CN114739446B - 一种多维度结构健康无损识别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多维度结构健康无损识别方法及系统，方法包括：安装在基础设施上的监测终端采集基础设施的结构健康指标，并将所述结构健康指标发送至数据处理终端；所述数据处理终端对收到的结构健康指标进行分析处理，计算出基础设施的综合结构健康指标，并根据所述综合结构健康指标获取综合健康等级；所述数据处理终端，通过通信模块发送至中心平台，对综合结构健康指标和综合结构健康等级进行显示。本发明的监测终端能够采集多维度结构健康指标并将采集到的结构健康指标发送至数据处理终端进行健康评估，实现了对桥梁、隧道、边坡、大坝、重要建筑物等基础设施的结构、性能和运行状态进行动态监测、自动采集与分析评估。
Description
技术领域
本发明涉及智能监测技术领域，特别是一种多维度结构健康无损识别方法及系统。
背景技术
现有的结构健康监测，多为单指标指标传感器，需要监测多个指标时，往往需要分布式安装多个传感器，拉线和布线复杂，且有些传感器，涉及到，提前预埋或者需要嵌入式安装，达不到无损安装。在一些特殊应用场景或者临时性监测应用场景，施工比较复杂，无法快速部署得出相关的指标，无法得出基础的综合结构健康指标，也无法及时做出健康状态评估，指导建构健康监测的运营和管理。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种多维度结构健康无损识别方法及系统，能够实现监测终端的快速无损安装，且多维度快速采集基础设施的结构健康指标，并通过数据处理终端获取到基础设施的综合结构健康指标及结构健康等级，实现了对桥梁、隧道、重要建筑物等基础设施的结构、性能和运行状态进行动态监测、自动采集与分析评估。
本发明采用如下技术方案：
一方面，一种多维度结构健康无损识别方法，包括：
安装在基础设施上的监测终端采集基础设施的结构健康指标，并将所述结构健康指标发送至数据处理终端；基础设施的结构健康指标包括加速度指标、频率指标、振幅指标、位移指标、沉降指标、经纬度指标、海拔高程指标、天文授时、倾角指标、方向角指标、姿态指标、温湿度指标、平衡度、人体舒适度、地震烈度和索力强度中的一个及以上；
所述数据处理终端对收到的结构健康指标进行分析处理，计算出基础设施的综合结构健康指标，并根据所述综合结构健康指标获取综合结构健康等级，通过通信模块发送至中心平台；
所述中心平台对接收到的综合结构健康指标和综合结构健康等级进行显示。
优选的，所述基础设施的综合结构健康指标的计算方法，如下：
其中，K表示综合结构健康指标；hn表示第n个健康指标的变化率；cn表示第n个健康指标的累积增长率；δn表示第n个健康指标的测量标准差；Vn表示第n个健康指标的参考平均值；Bn表示第n个健康指标的参考标准差值；n表示当前基础设施的健康指标的个数，n大于等于1。
优选的，第n个健康指标的变化率hn等于健康指标变化量的测量值与固定值的比例，如
下：
其中，mn表示第n个健康指标的变化量的测量值；Mn表示第n个健康指标的固定值。
优选的，第n个健康指标的累积增长率cn等于累计变化量与参考的比例，如下：
其中，Tn表示累计变化量；Vn表示参考平均值。
优选的，基础设施的综合结构健康指标的计算方法以天为单位，所述参考平均值和参考标准差值通过采集一周的结构健康指标进行自学习，具体如下：
自学习监测一周的结构健康指标，采用统计模式算法，进行数据自学习评估，包括：
首先基于监测终端一周采集的结构健康指标计算出每个结构健康指标的参考平均值；然后计算每个指标一天内的测量标准差，以及累积增长率；并通过第三方仪器标定数据，进行数据可靠性评估，最终确定每个结构健康指标的日参考平均值和参考标准差。
优选的，所述的多维度结构健康无损识别方法，还包括：将计算出的综合结构健康指标划分为若干等级，每一个等级对应一个综合结构健康等级。
优选的，监测终端采集基础设施的结构健康指标的方法，包括：
通过温湿度传感器，分别采集温度和湿度，作为其他传感器指标的温度修正根据，对其他传感器的数值进行修正；通过加速度传感器，结合振动传感器，根据异动振动频率和振幅，判断是否异动，通过滤波算法，过滤和修正加速度异常数据，再采用FFT快速傅里叶变换，计算出中心频率和振幅，同时通过三角函数算出三轴的倾角角度；通过地磁传感器计算出方位角，当监测终端不在水平位置，通过加速度计算倾角进行方位角的补偿；通过惯导传感器，采用欧拉公式，计算出姿态；内置GNSS定位模块，参考地面增强站和多源CORS站融合，进行时空同步，计算出位移、沉降、经纬度、海拔高程和天文授时。
