CN104864845A - 厂房结构变形实时监测及安全预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厂房结构变形实时监测及安全预警系统，包括多个通过监测固定架安装在柱下承台面上的监测单元、电源集中供电器、信号总线、反馈处理系统及预警指示装置，每个柱子对应一个监测单元，多个监测单元构成多通道的结构实时监测系统；每个所述的监测单元包括一静力水准仪和一双轴倾斜仪，所述的静力水准仪和双轴倾斜仪上分别设有电源线及信号输出线，所述的电源线连接在所述的电源集中供电器上，所述的信号输出线连接在所述的信号总线上，所述的信号总线接入所述的反馈处理系统，所述的反馈处理系统的输出端连接所述的预警指示装置，并且所述的反馈处理系统与用于设定监测单元采集频率并获得实时数据图表的远程计算机相互通信。

Description

厂房结构变形实时监测及安全预警系统

技术领域

本发明涉及一种厂房结构变形实时监测及安全预警系统。

背景技术

围海厂房等大型厂房，由于使用的设备重量大，长期经受反复疲劳荷载，致使基础沉降可能导致结构安全事故。为保障厂房结构的安全运营，对厂房结构加强安全检测、检测评价、养护及维修加固显得十分重要。实际操作中常采用倾斜和不均匀沉降来评定厂房结构的安全。传统的检测方法通常采用全站仪等常规测量仪器，布置变形监测网及高程控制网，测得已建结构的倾斜和不均匀沉降。此方法仅适用于对长期而缓慢的变形过程进行监测，难以准确反应结构的健康状况和安全性能的信息。鉴于此，亟待解决的问题是，需要对传统的结构安全监测方法进行改进，使其不仅可以准确地监测出结构倾斜和不均匀沉降的数据，而且这些数据应该可以实时监测并且反馈计算机，通过计算机建立的系统进行运算处理，最后以图表的形式显示每个时刻监测数据，一旦监测数据达到预警值，根据安全等级，预警装置发出不同的预警标志。

发明内容

为了克服现有厂房结构安全监测方法存在的仅适用于对长期而缓慢的变形过程进行监测，并且难以准确反应结构的健康状况和安全性能的信息的缺陷，本发明提供一种可以实时监测厂房结构变形及不均匀沉降，可对被监测的结构做出健康状况与安全性能的分析的厂房结构变形实时监测及安全预警系统。本发明不仅可以高效地反馈实时结构变形状况，而且系统将历史监测值进行统计管理，这些数据有利于分析结构健康状态，有效避免结构安全意外发生。

本发明采用的技术方案是：

厂房结构变形实时监测及安全预警系统，其特征在于：包括多个通过监测固定架安装在柱下承台面上的监测单元、电源集中供电器、信号总线、反馈处理系统及预警指示装置，每个柱子对应一个监测单元，多个监测单元构成多通道的结构实时监测系统；

每个所述的监测单元包括一用于在被监测结构发生不均匀沉降时实时采集柱沉降位移数据的静力水准仪和一用于在被监测结构发生倾斜时实时采集XY两个方向的角度数据的双轴倾斜仪，所述的静力水准仪和双轴倾斜仪上分别设有电源线及信号输出线，所述的电源线连接在所述的电源集中供电器上，所述的信号输出线连接在所述的信号总线上，所述的信号总线接入所述的反馈处理系统，所述的反馈处理系统的输出端连接所述的预警指示装置，并且所述的反馈处理系统与用于设定监测单元采集频率并获得实时数据图表的远程计算机相互通信；

其中，所述的反馈处理系统用于预先输入各监测单元的初始倾斜角以及沉降值，并设定本次监测目标的预警值，所述的预警值包括XY两方向倾斜、沉降预警值以及倾斜、沉降速率预警值；所述的静力水准仪和双轴倾斜仪均采用RS485传输协议依次将各监测单元采集的位移数据以及角度数据传送至反馈处理系统，所述的反馈处理系统经过分析程序处理计算后转化为各监测单元各时刻的坐标数据，通过对一榀框架下两个柱对应的两个监测单元分别实时计算得到柱顶坐标模拟空间屋架变形，并根据柱顶的位移条件计算屋架的应力应变，计算得到的屋架的应力应变即为监测值；所述的反馈处理系统逻辑判断监测值是否达到预警值上限，并将命令通过信号输出线传输至预警指示装置，若当前监测值超过预警值上限，预警指示装置发出警告信号。

