CN114252005B - 一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法及装置，其方法包括：先采用垂直分布的三层立体网状布局设计基于多模融合导航接收机的建筑物监测网络，再测定建筑物的建筑结构最大偏移量、建筑结构最大倾斜角和建筑结构最大倾斜方位，然后构造具有抗野值影响的高保真容错滤波器并绘制建筑结构的结构形变量随时间变化的曲线，最后结合国际国内相关建筑安全标准判断建筑物是否存在异常变化；本发明通过多台套多模融合导航接收机的组网监测与建筑结构特征量的计算与特征提取，可有效实现对超高建筑结构倾塌风险的感知与警示，提升了对于摩天建筑灾变的风险感知能力，可以准确监测、分析和评估各种因素对于超高建筑安全的影响，做到防患于未然。

Description

一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法及装置
技术领域
本发明涉及城市超高建筑物安全健康监测与灾变预警技术领域，尤其涉及一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法及装置。
背景技术
摩天建筑泛指各种超高的高楼和塔站等建筑物，以大中城市到处林立的高楼为例，摩天高楼是经济高速发展的产物，也是城市经济活力最显性的指标，随着经济的发展，越来越多的城市修建超高层建筑或彰显资本实力或缓解城市人口密集带来的空间需求，近年来，上海和深圳等经济发达城市的高层建筑，其新增建筑结构体平均高度每年都在提升，截至2016年底，中国大中城市已经建成和封顶的百米以上超高层6000多幢、200米以上超高层建筑多达485栋。
随着各地超高建筑的不断涌现，由此带来的结构安全问题也越来越多地受到社会各界的关注，影响到社会稳定和生命财产安全。例如，2021年5月18日，深圳市高355.8米的摩天大楼-深圳赛格大厦发生的不明原因摇晃，引起社会各界关注，国际上，高楼倾斜甚至坍塌的事故近年来也时有发生，例如，2021年3月27日，埃及开罗一处10层住宅楼发生倒塌事故，导致近20人死亡；6月24日，美国迈阿密公寓楼坍塌导致近百人死亡或失踪；11月1日，尼日利亚的拉各斯市的一座在建21层高楼发生坍塌事故，导致超20人死亡。
无论是赛格大厦的抖动、迈阿密公寓楼的坍塌，还是开罗住宅楼的倒塌，都在提醒我们，城市建设追求的不只是高度，更重要的是质量和安全，但是，世界各地不会因深圳赛格大厦2021年5月的几次晃动就停止各种地标性超高建筑的高度指标不断攀升，也不会因迈阿密公寓坍塌事故而回归树巢洞穴，所以急切要做的是提升对于建筑灾变的风险感知能力，提出更加实用的方法去监测、分析和评估各种因素对于超高建筑安全的影响，做到防患于未然，因此，本发明提出一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法及装置以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法及装置，该方法通过多台套多模融合导航接收机的组网监测与建筑结构特征量的计算与特征提取，可有效实现对超高建筑结构倾塌风险的感知与警示，提升了对于摩天建筑灾变的风险感知能力，可以准确监测、分析和评估各种因素对于超高建筑安全的影响。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法，包括以下步骤：
步骤一：采用垂直分布的三层立体网状布局设计建筑物监测网络，并在每层监测网络设置四个的监测点，且每个监测点配置一个接收机和数据转化模块，通过接收机接收卫星导航***实时发送的导航数据，通过数据转化模块将监测点监测数据转送给灾变风险监测中心；
步骤二：记录建筑物监测网络每层四个监测点在tk时刻获取的差分导航定位数据，分别为{(xi,j(tk),yi,j(tk),zi,j(tk)|i＝1,2,3,4；j＝0,1,2}，其中，j为从底向上的三层监测平面的层序号，i为对应层中按顺时针编号的每层四组监测点序号，利用同一层中四组监测点的差分导航定位数据，分别计算该层平面的中心坐标和法向量，根据计算得到的中心坐标和法向量，分别测定建筑物的建筑结构最大偏移量、建筑结构最大倾斜角和建筑结构最大倾斜方位；
步骤三：灾变风险监测中心利用建筑物监测网络不断获取建筑结构采样数据，并构造具有抗野值影响的高保真容错滤波器对采样数据进行滤波和本征信号提取，再根据提取的本征信号绘制建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角随时间变化的曲线，然后结合国际国内相关建筑安全标准判断建筑物是否存在异常变化，并在异常时进行报警和风险处理，实现对建筑物结构倾塌风险的感知与警示。
