CN103335627A - 古建筑结构变形监测预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种古建筑结构变形监测预警方法及系统，其中，该方法包括以下步骤：获取变形监测数据，并根据所述变形监测数据计算古建筑结构的变形速率及变形方向；根据所述变形速率及变形方向计算△T后的变形值；将所述变形值与预设阈值比较，判断是否发出预警信息。本发明提供的古建筑结构变形监测预警方法通过古建筑结构的变形监测数据计算出古建筑结构的变形速率及变形方向，进而推得古建筑结构在△T后的变形值，通过将变形值与预设阈值进行比较，判断是否需要发出预警信息，全程可以通过系统自动化完成，不需要专业人士的分析测量，方便且节约成本。

Description

古建筑结构变形监测预警方法及系统

技术领域

本发明属于古建筑保护技术领域，具体涉及一种古建筑结构变形监测预警方法及系统。

背景技术

随着历史的前进和文明的发展，古建筑作为历史文化的重要载体和组成部分，越来越得到重视和保护。古建筑大多年代久远，结构形式多样，由于不可避免的年久老化、以及自然灾害等种种原因，需要后人提供完善的保护和修缮才可能长久地保存这些历史文化的遗珠。因此，如何对这些古建筑进行有效的监测和保护成为了各国文物管理部门的重要课题。

近年来，随着软硬件技术的发展，变形监测技术也在快速的提高。从古建筑结构变形监测技术来讲，目前可以大概分为三种，即人工目测、专业仪器测量、和自动化监测技术。

传统的变形测量包括各种准直测量、倾斜仪观测、静力水准测量及应变计测量。人工目测需要安排经验丰富的专业人员一一观测，然后组织专家评估诊断，很显然，人工目测的方式不够精确，容易遗漏问题，且人工成本高、效率低。专业仪器测量可能够精准，但需要配合专业测量外业和内业工作人员才能进行，一般文物保护单位由于受专业领域的所限，通常都是聘请专业的测绘机构来作业，增加了额外的投入，而测绘单位也都只专精于测量而不懂文保，缺乏综合预警分析能力。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种古建筑结构变形监测预警方法，其可以实现对古建筑变形情况的实时监测及预警。

本发明的目的还在于提供一种古建筑结构变形监测预警系统。

为实现上述发明目的之一，本发明提供一种古建筑结构变形监测预警方法，该方法包括以下步骤：

获取变形监测数据，并根据所述变形监测数据计算古建筑结构的变形速率及变形方向；

根据所述变形速率及变形方向计算△T后的变形值；

将所述变形值与预设阈值比较，判断是否发出预警信息。

作为本发明的进一步改进，所述变形监测数据包括：

古建筑结构的基础沉降、水平位移、柱倾斜的物理信息数据。

作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：

根据所述变形值和所述古建筑结构的三维模型，绘制所述古建筑结构的变形趋势图。

作为本发明的进一步改进，所述方法包括：

每间隔预设时间t获取变形监测数据；

根据相邻两次的变形监测数据计算出单次变形值，进而计算古建筑结构的单次变形速率及方向；

将所述单次变形速率及方向与第一阈值比较，判断是否发出预警信息。

作为本发明的进一步改进，所述方法包括：

计算n*t后的总变形值，进而计算古建筑结构在n*t内的总变形速率及变形方向；

将所述总变形速率及变形方向与第二阈值比较，判断是否发出预警信息。

为实现上述另一发明目的，本发明提供一种古建筑结构变形监测预警系统，包括：

传感器组件、数据采集器、以及监测预警网络模块；

所述数据采集器通过所述传感器组件获取变形监测数据，所述监测预警网络模块与所述数据采集器通信；其中，

所述监测预警网络模块包括监测分析单元及异常报警单元，所述监测分析单元用于根据所述变形监测数据计算古建筑结构的变形速率及变形方向，进而根据所述变形速率及变形方向计算△T后的变形值；所述异常报警单元用于将所述变形值与预设阈值比较，判断是否发出预警信息。

作为本发明的进一步改进，所述变形监测数据包括：

古建筑结构的基础沉降、水平位移、柱倾斜的物理信息数据。

作为本发明的进一步改进，所述古建筑结构变形监测预警系统还包括监测报告单元，所述监测报告单元用于根据所述变形值和所述古建筑结构的三维模型，绘制所述古建筑结构的变形趋势图。

