一种钢支撑结构安全监测预警系统及方法与流程

本发明属于结构安全监测领域，更具体地，涉及一种钢支撑结构安全监测预警系统及方法。

背景技术：

钢支撑结构是以钢材制作为主的结构，主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接，是主要的建筑结构类型之一。因其自重较轻，且施工简便，广泛应用于大型厂房、桥梁、场馆、超高层等领域。在基建工程施工过程中，需要用到很多临时钢支撑结构进行承载支撑，且由于该阶段施工人员作业需要，经常会在其周边活动。所以该结构的安全监测就显得尤为重要。钢支撑包括：钢模支撑、脚手架、支撑模板、工字钢内衬、高支模等。

目前市面上针对高支模监测的较多。但针对别的钢结构支撑的监测较少。特别是施工期间应急监测和及时提醒现场施工人员的设备较少。现有的钢结构安全主要是通过人工观测和巡视的方式，或者是简单的架设钢筋计(传感器)通过手持读数仪进行定期采集和巡视。其主要存在以下几方面的问题：(1)监测的区域不够全面；(2)无法实现现场及时监测、结果预警、报警输出和事件记录等一体化设计；(3)预警提醒周期长、不及时；(4)无法根据预警监测数据对周围监测点进行提醒；(5)现场监测人员作业环境安全性差。

基于上述缺陷和不足，本领域亟建立钢支撑结构安全监测预警系统，实时分级上报预警，实现施工过程集中化过程管控，做到及时提醒现场施工人员钢支撑结构的安全级别。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种钢支撑结构安全监测预警系统及方法，其中结合钢支撑结构自身的特征及其安全监测布局及信息处理的工艺特点，相应的对其关键组件如多个测量装置、多个智能终端、管理服务器以及云平台的结构及其具体设置、通讯方式进行研究和设计，相应的可实现多测量装置现场及时监测、结果预警、报警输出和事件记录等一体化设计，实时分级上报预警，实现施工过程集中化过程管控，大大缩短了预警提醒周期。本发明预警和报警响应速度快，实现了多级风险评估，做到及时提醒现场施工人员安全级别。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种钢支撑结构安全监测预警系统，包括多个测量装置、多个智能终端、管理服务器以及云平台，其中，

多个所述测量装置设置于待监测区域，用于测量待监测区域的监测数据；

所述智能终端与待监测子区域的多个所述测量装置通信连接，包括数据采集模块、预警策略模块、终端声光报警器以及终端lora通讯模块，所述数据采集模块用于与待监测子区域的多个所述测量装置通讯连接，并实时采集所述测量装置测量的监测数据，所述预警策略模块用于根据所述监测数据对待监测区域进行数据管理以及风险评估和预警，所述声光报警器在所述预警策略模块发出报警指令信息时进行声光报警；

所述管理服务器通过lora网关与多个所述智能终端采用lora网络通信连接，用于接收各个智能终端的监测数据、更新各个智能终端的预警策略模块，同时，在所述智能终端进行声光报警时也进行声光报警，并记录对应终端声光报警器的声光报警事件；

所述云平台与所述管理服务器通信连接，用于接收并存储所述管理服务器的监测数据。

作为进一步优选的，所述测量装置包括测量钢支撑结构的应力测量器、支撑载荷测量器、姿态测量器、沉降测量器、水平位移测量器。

作为进一步优选的，所述智能终端还包括用于集成数据采集模块、预警策略模块、声光报警器以及终端lora通讯模块的终端主电路板；

所述智能终端还包括终端主机外壳、终端传感器接口板以及终端固定件，所述终端主机外壳用于容纳所述终端主电路板，所述终端传感器接口板设于所述终端主机外壳上，该终端传感器接口板一端与数据采集模块连接，一端通过数据线与多个所述测量装置连接，所述终端固定件设于所述终端主机外壳上，用于支撑和固定所述终端主机外壳。

作为进一步优选的，所述管理服务器包括数据存储模块、预警策略分析模块、无线通信模块以及服务器声光报警器，所述数据存储模块用于接收并存储所述监测数据，所述预警策略分析模块用于读取所述数据存储模块的监测数据，并根据所述监测数据更新预警策略模块的预警策略，所述无线通信模块包括4g网络通讯单元以及lora网络服务器。

