CN104613923A

CN104613923A - 一种变形监测安全评估系统及评估方法

Info

Publication number: CN104613923A
Application number: CN201510091057.1A
Authority: CN
Inventors: 杨金显; 张颖; 乔美英; 陈超; 郝海明; 徐功平
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2015-03-01
Filing date: 2015-03-01
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2035-03-01
Also published as: CN104613923B

Abstract

本发明公开了一种基于MIMU的变形监测安全评估系统及评估方法，以MEME加速度计、陀螺仪、磁强计和温度计构造的MIMU作为监测节点，布置于以电力光缆构造的仿生蜘蛛网络上，电力光缆用于电力供应和数据传输，Wifi模块用于紧急时的数据传输，综合数据处理装置用于数据的处理和安全评估。在考虑温度影响下，变形会引起数据变化，利用数据的变异程度评估变形程度，通过计算监测数据的二阶中心矩，进行归一化变形程度估计，实时评估安全等级。该系统易于实现，可靠性高，也更准确。

Description

一种变形监测安全评估系统及评估方法

技术领域

本发明涉及一种变形监测安全评估系统及评估方法，属于惯性导航、光纤技术、仿生技术、信号处理和安全技术等多学科交叉技术领域。

技术背景

变形是自然界普遍存在的现象，是指变形体的形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化，在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害，例如大坝、桥梁、路基、边坡、大型建筑和采矿区的地表沉陷等都需要变形监测，并进行安全评估。

目前，变形监测有地面监测技术，如测量机器人和激光扫描仪等，但这些系统实时监测，并且需要海量数据的处理，数据处理难度较大；地下监测技术，如传统的应变计，但受外界干扰大，并且故障概率高和耐久性差，地下铺设光纤，不受电磁干扰稳定性好，但光纤光栅应变传感器的成活率较低；对地监测技术，如利用GPS技术、D-InSAR（差分干涉雷达测量）和机载激光三维扫描等技术，但GPS接收机在高山峡谷、地下、建筑物密集地区和密林深处，由于卫星信号被遮挡及多路径效应的影响，其监测精度和可靠性不高或无法进行监测，合成孔径雷达差分干涉测量技术和机载激光三维扫描成本太高和要求高，并且不能全天候工作。

目前，变形监测安全评估技术正向多门学科交叉联合的边缘学科方向发展，成为相关学科的研究人员合作研究的领域。而随着MEME惯性技术的发展，其体积小、功耗低、成本低等优点，逐渐应用于各领域。如果仅使用惯性传感器（陀螺仪和加速度计），会随着时间的累加，误差会越来越大，尤其MEMS陀螺仪误差会更大，因此需要与其他传感器一起构造监测系统，设计一种基于MIMU +电力光缆+Wifi的变形监测系统，主要涉及到变形信息的获取、分析、处理和变形安全程度的评估，掌握各种建筑物和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取相应的对策和措施，防止灾害的发生或最大限度地减少灾害造成的损失。

发明内容

本发明的目的在于把MEMS惯性技术、光纤技术、仿生技术和信号处理技术结合在一起，设计一种基于MIMU和电力光缆的变形监测安全评估系统及评估方法。

变形监测安全评估系统包括变形监测节点、仿生蜘蛛网络和综合数据处理装置三部分。

通过仿生蜘蛛捕获撞网猎物的过程，我们知道蜘蛛获得猎物信息是通过猎物的运动和振动幅度知道猎物的位置和大小，因此考虑采用电力光缆模拟蜘蛛丝，构造仿生蜘蛛网络，传递运动数据信息，兼顾供电和变形辅助测量，监测节点模拟着网的猎物，获得变形位置和变形程度，综合信息处理装置模拟网络中心蜘蛛，进行捕获行动，即数据处理和变形安全评估。

采用电力光缆构造仿生蜘蛛网络，把监测节点布置于交叉点上，对节点进行编码，这样那个节点出现变形可以知道位置。

为了实时、可靠及准确的通讯，系统采取总线型网络通讯方式。

把综合数据处理装置作为仿生蜘蛛网络的中心，以总线型结构的电力光缆网络连接各仿生蜘蛛网络交叉点上的监测节点，以同步时序控制电路保证系统的同步，可同步的采集MIMU数据和光纤变形数据，对数据进行变形监测安全评估处理。

