CN104913888A - 表面安装的监视系统 - Google Patents

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CN104913888A CN201510142668.4A CN201510142668A CN104913888A CN 104913888 A CN104913888 A CN 104913888A CN 201510142668 A CN201510142668 A CN 201510142668A CN 104913888 A CN104913888 A CN 104913888A
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Abstract

披露了一种表面安装的监视系统，它益于检测表面上普通负载和过度负载两者的存在并提供实时和近实时趋势数据。该系统包括设置在诸如屋顶的结构性构件的外表面上的力换能器阵列。在一示例性实施例中，换能器可设置在内表面上，例如嵌入到隔热结构中。力换能器检测作用在表面上的负载力。数据分析模块(DAM)可将力读数记录在循环存储缓冲器中，从而在灾难性崩塌情况下可恢复最近的数据。DAM也可与监视设备通信，该显示设备可向用户显示实时负载数据并执行其他分析。

Description

表面安装的监视系统
本申请是申请日为2011年4月22日、申请号为“201180030486.8”、发明名称为“表面安装的监视系统”的发明专利申请的分案申请。
关联申请的交叉引用
本申请要求2010年4月22日提交的题为“表面安装的监视系统(SurfaceMounted Monitoring System)”的美国临时申请61/327,013的优先权，该申请通过援引包含于此。
2004年12月21日颁证的题为“负载元件(Load Cell)”的美国专利6,832,528也援引包含于此。
背景技术
本说明书涉及结构工程领域，更具体地涉及表面安装的负载监视系统。
诸如屋顶的结构性构件可能经受由于作用在外表面上的外力(例如降雪或降雨)引起的负载。负载积累可能预示着其他问题，例如冰坝形成或其他积累。充分的负载积累可能使结构灾难性地损坏，由此危及居住者。
附图简述
图1是表面安装的监视系统的示例性实施例的方框图。
图2是经历负载状态的结构的视图。
图3A-3D是可能受到过度负载的屋顶类型的图。
图4示出力换能器的示例性布置。
图5示出传感器阵列中的多个力换能器的示例性布置。
发明内容
披露了一种表面安装的监视系统，该表面安装的监视系统有益于检测表面上普通负载和过度负载两者的存在，并提供实时或近实时趋势数据。该系统包括设置在诸如屋顶的结构性构件的外表面上的力换能器阵列。在示例性实施例中，可将换能器设置在内表面上，例如嵌入到隔热结构中。力换能器检测作用在表面上的负载力的大小。数据分析模块(DAM)可将力读数记录在循环存储缓冲器中，以使在灾难性崩塌的情况下恢复最近的数据。DAM也可与监视设备通信，该监视设备可向用户显示实时负载数据并执行其他分析。
具体实施方式
说明书涉及表面安装的质量测量系统。本公开的表面安装的质量测量系统例如可包括用于测量结构性屋顶负载的表面安装的监视系统。当受到由于任何原因(包括风、雨、雪及其他)的屋顶负载变化时，力换能器产生信号，该信号以无线方式或经由线路传输至用于分析和计算屋顶上的负载并计算当前负载与可接受的设计负载的比例的设备。计算设备可包括用于设置可接受的负载水平的图形用户界面。计算设备可在本地将结果显示在监视器上，存储结果电子文件，或使用任何形式的电子数据通信(包括电话线、电缆、互联网或无线)传输远程监视位置的结果。如果计算出高于可接受值的负载，则经计算的信号可触发报警和警告系统。当设置在排水口上或附近时，也可使用负载指示器来辨认和警示屋顶或结构上的排水口堵塞。
现在将更具体地参照附图对表面安装的监视系统进行描述。在整个说明书中，肯定：因此附图可用连字符形式表示。在使用连字符的情形下，非连字符形式将整体上表示对象的一个类，而连字符形式将表示对象的各个种属或范例。例如，小配件整体上被表示为“小配件110”，而单个小配件被称为“小配件110-1”。
本公开内容讨论按照示例性实施例的表面安装的监视系统，其中该监视系统是屋顶监视系统。但本领域内技术人员均将理解本公开的系统可适用于多种其他目的。