优选的，所述的多维度结构健康无损识别方法，还包括：所述监测终端对采集到的结构健康指标进行预处理，计算出基础设施的瞬时位移、瞬时沉降、索力、平衡度、地震烈度和人体舒适度中一个及多个。
所述监测终端对采集到的结构健康指标进行预处理的方法，包括：
采用多自由度微振动诊断技术，实时计算瞬时位移和瞬时沉降；结合应用场景SHM算法，计算出包括平衡度、地震烈度和人体舒适度的应用场景指标。
另一方面，一种多维度结构健康无损识别系统，包括监测终端、数据处理终端、通信模块和中心平台；
所述监测终端安装在基础设施上，用于采集基础设施的结构健康指标，并将所述结构健康指标通过通信模块发送至数据处理终端；基础设施的结构健康指标包括温湿度指标、频率指标、振幅指标、位移指标、沉降指标、经纬度指标、海拔高程指标、天文授时、倾角指标、方向角指标、姿态指标、瞬时位移、瞬时沉降、索力、平衡度、地震烈度和人体舒适度中的一个及以上；
所述数据处理终端，用于对收到的结构健康指标进行分析处理，计算出基础设施的综合结构健康指标，并根据所述综合结构健康指标获取综合结构健康等级，通过所述通信模块发送至中心平台；
所述中心平台，用于对接收到的综合结构健康指标和综合结构健康等级进行显示。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的监测终端集成多维度指标结构健康检测，实现通过单设备即可进行多个指标采集，无需前装或者提取预埋，即装即用，无损安装；当监测终端安装到基础设施上后，通电即可在数据处理终端或监测终端上，查看对应的监测终端的相关数据，及时给出基础的健康评估(结构健康指标和综合结构健康等级)，大大减少了施工难度，对传统桥梁、隧道、重要建筑物等基础设施进行监测时，安装即使用；从而实现了对桥梁、隧道、重要建筑物等基础设施的结构、性能和运行状态，实施动态监测、自动采集与分析评估；能够推进重要基础设施风险信息共享、协同管控和分级分类管理，提高工程质量安全风险防控智慧化水平，开展基础设施长期性能观测，加强基础设施运行状态、运行规律和服役性能分析；
(2)本发明的综合结构健康指标的计算公式，作为结构健康检测综合评估指标，结合了多维度指标，可以适用于不同的基础设施，如可适用于桥梁、隧道、边坡、大坝等建筑物和构筑物，同时各种不同类型的基础设施(或基础设施的结构材料)又可以根据需要对公式中的结构健康指标进行调整，满足多样化的需求；
(3)本发明的综合结构健康指标计算公式中的日参考平均值和日参考标准差，采用统计模式算法进行数据自学习，以进行动态调节，能够满足对基础设施健康状态动态识别的需求；
(4)本发明基础设施的综合结构健康指标和综合结构健康等级，可以通过通信模块发送至中心平台软件(如管理人员/维护人员的监控中心大屏、电脑和手机等终端)，以实现对基础设施健康状态的实时监测，并显示监测终端采集到的结构健康指标、各结构健康指标的变化率、各结构健康指标的累积增长率、各结构健康指标的测量标准差、各结构健康指标的参考平均值、各结构健康指标的参考标准差值等，以便管理人员或维护人员对各结构健康指标有一个直观的了解。
附图说明
图1为本实施例的多维度结构健康无损识别方法的流程图；
图2为本实施例的监测终端到数据处理终端的数据交互框图；
图3为本实施例的多维度结构健康无损识别系统的结构框图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参见图1所示，本发明一种多维度结构健康无损识别方法，包括：
S101，安装在基础设施上的监测终端采集基础设施的结构健康指标，并将所述结构健康指标发送至数据处理终端；基础设施的结构健康指标包括频率指标、振幅指标、位移指标、沉降指标、经纬度指标、海拔高程指标、天文授时、倾角指标、方向角指标、姿态指标和温湿度指标中的一个及以上；
S102，所述数据处理终端对收到的结构健康指标进行分析处理，计算出基础设施的综合结构健康指标，并根据所述综合结构健康指标获取综合结构健康等级；
