CN109459130B - 一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统 - Google Patents

一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统，它涉及建筑振动检测与评估技术领域。所述系统包括智能手机、手机客户端应用软件和手机支架，其中智能手机内含加速度传感器和陀螺仪，加速度传感器用来测定建筑结构的振动数据，陀螺仪用来测定智能手机相对惯性坐标系的运动方向；手机客户端软件包含控制模块、采集模块、分析模块、显示模块和存储模块；本系统支持加速度数据的测试和实时显示功能，同时分析模块可以获得振动所致时域范围内加速度的峰值及频域范围内的振动频率，结合测试的应用场景与现行规范的阈值比较，通过结构振动加速度峰值和频率两方面的信息，综合判定建筑结构及环境的舒适程度。

Description

一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统
技术领域：
本发明涉及建筑振动检测与评估技术领域，特别涉及一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统。
背景技术：
舒适度的广义概念是指人体在所处环境内的惬意程度。影响人体居住环境舒适度的因素有很多，如室内的温度、湿度、噪音及照明等等。
随着我国基础建设的快速发展，高速铁路的运营里程已经达到2.5万公里，占世界的三分之二，此外，预计到2020年，城市轨道交通的运营里程将达到7300多万公里，然而，随着有轨交通的车速、线路密集度以及行车密度的提高，加剧了由轨交通对环境的振动污染，特别是对房屋的振动影响，严重干扰了居民的日常生活。由此引发的民众抗议、维权问题屡见不鲜，造成严重的社会负面影响。与此同时，在高层及超高层建筑结构中，往往会出现风荷载导致的结构摇晃、扭转现象，也会使使用者感到不适。除了上述的环境激励和外荷载激励引发的房屋振动外，房屋使用过程中，人体行走及跳跃的过程也有可能引发楼板振动。因此，房屋振动问题的存在由来已久而且涉及范围广泛，如何评估房屋振动引发的舒适度对房屋使用者来说是一个迫切解决的问题。经研究发现，当环境振动频率(单位：Hz)处于以下范围内时，就会与人体部位产生共振：
(1)2.5Hz-5Hz之间的振动，可能引起人体颈椎、腰椎的共振，此时振幅将增大2.4倍左右；
(2)4.0Hz-6Hz之间的振动，可能引起人体躯体、肩膀及颈部的共振，此时振幅将增大2.0倍左右；
(3)20Hz-30Hz之间的振动，可能引起人体头与肩膀之间的共振，此时振幅将增大2.5倍左右。
因此，建筑物的振动会导致人体产生不舒适感。目前房屋振动检测的产品通常需要借助外部的加速度传感器来完成测试，测试过程及测试数据的后期处理需要具有一定的专业基础知识，因此，基于外部传感器的舒适度评估很难在生活中推广应用。
发明内容：
本发明提供了一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统，使用者可以通过智能手机终端获得房屋振动的原始数据，通过对加速度数据的处理结果判定房屋的舒适程度，从而全面了解房屋的振动、扭转情况。
本发明的一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统包括智能手机、手机客户端应用软件和手机支架，
其中智能手机内含加速度传感器和陀螺仪，加速度传感器用来测定建筑结构的振动数据，包括结构沿智能手机屏幕方向的水平振动数据、垂直智能手机屏幕方向竖向振动数据，陀螺仪用来测定智能手机相对惯性坐标系的运动方向；
手机客户端软件包含控制模块、采集模块、分析模块、显示模块和存储模块；
控制模块用于启动和关闭手机客户端，控制模块设置测试场景、数据采样时长及采样频率，测试场景对应的参考阈值为加速度峰值和振动频率；
采集模块用来获取智能手机中加速度传感器和陀螺仪记录的测试数据；
