ArchiSense и СФИУЗ: новые подходы к техническому обследованию зданий

Идентификация мод при OMA и EMA

Модальный анализ сооружения может выполняться как классическим методом с контролируемым воздействием (EMA – Experimental Modal Analysis), так и в режиме эксплуатации (OMA – Operational Modal Analysis), когда внешние воздействия случайны (ветер, трафик). В обоих случаях задача извлечь из сигнала натуральные частоты, формы и коэффициенты демпфирования колебаний конструкции. Поскольку здания и мосты имеют сотни форм колебаний, важно правильно настроить процедуры обработки данных. Один из первых шагов, выбор временных окон и длительности сигнала для расчета спектров. При анализе вибрации используют скользящее окно (например, сегменты по 5—10 минут) и вычисляют усредненные спектральные плотности, чтобы сгладить случайные флуктуации. Применение оконных функций (Хэннинга, Флаттоп и др.) необходимо, если отрезки сигнала не кратны периоду доминирующих компонент, иначе возможно потеря спектра (leakage). Например, при измерении затухающего колебания здания применяют экспоненциальное окно, уменьшающее конец записи, чтобы исключить обрезание неполного цикла. Также используют дискретное усреднение по реализациям (averaging) для повышения отношения сигнал или шум. Частотно-временные могут применяться для отслеживания изменения частот во времени, например, если во время землетрясения жесткость конструкции понижается из-за трещинообразования, тогда можно наблюдать дрейф собственных частот по спектрограмме. Ключевой этап – это выделение самих мод. В ОМА часто применяют метод EFDD (Enhanced Frequency Domain Decomposition), ищутся пики на сингулярных спектрах матрицы спектральной плотности, соответствующие резонансам, и по ширине пика определяется демпфирование. Затем на основе корреляции откликов разных датчиков восстанавливаются приближенные модальные формы. Более точные подходы используют другую стохастическую субпространственную идентификацию (SSI) – это вектор авторегрессии для сигналов, что позволяет напрямую вычислить собственные значения системы. Выделенные кандидаты мод проверяют на устойчивость при различных длинах данных, порядках модели, формируя стабилизационную диаграмму. После идентификации необходимых мод их можно сопоставить с расчетными или ранее измеренными. Здесь вводится особое понятие MAC (Modal Assurance Criterion) – это критерий модального соответствия. MAC между двумя векторами форм фi и фj определяется как:

и принимает значение от 0 до 1. Близкое к 1 значение указывает, что формы совпадают (линейно зависимы). При сопоставлении мод, полученных в разные моменты или разными методами, MAC широко используется: например, чтобы отследить конкретную форму колебаний со временем, текущую моду сравнивают с эталонной модой (с предыдущего этапа мониторинга) если MAC> 0.9, считается, что это та же самая форма. Автоматическая процедура такого сопоставления и есть modal tracking, о котором будет сказано далее. Важно отметить, что выбор ширины окон, наложения, типов оконных функций и критериев отбора сильно влияет на точность оценок. Например, при слишком коротком окне размывается частотное разрешение, а при слишком длинном предполагается стационарность характеристик, что может быть неверно во время больших событий (свойства конструкции могут измениться по ходу сильного землетрясения). Поэтому инженер должен протестировать разные настройки. EMA (классический модальный тест) чаще проводится на этапе испытаний возбуждение импульсным ударом или вибратором и измерение откликов позволяет напрямую получить FRF (частотные характеристики), по пикам которых извлекаются моды. Здесь также используют оконные функции для отделения импульса возбуждения и последующего свободного затухания (например, Force-Exponential window при ударных испытаниях). В контексте долгосрочного мониторинга зданий чаще ведется OMA, то есть оцениваются модальные параметры в рабочих условиях. Они затем сравниваются с базовыми (например, при возведении здания)? снижение частоты и рост демпфирования какой-либо формы может указывать на повреждения или снижение жесткости. Так, если первая частота изгиба башни упала на 5% относительно первоначальной, это может говорить об ослаблении связей или трещинах, возникших со временем.

