CN102645187B - 分布式超声波地下空间结构形变区域定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式超声波地下空间结构形变监测***，包括多个超声波传感器和一台上位机；其核心为：相邻两个超声波传感器的位置满足，其中一个超声波传感器的探测区在被测结构表面上投影出的圆形区域的边沿，与另一个超声波传感器的探测区的中心轴相交。基于前述的***，本发明还提出了一种分布式超声波地下空间结构形变区域定位方法。本发明的有益技术效果是：在运用超声波进行覆盖性监测的基础上，可有效定位出发生结构形变的具***置，为结构监测和工程治理提供准确的数据支撑,同时可以根据监测结果实时调整各节点优先级，进一步动态分配***监测时间，使分布式***能及时发现结构面的形变灾害并予以重点关注。

Description

分布式超声波地下空间结构形变区域定位方法

技术领域

本发明涉及一种结构形变监测定位技术，尤其涉及一种分布式超声波地下空间结构形变监测***及区域定位方法。 

背景技术

随着人类社会可开发土地资源的日益稀缺，以及近年来全球范围极端气候的频繁出现，潜力巨大的城市地下空间开发凸显出前所未有的必要性和紧迫性。由于地下工程身处复杂的岩土介质全方位包围中，而形变是结构对复杂内外受力环境的外观反应，因此对结构形变进行在线监测可以直观地反映结构安全状态。但地下空间在复杂环境下的围压态引出监测区域覆盖性难题，对目前的结构形变监测技术提出严峻挑战，国内外相关的理论及技术异常匮乏。探索以地下工程为代表的围压空间覆盖性形变监测技术因而具有重要的科学意义和迫切的现实需求。 

目前用于地下空间结构形变监测的摄像、激光、光纤等技术手段均基于点状测量原理，点与点之间构成监测盲区，如果结构形变发生在盲区，只有当其扩展波及到确定测量点时，测量***才会有反应，在以低成本代价满足高覆盖性形变测量需求方面还缺乏有效的技术手段。最新的技术是利用超声波的波束角具有一定发散性效应，实现对波束角监测区范围内的结构表面上的所有点的覆盖性监测(如201110147270.1号中国专利申请提出的“基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法”)。但如果基于超声波手段发现了结构形变，如何进一步确定形变发生位置在超声波束角监测区范围何处，这是目前仍未解决的一大难题。一种思路是利用单超声波束经过连续监测积累的历史数据，再结合土木结构的受力特性非量化地分析形变位置是靠近超声波束监测区域中心还是边缘，但该方案需要了解结构信息和数据累积，通用性和实时性较差。同时，单超声波束具有较大的形变敏感死区，需要有效的技术手段加以减小。 

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种分布式超声波地下空间结构形变监测***，包括多个超声波传感器和一台上位机；所述超声波传感器均为收发一体式超声波传感器；各个超声波传感器均与上位机通信连接；多个超声波传感器均与被测结构表面等间距设置，且多个超声波传感器呈单列设置；超声波传感器的探测区为一圆锥体所围区域；超声波传感器的探测区的中心轴与被测结构表面垂直；相邻两个超声波传感器的位置满足：其中一个超声波传感器的探测区在被测结构表面上投影出的圆形区域的边沿，与另一个超声波传感器的探测区的中心轴相交。 

基于前述的***，本发明还提出了一种分布式超声波地下空间结构形变区域定位方法，该方法包括： 

设布设的超声波传感器数量为n，每个超声波传感器即为一个传感节点，多个传感节点按排列次序顺次记为A0、A1......An；上位机和传感节点按如下步骤运行： 

1)第一次运行时，上位机为每个传感节点分配相同的工作时长，并按时序控制多个传感节点按A0、A1......An的顺序依次工作，获取各个传感节点的初始测量数据；上位机获取到n个传感节点测得的初始测量数据后，即完成了第一个周期的工作； 

2)第二次运行时，上位机为每个传感节点分配相同的工作时长，并按时序控制多个传感节点按A0、A1......An的顺序依次工作，重新获取各个传感节点的当前测量值； 

3)根据每个传感节点的当前测量值与初始测量数据的差值，计算得到当前周期内每个传感节点对应位置处的形变量；记录形变量最大值对应的传感节点序号； 

4)根据每个传感节点对应的形变量，按下式计算各个传感节点的优先级P_i： 

$P_i=\frac{a_i{\mathrm{\λ}}_i}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{\mathrm{\λ}}_i}$

其中，a_i为传感节点Ai的当前测量值与初始测量数据的差值；λ_i为根据传感节点Ai与被测结构表面相对位置而确定的比例系数；P_i为传感节点Ai对应的优先级，i＝0、1、2......n；a_iλ_i即为当前周期内，传感节点Ai对应的形变量； 

前述的优先级P_i，还可按如下方法进行计算： 

计算出各个传感节点在当前周期内的形变量a₀λ₀、a₁λ₁......a_iλ_i......a_nλ_n，以数值大小按从小至大对a₀λ₀、a₁λ₁......a_iλ_i......a_nλ_n进行排序，得到形变量序列，形变量序列中形变量最小值的序号记为1，形变量最大值的序号记为n+1，其余数值的形变量按从小至大的关系顺次用整数连续编号，将各个传感节点对应的序号的数值作为调节参数代入下式： 

