CN103442078A - 一种用于建筑结构安全监测的传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种传感器语义系统，包括传感器节点，局域网，监测中心服务器，Internet和短信报警模块，传感器节点布置在被测部位，与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器内置的web服务器通过Internet向远程用户提供数据服务或发出预警信息，也可以通过短信报警模块发送预警短信，其特征在于传感器节点包含传感器信息语义模块、测点信息语义模块和感测数据语义模块，三个语义模块之间通过属性相关联，为传感器输出的数据增加语义背景，用RDF(Resource Description Framework：资源描述框架)描述上述三个语义模块，并通过URI(Universal Resource Identifier；统一资源定位符)将传感器信息、测点信息和感测数据定义为网络上的资源，感测数据语义模块将数据进行语义标注形成语义数据后进行存储，当存储空间超过限制时，自动覆盖最早存储的数据，同时通过服务器接口模块提交给监测中心服务器。

Description

一种用于建筑结构安全监测的传感器系统

技术领域

本发明涉及一种用于监测的传感器系统，特别是用于建筑结构安全监测的传感器系统。

背景技术

随着国民经济的快速发展，对楼宇、桥梁、隧道等基础设施的结构进行实时安全监测，对于保证其正常运营、预防因结构灾害而造成重大公共安全事故的发生有重大意义。建筑结构安全监测系统成为完成该任务的重要技术手段，该系统综合了传感器技术、信号测试技术、数据传输技术等多个领域的知识，可以测试、存储、监测建筑结构的多种信息，对结构状态进行连续、实时的监测，以加强建筑养护维修的管理水平，保障建筑结构的可靠性、安全性和耐久性，避免潜在的灾难性事件发生。

在当前的建筑结构安全监测系统中，现场传感器仅具有数据采集和存储功能，将传感器接入系统时需要人工在现场进行调试配置工作、记录大量信息，若传感器需要更换，需人工更新监测系统中监测中心有关传感器的配置文件，既繁琐又容易出错。另外，传感器数据在监测中心一般采用关系数据库的方式存储，传感器、测点、数据之间的关系比较零散，某个数据意义及应用环境的确定需要查看多个数据表单，操作复杂。结构预警则只是设定简单的阈值，需要人工处理异常数据，无法做到无人值守。

在建筑结构安全监测中，传感器往往分布于建筑中的关键受力点或结构的薄弱点。这些测点布局较分散，而且由于建筑物结构的类型不同也往往位于不同的位置。随着监测时间推移以及感测数据量的增长，在传感器的管理、感测数据的组织上存在较大的困难。对于传感器采集到的感测数据如果缺乏传感器信息、测点信息等应用背景信息也会使得数据没有意义。

发明内容

本发明提出一种传感器语义系统，包括传感器节点，局域网，监测中心服务器，Internet和短信报警模块，传感器节点布置在被测部位，与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器内置的web服务器通过Internet向远程用户提供数据服务或发出预警信息，也可以通过短信报警模块发送预警短信，其特征在于传感器节点包含传感器信息语义模块、测点信息语义模块和感测数据语义模块，三个语义模块之间通过属性相关联，为传感器输出的数据增加语义背景，用RDF(Resource Description Framework：资源描述框架)描述上述三个语义模块，并通过URI(Universal Resource Identifier：统一资源定位符)将传感器信息、测点信息和感测数据定义为网络上的资源，感测数据语义模块将数据进行语义标注形成语义数据后进行存储，当存储空间超过限制时，自动覆盖最早存储的数据，同时通过服务器接口模块提交给监测中心服务器。

