CN108981807B - 一种土木工程建筑智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土木工程建筑智能监测系统，该系统包括：数据采集装置，用于采集建筑结构健康数据并将建筑结构健康数据发送至中央处理器；中央处理器，用于将建筑结构健康数据用其对应的建筑基本信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的建筑结构健康数据发送到数据分析装置；数据分析装置，内储存各类建筑安全隐患下的内应力数据、加速度数据、沉降参数、位移参数、倾斜度参数、裂缝参数；用于将建筑结构健康数据与所存储的数据进行类似度对比，并将对比结果按照相似度进行升序或降序排序后，以表格的形式发送给显示器；显示器，用于显示所述对比结果。

Description

一种土木工程建筑智能监测系统

技术领域

本发明涉及建筑监测技术领域，具体涉及一种土木工程建筑智能监测系统。

背景技术

目前，对建筑结构的监测，大多通过监测人员通过例如目测法、发射光谱法、声发射法、回弹法、渗漏试验法、脉冲回波法、射线法等方法进行周期性检测。普遍存在以下缺陷：

1、数据整体性差，只是对结构的局部特征进行监测，无法实现数据之间的关联性；

2、所检测到的数据均为静态数据，建筑后期的发展情况会怎么样，以及这些变形数据会带来的安全隐患都无法进行预测分析；

3、实时性差，要经过后期处理才能知道建筑结构目前的状态，不能实时的监测，效率较低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种土木工程建筑智能监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种土木工程建筑智能监测系统，该系统包括：

数据采集装置，用于采集建筑结构健康数据并将建筑结构健康数据发送至中央处理器，所述建筑结构健康数据包括建筑内应力数据、加速度数据、建筑沉降参数、位移参数、倾斜度参数、裂缝参数数据；数据采集装置包括汇聚节点和多个用于采集建筑结构健康数据的传感器节点，汇聚节点和传感器节点通过自组织方式构建分簇型结构的无线传感器网络，其中根据低功耗自适应集簇分层型协议对传感器节点进行分簇并选取簇头，在簇头的通信范围内选择一个传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点，以使得该中继节点接收簇内其他传感器节点采集的建筑结构健康数据后生成数据包并上报至对应的簇头；汇聚节点主要用于将各簇头发送的建筑结构健康数据汇总发送至中央处理器；

中央处理器，用于将建筑结构健康数据用其对应的建筑基本信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的建筑结构健康数据发送到数据分析装置；

数据分析装置，内储存各类建筑安全隐患下的内应力数据、加速度数据、沉降参数、位移参数、倾斜度参数、裂缝参数；用于将建筑结构健康数据与所存储的数据进行类似度对比，并将对比结果按照相似度进行升序或降序排序后，以表格的形式发送给显示器；

显示器，用于显示所述对比结果。

优选地，所述传感器节点包括传感器和用于将传感器信号转换为对应的建筑结构健康数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。

其中，所述显示器包括显示屏、智能手机、笔记本、桌上型电脑中的任意一种或任意几种。

本发明的有益效果为：本发明通过对土木工程建筑内应力数据以及加速度数据的采集，结合建筑沉降参数、位移参数、倾斜度参数、裂缝参数的采集，实现了建筑情况的全方位监测，系统自带数据分析功能，可实时根据检测到的数据进行建筑安全隐患的分析。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的土木工程建筑智能监测系统的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的传感器节点的结构示意框图。

附图标记：

数据采集装置1、中央处理器2、数据分析装置3、显示器4、传感器10、信号适配器20、控制器30。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明实施例提供了一种土木工程建筑智能监测系统，该系统包括：

