基于北斗卫星和传感器的建筑物安全监测设备的制作方法

本实用新型涉及一种基于北斗卫星和传感器的建筑物安全监测设备。

背景技术：

随着我国现代化建设事业的发展，兴建了大量城市高层和超高层建筑物、大量的水工建筑物、工业设施、道路桥梁等市政设施及水库大坝、山体等生态环境，由于各种因素的影响，在这些工程建筑及其设备的运营过程中，都会产生变形，也会因强风荷载作用、地面沉降及地震灾害作用造成楼的损害，影响建筑物的使用寿命。这种变形在一定的允许限度内为正常现象；但如果超过了规定的允许限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时会危及建筑物的安全甚至造成建构筑物的垮塌等严重安全事故，给人民生命和国家财产造成不可挽回的损失。

对于高层建筑的安全性问题，特别是异型结构超高层建筑的安全性问题，国家制定了相应规范，从施工过程到建筑物使用、运营过程都应进行变形监测和建筑物健康评估。

这些建筑物受到地壳移动、风吹、腐蚀、作业承载不均等的影响，会产生一定的起伏波动和姿态变化，如果超过一定界限，建筑物就会产生变形、开裂、坍塌、倾倒等致命的危险，威胁到人民的生命财产安全。

因此，对以上建筑物及地质灾害安全进行大范围、全天候、自动化的变形监测及分析预警，对人民安居乐业、普及民生工程具有十分现实的意义。

目前，针对建筑安全的预警模式是人工预警，往往是在裂缝、破损现象加剧到一定程度才会向有关部门汇报后再进行处理。存在以下问题：

1)可能会产生疏漏现象，数据片面，与操作员的技术水平相关，可能有人为误差。

2)可能会错过突发阶段立即纠正的最有效、最经济的时机。

3)普通民众不专业，没有科学的系统的依据，根据自己的判断进行的预警有可能在程度上和性质上产生误报现象。

4)预警后因前期观测资料的缺失和中断，不得已重新进行一段时间的观测，为后续措施提供依据。

5)传统方案还存在自动化、实时性、集成化程度较低，精度指标偏低，难以实现大规模的快速监测覆盖和推广。

传统用于建筑安全监测的仪器主要有：全站仪、位移传感器等。而单一采用这些传统监测设备均存在严重不足之处。

全站仪监测采用自动扫描法，需要对各个测点进行一周的连续扫描，而且各测点不同步以及大位移时不可测。当监测点标高在100m以上时，由于激光发散角度变大会导致测量精度变低，无法进行多点的实时和同步测量，也无法进行长时间的连续测量，在最需要进行监测的恶劣环境条件如台风、暴雨时无法进行测量，在建筑物震动频率比较高时会导致激光难以捕捉目标，无法进行测量。

位移传感器是一种接触型传感器，必须与测点相接触，且对于难以接近的点无法测量，另外对于横向位移测量比较困难。

综合上述，传统建筑安全监测方式在实际监测工作中，监测设备之间无法数据衔接，导致数据孤岛，无法做出准确有效的预警和趋势性分析，对历史数据存在较大的浪费。

随着建筑规模的不断扩大，由于传统人工检测方法的自动化、实时性、集成化程度较低，难以实现大规模的快速监测覆盖和推广；同时，人为因素造成的误差和疏漏不可避免，难以满足长期连续安全监测需要，无法及时、有效地对建筑进行危险性预警；而与此对应的是，大量建筑的安全性能评估亟待长期有效的实测数据支持，因此，有必要对建筑安全监测进行研究，建立一套高效率、高集成度，通过必要的算法模型，融合多指标的监测数据，并能对监测数据进行大数据处理、分析的安全监测系统，从而做到对建筑及时、有效的形变动态监测和预警。

基于北斗高精度卫星定位技术的建筑安全状态监测设备，它是利用接收北斗导航卫星载波相位进行实时相位差分即RTK技术(Real Time Kinematic)，实时监测建筑物位移。如果A和B两点在同一时间内观测了相同的一组卫星(至少四颗)。而且A是一个已知点，通过某种数据链，把原始改正信息传到B点，那么B点的位置就可以加以确定。

在此基础上，对城市大范围建筑群形成的高精度、长效性的位置监测等时空数据，可作为未来城市发展规划的有效支撑手段，并对大面积区域沉降长期趋势提供有效决策依据，同时也是智慧城市发展的有机组成部分。