作为进一步优选的，所述无线通信模块还包括信道资源空闲判断及分配单元，所述信道资源空闲判断及分配单元用于捕捉所述lora网络服务器的空闲信道，并根据所述智能终端的通信权限申请，为所述智能终端分配信道。

作为进一步优选的，所述管理服务器还包括用于集成数据存储模块、预警策略分析模块、无线通信模块以及服务器声光报警器的服务器主电路板；

所述管理服务器还包括服务器主机外壳、服务器传感器及充电接口板以及服务器固定件，所述服务器主机外壳用于容纳所述服务器主电路板，所述服务器传感器及充电接口板设于所述服务器主机外壳上，该服务器传感器及充电接口板与所述数据存储模块连接，所述服务器固定件固定设于所服务器主机外壳上，用于支撑和固定所述服务器主机外壳。

按照本发明的另一个方面，提出了一种钢支撑结构安全监测预警方法，包括以下步骤：

s1将待监测区域划分为多个待监测子区域，根据待监测子区域的特点布置多个测量装置和与该多个测量装置通信连接的一个智能终端；

s2根据待监测子区域布置的多个测量装置，选择所述智能终端的预警策略；

s3所述智能终端采集多个所述测量装置测量的监测数据，并根据所述预警策略对待监测区域进行数据管理以及风险评估和预警；

s4管理服务器采用lora网关与多个所述智能终端通信连接，记录所述智能终端的监测数据以及预警事件，并将所有所述监测数据发送至云平台进行数据存储，同时，根据预警事件的监测数据更新预警策略，同时将更新后的预警策略发送给所述智能终端。

作为进一步优选的，所述测量装置包括测量钢支撑结构的应力测量器、支撑载荷测量器、姿态测量器、沉降测量器、水平位移测量器。

作为进一步优选的，步骤s2中，所述预警策略包括上限报警策略、变化量报警策略以及微分报警策略；

步骤s3具体包括以下步骤：

s31所述智能终端的数据采集模块采集多个所述测量装置测量的监测数据，并将其采集的监测数据按照数据的类别发送给数据存储模块；

s32预警策略模块读取数据存储模块中的监测数据，根据监测数据的类型为该监测数据匹配相应的预警策略，并根据监测数据和匹配的预警策略对相应测量装置监测的区域进行风险评估；

s33若风险评估的风险值大于预警策略的阈值，则预警策略模块启动声光报警器进行声光报警，同时，将该预警策略模块将其声光报警信息通过终端lora通讯模块传递给与其相邻的智能终端，以提示与其相邻的智能终端加密监测数据采集的频率，否则，重复步骤s31和步骤s32。

作为进一步优选的，步骤s33中，将该预警策略模块将其声光报警信息通过终端lora通讯模块传递给与其相邻的智能终端具体包括以下步骤：

s331信道资源空闲判断及分配单元捕捉所述lora网络服务器的空闲信道，并记录所有空闲信道的编号；

s332进行声光报警的智能终端以及与其相邻的智能终端的终端lora通讯模块向lora网络服务器发送通讯权限申请，lora网络服务器审核该通讯权限申请，若符合通讯协议，则为进行声光报警的智能终端以及与其相邻的智能终端的终端lora通讯模块分配空闲信道的编号，进行声光报警的智能终端以及与其相邻的智能终端的终端lora通讯模块则在该编号下的空闲信道进行通讯，以提示与其相邻的智能终端加密相关类型监测数据采集的频率，否则，不分配空闲信道；

s333相互通讯完毕后，进行声光报警的智能终端以及与其相邻的智能终端的终端lora通讯模块释放该信道，并回到公共信道等待下次通讯。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明采用多测量装置现场及时监测、结果预警、报警输出和事件记录等一体化设计，实时分级上报预警，实现施工过程集中化过程管控，大大缩短了预警提醒周期。同时，本发明全程记录风险发生过程监测数据，为后期事故鉴定提供数据依据。

2.本发明系统将待监测区域进行细分为若干子区域，并根据该子区域特点进行相关测量装置布设和监测预警策略和报警上传策略设置，测量装置与智能终端之间通过有线通讯方式进行连接。并无线lora技术将各子监测区域进行相互连接组成更大的监测网络，同时该监测网络数据通过lora网络汇总于智能服务器，进行数据管理和全场监测网络风险评估和预警，且智能服务器通过4g通讯手段进行数据平台上传备份。通过监测钢支撑结构的应力、支撑荷载、支撑钢构件姿态、水平位移、沉降等进行风险评估和预警并通过各测点的声光报警器进行实时区域化报警提醒。本发明采用多级风险评估，做到及时提醒现场施工人员安全级别，同时，本发明实时分级上报预警，实现施工过程集中化过程管控。

