基于地震预警的空间钢结构振动响应捕捉监测系统

技术领域

本发明涉及建筑钢结构监测技术领域，尤其涉及一种大跨度空间钢结构地震预警及振动响应监测系统。

背景技术

普通民众和业主都非常关心在地震灾害下的建筑物损伤情况，尤其对于人员密集的大跨度空间结构场景，一旦发生强震而未及时疏散人群，后果将不堪设想。这使得大跨度空间钢结构地震预警系统的需求越来越强烈。此外，由于地震运动发生的随机性和大跨度空间钢结构的内部构件众多而导致通信线路障碍的特点，这对建立一套地震识别精度高、数据传输稳定、响应捕捉时效性好的地震预警和结构响应捕捉系统具有很大的挑战。然而，随着监测技术的不断发展，该系统的建成不仅可以保障普通民众人身安全，即在强震发生前捕捉到地震消息，发布地震预警信息和提前疏散群众，而且它也服务于建筑物本身，对记录到的结构振动响应与地震波输入进行分析，为强震过后的建筑物安全性和耐久性的科学评估提供重要数据支撑。因此，对大跨度空间钢结构进行长期、有效的地震预警及振动响应监测系统是一项重要的、系统性工程。

目前建筑物地震预警监测系统主要技术特征为基于综合阈值判断的P波拾取方法，该方法虽然技术成熟，但是该方法经常会引起误触发问题。而且，传统系统都通过在建筑物上布设有线数据传输网络，这不能适用于大跨度空间钢结构应用场景。

公开号为CN203038429U的中国专利文献公开了一种高层地震监测预警装置，该装置通过集成传感记录单元、工业控制计算机和报警箱，对高层建筑地震过程中的响应进行分析与评估。

公开号为CN101988968A的中国专利公开了一种基于无线网络的地震监测系统及实现方法，该方法利用GPS进行授时与定位各地震监测测点，并将各测点捕捉到的地震信息通过3G无线通信网络汇总至控制中心。

现有的建筑地震监测系统依赖于P波拾取精度，通常采用阈值触发作为触发条件，并通过线缆连接各地震监测测点，进行数据汇总，这种工作方式仅适用于布线方便的建筑物。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于地震预警的空间结构振动响应捕捉监测系统，既能监听场地区域的地震动信息，也能监测上部结构在地震持续期间的结构振动响应，且能保障数据的时效性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于地震预警的空间结构振动响应捕捉监测系统，包括布置于空间钢结构基础底部的地震预警监测仪、拾震器、计算机工作基站以及固定钢结构层表面上的无线振动加速度传感器。所述的地震预警监测仪通过内部的通讯模块与拾震器进行数据交互，控制拾震器采集振动信息，并将监测到的地震触发信息通过无线通讯向计算机工作基站发送地震触发信号；所述的计算机工作基站接收到地震触发信号后，控制无线加速度传感器进行结构振动数据采集、记录和回传。

进一步地，所述拾振器需布设在靠近建筑物基础底部或基础底部周边安静处环境的土体内。

进一步地，所述的拾震器包括封装了铝合金保护外壳的授时模块及三通道高精度MEMS加速度计。

进一步地，所述的拾震器不少于四个，其中拾震器与地震预警监测仪通过数字光纤数据线连接，所有的拾振器将组成一个地震监测阵列；若所有拾震器均被地震信号触发，则判定为一次地震事件，地震预警监测仪向计算机工作基站发送地震触发信号。所述的拾震器通过保护外壳底部的固定螺栓孔与空间钢结构底部的混凝土板固定连接；拾震器分散布置在建筑物底部不同的位置；保护外壳用于保护内部元器件与外部环境隔离，并满足防水防尘要求。

进一步地，所述的地震预警监测仪包括供电模块、动态控制存储单元、地震信号处理模块、通讯模块和备用电池组，所述供电模块连接220V市电，备用电池组提供由于断电后的备用供电；动态控制存储单元用于动态存储振动信号，并控制拾震器按指定采样频率不间断地采集，若判断是存在地震信号，则立即对触发时刻后的地震动数据进行存储，并向计算机工作基站发送地震触发讯息；地震信号处理模块会对地震监测阵列中多个通道的振动时程信号进行分析，判断是否存在地震触发。具体地，根据地震信号识别领域内(P波拾取算法)的STA-LTA方法来判断是否发生地震；通讯模块封装于地震预警监测仪的保护壳内部，通过基于TCP/IP及UDP协议的通讯件向计算机工作基站发送地震触发信号。