数据采集装置1，用于采集建筑结构健康数据并将建筑结构健康数据发送至中央处理器2，所述建筑结构健康数据包括建筑内应力数据、加速度数据、建筑沉降参数、位移参数、倾斜度参数、裂缝参数数据；数据采集装置1包括汇聚节点和多个用于采集建筑结构健康数据的传感器节点，汇聚节点和传感器节点通过自组织方式构建分簇型结构的无线传感器网络，其中根据低功耗自适应集簇分层型协议对传感器节点进行分簇并选取簇头，在簇头的通信范围内选择一个传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点，以使得该中继节点接收簇内其他传感器节点采集的建筑结构健康数据后生成数据包并上报至对应的簇头；汇聚节点主要用于将各簇头发送的建筑结构健康数据汇总发送至中央处理器2；

中央处理器2，用于将建筑结构健康数据用其对应的建筑基本信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的建筑结构健康数据发送到数据分析装置3；

数据分析装置3，内储存各类建筑安全隐患下的内应力数据、加速度数据、沉降参数、位移参数、倾斜度参数、裂缝参数；用于将建筑结构健康数据与所存储的数据进行类似度对比，并将对比结果按照相似度进行升序或降序排序后，以表格的形式发送给显示器4；

显示器4，用于显示所述对比结果。

其中，如图2所示，所述传感器节点包括传感器10和用于将传感器10的信号转换为对应的建筑结构健康数据的信号适配器20，所述信号适配器20与传感器10连接；还包括用于控制采集频率的控制器30，所述控制器30与传感器10连接。

其中，所述显示器4包括显示屏、智能手机、笔记本、桌上型电脑中的任意一种或任意几种。

本发明上述实施例通过对土木工程建筑内应力数据以及加速度数据的采集，结合建筑沉降参数、位移参数、倾斜度参数、裂缝参数的采集，实现了建筑情况的全方位监测，系统自带数据分析功能，可实时根据检测到的数据进行建筑安全隐患的分析。

在一种实施方式中，在簇头的通信范围内选择一个当前剩余能量最大的传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点。

在另一种实施方式中，在簇头的通信范围内选择一个传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点，具体为：

(1)计算簇头的通信范围内所有传感器节点的位置权值，并按照位置权值由大到小的顺序对传感器节点进行排序，形成中继节点候选列表：

式中，Y_ij表示簇头i的通信范围内第j个传感器节点的位置权值，S_i，j表示簇头i与所述第j个传感器节点之间的距离，L_i为簇头i的通信距离；w_i，j为位于所述第j个传感器节点通信范围内的传感器节点个数，W_i为簇头i所在簇内的传感器节点个数；r₁、r₂为设定的权重系数；

(2)选择中继节点时，根据传感器节点的当前剩余能量更新中继节点候选列表中各传感器节点的位置权值，根据更新后的位置权值由大到小的顺序对各传感器节点重新排序：

式中，Y_ij ¹表示更新后的簇头i的通信范围内第j个传感器节点的位置权值，Y_ij ⁰表示更新前的所述第j个传感器节点的位置权值；Q_i，j为所述第j个传感器节点的当前剩余能量，Q_min为设定的最小能量值；

(3)在更新后的中继节点候选列表中，选取排在最前的传感器节点作为中继节点。

本实施例在簇头的通信范围内选择一个传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点，以使得该中继节点接收簇内其他传感器节点采集的建筑结构健康数据后生成数据包并上报至对应的簇头，分担了簇头的负载，从而避免了簇头能量的过度消耗。

本实施例进一步提供了一种新的中继节点选择机制，该机制首先根据传感器节点的位置计算传感器节点的位置权值，在簇头需要选择中继节点时，再基于能量因素来更新该位置权值，并选择更新后位置权值最大的传感器节点作为中继节点，计算简单便捷；通过该机制，能够选择能量较为充足、位置较佳的中继节点，有利于提高建筑结构健康数据传输的可靠性，节省将建筑结构健康数据传输至簇头的能量消耗，从而在整体上节省了系统在建筑结构健康数据采集方面的成本。