分析模块用来将加速度传感器和陀螺仪测得的数据进行坐标系转换，将手机局部坐标系的测试加速度数据转化到惯性坐标系下，分析模块可以实现惯性坐标系下时域加速度数据的最值提取及其时域数据到频域数据的变换处理，获得结构的振动频率，根据控制模块给定的测试场景对应的参考阈值，判断建筑结构振动所致的加速度峰值和频率是否满足参考阈值的要求并给出舒适度评估的分析结果；
显示模块支持交互式显示，支持惯性坐标系下五种分析结果，包括加速度原始测试数据、时频变换处理后的功率谱曲线、加速度峰值分析结果、结构频率分析结果及舒适度判别结果。
采集模块的测试数据在数据采集时以波形谱形式在智能手机终端屏幕上实时显示，在数据采集工作结束后用于输出分析模块的分析结果，存储模块用于实现将测试的原始数据及分析结果保存至智能手机中。
作为优选，所述手机支架为吸盘式支架，可实现智能手机与被测结构间稳固连接，实现智能手机与被测结构的连接条件为刚性连接。
作为优选，分析模块中加速度传感器和陀螺仪测得的数据进行坐标系转换，即由智能手机的局部坐标系转换到惯性坐标系，具体方法如下：
加速度传感器用来测定建筑结构的振动数据，该数据为时域数据，包括基于手机坐标系下结构沿智能手机屏幕方向的水平振动数据x(t)、y(t)、垂直智能手机屏幕方向竖向振动数据z(t)，陀螺仪用来测定智能手机相对惯性坐标系下的运动方向，并提供智能手机的当前姿态数据，智能手机的当前姿态为由惯性坐标系依次按照一定的角度旋转获得，当惯性系的三个坐标轴x′、y′、z′的转角分别为θ、γ、ψ时，
此时，绕x′、y′、z′三个轴旋转的转换矩阵分别为：
Figure BDA0001853446230000031
Figure BDA0001853446230000032
Figure BDA0001853446230000033
将上述转换矩阵合并后，可以得到下式：
Figure BDA0001853446230000034
通过公式(4)可以实现测试数据由智能手机(1)的局部坐标系中x(t)、y(t)、z(t)到惯性坐标系下x′(t)、y′(t)、z′(t)的转换。
作为优选，惯性坐标系下的时域数据x′(t)、y′(t)、z′(t)通过傅里叶实现数据的时频变换,得到惯性坐标系下的频域数据X(ω)、Y(ω)、Z(ω)具体变换过程如下，
Figure BDA0001853446230000041
Figure BDA0001853446230000042
同理，可以得到：
Figure BDA0001853446230000043
Figure BDA0001853446230000044
Figure BDA0001853446230000045
Figure BDA0001853446230000046
此时，非周期的时域测试信号x′(t)、y′(t)、z′(t)则转化为变量为角频率的频域信号，频率f和角频率ω的关系为，f＝ω/2π，由此可以实现信号的时频变换。
作为优选，分析模块判断方法如下，
A、获得惯性坐标系下各轴的加速度数据x′、y′、z′，其中针对x′、y′的数据，选取数据的绝对值最大值，与参考阙值类型中的加速度峰值相比较，确定是据否满足舒适度要求；
B、惯性坐标系下z′(t)经过傅里叶变换，可以得到频谱曲线Z(ωz)，频谱曲线中，的第一个峰值点所对应的横坐标值，即为所测结构的基频，通过基频,与参考阈值中楼盖竖向振动频率的比较，实现频域角度的建筑结构舒适度的判定。
C、同理，X(ωx)和Y(ωy)所绘制的频谱曲线，可以获得结构受风荷载作用下的频率特征，并结合水平向测试数据x′(t)、y′(t)的峰值，可以实现国际标准的高层建筑舒适度评估。
本发明的有益效果为：本发明与现有技术相比的有益效果：
