專(zhuān)利名稱(chēng)：基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑工程地震災(zāi)害評(píng)估領(lǐng)域和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
既有建筑的震害評(píng)估是強(qiáng)震后的重要工作內(nèi)容之一。各類(lèi)房屋建筑的震害評(píng)估報(bào)告是合理確定災(zāi)后救助方案和災(zāi)后重建政策最原始的工程依據(jù)。其中尤為重要的是，震后須對(duì)醫(yī)院、避難場(chǎng)所(如大跨體育場(chǎng)館)和學(xué)校等重要建筑進(jìn)行迅速而準(zhǔn)確的即時(shí)震害評(píng)估，以期更好地實(shí)現(xiàn)地震傷員的醫(yī)務(wù)救助、受災(zāi)群眾的臨時(shí)安置以及災(zāi)區(qū)學(xué)校的開(kāi)學(xué)復(fù)課。專(zhuān)業(yè)人員對(duì)震后建筑結(jié)構(gòu)的排查鑒定是當(dāng)前災(zāi)后震害評(píng)估的主要手段。受實(shí)際條件的制約，這種評(píng)估手段具有以下局限性
①對(duì)受災(zāi)建筑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排查需結(jié)構(gòu)工程和地震工程領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人員參與，同時(shí)肉眼排查
只能觀察到結(jié)構(gòu)的表面破壞，結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷則需借助儀器進(jìn)行檢測(cè)，因此大量人員和儀器
的投入是這種評(píng)估手段所不可或缺的。②現(xiàn)場(chǎng)排查須在專(zhuān)業(yè)人員和儀器到達(dá)受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后
進(jìn)行，排查工作也需一定的時(shí)間才能完成，因此評(píng)估時(shí)間往往較長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)重要建筑的即
時(shí)震害評(píng)估目標(biāo)。③現(xiàn)場(chǎng)排查大多局限于結(jié)構(gòu)局部損傷的判定，通過(guò)結(jié)構(gòu)的局部損傷情況
進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體的定性震害評(píng)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(duì)既有建筑正常使用功能所造成的破壞及由此所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。建筑結(jié)構(gòu)的抗震分析計(jì)算也是既有建筑災(zāi)后震害評(píng)估的一種手段。然而，既有建筑的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定需進(jìn)行大量的調(diào)研工作，單體結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)建模和分析同樣需投入大量的人力和物力，準(zhǔn)確的地震動(dòng)輸入數(shù)據(jù)也要在地震工作者數(shù)據(jù)處理后才能獲得，以上的各種原因也使得通過(guò)抗震分析獲取結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)繼而進(jìn)行既有建筑的災(zāi)后震害評(píng)估特別是即時(shí)評(píng)估變得十分困難。因此，突破傳統(tǒng)的震害評(píng)估手段，利用現(xiàn)有的技術(shù)開(kāi)發(fā)一種更為先進(jìn)的震害評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)一步提升我們國(guó)家的抗震防災(zāi)能力和降低強(qiáng)震后的震害損失將是十分重要和迫在眉睫的。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了低成本、低功耗、多功能智能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線(xiàn)通信等多種功能。與傳統(tǒng)的有線(xiàn)傳感器系統(tǒng)相比較，由多個(gè)智能傳感器組成的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)無(wú)需通過(guò)電纜線(xiàn)傳輸工程測(cè)試信號(hào)，在大大降低其測(cè)量應(yīng)用成本的同時(shí)，具有易布設(shè)、施工周期短和信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)所具備的優(yōu)點(diǎn)及其技術(shù)發(fā)展同樣為既有建筑的地震反應(yīng)檢測(cè)提供了一種新的技術(shù)手段。正是基于以上的工程和技術(shù)背景，本發(fā)明提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)，它主要由若干個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)控制計(jì)算中心通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接組成；其中，所述無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、單片機(jī)處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊等組成；所述傳感器模塊、單片機(jī)處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、 無(wú)線(xiàn)通信模塊分別與單片機(jī)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(jī)處理模塊由處理器、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器和傳感器信號(hào)調(diào)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(hào)調(diào)理電路相連，傳感器信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器相連，存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)換器分別與處理器相連；所述控制計(jì)算中心由無(wú)線(xiàn)傳感器模塊、單片機(jī)處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和電源模塊等組成；傳感器模塊、單片機(jī)處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、數(shù)據(jù)分析模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊分別與單片機(jī)處理模塊相連，數(shù)據(jù)分析模塊與無(wú)線(xiàn)通信模塊相連；單片機(jī)處理模塊由處理器、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器和傳感器信號(hào)調(diào)理電路等組成，傳感器信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器相連，存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)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(hào)調(diào)理電路相連。一種應(yīng)用上述基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估方法，該方法包括以下步驟