在一个实施例中，基于蚁群优化算法获取簇头到所能通向的各汇聚节点的最优路径，包括：

(1)簇头p₀定期产生一定数量的前向蚂蚁报文，随机选择通信范围内的另一个簇头进行转发，并启动第一超时时钟，所述前向蚂蚁报文携带有簇头p₀的节点标识；

(2)当前向蚂蚁报文δ到达簇头p₁时，簇头p₁在其通信范围内概率地选择一个没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头，继续转发前向蚂蚁报文δ；

(3)若簇头p₁已选择簇头p₂转发前向蚂蚁报文δ，则将自身的节点标识加入前向蚂蚁报文δ的地址链表，按照下列公式更新前向蚂蚁报文δ中记录的当前链路总开销，并将前向蚂蚁报文δ发送给簇头p₂：

E_t＝E_t-1+S_ij×E

式中，E_t表示更新后的链路总开销，E_t-1表示更新前的链路总开销，初始时链路总开销为0，E为设定的单位距离链路开销值；

(4)按照(2)、(3)继续转发前向蚂蚁报文δ，直至将其发送到任意一个汇聚节点；

(5)汇聚节点o_j收到簇头p₀产生的前向蚂蚁报文δ时启动第二超时时钟，对于在第二超时时钟超时前收到的多个簇头p₀产生的前向蚂蚁报文，汇聚节点o_j选择当前链路总开销最小的前向蚂蚁报文作为标准前向蚂蚁报文，并根据标准前向蚂蚁报文产生后向蚂蚁报文，将后向蚂蚁报文沿着标准前向蚂蚁报文的逆路径发送出去，其中后向蚂蚁报文携带有标准前向蚂蚁报文的地址链表、汇聚节点o_j标识、链路总开销；

(6)当簇头p₃收到簇头p₄发送的后向蚂蚁报文时，提取簇头p₄的节点标识以及汇聚节点o_j标识，并保存在本地，簇头p₃更新自身至簇头p₄的链路的信息素浓度；

(7)当前簇头按照后向蚂蚁报文的地址链表指示的信息继续转发后向蚂蚁报文，直至后向蚂蚁报文到达簇头p₀；

(8)簇头p₀对在第一超时时钟超时之前收到的后向蚂蚁报文，按照(6)提取、更新相应的信息，从而得到与收到的后向蚂蚁报文数量相同的到不同汇聚节点的最优路径；其中簇头p₀收到一个后向蚂蚁报文，表示有一条通向该后向蚂蚁报文所记录的汇聚节点的最优路径。

其中，簇头p₃按照下列公式更新自身至簇头p₄的链路的信息素浓度；

式中，X(p₃，p₄)′表示更新后的簇头p₃，p₄之间链路上的信息素浓度，X(p₃，p₄)为更新前的簇头p₃，p₄之间链路上的信息素浓度，ρ为信息素的挥发度；

为将标准前向蚂蚁报文从始发的簇头发送至汇聚节点o_j总的跳数；ΔX为预设常量，表示一次更新中所释放的信息素的总量；w_p3为位于簇头p₃的通信范围内的簇头个数，表示位于簇头p₃的通信范围内的第个簇头到汇聚节点o_j的距离，

表示位于簇头p₃的通信范围内的所有簇头到汇聚节点o_j的距离的平方之和。

本实施例基于蚁群优化算法获取簇头到所能通向的各汇聚节点的最优路径，当簇头到一个汇聚节点拥有多条路径时，由汇聚节点选择当前链路总开销最小的前向蚂蚁报文作为标准前向蚂蚁报文，并根据标准前向蚂蚁报文产生后向蚂蚁报文，将后向蚂蚁报文沿着标准前向蚂蚁报文的逆路径发送出去，从而使得对于通向同一个汇聚节点的多条路径，始终能够选择总链路开销最小的路径作为通向该汇聚节点的最优路径，有利于延长无线传感器网络的生命周期。

其中，簇头p₁在其通信范围内按照下列公式概率地选择一个没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头，继续转发前向蚂蚁报文δ：