所述传感器语义系统的传感器节点还包含采集管理模块、数据级预警模块、节点级预警模块、报警驱动模块、服务器接口模块、web服务器，采集管理模块驱动数据总线接收传感器数据、发送数据采集命令，按照用户配置的数据采样周期自动进行数据采集；数据级预警模块根据用户预先设定的报警阈值，将感测数据与阈值比较，若数据连续异常，则发出数据级异常并启动节点级数据预警模块，若数据连续正常则清除预警状态，恢复正常监测；节点级预警模块是响应数据级预警模块，调取感测数据语义模块中的历史数据，若与历史数据所拟合形成的趋势线有较大偏差，则报警驱动模块响应，同时向监测中心数据服务器发出传感器节点异常的预警信息；服务器接口模块是在传感器节点启动后自动向监测中心服务器注册，将其传感器信息语义模块和测点信息语义模块提交至监测中心服务器的传感器节点管理模块，并在数据采集时实时向监测中心数据服务器提交新的语义数据，当发生节点级数据异常时，向监测中心提交预警信号，触发监测中心服务器的系统级预警模块进行预警判定；报警驱动模块是当节点级预警出现时，点亮黄色指示灯；监测中心服务器确认出现安全隐患后，点亮红色指示灯并启动报警蜂呜器；当数据连续恢复正常后，熄灭指示灯显示；web服务器提供传感器节点配置信息的web服务，包括配置传感器信息语义模块、测点语义模块、感测数据语义模块、传感器节点的默认采样周期、监测中心服务器IP地址等。

所述监测中心服务器包括传感器节点管理模块、查询模块、系统命名空间、异常记录模块、系统级预警模块、web服务器，传感器节点管理模块自动注册和管理传感器节点的语义模块，并根据查询模块和系统级预警模块的需求调取相应传感器信息语义模块、测点信息语义模块和感测数据语义模块的数据；查询模块提供基于语义技术的查询功能，支持Sparql查询语句；系统命名空间建立整个系统统一的命名空间，避免了各节点与系统连接时，信息、数据表示同名问题，也使得系统在整个Internet上有唯一的标识；异常记录模块记录引起预警的数据，当感测数据异常引起任意一级的预警时，就将该数据及其产生的条件记录；系统级预警模块是根据预警传感器节点周边测点的情况判定测点状态，当存在安全隐患时驱动短信报警模块以短信的方式向负责人报告产生预警信息的测点以及异常数据，同时用监测中心服务器显示测点状态或通过web服务器向远程监测点显示测点状态；web服务器管理访问用户并对用户进行身份验证，避免恶意访问服务器数据，提供人性化的web页面及测点状态显示。

系统级预警模块是根据预警测点的语义模块，遍历其周边测点，逐个分析各测点最新的数据，若周边测点数据也超过预警值，则通过传感器节点管理模块启动传感器节点红色指示灯和报警蜂鸣器，同时以短信或web服务的方式提醒负责人，否则检查是否有数据已接近阈值，若接近，则此时传感器测点正处于向不安全渐变的一种状态，以web服务的方式提醒负责人及时查看预警点及其周边测点。

所述的传感器语义系统，其特征在于监测中心服务器采用本地节点报警、远程网络报警、短信报警相结合的方式，在无人值守情况下通过网络直接将报警信息发送到远端监测点或责任人手机上，预警节点使用醒目指示灯或蜂鸣器等提醒安全状况。

传感器信息指传感器自身属性，一旦传感器投入使用，不会轻易改变的属性。自身属性包括传感器的类型(如：温度、长度、振动等)、灵敏度、测量范围、灵敏度、生产厂家、生产日期、出厂编号、测点、输入、输出等信息等。

测点信息指传感器的安装位置、周边相邻的测点以及测点地理位置信息。

感测数据指的是传感器所测量的被测对象某个参数数值。

传感器信息、测点信息、感测数据三个语义模块，通过属性相关联，从传感器、测点、感测数据其中任意一个模块入手，都能够得到完整的关于整个系统的测点布局、传感器信息以及感测数据的描述。

传感器节点内置传感器、测点和数据的语义模块，其自动向接入的系统提供自身的语义模块，完成注册功能。传感器节点提供有关传感器节点配置信息的Web服务，传感器节点使用前，用户可以根据实际应用配置传感器、测点和感测数据的语义模块，设定监测中心服务器的IP地址。系统启动后，服务器接口模块自动调用传感器、测点语义信息模块向监测中心服务器注册本传感器节点；数据采集时，感测数据语义模块根据节点语义信息将传感器的数值封装为一条语义数据通过服务器接口模块传输至监测中心服务器进行数据的备案，同时也在本模块感测数据语义模块内记录存储。如果本次数据记录超过节点设定存储空间时，自动覆盖最早的数据记录。

