CN109343112A - 一种用于建筑的地震监测预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于建筑的地震监测预警系统，包括有：用于监测建筑振动的传感器单元，测量控制单元，信号放大器，高频滤波单元，用于对滤波后的振动信号进行分解重组的信号缩减单元，用于振动特征计算的微处理器以及依据振动特征对地震进行评测的地震评测单元；本发明提供的地震监测预警系统，通过传感器来采集振动信号，并将振动信号进行放大滤波、缩减，再送入微处理器中进行振动特征识别，基于求取得到的振动特征对建筑在震动下的健康状态进行评测，综合考虑了建筑的特征以及传感器安装位置的影响，从整体系统上提高了地震监测预警的准确度，且通过对信号数据的缩减，极大的减少了数据处理量，提升了系统的响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于建筑的地震感测的技术领域，特别是一种用于建筑的地震监测预警系统。
背景技术
现阶段中，还未令人满意地研制出可以应用于许多地区的各种建筑中的可以单独地提供地震信息的方法和设备；现有技术中的常规国产地震检测设备可以记录频繁发生的地震的幅度并且当地震为预定幅度或更大时立即警示人们地震的发生；但其监测仅仅以震动幅度为依据，监测精度较一般，且且考虑具体建筑的高度以及样式，使得地震监测预警的结果缺乏可靠性。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种用于建筑的地震监测预警系统，该系统对应的监测装置可以安装在建筑物的天花板或内墙中，从而根据地震发生时对地面或建筑墙体的振动进行检测来监测地震和疏散指导警报。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种用于建筑的地震监测预警系统，包括有：
传感器单元，所述传感器单元包括检测由地震引起的建筑振动信号的加速度传感器；
测量控制单元，所述测量控制单元用来控制所述传感器单元，来实时测量地震；
信号放大器，所述信号放大器用来对所述加速度传感器所测量的所述建筑振动信号进行放大；
高频滤波单元，所述高频滤波单元通过低通滤波器从所述放大后的建筑振动信号中除去高频分量；
信号缩减单元，所述信号缩减单元将已被所述高频滤波单元除去所述高频分量的所述建筑振动信号进行剪切以及重组得到修正振动信号；
微处理器，所述微处理器用来根据所述修正振动信号建立振动矩阵，并从振动矩阵中提取出建筑物的振动特征；
地震评测单元，所述地震评测单元基于得到的所述振动特征以及建筑的影响，评测建筑在地震影响下的健康状态。
优选地，所述传感器单元还包括用来检测所述建筑物中的气体泄漏的气体检测传感器以及用于检测所述建筑物中温度的温度传感器。
优选地，所述地震监测预警系统进一步包括有中央监控系统以及声光报警器；所述中央监控系统接收来自传感器单元采集到的各类信号以及所述地震评测单元评测出的健康状态，规划出恰当的行为指导策略；所述声光报警器接收所述行为指导策略，并作出对应的报警动作。
优选地，所述地震监测预警系统进一步包括有不间断电源系统，所述不间断电源系统利用市电向所述地震监测预警系统供电，并且如果所述市电因电力中断而不能提供恒定的电力，则利用建筑内的储能电池作为输入来替换市电，从而连续地向所述地震监测预警系统供电。
优选地，所述信号缩减单元包括有信号分解模块以及信号重组模块；