3.本发明多终端系统及时并行通讯原理，服务器通过改进型mesh网络进行lora网络通讯管理。服务器先进行空闲信道捕捉，对空闲信道进行编号，智能终端进行通讯权限申请，服务器收到通讯权限申请后根据系统通讯状态和信道使用情况进行具体信道分配，当需要进行通讯的多点智能终端收到相同的通讯信道编号后进行指定信道通讯。此通讯机制可在无线电通讯信道上解决空间电磁波干扰问题所带来的无线延迟等待或丢包失败等问题。

4.本发明每个报警策略均根据现场需求进行越线值设置。报警时通过对测值进行微分计算，如果接近报警限制值的速度越快则，采样速率越快。同时通过判断越线趋势提前进行报警动作输出。

5.本发明实现多级风险评估，做到及时提醒现场施工人员安全级别。

附图说明

图1是本发明优选实施例涉及的一种钢支撑结构安全监测预警系统的结构示意图；

图2是本发明优选实施例涉及的一种钢支撑结构安全监测预警系统的预警拓扑图；

图3是图2中涉及的智能终端预警子系统的拓扑图；

图4是本发明优选实施例涉及的一种钢支撑结构安全监测预警系统的信道资源判断及分配示意图；

图5是图1中涉及的智能终端的结构示意图；

图6是图1中涉及的管理服务器的结构示意图；

图7是本发明一种钢支撑结构安全监测预警系统中涉及的上限报警策略示意图；

图8是本发明一种钢支撑结构安全监测预警系统中涉及的变化量报警策略示意图；

图9是本发明一种钢支撑结构安全监测预警系统中涉及的微分报警策略示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-终端声光报警器，2-终端固定板扣，3-终端固定件，4-终端主机外壳，5-终端lora通讯天线，6-终端传感器接口板，7-服务器声光报警器，8-服务器lora通讯天线，9-服务器固定板扣，10-服务器固定件，11-服务器主机外壳，12-服务器传感器及充电接口板，13-服务器指示灯，14-无线天线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种钢支撑结构安全监测预警系统，将钢支撑结构作为待监测区域，并根据待监测区域的特点，将待监测区域划分为多个待监测子区域。如可根据钢支撑结构的类型将待监测区域划分为多个待监测子区域：钢模支撑监测子区域、脚手架监测子区域、支撑模板监测子区域、工字钢内衬监测子区域、高支模监测子区域等。同时，还可根据区域位置对钢支撑结构进行区域花饭，得到多个待监测子区域。

如图3以及图5所示，在每个待监测子区域内，布置多个测量装置以及与多个测量装置通信连接的智能终端，以此方式，通过多个可相互通信的智能终端，实现对整个钢支撑结构的现场及时监测。在本发明中，测量装置根据钢支撑结构的类型以及待监测区域的类型布置和选择，一般而言，测量装置包括测量钢支撑结构的应力测量器、支撑载荷测量器、姿态测量器、沉降测量器、水平位移测量器。当然，应力测量器、支撑载荷测量器、姿态测量器、沉降测量器、水平位移测量器均可通过相应设置的传感器实现。智能终端与待监测子区域的多个所述测量装置通信连接，包括数据采集模块、预警策略模块、终端声光报警器以及终端lora通讯模块，所述数据采集模块用于与待监测子区域的多个所述测量装置通讯连接，并实时采集所述测量装置测量的监测数据，所述预警策略模块用于根据所述监测数据对待监测区域进行数据管理以及风险评估和预警，所述终端声光报警器在所述预警策略模块发出报警指令信息时进行声光报警。更具体而言，在本发明的一个实施例中，智能终端设置于相应的待监测子区域，其包括终终端固定件3，该终端固定件3包括管型单环扣以及锁止轴，管型单环扣可套设于管件上，并通过锁止轴锁止固定。锁止轴远离管型单环扣的一端设有终端主机外壳4，终端主机外壳4与锁止轴固定连接，以此方式，使得终端主机外壳4能够固定安装于指定的管件上。终端主机外壳4与锁止轴之间还设有终端固定板扣2，用于连接和固定终端主机外壳4与锁止轴。终端主机外壳4内固定设有终端主电路板以及为该终端主电路板供电的供电模块。终端主电路板上集成有数据采集模块、预警策略模块、终端声光报警器以及终端lora通讯模块，预警策略模块实时读取数据采集模块中的数据，并根据预警策略实时对待监测区域进行数据管理以及风险评估和预警。其中，预警策略根据测量装置的特点进行选择，如图7、图8以及图9所示，一般预警策略包括上限报警策略、变化量报警策略以及微分报警策略。且每个报警策略均根据现场需求进行越线值设置。同时，在制定报警策略时，通过对监测数据进行微分计算，当微分计算的结果趋向预警策略的报警限制值的速度增加，则加快测量装置采集监测数据的频率。同时，还可通过判断监测数据变化趋势提前进行报警动作输出。设备支持对报警策略调试触发，且可根据用户设置的触发优先级选择不同报警方式。