进一步改进在于：所述步骤一中，所述建筑物监测网络的网络布局按底-中-顶三层结构从下往上依次分布，所述接收机为高精度多模卫星导航接收机，并包括GPS\GNSS\BD以及多模融合的不同模式。
进一步改进在于：所述步骤一中，所述导航数据包括导航电文和差分定位数据，所述接收机通过ZigBee通信网将监测点监测数据转送给灾变风险监测中心。
进一步改进在于：步骤二中，利用tk时刻获取的第j(j＝0,1,2)层4个监测点差分导航定位坐标{(xi,j(tk),yi,j(tk),zi,j(tk)|i＝1,2,3,4}，计算中心坐标
Figure BDA0003427083130000031
计算公式为：
Figure BDA0003427083130000041
利用tk时刻获取的第j(j＝0,1,2)层4个监测点差分导航定位坐标{(xi,j(tk),yi,j(tk),zi,j(tk)|i＝1,2,3,4}，计算平面j(j＝0,1,2)的法向量(lj,mj,nj)，计算公式为：
Figure BDA0003427083130000042
式中：
Figure BDA0003427083130000043
进一步改进在于：利用计算获得的3个不同层面中心坐标
Figure BDA0003427083130000044
计算结构体的最大偏移量，计算公式为：
Figure BDA0003427083130000045
利用三个不同层平面j(j＝0,1,2)的法向量(lj,mj,nj)，计算结构体的最大倾斜角，计算公式为：
Figure BDA0003427083130000046
计算结构体的最大倾斜方位，方位角计算公式为：
Figure BDA0003427083130000051
进一步改进在于：所述步骤三中，构造具有抗野值影响的高保真容错滤波器的具体算法如下：
S1、选取奇数r，设置滑动窗口宽度为L＝3r，对结构体形变度量序列{ξk(tk)}∈{{D0,2(tk)},{θ(tk)},{φ(tk)}}，记{Lξ(tk-s),...,Lξ(tk+s)}为数据片段{ξ(tk-s),...,ξ(tk+s)}按照从小到大排序后的序列，进行滑动三分位容错均值滤波,滤波计算公式为：
Figure BDA0003427083130000052
式中，s＝(3r-1)/2，n为采样数据点数；
S2、将原始数列{ξk(tk)}∈{{D0,2(tk)},{θ(tk)},{φ(tk)}}与三分位容错均值滤波比对做差，形成残差序列Δξ(tk)＝ξ(tk)-Fξ(tk)；
S3、对残差序列{Δξ(tk)}左右两端各补足s个0，形成个数仍然为n的残差序列，再次进行滑动三分位容错均值滤波，得到残差三分位容错滤波：
Figure BDA0003427083130000053
式中，{LΔξ(tk-s),...,LΔξ(tk+s)}为残差片段{Δξ(tk-s),...,Δξ(tk+s)}按照从小到大排序后的数据序列；
S4、利用S3得到的残差三分位容错滤波FΔξ(tk)对S1得到的三分位容错均值滤波Fξ(tk)进行残差补偿，得到数序列{ξk(tk)}∈{{D0,2(tk)},{θ(tk)},{φ(tk)}}双重三分位滑动滤波，计算公式为：
Figure BDA0003427083130000054
即为高保真容错滤波器。
一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测装置，包括分布式的建筑物监测网络和集中式的灾变风险监控中心，所述分布式的建筑物监测网络为垂直分布的三层立体网状布局，且每层监测网络均设置四个监测点，每个监测点配置一个接收机和数据转化模块，并承担卫星导航电文和导航定位实测数据的接收和转发功能，所述灾变风险监控中心包括数据接收模块、中心点坐标和法向量计算模块、结构形变量计算模块、结构形变量滑动滤波与特征提取模块、风险判断模块以及预警模块，所述灾变风险监控中心包括数据接收模块、中心点坐标和法向量计算模块、结构形变量计算模块、结构形变量滑动滤波与特征提取模块、风险判断模块以及预警模块依次连接，所述数据接收模块与建筑物监测网络连接。
进一步改进在于：所述数据接收模块从监测网接收数据，所述中心点坐标和法向量计算模块从建筑物监测网络计算中心点坐标和法向量，所述结构形变量计算模块计算建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角，所述结构形变量滑动滤波与特征提取模块构造高保真容错滤波器并绘制建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角随时间变化的曲线，所述风险判断模块确定建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角是否存在异常变化，所述预警模块在风险判断模块判断建筑物存在异常变化时进行异常报警和风险处理。
