一种金属屋面在线监测与健康管理系统及方法与流程

1.本发明属于金属屋面监测管理领域，特别涉及一种金属屋面在线监测与健康管理系统及方法。


背景技术：

2.金属屋面围护系统是大跨度钢结构建筑的重要组成部分，采用冷成型薄壁合金材料，集保温，吸音，防水，防风等功能于一体，近年来广泛应用于各类场馆、机场航站楼、展览中心、车间仓库等大型公共建筑和工业建筑。大型公共建筑的金属屋面需要兼顾功能性和美观性，金属屋面围护系统以其结构性能优异、外形美观、绿色环保等特点，在公共建筑中得到了迅猛的发展。然而，近些年，有关金属屋面的事故时有发生。我国每年因强风造成屋面受损的直接和间接经济损失达亿元以上。事故成因复杂，其主要原因在于：一方面，不规范的设计和施工会造成屋面局部出现载荷集中的情况，对建筑物造成安全隐患。另一方面，由于建筑物处于复杂的自然环境中，伴随着风、雨、雪的侵蚀，长年的交变风载荷和温度骤变，导致诸如屋顶板的变形和疲劳，立边咬合处松动，固定支架的螺栓松动。这些问题削弱了金属屋面系统的抗风揭能力，在风压未超过设计阈值时造成屋顶损坏。屋面围护系统遭到破坏之后会导致漏风、漏雨等现象，不仅对建筑的功能和整体美观性造成影响，更严重的是掀飞的屋面板以及保温棉等会危及人身安全，导致航班、车次延误，工厂停工等巨额经济损失。
3.目前，普遍采用定期人工巡检的方式对金属屋面进行防护，该过程耗费大量时间，且无法准确了解早期故障。
4.因此，基于上述因素考虑，如何在线监测金属屋面的劣化趋势，及时对早期故障进行预警，成为当下亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种金属屋面在线监测与健康管理系统及方法，可实现在线监测金属屋面的劣化趋势，并及时对早期故障进行预警。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种金属屋面在线监测与健康管理系统，包括：数据采集子系统、数据传输子系统、服务器和监测终端；
8.所述数据采集子系统用于利用传感器网络采集金属屋面不同区域的测量数据；
9.所述数据传输子系统用于按照zigbee通信协议对所述传感器网络进行区域组网，并将测量数据远程传输至所述服务器；
10.所述服务器用于结合实时测量数据和/或历史测量数据对金属屋面的累积损伤和故障情况进行分析；
11.所述监测终端用于对实时测量数据、金属屋面的累积损伤和故障情况分析结果、以及所述传感器网络在金属屋面的布局和工作状态进行实时显示。
12.进一步地，在上述一种金属屋面在线监测与健康管理系统中，所述传感器网络包括多组传感器组和多个单片机；每组所述传感器组分别对应安装在金属屋面的不同区域，并与多个所述单片机一一对应连接。
13.进一步地，在上述一种金属屋面在线监测与健康管理系统中，每组所述传感器组均包括应变片、激光传感器和超声波传感器；
14.所述应变片用于测量金属屋面对应位置的应力应变；
15.所述激光传感器用于测量金属屋面对应位置的纵向弯曲位移；
16.所述超声波传感器用于测量金属屋面对应位置的横向滑移。
17.进一步地，在上述一种金属屋面在线监测与健康管理系统中，所述传感器网络还包括：气象传感器；所述气象传感器用于监测金属屋面所处区域的实时风向。
18.进一步地，在上述一种金属屋面在线监测与健康管理系统中，所述数据传输子系统包括：多个星型zigbee网络、多个协调器网关和一个基站；多个所述星型zigbee网络与多个所述单片机一一对应连接；多个所述协调器网关与多个所述星型zigbee网络一一对应连接；
19.多个所述协调器网关和一个所述基站组成上层profibus星型网络；
20.多个所述星型zigbee网络与所述上层profibus星型网络组成双层星型网络拓扑结构。
21.进一步地，在上述一种金属屋面在线监测与健康管理系统中，所述服务器包括：数据管理模块、数据分析模块和预警模块；
22.所述数据管理模块用于对金属屋面不同区域的测量数据进行实时记录和处理；
23.所述数据分析模块用于采用奇异谱分析方法对历史测量数据和实时测量数据进行分析，得到金属屋面对应区域的屋面累积损伤情况；