式中，T_a表示簇头p₁在其通信范围内选择第a个簇头来转发前向蚂蚁报文δ的概率，

表示簇头p₁与所述第a个簇头的链路上的信息素浓度，表示簇头p₁与其通信范围内没有转发过前向蚂蚁报文δ的第b个簇头的链路上的信息素浓度，

为簇头p₁通信范围内没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头数量；H_a为所述第a个簇头的当前可用缓存的大小，H_b为所述第b个簇头的当前可用缓存的大小；为簇头p₁与所述第a个簇头之间的距离；

为簇头p₁与所述第b个簇头之间的距离；W_a为所述第a个簇头所在簇内的传感器节点个数，W_b为所述第b个簇头所在簇内的传感器节点个数，min(S_a-O)为所述第a个簇头到最近的汇聚节点的距离，min(S_b-O)为所述第b个簇头到最近的汇聚节点的距离；λ₁、λ₂、λ₃、λ₄皆为设定的权重系数。

本实施例对蚁群优化算法的概率选择公式进行改进，重新设定了概率的选择公式，根据该概率公式选择一个没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头，继续转发前向蚂蚁报文δ，能够使得距离越近且越接近汇聚节点、缓存更足的簇头具有更大的概率被选择转发前向蚂蚁报文，有利于缩短蚂蚁所寻找的路径长度，从而有利于减少系统总的能量开销，均衡网络中各簇头的能量消耗；本实施例在概率选择公式中进一步考虑了簇头对应的簇规模，使得在选取下一跳簇头时尽量避免选择负载较大的簇头来转发前向蚂蚁报文，有利于进一步均衡网络中各簇头的负载。

在一个实施例中，设簇头a所能通向的汇聚节点数目为m，簇头a在数据传输阶段将建筑结构健康数据分流发送至所能通向的m个汇聚节点，包括：

(1)设簇头a到汇聚节点o_α的最优路径为其中α＝1，...，m，簇头a具有的到汇聚节点的最优路径集合为

按照下列公式计算

中各最优路径的权重：

式中，为

中最优路径

的权重，该链路总开销从对应的后向蚂蚁报文携带的信息获取，

为由后向蚂蚁报文中携带的最优路径

的链路总开销，

表示中的第c条最优路径，

为后向蚂蚁报文中携带的最优路径的链路总开销；

(2)将簇头a到汇聚节点o_α的各最优路径的权重比作为所述各最优路径的分流比例，按照分流比例将需要发送的建筑结构健康数据分为多个数据包，所述多个数据包具有相同的数据包识别信息，所述分流比例用于指示沿着

中的每一条最优路径传输的所述数据包的大小相对于所述需要发送的建筑结构健康数据的大小的比例；

(3)按照所述分流比例沿中各最优路径对所述多个数据包分别进行传输。

在一个实施例中，所述按照分流比例将所述需要发送的建筑结构健康数据分为多个数据包，包括：

将所述需要发送的建筑结构健康数据分成固定值大小的所述多个数据包，其中最后一个所述数据包的大小小于或等于所述固定值；或者，将所述需要发送的建筑结构健康数据分成符合所述分流比例的所述数据包。

例如，当簇头a的可达汇聚节点只有2个时，假如根据最优路径的链路总开销确定的分流比例为2:1，在进行建筑结构健康数据的划分时，可以将所述需要发送的建筑结构健康数据分成2个数据包，该2个数据包的大小比例为2:1。这样，就可以根据确定的分流比例2:1，把第一个数据包分流到第一条最优路径，从而发送至对应的汇聚节点，把第二数据包分流到第二条最优路径传输。另外，也可以将建筑结构健康数据分为更多个数据包，只需在分配每个数据包的最优路径时满足相应的分流比例即可。

