CN116295637A - 一种高空建筑安全智能监测的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空建筑安全智能监测的方法及系统，它涉及高空建筑安全技术领域。通过摄像器监控高空建筑，采集温度、风速等环境数据，采集沉降、位移、应变、部件脱落等静态数据和倾斜、振动等动态数据，对采集的数据进行实时分类处理，对异常数据发出警报通知，对实时数据进行存储，通过网络传输至云端，通过数据治理与分析，对高空建筑安全风险等级进行全方位管控。本发明通过对高空建筑结构运行状态的实时在线监测，构建结构监测预警、风险管控体系，实现对高空建筑的倾斜变形、裂缝变形和沉降变形等情况进行数据采集和动态监测预警，及早发现隐患，降低建筑安全事故的风险，全面提升结构安全水平和安全管理水平。

Description

一种高空建筑安全智能监测的方法及系统

技术领域

本发明涉及的是高空建筑安全技术领域，具体涉及一种高空建筑安全智能监测的方法及系统。

背景技术

由于高空建筑结构自身、维修保养、环境影响等多种因素交织作用，缺乏自我保障能力，抗灾应变能力脆弱。高空建筑易出现局部板材脱落、钢结构锈蚀、老化等现象，存在较大的安全事故隐患，且日趋严峻，给业主单位安全生产带来严重影响。从全国各地排查情况来看，高空建筑主要存在以下的问题：

(1)老旧高空建筑建设标准较低：

上世纪八九十年代的高空建筑设计建设，执行的是当时的高空建筑建设标准和高空建筑建筑设计规范，当时的国家标准对抗震设防还没有强制性要求，采用执行的设计规范、施工工艺、建筑材料标准较低。

(2)施工工艺相对落后：

部分高空建筑在建造施工时，基础防潮处理工艺简单，造成基础受潮后强度受到影响；部分高空建筑承重墙采用的材料强度偏低，影响承重墙体强度；楼面普遍采用预制多孔板工艺，整体性较弱。

(3)后期使用管理不当：

随着城市化进程的加快和城市人口的急剧扩展，处于中心城区的老旧高空建筑频繁交易，加上对建筑安全缺乏常识性认识，违规装修、野蛮装修时有发生，如敲拆承重墙体或承重构件、底层破墙开店等，这些行为严重损坏建筑主体结构的整体性与安全性。

(4)受到周边环境的综合影响：

建筑周边道路及配套经多次改造完善，路面标高大幅提高，交通流量快速增加，再加上低洼处积水，均在不同程度上加剧了建筑不均匀沉降和侵蚀。

基于此，开发一种高空建筑安全智能监测的方法及系统尤为必要。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种高空建筑安全智能监测的方法及系统，实现对高空建筑的倾斜变形、裂缝变形和沉降变形等情况进行数据采集和动态监测预警，及早发现隐患，降低建筑安全事故的风险，全面提升结构安全水平和安全管理水平，易于推广使用。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种高空建筑安全智能监测的系统，包括传感器层、数据采集层、网络传输层和应用处理层，所述的传感器层包括有倾斜传感芯片、温度传感器、静力水准仪、加速度传感器、振弦传感器、位移传感器、GNSS传感器、风速风向仪，传感器层中的传感器将各自采集的数据经数据采集层中的各类数据采集模块由网络传输层传输至应用处理层；采集的数据经GPRS数传终端由4G和Internet网络传输至远端服务器及数据库，采集的数据还经以太网接入模块由路由器传输至本地服务器及数据库。

一种高空建筑安全智能监测的方法，其步骤为：

(1)通过摄像器监控高空建筑，采集温度、风速等环境数据，采集沉降、位移、应变、部件脱落等静态数据和倾斜、振动等动态数据；

(2)对采集的数据进行实时分类处理；

(3)对异常数据发出警报通知；

(4)对实时数据进行存储，通过网络传输至云端；

(5)通过数据治理与分析，对高空建筑安全风险等级进行全方位管控。

作为优选，所述的步骤(1)采用风速风向仪进行风速风向监测，风速风向仪的数量和布置应能够获得高空建筑顶部以及腰部不同方向的来流风速和风向数据，其采样频率为10次/秒；风速风向仪安装在建筑绕流影响区域之外，避免建筑物端部绕流对风速测量的影响；风速风向仪采用一台机械式风速测量装置和一台超声式风速测量装置成对设置，保持较高的风速风向测量精度，同时避免雷击和落雨影响。

