CN116434490A - 基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，用于高层建筑，所述高层建筑倾斜监测预警系统包括卫星定位基准站、设置于所述高层建筑顶部的卫星定位监测站和倾斜预警装置，所述倾斜预警装置包括：监测站卫星定位方差阵元素获取单元，用于获取所述监测站的卫星定位方差阵元素；倾斜预警参数确定单元，根据所述卫星定位方差阵元素，确定各历元的倾斜预警参数；高层建筑倾斜监测参数确定单元，确定对应历元的高层建筑倾斜监测参数；以及报警单元，根据所述倾斜预警参数和高层建筑倾斜监测参数进行报警。

Description

基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统

技术领域

本发明涉及高层建筑倾斜检测的技术领域，尤其涉及高层建筑倾斜监测预警技术。

背景技术

随着工程建设总量和规模越来越大，因勘察、设计、施工、使用不当或因改扩建荷载变化、受邻近新建工程和自然灾害影响等导致建筑物倾斜时有发生。当建筑物高度大于一定高度的住宅建筑、非单层厂房、仓库或其他民用建筑等，称为高层建筑。高层建筑一旦出现倾斜和晃动，会产生严重的后果。因而实时准确地对高层建筑的倾斜进行检测，并及时报警，具有重要的意义。

发明内容

本发明鉴于以上情况，提出用于缓解或消除现有技术中存在的一项或更多的缺点，至少提供一种有益的选择。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，用于高层建筑，所述高层建筑倾斜监测预警系统包括卫星定位基准站、设置于所述高层建筑顶部的卫星定位监测站和倾斜预警装置，所述倾斜预警装置包括：监测站卫星定位方差阵元素获取单元，用于获取所述监测站的卫星定位方差阵元素；倾斜预警参数确定单元，根据所述卫星定位方差阵元素，确定各历元的倾斜预警参数；高层建筑倾斜监测参数确定单元，确定对应历元的高层建筑倾斜监测参数；以及报警单元，根据所述倾斜预警参数和高层建筑倾斜监测参数进行报警。

依据本发明的技术方案，能够考虑到检测设备自身的测量误差来进行倾斜实时检测，所述的监测预警准确度变高。

根据本发明的有些实施方式，由于没有采用卫星定位监测站的接收机标称精度而是采用基于卫星定位方差阵元素的技术方案，因而能够提高监测预警准确度。

附图说明

结合附图，可以更好地理解本发明。但是附图仅仅是示例性的，也不是按照比例绘制的，不是对本发明的保护范围的限制。

图1示出了依据本发明的一种实施方式的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统的示意图；

图2示出了依据本发明的一种实施方式的倾斜预警装置的示意性功能方框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步详述，但不构成对本发明的任何限制。附图中没有示出虽然与高层建筑倾斜监测预警的工作相关但对于理解本发明无关的部件，说明书中也没有描述这些部件，这些部件可以采用现在已知的或未来获知的各种技术，均在本发明的保护范围内。

图1示出了依据本发明的一种实施方式的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统的示意图。如图1所示，依据本发明的一种实施方式的高层建筑倾斜监测预警系统包括基准站(卫星定位基准站)11、设置在高层建筑的顶部的监测站(卫星定位监测站)12，该监测站12包括卫星定位接收机(GNSS接收机)，可以和地面设置的基准站11通信。基准站11可以架设在视野开阔、遮挡少的地方。基准站和监测站通过对导航卫星进行定位，也可以自身定位。该监测站12如何接收导航卫星信号、以及如何与基准站11进行交互，如何接收和使用GNSS卫星差分改正信号可以采用本领域所知的任何方法实现，在此不予赘述。虽然图中将基准站11标示为北斗基准站(BDS基准站)，将监测站12标示为北斗监测站(BDS监测站)，但是它们可以是单一的GPS、GLONASS、Galileo、BDS或多系统组合的卫星定位系统的基准站或监测站，例如GPS基准站或GPS监测站。尽管在图中，倾斜预警装置13设置在地面上，但其可以是设置在其他的地方，例如该高层建筑中。倾斜预警装置13与监测站12可以有线或无线地进行通信。

