一种建筑构件位移分布的监测方法和系统

本发明涉及物联网无线通信、传感器及边缘计算，面向智能建筑监测的数据采集及评估计算，尤其涉及一种建筑构件位移分布的监测方法和系统。

背景技术：

1、通过在各类建筑对象预埋分布式低功耗无线传感器，对目标建筑对象进行长期数据采集及在线监测，对于建筑安全监测及信息综合利用，具有极为重要的价值。

2、面向建筑监测的无线传感网络包括若干无线协同基站和分布式低功耗无线传感器节点；预埋于目标建筑区域的建筑构件之中或连接间隙的若干分布式传感器节点构成的一个节点阵列。所述无线传感网络为一种低功耗物联网（lpiot），所述低功耗物联网为无线覆盖区域内分布式的低功耗无线服务对象设备提供包括数据采集及边缘协同计算的协同感知服务。

3、建筑安全监测面向不同建筑构件类别及区域（如框架、桥面分段、桥墩、支撑构件、连接部位）的位移、变形、损伤及老化等方面，对相关传感状态变量进行数据采集及监测评估；尤其需要对建筑主体结构及重要支撑构件的位移及变形，以及对相邻建筑构件之间的相对位移进行采集监测，对相关安全性风险识别及监控预警。

4、建筑位移监测是对各类建筑变形导致的建筑安全隐患进行监测评估的基础；通过对目标区域分布式离散目标点位移的数据采集及拟合计算，可以对建筑主体结构的整体轮廓变形及局部变形进行监测评估。所述目标点为构件表面区域有代表性的可观测点，应优先被设置在主体结构及关键构件上。

5、对建筑位移监测主要通过位移传感器、倾角传感器进行数据采集监测。通过倾角传感器可以对目标构件（作为刚体）的倾角变量进行采集监测；通过位移传感器对目标点的绝对位移（观测位移）或相对位移（相邻位移）进行采集监测。其中，通过远场观测（使用远点位移传感器）对目标点的绝对位移进行采集监测；通过近场检测（使用近点位移传感器，如磁致位移传感器）对相邻目标构件及相邻目标点之间的相对位移进行采集监测。显然，至少应采用远场观测对建筑主体结构上的部分关键目标点的位移进行监测；在此基础上可再使用近点位移传感器对相邻构件之间连接间隙的相对位移进行监测。

6、在未设置无线传感网络之前，建筑构件表面缺乏预埋传感器节点。现有观测式位移传感器技术，主要通过检测激光、红外（或其它光信号）的发射/反射距离而计算反射点的位置坐标；其中激光位移传感器是检测精度相对较高的一种位移传感器，包括基于时间飞行、三角回差、相移、干涉、光谱共焦等方法。这种反射式测距方法虽然距离检测精度高、单次检测便利性好及通用性强等诸多优点；但反射测距精度并不代表目标点位移测量精度（即便对于入射方向的离面位移）。

7、现有反射式测距位移传感器的主要问题是难以对真目标点进行跟踪监测：目标构件表面局部位移及变形时，反射点并非原来的真目标点；即便观测目标区域的刚体构件，仍需要多向、多点距离检测才能计算目标点位移。

8、除了目标点位移的跟踪监测问题，现有技术对建筑构件区域的位移分布的数据采集处理，在以下几个方面仍存在缺陷或缺乏明确有效的监测计算方法。

9、1)三维位移矢量测量问题：反射式测距在正视角观测方向有利于高精度测距；但若需要测量目标点的表面切向位移，则需要在小角度观测方向安装反射镜，这就需要设置数量较多的反射镜阵列及更多不同方向的观测点区域，不利于对大视角目标区域范围内的分布式目标点的三维位移进行在线监测。

10、2)远场观测与近场检测的组合监测问题：由于可观测区域的限制性以及对构件连接的边界间隙位移对建筑安全监测的重要性，需要对不同目标构件区域上述远场观测及近场检测之间的有效组合监测数据采集方案，以监测计算相邻区域边界位移分布。

11、3)倾角传感器的测量偏差问题：在使用倾角传感器对目标构件的倾角变量进行采集监测时，即便不考虑倾角传感器本身的测量精度及稳定性问题，但在局部变形时也会产生额外的测量误差，包括：目标构件区域并不能被视作刚体时，或倾角传感器自身与目标构件的基准方向的偏差发生偏移变化时。