作为优选，所述的步骤(1)采用加速度传感器监测日常运维过程中高空建筑在动载(地震、风以及环境振动等)作用下的加速度响应，加速度传感器布置在高空建筑1/4总高处、腰部、3/4总高处、顶部，采样频率为50HZ，通过对加速度响应数据的后处理，得到高空建筑结构的动力特性，即频率、阻尼和位移模态。

作为优选，所述的步骤(1)采用GNSS传感器进行GNSS位移监测，GNSS传感器布置在高空建筑顶部以及腰部，采样频率为12次/小时，用于监测高空建筑水平、竖向位移以及整体轮廓变化。

作为优选，所述的步骤(1)采用静力水准仪进行基础不均匀沉降监测，静力水准仪布置在高空建筑底部地下一层楼面上，采样频率为1次/小时，用于监测高空建筑基础的不均匀沉降情况。

作为优选，所述的步骤(1)采用位移传感器监测高空建筑内部钢桁架在动载(地震、风以及环境振动等)、静载作用下的动、静态应变，位移传感器布置在高空建筑内部钢桁架上，采样频率为50HZ，通过动、静态应变的监测获得应变模态，通过荷载、位移、应变响应分析，感知结构损伤。

作为优选，所述的步骤(1)采用温度传感器监测日常运维过程中内部温度的变化，温度传感器安装在高空建筑内部腰部以及顶部，采样频率为1次/小时，通过温度监测建立结构响应和温度的关系，用于结构计算模型的修正。

作为优选，所述的步骤(5)包括高空建筑监测特征分析、振动模态分析和温度效应分析：

①高空建筑监测特征分析根据实时监测数据，参考高空建筑以往的数据运行趋势和数据波动范围，具体分析测点的变化趋势与范围，分析测点的特征值，并进行数据的同比分析或环比分析，挖掘高空建筑结构的变化规律与机理，实现对高空建筑健康运行状态的全方位把控；

②振动模态分析结合实测数据和高空建筑有限元模型，分析计算得出高空建筑结构模态参数，得到高空建筑实际的工作模态频谱；通过对长期模态参数的对比和分析，可以实时了解高空建筑结构自身振动属性，掌握高空建筑刚度变化规律；

③温度效应分析用于分析温度与结构动态响应、结构静态响应各监测指标的统计特征数随时间变化的相关关系，总结不同温度情况下结构部件受环境温度影响明显的指标，如应变、位移等特征指标的变化趋势，建立温度对结构特征指标的影响规律，通过分析结果展示不同测点受温度相应相关性强弱、以及温度对结构响应产生影响的量化参数。

本发明的有益效果：本发明通过对高空建筑结构运行状态的实时在线监测，实现对高空建筑的倾斜变形、裂缝变形和沉降变形等情况进行数据采集和动态监测预警，实现高空建筑及其覆盖的风险区、安全敏感区的全面感知、全面监控、全面预警，同时通过海量数据积累和机器学习，优化系统风险识别、预测预警、安全评估等模型，提高系统预测研判的准确性，及早发现隐患，降低建筑安全事故的风险，进一步提升项目安全风险防控能力，提高项目安全主动保障能力，构建结构监测预警、风险管控体系，全面提升结构安全水平和安全管理水平，应用前景广阔。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明实施例1中摩天轮的结构示意图；

