En grupp matematiker vid Clarkson University och en civilingenjör utvecklade ett passivt och icke-invasivt tillvägagångssätt för att "lyssna" på en samling relevanta signaler från broar och andra mekaniska strukturer för att diagnostisera förändringar eller skador.

Som gruppen rapporterar denna vecka i Kaos , deras tillvägagångssätt innebär att installera accelerometersensorer på olika platser längs en bro för att mäta hur varje liten del av bron störs som svar på en lastbil som kör över.

"Signaler från sensorer nära lastbilen är relevanta, men så är signaler långt borta eftersom de reagerar när brostrukturen böjer sig under sin belastning och hela strukturen svänger som en gitarrsträng, men uppenbarligen mer komplicerat, sade Erik M. Bollt, en W. Jon Harrington professor vid institutionen för matematik vid Clarkson University, ligger i Potsdam, NY.

Accelerationer fungerar som "ett lyssnande medium för krafter och accelerationer som färdas genom strukturen, ", sa Bollt. "Signaler som färdas genom strukturen förväntas förändras om bron genomgår en förändring, till exempel en spricka i strukturen eller om några av bultarna som håller ihop den lossas avsiktligt."

En central del av gruppens analys är en databehandlingsteknik som kallas "optimal mutual information interaction, " som utvecklades för att identifiera betydande direkta interaktioner mellan enskilda komponenter i ett system.

"Vår teknik tar till sig idéer från informations- och kommunikationsteori och använder state-of-the-art rutiner för statistisk uppskattning, " sa Jie Sun, en biträdande professor vid institutionen för matematik vid Clarkson University. "Nyckelbegreppet är att söka efter interaktioner som är mest relevanta för att öka förutsägbarheten av brosvängningar. Om brons struktur har förändrats på grund av skada eller deformation, detaljerna förväntas förändras, gör det möjligt för oss att upptäcka brons hälsostatus."

Gruppens arbete sticker ut eftersom det sammanför två unika aspekter för att upptäcka skador i broar eller andra mekaniska strukturer.

"Den ena är den icke-invasiva och automatiserade karaktären hos datainsamlingsprocessen, "Sun sa. "Den andra är dataanalysverktyget vi utvecklade, som kan sluta sig till direkt informationsflöde och betydande interaktioner. Genom att kombinera dem, vi kan upptäcka – från endast data – närvaron av strukturella förändringar inom bron som kontrolleras och varieras i vårt experiment."

Längs vägen, de tre involverade matematikerna hittade några intressanta strukturella defekter som avslöjades genom dataanalys av signifikanta interaktioner, vilket förbryllade dem länge eftersom det helt enkelt inte var vettigt.

"Vår analys föreslog en "gräns" i mitten av det täckta området där det inte finns någon uppenbar strukturell defekt eller mönster, ", sa Sun. "Efter långa diskussioner med vår civilingenjörssamarbetspartner, Kerop Janoyan, professor i civilingenjör vid Clarkson University, vi insåg äntligen att vi hade varit förvirrade hela tiden eftersom det täckta området inte är hela bron i experimentet, utan snarare en tredjedel och "gränsen" vi upptäckte är just där det finns en strukturell gräns - någon stödjande struktur under."

Broar är allestädes närvarande, så det är viktigt att kunna upptäcka strukturella skador så tidigt som möjligt för att undvika katastrofala utfall. Men upptäckt av strukturella skador, vilket ofta görs manuellt, kan vara dyrt och i många fall inte effektivt.

Eftersom gruppens arbete kombinerar modern avkänningsteknik med toppmoderna dataanalysverktyg för att automatisera denna process, "det kan användas för att tidigt upptäcka strukturella förändringar och skador innan det kräver inspektion av en människa, sa Bollt.

Detta tillvägagångssätt kan användas tillsammans med billig instrumentering för alla typer av strukturer - från broar till vindturbiner, byggnader till flygplan.

"Accelerometrar blir så billiga att vi hittar dem även i mobiltelefoner, så detta kommer att bli en datalavin, fungerar som ett äktenskap av modern big data-analys med strukturell hälsoövervakning, sa Bollt.

Gruppen arbetar nu för att göra sitt tillvägagångssätt implementerbart.

"På den mer teoretiska sidan, vi bygger en databas med bromodeller som enkelt kan simuleras och testas via datorer för att kalibrera parametrar i metoden, och vi utvecklar också förbättrade statistiska skattare för att ge mer exakta resultat snabbare, " sa Bollt med Suns samtycke. "På den experimentella sidan, vi samarbetar med labb för att testa våra metoder för andra strukturer, inklusive flygplansvingar under olika förhållanden."