CN112082595B - 多自由度微振动诊断方法与感知终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多自由度微振动诊断方法与感知终端，实现沉降和位移值的计算与观测，同时对各个采集时间点采集的数据样本计算获得的沉降和位移值进行可信度分析，提高观测结果的准确性。本发明通过振动检测，触发数据采集，包括加速度数据、磁场数据、角度数据、定位数据等，各个传感器的协同性高，同一时间的数据关联性强，能够实时反映观测点的动态变化情况。本发明实现非接触式传感、边缘计算、数据存储、后备供电、通讯传输、加密芯片等，可自由选择更宽采集频率、自由感知微振动和感知磁力变化；可实施于危房、古建筑、桥梁、地下管廊、大坝、隧道、铁塔等不同应用场景，为我国的灾害监测与预警预报提供有力支撑。

Description

多自由度微振动诊断方法与感知终端

技术领域

本发明涉及建筑安全观测技术领域，更具体地说，涉及一种多自由度微振动诊断方法与感知终端。

背景技术

传统的边坡和建筑结构安全监测，采用倾角计、静力水准仪、机械型位移计或压电加速度传感器，各个仪器的功能单一，如倾角计只能测量倾角、静力水准仪只能测量沉降、位移计只能测量位移、加速度只能测量振动。并且，常用的倾角计是单轴测量；静力水准仪至少需要2个终端协同工作，才能测量，而且感知范围有限，不仅产品成本高，而且安装部署和维护也高；机械型位移计只能测量本体量程内和安装方向上的位移；压电加速度传感器，当静止时候，测不了0点，频率范围小，导致产品使用不够自由，一定局限性。

另外，关于数据的汇总，多个功能单一的传感器采集的监测数据以多种不同的方式进行数据交互，发送至本地或者远程软件平台，不同的程序存在不同的数据传输时延，造成时间基准点的误差，这种异步数据无法真实同步到3D模拟仿真平台(数字孪生)中，以实时反映真实物理结构的动态变化情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多自由度微振动诊断方法与感知终端，基于数据样本的计算结果可信度高，感知终端高度集成，多种传感器数据同步度高，便于远程实现数字孪生。

本发明的技术方案如下：

一种多自由度微振动诊断方法，步骤如下：

1)通过加速度传感器判断观测点是否存在振动或扰动，如果是，则加速度传感器进行数据采集，直至振动或扰动停止；

2)计算观测点的沉降和位移值；

3)计算步骤2)得到的观测点的沉降和位移值的可信度，符合可信度阈值的沉降和位移值为有效值，否则为无效值，忽略无效值。

作为优选，步骤3)中，可信度的计算具体如下：

其中，D为步骤1)中，采集最后一个时间点的数据时，观测点的沉降和位移值；v_n为步骤1)中，采集最后一个时间点的数据时，观测点的速度值；k为可信度参考值。

作为优选，k为预设的参考速度值，当v_n＜k时，沉降和位移值为有效值，否则为无效值。

作为优选，k≤0.001mm/s。

作为优选，当trust小于可信度阈值的下限值时，沉降和位移值为绝对有效值；当trust大于可信度阈值的上限值时，沉降和位移值为绝对无效值；当trust位于可信度阈值的下限值与上限值之间时，则沉降和位移值作为有效值，trust越小，可信度越高，trust越大，可信度越低。

作为优选，步骤1)中，加速度传感器在静止状态获取作为基准值的基准重力加速度，当加速度传感器获取的实时重力加速度与基准重力加速度相比，不等于基准重力加速度，且大于恒定1g的标准重力加速度，则开始采集数据，直至实时重力加速度与基准重力加速度相等，且不变，则停止采集数据。

作为优选，步骤1)中，采集数据的过程中，同步实时计算如下数据：

v_i＝v_i-1+at；

其中，v_i为采集当前数据的时间点的速度值，v_i-1为采集数据的上一个时间点的速度值，a为采集当前数据的时间点加速度，t为加速度的持续时间；i＝1,2,…,n，则v₀为初速度，v₀＝0；

