CN103955174A - 基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明的基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统涉及高层及超高层建筑的健康性能监测领域，该系统由报警系统、复合探测子系统、指示灯子系统和远程管理子系统组成，系统各单元通过总线进行信息交换。系统采用了建筑信息模型技术，使建筑信息集成化程度大大提高，而且提供了一个信息共享平台，能够对建筑的现状、变化规律和发展趋势做出完整的分析评估。在复合探测子系统与远程管理子系统之间设置无线通信节点，实现对局部区域的无线网络覆盖，而且增强了系统整体的可靠性和适用性。复合探测子系统中的复合探测节点采用多跳分簇网络结构，能有效的降低通信能耗和平衡节点间的业务负载，提高了网络的可扩展性。

Description

基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统

技术领域

本发明的基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统涉及高层及超高层建筑的健康性能监测领域。

背景技术

随着社会迅速发展，大型商贸、办公、民宅、娱乐高层和超高层建筑日益增多，其在节约土地、提升城市形象、拉动社会投资、扩大旅游商贸活动中起到重要作用，这时高层及超高层建筑的安全性能则显得尤为重要。传统的建筑仅仅依靠结构的抗力来抵抗突发事故，人为参与调控机会较少，而且当今社会自然环境复杂，地震、台风、火灾、恐怖袭击、战争灾害频频发生，巨大的外来力量瞬间对建筑实现致命损伤，同时高层建筑结构的设计使用年限基本都是十几年以上，其在长期环境作用下，结构的疲劳效应、材料老化等都会对结构产生很大的影响，使得结构抗力下降，导致危机人们生命安全的灾难。如果能通过对建筑的健康性能评价，准确有效的对建筑的健康状态进行全周期的监测、评价，可以有效的减小灾害带来的损失。

传统的对结构的健康监测时，监测人员基本是运用简单的方法进行监测结构变化，例如目测法、发射光谱法、声发射法、回弹法、渗漏试验法、脉冲回波法、射线法等，这些都是对结构进行的周期性检测。这些监测技术存在着很多缺陷，例如：整体性差，只是对结构的局部进行监测；安全性差，要人亲自操作，不能在危险的地方工作；实时性差，要进过后期处理才能知道结构的状态，不能实时的监测，效率较低；智能化程度低，先进技术综合应用程度较低，室内人员不能对建筑信息充分共享，限制了人们生活的智能化，不能到达人们对生活方便快捷的需求；应急能力差，传统的监测技术不能在突发事故灾害情况下迅速检测到建筑健康状态及室内人员的信息，为应急救援工作带来极大的不便；以及经济性差等。

针对平面网络结构建立、维护路由的开销大，数据传输跳数多，适合小规模网络的缺点，分簇网络结构网络具有能减少数据通信量、节省能耗、延长网络生命周期、节点无需维护复杂的路由信息的特点，减少了网络中路由控制信息的数量，应用分布式算法可以对系统变化作出快速反应,更加支持节点一点，适合大规模布网。

传统技术在数据处理上有很大缺陷，如建筑信息的集成化程度低，不同时间、不同方法、不同工作人员测量得到的海量数据不能准确、快速、完整的整合，不能掌握建筑构件之间的逻辑关系；传统数据分析存在定量分析不足、主观因素过重、无法处理大量数据的弊端，不能及时有效的做出准确的分析评估。如果要改善这些缺陷，使监测系统真正的达到人们监测的需求，不仅仅是技术的提高，还要结合很多学科，例如现代传感技术、数据传输技术、计算机软硬件技术、信号分析与处理技术、人工智能等。

本发明的基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统具有以下优点：

(1)本发明结合了现代传感技术、数据传输技术、计算机软硬件技术、信号分析与处理技术、人工智能等先进技术，系统的智能化程度高，可以方便、迅速、准确的建筑进行健康监测和分析评估；(2)可以对结构进行实时监控，实时监测建筑的健康状态；(3)可以根据监测结果对结构的损伤情况进行判断，准确的得到损伤位置和程度；(4)可以根据评估结果对结构的运营情况及耐久性等进行进一步评估;(5)在实时监控中，当发生突发事件时，应急响应准确迅速，例如地震、台风、火灾、恐怖袭击发生时，健康监测可以及时的发现结构的异常，并作出反应，从而提高人们生命财产安全性；(6)能提供建筑的核心基础数据平台，根据监测数据结果可以进行理论研究和试验；(7)实现建筑的智能化，人们可以通过无线网络访问建筑的共享信息或通过个人账号访问私有空间的建筑信息，为方便日常生活和工作服务。

发明内容

本发明提供一种高效、节能、高可用性和高可靠性的基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统，用于对高层或超高层建筑的管理，实现建筑绿色、可持续发展，实现对建筑内人员生命财产安全、快捷方便生活提供有力保障。