图1是表面安装的监视系统的示例性实施例的方框图。例如屋顶或其他类似结构的结构性构件102包括外表面112。大小可变的外力104作用在外表面112上，这可能造成结构性构件102上的应力。大小可变的外力104可以是环境因素的结果。例如，风以及雪、水或碎屑的积聚可导致屋顶上的负载。该负载可表现为垂直作用于结构性构件102的多个输入力。
如果外力104的大小变得太大，则屋顶102可能丧失整体性并崩塌。传感器阵列110——其可包括排列成栅格的多个力换能器——被安装在外表面112上。传感器阵列110可由业内已知的多个传感器构造成。例如，可使用压电器件、应变仪、压阻器件、压力开关或自重置传感器。在另一示例性实施例中，可使用美国专利6,832,528中描述的负载元件。
当大小可变的外力104作用在表面112上时，通过传感器阵列110对力进行检测和换能。信号载体114可通信地将传感器阵列110耦合至数据分析模块(DAM)120。信号载体114可以是物理导体，或者在一些实施例中，传感器阵列110可能包括无线传感器或射频发射机，在这种情形下信号载体114可以是无线传输介质。数据分析模块120也可通信地耦合至传输系统130，该传输系统130可以是任何合适的有线或无线传输设备。DAM 120从传感器阵列110接收多个力大小信号。在一些实施例中，传感器阵列110的每个换能器提供一单独的力大小信号。DAM 120可设置在拟监视的结构处或其附近。在一些实施例中，DAM 120可以近实时方式轮询传感器阵列110，每个单独的力信号是以毫秒量级的间隔接收的。DAM 120可配有存储器，并可连续地存储从传感器阵列110接收的信号。在一些情形下，DAM 120的存储能仅适应相对小的存储介质，例如如果DAM 120被配置成小的和/或便携的或如果存储是专门的或加强的存储介质。如果DAM 120的存储没有大到能无限地存储连续的力大小信号，则存储可配置成循环存储缓冲器。循环存储缓冲器以先入先出方案配置，因此最近的数据一直是可得的。将DAM 120配备循环存储缓冲器可使DAM120执行与飞机上所谓“黑匣子”相似的功能，即在灾难情况下永远保持最近的数据。为了进一步提高DAM 120在灾难情况下提供有用信息的能力，DAM120的存储也可被加强以对抗洪水、碰撞和火灾事件。存储可类似于飞机黑匣子的空难生还存储器单元，例如美国专利4,644,494中披露的那样，该文献通过援引包含于此。
在一些实施例中，DAM 120也可配置成分析力大小输入并提供不同的状态，例如报警状态和警示状态。例如，DAM 120可在其存储器中存储对于传感器阵列110中的每个换能器的第一力输入阈值和第二力输入阈值。这些阈值可由胜任的工程师或建筑师针对特定结构选择。工程师或建筑师也可选择或指导力换能器的布置以确保结构上重要的点被监视。
第一阈值可对应于普通的负载情况，这种情况下负载高于没有任何积聚时的负载，但仍落在安全工作范围内。例如，在正常至半厚降雪的情况下，结构性构件102可能经历比平均负载更高的负载，但这不表示马上就有灾难性损坏。在比平均负载更高的情况下，出于提供趋势数据目的而开始永久地记录循环存储缓存器之外的负载数据是有利的。例如，可将从传感器阵列110接收的力大小发送至独立的监视设备160。监视设备160可以是台式计算机、工作站或专用计算机。在一些实施例中，监视设备160也可以是具有合适软件的便携式设备或智能电话。监视设备160可保持普通负载事件的永久记录。因此，如果屋顶在低于预期负载情况下损坏，则可回顾历史数据以确定对普通、非灾难性负载的大范围暴露是否是损坏发生的原因。这种趋势数据也可用来更好地对较陈旧结构作出结束使用寿命的决策。
在示例性实施例中，当DAM 120检测到传感器阵列110的力换能器已经受超出其第一阈值的输入力时，DAM 120进入报警状态。在该报警状态下，DAM 120可将报警信号送至监视设备160。一旦接收到报警信号，监视设备160可向人机界面170提供可视的报警状态的非紧急通知。监视设备160也可以规则的间隔轮询DAM 120以接收力大小的更新。监视设备160然后可将接收的大小存储在永久性数据存储150中。用户也可经由人机界面170与监视设备160交互以查看或分析历史数据。
在该示例性实施例中，DAM 210也可在其中存储对传感器阵列110的每个力换能器的第二阈值。选择第二阈值以使其与过度负载对应，由此结构性构件102可能处于即将到来的灾难性损坏的危险中。
