一种工程风险无线感知预警可视化系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种工程风险无线感知预警可视化系统及方法，系统包括传感器模块、微处理器模块、无线收发模块、现场预警模块、数据存储模块、远程预警模块和上位机，传感器模块设置于工程结构中，连接微处理器模块，微处理器模块分别连接无线收发模块和上位机，无线收发模块分别连接现场预警模块、数据存储模块和远程预警模块，现场预警模块设置于工程现场，远程预警模块设置于远程监控室，数据存储模块连接上位机。与现有技术相比，本发明用于土木工程安全监测与预警，结合了监测理论、工程风险理论和自动控制理论，突破了现有监测、预警方法的局限性，实现了实时的反馈和及时的预警，最大限度的保证了工程施工和运营中的安全。
【专利说明】—种工程风险无线感知预警可视化系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实时监测预警系统和方法，尤其是涉及一种工程风险无线感知预警可视化系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着改革开放的不断深入和国民经济的快速发展，我国迎来了一个大规模的建设高潮，兴建了大量的土木工程包括房屋、隧道、桥梁、堤坝等。在大规模建设的同时，工程在施工和运营中的事故层出不穷，对工程结构的监测和预警也越来越受到重视。公共房屋、城市桥梁、隧道等设施作为城市生命线工程，一旦发生事故后果不堪设想，因此对工程的安全监测、预警非常重要。
[0003]目前工程中通常的监测流程是由工作人员亲临工程第一线操作监测设备或采集数据，将监测数据带回处理、分析后，再给出相应的反馈结果，需要时再发出预警信号。这些监测方法都普遍存在以下问题:耗费大量人力、物力、财力；安装、操作不方便；需要大量供电和通信线缆；数据不能实时处理、反馈不及时。
[0004]当前土木工程结构健康监测的发展趋势为监控种类多、分布分散，安装空间狭小等，这些为监控提出了更高的要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工程风险无线感知预警可视化系统及方法，用于土木工程安全监测与预警，结合了监测理论、工程风险理论和自动控制理论，突破了现有监测、预警方法的局限性，实现了实时的反馈和及时的预警，最大限度的保证了工程施工和运营中的安全。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]—种工程风险无线感知预警可视化系统，包括传感器模块、微处理器模块、无线收发模块、现场预警模块、数据存储模块、远程预警模块和上位机，所述的传感器模块设置于工程结构中，连接微处理器模块，所述的微处理器模块分别连接无线收发模块和上位机，所述的无线收发模块分别连接现场预警模块、数据存储模块和远程预警模块，所述的现场预警模块设置于工程现场，所述的远程预警模块设置于远程监控室，所述的数据存储模块连接上位机；
[0008]传感器模块监测与工程风险相关的被测量，微处理器模块接收传感器模块的信号，并设有由上位机设置的风险等级分级和风险等级阈值，对监测信号处理，通过无线收发模块向现场预警模块、远程预警模块和数据存储模块传输信号，控制现场预警模块和远程预警模块进行预警，数据存储模块由微处理器模块设置采集和监测频率，对监测数据进行存储，上位机读取数据存储模块的数据，并进行整理、分析。
[0009]所述的传感器模块包括位移传感器、倾斜传感器、振动传感器、加速度传感器、拉/压力传感器、应变/应力传感器、渗漏水传感器、温/湿度传感器或气体传感器中的一种或几种，将感应信号输入微处理器模块。
[0010]所述的无线收发模块包括无线接收节点和无线发送节点，通过无线网络进行通信，所述的无线接收节点分别连接现场预警模块、数据存储模块和远程预警模块，所述的无线发送节点连接微处理器模块；
[0011]经过上电初始化后，无线接收节点首先建立无线网络，在建立网络成功后，允许其它节点加入该无线网络，无线发送节点在确定存在无线网络之后，请求加入该无线网络，成功加入网络后，按照预设的时间周期将监测数值组成的数据帧信号发送给无线接收节点。
[0012]所述的数据帧信号的数据结构包括:
[0013]数据头字段:用于标定所述数据帧信号的起始；
[0014]节点编号字段:用于标定传感器模块内传感器的编号；