作为本发明的进一步改进， 

所述数据采集器还通过所述传感器组件每间隔预设时间t获取变形监测数据；

所述监测分析单元还用于根据相邻两次的变形监测数据计算出单次变形值，进而计算古建筑结构的单次变形速率及方向；

所述异常报警单元还用于将所述单次变形速率及方向与第一阈值比较，判断是否发出预警信息。

作为本发明的进一步改进， 

所述监测分析单元还用于计算n*t后的总变形值，进而计算古建筑结构在n*t内的总变形速率及变形方向；

所述异常报警单元还用于将所述总变形速率及变形方向与第二阈值比较，判断是否发出预警信息。

与现有技术相比，本发明提供的古建筑结构变形监测预警方法通过古建筑结构的变形监测数据计算出古建筑结构的变形速率及变形方向，进而推得古建筑结构在△T后的变形值，通过将变形值与预设阈值进行比较，判断是否需要发出预警信息，全程可以通过系统自动化完成，不需要专业人士的分析测量，方便且节约成本。

附图说明

图1是本发明古建筑结构变形监测预警方法一实施方式的流程图；

图2是图1所示的实施方式还进一步包括的步骤流程图；

图3是图1所示的实施方式还进一步包括的步骤流程图；

图4是图1所示的实施方式还进一步包括的步骤流程图；

图5是本发明古建筑结构变形监测预警方法以实施方式中绘制的古建筑结构的变形趋势图；

图6是本发明古建筑结构变形监测预警方法对应的古建筑结构变形监测预警系统的模块示意图；

图7是监测点Y1的高度观测数据表格；

图8是监测点Y1的预警等级分类表格。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1，介绍本发明古建筑结构变形监测预警方法的一具体实施方式。在本实施方式中，该方法包括以下步骤：

S11、获取变形监测数据，并根据变形监测数据计算古建筑结构的变形速率及变形方向。

配合参照图6，本发明提供的古建筑结构变形监测预警系统包括传感器组件10、数据采集器20、以及监测预警网络模块30；数据采集器20通过传感器组件10获取古建筑结构的变形监测数据，监测预警网络模块30与数据采集器20通信，并且，在本实施方式中，监测预警网络模块包括监测分析单元31和异常报警单元32，监测分析单元31用于根据变形监测数据计算古建筑结构的变形速率及变形方向。一般地，监测预警网络模块30与数据采集器20之间通过无线局域网和/或3G移动通讯网络通信。

在本实施方式中，传感器组件10包括位移传感器11、和/或沉降传感器12、和/或倾斜传感器13、和/或应变传感器14，根据古建筑的建筑形式或者建筑结构的不同，可以配合采用特定种类的传感器，以满足特定的监测需求。当然，轻易地，在其他替换的实施方式中，可以设置更多种的传感器类型以满足全面的监测需要。当然，轻易地，在其他替换的实施方式中，可以设置更多种的传感器类型以满足全面的监测需要。一般地，变形监测数据通常包括古建筑结构的基础沉降、水平位移、柱倾斜的物理信息数据。

传感器组件10中包括的各传感器分别具有电源模块、相应功能的采集处理模块、无线收发模块，并封装在PPS塑料外壳内，体积小巧且结构紧凑。

传感器组件10中的各传感器可以灵活地固定在古建筑上的适合位置，方便灵巧。以位倾斜传感器13为例，可以是安装在古建筑结构的柱体和/或梁体上以监测相应柱体和/或梁体相对于预设参照物的倾斜角度，这里所说的预设参照物可以例如是水平面。针对需要监测的柱体和/或梁体，可以分别设置安装倾斜传感器，以将监测精度精确到任一想要监测的柱体和/或梁体，当然，倾斜传感器13也可以是例如设置在古建筑结构上邻近柱体的其它部位处，以实现相同的监测功能。而针对古建筑结构的基础沉降，可以设置沉降传感器于古建筑结构的四角、大转角处及沿外墙、根柱基上；针对古建筑结构的水平位移，则可以设置位移传感器于古建筑结构的顶部、底部，对分层部位、底部上下点等。