所述信号分解模块用于对建筑振动信号进行分解得到一系列的振动子信号，具体为：(1)所述建筑不同楼层以及位置上分布了X个加速度传感器，对应的获取到对应X个建筑振动信号，其中第i个加速度传感器采集到的建筑振动信号为xi(t)；选取与所述建筑结构状态以及楼层位置对应的振动分割幅值R(i)以及对所述建筑振动信号进行裁剪的截取长度T；所述振动分割幅值R(i)与所述建筑振动信号为xi(t)对应；(2)求取所述建筑振动信号xi(t)的幅值，筛选出其幅值等于振动分割幅值R(i)的离散信号点，进而得到离散信号点对应的时间点序列：t1，t2，…..，tM；其中，M为所述离散信号点的个数；(3)将所述建筑振动信号xi(t)进行分解得到M个振动子信号xi(tm)，m∈[1,M]，所述振动子信号都是以对应的离散时间点为起点，向后截取时间段长度为T的信号段来获取的；
所述信号重组模块将分解得到的M个振动子信号xi(tm)进行重组得到与建筑振动信号xi(t)对应的振动衰减函数yi(t)。
优选地，所述依据M个振动子信号xi(tm)，求取振动衰减函数yi(t)的具体过程为：
(1)以时间为横轴，以信号幅值为纵轴建立直角坐标系，将M个振动子信号xi(tm)置于直角坐标系内，进行平移，使得其起点全部平移到坐标原点，对应的平移长度为εm；
(2)依据平移后的振动子信号计算振动衰减函数yi(t)，计算公式为：
式中，yi(t)为计算得到的振动衰减函数，M为振动子信号的个数；xi(tm+εm)为与第i个建筑振动信号对应的经过平移过的第m个振动子信号，εm为平移长度；xj(tm+εm)为在X个建筑振动信号中，除去第i个建筑振动信号，将剩下的第j个建筑振动信号也经过对应的分解，平移后得到的第m个振动子信号；γji为第j个建筑振动信号与第i个建筑振动信号的相关系数。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种用于建筑的地震监测预警系统，通过采用水平双轴加速度传感器来采集振动信号，并将振动信号进行放大滤波、缩减，再送入微处理器中进行振动特征识别，基于求取得到的振动特征对建筑在震动下的健康状态进行评测，综合考虑了建筑的特征以及传感器安装位置的影响，从整体系统上提高了地震监测预警的准确度，且通过对信号数据的缩减，极大的减少了数据处理量，提升了系统的响应速度；通过对振动特征的识别，避免了单一的仅依靠振动的幅度作为标准的监测不可靠问题。
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为本发明一个优选实施例中的用于建筑的地震监测预警系统的组成连接示意图。
具体实施方式
结合以下应用场景对本发明作进一步描述。
参见图1，本实施例中，提供了一种用于建筑的地震监测预警系统，包括有：
传感器单元，所述传感器单元包括检测由地震引起的建筑振动信号的加速度传感器；该实施例中，选用水平双轴加速度传感器。
测量控制单元，所述测量控制单元用来控制所述传感器单元，来实时测量地震；
信号放大器，所述信号放大器用来对所述加速度传感器所测量的所述建筑振动信号进行放大；
高频滤波单元，所述高频滤波单元通过低通滤波器从所述放大后的建筑振动信号中除去高频分量；
信号缩减单元，所述信号缩减单元将已被所述高频滤波单元除去所述高频分量的所述建筑振动信号进行剪切以及重组得到修正振动信号；
微处理器，所述微处理器用来根据所述修正振动信号建立振动矩阵，并从振动矩阵中提取出建筑物的振动特征；
地震评测单元，所述地震评测单元基于得到的所述振动特征以及建筑的影响，评测建筑在地震影响下的健康状态。
本实施例中，所述传感器单元还包括用来检测所述建筑物中的气体泄漏的气体检测传感器以及用于检测所述建筑物中温度的温度传感器。用于检测到建筑物中的温度是否高于预定的温度，或通过气体检测传感器在建筑物中检测是否存在有毒气体。
