一种基于多元传感数据的老旧危房倒塌动态监测方法与流程

1.本发明具体涉及一种基于多元传感数据的老旧危房倒塌动态监测方法。


背景技术：

2.在互联网技术和云平台技术的支持下，利用传感器对既有建筑进行全面的安全监测和预警，有效规避房屋倒塌造成的风险是现阶段城市房屋安全管理的主流发展趋势。借助便捷高效的云端平台给远程房屋的安全监控创造了更多可能。
3.同时，传统检测方式需要消耗十分巨大的人力物力等成本，负责危房检测的人员还必须具备专业的知识和丰富的经验。人工检测主要依赖于主观判断的结果，这期间的人为因素也可能对危房管控的效果造成影响或引发预警不及时等问题。


技术实现要素：

4.针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于多元传感数据的老旧危房倒塌动态监测方法。
5.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
6.一种基于多元传感数据的老旧危房倒塌动态监测方法，包括以下步骤：
7.(1)进行极限荷载分析，确定薄弱点位，设定理论预警阈值；
8.(2)采用传感器捕捉危房相关构件的数据；
9.(3)采集传感器捕捉到的数据，将数据发送至服务器；
10.(4)读取并处理存储至服务器的数据，对其进行力学特性分析，判断老旧危房安全等级，并作出预警判断；
11.(5)对可能出现的安全事故进行预警，并安排人工巡查。
12.进一步地，步骤(2)中，采用的传感器为拉绳式位移传感器、拉杆式位移传感器、振弦式应变计、静力水准仪、倾角仪中的任意一种或者多种。
13.进一步地，步骤(3)中，通过lora网络采集传感器捕捉到的数据；将数据进行封装转4g网络发送至服务器。
14.进一步地，步骤(5)具体为：对可能出现的安全事故进行预警，并安排人工巡查，对确有可能发生的老旧危房及时通知相关单位做好人群疏散工作。
15.进一步地，步骤(2)中，采用静力水准仪针对房屋整体、沉降量监测。
16.进一步地，采用拉杆式位移计针对裂缝监测。
17.进一步地，倾角仪针对墙柱倾斜监测。
18.进一步地，步骤(3)中，通过lora网络和传感节点进行通讯，通过4g模块上传数据；传输数据采用标准json格式。
19.进一步地，采用应变计针对承重墙体内力监测，一级预警：应变计数值大于等于0.85且小于等于0.9倍承载力设计值或计算值；二级预警：应变计数值大于等于0.9，且小于1.0倍承载力设计值或计算值；三级预警：应变计数值大于等于1.0倍承载力设计值或计算
等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本技术所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本技术所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本技术所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。本技术所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
38.实施例1
39.一种基于多元传感数据的老旧危房倒塌动态监测系统，如图1所示，包括预警阈值设置模块、传感模块、数据采集发送模块、服务器、监控模块、人工巡查模块，传感模块与数据采集发送模块连接，数据采集发送模块与服务器连接，服务器与监控模块连接。
40.在一些优选的方式中，如图2所示，预警阈值设置模块：进行极限荷载分析，确定薄弱点位，确定理论预警阈值；所述预警阈值可以是倒塌极限荷载，房屋整体倾斜率、沉降量、应变计阈值等等。进一步地，可以设定一、二、三级预警阈值，当反馈数据超过预警阈值时发布预警信息。
41.传感模块：采用拉绳式位移传感器、拉杆式位移传感器、振弦式应变计、静力水准仪、倾角仪捕捉危房相关构件的数据；一般是，根据现场踏勘情况或者房屋设计资料，进行分析后，将上述传感器安装至相应位置，也就是说，在预警阈值设置模块完成设置之后，将上述传感器安装至相应位置。
42.数据采集发送模块：通过lora网络采集传感模块捕捉到的数据；将数据进行封装转4g网络发送至服务器；
43.服务器：接收并存储数据；
44.监控模块：读取并处理存储至服务器的数据，对其进行力学特性分析，判断老旧危房安全等级，并作出预警判断。
45.人工巡查模块：对可能出现的安全事故进行预警，并安排人工巡查，对确有可能发生的老旧危房及时通知相关单位做好人群疏散工作。
46.进一步地，人工巡查模块：当超过预警值，根据预警等级不同进行相对应紧急程度的派单，通知巡查人员及时到现场排查原因，同时做好文字影像等记录。若由于设备故障导致数据不正常，及时报备更换设备。分类施策，调整预警机制。