还包括一基准静力水准仪，所述的基准静力水准仪和多个所述的静力水准仪通过连通管连接。

所述的屋架的应力应变的计算过程如下所示：

一榀框架下两个柱为柱1和柱2，监测前柱1下端的中心坐标点为(0，0，0)，柱1上端中心初始坐标点为(x₁₀，y₁₀，z₁₀)；柱2下端的中心坐标点为(0，0，0)，柱2上端中心初始坐标点为(x₂₀，y₂₀，z₂₀)，某时刻双轴倾斜仪的读数为α与β，静力水准仪度数为s；

a、绕X轴的旋转：柱1下端坐标不变，柱2上端坐标点(x₁₀，y₁₀，z₁₀)绕X轴旋转α角度后变为(x₀₁，y₀₁，z₀₁)，其变换关系为：

x₀₁＝x₁₀

y₀₁＝y₁₀cosα-z₁₀sinα

z₀₁＝y₁₀sinα-z₁₀cosα

b、绕Y轴的旋转：柱1下端坐标不变，柱1上端坐标点(x₀₁，y₀₁，z₀₁)绕Y轴旋转β角度后变为(x₁，y₁，z₁)，其变换关系为：

x₁＝x₀₁cosβ-z₀₁sinβ

y₁＝y₀₁

z₁＝x₀₁sinβ+z₀₁cosβ

c、沿Z轴的沉降：柱1沉降了s后，柱1下端坐标点变为(0，0，-s)，柱1上端坐标点(x₁，y₁，z₁-s)；

最终得到某时刻柱1上端坐标点(x₁，y₁，z₁-s₁)，柱1下端坐标点(0，0，-s₁)；

同理得到某时刻柱2上端坐标点(x₂，y₂，z₂-s₂)；

得到屋架横向变形量

$\mathrm{\δ}=\frac{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2-s_1+s_2)}^2}-\sqrt{{(x_{10}-x_{20})}^2+{(y_{10}-y_{20})}^2+{(z_{10}-z_{20})}^2}}{\sqrt{{(x_{10}-x_{20})}^2+{(y_{10}-y_{20})}^2+{(z_{10}-z_{20})}^2}}$ 。

所述的反馈处理系统与信号总线采用串行接口连接。

所述的静力水准仪和双轴倾斜仪的输出模式均为应答制。过程是先由主机发送包含某监测单元的静力水准仪或双轴倾斜仪的编码信息的指令，再由某静力水准仪或双轴倾斜仪接收指令并答复监测数据，其中发送指令的频率由计算机程序控制；静力水准仪和双轴倾斜仪均能根据系统数据分析自适应调节监测的频率，实现智能监测。其中，双轴倾斜仪属于小量程的变形监测，监测范围较小但精度高，能够监测柱的微小倾斜变化。

所述的预警指示装置包括多色指示灯及蜂鸣器。正常开启时绿灯亮，若当前监测值超过预警上限，预警指示装置红灯亮器，蜂鸣器响。

所述的信号总线采用铜芯屏蔽双绞线。

本发明实现结构变形实时监测及安全的预警系统包括以下步骤：

1)安装准备

首先对监测目标柱子设置监测单元，并按一定的顺序对其编号。监测单元用监测固定架固定在柱下承台面，每个单元设置一个静力水准仪与一个双轴倾斜仪，选取一个基准点设置一个基准静力水准仪，将各单元仪器电源线连接在电源集中供电器上，静力水准仪、双轴倾斜仪的信号输出线连接在信号总线，信号总线接入反馈处理系统，信号输出线由反馈处理系统输出至预警指示装置。

2)调试

调整监测固定架调节至水平，开启电源集中供电器，对所有监测单元以及仪器进行通讯参数调节，校核静力水准仪与双轴倾斜仪的初始数据调零，确保能够正常接收信号以及实际编号与计算机上编号一致，程序校零，并在程序中设定本次监测目标的预警值。

3)监测工作

观测厂房结构变形，发生不均匀沉降时，固定在柱下承台上的静力水准仪通过连通管与基准静力水准仪连接，可监测到被测点的垂直位移的变化，通过信号输出线连信号总线，经转换器传送至反馈处理系统上；当厂房发生倾斜时，固定在在柱下承台上的双轴倾斜仪将能监测到与柱垂直的两个方向的角度变化，通过信号总线将所有双轴倾斜仪与反馈处理系统共同联网，按计算机设定的频率轮流采集数据。反馈处理系统运算处理各监测单元各时刻的坐标数据，然后一榀框架下两个柱对应的两个监测单元分别实时计算得到柱顶坐标模拟空间屋架变形，同时根据柱顶的位移条件计算屋架的应力应变，即可通过远程计算机以图文表等形式动态得实时反馈厂房的安全信息，并且系统对各时间段采集的数据以数据库的形式备份与统计。反馈处理系统同时逻辑判断监测值是否达到预警上限，并将命令通过信号输出线传输至预警指示装置，若当前采集数据超过预警上限，预警指示装置红灯亮器，蜂鸣器响。

