基于新型光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的大型建筑

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    一、 目的、意義和必要性
    北京作為國(guó)際性的大都市，大型建筑、公路橋梁隨處可見(jiàn)，尤其是奧運(yùn)會(huì)的臨近，必將出現(xiàn)建設(shè)高峰。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，北京的建設(shè)將面臨以下幾方面的問(wèn)題：第一，鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)建筑越來(lái)越多，許多奧運(yùn)建筑都是鋼結(jié)構(gòu)，而鋼結(jié)構(gòu)很容易由于溫度、變形、預(yù)應(yīng)力不當(dāng)、間隙不當(dāng)?shù)榷喾矫娴膯?wèn)題導(dǎo)致鋼構(gòu)件失效，從而導(dǎo)致建筑垮塌；第二，服役幾十年的建筑在不斷增多，包括很多公路橋梁等，它們的健康安全狀況沒(méi)有科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)手段；第三，建筑在火災(zāi)、地震等災(zāi)害后的受損情況和有效性如何快速、科學(xué)的評(píng)估。
    基于新型光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的大型建筑實(shí)時(shí)健康安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，應(yīng)用科學(xué)的評(píng)估方法，對(duì)大型或特殊建筑進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康安全監(jiān)測(cè)，可以有效地避免或減少各種建筑事故、失效造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。項(xiàng)目意義重大，具有很好的社會(huì)效益。
    二、 項(xiàng)目?jī)?nèi)容介紹
    1. 新型傳感器網(wǎng)絡(luò)研究
    1.1 新型光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)
    隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，光纖傳感也得到了快速發(fā)展。目前，光纖傳感器可以用于溫度、位移、應(yīng)力等物理參數(shù)的測(cè)量，如圖1所示。也使光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的形成成為可能。本研究項(xiàng)目將會(huì)利用光纖作為信號(hào)傳播媒介，真正形成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。應(yīng)用示例如圖3所示。




    1.2 多傳感信息流的集成
    對(duì)于建筑健康安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，一個(gè)挑戰(zhàn)性的工作是針對(duì)涉及建筑局部和全局健康安全狀態(tài)的變量對(duì)應(yīng)的傳感信息流進(jìn)行整合。一般建筑結(jié)構(gòu)的溫度狀況、變形狀況、應(yīng)力狀況決定著建筑的健康狀況，而這些參數(shù)又互相關(guān)聯(lián)，例如溫度的升高，會(huì)引起鋼結(jié)構(gòu)的變形、剛度和強(qiáng)度降低，從而引起鉸接部位位移和應(yīng)力變化。建筑的倒塌往往是多方面因素的綜合結(jié)果。因此多傳感信息流的整合集成可以反映建筑內(nèi)在的健康狀況。

    1.3 基于紅外熱成像和圖像的可視化傳感系統(tǒng)
    對(duì)于長(zhǎng)期使用可能存在腐蝕、高溫輻射、外力作用的建筑區(qū)重要部位和環(huán)節(jié)，采用紅外熱成像和圖像系統(tǒng)，可以增大系統(tǒng)的可視化程度，利于專(zhuān)家的判斷。紅外熱成像系統(tǒng)可以對(duì)視場(chǎng)范圍內(nèi)溫度分布實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高系統(tǒng)的建筑面的判斷分析，補(bǔ)充點(diǎn)型傳感方式的不足。
    2. 計(jì)算方法與數(shù)據(jù)庫(kù)研究
    2.1 高性能的分析計(jì)算架構(gòu)
    實(shí)時(shí)傳感器、視頻數(shù)據(jù)流、物理和統(tǒng)計(jì)模型的輸出等形成了復(fù)雜的數(shù)據(jù)源，而對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)源的實(shí)時(shí)、離線分析與整合，需要高性能的分析計(jì)算架構(gòu)。本研究成果將依據(jù)圖4 的模式進(jìn)行。

    2.2 應(yīng)用與數(shù)據(jù)綜合的中間件工具
    在計(jì)算體系架構(gòu)中，從數(shù)據(jù)收集、過(guò)濾、分析、可視化到應(yīng)用和決策支持需要一系列的中間步驟。中間過(guò)程以分析流的形式進(jìn)行，往往經(jīng)過(guò)運(yùn)算、查詢(xún)、迭代等步驟，實(shí)質(zhì)上就是知識(shí)發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘流程，如圖5所示。

    2.3 網(wǎng)格化實(shí)時(shí)傳感器的數(shù)學(xué)建模
    由于建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，表征建筑健康狀況的局部或全局變量與一系列局部或全局建筑的傳感信息相關(guān)聯(lián)。因此需要基于溫度、位移、應(yīng)力等一系列網(wǎng)絡(luò)化的傳感器信息流建立計(jì)算模型。
    3. 致?lián)p探測(cè)與數(shù)據(jù)分析研究
    致?lián)p探測(cè)和數(shù)據(jù)分析是建筑健康安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，將由先進(jìn)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析軟件、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損傷探測(cè)軟件、隨機(jī)模式識(shí)別軟件、可靠性與風(fēng)險(xiǎn)分析軟件、物理建模與仿真軟件等構(gòu)成。
    三、 創(chuàng)新點(diǎn)及可能獲得的成果和知識(shí)產(chǎn)權(quán)
    1. 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件體系和架構(gòu)；
    2. 網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)；
    四、 北京地區(qū)已有的研究開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)及項(xiàng)目（課題）應(yīng)用的條件
    1. 北京作為國(guó)際性大都市，特殊或重要的建筑物繁多，奧運(yùn)會(huì)臨近，建筑的健康安全問(wèn)題必然會(huì)提高議事日程上，所有具有廣泛的應(yīng)用條件和需求。
    2. 北京大專(zhuān)院校和科研院所眾多，國(guó)內(nèi)外信息靈通，可以為研發(fā)提供傳感、軟件等多個(gè)方面的基礎(chǔ)和條件。
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