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CN110166973A - 一种基于nb-iot技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统 - Google Patents

一种基于nb-iot技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统 Download PDF

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CN110166973A CN201910459023.1A CN201910459023A CN110166973A CN 110166973 A CN110166973 A CN 110166973A CN 201910459023 A CN201910459023 A CN 201910459023A CN 110166973 A CN110166973 A CN 110166973A
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王宇波
黄春
王竞超
刘诗楠
刘猛
孙佳佳
蔺宏远
张安山
邢泽众
刘習美
李文杰
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Beijing University of Technology
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Beijing University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种基于NB‑IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，包括传感器系统、汇聚节点、移动数据采集基站、中央服务器四部分。本发明利用低功率广域物联网(LPWAN)中NB‑IOT技术和边缘算法进行超高层施工过程结构健康监测数据的收集、传输、分析、预警，解决监测时因施工过程导致的线路损坏，因超高层监测数据较多而造成缺失的问题；利用传感器采集的原始三轴数据进行数据特征工程处理，选择经由数据特征化处理后的三轴数据进行取值运算；根据获得的运算值通过边缘计算，输出一个预判结果，并筛选出特征数据一起打包上传中央服务器，将边缘计算的输出结果与中央服务器处理有限元分析结果结合，完成结构实时预警，实现整体的最优判断。

Description

一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康 智能监测系统
技术领域
本发明涉及到超高层结构施工过程监测领域，具体而言，是一种NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统。
背景技术
随着经济的发展，我国超高层建筑项目不断增加，且设计高度不断提高。超高层项目结构形式较为复杂，施工过程中的结构受力特性与施工完成后结构的受力特性有所差异，施工难度较大，施工周期较长，在施工过程中容易发生安全事故，因此进行超高层施工过程结构健康监测是非常有必要的，因此施工过程监测成为土木工程学科研究和发展的重要领域。
NB-IOT技术是一种新型的物联网技术，在本技术中，NB-IOT网络作为低功耗广域网(LPWAN)的一种类型，可使终端设备以低功耗无线传输和接收数据，相比其他GPRS/4G等数据传输方式，其具备传输距离较远，穿墙能力强，使用时耗能较少的特性因此引起了广泛的关注。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有超高层施工过程结构健康监测时，传感器数据采集模块耗电量大，以及传感器线路在施工时容易被破坏的问题，从而有效的解决超高层施工过程监测数据采集时消耗电量大，线路破坏等问题，做到监测数据实时、精准的采集、传送以及分析、预警。
为达到上述目的本发明提供一种以NB-IOT网络为基础的超高层施工过程结构健康监测系统，该系统包括传感器系统、汇聚节点、移动数据采集基站和中央服务器四部分。其中，传感器系统通过不同种类的传感器监测超高层结构的相关物理信息数据，并且能够将相关物理信息数据通过NB-IOT网络实时的传送到汇聚节点，汇聚节点通过NB-IOT网络实施的传递给移动数据采集基站，移动数据采集基站连接到本地网络从而将相关物理信息数据传送给中央服务器。
本发明中，所述NB-IOT网络采用Chirp扩频技术，扩频因子SF12。Chirp扩频技术的抗多普勒频移能力较强，有效的抗深度衰弱，从而增加数据无线的传递距离。