图2示出了依据本发明的一种实施方式的倾斜预警装置13的示意性功能方框图。如图2所示，依据本发明的一种实施方式的倾斜预警装置13包括监测站卫星定位方差阵元素获取单元131、倾斜预警参数确定单元132、高层建筑倾斜监测参数确定单元133以及报警单元134。监测站卫星定位方差阵元素获取单元131用于获取所述卫星定位监测站的方差阵元素。倾斜预警参数确定单元132根据所述卫星定位方差阵元素，确定各历元的倾斜预警参数。建筑物倾斜监测参数确定单元133确定对应历元的建筑物倾斜监测参数。报警单元134根据所述倾斜预警参数和高层建筑倾斜监测参数进行报警。具体地，可以当高层建筑倾斜监测参数大于相应历元的高层建筑倾斜预警参数时，进行报警。根据一种实施方式，报警单元134可以进行分级预警，根据高层建筑倾斜监测参数大于相应历元的高层建筑倾斜预警参数的严重情况，进行不同强度或种类的报警。报警单元134可以为能够发出不同强度的光、声等的各种装置，也可以是或包括能够向远程发送预警消息的有线或无线单元，例如通过微信、短信、预录音电话等通知远处的维修人员和作业负责人、安全负责人等。

根据一种实施方式，监测站卫星定位方差阵元素获取单元131可以如下地获取监测站卫星定位方差阵元素。

根据图1所示，针对卫星截止高度角(一般设置为10～15°)以上的卫星信号共视观测窗口，假设基准站(A)11和监测站(B)12在某一历元时刻同步观测的卫星数为n^r，且以同步观测中卫星高度角最高的r作为参考卫星，则针对高层建筑倾斜监测中短基线情况下可列出n^r-1个双差载波相位观测方程的线性化误差方程：

按照最小二乘参数估计间接平差法原理，其所对应的第i个历元误差方程用矩阵形式表示为：

式中，

为第i个历元双差载波相位观测值改正数矩阵；

为第i个历元定位的三维坐标参数改正数矩阵；为第i个历元双差载波相位观测值常数项矩阵；l_i为第i个历元误差方程常数项矩阵；/>

为第i个历元(n^r-1)×(n^r-1)的系数矩阵；K为(n^r-1)×(n^r-1)的单位阵；/>

为第i个历元双差整周模糊度参数矩阵；λ为卫星信号的波长。

由式(1)可知，一旦

参数矩阵成功固定为正确的已知整数矩阵，则由最小二乘参数估计间接平差法原则(V_i ^TP_iV_i＝min)可以获得监测站在GNSS卫星定位坐标系下第i个历元定位位置参数估值为：

对应的监测站在第i个历元定位的参数估值精度评定模型为：

式中：

为第i个历元定位位置参数估值及其方差阵；/>

和/>

为第i个历元定位位置参数改正数及其相应的方差阵和协因数阵；P_i为第i个历元载波相位双差观测值的权矩阵；/>

为第i个历元载波相位双差观测值的验后单位权中误差估值；/>

为监测站第i个历元的待估参数初始值。根据一种实施方式，/>

可以由第i个历元的伪码观测值的伪距差分定位计算获得。根据另一种实施方式，针对高层建筑倾斜监测实际应用，由高层建筑顶部的监测点位置的参考已知值提供(即监测站固定安装的位置，可以由卫星定位控制测量技术获得)：

