Az integrált állapotfigyelés ( CSI ) a felderítési stratégia megvalósítási folyamata és végrehajtása, valamint a szerkezetek tervezésében bekövetkezett károk jellemzése . Itt a károsodást a CSI-rendszer fizikai és / vagy geometriai tulajdonságainak megváltoztatásaként definiáljuk, beleértve a határfeltételek és a rendszerkapcsolat változását, ami hátrányosan befolyásolja a rendszer teljesítményét. A CSI folyamat magában foglalja a rendszer időbeli megfigyelését dinamikus és mintavételezett mérések alkalmazásával, amelyeket rendszeresen végeznek egy érzékelő tömbből, ezeken a méréseken keresztül kivonja a sérülésre érzékeny jellemzőket, és e jellemzők statisztikai elemzésével meghatározhatja a rendszer aktuális egészségi állapotát. A hosszú távú CSI esetében ennek a folyamatnak a kimeneteit rendszeresen frissítik, és információkat nyújtanak arról, hogy a szerkezet képes-e a rendeltetésszerű funkciót ellátni, tekintettel az üzemi környezetekből eredő elkerülhetetlen elöregedésére és leépülésére. Intenzív események, például földrengések vagy robbanások után a CSI-t gyors egészségügyi szűrésre használják, és célja, hogy közel valós időben megbízható információkat nyújtson a szerkezet integritásáról.
A kvalitatív és a megszakítás nélküli módszereket már régóta használják a struktúrák és a tervezett funkciók teljesítésére való képességük felmérésére. A XIX . Század eleje óta a vasút alkalmazottai egy kalapács hangját ütötték meg a vonat kerekén, hogy megnézzék, vannak-e sérülések. A forgó gépeknél a rezgésfigyelést évtizedek óta használják a teljesítmény értékelésének technikájaként. Két módszer létezik a CSI területén, egyrészt a Raghavan és a Cesnik technika, amelyek a hullámok terjedésén alapulnak, másrészt a rezgéseken alapuló technikák. Általánosságban elmondható, hogy a CSI rezgéseken alapuló szakirodalma két szempontra osztható: az első, ahol a dinamikus jellemzők meghatározására modelleket javasolnak a dinamikus jellemzők meghatározására, más néven közvetlen probléma, például egységes keretrendszerre utalnak (en) a második, amelyben például a dinamikus jellemzőkkel meghatározzák a káros jellemzőket, más néven inverz problémát. Az elmúlt tíz-tizenöt év során megjelentek a CSI technológiák, miközben egy izgalmas új területet hoztak létre a mérnöki különféle ágakon belül. A kifejezetten a CSI-re összpontosító tudományos konferenciák és folyóiratok közül ebben az időszakban került sor. Ezek a technológiák mára egyre gyakoribbá válnak.
A CSI probléma a statisztikai mintafelismerési paradigma összefüggésében közelíthető meg . Ez a paradigma négy részre bontható: (1) Műveleti értékelés, (2) Adatgyűjtés és -tisztítás, (3) Jellemzők kinyerése és Adattömörítés és (4) A tulajdonságokkal kapcsolatos megkülönböztetés statisztikai modelljének kidolgozása. Amikor megpróbálja ezt a paradigmát a valós struktúrák adataira alkalmazni, gyorsan nyilvánvalóvá válik, hogy az adatok tisztításának, tömörítésének, normalizálásának és olvadásának képessége a működési és környezeti változékonyság figyelembevétele érdekében aggodalomra ad okot. 4 megközelíti ezt a paradigmát. Ezek a folyamatok hardveres vagy szoftveres támogatáson keresztül valósíthatók meg, és általában e két megközelítés kombinációját alkalmazzák.
Ezt a koncepciót általában Strukturális Integritásértékelésnek vagy CSI-nek nevezik, és ezt az elgondolást széles körben alkalmazzák az infrastruktúra különféle formáira, főleg, hogy a világ minden országában a különböző infrastruktúrák építésének hosszabb időszaka kezdődik, a hidaktól a felhőkarcolókig . Fontos megjegyezni, hogy egyre nehezebb szakaszok igénylik az előző szakaszok ismeretét, különösen a szerkezetek károsodásakor, nevezetesen:
1. Fedezze fel a szerkezet károsodását
2. Keresse meg a károkat3. Határozza meg a kár típusait
4. A kár súlyosságának számszerűsítése
Szükséges a jelfeldolgozás és a statisztikai osztályozás arra, hogy a szenzorinfrastruktúra állapotára vonatkozó adatokat kárértékekké alakítsuk ki az értékeléshez.