变形监测节点由MIMU测量模块、Wifi模块、应急电源模块和光电转换接口四部分构成。

MIMU测量模块包括三轴加速计、三轴陀螺仪、三轴磁强计和温度传感器和预处理模块。考虑变形监测系统所处的环境和成本要求，传感器均采用MEMS固态传感器。

三轴加速度计用以测量的三个轴向上的加速度信号，三轴陀螺仪用以测量钻头的三个轴向上的角速度，温度计用于陀螺仪、加速度计、磁强计和电力光缆的温度补偿。

在光纤网络中断时启动预处理模块和应急电源，并进行加速度计、陀螺仪和磁强计的数据滤波处理和预评估处理，通过Wifi模块传输数据。

监测节点数据的加速度、陀螺仪和磁场数据进行温度补偿，进行ARMA-Kalman滤波处理，提高节点监测数据的精度。

由于监测节点数据本身所具备的高维性、复杂性、动态性、高噪声特性以及容易达到大规模的特性，而在很多实际的场合中，也不需要具体知道姿态位置信息，只需要知道变化了多少即变化的程度。

由于变形，必然会引起监测数据的变化，通过监测数据的变异程度来评估变形程度，为不增加误差，不采用加速度、角速度和磁场数据解算角度的变化，而是设计一种直接利用数据变异程度的变形安全评估方法。

进而归一化处理，实时给出变形安全等级，是否需要安全应急处理。

变形监测安全评估方法：由于变形运动，必然引起测量节点数据的变化，数据每次变化的大小和这些变化的和代表变化的程度，也就是数据之间变异程度，为了不增加计算量，设计基于数据二阶中心矩的变形安全评估方法。

所述变形安全评估方法如下。

（1）确定中心数据，由于MEMS器件主要受温度影响，通过温控箱标定出不同温度下的偏值，即中心数据，可得第节点的原点数据，代表不同的节点，即节点编码。

（2）由于安装环境固定，外界干扰也是固定的，像太阳磁暴和雷雨天气，在这种情况下，自动屏蔽磁数据。

（3）把中心数据存入监测节点Flash存储器中。

（4）把采集的加速度信号、角速度信号和磁场信号，每采集个数据为一组，为消除偶然误差，每滑动个数取一次平均。

（5）考虑加速度、角速度和磁场信号时间序列之间的关联性，建立滑动自回归模型，进行模型参数估计和误差检验，把多维时间序列转为一维时间序列，其中为不同的节点，。

（7）由于会出单方向变形和多方向变形，为不增加计算量，采用二阶中心矩来度量数据的变异程度。

（8）计算第节点的二阶中心矩：由于变形数据可能很缓慢，不显著，因此需要把数据进行放大，可采用多次测量进行累加进行处理。

（9）不同变形程度的监测节点数据的标定，作为标准值：为了模拟现实角度的变化引起监测节点数据的变化，在精密分度头上调整不同的变形程度，如为0.01度、0.1度、1度、10度的角度变化，计算标称值。

（10）把进行归一化处理，由于数据存在一定的误差，因此考虑附加一个误差因子，即，为设定的最大可变形的二阶中心矩。

（11）假如为正常波动范围之内，视为安全；说明有一定风险，需要检查；说明有较大安全隐患，急需处理；这些参数根据监测物体进行调整，因为不同物体产生的变形时，危险程度是不一样的。

（12）如果编号连接节点发生相似的变化，说明较大区域发生变形，有较大安全隐患，需要去检查。

（13）通过数据的变异程度，转换为图形显示。

本发明的优点在于，⑴该方法简单易于实现，可构造小型蜘蛛网络，可批量生产，易于施工，出现问题易于排查；⑵考虑加速度、角速度、磁场和温度参数，要比单一数据安全评估要好；⑶由于节点监测数据是多维数据，只要一维正常即可进行安全评估；⑷评估方法直接采用数据的变异程度，要比再出解算姿态角度方法更准确、更可靠。

附图说明

图1为本发明的变形监测安全评估系统结构图。

图2为本发明的仿生蜘蛛网络。

图3为本发明的监测节点结构图。

图4为本发明的安全评估方法过程。

图5为本发明的三轴加速度数据。

图6为本发明的三轴陀螺仪数据。

图7为本发明的归一化安全程度评估。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，变形监测安全评估系统主要由变形监测节点、仿生蜘蛛网络和综合信息处理装置组成。

仿生光纤蜘蛛网络如图2所示，通过仿生原理，构造蜘蛛网络，用电力光缆模拟蜘蛛丝，传递运动信息，兼顾供电和变形辅助测量，监测节点（图中圆圈）模拟猎物（数字1所在位置为一猎物），即运动信息，综合信息处理装置模拟网络中心蜘蛛，处理运动信息。

