Команда проекта

Система мониторинга
деформационного
состояния инженерных
сооружений
Студенческие инженерные соревнования по
робототехнике
5 октября – 14 декабря 2010 года
2
Аннотация проекта
«Та техносфера, те инфраструктуры, которые создало
человечество, они в себе уже накопили столько опасностей, что
наших знаний, наших способностей, нашего умения их предвидеть и
предотвращать оказалось недостаточно. То есть мы прошли некую
точку бифуркации, и выяснилось, что эти угрозы растут быстрее,
чем мы можем на них реагировать.»
Крупнейший специалист по техногенной безопасности, членкор. РАН Николай Махутов (из интервью журналу «Эксперт»)
К области обыденных и привычных знаний, отражающих всеобщие
свойства окружающего нас мира, относится понятие прочность. Прочность
является важнейшим критерием качества среды обитания, поскольку от нее
зависит не только здоровье, комфортность, уверенность и успешность
жизнедеятельности, но, прежде всего,— возможность и безопасность самого
существования жизни. Однако
общество
регулярно
переживает потрясения от
чрезвычайных ситуаций на
объектах жизнеобеспечения и
массового присутствия людей.
Многочисленные аварии и
катастрофы, лишая людей
условий нормального существования и унося многие человеческие жизни,
наносят невосполнимый моральный, материальный и экологический ущерб.
Участившиеся в мире трагедии являются свидетельством того, что общество
не располагает эффективными инструментами наблюдения, предвидения и
предотвращения критических состояний промышленных, природнотехнических и общественных объектов повышенной техногенной опасности.
Одной из самых важных проблем безопасности строительных объектов
является адекватная оценка устойчивости и физического износа зданий и
сооружений, а также эффективный контроль их технического состояния.
ЦЕЛЬ ЭТОГО ПРОЕКТА: Сделать самую передовую и
экономически
эффективную
систему
мониторинга
деформационного состояния инженерных сооружений!!!
3
Команда проекта
Состав команды:
Беломестных Сергей, Руководитель проекта, Аналитическая
работа
магистрант физического факультета УрГУ им. А.М. Горького
(направление: геоинформационные системы)
e-mail: [email protected], тел. +7 908 914 48 90
Фото в
разработке
Емельяненко Олег, 3D моделирование, аналитическая работа
магистрант физического факультета УрГУ им. А.М. Горького
(направление: геодезия)
e-mail:<в разработке>
Фото в
разработке
Тарасенко Валентин, Финансово-экономическое планирование
выпускник Ярославской военной финансово-экономической
академии (специальность: бухгалтерский учет, анализ, аудит)
e-mail: <в разработке>
Фото в
разработке
Ниязгулова Снежана, Аналитическая работа
магистрантка физического факультета УрГУ им. А.М. Горького
(направление: астрономия)
e-mail: <в разработке>
Фото в
разработке
Ряпусова Надежда, Аналитическая работа
магистрантка физического факультета УрГУ им. А.М. Горького
(направление: физика)
e-mail: <в разработке>
Куратор проекта:
Потребность в кураторе – 1 человек
Эксперты проекта:
Потребность в эксперте в области вибродиагностики турбоагрегатов
Прохоров Александр Игоревич, эксперт в области высокотехнологических
инструментальных средств мониторинга техногенных объектов. Окончил
4
Московский инженерно-физический институт (специальность теоретическая
физика). В настоящее время: аспирант Московского Государственного
Индустриального Университета, студент магистратуры Московского
государственного университета
потребность в кадрах:
1 специалист в области вибродиагностики – 1 человек
2 специалист в области сопротивления материалов – 1 человек
3 программирование – 3 человека (3D визуализация, программирование
C#, программирование микроконтроллеров)
4 механика – 2 человека (изготовление динамического макета)
5 микроэлектроника – 2 человека (интегральные схемы для датчиков)
6 электротехника – 1 человек (электрическая часть макета)
7 социальная сфера – 1человек (гуманитарные аспекты робототехники,
влияние проекта на социальную сферу)
Сущность предлагаемой разработки
Данный проект направлен на модернизацию существующей системы
контроля технического состояния инженерных сооружений, в частности
энергетического оборудования, используя новый принцип диагностирования
не по регламенту, а по текущему состоянию с применением новейших
технических и программных средств. В частности, рассматривается
мониторинг деформационного состояния строительных конструкций
турбоагрегатов.
Актуальность
данной
проблемы
подтверждают
различные
исследования состояния энергетического оборудования (2009 г., компании
«Тейдер» и «АйТи Энерджи Аналитика»); результаты которых впечатляют –
только 18% общей установленной мощности турбин тепловых
электростанций пригодны к использованию (т.е. износ не более 50%).
Особенно много изношенных турбин в Приволжском и Уральском округах.
На
инженерных
соревнованиях
предполагается
создать
современный инструментально-технический комплекс для оценки
деформационного состояния строительных конструкций, который бы
обеспечивал: сбор, обработку и анализ измерительной информации от