1.基于智能手机研发的具有加速度测试功能的手机客户端应用软件，目前市场上也有应用，但现有的手机客户端应用软件其加速度测试功能还仅仅是局限于数据本身的测试，极个别应用软件支持加速度数值的显示，但对持续振动的测试并不适用，更不能调节加速度测试的采样频率，而采样频率对时域信号有重要影响，不同的采样频率可能会得到不同的加速度峰值。本发明提供的基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统，不仅支持加速度数值的波形图实时显示，而且具有交互式设置采样频率、采样时长的功能，使得加速度数据的测试更为合理。
2.本发明所提供的基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统，不仅具有加速度数据的测试功能，在智能手机内设置分析模块，该分析模块用于获得振动数据的峰值，并将振动数据进行由时域到频域的转换，得到房屋整体及构件的自振频率，通过加速度峰值和频域特性两方面的信息，结合现有房屋振动标准数据进行判断，从而综合判定房屋的舒适程度(影响房屋舒程度的因素之一为房屋振动)。
3.现有的手机客户端加速度测试软件，很少明确指明应用场景，因此，所测得的加速度数据不具备专业性应用价值。本发明所提供的测试系统，专门针对振动所致环境舒适度的评估领域，特别在建筑结构的舒适度评估方面，给予全方位的评估标准。在工作模式设置中，囊括了目前国内规范及主要欧美国家、日本等相关协会标准中，对舒适度的阈值要求。以国内规范为例，本发明提供了《高层建筑混凝土技术规程》、《组合楼板设计与施工规范》、《混凝土设计规范》、《城市人行天桥与人行地道技术规范》等多本规范中对舒适度的具体阈值要求，根据用户提供的结构参数，匹配相应的舒适度阈值，确保本发明所提供的测试系统对建筑结构舒适度判别有合理的依据。
4.本发明所涉及的房屋舒适度检测方法，其载体仅为一部智能手机，无需其他配套设备，更没有网络通信的要求，检测系统方便携带，容易操作，无需专业知识也能完成房屋舒适度的监测工作，适用于大范围推广使用。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为基于智能手机的建筑结构舒适度检测应用场景示意图；
图2为手机局部坐标系示意图；
图3为手机局部坐标系与惯性坐标系的相对关系图；
图4为手机局部坐标系与惯性坐标系的转换关系图；
图5为手机客户端应用软件构成图；
图6为控制模块2-1工作模式流程图；
图7为基于智能手机的建筑结构舒适度检测工作流程图。
其中，1.智能手机；2.手机客户端应用软件；3.手机支架；1-1加速度传感器；1-2陀螺仪；2-1.控制模块；2-2.采集模块制；2-3.分析模块；2-4.显示模块；2-5.存储模块。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本具体实施方式采用以下技术方案：所述系统包括智能手机1、手机客户端应用软件2和手机支架3，
其中智能手机1内含加速度传感器1-1和陀螺仪1-2，加速度传感器1-1用来测定建筑结构的振动数据，包括结构沿智能手机1屏幕方向的水平振动数据、垂直智能手机1屏幕方向结构竖向振动数据，陀螺仪1-2用来测定智能手机1运动方向数据；
手机客户端软件2包含控制模块2-1、采集模块2-2、分析模块2-3、显示模块2-4和存储模块2-5；
控制模块2-1用于启动和关闭手机客户端2，控制模块2-1设置测试场景、数据采样时长及采样频率，不同测试场景依照现行行业规范给出各自的舒适度阈值相匹配，参考阈值为加速度峰值和振动频率；采集模块2-2用来获取智能手机1中加速度传感器1-1和陀螺仪1-2记录的测试数据；
分析模块2-3用来将加速度传感器1-1和陀螺仪1-2测得的数据进行坐标系转换，将手机局部坐标系的测试加速度数据转化到惯性坐标系下，分析模块(2-3)可以实现惯性坐标系下时域加速度数据的最值提取及其时域数据到频域数据的变换处理，获得结构的振动频率，根据控制模块2-1给定的测试场景对应的参考阈值，判断建筑结构振动所致的加速度峰值和频率是否满足参考阈值的要求并给出舒适度评估的分析结果；
显示模块2-4支持交互式显示，支持惯性坐标系下五种分析结果，包括加速度原始测试数据、时频变换处理后的功率谱曲线、加速度峰值分析结果、结构频率分析结果及舒适度判别结果。