本发明的有益效果为：本发明通过设计建筑物监测网络对建筑物的差分导航定位数据进行采集，并计算包含最大偏移量、最大倾斜角和最大倾斜方位在内的结构形变量，从而便于对摩天建筑进行风险判断，且构造的高保真容错滤波器可以对接收机等监测设备进行数据滤波，使数据更为精确，通过多台套多模融合导航接收机的组网监测与建筑结构特征量的计算与特征提取，可有效实现对超高建筑结构倾塌风险的感知与警示，提升了对于摩天建筑灾变的风险感知能力，可以准确监测、分析和评估各种因素对于超高建筑安全的影响，做到防患于未然。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一的方法流程示意图；
图2是本发明实施例一的不同形状水平截面上四个监测点布局示意图；
图3是本发明实施例二的装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1、图2，本实施例提供了一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法，包括以下步骤：
步骤一：采用垂直分布的三层立体网状布局设计建筑物监测网络，并在每层监测网络设置四个的监测点，且每个监测点配置一个接收机和数据转化模块，通过接收机接收卫星导航***实时发送的导航数据，通过数据转化模块将监测点监测数据转送给灾变风险监测中心，建筑物监测网络的网络布局按底-中-顶三层结构从下往上依次分布，接收机为高精度多模卫星导航接收机，并包括GPS\GNSS\BD以及多模融合的不同模式，导航数据包括导航电文和差分定位数据，接收机通过ZigBee通信网将监测点监测数据转送给灾变风险监测中心；
步骤二：记录建筑物监测网络每层四个监测点在tk时刻获取的差分导航定位数据，分别为{(xi,j(tk),yi,j(tk),zi,j(tk)|i＝1,2,3,4；j＝0,1,2}，其中，j为从底向上的三层监测平面的层序号，i为对应层中按顺时针编号的每层四组监测点序号，利用同一层中四组监测点的差分导航定位数据，分别计算该层平面的中心坐标和法向量，根据计算得到的中心坐标和法向量，分别测定建筑物的建筑结构最大偏移量、建筑结构最大倾斜角和建筑结构最大倾斜方位；
利用tk时刻获取的第j(j＝0,1,2)层4个监测点差分导航定位坐标{(xi,j(tk),yi,j(tk),zi,j(tk)|i＝1,2,3,4}，计算中心坐标
Figure BDA0003427083130000081
计算公式为：
Figure BDA0003427083130000091
利用tk时刻获取的第j(j＝0,1,2)层4个监测点差分导航定位坐标{(xi,j(tk),yi,j(tk),zi,j(tk)|i＝1,2,3,4}，计算平面j(j＝0,1,2)的法向量(lj,mj,nj)，计算公式为：
Figure BDA0003427083130000092
式中：
Figure BDA0003427083130000093
利用计算获得的3个不同层面中心坐标
Figure BDA0003427083130000094
计算结构体的最大偏移量，计算公式为：
Figure BDA0003427083130000095
利用三个不同层平面j(j＝0,1,2)的法向量(lj,mj,nj)，计算结构体的最大倾斜角，计算公式为：
Figure BDA0003427083130000101
计算结构体的最大倾斜方位，方位角计算公式为：
Figure BDA0003427083130000102
步骤三：灾变风险监测中心利用建筑物监测网络不断获取建筑结构采样数据，并构造具有抗野值影响的高保真容错滤波器对采样数据进行滤波和本征信号提取，再根据提取的本征信号绘制建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角随时间变化的曲线，然后结合国际国内相关建筑安全标准判断建筑物是否存在异常变化，并在异常时进行报警和风险处理，实现对建筑物结构倾塌风险的感知与警示；
构造具有抗野值影响的高保真容错滤波器的具体算法如下：
S1、选取奇数r，设置滑动窗口宽度为L＝3r，对结构体形变度量序列{ξk(tk)}∈{{D0,2(tk)},{θ(tk)},{φ(tk)}}，记{Lξ(tk-s),...,Lξ(tk+s)}为数据片段{ξ(tk-s),...,ξ(tk+s)}按照从小到大排序后的序列，进行滑动三分位容错均值滤波,滤波计算公式为：
Figure BDA0003427083130000103
式中，s＝(3r-1)/2，n为采样数据点数；
S2、将原始数列{ξk(tk)}∈{{D0,2(tk)},{θ(tk)},{φ(tk)}}与三分位容错均值滤波比对做差，形成残差序列Δξ(tk)＝ξ(tk)-Fξ(tk)；
