專利名稱：基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統及方法
技術領域：
本發明涉及建筑工程地震災害評估領域和無線傳感器網絡技術領域，尤其涉及一種適用于基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統。
背景技術：
既有建筑的震害評估是強震后的重要工作內容之一。各類房屋建筑的震害評估報告是合理確定災后救助方案和災后重建政策最原始的工程依據。其中尤為重要的是，震后須對醫院、避難場所(如大跨體育場館)和學校等重要建筑進行迅速而準確的即時震害評估，以期更好地實現地震傷員的醫務救助、受災群眾的臨時安置以及災區學校的開學復課。專業人員對震后建筑結構的排查鑒定是當前災后震害評估的主要手段。受實際條件的制約，這種評估手段具有以下局限性
①對受災建筑進行現場排查需結構工程和地震工程領域的專業人員參與，同時肉眼排查
只能觀察到結構的表面破壞，結構內部損傷則需借助儀器進行檢測，因此大量人員和儀器
的投入是這種評估手段所不可或缺的。②現場排查須在專業人員和儀器到達受災現場后
進行，排查工作也需一定的時間才能完成，因此評估時間往往較長，難以實現重要建筑的即
時震害評估目標。③現場排查大多局限于結構局部損傷的判定，通過結構的局部損傷情況
進行結構整體的定性震害評估往往帶有一定的片面性和主觀性，也很難定量地分析地震對既有建筑正常使用功能所造成的破壞及由此所產生的經濟損失。建筑結構的抗震分析計算也是既有建筑災后震害評估的一種手段。然而，既有建筑的結構參數確定需進行大量的調研工作，單體結構的計算機建模和分析同樣需投入大量的人力和物力，準確的地震動輸入數據也要在地震工作者數據處理后才能獲得，以上的各種原因也使得通過抗震分析獲取結構地震反應繼而進行既有建筑的災后震害評估特別是即時評估變得十分困難。因此，突破傳統的震害評估手段，利用現有的技術開發一種更為先進的震害評估系統，對進一步提升我們國家的抗震防災能力和降低強震后的震害損失將是十分重要和迫在眉睫的。傳感器技術、微機電系統和無線通信等技術的進步，推動了低成本、低功耗、多功能智能傳感器的快速發展，使其在微小體積內能夠集成信息采集、數據處理和無線通信等多種功能。與傳統的有線傳感器系統相比較，由多個智能傳感器組成的無線傳感網無需通過電纜線傳輸工程測試信號，在大大降低其測量應用成本的同時，具有易布設、施工周期短和信號穩定等優點。無線傳感網所具備的優點及其技術發展同樣為既有建筑的地震反應檢測提供了一種新的技術手段。正是基于以上的工程和技術背景，本發明提出了基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統及方法。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統及方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統，它主要由若干個無線傳感器節點和一個控制計算中心通過無線連接組成；其中，所述無線傳感器節點由傳感器模塊、單片機處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊等組成；所述傳感器模塊、單片機處理器模塊、無線通信模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、 無線通信模塊分別與單片機處理模塊相連；所述傳感器模塊包含三維加速度傳感器和三維角速度傳感器，單片機處理模塊由處理器、存儲器、A/D轉換器和傳感器信號調理電路等組成；三維加速度傳感器和三維角速度傳感器分別與傳感器信號調理電路相連，傳感器信號調理電路和A/D轉換器相連，存儲器和A/D轉換器分別與處理器相連；所述控制計算中心由無線傳感器模塊、單片機處理模塊、無線通信模塊、數據分析模塊和電源模塊等組成；傳感器模塊、單片機處理器模塊、無線通信模塊、數據分析模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、無線通信模塊分別與單片機處理模塊相連，數據分析模塊與無線通信模塊相連；單片機處理模塊由處理器、存儲器、A/D轉換器和傳感器信號調理電路等組成，傳感器信號調理電路和A/D轉換器相連，存儲器和A/D轉換器分別與處理器相連；傳感器模塊包含三維加速度傳感器和三維角速度傳感器，三維加速度傳感器和三維角速度傳感器分別傳感器信號調理電路相連。一種應用上述基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統的建筑結構震害評估方法，該方法包括以下步驟
(1)對基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統進行初始化工作；
