I takt med att teknologin utvecklas snabbt, och nya system som Internet of Things (IoT), big data och molnbaserad beräkning blir allt mer integrerade i vår vardag, förväntas effektiviteten och tillämpbarheten av Vehicle-based Structural Monitoring (VSM) för broövervakning öka avsevärt. Denna teknik har sedan sin introduktion väckt stort intresse hos forskare världen över, och dess potential för att övervaka broars hälsa är nu mer uppenbar än någonsin tidigare. Flera viktiga forskningsgenomgångar har publicerats för att belysa utvecklingen och de framsteg som gjorts inom området. Dessa har belyst olika aspekter av VSM, inklusive identifiering av broars modalparametrar, skador och ytråhet.

VSM använder testfordon för att extrahera dynamiska egenskaper hos broar, som frekvenser, dämpningsförhållanden och modformer. Det finns också forskning om hur VSM kan användas för att identifiera skador och ruffhet på vägar och järnvägar. För att förstå de senaste framstegen är det viktigt att titta på hur denna metod har utvecklats under de senaste två decennierna (2004–2024), och här kan forskare dra nytta av tidigare publikationer för att få en översikt över de framsteg som gjorts och identifiera områden för framtida forskning.

Grundläggande koncept för VSM på broar

I grund och botten innebär VSM för broar att man använder ett testfordon som rör sig över bron för att samla in dynamiska data. Detta fordons rörelse genererar vibrationer som överförs till bron. Genom att analysera dessa vibrationer, som registreras av sensorer på testfordonet, kan forskare extrahera viktiga parametrar som frekvenser och modformer. Fordonet modelleras som en enkel grad-fri massa (DOF), där rörelse och dämpning beaktas för att skapa en representativ modell av testfordonet som kan användas i fältapplikationer.

En av de största fördelarna med denna teknik är att det inte krävs några fasta mätpunkter på själva bron, vilket ofta är både tidskrävande och kostsamt. Genom att använda ett rörligt testfordon kan man skanna hela bron och samla in data från hela strukturen, vilket gör det möjligt att få en fullständig bild av dess dynamiska beteende utan att behöva installera ett omfattande nätverk av sensorer.

Identifiering av brofrekvenser

En av de mest centrala funktionerna hos VSM är förmågan att identifiera brofrekvenser. När ett testfordon passerar över en bro, orsakar dess vikt och rörelse vibrationer på bron som kan registreras och analyseras. Vibrationerna kan sedan användas för att extrahera bronens naturliga frekvenser och andra dynamiska egenskaper. För att hantera de problem som kan uppstå vid analysen av dessa data, såsom övervägande frekvenser från själva testfordonet, rekommenderas att man använder kontaktresponsen mellan fordonet och bron, snarare än att bara förlita sig på fordonets egen respons.

Genom att använda metoder som Fast Fourier Transform (FFT) eller andra tidsfrekvensverktyg som wavelet-transform eller korttids Fourier-transform, kan man filtrera bort dessa störande frekvenser och bättre identifiera broens specifika frekvenser, även för högre mode.

Identifiering av broarnas modformer

För att upptäcka lokala skador på broar kan modformer vara mer informativa än frekvenser. Modformer beskriver de sätt på vilka en bro vibrerar vid sina naturliga frekvenser, och de är känsliga för lokaliserade förändringar i strukturen, såsom sprickor eller försvagningar. Traditionellt har dessa modformer varit svåra att mäta exakt, eftersom det krävs omfattande installationsarbete för att placera sensorer på bron. Med VSM-tekniken får man dock ett mer effektivt och kostnadseffektivt sätt att mäta modformer. Genom att testfordonet passerar över bron kan hela strukturen scannas och information om modformer samlas in utan att behöva specifikt välja mätpunkter.

Det är här VSM verkligen utmärker sig, eftersom den kan fånga både övergripande och lokala vibrationsmönster, vilket gör det möjligt att upptäcka skador i tidiga stadier, även på svårtillgängliga delar av bron.

Ytråhet och tillämpning på järnvägar

Förutom broövervakning har VSM också visat sig vara användbart för att identifiera väg- och järnvägsrugghet, vilket är avgörande för att hålla infrastrukturen i gott skick och förhindra framtida skador på både broar och järnvägsspår. Studier har visat att analys av den ytrugghet som testfordon möter när de rör sig över vägar eller järnvägar kan ge värdefull information om strukturella problem innan de leder till allvarligare skador.

Framtida trender och rekommendationer

Med den snabba utvecklingen inom IoT och smart teknik kommer VSM-tekniken sannolikt att fortsätta utvecklas och bli ännu mer exakt och tillförlitlig i framtiden. Speciellt med framväxten av smarttelefonbaserade IoT-system och mobilnätverk, kan vi förvänta oss att denna teknik blir ännu mer tillgänglig och användbar för praktiska tillämpningar.