本实施例中，所述地震监测预警系统进一步包括有中央监控系统以及声光报警器；所述中央监控系统接收来自传感器单元采集到的各类信号以及所述地震评测单元评测出的健康状态，规划出恰当的行为指导策略；所述声光报警器接收所述行为指导策略，并作出对应的报警动作。通过接收传感器采集到的一系列的参数及处理后的振动信号，中央监控系统作出指导策略，以向建筑物中的使用者通知行为和疏散的指导，以使使用者可以快速地应对地震。
本实施例中，所述地震监测预警系统进一步包括有不间断电源系统，所述不间断电源系统利用市电向所述地震监测预警系统供电，并且如果所述市电因电力中断而不能提供恒定的电力，则利用建筑内的储能电池作为输入来替换市电，从而连续地向所述地震监测预警系统供电。
本实施例中，所述信号缩减单元包括有信号分解模块以及信号重组模块；
所述信号分解模块用于对建筑振动信号进行分解得到一系列的振动子信号，具体为：(1)所述建筑不同楼层以及位置上分布了X个加速度传感器，对应的获取到对应X个建筑振动信号，其中第i个加速度传感器采集到的建筑振动信号为xi(t)；选取与所述建筑结构状态以及楼层位置对应的振动分割幅值R(i)以及对所述建筑振动信号进行裁剪的截取长度T；所述振动分割幅值R(i)与所述建筑振动信号为xi(t)对应；(2)求取所述建筑振动信号xi(t)的幅值，筛选出其幅值等于振动分割幅值R(i)的离散信号点，进而得到离散信号点对应的时间点序列：t1，t2，…..，tM；其中，M为所述离散信号点的个数；(3)将所述建筑振动信号xi(t)进行分解得到M个振动子信号xi(tm)，m∈[1,M]，所述振动子信号都是以对应的离散时间点为起点，向后截取时间段长度为T的信号段来获取的；
所述信号重组模块将分解得到的M个振动子信号xi(tm)进行重组得到与建筑振动信号xi(t)对应的振动衰减函数yi(t)。
本实施例中，所述依据M个振动子信号xi(tm)，求取振动衰减函数yi(t)的具体过程为：
(1)以时间为横轴，以信号幅值为纵轴建立直角坐标系，将M个振动子信号xi(tm)置于直角坐标系内，进行平移，使得其起点全部平移到坐标原点，对应的平移长度为εm；
(2)依据平移后的振动子信号计算振动衰减函数yi(t)，计算公式为：
式中，yi(t)为计算得到的振动衰减函数，M为振动子信号的个数；xi(tm+εm)为与第i个建筑振动信号对应的经过平移过的第m个振动子信号，εm为平移长度；xj(tm+εm)为在X个建筑振动信号中，除去第i个建筑振动信号，将剩下的第j个建筑振动信号也经过对应的分解，平移后得到的第m个振动子信号；γji为第j个建筑振动信号与第i个建筑振动信号的相关系数。
本优选实施例中，通过对采集到的经过放大滤波的地面振动信号进行缩减处理，先进行分解在重组，减少了数据处理量，而现有技术中是直接将振动信号进行放大滤波处理后不做处理，相比较下，本申请的将分解的子信号进行重组得到振动衰减函数，再对所述振动衰减函数进行后续处理，如此可以减少后续处理计算量，提供系统的响应速度。
本实施例中，所述微处理器用来根据所述修正振动信号建立振动矩阵，并从振动矩阵中提取出反映建筑物振动的振动特征，具体过程为：
(1)依据上述计算得到的X个振动衰减函数来构建反映建筑整体振动特征的Henkel矩阵A；对所述矩阵A采用奇异值分解算法进行分解，分解得到三个矩阵分别为质量矩阵、正交矩阵以及对角矩阵；基于上述矩阵，计算对应的振动矩阵；
(2)将振动矩阵先进行对角化，再对对角化后的矩阵进行处理得到振动特征矩阵，所述振动特征矩阵的计算公式为：
TZ＝E*Z*B*(P-1*V*P)T
式中，TZ为振动特征矩阵；E为单位矩阵；Z为所述经过奇异值分解的得到的质量矩阵；B为所述经过奇异值分解的得到的对角矩阵；V为所述计算得到的振动矩阵；P为将所述振动矩阵进行对角化的可逆矩阵。