(2)建筑結構振動信號的采集、保存和發送當控制計算中心的加速度傳感器檢測到三軸加速度中的任意一軸加速度數值大于所設定閾值5cm/s2時，判定振動發生，發送命令喚醒其它無線傳感器節點進行結構振動信號的采集，信號調理電路將采集到的信號經過放大和濾波，A/D轉換器再進行模數轉換，處理器接收數據信號并進行數據信號的保存；在結構振動數據采集過程中，如連續5秒的時間內，控制計算中心的加速度傳感器檢測到三軸加速度中的所有加速度的數值均小于所設定閾值5cm/s2，則判定結構振動停止；發送命令停止其它無線傳感器節點的數據采集，并將采集到的數據通過無線發射模塊發射給控制計算中心，節點即進入休眠狀態。(3)控制計算中心接收和儲存采集到的振動數據控制計算中心控制整個震害評估系統的信號采集，并在信號采集完成后接收和儲存各無線傳感器節點采集到的振動數據。(4)控制計算中心對振動數據進行融合處理，并進行建筑結構的震害評估無線傳感器節點測量得到的三維角速度測量數據，由控制計算中心進行積分運算，得到結構的扭轉反應時程；由此進一步對各層測點的加速度反應進行局部坐標系向整體坐標系的轉換， 統一所有加速度反應測量數據的坐標系，使其具有方向可比性；對整體坐標系下的加速度反應進行積分運算得到各測點處的位移反應，并由各層測點的位移反應差計算得到結構的
4層間位移反應；根據結構最大層間位移進行結構構件以及整體結構的易損性分析由最大層間位移分析計算得到建筑結構構件所履歷的最大地震變形，從而比較各個極限狀態下結構構件(墻、柱、梁等)的極限變形，判別各結構構件所處的破壞極限狀態，評估結構構件的地震震害；由結構構件的破壞狀況，進行整體結構的地震安全性分析，從而評估整體結構的
地震震害。本發明的有益效果是
1、借助于無線傳感網技術低成本、自組織的特點，構建了一種基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統，在功能上做到真正意義上的零線路布置，長期全天候工作。2、本發明采用了低功耗設計。震害評估系統平時態時只有控制計算中心檢測振動，無線傳感器節點則處于休眠狀態，傳感器處于完全斷電狀態，從而實現真正意義上的低功耗工作。3、利用無線傳感器節點中的加速度傳感器和角速度傳感器對各測點的地震響應進行實時檢測和傳輸，并通過數據的融合處理和計算分析得到既有建筑的即時震害評估結果，整個評估過程將不再需要專業人員的參與現場檢測儀器的投入。4、無線傳感器節點的加速度傳感器和角速度傳感器將檢測記錄各測點結構地震響應的時程履歷，從而可以跟蹤和分析結構在整個地震中所受到的損傷過程，得到震害評估結果將更加精確合理。5、利用檢測到的加速度和角速度反應，進行數值分析計算得到結構的速度反應和層間位移反應，從而除了通過層間位移對整體結構和結構構件進行震害評估外，還可以通過結構的速度和加速度反應對非結構構件(如天花板吊頂、吊燈、家具以及儀器設備)等速度或加速度敏感型構件進行震害評估，真正實現建筑結構基于性能的震害評估要求。
圖1為基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統示意圖； 圖2為本發明的無線傳感器節點硬件結構框圖3為本發明的控制計算中心硬件結構框圖； 圖4為本發明的無線傳感器節點軟件流程圖； 圖5為本發明的控制計算中心軟件流程圖； 圖6為本發明的數據分析模塊軟件流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。如圖1所述，本發明基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統主要由若干個無線傳感器節點1和一個控制計算中心2通過無線連接組成。其中，無線傳感器節點1根據需要布置在建筑物的樓板上，測量地震時建筑結構振動的加速度和角速度的信號，同時還具備路由功能。控制計算中心根據需要布置在建筑物底層地面上，以保證最先檢測到地震信號。當兩個無線傳感器節點1之間的距離太遠超過無線通信距離或者某條網絡中斷時，無線傳感器節點1可以與周圍其它無線傳感器節點1自組織網絡，將測量數據有效而可靠地傳輸至控制計算中心2。控制計算中心2不僅負責測量數據的接收儲存和處理分析，而且控
