本发明涉及一种用于监测一个柱或一组柱、桅杆、架线塔、杆和其他支撑结构(在下文中，全部被统称为“柱”)的方法和装置。
在优选的布置中，本发明涉及一种用于监测支撑电气设备(例如，照明单元、检查摄像机、标牌、发光交通标志和灯具)的一个柱或一组柱、或组中的柱的方法和装置。
因此，在本发明的背景下，术语“柱”尤其包括桅杆(包括电信桅杆)、架线塔、杆、铁路信号、台架、桥、CCTV安装件、气象桅杆、烟囱、风力涡轮机、配电桅杆、架线塔、用于铁道电气化设备的支撑结构和任何类似的在使用中经受振动和气候变化的地面支撑结构。
“组”是指位于特定的地理位置或地区并处于相同或相似的气候条件下的多个柱。这个定义包括位于行政区域内的多个柱，例如，灯柱。“组”可以包括全部位于一个或多个给定的地理位置的大量柱。
在优选的实施例中，本发明涉及一种相对于在我们早前的专利申请GB1510918.4中公开的方法和装置的改进的用于监测一组柱的结构牢靠性状况(structural health)的方法和装置。
背景技术：
如在我们早前的申请中所说明的，地方政府和高速路机构常规地测试灯柱和其他柱，通过例如由腐蚀所导致的柱的壁部的损失，来检查其承受风载荷的能力和/或降低的结构完整性。还对电气缺陷常规地进行测试。
结构测试包括，在柱上施加人工载荷并且测量偏转、对柱的壁部进行超声波测量，和使用涡电流来确定腐蚀等级和产生的壁部损失的系统。进行电气测试以确保正确地保持对柱的电力供应，并且灯柱对公众是安全的。
已知的结构测试系统和方法的示例在WO11142516A、US2009/034258A、US2014/0211487A、WO2014/078907A、WO2015/022213A、WO2013/007382A、JP2004125776A、US2009/034258A、GB2498793A、CN102944889A、KR2009/0108967A、KR2012/0093741A和KR101040215B中被公开。
虽然这些方法和其他目前可用方法可能够提供关于单个柱的精确数据和预测的使用寿命，但是没有公开一种对施加的加速度、角速度和磁场强度进行测量并将测量结果传输到远程服务器以便用于使用定制的软件进行分析的方法。以这种方法可以持续测量一个柱或一组柱的结构牢靠性状况，并且可以采取补救措施来使任何被发现需要维修或更换的柱安全。因此，负责具有100个柱的一组柱、或多个所述组的机构可以远程地检查每个柱或那个组或多个组的牢靠性状况，并且能够对现场发现的任何故障采取即时行动。
本申请人已知的是，没有方法提供了一种使得用户能够远程地检查一组柱的完整性并且通过随后现场考察对形成所述一组柱的部分的柱发生的问题做出即时响应的方法。
本申请人所知的所有的现有系统的另一个显著的缺点是所有系统需要对待测试的组中的柱的数量和进行测试应当采用的频率做出决定。
因此，仅组中的选定的柱被定期或不定期测试。使用这些系统建立的测试程序不可避免地不能考虑局部的风载荷或地面条件或电气部件故障。
虽然柱制造商被要求提供二十五年的最低设计寿命，在许多情况下，由于柱设计的原因和/或由于局部条件比原本预期的更具破坏性，柱的使用寿命远低于此。
情况还可能是这样的：柱的实际安装年龄没有被记载，这意味着它在任何给定时间都有可能超过了其预计设计寿命。
由于多年对基础设施的资金不足，时常发现成组的灯柱包括极大量的超过了其设计寿命、因此需要被测试来保证其在公共领域内结构安全且电气安全的灯柱。不幸的是，已经有许多严重故障的情况，其中一些情况导致了受伤甚至死亡。
已知的测试方法的另一个缺点是这些方法通常要求操作者视察该安装件并验证柱的结构牢靠性状况和电气操作。在测试管理和道路交通管理方面，这会是昂贵的活动。在执行测试时，对操作者的风险也有增加。特别是当测试场地处于危险场所，例如，在高速公路的中央分道区的情况下。
