專利名稱：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及橋梁等建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
橋梁、大壩等重大工程的使用期長達(dá)幾十年、甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災(zāi)害、甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下會(huì)引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。因此，為了保障上述重大工程的結(jié)構(gòu)的健康，即安全性、完整性、適用性與耐久性，需監(jiān)測和評(píng)定其健康狀況，即服役安全狀況。
監(jiān)測上述重大工程的結(jié)構(gòu)，包括對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、材料性能、幾何屬性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系和環(huán)境狀態(tài)的改變進(jìn)行監(jiān)測。從現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)的不同測點(diǎn)處的位移、應(yīng)變、加速度和環(huán)境激勵(lì)等數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量隨時(shí)間的變化不斷增加，而可稱之為“海量數(shù)據(jù)”。
另外，在實(shí)際工程中，傳感器數(shù)量受經(jīng)濟(jì)性限制不可能太多，因此，測點(diǎn)布置(傳感器布置)應(yīng)使傳感器獲得的測試數(shù)據(jù)包含盡可能多的結(jié)構(gòu)整體的和局部的信息，且這些測點(diǎn)信息對于損傷應(yīng)是足夠敏感的。所以，如何使測點(diǎn)布置最優(yōu)化具有重要意義。
在傳感器獲得能表征這些改變的海量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)后，以及如何使用這些海量數(shù)據(jù)來監(jiān)測結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了損傷、何時(shí)發(fā)生損傷以及進(jìn)一步去分析結(jié)構(gòu)中的損傷位置和損傷程度也是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)亟待解決的問題。
綜上，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)處理能力和管理方法均不能完全滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測需要處理實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)需要管理海量的歷史數(shù)據(jù)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述問題而完成，且本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)(Structural health monitoring and informationmanagement system，即SHM&IMS)，該系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)感應(yīng)被監(jiān)測建筑物的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)健康指標(biāo)；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，連接于所述傳感器子系統(tǒng)，用于收集各種傳感器中傳送來的傳感器監(jiān)測信息，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行保存；數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)連接于所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，用于對海量實(shí)時(shí)的傳感器監(jiān)測信息進(jìn)行壓縮、入庫、編目、存儲(chǔ)、備份、查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)中的任一種或多種功能；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)，連接于所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)海量實(shí)時(shí)的傳感器監(jiān)測信息；診斷和分析子系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)連接于所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，用于建立被監(jiān)測建筑物的健康模型，并且利用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)傳送來的實(shí)時(shí)收集的實(shí)際數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行檢驗(yàn)，對檢驗(yàn)后的模型進(jìn)行參數(shù)化而得到多個(gè)模態(tài)參數(shù)，其中，這些模態(tài)參數(shù)用來實(shí)施對建筑物健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警并記錄其健康狀態(tài)；實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)連接于所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)以及所述診斷和分析子系統(tǒng)，用于根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對所述健康模型進(jìn)行演算以獲得被監(jiān)測建筑物的結(jié)構(gòu)健康情況，同時(shí)利用各種指標(biāo)參數(shù)，查詢數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析。
其中，所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)基于Oracle 9i建立，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)為可擴(kuò)展的存儲(chǔ)系統(tǒng)。
其中，所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)將海量的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)按照設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)模式存放到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理。
其中，所述歷史數(shù)據(jù)為存儲(chǔ)在DVD中的數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)設(shè)有專門的接口，將DVD中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)先進(jìn)行格式的解析，然后按照數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。
其中，所述診斷和分析子系統(tǒng)利用二維GIS技術(shù)建立被監(jiān)測建筑物的二維空間關(guān)系。
其中，所述診斷和分析子系統(tǒng)利用三維GIS技術(shù)建立被監(jiān)測建筑物的三維空間模型，并將與所述傳感器子系統(tǒng)相對應(yīng)的所有的傳感器模型部署于建筑物的三維空間模型之上。根據(jù)本發(fā)明，可以先基于三維GIS技術(shù)建立被監(jiān)測建筑物的三維空間模型，然后在該三維空間模型上布置傳感器模型，最后將真實(shí)的傳感器與傳感器模型在三維空間模型的布置相對應(yīng)地布置在真實(shí)的建筑物上，從而可以優(yōu)化測點(diǎn)布置(傳感器布置)，即，用最少的傳感器來獲得盡可能多的結(jié)構(gòu)整體的和局部的信息。
其中，所述實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)根據(jù)所選傳感器類型、傳感器通道類型、時(shí)刻以及時(shí)間片等指標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢與檢索，并將結(jié)果以列表的形式給出。
