专利名称：结构健康监测和信息管理系统及其方法
技术领域：
本发明涉及桥梁等建筑结构的结构健康监测领域，特别涉及一种结构健康监测和信息管理系统及其方法。
背景技术：
桥梁、大坝等重大工程的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下会引发灾难性的突发事故。因此，为了保障上述重大工程的结构的健康，即安全性、完整性、适用性与耐久性，需监测和评定其健康状况，即服役安全状况。
监测上述重大工程的结构，包括对结构的力学性能、材料性能、几何属性、内部结构体系和环境状态的改变进行监测。从现场采集的数据包括结构的不同测点处的位移、应变、加速度和环境激励等数据，且数据量随时间的变化不断增加，而可称之为“海量数据”。
另外，在实际工程中，传感器数量受经济性限制不可能太多，因此，测点布置(传感器布置)应使传感器获得的测试数据包含尽可能多的结构整体的和局部的信息，且这些测点信息对于损伤应是足够敏感的。所以，如何使测点布置最优化具有重要意义。
在传感器获得能表征这些改变的海量实时监测数据后，以及如何使用这些海量数据来监测结构是否发生了损伤、何时发生损伤以及进一步去分析结构中的损伤位置和损伤程度也是传统的结构健康监测系统亟待解决的问题。
综上，传统的结构健康监测系统的测点布置、数据处理能力和管理方法均不能完全满足结构健康监测需要处理实时监测数据，同时需要管理海量的历史数据的需要。
发明内容
本发明为解决上述问题而完成，且本发明的一个目的是提供一种结构健康监测和信息管理系统(Structural health monitoring and informationmanagement system，即SHM&IMS)，该系统包括传感器子系统，用于实时感应被监测建筑物的各项结构健康指标；数据采集子系统，连接于所述传感器子系统，用于收集各种传感器中传送来的传感器监测信息，并转换为数字信号进行保存；数据管理子系统，通过网络连接于所述数据采集子系统，用于对海量实时的传感器监测信息进行压缩、入库、编目、存储、备份、查询、检索、统计中的任一种或多种功能；数据存储设备子系统，连接于所述数据管理子系统，用于存储海量实时的传感器监测信息；诊断和分析子系统，通过网络连接于所述数据采集子系统和所述数据管理子系统，用于建立被监测建筑物的健康模型，并且利用数据采集子系统传送来的实时收集的实际数据对模型进行检验，对检验后的模型进行参数化而得到多个模态参数，其中，这些模态参数用来实施对建筑物健康状态的实时监测和预警并记录其健康状态；实时监测和数据查询子系统，通过网络连接于所述数据采集子系统、所述数据管理子系统以及所述诊断和分析子系统，用于根据数据存储设备子系统中存储的历史数据及实时的监测数据，对所述健康模型进行演算以获得被监测建筑物的结构健康情况，同时利用各种指标参数，查询数据库中存储的实时数据或历史数据，并进行相应的分析。
其中，所述数据管理子系统基于Oracle 9i建立，所述数据存储设备子系统为可扩展的存储系统。
其中，所述数据管理子系统将海量的实时监测数据和历史数据按照设计的存储模式存放到数据库中进行管理。
其中，所述历史数据为存储在DVD中的数据；所述数据管理子系统设有专门的接口，将DVD中存储的数据先进行格式的解析，然后按照数据库的表结构导入到数据库中。
其中，所述诊断和分析子系统利用二维GIS技术建立被监测建筑物的二维空间关系。
其中，所述诊断和分析子系统利用三维GIS技术建立被监测建筑物的三维空间模型，并将与所述传感器子系统相对应的所有的传感器模型部署于建筑物的三维空间模型之上。根据本发明，可以先基于三维GIS技术建立被监测建筑物的三维空间模型，然后在该三维空间模型上布置传感器模型，最后将真实的传感器与传感器模型在三维空间模型的布置相对应地布置在真实的建筑物上，从而可以优化测点布置(传感器布置)，即，用最少的传感器来获得尽可能多的结构整体的和局部的信息。
其中，所述实时监测和数据查询子系统根据所选传感器类型、传感器通道类型、时刻以及时间片等指标参数，实现对数据库的查询与检索，并将结果以列表的形式给出。