Az operatív értékelés négy kérdés megválaszolására törekszik a károkozás ismeretének megszerzésével kapcsolatban:
i) Melyek a CSI végrehajtásának biztonsági és / vagy gazdasági okai? ii) Hogyan határozható meg a felülvizsgálat alatt álló rendszer károsodása, és többszörös károsodás esetén mely esetek jelentik a legnagyobb aggodalmat? iii) Milyen működési és környezeti feltételek mellett működik az ellenőrzendő rendszer?Az operatív értékelés megkezdi a határokat annak meghatározására, hogy mit fognak ellenőrizni, és hogyan fogják végrehajtani a monitoringot. Ez az értékelés a kárfelismerési folyamatot kezdi igazítani az ellenőrzött rendszer sajátos jellemzőihez, és megkísérli kiaknázni a feltárandó kár egyedi jellemzőit.
A CSI-folyamat adatgyűjtési része magában foglalja a gerjesztési módszerek kiválasztását, az érzékelők típusait , azok számát és helyét, valamint az adatok gyűjtésére, tárolására és továbbítására szolgáló berendezéseket. Ez a folyamat ismét alkalmazásfüggő lesz. A gazdasági megfontolások fontos szerepet játszanak e döntések meghozatalában. Figyelembe kell venni az adatok gyűjtésének intervallumait is.
Mivel az adatok különböző körülmények között mérhetők, az adatok normalizálásának képessége nagyon fontosá válik a károk azonosítási folyamata szempontjából. Az adatok normalizálása az a folyamat, amely elválasztja a szenzorolvasás károsodás által okozott változásait a változó üzemi és környezeti feltételek által okozottaktól. Az egyik leggyakoribb eljárás a mért bemenetek által mért válaszok normalizálása. Ha a környezeti vagy működési változékonyság kérdés, szükség lehet az adatok időbeli normalizálására, hogy megkönnyítsük a környezeti vagy működési ciklus hasonló pontjain mért adatok összehasonlítását. Az adatgyűjtési folyamatban és a nyomon követett rendszerben a változékonyság forrásait meg kell határozni és a lehető legkisebbre kell csökkenteni. Általában nem tudjuk kiküszöbölni a variabilitás minden forrását. Ezért szükséges elvégezni a megfelelő méréseket, hogy ezeket a forrásokat statisztikailag számszerűsíteni lehessen. A változékonyság a változó környezeti és vizsgálati körülményekből, az adatok csökkentésének folyamatában bekövetkező változásokból és az egységek közötti következetlenségekből adódhat.
Az adattisztítás az a folyamat, amellyel szelektíven kiválasztják, hogy mely adatokat továbbítsák vagy elutasítsák a szolgáltatás kiválasztásának folyamatából. Az adattisztítási folyamat általában azon adatokon alapul, amelyeket az adatgyűjtésben közvetlenül érintettek szereztek. Például a tesztbeállítás ellenőrzése során kiderülhet, hogy egy érzékelő lazán van felszerelve, és ezért a mérést végző személyek megítélése alapján az adott adathalmaz vagy az adott érzékelőtől származó adatok különösen eltávolíthatók a jellemzők kiválasztásának folyamatából . A jelfeldolgozási technikák, például a szűrés és az újramintavétel, szintén adattisztítási eljárásoknak tekinthetők.
Végül a CSI-folyamat adatgyűjtési, normalizálási és tisztítási része nem lehet statikus. A jellemzők kiválasztásának folyamata és a statisztikai modell fejlesztési folyamata során nyert információk információkat nyújtanak azokról a változásokról, amelyek javíthatják az adatgyűjtési folyamatot.
A CSI folyamatnak a szakirodalomban a legnagyobb figyelmet kapó része az adatjellemzők azonosítása, amelyek megkülönböztetik az egészséges és a sérült struktúrát. Az adatok sűrítése velejárója ennek a funkciók kiválasztásának folyamatának. A károk azonosításának legjobb tulajdonságai ismét az alkalmazásspecifikusak.