47.在一些优选的方式中，预警阈值设置模块中，获取房屋原始设计资料；如果没有原始设计资料，需要现场踏勘，绘制建筑平面图，绘制结构施工图，进行材料强度检测，区分其结构形式(比如，房屋属于砌体结构或者框架结构或者砖木结构)；建模，极限荷载分析，确定薄弱构件，设定理论预警值。确定传感器布设点位及数量，根据建筑位置选择合适网络传输机制；绘制监测点位的平面图，立面图；设计预警阈值，确定监测频率。
48.在一些优选的方式中，传感器布设：根据传感器布设点位确定各类别传感器数量；安装前传感器校准调试及试验；根据传感器布设点位，完成现场安装，对于因现场原因无法安装的传感器进行及时报备，并重新安排布设点位；传感器布设完成后对传感器进行二次调试，查看后台数据顺畅情况。
49.在一些优选的方式中，数据采集发送模块中，信号传输，调节网络制式；安装网关
设备；测试数据接收正常，确保平台能接收到完整数据。
50.在一些优选的方式中，监控模块中数据处理：当获取完整数据后，分析数据的完整及正确性；剔除无用数据并分析产生的原因；可根据数据反馈情况加大监测频率。
51.实施例2
52.一种基于多元传感数据的老旧危房倒塌动态监测方法，所述方法可以采用以上所述的系统，包括以下步骤：
53.(1)进行极限荷载分析，确定薄弱点位，设定理论预警阈值；
54.(2)采用传感器捕捉危房相关构件的数据；
55.(3)采集传感器捕捉到的数据，将数据发送至服务器；
56.(4)读取存储至服务器的数据，对其进行阈值对比分析；
57.(5)对可能出现的安全事故进行预警，并安排人工巡查。
58.在具体实施时，步骤(1)的具体流程如图2所示，获取房屋原始设计资料，如果有原始设计资料，则进行建模，极限荷载分析，确定薄弱构件，设定预警阈值；如果没有房屋原始设计资料，需要现场踏勘，绘制建筑平面图，绘制结构施工图，进行材料强度检测，然后进行建模，计算分析建筑整体受荷情况，薄弱墙体倒塌极限荷载，设定预警阈值。
59.如图7所示，为某一老旧砌体结构建筑数值模型。图8、9分别为各层墙肢抗力与荷载效应比(φfa/n)的示意图，抗力与荷载效应比由pkpm软件计算得到，其中φ代表高厚比β和轴向力的偏心距e对受压构件承载力的影响系数，f表示砌体的抗压强度设计值，a表示截面面积，n代表荷载效应。本实施例中，砌体受压承载力计算公式为φfa。将受压承载力数值较小处，选为理论薄弱墙肢，作为重点监测对象，可以在此处设置相应的传感器。
60.图10表示该双洞口墙体在竖向荷载作用下的应力云图，该图是abaqus所输出的应力彩虹图，图中，从下到上，不同颜色的标识表示应力逐渐增大或应力集中。由图可知在竖向荷载作用下，墙体出现应力集中位置，为传感设备的安装点提供理论支持。应力和变形较大位置，如梁中变形较大，放置变形类传感器如倾角仪，梁端应力较大放置应力计。
61.图11为某砌体结构双开洞口薄弱墙体倒塌示意图。
62.在对墙肢进行abaqus荷载逐级加载模拟分析后，得到该墙体所能承受的极限荷载，以及墙体开裂荷载。材料的破坏采用混凝土塑性损伤模型，模型中其中，σ
t
、σ
c
分别代表材料在塑性状态下的拉应力、压应力，e0表示材料初始弹性刚度，dt、dc分别代表抗拉、抗压损伤因子，ε
t
、ε
c
、分别代表抗拉应变、抗拉等效塑性应变，抗压应变、抗压等效塑性应变。数值计算为后续实时监测提供理论依据。荷载逐级加载模拟分析指的是：在软件模拟中，设置逐级施加荷载，当出现材料破坏或者墙体出现开裂，即把此时的施加的荷载值当做结构所能承受的极限荷载。
63.理论分析确定监测内容后，布置传感设备进行数据监测。
64.静力水准仪针对房屋整体、沉降量监测。
65.步骤(1)中，预警阈值设置，可以是设置房屋整体倾斜率阈值、沉降量阈值；比如：根据实测反馈，二层及二层以下房屋,整体倾斜率需小于30
‰
；三层及三层以上房屋整体倾斜率需小于20
‰
。对于非刚性砌体结构按单一方向倾斜率平均值取值。沉降量：自然状态
下,连续两个月大于4mm/月，且短期内无收敛趋势，则判定为危险。相邻地下工程施工情形，连续两个月大于4mm/月，且短期内无收敛趋势，沉降速率大于2mm/天，则判定为危险。
66.在一些优选的方式中，步骤(2)中，采用拉杆式位移计针对裂缝监测。
67.步骤(1)中，预警阈值设置，也可以设置房屋裂缝阈值；比如对于受力裂缝的监测：承重墙或柱的缝宽大于1mm；缝长超过层高1/2的竖向裂缝或超过层高1/3的多条竖向裂缝；因局部受压产生多条竖向裂缝，或裂缝宽度达到1mm；明显竖向裂缝，或端部明显斜裂缝，或墙体产生受力裂缝，或产生明显弯曲，下挠变形；砖筒拱、扁壳、波形筒拱的拱顶沿母线产生明显裂缝；拱曲面或拱脚产生明显位移，或拱体拉杆锈蚀严重，拉杆体系失效，以上情况出现其一，判断为危险情形。