图3为本发明实施例1摩天轮外围铝板脱落监测示意图；

图4为本发明实施例1摩天轮内部钢结构检修爬梯锈蚀监测示意图；

图5为本发明实施例1摩天轮风速风向监测示意图；

图6为本发明实施例1摩天轮振动监测示意图；

图7为本发明实施例1摩天轮GNSS位移监测示意图；

图8为本发明实施例1摩天轮应变监测示意图；

图9为本发明实施例1摩天轮温度监测示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-9，本具体实施方式采用以下技术方案：一种高空建筑安全智能监测的系统，包括传感器层、数据采集层、网络传输层和应用处理层，所述的传感器层包括有倾斜传感芯片、温度传感器、静力水准仪、加速度传感器、振弦传感器、位移传感器、GNSS传感器、风速风向仪，传感器层中的传感器将各自采集的数据经数据采集层中的各类数据采集模块由网络传输层传输至应用处理层；采集的数据经GPRS数传终端由4G和Internet网络传输至远端服务器及数据库，采集的数据还经以太网接入模块由路由器传输至本地服务器及数据库。

本系统利用现场的无损传感技术、通过信号分析，实现监测结构变形成损伤等，基于前端物联网监测，实现结构异常实时预警预报。利用监测数据相关分析方法、模态分析等专业模型，对高空建筑结构的安全评估与健康诊断。

一种高空建筑安全智能监测的方法，其步骤为：通过摄像器监控高空建筑，采集温度、风速等环境数据，采集沉降、位移、应变、部件脱落等静态数据和倾斜、振动等动态数据；对采集的数据进行实时分类处理；对异常数据发出警报通知；对实时数据进行存储，通过网络传输至云端；通过数据治理与分析，对高空建筑安全风险等级进行全方位管控。

值得注意的是，本方法对该高空建筑运营阶段监测内容包括外围固件脱落监测、内部检修通道监测、风速风向监测、振动监测、GNSS位移监测、基础不均匀沉降监测、动态与静态应变监测、温度监测及基于监测的安全评估。其中，采用风速风向仪进行风速风向监测，风速风向仪的数量和布置应能够获得高空建筑顶部以及腰部不同方向的来流风速和风向数据，其采样频率为10次/秒；风速风向仪安装在建筑绕流影响区域之外，避免建筑物端部绕流对风速测量的影响；风速风向仪采用一台机械式风速测量装置和一台超声式风速测量装置成对设置，保持较高的风速风向测量精度，同时避免雷击和落雨影响。

加速度传感器用于监测日常运维过程中高空建筑在动载(地震、风以及环境振动等)作用下的加速度响应，加速度传感器布置在高空建筑1/4总高处、腰部、3/4总高处、顶部，采样频率为50HZ，通过对加速度响应数据的后处理，得到高空建筑结构的动力特性，即频率、阻尼和位移模态。当监测到风速超过10m/s(5级风)时，自动触发加速度进行加密采集，后台实时分析传感器数据，当超过相应预警值时，触发报警。

GNSS传感器用于进行GNSS位移监测，GNSS传感器布置在高空建筑顶部以及腰部，采样频率为12次/小时，用于监测高空建筑水平、竖向位移以及整体轮廓变化。

静力水准仪用于进行基础不均匀沉降监测，静力水准仪布置在高空建筑底部地下一层楼面上，采样频率为1次/小时，用于监测高空建筑基础的不均匀沉降情况。

位移传感器用于监测高空建筑内部钢桁架在动载(地震、风以及环境振动等)、静载作用下的动、静态应变，位移传感器布置在高空建筑内部钢桁架上，采样频率为50HZ，通过动、静态应变的监测获得应变模态，通过荷载、位移、应变响应分析，感知结构损伤。当监测到风速超过10m/s(5级风)时，自动触发应变传感器进行加密采集，后台实时分析传感器数据，当超过相应预警值时，触发报警。

温度传感器用于监测日常运维过程中内部温度的变化，温度传感器安装在高空建筑内部腰部以及顶部，采样频率为1次/小时，通过温度监测建立结构响应和温度的关系，用于结构计算模型的修正。

本具体实施方式需要对监测数据进行进一步分析，主要包括监测综合分析与深度挖掘、突发事件报警研判以及管养建议及信息咨询。

(1)监测综合分析与深度挖掘包括高空建筑监测特征分析、振动模态分析和温度效应分析：

①高空建筑监测特征分析根据实时监测数据，参考高空建筑以往的数据运行趋势和数据波动范围，具体分析测点的变化趋势与范围，分析测点的特征值，并进行数据的同比分析或环比分析，挖掘高空建筑结构的变化规律与机理，实现对高空建筑健康运行状态的全方位把控；

