Мониторинг неисправностей мостов на основе интервальных оценок дисперсии помехи вибрационного зашумленного сигнала

Рассмотрены особенности мостов. Отмечено, что в процессе эксплуатации мосты подвергаются влиянию внешних факторов, например, изменению температуры, порывам ветра, гололеду, ливневым дождям, сейсмическим и оползневым воздействиям и др. В результате в конструкциях мостов появляются повреждения, коррозия, неисправности и т. д. Поэтому создаются системы мониторинга технического состояния моста. Однако эти системы мониторинга не дают возможность выявить латентный период возникновения неисправности в конструкции моста и проследить динамику ее развития. Отмечено, что образование даже самых незначительных неисправностей в конструкциях моста сопровождается появлением в вибрационном сигнале аддитивной помехи, коррелированной с полезным сигналом. Характеристики этой помехи несут в себе информацию об образовании дефектов и неисправностей в конструкциях моста. Однако помеху невозможно выделить из зашумленного вибрационного сигнала, чтобы вычислить оценки этих характеристик традиционными методами. Поэтому разработаны алгоритмы вычисления характеристик помехи зашумленного вибрационного сигнала. Предложены технологии раннего обнаружения неисправностей моста, а также анализ динамики их развития по интервальным оценкам дисперсии помехи. Составлена матрица и модель неисправного технического состояния моста. Для контроля динамики развития неисправностей составлены доверительные интервалы для оценок дисперсии помехи зашумленного вибрационного сигнала в различные моменты времени. Установлено соответствие между каждым значением доверительного интервала дисперсии помехи зашумленного вибрационного сигнала и степенью развития неисправности или дефекта мостового сооружения. Для каждой верхней границы доверительного интервала дисперсии помехи вычислено отношение дисперсии помехи к дисперсии полезного сигнала, и определена динамика развития степени опасности. Показано, что применение разработанных алгоритмов и технологий в системах мониторинга позволят сигнализировать о зарождении неисправности и дефекта в скрытом периоде их появления, что обеспечивает безопасность, надежность и эффективность функционирования мостового сооружения и уменьшает риск возможной аварии.

1. Bętkowski P. Steel Relieving Constructions in Mining Areas as Temporary or Permanent Railway Bridges, Transport Problems, 2020, vol. 15, iss. 2, pp. 107—118, DOI: 10.21307/tp-2020-024.

2. Salem O., Salman B., Ghorai S. Accelerating construction of roadway bridges using alternative techniques and procurement methods, Transport, 2018, vol. 33, iss. 2, pp. 567—579, DOI: 10.3846/16484142.2017.1300942.

3. O’Brien E. J., Leahy C., Enright B., Caprani C. C. Validation of scenario modelling for bridge loading, The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, 2016, vol. 11, iss. 3, pp. 233—241, DOI: 10.3846/bjrbe.2016.27.hdl:10197/9252.

4. Arafa A., Ahmed N., Farghaly A. S., Chaallal O., Benmokrane B. Exploratory Study on Incorporating Glass FRP Reinforcement to Control Damage in Steel-Reinforced Concrete Bridge Pier Walls, Journal of Bridge Engineering, 2021, vol. 26, iss. 2, DOI: 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001648.

5. Kamaitis Z. Damage to concrete bridges due to reinforcement corrosion: Part I. Site investigations, Transport, 2002, vol. 17, iss. 4, pp. 137—142, DOI: 10.3846/16483840.2002.10414030.

6. Sužiedelytė-Visockienė J. Technique for definition of break size of road covering on the bridge, Transport, 2007, vol. 22, iss. 2, pp. 122—125, DOI: 10.3846/16484142.2007.9638110.

7. Daocheng Z., Bo Z., Sisi X. et al. Experimental study on dynamic effect of freestanding tower of sea-crossing bridge under wave load, Advances in Bridge Engineering, 2021, vol. 2, iss. 9, pp. 1—11, DOI: 10.1186/s43251-020-00032-5.

8. Jia H., Jia K., Sun C. et al. Preliminary numerical study on seismic response of ordinary long-span suspension bridges crossing active faults, Advances in Bridge Engineering, 2021, vol. 2, iss. 16, pp. 1—11, DOI: 10.1186/s43251-021-00035-w.

9. Mao J., Wang H., Xu Y. et al. Deformation monitoring and analysis of a long-span cable-stayed bridge during strong typhoons, Advances in Bridge Engineering, 2020, vol.1, iss. 8, pp. 1—19, DOI: 10.1186/s43251-020-00008-5.

10. Yadav D., Barai S. V. Fuzzy inference driven internet based bridge management system. Transport, 2005, vol. 20, iss. 1, pp. 37—44, DOI: 10.3846/16484142.2005.9637993.

11. Yu E., Wei H., Han Y. et al. Application of time series prediction techniques for coastal bridge engineering, Advances in Bridge Engineering, 2021, vol. 2, iss. 6, pp. 1—18, DOI: 10.1186/s43251-020-00025-4.