5制計算中心2中的傳感器還負責振動信號的全天候檢測，當它檢測到振動發生時，發送命令要求所有的無線傳感器節點開始定時采樣和保存數據；當檢測到振動結束時，它發出命令要求所有的節點停止采集并發送數據至控制計算中心2，由此完成既有建筑的震害評估。如圖2所述，無線傳感器節點1由傳感器模塊、單片機處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。傳感器模塊、單片機處理器模塊、無線通信模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、無線通信模塊分別與單片機處理模塊相連。其中，傳感器模塊包含三維加速度傳感器和三維角速度傳感器，單片機處理模塊由處理器、存儲器、A/D轉換器和傳感器信號調理電路組成。三維加速度傳感器和三維角速度傳感器分別與傳感器信號調理電路相連，傳感器信號調理電路和A/D轉換器相連，存儲器和A/D轉換器分別與處理器相連。通過采用三維加速度傳感器和三維角速度傳感器實現加速度和角速度數據的采集，傳感器調理電路將采集到的信號放大和濾波，經過模數轉換，轉換為數字信號發送給單片機處理器模塊。單片機處理器接收數據并存儲，處理器控制無線發射模塊，將處理后的數據發送給下一個節點。 所有模塊需要電源模塊供給電能。其中，三維加速度傳感器可采用AD公司ADXX335型號的產品，角速度傳感器可采用ST公司LRP530AL和LY530ALH型號的產品，處理器可采用TI公司CCM30型號的產品， 無線通信模塊可采用TI公司推薦的2. 4GHz的PCB天線的產品，但均不限于此。電源模塊的輸出電壓為3. 3V和5V。如圖3所述，控制計算中心由無線傳感器模塊、單片機處理模塊、無線通信模塊、 數據分析模塊和電源模塊組成。傳感器模塊、單片機處理器模塊、無線通信模塊、數據分析模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、無線通信模塊分別與單片機處理模塊相連，數據分析模塊與無線通信模塊相連。其中，單片機處理模塊由處理器、存儲器、A/D轉換器和傳感器信號調理電路組成，傳感器信號調理電路和A/D轉換器相連，存儲器和A/D轉換器分別與處理器相連。傳感器模塊包含三維加速度傳感器和三維角速度傳感器，三維加速度傳感器和三維角速度傳感器分別傳感器信號調理電路相連。通過采用三維加速度傳感器和三維角速度傳感器實現加速度和角速度數據的采集，傳感器調理電路將采集到的信號放大和濾波，經過模數轉換，轉換為數字信號發送給單片機處理器模塊，單片機處理器接收數據并存儲。如果傳感器中的三軸加速度數值均未超過設定閾值，則無線通信模塊處于休眠狀態；當三軸加速度傳感器中的任意一軸加速度數值超過設定閾值，則處理器喚醒無線通信模塊， 發送命令要求所有節點開始同步采集數據，進行結構振動的檢測，當控制計算中心判斷結構振動停止時，發送命令停止其它無線傳感器節點的數據采集，并將采集到的數據通過無線發射模塊發射給控制計算中心，數據分析模塊通過數據的融合處理，并最終計算得到建筑結構的震害評估結果。應用本發明基于無線傳感網的建筑結構震害評估方法，包括以下四個步驟
一、對基于無線傳感網震害評估系統的硬件進行初始化工作；
二、建筑結構振動信號的采集、保存和發送；
如圖4所述，當控制計算中心的加速度傳感器檢測到三軸加速度中的任意一軸加速度數值大于所設定閾值5cm/s2時，判定振動發生，發送命令喚醒其它無線傳感器節點進行結構振動信號的采集，信號調理電路將采集到的信號經過放大和濾波，A/D轉換器再進行模數轉換，處理器接收數據信號并進行數據信號的保存。在結構振動數據采集過程中，如連續5秒的時間內，控制計算中心的加速度傳感器檢測到三軸加速度中的所有加速度的數值均小于所設定閾值5cm/s2，則判定結構振動停止。發送命令停止其它無線傳感器節點的數據采集，并將采集到的數據通過無線發射模塊發射給控制計算中心，節點即進入休眠狀態。控制計算中心接收和儲存采集到的振動數據
如圖5所述，控制計算中心控制整個震害評估系統的信號采集，并在信號采集完成后接收和儲存各無線傳感器節點采集到的振動數據。 、控制計算中心對振動數據進行融合處理，并進行建筑結構的震害評估。如圖6所述，無線傳感器節點測量得到的三維角速度測量數據，由控制計算中心進行積分運算，得到結構的扭轉反應時程；由此進一步對各層測點的加速度反應進行局部坐標系向整體坐標系的轉換，統一所有加速度反應測量數據的坐標系，使其具有方向可比性；對整體坐標系下的加速度反應進行積分運算得到各測點處的位移反應，并由各層測點的位移反應差計算得到結構的層間位移反應。根據結構最大層間位移進行結構構件以及整體結構的易損性分析由最大層間位移分析計算得到建筑結構構件所履歷的最大地震變形，從而比較各個極限狀態下結構構件 (墻、柱、梁等)的極限變形，判別各結構構件所處的破壞極限狀態，評估結構構件的地震震害；由結構構件的破壞狀況，進行整體結構的地震安全性分析，從而評估整體結構的地震震害。根據結構速度和加速度反應進行非結構構件及儀器設備的震害評估。對于非結構構件(如天花板、吊燈和家具)及儀器設備，根據它們各自的地震破壞特征，它們的地震破壞將主要由樓板的地震速度反應和加速度反應大小所決定。根據上述方法，完成既有建筑的震害評估。該方法采用了低功耗設計，在平時態只有計算處理中心工作，無線傳感器節點處于休眠狀態。該方法通過層間位移對整體結構和結構構件進行震害評估外，還通過結構的速度和加速度反應對非結構構件(如天花板吊頂、 吊燈和家具)及儀器設備等速度或加速度敏感型構件進行震害評估，真正實現建筑結構基于性能的震害評估要求。