式中：X_M＝[B_M L_M H_M]^T为高层建筑顶部的监测点位置的参考已知值(即监测站固定安装的位置)。

针对式(3)，由于：

式中，

为GNSS卫星定位坐标系下相应的方差阵元素。

若采用监测站的站心坐标系中的表达形式衡量监测站精度评定，针对站心坐标系监测站第i个观测历元定位位置参数估值的方差阵用

表示，对应的卫星定位方差阵元素用/>

表示，则由方差-协方差传播律可得：

式中，

其中：B₀、L₀分别为高层监测顶部的监测点位置的参考已知值对应的大地纬度和大地经度。

根据式(6)可知，针对站心坐标系下监测站第i个观测历元的平面位置参数估值的方差阵可表示为：

式中，

为站心坐标系下监测站第i个观测历元平面位置参数估值的方差阵；/>

为站心坐标系下相应的方差阵元素。/>

为所述卫星定位监测站第i个观测历元的卫星定位北向中误差估值；/>

为所属卫星定位监测站第i个观测历元的卫星定位东向中误差估值；

为所述卫星定位监测站第i个观测历元的卫星定位北向与东向之间的协方差估值；/>

和/>

单独或者整体均可称为所述卫星定位监测站第i个观测历元的监测站的卫星定位方差阵元素。

根据一种实施方式，倾斜预警参数包括高层建筑倾斜水平变位预警参数。在监测站卫星定位方差阵元素获取单元131获取监测站卫星定位方差阵元素之后，倾斜预警参数确定单元132可以如下地确定该高层建筑倾斜水平变位预警参数：

其中，

为高层建筑倾斜水平变位预警参数，包括北向变位预警参数/>

和东向变位预警参数/>

fⁱ(α)为所述卫星定位监测站12的第i个观测历元定位位置参数估值的误差椭圆规模；/>

为高层建筑顶部水平变位设计控制值；/>

为高层建筑顶部监测点在第i个观测历元的方位角参数。

根据一种实施方式，倾斜预警参数包括高层建筑倾斜率预警参数，倾斜预警参数确定单元132可以如下地确定该高层建筑倾斜率预警参数：

其中，

为高层建筑倾斜率预警参数；fⁱ(α)为所述卫星定位监测站12第i个观测历元定位位置参数估值的误差椭圆规模；/>

为高层建筑顶部水平变位设计控制值；/>

为所述卫星定位监测站第i个观测历元的卫星定位北向中误差估值；/>

为所述卫星定位监测站第i个观测历元的卫星定位东向中误差估值。

本领域的技术人员能够理解，倾斜预警参数可以包括高层建筑倾斜率预警参数和高层建筑倾斜水平变位预警参数两者。

根据一种实施方式，fⁱ(α)可以是根据经验或实验获得的预定值。例如针对相同或类似的建筑物，进行仿真模拟或者利用历史数据进行深度学习(机器学习、神经网络模型)获得的值。

根据一种实施方式，可以如下地确定所述fⁱ(α)：

其中，α为置信水平(置信概率)，置信概率是用来衡量统计推断可靠程度的概率。由于测量误差永远存在，不可避免，即使测量再精确也无法完全避免随机干扰的影响。引入置信水平对应的包括总体平均值的概率，将误差范围限制于置信区间中，能够更好地体现测量误差的偶然特性和测量结果的准确程度，反映真实的测量情况。

根据一种实施方式，在所述高层建筑的建筑类型为建筑物时，如下地确定所述高层建筑的顶部水平变位设计控制值：

其中，h_g为所述卫星定位监测站的接收机天线相位中心到所述高层建筑所在的地面的高度。在图1的情况下，h_g＝H_s+H_g。H_S是卫星定位监测站的接收机天线相位中心到该监测站在该高层建筑安装面之间的距离，H_g是该安装面到地面的距离。根据高层建筑的建筑物高度，采用分段计数设计控制系数的方式，能够更准确地反映高层建筑倾斜监测随建筑物高度变化的顶部水平变位预警值控制。

建筑是建筑物和构筑物的总称。当建筑物高度大于一定高度的住宅建筑、非单层厂房、仓库或其他民用建筑等，称为高层建筑。在本文中，与人们起居有关的民用建筑，例如房屋，称为建筑物；没有可供人们使用的内部空间的建筑，例如雕塑、水塔、烟囱、桥梁、水坝等，称为构筑物。

