Lytte til signaler, der rejser gennem broer for at diagnosticere skader

En gruppe matematikere fra Clarkson University og en civilingeniør udviklede en passiv og ikke -invasiv tilgang til at "lytte" til en samling af relevante signaler fra broer og andre mekaniske strukturer for at diagnosticere ændringer eller skader.

Som gruppen rapporterer i denne uge i Kaos , deres fremgangsmåde indebærer installation af accelerometersensorer forskellige steder langs en bro for at måle, hvordan hver lille del af broen forstyrres som reaktion på en lastbil, der kører over.

"Signaler fra sensorer i nærheden af ​​lastning af lastbiler er relevante, men det er signaler langt væk, fordi de reagerer, når brostrukturen bøjer under sin belastning, og hele strukturen svinger som en guitarstreng, men tydeligvis mere kompliceret, "sagde Erik M. Bollt, en professor i W. Jon Harrington i Institut for Matematik ved Clarkson University, ligger i Potsdam, NY.

Accelerationer fungerer som "et lyttermedie til kræfter og accelerationer, der bevæger sig gennem strukturen, "Sagde Bollt." Signaler, der rejser gennem strukturen, forventes at ændre sig, hvis broen ændrer sig, såsom en revne i strukturen, eller hvis nogle af boltene, der holder den sammen, løsnes bevidst. "

En central del af gruppens analyse er en databehandlingsteknik kaldet "optimal gensidig informationsinteraktion, "som blev udviklet til at identificere betydelige direkte interaktioner mellem individuelle komponenter i et system.

"Vores teknik vedtager ideer fra informations- og kommunikationsteori og bruger state-of-the-art statistiske estimeringsrutiner, "sagde Jie Sun, en adjunkt i Institut for Matematik ved Clarkson University. "Nøglebegrebet er at søge efter interaktioner, der er mest relevante for stigningen i forudsigelighed af brosvingninger. Hvis broens struktur er blevet ændret på grund af skader eller deformation, detaljerne forventes at ændre sig, gør det muligt for os at opdage broens sundhedsstatus. "

Gruppens arbejde skiller sig ud, fordi det samler to unikke aspekter for at opdage skader inden for broer eller andre mekaniske strukturer.

"Den ene er den ikke -invasive og automatiserede karakter af dataindsamlingsprocessen, "Sun sagde." Den anden er det dataanalyseværktøj, vi udviklede, som kan udlede direkte informationsflow og betydelige interaktioner. Ved at kombinere dem, vi er i stand til - udelukkende fra dataene - at opdage tilstedeværelsen af ​​strukturelle ændringer inden for broen som kontrolleret og varieret i vores eksperiment. "

Langs vejen, de tre involverede matematikere fandt nogle interessante strukturelle defekter afsløret ved dataanalyse af betydelige interaktioner, hvilket undrede dem i lang tid, fordi det bare ikke gav mening.

"Vores analyse foreslog en 'grænse' i midten af ​​det overdækkede område, hvor der ikke er nogen tilsyneladende strukturel defekt eller mønster, "Sun sagde." Efter lange diskussioner med vores civilingeniør -samarbejdspartner, Kerop Janoyan, professor i civilingeniør ved Clarkson University, vi indså endelig, at vi hele tiden havde været forvirrede, fordi det overdækkede område ikke er hele broen i forsøget, men snarere en tredjedel og den 'grænse', vi opdagede, er netop der, hvor der er en strukturel grænse-en eller anden understøttende struktur nedenunder. "

Broer er allestedsnærværende, så det er vigtigt at være i stand til at opdage strukturelle skader så tidligt som muligt for at undgå katastrofale resultater. Men opdagelse af strukturelle skader, hvilket ofte udføres manuelt, kan være dyrt og i mange tilfælde ikke effektivt.

Da gruppens arbejde kombinerer moderne sanseteknologi med state-of-the-art dataanalyseværktøjer til at automatisere denne proces, "det kan bruges til tidlig opsporing af strukturelle ændringer og skader, før det kræves inspektion af et menneske, "Sagde Bollt.

Denne fremgangsmåde kan bruges sammen med billig instrumentering til alle slags strukturer - fra broer til vindmøller, bygninger til fly.

"Accelerometre bliver så billige, at vi finder dem selv inden for mobiltelefoner, så dette vil blive en data -lavine, fungerer som et ægteskab med moderne big data -analyser med strukturel sundhedsovervågning, "Sagde Bollt.

Gruppen arbejder nu på at gøre deres tilgang implementerbar.

"På den mere teoretiske side, vi bygger en database med bromodeller, der let kan simuleres og testes via computere for at kalibrere parametre i metoden, og vi udvikler også forbedrede statistiske estimatorer til hurtigere at producere mere præcise resultater, "Bollt sagde med Suns accept." På den eksperimentelle side, vi samarbejder med laboratorier for at teste vores metoder til andre strukturer, herunder flyvinger under forskellige forhold. "