一种老旧建筑幕墙安全监测方法、系统与流程

本发明涉及建筑结构健康监测。更具体地，本发明涉及一种老旧建筑幕墙安全监测方法、系统。

背景技术：

1、目前，对老旧建筑幕墙的安全状态进行实时、全天候的在线监测已成为城市公共安全管理的迫切需求。无线传感器网络凭借部署灵活、成本较低和无需大量布线等优势，常用于建筑结构健康监测领域。幕墙安全监测通常需要密集部署大量传感节点以获取高时空分辨率的应变、位移及振动等参量，导致整个无线监测网络在长期运行过程中面临着大量数据传输带来的压力，极易造成无线通信带宽拥塞、节点能耗过快枯竭等瓶颈问题，无法满足老旧建筑幕墙长期持续稳定监测的实际工程要求，尤其是节点部署后，通常难以进行电池更换。

2、压缩感知技术允许传感节点以远低于奈奎斯特采样定理要求的频率进行数据采集，并传输少量的压缩测量值，降低了数据采集和无线传输的功耗。现有的压缩感知和稀疏信号重构方法大多基于通用理论模型构建，在面对老旧建筑幕墙复杂的安全监测场景时存在局限性。传统的重构算法无法充分发掘和利用幕墙结构自身的空间拓扑关系、历史运行状态以及面板间固有的应变协调规律，导致在复杂环境下重构出的监测信号容易出现失真，甚至产生不符合客观规律的误差分量；常规的稀疏重构算法在大量数据处理中往往具有较高的计算复杂度，且无法识别幕墙潜在故障特征的演化过程。因此，如何深入结合老旧建筑幕墙特有的结构规律与监测需求，在降低重构计算复杂度的同时提升稀疏信号的重构精度与可靠性，已成为当前老旧建筑幕墙安全无线监测领域亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、为了解决现有监测方法在复杂环境下未结合结构客观规律，导致重构监测信号易失真、计算复杂度高且无法识别故障演化过程的技术问题，本发明提供了一种老旧建筑幕墙安全监测方法、系统。

2、在第一方面中，本发明提供了一种老旧建筑幕墙安全监测方法，包括：s1：结合幕墙拓扑关系和上一周期重构状态生成结构化测量算子，利用结构化测量算子对老旧建筑幕墙监测区域内传感节点的原始监测信号进行压缩观测得到压缩测量值；构建包括标准稀疏变换基和故障特征原子集的混合冗余字典，利用上一周期重构残差在线更新故障特征原子集；s2：采用迭代重构算法处理压缩测量值，在每次迭代的原子选择阶段构建综合残差相关性、历史激活状态及空间耦合强度的原子选择势场；通过原子选择势场识别出势能最大的首选原子，根据首选原子的重构贡献度确定候选原子集；在候选原子集张成的子空间内求解正则化约束问题以确定最优稀疏原子子集，根据最优稀疏原子子集更新支撑集和当前迭代步的信号残差，并映射生成初步重构信号；s3：根据幕墙面板应变协调关系建立约束投影矩阵，提取初步重构信号中的应变分量并利用约束投影矩阵对应变分量进行投影调整，重组合并得到更新后的重构信号；当迭代过程满足终止条件时停止迭代，输出全量监测信号。

3、通过采用上述技术方案，本发明通过结合幕墙拓扑与重构状态生成结构化测量算子并动态更新混合冗余字典，实现了对幕墙新生损伤特征的追踪观测；在迭代重构中构建原子选择势场定位候选子空间以求解最优稀疏子集，随后基于幕墙面板应变协调关系进行约束投影调整。上述技术方案通过缩小搜索空间并在重构末端引入物理规律约束，解决了现有技术在复杂环境下重构信号易失真且计算复杂度高的问题，提升了全量监测信号的重构精度与可靠性。

4、优选地，所述结合幕墙拓扑关系和上一周期重构状态生成结构化测量算子，包括：提取上一监测周期重构的全量监测信号中的位移量计算各幕墙单元的局部折算应变参数，输入内嵌衰减方向极性约束的经验衰减模型得到与局部折算应变参数呈负相关的幕墙单元的刚度折减常数；利用刚度折减常数调整初始健康状态刚度矩阵，得到在线调整后的幕墙单元刚度矩阵，对其进行空间映射以匹配原始监测信号的空间维度，得到全局刚度观测映射矩阵；根据传感节点间的幕墙拓扑关系构建物理拓扑连接掩码矩阵对预设的降维观测矩阵进行稀疏化过滤；将过滤后的降维观测矩阵与全局刚度观测映射矩阵进行矩阵乘法运算，生成结构化测量算子。

5、通过采用上述技术方案，本发明将老旧幕墙的物理退化先验与空间关联属性直接编码到观测算子中，从而在压缩观测阶段赋予算子对结构关键损伤区域的指向性追踪能力，降低了无效观测冗余。

6、优选地，所述利用上一周期重构残差在线更新故障特征原子集，包括：提取上一监测周期迭代过程产生的信号残差，按照时间先后顺序拼接构建二维残差数据矩阵；对所述二维残差数据矩阵执行奇异值分解操作，提取最大奇异值对应的左奇异向量；通过插值或截断处理使所述左奇异向量的维度与所述混合冗余字典中原子的维度一致，生成新生特征原子；将所述新生特征原子添加至所述故障特征原子集中以扩展所述混合冗余字典的维度，完成所述故障特征原子集的在线更新。

7、通过采用上述技术方案，本发明使得字典能够在不重新执行全量训练的情况下，自适应提取并表征幕墙超出初始样本库的新生微弱故障模式，有效避免了因字典失配导致的重构信号失真。