在前面段落中披露的表面安装的监视系统可以是模块化设计的，并可包括传感器、发射机和接收机、分析器、监视器和完全可扩展的报警设备的完全集成系统或分布式网络。该系统也可与便携式电子设备一起使用以监视和报警，包括与互联网的连接性以实现任何传输功能。监视设备160可具体化到软件即服务的网络服务器或PDA型设备中。该系统可从任何源直接供电，包括电插座、硬接线电源、太阳能、电池电源或无线电源。
如本领域内技术人员所知，如前面披露的表面安装的监视系统可用于多种应用。在一个示例性实施例中，表面安装的监视系统可被安装在受负载(例如降雪或降雨)作用的屋顶上。在示例性情形下，厚的降雪在屋顶112上施加输入力104，在屋顶112的表面上已安装一传感器阵列110。随着降雪积聚，输入力104的大小增加，并且DAM 120将输入力104的大小与已根据正常负载情况和过度负载情况编程的阈值进行比较。
选择每个换能器的第二阈值以表征一力大小，该力大小表示可能的崩塌或其他破坏的危险。如果DAM 120检测到任何换能器上超出第二阈值的负载，则DAM 120进入警示状态。在警示状态下，DAM 120将警示信号送至实时警告系统140。实时警告系统可提供额外的分析，例如基于当前负载状况精炼计算出的损坏概率。例如，实时警告系统140可确定该结构并没有即将到来的由于瞬时负载的崩塌的危险，但过度负载足以可能损害结构的整体性。这意味着该大楼需要至少被临时疏散，直到屋顶被充分地评估以确保住户安全为止。实时警告系统140也可基于过度负载确定崩塌即将到来或可能到来。实时警告系统140然后运行疏散报警系统180。疏散报警系统180可提供可视和/或可听的疏散警告，并也可提供其他有用的功能，例如为大楼住户显示优选的疏散路线或提供诸如优选集合地点的信息。
监视设备160也可接收警示信号，并也可采取额外的行动。例如，不是以规则间隔轮询DAM 120以获得更新的传感器读数，而是开始接收连续的数据更新。因此，在损坏的情况下，可在DAM 120加强的存储和用户界面160的数据存储150中获得该事件周围的传感器数据。
图2揭示了示出由积聚和负载造成的潜在危险的示例性结构。在该例中，结构性构件102是结构280的屋顶，所述结构280可以是房屋或其他类似结构。屋顶102的某些部分由支承梁270直接支承。支承梁270可以是壁、柱或其他结构性支承机构。屋顶102的其他部分落在支承梁270之间并且不被直接支承。不由支承梁270直接支承的结构部分被称为中间区段。中间区段最容易受结构性故障的影响。与支承梁270相关的特殊问题也会出现。例如，在示例性实施例中，雪234已积聚在屋顶102上。热管道212坐落在结构280内。热管道212可通过传导210使屋顶102受热。雪234可融化，使水从外表面112流下。在水朝向檐突290从屋顶流下之后，一旦其丧失热损失210，水再次开始冷却。水可能冻结，形成冰坝230。随着额外的雪234融化，水可能在冰坝230上成池，形成积聚的坝阻水232的水池。因此，屋顶102可能受到雪234、坝阻水232和冰坝230的组合输入力。
此外，由于对流214的空气泄漏也可能发生。传导210和对流214引起热交换，这有助于雪234的融化。
坝阻水232如果漏过屋顶并进入墙壁则会造成额外的问题。这会导致潮湿和/或沉降的隔热结构240并造成霉块和霉斑260。这会形成对健康和身体安全两者的威胁。
图3披露了可能发生不想要的积聚的其它示例性配置。在图3A中，具有两个高地的结构可能在两个水平面之间的结合处经历雪积聚。因此较低水平的屋顶102可能经历来自吹积物(drift)310的过度负载。在另一示例性实施例中，具有倾斜屋顶102的结构受风力322作用。风322可使雪积聚在屋顶102的下风侧。图3C和图3D披露了具有女儿墙的结构。女儿墙可造成从小吹积物330变化至大吹积物340的积聚。小吹积物330可能造成普通负载，使DAM 120进入报警状态，而大吹积物340可造成过度负载，使DAM 120进入警示状态。
图4示出力换能器410的示例性布置。力换能器410是传感器阵列110的一部分。力换能器410被设置成安装在结构性构件102的外表面112上。力换能器410经由信号载体114可通信地耦合至DAM 120。
在替代实施例中，传感器可沿内表面设置。例如，力换能器可被嵌入到隔热结构中。在这种情形下，可通过结构性构件的平移来一定程度地衰减力的大小。如果放置力换能器以使外力衰减，则可能需要由工程师来适当地调整换能器的阈值。