本发明中，所述传感器系统按照采集的物理信息类型分为两大类分别为结构荷载监测传感器和结构应力应变实时状态传感器。其中，结构荷载监测传感器包括风速风压传感器、温度传感器和地震荷载传感器。结构实时力学状态传感器包括包括应力应变传感器和加速度传感器。
本发明中，所述传感器系统中各中各类传感器具有传感器节点，从而将采集的相关物理信息数据通过NB-IOT网络发送到汇聚节点。
本发明中，所述汇聚节点接收来自各个类型的传感器采集的相关物理信息数据，并且发送到移动数据采集基站。发送到移动数据采集基站的传输方式通过NB-IOT网络进行。
本发明中，所述移动数据采集基站实质上为NB-IOT网络的网关，其工作机制为当网关收到NB-IOT帧时，使用相关协议对NB-IOT帧进行编码，并将其与其他参数结合在JavaScript对象符号(JSON)结构中，随后，这个JSON数据包被转发到中央服务器即传感器采集的监测数据被传输到中央服务器中。
本发明中，所述中央处理器包括数据接收模块、数据库模块、结构预警模块。
本发明中，所述数据接收模块能够接收来自移动数据采集采集基站的监测数据，接收时需要连入网络，其实现方式为通过无线wifi或有线网线连接到本地网络。
本发明中，所述数据库模块能够进行所有来自采集基站的监测数据的存储以及处理。并且通过数据库模块，基于web端的管理系统获取并且查询数据分析结果。查询的结果以传感器监测的数据类型进行分类查询，包括结构荷载监测数据以及结构实时力学状态数据。结构荷载监测数据包括风速风压、温度以及地震荷载。结构实时力学状态数据包括应力应变和结构动力性能。
本发明中，所述结构预警模块能够接收实时的监测数据，设置超高层结构施工时结构状态的阈值。阈值类型包括监测点的风速风压、温度以及若发生地震时的地震荷载还有结构关键部位的应力应变、整体结构的动力性能。当实时的监测数据超过设计的阈值后实现自动报警。报警方式通过发送分析报告到制定的用户邮箱中，也能够在手机app和平板电脑端查看预警报告，分析报告中具有出现异常的结构位置，以及实时的监测数据，从而指导现场施工人员进行查看并采取解决措施，避免施工过程中出现安全事故。
本发明的有益结果为：利用低功率广域物联网(LPWAN)中NB-IOT网络进行超高层施工过程中监测数据的收集、传输、分析、预警，从而实现自动、实时的超高施工过程监测，以及安全控制；利用低功率广域物联网中NB-IOT网络进行数据的收集以及传输，极大的节省监测时的能耗，避免因供电不足导致的采集模块无法正常工作，相关监测数据无法传送的问题；实现零有线的超高层施工过程监测，解决监测时因施工过程导致的线路损坏，监测数据缺失的问题；实现自动、实时的超高施工过程监测。
本发明的有益结果为，利用边缘计算进行数据预处理，避免超高层结构监测数据种类和数量的问题，利用传感器采集的原始三轴数据进行数据特征工程处理，选择经由数据特征化处理后的三轴数据进行取值运算；根据获得的运算值通过边缘计算，输出一个预判结果，并筛选出特征数据一起打包上传中央服务器，将边缘计算的输出结果与中央服务器处理有限元分析结果结合，完成结构实时预警，实现整体的最优判断。
附图说明
图1为本发明利用NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统示意图。
附图标记说明：
T--结构荷载监测传感器、结构实时力学状态传感器；HN--汇聚节点；BS--移动数据采集基站
具体实施方式
如图1所示在超高层施工时，将不同类型的传感器布设到相应的测点上，传感器类型包括结构荷载监测传感器、结构实时力学状态传感器。其中结构荷载监测传感器包括风速风压传感器、温度传感器、地震荷载传感器。结构实时力学状态传感器包括包括应力应变传感器、加速度传感器。并且每种传感器中需要具备传感器节点，功能为将采集的数据通过NB-IOT网络发送到汇聚节点。
汇聚节点接收来自各个类型的传感器采集的数据，并且发送到移动数据采集基站。传输方式为NB-IOT网络。
移动数据采集基站为数据网关，其工作机制为当网关收到NB-IOT帧时，使用相关协议对NB-IOT帧进行编码，并将其与其他参数结合在JavaScript对象符号(JSON)结构中，随后，这个JSON数据包被转发到中央服务器即传感器采集的监测数据被传输到中央服务器中。中央服务器通过wifi、4G或者连接网线的方式，连入本地网络，从而接收来自移动数据采集基站的监测数据，实现数据接收功能。
中央处理器还具有数据库模块、结构预警模块。通过过数据库模块，基于web端的管理系统可以根据获取并且查询数据分析结果。查询的结果以传感器监测的数据类型进行分类查询，包括结构荷载监测数据以及结构实时力学状态数据。其中结构荷载监测数据包括风速风压、温度以及地震荷载。结构实时力学状态数据包括应力应变、结构动力性能。
