CN102507121A - 基于无线传感网的建筑结构震害评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感网的建筑结构震害评估系统及方法；系统主要由若干个无线传感器节点和一个控制计算中心通过无线连接组成；本发明借助于无线传感网技术低成本、自组织的特点，构建了一种基于无线传感网的建筑结构震害评估系统，在功能上做到真正意义上的零线路布置，长期全天候工作；本发明利用检测到的加速度和角速度反应，进行数值分析计算得到结构的速度反应和层间位移反应，从而除了通过层间位移对整体结构和结构构件进行震害评估外，还可以通过结构的速度和加速度反应对非结构构件等速度或加速度敏感型构件进行震害评估，真正实现建筑结构基于性能的震害评估要求。

Description

基于无线传感网的建筑结构震害评估系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑工程地震灾害评估领域和无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种适用于基于无线传感网的建筑结构震害评估系统。

背景技术

既有建筑的震害评估是强震后的重要工作内容之一。各类房屋建筑的震害评估报告是合理确定灾后救助方案和灾后重建政策最原始的工程依据。其中尤为重要的是，震后须对医院、避难场所（如大跨体育场馆）和学校等重要建筑进行迅速而准确的即时震害评估，以期更好地实现地震伤员的医务救助、受灾群众的临时安置以及灾区学校的开学复课。

专业人员对震后建筑结构的排查鉴定是当前灾后震害评估的主要手段。受实际条件的制约，这种评估手段具有以下局限性：                                                

对受灾建筑进行现场排查需结构工程和地震工程领域的专业人员参与，同时肉眼排查只能观察到结构的表面破坏，结构内部损伤则需借助仪器进行检测，因此大量人员和仪器的投入是这种评估手段所不可或缺的。

现场排查须在专业人员和仪器到达受灾现场后进行，排查工作也需一定的时间才能完成，因此评估时间往往较长，难以实现重要建筑的即时震害评估目标。

现场排查大多局限于结构局部损伤的判定，通过结构的局部损伤情况进行结构整体的定性震害评估往往带有一定的片面性和主观性，也很难定量地分析地震对既有建筑正常使用功能所造成的破坏及由此所产生的经济损失。

建筑结构的抗震分析计算也是既有建筑灾后震害评估的一种手段。然而，既有建筑的结构参数确定需进行大量的调研工作，单体结构的计算机建模和分析同样需投入大量的人力和物力，准确的地震动输入数据也要在地震工作者数据处理后才能获得，以上的各种原因也使得通过抗震分析获取结构地震反应继而进行既有建筑的灾后震害评估特别是即时评估变得十分困难。

因此，突破传统的震害评估手段，利用现有的技术开发一种更为先进的震害评估系统，对进一步提升我们国家的抗震防灾能力和降低强震后的震害损失将是十分重要和迫在眉睫的。

传感器技术、微机电系统和无线通信等技术的进步，推动了低成本、低功耗、多功能智能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。与传统的有线传感器系统相比较，由多个智能传感器组成的无线传感网无需通过电缆线传输工程测试信号，在大大降低其测量应用成本的同时，具有易布设、施工周期短和信号稳定等优点。无线传感网所具备的优点及其技术发展同样为既有建筑的地震反应检测提供了一种新的技术手段。

正是基于以上的工程和技术背景，本发明提出了基于无线传感网的建筑结构震害评估系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于无线传感网的建筑结构震害评估系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于无线传感网的建筑结构震害评估系统，它主要由若干个无线传感器节点和一个控制计算中心通过无线连接组成；其中，所述无线传感器节点由传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块和电源模块等组成；所述传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块分别与电源模块相连，传感器模块、无线通信模块分别与单片机处理模块相连；所述传感器模块包含三维加速度传感器和三维角速度传感器，单片机处理模块由处理器、存储器、A/D转换器和传感器信号调理电路等组成；三维加速度传感器和三维角速度传感器分别与传感器信号调理电路相连，传感器信号调理电路和A/D转换器相连，存储器和A/D转换器分别与处理器相连；所述控制计算中心由无线传感器模块、单片机处理模块、无线通信模块、数据分析模块和电源模块等组成；传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块、数据分析模块分别与电源模块相连，传感器模块、无线通信模块分别与单片机处理模块相连，数据分析模块与无线通信模块相连；单片机处理模块由处理器、存储器、A/D转换器和传感器信号调理电路等组成，传感器信号调理电路和A/D转换器相连，存储器和A/D转换器分别与处理器相连；传感器模块包含三维加速度传感器和三维角速度传感器，三维加速度传感器和三维角速度传感器分别传感器信号调理电路相连。