S3、对残差序列{Δξ(tk)}左右两端各补足s个0，形成个数仍然为n的残差序列，再次进行滑动三分位容错均值滤波，得到残差三分位容错滤波：
Figure BDA0003427083130000111
式中，{LΔξ(tk-s),...,LΔξ(tk+s)}为残差片段{Δξ(tk-s),...,Δξ(tk+s)}按照从小到大排序后的数据序列；
S4、利用S3得到的残差三分位容错滤波FΔξ(tk)对S1得到的三分位容错均值滤波Fξ(tk)进行残差补偿，得到数序列{ξk(tk)}∈{{D0,2(tk)},{θ(tk)},{φ(tk)}}双重三分位滑动滤波，计算公式为：
Figure BDA0003427083130000112
只要滑动窗口内野值斑点的异常数据个数不达到窗口内数据点个数的1/3，滤波结果都不会受异常数据影响而失真，因此，本发明滤波算法具有好的容错保真能力，即为高保真容错滤波器。
实施例二
参见图3，本实施例提供了一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测装置，包括分布式的建筑物监测网络和集中式的灾变风险监控中心，分布式的建筑物监测网络为垂直分布的三层立体网状布局，且每层监测网络均设置四个监测点，每个监测点配置一个接收机和数据转化模块，并承担卫星导航电文和导航定位实测数据的接收和转发功能，灾变风险监控中心包括数据接收模块、中心点坐标和法向量计算模块、结构形变量计算模块、结构形变量滑动滤波与特征提取模块、风险判断模块以及预警模块，灾变风险监控中心包括数据接收模块、中心点坐标和法向量计算模块、结构形变量计算模块、结构形变量滑动滤波与特征提取模块、风险判断模块以及预警模块依次连接，数据接收模块与建筑物监测网络连接。
数据接收模块从建筑物监测网络接收数据，中心点坐标和法向量计算模块从建筑物监测网络计算中心点坐标和法向量，结构形变量计算模块计算建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角，结构形变量滑动滤波与特征提取模块构造高保真容错滤波器并绘制建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角随时间变化的曲线，风险判断模块确定建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角是否存在异常变化，预警模块在风险判断模块判断建筑物存在异常变化时进行异常报警和风险处理。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采用垂直分布的三层立体网状布局设计建筑物监测网络，并在每层监测网络设置四个的监测点，且每个监测点配置一个接收机和数据转化模块，通过接收机接收卫星导航***实时发送的导航数据，通过数据转化模块将监测点监测数据转送给灾变风险监测中心；
步骤二：记录建筑物监测网络每层四个监测点在tk时刻获取的差分导航定位数据，分别为{(xi,j(tk),yi,j(tk),zi,j(tk)|i＝1,2,3,4；j＝0,1,2}，其中，j为从底向上的三层监测平面的层序号，i为对应层中按顺时针编号的每层四组监测点序号，利用同一层中四组监测点的差分导航定位数据，分别计算该层平面的中心坐标和法向量，根据计算得到的中心坐标和法向量，分别测定建筑物的建筑结构最大偏移量、建筑结构最大倾斜角和建筑结构最大倾斜方位；
步骤三：灾变风险监测中心利用建筑物监测网络不断获取建筑结构采样数据，并构造具有抗野值影响的高保真容错滤波器对采样数据进行滤波和本征信号提取，再根据提取的本征信号绘制建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角随时间变化的曲线，然后结合国际国内相关建筑安全标准判断建筑物是否存在异常变化，并在异常时进行报警和风险处理，实现对建筑物结构倾塌风险的感知与警示，构造具有抗野值影响的高保真容错滤波器的具体算法如下：
S1、选取奇数r，设置滑动窗口宽度为L＝3r，对结构体形变度量序列{ξk(tk)}∈{{D0,2(tk)},{θ(tk)},{φ(tk)}}，记{Lξ(tk-s),...,Lξ(tk+s)}为数据片段{ξ(tk-s),...,ξ(tk+s)}按照从小到大排序后的序列，进行滑动三分位容错均值滤波,滤波计算公式为：
Figure FDA0004223822910000021
式中，s＝(3r-1)/2，n为采样数据点数；
S2、将原始数列{ξk(tk)}∈{{D0,2(tk)},{θ(tk)},{φ(tk)}}与三分位容错均值滤波比对做差，形成残差序列Δξ(tk)＝ξ(tk)-Fξ(tk)；
S3、对残差序列{Δξ(tk)}左右两端各补足s个0，形成个数仍然为n的残差序列，再次进行滑动三分位容错均值滤波，得到残差三分位容错滤波：