24.所述预警模块用于采用预先构建的决策树模型对测量数据进行分析，得到金属屋面当前状态；所述金属屋面当前状态包括：金属屋面正常、金属屋面故障类型和传感器故障。
25.进一步地，在上述一种金属屋面在线监测与健康管理系统中，所述监测终端包括：人机交互界面、屋面布局显示模块、实时数据显示模块、数据变化显示模块和切换模块；
26.所述屋面布局显示模块用于按照所述传感器网络中各传感器节点在金属屋面的实际摆放位置，构建并显示金属屋面布局模型
27.所述实时数据显示模块用于显示所述传感器网络的实时测量数据；
28.所述数据变化显示模块用于显示所述传感器网络采集的测量数据随时间变化的曲线；
29.所述切换模块用于控制所述人机交互界面切换显示金属屋面布局模型、实时测量数据或测量数据随时间变化的曲线。
30.进一步地，在上述一种金属屋面在线监测与健康管理系统中，所述屋面布局显示模块还用于根据所述传感器网络中各传感器节点的实际状态，控制所述金属屋面布局模型中对应位置的传感器节点显示不同的颜色。
31.进一步地，在上述一种金属屋面在线监测与健康管理系统中，所述监测终端还包括：警示灯；所述警示灯用于根据金属屋面处于故障状态或正常状态显示不同的颜色。
32.本发明还公开一种金属屋面在线监测与健康管理方法，包括：
33.利用传感器网络采集金属屋面不同区域的测量数据；
34.按照zigbee通信协议对所述传感器网络进行区域组网，并将测量数据进行远程传输；
35.结合实时测量数据和/或历史测量数据对金属屋面的累积损伤和故障情况进行分析；
36.对实时测量数据、金属屋面的累积损伤和故障情况分析结果、以及所述传感器网络在金属屋面的布局和工作状态进行实时显示。
37.经由上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
38.本发明针对金属屋面结构损伤机理，首先归纳屋面常见的故障类型，并有针对性的根据故障表现形式及外在表征进行传感器的布局及选型，组成传感器网络对屋面进行分区监测；同时，按照zigbee通信协议对每个分区的传感器网络进行组网，再通过一层工业以太网对测量数据进行远距离传输，能够有效降低能耗，提高传输效率。本发明还能够对屋面故障状情况和累积损伤情况进行在线监测和显示，能够实时反映金属屋面的健康程度，及时对早期故障进行预警。
附图说明
39.图1为本发明实施例提供的金属屋面在线监测与健康管理系统的结构框图；
40.图2为本发明实施例提供的金属屋面在线监测与健康管理系统的硬件结构图；
41.图3为本发明实施例提供的数据传输子系统的网络拓扑结构示意图；
42.图4为本发明实施例提供的金属屋面在线监测与健康管理方法的流程图。
具体实施方式
43.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。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.如图1-2所示，本发明实施例公开一种金属屋面在线监测与健康管理系统，包括：数据采集子系统、数据传输子系统、服务器和监测终端；
47.数据采集子系统用于利用传感器网络采集金属屋面不同区域的测量数据；
48.数据传输子系统用于按照zigbee通信协议对传感器网络进行区域组网，并将测量
数据远程传输至服务器；
49.服务器用于结合实时测量数据和/或历史测量数据对金属屋面的累积损伤和故障情况进行分析；
50.监测终端用于对实时测量数据、金属屋面的累积损伤和故障情况分析结果、以及传感器网络在金属屋面的布局和工作状态进行实时显示。
51.在一个实施例中，传感器网络包括多组传感器组和多个单片机；每组传感器组分别对应安装在金属屋面的不同区域，并与多个单片机一一对应连接。
52.具体的，每组传感器组均包括应变片、激光传感器和超声波传感器；
53.应变片用于测量金属屋面对应位置的应力应变；
54.激光传感器用于测量金属屋面对应位置的纵向弯曲位移；
55.超声波传感器用于测量金属屋面对应位置的横向滑移。