12. Aliev T. Noise control of the Beginning and Development Dynamics of Accidents, New York, Springer, 2019, 201 p., DOI: 10.1007/978-3-030-12512-7.

13. Yang Y. B., Lin C. W., Yau J. D. Extracting bridge frequencies from the dynamic response of a passing vehicle, Journal of Sound and Vibration, 2004, vol. 272, iss. 3—5, pp. 471—493, DOI:10.1016/S0022-460X(03)00378-X.

14. Xin H., Cheng L., Diender R. et al. Fracture acoustic emission signals identification of stay cables in bridge enginee ring application using deep transfer learning and wavelet analysis, Advances in Bridge Engineering, 2020, vol. 1, iss. 6, pp. 1—16, DOI: 10.1186/s43251-020-00006-7.

15. Olund J., DeWolf J. Passive Structural Health Monitoring of Connecticut’s Bridge Infrastructure, Journal of Infrastructure Systems, 2007, vol. 13, iss. 4, pp. 330—339, DOI: 10.1061/(ASCE)1076-0342(2007)13:4(330).

16. Wang Ling-bo, Wang Qiu-ling, Zhu Zhao, Zhao Yu. Current Status and Prospects of Research on Bridge Health Monitoring Technology, China Journal of Highway and Transport, 2021, vol. 34, iss. 12, pp. 25—45. DOI: 10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.003.

17. Sung Y. C., Lin T. K., Chiu Y. T., Chang K. C., Chen K. L., Chang C. C. A bridge safety monitoring system for prestressed composite box-girder bridges with corrugated steel webs based on in-situ loading experiments and a long-term monitoring database, Engineering Structures, 2016, vol. 126, pp. 571—585, DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.08.006.

18. Yang Y. B., Yang Judy P. State-of-the-Art Review on Modal Identification and Damage Detection of Bridges by Moving Test Vehicles, International Journal of Structural Stability and Dynamics, 2018, vol. 18, iss. 2, pp. 1850025, DOI: 10.1142/S0219455418500256.

19. Aliev T. A., Musaeva N. F. Decision-Making Technologies in Bridge Structure Monitoring Systems Based on the Noise Model. In: Proceedings of 5th International Conference on Problems of Cybernetics and Informatics (PCI), 2023, Baku, Azerbaijan, pp. 1—5, DOI: 10.1109/PCI60110.2023.10325948.

20. Aliev T. A., Musaeva N. F., Suleymanova M. T. Algorithms for constructing the confidence interval for the mathematical expectation of the noise and their application in the control of the dynamics of accident development, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2020, vol. 21, no 9, pp. 521—529 (in Russian), DOI: 10.17587/mau.21.521-529

21. Musaeva N. F. A robust method of estimation under ‘polluting’ rough errors, Automatic control and computer sciences, 2003, no. 6, pp. 50—64, available at: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-1542579519&origin=recordpage

22. Musaeva N. F. Technology for determining the magnitude of robustness as an estimate of statistical characteristic of noisy signal, Automatic control and computer sciences, 2005, vol. 39, no. 5, pp. 64—74, available at: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-25144507620&origin=recordpage.

23. Pishro-Nik H. Introduction to Probability, Statistics, and Random Processes. Kappa Research, LLC, 2014, 744 p., available at: https://www.e-booksdirectory.com/details.php?ebook=10166.

24. Aliev T. A., Musaeva N. F., Suleymanova M. T. Algorithms for Determining the Probability of Risks of Accidents in Tunnels Based on the Characteristics of the Noise of Noisy Signals, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2021, vol. 22, no. 7, pp. 353—364 (in Russian), DOI: 10.17587/mau.22.357-364.

25. Aliev T. A., Musaeva N. F., Babayev T. A. et al. Technologies and intelligent systems for adaptive vibration control in rail transport, Transport Problems: An International Scientific Journal, 2022, vol. 17, no. 3, pp. 31—38, DOI: 10.20858/TP.2022.17.3.03.

26. Musaeva N. F., Aliyev E. R., Sattarova U. E., Gadimov R. M. Technology and algorithms for monitoring of the technical condition of high-rise buildings, construction and strategic objects in seismically active regions by means of sets of informative attributes, 4th International Conference "Problems of Cybernetics and Informatics", PCI 2012 Proceedings, Baku, 2012, vol. 2, pp. 109—115, available at: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-84876004916&origin=recordpage.

27. Musaeva N. F., Aliyev E. R., Sattarova U. E., Rzayeva N. F. Correlation matrices in problems of identification of seismic stability and technical condition of high-rise buildings and building structures, 4th International Conference "Problems of Cybernetics and Informatics", PCI 2012 — Proceedings, Baku, 2012, vol. 2, pp. 116—123, available at: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-84875984284&origin=recordpage.