本发明的有益效果体现在：

1、采用静力水准仪、双轴倾斜仪这两种传感器为核心不仅测量精度高，而且仪器体积小，成本较低可长期放置在监测点，从而可实时获得监测数据，也实现了安全预警的效果。

2、不仅可以准确地监测出结构倾斜和不均匀沉降的数据，而且这些数据应该可以实时监测并且反馈计算机，通过计算机建立的系统进行运算处理，最后以图表的形式显示每个时刻监测数据，一旦监测数据达到预警值，根据安全等级，预警装置发出不同的预警标志。

3、不仅可以高效地反馈实时结构变形状况，而且系统将历史监测值进行统计管理，这些数据有利于分析结构健康状态，有效避免结构安全意外发生。

附图说明

图1是本发明系统框架图。

图2是本发明整体厂房安全监测的流程框图。

图3是本发明整体结构安装示意图。

具体实施方式

参照图1至图3，厂房结构变形实时监测及安全预警系统，包括多个通过监测固定架1安装在柱下承台面上的监测单元、电源集中供电器2、信号总线3、反馈处理系统4及预警指示装置5，每个柱子对应一个监测单元，多个监测单元构成多通道的结构实时监测系统；

每个所述的监测单元包括一用于在被监测结构发生不均匀沉降时实时采集柱沉降位移数据的静力水准仪6和一用于在被监测结构发生倾斜时实时采集XY两个方向的角度数据的双轴倾斜仪7，所述的静力水准仪6和双轴倾斜仪7上分别设有电源线及信号输出线，所述的电源线连接在所述的电源集中供电器上，所述的信号输出线连接在所述的信号总线上，所述的信号总线接入所述的反馈处理系统，所述的反馈处理系统的输出端连接所述的预警指示装置，并且所述的反馈处理系统与用于设定监测单元采集频率并获得实时数据图表的远程计算机10相互通信；

其中，所述的反馈处理系统用于预先输入各监测单元的初始倾斜角以及沉降值，并设定本次监测目标的预警值，所述的预警值包括XY两方向倾斜、沉降预警值以及倾斜、沉降速率预警值；所述的静力水准仪和双轴倾斜仪均采用RS485传输协议依次将各监测单元采集的位移数据以及角度数据传送至反馈处理系统，所述的反馈处理系统经过分析程序处理计算后转化为各监测单元各时刻的坐标数据，通过对一榀框架下两个柱对应的两个监测单元分别实时计算得到柱顶坐标模拟空间屋架变形，并根据柱顶的位移条件计算屋架的应力应变，计算得到的屋架的应力应变即为监测值；所述的反馈处理系统逻辑判断监测值是否达到预警值上限，并将命令通过信号输出线传输至预警指示装置，若当前监测值超过预警值上限，预警指示装置发出警告信号。

还包括一基准静力水准仪8，所述的基准静力水准仪8和多个所述的静力水准仪通过连通管9连接。

所述的屋架的应力应变的计算过程如下所示：

一榀框架下两个柱为柱1和柱2，监测前柱1下端的中心坐标点为(0，0，0)，柱1上端中心初始坐标点为(x₁₀，y₁₀，z₁₀)；柱2下端的中心坐标点为(0，0，0)，柱2上端中心初始坐标点为(x₂₀，y₂₀，z₂₀)，某时刻双轴倾斜仪的读数为α与β，静力水准仪度数为s；