Шумы, антиалайзинг и требования к АЦП

Сигналы с сенсоров динамики всегда содержат шумы, а именно собственный шум датчика, внешние электромагнитные наводки, квантование АЦП, дрейф. Для корректного измерения вибраций важно построить корректную шумовую модель и фильтрацию. Шум тензодатчиков и медленных датчиков часто близок к белому или 1/f -спектру, а у акселерометров и геофонов задается паспортом (спектральная плотность ускорения). Например, для сейсмоприемника с шумом 10⁻⁵ g среднеквадратично в полосе до 50 Гц можно считать шумовой процесс гауссовским стационарным. Если несколько датчиков ставят рядом, можно оценить долю коррелированного сигнала на фоне некоррелированного шума. Многоканальные алгоритмы (напр. алгоритм Д. Колмана) позволяют вычитать общекомпонентный шум. Обязательный элемент измерительной цепи антиалайзинг фильтр. Согласно теореме Шеннона, частоты сигнала выше половины частоты дискретизации fs/2 будут зеркально отображаться (алиасинг) в полезный спектр, искажая данные. Поэтому перед оцифровкой ставится аналоговый низкочастотный фильтр, отсекающий компоненты выше fs/2 с достаточным заглублением (обычно не менее 80—100 дБ). Современные АЦП для вибрации часто delta-sigma с внутренним цифровым фильтром и передискретизацией, но входной аналоговый фильтр все равно требуется. Проектируя систему мониторинга, выбирают частоту сэмплирования с большим запасом относительно верхней интересующей частоты сигнала. Например, для колебаний здания значимые моды обычно до 20 Гц, но ударные воздействия могут иметь содержимое до 100 Гц, поэтому можно взять fs = 256 Гц, а антиалайзинг фильтр настроить около 128 Гц. При работе с высокочастотными сенсорами требуются специализированные АЦП и фильтры. Разрядность АЦП определяет динамический диапазон системы. Слабые вибрации на фоне гравитации 1g требуют большого динамического диапазона. Например, наша собственная практика показала, что 16-разрядный АЦП дает около 96 дБ диапазона, 24-разрядный же ~144 дБ. Практически 24-bit sigma-delta АЦП часто имеют реальный СNR около 120 дБ, чего достаточно для сейсмических измерений. Важно также синхронизировать каналы между разными акселерометрами в системе должна быть строгая временная привязка. Профессиональные системы используют единый кристалл АЦП на несколько каналов либо синхронно запускаемые параллельные АЦП. Дополнительно, если система распределенная, применяют временные метки по GPS или сигнал синхронизации (мастер-слэйв) для рассогласования не хуже 1—2 мс на час, иначе при сравнении фаз колебаний между датчиками возникнет ошибка. И требования по хранению данных – это непрерывная запись акселерометра c fs = 200 Гц, 24 бита и это ~ 0.6 кБ/c, или ~ 50 МБ в сутки на один канал. При десятках каналов за год терабайты данных. Поэтому часто реализуют хранение по событиям, постоянный мониторинг ведется с пониженной частотой и разрешением, а при превышении порога система переходит в режим высокочастотной записи и сохраняет фрагмент. Либо осуществляют on-line сжатие и отбор и вычисляются усредненные показатели за минуту (СКЗ, спектр) для долговременного хранения, а «сырые» данные хранятся недолго или по запросу экспертов.

