CN109470306A - 土木工程建筑结构智能监测系统 - Google Patents

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CN109470306A CN201811327050.5A CN201811327050A CN109470306A CN 109470306 A CN109470306 A CN 109470306A CN 201811327050 A CN201811327050 A CN 201811327050A CN 109470306 A CN109470306 A CN 109470306A
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/418—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS], computer integrated manufacturing [CIM]
    • G05B19/4183—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS], computer integrated manufacturing [CIM] characterised by data acquisition, e.g. workpiece identification

Abstract

本发明提供了土木工程建筑结构智能监测系统，该系统包括：结构健康监测子系统，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数据处理装置；数据处理装置，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远程监控终端；远程监控终端，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

土木工程建筑结构智能监测系统
技术领域
本发明涉及建筑监测技术领域，具体涉及土木工程建筑结构智能监测系统。
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，本发明提供土木工程建筑结构智能监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了土木工程建筑结构智能监测系统，该系统包括：
结构健康监测子系统，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数据处理装置，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；结构健康监测子系统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，汇聚节点主要用于将各传感器节点发送的建筑结构健康数据汇总发送至数据处理装置；
数据处理装置，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远程监控终端；
远程监控终端，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：
结构健康监测子系统1、数据处理装置2、远程监控终端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土木工程建筑结构智能监测系统，该系统包括：
结构健康监测子系统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数据处理装置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；结构健康监测子系统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，汇聚节点主要用于将各传感器节点发送的建筑结构健康数据汇总发送至数据处理装置2；
数据处理装置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远程监控终端3；
远程监控终端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，传感器节点可在[Lmin,Lmax]的范围内调节自身的通信距离，初始时，各传感器节点调节自身的通信距离为Lmax，其中Lmin为传感器节点可调节的最小通信距离，Lmax为传感器节点可调节的最大通信距离；传感器节点在初始时确定将建筑结构健康数据传输至汇聚节点的传输方式，并根据所述传输方式将建筑结构健康数据传输至汇聚节点，具体为：
(1)网络初始化时，传感器节点接收汇聚节点的广播信息，通过广播信息进行网络泛洪，传感器节点添加所有邻居节点到自身的邻居表，其中邻居节点为位于传感器节点通信距离范围内的其他传感器节点；
(2)传感器节点判断自身是否满足直接传输数据条件，若满足，传感器节点直接将采集的建筑结构健康数据发送至汇聚节点，若不满足直接传输数据条件，则从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，将采集的建筑结构健康数据发送至下一跳节点。
其中，所述的直接传输数据条件为：
式中，H(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，为与传感器节点i距离最近的邻居节点，为与传感器节点i距离次近的邻居节点，为所述最近的邻居节点到汇聚节点的距离，为所述次近的邻居节点到汇聚节点的距离， 为判断取值函数，当 时，当 时，
本实施例中，传感器节点基于通信距离确定邻居表，并在初始时确定将建筑结构健康数据传输至汇聚节点的传输方式，以根据所述传输方式将建筑结构健康数据传输至汇聚节点。在确定传输方式时，本实施例创造性地设定了直接传输数据条件，根据该直接传输数据条件可知，当传感器节点的通信距离小于其到汇聚节点的距离，且相对于其邻居节点距离汇聚节点更近时，与汇聚节点直接通信，选择直接发送的形式将建筑结构健康数据直接传输至汇聚节点，否则与汇聚节点间接通信，按照多跳转发的形式转发建筑结构健康数据。
本实施例按照传感器节点的实际位置情况确定路由方式，保障了路由的灵活性，有利于提高建筑结构健康数据发送至汇聚节点的可靠性，降低丢包率，且能够尽可能地减少传感器节点发送建筑结构健康数据的能耗。