a、绕X轴的旋转：柱1下端坐标不变，柱2上端坐标点(x₁₀，y₁₀，z₁₀)绕X轴旋转α角度后变为(x₀₁，y₀₁，z₀₁)，其变换关系为：

x₀₁＝x₁₀

y₀₁＝y₁₀cosα-z₁₀sinα

z₀₁＝y₁₀sinα-z₁₀cosα

b、绕Y轴的旋转：柱1下端坐标不变，柱1上端坐标点(x₀₁，y₀₁，z₀₁)绕Y轴旋转β角度后变为(x₁，y₁，z₁)，其变换关系为：

x₁＝x₀₁cosβ-z₀₁sinβ

y₁＝y₀₁

z₁＝x₀₁sinβ+z₀₁cosβ

c、沿Z轴的沉降：柱1沉降了s后，柱1下端坐标点变为(0，0，-s)，柱1上端坐标点(x₁，y₁，z₁-s)；

最终得到某时刻柱1上端坐标点(x₁，y₁，z₁-s₁)，柱1下端坐标点(0，0，-s₁)；

同理得到某时刻柱2上端坐标点(x₂，y₂，z₂-s₂)；

得到屋架横向变形量

$\mathrm{\δ}=\frac{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2-s_1+s_2)}^2}-\sqrt{{(x_{10}-x_{20})}^2+{(y_{10}-y_{20})}^2+{(z_{10}-z_{20})}^2}}{\sqrt{{(x_{10}-x_{20})}^2+{(y_{10}-y_{20})}^2+{(z_{10}-z_{20})}^2}}$ 。

所述的反馈处理系统与信号总线采用串行接口连接。

所述的静力水准仪和双轴倾斜仪的输出模式均为应答制。过程是先由主机发送包含某监测单元的静力水准仪或双轴倾斜仪的编码信息的指令，再由某静力水准仪或双轴倾斜仪接收指令并答复监测数据，其中发送指令的频率由计算机程序控制；静力水准仪和双轴倾斜仪均能根据系统数据分析自适应调节监测的频率，实现智能监测。其中，双轴倾斜仪属于小量程的变形监测，监测范围较小但精度高，能够监测柱的微小倾斜变化。

所述的预警指示装置包括多色指示灯及蜂鸣器。正常开启时绿灯亮，若当前监测值超过预警上限，预警指示装置红灯亮器，蜂鸣器响。

所述的信号总线采用铜芯屏蔽双绞线。

实现结构变形实时监测及安全的预警系统，包括以下步骤：

(a)对需要进行结构变形实时监测及安全预警的厂房监测点设置监测单元以及编号，一个柱子设置一个监测单元；一个监测单元设置一个静力水准仪与一个双轴倾斜仪，将其固定在可调节监测固定架上并调整其至水平面，静力水准仪和双轴倾斜仪上分别设电源线及信号输出线，其中电源线连接在电源集中供电器上，信号输出线连接在信号总线，信号总线接入反馈处理系统，形成一个多通道的实时监测系统。

(b)接通电源，对所有监测单元以及仪器进行通讯参数调节，通信参数调节内容主要有静力水准仪和双轴倾斜仪所在串口号、波特率、数据位和停止位，确保能够正常接收信号以及实际编号与计算机上编号一致，程序输入各监测单元初始倾斜角以及沉降值，并在程序中设定本次监测目标的预警值，所述的预警值包括两方向倾斜、沉降预警值以及倾斜、沉降速率预警值。

(c)在被监测结构发生不均匀沉降时，静力水准仪两端的液面高差发生变化；在被监测结构发生倾斜时，水平放置在承台上的双轴倾斜仪能够监测到XY两个方向的倾斜的角度变化。利用计算机设定采集频率，开始对厂房结构进行实时采集工作。连接数据总线，采用RS485协议依次传输将各监测单元采集的位移数据以及角度数据传送至反馈处理系统，采集各监测单元各时刻的两个方向倾斜、沉降值，经过分析程序处理计算后转化为各监测单元各时刻的坐标数据，通过对一榀框架下两个柱对应的两个监测单元分别实时计算得到柱顶坐标模拟空间屋架变形，同时根据柱顶的位移条件计算屋架的应力应变，形成整体厂房实时监测与预警系统，示意图见图2。经过分析程序处理计算后转化为各监测单元各时刻的坐标数据。经过分析程序处理计算后，可获得更直观明了的各时刻的数据图表，远程计算机可通过网络实时监控查看，同时外接数据线至警报系统，如上述值超出预设的安全允许值，即时发出警告信号。

其中，安全预警标准分预警、报警及警戒三个等级。根据相关规范，确定用监测的最大值作为容许变形值x，预警分级见下表。

表1预警分级表

静力水准仪和双轴倾斜仪自适应调节监测的频率，由于外在因素影响，本系统原则上是采集值确定误差在10％，设置三个等级的采集频率。开始时按正常频率也就是最低频率采集数据，统计累计平均值，初始收集一定数量数据库，数量满足要求后，对采集数据进行逐个判断，当采集数据在累计平均值范围10％内的，继续按正常采集频率采集；当采集数据超出累计平均值范围10％，按中等频率采集；若连续3次超出10％范围(或一次超出范围20％)，则按预设最大频率采集数据。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.厂房结构变形实时监测及安全预警系统，其特征在于：包括多个通过监测固定架安装在柱下承台面上的监测单元、电源集中供电器、信号总线、反馈处理系统及预警指示装置，每个柱子对应一个监测单元，多个监测单元构成多通道的结构实时监测系统；