进而，步骤2)中，利用

分别计算x、y、z三轴的沉降和位移值；

其中，d为x、y或z三轴的沉降和位移值，

为采集频率。

作为优选，通过重力加速度，获得加速度传感器停止采集数据后，x、y、z三轴分别和重力方向的夹角θ、φ、β，进而计算出最终的沉降和位移值D_g，如下：

D_g＝D_x×cosθ+D_y×cosφ+D_z×cosβ；

其中，D_x为x轴方向的沉降和位移值，D_y为y轴方向的沉降和位移值，D_z为z轴方向的沉降和位移值。

作为优选，还通过地磁传感器采集磁场变化、角度变化，结合作为有效值的沉降和位移值，计算观测点的空间位置和方位。

一种多自由度微振动诊断的感知终端，包括MEMS加速度传感器、MEMS地磁传感器、卫星定位模块、通信模块、处理器、电源模块；所述的感知终端作为终端节点，在终端节点进行实时边缘计算，基于所述的多自由度微振动诊断方法，获得观测点的沉降和位移值、磁场变化、角度变化、空间位置和方位，通过通信模块实时与后台服务器进行数据交互，后台服务器进行模拟仿真、模型分析。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的多自由度微振动诊断方法，实现沉降和位移值的计算与观测，同时对各个采集时间点采集的数据样本计算获得的沉降和位移值进行可信度分析，提高观测结果的准确性。本发明通过振动检测，触发数据采集，包括加速度数据、磁场数据、角度数据、定位数据等，各个传感器的协同性高，同一时间的数据关联性强，能够实时反映观测点的动态变化情况。

本发明所述的感知终端，基于所述的多自由度微振动诊断方法，能够有效保障多维监测数据的高精度同步，实现多维监测数据利用结构分析模型构建3D模拟仿真平台(虚拟孪生)中实时反映真实物理结构的动态变化情况。本发明可实现非接触式传感、边缘计算、数据存储、后备供电、通讯传输、加密芯片等，基于边缘计算与可选的多种智能核心算法，可自由选择更宽采集频率、自由感知微振动和感知磁力变化。

本发明可实施于危房、古建筑、桥梁、地下管廊、大坝、隧道、铁塔等不同应用场景，并进行专用核心算法、电源功耗管理、数据缓存和传输频次等优化设计，采集地质灾害和建筑物结构的实时动态变化，满足各种应用场景的需要，提高感知终端的使用范围，最终实现规模化量产和低成本海量部署能力，为我国的灾害监测与预警预报提供有力支撑。

附图说明

图1是多自由度微振动诊断方法的流程示意图；

图2是感知终端的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明提供一种多自由度微振动诊断方法与感知终端，解决了现有技术存在的数据可信度低、安装多个功能单一的传感器、安装复杂、施工成本高、数据通信不便、数据同步性低、时效性差、无法在软件平台给出动态模拟仿真，并给出初步诊断等不足。

本发明所述的多自由度微振动诊断方法，如图1所示，步骤如下：

步骤1)，通过加速度传感器判断观测点是否存在振动或扰动(通常为微振动)，如果是，则加速度传感器进行数据采集，直至振动或扰动停止。本发明进行振动判断的原理是，根据静止状态，重力加速度处于恒定状态，来判断微振动和扰动。具体地，加速度传感器在静止状态获取作为基准值的基准重力加速度，当加速度传感器获取的实时重力加速度与基准重力加速度相比，不等于基准重力加速度，且大于恒定1g的标准重力加速度，则开始采集数据，直至实时重力加速度与基准重力加速度相等，且不变，则停止采集数据。

本实施例中，采集数据的过程中，同步实时计算如下数据：

v_i＝v_i-1+at；

其中，v_i为采集当前数据的时间点的速度值，v_i-1为采集数据的上一个时间点的速度值，a为采集当前数据的时间点加速度，t为加速度的持续时间；i＝1,2,…,n，则v₀为初速度，v₀＝0。