[0015]数据字段:用于承载监测数值；
[0016]校验字段:用于校验发送数据是否正确；
[0017]数据尾字段:用于标定所述数据帧信号的结束。
[0018]所述的微处理器模块通过预设插口、无线网络、蓝牙或移动通信网络与上位机进行连接与通信。
[0019]所述的现场预警模块和远程预警模块采用色光、蜂鸣和震动的形式。
[0020]一种工程风险无线感知预警可视化方法，包括以下步骤:
[0021]步骤S1:监测与结构安全相关的被测量，并将测得信号转换为电信号；
[0022]步骤S2:将电信号进行A/D转换，获得监测数值，设置风险等级分级和风险等级阈值，将监测数值与风险等级阈值进行比较，判断监测数值是否小于阈值中预警临界值，若是，则通过无线网络发出安全信号，并传输监测数值，存储于数据库中，若否，执行步骤S3;
[0023]步骤S3:判断监测数据是否小于阈值中报警临界值，若是，则通过无线网络发出预警信号进行预警，同时存储监测数值，若否，执行步骤S4 ；
[0024]步骤S4:通过无线网络发出报警信号进行报警，同时存储监测数值。
[0025]所述的风险等级分级根据被测量与工程安全状况间的指向性，建立被测量的大小与工程风险等级之间的关系，进而划分若干个风险等级，所述的风险等级阈值为各个风险等级之间的临界值。
[0026]所述的预警和报警通过采用不同颜色的LED色光和不同的闪烁频率，用以表征工程的安全状态和风险等级。
[0027]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0028]I)本发明采用自动控制技术可以实时进行数据处理并对外控制，突破了现有监测、预警方法的局限性，安装后不需要人工操作，实现了实时的监测、反馈和及时的预警，并自动的存储监测数据供后期分析使用，具有智能化、科学化和可视化的特点；
[0029]2)本发明针对不同的工程结构，设置相应的传感器，进行监测工程状况，具有通用性；
[0030]3)本发明采用无线网络，具有布局灵活、结构易变、生命力较强等特点，应用前景良好；
[0031]4)本发明中预警采用LED灯、蜂鸣器等设备，具有易于控制、响应速度快等优点，同时采用不同颜色的LED色光和不同的闪烁频率，表征工程的安全状态和风险等级，具有可视化的特点；
[0032]5)本发明中预警设置分析中使用了行业数据和理论分析的方法，使风险等级的划分具有科学性，通过可以根据实际工程设置不同的风险等级和相应的阈值，更加全面地反应工程状况，增强预警能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明预警系统的结构示意图；
[0034]图2为本发明预警方法的流程图；
[0035]图3为本发明实施例一中地铁盾构隧道工程结构示意图；
[0036]图4为本发明实施例二中基坑工程结构示意图。
[0037]图中:1、传感器模块，2、微处理器模块，3、无线收发模块，4、现场预警模块，5、数据存储模块，6、远程预警模块，7、上位机，8、隧道工程结构，9、基坑工程结构，31、无线发送节点，32、无线接收节点。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0039]实施例一:
[0040]如图3所示，本发明实施例一中的工程结构为某地铁盾构隧道8，每环由六块管片组成。
[0041]如图1所示，在某地铁盾构隧道8上构建工程风险无线感知预警可视化系统，包括传感器模块1、微处理器模块2、无线收发模块3、现场预警模块4、数据存储模块5、远程预警模块6和上位机7，传感器模块I设置于工程结构中，连接微处理器模块2，微处理器模块2分别连接无线收发模块3和上位机7，无线收发模块3分别连接现场预警模块4、数据存储模块5和远程预警模块6，现场预警模块4设置于工程现场，远程预警模块6设置于远程监控室，数据存储模块5连接上位机7，其中，微处理器模块2通过预设插口、无线网络、蓝牙或移动通信网络与上位机7进行连接与通信。
[0042]传感器模块I包括位移传感器、倾斜传感器、振动传感器、加速度传感器、拉力传感器、压力传感器、应变传感器、应力传感器、渗漏水传感器、温度传感器、湿度传感器或有毒有害气体传感器中的一种或几种，监测与工程风险相关的被测量，将感应信号转换为电信号，输入微处理器模块2。本发明实施例一中的传感器模块I为倾斜传感器，并且设置在盾构隧道内侧的监测点处，可用于监测盾构隧道管片的倾斜量，当管片发生倾斜时，带倾斜传感器发生变形，输出相应的电信号。