(1)對(duì)基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作；
(2)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的采集、保存和發(fā)送當(dāng)控制計(jì)算中心的加速度傳感器檢測(cè)到三軸加速度中的任意一軸加速度數(shù)值大于所設(shè)定閾值5cm/s2時(shí)，判定振動(dòng)發(fā)生，發(fā)送命令喚醒其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的采集，信號(hào)調(diào)理電路將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和濾波，A/D轉(zhuǎn)換器再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，處理器接收數(shù)據(jù)信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的保存；在結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，如連續(xù)5秒的時(shí)間內(nèi)，控制計(jì)算中心的加速度傳感器檢測(cè)到三軸加速度中的所有加速度的數(shù)值均小于所設(shè)定閾值5cm/s2，則判定結(jié)構(gòu)振動(dòng)停止；發(fā)送命令停止其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)射給控制計(jì)算中心，節(jié)點(diǎn)即進(jìn)入休眠狀態(tài)。(3)控制計(jì)算中心接收和儲(chǔ)存采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)控制計(jì)算中心控制整個(gè)震害評(píng)估系統(tǒng)的信號(hào)采集，并在信號(hào)采集完成后接收和儲(chǔ)存各無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)。(4)控制計(jì)算中心對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的震害評(píng)估無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量得到的三維角速度測(cè)量數(shù)據(jù)，由控制計(jì)算中心進(jìn)行積分運(yùn)算，得到結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)時(shí)程；由此進(jìn)一步對(duì)各層測(cè)點(diǎn)的加速度反應(yīng)進(jìn)行局部坐標(biāo)系向整體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換， 統(tǒng)一所有加速度反應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系，使其具有方向可比性；對(duì)整體坐標(biāo)系下的加速度反應(yīng)進(jìn)行積分運(yùn)算得到各測(cè)點(diǎn)處的位移反應(yīng)，并由各層測(cè)點(diǎn)的位移反應(yīng)差計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的
4層間位移反應(yīng)；根據(jù)結(jié)構(gòu)最大層間位移進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及整體結(jié)構(gòu)的易損性分析由最大層間位移分析計(jì)算得到建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件所履歷的最大地震變形，從而比較各個(gè)極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件(墻、柱、梁等)的極限變形，判別各結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處的破壞極限狀態(tài)，評(píng)估結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震震害；由結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞狀況，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的地震安全性分析，從而評(píng)估整體結(jié)構(gòu)的
地震震害。本發(fā)明的有益效果是
1、借助于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)低成本、自組織的特點(diǎn)，構(gòu)建了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)，在功能上做到真正意義上的零線(xiàn)路布置，長(zhǎng)期全天候工作。2、本發(fā)明采用了低功耗設(shè)計(jì)。震害評(píng)估系統(tǒng)平時(shí)態(tài)時(shí)只有控制計(jì)算中心檢測(cè)振動(dòng)，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)則處于休眠狀態(tài)，傳感器處于完全斷電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的低功耗工作。3、利用無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)中的加速度傳感器和角速度傳感器對(duì)各測(cè)點(diǎn)的地震響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和傳輸，并通過(guò)數(shù)據(jù)的融合處理和計(jì)算分析得到既有建筑的即時(shí)震害評(píng)估結(jié)果，整個(gè)評(píng)估過(guò)程將不再需要專(zhuān)業(yè)人員的參與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器的投入。4、無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的加速度傳感器和角速度傳感器將檢測(cè)記錄各測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的時(shí)程履歷，從而可以跟蹤和分析結(jié)構(gòu)在整個(gè)地震中所受到的損傷過(guò)程，得到震害評(píng)估結(jié)果將更加精確合理。5、利用檢測(cè)到的加速度和角速度反應(yīng)，進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的速度反應(yīng)和層間位移反應(yīng)，從而除了通過(guò)層間位移對(duì)整體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行震害評(píng)估外，還可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的速度和加速度反應(yīng)對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如天花板吊頂、吊燈、家具以及儀器設(shè)備)等速度或加速度敏感型構(gòu)件進(jìn)行震害評(píng)估，真正實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)基于性能的震害評(píng)估要求。