Материальные и средовые сенсоры

Коррозионный мониторинг. Коррозия арматуры и металлоконструкций серьезный фактор, влияющий на долговечность сооружений. Для ее мониторинга используются несколько типов сенсоров. Классический метод измерение потенциала полуускоренного элемента. На поверхность бетона устанавливается переносной или вмонтированный электрод сравнения (обычно медный купоросный Cu/CuSO₄ или хлорсеребряный Ag/AgCl), соединенный с арматурой через вольтметр высокого сопротивления. Измеряемый потенциал арматуры относительно электрода позволяет судить о вероятности коррозии. Например, по ASTM C876 потенциалы более -200 мВ означают низкую вероятность коррозии, а менее -350 мВ высокую вероятность коррозии арматуры. Такие потенциалы, конечно, желательно измерять не в одной точке, а сеткой по поверхности. Получается потенциалая карта, по которой выявляют активные коррозионные зоны (обычно над влажными или хлоридонасыщенными участками бетона).

Рисунок 5. «Электрический датчик коррозии (ER-зонд) для измерения скорости потери металла по росту электрического сопротивления чувствительного элемента. Источник: Wikimedia Commons (автор Diane.Res22), лицензия CC BY-SA 4.0.»

Для постоянного мониторинга могут устанавливаться стационарные электроды в защитном слое бетона. Другой подход электрические коррозионные датчики сопротивления – это тонкий металлический образец (проволока, пластинка) заданной геометрии помещается в контролируемую среду (бетон или грунт). По мере коррозии его сечение уменьшается, что отслеживается по росту электрического сопротивления. По изменению сопротивления во времени можно оценить скорость потери металла (мм в год). Эти датчики очень популярны и соответственно относительно просты и позволяют сравнивать агрессивность разных зон. Однако прямое преобразование сопротивления в потерю массы требует калибровки и учета равномерности коррозии (если образуется язвенная коррозия, то сопротивление меняется слабо до обрушения образца). Более научный метод линейная поляризационная резистентность (LPR). Он подразумевает электрохимический датчик с тремя электродами (рабочий, вспомогательный и ссылочный), установленными в бетон рядом с контролируемой арматурой. При прикладывании небольшого поляризационного потенциала (порядка ±20 мВ) к арматуре и измерении результирующего тока можно по закону Стерна-Геари вычислить плотность коррозионного тока icorr, связанного с текущей скоростью коррозии. Для этого измеряют наклон вольтамперной характеристики вблизи равновесия, так называемое поляризационное:

Коррозионный ток icorr обратно пропорционален Rp (с учетом коэффициентов Тафеля для данного металла). Значения icorr ≈ 0.1 µA/cm² указывают на незначительную коррозию, а более 1 1 µA/cm² на интенсивную коррозию арматуры. Преимущество метода это количественная оценка, а недостаток потребуются сложные датчики и стабильный контакт электродов с бетоном (непересыхающая среда). В дополнение, в конструкции могут монтироваться коррозионные индикаторы, небольшие стержни-жертвы из арматурной стали, оголенные от пассивации. Если среда становится агрессивной (хлориды, карбонация) и начинается коррозия на них раньше появятся признаки (например, срабатывает датчик на разрыв стержня или изменение электрического сигнала). Таким образом, сочетаются электрохимические (прогностические) методы и прямые (фиксирующие факт коррозии). Полученные данные сопрягаются с моделью: например, зная профили потенциалов и скоростей коррозии, можно оценить остаточную жизнь сечений до потери несущей способности (по модели распространения трещин в бетоне от ржавления арматуры). В общем и целом, система коррозионного мониторинга служит ранним предупреждением: если датчики показывают активизацию коррозии (падение потенциала, рост токов), то требуется принять меры – восстановление защиты, инъекции ингибиторов, снижение влажности.