其中，所述實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)將查詢得到后的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為MatLab格式的文件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法(SHM&IMM)，該方法包括以下步驟利用傳感器子系統(tǒng)實(shí)時(shí)感應(yīng)被監(jiān)測建筑物的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)健康指標(biāo)；利用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)收集各種傳感器中傳送來的傳感器監(jiān)測信息，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行保存；利用數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)對海量實(shí)時(shí)的傳感器監(jiān)測信息進(jìn)行壓縮、入庫、編目、存儲(chǔ)、備份、查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)中的任一種或多種功能；利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)存儲(chǔ)海量歷史的和實(shí)時(shí)的傳感器監(jiān)測信息；利用診斷和分析子系統(tǒng)建立被監(jiān)測建筑物的健康模型，并且利用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)傳送來的實(shí)時(shí)收集的實(shí)際數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行檢驗(yàn)，對檢驗(yàn)后的模型進(jìn)行參數(shù)化而得到多個(gè)模態(tài)參數(shù)，其中，這些模態(tài)參數(shù)用來實(shí)施對建筑物健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警并記錄其健康狀態(tài)；由實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對所述健康模型進(jìn)行演算以獲得被監(jiān)測建筑物的結(jié)構(gòu)健康情況，同時(shí)利用各種指標(biāo)參數(shù)，查詢數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析。


圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)(SHM&IMS)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A和圖2B為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的SHM&IMS在應(yīng)用于橋梁時(shí)的二維GIS的數(shù)據(jù)可視化窗口的一個(gè)示例；圖3A和圖3B為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的SHM&IMS在應(yīng)用于橋梁時(shí)的三維GIS的可視化窗口的一個(gè)示例；圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的SHM&IMS在應(yīng)用于橋梁時(shí)的三維GIS及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能窗口的一個(gè)示例；圖5為針對不同傳感器的不同通道的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)窗口的一個(gè)示例；圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法(SHM&IMM)的流程圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖1，本申請的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)(SHM&IMS)是基于地理信息系統(tǒng)(GIS)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫等現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行研究與開發(fā)的。
該結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)由以下6個(gè)子系統(tǒng)組成1.傳感器子系統(tǒng)(SS，即Sensory Subsystem)用于感應(yīng)橋梁、大壩等被監(jiān)測建筑物的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)健康指標(biāo)；傳感器子系統(tǒng)所包括的傳感器類型(以橋梁監(jiān)測為例，共七類)位移轉(zhuǎn)換器、風(fēng)力計(jì)、加速計(jì)、應(yīng)變儀、溫度傳感器等。
2.數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)(DCS，即Data Acquisition Subsystem)連接于所述傳感器子系統(tǒng)，用于從各種傳感器中收集數(shù)字或模擬信號(hào)，保存該數(shù)字信號(hào)，以及將其中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并保存；3.數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)(DMS，即Data Management Subsystem)通過網(wǎng)絡(luò)連接于所述傳感器子系統(tǒng)，其是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心部分，基于商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如Oracle 9i建立，實(shí)現(xiàn)對海量實(shí)時(shí)的傳感器監(jiān)測信息進(jìn)行壓縮、入庫、編目、存儲(chǔ)、備份、查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)等各種功能；
4.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)(DSDS，即Data Storage Device Subsystem)連接于所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，采用可擴(kuò)展的存儲(chǔ)系統(tǒng)，如SAN或NAS之類的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備，其具有較好的可擴(kuò)展性；5.診斷和分析子系統(tǒng)(DAS，即Diagnosis & Analysis Subsystem)通過網(wǎng)絡(luò)連接于所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，其由信息處理和分析軟件組成，利用商用軟件來建立被監(jiān)測大型建筑物的健康模型，并利用從數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集的實(shí)際數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行檢驗(yàn)，對檢驗(yàn)后的模型進(jìn)行參數(shù)化而得到多個(gè)模態(tài)參數(shù)，這些模態(tài)參數(shù)用來實(shí)施對建筑物健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測和預(yù)警并記錄其健康狀態(tài)；6.實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)(RIDQS，即Real-time Inspect & DataQuery Subsystem)通過網(wǎng)絡(luò)連接于所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)以及所述診斷和分析子系統(tǒng)，其根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型的演算，快速實(shí)時(shí)的獲得被監(jiān)測建筑物的結(jié)構(gòu)健康情況。同時(shí)，可以通過各種指標(biāo)參數(shù)，查詢數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析。