与我们早前的申请相同的是，本发明寻求提供尤其一种用于监测一个柱或一组柱或组中的单个柱的结构牢靠性状况的改进的方法和装置，其能通过提供用于设置在一组这样的柱中的一个或多个柱上并用于与这些柱的组中的一个或多个柱的电源相连接的监测设备，克服或至少减轻与已知方法和装置相关的问题，所述监测设备可操作以获取与正被监测的柱的结构牢靠性状况相关的数据，并将所述数据实时传输到远程服务器，用于由定制的软件进行分析。
本申请还寻求提供一种用于监测一组这种柱的电气操作的改进的方法和装置，其基于通过获取与所述电气操作相关的数据还可以监测该柱组的电气操作，该数据也被实时传输到远程服务器，用于由定制软件进行分析。
本发明与我们早前的申请的公开内容的区别之处在于本发明提供了一种用于利用由安装在柱上的微控制器进行的沿X轴、Y轴和Z轴的动态和垂直偏转数据测量的统计分析来评估灯柱或类似柱的组的结构牢靠性状况的方法和装置，所述微控制器包括具有9自由度功能的微电子机械系统器件(下文简称为MEMS器件)。
为了测量操作电压和电流，微控制器还可以包括用于测量由柱支撑的电气设备的电气参数的构件。
在本发明中，每个MEMS器件包括具有加速度计和陀螺仪功能的集成单元，每个功能能够采集相应柱沿所述X轴、Y轴和Z轴的所需的垂直偏转数据，并将所收集的数据经由安装在柱上的发射器或通信模块和包括因特网连接的中心数据枢纽(hub)传输到远程服务器用于使用定制软件进行分析。
如果每个微控制器包括用于测量由每个所述柱支撑的电气设备的电压和电流的构件，那么这些测量结果可以被包括在传输到远程服务器的数据中。
技术实现要素：
在一个方面，本发明的提供了一种用于监测一个柱、一组柱和/或该组中的一个或多个柱的结构牢靠性状况的装置，所述装置包括设置在所述柱或每个柱上并且包括集成MEMS器件的微控制器，集成MEMS器件被编程以测量和记录沿X轴、Y轴和Z轴的加速度、角速度和磁场强度，用于将所述微控制器连接至电源的构件，和可操作以将所测量的数据传输到中心数据枢纽并从中心数据枢纽传输到远程服务器以用于定制软件进行分析的构件。
所述微控制器或每个微控制器的MEMS器件还可以包括磁力计功能。
可操作以将所述测量和记录的数据传输到远程服务器的构件可以包括WI-FI/RF发射器或3G/4G部件。
可操作以传输所述测量和记录的数据的构件可以包括无线发射器，所述无线发射器被连接以从安装在柱上的全球定位部件接收数据。
微控制器还包括电涌保护器和光电池。
光电池可以被编程以检测在所述组的附近的日光的存在或不存在，并且根据在所述组的附近是否存在或不存在日光来关闭或开启对由一组柱支撑的照明单元的电力供应。
风速计可以位于所述柱、或每个柱或组中的多个柱的上表面上，所述这种风速计或每个这种风速计通过微控制器被连接以使风速和风向的测量结果能够被传输到远程服务器。
在另一个方面本发明提供了一种用于测量一个柱、一组柱和/或该组中的柱的结构牢靠性状况和电气操作的装置，所述装置包括微控制器，所述微控制器包括集成MEMS器件，用于设置在待监测的组中的每个柱或多个柱的上表面上并且可连接至电源，每个MEMS器件包括加速度计、陀螺仪和磁力计功能，其中每一个功能能够测量和记录沿X轴、Y轴和Z轴的偏转并将所记录的数据传输到安装在柱上的监测器，所述监测器接着被连接以将所记录的数据传输到安装在柱上的无线发射器，所测量的数据从所述无线发射器被传输到远程服务器，用于使用定制软件进行分析。
微控制器还包括可操作以测量由在所述一组柱中的所述柱或多个柱支撑的电气设备的电压和电流参数的构件。
本发明的另一个方面提供了一种用于监测一个柱、一组柱和/或该组中的柱的结构牢靠性状况的方法，所述方法包括以下步骤：在所述柱或每个柱上设置集成MEMS器件，集成MEMS器件被编程以测量和记录沿X轴、Y轴和Z轴的加速度、角速度和磁场强度，将所测量和记录的加速度、角速度和磁场强度传输到中心枢纽，并从中心枢纽传输到远程服务器，并使用定制软件分析由所述远程服务器接收的所测量的数据，以警告所述方法的用户在被监测的所述柱中或所述柱的一个柱中检测到故障。
