Schválené projekty 2019

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2019

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 404 010 Kč

Z toho 0,18 % - 99 192 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 433 100
EKF  3 711 635
FAST  2 600 000
FS   8 127 164
FEI 15 797 594
HGF   5 859 651
FMT  7 597 824
VC 10 177 850
CELKEM 55 304 818

KódSP2019/67
Název projektuSledování vlivu vibrací od dopravy v zastavěné oblasti za využití optovláknových senzorů jako alternativy k seismickým stanicím
ŘešitelNedoma Jan Ing., Ph.D.
Školitel projektudoc. RNDr. Eva Hrubešová, Ph.D.<br />
Období řešení projektu01.01.2019 - 31.12.2019
Předmět výzkumu1. Předmět výzkumu
1.1 Současný stav řešené problematiky

Cílem projektu bude výzkum a analýza využití konstrukčně nejjednoduššího zapojení dvouramenného optovláknového interferometrického senzoru jako alternativy ke konvenčním seismickým stanicím se zaměřením na dopravní aplikace. Při průjezdu kolové dopravy, stejně jako kolejových souprav vznikají vibrace, které se od dynamického zatížení, přes konstrukci železniční, resp. silniční komunikace přenášejí do horninového podloží [1]. Intenzita těchto vibrací je závislá na typu a stáří projíždějícího dopravního prostředku, na konstrukci a stavu drážního, resp. silničního tělesa, velmi významná je lokální geologická stavba a samozřejmě vzdálenost od zdroje dynamického namáhání. Takto vzniklé vibrace mohou mít nepříznivý vliv jak na objekty v okolí, na obyvatele žijící v těchto objektech, tak i na technologie v nich umístěné. Je tedy důležité realizovat experimentální měření, která vedou k získání hodnot reprezentující tyto vibrace. K realizaci seismických měření za použití standardních seismických stanic může jako low-cost alternativa posloužit metoda měření využívající vláknově optického interferometru.
Vláknově optické senzory jsou jednou z dynamicky se rozvíjejících oblastí fotoniky a fotonických aplikací. Jsou velmi citlivé, plně pasivní z hlediska napájení elektrickou energií a imunní vůči elektromagnetickému rušení, respektive elektromagnetickým interferencím [2]. Jejich rozhraní je při vhodné konstrukci přímo připojitelné na stávající bezpečnostní a telekomunikační vláknově optické sítě. V dnešní době lze mezi nejcitlivější vláknově optické senzory zařadit interferometry. Interferometrické senzory fungují na principu fázové modulace interferujícího vlnění šířícího se uvnitř optického vlákna a umožňují vzdálené oddělení místa měření od místa vyhodnocení. Mezi další výhody vláknově optických interferometrů lze zařadit velký dynamický rozsah, jejich odolnost vůči elektrostatickému a elektromagnetickému rušení. Tento typ senzorů nabízí možnost dosažení nejvyšší citlivosti v rámci optovláknových senzorů. Lze dosáhnout změny citlivosti řádově o 10^-8 (vlnová délka světla v optickém vlákně je kolem 1μm). [3]

K měření vlivu vibrací, respektive detekci kolových a kolejových vozidel lze běžně využít seizmické stanice [4-9] vyráběné renomovanými firmami, které jsou vybavené snímači rychlosti, resp. zrychlení. Generované vibrace jsou primárně reprezentovány časovými záznamy, které definující průjezd, frekvenční spektra jsou následně dopočítávána příslušným softwarem. Samotné frekvence pak hrají velmi významnou roli při možném strukturním poškozením objektů, obzvláště pokud dojde k rezonanci vlastní frekvence objektu a frekvence zdroje zatížení. Důsledkem dlouhodobého působení vibrací na objekty pak může být vznik trhlin v omítkách, ve zdivu a případně jiné poruchy. Stejně tak nepříznivý je vliv vibrací na člověka. Cena takovýchto standardně využívaných zařízení se běžně pohybuje v řádu tisíců amerických dolarů [10-12].