En viktig aspekt av denna teknik är också de utmaningar som fortfarande finns. Till exempel är det fortfarande svårt att extrahera vissa broparametrar under verkliga förhållanden, och det krävs fortfarande mycket arbete för att integrera dessa metoder i större övervakningssystem på lång sikt. Det är också viktigt att notera att teknologins framsteg inte bara handlar om att förbättra sensorer och analysverktyg, utan också om att skapa robusta och skalbara system som kan användas över hela infrastrukturen.

Hur kan VMD och SWT användas för att återställa dämpningsförhållanden och modformer på kurvade broar?

Den vertikala och radiala dämpningen av kurvade broar är viktiga parametrar för att förstå och övervaka broars strukturella hälsa. För att exakt identifiera dessa dämpningsförhållanden, har forskningen föreslagit en avancerad metod som kombinerar Variational Mode Decomposition (VMD) och Stationary Wavelet Transform (SWT). Genom att analysera kontaktresponsen från två rörliga testfordon på en kurvad bro kan denna teknik effektivt separera olika svarskomponenter och återställa broens modformer.

En kurvad bro utsätts för både gravitationella och centrifugala krafter, beroende på fordonens rörelse. Dessa krafter orsakar deformationer i både vertikal och radial riktning. Genom att tillämpa VMD och SWT kan dessa komponentresponsen extraheras från den totala responsen som registreras av testfordonen. VMD-metoden delar upp signaler i flera delmodulära komponenter, medan SWT används för att extrahera modformer från dessa komponenter. Detta gör det möjligt att noggrant återställa broens modformer, både vertikalt och radielt, utan att behöva installera dyrbara sensorer på själva bron. Detta är särskilt fördelaktigt vid undersökning av kortare och medellånga broar som inte har ekonomiska resurser för permanent installation av avancerade övervakningssystem.

En viktig aspekt av denna metod är att den är robust mot faktorer som radie på kurvaturen och fordonets hastighet. När det gäller trafikens inverkan, kan metoden även hantera effekten av vägarnas ojämnheter, som annars kan störa dämpningsidentifieringen. Genom att utnyttja den oregelbundna trafiken, där många olika typer av fordon rör sig över bron, kan den kurvade broens respons exciteras till nivåer som minskar effekten av vägbanans ojämnheter. Detta ger en betydande förbättring i dämpningsförhållandena som annars skulle kunna förvränga mätningarna.

Vidare har forskningen visat att den föreslagna VMD-SWT-tekniken inte bara ger exakt återställning av dämpningsförhållandena, utan också att den är robust mot andra externa faktorer. En av de största fördelarna med denna metod är att den kan genomföras med ett relativt litet antal sensorer, placerade på rörliga testfordon, vilket gör den kostnadseffektiv och lätt att tillämpa på ett stort antal broar över hela världen. Detta gör det möjligt för myndigheter att effektivt och kontinuerligt övervaka broarnas hälsa utan att behöva använda komplexa och dyra sensornätverk.

Det är också viktigt att förstå att den här typen av metodik inte är ett universellt verktyg utan kräver noggrant anpassning beroende på varje enskild bro och dess specifika förhållanden, som kurvatur, trafikflöde och vägunderlag. Dämpningsvärdena som hämtas från testfordonens respons måste tolkas inom ramen för dessa faktorer, annars kan resultaten bli missvisande. För att säkerställa korrekt data och tolkning krävs avancerad signalbehandling och en detaljerad förståelse för hur väg- och broförhållanden påverkar de dynamiska svaren.

En annan aspekt som kan förbättra resultaten från dessa tekniker är att inkludera fler fordon under undersökningen. Genom att använda ett större antal testfordon kan forskarna få en mer representativ uppfattning om hur broens dynamiska egenskaper förändras med olika typer av trafikbelastning. Trafikens variation i hastighet och vikt kan ge värdefull information om hur bron presterar under olika operativa förhållanden.

Tekniken kan vidare användas för att detektera skador på bron, vilket är en annan fördel som ofta förbises. Eftersom metoder som VMD och SWT ger detaljerad information om de dynamiska svaren hos bron, kan eventuella förändringar i dessa svar användas för att identifiera strukturella problem som sprickor eller förslitning i bron. Detta gör det möjligt att proaktivt planera reparationer innan skadorna blir allvarliga.

Genom att använda VMD och SWT i kombination kan det vara möjligt att utveckla ett system för kontinuerlig övervakning av broar, vilket kan vara särskilt användbart för broar med begränsad tillgång till dyrbar övervakningsteknik. Det skulle kunna leda till en mer effektiv och pålitlig metod för att bedöma broars hälsostatus på lång sikt.

Hur kan fordonsskanningstekniken bidra till broövervakning och diagnos?