附图说明
现在以示例的方式通过参考附图来描述本发明，其中，图1图示说明了根据本发明的用于测量一组灯柱的结构牢靠性状况的装置的一个实施例。
优选实施例的详细描述
图1中示出的监测装置包括微控制器10，微控制器10包括MEMS器件，MEMS器件被设置在其结构牢靠性状况和电气操作待被监测的一组所述柱中的一个或所有灯柱的上表面上。
优选地，微控制器10由在其上设置有装置的灯柱的电源供能，并且包括加速度计功能、陀螺仪功能和磁力计功能，每个功能能够沿X轴、Y轴和Z轴进行测量，从而限定9自由度。磁力计功能提供有关微控制器10的地理位置和高度的数据。
微控制器可以可替代地由独立于柱的干线电源的电力源来供能。
微控制器10被连接以将所测量的数据和从全球地理位置和海拔模块12和微控制器14接收的数据一起传输到发射器模块18。
包括MEMS器件的微控制器10、模块12和微控制器14全部限定容纳在被连接至电力源的监测器16中的电子芯片或电路板的部件。
发射器模块18将从微控制器10、全球位置和海拔模块12和微控制器14接收的数据持续地或频繁地发送至第二监测器20，所述第二监测器20包括电子芯片或电路板22的中心枢纽部件22。
中心枢纽部件22包括因特网连接，并从位于桅杆上的风速计24阵列接收数据。
中心枢纽部件22被连接以将数据传输到远程服务器26，在其内所接收的数据和以下所述的其他数据一起被分析。
包括微控制器10、模块12和微控制器14的监测器16被优选地设置在待被监测的组中的所有柱上，然而，中心枢纽22和风速计24被优选地安装在待被监测的一组柱中的仅一个柱或一些柱上。
发射器模块18优选地包括WI-FI/RF发射器部件或3G/4G通信模块，其可操作以将从包括MEMS器件的微控制器10接收的数据传输到中心枢纽22，中心枢纽22接着将所接收的数据(包括从风速计24接收的数据)传输到远程服务器26，用于分析。
微控制器10的MEMS器件的加速度计部件提供施加在柱上的力的方向的测量。
由每个柱支撑的构件的电气操作由所测量的电压和电流得出。因此，光电池可以设置在监测器16中，以检测由柱支撑的灯何时开启或关闭，并且，例如，当灯非工作时，将信号发送至中心枢纽22。
微控制器10的MEMS器件的加速度计功能检测和监测，尤其，例如，在大风期间，施加在柱上的振动力的大小和方向，以及因所述力施加的动态载荷引起的柱的移动，并提供关于沿X轴、Y轴和Z轴这样所记录的力和移动的数据。
微控制器10的MEMS器件的陀螺仪功能被使用以检测相应柱的上部远离其正常垂直位置的移动或偏转以及这些移动的方向。因此，陀螺仪功能将提供所检查的柱在X、Y和Z方向上的以度数表示的移动或偏转的角速度。通过该数据，可以计算出在X、Y和Z方向上的加速度。
微控制器10的MEMS器件的磁力计功能提供有关结构偏转相对于地球的磁北的指向和方向的数据，并提供用于系统的定期自校准坐标参考点。此外，通过参考磁北，可以检测到，例如，由于，车辆碰撞、损坏等引起的结构的任何永久变形或旋转。
使用9自由度系统对由磁力计功能沿X轴、Y轴和Z轴方向测得的动态的加速度、旋转和磁信号的计算和处理使得能够以预定的精确度计算偏转量。
经由风速计24监测风速和风向以实现偏转测量结果和具体的地理风环境之间的关联。该数据被分析以确保结构和偏转等同于针对具体测得的风载荷所预测的那些。
此外，该分析提供有价值的数据，以使得用户能够区分正常的风载荷和由于诸如重型货车和火车的大型车辆经过而引起的刺激。
这种局部风数据测量结果将使得能够识别诸如漩涡脱落和风漏斗等现象。
在漩涡脱落的情况中，通过参考磁北，与风向和芯片/节点指向间的关联将提供关于风的压力施加在结构或附件(诸如灯罩)的何处的指示。由于漩涡脱落使得结构相对于风载荷以直角偏转，这种潜在的损坏现象可以被识别。因此，本系统可以区分对过量偏转引起的漩涡脱落的反应和由于诸如腐蚀等损坏和/或疲劳引起的过量偏转。
