专利名称：基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器、通信、自动控制、人工智能以及物联网技术领域，特别是基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统。
背景技术：
随着中国经济的突飞猛进，在国内新建或扩建机场的热潮也愈来愈高涨。据业内人士预测，近五年内中国航空每年的增长率可达100%。目前针对机场建设市场的发展需求，各国均推出高新技术来提升机场的质量和安全标准。例如美国通用电气在2009年I月14日公开的申请号为CN200680048671的中国发明专利申请“微波检测系统和方法”，提出一种微波检测系统，它包括发送器/接收器、调制反射器和处理器等，可以快速检测机场受监控区域的物体，并定位。还有中国发明专利(专利号CN200710079468)“机场跑道警示系 统”，它是依靠设置在跑道两侧的警示灯具、传感器和在连路道入口处的主显示灯及塔台的中央控制单元来实现对跑道上的突发事件及时发出警示。又如中国民航华东管理局在1996年6月12日公开的中国发明专利(专利号CN95113331) “激光助航系统及其使用方法”，它是利用可见光激光器、雷达控制仪、能见度激光探测仪和控制器组成的系统，使飞行员在当时气象能见度二倍以上的距离上发现“激光下滑航道”，使着陆安全，对提高航班正常率、减少飞行复飞、返航、备降等都有重要作用。尽管人们运用激光、雷达、微波、视频等高科技手段已经极大地提高了机场安全运营和结构健康的监测/监管能力。但是，要满足新一代机场的在线监测和“零距离”监管的市场需求，还须努力。这里所谓的在线监测指的是在线监测机场声发射结构健康与安全，即时获取与处理机场混凝土结构在变形、受压或扭曲过程中所产生的声发射信息，做到提前预测，及时维护，减少损失。这里所谓的“零距离”监管指的是机场声发射结构健康与安全的“零距离”监管，利用声发射在线监测所获取的故障或事故信息，能在第一时间里传递给所有相关成员(其中包括维护工、塔台指挥员、工程设计师和主管领导)，实现科学应对，安全高效。
发明内容
本发明的目的是为新一代机场的在线监测和“零距离”监管提供一种基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统。本发明采用的是一种使用声发射智能传感器的物联网技术方案。它由信息感知层、无线/有线通信层及智能信息处理层三层融合而成。首先，在信息感知层着重描述了声发射智能传感器的无线网络，对机场混凝土结构实现无障碍、无盲点的全覆盖。然后，无线/有线通信层利用M2M互联网实时、准确地将声发射信息传输到智能信息处理层。最终，在智能信息处理层，运用云计算、数据挖掘与模式识别等各种智能计算技术实施信息数据分析和决策，完成机场声发射结构健康与安全的在线监测和“零距离”监管。所说的声发射智能传感器的无线网络对机场混凝土结构实现无障碍、无盲点的全覆盖，指的是采用微创方法或钢筋捆绑法把声发射智能传感器嵌入机场混凝土结构内部，做到既不影响机场上面原有的设备装置一可谓无障碍，又能铺设到跑道、滑行道和停机坪等机场所有的混凝土结构中去，实现无盲点、全覆盖。所说的一种使用声发射智能传感器的物联网，指的是把物联网技术和声发射无损检测技术集成在一起创新开发出智慧的民用工程，例如水库、大坝、核电站、高速公路、交通枢纽和大桥隧道等等。 所说的声发射智能传感器指的是一种低功耗、本质安全的微电子装置，即以声发射感知为主的一种复合式传感器，如声发射/红外、声发射/超声波和声发射/温湿度等多重信号同时获取，它还具备无线/有线通信和自适应的数据萃取与能量捕获功能。所说的无线/有线通信层是指信息感知层和智能信息处理层同互联网之间的互联互通。然而，其中的信息不像互联网处理的信息那样都是人创造的信息，在此，基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统处理的信息不仅有人为信息，还包括各种物理现象(如声发射、热辐射等等)通过M2M所直接反映出来的信息，且这些信息随时随地互联互通，但每次无线/有线通信的信息量一般较小。所说的智能信息处理层是指基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统的分析决策层面。它经过信息感知层和无线/有线通信层所获得的声发射信息数据，再利用云计算、数据挖掘与模式识别等各种智能计算技术进行分析决策，完成机场声发射结构健康与安全的在线监测和“零距离”监管。本发明具有如下有益效果I、嵌入式声发射智能传感器无线网络能对机场无障碍、无盲点的全覆盖，在线监测跑道、滑行道、停机坪和其他混凝土地表上活动的飞行器和车辆目标，为防止误入、相撞等事故的发生提供即时信息；2、实时获取地面沉降或/和因飞行器升降所造成机场混凝土结构受损的动态数据，提前预测、及时维护、减少损失；3、实现机场结构健康与安全的“零距离”监管，使得突发性事故或/和随机故障均能在第一时间里被获取与处理，做到科学应对、安全高效；4、本发明公开了一种用于混凝土材料结构的声发射M2M智能模式，对全球的公共基础设施(如水库、大坝、核电站、高速公路交通枢纽和大桥隧道等等)的智能化改造和建设具有实用价值。
图I为本发明基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统的工作原理框2为声发射智能传感器结构示意3为用微创法将声发射智能传感器嵌入机场混凝土结构内的示意4为用钢筋捆绑法将声发射智能传感器嵌入机场混凝土结构内的示意5为小型机场实施例示意框6为较小摩擦力所对应的声发射信号波形7为较强摩擦力所对应的声发射信号波形8为混凝土结构在外界负荷作用下的声发射特征参数表