监测中心服务器负责管理所有的传感器节点，实时存储各传感器节点感测数据，同时为传感器节点语义模块提供统一的命名空间，设立全球通用的唯一的命名系统，这样就避免了节点与系统连接时，信息、数据表示同名问题。既可以作为Internet上的一个语义服务节点，提供带有语义信息的数据，支持远程用户的数据查询服务；又可以在出现安全隐患时，提供问题测点以及周边测点信息，并发出预警短信或向远端监测点预警。

传感器语义系统提供建筑结构安全预警服务，建立数据级、节点级和系统级三级安全预警策略。第一级数据级：当传感器的感测数据超过设定阈值时，立即启动数据级预警进行连续数据采样，该级主要进行数据的验证，判断是否是由于外界电磁干扰所引起数据异常。当数据连续异常时就进入第二级预警。第二级节点级：调取本节点存储的历史数据，通过最小二乘法进行数据拟合，判定数据的走势是否是正常趋势。如数据偏差超过设定值，则进入第三级预警。第三级系统级：本级预警在监测中心服务器进行，建筑结构发生险情，往往不是孤立的变化，需对其周围相邻测点数据进行验证，确保报警信息的有效性。根据预警测点的语义模块，遍历其周边测点。逐个分析各测点最新的数据，如果有周边测点数据也超过预警值，则启动报警信息。如果没有数据超过预警值，随后查看是否有数据已接近阈值(如，已达到上限阈值的90％)，则说明此时结构正处于向不安全渐变的一种状态，需提醒工作人员及时查看预警点及其周边位置。

本系统中传感器节点可以任意的接入监测系统，无需在监测中心服务器人工设置，使得监测系统更加灵活，可以动态的改变监测的传感器类型和任意的增加或减少传感器节点。本系统通过三个语义模块将数据、传感器和测点通过属性相关联，从问题数据出发可以得到传感器节点信息、测点信息以及周围测点的信息，形成一个系统的网络。基于这种模块间语义的连接使得传感器节点和监测中心服务器可以提供三级(数据级、节点级和系统级)结构安全报警机制，形成完整的安全监测的传感器系统。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是传感器节点结构框图；

图3是监测中心服务器结构框图；

图4是以应变传感器为例说明传感器信息的RDF语义模块；

图5是说明测点信息的RDF语义模块；

图6是以应变传感器产生的数据为例说明感测数据的RDF语义模块；

图7是传感器节点预警的流程图；

图8是监测中心服务器预警的流程图；

具体实施方式

以一个应变传感器为例说明传感器信息语义模块的建立，该应变传感器由P公司于2012年4月1日生产，灵敏度为1000εμ/V，测量范围为(-5000～+5000)εμ，出厂编号为12345，输出电压值，其RDF图如图4所示。其中网络上的资源用椭圆节点表示，方节点表示文字(值)，有向的边来表示资源之间或资源与文字(值)之间的关系。其中，Sensor-1为传感器语义模块的记录编号，不同的传感器信息语义模块通过该编号区分，该编号可随意指定，但是要保证其在整个系统中的唯一性。监测中心服务器提供本系统统一的名称空间(NameSpace)前缀为NS。

NS：Sensor-1用来表示该传感器在网络上的URI引用，NS：Type属性值为Sensor表示该语义模块为一个传感器。其中，其通过Location属性与测点语义模块关联，这样可进一步得到传感器安装位置的详细定位信息。可以采用NT语法描述该模块如下：

<NS#Sensor-1><NS#Type><NS#Sensor>.

<NS#Sensor-1><NS#SensorType>”Strain”.

<NS#Sensor-1><NS#SensorID>”12345”.

<NS#Sensor-1><NS#Location><NS#Point-1>.

<NS#Sensor-1><NS#Range>”-5000με～+5000με”.

<NS#Sensor-1><NS#DateProduced>”20120401”.

<NS#Sensor-1><NS#Sensitivity>”1000με/V”.

<NS#Sensor-1><NS#Input>”Strain”.

<NS#Sensor-1><NS#Output>”Voltage”.

<NS#Sensor-1><NS#Manufacture>”P”.