68.对于非受力裂缝的监测：出现500mm以上的竖向裂缝；承重墙体墙身裂缝严重，最大裂缝宽度大于5mm。独立柱出现宽度大于1.5mm的裂缝，或有断裂错位迹象。其他显著结构整体性的裂缝。以上情况出现其一，则判定危险。
69.步骤(2)中，采用应变计针对承重墙体内力监测。
70.由pkpm的抗力与荷载效应分析可得φfa/n，通过通用的数值计算分析软件如midas、abaqus等可计算分析得到：在承载能力极限状态设计下墙肢轴向力设计值。根据抗力与荷载效应之比值获得监测关键构件。
71.主要结构构件(包括柱、主梁、承重墙)应满足：
[0072][0073]
一般结构构件(包括次梁，过梁等)应满足：
[0074][0075]
其中，γ0——结构重要性系数，r
d
——结构的抗力(承载能力)设计值；s
d
——荷载组合的效应设计值。γ0·
s
d
≤r
d
一式，是承载能力极限状态计算的设计表达式。
[0076]
经由应变计得到其应力发展变化，根据上式设计一二三预警等级。一级预警：应变计数值大于等于0.85且小于等于0.9倍承载力设计值或计算值；二级预警：应变计数值大于等于0.9，且小于1.0倍承载力设计值或计算值；三级预警：应变计数值大于等于1.0倍承载力设计值或计算值。
[0077]
本实施例，采用倾角仪针对墙柱倾斜监测。
[0078]
步骤(1)中，预警阈值设置，也可以设置房屋整体的限制局部倾斜变形阈值：单片墙或柱产生相对于房屋整体的限制局部倾斜变形大于7
‰
，代表结构危险。当倾斜变形不大于7
‰
，代表结构安全。在实际监测过程中，结合倾角仪获取数据，工程实际情况进行预警等级分级。
[0079]
数据采集发送模块，图4为网络模块整体架构图。采用12v dc开关电源供电，通过lora网络和传感节点进行通讯，通过4g模块上传数据；传输数据采用标准json格式，每包数据包均带有时间戳。
[0080]
在一些实施方式中，云平台监测层可以根据单一传感器的数值进行初步预警，人工可以根据其他传感器的数据进行联动分析。在其他实施方式中，如一些结构复杂的建筑，云平台监测层有数据分析模块，可以辅助人工进行传感器之间的数据联动分析，分析时根
据不同传感器的关联性进行判断。比如同一结构柱或者结构梁上的倾角仪和位移计数据为强相关关系，可作为单一传感器误报排查的检验方法，同时对同一区域的多组传感器进行数值和趋势比较，提高报警置信水平。
[0081]
图5为传感节点运行流程图。首先对节点槽位地址配置，节点功能类型配置,通讯节点硬件地址配置，通讯信道配置，通讯波特率配置。传感节点接收报文,进行报文解析,判断是否有效，若有效，进行数据采集,时钟电路定时采集外接传感器数据,采集时间到后，回复报文。具体地，上电初始化，读取传感器节点信息，包括类型、rtc时钟、lora信息与唯一标识符。空闲运行、计时，判断是否超时30s，如果否，则继续空闲运行、计时，如果是，则待机休眠；是否唤醒，如果否，则待机休眠；如果是，则进行报文解析，报文是否有效，如果否，则待机休眠；如果是，则开始采集数据计时，如果计时未到，则返回，继续采集数据计时；如果计时到，则lora回复报文，待机休眠，然后循环。本发明中，传感节点具有电量诊断，传感器诊断，通讯诊断的诊断功能。
[0082]
图6为网关传输架构原理图，进行网关地址配置，根据传感器类型进行功能配置并对节点硬件进行地址配置以及通讯信道、通讯波特率配置，及rtc实时时钟读取。定时采集传感器报文数据并广播发送。lora传回的数据进行解析、将json数据包重构后发送至服务器。服务器报文解析，响应服务器心跳包。具体地，上电初始化，读取网关信息，包括rtc时钟、lora信息与唯一标识符，时间片轮询调度，是否采集到时间，如果否则返回，进行时间片轮询调度，如果是，则发送lora唤醒采集命令(第一次)，发送lora唤醒采集命令(第二次)，发送lora唤醒采集命令(第三次)，解析传感节点数据，填充json数据包，开始发送数据包，是否发送完毕，如果否，则继续发送数据包，如果是，则，空闲，计时，等待下一次采集时间，每200s发送一次心跳包，结束。本发明中，网关具有电量诊断，传感器诊断，通讯诊断的诊断功能。
[0083]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0084]
本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0085]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。