автоматической беспроводной виброизмерительной системы на базе MEMS
акселерометров.
5
Результатом проекта станет:
1. Динамический макет инженерного сооружения (строительные
конструкции турбоагрегата)
2. Беспроводная
система
измерения
виброперемещений
инженерного сооружения на основе датчиков на MEMS.
3. Программное
обеспечение
для
3D
деформационного состояния инженерного сооружения.
визуализации
6
Современное состояние исследований в области
реализации проекта. Новизна предлагаемого подхода по
сравнению с известными.
Состояние исследований в мире
Процесс идентификации деформаций аэрокосмических, гражданский
и промышленных инженерных сооружений известен под названием
мониторинг состояния («здоровья») сооружения (Structural Health
Monitoring – SHM). В данном случае, деформация понимается как изменение
свойств материала или (и) геометрии инженерных систем, включая
изменение граничных условий (например, грунтовых) и взаимодействий в
системе, которые оказывают неблагоприятные воздействия на текущее или
будущее состояние системы. Повреждение может быть определено в
результате сравнение двух состояний системы, одно из которых
представляется как начальное или как состояние без повреждений.
Исследовательские центры SHM:
Некоторые исследовательские центры, занимающиеся развитием
методологии и технологии мониторинга состояния инженерных сооружений:
Los Alamos National Laboratory, Engineering Institute, USA
The University of Michigan, Laboratory for Intelligent
Structural Technology, USA
Luleå University, Sweden
Department of Civil and Environmental Engineering,
Vanderbilt University Nashville, USA
Аксиомы SHM. Основываясь на большом количестве статей,
опубликованных в технической литературе по мониторингу состояния
сооружений за последние 20 лет, Worden K., Farrar C., Manson G. и Park G. из
7
Los Alamos National Laboratory сформулировали несколько фундаментальных
аксиом или общепринятых принципов.
Аксиомы теории мониторинга состояния сооружений:
1. Все материалы имеют врожденные трещины или дефекты
(деформации).
2. Для определения деформаций требуется сопоставление двух
состояний системы.
3. Идентификация наличия и местоположения деформации может
быть выполнена в режиме без обучения, но идентификация типа и степени
деформирования может выполняться только в режиме с обучением.
4. а) Датчики (сенсорные системы) не измеряют деформацию.
Достоверная информация о деформационном состоянии сооружения
получается при использовании методов обработки сигнала от измерительной
системы и статистических методов обработки измерительной информации.
б) Если при выделении признаков (распознавании образов) не будут
использоваться
интеллектуальные
методы,
тогда
чем
больше
чувствительность измерений к деформациям, тем более чувствительны они к
изменению эксплуатационных и внешних условий.
5. Пространственная и временная шкалы определяются причиной
образования деформации и текущим техническим развитием систем SHM для
идентификации деформации.
6. Существует компромисс между чувствительностью к деформациям
используемого алгоритма и способности данного алгоритма к фильтрации
шума.
7. Размер деформаций, который может быть обнаружен в
динамической системе обратно пропорционален частоте колебаний.
Развитие технологической базы SHM. В настоящее время
техническое развитие методов SHM в основном связано с миниатюризацией
сенсорных систем, использованием современных технологий беспроводной
связи и снижением стоимости цифровых вычислительных аппаратных
средств; все это способствует снижению стоимости систем мониторинга
состояния инженерных сооружений в целом.
Миниатюризация, в частности, обеспечивается за счет использования
технологии MEMS при производстве датчиков для мониторинга. Некоторые
направления развития технологий MEMS в SHM приложениях показаны на
рисунках:
8
Беспроводные технологии в мониторинге состояния сооружений.
Установка систем мониторинга технического состояния инженерных
сооружений является затратной статьей строительства. При этом немалая
часть средств идет на установку системы связи между датчиками и
серверами и другими устройствами. Одним из способов снижения
стоимости установки системы мониторинга является использование
современных беспроводных технологий связи. Беспроводные сенсоры
являются дополнительными устройства к уже
существующим датчикам (например, акселерометрам),
которые обеспечивают беспроводную связь. Сенсор
ответственен за преобразование аналогового сигнала от
датчика деформации в цифровой вид и передачу его на
сервер.
Можно сделать вывод, что интерес к данной
области
деятельности
у
научного
сообщества
9
увеличивается с каждым годом, под названием Structural Health Monitoring
проводится множество конференций, уже 10 лет издается одноименный
научный журнал, представленный на рисунке. Деятельность в данной
области науки и техники привлекает к себе внимание специалистов
различных направлений, все большую роль начинают играть
междисциплиные исследования.
Конкурентные преимущества технологии

