危房智能監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)研發(fā)

魏世玉，江君

(1.重慶市地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心；2. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；3.重慶華地工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 400042)

危房智能監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)研發(fā)

魏世玉1,2,3，江君1,2,3

(1.重慶市地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心；2. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；3.重慶華地工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 400042)

基于磁致伸縮位移傳感、傾角傳感以及無(wú)線通訊技術(shù)，研發(fā)無(wú)人值守式危房智能監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)，可同時(shí)觀測(cè)房屋裂縫寬度及結(jié)構(gòu)整體傾斜變化，具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送、本地存儲(chǔ)、超限報(bào)警功能。選取重慶市奉節(jié)縣某危房進(jìn)行應(yīng)用示范，結(jié)果表明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)；靈敏度較高、精度滿足工程實(shí)踐需求；通過遠(yuǎn)程平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了危房監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化。

智能；監(jiān)測(cè)；裂縫；傾斜

目前，我國(guó)現(xiàn)存大批超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的老舊房屋，全國(guó)大約 1/3的住宅安全儲(chǔ)備不足，奉節(jié)“樓裂裂”、富陽(yáng)的“樓倒倒”等類似事件時(shí)有出現(xiàn)。為保障廣大住戶的生命財(cái)產(chǎn)安全，加強(qiáng)房屋住用安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)管顯得尤為迫切。現(xiàn)有對(duì)建筑物進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估的方法中，主要采用傳統(tǒng)的全站儀、水準(zhǔn)儀、千分表等人工方法來(lái)觀察測(cè)量建筑物的變形、位移、沉降、傾斜等，受人為因素影響誤差較大。此外，還可以通過 GPS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的絕對(duì)位移觀測(cè)。

1 技術(shù)路線

危房智能監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)主要包含前端傳感、中層傳輸、頂層展示三部分，通過磁致伸縮位移傳感及傾角傳感技術(shù)研究，無(wú)線采發(fā)及通訊技術(shù)研究，監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)開發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

2 傳感技術(shù)研究

2.1 磁致伸縮位移傳感

基于磁致伸縮原理而設(shè)計(jì)的新型智能化位移傳感器，通過內(nèi)部非接觸式的測(cè)控技術(shù)精確檢測(cè)活動(dòng)磁環(huán)的絕對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)測(cè)量被測(cè)體的實(shí)際位移值，具有高精度、有效傳遞距離遠(yuǎn)、非接觸式、可靠性高且適應(yīng)于惡劣環(huán)境等特點(diǎn)。磁致伸縮位移傳感器基本結(jié)構(gòu)是由信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、波導(dǎo)管、磁致伸縮波導(dǎo)絲以及內(nèi)含磁鐵的浮子組成，在某些位移傳感器中，浮子用磁環(huán)代替。工作時(shí)，傳感頭中的脈沖發(fā)生器首先在磁致伸縮波導(dǎo)絲上施加一個(gè)電脈沖信號(hào)，根據(jù)電磁場(chǎng)理論，此電脈沖同時(shí)伴隨一個(gè)環(huán)型磁場(chǎng)以光速沿磁致伸縮波導(dǎo)絲向下傳遞。當(dāng)該環(huán)形磁場(chǎng)遇到浮子中磁鐵產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)時(shí)，將與之進(jìn)行矢量疊加，形成一個(gè)螺旋形的磁場(chǎng)。當(dāng)磁致伸縮材料所處的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，磁致伸縮材料本身的物理尺寸也會(huì)跟著發(fā)生變化。因此當(dāng)合成磁場(chǎng)發(fā)生變化形成螺旋形磁場(chǎng)時(shí)，磁致伸縮波導(dǎo)絲會(huì)產(chǎn)生伸縮變形，而沿螺旋形磁場(chǎng)的伸縮將導(dǎo)致波導(dǎo)絲產(chǎn)生扭曲形變，從而激發(fā)扭轉(zhuǎn)波。

2.2 傾角傳感

隨著 MEMS技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在近年來(lái)成為最成功，應(yīng)用最廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一，而 微加速度 計(jì)（micro-accelerometer）就 是慣性傳 感器件的杰出代表。作為最成熟的慣性傳感器應(yīng)用，現(xiàn)在的 MEMS 加速度計(jì)有非常高的集成度，即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個(gè)芯片上。傾角傳感器高度集成MCU、MEMS加速度計(jì)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、通訊單元實(shí)現(xiàn)雙軸傾斜觀測(cè)。該傳感器特點(diǎn)是：硅微機(jī)械傳感器測(cè)量 (MEMS)以水平面為參面的雙軸傾角變化，輸出角度以水準(zhǔn)面為參考，基準(zhǔn)面可被再次校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)方式輸出，接口形式包括 RS232、RS485和可定制等多種方式?？雇饨珉姶鸥蓴_能力強(qiáng)。

3 通訊技術(shù)研究

根據(jù)危房自動(dòng)化監(jiān)測(cè)特性，遠(yuǎn)程通訊模組應(yīng)具備安全性、可靠性以及低功耗特性，經(jīng)過廣泛的市場(chǎng)調(diào)研，研究決定選用中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司研發(fā)的 M6310物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)通訊模組。M6310模塊，是一款工業(yè)級(jí)的兩頻段GSM/GPRS無(wú)線模塊，其工作頻段是：GSM900MHz和 DCS1800MHz，M6310提 供 GPRS數(shù) 傳，GSM 短信 業(yè) 務(wù)， 并 支 持 GPRS multi-slot class1~12（ 默 認(rèn) 為class12）、GPRS編 碼 格 式 CS-1、CS-2、CS-3和CS-4。該模塊采用了低功耗技術(shù)，電流功耗在睡眠模式 DRX=5下，低至 1.3mA。