Z hlediska vláknové optiky existuje pouze několik publikací, které popisují využití interferometrického senzoru v dopravních aplikacích. Všechny uvedené publikace jsou ale zaměřeny pouze na detekci (primárně časová odezva) automobilových nebo kolejových vozidel, případně jako perimetrický detektor. Autorský kolektiv publikací [13-14] popsal využití interferometrického senzoru v automobilovém provozu, články popisují statistická data z dynamického sledování hustoty provozu a hluku ve městech. Publikace [15] popisuje aplikaci interferometrického senzoru v perimetrických aplikacích pro zabezpečení vstupních prostor budov. Autoři monitorovali vibrační odezvu, která je způsobena tím, že lidé procházejí chráněným (sledovaným) obvodem. Použití pro kolejovou dopravu popisuje publikace [16], která analyzuje využití konstrukčně složitého tříramenného zapojení Mach-Zehnderova interferometru v kolejové dopravě jako detektoru hustoty provozu. Sledovány jsou časové odezvy vozidel. První společné aplikace pro sledování dynamických účinků, resp. možnosti registrovat tyto účinky interferometrickým senzorem v těsné blízkosti od dynamického zatížení jsou popsány v publikacích [17, 18]. Logickým pokračováním by měly být aplikace při sledování dynamické odezvy stavebních objektů ve vzdálenosti prvních desítek metrů od zdroje dynamického zatížení.

K aktuálnímu datu tedy neexistují vědecké publikace zaměřené na sledování projevů vibrací od dopravy na stavební konstrukce, stejně tak z pohledu vlivu na člověka, a to pomocí optovláknových interferometrických senzorů. Tento projekt prohloubí problematiku využití vláknové technologie v aplikacích seismického inženýrství a přinese originální výsledky v podobě srovnání studie seismické stanice a konstrukčně nejjednoduššího (low-cost) zapojení dvouramenného optovláknového interferometrického senzoru.

Hlavním řešitelem bude doktor Jan Nedoma, který má k aktuálnímu datu 5 platných patentů, 99 záznamů v databázi Scopus (Autor ID: 57014879400) a H index = 8 (bez autocitací) a to především ze zahraničních sympozií a časopisů.

1.2 Přehled použitých metod
V rámci projektu budou činnosti rozděleny do několika úrovní:
V první úrovni budou analyzovány vhodné typy optických kabelů pro senzorické snímání nízkých kmitočtů, které jsou charakteristické pro vibrační odezvu kolejových i automobilových vozidel [1], jejich uspořádání a optimální způsob implementace v rámci kompaktních senzorů. Navazovat bude analýza jejich frekvenční charakteristiky s cílem ověřit pásmo frekvencí, ve kterých jsou senzory nejcitlivější.
Průběžně bude vytvořen software pro vyhodnocení dat v prostředí LabVIEW. Algoritmus detekování projíždějícího vozidla bude založen na vyhodnocování užitečného signálu, který produkuje projíždějící vozidlo (kolejové i automobilové). Když se vozidlo přibližuje k senzoru, vytváří vibrační a částečně i akustickou odezvu, jejíž intenzita roste, s tím, jak se přibližuje a pak opět klesá, jak se od něj vzdaluje. Maximální intenzity signálu je dosaženo v době, kdy je vozidlo na úrovni senzoru. Algoritmus bude hledat první amplitudové maximum způsobené průjezdem přední nápravy vozidla nad nastavenou rozhodovací úrovní, která je stanovena s ohledem na šumové pozadí. Toto maximum poté bude vyhodnoceno a jeho poloha bude udávat čas průjezdu vozidla. Zároveň bude provedena frekvenční analýza signálu, kdy výstupem bude spektrální analýza signálu s dominantními frekvencemi.
Dále budou provedena srovnávací měření kolejových a automobilových vozidel, kdy základními sledovanými parametry budou soubory generovaných frekvencí (dominantní frekvence) způsobených průjezdy vozidel. Blíže budou rozebrány i časové záznamy (maximální amplitudy) charakterizující detekci jednotlivých vozidel. Jako referenční seismická stanice k interferometrickému senzoru bude využita stanice typu Gaia2T a seismický senzor ViGeo2, resp. kompaktní seismická stanice BRS32.