技术实现要素：

为克服背景技术中存在的缺陷，本实用新型提供一种基于北斗卫星和传感器的建筑物安全监测设备。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：

基于北斗卫星和传感器的建筑物安全监测设备，包括位于室外的监测站和基准站、位于室内的信号采集控制器和位置服务平台、位于远端的建筑安全监测平台，且监测站和基准站的相对位置已知；

所述监测站包括用于实时接收北斗卫星发送的信号的天线，若干个天线分散安装在被监测建筑物的不同监测点上，以根据接收的信号获得监测数据，所述天线与信号采集控制器相连；

所述信号采集控制器包括用于接收来自天线的监测数据的第一接收模块、用于将第一接收模块的监测数据输送给第一数据存储模块储存的第一传输模块；还包括第一通讯模块，第一存储模块通过第一通讯模块与位置服务平台相连；所述第一接收模块、第一传输模块、第一存储模块和第一通讯模块依次相连；还包括供电模块，所述供电模块与接收模块、第一传输模块和第一存储模块一一连接；

用于为监测站提供定位参考信息的基准站设置在固定位置处，所述基准站包括用于接收北斗卫星发送的信号的第二接收模块、用于将来自第二接收模块的信号数据处理成定位参考信息的处理器和存储所述定位参考信息的第二存储模块，所述第二存储模块通过第二通讯模块与位置服务平台相连；

处理器将来自第二接收模块的信号数据处理成基准站的位置信息，由于基准站设置在固定不动的位置处，且基准站与监测站的相对位置信息已知，可为监测站提供定位参考信息。

所述位置服务平台包括用于将监测数据和定位参考信息解算出监测站的定位信息的解算模块、将定位信息发布给建筑安全监测平台的发布模块和储存定位信息的第三存储模块；

所述建筑安全监测平台具有处理来自位置服务平台的定位信息的处理模块，还包括对处理模块处理后的定位信息进行分析并判断监测点是否有形变位移的分析判断模块，所述分析判断模块与报警模块相连；

所述信号采集控制器还包括辅助监测装置，所述辅助监测装置包括用于监测监测点相对于水平面的倾角变化量的倾角传感器、用于监测监测点沉降值的静力水准仪、用于测量距监测点距离的激光测距仪、用于测量监测点的倾斜方向和倾斜角度的倾斜仪；每个监测点上均设有所述倾角传感器、静力水准仪和倾斜仪，且激光测距仪设置在监测点的一侧；

激光测距仪测量的是激光测距仪测量与监测点之间的距离。

所述倾角传感器、静力水准仪、倾斜仪和激光测距仪均通过第二传输模块与第一存储模块相连，所述第二传输模块与第一存储模块相连，且供电模块与第二传输模块相连。

利用本实用新型所述的基于北斗卫星和传感器的建筑物安全监测设备实施的监测方法，包括以下步骤：

1)位于不同监测点的天线接收来自北斗卫星发送的信号，以获得监测数据，且天线将接收到的监测数据发送至信号采集控制器；

2)信号采集控制器的第一接收模块接收来自天线的监测数据，第一传输模块将监测数据输送给第一数据存储模块存储，且第一存储模块通过第一通讯模块将监测数据输送给位置服务平台；

3)同时，倾角传感器、静力水准仪、激光测距仪和激光测距仪将采集到的各监测点的倾角变化量信息、沉降值信息、与激光测距仪的距离信息、倾斜方向和倾斜角度信息均通过第二传输模块输送给第一存储模块储存，且监测点的倾角变化量信息、沉降值信息、与激光测距仪的距离信息、倾斜方向和倾斜角度信息构成辅助监测信息；第一存储模块通过第一通讯模块将辅助监测信息输送给位置服务平台；

4)同时，基准站的第二接收模块接收来自北斗卫星发送的信号，且处理器将来自第二接收模块的信息数据处理成基准站的位置信息，基准站的位置信息、基准站与不同监测点之间的相对位置信息构成监测站的定位参考信息；第二存储模块存储所述的定位参考信息，且所述的定位参考信息通过第二通讯模块输送给位置服务平台；