12、4)位移分布的拟合计算问题：根据对目标构件区域的倾角变量及离散目标点位移变量进行采集推算位移矢量分布，需要对倾角变量与目标点位移变量的相互转换计算的基础上进行拟合修正；通过拟合计算得到局部区域的位移分布，需要对倾角变量与离散目标点位移变量的双重拟合；进一步监测不同局部及跨区域的拟合计算分析，以对相关建筑变形量进行在线跟踪监测。

13、因此，在考虑面向建筑监测数据采集系统需求的背景下，基于无线传感网络预埋低功耗无线位移传感器节点，对建筑构件区域位移分布进行追踪监测，根据边界点的相对位移计算相邻区域的位移分布并根据相邻区域的位移分布对边界位移分布及构件连接的边界间隙位移进行监测评估，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，如何通过远场观测与近场检测的组合监测方式，对相邻构件区域的位移矢量分布进行监测，包括：如何通过远场对准观测采集离散目标点位移、通过近场边界检测采集边界点的相对位移变量，如何采集传感器上传的位移变量数据，并根据采集获得的位移变量数据计算边界位移矢量分布，以对相邻构件区域内部位移分布及构件连接的边界间隙位移进行监测评估。

2、为解决上述问题，本发明提出了一种建筑构件位移分布的监测方法和系统。

3、第一方面，本发明公开了一种建筑构件位移分布的监测方法，面向建筑监测的无线传感网络中，无线协同基站对预埋于目标建筑上的低功耗无线传感器节点上传的位移变量进行数据采集和监测评估，相邻构件区域被表达为第一构件和第二构件；所述方法包括以下步骤：

4、远点位移传感器在被触发唤醒后通过远场对准观测，采集获得所述第一构件上离散目标点的第一位移变量；近点位移传感器在被触发唤醒后通过近场边界检测，采集获得所述第二构件在边界点相对于所述第一构件的相对位移变量；所述协同基站以无线激励群读获得远点位移传感器及近点位移传感器采集上传的位移变量数据；所述协同基站根据采集获得的位移变量数据，通过倾斜位移转换和/或矢量拟合，计算边界位移矢量分布。

5、可选地，所述协同基站根据远点及近点位移传感器节点上传的采集监测数据，将所述位移变量及倾角变量转换为组合位移矢量数据，所述组合位移矢量包括点位移矢量和/或倾斜位移矢量；所述协同基站通过矢量拟合获得指定构件区域的拟合矢量分布，并通过矢量分析对所述建筑构件的位移变形量进行监测评估。

6、可选地，按照以下方法之一或组合计算所述第一构件边界点的第一边界位移矢量分布：方法一，所述第一构件或其构件区域可被视为刚体时，基于所述第一位移变量，按照倾斜位移转换计算所述第一边界位移矢量；方法二，根据对所述第一构件上若干离散目标点采集的位移变量数据，通过所述矢量拟合获得构件区域的位移拟合矢量分布，对所述边界点得到所述第一边界位移矢量分布；方法三，根据对所述第一构件的离散目标点设定的刚度修正系数，对采集获得的所述离散目标点的位移矢量进行刚性约束修正，再根据修正后的离散目标点的位移矢量，通过所述矢量拟合获得所述位移拟合矢量分布。

7、可选地，根据第一边界位移矢量和所述相对位移变量，按照推算第二边界位移矢量；再根据所述第二构件的倾斜位移矢量，对所述第二边界位移矢量进行修正计算，包括以下方法之一或组合：方法一，根据设置于所述第二构件上的倾角传感器节点采集上传的双轴倾角变量，转换计算所述第二构件的倾斜位移矢量；方法二，根据对所述第二构件上多个边界点获得的第二边界位移矢量，通过矢量拟合获得对应构件区域的位移拟合矢量分布，并计算所述构件区域的倾斜位移矢量。

8、可选地，根据对所述第一构件及第二构件获得的位移拟合矢量分布，分别计算任一给定边界点j对应的第一边界位移矢量和第二边界位移矢量，按照计算给定的所述边界点j的相对位移变量；沿所述第一构件与所述第二构件之间的边界线，计算若干边界点的相对位移变量，对相邻构件区域的边界间隙位移进行监测评估。