图5更具体地揭示了换能器阵列110的一个示例性实施例。尤其，在本实施例中可以看到，尽管传感器阵列110可布置成栅格图案，但栅格不一定是每个力换能器410等距地彼此隔开的规则正方形栅格。相反，可选择力传感器的布置以对应于要求的测量点。例如，支承梁270图示为直接支承结构性构件102的某些部分。可布置力换能器410-1、410-3和410-4以使其基本位于支承梁270之上。力换能器410-2可布置在换能器410-1和410-3之间的中点510处。中点510可代表410-1和410-3之间线段上的结构上最弱的那一点。
由于第一阈值仅代表正常的负载状态，因此可为每个力换能器选择类似的第一阈值。
可将力换能器410-1、410-3和410-4的第二阈值选择成相对高的，因为这些点不大可能在负载下损坏。力换能器410-2的第二阈值相比其他力换能器的值相对低，因为需要相对小的负载就能造成中点510处的结构性损坏。
也可选择力换能器布置以指示可能导致结构性损坏的除过度负载以外的其他问题。例如，如果冰坝230形成在排水口上，则水将无法正确地排走。设置在排水口处或附近的力换能器410可被配置成检测与冰积聚一致的力输入，并在冰积聚的情形下提供报警状态以使用户能采取正确的行动。类似地，可使用更先进的算法来比较各力换能器的力大小以形成总的负载分布。可使用负载分布以例如确定冰坝230已造成来自雪234融化的坝阻水232的积聚。例如由于冰坝230、坝阻水232和雪234具有不同的密度，这是可以确定的。通过检测不同负载的三个独立区域，DAM 120能够确定冰坝情况已发生并经由用户界面170向用户提供特殊的报警提醒。
在一些实施例中，可对用户界面170编程以允许用户执行更复杂的操作。例如，用户界面170可允许用户有选择地改变力换能器的阈值，或增加额外的阈值并为在这些阈值下所采取的行动创建可编程的规则。用户界面170也可提供有建模软件，该建模软件可显示结构化构件102的实时网线图，并可包括颜色编码或带阴影的应变显示，例如业内常用于显示负载和应变的那些技术，由此最终用户可实时地监视结构上的应力。
除了前述的人类安全优势以外，从本系统的使用中也可获得商业优势。例如，保险公司可对商业结构保险收取大笔费用。通过本公开的表面安装的监视系统，灾难性崩塌或损坏的危险大为降低，这可节省保险费率。且由于数据分析模块120能实时或近实时地向用户界面160提供实时负载信息，因此能以规则的间隔将负载数据存储到数据存储150，由此能准确地追踪负载随时间的趋势。随时间的趋势有益于预测即将到来的损坏，或对损坏的大楼执行事后检查分析。这种分析可得出结构是随时间变弱的还是因为一次灾难性情况而严重受损的线索。也可使用负载趋势以例如改进保险统计表并培训未来几代的结构工程师。
尽管已结合一个或多个示例性实施例描述了本说明书的主题，但这不旨在将权利要求书限定在所述的特定形式。相反，所附权利要求书旨在覆盖包含在它们的精神和范围内的这些替代、修正和等效物。

Claims (22)

1.一种用于监视结构性构件上的负载的表面安装的监视系统，所述表面安装的监视系统包括：
传感器阵列，所述传感器阵列包括在所述结构性构件的表面上设置成栅格的多个力换能器，所述力换能器配置成测量外力大小并提供表征所述外力大小的信号；
数据分析模块(DAM)，所述数据分析模块包括处理器、存储和发射机，所述数据分析模块可通信地耦合于所述传感器阵列并被配置成：
从所述传感器阵列接收信号；
将每个换能器的力大小信号记录到所述存储中；
将每个换能器的力大小与该换能器的力大小阈值进行比较；以及
一旦检测到任何换能器的力大小大于该换能器的力大小阈值，则进入警示状态并在所述发射机上发送警示信号。
2.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，还包括：
实时警告系统，所述实时警告系统可通信地耦合至所述数据分析模块并配置成接收所述警示信号，且一旦接收到所述警示信号就提供可视和可听的疏散警示。
3.如权利要求2所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述实时警告系统被进一步配置成向住户提供疏散指令。
4.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述数据分析模块的存储相对于恶劣的环境情况被加强。