基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统由报警系统、复合探测子系统、指示灯子系统和远程管理子系统组成。系统各单元通过总线进行信息交换，且在复合探测子系统与远程管理子系统之间增设置无线通信节点。基于建筑信息模型技术的远程管理子系统搭载提供建筑信息模型技术的核心软件和数据库，远程管理系统由网络服务器、搭载有建筑信息模型核心软件系统的控制主机、备份服务器和防火墙构成。复合探测子系统中的复合探测节点采用多跳分簇网络结构，由汇聚节点、簇头和簇成员构成；簇头和簇成员探测节点包括传感器模块、数据采集模块、单片机、定位模块和电池自动充电模块；传感器模块由加速度传感器、速度传感器、位移传感器、应力应变传感器、温度传感器、压电薄膜传感器、风压传感器、风速仪、激光铅直仪、裂缝仪和摄像头组成；电池自动充电模块分别与传感器模块、数据采集模块、单片机、定位模块相连，单片机与定位模块和数据采集模块相连接，复合探测节点布设在建筑的梁、柱、墙体、楼板的内部和外部，复合探测子系统中的各个复合探测节点按监测需求配置传感器。报警系统与远程管理子系统相连；指示灯子系统分别与复合探测子系统和远程管理子系统相连接，它包括逃生指示灯系统和警示指示灯系统。报警系统与远程管理子系统相连，遇到突发情况时，报警子系统向远程管理系统发送预警指令。指示灯子系统由电池自动充电模块、灯具和区域汇集器组成，指示灯子系统与复合探测子系统和远程管理子系统相连接，包括逃生指示灯系统和警示指示灯系统。

建筑信息模型技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，能在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中对各种项目的相关信息进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，基于建筑信息模型技术的远程管理子系统实时接收系统各单元传来的信息，通过分析比较接收的信息与数据库中原有的信息，反馈出建筑的健康状态和运行状态。远程管理系统与建筑信息模型技术相结合，能提供建筑的核心基础数据平台，可以随时、快速、普遍访问到的最新、最准确、最完整、最可靠的4D关联的基础数据库，通过对海量信息的全过程统计分析，对建筑结构的运营情况和健康状态进行分析评估，使各部门工作高效处理，达到对建筑最准确，最完善、监测和最有效管理。此外，在遇到紧急情况，通过建筑信息模型模型能清晰地呈现出建筑物内部紧急状况的位置,提供最合适的救援路线和逃生方案,提高应急行动的成效。所以，无论从经济效益、管理水平、信息交流、可持续发展任何一个角度，与背景技术相比，本发明都有着广阔的应用前景。复合探测子系统中的复合探测节点布设在建筑的梁、柱、墙体、楼板的内部和外部，且采用多跳分簇网络结构，能准确、全方位的监测建筑各部位的健康状态和运作状态。

具有较高能量的探测节点作为簇头，处理从簇成员接收到的数据，并将处理后的数据发送到汇聚节点，汇聚节点通过总线（可以采用EIB、ABB i-bus）和无线通信节点（可以采用NFC技术、ZigBee技术、蓝牙技术等）将数据传输给远程控制系统；这种多跳分簇网络结构能缩短通讯节点间发射距离、减少数据传输量，从而有效的降低通信能耗和平衡节点间的业务负载，达到绿色经济的要求，同时，提高了网络的可扩展性，更好的适应网络规模的变化。增设的无线通信节点，防止总线断裂而致使数据传输中断，提高了系统全局工作的可靠性和可用性，同时实现对局部区域的无线网络覆盖，用户可以通过通信终端（如手机、iPad、电脑）访问建筑的共享信息；采用的无线通信技术应该具有能耗低、带宽高、适用于设备密集型网络的特点。在突发情况下，报警系统向远程管理系统发送预警指令，远程管理系统调取并分析数据，反馈给工作人员建筑损坏或异常部位的数据，为工作人员采取及时、有效的处理措施作保障。指示灯子系统通过接收系统传来的指令打开或关闭灯具，实现建筑内故障或事故的现场警示，为管理或救援人员迅速找到事故地点、提高工作效率起到重要作用，同时可以引导室内人员快速疏散，撤离危险区域。

附图说明

图1是本发明基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统原理框图；

图2是本发明的远程管理子系统的结构框图；

图3是本发明的复合探测节点的多跳分簇网络结构图；

图4是本发明的复合探测子系统结构框图；

图5是本发明的指示灯子系统结构框图；

图6是本发明一实施例的示意图；

图7是本发明一实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做做进一步详细说明。

如图1，基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统由报警系统、复合探测子系统、指示灯子系统和远程管理子系统组成。

如图2，远程管理系统由网络服务器、搭载有建筑信息模型核心软件系统的控制主机、数据备份服务器和防火墙构成。技术人员和专家学者可以根据反馈的建筑损坏或异常部位的数据，采取及时、有效的处理措施。

,如图3，复合探测子系统中的复合探测节点采用多跳分簇网络结构，主要由汇聚节点、簇头和簇成员构成；具有较高能量的探测节点作为簇头，处理从簇成员接收到的数据，并将处理后的数据发送到汇聚节点，汇聚节点通过总线和无线通信节点将数据传输给远程控制系统。