Az egyik leggyakoribb jellemzőkivonási módszer a rendszer mért válaszainak nagyságrendjein, például a rezgés amplitúdóján vagy gyakoriságán, a lebontó rendszer közvetlen megfigyelésén alapul. A sérülések azonosítására szolgáló jellemző tulajdonságok kifejlesztésének másik módszere az, hogy a tényleges üzemi körülmények között elvártakhoz hasonlóan hibákat kell alkalmazni a rendszereken, és ki kell alakítani a várható károkra érzékeny paramétereket. A meghibásodott rendszert fel lehet használni annak igazolására is, hogy a diagnosztikai mérések elég érzékenyek-e az ép rendszer és a sérült rendszer azonosított jellemzőinek megkülönböztetésére. Az elemzési eszközök, például a kísérletileg validált végeselemes modellek használata nagy előny lehet ebben a folyamatban. Sok esetben analitikai eszközöket használnak numerikus kísérletek elvégzésére, ahol a hibákat egy számítógépes szimulációba vezetik be. A megfelelő jellemzők azonosítására a károsodás felhalmozódásának tesztelése is felhasználható, amelynek során a vizsgált rendszer jelentős része szerkezeti alkatrészeit reális terhelési viszonyoknak vetik alá. Ez a folyamat magában foglalhatja az indukált károsodási teszteket, a fáradtság tesztelését, a korrózió növekedését vagy a hőmérséklet-ciklust, hogy bizonyos típusú károsodásokat gyorsított módon felhalmozzon. A megfelelő jellemzőkbe betekintést többféle analitikai és kísérleti vizsgálatból nyerhetünk, a fentiek szerint, és általában e vizsgálatok kombinációjából nyert információk eredménye.
A CSI elvégzéséhez szükséges operatív megvalósítási és diagnosztikai mérési technikák több adatot eredményeznek, mint a strukturális dinamikai információk hagyományos felhasználása. Az adatok sűrítése előnyös és szükséges, ha figyelembe vesszük a szerkezet élettartama alatt elért számos jellemző tulajdonság összehasonlítását. Ezen túlmenően, mivel az adatokat egy struktúrából hosszú időn keresztül és üzemi környezetben fogják megszerezni, robusztus adatcsökkentési technikákat kell kidolgozni annak érdekében, hogy a környezeti és működési körülmények jelenlétében fenntartsák a jellemző tulajdonságok érzékenységét az érdeklődésre számot tartó strukturális változásokkal szemben. változékonyság. A CSI elvégzéséhez szükséges minőségi adatok kinyerésének és rögzítésének további megkönnyítése érdekében a jellemző tulajdonságok statisztikai szignifikanciáját le kell jellemezni és alkalmazni kell a kondenzációs folyamatban.
A CSI-folyamatnak a szakirodalomban a legkevesebb figyelmet kapott része statisztikai modellek kidolgozása az ép szerkezetek és a sérült szerkezetek jellemző tulajdonságainak megkülönböztetésére. A statisztikai modellek kidolgozása olyan algoritmusok megvalósításával foglalkozik, amelyek a kivont entitásokra hatnak annak érdekében, hogy számszerűsítsék a szerkezet károsodásának állapotát. A statisztikai modellek kidolgozásában használt algoritmusok általában három kategóriába sorolhatók. Amikor ép és sérült struktúráról is rendelkezésre állnak adatok, a statisztikai mintázatfelismerő algoritmusok az általános osztályozás alá tartoznak, az úgynevezett felügyelt tanulásnak. A csoportos osztályozás és a regresszióanalízis a felügyelt tanulási algoritmusok kategóriái. A felügyelet nélküli tanulás olyan adatokra alkalmazott algoritmusokra utal, amelyek nem tartalmaznak példákat a sérült struktúrára. A kiugró vagy újdonság-észlelés az algoritmusok elsődleges osztálya a felügyelet nélküli tanulási alkalmazásokban. Minden algoritmus elemzi a mért vagy levezetett jellemzők statisztikai eloszlását a károk azonosítási folyamatának javítása érdekében.
Az elmúlt két évtizedben a CSI-ről kialakult hatalmas irodalom alapján azt állíthatjuk, hogy ez a terület addig érett, hogy több alapvető axióma vagy általános elv is megjelent. Ezeket az axiómákat a következőképpen soroljuk fel:
A CSI rendszer elemei a következők:
Példa erre a technológiára az érzékelők integrálása olyan szerkezetekbe, mint a hidak és a repülőgépek. Ezek az érzékelők valós idejű monitorozást nyújtanak a különböző szerkezeti változások, például a feszültségek és a feszültségek szempontjából. Mélyépítmények esetében az érzékelők által szolgáltatott adatokat általában távoli adatgyűjtő központokba továbbítják. A modern technológia segítségével valósítható meg a szerkezetek valós idejű vezérlése (Aktív strukturális vezérlés) az érzékelőktől származó információk alapján.