其中，所述实时监测和数据查询子系统将查询得到后的结构数据导出为MatLab格式的文件。
本发明的另一个目的是提供一种结构健康监测和信息管理方法(SHM&IMM)，该方法包括以下步骤利用传感器子系统实时感应被监测建筑物的各项结构健康指标；利用数据采集子系统收集各种传感器中传送来的传感器监测信息，并转换为数字信号进行保存；利用数据管理子系统对海量实时的传感器监测信息进行压缩、入库、编目、存储、备份、查询、检索、统计中的任一种或多种功能；利用数据存储设备子系统存储海量历史的和实时的传感器监测信息；利用诊断和分析子系统建立被监测建筑物的健康模型，并且利用数据采集子系统传送来的实时收集的实际数据对模型进行检验，对检验后的模型进行参数化而得到多个模态参数，其中，这些模态参数用来实施对建筑物健康状态的实时监测和预警并记录其健康状态；由实时监测和数据查询子系统根据数据存储设备子系统中存储的历史数据及实时的监测数据，对所述健康模型进行演算以获得被监测建筑物的结构健康情况，同时利用各种指标参数，查询数据库中存储的实时数据或历史数据，并进行相应的分析。
图1为根据本发明实施的结构健康监测和信息管理系统(SHM&IMS)的结构示意图；图2A和图2B为根据本发明实施的SHM&IMS在应用于桥梁时的二维GIS的数据可视化窗口的一个示例；图3A和图3B为根据本发明实施的SHM&IMS在应用于桥梁时的三维GIS的可视化窗口的一个示例；图4为根据本发明实施的SHM&IMS在应用于桥梁时的三维GIS及数据统计功能窗口的一个示例；图5为针对不同传感器的不同通道的数据统计窗口的一个示例；图6为根据本发明实施的结构健康监测和信息管理方法(SHM&IMM)的流程图。
具体实施例方式
参照图1，本申请的结构健康监测和信息管理系统(SHM&IMS)是基于地理信息系统(GIS)、计算机网络和数据库等现代信息技术进行研究与开发的。
该结构健康监测和信息管理系统由以下6个子系统组成1.传感器子系统(SS，即Sensory Subsystem)用于感应桥梁、大坝等被监测建筑物的各项结构健康指标；传感器子系统所包括的传感器类型(以桥梁监测为例，共七类)位移转换器、风力计、加速计、应变仪、温度传感器等。
2.数据采集子系统(DCS，即Data Acquisition Subsystem)连接于所述传感器子系统，用于从各种传感器中收集数字或模拟信号，保存该数字信号，以及将其中的模拟信号转换为数字信号并保存；3.数据管理子系统(DMS，即Data Management Subsystem)通过网络连接于所述传感器子系统，其是结构健康监测数据管理系统的核心部分，基于商用数据库管理系统，如Oracle 9i建立，实现对海量实时的传感器监测信息进行压缩、入库、编目、存储、备份、查询、检索、统计等各种功能；
4.数据存储设备子系统(DSDS，即Data Storage Device Subsystem)连接于所述数据管理子系统，采用可扩展的存储系统，如SAN或NAS之类的网络存储设备，其具有较好的可扩展性；5.诊断和分析子系统(DAS，即Diagnosis & Analysis Subsystem)通过网络连接于所述数据采集子系统和所述数据管理子系统，其由信息处理和分析软件组成，利用商用软件来建立被监测大型建筑物的健康模型，并利用从数据采集子系统实时收集的实际数据对模型进行检验，对检验后的模型进行参数化而得到多个模态参数，这些模态参数用来实施对建筑物健康状态的实时检测和预警并记录其健康状态；6.实时监测和数据查询子系统(RIDQS，即Real-time Inspect & DataQuery Subsystem)通过网络连接于所述数据采集子系统、所述数据管理子系统以及所述诊断和分析子系统，其根据数据存储设备子系统中存储的历史数据及实时的监测数据，通过结构健康监测模型的演算，快速实时的获得被监测建筑物的结构健康情况。同时，可以通过各种指标参数，查询数据库中存储的实时数据或历史数据，并进行相应的分析。