Literatura:
[1] BS ISO 4866:2010 Mechanical vibration and shock, vibration of fixed structures, guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of their effects on structures, BSI Group 2010.
[2] Lopez-Higuera, J. M. Handbook of optical fibre sensing technology; Wiley: New York, NY, USA, 2002; pp. 828, ISBN 978-0-471-82053-6.
[3] Goodwin, E. P. Wyant. J. C. Field guide to interferometric optical testing. In SPIE Press, SPIE field guides, Bellingham, Wash, 2006; ISBN 9780819465108.
[4] Zou, C.; Wang, Y.; Moore, J.A.; Sanayei, M. Train-induced field vibration measurements of ground and over-track buildings. Science of the Total Environment 2017, 575, 1339-1351, doi:449 10.1016/j.scitotenv.2016.09.216.
[5] Degrande, G.; Schillemans, L. Free field vibrations during the passage of a thalys high-speed train at variable speed. Journal of Sound and Vibration 2001, 247, 131-144, ISSN 0022-460X.
[6] Galvin, P.; Domínguez, J. Experimental and numerical analyses of vibrations induced by high-speed trains on the Cordoba-Malaga line. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 2009, 29, 641-657, doi: 10.1016/j.soildyn.2008.07.001.
[7] Stolarik,M.; Pinka,M.;Marsalek, J. Analysis of load of the tunnel definitive lining due to vibrations of various sources. Advanced Materials Research 2014, 1020, 429-434. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1020.429.
[8] Stolarik, M.; Pinka, M. Seismic impact of the railway on the geotechnical constructions. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017; 012049; doi:10.1088/1757-899X/236/1/012049.
[9] Stolarik, M.; Pinka, M.; Mohyla, M. Dynamic load due to the tram in urban area. In International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, 2017; pp. 271-278, DOI:10.5593/sgem2017/12/S02.035.
[10] GeoSIG. Available online: https://www.geosig.com (accessed on 10 October 2018).
[11] Nitro Consult. Available online: https://www.nitroconsult.com (accessed on 5 October 2018).
[12] Guideline GEO, Abem, Mala. Available online: https://www.guidelinegeo.com (accessed on 13 October 2018).
[13] Nedoma, J.; Zboril, O.; Fajkus, M.; Zavodny, P.; Kepak, S.; Bednarek, L.; Martinek, R.; Vasinek, V. Fiber optic system design for vehicle detection and analysis. In Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2017; doi: 10.1117/12.2239549.
[14] Nedoma, J.; Fajkus, M.; Martinek, R.; Mec, P.; Novak, M.; Jargus, J.; Vasinek, V. Fiber-optic sensor for monitoring a density of road traffic. In Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, 2017; doi: 10.1117/12.2276560
[15] Nedoma, J.; 473 Fajkus, M.; Martinek, R.; Mec, P.; Novak,M.; Bednarek, L.; Vasinek, V. Interferometer for securing entrance areas of buildings. In Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2017; doi: 10.1117/12.2277108.
[16] Kepak, S.; Cubik, J.; Zavodny, P.; Hejduk, S.; Nedoma, J.; Davidson, A.; Vasinek, V. Fibre optic portable rail vehicle detector. In Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2016, 10142, 101421M.
[17] Stolarik, M., Pinka, M., Zabka, S., Novak, M. Dynamic effect of harmonic vibrations: Various approaches to monitor. In Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2018, 10795, art. no. 107950Y. DOI: 10.1117/12.2325740
[18] Pinka, M., Stolarik, M., Zabka, S., Novak, M. Comparison of measurements of the rail transport impact on the rock environment using a classical seismic sensor and fiber-optic interferometric sensor. In Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2018, 10795, art. no. 107950Z. DOI: 10.1117/12.2325747

1.3 Harmonogram řešení
Únor – březen: Nákup vhodných typů optických vláken, optických děličů, optických konektorů, spotřebního materiálu (izolačních materiálů pro uložení referenčního ramene, materiálů vhodných pro přenos vibrační odezvy od dopravních vozidel na měřící vlákno, krycích materiálů apod). Koncepční návrh měřících senzorů vhodných pro monitorování vybraných parametrů v dopravních aplikacích.
Duben – květen: Realizace měřících senzorů (prototyp senzoru pro vlakovou dopravu, prototyp senzoru pro automobilovou dopravu), Realizace softwarové aplikace pro zpracování a vyhodnocení dat. Analýza frekvenční charakteristiky senzorů. Příprava měření a úvodní praktická měření kolejových vozidel (Čeperka) a automobilových vozidel (Dubina-Ostrava).
Červen – červenec: Na základě vyhodnocených dat konstrukční úpravy s cílem zvýšit citlivost senzorů. Praktická měření kolejových vozidel (Čeperka) a automobilových vozidel (Dubina-Ostrava). Vyhodnocení dat a příprava publikací 2×D.
Srpen – září: Praktická měření kolejových vozidel (Čeperka) a automobilových vozidel (Dubina-Ostrava). Vyhodnocení dat a příprava publikace 1×Jimp.
Říjen – listopad: Praktická měření kolejových vozidel (Čeperka) a automobilových vozidel (Dubina-Ostrava).
Prosinec – vyhodnocení projektu SGS, psaní závěrečné zprávy projektu.