如果具体应用需要使用传感器的其他属性，则需要在模块中增加响应的语义信息。这些信息都可以通过传感器节点提供的配置网页进行设定，确保传感器信息的真实、准确。

以测量建筑结构的安全状态为例，A城市中B建筑的一个测点的RDF模块如图5所示。NS：Point-1用来表示一个安装了传感器的测点URI引用，NS：Type属性值为ObservationPoint，通过其HasSensor属性与此处安装的传感器关联。建筑物结构大多具有一定的层次性，其测点分布也存在层次性和连续性，因此通过Up、Down、West、East、North、South六个方向属性来关联与其相邻的其它测点。通过Location属性可以关联到测点所在的建筑，主要包括建筑的名称、所在城市、以及经纬度。测点语义模块同样可以采用NT语法进行描述、存储。

传感器采集数据时，需要根据该数据的实际意义将该数据打包成一条语义数据记录。在该记录中通过Sensor的属性与传感器语义模块关联，通过传感器语义模块就可以关联测点模块，进而获得整个系统的信息。图6所示为是应变传感器的感测数据模块，感测数据主要指测点的应变值以及当时测点的温度。NS：Type属性值为SensorDataRecord，其NS：Sensor属性与传感器关联。实际使用时也可采用NT语法描述的进行。这样，一旦感测数据产生，通过语义模块之间属性的联系，工作人员或服务器可以很容易的理解数据之间的关联。在整个系统中，传感器数据不再是孤立、单独的数字，而成为一组由应用背景、有含义的语义数据。

在传感器节点接入监测系统前，工作人员根据所应用传感器的类型、特点和传感器安装的位置，通过传感器节点的web服务器配置传感器节点的语义模块和监测中心的IP等网络参数。配置完成后接入监测系统，传感器节点通过服务器接口模块自动向设定的监测中心服务器提交传感器的自身语义模块。监测中心服务器节点管理模块收到节点提交的语义模块信息就完成了该传感器的组成，表明传感器成功的接入监测系统。

当传感器进行数据采集时，一方面新采集数据会在感测数据语义模块中添加语义描述成为一条语义数据保存在本节点内，同时将该语义数据通过服务器接口模块发送到监测中心服务器；另一方面新数据和本节点的阈值进行比较进行数据级的预警判定。

传感器节点预警判定流程图如图7所示，监测中心服务器预警流程图如图8所示。

第一级数据级：当前传感器的感测数据超过预警值时，立即启动数据级预警模块。数据级预警模块驱动采集管理模块连续3次数据采集当前传感器数据，如果数据均超过设定阈值则发出数据级预警并启动节点级预警模块，否则视为干扰数据不做处理，但要将超阈值的语义数据提交服务器做信息记录。

第二级节点级：调取本节点存储的历史数据，通过最小二乘法进行数据拟合，计算问题数据的标准偏差，如果标准偏差大于平均值的10％，则启动第三级系统级处理，否则视为节点故障，提交服务器做信息记录，同时点亮黄色指示灯。

第三级系统级。根据测点语义模块，遍历其周边测点。逐个分析测点最新的数据，如果有测点数据也超过阈值，则启动报警信息，点亮传感器节点红色指示灯。如果没有数据超过预警值，随后查看是否有数据已接近阈值(如，已达到上限阈值的90％)，则说明此时结构正处于向不安全渐变的一种状态，需提醒工作人员及时查看预警点及其周边位置。

工作人员可以在远程监测点通过浏览器登录监测中心服务器，查看测点数据、预警信息或建筑结构的安全状态。如工作人员查看某测点的历史数据，通过网页将需求提交给查询模块，查询模块把用户需求转换为查询语句，从传感器节点管理模块中查找需要的传感器节点并从其中调出的感测数据语义模块，将该模块中的数据反馈到查询模块，查询模块再将这些数据返回到web服务器，web服务器通过网页的形式展现给用户，从而完成一次的查询任务。

工作人员可以登录服务器查看异常记录模块，该模块记录了任意一级的预警信息。当发生预警时，工作人员可以通过异常感测数据的语义模块定位到传感器，由传感器语义模块可以调取出该传感器的历史感测数据，通过历史数据分析隐患的严重性及成因；通过传感器定位测点的位置，通过测点语义模块可以定位其周边的测点，从而不仅仅确定安全隐患的位置，还可以查看周围测点数据的情况，确认隐患影响的范围及程度，为建筑建构的维护提供数据查考。

本发明不局限于建筑结构安全的监测，可应用于多种安全监测领域。

Claims (5)