在本发明中，智能终端还包终端传感器接口板6，该终端传感器接口板6一端与数据采集模块连接，一端通过数据线与多个所述测量装置连接，以此方式，可通过有线传输的方式将测量装置测量的监测数据传递个数据采集模块。同时，终端传感器接口板6上设有多个接口，以方便多个测量装置同时传递数据。终端lora通讯模块还包括设于终端主机外壳4底部的终端lora通讯天线5，该终端lora通讯天线5用于发送和接收通讯信号。终端主机外壳4上还设有终端设备指示灯，该终端设备指示灯通过显示不同的颜色来提示智能终端的工作情况和故障情况。如，绿灯表示设备工作正常，红灯代表设备故障。同时，也可通过频闪的快慢来提示智能终端的工作情况和故障情况。

如图2、图4和图6所示，多个智能终端采用lora通讯方式与管理服务器通信连接，即管理服务器通过lora网关与多个所述智能终端采用lora网络通信连接，该管理服务器用于记录各个智能终端的声光报警事件、声光报警时间对应的监测数据、存储所有监测数据、更新预警策略模块的预警策略、远程控制智能终端的相应以及与云平台进行数据传输。具体而言，管理服务器包括数据存储模块、预警策略分析模块、无线通信模块以及服务器声光报警器，所述数据存储模块用于接收并存储所述监测数据，所述预警策略分析模块用于读取所述监测数据，并根据所述监测数据的类型更新预警策略模块的预警策略，所述无线通信模块包括4g网络通讯单元以及服务器lora通讯单元，所述服务器声光报警器在智能终端发出声光报警信息时也进行声光报警。在本发明中，在管理服务器与多个智能终端通信连时，多个智能终端及时并行通讯原理，管理服务器通过改进型mesh网络进行lora网络通讯管理。具体而言，无线通信模块包括4g网络通讯单元以及lora网络服务器，其中，4g网络通讯单元用于与云平台进行通讯，lora网络服务器用于与多个智能终端及时并行通讯。该无线通信模块还包括信道资源空闲判断及分配单元，所述信道资源空闲判断及分配单元用于捕捉所述lora网络服务器的空闲信道，并根据所述智能终端的通信权限申请，为所述智能终端分配信道。更具体的，信道资源空闲判断及分配单元在空闲信道分配之前，还需对智能终端通信通讯的资源大小进行预判断，以调整空闲信道的容量，使得空闲信道的容量与资源大小向匹配。在本发明的一个实施例中，信道资源空闲判断及分配单元首先捕捉空闲信道，并对空闲信道进行编号，如空闲信道x。当a、b智能终端需要进行通讯时，a、b智能终端进行通讯权限申请，通讯权限申请通过后，管理服务器的信道资源空闲判断及分配单元根据系统通讯状态和信道使用情况进行具体信道分配，当需要进行通讯的a、b智能终端收到相同的通讯信道编号x后，在信道x进行通讯。当a、b智能终端通讯完毕后，释放该通讯信道x，a、b智能终端回到公共信道等待下次通讯。此通讯机制可在无线电通讯信道上解决空间电磁波干扰问题所带来的无线延迟等待或丢包失败等问题。