上述结构健康监测的数据管理子系统(DMS)的目的是有效地应用、管理、监测桥梁等大型建筑物的结构健康数据。基于来自被监测对象，如桥梁、水坝等建筑物上的各种传感器的动态监测信息，可以通过模型计算，从而获得被监测建筑物的结构健康状态。然而，这些来自各类传感器的实时监测数据通常是海量的、结构较为复杂。这就需要DMS所提供的海量实时监测数据和历史数据的管理与简单的分析统计功能。总的来讲，除了属性信息以外，结构健康状态的监测信息与其地理位置高度相关。也就是，监测信息可以涉及到空间位置，例如被监测物体的地理空间位置、被监测建筑物的各种传感器的地理空间布局、被监测物体的三维模型、地图上传感器的断层点。因此，在本发明中，应用GIS技术以存储、操作、分析、管理，甚至显示所注意的对象的被监测的结构健康信息。DMS的一般框架基于几种信息技术的集成，包括GIS、数据库管理系统、网络以及其他。在这种DMS中，海量数据的压缩和可视化技术对于改善数据管理的能力和效率扮演着一个很重要的角色。这里具有以下所述功能的三种关键技术作为DMS的系统核心
i对海量监测数据的管理技术总的来讲，来自被监测对象上的各种传感器的监测数据非常复杂且数量巨大。DMS采用商用数据库管理技术，利用Oracle 9i(一种商业数据库管理系统)提供的海量数据的存储和管理功能。
ii对海量监测数据的进行数据压缩的技术在实践中，该结构健康监测和信息管理系统从置于被监测对象的各种传感器收集大量数据。被监测对象上所部署的各类传感器时刻在接收相应的状态信息，致使监测到的数据量非常大，如果对这些原始监测数据不采用任何处理方法，则要求占用很大的存储空间，这不但不利于数据的保存与维护，更不适合于针对监测数据的查询和应用。因此，DMS采用了高效的数据压缩技术，将海量的实时监测数据和历史数据按照设计的存储模式存放到数据库中进行管理。目前DMS采用的数据压缩技术可以节省90％的存储空间。
iii结构健康监测的可视化技术这里所指的可视化包括两方面内容，一是针对结构健康监测数据各类统计结果的可视化表达，如采用曲线图、柱状图、报表等方式；二是通过二维和三维GIS技术进行可视化表达，如建立被监测建筑物的二维空间位置关系和三维空间建筑物模型，并将所有的传感器模型部署于建筑物的三维模型之上。通过二维和三维GIS可视化表达方法，可以快速定位被监测建筑物与其周围空间地物的空间位置关系，从而初步了解被监测建筑物结构健康状态与相近邻空间地物的内在联系。利用被监测建筑物的三维可视化模型，可以直观方便地定位传感器的位置，并获得传感器相关信息，如传感器名称、通道数目等。如图2A至图5所示。
本发明所提出和开发的上述三种技术的集成可以有效地在桥梁、大坝、高速公路等大型建筑物的结构健康监测中进行有效的海量实时数据和历史数据的管理和应用。利用现代信息技术等高科技手段，便捷地管理和获取结构健康监测数据，对其进行统计与分析，实时动态完成上述大型建筑物的结构健康状态。
通过所提出的三种技术建立基于GIS的结构健康监测和信息管理系统是切实可行的。GIS技术为结构健康监测提供了更为直观的可视化数据表达方法和分析策略，通过进一步的研发，可以发掘出更多的知识内涵，如空间关系对结构健康监测的影响等。而采用Oracle 9i商用数据库可以承担海量数据的存储、管理、备份、恢复等繁琐的数据管理工作，并提供高效可靠的数据安全性。
来自于各类传感器的结构健康监测数据具有很强的时间相关性，结构较为复杂。基于Oracle 9i建立合理的数据库模式，可以根据传感器类型和通道类别，高效地分解各类数据信息，使其在数据库中的存储更有条理，从而有利于监测数据的更新、维护、查询、检索、备份、恢复与应用。
结构健康监测和信息管理系统的数据操作一般过程如下1.数据采集。该过程是结构健康监测和信息管理系统的初始化过程，数据的来源有两种方式，一是来源于数据采集子系统；二是从DVD光盘获得。由于传统的数据存储和备份的方式是刻录为DVD光盘的形式，因此，在结构健康监测和信息管理系统的原型系统开发中数据的来源主要是DVD光盘。