本实施例设定了建筑结构健康数据的分流策略，通过该分流策略，可以充分利用簇头的多条最优路径的网络资源传送建筑结构健康数据，通过建筑结构健康数据的分流，可以避免同一个汇聚节点附近的簇头过早地死亡，有利于延长无线传感器网络的生命期，从而能够在一定程度上提高建筑结构健康数据传输的可靠性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种土木工程建筑智能监测系统，其特征是，包括：

数据采集装置，用于采集建筑结构健康数据并将建筑结构健康数据发送至中央处理器，所述建筑结构健康数据包括建筑内应力数据、加速度数据、建筑沉降参数、位移参数、倾斜度参数、裂缝参数数据；数据采集装置包括汇聚节点和多个用于采集建筑结构健康数据的传感器节点，汇聚节点和传感器节点通过自组织方式构建分簇型结构的无线传感器网络，其中根据低功耗自适应集簇分层型协议对传感器节点进行分簇并选取簇头，在簇头的通信范围内选择一个传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点，以使得该中继节点接收簇内其他传感器节点采集的建筑结构健康数据后生成数据包并上报至对应的簇头；汇聚节点主要用于将各簇头发送的建筑结构健康数据汇总发送至中央处理器；

中央处理器，用于将建筑结构健康数据用其对应的建筑基本信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的建筑结构健康数据发送到数据分析装置；

数据分析装置，内储存各类建筑安全隐患下的内应力数据、加速度数据、沉降参数、位移参数、倾斜度参数、裂缝参数；用于将建筑结构健康数据与所存储的数据进行类似度对比，并将对比结果按照相似度进行升序或降序排序后，以表格的形式发送给显示器；

显示器，用于显示所述对比结果；

基于蚁群优化算法获取簇头到所能通向的各汇聚节点的最优路径，包括：

(1)簇头p₀定期产生一定数量的前向蚂蚁报文，随机选择通信范围内的另一个簇头进行转发，并启动第一超时时钟，所述前向蚂蚁报文携带有簇头p₀的节点标识；

(2)当前向蚂蚁报文δ到达簇头p₁时，簇头p₁在其通信范围内概率地选择一个没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头，继续转发前向蚂蚁报文δ；

(3)若簇头p₁已选择簇头p₂转发前向蚂蚁报文δ，则将自身的节点标识加入前向蚂蚁报文δ的地址链表，按照下列公式更新前向蚂蚁报文δ中记录的当前链路总开销，并将前向蚂蚁报文δ发送给簇头p₂：

E_t＝E_t-1+S_ij×E

式中，E_t表示更新后的链路总开销，E_t-1表示更新前的链路总开销，初始时链路总开销为0，E为设定的单位距离链路开销值；

(4)按照(2)、(3)继续转发前向蚂蚁报文δ，直至将其发送到任意一个汇聚节点；

(5)汇聚节点o_j收到簇头p₀产生的前向蚂蚁报文δ时启动第二超时时钟，对于在第二超时时钟超时前收到的多个簇头p₀产生的前向蚂蚁报文，汇聚节点o_j选择当前链路总开销最小的前向蚂蚁报文作为标准前向蚂蚁报文，并根据标准前向蚂蚁报文产生后向蚂蚁报文，将后向蚂蚁报文沿着标准前向蚂蚁报文的逆路径发送出去，其中后向蚂蚁报文携带有标准前向蚂蚁报文的地址链表、汇聚节点o_j标识、链路总开销；

(6)当簇头p₃收到簇头p₄发送的后向蚂蚁报文时，提取簇头p₄的节点标识以及汇聚节点o_j标识，并保存在本地，簇头p₃更新自身至簇头p₄的链路的信息素浓度；

(7)当前簇头按照后向蚂蚁报文的地址链表指示的信息继续转发后向蚂蚁报文，直至后向蚂蚁报文到达簇头p₀；

(8)簇头p₀对在第一超时时钟超时之前收到的后向蚂蚁报文，按照(6)提取、更新相应的信息，从而得到与收到的后向蚂蚁报文数量相同的到不同汇聚节点的最优路径；其中簇头p₀收到一个后向蚂蚁报文，表示有一条通向该后向蚂蚁报文所记录的汇聚节点的最优路径；