$P_i=\frac{K_i}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}$

其中，K_i为传感节点Ai对应的调节参数，K_i的值为传感节点Ai对应的形变量在形变量序列中的序号的数值； 

计算出优先级P_i后，按下式计算下一周期内各个传感节点的工作时长： 

t_i＝T×P_i

其中，t_i为下一周期内传感节点Ai的工作时长；T为完成一个工作周期所 需的总时间， 

各个工作周期的T取值相同； 

5)上位机根据步骤4)的计算结果，调整各个传感节点的工作时长，并按时序控制多个传感节点按A0、A1......An的顺序依次工作，重新获取各个传感节点的当前测量值；重复步骤3)至5)。 

在前述方案的基础上，本发明还可作更深入的应用：步骤3)中，获取到形变量最大值对应的传感节点序号后，按如下方法对最大形变所在区域作进一步地定位： 

设某一周期内的形变量最大值对应的传感节点序号为A1，与传感节点A1相邻的两个节点分别为传感节点A0和传感节点A2；设传感节点A0、A1、A2的初始测量数据均为L，传感节点A0的当前测量值为L0，传感节点A1的当前测量值为L1，传感节点A2的当前测量值为L2，则传感节点A0对应的形变量为a₀λ₀＝(L-L0)λ₀，传感节点A1对应的形变量为a₁λ₁＝(L-L1)λ₁，传感节点A2对应的形变量为a₂λ₂＝(L-L2)λ₂；比较a₀λ₀和a₂λ₂的大小，若a₀λ₀＜a₂λ₂，则形变量最大值所在区域位于被测结构表面上传感节点A1和传感节点A2的公共探测区域内；若a₀λ₀＞a₂λ₂，则形变量最大值所在区域位于被测结构表面上传感节点A1和传感节点A0的公共探测区域内；若a₀λ₀＝a₂λ₂，则形变量最大值所在区域位于传感节点A1的探测区的中心轴位置处或者传感节点A1和传感节点A2的公共探测区域、传感节点A1和传感节点A0的公共探测区域内均发生了最大形变。 

在前述方案基础上，本发明还可作如下的进一步应用： 

若a₀λ₀＜a₂λ₂的条件满足，按如下步骤进一步确定最大形变所在的区域： 

以传感节点A1为主节点，传感节点A2为辅节点，主节点所在位置记为O点，辅节点所在位置记为A点；主节点的探测区的中心轴与被测结构体表面交于O′点；辅节点的探测区的中心轴与被测结构体表面交于A′点，且线段AA′＝OO′＝L；以直线AO为Y轴、直线OO′为Z轴、O点为坐标原点，建立平面坐标系；主节点的探测区域在坐标系上的投影区为三角形OA′F，辅节点的探测区域在坐标系上的投影区域为三角形AO′E；直线EF与直线A′O′重合；以O点为圆心、L为半径的球面在坐标系上的投影被三角形OA′F所截形成的弧，记为第一探测弧；以A点为圆心、以L2为半径的球面在坐标系上的投影被三角形AO′E所截形成的弧，记为第二探测弧；以O点为圆心、以L1为半径的球面在坐标系上的投影被三角形OA′F所截形成的弧，记为第三探测弧；第三探测弧与第二探测弧交于q1点，q1点在直线EF上的投影记为I点，第三探测弧与直线OA′交于q2点，q2在直线EF上的投影记为B点，q2点与A点距离记为L_q；C点为线段A′O′的中点，过C点作直线AO的垂线，该垂线与第三探测弧交于qc点；第一探测弧与直线OF的交点到直线EF的垂向长度为δ； 