如图4，簇头和簇成员探测节点包括传感器模块、数据采集模块、单片机、定位模块和电池自动充电模块；所述传感器模块由加速度传感器、速度传感器、位移传感器、应力应变传感器、温度传感器、压电薄膜传感器、风压传感器、风速仪、激光铅直仪、裂缝仪和摄像头组成；所述电池自动充电模块分别与传感器模块、数据采集模块、单片机、定位模块相连，并给上述模块供电；单片机与定位模块和数据采集模块相连接，数据采集模块将传感器模块和定位模块传来的数据分类整合后传递给单片机，单片机对数据进行运算分析、备份，并将数据反馈给远程管理系统。

如图5，指示灯子系统由电池自动充电模块、灯具和区域汇集器组成；指示灯子系统与复合探测子系统和远程管理子系统相连接，包括逃生指示灯系统和警示指示灯系统，通过接收系统传来的指令打开或关闭灯具，实现建筑内故障或事故的现场警示，为管理或救援人员迅速找到事故地点、提高工作效率起到重要作用，同时可以引导室内人员快速疏散，撤离危险区域。

如图6，覆盖在建筑内的复合探测子系统实时探测建筑各部位的运作状态，收集在各种天气状况（如下雨、刮风、下雪）、各个季节（春、夏、秋、冬）、每天不同时段（清晨、早上、中午、下午、傍晚、午夜）建筑的运作状态，通过搭载有BIM系统的远程管理子系统对数据分析处理，可以得到建筑在不同时间和不同环境下的运作规律和健康状态，当有建筑工程需要：如本地建设其他建筑可以参考这些数据设计出合适优秀的建设方案；或者建筑内要安装风能采集或光能采集系统，可以参考研究远程管理子系统中准确全面的数据资料，同时该系统也可为工程后期提供运维服务；可以通过研究数据库中的相关数据，得到建筑内人员在不同时段的活动规律，通过调控指示灯子系统中的照明工具的适时开关来节省能源消耗；室内人员通过个人账号访问似有建筑空间信息，可以更全面了解私有建筑空间的运行状态。该系统能使建筑朝着绿色经济、可持续发展的道路发展。

如图7，在遇到突发灾害情况，如地震作用下，报警系统向远程管理子系统发送报警，复合探测子系统通过将现场的数据快速准确的传送到远程管理子系统。远程管理子系统通过对数据的分析，评估出建筑的健康状态，模拟出最佳逃生路径，并将逃生路径通过无线节点发送到人们的手机、iPad等接收终端，同时发送指令给指示灯子系统，实现警铃报警提醒、建筑损坏部位警示指示灯标记警示、逃生指示灯引导人员逃生的综合救援抗灾方案，最大可能的保障建筑内人员的生命财产安全。

Claims (7)

1.基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统，其特征在于：该系统由报警系统、复合探测子系统、指示灯子系统和远程管理子系统组成；系统各单元通过总线进行信息交换，且在复合探测子系统与远程管理子系统之间增设置无线通信节点；基于建筑信息模型技术的远程管理子系统搭载提供建筑信息模型技术的核心软件和数据库；所述的复合探测子系统中的复合探测节点采用多跳分簇网络结构，复合探测节点布设在建筑的梁、柱、墙体、楼板的内部和外部；复合探测子系统中的各个复合探测节点按监测需求配置传感器；报警系统与远程管理子系统相连；指示灯子系统分别与复合探测子系统和远程管理子系统相连接，它包括逃生指示灯系统和警示指示灯系统。

2.根据权利要求1所述的基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统，其特征在于：远程管理系统由网络服务器、搭载有建筑信息模型核心软件系统的控制主机、备份服务器和防火墙构成。

3.根据权利要求1所述的基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统，其特征在于：复合探测子系统中的复合探测节点采用多跳分簇网络结构，由汇聚节点、簇头和簇成员构成。

4.根据权利要求1或3所述的基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统，其特征在于：所述的簇头和簇成员探测节点包括传感器模块、数据采集模块、单片机、定位模块和电池自动充电模块；所述传感器模块由加速度传感器、速度传感器、位移传感器、应力应变传感器、温度传感器、压电薄膜传感器、风压传感器、风速仪、激光铅直仪、裂缝仪和摄像头组成；所述电池自动充电模块分别与传感器模块、数据采集模块、单片机、定位模块相连；单片机与定位模块和数据采集模块相连接。

5.根据权利要求1所述的基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统，其特征在于：系统各单元通过总线进行信息交换，在复合探测子系统与远程管理子系统之间设置无线通信节点，采用无线通信技术。

6.根据权利要求1所述的基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统，其特征在于：报警系统与远程管理子系统相连。

7.根据权利要求1所述的基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统，其特征在于：指示灯子系统由电池自动充电模块、灯具和区域汇集器组成；指示灯子系统与复合探测子系统和远程管理子系统相连接，包括逃生指示灯系统和警示指示灯系统。