Влажность и температура материалов

Влажностный режим сильно влияет на процессы старения конструкций (усадка, трещинообразование, коррозия). Поэтому при мониторинге часто измеряют влажность и температуру среды и материалов. Внутри бетонных конструкций могут устанавливаться датчики влажности относительной маленькие электронные гигрометры в поровом пространстве. Однако прямое измерение влажности внутри пор бетона затруднено; чаще используют датчики относительной влажности воздуха вблизи поверхности или в вентиляционных каналах. Диэльектрические влагомеры применяются для материалов (дерева, бетона): измеряя емкость или диэлектрическую проницаемость, они оценивают содержание воды. Калибровка таких приборов зависит от материала, например, для древесины существуют таблицы перевода диэлектрического показателя в массу влажности (%), для бетона обычно проводится индивидуальная калибровка на образцах. Основная проблема это температурная зависимость. Датчики влажности обычно встроены вместе с термометром, чтобы вносить поправку. Для контроля температуры внутри бетона при твердении устанавливают термисторы или термопары. Например, при возведении массивных сооружений (плотин) закладывают сеть термопар на разных глубинах, чтобы отслеживать теплоотдачу цемента и предотвратить чрезмерный градиент температур. В эксплуатации отслеживают температуру, т.к. она влияет и на деформации (температурные удлинения) и на прочность (при низких температурах хрупкость выше). Тепловизионный контроль используется для наружных ограждений и фасадов, а именно инфракрасная съемка выявляет теплопотери, мостики холода, участки увлажнения, щели и ошибки при строительстве. Влажные места обычно выделяются на тепловизоре контрастом температур при съемке вечером (влага увеличивает теплоемкость и теплопроводность, а при испарении охлаждает зону). Однако квантитативный анализ тепловизионных изображений требует учета коэффициента излучения материала, окружающей отраженной температуры и других факторов иначе можно получить ошибочные абсолютные значения. Поэтому тепловизоры используют в основном для качественной диагностики, а для мониторинга в численном выражении ставят контактные датчики. Например, слой утеплителя в системе фасада оснащают точечными термометрами и влагомерами: если утеплитель намокнет, его теплопроводность вырастет, что проявится в изменении распределения температуры под утеплителем при суточных колебаниях. Этот метод воплощает сочетание точечных сенсоров и тепловизионного надзора, что даёт наибольший эффект. В конечном счете, цель мониторинга микроклимата и влажности предотвратить деградацию (гниение древесины, коррозию, рост плесени) путем раннего обнаружения неблагоприятных режимов и оптимизации условий (например, улучшить вентиляцию, добавить гидроизоляцию, если датчики фиксируют конденсацию влаги в замкнутых пространствах).

Газовые датчики, протечки, дым

В зданиях с определенными технологиями или в подземных паркингах устанавливаются датчики контролируемых газов:

– CO (угарный газ) – токсичен и может накапливаться в гаражах,

– CO₂ (углекислый газ) – маркер вентиляции (в помещениях, чтобы регулировать свежесть воздуха),

– CH₄ (метан) или пропан – индикаторы утечки бытового газа.

Рисунок 5. Настенный датчик угарного газа (CO) с электрохимическим сенсором».

Атрибуция: Фото: Donald Trung, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons.

Датчики CO обычно электрохимические: внутри ячейки протекает реакция окисления CO, генерируя ток, пропорциональный концентрации. Они чувствительны и позволяют обнаружить концентрации десятки ppm. При превышении порога (~50 ppm) система вентиляции автоматически усиливается, а при опасных уровнях (> 100 ppm) срабатывает аварийная сигнализация. Датчики метана бывают каталитические (горячий сенсор с катализатором окисляет газ, изменение температуры меняет сопротивление) или инфракрасные (оптический NDIR анализ по поглощению ИК-лучей определенной длины волны). Их размещают вблизи потолка (метан легче воздуха) в котельных, кухнях, приямках с газовым оборудованием. При срабатывании обычно перекрывается электромагнитный клапан на газопроводе и включается вентиляция. Датчики протечки воды один из самых важных элементов для зданий, особенно серверных, музеев и т. п.

Рисунок 6. Пример структуры системы обнаружения протечек воды. Фото: Engr.Syful, CC BY-SA 4.0 / Wikimedia Commons.