根据如下方法判断形变量最大位置在被测结构体上的位置： 

1)判断a₁λ₁＜δ的条件是否成立，若不成立，则进入步骤2)，若成立，则按如下条件确定最大形变所在位置： 

A)如L2＝L，则最大形变所在位置位于线段IO′在被测结构体表面上的投影区域内； 

B)如L1＜L2＜L，则最大形变所在位置位于线段CI在被测结构体表面上的投影区域内； 

C)如L1＝L2，则最大形变所在位置位于C点在被测结构体表面上的投影位置； 

D)如L_q≤L2＜L1，则最大形变所在位置位于线段BC在被测结构体表面上的投影区域内； 

E)如L2＜L_q，则最大形变所在位置位于线段A′B在被测结构体表面上的投影区域内； 

2)a₁λ₁＜δ不成立，则a₁λ₁和δ必然满足条件a₁λ₁≥δ，设 此种情况下，按如下条件确定最大形变所在位置： 

a)如Δ＞1，则最大形变所在位置位于线段CO′在被测结构体表面上的投影区域内； 

b)如Δ＝1，则最大形变所在位置位于C点在被测结构体表面上的投影位置处； 

c)如Δ＜1，则最大形变所在位置位于线段A′C在被测结构体表面上的投影区域内； 

其中，L为传感节点的初始测量数据；L1为主节点的当前测量值；L2为辅节点的当前测量值； 

若a₀λ₀＞a₂λ₂的条件满足，则以传感节点A1为主节点，传感节点A0为辅节点，按前述方法确定最大形变在主节点和辅节点之间的具***置； 

若a₀λ₀＝a₂λ₂的条件满足：当有两个位置均发生了最大形变，则以传感节点A1为主节点，传感节点A0为辅节点，按前述方法确定第一最大形变在主节点和辅节点之间的具***置；然后，以传感节点A1为主节点，传感节点A2为辅节点，按前述方法确定第二最大形变在主节点和辅节点之间的具***置；当只有一个位置发生了最大形变，则最大形变位置位于传感节点A1的探测区的中心轴在被测结构体上的投影位置。 

设主节点和辅节点发射的超声波的波束角相同；所述δ的数值按如下公式计算： 

δ＝L*(1-cosθ)； 

其中，δ为传感节点探测区范围内，敏感死区在Z轴方向上的最大长度，也即第一探测弧与直线OF的交点到直线EF的垂向长度；L为传感节点的初始测量数据，也即传感节点到被测结构表面的距离；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角； 

所述q1点在Y轴上的坐标y1的坐标值由如下方程解出： 

(y1+L*tanθ)²+(L1-y1²)＝L2²

其中，L1为主节点的当前测量值，L2为辅节点的当前测量值，L为传感节点的初始测量数据，θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角； 

所述qc点在Y轴上的坐标yc按如下公式计算： 

$\mathrm{yc}=-\frac{L*\tan \mathrm{\θ}}{2}$

其中，L为传感节点的初始测量数据，也即传感节点到被测结构表面的距离；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角； 

所述q2点在Y轴上的坐标y2按如下公式计算： 

y2＝-(L1*sinθ) 

其中，L1为主节点的当前测量值；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角； 

q2点与A点距离L_q按如下公式计算： 

$L_q=\sqrt{{(L\tan \mathrm{\θ}-L1\sin \mathrm{\θ})}^2+{L1}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}$

其中，L为传感节点的初始测量数据，也即传感节点到被测结构表面的距离；L1为主节点的当前测量值；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角； 

本发明的有益技术效果是：在运用超声波进行覆盖性监测的基础上，可有效定位出发生结构形变的具***置，为结构监测和工程治理提供准确的数据支撑，同时可以根据监测结果实时调整各节点优先级，进一步动态分配***监测时间，使分布式***能及时发现结构面的形变灾害并予以重点关注。 

附图说明

图1、本发明的***结构示意图； 

图2、本发明对两个节点间形变位置进行定位处理时采用的坐标系示意图。 

具体实施方式

本发明的分布式超声波地下空间结构形变监测***，其结构为：包括多个超声波传感器和一台上位机；所述超声波传感器均为收发一体式超声波传感器；各个超声波传感器均与上位机通信连接；多个超声波传感器均与被测结构表面等间距设置，且多个超声波传感器呈单列设置；超声波传感器的探测区为一圆锥体所围区域；超声波传感器的探测区的中心轴与被测结构表面垂直；相邻两个超声波传感器的位置满足：其中一个超声波传感器的探测区在被测结构表面上投影出的圆形区域的边沿，与另一个超声波传感器的探测区的中心轴相交。 

超声波传感器的探测区在被测结构体上投射出的区域面积大小与超声波传感器到被测结构体的距离成正比，即在超声波有效测距范围内，距离越远，覆盖面积越大；与此同时，超声波的敏感死区范围大小又与超声波传感器到被测结构体的距离成反比，即在超声波有效测距范围内，距离越远，超声波的敏感死区范围越大；为兼顾形变监测的测量精度需求和监测区的大面积覆盖需求，本发明将围压空间结构形变区域监测定位***按前述方案布设，尤其 是相邻两个超声波传感器中，使其中一个超声波传感器的探测区在被测结构表面上投影出的圆形区域的边沿，与另一个超声波传感器的探测区的中心轴相交，这就使得任一超声波传感器的监测面有形变发生，都会引发邻近的超声波传感器的响应，这就使得相邻的两个超声波传感器的测量数据之间具有一定相关性，若某一超声波传感器的监测面内发生了形变后，可通过相邻的超声波传感器获得的数据来进行校正，以获得更加精确的形变位置数据，有效降低敏感死区造成的负面影响，同时还保证了监测区的大面积覆盖需求。 

基于前述的分析，本发明的分布式超声波地下空间结构形变区域定位方法方案如下： 

设布设的超声波传感器数量为n，每个超声波传感器即为一个传感节点，多个传感节点按排列次序顺次记为A0、A1......An；上位机和传感节点按如下步骤运行： 

1)第一次运行时，上位机为每个传感节点分配相同的工作时长，并按时序控制多个传感节点按A0、A1......An的顺序依次工作，获取各个传感节点的初始测量数据；上位机获取到n个传感节点测得的初始测量数据后，即完成了第一个周期的工作； 