其中，簇头p₃按照下列公式更新自身至簇头p₄的链路的信息素浓度；

式中，X(p₃,p₄)′表示更新后的簇头p₃,p₄之间链路上的信息素浓度，X(p₃,p₄)为更新前的簇头p₃,p₄之间链路上的信息素浓度，ρ为信息素的挥发度；

为将标准前向蚂蚁报文从始发的簇头发送至汇聚节点o_j总的跳数；ΔX为预设常量，表示一次更新中所释放的信息素的总量；为位于簇头p₃的通信范围内的簇头个数，

表示位于簇头p₃的通信范围内的第

个簇头到汇聚节点o_j的距离，

表示位于簇头p₃的通信范围内的所有簇头到汇聚节点o_j的距离的平方之和；

簇头p₁在其通信范围内按照下列公式概率地选择一个没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头，继续转发前向蚂蚁报文δ：

式中，T_a表示簇头p₁在其通信范围内选择第a个簇头来转发前向蚂蚁报文δ的概率，表示簇头p₁与所述第a个簇头的链路上的信息素浓度，表示簇头p₁与其通信范围内没有转发过前向蚂蚁报文δ的第b个簇头的链路上的信息素浓度，

为簇头p₁通信范围内没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头数量；H_a为所述第a个簇头的当前可用缓存的大小，H_b为所述第b个簇头的当前可用缓存的大小；为簇头p₁与所述第a个簇头之间的距离；

为簇头p₁与所述第b个簇头之间的距离；W_a为所述第a个簇头所在簇内的传感器节点个数，W_b为所述第b个簇头所在簇内的传感器节点个数，min(S_a-O)为所述第a个簇头到最近的汇聚节点的距离，min(S_b-O)为所述第b个簇头到最近的汇聚节点的距离；λ₁、λ₂、λ₃、λ₄皆为设定的权重系数。

2.根据权利要求1所述的一种土木工程建筑智能监测系统，其特征是，所述传感器节点包括传感器和用于将传感器信号转换为对应的建筑结构健康数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接。

3.根据权利要求2所述的一种土木工程建筑智能监测系统，其特征是，还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。

4.根据权利要求2所述的一种土木工程建筑智能监测系统，其特征是，所述显示器包括显示屏、智能手机、笔记本、桌上型电脑中的任意一种或任意几种。

5.根据权利要求1所述的一种土木工程建筑智能监测系统，其特征是，在簇头的通信范围内选择一个当前剩余能量最大的传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点。

6.根据权利要求1所述的一种土木工程建筑智能监测系统，其特征是，在簇头的通信范围内选择一个传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点，具体为：

(1)计算簇头的通信范围内所有传感器节点的位置权值，并按照位置权值由大到小的顺序对传感器节点进行排序，形成中继节点候选列表：

式中，Y_ij表示簇头i的通信范围内第j个传感器节点的位置权值，S_i,j表示簇头i与所述第j个传感器节点之间的距离，L_i为簇头i的通信距离；w_i,j为位于所述第j个传感器节点通信范围内的传感器节点个数，W_i为簇头i所在簇内的传感器节点个数；r₁、r₂为设定的权重系数；

(2)选择中继节点时，根据传感器节点的当前剩余能量更新中继节点候选列表中各传感器节点的位置权值，根据更新后的位置权值由大到小的顺序对各传感器节点重新排序：

式中，Y_ij ¹表示更新后的簇头i的通信范围内第j个传感器节点的位置权值，Y_ij ⁰表示更新前的所述第j个传感器节点的位置权值；Q_i,j为所述第j个传感器节点的当前剩余能量，Q_min为设定的最小能量值；

(3)在更新后的中继节点候选列表中，选取排在最前的传感器节点作为中继节点。

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