9、可选地，所述近点位移传感器通过所述近场边界检测对所述边界点j的相对位移变量进行信号采集监测；所述近点位移传感器为一种磁场传感器，所述磁场传感器包括磁场发生装置和磁场检测模块；所述磁场检测模块被设置于所述第一构件或第二构件上，所述磁场发生装置被设置于另一构件上或分开设置于两个相邻构件上，使得所述边界点j临近区域的磁感应强度分布随两个相邻构件之间的相对位移而发生关联变化。

10、可选地，按照以下方式之一或组合，计算构件区域的倾斜位移矢量∶方式一，根据预埋于所述构件区域的倾角传感器节点采集上传的双轴倾角变量，转换计算对应的倾斜位移矢量；方式二，基于给定的两个目标点的位移矢量差，按照倾斜位移转换计算所述构件区域的倾斜位移矢量。

11、可选地，所述远点位移传感器为一种激光对射式位移传感器，所述激光对射式位移传感器包括预埋于构件表面的激光传感器和安装在观测点的激光发射器；所述协同基站根据对指定构件区域的对准观测模式，通过无线控制安装于观测点的激光发射器使其发射的激光束调节对准预埋于所述第一构件上的激光传感器的接收视窗；所述协同基站通过采集所述激光传感器上传的视窗位移变量，通过映射转换获得所述第一位移变量，对所述构件区域表面的目标点位移进行跟踪监测。

12、可选地，安装于至少两个不同观测点的激光发射器以不同的激光束发射方向对准所述激光传感器，所述协同基站根据采集获得的不同入射方向的视窗位移变量，通过映射转换分别获得不同方向的入射面位移，再将所述入射面位移以多向映射转换合成为指定坐标系的目标点三维位移矢量；所述入射面位移指位移矢量在入射面的投影矢量。

13、可选地，所述近点位移传感器为无线磁场传感器，所述磁场传感器基于接收到的所述协同基站发送的同步群读数据帧，通过磁场检测模块检测邻近区域的激励磁感应强度方向，用以计算激励标定角度偏移；所述激励标定角度偏移为邻近区域激励磁场的激励标定方向相对于所述磁场传感器自身基准方向的角度偏移；所述协同基站根据所述激励标定角度偏移，对所述磁场传感器自身基准方向与所述第一构件及/或第二构件之间的相对角度偏移进行校正计算。

14、第二方面，本发明还公开了一种建筑构件位移分布的监测系统，所述系统为利用第一方面所述的一种建筑构件位移分布的监测方法建立的系统，所述监测系统由若干无线协同基站和分布式的低功耗无线传感器节点构成，所述传感器节点包括远点位移传感器节点和近点位移传感器节点；所述协同基站对预埋于目标建筑上的无线传感器节点上传的位移变量进行数据采集和监测；所述协同基站对数据采集及监测的计算处理，包括由其它协同基站或上位协同主机所承担的协同计算。

15、从上述本发明提供的技术方案可知，本发明对预埋于目标建筑上的低功耗无线传感器节点上传的位移变量进行数据采集和监测评估，通过远场观测对第一构件的离散目标点位移采集监测、通过近场检测对边界点的相对位移采集监测，对第一构件位移及相邻边界位移进行监测评估；本发明通过倾斜位移转换和/或矢量拟合，计算边界位移矢量分布，对倾角变量与离散目标点位移变量的双重拟合；进一步监测不同局部及跨区域的拟合计算分析，以对相关建筑对变形量进行在线跟踪监测。

16、因此，相对于现有技术，本发明通过远场观测与近场检测的组合监测，将观测式远点传感器重点布置于主体结构及关键构件，对边界位移分布及构件连接的边界间隙位移进行更加有效的监测评估；通过对构件区域的位移分布进行矢量拟合计算，按照倾斜位移转换进行交叉修正计算，可以对倾角变量与位移变量的双重拟合，分别获得第一构件区域内以及相邻边界线的位移拟合矢量分布；因此，本发明对位移分布的组合监测及拟合计算方法，对目标构件区域内及相邻边界线，具有更高的贴合程度，从而可对区域内位移变形及构件连接的边界间隙位移变形，进行更加全面、有效及有针对性的监测评估。