上述結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)(DMS)的目的是有效地應(yīng)用、管理、監(jiān)測橋梁等大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)。基于來自被監(jiān)測對象，如橋梁、水壩等建筑物上的各種傳感器的動(dòng)態(tài)監(jiān)測信息，可以通過模型計(jì)算，從而獲得被監(jiān)測建筑物的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。然而，這些來自各類傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)通常是海量的、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。這就需要DMS所提供的海量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的管理與簡單的分析統(tǒng)計(jì)功能?？偟膩碇v，除了屬性信息以外，結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測信息與其地理位置高度相關(guān)。也就是，監(jiān)測信息可以涉及到空間位置，例如被監(jiān)測物體的地理空間位置、被監(jiān)測建筑物的各種傳感器的地理空間布局、被監(jiān)測物體的三維模型、地圖上傳感器的斷層點(diǎn)。因此，在本發(fā)明中，應(yīng)用GIS技術(shù)以存儲(chǔ)、操作、分析、管理，甚至顯示所注意的對象的被監(jiān)測的結(jié)構(gòu)健康信息。DMS的一般框架基于幾種信息技術(shù)的集成，包括GIS、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)以及其他。在這種DMS中，海量數(shù)據(jù)的壓縮和可視化技術(shù)對于改善數(shù)據(jù)管理的能力和效率扮演著一個(gè)很重要的角色。這里具有以下所述功能的三種關(guān)鍵技術(shù)作為DMS的系統(tǒng)核心
i對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理技術(shù)總的來講，來自被監(jiān)測對象上的各種傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)非常復(fù)雜且數(shù)量巨大。DMS采用商用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，利用Oracle 9i(一種商業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))提供的海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理功能。
ii對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的技術(shù)在實(shí)踐中，該結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)從置于被監(jiān)測對象的各種傳感器收集大量數(shù)據(jù)。被監(jiān)測對象上所部署的各類傳感器時(shí)刻在接收相應(yīng)的狀態(tài)信息，致使監(jiān)測到的數(shù)據(jù)量非常大，如果對這些原始監(jiān)測數(shù)據(jù)不采用任何處理方法，則要求占用很大的存儲(chǔ)空間，這不但不利于數(shù)據(jù)的保存與維護(hù)，更不適合于針對監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢和應(yīng)用。因此，DMS采用了高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，將海量的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)按照設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)模式存放到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理。目前DMS采用的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可以節(jié)省90％的存儲(chǔ)空間。
iii結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可視化技術(shù)這里所指的可視化包括兩方面內(nèi)容，一是針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)各類統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可視化表達(dá)，如采用曲線圖、柱狀圖、報(bào)表等方式；二是通過二維和三維GIS技術(shù)進(jìn)行可視化表達(dá)，如建立被監(jiān)測建筑物的二維空間位置關(guān)系和三維空間建筑物模型，并將所有的傳感器模型部署于建筑物的三維模型之上。通過二維和三維GIS可視化表達(dá)方法，可以快速定位被監(jiān)測建筑物與其周圍空間地物的空間位置關(guān)系，從而初步了解被監(jiān)測建筑物結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)與相近鄰空間地物的內(nèi)在聯(lián)系。利用被監(jiān)測建筑物的三維可視化模型，可以直觀方便地定位傳感器的位置，并獲得傳感器相關(guān)信息，如傳感器名稱、通道數(shù)目等。如圖2A至圖5所示。
本發(fā)明所提出和開發(fā)的上述三種技術(shù)的集成可以有效地在橋梁、大壩、高速公路等大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中進(jìn)行有效的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用。利用現(xiàn)代信息技術(shù)等高科技手段，便捷地管理和獲取結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)完成上述大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。
通過所提出的三種技術(shù)建立基于GIS的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)是切實(shí)可行的。GIS技術(shù)為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了更為直觀的可視化數(shù)據(jù)表達(dá)方法和分析策略，通過進(jìn)一步的研發(fā)，可以發(fā)掘出更多的知識(shí)內(nèi)涵，如空間關(guān)系對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的影響等。而采用Oracle 9i商用數(shù)據(jù)庫可以承擔(dān)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、備份、恢復(fù)等繁瑣的數(shù)據(jù)管理工作，并提供高效可靠的數(shù)據(jù)安全性。
來自于各類傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜?；贠racle 9i建立合理的數(shù)據(jù)庫模式，可以根據(jù)傳感器類型和通道類別，高效地分解各類數(shù)據(jù)信息，使其在數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)更有條理，從而有利于監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新、維護(hù)、查詢、檢索、備份、恢復(fù)與應(yīng)用。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)操作一般過程如下1.數(shù)據(jù)采集。該過程是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)的初始化過程，數(shù)據(jù)的來源有兩種方式，一是來源于數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；二是從DVD光盤獲得。由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份的方式是刻錄為DVD光盤的形式，因此，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)的原型系統(tǒng)開發(fā)中數(shù)據(jù)的來源主要是DVD光盤。
2.數(shù)據(jù)的整理入庫。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)有專門的接口，將DVD中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)先進(jìn)行格式的解析，然后按照數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。
3.數(shù)據(jù)的查詢與檢索根據(jù)如傳感器類型、傳感器通道類型、時(shí)刻和時(shí)間片等指標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢與檢索，將結(jié)果以列表的形式給出。
4.數(shù)據(jù)的導(dǎo)出用戶可以將查詢得到后的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為MatLab格式的文件，以便于其它商用分析軟件的使用。