一种应用上述基于无线传感网的建筑结构震害评估系统的建筑结构震害评估方法，该方法包括以下步骤：

（1）对基于无线传感网的建筑结构震害评估系统进行初始化工作；

（2）建筑结构振动信号的采集、保存和发送：当控制计算中心的加速度传感器检测到三轴加速度中的任意一轴加速度数值大于所设定阈值5cm/s²时，判定振动发生，发送命令唤醒其它无线传感器节点进行结构振动信号的采集，信号调理电路将采集到的信号经过放大和滤波，A/D转换器再进行模数转换，处理器接收数据信号并进行数据信号的保存；在结构振动数据采集过程中，如连续5秒的时间内，控制计算中心的加速度传感器检测到三轴加速度中的所有加速度的数值均小于所设定阈值5cm/s²，则判定结构振动停止；发送命令停止其它无线传感器节点的数据采集，并将采集到的数据通过无线发射模块发射给控制计算中心，节点即进入休眠状态。

（3）控制计算中心接收和储存采集到的振动数据：控制计算中心控制整个震害评估系统的信号采集，并在信号采集完成后接收和储存各无线传感器节点采集到的振动数据。

（4）控制计算中心对振动数据进行融合处理，并进行建筑结构的震害评估：无线传感器节点测量得到的三维角速度测量数据，由控制计算中心进行积分运算，得到结构的扭转反应时程；由此进一步对各层测点的加速度反应进行局部坐标系向整体坐标系的转换，统一所有加速度反应测量数据的坐标系，使其具有方向可比性；对整体坐标系下的加速度反应进行积分运算得到各测点处的位移反应，并由各层测点的位移反应差计算得到结构的层间位移反应；根据结构最大层间位移进行结构构件以及整体结构的易损性分析：由最大层间位移分析计算得到建筑结构构件所履历的最大地震变形，从而比较各个极限状态下结构构件（墙、柱、梁等）的极限变形，判别各结构构件所处的破坏极限状态，评估结构构件的地震震害；由结构构件的破坏状况，进行整体结构的地震安全性分析，从而评估整体结构的地震震害。

本发明的有益效果是：

1、借助于无线传感网技术低成本、自组织的特点，构建了一种基于无线传感网的建筑结构震害评估系统，在功能上做到真正意义上的零线路布置，长期全天候工作。

2、本发明采用了低功耗设计。震害评估系统平时态时只有控制计算中心检测振动，无线传感器节点则处于休眠状态，传感器处于完全断电状态，从而实现真正意义上的低功耗工作。

3、利用无线传感器节点中的加速度传感器和角速度传感器对各测点的地震响应进行实时检测和传输，并通过数据的融合处理和计算分析得到既有建筑的即时震害评估结果，整个评估过程将不再需要专业人员的参与现场检测仪器的投入。

4、无线传感器节点的加速度传感器和角速度传感器将检测记录各测点结构地震响应的时程履历，从而可以跟踪和分析结构在整个地震中所受到的损伤过程，得到震害评估结果将更加精确合理。

5、利用检测到的加速度和角速度反应，进行数值分析计算得到结构的速度反应和层间位移反应，从而除了通过层间位移对整体结构和结构构件进行震害评估外，还可以通过结构的速度和加速度反应对非结构构件（如天花板吊顶、吊灯、家具以及仪器设备）等速度或加速度敏感型构件进行震害评估，真正实现建筑结构基于性能的震害评估要求。

附图说明

图1为基于无线传感网的建筑结构震害评估系统示意图；

图2为本发明的无线传感器节点硬件结构框图；

图3为本发明的控制计算中心硬件结构框图；

图4为本发明的无线传感器节点软件流程图；

图5为本发明的控制计算中心软件流程图；

图6为本发明的数据分析模块软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所述，本发明基于无线传感网的建筑结构震害评估系统主要由若干个无线传感器节点1和一个控制计算中心2通过无线连接组成。其中，无线传感器节点1根据需要布置在建筑物的楼板上，测量地震时建筑结构振动的加速度和角速度的信号，同时还具备路由功能。控制计算中心根据需要布置在建筑物底层地面上，以保证最先检测到地震信号。当两个无线传感器节点1之间的距离太远超过无线通信距离或者某条网络中断时，无线传感器节点1可以与周围其它无线传感器节点1自组织网络，将测量数据有效而可靠地传输至控制计算中心2。控制计算中心2不仅负责测量数据的接收储存和处理分析，而且控制计算中心2中的传感器还负责振动信号的全天候检测，当它检测到振动发生时，发送命令要求所有的无线传感器节点开始定时采样和保存数据；当检测到振动结束时，它发出命令要求所有的节点停止采集并发送数据至控制计算中心2，由此完成既有建筑的震害评估。