本实施例中，加速度传感器采集的数据为三轴加速度，进而，多轴空间可自由选择对应的其中一个空间轴的加速度进行检测，最终实现多自由度微振动诊断。

步骤2)，计算观测点的沉降和位移值，具体地如下：

利用

分别计算x、y、z三轴的沉降和位移值；

其中，d为x、y或z三轴的沉降和位移值，

为采集频率。

通过重力加速度，获得加速度传感器停止采集数据后，x、y、z三轴分别和重力方向的夹角θ、φ、β，进而计算出最终的沉降和位移值D_g，如下：

D_g＝D_x×cosθ+D_y×cosφ+D_z×cosβ；

其中，D_x为x轴方向的沉降和位移值，D_y为y轴方向的沉降和位移值，D_z为z轴方向的沉降和位移值。

步骤3)计算步骤2)得到的观测点的沉降和位移值的可信度，符合可信度阈值的沉降和位移值为有效值，否则为无效值，忽略无效值。具体地，可信度的计算具体如下：

其中，D为步骤1)中，采集最后一个时间点的数据时，观测点的沉降和位移值，即一次微振动触发数据采集后，最后一个时间点采集的数据作为样本，计算得到的沉降和位移值；v_n为步骤1)中，采集最后一个时间点的数据时，观测点的速度值；k为可信度参考值。

由于振动恢复静止后，最后一个采集数据的时间点，理论上应该要静止状态，即速度应该为0；进而，本实施例中，k为预设的参考速度值，用于与最后的速度进行比较，以判断本次数据是否可信有效。具体地，当v_n＜k时，沉降和位移值为有效值，否则为无效值。

由于实际采集的数据，因传感器自身误差和采集误差，不存在绝对静止的状态，即必须存在有微小的速度，进而，将k设置为一个极小值，具体实施时，设置k≤0.001mm/s。

当trust小于可信度阈值的下限值时，沉降和位移值为绝对有效值；当trust大于可信度阈值的上限值时，沉降和位移值为绝对无效值；当trust位于可信度阈值的下限值与上限值之间时，则沉降和位移值作为有效值，trust越小，可信度越高，trust越大，可信度越低。具体实施时，当trust位于可信度阈值的下限值与上限值之间时，可对trust设置多个不同的等级，用于表示可信度的可信程度等级。具体实施时，可信度阈值的上限值可设置为99，可信度阈值的下限值可设置为1，1至99之间可设置为多个数值段，以表示不同的可信程度等级。

本发明还通过地磁传感器采集磁场变化、角度变化，结合作为有效值的沉降和位移值，计算观测点的空间位置和方位。

一种微振动诊断的感知终端，如图2所示，包括MEMS加速度传感器、MEMS地磁传感器、卫星定位模块、通信模块、处理器、安全加密模块、数据存储模块、边缘计算处理器；所述的感知终端作为终端节点，在终端节点进行实时边缘计算，基于所述的多自由度微振动诊断方法，获得观测点的沉降和位移值、磁场变化、角度变化、空间位置和方位，通过通信模块实时与后台服务器进行数据交互，后台服务器进行模拟仿真、模型分析。

具体实施时，本发明可采用电容式加速度传感器、地磁传感器、GPS和BDS北斗等多颗MEMS核心芯片组成非接触式传感、边缘计算、数据存储、后备供电、通讯传输、加密芯片等于一体机的智能云终端，用于诊断结构安全的沉降和可信度分析，提供综合诊断依据。基于ARM(即处理器)的边缘计算能力和多种智能核心算法可自由选择更宽采集频率、自由感知微振动和感知磁力变化，通过4G/5G、北斗短报文或总线传输方式，将采集测量的多维倾角、沉降、位移、振动频率、振幅、温度、GPS经纬度、BDS经纬度、高精度高程数据和天文授时等核心监测数据，以纳秒级天文时钟为数据同步基准点，有效保障多维监测数据的高精度同步，实现多维监测数据利用结构分析模型构建3D模拟仿真平台(虚拟孪生)中，实时反映真实物理结构的动态变化情况。