每个所述的监测单元包括一用于在被监测结构发生不均匀沉降时实时采集柱沉降位移数据的静力水准仪和一用于在被监测结构发生倾斜时实时采集XY两个方向的角度数据的双轴倾斜仪，所述的静力水准仪和双轴倾斜仪上分别设有电源线及信号输出线，所述的电源线连接在所述的电源集中供电器上，所述的信号输出线连接在所述的信号总线上，所述的信号总线接入所述的反馈处理系统，所述的反馈处理系统的输出端连接所述的预警指示装置，并且所述的反馈处理系统与用于设定监测单元采集频率并获得实时数据图表的远程计算机相互通信；

其中，所述的反馈处理系统用于预先输入各监测单元的初始倾斜角以及沉降值，并设定本次监测目标的预警值，所述的预警值包括XY两方向倾斜、沉降预警值以及倾斜、沉降速率预警值；所述的静力水准仪和双轴倾斜仪均采用RS485传输协议依次将各监测单元采集的位移数据以及角度数据传送至反馈处理系统，所述的反馈处理系统经过分析程序处理计算后转化为各监测单元各时刻的坐标数据，通过对一榀框架下两个柱对应的两个监测单元分别实时计算得到柱顶坐标模拟空间屋架变形，并根据柱顶的位移条件计算屋架的应力应变，计算得到的屋架的应力应变即为监测值；所述的反馈处理系统逻辑判断监测值是否达到预警值上限，并将命令通过信号输出线传输至预警指示装置，若当前监测值超过预警值上限，预警指示装置发出警告信号。

2.如权利要求1所述的厂房结构变形实时监测及安全预警系统，其特征在于：还包括一基准静力水准仪，所述的基准静力水准仪和多个所述的静力水准仪通过连通管连接。

3.如权利要求1或2所述的厂房结构变形实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述的屋架的应力应变的计算过程如下所示：

一榀框架下两个柱为柱1和柱2，监测前柱1下端的中心坐标点为(0，0，0)，柱1上端中心初始坐标点为(x₁₀，y₁₀，z₁₀)；柱2下端的中心坐标点为(0，0，0)，柱2上端中心初始坐标点为(x₂₀，y₂₀，z₂₀)，某时刻双轴倾斜仪的读数为α与β，静力水准仪度数为s；

a、绕X轴的旋转：柱1下端坐标不变，柱2上端坐标点(x₁₀，y₁₀，z₁₀)绕X轴旋转α角度后变为(x₀₁，y₀₁，z₀₁)，其变换关系为：

x₀₁＝x₁₀

y₀₁＝y₁₀cosα-z₁₀sinα

z₀₁＝y₁₀sinα-z₁₀cosα

b、绕Y轴的旋转：柱1下端坐标不变，柱1上端坐标点(x₀₁，y₀₁，z₀₁)绕Y轴旋转β角度后变为(x₁，y₁，z₁)，其变换关系为：

x₁＝x₀₁cosβ-z₀₁sinβ

y₁＝y₀₁

z₁＝x₀₁sinβ+z₀₁cosβ

c、沿Z轴的沉降：柱1沉降了s后，柱1下端坐标点变为(0，0，-s)，柱1上端坐标点(x₁，y₁，z₁-s)；

最终得到某时刻柱1上端坐标点(x₁，y₁，z₁-s₁)，柱1下端坐标点(0，0，-s₁)；

同理得到某时刻柱2上端坐标点(x₂，y₂，z₂-s₂)；

得到屋架横向变形量

$\mathrm{\δ}=\frac{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2-s_1+s_2)}^2}-\sqrt{{(x_{10}-x_{20})}^2+{(y_{10}-y_{20})}^2+{(z_{10}-z_{20})}^2}}{\sqrt{{(x_{10}-x_{20})}^2+{(y_{10}-y_{20})}^2+{(z_{10}-z_{20})}^2}}.$

4.如权利要求3所述的厂房结构变形实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述的反馈处理系统与信号总线采用串行接口连接。

5.如权利要求4所述的厂房结构变形实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述的静力水准仪和双轴倾斜仪的输出模式均为应答制。

6.如权利要求5所述的厂房结构变形实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述的预警指示装置包括多色指示灯及蜂鸣器。

7.如权利要求6所述的厂房结构变形实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述的信号总线采用铜芯屏蔽双绞线。