风速计24阵列被安装在组中的一个或多个柱上，或者在靠近柱的位置，以测量风速和风向。当安装柱时，风速计阵列还由在其上设置风速计阵列的灯柱的电源供能。
由于风速和风向在每个地理位置中通常是相似的，因此可以采用单个结构的测量结果应用至一组柱。
该风数据随后由中央监测系统或枢纽捕获，并且被传输到远程服务器26。这样，一组柱的结构牢靠性状况和电气操作可以被连续地或周期性地评估，并且如果通过所收集的数据发现一组柱中的一个或多个柱需要维修或更换，则可以采取补救动作。
与具体结构和所采用的柱有关的基线数据被输入远程服务器26，用于与所测量的性能数值相比较。
该基线数据包括偏转的性能边界和与常规损坏机制(例如，磁撞、腐蚀、干扰(tampering)等)相一致的边界被设置成符合任何适用的结构标准/国家标准，例如，欧洲标准EN40。尤其在常规损伤机制的情况中，例如，由于腐蚀引起的部分的损失和/或疲劳导致的故障，通过结构计算和/或有限元分析计算偏转参数。紧接着，根据使用上述9自由度MEMS器件的实时振动数据测量结果的统计分析，进行结构牢靠性状况的评估。
尤其在常规损伤机制的情况中，例如，由于腐蚀引起的部分的损失和/或疲劳导致的故障，通过结构计算和/或有限元分析，确定振动特性。
在系统安装之前计算所有的基线数据，以便可以无延迟地对结构牢靠性状况进行评估。可以立即开始结构的评定，而无需事先得知其当前状态或年龄。
应当理解，可以使用若干个不同的产品平台制造监测器16。因此，电路板可以被附接到照明CMS(中央管理系统)模块或可以被形成为附接到灯柱的灯(lamp)或灯罩(lantern)的电路板上的单独模块。
在这两种情况中，平台都被构建成安装在柱的灯或灯罩内部或与柱的灯或灯罩紧密相邻，并使用灯或灯罩电源。
其它部件选项包括被安装在灯或灯罩的上表面上的单独模块(同样使用灯或灯罩电源)，或安装在所述结构的上表面上的单独模块。
由远程服务器26收集的数据包括，例如，数据获取的日期和时间、收集的数据所源自的柱和/或一组柱的地理位置、从其中采集数据的一组灯柱的海拔高度、与单个柱识别相关的数据、在所测量的风荷载下所测量的一组柱的加速度的方向和速度、以及电压和电流。
在所描述的布置中，所有被获取的数据被发送到并保留在远程服务器26中，在此，相关数据或从中提取的数据能够被授权的人员使用定制软件通过网络门户28浏览。这样，使得所描述的装置的用户能够立即得知在一组柱中的单个柱中发生的任何物理问题或其他问题，并且能够立即改正任何故障。
被监测的柱在已知风荷载期间的结构偏转通过由微控制器10的MEMS器件的加速计功能所获取的数据来计算。因此，所接收的加速度数据，例如，被整合两次，以提供在X轴、Y轴和Z轴的偏转测量结果。然后，可以根据每种类型的柱的特定结构计算，对偏转进行分析。
也可以采用用于提供偏转和其他数据的其他方法。
被监测的柱的电气操作可以被评定以确定它们对公众及负责他们的维修的任何人是否安全。具有电气缺陷的灯柱可以被分析用以评估灯柱是否对正在其上作业的或将与灯柱接触的人存在任何危险，并且还证明在将对灯柱进行任何检查或作业的当天，装置是否处于安全状态。连续监测灯柱还验证人们、动物的健康和安全以及财产未受到威胁。
可以提供警告功能30，以指示组中的一个或多个柱处于不安全状态。该功能可以预测性地指示组内的一个或多个柱在预测的时期内可能变得不安全。
灯柱电气系统的分析的一部分是确定应当优选保持为0.85的功率因数是小于还是大于0.85。如果功率因数小于0.85，那么需要更换电子电路内的部件。
在全球工业中，通过使用风荷载代码和地图来评定结构能力是标准做法。然后，这些结构计算由与风速直接相关的偏转的量决定。可以使用该实时数据来验证该结构是耐用的并且甚至来预测其他失效模式例如疲劳寿命。