如图2所述，无线传感器节点1由传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块分别与电源模块相连，传感器模块、无线通信模块分别与单片机处理模块相连。其中，传感器模块包含三维加速度传感器和三维角速度传感器，单片机处理模块由处理器、存储器、A/D转换器和传感器信号调理电路组成。三维加速度传感器和三维角速度传感器分别与传感器信号调理电路相连，传感器信号调理电路和A/D转换器相连，存储器和A/D转换器分别与处理器相连。通过采用三维加速度传感器和三维角速度传感器实现加速度和角速度数据的采集，传感器调理电路将采集到的信号放大和滤波，经过模数转换，转换为数字信号发送给单片机处理器模块。单片机处理器接收数据并存储，处理器控制无线发射模块，将处理后的数据发送给下一个节点。所有模块需要电源模块供给电能。

其中，三维加速度传感器可采用AD公司ADXX335型号的产品，角速度传感器可采用ST公司LRP530AL和LY530ALH型号的产品，处理器可采用TI公司CC2430型号的产品，无线通信模块可采用TI公司推荐的2.4GHz的PCB天线的产品，但均不限于此。电源模块的输出电压为3.3V和5V。

如图3所述，控制计算中心由无线传感器模块、单片机处理模块、无线通信模块、数据分析模块和电源模块组成。传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块、数据分析模块分别与电源模块相连，传感器模块、无线通信模块分别与单片机处理模块相连，数据分析模块与无线通信模块相连。其中，单片机处理模块由处理器、存储器、A/D转换器和传感器信号调理电路组成，传感器信号调理电路和A/D转换器相连，存储器和A/D转换器分别与处理器相连。传感器模块包含三维加速度传感器和三维角速度传感器，三维加速度传感器和三维角速度传感器分别传感器信号调理电路相连。通过采用三维加速度传感器和三维角速度传感器实现加速度和角速度数据的采集，传感器调理电路将采集到的信号放大和滤波，经过模数转换，转换为数字信号发送给单片机处理器模块，单片机处理器接收数据并存储。如果传感器中的三轴加速度数值均未超过设定阈值，则无线通信模块处于休眠状态；当三轴加速度传感器中的任意一轴加速度数值超过设定阈值，则处理器唤醒无线通信模块，发送命令要求所有节点开始同步采集数据，进行结构振动的检测，当控制计算中心判断结构振动停止时，发送命令停止其它无线传感器节点的数据采集，并将采集到的数据通过无线发射模块发射给控制计算中心，数据分析模块通过数据的融合处理，并最终计算得到建筑结构的震害评估结果。

应用本发明基于无线传感网的建筑结构震害评估方法，包括以下四个步骤：

步骤一、对基于无线传感网震害评估系统的硬件进行初始化工作；

步骤二、建筑结构振动信号的采集、保存和发送；

如图4所述，当控制计算中心的加速度传感器检测到三轴加速度中的任意一轴加速度数值大于所设定阈值5cm/s²时，判定振动发生，发送命令唤醒其它无线传感器节点进行结构振动信号的采集，信号调理电路将采集到的信号经过放大和滤波，A/D转换器再进行模数转换，处理器接收数据信号并进行数据信号的保存。在结构振动数据采集过程中，如连续5秒的时间内，控制计算中心的加速度传感器检测到三轴加速度中的所有加速度的数值均小于所设定阈值5cm/s²，则判定结构振动停止。发送命令停止其它无线传感器节点的数据采集，并将采集到的数据通过无线发射模块发射给控制计算中心，节点即进入休眠状态。

步骤三、控制计算中心接收和储存采集到的振动数据

如图5所述，控制计算中心控制整个震害评估系统的信号采集，并在信号采集完成后接收和储存各无线传感器节点采集到的振动数据。

步骤四、控制计算中心对振动数据进行融合处理，并进行建筑结构的震害评估。

如图6所述，无线传感器节点测量得到的三维角速度测量数据，由控制计算中心进行积分运算，得到结构的扭转反应时程；由此进一步对各层测点的加速度反应进行局部坐标系向整体坐标系的转换，统一所有加速度反应测量数据的坐标系，使其具有方向可比性；对整体坐标系下的加速度反应进行积分运算得到各测点处的位移反应，并由各层测点的位移反应差计算得到结构的层间位移反应。 