Система мониторинга позволяет реализовать инновационную
концепцию перехода от традиционных способов эксплуатации сложных
технических систем по регламенту к эксплуатации по текущему состоянию,
что предполагает существенную экономию средств, выделяемых на ремонт за
счет отказа от проведения ремонтов без достаточных для этого оснований.

Оценка диагностических параметров в реальном времени
позволяет предотвратить эксплуатацию оборудования в опасных состояниях и
критических режимах, а также отслеживать влияние параметров эксплуатации
оборудования на фундаменты, на которых оно установлено.

Использование самых современных технических и программных
средств позволяет сделать системы мониторинга состояний технических
объектов экономически эффективными, что способствует их широкому
распространению.
Аналогичные проекты:

Hewlett-Packard
(USA)
проект «Central Nervous System for
the Earth» (Центральная нервная
система Земли). Одна из крупнейших
международных компаний, работающих с области информационных
технологий. Целью проекта Central Nervous System for the Earth является
создание глобальной системы для мониторинга состояния инженерных
сооружений на основе MEMS акселерометров, которые компания также
разработала. В проекте предполагается использовать самые современные
вычислительные технологии HP.

The University of Michigan, Laboratory for Intelligent Structural
Technology, USA
Лаборатория под руководством профессора
Jerome P. Lynch занимается исследованиями в области
10
беспроводных технологий мониторинга состояния сооружений (Wireless
Sensors for Structural Health Monitoring) в том числе на основе MEMS и NEMS
сенсоров.
Рынок сбыта

вибродиагностика силовых агрегатов (турбоагрегаты)

мониторинг уникальных и высотных инженерных сооружений
Организация работ
Проведение соревнований планируется в течение 10 недель. Для
реализации проекта работа будет организована по подгруппам:

Аналитическая работа – 7 человека (также входят в другие
подгруппы)