进一步地，所述的计算机工作基站包括中央控制模块、存储模块、供电模块、4G通信模块，其中的存储模块、供电模块、4G通信模块均与中央控制模块相连接。所述的中央控制模块可以对空间钢结构表面上的无线加速度传感器下达数据采集、记录、回传等命令。存储模块用于存储由无线振动加速度传感器采集回来的空间钢结构振动数据。

进一步地，所述的无线加速度传感器通过磁铁或环箍件固定于空间钢结构受力杆件上，适用不同结构材质的快速拆装；所述的无线振动加速度传感器由加速度传感器、数据采集模块、4G移动通信控制模块、动态存储模块、太阳能收集模块以及锂电池组组成；所述4G移动通信控制模块主要由中央处理模块、无线通讯、串口总线、时钟模块组成。其中，4G移动通信控制模块负责控制无线振动传感器的工作状态，其中主要工作状态包括休眠待机，采集数据，数据回传；所述的动态存储模块用于临时存储空间钢结构振动数据。所述的太阳能收集模块用于回收太阳能量进行无线加速度传感器内部锂电池的供电续航，便于长期监测，所述锂电池组用于给无线振动加速度传感器供电。

本发明的有益效果：

1、本发明的基于地震预警的空间结构振动响应捕捉监测系统，融合了有线通讯的地震预警机制与无线的响应采集机制，采用了各自通讯机制优势，地震预警系统实现了信号监听的实时传输、存储、分析，上部响应系统可以进行长距离自动化采集，不受线缆长度的限制，安装方便，且能保持低功耗、长期服役。

2、本发明提出系统布设方式，只需要一步安装到位，降低了反复维护成本；上部无线加速度传感器可以根据需求移动到指定目标点位，安装拆卸方便。

3、本发明提出的基于地震预警的空间结构振动响应捕捉监测系统，可通过结合多测点振动情况判断地震来临，以达到地震预警目的。

附图说明

图1为本发明基于地震预警的空间钢结构振动响应捕捉监测系统的原理示意图；

图2为本发明中基于STA-LTA方法的地震事件判断流程框图；

图3为本发明中P波拾震器整体结构示意图；

图4为本发明中地震信号记录分析仪的整体结构示意图；

图5为本发明中无线振动加速度传感器的结构示意图及安装方式。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

本发明提供了一种基于地震预警的空间结构振动响应捕捉监测系统，包括布置于空间钢结构基础底部的地震预警监测仪、拾震器、计算机工作基站以及固定钢结构层表面上的无线振动加速度传感器。所述拾振器需布设在靠近建筑物基础底部或基础底部周边安静处环境的土体内。所述的地震预警监测仪通过内部的通讯模块与拾震器进行数据交互，控制拾震器采集振动信息，并将监测到的地震触发信息通过无线通讯向计算机工作基站发送地震触发信号；所述的计算机工作基站接收到地震触发信号后，控制无线加速度传感器进行结构振动数据采集、记录和回传。

所述的拾震器包括封装了铝合金保护外壳的授时模块及三通道高精度MEMS加速度计。拾震器不少于四个，其中拾震器与地震预警监测仪通过数字光纤数据线连接，所有的拾振器将组成一个地震监测阵列；能监听传递到建筑物底部振动信号。数量满足最低要求就可大幅减小误触发概率。若所有拾震器均被地震信号触发，则判定为一次地震事件，地震预警监测仪向计算机工作基站发送地震触发信号。所述的拾震器通过保护外壳底部的固定螺栓孔与空间钢结构底部的混凝土板固定连接；拾震器分散布置在建筑物底部不同的位置；拾震器可以通过顶部防水防尘接口连入数据传输线至耐压壳体内部，壳体底部通过膨胀螺丝与基础混凝土板固定连接。保护外壳用于保护内部元器件与外部环境隔离，并满足防水防尘要求。

所述的地震预警监测仪包括供电模块、动态控制存储单元、地震信号处理模块、通讯模块和备用电池组，所述供电模块连接220V市电，，若发生市电供电系统故障，设备会自动切换备用供电进行供电，并维持至少24小时工作，以保证维护之前的数据采集连贯性；动态控制存储单元用于动态存储振动信号，并控制拾震器按指定采样频率不间断地采集，若判断是存在地震信号，则立即对触发时刻后的地震动数据进行存储，并向计算机工作基站发送地震触发讯息；地震信号处理模块会对地震监测阵列中多个通道的振动时程信号进行分析，判断是否存在地震触发。具体地，根据地震信号识别领域内(P波拾取算法)的STA-LTA方法来判断是否发生地震；通讯模块封装于地震预警监测仪的保护壳内部，通过基于TCP/IP及UDP协议的通讯件向计算机工作基站发送地震触发信号。