2)第二次运行时，上位机为每个传感节点分配相同的工作时长，并按时序控制多个传感节点按A0、A1......An的顺序依次工作，重新获取各个传感节点的当前测量值； 

3)根据每个传感节点的当前测量值与初始测量数据的差值，计算得到当前周期内每个传感节点对应位置处的形变量；记录形变量最大值对应的传感节点序号； 

4)根据每个传感节点对应的形变量，按下式计算各个传感节点的优先级P_i： 

$P_i=\frac{a_i{\mathrm{\λ}}_i}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{\mathrm{\λ}}_i}$ (记为公式P) 

其中，a_i为传感节点Ai的当前测量值与初始测量数据的差值；λ_i为根据传感节点Ai与被测结构表面相对位置而确定的比例系数(若布设环境满足“超声波传感器的探测区的中心轴与被测结构表面垂直”，则没有必要引入λ_i，因为理论条件下各个传感节点对应的λ_i的取值均为1；但实际工程中，难以做到使每个超声波传感器的探测区的中心轴都与被测结构表面垂直，故需要引入该比例系数)；P_i为传感节点Ai对应的优先级，i＝0、1、2......n；a_iλ_i即为当前周期内，传感节点Ai对应的形变量； 

前述的优先级P_i，还可按如下方法进行计算(该方法与前述的优先级计算方法为并列可选方案)： 

计算出各个传感节点在当前周期内的形变量a₀λ₀、a₁λ₁......a_iλ_i......a_nλ_n，以数值大小按从小至大对a₀λ₀、a₁λ₁......a_iλ_i......a_nλ_n进行排序，得到形变量序列，形变量序列中形变量最小值的序号记为1，形变量最大值的序号记为n+1，其余数值的形变量按从小至大的关系顺次用整数连续编号，将各个传感节点对应的序号的数值作为调节参数代入下式： 

$P_i=\frac{K_i}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}$

其中，K_i为传感节点Ai对应的调节参数，K_i的值为传感节点Ai对应的形变量在形变量序列中的序号的数值； 

计算出优先级P_i后，按下式计算下一周期内各个传感节点的工作时长： 

t_i＝T×P_i(记为公式P′) 

其中，t_i为下一周期内传感节点Ai的工作时长；T为完成一个工作周期所需的总时间， 

各个工作周期的T取值相同； 

5)上位机根据步骤4)的计算结果，调整各个传感节点的工作时长，并按时序控制多个传感节点按A0、A1......An的顺序依次工作，重新获取各个传感节点的当前测量值；重复步骤3)至5)。 

通过前述的方法，即可实现对形变量最大值所在位置的粗略定位，并且通过调整传感节点的工作时长，保证对形变量最大值所在位置的高强度、长时间监测，为结构安全提供保障； 

前述方法的步骤3)中，获取到形变量最大值对应的传感节点序号后，可初步判断出形变量最大值所在位置是在对应的传感节点位置处；在此基础上，本发明还可作如下的进一步地应用，即对最大形变所在区域作进一步地定位，具体方案为： 

设某一周期内的形变量最大值对应的传感节点序号为A1，与传感节点A1相邻的两个节点分别为传感节点A0和传感节点A2；设传感节点A0、A1、A2的初始测量数据均为L，传感节点A0的当前测量值为L0，传感节点A1的当前测量值为L1，传感节点A2的当前测量值为L2，则传感节点A0对应的形变量为a₀λ₀＝(L-L0)λ₀，传感节点A1对应的形变量为a₁λ₁＝(L-L1)λ₁，传感节点A2对应的形变量为a₂λ₂＝(L-L2)λ₂；比较a₀λ₀和a₂λ₂的大小，若a₀λ₀＜a₂λ₂，则形变量最大值所在区域位于被测结构表面上传感节点A1和传感节点A2的公共探测区域内；若a₀λ₀＞a₂λ₂，则形变量最大值所在区域位于被测结构表面上传感节点A1和传感节点A0的公共探测区域内；若a₀λ₀＝a₂λ₂，则形变量最大值所在区域位于传感节点A1的探测区的中心轴位置处或者传感节点A1和传感节点A2的公共探测区域、传感节点A1和传感节点A0的公共探测区域内均发生了最大形变。 

显然，通过前述的对a₀λ₀和a₂λ₂进行分析比较后得到的形变量最大值所在位置，比仅仅获知形变量最大值所在位置对应的传感节点序号更为精确，为结构安全分析和工程治理提供了更为精确的依据；在此基础上，为了对最大形变所在位置作更为精确的定位，本发明还提出了如下的方案： 