在一个实施例中，初始时，汇聚节点收集各传感器节点的初始能量信息，并根据初始能量信息计算网络平均能量；各传感器节点确定将建筑结构健康数据传输至汇聚节点的传输方式后，按照确定的传输方式建立其到汇聚节点的路由路径，与汇聚节点直接通信的传感器节点接收由汇聚节点发送的网络平均能量信息；与汇聚节点直接通信的传感器节点按照设定的周期周期性地根据自身的当前剩余能量和网络平均能量信息定期更新自己的通信距离，并根据更新后的通信距离更新自己的邻居表，以及重新确定将建筑结构健康数据传输至汇聚节点的传输方式。
本实施例中，与汇聚节点直接通信的传感器节点按照设定的周期周期性地根据自身的当前剩余能量定期更新自己的通信距离。
所述通信距离的更新方式为：
式中，Lj(t)为与汇聚节点直接通信的传感器节点j在第t个周期更新的通信距离，Qj0为与所述传感器节点j的初始能量，Qj(t)为所述传感器节点j在第t个周期更新通信距离时的当前剩余能量，Qavg为所述网络平均能量，Lmin为传感器节点可调节的最小通信距离，Lmax为传感器节点可调节的最大通信距离，D为基于能耗的通信距离影响因子，D的取值范围为[0.8,0.9]。
本实施例相应地提出了通信距离的更新公式。通过该更新公式可知，与汇聚节点直接通信的传感器节点随着能耗的增加逐渐减小自己的通信距离。通过周期性地调节通信距离的方式，本实施例能够使得与汇聚节点直接通信的传感器节点及时更新将建筑结构健康数据传输至汇聚节点的传输方式，提高了路由的灵活性，有利于降低传感器节点传输建筑结构健康数据的能耗速率，避免传感器节点因维持固定的传输方式而导致能耗快速增加，从而进一步保障无线传感器网络的稳定性，提高建筑结构健康数据传输至汇聚节点的可靠度。
在一个实施例中，传感器节点从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，具体包括：
(1)传感器节点将与其距离最近的传感器节点、与其距离次近的传感器节点作为下一跳节点的备选节点；
(2)传感器节点向其两个备选节点发送竞选消息，该两个备选节点在接收到所述竞选消息后计算等待时间：
式中，Tik表示传感器节点i的第k个备选节点计算的等待时间，Qik为所述第k个备选节点的当前剩余能量，Qiko为所述第k个备选节点的初始能量，H(k,sink)为所述第k个备选节点到汇聚节点的距离，H(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，H(i,k)为传感器节点i与该第k个备选节点的距离，Li为传感器节点i的通信距离，T1为预设的基于能量的等待时间，T2为预设的基于距离的等待时间；λ1、λ2为设定的权重系数；
(3)备选节点按照等待时间启动计时器，计时结束后向传感器节点i发送反馈消息；
(4)传感器节点i将接收到的第一个反馈消息所对应的备选节点作为下一跳节点。
本实施例提出了下一跳节点的选择机制，基于该机制，传感器节点从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点时，将与其距离最近的传感器节点、与其距离次近的传感器节点作为下一跳节点的备选节点，向各备选节点发送竞选消息，并以收到备选节点的反馈消息的时间顺序确定下一跳节点。
其中通过等待时间的设计，能够将备选节点的等待时间控制在一个合理的范围内，并且能够使得剩余能量较多且位置优势更好的备选节点具有较短的等待时间，从而使得该备选节点具有更大的概率充当传感器节点的下一跳节点，以提高建筑结构健康数据多跳转发的可靠性。
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.土木工程建筑结构智能监测系统，其特征是，包括：
结构健康监测子系统，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数据处理装置，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；结构健康监测子系统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，汇聚节点主要用于将各传感器节点发送的建筑结构健康数据汇总发送至数据处理装置；
数据处理装置，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远程监控终端；
远程监控终端，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。
2.根据权利要求1所述的土木工程建筑结构智能监测系统，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所述的土木工程建筑结构智能监测系统，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1所述的土木工程建筑结构智能监测系统，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所述的土木工程建筑结构智能监测系统，其特征是，传感器节点可在[Lmin,Lmax]的范围内调节自身的通信距离，初始时，各传感器节点调节自身的通信距离为Lmax，其中Lmin为传感器节点可调节的最小通信距离，Lmax为传感器节点可调节的最大通信距离；传感器节点在初始时确定将建筑结构健康数据传输至汇聚节点的传输方式，并根据所述传输方式将建筑结构健康数据传输至汇聚节点，具体为：
(1)网络初始化时，传感器节点接收汇聚节点的广播信息，通过广播信息进行网络泛洪，传感器节点添加所有邻居节点到自身的邻居表，其中邻居节点为位于传感器节点通信距离范围内的其他传感器节点；
(2)传感器节点判断自身是否满足直接传输数据条件，若满足，传感器节点直接将采集的建筑结构健康数据发送至汇聚节点，若不满足直接传输数据条件，则从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，将采集的建筑结构健康数据发送至下一跳节点。
6.根据权利要求5所述的土木工程建筑结构智能监测系统，其特征是，所述的直接传输数据条件为：
式中，H(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，为与传感器节点i距离最近的邻居节点，为与传感器节点i距离次近的邻居节点，为所述最近的邻居节点到汇聚节点的距离，为所述次近的邻居节点到汇聚节点的距离， 为判断取值函数，当 时，当 时，
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