1.4 Řešitelský kolektiv
1.4.1 Zdůvodnění zapojení jednotlivých členů týmu

Ing. Jan Nedoma, Ph.D. (student) – hlavní řešitel, návrh a realizace senzorů, realizace softwarové aplikace pro zpracování dat, provádění praktických měření vozidel. Realizace laboratorních experimentů, analýza výsledků a zpracování dat, psaní publikačních výstupů.
Ing. Marcel Fajkus, Ph.D. (student) – provádění praktických měření vozidel. Analýza výsledků a zpracování dat, psaní publikačních výstupů.
Ing. Martin Stolárik, Ph.D. (akademický pracovník) – osoba nutná pro obsluhu zařízení (měření se seismickými stanicemi), provádění praktických měření dynamických vlivů od dopravy. Analýza výsledků a zpracování dat, psaní publikačních výstupů.
Ing. Miroslav Pinka (student) – provádění praktických měření vozidel. Analýza výsledků a zpracování dat, psaní publikačních výstupů.
Doc. RNDr. Eva Hrubešová, Ph.D. (akademický pracovník) – školitel, konzultace v rámci řešení projektu.

Hlavní řešitel projektu Ing. Jan Nedoma, Ph.D. se zabývá využitím optovláknových senzorů v oblasti železniční a automobilové dopravy, perimetrických systémů a biomedicínských aplikací již 5 let na katedře telekomunikační techniky, fakulty elektrotechniky a informatiky. Ve spolupráci s řešiteli SGS Ing. Marcelem Fajkusem, Ph.D., Ing. Martinem Stolárikem, Ph.D. a Ing. Miroslavem Pinkou spolupracuje v oblasti využití optovláknových interferometrických senzorů v dopravních aplikacích od roku 2017. Společně realizovali několik úvodních měření (automobilový i kolejový provoz) v rámci kterých potvrdily ideu využití optovláknových senzorů jako alternativu k seismickým stanicím. Výstupem těchto úvodních měření bylo několik publikací [1-3].

[1] Stolarik, M., Pinka, M., Nedoma, J., Fajkus, M., Martinek, R. "Tram type influence on the frequency spectrum character of the subsoil dynamic response [Badania sejsmicznych charaterystyk widmowych różnych typów pojazdów szynowych]", (2018) Przeglad Elektrotechniczny, 94 (11), pp. 96-100. DOI: 10.15199/48.2018.11.22
[2] Pinka, M., Stolarik, M., Zabka, S., Novak, M. "Comparison of measurements of the rail transport impact on the rock environment using a classical seismic sensor and fiber-optic interferometric sensor", Published in SPIE Proceedings Vol. 10795. DOI: 10.1117/12.2325747
[3] M. Stolarik, M. Pinka, S. Zabka, M. Novak, "Dynamic effect of harmonic vibrations: various approaches to monitor", Proc. SPIE 10795, Electro-Optical and Infrared Systems: Technology and Applications XV, 107950Y (9 October 2018); doi: 10.1117/12.2325740; https://doi.org/10.1117/12.2325740

1.4.2 Nejvýznamnější publikační a aplikační výstupy řešitelů projektu
Uvedeno je max. 5 publikačních a max. 5 aplikačních výstupů.

Ing. Jan Nedoma, Ph.D. (Autor Scopus ID: 57014879400)
Celkový počet publikovaných publikací: 99
H index = 8 (bez autocitací)
Celkový počet platných patentů: 5