5)位置服务平台获得定位参考信息、监测数据和辅助监测信息，解算模块根据所述定位参考信息、监测数据和辅助监测信息解算出不同监测点的实时空间坐标数据，不同监测点的所述实时空间坐标数据构成监测站的定位信息；第三存储模块存储所述定位信息，且发布模块将所述定位信息发布给建筑安全监测平台；

6)所述建筑安全监测平台获得所述定位信息，所述处理模块将所述定位信息处理成建筑安全数据，分析判断模块根据所述建筑安全数据判断被监测建筑物的安全状态，当分析判断模块判断被监测建筑物发生形变位移时，报警模块报警，当分析判断模块判断被监测建筑物安全时，报警模块不动作。

本实用新型基于北斗卫星的相对定位原理来监测建筑物位移及沉降：相对定位是指用两台(或多台)接收机(即本实用新型的第一接收模块和第二接收模块)分别安置在一条(或多条)基线的两端，同步观测相同的北斗卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，消去整周模糊度参数等，使基线精度提高。如图1所示，如果A和B两点在同一时间内观测了相同的一组卫星(至少四颗，分别为S1、S2、S3、S4)。而且A点(即基准站)是一个已知点，通过某种数据链，把原始改正信息传到B点(即监测站)，那么B点(即监测站)的位置就可以加以确定。

在需要监测的建筑物(危房)顶部布置监测站，在稳定的区域(稳定的楼房)顶部布置基准站，然后通过数据传输系统把基准站和监测站的原始数据同时发送到数据中心的位置服务平台，通过基准站和监测站之间基线解算获取监测站高精度的实时三维坐标；建筑安全监测平台对建筑的的形变监测数据进行分析、成图、预警、报表；

基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到位置服务平台。位置服务平台接收卫星信号及基准站信息，进行实时差分后可实时测得监测站各监测点的三维空间坐标。此结果将送到建筑安全监测平台，结合系统识别，振动理论，振动测试技术，信号采集与分析等跨学科技术的实验模态分析法。建筑安全监测平台对接收的差分信号结果进行建筑物的位移、倾斜计算，提供建筑安全管理部门进行安全分析。

建筑物顶部设置北斗卫星定位监测站，能够有效采集主要的安全监测数据，根据多点监测，可以有效反映建筑整体沉降、倾斜、滑移等危害情况。

本实用新型的有益效果主要表现在：

本实用新型所述的监测设备具有精度高、无人值守、全天候获取实时数据、全方位监测、趋势性分析和预警的优点。相比传统的人工监测方法，本实用新型所述的监测方法具有以下优点：

1)高精度三维定位

北斗卫星可同时精确测定监测站的平面位置和大地高，即一次性获得高精度的监测点的三维坐标，实现了监测时域、空域的严格统一，对进一步数据处理和变形分析具有重要作用，北斗高精度定位的精度可达到毫米级。

2)数据直观可靠，杜绝人为失误与误差

响应快速，短基线快速定位，其观测时间仅需数分钟，且定位精度高，杜绝人工操作失误与误差。

3)全天候作业，真正实现不间断持续监测

北斗用户一天内任意时刻可同时观测到4颗以上的卫星，可全天候连续进行北斗定位测量，传感器安装在被监测建筑体上，通过一定的协议完成数据的传输，同样可全天候进行监测，北斗卫星监测和传感器均不受气候条件的影响，大大提高了监测效率，减少了外业工作强度。

4)观测站点无须通视，点位选择更加灵活

利用北斗进行定位时，对测站间的通视情况不作要求，只要测站信号接收良好，点位易于保存即可，因此北斗监测网在选点时更加灵活、方便，避免了常规测量中观测过渡点和转点的工作量。

5)短时间内大面积覆盖

系统操作操作简单，无需进行手工重复劳动，可以节省大量人力物力，短时间内实现大面积覆盖。

6)多指标数据融合

收集与监测建筑相关的详尽基础档案，如建设年份，建筑楼层、楼高，建筑结构、建筑类型，通过倾斜仪、静力水准仪等传感器设备采集监测建筑当前的受损状态，结合监测建筑所在地的地质类型，气象部门多年积累的气象数据记录，以及实时气象数据，根据力学模型，对建筑物变形趋势进行科学合理的预测，给出三维变形趋势图。

7)建筑历史数据积累与趋势分析

通过对历史数据的积累和分析，融合多种监测数据，通过相对应分析模型的应用，可对建筑进行趋势性分析，以及出现异常情况时的预警，为全国或各城市的建筑状况评估和评判提供基础数据。

