建立，將每個即時的模態參數串於時間軸上，形成該歷史參數以利使用者進行監測。
以下將針對結構物件100為離岸風機的標記單元裝設位置作進一步的說明。
請參照第二圖，其為本發明較佳實施例之離岸風機結構及標記單元的示意圖。如第二圖所示，本實施例用以說明之離岸風電機100包含同時包水上及水下結構；明確言之，本實施例所定義的離岸風電機100應以基樁模組106、套管結構105、平台104、塔架103以及機艙102整體觀之。
本實施例之機艙102與塔架103連接，且機艙102更與複數個葉片101連接。而塔架103與平台104連接，平台104與套管結構105連接，且平台104設於水平面S之上。至於套管結構105與基樁模組106連接，且套管結構105設於海中，基樁模組106則設於海床上。在本實施例中，套管結構105更包含至少三支撐腳1051及複數個斜撐元件1052。本實施例採用四個支撐腳1051，且四個支撐腳1051彼此之間以X字形交叉設置有複數個斜撐元件1052。
在本實施例中，複數標記單元10安裝設置於離岸風電機100不同位置的結構上，以達到最佳化的監測效果。其中，上述之標記單元安裝包含第一標記單元11、第二標記單元12、第三標記單元13及第四標記單元14。
進一步而言，第一標記單元11設於靠近機艙102之塔架103的內壁。更進一步來說是塔架103頂端與機艙102銜接高度以下五公尺內的位置；而第二標記單元12設於介於機艙102及平台104間之塔架103的內壁，更進一步來說是塔架103之中段任意位置；而第三標記單元13設於平台104與塔架103銜接處的內壁正負五公尺以內的位置。
在本實施例中，第一標記單元11、第二標記單元12及第三標記單元13設於軸線X上，且軸線X外之該離岸風電機上更設有第四標記單元14。如此一來，第一標記單元11、第二標記單元12及第三標記單13元便會與第四標記單元14形成一三維空間，以利測得離岸風電機100結構的扭轉運動幅度。除此之外，其餘標記單元可視離岸風電機100結構需求再增加標記點位，本發明不應依此為限。
請參照第三圖，其為本發明較佳實施例之結構監測方法的流程圖。如第三圖所示，本實施例之結構監測方法包含以下步驟：（A）裝設複數個標記單元10於一結構物件100上；（B）監測每一個標記單元10所產生的結構位移，以取得每一個標記單元10的一位移影像；（C）依據該位移影像，經影像處理取得每一個標記單元的一位移訊號；以及（D）依據每一個標記單元的該位移訊號計算該結構物件的一模態參數。
在步驟（A）中，裝設的複數個標記單元10為可被前述之紅外線熱像裝置偵測的發熱元件如電熱片，在其他可能的實施例中，任何能透過紅外線熱像裝置偵測的發熱元件皆應於本發明的保護範圍內；而該結構物件100可以是橋墩、風機或建築物等。具體而言，本實施例是採用離岸風機作為結構物件100，其標記單元10的裝設位置可參照第二圖所示，而實際欲監測的結構物件100，及其標記單元的裝設數量及位置可依需求自行替換。
在步驟（B）中，是利用如紅外線熱像裝置的監測裝置20，對裝設於結構物件100上的標記單元1-進行監測，由於標記單元10係可被紅外線熱像裝置偵測的發熱元件，因此可取得每一個標記單元10的熱影像。又，當結構物件100受到外力產生振動（如地震），或是無法用確定函數描述卻產生一定規律的隨機振動（如陣風作用響應或海上風機或鑽井平台受波浪作用等），會使每一個標記單元10產生結構位移，監測裝置即可拍攝記錄每一個標記單元10的位移影像（位移熱影像）並傳送至數據處理裝置30。
在步驟（C）中，數據處理裝置30的數據接收模組32接收每一個標記單元10的位移影像後，與數據接收模組32連接的數據處理模組34利用影像處理技術以取得每一個標記單元10的一位移訊號；最後，在步驟（D）中，數據處理模組34更依據每一個標記單元10的位移訊號計算出結構物件100的模態參數。其中，模態參數包含結構物件的自然頻率、模態振動及阻尼等參數等，本發明不應依此為限。