更具体而言，在本发明的一个实施例中，管理服务器还包括服务器主机外壳11、服务器传感器及充电接口板12以及服务器固定件10，所述服务器主机外壳11用于容纳所述服务器主电路板，服务器主电路板上集成有数据存储模块、预警策略分析模块、无线通信模块以及服务器声光报警器。所述服务器传感器及充电接口板12设于所述服务器主机外壳11上，该服务器传感器及充电接口板12与所述数据存储模块连接，所述服务器固定件10固定设于所服务器主机外壳11上，用于支撑和固定所述服务器主机外壳11。服务器固定件10包括管型单环扣以及锁止轴，管型单环扣可套设于管件上，并通过锁止轴锁止固定。锁止轴远离管型单环扣的一端设有服务器主机外壳11，服务器主机外壳11与锁止轴固定连接，以此方式，使得服务器主机外壳11能够固定安装于指定的管件上。管理服务器还包括设于服务器主机外壳11上的服务器指示灯13、无线天线14以及服务器lora通讯天线。更具体的，管理服务器还包括设于服务器主机外壳11与服务器固定件10之间的服务器固定板扣9。

本发明还提供了一种钢支撑结构安全监测预警方法，具体包括以下步骤：

步骤一，将待监测区域划分为多个待监测子区域，根据待监测子区域的特点布置多个测量装置和与该多个测量装置通信连接的一个智能终端。其中，所述测量装置至少包括测量钢支撑结构的应力测量器、支撑载荷测量器、姿态测量器、沉降测量器、水平位移测量器，但不限于以上测量装置，只要其可实现对钢支撑结构安全性能指标进行测量和监测的其他装置和传感器均适用本发明。

步骤二，根据待监测子区域布置的多个测量装置，选择所述智能终端的预警策略。其中，预警策略包括上限报警策略、变化量报警策略以及微分报警策略。但是不限于以上的报警策略，本发明中，报警策略根据监测的数据进行设置，同时，还需根据报警事件的监测数据来实时更新报警策略，使得报警策略适应性更强，精确度越高，响应越快。

步骤三，所述智能终端采集多个所述测量装置测量的监测数据，并根据所述预警策略对待监测区域进行数据管理以及风险评估和预警。具体而言，步骤三包括以下子步骤：

(1)所述智能终端的数据采集模块采集多个所述测量装置测量的监测数据，并将其采集的监测数据按照数据的类别发送给数据存储模块。

(2)预警策略模块读取数据存储模块中的监测数据，根据监测数据的类型为该监测数据匹配相应的预警策略，并根据监测数据和匹配的预警策略对相应测量装置监测的区域进行风险评估。

(3)若风险评估的风险值大于预警策略的阈值，则预警策略模块启动声光报警器进行声光报警，同时，将该预警策略模块将其声光报警信息通过终端lora通讯模块传递给与其相邻的智能终端，以提示与其相邻的智能终端加密监测数据采集的频率，否则，重复步骤(1)和步骤(2)。

步骤四，管理服务器采用lora网关与多个所述智能终端通信连接，记录所述智能终端的监测数据以及预警事件，并将所有所述监测数据发送至云平台进行数据存储，同时，根据预警事件的监测数据更新预警策略，同时将更新后的预警策略发送给所述智能终端。

在本发明中，将预警策略模块将其声光报警信息通过终端lora通讯模块传递给与其相邻的智能终端具体包括以下步骤：

(1)信道资源空闲判断及分配单元捕捉所述lora网络服务器的空闲信道，并记录所有空闲信道的编号。

(2)进行声光报警的智能终端以及与其相邻的智能终端的终端lora通讯模块向lora网络服务器发送通讯权限申请，lora网络服务器审核该通讯权限申请，若符合通讯协议，则为进行声光报警的智能终端以及与其相邻的智能终端的终端lora通讯模块分配空闲信道的编号，进行声光报警的智能终端以及与其相邻的智能终端的终端lora通讯模块则在该编号下的空闲信道进行通讯，以提示与其相邻的智能终端加密相关类型监测数据采集的频率，否则，不分配空闲信道。

(3)相互通讯完毕后，进行声光报警的智能终端以及与其相邻的智能终端的终端lora通讯模块释放该信道，并回到公共信道等待下次通讯。

本发明采用多传感器现场及时监测、结果预警、报警输出和事件记录等一体化设计，实时分级上报预警，实现施工过程集中化过程管控，大大缩短了预警提醒周期，报警速度响应快。同时，本发明全程记录风险发生过程监测数据，为后期事故鉴定提供数据依据。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。