Они представляют собой либо кабельный датчик (шнур, который при намокании изменяет сопротивление или емкость) прокладывается вдоль потенциально опасных зон (под трубами, вокруг емкостей), либо точечные сенсоры (две оголенных клеммы на полу: если вода их замыкает, формируется сигнал). При обнаружении протечки сигнал уходит в систему управления, которая может отключить водоснабжение и оповестить персонал. Например, в больших зданиях кабельные датчики формируют адресную цепь длиной десятки метров и способны локализовать место утечки с точностью 1—2 м, измеряя время прохождения сигнала по линии (принцип времени распространения волны вдоль длинного резистивного элемента). Датчики дыма являются частью системы пожарной безопасности: ионизационные (с слабым источником альфа-частиц, чувствительные к дыму по ионизации воздуха) или оптические (светорассеяние на дымовых частицах). Хотя они не относятся к SHM напрямую, они интегрируются в общую платформу мониторинга здания для комплексной безопасности. При проектировании сценариев безопасности учитывают сочетание сигналов, например, одновременное срабатывание датчика метана и дыма указывает на горение газа, требуются одни действия; срабатывание только метана, утечка без горения, другие действия. Такие сценарии закладываются в логику контроллера, вот например, при утечке газа следует обесточить электроцепи, чтобы исключить искры, при дыме следует отключить вентиляцию (чтобы ограничить приток кислорода) или, наоборот, включить дымоудаление в нужной зоне. Таким образом, датчики среды вкупе с алгоритмами позволяют реализовать автоматизированные сценарии безопасности, минимизируя воздействие человеческого фактора и ускоряя реакцию в аварийных ситуациях.

Инженерные сети и внешние поля

Мониторинг инженерных сетей: электричество, вода, HVAC

В рамках концепции умного здания сенсорная система охватывает не только несущие конструкции, но и инженерные коммуникации, а именно электроснабжение, водопровод, канализацию, отопление, вентиляцию, кондиционирование (HVAC). Их состояние влияет на безопасность и функционирование объекта, а также косвенно на конструкции (например, протечка труб может привести к увлажнению и снижению прочности перекрытий). Поэтому в системах мониторинга предусматриваются датчики и метрики для этих подсистем. В электросети ключевые параметры напряжение, ток нагрузки на фазах, коэффициент мощности, качество электроэнергии (гармоники, просадки напряжения). Устанавливаются цифровые мультиметры или трансформаторы тока с аналого-цифровыми модулями, передающие на платформу текущее энергопотребление, дисбаланс фаз. Если зафиксирована перегрузка или просадка напряжения, система может предупредить о неисправности или перегреве проводки. В водоснабжении ставят датчики давления на подающих линиях, падение давления может сигнализировать об утечке или разрыве трубы, а рост о закупорке или закрытии задвижки. Расходомеры (турбинные, ультразвуковые) на вводе и ключевых отводах позволяют не только учитывать потребление, но и через баланс вычислять утечки, если суммарный расход по квартирам сильно меньше показаний ввода есть скрытая утечка. Похожие принципы используются для теплосетей и HVAC: температурные датчики на подаче и обратке, расход теплоносителя, давление вся эта телеметрия собирается. На основе ее анализируют эффективность теплоснабжения (например, дельта температур дает используемую тепловую мощность), выявляют неполадки (падение расхода может говорить о застое, завоздушивании). В системе кондиционирования воздуха (особенно в больших общественных зданиях) отслеживаются температуры воздуха на входе и выходе, влажность, концентрация CO₂ в помещениях, скорости потока в воздуховодах. Это нужно и для поддержания комфортного режима, и для энергооптимизации. Например, датчики CO₂ в переговорной комнате при росте концентрации выше 1000 ppm дадут команду приточной вентиляции увеличить подачу свежего воздуха. Канализационные насосы могут контролироваться по току двигателя и уровню в приемном колодце, если уровень растет, а ток насоса нулевой, вероятно, отказ насоса или отключение, и если ток высокий без снижения уровня значит забился трубопровод. Все эти сигналы стекаются в единую систему (диспетчеризацию), где по ним формируются предупреждения или автоматические воздействия (например, резервный насос включается при аварии основного). Внешние сети также важны, в мониторинг могут включаться датчики городских коммуникаций, влияющих на здание датчики давления газа в городской сети (чтобы отключить здание при аварии), датчики температуры наружного воздуха и осадков (для прогноза теплопотребления и снеговой нагрузки на крышу). Итого, подобный «умный мониторинг здания» – всё это совокупность множества подсистем, снимающих метрики состояния инженерных систем наряду с конструктивными параметрами. Конечно в идеале, все эти данные хранятся согласованно по времени, чтобы можно было сопоставлять события, скажем, резкое снижение напряжения питания и одновременное отключение датчиков, что значит, проблема в электроснабжении, а не в самих сенсорах.