根据结构最大层间位移进行结构构件以及整体结构的易损性分析：由最大层间位移分析计算得到建筑结构构件所履历的最大地震变形，从而比较各个极限状态下结构构件（墙、柱、梁等）的极限变形，判别各结构构件所处的破坏极限状态，评估结构构件的地震震害；由结构构件的破坏状况，进行整体结构的地震安全性分析，从而评估整体结构的地震震害。

根据结构速度和加速度反应进行非结构构件及仪器设备的震害评估。对于非结构构件（如天花板、吊灯和家具）及仪器设备，根据它们各自的地震破坏特征，它们的地震破坏将主要由楼板的地震速度反应和加速度反应大小所决定。

根据上述方法，完成既有建筑的震害评估。该方法采用了低功耗设计，在平时态只有计算处理中心工作，无线传感器节点处于休眠状态。该方法通过层间位移对整体结构和结构构件进行震害评估外，还通过结构的速度和加速度反应对非结构构件（如天花板吊顶、吊灯和家具）及仪器设备等速度或加速度敏感型构件进行震害评估，真正实现建筑结构基于性能的震害评估要求。

Claims (2)

1.一种基于无线传感网的建筑结构震害评估系统，其特征在于，它主要由若干个无线传感器节点和一个控制计算中心通过无线连接组成；其中，所述无线传感器节点由传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块和电源模块等组成；所述传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块分别与电源模块相连，传感器模块、无线通信模块分别与单片机处理模块相连；所述传感器模块包含三维加速度传感器和三维角速度传感器，单片机处理模块由处理器、存储器、A/D转换器和传感器信号调理电路等组成；三维加速度传感器和三维角速度传感器分别与传感器信号调理电路相连，传感器信号调理电路和A/D转换器相连，存储器和A/D转换器分别与处理器相连；所述控制计算中心由无线传感器模块、单片机处理模块、无线通信模块、数据分析模块和电源模块等组成；传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块、数据分析模块分别与电源模块相连，传感器模块、无线通信模块分别与单片机处理模块相连，数据分析模块与无线通信模块相连；单片机处理模块由处理器、存储器、A/D转换器和传感器信号调理电路等组成，传感器信号调理电路和A/D转换器相连，存储器和A/D转换器分别与处理器相连；传感器模块包含三维加速度传感器和三维角速度传感器，三维加速度传感器和三维角速度传感器分别传感器信号调理电路相连。

2.一种应用权利要求1所述基于无线传感网的建筑结构震害评估系统的建筑结构震害评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）对基于无线传感网的建筑结构震害评估系统进行初始化工作；

（2）建筑结构振动信号的采集、保存和发送：当控制计算中心的加速度传感器检测到三轴加速度中的任意一轴加速度数值大于所设定阈值5cm/s²时，判定振动发生，发送命令唤醒其它无线传感器节点进行结构振动信号的采集，信号调理电路将采集到的信号经过放大和滤波，A/D转换器再进行模数转换，处理器接收数据信号并进行数据信号的保存；在结构振动数据采集过程中，如连续5秒的时间内，控制计算中心的加速度传感器检测到三轴加速度中的所有加速度的数值均小于所设定阈值5cm/s²，则判定结构振动停止；发送命令停止其它无线传感器节点的数据采集，并将采集到的数据通过无线发射模块发射给控制计算中心，节点即进入休眠状态；

（3）控制计算中心接收和储存采集到的振动数据：控制计算中心控制整个震害评估系统的信号采集，并在信号采集完成后接收和储存各无线传感器节点采集到的振动数据；

（4）控制计算中心对振动数据进行融合处理，并进行建筑结构的震害评估：无线传感器节点测量得到的三维角速度测量数据，由控制计算中心进行积分运算，得到结构的扭转反应时程；由此进一步对各层测点的加速度反应进行局部坐标系向整体坐标系的转换，统一所有加速度反应测量数据的坐标系，使其具有方向可比性；对整体坐标系下的加速度反应进行积分运算得到各测点处的位移反应，并由各层测点的位移反应差计算得到结构的层间位移反应；根据结构最大层间位移进行结构构件以及整体结构的易损性分析：由最大层间位移分析计算得到建筑结构构件所履历的最大地震变形，从而比较各个极限状态下结构构件（墙、柱、梁等）的极限变形，判别各结构构件所处的破坏极限状态，评估结构构件的地震震害；由结构构件的破坏状况，进行整体结构的地震安全性分析，从而评估整体结构的地震震害。

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