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基于新型光纖傳感網絡的大型建筑

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    一、 目的、意義和必要性
    北京作為國際性的大都市，大型建筑、公路橋梁隨處可見，尤其是奧運會的臨近，必將出現建設高峰。美國、日本等發達國家的經驗告訴我們，北京的建設將面臨以下幾方面的問題：第一，鋼結構結構建筑越來越多，許多奧運建筑都是鋼結構，而鋼結構很容易由于溫度、變形、預應力不當、間隙不當等多方面的問題導致鋼構件失效，從而導致建筑垮塌；第二，服役幾十年的建筑在不斷增多，包括很多公路橋梁等，它們的健康安全狀況沒有科學有效的監測手段；第三，建筑在火災、地震等災害后的受損情況和有效性如何快速、科學的評估。
    基于新型光纖傳感網絡的大型建筑實時健康安全監測系統是采用先進、可靠、經濟的技術，應用科學的評估方法，對大型或特殊建筑進行實時的健康安全監測，可以有效地避免或減少各種建筑事故、失效造成的人員傷亡和經濟損失。項目意義重大，具有很好的社會效益。
    二、 項目內容介紹
    1. 新型傳感器網絡研究
    1.1 新型光纖傳感器網絡
    隨著技術的不斷創新發展，光纖傳感也得到了快速發展。目前，光纖傳感器可以用于溫度、位移、應力等物理參數的測量，如圖1所示。也使光纖傳感網絡的形成成為可能。本研究項目將會利用光纖作為信號傳播媒介，真正形成光纖傳感網絡，如圖2所示。應用示例如圖3所示。




    1.2 多傳感信息流的集成
    對于建筑健康安全監測系統而言，一個挑戰性的工作是針對涉及建筑局部和全局健康安全狀態的變量對應的傳感信息流進行整合。一般建筑結構的溫度狀況、變形狀況、應力狀況決定著建筑的健康狀況，而這些參數又互相關聯，例如溫度的升高，會引起鋼結構的變形、剛度和強度降低，從而引起鉸接部位位移和應力變化。建筑的倒塌往往是多方面因素的綜合結果。因此多傳感信息流的整合集成可以反映建筑內在的健康狀況。

    1.3 基于紅外熱成像和圖像的可視化傳感系統
    對于長期使用可能存在腐蝕、高溫輻射、外力作用的建筑區重要部位和環節，采用紅外熱成像和圖像系統，可以增大系統的可視化程度，利于專家的判斷。紅外熱成像系統可以對視場范圍內溫度分布實時監控，提高系統的建筑面的判斷分析，補充點型傳感方式的不足。
    2. 計算方法與數據庫研究
    2.1 高性能的分析計算架構
    實時傳感器、視頻數據流、物理和統計模型的輸出等形成了復雜的數據源，而對復雜數據源的實時、離線分析與整合，需要高性能的分析計算架構。本研究成果將依據圖4 的模式進行。

    2.2 應用與數據綜合的中間件工具
    在計算體系架構中，從數據收集、過濾、分析、可視化到應用和決策支持需要一系列的中間步驟。中間過程以分析流的形式進行，往往經過運算、查詢、迭代等步驟，實質上就是知識發現與數據挖掘流程，如圖5所示。

    2.3 網格化實時傳感器的數學建模
    由于建筑結構的復雜性，表征建筑健康狀況的局部或全局變量與一系列局部或全局建筑的傳感信息相關聯。因此需要基于溫度、位移、應力等一系列網絡化的傳感器信息流建立計算模型。
    3. 致損探測與數據分析研究
    致損探測和數據分析是建筑健康安全監測系統的關鍵，將由先進的建筑結構健康監測數據分析軟件、神經網絡損傷探測軟件、隨機模式識別軟件、可靠性與風險分析軟件、物理建模與仿真軟件等構成。
    三、 創新點及可能獲得的成果和知識產權
    1. 具有自主知識產權的軟件體系和架構；
    2. 網絡化傳感系統；
    四、 北京地區已有的研究開發基礎及項目（課題）應用的條件
    1. 北京作為國際性大都市，特殊或重要的建筑物繁多，奧運會臨近，建筑的健康安全問題必然會提高議事日程上，所有具有廣泛的應用條件和需求。
    2. 北京大專院校和科研院所眾多，國內外信息靈通，可以為研發提供傳感、軟件等多個方面的基礎和條件。
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