[1] Martinek, R., Kahankova, R., Jezewski, J., Jaros, R., Mohylova, J., Fajkus, M., Nedoma, J., Janku, P., Nazeran, H. Comparative effectiveness of ICA and PCA in extraction of fetal ECG from abdominal signals: Toward non-invasive fetal monitoring (2018) Frontiers in Physiology, 9 (MAY), art. no. 648. DOI: 10.3389/fphys.2018.00648. (IF 2017: 3.394)
[2] Nedoma, J., Kepak, S., Fajkus, M., Cubik, J., Siska, P., Martinek, R., Krupa, P. Magnetic Resonance Imaging Compatible Non-Invasive Fibre-Optic Sensors Based on the Bragg Gratings and Interferometers in the Application of Monitoring Heart and Respiration Rate of the Human Body: A Comparative Study (2018) Sensors (Basel, Switzerland), 18 (11), DOI: 10.3390/s18113713 (IF 2017: 2.475)
[3] Fajkus, M., Nedoma, J., Martinek, R., Vasinek, V., Nazeran, H., Siska, P. A non-invasive multichannel hybrid fiber-optic sensor system for vital sign monitoring (2017) Sensors (Switzerland), 17 (1), art. no. 111, (IF 2017: 2.475)
[4] Martinek, R., Nedoma, J., Fajkus, M., Kahankova, R., Konecny, J., Janku, P., Kepak, S., Bilik, P., Nazeran, H. Aphonocardiographic-based fiber-optic sensor and adaptive filtering system for noninvasive continuous fetal heart rate monitoring (2017) Sensors (Switzerland), 17 (4), art. no. 890, (IF 2017: 2.475)
[5] Vanus, J., Belesova, J., Martinek, R., Nedoma, J., Fajkus, M., Bilik, P., Zidek, J. Monitoring of the daily living activities in smart home care (2017) Human-centric Computing and Information Sciences, 7 (1), art. no. 30. DOI: 10.1186/s13673-017-0113-6. (IF 2017: 1.967)
[6] VASINEK, V., J. NEDOMA, J. CUBIK, S. KEPAK, P. ZAVODNY, R. MARTINEK, P. SISKA a M. FAJKUS. Způsob měření rychlosti v dopravním provozu a nedestruktivní systém pro provádění tohoto způsobu. 306992, Patent. Uděleno: 20.9.2017.
[7] VASINEK, V., J. NEDOMA, J. FAJKUS, M. a R. MARTINEK. Optovláknový měřicí systém pro monitorování vitálních funkcí lidského těla. 306857, Patent. Uděleno: 28.6.2017.
[8] VASINEK, V., J. NEDOMA, J. ZBORIL, O. a T. KAJNAR. Optovláknový a dotykový senzor pro zabezpečení vybraných prostor. 305969, Patent. Uděleno: 13.4.2016.
[9] VASINEK, V., J. JARGUS, J. VITASEK, M. NOVAK, O. ZBORIL, J. NEDOMA, M. FAJKUS. Svítidlo se zdrojem budicího záření a luminiscenční vrstvou. 307197, Patent. Uděleno: 31.01.2018.
[10] VASINEK, V., K. WITAS, J. NEDOMA. Zapojení generátoru časové prodlevy. 307283, Patent. Uděleno: 28.03.2018.

Ing. Marcel Fajkus, Ph.D. (Autor Scopus ID: 55645595200)
Celkový počet publikovaných publikací: 106
H index = 7 (bez autocitací)
Celkový počet platných patentů: 3

[1] Martinek, R., Kahankova, R., Jezewski, J., Jaros, R., Mohylova, J., Fajkus, M., Nedoma, J., Janku, P., Nazeran, H. Comparative effectiveness of ICA and PCA in extraction of fetal ECG from abdominal signals: Toward non-invasive fetal monitoring (2018) Frontiers in Physiology, 9 (MAY), art. no. 648. DOI: 10.3389/fphys.2018.00648. (IF 2017: 3.394)
[2] Nedoma, J., Kepak, S., Fajkus, M., Cubik, J., Siska, P., Martinek, R., Krupa, P. Magnetic Resonance Imaging Compatible Non-Invasive Fibre-Optic Sensors Based on the Bragg Gratings and Interferometers in the Application of Monitoring Heart and Respiration Rate of the Human Body: A Comparative Study (2018) Sensors (Basel, Switzerland), 18 (11), DOI: 10.3390/s18113713 (IF 2017: 2.475)
[3] Fajkus, M., Nedoma, J., Martinek, R., Vasinek, V., Nazeran, H., Siska, P. A non-invasive multichannel hybrid fiber-optic sensor system for vital sign monitoring (2017) Sensors (Switzerland), 17 (1), art. no. 111, (IF 2017: 2.475)
[4] Martinek, R., Nedoma, J., Fajkus, M., Kahankova, R., Konecny, J., Janku, P., Kepak, S., Bilik, P., Nazeran, H. Aphonocardiographic-based fiber-optic sensor and adaptive filtering system for noninvasive continuous fetal heart rate monitoring (2017) Sensors (Switzerland), 17 (4), art. no. 890, (IF 2017: 2.475)
[5] Vanus, J., Belesova, J., Martinek, R., Nedoma, J., Fajkus, M., Bilik, P., Zidek, J. Monitoring of the daily living activities in smart home care (2017) Human-centric Computing and Information Sciences, 7 (1), art. no. 30. DOI: 10.1186/s13673-017-0113-6. (IF 2017: 1.967)
[6] VASINEK, V., J. NEDOMA, J. CUBIK, S. KEPAK, P. ZAVODNY, R. MARTINEK, P. SISKA a M. FAJKUS. Způsob měření rychlosti v dopravním provozu a nedestruktivní systém pro provádění tohoto způsobu. 306992, Patent. Uděleno: 20.9.2017.
[7] VASINEK, V., J. NEDOMA, J. FAJKUS, M. a R. MARTINEK. Optovláknový měřicí systém pro monitorování vitálních funkcí lidského těla. 306857, Patent. Uděleno: 28.6.2017.
[8] VASINEK, V., J. JARGUS, J. VITASEK, M. NOVAK, O. ZBORIL, J. NEDOMA, M. FAJKUS. Svítidlo se zdrojem budicího záření a luminiscenční vrstvou. 307197, Patent. Uděleno: 31.01.2018.