由于所述的感知终端采用高度集成化一体机结构和物联网超低功率设计，同时支持市电、太阳能或后备电池供电方式，只需考虑供电方式即可实现智能感知云终端的快速海量部署，大大降低产品施工和后期运维成本。

本发明可针对边坡、危房、古建筑、桥梁、地下管廊、大坝、隧道、铁塔等不同应用场景进行专用核心算法、电源功耗管理、数据缓存和传输频次等优化设计，采集地质灾害和建筑物结构的实时动态变化，满足各种应用场景的需要，提高智能感知云终端的使用范围，最终实现规模化量产和低成本海量部署能力，为我国的灾害监测与预警预报提供有力支撑。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种多自由度微振动诊断方法，其特征在于，步骤如下：

1)通过加速度传感器判断观测点是否存在振动或扰动，如果是，则加速度传感器进行数据采集，直至振动或扰动停止，加速度传感器在静止状态获取作为基准值的基准重力加速度，当加速度传感器获取的实时重力加速度与基准重力加速度相比，不等于基准重力加速度，且大于恒定1g的标准重力加速度，则开始采集数据，直至实时重力加速度与基准重力加速度相等，且不变，则停止采集数据，采集数据的过程中，同步实时计算如下数据：

v_i＝v_i-1+at；

其中，v_i为采集当前数据的时间点的速度值，v_i-1为采集数据的上一个时间点的速度值，a为采集当前数据的时间点加速度，t为加速度的持续时间；i＝1,2,···,n，则v₀为初速度，v₀＝0；

2)计算观测点的沉降和位移值，利用

分别计算x、y、z三轴的沉降和位移值；

其中，d为x、y或z三轴的沉降和位移值，

为采集频率；

3)计算步骤2)得到的观测点的沉降和位移值的可信度，可信度的计算具体如下：

其中，D为步骤1)中，采集最后一个时间点的数据时，观测点的沉降和位移值；v_n为步骤1)中，采集最后一个时间点的数据时，观测点的速度值；k为可信度参考值，

符合可信度阈值的沉降和位移值为有效值，否则为无效值，忽略无效值，具体地，k为预设的参考速度值，当v_n＜k时，沉降和位移值为有效值，否则为无效值，当trust小于可信度阈值的下限值时，沉降和位移值为绝对有效值；当trust大于可信度阈值的上限值时，沉降和位移值为绝对无效值；当trust位于可信度阈值的下限值与上限值之间时，则沉降和位移值作为有效值，trust越小，可信度越高，trust越大，可信度越低。

2.根据权利要求1所述的多自由度微振动诊断方法，其特征在于，k≤0.001mm/s。

3.根据权利要求1所述的多自由度微振动诊断方法，其特征在于，通过重力加速度，获得加速度传感器停止采集数据后，x、y、z三轴分别和重力方向的夹角θ、φ、β，进而计算出最终的沉降和位移值D_g，如下：

D_g＝D_x×cosθ+D_y×cosφ+D_z×cosβ；

其中，D_x为x轴方向的沉降和位移值，D_y为y轴方向的沉降和位移值，D_z为z轴方向的沉降和位移值。

4.根据权利要求1所述的多自由度微振动诊断方法，其特征在于，还通过地磁传感器采集磁场变化、角度变化，结合作为有效值的沉降和位移值，计算观测点的空间位置和方位。

5.一种多自由度微振动诊断的感知终端，其特征在于，包括MEMS加速度传感器、MEMS地磁传感器、卫星定位模块、通信模块、处理器；所述的感知终端作为终端节点，在终端节点进行实时边缘计算，基于权利要求1至4任一项所述的多自由度微振动诊断方法，获得观测点的沉降和位移值、磁场变化、角度变化、空间位置和方位，通过通信模块实时与后台服务器进行数据交互，后台服务器进行模拟仿真、模型分析。

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