需要理解的是，上述只是示范性地解释本发明的传感器组件10中的各传感器的安装方式，在其它替换的实施方式中，不同的传感器还可以例如是固定在古建筑结构上其它适合结构处，以满足相应的监测需求。值得一提的是，由于对于传感器组件10中的各传感器的安装不需要借助传统的对强制中基座归心盘等装置布设基准点、工作点、观测点，且对安装精度的要求较低，故安装过程更加简便，且不破坏古建筑结构本体，更加契合文物保护的理念。

S12、根据变形速率和变形方向计算△T后的变形值。

此步骤通过监测分析单元31完成。

S13、将变形值与预设阈值比较，判断是否发出预警信息。

此步骤通过异常报警单元32完成。在一定的时间范围△T内，依据经验值积累有限定安全变形范围的预设阈值，这种预警提醒的设置有利于专业人员提前发现古建筑结构的不良变化趋向，进行提前的防护，而不是事后的修缮。

作为优选的实施方式，本方法还包括：

S14、根据变形值和古建筑结构的三维模型，绘制古建筑结构的变形趋势图。此步骤通过古建筑结构变形监测预警系统中的监测报告单元33完成，参图5，将古建筑建构的变形趋势以三维立体图的方式呈现，有利于相关人员更加直观的理解的观测；其中F1处的柱体代表现时的柱体情况，F2处的柱体代表△T后柱体的预测位置情况，箭头方向代表柱体的预估变形方向。

配合参照图2，进一步地，该方法还包括：

S21、每隔预设时间t获取变形监测数据。

数据采集器20被设定为每隔预设时间t通过传感器组件10获取变形监测数据。在实际的系统中，由于传感器组件10是实时进行监测，任何时间段都会有监测数据产生，所以不可避免的会产生庞大的数据量，但是对于古建筑来说，较短的时间段内一般不会积累出足够的结构变形量，所以如果实时采集传感器组件10获知变形监测数据会产生大量的无用数据，对于数据的存储和分析也是较大的负担，所以本发明提供的古建筑结构变形监测预警系统通过数据采集器20设定间隔预定时间t获取上述的传感器组件10监测到的变形监测数据，更加灵活且调整方便。

在上述的步骤S12中，可以例如通过将最近两次时间间隔间的变形方向和变形速率计算出，进而对△T后的可能变形值作出更加准确的预算。一般地，该变形值可以通过以下的公式得出变形值的数据：。指系统采集的最近两次预定时间间隔t内发生的变形值，指古建筑最近时间段的变形速率及方向，并进而计算出古建筑在未来一段时间T内最可能的变形值。

S22、根据相邻两次的变形监测数据计算出单次变形值，进而计算古建筑结构的单次变形速率及方向。

此步骤通过监测分析单元31完成。

S23、将单次变形速率及方向与第一阈值比较，判断是否发出预警信息。

此步骤通过异常报警单元实现，通常在实际的应用中，较多地考虑单次变形速率对于古建筑结构的影响，故单次变形速率也是衡量是否发出预警信息的主要标准。

不同程度的古建筑结构变形情况对应至不同等级的预警信号，预警信号所针对的最小单位可以精确到传感器组件10中传感器所监测的每个监测点。参图7，以点号为Y1的监测点为例，针对其沉降高度进行监测，第一次观测高度为68.9257m，而本次观测高度为68.9232m，计算出△H为-2.5mm；参图8，对应到该点的不同预警等级的上限值和下限值，确定相应发出预警等级为二级的预警警报。该预警警报可以通过监测预警网络模块30的异常报警单元32发出，预警警报的方式可以是通过手机短信、电子邮件、以及系统站内消息提醒等。

优选地，还可以通过古建筑结构变形监测预警系统中的监测报告单元33将各监测时间段内的数据以及相应的计算结果等组织成图表报告，便于导出打印及直观的传阅分析。

S24、计算计算n*t后的总变形值，进而计算古建筑结构在n*t内的总变形速率及变形方向。

此步骤通过监测分析单元完成。

S25、将总变形速率及变形方向与第二阈值比较，判断是否发出预警信息。

此步骤通过异常报警单元完成。在实际的应用中，对单次变形速率和总变形速率进行双重的阈值限定，可以在较短时间周期以及较长的时间周期内对古建筑结构可能的异常变化做出预警，更加全面可靠。