Ing. Martin Stolárik, Ph.D. (Autor Scopus ID: 36134029300)
Celkový počet publikovaných publikací: 22
H index = 3 (bez autocitací)

[1] Kaláb, Z., Hanslian, D., Stolárik, M., Pinka, M. Analysis of wind energy potential and vibrations caused by wind turbine on its basement (2014) Acta Montanistica Slovaca, 19 (3), pp. 151-159. (IF 2014: 0.329)
[2] Stolárik, M. Modeling of vibration effect within small distances (2008) Acta Geodynamica et Geomaterialia, 5 (2), pp. 137-146.
[3] Stolarik, M., Pinka, M., Nedoma, J., Fajkus, M., Martinek, R. "Tram type influence on the frequency spectrum character of the subsoil dynamic response [Badania sejsmicznych charaterystyk widmowych różnych typów pojazdów szynowych]", (2018) Przeglad Elektrotechniczny, 94 (11), pp. 96-100. DOI: 10.15199/48.2018.11.22

Ing. Miroslav Pinka (Autor Scopus ID: 56416437600)
Celkový počet publikovaných publikací: 20
H index = 2 (bez autocitací)

[1] Kaláb, Z., Hanslian, D., Stolárik, M., Pinka, M. Analysis of wind energy potential and vibrations caused by wind turbine on its basement (2014) Acta Montanistica Slovaca, 19 (3), pp. 151-159. (IF 2014: 0.329)
[2] Stolarik, M., Pinka, M., Nedoma, J., Fajkus, M., Martinek, R. "Tram type influence on the frequency spectrum character of the subsoil dynamic response [Badania sejsmicznych charaterystyk widmowych różnych typów pojazdów szynowych]", (2018) Przeglad Elektrotechniczny, 94 (11), pp. 96-100. DOI: 10.15199/48.2018.11.22

2 Specifikace výstupů výzkumu (cíl projektu):
Projekt je orientován na výzkum, návrh a realizaci prototypů vláknově optických interferometrů jako alternativu ke konvenčně používaným seismickým stanicím v dopravních aplikacích. Sledování projevu vibrací, tedy maximálních amplitud a frekvencí je velice důležité jak z pohledu vlivu na stavební konstrukce, tak z pohledu vlivu na člověka. Vibrace se od zdroje šíří horninovým prostředím a jsou utlumovány v závislosti na vzrůstající vzdálenosti. V přípovrchových sedimentech mohou být vibrace také zesilovány, jsou vyvolávány rezonanční kmity v přípovrchové vrstvě a je prodlužována doba vibrace následkem volného kmitání přípovrchových sedimentů. Samotné frekvence pak hrají velmi významnou roli při možném strukturním poškozením objektů, obzvláště pokud dojde k rezonanci vlastní frekvence objektu a frekvence zdroje zatížení. Důsledkem dlouhodobého působení vibrací na objekty pak může být vznik trhlin v omítkách, ve zdivu a případně jiné poruchy. K realizaci seismických měření za použití standardních seismických stanic může jako low-cost alternativa posloužit metoda měření využívající vláknově optického interferometru. Projekt je tak orientován na výzkum, návrh a realizaci prototypů vláknově optických interferometrů, které využívají jednomódová telekomunikační optická vlákna standardu G.652.D. a zdroj záření s výstupním výkonem v řádech jednotek mW. Důraz bude kladen na porovnání časových záznamů a frekvenčních spekter získaných při experimentálních měřeních dynamických odezev horninového masivu vlivem projíždějících vlakových, tramvajových a automobilových vozidel v různých klimatických podmínkách. Kromě uvedených cílů bude projekt tvořit základní výzkum využití optovláknových technologií v seismických aplikacích, což je stěžejním tématem habilitační práce řešitele projektu Ing. Martina Stolárika, Ph.D.