通过结构预警模块可以接收实时的接收监测数据，结构预警模块进行数据处理时，利用传感器采集的原始三轴数据进行数据特征工程处理，选择经由数据特征化处理后的三轴数据进行取值运算；根据获得的运算值通过边缘计算，输出一个预判结果，并筛选出特征数据一起打包上传中央服务器，将边缘计算的输出结果与中央服务器处理有限元分析结果结合，完成结构实时预警，实现整体的最优判断。报警方式通过发送分析报告到制定的用户邮箱中。也可在手机app和智能平板端查看预警报告，分析报告中具有出现异常的结构位置，以及实时的监测数据，从而指导现场施工人员进行查看并采取解决方法，保障施工过程中超高层结构的安全。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，其特征在于：该系统包括传感器系统、汇聚节点、移动数据采集基站和中央服务器四部分；其中，传感器系统通过不同种类的传感器监测超高层结构的相关物理信息数据，并且能够将相关物理信息数据通过NB-IOT网络实时的传送到汇聚节点，汇聚节点通过NB-IOT网络实施的传递给移动数据采集基站，移动数据采集基站连接到本地网络从而将相关物理信息数据传送给中央服务器。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，其特征在于：所述NB-IOT网络采用Chirp扩频技术，扩频因子SF12；Chirp扩频技术的抗多普勒频移能力较强，有效的抗深度衰弱，从而增加数据无线的传递距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，其特征在于：所述传感器系统按照采集的物理信息类型分为两大类分别为结构荷载监测传感器和结构应力应变实时状态传感器；其中，结构荷载监测传感器包括风速风压传感器、温度传感器和地震荷载传感器；结构实时力学状态传感器包括包括应力应变传感器和加速度传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，其特征在于：所述传感器系统中各中各类传感器具有传感器节点，从而将采集的相关物理信息数据通过NB-IOT网络发送到汇聚节点。
5.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，其特征在于：所述汇聚节点接收来自各个类型的传感器采集的相关物理信息数据，并且发送到移动数据采集基站；发送到移动数据采集基站的传输方式通过NB-IOT网络进行。
6.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，其特征在于：所述移动数据采集基站实质上为NB-IOT网络的网关，其工作机制为当网关收到NB-IOT帧时，使用相关协议对NB-IOT帧进行编码，并将其与其他参数结合在JavaScript对象符号(JSON)结构中，随后，这个JSON数据包被转发到中央服务器即传感器采集的监测数据被传输到中央服务器中。
7.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，其特征在于：所述中央处理器包括数据接收模块、数据库模块、结构预警模块。
8.根据权利要求7所述的一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，其特征在于：所述数据接收模块能够接收来自移动数据采集采集基站的监测数据，接收时需要连入网络，其实现方式为通过无线wifi或有线网线连接到本地网络。
9.根据权利要求7所述的一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，其特征在于：所述数据库模块能够进行所有来自采集基站的监测数据的存储以及处理；并且通过数据库模块，基于web端的管理系统获取并且查询数据分析结果；查询的结果以传感器监测的数据类型进行分类查询，包括结构荷载监测数据以及结构实时力学状态数据；结构荷载监测数据包括风速风压、温度以及地震荷载；结构实时力学状态数据包括应力应变和结构动力性能。
10.根据权利要求7所述的一种基于NB-IOT技术和边缘计算的超高层施工过程结构健康智能监测系统，其特征在于：所述结构预警模块能够接收实时的监测数据，设置超高层结构施工时结构状态的阈值；阈值类型包括监测点的风速风压、温度以及若发生地震时的地震荷载还有结构关键部位的应力应变、整体结构的动力性能；当实时的监测数据超过设计的阈值后实现自动报警；报警方式通过发送分析报告到制定的用户邮箱中，也能够在手机app和平板电脑端查看预警报告，分析报告中具有出现异常的结构位置，以及实时的监测数据，从而指导现场施工人员进行查看并采取解决措施，避免施工过程中出现安全事故。
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