根据一种实施方式，在所述高层建筑的建筑类型为构筑物时，如下地确定所述高层建筑的顶部水平变位设计控制值：

其中，h_g为所述卫星定位监测站的接收机天线相位中心到所述高层建筑所在的地面的高度。可以采用本领域现在知悉或未来获知的其他方法来确定

例如其可以采用经验值。例如针对相同或类似的建筑物，进行仿真模拟或者利用历史数据进行深度学习(机器学习、神经网络模型)而基于h_g获得的值。根据高层建筑的构筑物高度，采用分段计数设计控制系数的方式，能够更准确地反映高层建筑倾斜监测随构筑物高度变化的顶部水平变位预警值控制。

根据一种实施方式，高层建筑倾斜监测参数确定单元133可以如下地计算第i个历元的高层建筑倾斜监测参数，包括高层建筑倾斜水平变位监测参数和高层建筑倾斜率监测参数：

假设卫星定位监测站在站心坐标系下第i个观测历元的北向和东向监测结果用(x_i,y_i)表示，则当前历元平面位置的高层建筑倾斜水平变位监测参数d_i：

式中，(Δx_i,Δy_i)为所述卫星定位监测站第i个历元的监测位置在北向和东向的水平变位量，可以由卫星定位监测站测量计算获得；(x₀,y₀)为高层建筑顶部监测点位的参考已知值，即卫星定位监测站安装时的已知位置，可由高精度卫星定位控制网技术高精度获得。

高层建筑水平变位量参数及对应的方位角参数为：

式中，

为所述高层建筑的顶部监测点在第i个历元的高层建筑水平变位量参数及对应的方位角参数。

利用高层建筑的顶部监测站监测第i个历元的高层建筑倾斜率监测参数及其对应的倾斜角(incline angle)参数的计算式为：

式中，

为第i个历元的高层建筑倾斜率监测参数及对应的倾斜角参数。

当卫星定位监测站第i个历元的监测位置在北向的水平变位量Δx_i大于北向变位预警参数

时，则报警单元134可以在第i个观测历元进行高层建筑倾斜的北向纠偏报警提示；以及

当卫星定位监测站第i个历元的监测位置在东向的水平变位量Δy_i大于东向变位预警参数

时，则报警单元134可以在第i个观测历元进行高层建筑倾斜的东向纠偏报警提示。

另外，当第i个历元的高层建筑倾斜率监测参数

大于高层建筑倾斜率预警参数

时，则报警单元134在第i个观测历元进行高层建筑倾斜的纠偏报警提示。

本发明的各个单元可以由硬件实现，也可以由软件配合硬件来实现，可以由处理器执行存储器中存储的软件来实现。本发明的上述详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。

Claims (10)

1.一种基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，用于高层建筑，所述高层建筑倾斜监测预警系统包括卫星定位基准站、设置于所述高层建筑顶部的卫星定位监测站和倾斜预警装置，所述倾斜预警装置包括：

监测站卫星定位方差阵元素获取单元，用于获取所述监测站的卫星定位方差阵元素；

倾斜预警参数确定单元，根据所述卫星定位方差阵元素，确定各历元的倾斜预警参数；

高层建筑倾斜监测参数确定单元，确定对应历元的高层建筑倾斜监测参数；以及

报警单元，根据所述倾斜预警参数和高层建筑倾斜监测参数进行报警。

2.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，其特征在于，所述倾斜预警参数包括高层建筑倾斜水平变位预警参数，所述倾斜预警参数确定单元如下地确定所述高层建筑倾斜水平变位预警参数：

其中，

为高层建筑倾斜水平变位预警参数，包括北向变位预警参数/>

和东向变位预警参数/>

fⁱ(α)为所述卫星定位监测站第i个观测历元定位位置参数估值的误差椭圆规模；/>

为高层建筑顶部水平变位设计控制值；/>

为高层建筑顶部监测点在第i个观测历元的方位角参数；/>

为所述卫星定位监测站第i个观测历元的卫星定位北向中误差估值；/>

为所属卫星定位监测站第i个观测历元的卫星定位东向中误差估值。

3.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，其特征在于，所述倾斜预警参数包括高层建筑倾斜率预警参数，所述倾斜预警参数确定单元如下地确定所述高层建筑倾斜率预警参数：