Механика – 2 человека

Электротехника – 2 человек

Электроника – 2 человека

Программирование – 4 человека

Экономика и финансы – 1 человек

Социальная сфера – 1 человек

Руководитель группы – 1 человек
Всего 17 человек.
Производственный план проекта представлен в приложении.
Материалы, комплектующие, помещения
Оборудование:
Паяльная станция – 1 шт.
Мультиметр – 1шт.
Строительно-монтажное оборудование – 1 компл.
Материалы и комплектующие:
1
Материалы для изготовления макета:
Алюминиевый уголок (профиль) – 15 м
Листовой металл – 2 м2
Подшипники – 4 шт.
Краска в баллончиках – 2 шт.
Шурупы, болты, гайки и прочее.
2
Электротехнические компоненты:
Электродвигатель и две оси валопровода
Блок питания – 1 шт.
Нагревательные элементы – 6 шт.
11
Провода – 10 м
3
Электронные компоненты:
MEMS акселерометры (2-х осевые) – 8 шт.
Микроконтроллеры (Atmel) – 6 шт.
Микроконтроллеры (Motorola) – 6 шт.
Беспроводной модем – 7 шт.
АЦП (16, 12, 8 разрядные) – 18 шт.
Порты (SPI, UART, Parrallel Port и др.) – 24 шт.
Платы – 12 шт.
Память (SRAM) – 6 шт.
Комплекты прочих электронных компонентов – 6 шт.
Помещения:
Лаборатория для сборки макета расположена на физическом
факультете УрГУ им. А.М. Горького.
Источники инвестирования в реализацию проекта
Данный
проект
может
быть
интересен
строительным,
инжиниринговым или проектным компаниям, ВУЗам, Исследовательским
институтам.
При этом необходимы инвестиции не только в виде денежных
средств, а также и в виде предоставления лабораторий и оборудования для
реализации проекта.
Предстоящие затраты по проекту
Основные статьи затрат представлены в таблице.
Наименование
Материалы для макета
Инструменты и оборудование
Электротехнические компоненты
Электронные компоненты
ИТОГ
Сумма (руб.)
4100,00
2954,54
2527,13
44740,00
54321,67
Подробная смета проекта приведена в приложении.
Ожидаемые результаты
Результат проекта: динамический макет инженерного сооружения
(турбоагрегата) с установленной на нем системой мониторинга
деформационного состояния на основе новейших программных и
технических средств. Данный прототип должен максимально наглядно
12
продемонстрировать преимущества передовых технологий (MEMS и
беспроводной связи) в области мониторинга и диагностирования
деформационного состояния инженерных сооружений.
13
Развитие проекта
Доработка прототипа системы до промышленного образца и
испытание на действующем энергетическом оборудовании.
Заключение
Системы мониторинга состояния сооружений позволяют инженерам
увеличить свою производительность и
рентабельность без компромисса с
безопасностью и реализовывать самые
фантастические проекты.
Burj Dubai
высота 818 метров
Приложение:
Смета проекта: "Система мониторинга деформационного состояния инженерных сооружений"
Наименование
Марка, производитель
Цена
Количество
Всего
Уголок или профиль алюминиевый (ширина 5 см)
100
15
1500
Листовой металл
300
2
600
Саморезы по металлу
1000
0,5
500
Краски, балончики (марка)
250
2
500
Подшипники
150
4
600
Ось валопровода
200
2
400
Конструктор робототехники
3500
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАКЕТА
Металлоконструкции
Прочие материалы
0
ИТОГО
4100
ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Ножи
Изолента
100
20
1
5
100
100
Жало для паяльника (марка)
36,27
2
72,54
Мультиметр (марка)
554
1
554
Паяльная станция (марка)
2128
1
2128
Набор отверток
500
0
0
Ноутбук
12000
0
0
ИТОГО
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ
2954,54
15
Силовой двигатель
Блок питания
500
500
1
1
500
500
припой (марка)
315
1
315
канифоль (марка)
12,13
1
12,13
Провод
0
Сервопривод
690
0
Силиконовый удлинитель для серво 50 см
180
0
Нагревательные элементы
200
6
ИТОГО
1200
2527,13
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
Сенсорный узел
6
Сенсорный интерфейс (Sensing Interface)
ADXL210 (производитель Analog
MEMS акселерометр (2-х осевой)
Devices)