附图说明

图1是基于北斗卫星的相对定位原理示意图。

图2是本实用新型的原理示意图。

具体实施方式

参照附图2，基于北斗卫星和传感器的建筑物安全监测设备，包括位于室外的监测站和基准站5、位于室内的信号采集控制器2和位置服务平台3、位于远端的建筑安全监测平台4，且监测站和基准站的相对位置已知；

所述监测站包括用于实时接收北斗卫星发送的信号的天线1，若干个天线1分散安装在被监测建筑物的不同监测点上，以根据接收的信号获得监测数据，所述天线1与信号采集控制器2相连；

所述信号采集控制器2包括用于接收来自天线1的监测数据的第一接收模块21、用于将第一接收模块21的监测数据输送给第一数据存储模块23储存的第一传输模块22；还包括第一通讯模块26，第一存储模块23通过第一通讯模块26与位置服务平台3相连；所述第一接收模块21、第一传输模块22、第一存储模块23和第一通讯模块26依次相连；还包括供电模块27，所述供电模块27与接收模块21、第一传输模块22和第一存储模块23一一连接；

用于为监测站提供定位参考信息的基准站5设置在固定位置处，所述基准站5包括用于接收北斗卫星发送的信号的第二接收模块51、用于将来自第二接收模块51的信号数据处理成定位参考信息的处理器52和存储所述定位参考信息52的第二存储模块53，所述第二存储模块53通过第二通讯模块54与位置服务平台3相连；

处理器52将来自第二接收模块51的信号数据处理成基准站5的位置信息，由于基准站5设置在固定不动的位置处，且基准站5与监测站的相对位置信息已知，可为监测站提供定位参考信息。

所述位置服务平台3包括用于将监测数据和定位参考信息解算出监测站的定位信息的解算模块、将定位信息发布给建筑安全监测平台的发布模块和储存定位信息的第三存储模块；

所述建筑安全监测平台4具有处理来自位置服务平台的定位信息的处理模块，还包括对处理模块处理后的定位信息进行分析并判断监测点是否有形变位移的分析判断模块，所述分析判断模块与报警模块相连；

所述信号采集控制器2还包括辅助监测装置25，所述辅助监测装置25包括用于监测监测点相对于水平面的倾角变化量的倾角传感器、用于监测监测点沉降值的静力水准仪、用于测量距监测点距离的激光测距仪、用于测量监测点的倾斜方向和倾斜角度的倾斜仪；每个监测点上均设有所述倾角传感器、静力水准仪和倾斜仪，且激光测距仪设置在监测点的一侧；

激光测距仪测量的是激光测距仪测量与监测点之间的距离。

所述倾角传感器、静力水准仪、倾斜仪和激光测距仪均通过第二传输模块24与第一存储模块23相连，所述第二传输模块24与第一存储模块23相连，且供电模块27与第二传输模块24相连。

利用本实用新型所述的基于北斗卫星和传感器的建筑物安全监测设备实施的监测方法，包括以下步骤：

1)位于不同监测点的天线1接收来自北斗卫星发送的信号，以获得监测数据，且天线1将接收到的监测数据发送至信号采集控制器2；

2)信号采集控制器2的第一接收模块21接收来自天线1的监测数据，第一传输模块22将监测数据输送给第一数据存储模块22存储，且第一存储模块22通过第一通讯模块26将监测数据输送给位置服务平台3；

3)同时，倾角传感器、静力水准仪、激光测距仪和激光测距仪将采集到的各监测点的倾角变化量信息、沉降值信息、与激光测距仪的距离信息、倾斜方向和倾斜角度信息均通过第二传输模块24输送给第一存储模块23储存，且监测点的倾角变化量信息、沉降值信息、与激光测距仪的距离信息、倾斜方向和倾斜角度信息构成辅助监测信息；第一存储模块23通过第一通讯模块26将辅助监测信息输送给位置服务平台3；

4)同时，基准站5的第二接收模块51接收来自北斗卫星发送的信号，且处理器52将来自第二接收模块51的信息数据处理成基准站5的位置信息，基准站5的位置信息、基准站5与不同监测点之间的相对位置信息构成监测站的定位参考信息；第二存储模块53存储所述的定位参考信息，且所述的定位参考信息通过第二通讯54模块输送给位置服务平台3；