②振动模态分析结合实测数据和高空建筑有限元模型，分析计算得出高空建筑结构模态参数，得到高空建筑实际的工作模态频谱；通过对长期模态参数的对比和分析，可以实时了解高空建筑结构自身振动属性，掌握高空建筑刚度变化规律；

③温度效应分析用于分析温度与结构动态响应、结构静态响应各监测指标的统计特征数随时间变化的相关关系，总结不同温度情况下结构部件受环境温度影响明显的指标，如应变、位移等特征指标的变化趋势，建立温度对结构特征指标的影响规律，通过分析结果展示不同测点受温度相应相关性强弱、以及温度对结构响应产生影响的量化参数。

(2)突发事件报警研判：进行地震、大风极端恶劣天气等突发事件对高空建筑的影响分析，通过监测系统获得高空建筑的实时监测数据与分析数据，在相关专业化分析方法支撑与规范化处理流程支持下，对各类突发事件，做到及时响应与处置，同时将事件概况及时通知相关权属单位提供全方位的技术支撑与辅助决策支持，并及时跟踪事件发生经过，对事故进行具体分析与归纳总结。针对突发事件对高空建筑结构健康状态的影响，后续为相关权属单位出具突发事件分析报告或记录。

(3)管养建议及信息咨询：根据高空建筑运行和养护状态，给出影响高空建筑安全的管养建议；同时立足于海量历史监测数据和分析成果的基础上，结合以往高空建筑巡检报告及定期检测报告，提供信息咨询服务，包括高空建筑监测、检测、养护历史数据记录查询、高空建筑重点检查部位建议、高空建筑病害机理咨询等服务。

本具体实施方式根据安全监测、预警与应急管理系统的特征和目标，实现以下五个方面需求：

Ⅰ.基础信息管理：对高空建筑基础构件信息进行管理，内容包括：结构构件组成信息、结构构件设计信息、结构构件检测信息、结构构件维修加固信息、结构监测点位信息、结构监测设备信息、结构数值模拟结果信息。

Ⅱ.实时监测与分析：对结构安全监测结果进行实时展示，通过安全阈值、数据分析方法和评估方法对监测结果进行分析。

Ⅲ.应急辅助决策支持：通过建立预案库、知识库等对监测分析结果进行匹配，从发生机理等角度对监测结果进行分析，并结合预案库对决策进行辅助支持。

Ⅳ.报警预警：对监测系统所发出的监测结果和报警信息进行处理、报警信息与数据分析报告发送和全链条跟踪记录报警信息处理过程。

Ⅴ.检测与养护管理：对检测与养护工作提供移动端数据采集功能以及系统数据服务功能，辅助检测养护工作和数据管理。

本具体实施方式采用集成技术，由硬件和软件两方面组成，硬件设备主要包括各传感器、解调器、计算机服务器、便携式计算机等，软件主要包括各项监测项目配套软件、数据库、数据管理系统及工作状态综合评估系统。本系统将计算机、传感、信号处理技术、软件开发、结构分析与结构检测技术等项融合，将监测对象的信息、管理、使用监测及结构状态评估等相综合，为结构的健康监测和状态评估管理提供科学的手段和方法。本系统实现对高空建筑基本信息的管理、监测信息的可视化展示、分析评估、预警管理及辅助决策支持等功能；实现了对高空建筑结构变化的及时感知和分析；能够有效识别结构损伤并自动预警，确保高空建筑安全运营；记录结构状态及长期变化趋势，评估发展态势，定期对高空建筑结构安全评估。

本具体实施方式通过软件平台建立全过程、全天候、立体化安全运行监测系统，构建结构监测预警、风险管控体系，该健康监测与评估管理系统功能全面、强大，操作简便，能更好地完成监测工作，达到监测的预期目的，实现管理的电子化、规范化、科学化，准确合理的把握结构的健康状态，节省人力及其它不必要的资源浪费，同时该系统有效地提高运营期养护管理水平和效率，有助于保障结构的安全，全面提升结构安全水平，安全管理由“以治为主”向“以防为主”转变，由“被动应付”向“主动监管”转变，全面提升安全管理水平。