56.本发明实施例首先针对金属屋面系统常见故障进行梳理，并根据故障类型决定传感器类型和布置位置。风载荷是对金属屋面围护系统危害最大的载荷，因为风载荷强度高，变化剧烈，作用时间长，屋面上方风速大会产生负风压，对金属屋面板产生向上的吸力，容易导致立边咬合处松动，甚至掀飞，这也是金属屋面最常见的事故形式。针对目前金属屋面系统最常见的三种故障形式：立边咬合处松动(面板与支座连接失效)，面板塑性变形，面板横向滑移进行在线监测与分析，最终采用应变片测屋面板应力，激光传感器测面板纵向弯曲位移，两种异构传感器综合判定屋面板状态。另外还在局部节点布设超声波传感器监测金属屋面板横向滑移。
57.更有利的，传感器网络还包括：气象传感器；气象传感器用于监测金属屋面所处区域的实时风向。
58.在另一个实施例中，如图3所示，数据传输子系统包括：多个星型zigbee网络、多个协调器网关和一个基站；多个星型zigbee网络与多个单片机一一对应连接；多个协调器网关与多个星型zigbee网络一一对应连接；
59.多个协调器网关和一个基站组成上层profibus星型网络；
60.多个星型zigbee网络与上层profibus星型网络组成双层星型网络拓扑结构。
61.多个传感器组和多个单片机组成多个采集终端，并分别布设在金属屋面的关键部位，网络传输系统采用双层星型网络拓扑结构，依照zigbee通信协议对传感器网络进行区域组网，基站由plc从站和plc主站组成，相当于拓展了一层工业以太网，以提高传输距离和网络覆盖面积。
62.采集终端放在金属屋面上方，按区域将数据包无线传输给室内协调器网关，这里采用zigbee协调器，zigbee协调器通过rs232串口与plc从站直连；plc从站和plc主站之间组建profinet星型网络，可以增加plc从站数量实现多对一通信；plc主站置于中控室。
63.屋顶传感器按物理布局划分为几个分区，每个分区设置一个zigbee模块，用于建立星型zigbee网络，由簇头汇聚感知信息，上传至zigbee协调器。采集终端放在屋顶，协调器网关放在屋内，不同区域内的传感器节点不进行数据的交换和路由器应答，以减少不必要损耗。然后协调器网关和基站组成上层profibus星型网络，每个zigbee协调器将每个分区的数据传输到基站，这样的组网方式可以增大网络覆盖面积，并且设计网络传输控制策略以有效降低能耗，提升节点使用寿命。最终的测量数据存储于基站服务器，并接入互联
网，用户可以通过监测终端按权限远程访问测量数据。
64.在其他实施例中，服务器包括：数据管理模块、数据分析模块和预警模块；
65.数据管理模块用于对金属屋面不同区域的测量数据进行实时记录和处理；
66.数据分析模块用于采用奇异谱分析方法对历史测量数据和实时测量数据进行分析，得到金属屋面对应区域的屋面累积损伤情况；
67.预警模块用于采用预先构建的决策树模型对测量数据进行分析，得到金属屋面当前状态；金属屋面当前状态包括：金属屋面正常、金属屋面故障类型和传感器故障。
68.本发明实施例中数据管理模块是通过数据库建立包括建筑设计参数、历史数据、实时测量、历史和预报气象数据、历史故障数据、维护记录的综合数据库，并支持更新、查询、备份、数据清洗等管理操作。结合实时数据与历史数据等分析，可以实现实时预警、历史数据分析、屋面状态综合评估及预测等功能。
69.数据分析模块通过奇异谱分析法进行屋面累积损伤分析，并结合分析结果对屋面整体综合性能进行评估。
70.其中，奇异谱分析方法的一般步骤为：首先，将待分析的时间序列按时间窗口分段截取，构造轨迹矩阵；对轨迹矩阵进行分解、重构，提取时间序列信号主成分，例如反映信号特征的长期趋势信号、周期信号、噪声信号等，进而对提取结果做下一步的分析或预测未来趋势。奇异谱分析主要包括两个部分——分解和重构，分解过程包括嵌入和奇异值分解，重构过程包括分组和对角平均。
71.对金属屋面整体性能进行评估，需要将单点监测数据分析结果和监测节点位置综合考虑，包括传感器数据、建筑数据、历史数据、天气数据等多元数据，因而数据类型具有复杂性和模糊性。