如果区域存在易变形区域，把仿生蜘蛛网络中心安装易变形区域，其他情况根据成本要求来布置即可。

如果监测区域较大，可布置若干个小蜘蛛网络即可，小型网络易于施工，出现问题易于排查。

理论上仿生蜘蛛网络每个交叉节点上都布置于一个监测节点最好，为了节省成本，监测节点交叉对称布置即可，因为变形都是区域性的，并且电力光缆连接，也可由电力光缆辅助测量变形数据。

对节点进行编码1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、，这样那个节点出现变形可以知道位置，在节点布置时可能会出现不能完全对称，会多出一个节点，可把该节点作为一个备用节点。

监测节点如图3所示，监测节点可以采用MEMS加速度计和陀螺仪、磁强计、温度计和Wifi模块构造，也可采用集成的芯片，数据采集模块采用集成芯片MPU-9250，芯片内置16bit AD转换器，16位数据输出(磁场13位)，陀螺仪测量范围选择±250^ｏ/s，加速度测量范围选择±2g。加速度计最大测量精度为0.06mg，陀螺仪最大测量精度为0.008^ｏ/s，磁强计测量精度为0.02uT，内置了MEMS温度传感器，精度为0.1^ｏ，该芯片价格低，功耗低和体积小(3mm×3mm×1.5mm)。

监测数据的处理器采用基于 32位ARM核、84Mhz CPU时钟频率、带有96 Kbytes SRAM和512 Kbytes Flash的T91SAM3X8EA芯片，实现监测节点的数据滤波处理和安全变形评估。

采用ESP8266无线模块，在光纤网络中断时，启动预处理模块和应急电源，进行加速度计、陀螺仪和磁强计的数据滤波处理和预评估处理，通过Wifi模块无线数据传输。

监测节点数据经过放大，通过逻辑控制，选择通道开关，通过A/D转换，进行信号处理和校准，然后通过数据输出或Wifi无线数据输出。

然后进行信号处理和校准：首先系统初始化，安装时初始数据，包括三轴加速度和三轴角速度、三轴磁场强度和不同温度下的标定值，采用内置的温度计输出的温度进行数据温度补偿，采用ARMA-Kalman滤波去除误差。

接着监测节点数据经过光电转换器，以总线的传输方式到光纤以太网交换机，传输到综合数据处理装置。

然后综合数据处理装置进行变形监测数据安全评估，评估出安全等级。

变形监测安全评估方法：由于变形必然引起监测节点数据的变化，数据每次变化的大小和这些变化的和代表变化的程度，也就是数据之间变异程度，为不增加计算量，采用基于数据二阶中心矩的变形安全评估方法。

所述变形安全评估方法如下。

（1）确定中心数据，作为初始值：由于MEMS器件主要受温度影响，通过温控箱标定出不同温度下的偏值，即中心数据，可得第节点的原点数据，代表不同的节点，即节点编码。

（2）由于安装环境固定，外界干扰也是固定的，像太阳磁暴和雷雨天气，在这些情况下，通过逻辑控制自动关闭磁数据通道。

（3）把中心数据存入监测节点Flash存储器中。

（7）由于会出单方向变形和多方向变形，为不增加计算量，采用二阶中心矩来度量数据的变异程度：。

（8）计算第节点的二阶中心矩：因为变形数可能很缓慢，不显著，需要把数据进行放大提高显著性，可采用多次测量进行累加进行放大。

（9）不同变形程度的监测节点数据的标定：为了模拟现实的角度变化，在分度头上调整0.01度、0.1度、1度、10度的角度变化，计算标称值。

（11）说明在正常波动范围之内，视为安全；说明有一定风险，需要检查；说明有较大安全隐患，需要紧急处理。

（12）如果编号连接节点发生相似的变化，说明较大区域发生变形，有较大安全隐患，需要安全处理。

（13）通过数据的变异程度，转换为图形显示。

以Orientus MIMU系统作为监测节点，把该系统固定在焦作新桥梁面上，随着桥面上小汽车和重型卡车通过时，采集到桥梁的变形信号，作为实验验证的原始数据来源，分析桥面变形程度。

由于新河北侧是钢材市场，磁场干扰比较大，屏蔽磁数据，对原始数据进行以上几步的预处理、滤波后，获得采集加速度和角速度数据如图5和图6，图中横坐标为采样数据点，纵坐标为X、Y和Z轴的加速度和角速度。

从上图5和图6可以看出，小车和大车通过时，各轴数据变化趋势相同，但大车有较强震动时变化明显，可看出用数据的变异程度能够呈现各序列变化趋势，与实际相符合，能够用于变形评估。