实施例1：一种高空建筑安全智能监测的方法及系统，以图2中摩天轮为例，地上部分为钢结构摩天轮，平面形状为圆环状，塔外侧设有吊篮，摩天轮钢结构外侧幕墙为铝单板，铝单板通过螺丝固定于钢结构龙骨，钢结构龙骨与主体钢结构焊接。

对该摩天轮的沉降、倾斜、水平位移、裂缝、振动、风速风向、温湿度等参数的高频自动化采集，通过网络上传到监测平台，实时掌握建筑物的健康状态。当监测数值达到阈值时，平台会自动通过短信、邮件以及APP推送等多种手段预警，提醒相关人员对建筑安全及时有效处理，预防安全事故的发生，紧急时刻提醒现场人员撤离危险区域，保障人民的生命财产安全。

对该摩天轮运营阶段监测内容包括：外围铝板脱落监测、内部检修爬梯监测、风速风向监测、振动监测GNSS位移监测、基础不均匀沉降监测、动态与静态应变监测、温度监测及基于监测的安全评估，具体地：

(1)摩天轮外围铝板脱落监测：在摩天轮每块铝板内侧布设光纤监测系统，用于监测铝板脱开情况。摩天轮一个断面共计5块铝板，其中在箱梁侧面铝板布设两条光纤，内圆弧面每块铝板布设一条光纤测点，箱梁底面每块铝板布设一条光纤，共计铺设10条光纤。监测原理：通过采集断点位置，来判断铝板脱开的具体位置，光纤安装位置见图3。

(2)内部钢结构检修爬梯锈蚀监测：在摩天轮内部钢结构检修爬梯附近布设高分辨率相机，用来监测钢结构爬梯的锈蚀情况。监测原理：主要是根据拍摄的照片，来做图形的相关分析，通过生锈位置色彩的变化判断爬梯的锈蚀情况。测点布置如图4。

(3)风速风向监测：风速风向监测传感器数量和布置应能够获得摩天轮顶部以及腰部不同方向的来流风速和风向数据。为尽可能保持较高的风速风向测量精度，同时避免雷击和落雨影响，在配置风速测量装置时应考虑一台机械式风速测量装置和一台超声式风速测量装置成对设置。为进一步避免建筑物端部绕流对风速测量的影响，应将风速仪安装在建筑绕流影响区域之外。共计配备3台风速仪进行风速风向的观测，风速仪采样频率50Hz，测点布置如图5。

(4)振动监测：运营阶段，在摩天轮1/4总高处、腰部、3/4总高处、顶部布置三向加速度计，共计7组加速度计。用于监测日常运维过程中，摩天轮在动载作用下的加速度响应，通过对加速度响应数据的后处理，可以得到摩天轮结构的动力特性，即频率、阻尼和位移模态。测点布置如图6。

(5)GNSS位移监测：在摩天轮顶部以及腰部布置GNSS传感器，用于监测摩天轮水平、竖向位移以及整体轮廓变化。总计四个测点，包含一个基准点，测点布置如图7。

(6)应变监测：在摩天轮内部钢桁架上布置LVDT位移传感器，用于监测摩天轮内部钢桁架在动载、静载作用下的动、静态应变，通过动、静态应变的监测获得应变模态，通过荷载、位移、应变响应分析，感知结构损伤。在内部南北半圆钢桁架上各布置32个测点，共计64个测点。测点布置如图8。

(7)温度监测：在摩天轮内部腰部以及顶部安装温度传感器，用于监测日常运过程中内部温度的变化。主要是通过温度监测建立结构响应和温度的关系，用于结构计算模型的修正。通过温度共计三个监测点。测点布置如图9。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种高空建筑安全智能监测的系统，其特征在于，包括传感器层、数据采集层、网络传输层和应用处理层，所述的传感器层包括有倾斜传感芯片、温度传感器、静力水准仪、加速度传感器、振弦传感器、位移传感器、GNSS传感器、风速风向仪，传感器层中的传感器将各自采集的数据经数据采集层中的各类数据采集模块由网络传输层传输至应用处理层；采集的数据经GPRS数传终端由4G和Internet网络传输至远端服务器及数据库，采集的数据还经以太网接入模块由路由器传输至本地服务器及数据库。