除此之外，本實施例之監測方法還可包含一步驟（E）儲存該位移影像、該位移訊號或該模態參數。具體而言，是利用數據處理裝置30的數據儲存模組36存取前述之該位移影像、該位移訊號及/或該模態參數等資訊，並將其建置於時間軸上形成一歷史數據；使用者可比對數據處理裝置30所計算出結構物件的模態參數，與歷史數據中的模態參數是否具有明顯的偏差；若是，表示該結構物件100可能故障或內部出現損毀，應馬上進行維護。
然而，當監測較大型的結構物件時，若使用監測裝置一次偵測大型結構物件少上所有的標記點，需調整監測裝置為焦距短的鏡頭，此時監測裝置可偵測較大範圍的目標，然其目標內的標記點熱影像尺寸會相對小上許多，而無法輕易判斷出每一個標記單元所產生的結構位移。
有鑑於此，本發明提出另一種結構監測方法，該方法是將監測裝置調整為焦距長的鏡頭，一次僅偵測部分的標記點（相對而言，偵測取得的標記點熱影像尺寸較大且清晰，有助於判斷記點的結構位移），並設定一時間間隔調整監測裝置的偵測方向，直至每一個結構物件上的標記點皆偵測完畢後，依據該時間間隔及偵測後的數據進行重組，以取得大型結構物件完整的模態參數。
請參照第四圖所示，其為本發明另一較佳實施例之結構監測方法的流程圖。如第三圖所示，本實施例之結構監測方法包含以下步驟：（I）設複數個標記單元10於一結構物件100上；（J）一時間間隔監測部分標記單元10所產生的結構位移，以取得部分標記單元10的一位移影像；（K）重複步驟（J），直至取得每一個標記單元10的該位移影像；（L）依據該位移影像，經影像處理取得每一個標記單元的一位移訊號；以及（M）重組每一個標記單元的該位移訊號，並計算該結構物件的一模態參數。
在步驟（I）中，裝設的複數個標記單元10為可被紅外線熱像裝置偵測的發熱元件如電熱片，在其他可能的實施例中，任何能透過紅外線熱像裝置偵測的發熱元件皆應於本發明的保護範圍內；而該結構物件100通常是較大型的結構如橋墩、風機或建築物等。
在步驟（J）至（L）中，利用如紅外線熱像裝置的監測裝置20，以一時間間隔對裝設於結構物件100上的部分標記單元10進行監測，由於標記單元10係可被紅外線熱像裝置偵測的發熱元件，因此可取得部分標記單元10的熱影像。又，當結構物件100受到外力產生振動（如地震），或是無法用確定函數描述卻產生一定規律的隨機振動（如陣風作用響應或海上風機或鑽井平台受波浪作用等），會使標記單元10產生結構位移，監測裝置20以一時間間隔即可拍攝記錄部分標記單元10的位移影像（位移熱影像）並傳送至數據處理裝置30。接續，數據處理裝置30的數據接收模組32接收該部分標記單元10的位移影像後，與數據接收模組32連接的數據處理模組34利用影像處理技術取得標記單元10的一位移訊號。最後，重複上述步驟直至監測裝置20偵測完每一個標記單元10，並取得每一個標記單元10的位移訊號。
而監測裝置具體的偵測方式可透過第二圖中的離岸風機結構為例。首先在第一時間段中，監測裝置20同時偵測第一和第二標記單元11、12的熱影像並取得第一和第二標記單元11、12的位移影像；在第二時間段中，監測裝置20調整鏡頭的拍攝方向及範圍，以同時偵測第二和第三標記單元12、13的熱影像並取得第二和第三標記點12、13的位移影像；在第三時間段中，監測裝置20再度調整鏡頭的拍攝方向及範圍，以同時偵測第三和第四標記單元13、14的熱影像並取得第三和第四標記單元13、14的位移影像。待所有標記單元偵測完畢後，數據處理裝置30會將每一個標記單元的位移影像利用影像處理技術取得每一個標記單元的位移訊號，上述監測裝置20偵測的時間間隔，以及每次偵測的標記單元數量皆可自行調整，本發明不應依此為限。