S103，所述数据处理终端，通过通信模块发送至中心平台，对综合结构健康指标和综合结构健康等级进行显示。参见图2所示，本实施例中，所述的监测终端集成了多个传感器技术，且内置了滤波算法、FFT智能分析算法和应用场景SHM算法等，能够分析结构健康监测近20项的结构健康指标，如附图中的频率指标、振幅指标、位移指标、沉降指标、倾角指标、方向角指标、姿态指标和温湿度指标，还可以包括经纬度指标、海拔高程指标、天文授时等。因此无需要分布式安装多个传感器，通过单台终稿，就可实现多个指标采集，无需前装或者提取预埋，即装即用，无损安装(通过在基础设施表面取几个孔，通过如螺栓等进行固定即可)，无需提前预埋或者破坏结构性安装。从而达到多维度结构健康无损识别，和健康诊断分析。
具体的，通过集成的多个传感器，采集相关指标具体如下。通过温湿度传感器，分别采集温度和湿度，并根据传感器已知的温度/湿度修正曲线，对传感器的数值进行修正。通过高精度加速度传感器，结合振动传感器，根据异动振动频率和振幅，判断是否异动，通过滤波算法，过滤和修正加速度异常数据，再采用FFT快速傅里叶变换，计算出中心频率和振幅，同时通过三角函数算出，三轴的倾角角度。通过地磁传感器计算出方位角，当设备不在水平位置，通过加速度计算倾角进行方位角的补偿。通过惯导传感器，采用欧拉公式，计算出姿态。内置GNSS高精度定位，参考地面增强站，和多源CORS站融合，时空精准同步，后台处理算法计算出，位移、沉降、经纬度、海拔高程、天文授时。采用多自由度微振动技术算法，实时计算瞬时位移和瞬时沉降，结合场景SHM算法，计算出平衡度、地震烈度度、舒适度等应用场景指标。
需要说明的是，具体实施时，可以在基础设施上安装一个或多个所述的监测终端。安装多个监测终端时，所述数据处理终端可以对各个监测终端的结构健康指标分别进行分析以计算出综合结构健康指标，再对各综合结构健康指标进行融合处理(如取平均值或根据安装位置按比例计算等)。所述数据处理终端还可以是对各个监测终端采集的结构健康指标进行融合处理后再计算出综合结构健康指标。具体可根据需要进行处理，本实施例不做限制。
此外，关于结构健康指标的采集，对于不同的基础设施，需要采集的结构健康指标可能不一样，因此，可以在监测终端进行采集指标的设定，只采集场景所需的结构健康指标。还可以是，在数据处理终端对采集的所有结构健康指标进行过滤，在分析时只选择所需的结构健康指标。具体可根据需要进行处理，本实施例不做限制。
进一步的，本发明的监测终端内置有通信模块，当安装上去后，通电即可与所述数据处理终端通信，以在所述数据处理终端上查看采集的结构健康指标，并进行分析处理，计算出基础设施的综合结构健康指标，并根据所述综合结构健康指标获取综合结构健康等级。具体的，可以通过TCP、HTTP/HTTPS、MQTT、NTRIP、RTCM等传输协议进行通信。此外，还可以在监测终端对需要传输的数据进行加密，以增加数据传输的安全性，还可以进行组网，进一步实现数据的安全分发。
参见图2所示，本实施例中，所述的数据处理终端可以是服务器终端。所述的中心平台可以是管理人员/维护人员的监控中心大屏、电脑和手机等终端。使用时，只需要在中心平台上安装APP软件，即可通过如图2所示的物联平台查看基础设施的结构健康指标、综合结构健康指标、综合结构健康等级等。具体的，平台上可以区分各种基础设施以分别监测，如可选择建筑物健康模型、桥梁健康模型、边坡健康模型、隧道健康模型等。
本实施例中，监测的指标还包括平衡度指标，通过分析角度和力模型，计算空间和力的平衡度指标，表示结构平衡指标。
所述的综合结构健康指标，作为结构健康检测综合评估指标，结合多维度指标指标。每种材料都有固有指标，结合传感器测量的变化量，和固有指标成反比例关系，结合实践应用场景，算出综合监控指标。实践过程中，与频率、振幅、和位移沉降为主，其他指标为辅综合分析。参考各种结构材料自身特点，如固有频率特性，和力的特性。
具体的，所述基础设施的综合结构健康指标的计算方法，如下：
其中，K表示综合结构健康指标；hn表示第n个健康指标的变化率；cn表示第n个健康指标的累积增长率；δn表示第n个健康指标的测量标准差；Vn表示第n个健康指标的参考平均值；Bn表示第n个健康指标的参考标准差值；n表示当前基础设施的健康指标的个数，n大于等于1。
第n个健康指标的变化率hn等于健康指标变化量的测量值与固定值的比例，如下：
其中，mn表示第n个健康指标的变化量的测量值；Mn表示第n个健康指标的固定值。
第n个健康指标的累积增长率cn等于累计变化量与参考平均值的比例，如下：