8、优选地，所述构建综合残差相关性、历史激活状态及空间耦合强度的原子选择势场，包括：计算当前迭代步的信号残差与所述混合冗余字典中每个原子的内积绝对值，作为残差相关性指标；统计过去设定数量的监测周期内，所述每个原子入选所述最优稀疏原子子集的频率，作为历史激活概率；在预先构建的所述混合冗余字典的原子相关性网络图中，统计与所述每个原子满足预设相关度条件且已激活的相连原子总数，乘以设定的耦合常量得到空间耦合强度；对所述残差相关性指标、所述历史激活概率及所述空间耦合强度分别进行归一化处理后利用预设权重进行加权求和，得到各个原子的势能，利用所述各个原子的势能共同构成所述原子选择势场。

9、通过采用上述技术方案，本发明将幕墙物理损伤在时间上的持续性与空间上的聚集效应引入搜索过程，指导算法在迭代时优先锁定具备物理连带特性的首选原子，克服了单一残差内积搜索的盲目性，加速了重构收敛。

10、优选地，所述根据首选原子的重构贡献度确定候选原子集，包括：计算所述首选原子的势能与当前所有原子势能总和的比值，作为所述首选原子的重构贡献度；计算1与所述重构贡献度的差值，将所述差值与设定的网络层数常数相乘并进行向下取整操作，计算得出目标扩展跳数；在表示原子间相关性的拓扑连通路径矩阵中，选取至所述首选原子最短路径跳数不大于所述目标扩展跳数的相连原子；将选取的所述相连原子与所述首选原子进行汇总组合，构成所述候选原子集。

11、优选地，所述在候选原子集张成的子空间内求解正则化约束问题以确定最优稀疏原子子集，包括：将所述候选原子集内的原子作为拟合基底建立回归矩阵，构建以当前迭代步的信号残差逼近误差与原子权重的l1范数正则化项之和为目标函数的局部优化问题；在所述当前迭代步的信号残差逼近条件下求解所述局部优化问题，得到各原子的初始权重值；获取所有原子的初始权重值的绝对值并按降序排序，筛选出所述绝对值大于预设阈值的原子予以分离提取，组成所述最优稀疏原子子集。

12、优选地，根据幕墙面板应变协调关系建立约束投影矩阵，提取初步重构信号中的应变分量并利用约束投影矩阵对应变分量进行投影调整，重组合并得到更新后的重构信号，包括：建立表示幕墙面板连续变形几何相容性的圣维南应变协调方程，采用有限差分算子进行离散化处理生成二阶离散系数结构矩阵；对二阶离散系数结构矩阵执行奇异值分解运算，提取张成二阶离散系数结构矩阵零空间的全体规范正交向量组构造投影算子矩阵；将投影算子矩阵与投影算子矩阵的转置矩阵相乘，生成约束投影矩阵；将约束投影矩阵与初步重构信号的应变分量进行矩阵相乘得到结果向量，利用结果向量替换初步重构信号中对应的应变分量内容，得到更新后的重构信号。

13、通过采用上述技术方案，本发明滤除了由噪声或算法拟合误差引入的违背面板连续变形规律的伪应变跳变点，确保重构信号严格符合力学客观规律，增强了监测数据的可信度。

14、优选地，所述计算各幕墙单元的局部折算应变参数，包括：获取对应幕墙单元的局部节点坐标与几何尺寸参数，构建局部几何应变转换矩阵；将所述局部几何应变转换矩阵与所述全量监测信号中的位移量对应的节点位移量列向量进行矩阵乘法运算，得到包含多个维度的局部应变张量向量；计算所述局部应变张量向量的范数，将所述范数作为对应幕墙单元的所述局部折算应变参数。

15、优选地，所述建立表示幕墙面板连续变形几何相容性的圣维南应变协调方程，采用有限差分算子进行离散化处理生成二阶离散系数结构矩阵，包括：提取所述初步重构信号中各传感节点在面板二维平面坐标系下的各维度的应变张量分量；构建约束所述各维度的应变张量分量的高阶偏微分方程；结合幕墙面板的空间尺寸和传感节点拓扑分布设定网格步长，采用二阶中心有限差分算子将所述高阶偏微分方程转化为包含代数差分组合的离散形式；基于预设的边界条件约束，将各传感节点对应的代数差分组合的系数组装填入全局稀疏矩阵，生成所述二阶离散系数结构矩阵。

16、第二方面，本发明提供一种老旧建筑幕墙安全监测系统，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现上述一种老旧建筑幕墙安全监测方法。

17、通过采用上述技术方案，将上述的一种老旧建筑幕墙安全监测方法生成计算机程序，并存储于存储器中，以被处理器加载并执行，从而根据存储器及处理器制作终端设备，方便使用。

18、本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

19、本发明结合幕墙拓扑关系与历史重构状态生成结构化测量算子，并将标准稀疏变换基与根据重构残差在线更新所得的故障特征原子集进行融合以构建混合冗余字典，从而实现对老旧幕墙异常特征的有效识别并提升压缩观测的指向性。在重构过程中，本发明通过构建综合了残差相关性、历史激活状态以及空间耦合强度的原子选择势场来快速识别首选原子，并依据首选原子的重构贡献度自适应确定候选原子集。该机制通过缩小原子搜索的空间范围，在降低算法计算复杂度的同时提升了重构效率与精度。此外，本发明采用幕墙面板应变协调关系建立约束投影矩阵，对初步重构信号执行投影调整，旨在移除不符合物理规律的误差分量，从而进一步增强全量监测信号的准确度与合理性。