采集模块2-2的测试数据在数据采集时以波形谱形式在智能手机1终端屏幕上实时显示，在数据采集工作结束后用于输出分析模块2-3的分析结果，存储模块2-5用于实现将测试的原始数据及分析结果保存至智能手机1中。
进一步的，所述手机支架3为吸盘式支架，可实现智能手机1与被测结构间稳固连接，实现智能手机1与被测结构的连接条件为刚性连接。
进一步的，分析模块2-3中加速度传感器1-1和陀螺仪1-2测得的数据进行坐标系转换，即由智能手机1的局部坐标系转换到惯性坐标系，具体方法如下：
加速度传感器1-1用来测定建筑结构的振动数据，该数据为时域数据，包括基于手机坐标系下结构沿智能手机1屏幕方向的水平振动数据x(t)、y(t)、垂直智能手机1屏幕方向竖向振动数据z(t)，陀螺仪(1-2)用来测定智能手机1相对惯性坐标系下的运动方向，并提供智能手机(1)的当前姿态数据，智能手机1的当前姿态为由惯性坐标系依次按照一定的角度旋转获得，当惯性系的三个坐标轴x′、y′、z′的转角分别为θ、γ、ψ时，
此时，绕x′、y′、z′三个轴旋转的转换矩阵分别为：
Figure BDA0001853446230000081
Figure BDA0001853446230000082
Figure BDA0001853446230000083
将上述转换矩阵合并后，可以得到下式：
Figure BDA0001853446230000084
通过公式(4)可以实现测试数据由智能手机1的局部坐标系中x(t)、y(t)、z(t)到惯性坐标系下x′(t)、y′(t)、z′(t)的转换。
进一步的，惯性坐标系下的时域数据x′(t)、y′(t)、z′(t)通过傅里叶实现数据的时频变换,得到惯性坐标系下的频域数据X(ω)、Y(ω)、Z(ω)具体变换过程如下，
Figure BDA0001853446230000085
Figure BDA0001853446230000086
同理，可以得到：
Figure BDA0001853446230000087
Figure BDA0001853446230000088
Figure BDA0001853446230000091
Figure BDA0001853446230000092
此时，非周期的时域测试信号x′(t)、y′(t)、z′(t)则转化为变量为角频率的频域信号，频率f和角频率ω的关系为，f＝ω/2π，由此可以实现信号的时频变换。
进一步的，分析模块2-3判断方法如下，
A、获得惯性坐标系下各轴的加速度数据x′、y′、z′，其中针对x′、y′的数据，选取数据的绝对值最大值，与参考阙值类型中的加速度峰值相比较，确定是据否满足舒适度要求；
B、惯性坐标系下z′(t)经过傅里叶变换，可以得到频谱曲线Z(ωz)频率f，频谱曲线中，的第一个峰值点所对应的横坐标值，即为所测结构的基频，通,过基频与参考阈值中楼盖(楼面)竖向振动频率的比较，实现频域角度的建筑结构舒适度的判定。
C、同理，X(ωx)和Y(ωy)所绘制的频谱曲线，可以获得结构受风荷载作用下的频率特征，参考国际标准化组织发布的高层建筑风振舒适度指南中给定的频率范围，并结合水平向测试数据x′(t)、y′(t)的峰值，可以实现参考国际标准的高层建筑舒适度评估。
具体实施方式二：系统包括智能手机1、手机客户端应用软件2和手机支托3三部分构成。手机支托3为吸盘式手机支架，保证智能手机1与手机支托3以及手机支托3与被测结构之间的稳定连接，实现智能手机1与被测结构之间为刚性连接，保证智能手机1与被测结构之间的边界条件为理想状态，从而实现精细化监测。智能手机1内置加速度传感器1-1和陀螺仪1-2，可以测试环境惯性坐标系下的加速度信息，分析模块对加速度传感器1-1和陀螺仪1-2测得的信号进行后处理，获得加速度峰值，通过傅里叶变换、功率谱密度分析方法得到外荷载及被测结构的频率，根据用户事先设定的加速度峰值和频率阈值定义，对APP手机客户端2分析后得到的加速度峰值及频率分别进行判别。