2.1 Jednotlivé body projektu
• Výzkum, návrh a realizace prototypů vláknově optických interferometrů.
• Volba vhodné délky měřícího a referenčního vlákna.
• Volba vhodné poměru vláknově optických děličů.
• Definice vhodného „rezonančního“ materiálu pro maximalizaci přenosu vibrační odezvy od kolejových a automobilových vozidel na měřící optické vlákno.
• Volba vhodného krycího a izolačního materiálu s ohledem na frekvenční odezvu od kolejových a automobilových vozidel.
• Měření frekvenční charakteristiky prototypů senzorů.
• Získání praktických zkušeností a návrh funkčních optovláknových vzorků pro dopravní aplikace.
• Realizace základního výzkumu v oblasti monitorování vibrační odezvy od dopravních vozidel optovláknovými technologiemi v porovnání s konvenčními seismickými stanicemi.
• Realizace výstupů 2xD (Mezinárodní konference SPIE, SJR 2017: 0.234) a 1xJimp se zaměřením na druhý nebo třetí kvartil.
Členové řešitelského týmuIng. Marcel Fajkus, Ph.D.
doc. RNDr. Eva Hrubešová, Ph.D.
Ing. Jan Nedoma, Ph.D.
Ing. Miroslav Pinka
Ing. Martin Stolárik, Ph.D.
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)2.2 Minimální očekávané výstupy za požadovanou finanční podporu

Výstupem projektu bude 2xD, kdy jeden ze členů projektu svou aktivní účastí na mezinárodní konferenci bude prezentovat výše uvedené výstupy. Zvolena byla mezinárodní konferenci SPIE - the International Society for Optics and Photonics (ISSN: 0277-786X, SJR 2017: 0.234), která je registrována v databázích SCOPUS i Web of Knowledge. Konference byla vybrána, protože je tématicky zaměřena na optovláknové technologie, respektive vláknově optické senzory. Na této konferenci již byly publikovány určité výsledky a poznatky, které lze využít při konstrukčním návrhu prototypů interferometrických optovláknových senzorů. Jedná se o příspěvek [1], který popisuje analýzu různých „rezonančních“ materiálů vhodných pro snímání vibrační odezvy interferometrickými senzory. Dále příspěvek [2], který popisuje vliv fixačních materiálů na frekvenční rozsah a citlivost vláknově optického interferometru.
Dále bude výstupem projektu 1xJimp, kdy primárně bude cíleno na časopis Advances in Electrical and Electronic Engineering (ISSN: 1336-1376, SJR 2017: 0.274), který je dle scimago hodnocen jako Q2, viz přiložený odkaz: (https://www.scimagojr.com/journalsearch.php?q=60241&tip=sid). Časopis je registrován v databázích SCOPUS i Web of Knowledge (v případě WoS se čeká na přidělení IF). Časopis byl vybrán, protože je tématicky zaměřen na optovláknové technologie a optoelektroniku. V tomto časopise již byly publikovány určité výsledky a poznatky, které lze využít při konstrukčním návrhu prototypů interferometrických optovláknových senzorů. Jedná se o příspěvek [3], který popisuje využití optovláknového interferometrického senzoru pro měření rychlosti vozidel a příspěvek [4], který je zaměřen na interferometrický senzor pro snímání vibrační odezvy způsobené člověkem v rámci perimetrických aplikací.