其中，

为高层建筑倾斜率预警参数；fⁱ(α)为所述卫星定位监测站第i个观测历元定位位置参数估值的误差椭圆规模；/>

为高层建筑顶部水平变位设计控制值；/>

为所述卫星定位监测站第i个观测历元的卫星定位北向中误差估值；/>

为所述卫星定位监测站第i个观测历元的卫星定位东向中误差估值。

4.根据权利要求2或3所述的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，其特征在于，如下地确定所述fⁱ(α)：

其中，α为置信水平。

5.根据权利要求2或3所述的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，其特征在于，在所述高层建筑的建筑类型为建筑物时，如下地确定高层建筑顶部水平变位设计控制值：

其中，h_g为所述卫星定位监测站的接收机天线相位中心到所述高层建筑所在的地面的高度。

6.根据权利要求2或3所述的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，其特征在于，在所述高层建筑的建筑类型为构筑物时，如下地确定高层建筑顶部水平变位设计控制值：

其中，h_g为所述卫星定位监测站的接收机天线相位中心到所述高层建筑所在的地面的高度。

7.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，其特征在于，所述高层建筑倾斜监测参数确定单元如下地确定对应历元的高层建筑倾斜监测参数，包括高层建筑倾斜水平变位监测参数和高层建筑倾斜率监测参数：

假设卫星定位监测站在站心坐标系下第i个观测历元的北向和东向监测结果用(x_i,y_i)表示，则当前历元平面位置的高层建筑倾斜水平变位监测参数d_i：

式中，(Δx_i,Δy_i)为所述卫星定位监测站第i个历元的监测位置在北向和东向的水平变位量，可以由卫星定位监测站测量计算获得；(x₀,y₀)为高层建筑顶部监测点位的参考已知值，即卫星定位监测站安装时的已知位置，

第i个历元的高层建筑水平变位量参数为：

式中，

为高层建筑顶部监测点在第i个历元的水平变位量参数，

第i个历元的高层建筑倾斜率监测参数的计算式为：

式中，

为第i个历元的高层建筑建筑倾斜率监测参数；h_g为所述卫星定位监测站的接收机天线相位中心到所述高层建筑所在的地面的高度。

8.根据权利要求2所述的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，其特征在于，所述高层建筑倾斜监测参数确定单元如下地确定高层建筑顶部监测点在第i个历元的方位角参数

假设卫星定位监测站在站心坐标系下第i个观测历元的北向和东向监测结果用(x_i,y_i)表示，则当前历元平面位置的高层建筑倾斜水平变位监测参数d_i：

式中，(Δx_i,Δy_i)为所述卫星定位监测站第i个历元的监测位置在北向和东向的水平变位量，可以由卫星定位监测站测量计算获得；(x₀,y₀)为高层建筑顶部监测点位的参考已知值，即卫星定位监测站安装时的已知位置，

高层建筑顶部监测点在第i个历元的方位角参数

为：

9.根据权利要求2所述的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，其特征在于，

当卫星定位监测站第i个历元的监测位置在北向的水平变位量Δx_i大于北向变位预警参数

时，则所述报警单元在第i个观测历元进行高层建筑倾斜的北向纠偏报警提示；以及

当卫星定位监测站第i个历元的监测位置在东向的水平变位量Δy_i大于东向变位预警参数

时，则所述报警单元在第i个观测历元进行高层建筑倾斜的东向纠偏报警提示。

10.根据权利要求3所述的基于卫星定位的高层建筑倾斜监测预警系统，其特征在于，

当第i个历元的高层建筑倾斜率监测参数

大于高层建筑倾斜率预警参数/>

时，则所述报警单元在第i个观测历元进行高层建筑倾斜的纠偏报警提示。

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