4 危房智能監(jiān)測(cè)傳感設(shè)備集成

設(shè)備研發(fā)集成了磁致伸縮位移傳感、傾角傳感以及無(wú)線通訊技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守式永久測(cè)量，如圖2所示。可同時(shí)測(cè)量雙軸傾斜、裂縫寬度變化；內(nèi)置 GSM/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，機(jī)身具有 16M數(shù)據(jù)存儲(chǔ) FLASH，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)及定時(shí)無(wú)線發(fā)送功能；超低功耗設(shè)計(jì)，使用標(biāo)準(zhǔn) 7號(hào)電池供電連續(xù)工作 1年；內(nèi)置 GPS，數(shù)據(jù)包中包含坐標(biāo)信息；藍(lán)牙功能，結(jié)合手機(jī) APP實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、歷史數(shù)據(jù)讀取。

圖2 危房監(jiān)測(cè)專用傳感設(shè)備

5 數(shù)據(jù)分析與展示

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解譯、監(jiān)測(cè)成果分析與表達(dá)以及數(shù)據(jù)分析，編制監(jiān)測(cè)設(shè)備遠(yuǎn)程管理及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析軟件。

5.1 原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解譯

由于傳感器輸出數(shù)據(jù)為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，所以數(shù)據(jù)接收端須具備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解譯基本功能，項(xiàng)目通過對(duì)傳感器輸出數(shù)據(jù)格式進(jìn)行研究，編制相應(yīng)數(shù)據(jù)解譯模塊，最終得到直觀的十進(jìn)制觀測(cè)數(shù)據(jù)。解析功能集成于現(xiàn)場(chǎng)采發(fā)端，主要是將光電信號(hào)解析為可識(shí)別的物理量，其基本思路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)解譯基本思路

5.2 監(jiān)測(cè)成果分析及數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為固有的時(shí)間序列，為反映真實(shí)的變形情況，研究監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)粗差剔除、系統(tǒng)誤差改正以及偶然誤差平滑降噪的實(shí)用性方法，最終以觀測(cè)成果為數(shù)據(jù)源在時(shí)間域尺度上繪制變形過程線，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析方法預(yù)測(cè)變形趨勢(shì)，基于此可較直觀的反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，同時(shí)更有助于對(duì)變形模式和穩(wěn)定性趨勢(shì)的判斷。通過數(shù)據(jù)分析法進(jìn)行預(yù)測(cè)有兩種方法，包括多項(xiàng)式擬合和移動(dòng)平均法，得到變化曲線。

6 應(yīng)用實(shí)例

6.1 工程概況

重慶市奉節(jié)縣永安鎮(zhèn)某危房為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，分三個(gè)單元，共有 10層，現(xiàn)有居民 90戶400余人，門面 4間，總建筑面積約 7400m2，變形區(qū)域長(zhǎng)約 149m，寬約 56m，坡頂高程 297～ 299m，坡底高程214～ 221m，相對(duì)高差約 80m。房屋位于斜坡坡頂。變形特征主要表現(xiàn)為斜坡坡頂?shù)牡乇碜冃闻c房屋開裂。自 2013年 11月以來(lái)，該住宅樓各樓層地面和墻體均出現(xiàn)不同程度的開裂，并導(dǎo)致防盜門無(wú)法關(guān)閉，嚴(yán)重影響了居民的正常生活，威脅到居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。選取位于臨空面法向方向的 LF01號(hào)墻體裂縫進(jìn)行應(yīng)用示范，將危房智能監(jiān)測(cè)傳感設(shè)備主機(jī)安裝于墻體裂縫一側(cè)，將拉線環(huán)套在鉚釘上固定于裂縫另一側(cè)。數(shù)據(jù)采集周期為每3天一次。

6.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

經(jīng)過 3個(gè)月的應(yīng)用示范，得到 LF01號(hào)裂縫變形過程線如圖4所示，房屋傾斜過程線如圖5所示。由圖可知，LF01號(hào)裂縫在觀測(cè)期間，裂縫寬度呈現(xiàn)間斷性增大的趨勢(shì)，累計(jì)變化量最大達(dá)到 5.91mm。此外，房屋有向臨空面發(fā)生傾斜的趨勢(shì)，但變形較為緩慢，其絕對(duì)傾斜變化量為 19.43mm，傾角變化值為 6.97＂ ,目前二者均表現(xiàn)收斂趨勢(shì)。

圖4 LF01裂縫變形過程線

圖5 房屋傾斜過程線

7 結(jié)語(yǔ)

通過應(yīng)用示范得出如下結(jié)論：（1）監(jiān)測(cè)期間數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，說(shuō)明設(shè)備野外環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，通訊功能較可靠。（2）位移觀測(cè)精度優(yōu)于 0.2mm，房屋傾斜觀測(cè)精度優(yōu)于 0.001°，滿足工程監(jiān)測(cè)實(shí)踐的需求。（3）監(jiān)測(cè)期間設(shè)備能捕捉到實(shí)際微變形情況，說(shuō)明設(shè)備觀測(cè)靈敏度較好。（4）通過遠(yuǎn)程平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化，同時(shí)說(shuō)明軟件解算算法是可靠的。

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[2] 張永紅 .淺談城市危房的安全監(jiān)測(cè) [J].江西測(cè)繪 , 2013(2):45-46.

TP212.6

A

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