Broar är fundamentala delar av transportsystemet, och de binder samman olika delar av områden som skiljs åt av naturliga eller konstgjorda hinder. De är designade för att ge passage för människor, fordon och gods, vilket underlättar transport och ökar sammanlänkningen mellan regioner. På grund av åldrande, överbelastning och naturkatastrofer som jordbävningar, tyfoner och översvämningar kan en bro genomgå försämring under sin livslängd. Försämring kan ta sig uttryck på flera sätt, såsom materialförsämring, sprickbildning i tvärsnitt, lösa eller trasiga förbindelser, sättningar vid stöd och erosion vid pelarfundament. För att kunna bedöma en broens hälsotillstånd har vibrationsbaserade övervakningsmetoder blivit allt vanligare för att diagnostisera förändringar i de modala egenskaperna hos konstruktionen.

Traditionellt har strukturell hälsomonitorering genomförts med hjälp av vibrationsdata som samlats in av sensorer direkt monterade på bron, en metod som kallas direkt mätning. Denna metod har dock vissa nackdelar, inklusive höga installations- och underhållskostnader samt svårigheter att effektivt bearbeta de kontinuerligt genererade stora mängderna av data. Dessutom är livslängden på de elektroniska enheterna som installerats på bron ofta kortare än själva broens livslängd. Med tanke på det stora antalet broar som finns över hela världen finns det ett akut behov av att utveckla mer ekonomiska och effektiva metoder för hälsomonitorering som kan användas på en större skala.

För att övervinna dessa nackdelar föreslogs 2004 en metod för bromätning, känd som fordons-scanningstekniken (VSM). Denna metod, ursprungligen känd som den indirekta mätmetoden, kännetecknas av rörlighet, kostnadseffektivitet och effektivitet, eftersom det inte krävs några vibrationssensorer på själva bron. Istället behövs endast ett fåtal sensorer på ett rörligt fordon. Sedan dess har tekniken utvecklats och forskningen kring den har expanderat globalt, med fokus på att identifiera brofrekvenser, modala former, dämpningsförhållanden och brosskador. Syftet med den här boken är att ge en omfattande och systematisk genomgång av dessa VSM-tekniker för identifiering av broarnas modala parametrar, som frekvenser, modala former och dämpningsförhållanden.

En av de viktiga utmaningarna i denna metod är att hantera interferens från fordonets egen frekvens. För att eliminera den här påverkan används en teknik som kallas kontaktrespons, där man baklänges kan beräkna den respons som överförs mellan fordonet och bron. För att uppnå detta utvecklades specifika metoder för att extrahera brofrekvenser, såsom att använda en enkelaxlad rörelse hos ett testfordon eller en tvåmassa modell för att noggrant uppskatta dessa frekvenser, samtidigt som effekterna av fordonets upphängning beaktas.

En annan viktig aspekt av VSM är användningen av förstärkare som ökar effektiviteten i mätningen. Genom att införa en shaker (en vibrationsanordning) på bron kan brovibrationer förstärkas, vilket hjälper till att mildra negativa effekter från ojämn vägbanestruktur. Ytterligare förbättring kan uppnås genom att använda så kallade dual-funktionella förstärkare som både kan dämpa fordonets frekvens och förstärka bronfrekvensen för mer exakta mätresultat. På detta sätt kan forskare och ingenjörer skapa mer pålitliga mätningar som ger bättre insikter om bron hälsotillstånd.

För att undersöka modala former av en bro, används tvåaxlade testfordon som samlar in kontaktresponsdata, vilka sedan behandlas för att ta bort störningar från fordonets egen frekvens samt vägbanans ojämnheter. Dessa data bearbetas med avancerade tekniker som variational mode decomposition (VMD) och Hilbert-transform (HT), för att identifiera och visualisera broens modala former. Dämpningsförhållandena, som är avgörande för att bedöma en brots förmåga att motstå olika typer av påfrestningar, kan också extraheras genom korrelationen mellan de insamlade kontaktresponsdata.

För att verkligen förstå broens strukturella hälsotillstånd och för att kunna genomföra noggranna diagnoser är det viktigt att förstå dessa mätmetoders omfattning och begränsningar. Fordons-scanningstekniken är en kraftfull metod för att övervaka broars hälsa, men den måste tillämpas på rätt sätt för att ge tillförlitliga resultat. Att utveckla och implementera dessa tekniker kräver en djup förståelse för både teoretiska principer och praktiska tillämpningar, liksom för de teknologiska verktyg och metoder som används i dessa avancerade övervakningssystem.

Hur kan vi förstå kunskap och verklighet genom kulturella och historiska kontexter?
Hur konfronterar Young Wild West och Cheyenne Charlie banditerna i Hungry Hollow?
Hur Real-Time Optimering och Detektion Förbättrar Tunnelborrmaskinens Effektivitet
Hur simuleras isbildning på turbofläktmotorers ingångsleder och vilken påverkan har det på prestanda?