2.一种高空建筑安全智能监测的方法，其特征在于，其步骤为：

(1)通过摄像器监控高空建筑，采集温度、风速环境数据，采集沉降、位移、应变、部件脱落静态数据和倾斜、振动动态数据；

(2)对采集的数据进行实时分类处理；

(3)对异常数据发出警报通知；

(4)对实时数据进行存储，通过网络传输至云端；

(5)通过数据治理与分析，对高空建筑安全风险等级进行全方位管控。

3.根据权利要求2所述的一种高空建筑安全智能监测的方法，其特征在于，所述的步骤(1)采用风速风向仪进行风速风向监测，获得高空建筑顶部以及腰部不同方向的来流风速和风向数据，其采样频率为10次/秒；风速风向仪安装在建筑绕流影响区域之外，避免建筑物端部绕流对风速测量的影响；风速风向仪采用一台机械式风速测量装置和一台超声式风速测量装置成对设置，保持风速风向测量精度，同时避免雷击和落雨影响。

4.根据权利要求2所述的一种高空建筑安全智能监测的方法，其特征在于，所述的步骤(1)采用加速度传感器监测日常运维过程中高空建筑在动载作用下的加速度响应，加速度传感器布置在高空建筑1/4总高处、腰部、3/4总高处、顶部，采样频率为50HZ，通过对加速度响应数据的后处理，得到高空建筑结构的动力特性，即频率、阻尼和位移模态。

5.根据权利要求2所述的一种高空建筑安全智能监测的方法，其特征在于，所述的步骤(1)采用GNSS传感器进行GNSS位移监测，GNSS传感器布置在高空建筑顶部以及腰部，采样频率为12次/小时，用于监测高空建筑水平、竖向位移以及整体轮廓变化。

6.根据权利要求2所述的一种高空建筑安全智能监测的方法，其特征在于，所述的步骤(1)采用静力水准仪进行基础不均匀沉降监测，静力水准仪布置在高空建筑底部地下一层楼面上，采样频率为1次/小时，用于监测高空建筑基础的不均匀沉降情况。

7.根据权利要求2所述的一种高空建筑安全智能监测的方法，其特征在于，所述的步骤(1)采用位移传感器监测高空建筑内部钢桁架在动载、静载作用下的动、静态应变，位移传感器布置在高空建筑内部钢桁架上，采样频率为50HZ，通过动、静态应变的监测获得应变模态，通过荷载、位移、应变响应分析，感知结构损伤。

8.根据权利要求2所述的一种高空建筑安全智能监测的方法，其特征在于，所述的步骤(1)采用温度传感器监测日常运维过程中内部温度的变化，温度传感器安装在高空建筑内部腰部以及顶部，采样频率为1次/小时，通过温度监测建立结构响应和温度的关系，用于结构计算模型的修正。

9.根据权利要求2所述的一种高空建筑安全智能监测的方法，其特征在于，所述的步骤(5)包括高空建筑监测特征分析、振动模态分析和温度效应分析：

①高空建筑监测特征分析根据实时监测数据，参考高空建筑以往的数据运行趋势和数据波动范围，具体分析测点的变化趋势与范围，分析测点的特征值，并进行数据的同比分析或环比分析，挖掘高空建筑结构的变化规律与机理，实现对高空建筑健康运行状态的全方位把控；

②振动模态分析结合实测数据和高空建筑有限元模型，分析计算得出高空建筑结构模态参数，得到高空建筑实际的工作模态频谱；通过对长期模态参数的对比和分析，可以实时了解高空建筑结构自身振动属性，掌握高空建筑刚度变化规律；

③温度效应分析用于分析温度与结构动态响应、结构静态响应各监测指标的统计特征数随时间变化的相关关系，总结不同温度情况下结构部件受环境温度影响明显的指标，建立温度对结构特征指标的影响规律，通过分析结果展示不同测点受温度相应相关性强弱、以及温度对结构响应产生影响的量化参数。

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