5)位置服务平台3获得定位参考信息、监测数据和辅助监测信息，解算模块根据所述定位参考信息、监测数据和辅助监测信息解算出不同监测点的实时空间坐标数据，不同监测点的所述实时空间坐标数据构成监测站的定位信息；第三存储模块存储所述定位信息，且发布模块将所述定位信息发布给建筑安全监测平台4；

6)所述建筑安全监测平台4获得所述定位信息，所述处理模块将所述定位信息处理成建筑安全数据，分析判断模块根据所述建筑安全数据判断被监测建筑物的安全状态，当分析判断模块判断被监测建筑物发生形变位移时，报警模块报警，当分析判断模块判断被监测建筑物安全时，报警模块不动作。

倾角传感器

倾角传感器采用双轴倾斜角传感器，双轴倾斜角传感器是利用半导体敏感元件来测量相对于水平面的倾角变化量。该传感器品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比，精度高，一致性好，是现场水平倾角等测量的理想选择。安装非常方便，上下盖可完全分离。

静力水准仪

静力水准仪可将多个传感器通过导液管组成连通器系统，测量建筑物多个监测点的沉降值。此传感器专注于建筑物的长期、稳定、无人值守监测，具有寿命长、数据稳定、防护性好、抗干扰性好、安装便捷等特点。

激光测距仪

激光测距仪，是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器，激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。

倾斜仪

倾斜仪用于测量地球引力在测量方向上的分量。可同时测量X/Y两个方向倾斜变化，从而通过计算可以得出该点的倾斜方向与倾斜角度；并可直接挂接总线系统进行自动化数据采集。广泛用于观测山体边坡、土石坝、海边堤防以及建筑物基坑等土体内部的水平方向变化大小。对于偏远地区又可实现无线自动化监测；对于港口、铁路、公路、高层建筑等工程是一种必要的精密测量仪器。

在被监测建筑物顶部布设多个北斗卫星定位监测站，在监测站的各监测点上安装北斗卫星天线，一般建议在建筑物四个角上都安装，监测点越多监测数据越有价值。

采集控制器2通过数据网络(CDMA/GPRS/3G/4G)将数据传输到位置服务平台3，同时，基准站5(CORS站)数据也实时向位置服务平台3上报高精度原始观测值，位置服务平台3通过解算软件获得北斗高精度差分定位数据并发布。

位置服务平台3通过接口将定位信息数据发给建筑安全监测平台4，建筑安全监测平台4通过数据建模、分析比对，通过精细算法生成不同等级的预警。

政府、企业、业主、居民可以根据不同权限查看、统计建筑安全信息，并能及时获取预警信息，有效防止安全隐患的发生。

a、本实用新型具有多天线复用技术的高精度监测终端

单个北斗监测终端的价格相对较高，但是天线1的价格相对低廉，可采用时分多址技术，对天线进行轮流切换，进行采集数据，可以有效降低成本，能够更好地进行项目推广。

b、本实用新型集成建筑安全的多种传感器进行融合解算

多传感器集成是指通过将结构位移监测与倾斜监测、裂缝监测、静力水准仪沉降监测等结合起来，建立以位移分析为主的多指标数据融合分析评价系统。数据分析是通过对卫星位移监测数据的分析，掌握结构的位移变化，通过模态分析、有限元计算等多种手段，结合渗流、风速、温度、环境等其他监测指标完成对结构物状态的评估。

采用北斗GNSS多系统兼容技术，不但可以测出结构物整体位移和坐标，还可以通过数据处理、傅里叶变换得到结构物频谱，也可测量结构物相对三维变形，从而可以测出扭曲、倾斜等变形参数。其所得位移和频谱可以与加速度计得到结果进行相互印证和补充。

c、集成气象数据的融合解算

根据监测建筑所在地的地质类型，结合气象部门所提供的气象数据记录，根据力学模型，对建筑物变形趋势进行科学合理的预测。通过与建筑监测数据的融合分析，形成有效的数据分析模型，有效输出异常天气下建筑的趋势性安全分析和预警。

d、设备自动监测和数据校验技术

本实用新型所述的监测设备的自动检验技术可以轮流对建筑物内的设备进行数据质量检验，它通过数据的质量反映设备的工作状态，监控设备是否疲劳、是否死机等现象，自动调节设备的工作状态，能够进行体眠、重启、复位等操作。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。