圖1為基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)示意圖； 圖2為本發(fā)明的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖3為本發(fā)明的控制計(jì)算中心硬件結(jié)構(gòu)框圖； 圖4為本發(fā)明的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖； 圖5為本發(fā)明的控制計(jì)算中心軟件流程圖； 圖6為本發(fā)明的數(shù)據(jù)分析模塊軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。如圖1所述，本發(fā)明基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)主要由若干個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)1和一個(gè)控制計(jì)算中心2通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接組成。其中，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)1根據(jù)需要布置在建筑物的樓板上，測(cè)量地震時(shí)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)的加速度和角速度的信號(hào)，同時(shí)還具備路由功能。控制計(jì)算中心根據(jù)需要布置在建筑物底層地面上，以保證最先檢測(cè)到地震信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)1之間的距離太遠(yuǎn)超過(guò)無(wú)線(xiàn)通信距離或者某條網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)1可以與周?chē)渌鼰o(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)1自組織網(wǎng)絡(luò)，將測(cè)量數(shù)據(jù)有效而可靠地傳輸至控制計(jì)算中心2?？刂朴?jì)算中心2不僅負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)的接收儲(chǔ)存和處理分析，而且控
5制計(jì)算中心2中的傳感器還負(fù)責(zé)振動(dòng)信號(hào)的全天候檢測(cè)，當(dāng)它檢測(cè)到振動(dòng)發(fā)生時(shí)，發(fā)送命令要求所有的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)始定時(shí)采樣和保存數(shù)據(jù)；當(dāng)檢測(cè)到振動(dòng)結(jié)束時(shí)，它發(fā)出命令要求所有的節(jié)點(diǎn)停止采集并發(fā)送數(shù)據(jù)至控制計(jì)算中心2，由此完成既有建筑的震害評(píng)估。如圖2所述，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)1由傳感器模塊、單片機(jī)處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊組成。傳感器模塊、單片機(jī)處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊分別與單片機(jī)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(jī)處理模塊由處理器、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器和傳感器信號(hào)調(diào)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(hào)調(diào)理電路相連，傳感器信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器相連，存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)換器分別與處理器相連。通過(guò)采用三維加速度傳感器和三維角速度傳感器實(shí)現(xiàn)加速度和角速度數(shù)據(jù)的采集，傳感器調(diào)理電路將采集到的信號(hào)放大和濾波，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)處理器模塊。單片機(jī)處理器接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，處理器控制無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 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(hào)的產(chǎn)品，角速度傳感器可采用ST公司LRP530AL和LY530ALH型號(hào)的產(chǎn)品，處理器可采用TI公司CCM30型號(hào)的產(chǎn)品， 無(wú)線(xiàn)通信模塊可采用TI公司推薦的2. 4GHz的PCB天線(xiàn)的產(chǎn)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(jì)算中心由無(wú)線(xiàn)傳感器模塊、單片機(jī)處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、 數(shù)據(jù)分析模塊和電源模塊組成。傳感器模塊、單片機(jī)處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、數(shù)據(jù)分析模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊分別與單片機(jī)處理模塊相連，數(shù)據(jù)分析模塊與無(wú)線(xiàn)通信模塊相連。其中，單片機(jī)處理模塊由處理器、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器和傳感器信號(hào)調(diào)理電路組成，傳感器信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器相連，存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)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(hào)調(diào)理電路相連。通過(guò)采用三維加速度傳感器和三維角速度傳感器實(shí)現(xiàn)加速度和角速度數(shù)據(jù)的采集，傳感器調(diào)理電路將采集到的信號(hào)放大和濾波，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)處理器模塊，單片機(jī)處理器接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。如果傳感器中的三軸加速度數(shù)值均未超過(guò)設(shè)定閾值，則無(wú)線(xiàn)通信模塊處于休眠狀態(tài)；當(dāng)三軸加速度傳感器中的任意一軸加速度數(shù)值超過(guò)設(shè)定閾值，則處理器喚醒無(wú)線(xiàn)通信模塊， 發(fā)送命令要求所有節(jié)點(diǎn)開(kāi)始同步采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)的檢測(cè)，當(dāng)控制計(jì)算中心判斷結(jié)構(gòu)振動(dòng)停止時(shí)，發(fā)送命令停止其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)射給控制計(jì)算中心，數(shù)據(jù)分析模塊通過(guò)數(shù)據(jù)的融合處理，并最終計(jì)算得到建筑結(jié)構(gòu)的震害評(píng)估結(jié)果。應(yīng)用本發(fā)明基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估方法，包括以下四個(gè)步驟