2.数据的整理入库。结构健康监测数据管理系统设有专门的接口，将DVD中存储的数据先进行格式的解析，然后按照数据库的表结构导入到数据库中。
3.数据的查询与检索根据如传感器类型、传感器通道类型、时刻和时间片等指标参数，实现对数据库的查询与检索，将结果以列表的形式给出。
4.数据的导出用户可以将查询得到后的结构数据导出为MatLab格式的文件，以便于其它商用分析软件的使用。
5.数据的备份与恢复。系统提供了合理的数据库备份与恢复方案，定期将海量数据进行备份与恢复处理。
6.数据的可视化操作。包括两方面内容，一是基于二维和三维GIS功能，实现大型建筑物的三维建模与可视化操作，将各类传感器放到三维可视化模型上，用户可以点击模型上的传感器模型获得相应的传感器及相应的通道信息；二是查询和检索后的数据，用可视化的方式表达，如柱状图、饼状图等方式进行统计分析。
为了实现总的设计，已开发出桥梁结构健康监测和信息管理系统(BSHM&IMS)的原型，其测试数据是连续三个月的各种传感器的监测数据，大约900G比特。
本发明还提供一种结构健康监测和信息管理方法，请参照图6。
本发明对现有技术的贡献主要包括以下方面1.现代信息技术的应用，使得桥梁、大坝等大型建筑物的结构健康监测更为便捷和高效。本发明的结构健康监测和信息管理系统改变了传统结构健康监测系统的海量的历史和实时数据管理和应用方法，提高了结构健康监测的工作效率，满足了结构健康监测的实时性要求。
2.GIS技术应用于结构健康监测系统，使得大型建筑物的结构健康监测可视化程度更高，从而改变了传统结构健康监测系统的工作方式。二维和三维空间模型的应用，更便于大型建筑物中监测点(即传感器)的位置部署和状态检查，进而使得结构健康监测更为合理和高效。
3.海量数据压缩技术的应用，解决了结构健康监测历史和实时数据的高效存储和管理的难题。本发明所采用的数据压缩技术是已有成熟压缩算法的应用。该算法适合于结构健康监测数据这一类数据的压缩处理，其压缩比满足了海量历史和实时监测数据的高效率存储，节约了大量存储空间，为针对海量历史和实时监测数据的查询、检索及应用奠定了基础。
4.本发明的结构健康监测和信息管理系统集成了数据采集、数据存储、数据查询检索与管理、结构健康状态分析与监测等多种功能于一体，满足了大型建筑物的结构健康监测的实时性和高效性等要求。同时，降低了结构健康监测工作的难度和复杂性，极大提高了结构健康监测的工作效率和经济效益。
权利要求
1.一种结构健康监测和信息管理系统，其特征在于包括传感器子系统，用于实时感应被监测建筑物的各项结构健康指标；数据采集子系统，连接于所述传感器子系统，用于收集各种传感器中传送来的传感器监测信息，并转换为数字信号进行保存；数据管理子系统，通过网络连接于所述数据采集子系统，用于对海量实时的传感器监测信息进行压缩、入库、编目、存储、备份、查询、检索、统计中的任一种或多种功能；数据存储设备子系统，连接于所述数据管理子系统，用于存储海量实时的传感器监测信息；诊断和分析子系统，通过网络连接于所述数据采集子系统和所述数据管理子系统，用于建立被监测建筑物的健康模型，并且利用数据采集子系统传送来的实时收集的实际数据对模型进行检验，对检验后的模型进行参数化而得到多个模态参数，其中，这些模态参数用来实施对建筑物健康状态的实时监测和预警并记录其健康状态；实时监测和数据查询子系统，通过网络连接于所述数据采集子系统、所述数据管理子系统以及所述诊断和分析子系统，用于根据数据存储设备子系统中存储的历史数据及实时的监测数据，对所述健康模型进行演算以获得被监测建筑物的结构健康情况，同时利用各种指标参数，查询数据库中存储的实时数据或历史数据，并进行相应的分析。
2.如权利要求1所述的结构健康监测和信息管理系统，其中，所述数据管理子系统基于Oracle 9i建立，所述数据存储设备子系统为可扩展的存储系统。
3.如权利要求1或2所述的结构健康监测和信息管理系统，其中，所述数据管理子系统将海量的实时监测数据和历史数据按照设计的存储模式存放到数据库中进行管理。