1.一种传感器语义系统，包括传感器节点，局域网，监测中心服务器和Internet，短信报警模块，传感器节点布置在被测部位，与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器内置的web服务器通过Internet向远程用户提供数据服务或发出预警信息，也可通过短信报警模块发出预警短信，其特征在于传感器节点包含传感器信息语义模块、测点信息语义模块和感测数据语义模块，三个语义模块之间通过属性相关联，为传感器输出的数据增加语义背景，用RDF描述上述三个语义模块，并通过URI将传感器信息、测点信息和感测数据定义为网络上的资源，感测数据语义模块将数据进行语义标注形成语义数据后进行存储，当存储空间超过限制时，自动覆盖最早存储的数据，同时将新的语义数据通过服务器接口模块提交给监测中心服务器的传感器节点管理模块实现在监测中心服务器的数据备案。

2.如权利要求1所述的传感器语义系统，其特征在于所述传感器节点还包含采集管理模块、数据级预警模块、节点级预警模块、报警驱动模块、服务器接口模块、web服务器，采集管理模块驱动数据总线接收传感器数据、发送数据采样命令，按照用户配置的数据采样周期自动进行数据采集；数据级预警模块根据用户预先设定的报警阈值，将感测数据与阈值比较，若数据连续异常，则发出数据级异常并启动节点级数据预警模块；节点级预警模块响应数据级预警模块，调取感测数据语义模块中的历史数据，若新数据与历史数据所拟合的趋势线之间的偏差超过设定值，则报警驱动模块响应，同时向监测中心数据服务器发出传感器节点异常的预警信息；服务器接口模块是在传感器节点启动后自动向监测中心服务器注册，将其自身的传感器信息语义模块、测点信息语义模块提交至监测中心服务器的传感器节点管理模块，并在数据采集时实时向监测中心数据服务器提交新的语义感测数据，当发生数据级和节点级数据异常时，向监测中心提交预警信号，节点级数据异常时会触发监测中心服务器的系统级预警模块进行预警判定；报警驱动模块是当节点级预警出现时，点亮黄色指示灯，监测中心服务器确认出现安全隐患后，点亮红色指示灯并启动报警蜂鸣器；web服务器提供配置传感器节点语义信息的web服务。

3.如权利要求2所述的传感器语义系统，其特征在于所述监测中心服务器包括传感器节点管理模块、查询模块、系统命名空间、异常记录模块、系统级预警模块、web服务器，传感器节点管理模块自动注册和管理传感器节点的语义模块，并根据查询模块和系统级预警模块的需求调取传感器信息语义模块、测点信息语义模块和感测数据语义模块中的数据；查询模块提供基于语义技术的查询功能，支持Sparql查询语句；系统命名空间建立整个系统统一的命名空间，避免了各节点与系统连接时，信息、数据表示同名问题，也使得系统在整个Internet上有唯一的标识；异常记录模块记录引起预警的感测数据，当新的感测数据异常引起任意一级的预警时，就将记录该数据及其产生的条件记录；系统级预警模块是根据预警传感器节点周边测点的情况判定预警节点的状态，当存在安全隐患时驱动短信报警模块以短信的方式向负责人报告产生预警信息的测点、传感器以及异常数据，同时用监测中心服务器显示测点状态或通过web服务器向远程监测点显示测点状态；web服务器管理访问用户并对用户进行身份验证，避免恶意访问服务器数据，提供人性化的web页面及测点状态显示。

4.如权利要求3所述的传感器语义系统，其特征在于系统级预警模块是根据预警测点的语义模块，遍历其周边测点，逐个分析各测点最新的数据，若周边测点数据也超过各自的阈值，则通过传感器节点管理模块启动传感器节点红色指示灯和报警蜂鸣器，同时以短信或web服务的方式提醒负责人，否则查看是否有数据已接近阈值，若接近，则此时传感器测点正处于向不安全渐变的一种状态，以web服务的方式提醒负责人及时检查预警点及其周边测点。

5.如权利要求3或4所述的传感器语义系统，其特征在于监测中心服务器采用本地传感器节点报警、远程web服务报警、短信报警相结合的方式，在无人值守情况下通过web服务直接将报警信息发送到远端监测点或责任人手机上，预警的传感器节点使用醒目指示灯或蜂鸣器等提醒安全状况。

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