所述的计算机工作基站包括中央控制模块、存储模块、供电模块、4G通信模块，其中的存储模块、供电模块、4G通信模块均与中央控制模块相连接。所述的中央控制模块可以对空间钢结构表面上的无线加速度传感器下达数据采集、记录、回传等命令。存储模块用于存储由无线振动加速度传感器采集回来的空间钢结构振动数据。

所述的无线加速度传感器通过磁铁或环箍件固定于空间钢结构受力杆件上，适用不同结构材质的快速拆装；所述的无线振动加速度传感器包括两台MEMS加速度传感器与无线通讯采集盒；所述的无线加速度传感器采集盒通过布设在保护壳上表面的太阳电池板将太阳辐射能力转化为电能，并与保护壳内部的电池组进行连接，用于持续补给电量；所述的无线加速度传感器采集盒内部包括数据采集模块、4G通信控制模块、动态存储、太阳能供电模块及锂电池组；所述4G移动通信控制模块主要由中央处理模块、无线通讯、串口总线、时钟模块组成。其中，4G移动通信控制模块负责控制无线振动传感器的工作状态，其中主要工作状态包括休眠待机，采集数据，数据回传；所述的无线振动加速度传感器与计算机工作基站通过无线传感网络拓扑连接，数据传输、回传等命令通过4G无线通讯网络下达。所述的动态存储模块用于临时存储空间钢结构振动数据。所述的太阳能收集模块用于回收太阳能量进行无线加速度传感器内部锂电池的供电续航，便于长期监测，所述锂电池组用于给无线振动加速度传感器供电。所述的无线加速度传感器在收到采集命令之后，会自动进行结构响应数据采集，采集完的数据自动保存于本地动态存储内，数据经过压缩后会依次回传至计算机工作基站，并在完成任务后主动休眠以节约能耗。

本发明的一个具体实施例如下：

如图1所示，一种基于地震预警的空间结构振动响应捕捉监测系统，包括一个地震预警监测记录仪1、P波拾震器2、一个计算机工作基站3以及若干个无线振动加速度传感器4。

地震监测记录仪1和四个P波拾震器2布置在结构基础底部，计算机工作基站3布置在结构底层或靠近底部位置；P波拾震器2负责接收地震波信号，通过地震预警监测仪1判断地震波信息。

如图2所示，基于STA-LTA方法的地震事件判断流程框图，通过长短时窗比法(STA-LTA)综合判断地震触发事件，通过计算每个拾震器内部加速度传感器三个方向的振动时程信息的滑动短时窗均值(STA)和滑动长时窗均值(LTA)的比值是否超过阈值来综合判断P波事件。

其中，Y(n)为任意一向地震信号数据，N，M分别为短期时窗和长期时窗采样点数，R为长短时窗比值，i为采样序号。N，M可分别取2秒与60秒采样量数据，阈值取5，即短时窗信号幅值强度大于五倍长时窗信号强度幅值时刻即判定为一地震事件。

图2中，t

若所有拾震器均被地震信号触发，则判定为一次地震事件，当首次满足地震触发条件，即所有通道的长短时窗比值都超过设定阈值时，保存触发时刻之前时长为t

如图3所示，P波拾震器由连接了防水防尘接口5的保护外壳、以及动态存储单元6、保护壳内的MEMS加速度传感器7、锂电池组8与控制单元9组成，并通过底部预设孔10与基础底面混凝土板连接。

如图4所示，地震预警监测仪由锂电池组11，动态控制存储单元12，水平固定底座13，信号分析及处理模块14，TCP/IP及UDP通讯件15，市电开关16及八个拾震器连接口17组成。其中信号分析及处理模块用于分析处理拾震器拾取的地震信号，通讯件用于与计算机工作基站进行数据交互，八个拾震器连接开关位于分析仪的正面正下方。数据在经过一段时间后会被新数据覆盖用于减少存储空间。

如图5所示，所述的无线通讯采集盒内部包括数据采集模块19、太阳能收集板20、数据采集模块21及锂电池组22组成；通过侧边的收发天线18与计算机基站进行通信，执行基站下达的采集，回传，休眠命令。非工作状态时，无线通讯采集盒处于休眠状态已减少功耗，并通过太阳能收集板进行电能补给。工作状态时，首先清除动态存储内存，接着把结构响应振动数据保存至动态存储空间，经过数据压缩，依次打包发送至基站后，完成采集任务。此外，通过强力磁铁23连接加速度计底部与被监测钢结构表面。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。