[1] Nedoma, J., Fajkus, M., Martinek, R., Zboril, O., Bednarek, L., Novak, M., Witas, K., Vasinek, V. Analysis of the detection materials as resonant pads for attaching the measuring arm of the interferometer when sensing mechanical vibrations (2017) Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 10231, art. no. 1023119. DOI: 10.1117/12.2257321.
[2] Nedoma, J., Fajkus, M., Martinek, R., Bednarek, L., Zabka, S., Hruby, D., Jaros, J., Vasinek, V. Impact of fixing materials on the frequency range and sensitivity of the fiber-optic interferometer (2017) Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 10208, art. no. 102080V. DOI: 10.1117/12.2256717.
[3] Nedoma, J., Fajkus, M., Bednarek, L., Vasinek, V. Non-destructive fiber-optic sensor system for the measurement of speed in road traffic (2016) Advances in Electrical and Electronic Engineering, 14 (5), pp. 602-608. DOI: 10.15598/aeee.v14i5.1857.
[4] Fajkus, M., Nedoma, J., Siska, P., Bednarek, L., Zabka, S., Vasinek, V. Perimeter system based on a combination of a Mach-Zehnder interferometer and the bragg gratings (2016) Advances in Electrical and Electronic Engineering, 14 (3), pp. 318-324. DOI: 10.15598/aeee.v14i3.1752.

• 1×D: Analysis of the effect of long-time thermal load on the total losses of the selected fiber-optic couplers (zaslaný abstrakt na konferenci SPIE - the international society for optics and photonics, která se koná k datu 1-4.4.2019).
• 1×D: Perimetric monitoring: A comparison of a classical seismic sensor and fiber-optic interferometric sensor (zaslaný abstrakt na konferenci SPIE - the international society for optics and photonics, která se koná k datu 1-4.4.2019).
• 1×Jimp: „Pracovní název: Realizace seismických měření v dopravě za použití standardních seismických stanic a low-cost alternativy využívající vláknově optického interferometru“ (předpokládané časopisy: primárně Advances in Electrical and Electronic Engineering, SJR 2017: 0.274 nebo Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, SJR 2017: 0.204 nebo Przeglad Elektrotechniczny, SJR 2017: 0.209 nebo IFAC-PapersOnLine, SJR 2017: 0.260).

2.3 Zdůvodnění prostředků rozpočtu:

Odměny (6700 Kč):
• Ing. Martin Stolárik, Ph.D. (akademický pracovník) – odměna za obsluhu zařízení pro měření (5 000 Kč + 1700 Kč odvody)

Stipendium (40 000 Kč):
• Ing. Marcel Fajkus, Ph.D. (student) - stipendium 20 000 Kč
• Ing. Jan Nedoma, Ph.D. (student) - stipendium 20 000 Kč

Cestovní náhrady (60 000 Kč):
• Cesta na konferenci do Prahy a ubytování na jednu noc pro jednu osobu. Dále cesty ohledně nákupů, konzultací a cesty na měření (vlakové soupravy budou měřeny na stanici Čeperka (Hradec Králové), kde lze díky svolení v rámci jiného řešeného projektu na FEI měřit v blízkosti kolejové struktury). Tramvajové soupravy budou měřeny na Dubině po dohodě a školení ze strany dopravního podniku Ostrava, respektive správou Energodispečinku, který zabezpečuje provoz tramvajových vozidel. Automobilová vozidla budou analyzována dle dohody s dopravním podnikem Ostrava. Očekává se 15 až 20 cest s cílem získat co největší vzorek dat (důležité pro kvalitní impaktované publikační výstupy i habilitační práci Ing. Stolárika).

Spotřební materiál (13 200 Kč):
• Nákup optických kabelů (5000 Kč) a děličů (5000 Kč), které jsou nutné pro měření a vývoj prototypů senzorů. Dále spotřební materiál (5000 Kč) pro izolaci referenčního ramene, voděodolný box, resonanční materiál pro přenos vibrací od vozidel na optické vlákno, tmely, lepidla, konektory, externí disky na nálohu dat apod.

Služby (7000 Kč):
• SPIE – the International Society for Optics and Photonics (http://spie.org/conferences-and-exhibitions/optics-and-optoelectronics). Jedná se o 2 publikace typu D, vložné cca 300 $ (6 861 Kč přepočet dle kurzu (1USD = 22.8740Kč) k datu 3.12.2018). Výběr časopisu bude primárně zaměřen na takové, kde není nutné platit vložné tedy „Free access“.

Režijní náklady
• 14 100 Kč (10 % poskytnuté podpory)

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
6700,-6700,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)5000,-5000,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti1700,-1700,-
2. Stipendia40000,-40000,-
3. Materiálové náklady13200,-3359,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek0,-0,-
5. Služby7000,-5125,-
6. Cestovní náhrady60000,-71716,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory14100,-14100,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady141000,-
Uznané náklady141000,-
Celkem běžné finanční prostředky141000,-141000,-