农业建筑结构预警处理系统的制作方法

本发明属于现代农业建筑结构预警及防护领域，具体涉及农业建筑结构预警处理系统。

背景技术：

近年来，在国家农业集成化大背景下，我国农业工程已具有一定规模，农业建筑设施更是广泛应用于各类农业生产中，也出现了多种类型的农业结构形式。农业建筑结构形式较其他建筑结构形式，有其自身的特点：（1）结构主体受外荷载较小，受自然条件影响较大，常因雪荷载、风荷载作用而发生破坏；（2）建筑结构多为钢结构，常见破坏为强度不足，刚度变形大，稳定性较差。

2018年1月，安徽、陕西、河南、湖北、江苏等地先后出现大雪或暴雪，雪荷载等自然条件对农业造成严重经济损失。为预防恶劣天气对农业建筑破坏，给农业设施增加预警处理系统，及时发现问题，解决问题，采取预防措施，保证农业结构安全十分必要。

目前，针对农业建筑结构安全的预警系统仍十分匮乏。例如大棚、畜禽养殖舍等农业建筑设施的结构预警系统仍处于空白。以农业大棚结构体系为例，其受到雪荷载时仍存在如下问题：（1）不能及时发现问题：当遇到恶劣天气，短时间内造成大量积雪，或在夜间人们休息时出现暴雪，未能及时发现。以往人们根据经验判断是否需要除雪，但这种判断往往基于人们的观察和经验，准确率低，常出现未及时清扫造成农业建筑破坏的情况。（2）不能及时解决问题：虽农业除雪设备种类多样，但都需人工判断启动并操作，不能自动化控制，造成了除雪延误。

由此可见对农业建筑结构预警并实现其自动化防护的研究，具有重大意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供农业建筑结构预警处理系统，具体通过以下技术方案实现：

农业建筑结构预警处理系统，包括前端数据采集模块、处理模块以及后端执行模块；

其中，前端数据采集模块，与气象局网络平台实现数据共享，负责实时将共享的气象数据信息转化为载荷值传输至处理模块；

处理模块，负责设定结构的报警阈值，并根据接收的载荷值计算建筑结构中节点及杆件单元的位移值、强度值，将计算得出的位移值、强度值与报警阈值比较判断，超出阈值时，处理模块发出触发指令；

后端执行模块，负责接收触发指令，并控制除雪设备除雪。

进一步的，所述前端数据采集模块实时获取气象台网络平台的风速信息、降雪量信息，并将风速信息、降雪量信息转化得出风载荷、雪载荷。

进一步的，风载荷的计算如下：气象平台获取风速信息，单位m/s，风载荷按如下公式计算：

其中：为风压（），r为空气重度（kn/），为风速(m/s)。

进一步的，雪载荷的计算如下：降雪量是用标准容器将12小时或24小时内采集到的雪化成水后测量得到的数值，单位mm，雪荷载按如下公式计算：

其中：为雪压（），为水重度（kn/），为监测范围内每小时的降雪量（mm），为该监测时间段的融化系数。

进一步的，所述后端执行模块外接有蜂鸣器，当接收触发指令时，蜂鸣器发出报警信号。

进一步的，所述处理模块根据计算得出的风载荷、雪载荷信息，实时计算建筑结构中节点及杆件单元在x、z、xz方向的位移值，计算建筑结构中杆件单元的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度值。

进一步的，所述处理模块设定的报警阈值包括结构位移阈值、强度阈值。

进一步的，后端执行模块内含有通过串口与处理模块连接传输数据的下位机，当载荷超过阈值时，下位机接收信号控制蜂鸣器工作发出报警信号，同时启动除雪设备进行除雪。

进一步的，所述除雪设备包括盐水箱、水泵、水阀以及喷洒管，其中，水泵上的控制器接收下位机指令启闭水泵，水泵的进水端与盐水箱连接，水泵的出水端连接有水阀，水阀的出水端与喷洒管的一端口连接；所述喷洒管上分布有喷洒孔。

本发明的有益效果是：

本发明可实时预警监测大量结构体，适用于各种农业建筑，如大棚、温室、鸡舍、鸭舍等；适用于各种结构类型，如钢结构、混凝土结构、木结构，适用范围广。

本发明可实时监测雪灾，从数据采集到结构受力分析以及与自动防护的联动结合，不受结构及地域的限制，适用性广，符合我国大农业发展方向；解决了目前多种农业设施监控困难的问题，帮助农民及时监测降雪量，避免农业建筑结构因降雪量较大压塌情况的发生；整个系统操作简便，节省人力物力，具有很高的经济效率。

本发明可同时服务于产业区域内各农业建筑，实现规模化、集成化预警及防护；以大量实际气象数据为计算分析依据，对农业设施结构的预警分析更加精准，促进产业精准发展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明连接示意图。

图2为本发明除雪设备示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，农业建筑结构预警处理系统，包括前端数据采集模块、处理模块以及后端执行模块；

其中，前端数据采集模块，与气象局网络平台实现数据共享，负责实时将共享的气象数据信息转化为载荷值传输至处理模块；

处理模块，为pc机，负责设定结构的报警阈值，并根据接收的载荷值计算建筑结构中节点及杆件单元的位移值、强度值，将计算得出的位移值、强度值与报警阈值比较判断，超出阈值时，处理模块发出触发指令；