5.數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)。系統(tǒng)提供了合理的數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)方案，定期將海量數(shù)據(jù)進(jìn)行備份與恢復(fù)處理。
6.數(shù)據(jù)的可視化操作。包括兩方面內(nèi)容，一是基于二維和三維GIS功能，實(shí)現(xiàn)大型建筑物的三維建模與可視化操作，將各類傳感器放到三維可視化模型上，用戶可以點(diǎn)擊模型上的傳感器模型獲得相應(yīng)的傳感器及相應(yīng)的通道信息；二是查詢和檢索后的數(shù)據(jù)，用可視化的方式表達(dá)，如柱狀圖、餅狀圖等方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
為了實(shí)現(xiàn)總的設(shè)計(jì)，已開發(fā)出橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)(BSHM&IMS)的原型，其測試數(shù)據(jù)是連續(xù)三個(gè)月的各種傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，大約900G比特。
本發(fā)明還提供一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法，請參照圖6。
本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)主要包括以下方面1.現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，使得橋梁、大壩等大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測更為便捷和高效。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的海量的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用方法，提高了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工作效率，滿足了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實(shí)時(shí)性要求。
2.GIS技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，使得大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可視化程度更高，從而改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的工作方式。二維和三維空間模型的應(yīng)用，更便于大型建筑物中監(jiān)測點(diǎn)(即傳感器)的位置部署和狀態(tài)檢查，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測更為合理和高效。
3.海量數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的應(yīng)用，解決了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和管理的難題。本發(fā)明所采用的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是已有成熟壓縮算法的應(yīng)用。該算法適合于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)這一類數(shù)據(jù)的壓縮處理，其壓縮比滿足了海量歷史和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效率存儲(chǔ)，節(jié)約了大量存儲(chǔ)空間，為針對海量歷史和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、檢索及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
4.本發(fā)明的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢檢索與管理、結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)分析與監(jiān)測等多種功能于一體，滿足了大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和高效性等要求。同時(shí)，降低了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作的難度和復(fù)雜性，極大提高了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)，其特征在于包括傳感器子系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)感應(yīng)被監(jiān)測建筑物的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)健康指標(biāo)；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，連接于所述傳感器子系統(tǒng)，用于收集各種傳感器中傳送來的傳感器監(jiān)測信息，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行保存；數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)連接于所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，用于對海量實(shí)時(shí)的傳感器監(jiān)測信息進(jìn)行壓縮、入庫、編目、存儲(chǔ)、備份、查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)中的任一種或多種功能；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)，連接于所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)海量實(shí)時(shí)的傳感器監(jiān)測信息；診斷和分析子系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)連接于所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，用于建立被監(jiān)測建筑物的健康模型，并且利用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)傳送來的實(shí)時(shí)收集的實(shí)際數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行檢驗(yàn)，對檢驗(yàn)后的模型進(jìn)行參數(shù)化而得到多個(gè)模態(tài)參數(shù)，其中，這些模態(tài)參數(shù)用來實(shí)施對建筑物健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警并記錄其健康狀態(tài)；實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)連接于所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)以及所述診斷和分析子系統(tǒng)，用于根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對所述健康模型進(jìn)行演算以獲得被監(jiān)測建筑物的結(jié)構(gòu)健康情況，同時(shí)利用各種指標(biāo)參數(shù)，查詢數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)，其中，所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)基于Oracle 9i建立，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)為可擴(kuò)展的存儲(chǔ)系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)，其中，所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)將海量的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)按照設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)模式存放到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理。