權利要求
1.一種基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統，其特征在于，它主要由若干個無線傳感器節點和一個控制計算中心通過無線連接組成；其中，所述無線傳感器節點由傳感器模塊、單片機處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊等組成；所述傳感器模塊、單片機處理器模塊、無線通信模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、無線通信模塊分別與單片機處理模塊相連；所述傳感器模塊包含三維加速度傳感器和三維角速度傳感器，單片機處理模塊由處理器、存儲器、A/D轉換器和傳感器信號調理電路等組成；三維加速度傳感器和三維角速度傳感器分別與傳感器信號調理電路相連，傳感器信號調理電路和A/D轉換器相連，存儲器和A/D轉換器分別與處理器相連；所述控制計算中心由無線傳感器模塊、單片機處理模塊、無線通信模塊、數據分析模塊和電源模塊等組成；傳感器模塊、單片機處理器模塊、無線通信模塊、數據分析模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、無線通信模塊分別與單片機處理模塊相連，數據分析模塊與無線通信模塊相連；單片機處理模塊由處理器、存儲器、A/ D轉換器和傳感器信號調理電路等組成，傳感器信號調理電路和A/D轉換器相連，存儲器和 A/D轉換器分別與處理器相連；傳感器模塊包含三維加速度傳感器和三維角速度傳感器， 三維加速度傳感器和三維角速度傳感器分別傳感器信號調理電路相連。
2.一種應用權利要求1所述基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統的建筑結構震害評估方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)對基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統進行初始化工作；(2)建筑結構振動信號的采集、保存和發送當控制計算中心的加速度傳感器檢測到三軸加速度中的任意一軸加速度數值大于所設定閾值5cm/s2時，判定振動發生，發送命令喚醒其它無線傳感器節點進行結構振動信號的采集，信號調理電路將采集到的信號經過放大和濾波，A/D轉換器再進行模數轉換，處理器接收數據信號并進行數據信號的保存；在結構振動數據采集過程中，如連續5秒的時間內，控制計算中心的加速度傳感器檢測到三軸加速度中的所有加速度的數值均小于所設定閾值5cm/s2，則判定結構振動停止；發送命令停止其它無線傳感器節點的數據采集，并將采集到的數據通過無線發射模塊發射給控制計算中心，節點即進入休眠狀態；(3)控制計算中心接收和儲存采集到的振動數據控制計算中心控制整個震害評估系統的信號采集，并在信號采集完成后接收和儲存各無線傳感器節點采集到的振動數據；(4)控制計算中心對振動數據進行融合處理，并進行建筑結構的震害評估無線傳感器節點測量得到的三維角速度測量數據，由控制計算中心進行積分運算，得到結構的扭轉反應時程；由此進一步對各層測點的加速度反應進行局部坐標系向整體坐標系的轉換，統一所有加速度反應測量數據的坐標系，使其具有方向可比性；對整體坐標系下的加速度反應進行積分運算得到各測點處的位移反應，并由各層測點的位移反應差計算得到結構的層間位移反應；根據結構最大層間位移進行結構構件以及整體結構的易損性分析由最大層間位移分析計算得到建筑結構構件所履歷的最大地震變形，從而比較各個極限狀態下結構構件(墻、柱、梁等)的極限變形，判別各結構構件所處的破壞極限狀態，評估結構構件的地震震害；由結構構件的破壞狀況，進行整體結構的地震安全性分析，從而評估整體結構的地震晨舍。
全文摘要
本發明公開了一種基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統及方法；系統主要由若干個無線傳感器節點和一個控制計算中心通過無線連接組成；本發明借助于無線傳感網技術低成本、自組織的特點，構建了一種基于無線傳感網的建筑結構震害評估系統，在功能上做到真正意義上的零線路布置，長期全天候工作；本發明利用檢測到的加速度和角速度反應，進行數值分析計算得到結構的速度反應和層間位移反應，從而除了通過層間位移對整體結構和結構構件進行震害評估外，還可以通過結構的速度和加速度反應對非結構構件等速度或加速度敏感型構件進行震害評估，真正實現建筑結構基于性能的震害評估要求。
文檔編號G08C17/02GK102507121SQ20111037442
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者任達千, 張思建, 熊前錦, 蘇亮 申請人:浙江大學