选择30，转化为一维时间序列，根据公式进行归一化处理，如图7，图中纵坐标为归一化程度。

根据归一化分析，可以看出第一个数据变异点，可以看作是桥面几乎没什么变化，也即无变形；另外一个较大变异点，有大型车辆通过，桥面震动严重，认为有变形量，但仍在可以承受的范围内。

最后说明的是以上实施案例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，可以对本发明进行修改或更换，而不脱离本技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种变形监测安全评估系统及评估方法，其特征在于，其系统由变形监测节点、仿生蜘蛛网络和综合信息处理装置组成。

2.一种变形监测安全评估系统及评估方法，其特征在于，监测节点可以采用MEMS加速度计和陀螺仪、磁强计、温度计和Wifi模块构造。

3. 根据权利要求2所述一种变形监测安全评估系统及评估方法，其特征在于，监测数据的处理器采用基于 32位ARM核、84Mhz 的CPU时钟频率，带有96 Kbytes SRAM，512 Kbytes Flash的T91SAM3X8EA芯片，实现监测节点的数据滤波处理和安全变形评估。

4.根据权利要求2所述一种变形监测安全评估系统及评估方法，其特征在于，Wifi采用ESP8266无线模块，在光纤网络中断时启动预处理模块和应急电源，进行加速度计、陀螺仪和磁强计的数据滤波处理和预评估处理，通过Wifi模块无线数据传输。

5.根据权利要求2所述一种变形监测安全评估系统及评估方法，其特征在于，对于信号处理和校准，首先系统初始化，安装时初始数据，包括三轴加速度和三轴角速度、三轴磁场强度和不同温度下的标定值，采用内置的温度计输出的温度进行数据温度补偿，采用ARMA-Kalman滤波去除误差。

6.一种变形监测安全评估系统及评估方法，其特征在于，采用电力光缆构造仿生蜘蛛网络，采用电力光缆模拟蜘蛛丝，构造仿生蜘蛛网络，传递运动数据信息，兼顾供电和变形辅助测量，监测节点模拟着网的猎物，获得变形位置和变形程度，综合信息处理装置模拟网络中心蜘蛛，进行捕获行动，即数据处理和变形安全评估。

7.根据权利要求6所述一种变形监测安全评估系统及评估方法，其特征在于为了节省成本节点交叉对称布置即可，因为变形都是区域性的，并且电力光缆连接，也可由电力光缆辅助测量变形数据；如果监测区域较大，可布置若干个仿生小蜘蛛网络即可。

8.一种变形监测安全评估系统及评估方法，其特征在于，变形监测安全评估方法：由于变形运动，必然引起监测节点数据的变化，数据每次变化的大小和这些变化的和代表变化的程度，也就是监测与中心数据之间变异程度，设计基于数据二阶中心矩的变形安全评估方法。

9.根据权利要求8所述一种变形监测安全评估系统及评估方法，其特征在于，所述变形安全评估方法：

（1）确定中心数据，由于MEMS器件主要受温度影响，通过温控箱标定出不同温度下的偏值，即中心数据，可得到第节点的原点数据，代表不同的节点，即节点编码；

（2）由于安装环境固定，外界干扰也是固定的，像太阳磁暴和雷雨天气，在这种情况下，自动屏蔽磁数据；

（3）把中心数据存入监测节点Flash存储器中；

（4）把采集的加速度信号、角速度信号和磁场信号，每采集个数据为一组，为消除偶然误差，每滑动个数取一次平均；

（5）考虑加速度、角速度和磁场信号时间序列之间的关联性，建立滑动自回归模型，进行模型参数估计和误差检验，把多维时间序列转为一维时间序列，其中为不同的节点，；

（7）由于会出单方向变形和多方向变形，为不增加计算量，采用二阶中心矩来度量数据的变异程度；

（8）计算第节点的二阶中心矩：由于变形数据可能很缓慢，不显著，因此需要把数据进行放大，可采用多次测量进行累加进行处理；

（9）不同变形程度的监测节点数据的标定，作为标准值：为了模拟现实角度的变化引起监测节点数据的变化，在精密分度头上调整不同的变形程度，如为0.01度、0.1度、1度、10度的角度变化，计算标称值；

（10）把进行归一化处理，由于数据存在一定的误差，因此考虑附加一个误差因子，即，为设定的最大可变形的二阶中心矩；

（11）假如为正常波动范围之内，视为安全；说明有一定风险，需要检查；说明有较大安全隐患，急需处理；这些参数根据监测物体进行调整，因为不同物体产生的变形时，危险程度是不一样的；

（12）如果编号连接节点发生相似的变化，说明较大区域发生变形，有较大安全隐患，需要去检查；

（13）通过数据的变异程度，转换为图形显示。