参图3，如果异常报警单元发出了预警信息，则还进一步包括以下步骤：

S31、从数据库调取应对方案；

配合参照图4，具体地，本步骤包括：

S311、根据发出的不同预警信号从数据库调取相应的应急预案；

S312、根据所述调取的应急预案输出初步应对方案；

S313、论证所述初步应对方案，若不可行，则进入S314；若可行，则进入S315；

S314、对所述初步应对方案进行优化，并返回S243；

S315、将所述初步应对方案保存，并作为应对方案输出。

针对不同预警等级的预警信号，系统数据库中存储有相应的应急预案，古建筑结构变形监测预警系统的应对措施单元34根据该应急预案输出初步应对方案，为了保证初步应对方案的可行性，应对措施单元34还需要进行初步应对方案的可行性论证，并相应地执行初步应对方案的优化，并最终输出可行的应对方案，相关人员根据输出的应对方案进行相应处理，而并不一定需要专业人士的参与，节约了人力成本。

S32、判断是否处理完成，若是，进入S34；若否，进入S33；

S33、发出催促提醒信号；

S34、预警销案；

S35、生成监测报告。

本发明提供的古建筑结构变形监测预警方法通过古建筑结构的变形监测数据计算出古建筑结构的变形速率及变形方向，进而推得古建筑结构在△T后的变形值，通过将变形值与预设阈值进行比较，判断是否需要发出预警信息，全程可以通过系统自动化完成，不需要专业人士的分析测量，方便且节约成本。在具体的实施中，通过配合设置的传感器组件、数据采集器、以及监测预警网络模块，可以实现古建筑变形数据的自动采集、自动分析、自动判断预警、自动通知处理，提高了工作效率，且相对于传统的处理方式，不需要破坏古建筑本体，安装实施方便。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种古建筑结构变形监测预警方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

获取变形监测数据，并根据所述变形监测数据计算古建筑结构的变形速率及变形方向；

根据所述变形速率及变形方向计算△T后的变形值；

将所述变形值与预设阈值比较，判断是否发出预警信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变形监测数据包括：

古建筑结构的基础沉降、水平位移、柱倾斜的物理信息数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述变形值和所述古建筑结构的三维模型，绘制所述古建筑结构的变形趋势图。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

每间隔预设时间t获取变形监测数据；

根据相邻两次的变形监测数据计算出单次变形值，进而计算古建筑结构的单次变形速率及方向；

将所述单次变形速率及方向与第一阈值比较，判断是否发出预警信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

计算n*t后的总变形值，进而计算古建筑结构在n*t内的总变形速率及变形方向；

将所述总变形速率及变形方向与第二阈值比较，判断是否发出预警信息。

6.一种古建筑结构变形监测预警系统，其特征在于，包括：

传感器组件、数据采集器、以及监测预警网络模块；

所述数据采集器通过所述传感器组件获取变形监测数据，所述监测预警网络模块与所述数据采集器通信；其中，

所述监测预警网络模块包括监测分析单元及异常报警单元，所述监测分析单元用于根据所述变形监测数据计算古建筑结构的变形速率及变形方向，进而根据所述变形速率及变形方向计算△T后的变形值；所述异常报警单元用于将所述变形值与预设阈值比较，判断是否发出预警信息。

7.根据权利要求6所述的古建筑结构变形监测预警系统，其特征在于，所述变形监测数据包括：

古建筑结构的基础沉降、水平位移、柱倾斜的物理信息数据。

8.根据权利要求6所述的古建筑结构变形监测预警系统，其特征在于，所述古建筑结构变形监测预警系统还包括监测报告单元，所述监测报告单元用于根据所述变形值和所述古建筑结构的三维模型，绘制所述古建筑结构的变形趋势图。

9.根据权利要求6所述的古建筑结构变形监测预警系统，其特征在于， 

所述数据采集器还通过所述传感器组件每间隔预设时间t获取变形监测数据；

所述监测分析单元还用于根据相邻两次的变形监测数据计算出单次变形值，进而计算古建筑结构的单次变形速率及方向；

所述异常报警单元还用于将所述单次变形速率及方向与第一阈值比较，判断是否发出预警信息。

10.根据权利要求9所述的古建筑结构变形监测预警系统，其特征在于， 

所述监测分析单元还用于计算n*t后的总变形值，进而计算古建筑结构在n*t内的总变形速率及变形方向；

所述异常报警单元还用于将所述总变形速率及变形方向与第二阈值比较，判断是否发出预警信息。

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