[发明专利]一种土木工程健康监测系统及方法

摘要

本发明属于土木工程监测领域，公开了一种土木工程健康监测系统及方法，湿度监测模块、温度监测模块、压力监测模块分别通过电子线路连接监测数据采集模块；监测数据采集模块通过电子线路连接监测数据处理模块；监测数据处理模块通过电子线路分别连接无线通信模块和报警模块；太阳能供电模块通过电子线路分别连接监测数据采集模块和监测数据处理模块。本发明通过压力监测模块对工程的承载能力进行监测，保障工程结构的使用安全，同时设置的报警模块可以及时发出报警信号，大大降低工程事故的发生率，时时监测能够确保构件处于安全状态；通过太阳能供电模块可以获取源源不断的太阳能，保障监测系统的持久工作。

主权项

一种土木工程健康监测系统，其特征在于，所述土木工程健康监测系统包括：湿度监测模块、温度监测模块、压力监测模块、监测数据采集模块、监测数据处理模块、无线通信模块、报警模块、太阳能供电模块；湿度监测模块、温度监测模块、压力监测模块分别通过电子线路连接监测数据采集模块；监测数据采集模块通过电子线路连接监测数据处理模块；监测数据处理模块通过电子线路分别连接无线通信模块和报警模块；太阳能供电模块通过电子线路分别连接监测数据采集模块和监测数据处理模块；湿度监测模块，与监测数据采集模块连接，用于通过安装的湿度检测器对工程的湿度进行检测；所述湿度监测模块的数字调制信号x(t)的分数低阶模糊函数表示为：其中，τ为时延偏移，f为多普勒频移，0＜a,b＜α/2，x*(t)表示x(t)的共轭，当x(t)为实信号时，x(t)<p>＝|x(t)|<p>sgn(x(t))；当x(t)为复信号时，[x(t)]<p>＝|x(t)|p‑1x*(t)；温度监测模块，与监测数据采集模块连接，用于通过安装的温度检测器对工程的温度进行检测；压力监测模块，与监测数据采集模块连接，用于通过安装的压力检测器对工程结构的承载能力进行时时监测；监测数据采集模块，与湿度监测模块、温度监测模块、压力监测模块、监测数据处理模块、太阳能供电模块连接，用于将湿度监测模块、温度监测模块和压力监测模块获取的模拟量电信号转换为数字量信号，并将数字量信号识别出来后发送给监测数据处理模块；具体包括：监测数据采集模块内置的信号接收子模块用于接收湿度监测模块、温度监测模块、压力监测模块传输的处理后信号s(t)广义二阶循环累积量按如下公式进行：接收信号s(t)的特征参数M2的理论值具体计算公式为：经过计算，BPSK信号和MSK信号的均为1，QPSK、8PSK、16QAM和64QAM信号的均为0，由此用最小均方误差分类器将BPSK、MSK信号与QPSK、8PSK、16QAM、64QAM信号分开；对于BPSK信号而言，在广义循环累积量幅度谱上仅在载频位置存在一个明显谱峰，而MSK信号在两个频率处各有一个明显谱峰，由此通过特征参数M2和检测广义循环累积量幅度谱的谱峰个数将BPSK信号与MSK信号识别出来；检测广义循环累积量幅度谱的谱峰个数的具体方法如下：首先搜索广义循环累积量幅度谱的最大值Max及其位置对应的循环频率α0，将其小邻域[α0‑δ0,α0+δ0]内置零，其中δ0为一个正数，若|α0‑fc|/fc＜σ0，其中δ0为一个接近0的正数，fc为信号的载波频率，则判断此信号类型为BPSK信号，否则继续搜索次大值Max1及其位置对应的循环频率α1；若|Max‑Max1|/Max＜σ0，并且|(α0+α1)/2‑fc|/fc＜σ0，则判断此信号类型为MSK信号；监测数据处理模块，与监测数据采集模块、无线通信模块、报警模块、太阳能供电模块连接，用于将监测数据采集模块采集的工程结构的温度、湿度和压力数据通过无线通信模块无线方式发送给监控中心；将BPSK信号与MSK信号识别方法包括：对于每一路BPSK信号与MSK信号，按照下述公式对所述BPSK信号与MSK信号中的每一帧BPSK信号与MSK信号进行噪声跟踪，获取每一帧BPSK信号与MSK信号的噪声谱N(w,n)：其中，X(w,n)表示所述BPSK信号与MSK信号的短时傅里叶变换；αu、αd为预设系数且0<αd<αu<1；w表示频域上的频点序号；n表示时域上的帧序号；按照下述公式对每一帧BPSK信号与MSK信号的短时傅里叶变换进行二值化处理得到二值谱Xb(w,n)：Tb为预设第一阈值；将其中一路BPSK信号与MSK信号对应的Ka个二值谱与另一路BPSK信号与MSK信号对应的Kb个二值谱进行两两间的相干性匹配得到所述第一匹配结果，所述第一匹配结果包括匹配度最高的一组二值谱对应的匹配位置和匹配度，Ka、Kb均为正整数；对于每一路BPSK信号与MSK信号，按照下述公式计算所述BPSK信号与MSK信号中的每一帧BPSK信号与MSK信号的功率谱P(w,n)：P(w,n)＝αpP(w,n‑1)+(1‑αp)|X(w,n)|2其中，X(w,n)表示所述BPSK信号与MSK信号的短时傅里叶变换；αp为预设系数且0＜αp＜1；w表示频域上的频点序号；n表示时域上的帧序号；按照下述公式计算每一帧BPSK信号与MSK信号的功率谱的谱间相关性DP(w,n)：DP(w,n)＝|P(w+1,n)‑P(w,n)|按照下述公式对所述谱间相关性DP(w,n)进行噪声跟踪，获取每一帧BPSK信号与MSK信号的噪声功率谱的谱间相关性NDP(w,n)：其中，βu、βd为预设系数且0＜βd＜βu＜1；报警模块，与监测数据处理模块连接，用于对监测数据处理模块获取的温度、湿度和压力数据进行判断，如果超标则及时发出报警声通知监管人员，用于做好防护措施；所述报警模块通过内置的判断分析子模块对取的温度、湿度和压力数据进行判断，具体包括：判断分析子模块采用模糊综合评价系统，进行定量化与定性分析相结合，结合工程实际建立评价集，建立综合评价判断矩阵；根据每一影响因素对超标作出综合性评价；建立模糊综合评价系统的方法包括：建立影响安全的因素集：U＝{u1,u2,u3}＝{压力，温度，湿度}；建立评价集：为了对各评价指标进行定量分析需要确定各指标的评价集，采用5级百分制评价把评价集V划分5个评价等级，即V＝{v1，v2，v3，v4，v5}＝{小，较小，中等，较大，大}，其中为v1超标小，评分区间为80～100，中值为90；v2为超标较小，评分区间为60～80，中值为70；依此类推；选择各区间的中值作为等级的参数，则5个等级所对应的参数为{90，70，50，30，10}，参数列向量为V＝{90，70，50，30，10}T；建立权重集：(1)建立递阶层次结构：根据建立的评价指标体系，将问题所包含的各因素分为四个层次：第一层是评价的总目标层G，即在役压力容器综合安全；第二层是准则层C，即缺陷，重要部件，材质和内部环境；最后将个具体指标作为第三层，即指标层P；(2)构造两两比较判断矩阵：根据标度法逐层对各个要素两两之间进行重要性程度赋值，构造判断矩阵U＝(uij)n×n，其中uij表示因素ui和uj相对于准则层的重要值，矩阵U具有性质：uii＝1,uij＝1/uji,i,j＝1,2,…,n，得出判断矩阵：将矩阵X1～X5按列归一化，即：计算出矩阵Y为：(3)单一准则下元素相对权重的计算：将Y矩阵按行相加，由公式得出：W1＝(2.652 0.686 0.253 0.409)TW2＝(1 1)TW3＝(1.273 0.371 0.221 2.135)TW4＝(1.9 0.319 0.781)TW5＝(2.121 0.604 0.275)T将得到的和向量进行归一化处理，由公式可得权向量：(4)判断矩阵的一致性检验：计算判断矩阵的最大特征根λmax，由公式计算得出:根据公式进行一致性检验，得到：CI1＝0.019CI2＝0CI3＝0.031CI4＝0.020CI5＝0.048由公式得：CR1＝0.022CR2＝0CR3＝0.035CR4＝0.038CR5＝0.092CR＜0.1，均满足一致性要求，因此各因素的相对权重隶属度计算：使用频数统计法，对被评价的各项指标按评价集对超标的程度进行评级，得到因素集的隶属度；确定评判隶属矩阵：由得到第k个因素集的相对隶属度矩阵：其中：式中：Rk—第k个因素集的相对隶属度矩阵；rkij—第k个因素集的第i个因素属于评价集中的j的隶属度；pkij—组成员对第k个因素集的第i个因素指标评级为j的频数；构造模糊评判矩阵：由各指标的权向量和矩阵R，可构造模糊评判矩阵B，计算综合评判结果：由模糊评判矩阵B和评价集的参数列向量，可求得综合评判结果Z；Z＝B·V得到模糊综合评价的结果，再根据评价等级规定，评定在超标大小，进行报警提示；太阳能供电模块，与监测数据采集模块、监测数据处理模块连接，用于通过太阳能电池板将太阳能转化为电能给监测系统进行持久供电。