[0043]微处理器模块2接收传感器模块I的信号，并设有由上位机设置的风险等级分级和风险等级阈值，对监测信号进行处理，包括进行A/D转换，通过预先设定并存储在ROM中的内部程序中分析计算，即采用数字低通滤波的方法，去除噪声，保证变形信息的准确性，并将A/D转换后的数据带入预编的程序进行计算，与预设风险等级阈值进行比较，由无线收发模块3传输信号，输出相应的LED控制信号控制现场预警模块4和远程预警模块6进行预警，同时控制数据存储模块5进行数据存储。
[0044]无线收发模块3包括无线接收节点32和无线发送节点31，通过无线网络进行通信，无线接收节点32分别连接现场预警模块4、数据存储模块5和远程预警模块6，无线发送节点31连接微处理器模块2 ；
[0045]经过上电初始化后，无线接收节点32首先建立无线网络，在建立网络成功后，允许其它节点加入该无线网络，无线发送节点31在确定存在无线网络之后，请求加入该无线网络，成功加入网络后，按照预设的时间周期将监测数值组成的数据帧信号发送给无线接收节点32。
[0046]数据帧信号的数据结构包括:
[0047]数据头字段:用于标定所述数据帧信号的起始；
[0048]节点编号字段:用于标定传感器模块I内传感器的编号；
[0049]数据字段:用于承载监测数值；
[0050]校验字段:用于校验发送数据是否正确；
[0051]数据尾字段:用于标定所述数据帧信号的结束。
[0052]数据存储模块5由微处理器模块2设置采集和监测频率，在接收数据信号后，完成数据的接收和存储，即数据存储模块5受微处理器模块2控制，根据实测值与预设风险等级阈值的比较，判断工程结构所处风险等级，自动智能地选择相应的数据采集频率。
[0053]现场预警模块4和远程预警模块6受微处理器模块2控制，根据实测值与预设风险等级阈值的比较，判断工程结构所处风险等级，自动智能地改变预警信号，具体采用色光、蜂鸣和震动的形式。通过采用不同颜色的LED色光和不同的闪烁频率，用以表征工程的安全状态和风险等级。
[0054]上述各模块由电池和交流电源供电。
[0055]上位机7为电脑、手持设备或移动终端。上位机7与微处理器模块2和数据存储模块5之间以无线网络进行连接，对数据存储模块5中的数据进行读取、整理和存储，通过上位机7可以对微处理器模块2中的风险等级分级及风险等级阈值进行初始的设置。
[0056]如图2所示，基于上述工程风险无线感知预警可视化系统，采用一种工程风险无线感知预警可视化方法进行风险预警，包括以下步骤:
[0057]步骤S1:监测与结构安全相关的被测量，并将测得信号转换为电信号；
[0058]步骤S2:将电信号进行A/D转换，获得监测数值，设置风险等级分级和风险等级阈值，将监测数值与风险等级阈值进行比较，判断监测数值是否小于阈值中预警临界值，若是，则通过无线网络发出安全信号，并传输监测数值，存储于数据库中，若否，执行步骤S3;
[0059]风险等级分级根据被测量与工程安全状况间的指向性，建立被测量的大小与工程风险等级之间的关系，进而划分若干个风险等级，风险等级阈值为各个风险等级之间的临界值；
[0060]步骤S3:判断监测数据是否小于阈值中报警临界值，若是，则通过无线网络发出预警信号进行预警，同时存储监测数值，若否，执行步骤S4 ；
[0061]步骤S4:通过无线网络发出报警信号进行报警，同时存储监测数值。
[0062]实施例二:
[0063]如图4所示，本发明实施例二中的工程结构为某基坑工程10。
[0064]在本发明实施例二中传感器模块I采用应力传感器，设置在基坑横向支撑外部，可用于监测基坑中支撑的轴力。应力传感器固定在横向上，当支撑受力时，应力传感器与其同时受力，输出相应的电信号。倾斜传感器，设置在基坑影响的建筑结构上，可用于监测建筑结构安全状况。倾斜传感器固定在建筑结构上，当建筑结构变形时，倾斜传感器与其同时变形，输出相应的电信号。
[0065]微处理器模块2连接传感器模块I，接收来自应力传感器模块I的受力信息后对其进行A/D转换，并且采用数字低通滤波的方法，去除噪声，保证变形信息的准确性，并将A/D转换后的数据带入预编的程序进行计算，与预设的风险等级阈值进行比较，输出相应的控制信号。
[0066]现场预警模块4在接收控制信号后，输出相应颜色的LED色光和闪烁频率，用以表征结构的安全状态和风险等级。远程预警模块6接收控制信号后，同时在远端显示出相应的预警信号。