4.如權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)，其中，所述歷史數(shù)據(jù)為存儲(chǔ)在DVD中的數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)設(shè)有專門的接口，將DVD中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)先進(jìn)行格式的解析，然后按照數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。
5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)，其中，所述診斷和分析子系統(tǒng)利用二維GIS技術(shù)建立被監(jiān)測建筑物的二維空間關(guān)系。
6.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)，其中，所述診斷和分析子系統(tǒng)利用三維GIS技術(shù)建立被監(jiān)測建筑物的三維空間模型，并將與所述傳感器子系統(tǒng)相對應(yīng)的所有的傳感器模型部署于建筑物的三維空間模型之上。
7.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)，其中，所述實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)根據(jù)選自傳感器類型、傳感器通道類型、時(shí)刻以及時(shí)間片的指標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢與檢索，并將結(jié)果以列表的形式給出。
8.如權(quán)利要求1或7所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)，其中，所述實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)將查詢得到后的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為MatLab格式的文件。
9.一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法，其特征在于包括以下步驟利用傳感器子系統(tǒng)實(shí)時(shí)感應(yīng)被監(jiān)測建筑物的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)健康指標(biāo)；利用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)收集各種傳感器中傳送來的傳感器監(jiān)測信息，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行保存；利用數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)對海量實(shí)時(shí)的傳感器監(jiān)測信息進(jìn)行壓縮、入庫、編目、存儲(chǔ)、備份、查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)中的任一種或多種功能；利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)存儲(chǔ)海量實(shí)時(shí)的傳感器監(jiān)測信息；利用診斷和分析子系統(tǒng)建立被監(jiān)測建筑物的健康模型，并且利用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)傳送來的實(shí)時(shí)收集的實(shí)際數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行檢驗(yàn)，對檢驗(yàn)后的模型進(jìn)行參數(shù)化而得到多個(gè)模態(tài)參數(shù)，其中，這些模態(tài)參數(shù)用來實(shí)施對建筑物健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警并記錄其健康狀態(tài)；由實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對所述健康模型進(jìn)行演算以獲得被監(jiān)測建筑物的結(jié)構(gòu)健康情況，同時(shí)利用各種指標(biāo)參數(shù)，查詢數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析。
10.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法，其中，所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)基于Oracle 9i建立，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)為可擴(kuò)展的存儲(chǔ)系統(tǒng)。
11.如權(quán)利要求9或10所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法，其中，所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)將海量的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)按照設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)模式存放到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理。
12.如權(quán)利要求9或10所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法，其中，所述歷史數(shù)據(jù)為存儲(chǔ)在DVD中的數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)設(shè)有專門的接口，將DVD中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)先進(jìn)行格式的解析，然后按照數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。
13.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法，其中，所述診斷和分析子系統(tǒng)利用二維GIS技術(shù)建立被監(jiān)測建筑物的二維空間關(guān)系。
14.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法，其中，所述診斷和分析子系統(tǒng)利用三維GIS技術(shù)建立被監(jiān)測建筑物的三維空間模型，并將與所述傳感器子系統(tǒng)相對應(yīng)的所有的傳感器模型部署于建筑物的三維空間模型之上。
15.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法，其中，所述實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)根據(jù)選自傳感器類型、傳感器通道類型、時(shí)刻以及時(shí)間片的指標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢與檢索，并將結(jié)果以列表的形式給出。
16.如權(quán)利要求9或15所述的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理方法，其中，所述實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)將查詢得到后的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為MatLab格式的文件。
全文摘要
本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)，包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備子系統(tǒng)、診斷和分析子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)等6個(gè)子系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)基于商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(如Oracle 9i)建立，并且診斷和分析子系統(tǒng)可利用基于三維GIS技術(shù)建立的被監(jiān)測建筑物的三維空間模型進(jìn)行參數(shù)化，從而得到多個(gè)模態(tài)參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，既可以優(yōu)化測點(diǎn)布置，又可以高效地管理海量的歷史數(shù)據(jù)，并處理實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G06F17/30GK101051334SQ20061007386
公開日2007年10月10日 申請日期2006年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月6日
發(fā)明者史文中 申請人:香港理工大學(xué)