Az Integrált szél és egészségügyi felügyeleti rendszer kifinomult híd monitoring rendszer, költségszámítás US $ 1.300.000, amelyet a hongkongi autópálya Department, hogy biztosítsák a kényelmet és a biztonságot Tsing Ma híd felhasználók. , Ting Kau , Kap Shui Mun és kőfaragók .
A hidak integritásának, tartósságának és megbízhatóságának figyelemmel kísérése érdekében az integrált szélenergia- és egészségellenőrzési rendszernek négy különböző működési szintje van: érzékszervi rendszerek, adatgyűjtő rendszerek, helyi központosított számítógépes rendszerek és a teljes központi számítógépes rendszer.
Az érzékszervi rendszer körülbelül 900 érzékelőből és azok megfelelő interfészegységeiből áll. Több mint 350 érzékelővel a Tsing Ma hídon, 350-en a Ting Kaun és 200-on a Kap Shui Mun-on, a hidak szerkezeti viselkedését a nap 24 órájában, a hét minden napján mérik.
Az érzékelők közé tartoznak gyorsulásmérők, feszültségmérők, elmozdulás-jeladók, szintérzékelő állomások, anemométerek, hőmérséklet-érzékelők és dinamikusan mozgó súlyérzékelők. Mindent mérnek, a szerkezeti elemek aszfaltjának hőmérsékletétől és feszültségeitől kezdve a szélsebességig, a kábelek mérföldjeinek elhajlásáig és forgatásáig, valamint a hidak és tornyok bármilyen mozgásáig.
Ezek az érzékelők a hidak korai figyelmeztető rendszerei, amelyek alapvető információkat nyújtanak, amelyek segítenek az autópálya-részlegnek a híd általános egészségi állapotának pontos ellenőrzésében.
A szerkezeteket úgy alakították ki, hogy 95 m / s átlagos szélsebességig ellenálljanak . 1997-ben, amikor a Typhoon Victor hit Hong Kong közvetlenül, szélsebesség, 110 és 120 km / h került rögzítésre. A legmagasabb szélsebesség azonban 1962-ben a Wanda tájfun volt, amikor egy 3 másodperces gólyát 78,8 méter / s sebességgel, 284 km / h sebességgel regisztráltak .
A több száz különböző érzékelőből származó információt továbbítják az adatgyűjtő egységeknek. Három adatgyűjtő egység található a Tsing Ma hídon, három a Ting Kau-n és kettő a Kap Shui Mun-on.
Ezeknek a rendszereknek a számítási teljesítménye az adminisztrációs épületben van, amelyet a Tsing Yi-i autópálya-részleg használ. A központi és a helyi számítógépes rendszer biztosítja az adatgyűjtés, utófeldolgozás, továbbítás és tárolás vezérlését. A teljes rendszert adatgyűjtésre és -elemzésre, a hidak fizikai állapotának és szerkezeti funkcióinak értékelésére, valamint az adatgyűjtési, elemzési és értékelési folyamatok integrálására és manipulálására használják.
A következő projektek ismertek a folyamatban lévő legnagyobb hídfigyelő projektek között:
Nagyméretű híd állapotfigyelés végezhető úgy, hogy egyszerre mérjük a hídon levő terheléseket és azok hatásait. Általában magában foglalja a következők ellenőrzését:
Ezzel a tudással a mérnök:
Oregon állam az Egyesült Államokban, és különösen a Közlekedési Minisztérium Hídmérnöki Tanszéke kifejlesztett és végrehajtott egy integrált egészségmegfigyelési (CSI) programot, amint ezt a műszaki dokumentum említi. Steven Lovejoy, vezető mérnök.
Rendelkezésre állnak olyan hivatkozások, amelyek bevezetést nyújtanak a száloptikai érzékelők alkalmazásához a hidak integrált állapotfigyeléséhez.
Gépészmérnöki Tanszék
Mezőgazdasági és mélyépítési épület, Manitobai Egyetem
Amerikai egyesült államokNemzetközi Társaság az intelligens infrastruktúrák integrált egészségfigyeléséhez (ISHMII).
Betontechnológiai és szerkezeti viselkedési laboratórium (LABEST) Portóban.
svájci
Ausztrál Integrált Egészségmegfigyelési Hálózat (CSI).