一、對(duì)基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)震害評(píng)估系統(tǒng)的硬件進(jìn)行初始化工作；
二、建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的采集、保存和發(fā)送；
如圖4所述，當(dāng)控制計(jì)算中心的加速度傳感器檢測(cè)到三軸加速度中的任意一軸加速度數(shù)值大于所設(shè)定閾值5cm/s2時(shí)，判定振動(dòng)發(fā)生，發(fā)送命令喚醒其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的采集，信號(hào)調(diào)理電路將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和濾波，A/D轉(zhuǎn)換器再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，處理器接收數(shù)據(jù)信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的保存。在結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，如連續(xù)5秒的時(shí)間內(nèi)，控制計(jì)算中心的加速度傳感器檢測(cè)到三軸加速度中的所有加速度的數(shù)值均小于所設(shè)定閾值5cm/s2，則判定結(jié)構(gòu)振動(dòng)停止。發(fā)送命令停止其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)射給控制計(jì)算中心，節(jié)點(diǎn)即進(jìn)入休眠狀態(tài)?？刂朴?jì)算中心接收和儲(chǔ)存采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)
如圖5所述，控制計(jì)算中心控制整個(gè)震害評(píng)估系統(tǒng)的信號(hào)采集，并在信號(hào)采集完成后接收和儲(chǔ)存各無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)。 、控制計(jì)算中心對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的震害評(píng)估。如圖6所述，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量得到的三維角速度測(cè)量數(shù)據(jù)，由控制計(jì)算中心進(jìn)行積分運(yùn)算，得到結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)時(shí)程；由此進(jìn)一步對(duì)各層測(cè)點(diǎn)的加速度反應(yīng)進(jìn)行局部坐標(biāo)系向整體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一所有加速度反應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系，使其具有方向可比性；對(duì)整體坐標(biāo)系下的加速度反應(yīng)進(jìn)行積分運(yùn)算得到各測(cè)點(diǎn)處的位移反應(yīng)，并由各層測(cè)點(diǎn)的位移反應(yīng)差計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的層間位移反應(yīng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)最大層間位移進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及整體結(jié)構(gòu)的易損性分析由最大層間位移分析計(jì)算得到建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件所履歷的最大地震變形，從而比較各個(gè)極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件 (墻、柱、梁等)的極限變形，判別各結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處的破壞極限狀態(tài)，評(píng)估結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震震害；由結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞狀況，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的地震安全性分析，從而評(píng)估整體結(jié)構(gòu)的地震震害。根據(jù)結(jié)構(gòu)速度和加速度反應(yīng)進(jìn)行非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及儀器設(shè)備的震害評(píng)估。對(duì)于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如天花板、吊燈和家具)及儀器設(shè)備，根據(jù)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(yīng)和加速度反應(yīng)大小所決定。根據(jù)上述方法，完成既有建筑的震害評(píng)估。該方法采用了低功耗設(shè)計(jì)，在平時(shí)態(tài)只有計(jì)算處理中心工作，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。該方法通過(guò)層間位移對(duì)整體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行震害評(píng)估外，還通過(guò)結(jié)構(gòu)的速度和加速度反應(yīng)對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如天花板吊頂、 吊燈和家具)及儀器設(shè)備等速度或加速度敏感型構(gòu)件進(jìn)行震害評(píng)估，真正實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)基于性能的震害評(píng)估要求。
權(quán)利要求
1.一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于，它主要由若干個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)控制計(jì)算中心通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接組成；其中，所述無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、單片機(jī)處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊等組成；所述傳感器模塊、單片機(jī)處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊分別與單片機(jī)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(jī)處理模塊由處理器、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器和傳感器信號(hào)調(diào)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(hào)調(diào)理電路相連，傳感器信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器相連，存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)換器分別與處理器相連；所述控制計(jì)算中心由無(wú)線(xiàn)傳感器模塊、單片機(jī)處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和電源模塊等組成；傳感器模塊、單片機(jī)處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、數(shù)據(jù)分析模塊分別與電源模塊相連，傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊分別與單片機(jī)處理模塊相連，數(shù)據(jù)分析模塊與無(wú)線(xiàn)通信模塊相連；單片機(jī)處理模塊由處理器、存儲(chǔ)器、A/ D轉(zhuǎn)換器和傳感器信號(hào)調(diào)理電路等組成，傳感器信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器相連，存儲(chǔ)器和 A/D轉(zhuǎn)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(hào)調(diào)理電路相連。