4.如权利要求1或2所述的结构健康监测和信息管理系统，其中，所述历史数据为存储在DVD中的数据；所述数据管理子系统设有专门的接口，将DVD中存储的数据先进行格式的解析，然后按照数据库的表结构导入到数据库中。
5.如权利要求1所述的结构健康监测和信息管理系统，其中，所述诊断和分析子系统利用二维GIS技术建立被监测建筑物的二维空间关系。
6.如权利要求1所述的结构健康监测和信息管理系统，其中，所述诊断和分析子系统利用三维GIS技术建立被监测建筑物的三维空间模型，并将与所述传感器子系统相对应的所有的传感器模型部署于建筑物的三维空间模型之上。
7.如权利要求1所述的结构健康监测和信息管理系统，其中，所述实时监测和数据查询子系统根据选自传感器类型、传感器通道类型、时刻以及时间片的指标参数，实现对数据库的查询与检索，并将结果以列表的形式给出。
8.如权利要求1或7所述的结构健康监测和信息管理系统，其中，所述实时监测和数据查询子系统将查询得到后的结构数据导出为MatLab格式的文件。
9.一种结构健康监测和信息管理方法，其特征在于包括以下步骤利用传感器子系统实时感应被监测建筑物的各项结构健康指标；利用数据采集子系统收集各种传感器中传送来的传感器监测信息，并转换为数字信号进行保存；利用数据管理子系统对海量实时的传感器监测信息进行压缩、入库、编目、存储、备份、查询、检索、统计中的任一种或多种功能；利用数据存储设备子系统存储海量实时的传感器监测信息；利用诊断和分析子系统建立被监测建筑物的健康模型，并且利用数据采集子系统传送来的实时收集的实际数据对模型进行检验，对检验后的模型进行参数化而得到多个模态参数，其中，这些模态参数用来实施对建筑物健康状态的实时监测和预警并记录其健康状态；由实时监测和数据查询子系统根据数据存储设备子系统中存储的历史数据及实时的监测数据，对所述健康模型进行演算以获得被监测建筑物的结构健康情况，同时利用各种指标参数，查询数据库中存储的实时数据或历史数据，并进行相应的分析。
10.如权利要求9所述的结构健康监测和信息管理方法，其中，所述数据管理子系统基于Oracle 9i建立，所述数据存储设备子系统为可扩展的存储系统。
11.如权利要求9或10所述的结构健康监测和信息管理方法，其中，所述数据管理子系统将海量的实时监测数据和历史数据按照设计的存储模式存放到数据库中进行管理。
12.如权利要求9或10所述的结构健康监测和信息管理方法，其中，所述历史数据为存储在DVD中的数据；所述数据管理子系统设有专门的接口，将DVD中存储的数据先进行格式的解析，然后按照数据库的表结构导入到数据库中。
13.如权利要求9所述的结构健康监测和信息管理方法，其中，所述诊断和分析子系统利用二维GIS技术建立被监测建筑物的二维空间关系。
14.如权利要求9所述的结构健康监测和信息管理方法，其中，所述诊断和分析子系统利用三维GIS技术建立被监测建筑物的三维空间模型，并将与所述传感器子系统相对应的所有的传感器模型部署于建筑物的三维空间模型之上。
15.如权利要求9所述的结构健康监测和信息管理方法，其中，所述实时监测和数据查询子系统根据选自传感器类型、传感器通道类型、时刻以及时间片的指标参数，实现对数据库的查询与检索，并将结果以列表的形式给出。
16.如权利要求9或15所述的结构健康监测和信息管理方法，其中，所述实时监测和数据查询子系统将查询得到后的结构数据导出为MatLab格式的文件。
全文摘要
本发明提出一种结构健康监测和信息管理系统，包括传感器子系统、数据采集子系统、数据管理子系统、数据存储设备子系统、诊断和分析子系统、实时监测和数据查询子系统等6个子系统。其中，数据管理子系统基于商用数据库管理系统(如Oracle 9i)建立，并且诊断和分析子系统可利用基于三维GIS技术建立的被监测建筑物的三维空间模型进行参数化，从而得到多个模态参数。根据本发明，既可以优化测点布置，又可以高效地管理海量的历史数据，并处理实时监测的数据。
文档编号G06F17/30GK101051334SQ20061007386
公开日2007年10月10日 申请日期2006年4月6日 优先权日2006年4月6日
发明者史文中 申请人:香港理工大学