图3给出了手机客户端应用软件2中控制模块2-1中工作模式流程图，其中工作模式的具体定义如下：
首先，用户需要输入被测结构的参数信息，包括结构使用功能、结构类型、测试位置的高度。结构适用功能区分为住宅、公寓、办公楼、宾馆、商场、餐饮、室内连廊、大型公共建筑。结构类型分为混凝土结构、钢结构、混凝土组合楼板结构。
阈值定义分为用户自定义和手机客户端应用软件2默认设置两种情况。在自定义情况下，用户可自行设置被测结构自振频率阈值、竖向加速度阈值及风振加速度阈值。在默认设置中，控制模块2-1根据结构参数信息判断结构适用规范并推荐给用户，用户可根据需求选择规范以此确定加速度及频率的阈值。控制模块2-1的默认设置具体工况较多，以高度大于150m的钢筋混凝土住宅为例，在国内标准的默认设置条件下，该结构阈值设置按《高层建筑混凝土技术规范》取值，当楼盖竖向振动频率不大于2Hz时，楼盖竖向加速度阈值为0.07(单位：m/s2)，楼盖竖向振动频率不小于4Hz时，楼盖竖向加速度阈值为0.05(单位：m/s2)，当楼盖竖向振动频率为2Hz～4Hz时，竖向加速度阈值按上述两个阈值进行插值计算。此时结构由风荷载引起的风振加速度阈值为0.15(单位：m/s2)。
测得结构的竖向自振频率，如果测得的竖向自振频率为1.6Hz，小于2Hz，而加速度值为0.3m/s2,大于0.22m/s2,那么按照规范要求，这栋楼房舒适度是不满足要求的。
分析模块2-3通过对测试数据的处理，获得水平向加速度峰值、竖直向加速度峰值和结构自振频率三种处理结果，根据控制模块的阈值定义判断舒适度是否满足要求。具体判别标准为：当水平向加速度峰值、竖直向加速度峰值和结构自振频率三个指标均满足阈值要求时，手机客户端应用软件2会判定结构舒适度满足要求，否则，舒适度不满足要求。判别结果通过显示模块2-4显示到智能手机1的屏幕，通过存储模块2-5将振动测试数据保存至智能手机1。
具体实施方式三：
系统由智能手机1、手机客户端应用软件2两部分构成。本事实例中，结构舒适度检测时，可将智能手机1直接放置于被测结构楼面，此时，智能手机1与结构之间为面接触或点接触，边界条件不满足刚接条件，振动测试数据的精确性相比实施例一略低，其他步骤同具体实施例一。
该测试系统基于智能手机移动终端，无需其他外界设备，没有网络要求，能够实时获得房屋的振动及扭转信息，为房屋舒适度测试提供了一个便携带、易操作、低成本的可行方案。该测试系统可广泛用于普通住宅、办公楼、宾馆、别墅和公共建筑的舒适度测试，为房产购置、租赁和使用过程中对建筑结构的舒适度评估提供解决途径。

Claims (4)

1.一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统，其特征在于：所述系统包括智能手机(1)、手机客户端应用软件(2)和手机支架(3)，
其中智能手机(1)内含加速度传感器(1-1)和陀螺仪(1-2)，加速度传感器(1-1)用来测定建筑结构的振动数据，包括结构沿智能手机(1)屏幕方向的水平振动数据、垂直智能手机(1)屏幕方向竖向振动数据，陀螺仪(1-2)用来测定智能手机(1)相对惯性坐标系的运动方向；
手机客户端应用软件(2)包含控制模块(2-1)、采集模块(2-2)、分析模块(2-3)、显示模块(2-4)和存储模块(2-5)；
控制模块(2-1)用于启动和关闭手机客户端应用软件(2)，控制模块(2-1)设置测试场景、数据采样时长及采样频率，测试场景对应的参考阈值为加速度峰值和振动频率；
采集模块(2-2)用来获取智能手机(1)中加速度传感器(1-1)和陀螺仪(1-2)记录的测试数据；
分析模块(2-3)用来将加速度传感器(1-1)和陀螺仪(1-2)测得的数据进行坐标系转换，将手机局部坐标系的测试加速度数据转化到惯性坐标系下，分析模块(2-3)可以实现惯性坐标系下时域加速度数据的最值提取及其时域数据到频域数据的变换处理，获得结构的振动频率，根据控制模块(2-1)给定的测试场景对应的参考阈值，判断建筑结构振动所致的加速度峰值和振动频率是否满足参考阈值的要求并给出舒适度评估的分析结果；