[0067]数据存储模块5在接收数据信号后，完成数据的接收和存储。
[0068]上述各模块由充电电池供电。上位机7与微处理器模块2和数据存储模块5之间以无线网络进行连接，对数据存储模块5中的数据进行读取、整理和存储，可对微处理器模块2中的风险等级分级及风险等级阈值进行初始设置。
【权利要求】
1.一种工程风险无线感知预警可视化系统，其特征在于，包括传感器模块、微处理器模块、无线收发模块、现场预警模块、数据存储模块、远程预警模块和上位机，所述的传感器模块设置于工程结构中，连接微处理器模块，所述的微处理器模块分别连接无线收发模块和上位机，所述的无线收发模块分别连接现场预警模块、数据存储模块和远程预警模块，所述的现场预警模块设置于工程现场，所述的远程预警模块设置于远程监控室，所述的数据存储模块连接上位机； 传感器模块监测与工程风险相关的被测量，微处理器模块接收传感器模块的信号，并设有由上位机设置的风险等级分级和风险等级阈值，对监测信号处理，通过无线收发模块向现场预警模块、远程预警模块和数据存储模块传输信号，控制现场预警模块和远程预警模块进行预警，数据存储模块由微处理器模块设置采集和监测频率，对监测数据进行存储，上位机读取数据存储模块的数据，并进行整理、分析。
2.根据权利要求1所述的一种工程风险无线感知预警可视化系统，其特征在于，所述的传感器模块包括位移传感器、倾斜传感器、振动传感器、加速度传感器、拉/压力传感器、应变/应力传感器、渗漏水传感器、温/湿度传感器或气体传感器中的一种或几种，将感应信号输入微处理器模块。
3.根据权利要求1所述的一种工程风险无线感知预警可视化系统，其特征在于，所述的无线收发模块包括无线接收节点和无线发送节点，通过无线网络进行通信，所述的无线接收节点分别连接现场预警模块、数据存储模块和远程预警模块，所述的无线发送节点连接微处理器模块； 经过上电初始化后，无线接收节点首先建立无线网络，在建立网络成功后，允许其它节点加入该无线网络，无线发送节点在确定存在无线网络之后，请求加入该无线网络，成功加入网络后，按照预设的时间周期将监测数值组成的数据帧信号发送给无线接收节点。
4.根据权利要求3所述的一种工程风险无线感知预警可视化系统，其特征在于，所述的数据帧信号的数据结构包括: 数据头字段:用于标定所述数据帧信号的起始； 节点编号字段:用于标定传感器模块内传感器的编号； 数据字段:用于承载监测数值； 校验字段:用于校验发送数据是否正确； 数据尾字段:用于标定所述数据帧信号的结束。
5.根据权利要求1所述的一种工程风险无线感知预警可视化系统，其特征在于，所述的微处理器模块通过预设插口、无线网络、蓝牙或移动通信网络与上位机进行连接与通信。
6.根据权利要求1所述的一种工程风险无线感知预警可视化系统，其特征在于，所述的现场预警模块和远程预警模块采用色光、蜂鸣和震动的形式。
7.—种工程风险无线感知预警可视化方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤S1:监测与结构安全相关的被测量，并将测得信号转换为电信号； 步骤S2:将电信号进行A/D转换，获得监测数值，设置风险等级分级和风险等级阈值，将监测数值与风险等级阈值进行比较，判断监测数值是否小于阈值中预警临界值，若是，则通过无线网络发出安全信号，并传输监测数值，存储于数据库中，若否，执行步骤S3; 步骤S3:判断监测数据是否小于阈值中报警临界值，若是，则通过无线网络发出预警信号进行预警，同时存储监测数值，若否，执行步骤S4 ； 步骤S4:通过无线网络发出报警信号进行报警，同时存储监测数值。
8.根据权利要求7所述的一种工程风险无线感知预警可视化系统，其特征在于，所述的风险等级分级根据被测量与工程安全状况间的指向性，建立被测量的大小与工程风险等级之间的关系，进而划分若干个风险等级，所述的风险等级阈值为各个风险等级之间的临界值。
9.根据权利要求7所述的一种工程风险无线感知预警可视化系统，其特征在于，所述的预警和报警通过采用不同颜色的LED色光和不同的闪烁频率，用以表征工程的安全状态和风险等级。
【文档编号】G08B25/10GK104167084SQ201410407067
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】黄宏伟, 王明卓, 薛亚东, 何斌, 唐晓城, 王飞 申请人:同济大学