AD596/AD597 (производитель Analog
Датчик температуры (Analog Sensor)
Devices)
АЦП 16 разрядный
6
650
8
200
5200
0
ADS7821 (производитель Texas)
400
6
2400
150
6
900
АЦП 8 разрядный
150
6
900
SPI Port
100
6
600
Плата
200
6
1200
Прочие электронные компоненты
100
6
600
4-channel 16-bit ADS 8341
АЦП 12 разрядный
ADS7816 (производитель Texas)
Вычислительное ядро (Computational Core)
6
16
Микроконтроллер 1 (управление работой всего узла,
включая сбор данных)
8-bit Atmel AVRAT90S8515
8-bit Micro-controller Atmega128
400
6
6
2400
Микроконтроллер 2 (обработка данных)
32-bit Motorola MPC555 PowerPC
1000
6
6000
Память SRAM
Порт для связи c памятью (Parrallel Port)
128kB External SRAM CY62128B
150
6
900
80
6
480
Порт для связи с беспрободным узлом
AT90S8515
80
6
480
Плата
PB555 (производитель Axion)
200
6
1200
80
6
480
UART Port
Беспроводная система передачи данных (Wireless Communications)
Беспроводной модем
Proxim RangleLan2 7911
40 kbps 9XCite Wireless Modem with
900 MHz Tranceiver
6
3000
6
18000
Антенна
ИТОГО
41740
Узел приема данных
Микроконтроллер
Беспроводной модем
Антенна
Плата
Порт связи с PC
Прочие элементы
400
3000
1
200
200
300
ИТОГО
Прочие электронные компоненты
wi-fi веб-камеры (марка)
500
1
ИТОГО ПО СМЕТЕ
0
3000
0
0
0
0
3000
500
0
0
54321,67
17
Производственный план проекта: "Система мониторинга деформационного состояния инженерных сооружений"
Подгруппа
Количество
человек
Номер недели
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Анализ
ситуации
Анализ
ситуации
Анализ
ситуаци
и
Анализ
ситуаци
и
Анализ
ситуации
Анализ
ситуации
Анализ
ситуации
Анализ
ситуации и
подведение
итогов
Аналитическая работа
7
Анализ ситуации
Анализ
ситуации
Механика
2
Проектирование
макета
Проектирова
ние макета
Сборка
макета
Сборка
макета
Наладка
макета
Наладка
макета
Коррекция
макета
Коррекция
макета
Монтаж
оборудования
на макет
Монтаж
оборудования
на макет
2
Проектирование
электротехническ
ой части
Проектирова
ние
электротехни
ческой части
Сборка
электротех
нической
части
Сборка
электротех
нической
части
Наладка
электрот
ехническ
ой части
Наладка
электрот
ехническ
ой части
Доработка
электротех
нической
части
Коррекция
электротех
нической
части
Монтаж
оборудования
на макет
Монтаж
оборудования
на макет
2
Проектирование
интегральной
схемы
Проектирова
ние
интегральной
схемы
Установка
компонент
ов
Установка
компонент
ов
Доработ
ка
интеграл
ьной
схемы
Коррекц
ия
интеграл
ьной
схемы
Итоговая
сборка
интегральн
ой схемы
Сборка
всех
интегральн
ых схем
Наладка
работы с ПО
Монтаж
оборудования
на макет
4
Проектирование
информационной
системы
Проектирова
ние
информацион
ной системы
Программ
ирование
инф.
системы
Программ
ирование
инф.
системы
Отладка
инф.
системы
Отладка
инф.
системы
Интеграция
с
интегральн
ой схемой
Интеграция
с
интегральн
ой схемой
Коррекция и
доработка инф.
системы
Монтаж
оборудования
на макет
Экономика и финансы
1
Проектирование
сметы и
производственног
о плана
Учет, анализ,
коррекция
сметы и
плана
Учет,
анализ,
коррекция
сметы и
плана
Учет,
анализ,
коррекция
сметы и
плана
Учет,
анализ,
коррекц
ия сметы
и плана
Учет,
анализ,
коррекц
ия сметы
и плана
Учет,
анализ,
коррекция
сметы и
плана
Учет,
анализ,
коррекция
сметы и
плана
Учет, анализ,
коррекция.
Подготовка
отчетных
документов
Подведение
итогов.
Подготовка
отчетных
документов.
Социальная сфера
1
Ознакомление с
проблемой
Ознакомлени
е с проблемой
Анализ,
консультац
ии
Анализ,
консультац
ии
Анализ,
консульт
ации
Анализ,
консульт
ации
Анализ,
консультац
ии
Анализ,
консультац
ии
Подведение
итогов
Подведение
итогов
Запуск работы
Координация
работ, анализ
Координац
ия работ,
анализ
Координац
ия работ,
анализ
Координ
ация
работ,
анализ
Координ
ация
работ,
анализ
Координац
ия работ,
анализ
Координац
ия работ,
анализ
Координация
работ, анализ
Подведение
итогов
Электротехника
Электроника
Программирование
Руководитель группы
1