具体实施例方式在此，结合附图对本发明的一个小型机场实施例子做一说明。如图I、图2、图3、图4和图5所示，本发明的一个小型机场实施例子是一种使用声发射智能传感器的物联网，也是一种在线监测机场结构健康与安全的M2M互联网的延伸和扩展。所说的物联网是由信息感知层、无线/有线通信层和智能信息处理层互为组成。首先，在信息感知层采用一种微创方法将声发射智能传感器(302)和用钢筋捆绑法将附有固定带的声发射智能传感器(401)均以无线网络方式嵌入机场混凝土结构(303)内，包括机场跑道、滑行道以及停机坪，然后，将其声发射数据信息通过互联网，即无线/有线通信层迅速准确地传输到智能信息处理层。最终，在智能信息处理层利用云计算、图形用户界面、数据挖掘与模式识别和自动化控制等智能计算技术实施信息分析和决策，完成机场声发射结构健康与安全的在线监测和“零距离”监管。·所说的声发射智能传感器由电池(201)、无线通信器(202)、声发射传感器(204)、无线电力接收器(205)、红外探测器(206)、外壳(203)和固定件(207)组成。所说的信息感知层具有如下功能 信息感知层中的声发射智能传感器能即时获取与处理多种复合感知信息，如声发射/红外、声发射/超声波和声发射/温湿度等； 互联网客户终端(如PC机、智能手机、平板电脑等)通过无线/有线通信层可以实时查询到每一个声发射智能传感器的工作状态； 声发射智能传感器还具有系统集成芯片(SOC)的特性，即芯片式数据处理自适应控制以及节能运行。所说的也是一种在线监测机场结构健康与安全的M2M互联网的延伸和扩展。如图5，其中M2M的具体组合模式是 声发射智能传感器对机场地面设备，如雷达、照明和视频等设备的组合； 无线/有线通信层和智能信息处理层的机器设备装置对机场塔台和指挥中心设备，如GPS、监视屏和信息平台等相互之间的组合； 无线/有线通信层和智能信息处理层的机器设备装置对互联网和移动互联网络终端的机器设备装置，如智能手机、云计算和PC机等机器的组合。图6和图7表明声发射智能传感器可以获得不同摩擦力作用下声发射信号，图8表示的是混凝土结构在受外力影响时的声发射信号特征参数。
权利要求
1.基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统是一种使用声发射智能传感器的物联网(The Internet of Things),由信息感知层、无线/有线通信层和智能信息处理层互为组成，它也是一种在线监测机场结构健康与安全的机器对机器(以下简称M2M)互联网的延伸和扩展。
2.如权利要求I所述的基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统，其特征在于，所说的由声发射智能传感器所构成的信息感知层具备以下运行功能 ①信息感知层中的声发射智能传感器能即时获取与处理多种复合感知信息，比如声发射/红外、声发射/超声波和声发射/温度与湿度，等； ②互联网客户终端(如PC机、智能手机、平板电脑等)通过无线/有线通信层(2)可以实时查询到每一个声发射智能传感器的工作状况； ③声发射智能传感器还具有集成芯片(SOC)的特征，即芯片式数据处理、自适应控制以及节能运行； ④信息感知层拥有无线充电的功能。
3.如权利要求I所述的基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统，其特征在于，所说的信息感知层是嵌入在机场混凝土结构里的声发射智能传感器的无线网络所构成。
4.如权利要求I所述的基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统，其特征在于，所说的信息感知层是采用微创方法或/和钢筋捆绑法使声发射智能传感器，以无线网络的方式同机场混凝土结构组合成一体，做到无障碍、无盲点的全覆盖。
5.如权利要求I所述的基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统，其特征在于，所说的物联网能够由信息感知层即时获取与处理声发射信息，并通过M2M互联网的无线/有线通信层将声发射信息传输到智能信息处理层分析和决策，完成机场声发射结构健康与安全的在线监测和“零距离”监管。
6.如权利要求I所述的基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统，其特征在于，所说的它也是一种在线监测机场结构健康与安全的M2M互联网的延伸和扩展，其中M2M的具体组合模式是 ①声发射智能传感器对机场已有的地面设备装置，例如雷达、照明和视频等机器的组合； ②无线/有线通信层和智能信息处理层的机器设备装置对机场塔台和指挥中心原有机器，如GPS、监视屏和信息平台等相互之间的组合； ③无线/有线通信层和智能信息处理层的机器对互联网和移动互联网各种终端的机器设备装置，如智能手机、云计算和PC机等机器的组合。
7.如权利要求I所述的基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统，其特征在于，所说的它也是一种在线监测机场结构健康与安全的M2M互联网的延伸和扩展，即推出了一种用于混凝土材料结构的声发射M2M智能模式,对全球基础设施(如水库、大坝、核电站、高速公路、交通枢纽和大桥隧道等)的智能化改造或建设具有实用价值。
全文摘要
基于物联网的机场声发射结构健康与安全监测系统是一种使用声发射智能传感器的物联网，由信息感知层、无线/有线通信层和智能信息处理层组成。首先，在信息感知层采用微创法和钢筋捆绑法将声发射智能传感器以无线网络嵌入机场混凝土结构内，包括跑道、滑行道以及停机坪。然后，将其感知信息通过互联网，即无线/有线通信层实时传输到智能信息处理层。最终，在智能信息处理层利用云计算、图形用户界面、数据挖掘与模式识别和自动化控制等智能计算技术实施分析和决策，完成机场声发射结构健康与安全的在线监测和“零距离”监管。本发明的用于混凝土材料结构的声发射M2M智能模式，适合基础设施的智能化改造和建设。
文档编号H04L29/08GK102917002SQ20121027886
公开日2013年2月6日 申请日期2012年8月7日 优先权日2012年8月7日
发明者王汝笠, 费宁, 傅艳红 申请人:上海奥达光电子科技有限公司