若a₀λ₀＜a₂λ₂的条件满足，按如下步骤进一步确定最大形变所在的区域： 

以传感节点A1为主节点，传感节点A2为辅节点，主节点所在位置记为O点，辅节点所在位置记为A点；主节点的探测区的中心轴与被测结构体表面交于O′点；辅节点的探测区的中心轴与被测结构体表面交于A′点，且线段AA′＝OO′＝L；以直线AO为Y轴、直线OO′为Z轴、O点为坐标原点，建立平面坐标系；主节点的探测区域在坐标系上的投影区为三角形OA′F，辅节点的探测区域在坐标系上的投影区域为三角形AO′E；直线EF与直线A′O′重合；以O点为圆心、L为半径的球面在坐标系上的投影被三角形OA′F所截形成的弧，记为第一探测弧；以A点为圆心、以L2为半径的球面在坐标系上的投影被三角形AO′E所截形成的弧，记为第二探测弧；以O点为圆心、以L1为半径的球面在坐标系上的投影被三角形OA′F所截形成的弧，记为第三探测弧；第三探测弧与第二探测弧交于q1点，q1点在直线EF上的投影记为I点，第三探测弧与直线OA′交于q2点，q2在直线EF上的投影记为B点，q2点与A点距离记为L_q；C点为线段A′O′的中点，过C点作直线AO的垂线，该垂线与第三探测弧交于qc点；第一探测弧与直线OF的交点到直线EF的垂向长度为δ； 

根据如下方法判断形变量最大位置在被测结构体上的位置： 

1)判断a₁λ₁＜δ的条件是否成立，若不成立，则进入步骤2)，若成立，则按如下条件确定最大形变所在位置： 

A)如L2＝L，则最大形变所在位置位于线段IO′在被测结构体表面上的投影区域内； 

B)如L1＜L2＜L，则最大形变所在位置位于线段CI在被测结构体表面上的投影区域内； 

C)如L1＝L2，则最大形变所在位置位于C点在被测结构体表面上的投影位置； 

D)如L_q≤L2＜L1，则最大形变所在位置位于线段BC在被测结构体表面上的投影区域内； 

E)如L2＜L_q，则最大形变所在位置位于线段A′B在被测结构体表面上的投影区域内； 

2)a₁λ₁＜δ不成立，则a₁λ₁和δ必然满足条件a₁λ₁≥δ，设 

此种情况下，按如下条件确定最大形变所在位置： 

a)如Δ＞1，则最大形变所在位置位于线段CO′在被测结构体表面上的投影区域内； 

b)如Δ＝1，则最大形变所在位置位于C点在被测结构体表面上的投影位置处； 

c)如Δ＜1，则最大形变所在位置位于线段A′C在被测结构体表面上的投影区域内； 

其中，L为传感节点的初始测量数据；L1为主节点的当前测量值；L2为辅节点的当前测量值； 

若a₀λ₀＞a₂λ₂的条件满足，则以传感节点A1为主节点，传感节点A0为辅节点，按前述方法确定最大形变在主节点和辅节点之间的具***置； 

若a₀λ₀＝a₂λ₂的条件满足：当有两个位置均发生了最大形变，则以传感节点A1为主节点， 传感节点A0为辅节点，按前述方法确定第一最大形变在主节点和辅节点之间的具***置；然后，以传感节点A1为主节点，传感节点A2为辅节点，按前述方法确定第二最大形变在主节点和辅节点之间的具***置；当只有一个位置发生了最大形变，则最大形变位置位于传感节点A1的探测区的中心轴在被测结构体上的投影位置。 

前述的步骤1)、2)中，判断a₁λ₁＜δ的条件是否成立，实际上是判断是否需要考虑敏感死区的问题，若a₁λ₁＜δ，则意味着最大形变位置处的被测结构体表面在主节点的敏感死区范围内，因此需要根据辅节点的数据来校正确定最大形变的位置；若a₁λ₁≥δ，则意味着最大形变位置处的被测结构体表面在主节点的有效监测区域内，不需要考虑敏感死区的问题，可根据步骤2)中的判断条件直接得出最大形变的位置； 

如图2所示，第一探测弧与O点所围的扇形区域与三角形OA′F之间的非重叠区域即为传感节点A1的敏感死区，传感节点A2的敏感死区区域与传感节点A1的敏感死区区域相似(即以A′点为圆心，L为半径的圆弧与A′点所围的扇形区域与三角形AEO′之间的非重叠区域，该圆弧如图2中虚线勾画出的弧线段)，传感节点A1和传感节点A2的敏感死区的重叠部分，即为两个传感节点的公共敏感死区，从图中可以看出，本发明的超声波传感器布设方式，可有效降低敏感死区范围；这种降低敏感死区范围的效果还可通过计算来得到应证： 

如图2中所示，图中虚线弧与第一探测弧交于D点(D和C点在Y轴上的坐标相同)，D点到直线EF的垂向长度，记为δ1(也可认为δ1为公共敏感死区在Z轴方向上的最大长度)，则可按如下公式计算出δ1的值： 

$\mathrm{\δ}1=L*(1-\sqrt{1-\frac{{\tan }^2\mathrm{\θ}}{4}})$

δ的值可按如下公式计算出： 

δ＝L*(1-cosθ) 

现有的超声波传感器其θ的值一般为15°至20°左右，显然δ的值远大于δ1的值，在敏感死区和公共敏感死区在Y轴方向上的长度相同的情况下，δ1小于δ，则公共敏感死区的区域面积小于敏感死区面积。 