后端执行模块，负责接收触发指令，并控制除雪设备除雪。

进一步的，所述前端数据采集模块实时获取气象台网络平台的风速信息、降雪量信息，并将风速信息、降雪量信息转化得出风载荷、雪载荷。

进一步的，风载荷的计算如下：气象平台获取风速信息，单位m/s，风载荷按如下公式计算：

其中：为风压（），r为空气重度（kn/），为风速(m/s)。

在标准状态（气压为1013hpa，温度为15℃）下，空气的重度r=0.01225kn/。

进一步的，雪载荷的计算如下：降雪量是用标准容器将12小时或24小时内采集到的雪化成水后测量得到的数值，单位mm，雪荷载按如下公式计算：

其中：为雪压（），为水重度（kn/），为监测范围内每小时的降雪量（mm），为该监测时间段的融化系数。

进一步的，所述后端执行模块外接有蜂鸣器，当接收触发指令时，蜂鸣器发出报警信号。

进一步的，所述处理模块根据计算得出的风载荷、雪载荷信息，实时计算建筑结构中节点及杆件单元在x、z、xz方向的位移值，计算建筑结构中杆件单元的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度值。

进一步的，所述处理模块设定的报警阈值包括结构位移阈值、强度阈值。

进一步的，后端执行模块内含有通过串口与处理模块连接传输数据的下位机，当载荷超过阀值时，下位机接收信号控制蜂鸣器工作发出报警信号，同时启动除雪设备进行除雪。

进一步的，参见图2，所述除雪设备包括盐水箱1、水泵2、水阀3以及喷洒管4，其中，水泵2上的控制器接收下位机指令启闭水泵2，水泵2的进水端与盐水箱1连接，水泵2的出水端连接有水阀3，水阀3的出水端与喷洒管4的一端口连接；所述喷洒管4上分布有喷洒孔41。

进一步的，所述处理模块的报警阈值根据建筑结构材料标准规定的最大轴心拉力、轴心压力、剪力的设计强度，取0.8倍的安全系数计算确定。

在工作时，本发明的具体流程如下：

（一）、数据采集：

直接从中国气象数据网实时传输中国地面气象站逐小时观测数据，充分利用天气信息大数据共享平台，将采集到的降雪量信息、风速信息通过相应关系量化后转化为荷载值，传输至处理模块；

避免了使用大量传感器等元件，经济合理，准确性更高，实现大规模、远程控制。共享气象数据，实现农业与互联网的有效结合，将互联网技术应用到农业，提高农业集成化、智能化、信息化发展。

（二）计算实时载荷值下的结构所发生的位移值、强度值

在pc机中对农业设施结构的横向截面曲线进行建模，得到受力截面单元；对于选取的农业设施结构的横向截面选取节点，根据结构的重要性程度、结构类型、复杂程度以及结构的安全富余度来考虑选取截面节点个数，提取并细化最不利位置附近的节点，对关键节点进行控制，相邻两个节点确定一个计算杆件单元；实时计算建筑结构中节点及杆件单元在当前气象载荷值下的x、z、xz方向的位移值x（id）、z（id）、xz（id）,计算建筑结构中杆件单元在当前载荷值下的抗拉强度值、抗压强度值、抗剪强度值。

（三）比较判断：

（1）位移比较：

对于结构中节点及杆件单元在x、z、xz方向上所能承受的最大位移值，结合结构的构造，给予相应的最大位移经验值作为报警阈值，其中设定：

dx：x方向最大位移控制参数；

dz：z方向最大位移控制参数；

dxz：最大绝对位移控制参数；

当：

x（id）>dx

z（id）>dz

xz（id）>dxz

满足以上任一条件，即触发位移预警。

（2）强度比较：

：结构材料抗压强度；

：结构材料抗拉强度；

：结构材料抗剪强度；

计算建筑结构中各杆件单元在荷载作用下的轴心拉力、轴心压力及剪力值，并查询结构所用材料的抗拉、抗压、抗剪的设计强度值，对三种设计强度值分别取安全系数为0.8，作为预警的报警阈值，当：

其中为压应力，为拉应力，为剪切应力，为轴力，为杆的横截面面积，为弯矩，为弯曲截面系数，为剪力。

满足以上任一条件，即触发强度屈服预警。

确定每个节点在荷载作用过程中的位移变化以及受力情况，pc机实时计算农业建筑结构中节点及杆件单元在x、z、xz方向的位移值，以及各计算杆件单元所受的压力、拉力和剪力，并将计算得出的数据与结构位移阈值、强度阈值相比较，判断农业设施结构是否安全；若某个节点的位移变化或某根杆件的受力超过设定阈值，则自动报警，处理模块发出触发预警指令。

（四）、实施预警以及防护：

后端执行模块接收触发指令，控制蜂鸣器发出报警信息；同时控制水泵控制器开启水泵2，水泵2将盐水箱1内的盐水抽取至喷洒管4，盐水通过喷洒孔41向外喷出，实现除雪；具体实施时，喷洒管4可由用户固定在农业设施结构积雪的位置，水阀3日常为常开状态，当需紧急关闭水路时，由用户自行手动关闭。

本系统集数据采集、模型预警计算处理、自动除雪防护为一体，最大程度上解决不良环境下的监控难度。同时减少人工的实地检查与处理，提高安全可靠度，节省人力、物力，更可靠的避免了农业建筑结构的破坏，减少经济损失。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。