本实施例中，所述振动特征矩阵中包括有多个与建筑系统对应的振动模态、振动平均幅值、振动频率以及振动衰减速度这4个振动特征参数，考虑到振动模态中存在噪声模态，需要对建筑系统进行定阶以及真实模态的鉴别，此实施例中，采用稳定图的方法将虚假模态去除；所述利用稳定图来进行比较判断的比较公式为：
式中，g为计算得到的比较判断值；fp,r为建筑系统阶次为q时提取得到的r阶振动频率；fq+1,r为所述建筑系统阶次为q+1时提取得到的r阶振动频率；vq+1,r为建筑系统阶次为q+1时提取得到的r阶振动衰减速度；vq,r为建筑系统阶次为q时提取得到的r阶振动衰减速度。
本优选实施例中，所述振动矩阵的计算公式为：
式中，所述B为将矩阵A采取奇异值分解得到的对角矩阵；Z为将矩阵A采取奇异值分解得到的质量矩阵；C为将矩阵A采取奇异值分解得到的正交矩阵；A(k)为将矩阵A进行正时移得到；A(-k)为将矩阵A进行负时移得到。
本优选实施例中，基于振动衰减函数构建振动矩阵，并对振动矩阵处理，得到振动特征矩阵；现有技术中为获取所述振动特征多采用频域法计算功率谱函数，但其间进行时频转换存在频谱混叠问题，相对来说，本申请采用矩阵变换，计算量得以缩减，进一步提高了系统的响应速度。
本实施例中，从所述振动特征矩阵中提取计算出所述建筑的振动特征量，即振动模态、振动平均幅值、振动频率以及振动衰减速度；所述地震评测单元为评测建筑在地震影响下的健康状态，建立了建筑振动健康评价函数，所述建筑振动健康评价函数的计算公式为：
式中，K为计算得到的建筑振动健康评价函数；β为代表建筑的结构特征的结构修正系数；γ为代表所述传感器布置位置特征的位置修正系数；ξ为所述振动特征矩阵中提取得到的振动平均幅值；f0为该建筑系统自激振动时的标准振动频率；ft为提取到的所述振动特征量中的振动频率；ψ0为该建筑系统自激振荡时的标准振动衰减速度；ψv为提取到的所述振动特征量中的振动衰减速度；η为所述振动特征矩阵中提取得到的振动模态对振动频率的影响因子；σ为所述振动特征矩阵中提取得到的振动模态对振动衰减速度的影响因子。
若计算得到的函数值大于设定的阀值，则认定为建筑系统振动异常，地震会对建筑结构产生威胁。
本优选实施例中，为对建筑在地震影响下振动的健康状态进行评测，设计了对应的评价函数，所述评价手段综合考虑了振动特征以及相关的结构修正系数和位置修正系数，其中η，σ需要经过实际测验来获取的经验因子，该评价系统能够相对准确地对建筑系统振动是否振动正常进行监测。
本优选实施例中，提供了一种用于建筑的地震监测预警系统，通过采用水平双轴加速度传感器来采集振动信号，并将振动信号进行放大滤波、缩减，再送入微处理器中进行振动特征识别，基于求取得到的振动特征对建筑在震动下的健康状态进行评测，综合考虑了建筑的特征以及传感器安装位置的影响，从整体系统上提高了地震监测预警的准确度，且通过对信号数据的缩减，极大的减少了数据处理量，提升了系统的响应速度；通过对振动特征的识别，避免了单一的仅依靠振动的幅度作为标准的监测不可靠问题。
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分析，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)
1.一种用于建筑的地震监测预警系统，其特征在于，包括有：
传感器单元，所述传感器单元包括检测由地震引起的建筑振动信号的加速度传感器；
测量控制单元，所述测量控制单元用来控制所述传感器单元，来实时测量地震；
信号放大器，所述信号放大器用来对所述加速度传感器所测量的所述建筑振动信号进行放大；