其中，前述的坐标系中的各个点的位置及相应线段的长度，均可根据基本的三角函数计算求得，且相应的计算方法应该是本领域技术人员应该掌握的基本技能；为了使本发明的方法更为严谨、完整，现将几个重要的长度数值和标记点的坐标的计算方法赘述如下： 

设主节点和辅节点发射的超声波的波束角相同；所述δ的数值按如下公式计算： 

δ＝L*(1-cosθ)； 

其中，δ为传感节点探测区范围内，敏感死区在Z轴方向上的最大长度，也即第一探测 弧与直线OF的交点到直线EF的垂向长度；L为传感节点的初始测量数据，也即传感节点到被测结构表面的距离；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角； 

所述q1点在Y轴上的坐标y1的坐标值由如下方程解出： 

(y1+L*tanθ)²+(L1-y1²)＝L2²

其中，L1为主节点的当前测量值，L2为辅节点的当前测量值，L为传感节点的初始测量数据，θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角； 

所述qc点在Y轴上的坐标yc按如下公式计算： 

$\mathrm{yc}=-\frac{L*\tan \mathrm{\θ}}{2}$

其中，L为传感节点的初始测量数据，也即传感节点到被测结构表面的距离；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角；qc点实质上就是线段OA′的中点，故A′点在Y轴上的坐标为-L*tanθ； 

所述q2点在Y轴上的坐标y2按如下公式计算： 

y2＝-(L1*sinθ) 

其中，L1为主节点的当前测量值；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角； 

q2点与A点距离L_q按如下公式计算： 

$L_q=\sqrt{{(L\tan \mathrm{\θ}-L1\sin \mathrm{\θ})}^2+{L1}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}$

其中，L为传感节点的初始测量数据，也即传感节点到被测结构表面的距离；L1为主节点的当前测量值；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角； 

值得说明的有：其一，每个传感节点在每个周期中各自的工作时长内实质上完成了多次测量，最终得到的传感节点的当前测量值是从多次测量获得的数据中取的最大值； 

其二，前述的，基于公式 和公式 

的优先级计算方法，二者虽然是并列可选方案，但其效果存在差异，具体是：由公式 计算出的优先级更为精确，但运算较为复杂，由公式 

计算出的优先级其精确程度不如前者，但它具备计算简单、***处理时间短的优势（这主要是因为K_i的值均为正整数，故计算简单）。 

实施例1：本实施例用于说明动态调整各个传感节点的工作时长的效果； 

按本发明方案布设围压空间结构形变区域监测定位***，以12个传感节点的网络为例， 设节点编号分别为A0，A1，A2......A11。 

设上位机扫描一遍所有传感节点的总时间为60秒。***开始工作时，每个传感器节点赋予一个初始扫描时间，分别记为t₀₀，t₁₀，t₂₀，......t₁₁₀。 

第一次扫描时，为每个传感节点分配相同的工作时长，则有 

***开始工作后，设a₀，a₁，…，a₁₁分别是传感器A₀到A₁₁的测距数据变化量，为简化计算，设每个超声波传感器的探测区的中心轴均与被测结构表面垂直，则λ₀，λ₁，...，λ₁₁均为1。轮循7次采样，在第1次采样时在传感节点A4附近模拟逐步增大的结构形变，在第2次采样时同时在传感节点A8附近模拟逐步增大的结构形变，分布式***对结构形变的监测数据如表1所示，表中有下划线的数据即为该轮扫描获得的形变最大值。 

表1 

按前述的公式P和公式P′顺次计算出的各个传感节点在不同周期内的工作时长如下表： 

表2 

从表2的数据可以看出，对各个传感节点的工作时长进行动态调整后，可以使较大形变对应的传感节点获得更多的关注和更短的扫描周期，使***能及时发现结构面的形变灾害并予以重点关注。 

实施例2：本实施例用于说明本发明对敏感死区影响的降低效果； 

实验环境包括：按本发明设置方式设置的相邻两个超声收发一体式的超声波传感器(超声波频率40KHz)，一台上位机，一块可模拟结构形变的弹性材质变形体(即被测结构体)，一张标注超声波束角范围的坐标图。超声波传感器通过测量其安装位置到弹性塑料面的距离监测弹性材质变形体的形变状态，同时将测距结果通过CAN总线上传至上位机。上位机接收到测距数据后，按本发明方法对数据进行处理。形变大小按坐标图上的刻度向弹性材质变形体施加压力进行控制。 

两个超声波传感器分别记为传感节点A0和传感节点A1，传感节点A0作为主节点，传感节点A1作为辅节点。初开状态下，两个传感节点到弹性材质变形体的距离L＝160cm米左右，传感节点的波束角为30°，则θ值为15°，由下式可求得δ的值： 