定制软件被设计，以便在任何时间点都能够查询柱的结构完整性和电气操作，以及以由授权的人员确定的频率来常规性地获取数据。某些结构参数和电气参数将会被包括，以便如果结构偏转到正常操作范围之外，授权的人员能够收到警报。
这可以用于来指示，例如，柱是否涉及道路交通事故或遭受严重的结构损坏或具有已经导致柱变得不安全的电气或机械缺陷。还提供有附加的安全效益，因为相关授权机构能够通过由监测装置所传输的警报，对道路上的可能障碍物进行快速响应，而不是等待接收来自过路人的报告。
软件还可以被链接到地方当局的资产登记，从而提供关于来自本发明的监测方法和装置的结构和电气输出的历史数据。
所描述的系统，例如，能够计算10分钟平均风速和10分钟的结构平均偏转，并将10分钟平均风速和10分钟的结构平均偏转进行关联，用于与针对柱的一些国家标准，例如，欧洲标准EN40的要求相比较。
在相同或不同地理位置中的相似的结构设计经受多个独特的载荷。载荷的大小和/或方向由于诸如，主风方向、风速、暴露、地形类型和海拔高度的因素而变化。这将使得用户能够施加一系列的载荷，这些载荷之后能用于通知分析阶段。这种“自学习系统”与经验数据和/或物理测试数据一起微调分析阶段内的边界。这种“自学习系统”将为特定的结构类型提供一系列的基线数据，这些数据可用于在大大缩短的时间段内进行比较。
因为振动特性、偏转和可能的扭转会发生变化，还可以检测到增加结构表面积的标志/横幅(在系统初始化后被非法安装)。
灯柱内的电子电路设备会受到雷电或电气开关事件的严重影响。已经发现这些事件导致电压的增加(浪涌或瞬态电压过高)，其能够对由柱支撑的电子电路设备造成无法弥补的损害。因此可能会提供浪涌保护装置(SPD)，其被专门设计用以通过将有害电压重新引导远离设备来保护设备免受此类事件的影响。
通过陀螺仪、磁力计和加速度计测量结果可以检测车辆与结构的碰撞。还可以测量受到碰撞的结构的冲击特性，用于改进结构设计，特别是在被动安全领域。
其他激发事件(例如，检测到地震)将导致与风速测量结果不相关的大的加速度。来自同一地理区域中的多个结构在相同时间的相似的测量结果将指示这样的事件。
如果由柱支撑的灯在本应该关闭时开启，则发送警告以通知柱的所有者。同样地，如果灯在本应该开启时关闭，则也可以发送警告以通知柱的所有者。
LED灯包括多个发光板，通过连续监测，其使得能够检测电压和电流水平。
灯柱通常包括出入门，在出入门之后设置有中断开关(break-out switch)。通过连续监测底舱门，可以检测到破坏并向资产所有者发送警报。
如果包括MEMS器件的微控制器10被重新安装到不同的结构类型上，则可以使用无线通信来远程重新配置固件。数据收集采样率、加速度计和陀螺仪测量范围都可以被重新配置以适应新的结构。
传感器节点可以以任何取向安装，因为使用磁力计读数给出用于系统的校正后的坐标点来使坐标系统重新对准磁北。
分析结构的振动特点将确定衰减的自然谐振频率，并监测这些频率随时间的变化。功率谱密度和FFT方法和自相关技术用于确定结构的完整性是否随时间变化。使用神经网络和机器学习的预测工具将用于基于经由系统收集的历史数据来分析和确定结构的使用寿命。
作用于结构上的扭转力可以使用陀螺仪读数，即角速度变化率来测量。
总之，在悬臂式结构上使用所述系统提供以下优点：
●尺寸小，使得表面积和质量元素对于结构上的附加载荷是可忽略的。
●成本小，使得能够大量配置在低价值高风险资产上。
●用于常规电源插座(例如，NEMA插座)的设计使得节点能够连接至灯罩的外部，同时保持与CMS或光电池的连接。
应当理解，前文仅为根据本发明的用于监测柱和柱组的结构牢靠性状况的方法和装置的示例性说明，并且在不脱离所述的本发明的范围下，能够容易地做出修改。因此，虽然具体地参考灯柱和这些柱的组描述了本发明，本发明对于其他种类的柱和柱组具有同等相关性，所述柱和柱组包括电信桅杆、铁路信号、配电桅杆、道路标牌柱、架线塔、用于铁道电气化设备的支撑结构等。