最後的步驟（M）中，由於前述的偵測方法會在不同時間段中偵測相同的標記單元10（如第一和第二時間段皆偵測有第二標記單元12），以利真測數據的校正；因此，數據處理模組34需依據該時間間隔重組每一個標記單元10的位移訊號後，計算出該完整結構物件100的模態參數；其中，模態參數包含結構物件的自然頻率、模態振型及阻尼等參數等，本發明不應依此為限。另一方面，該步驟也可以是先依據每一個標記單元10的該位移訊號（部分標記單元的位移訊號有重複）計算出每一個標記單元10的模態參數後，依據該時間間隔與模態參數進行振型重組及校正，以取得完整結構物件100的模態參數。
為驗證紅外線熱像裝置作為監測裝置的量測準確性，本發明使用傳統的加速度感測器作為實驗的對照組，同時計算利用紅外線熱像裝置及標記點和加速度感測器監測結構物件的自然頻率（Natural frequency）與模態振型（Mode shape）。該手段將利用操作模態分析中的頻域分解法計算模態參數，對輸出的功率響應譜（Power spectrum density, PSD）進行奇異值分解（Singular value decomposition, SVD）；而振型部份則是以模態置信準則量化，並將加速度感測器與紅外線熱像裝置的量測結果進行比較。第五圖展示了自然環境下以加速度感測器進行量測的奇異值數據圖及模態振型分析圖，第六圖則是在自然環境下以紅外線熱像裝置進行量測的奇異值數據圖及模態振型分析圖，其中紅外線熱像裝置進行量測的第一自然頻率為3.77（Hz）；而比較兩種量測方法的自然頻率其誤差落在4%（3.93%）以內，兩者的MAC值（Modal assurance criterion）達高度吻合的0.9963。
除此之外，為凸顯紅外線熱像裝置相較於光學感測器（如攝像機）的優勢，本發明進一步於夜晚黑暗、雲霧水氣及有遮蔽物的環境條件下對結構物件進行量測。首先，請參照第七圖，其為在夜晚黑暗環境下以紅外線熱像裝置進行量測的奇異值數據圖及模態分析振型圖；在黑夜環境下，紅外線熱像裝置量測的第一自然頻率平均值為3.69±0.22（Hz），其與自然環境下量測的自然頻率誤差為0.53%，與自然環境量測之間的MAC值為0.9976±0.0020。
第八圖則為在雲霧或水氣環境下以紅外線熱像裝置進行量測的奇異值數據圖及模態振型分析圖；在雲霧或水氣的環境下，紅外線熱像裝置量測的第一自然頻率平均值為3.59±0.05（Hz），其與自然環境下量測的自然頻率誤差為4.6%，與自然環境量測之間的MAC值為0.9924±0.0042。
最後，請參照第九圖，其為在有遮蔽物的環境下以紅外線熱像裝置進行量測的奇異值數據圖及模態振型分析圖，在有遮蔽物的下，紅外線熱像裝置量測的第一自然頻率平均值為3.52±0.06（Hz），其與自然環境下量測的自然頻率誤差為3.2%，與自然環境量測之間的MAC值為0.9803±0.0033。由上述資料可以發現，使用紅外線熱像裝置作為監測裝置進行在夜晚黑暗、雲霧水氣及有遮蔽物的環境量測，其計算出來的自然頻率及振型結果皆在合理範圍內，且與加速度感測器亦有高度的吻合性。
綜合以上所述，利用本發明所提出的監測系統及方法，其針對結構物件的量測數值與傳統感測器有相當的吻合度，證明其準確度的水平甚高，且建置及維護的成本遠少於需大量布設於結構物件上的傳統感測器；另一方面，使用紅外線熱像裝置進行量測還可有效解決一般光學攝像機於視線不佳或有遮蔽物導致無法量測的問題，為結構健康監測領域提出重大突破。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
1:結構監測系統 10:標記單元 11:第一標記單元 12:第二標記單元 13:第三標記單元 14:第四標記單元 20:監測裝置 30:數據處理裝置 32:數據接收模組 34:數據處理模組 36:數據儲存模組 100:離岸風電機 101:葉片 102:機艙 103:塔架 104:平台 105:套管結構 1051:支撐腳 1052:斜撐元件 106:基樁模組 X:軸線 B:水平面 S:海床