5.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述结构性构件是屋顶。
6.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，还包括与所述数据分析模块通信地连接的监视设备，所述监视设备包括人机界面并配置成从所述数据分析模块接收力大小。
7.如权利要求6所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述人机界面被配置成基于从所述数据分析模块接收的力大小来提供实时负载显示。
8.如权利要求7所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述实时负载显示包括所述结构性构件的网线图以及经颜色编码的应变显示。
9.如权利要求6所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述人机界面为用户提供定制力大小阈值的能力。
10.如权利要求6所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述人机界面为用户提供定义额外的力大小阈值并响应所述阈值创建所要采取的可编程行动的能力。
11.如权利要求6所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述监视设备进一步配置成基于所述力大小输入创建复合的力大小分布。
12.如权利要求11所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述监视设备进一步配置成分析所述力大小分布以辨认特殊的负载情况。
13.如权利要求12所述的表面安装的监视系统，其特征在于，一个特殊的负载情况包括检测负载与冰、雪和水的密度对应的三个独立区域，表征冰坝的存在。
14.如权利要求12所述的表面安装的监视系统，其特征在于，一个特殊的负载情况包括检测排水口区域周围的冰积聚。
15.如权利要求6所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述监视设备还包括数据存储并且所述监视系统被进一步配置成：
一旦从所述数据分析模块接收到警示信号，则开始连续地记录所述力大小数据并提供可见和可听的警示。
16.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，其上设置所述力换能器的表面是外表面。
17.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述换能器是负载元件。
18.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述格栅在形状上是不规则的。
19.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述数据分析模块进一步被配置成：
将每个换能器的力大小与该换能器的第二力大小阈值进行比较；以及
一旦检测到任何换能器的力大小大于该换能器的第二力大小阈值，则进入非紧急警示状态并在所述发射机上发送警示信号。
20.如权利要求19所述的表面安装的监视系统，其特征在于，其上设置所述力换能器的表面是内表面，以及选择所述第一力大小阈值和第二力大小阈值以补偿由通过所述表面的平移产生的负载衰减。
21.如权利要求19所述的表面安装的监视系统，其特征在于进一步包括：
可通信地耦合于所述数据分析模块(DAM)的监视设备，所述监视设备包括人机界面并被配置为：
从所述数据分析模块接收力大小；
一旦从所述数据分析模块接收到报警信号，则在所述人机界面上提供报警状态指示，并开始以小于1小时的规则间隔记录力大小数据；
一旦从所述数据分析模块接收到警示状态信号，则在所述人机界面上提供可见和可听的警示并开始连续地记录力大小数据。
22.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，选择所述栅格图案以使一些换能器处于直接由加固的支承梁支承的点上并使其他换能器处于不直接由加固的支承梁支承的中间点上。
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