高频滤波单元，所述高频滤波单元通过低通滤波器从所述放大后的建筑振动信号中除去高频分量；
信号缩减单元，所述信号缩减单元将已被所述高频滤波单元除去所述高频分量的所述建筑振动信号进行剪切以及重组得到修正振动信号；
微处理器，所述微处理器用来根据所述修正振动信号建立振动矩阵，并从振动矩阵中提取出建筑物的振动特征；
地震评测单元，所述地震评测单元基于得到的所述振动特征以及建筑的影响，评测建筑在地震影响下的健康状态。
2.根据权利要求1所述的一种用于建筑的地震监测预警系统，其特征在于，所述传感器单元还包括用来检测所述建筑物中的气体泄漏的气体检测传感器以及用于检测所述建筑物中温度的温度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种用于建筑的地震监测预警系统，其特征在于，所述地震监测预警系统进一步包括有中央监控系统以及声光报警器；所述中央监控系统接收来自传感器单元采集到的各类信号以及所述地震评测单元评测出的健康状态，规划出恰当的行为指导策略；所述声光报警器接收所述行为指导策略，并作出对应的报警动作。
4.根据权利要求1所述的一种用于建筑的地震监测预警系统，其特征在于，所述地震监测预警系统进一步包括有不间断电源系统，所述不间断电源系统利用市电向所述地震监测预警系统供电，并且如果所述市电因电力中断而不能提供恒定的电力，则利用建筑内的储能电池作为输入来替换市电，从而连续地向所述地震监测预警系统供电。
5.根据权利要求1所述的一种用于建筑的地震监测预警系统，其特征在于，所述信号缩减单元包括有信号分解模块以及信号重组模块；
所述信号分解模块用于对建筑振动信号进行分解得到一系列的振动子信号，具体为：(1)所述建筑不同楼层以及位置上分布了X个加速度传感器，对应的获取到对应X个建筑振动信号，其中第i个加速度传感器采集到的建筑振动信号为xi(t)；选取与所述建筑结构状态以及楼层位置对应的振动分割幅值R(i)以及对所述建筑振动信号进行裁剪的截取长度T；所述振动分割幅值R(i)与所述建筑振动信号为xi(t)对应；(2)求取所述建筑振动信号xi(t)的幅值，筛选出其幅值等于振动分割幅值R(i)的离散信号点，进而得到离散信号点对应的时间点序列：t1，t2，…..，tM；其中，M为所述离散信号点的个数；(3)将所述建筑振动信号xi(t)进行分解得到M个振动子信号xi(tm)，m∈[1,M]，所述振动子信号都是以对应的离散时间点为起点，向后截取时间段长度为T的信号段来获取的；
所述信号重组模块将分解得到的M个振动子信号xi(tm)进行重组得到与建筑振动信号xi(t)对应的振动衰减函数yi(t)。
6.根据权利要求5所述的一种用于建筑的地震监测预警系统，其特征在于，所述依据M个振动子信号xi(tm)，求取振动衰减函数yi(t)的具体过程为：
(1)以时间为横轴，以信号幅值为纵轴建立直角坐标系，将M个振动子信号xi(tm)置于直角坐标系内，进行平移，使得其起点全部平移到坐标原点，对应的平移长度为εm；
(2)依据平移后的振动子信号计算振动衰减函数yi(t)，计算公式为：
式中，yi(t)为计算得到的振动衰减函数，M为振动子信号的个数；xi(tm+εm)为与第i个建筑振动信号对应的经过平移过的第m个振动子信号，εm为平移长度；xj(tm+εm)为在X个建筑振动信号中，除去第i个建筑振动信号，将剩下的第j个建筑振动信号也经过对应的分解，平移后得到的第m个振动子信号；γji为第j个建筑振动信号与第i个建筑振动信号的相关系数。
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