Геодезические и геотехнические измерения

Здания взаимодействуют с основанием, поэтому системный мониторинг включает контроль окружающего грунта и геометрического положения сооружения. Применяются геодезические методы, около здания может быть развернута автоматизированная тахеометрическая станция, постоянно измеряющая призмы-отражатели на сооружении и близлежащем грунте. Измеряются осадки (вертикальные смещения) и горизонтальные сдвиги с точностью до 1—2 мм при дистанции в сотни метров. В реальном времени это позволяет отслеживать, например, просадку фундамента во время выкапывания соседнего котлована. Тахеометры часто работают в режиме роботизированного мониторинга, прибор на посту по программе обходит по кругу десятки марок и передает координаты на сервер. Для больших протяженных объектов (мосты, трубы) все чаще используют спутниковые GNSS или RTK датчики. Высокоточный RTK-приемник (GPS/ГЛОНАСС) на крыше здания может непрерывно выдавать положение с точностью ~5 мм в плане и ~10 мм по высоте, особенно если рядом установлен базовый приемник на неподвижной опоре для дифференциальной коррекции. GNSS дает ценную информацию о суточных и сезонных перемещениях здания (например, тепловое расширение может отклонять вершину высотки на несколько сантиметров ежедневно). Для склонов, котлованов, земляных дамб применяют инклинометрические колонны: в скважину устанавливается пластиковая трубка с направляющими пазами, по которой периодически (или постоянно, с помощью цепочки MEMS-наклономеров) измеряется кривизна профиля. Изменение наклона на разных глубинах позволяет определить сдвиги грунта (например, развитие оползня или выпирание грунта в котловане). Такие данные предупредят об опасном развитии до того, как оно проявится на поверхности. Пьезометры – это датчики уровня грунтовых вод или порового давления. Они устанавливаются в грунт под фундаментами и рядом. Рост порового давления (например, после сильных дождей или утечки воды из коммуникаций) сигнализирует об опасности подразмыва основания, потери устойчивости откоса или о том, что гидроизоляция подвала может быть вскоре нарушена. Пьезометры бывают открытые (трубка с водой, уровень измеряется поплавком или датчиком давления) и закрытые (герметичные ячейки давления с электроникой). Помимо этого, в геотехнический мониторинг включают наклономеры на откосах, тензометры напряжений в грунте, датчики нагрузки на анкерах и сваях и т. п. Все эти данные позволяют получить целостную картину: например, при сооружении глубокого котлована рядом с существующим зданием будут контролироваться осадки здания (тахеометр), деформация стенок котлована (инклинометры), тяговое усилие анкерных тяг (тензодатчики на анкер), поры грунта (пьезометры). По совокупности можно судить о соответствии фактической картины расчетной модели и вовремя (в режиме реального времени) обнаружить отклонения, требующие вмешательства (разгрузки, усиления). Данные геодезии и геотехники интегрируются с конструктивными: если фундамент начал крениться по данным геодезии – это проявится и в изменении распределения деформаций в колоннах, что фиксируют тензодатчики. Таким образом, достигается избыточность и верификация: независимые сенсоры подтверждают друг друга.