Figure FDA0004223822910000022
式中，{LΔξ(tk-s),...,LΔξ(tk+s)}为残差片段{Δξ(tk-s),...,Δξ(tk+s)}按照从小到大排序后的数据序列；
S4、利用S3得到的残差三分位容错滤波FΔξ(tk)对S1得到的三分位容错均值滤波Fξ(tk)进行残差补偿，得到数序列{ξk(tk)}∈{{D0,2(tk)},{θ(tk)},{φ(tk)}}双重三分位滑动滤波，计算公式为：
Figure FDA0004223822910000023
即为高保真容错滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法，其特征在于：所述步骤一中，所述建筑物监测网络的网络布局按底-中-顶三层结构从下往上依次分布，所述接收机为高精度多模卫星导航接收机，并包括GPS\GNSS\BD以及多模融合的不同模式。
3.根据权利要求1所述的一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法，其特征在于：所述步骤一中，所述导航数据包括导航电文和差分定位数据，所述接收机通过ZigBee通信网将监测点监测数据转送给灾变风险监测中心。
4.根据权利要求1所述的一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法，其特征在于：所述步骤二中，利用tk时刻获取的第j(j＝0,1,2)层4个监测点差分导航定位坐标{(xi,j(tk),yi,j(tk),zi,j(tk)|i＝1,2,3,4}，计算中心坐标
Figure FDA0004223822910000031
计算公式为：
Figure FDA0004223822910000032
利用tk时刻获取的第j(j＝0,1,2)层4个监测点差分导航定位坐标{(xi,j(tk),yi,j(tk),zi,j(tk)|i＝1,2,3,4}，计算平面j(j＝0,1,2)的法向量(lj,mj,nj)，计算公式为：
Figure FDA0004223822910000033
式中：
Figure FDA0004223822910000041
5.根据权利要求4所述的一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法，其特征在于：利用计算获得的3个不同层面中心坐标
Figure FDA0004223822910000042
(j＝0,1,2)，计算结构体的最大偏移量，计算公式为：
Figure FDA0004223822910000043
利用三个不同层平面j(j＝0,1,2)的法向量(lj,mj,nj)，计算结构体的最大倾斜角，计算公式为：
Figure FDA0004223822910000044
计算结构体的最大倾斜方位，方位角计算公式为：
Figure FDA0004223822910000045
6.应用于权利要求1所述的一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法的监测装置，其特征在于，包括分布式的建筑物监测网络和集中式的灾变风险监控中心，所述分布式的建筑物监测网络为垂直分布的三层立体网状布局，且每层监测网络均设置四个监测点，每个监测点配置一个接收机和数据转化模块，并承担卫星导航电文和导航定位实测数据的接收和转发功能，所述灾变风险监控中心包括数据接收模块、中心点坐标和法向量计算模块、结构形变量计算模块、结构形变量滑动滤波与特征提取模块、风险判断模块以及预警模块，所述灾变风险监控中心包括数据接收模块、中心点坐标和法向量计算模块、结构形变量计算模块、结构形变量滑动滤波与特征提取模块、风险判断模块以及预警模块依次连接，所述数据接收模块与建筑物监测网络连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于摩天建筑的便捷式摆动监测方法的监测装置，其特征在于：所述数据接收模块从监测网接收数据，所述中心点坐标和法向量计算模块从建筑物监测网络计算中心点坐标和法向量，所述结构形变量计算模块计算建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角，所述结构形变量滑动滤波与特征提取模块构造高保真容错滤波器并绘制建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角随时间变化的曲线，所述风险判断模块确定建筑结构的最大偏离量、最大倾斜角和最大倾斜方位角是否存在异常变化，所述预警模块在风险判断模块判断建筑物存在异常变化时进行异常报警和风险处理。
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