2.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)對(duì)基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作；(2)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的采集、保存和發(fā)送當(dāng)控制計(jì)算中心的加速度傳感器檢測(cè)到三軸加速度中的任意一軸加速度數(shù)值大于所設(shè)定閾值5cm/s2時(shí)，判定振動(dòng)發(fā)生，發(fā)送命令喚醒其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的采集，信號(hào)調(diào)理電路將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和濾波，A/D轉(zhuǎn)換器再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，處理器接收數(shù)據(jù)信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的保存；在結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，如連續(xù)5秒的時(shí)間內(nèi)，控制計(jì)算中心的加速度傳感器檢測(cè)到三軸加速度中的所有加速度的數(shù)值均小于所設(shè)定閾值5cm/s2，則判定結(jié)構(gòu)振動(dòng)停止；發(fā)送命令停止其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)射給控制計(jì)算中心，節(jié)點(diǎn)即進(jìn)入休眠狀態(tài)；(3)控制計(jì)算中心接收和儲(chǔ)存采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)控制計(jì)算中心控制整個(gè)震害評(píng)估系統(tǒng)的信號(hào)采集，并在信號(hào)采集完成后接收和儲(chǔ)存各無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)；(4)控制計(jì)算中心對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的震害評(píng)估無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量得到的三維角速度測(cè)量數(shù)據(jù)，由控制計(jì)算中心進(jìn)行積分運(yùn)算，得到結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)時(shí)程；由此進(jìn)一步對(duì)各層測(cè)點(diǎn)的加速度反應(yīng)進(jìn)行局部坐標(biāo)系向整體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一所有加速度反應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系，使其具有方向可比性；對(duì)整體坐標(biāo)系下的加速度反應(yīng)進(jìn)行積分運(yùn)算得到各測(cè)點(diǎn)處的位移反應(yīng)，并由各層測(cè)點(diǎn)的位移反應(yīng)差計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的層間位移反應(yīng)；根據(jù)結(jié)構(gòu)最大層間位移進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及整體結(jié)構(gòu)的易損性分析由最大層間位移分析計(jì)算得到建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件所履歷的最大地震變形，從而比較各個(gè)極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件(墻、柱、梁等)的極限變形，判別各結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處的破壞極限狀態(tài)，評(píng)估結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震震害；由結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞狀況，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的地震安全性分析，從而評(píng)估整體結(jié)構(gòu)的地震晨舍。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)及方法；系統(tǒng)主要由若干個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)控制計(jì)算中心通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接組成；本發(fā)明借助于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)低成本、自組織的特點(diǎn)，構(gòu)建了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)震害評(píng)估系統(tǒng)，在功能上做到真正意義上的零線(xiàn)路布置，長(zhǎng)期全天候工作；本發(fā)明利用檢測(cè)到的加速度和角速度反應(yīng)，進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的速度反應(yīng)和層間位移反應(yīng)，從而除了通過(guò)層間位移對(duì)整體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行震害評(píng)估外，還可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的速度和加速度反應(yīng)對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等速度或加速度敏感型構(gòu)件進(jìn)行震害評(píng)估，真正實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)基于性能的震害評(píng)估要求。
文檔編號(hào)G08C17/02GK102507121SQ20111037442
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者任達(dá)千, 張思建, 熊前錦, 蘇亮 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)