72.本发明实施例采用模糊综合评价法进行屋面整体性能评估，模糊综合评价法是一种可以对复杂系统综合评估的有效方法，它以模糊数学为理论基础，把对屋面的各种描述转化为模糊语言，以此来综合性地评价金属屋面状态。但是，模糊综合评价法中指标权重具有很大的主观性，借助层次分析法可以把复杂系统分解为若干层次和因素，计算各个影响因素的权重，最终利用模糊综合评价法和层次分析法，综合考虑传感器数据、建筑数据、天气数据等多元数据，建立金属屋面健康等级评估模型，完成对屋面整体综合性能的评估。
73.预警模块引入决策树模型来实现实时报警功能，决策树模型通过找到同一位置的异构传感器数据之间关联，进行故障判别；将同一时刻各个位置的传感器数据进行横向比较可以剔除异常点，减少误判。金属屋面预警策略需要判别屋面正常、屋面故障预警、传感器故障三种情况:屋面正常表现为屋面的失效是一个区域整体变化的过程。当天气恶劣时，同一区域的所有节点数据都会有明显的变化，此时某节点的数据异常才需要报警；在天气状态良好时，仅一个节点数据异常则不需要报警。屋面故障预警表现为以区域为单位进行报警，主要的报警形式包括屋面鼓起、屋面塑性变形、屋面板横向滑移等情况；传感器故障通过同一位置的异构传感器数据关联情况进行判别。
74.决策树模型首先根据区域内一个时间窗内位移均值达到阈值的比率判别，如果大于这个比率，则该区域大部分传感器数据反映为故障，可直接判定当前区域故障；如果小于这个比率，则可能是该区域存在故障，也可能由传感器本身故障引起，因此需要针对重点节点细化故障类型，以应变片检测应力数据为主要判定依据、超声波传感器检测位移数据辅
助判定，通过将异构传感器相关系数、应力均值、标准差、最大值与训练的阈值比较，判别为传感器故障、屋面预警或屋面正常三种判别类型中的某种。
75.在一个实施例中，监测终端包括：人机交互界面、屋面布局显示模块、实时数据显示模块、数据变化显示模块和切换模块；
76.屋面布局显示模块用于按照传感器网络中各传感器节点在金属屋面的实际摆放位置，构建并显示金属屋面布局模型
77.实时数据显示模块用于显示传感器网络的实时测量数据；
78.数据变化显示模块用于显示传感器网络采集的测量数据随时间变化的曲线；
79.切换模块用于控制人机交互界面切换显示金属屋面布局模型、实时测量数据或测量数据随时间变化的曲线。
80.更有利的，屋面布局显示模块还用于根据传感器网络中各传感器节点的实际状态，控制金属屋面布局模型中对应位置的传感器节点显示不同的颜色。
81.更有利的，监测终端还包括：警示灯；警示灯根据金属屋面处于故障状态或正常状态显示不同的颜色。
82.本发明实施例通过人机交互界面，可以查询和显示节点布局、节点实时采集数据、预警状况、历史曲线等信息，分别由屋面布局显示模块、实时数据显示模块和数据变化显示模块生成，通过切换模块可控制人机交互界面进行显示界面的切换。
83.例如，在屋面布局区中，编号1#表示数据采集节点相对于屋面板样品摆放的实际位置。节点正常情况下，编号1#闪烁为绿色；当1#节点故障时，编号1#闪烁为红色。
84.在数据显示区中，当传感器1#接入时，显示的所采集的数据包括：纵向位移(单位mm，有正负变化)、应变值(无单位，数据x10-6
，有正负变化)、应力值(根据应变值求得，有正负变化)、横向伸缩距离(单位cm，为正值)，纵向位移阈值和应变阈值可根据实际工程应用情况进行修改。在曲线显示区中，既能够显示位移随时间变化的曲线，又能够体现应力随时间变化的曲线。预警灯正常状态下为绿色，预警状态时为红色。
85.如图4所示，本发明实施例还公开一种金属屋面在线监测与健康管理方法，包括：
86.利用传感器网络采集金属屋面不同区域的测量数据；
87.按照zigbee通信协议对传感器网络进行区域组网，并将测量数据进行远程传输；
88.结合实时测量数据和/或历史测量数据对金属屋面的累积损伤和故障情况进行分析；
89.对实时测量数据、金属屋面的累积损伤和故障情况分析结果、以及传感器网络在金属屋面的布局和工作状态进行实时显示。
90.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。