δ＝L*(1-cosθ)＝160*(1-cos15)＝5.45cm 

由下式可求得δ1的值： 

$\mathrm{\δ}1=L*(1-\sqrt{1-\frac{{\tan }^2\mathrm{\θ}}{4}})=160*(1-\sqrt{1-\frac{{\tan }^{2}15}{4}})=1.44\mathrm{cm}$

由于δ1仅占δ的26％，可见双传感器的布设有效降低了单传感器的敏感死区。 

Claims (4)

1.一种分布式超声波地下空间结构形变区域定位方法，包括多个超声波传感器和一台上位机；所述超声波传感器均为收发一体式超声波传感器；各个超声波传感器均与上位机通信连接；多个超声波传感器均与被测结构表面等间距设置，且多个超声波传感器呈单列设置；超声波传感器的探测区为一圆锥体所围区域；超声波传感器的探测区的中心轴与被测结构表面垂直；相邻两个超声波传感器的位置满足：其中一个超声波传感器的探测区在被测结构表面上投影出的圆形区域的边沿，与另一个超声波传感器的探测区的中心轴相交；其特征在于：该方法包括：

设布设的超声波传感器数量为n，每个超声波传感器即为一个传感节点，多个传感节点按排列次序顺次记为A0、A1......An；上位机和传感节点按如下步骤运行：

1）第一次运行时，上位机为每个传感节点分配相同的工作时长，并按时序控制多个传感节点按A0、A1......An的顺序依次工作，获取各个传感节点的初始测量数据；上位机获取到n个传感节点测得的初始测量数据后，即完成了第一个周期的工作；

2）第二次运行时，上位机为每个传感节点分配相同的工作时长，并按时序控制多个传感节点按A0、A1......An的顺序依次工作，重新获取各个传感节点的当前测量值；

3）根据每个传感节点的当前测量值与初始测量数据的差值，计算得到当前周期内每个传感节点对应位置处的形变量；记录形变量最大值对应的传感节点序号；

4）根据每个传感节点对应的形变量，按下式计算各个传感节点的优先级P_i：

$P_i=\frac{a_i{\mathrm{\λ}}_i}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{\mathrm{\λ}}_i}$

其中，a_i为传感节点Ai的当前测量值与初始测量数据的差值；λ_i为根据传感节点Ai与被测结构表面相对位置而确定的比例系数；P_i为传感节点Ai对应的优先级，i=0、1、2......n；a_iλ_i即为当前周期内，传感节点Ai对应的形变量；

前述的优先级P_i，还可按如下方法进行计算：

计算出各个传感节点在当前周期内的形变量a₀λ₀、a₁λ₁......a_iλ_i......a_nλ_n，以数值大小按从小至大对a₀λ₀、a₁λ₁......a_iλ_i......a_nλ_n进行排序，得到形变量序列，形变量序列中形变量最小值的序号记为1，形变量最大值的序号记为n+1，其余数值的形变量按从小至大的关系顺次用整数连续编号，将各个传感节点对应的序号的数值作为调节参数代入下式：

$P_i=\frac{K_i}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}$

其中，K_i为传感节点Ai对应的调节参数，K_i的值为传感节点Ai对应的形变量在形变量序列中的序号的数值；

计算出优先级P_i后，按下式计算下一周期内各个传感节点的工作时长：

t_i＝T×P_i

其中，t_i为下一周期内传感节点Ai的工作时长；T为完成一个工作周期所需的总时间，

各个工作周期的T取值相同；

5）上位机根据步骤4）的计算结果，调整各个传感节点的工作时长，并按时序控制多个传感节点按A0、A1......An的顺序依次工作，重新获取各个传感节点的当前测量值；重复步骤3）至5）。

2.根据权利要求1所述的分布式超声波地下空间结构形变区域定位方法，其特征在于：步骤3）中，获取到形变量最大值对应的传感节点序号后，按如下方法对最大形变所在区域作进一步定位：

设某一周期内的形变量最大值对应的传感节点序号为A1，与传感节点A1相邻的两个节点分别为传感节点A0和传感节点A2；设传感节点A0、A1、A2的初始测量数据均为L，传感节点A0的当前测量值为L0，传感节点A1的当前测量值为L1，传感节点A2的当前测量值为L2，则传感节点A0对应的形变量为a₀λ₀＝(L-L0)λ₀，传感节点A1对应的形变量为a₁λ₁＝(L-L1)λ₁，传感节点A2对应的形变量为a₂λ₂＝(L-L2)λ₂；比较a₀λ₀和a₂λ₂的大小，若a₀λ₀＜a₂λ₂，则形变量最大值所在区域位于被测结构表面上传感节点A1和传感节点A2的公共探测区域内；若a₀λ₀＞a₂λ₂，则形变量最大值所在区域位于被测结构表面上传感节点A1和传感节点A0的公共探测区域内；若a₀λ₀＝a₂λ₂，则形变量最大值所在区域位于传感节点A1的探测区的中心轴位置处或者传感节点A1和传感节点A2的公共探测区域、传感节点A1和传感节点A0的公共探测区域内均发生了最大形变。