第一圖本發明較佳實施例之結構監測系統的示意圖。
第二圖為本發明較佳實施例之離岸風機結構及標記單元的示意圖。
第三圖為本發明較佳實施例之結構監測方法的流程圖。
第四圖為本發明另一較佳實施例之結構監測方法的流程圖。
第五圖為自然環境下以加速度感測器進行量測的奇異值數據圖及模態振型分析圖。
第六圖為自然環境下以紅外線熱像裝置進行量測的奇異值數據圖及模態振型分析圖。
第七圖為夜晚黑暗環境下以紅外線熱像裝置進行量測的奇異值數據圖及模態振型分析圖。
第八圖為雲霧水氣環境下以紅外線熱像裝置進行量測的奇異值數據圖及模態振型分析圖。
第九圖為有遮蔽物的環境下以紅外線熱像裝置進行量測的奇異值數據圖及模態振型分析圖。
1:結構監測系統
10:標記單元
20:監測裝置
30:數據處理裝置
32:數據接收模組
34:數據處理模組
36:數據儲存模組

Claims (8)

  1. 一種結構監測方法，包含以下步驟：(A)在一結構物件上設置複數個標記單元，係組態以允許該複數個標記單元之至少一部份為同軸設置，並與其他部份之該複數個標記單元連結形成三維空間，其中該複數個標記單元為電熱片；(B)一監控裝置根據一時間間隔監測該複數個標記單元之結構位移，且根據該結構位移產生每個標記單元之一位移影像，並重覆執行步驟(B)直至取得所有標記單元之該位移影像，其中該監控裝置為紅外線熱像裝置；(C)一數據接收模組接收並輸出該複數個位移影像至一數據處理模組，以將該複數個位移影像轉換成每個標記單元之一位移訊號，其中該數據接收模組與該監控裝置相接且該數據處理模組與該數據接收模組相接；以及(D)該數據處理模組執行重組該複數個位移訊號，並根據該複數個位移訊號計算獲得該結構物件的一模態參數。
  2. 如請求項1所述之結構檢測系統，於步驟(A)中，該複數個標記單元之至少一部份是在該三維空間中的X軸向上同軸設置。
  3. 如請求項1所述之結構檢測系統，於步驟(D)中，該模態參數包括自然頻率、模態振動及阻尼。
  4. 如請求項1所述之結構檢測方法，更包括步驟(E)：於執行步驟(B)、步驟(C)或步驟(D)後，藉由一數據儲存模組將 該位移影像、該位移訊號或該模態參數執行儲存，其中該數據儲存模組與該數據接收模組及該數據處理模組相接。
  5. 一種結構監測方法，包含：(I)在一結構物件上設置複數個標記單元，係組態以允許該複數個標記單元之至少一部份為同軸設置，並與其他部份之該複數個標記單元連結形成三維空間，其中該複數個標記單元為電熱片；(J)一監控裝置根據一時間間隔監測該複數個標記單元之結構位移，且根據該結構位移產生每個標記單元之一位移影像，並重覆執行步驟(J)直至取得所有標記單元之該位移影像，其中該監控裝置為紅外線熱像裝置；(K)一數據接收模組接收並輸出該複數個位移影像至一數據處理模組，以將該複數個位移影像轉換成每個標記單元之一位移訊號，其中該數據接收模組與該監控裝置相接且該數據處理模組與該數據接收模組相接；(L)該數據處理模組執行重組該複數個位移訊號，並，並根據該複數個位移訊號計算獲得該結構物件的一模態參數；以及(M)一數據儲存模組基於儲存的該位移影像、該位移訊號或該模態參數產生一歷史數據。
  6. 如請求項5所述之結構檢測方法，於步驟(I)中，該複數個標記單元之至少一部份是在該三維空間中的X軸向上同軸設置。
  7. 如請求項5所述之結構檢測方法，於步驟(L)中，該模態參數包括自然頻率、模態振動及阻尼。
  8. 如請求項5所述之結構檢測方法，於步驟(M)中，係沿著時間軸排列在該數據儲存模組中儲存的該位移影像、該位移訊號或該模態參數以形成該歷史數據。
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