其中，Tn表示累计变化量；Vn表示参考平均值。
基础设施的综合结构健康指标的计算方法以天为单位，所述参考平均值和参考标准差值通过采集一周的结构健康指标进行自学习，具体如下：
自学习监测一周的结构健康指标，采用统计模式算法，进行数据自学习评估，包括：
首先基于监测终端一周采集的结构健康指标计算出每个结构健康指标的参考平均值；然后计算每个指标一天内的测量标准差，以及累积增长率，当标准差值一直稳定在设定的范围内，则确定每个结构健康指标的日参考平均值和参考标准差；若需要更精准测量，可以和第三方仪器进行标定数据，和数据可靠性评估，最终确定每个结构健康指标的日参考平均值和参考标准差。
后期运行的数据，就参考自学习后的参考平均值和参考标准差，对结构健康进行综合评估。比如，本周三发生了位移2mm，gnss后处理计算，每1个小时出一笔数据，当天累计2*24＝48mm。假设位移之前标定的参考平均值为4mm，则当天累计天的增长率c＝48/4＝12，如果隔天周四再发生位移，则累计1天增长率会放大，从发现位移沉降。考虑到位移沉降时候，结构会在别的指标同时发生了变化，比如倾角和振动频率和振幅等都会有相应变化，导致标准差普遍偏大，累计增长率变大。所有会从多维度指标综合监控分析。
所述的多维度结构健康无损识别方法，还包括：将计算出的综合结构健康指标划分为若干等级，每一个等级对应一个综合结构健康等级。一实施中，综合结构健康指标与综合结构健康等级的对应关系如下表1所示。
表1-结构健康指标等级说明
以下为日平均值数据。先从频率、振幅、位移、沉降、倾角几个维度来分析，当然也可以通过更多的指标的分析，但是要提供1周数据，根据检测经验值设定一个目标标准差，自学习参考变化量平均值和参考标准差。各分析数据如下表2所示。
表2-测量指标示例
则根据表2中的数据，可计算出综合结构健康指标 (本实施例中的n等于10)。这个表格计算的值为13.62，根据结构健康指标等级表1，可以判断落在了结构健康指标B级，显示有一定的风险，通过观察表格，可以看到，沉降这个指标的的测量标准差较大，累计1天位移增长率较大，所以主要风险在沉降这块，需要派人进一步测量和观察沉降，并综合个评估对结构健康安全的影响。
另一方面，参见图3所示，一种多维度结构健康无损识别系统，包括监测终端301、数据处理终端302和中心平台303；
所述监测终端301安装在基础设施上，用于采集基础设施的结构健康指标，并将所述结构健康指标通过通信模块发送至数据处理终端302；基础设施的结构健康指标包括温湿度指标、频率指标、振幅指标、位移指标、沉降指标、经纬度指标、海拔高程指标、天文授时、倾角指标、方向角指标、姿态指标、瞬时位移、瞬时沉降、索力、平衡度、地震烈度和人体舒适度中的一个及以上；
所述数据处理终端302，用于对收到的结构健康指标进行分析处理，计算出基础设施的综合结构健康指标，并根据所述综合结构健康指标获取综合结构健康等级；
所述数据处理终端302还用于通过通信模块将所述综合结构健康指标和综合结构健康等级发送至中心平台303；
所述中心平台303，用于对接收到的所述综合结构健康指标和综合结构健康等级进行显示。
一种多维度结构健康无损识别系统的具体实现同一种多维度结构健康无损识别方法，本实施例不做重复说明。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (9)
1.一种多维度结构健康无损识别方法，其特征在于，包括：
安装在基础设施上的监测终端采集基础设施的结构健康指标，并将所述结构健康指标发送至数据处理终端；基础设施的结构健康指标包括加速度指标、频率指标、振幅指标、位移指标、沉降指标、经纬度指标、海拔高程指标、天文授时、倾角指标、方向角指标、姿态指标、温湿度指标、平衡度、人体舒适度、地震烈度和索力强度中的一个及以上；
所述数据处理终端对收到的结构健康指标进行分析处理，计算出基础设施的综合结构健康指标，并根据所述综合结构健康指标获取综合结构健康等级，通过通信模块发送至中心平台；
所述中心平台对接收到的综合结构健康指标和综合结构健康等级进行显示；
所述基础设施的综合结构健康指标的计算方法，如下：
其中，K表示综合结构健康指标；hn表示第n个健康指标的变化率；cn表示第n个健康指标的累积增长率；δn表示第n个健康指标的测量标准差；Vn表示第n个健康指标的参考平均值；Bn表示第n个健康指标的参考标准差值；n表示当前基础设施的健康指标的个数，n大于等于1。