3.根据权利要求2所述的分布式超声波地下空间结构形变区域定位方法，其特征在于：若a₀λ₀＜a₂λ₂的条件满足，按如下步骤进一步确定最大形变所在的区域：

以传感节点A1为主节点，传感节点A2为辅节点，主节点所在位置记为O点，辅节点所在位置记为A点；主节点的探测区的中心轴与被测结构体表面交于O′点；辅节点的探测区的中心轴与被测结构体表面交于A′点,且线段AA′=OO′=L；以直线AO为Y轴、直线OO′为Z轴、O点为坐标原点，建立平面坐标系；主节点的探测区域在坐标系上的投影区为三角形OA′F，辅节点的探测区域在坐标系上的投影区域为三角形AO′E；直线EF与直线A′O′重合；以O点为圆心、L为半径的球面在坐标系上的投影被三角形OA′F所截形成的弧，记为第一探测弧；以A点为圆心、以L2为半径的球面在坐标系上的投影被三角形AO′E所截形成的弧，记为第二探测弧；以O点为圆心、以L1为半径的球面在坐标系上的投影被三角形OA′F所截形成的弧，记为第三探测弧；第三探测弧与第二探测弧交于q1点，q1点在直线EF上的投影记为I点，第三探测弧与直线OA′交于q2点，q2在直线EF上的投影记为B点，q2点与A点距离记为L_q；C点为线段A′O′的中点，过C点作直线AO的垂线，该垂线与第三探测弧交于qc点；第一探测弧与直线OF的交点到直线EF的垂向长度为δ；

根据如下方法判断形变量最大位置在被测结构体上的位置：

1）判断a₁λ₁＜δ的条件是否成立，若不成立，则进入步骤2），若成立，则按如下条件确定最大形变所在位置：

A）如L2=L，则最大形变所在位置位于线段IO′在被测结构体表面上的投影区域内；

B）如L1＜L2＜L，则最大形变所在位置位于线段CI在被测结构体表面上的投影区域内；

C）如L1=L2，则最大形变所在位置位于C点在被测结构体表面上的投影位置；

D）如L_q≤L2＜L1，则最大形变所在位置位于线段BC在被测结构体表面上的投影区域内；

E）如L2＜L_q，则最大形变所在位置位于线段A′B在被测结构体表面上的投影区域内；

2）a₁λ₁＜δ不成立，则a₁λ₁和δ必然满足条件a₁λ₁≥δ，设此种情况下，按如下条件确定最大形变所在位置：

a）如Δ＞1，则最大形变所在位置位于线段CO′在被测结构体表面上的投影区域内；

b）如Δ＝1，则最大形变所在位置位于C点在被测结构体表面上的投影位置处；

c）如Δ＜1，则最大形变所在位置位于线段A′C在被测结构体表面上的投影区域内；

其中，L为传感节点的初始测量数据；L1为主节点的当前测量值；L2为辅节点的当前测量值；

若a₀λ₀＞a₂λ₂的条件满足，则以传感节点A1为主节点，传感节点A0为辅节点，按前述方法确定最大形变在主节点和辅节点之间的具***置；

若a₀λ₀＝a₂λ₂的条件满足：当有两个位置均发生了最大形变，则以传感节点A1为主节点，传感节点A0为辅节点，按前述方法确定第一最大形变在主节点和辅节点之间的具***置；然后，以传感节点A1为主节点，传感节点A2为辅节点，按前述方法确定第二最大形变在主节点和辅节点之间的具***置；当只有一个位置发生了最大形变，则最大形变位置位于传感节点A1的探测区的中心轴在被测结构体上的投影位置。

4.根据权利要求3所述的分布式超声波地下空间结构形变区域定位方法，其特征在于：设主节点和辅节点发射的超声波的波束角相同；所述δ的数值按如下公式计算：

δ＝L*(1-cosθ)；

其中，δ为传感节点探测区范围内，敏感死区在Z轴方向上的最大长度，也即第一探测弧与直线OF的交点到直线EF的垂向长度；L为传感节点的初始测量数据，也即传感节点到被测结构表面的距离；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角；

所述q1点在Y轴上的坐标y1的坐标值由如下方程解出：

(y1+L*tanθ)²+(L1-y1²)＝L2²

其中,L1为主节点的当前测量值,L2为辅节点的当前测量值,L为传感节点的初始测量数据,θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角；

所述qc点在Y轴上的坐标yc按如下公式计算：

$\mathrm{yc}=-\frac{L*\tan \mathrm{\θ}}{2}$

其中，L为传感节点的初始测量数据，也即传感节点到被测结构表面的距离；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角；

所述q2点在Y轴上的坐标y2按如下公式计算：

y2＝-(L1*sinθ)

其中，L1为主节点的当前测量值；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角；

q2点与A点距离L_q按如下公式计算:

$L_q=\sqrt{{(L\tan \mathrm{\θ}-L1\sin \mathrm{\θ})}^2+{L1}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}$

其中，L为传感节点的初始测量数据，也即传感节点到被测结构表面的距离；L1为主节点的当前测量值；θ为Z轴与直线OA′的夹角，也即直线AA′与直线AE的夹角。

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