显示模块(2-4)支持交互式显示，支持惯性坐标系下五种分析结果，包括加速度原始测试数据、时频变换处理后的功率谱曲线、加速度峰值分析结果、结构频率分析结果及舒适度判别结果；
采集模块(2-2)的测试数据在数据采集时以波形谱形式在智能手机(1)终端屏幕上实时显示，在数据采集工作结束后用于输出分析模块(2-3)的分析结果，存储模块(2-5)用于实现将测试的原始数据及分析结果保存至智能手机(1)中；
分析模块(2-3)中加速度传感器(1-1)和陀螺仪(1-2)测得的数据进行坐标系转换，即由智能手机(1)的局部坐标系转换到惯性坐标系，具体方法如下：
加速度传感器(1-1)用来测定建筑结构的振动数据，该数据为时域数据，包括基于手机坐标系下结构沿智能手机(1)屏幕方向的水平振动数据x(t)、y(t)、垂直智能手机(1)屏幕方向竖向振动数据z(t)，陀螺仪(1-2)用来测定智能手机(1)相对惯性坐标系下的运动方向，并提供智能手机(1)的当前姿态数据，智能手机(1)的当前姿态为由惯性坐标系依次按照一定的角度旋转获得，当惯性系的三个坐标轴x′、y′、z′的转角分别为θ、γ、ψ时，
此时，绕x′、y′、z′三个轴旋转的转换矩阵分别为：
Figure FDA0002646746600000021
Figure FDA0002646746600000022
Figure FDA0002646746600000023
将上述转换矩阵合并后，可以得到下式：
Figure FDA0002646746600000024
通过公式(4)可以实现测试数据由智能手机(1)的局部坐标系中x(t)、y(t)、z(t)到惯性坐标系下x′(t)、y′(t)、z′(t)的转换。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统，其特征在于：所述手机支架(3)为吸盘式支架，可实现智能手机(1)与被测结构间稳固连接，实现智能手机(1)与被测结构的连接条件为刚性连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统，其特征在于：惯性坐标系下的时域数据x′(t)、y′(t)、z′(t)通过傅里叶实现数据的时频变换,得到惯性坐标系下的频域数据X(ω)、Y(ω)、Z(ω)具体变换过程如下，
Figure FDA0002646746600000031
Figure FDA0002646746600000032
同理，可以得到：
Figure FDA0002646746600000033
Figure FDA0002646746600000034
Figure FDA0002646746600000035
Figure FDA0002646746600000036
此时，非周期的时域测试信号x′(t)、y′(t)、z′(t)则转化为变量为角频率的频域信号，频率f和角频率ω的关系为，f＝ω/2π，由此可以实现信号的时频变换。
4.根据权利要求3所述的一种基于智能手机的建筑结构舒适度测试系统，其特征在于：分析模块(2-3)判断方法如下，
A、获得惯性坐标系下各轴的加速度数据x′、y′、z′，其中针对x′、y′的数据，选取数据的绝对值最大值即加速度峰值，与参考阈值类型中的加速度峰值数据相比较，确定是否满足舒适度要求；
B、惯性坐标系下z′(t)经过傅里叶变换，可以得到频谱曲线Z(ωz)，频谱曲线中的第一个峰值点所对应的横坐标值，即为所测结构的基频，通过基频与参考阈值中楼面竖向振动频率的比较，实现频域角度的建筑结构舒适度的判定；
C、同理，X(ωx)和Y(ωy)所绘制的频谱曲线，可以获得结构受风荷载作用下的水平向振动的频率特征，并结合水平向测试数据x′(t)、y′(t)的峰值，可以实现国际相关标准中的高层建筑舒适度的评估。
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