2.根据权利要求1所述的多维度结构健康无损识别方法，其特征在于，第n个健康指标的变化率hn等于健康指标变化量的测量值与固定值的比例，如下：
其中，mn表示第n个健康指标的变化量的测量值；Mn表示第n个健康指标的固定值。
3.根据权利要求1所述的多维度结构健康无损识别方法，其特征在于，第n个健康指标的累积增长率cn等于累计变化量与参考平均值的比例，如下：
其中，Tn表示累计变化量；Vn表示参考平均值。
4.根据权利要求1所述的多维度结构健康无损识别方法，其特征在于，基础设施的综合结构健康指标的计算方法以天为单位，所述参考平均值和参考标准差值通过采集一周的结构健康指标进行自学习，具体如下：
自学习监测一周的结构健康指标，采用统计模式算法，进行数据自学习评估，包括：
首先基于监测终端一周采集的结构健康指标计算出每个结构健康指标的参考平均值；然后计算每个指标一天内的测量标准差，以及累积增长率；并通过第三方仪器标定数据，进行数据可靠性评估，最终确定每个结构健康指标的日参考平均值和参考标准差。
5.根据权利要求1所述的多维度结构健康无损识别方法，其特征在于，还包括：将计算出的综合结构健康指标划分为若干等级，每一个等级对应一个综合结构健康等级。
6.根据权利要求1所述的多维度结构健康无损识别方法，其特征在于，监测终端采集基础设施的结构健康指标的方法，包括：
通过温湿度传感器，分别采集温度和湿度，作为其他传感器指标的温度修正根据，对其他传感器的数值进行修正；通过加速度传感器，结合振动传感器，根据异动振动频率和振幅，判断是否异动，通过滤波算法，过滤和修正加速度异常数据，再采用FFT快速傅里叶变换，计算出中心频率和振幅，同时通过三角函数算出三轴的倾角角度；通过地磁传感器计算出方位角，当监测终端不在水平位置，通过加速度计算倾角进行方位角的补偿；通过惯导传感器，采用欧拉公式，计算出姿态；内置GNSS定位模块，参考地面增强站和多源CORS站融合，进行时空同步，计算出位移、沉降、经纬度、海拔高程和天文授时。
7.根据权利要求1所述的多维度结构健康无损识别方法，其特征在于，还包括：所述监测终端对采集到的结构健康指标进行预处理，计算出基础设施的瞬时位移、瞬时沉降、索力、平衡度、地震烈度和人体舒适度中一个及多个。
8.根据权利要求7所述的多维度结构健康无损识别方法，其特征在于，所述监测终端对采集到的结构健康指标进行预处理的方法，包括：
采用多自由度微振动诊断技术，实时计算瞬时位移和瞬时沉降；结合应用场景SHM算法，计算出包括平衡度、地震烈度和人体舒适度的应用场景指标。
9.一种多维度结构健康无损识别系统，其特征在于，包括监测终端、数据处理终端、通信模块和中心平台；
所述监测终端安装在基础设施上，用于采集基础设施的结构健康指标，并将所述结构健康指标通过通信模块发送至数据处理终端；基础设施的结构健康指标包括温湿度指标、频率指标、振幅指标、位移指标、沉降指标、经纬度指标、海拔高程指标、天文授时、倾角指标、方向角指标、姿态指标、瞬时位移、瞬时沉降、索力、平衡度、地震烈度和人体舒适度中的一个及以上；
所述数据处理终端，用于对收到的结构健康指标进行分析处理，计算出基础设施的综合结构健康指标，并根据所述综合结构健康指标获取综合结构健康等级，通过所述通信模块发送至中心平台；
所述中心平台，用于对接收到的综合结构健康指标和综合结构健康等级进行显示；
所述基础设施的综合结构健康指标的计算方法，如下：
其中，K表示综合结构健康指标；hn表示第n个健康指标的变化率；cn表示第n个健康指标的累积增长率；δn表示第n个健康指标的测量标准差；Vn表示第n个健康指标的参考平均值；Bn表示第n个健康指标的参考标准差值；n表示当前基础设施的健康指标的个数，n大于等于1。
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Citations (7)
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-
2022
- 2022-02-09 CN CN202210121376.2A patent/CN114739446B/zh active Active
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