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基于新型光纤传感网络的大型建筑

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    一、 目的、意义和必要性
    北京作为国际性的大都市，大型建筑、公路桥梁随处可见，尤其是奥运会的临近，必将出现建设高峰。美国、日本等发达国家的经验告诉我们，北京的建设将面临以下几方面的问题：第一，中国建筑金属结构信息网结构建筑越来越多，许多奥运建筑都是中国建筑金属结构信息网，而中国建筑金属结构信息网很容易由于温度、变形、预应力不当、间隙不当等多方面的问题导致钢构件失效，从而导致建筑垮塌；第二，服役几十年的建筑在不断增多，包括很多公路桥梁等，它们的健康安全状况没有科学有效的监测手段；第三，建筑在火灾、地震等灾害后的受损情况和有效性如何快速、科学的评估。
    基于新型光纤传感网络的大型建筑实时健康安全监测系统是采用先进、可靠、经济的技术，应用科学的评估方法，对大型或特殊建筑进行实时的健康安全监测，可以有效地避免或减少各种建筑事故、失效造成的人员伤亡和经济损失。项目意义重大，具有很好的社会效益。
    二、 项目内容介绍
    1. 新型传感器网络研究
    1.1 新型光纤传感器网络
    随着技术的不断创新发展，光纤传感也得到了快速发展。目前，光纤传感器可以用于温度、位移、应力等物理参数的测量，如图1所示。也使光纤传感网络的形成成为可能。本研究项目将会利用光纤作为信号传播媒介，真正形成光纤传感网络，如图2所示。应用示例如图3所示。




    1.2 多传感信息流的集成
    对于建筑健康安全监测系统而言，一个挑战性的工作是针对涉及建筑局部和全局健康安全状态的变量对应的传感信息流进行整合。一般建筑结构的温度状况、变形状况、应力状况决定着建筑的健康状况，而这些参数又互相关联，例如温度的升高，会引起中国建筑金属结构信息网的变形、刚度和强度降低，从而引起铰接部位位移和应力变化。建筑的倒塌往往是多方面因素的综合结果。因此多传感信息流的整合集成可以反映建筑内在的健康状况。

    1.3 基于红外热成像和图像的可视化传感系统
    对于长期使用可能存在腐蚀、高温辐射、外力作用的建筑区重要部位和环节，采用红外热成像和图像系统，可以增大系统的可视化程度，利于专家的判断。红外热成像系统可以对视场范围内温度分布实时监控，提高系统的建筑面的判断分析，补充点型传感方式的不足。
    2. 计算方法与数据库研究
    2.1 高性能的分析计算架构
    实时传感器、视频数据流、物理和统计模型的输出等形成了复杂的数据源，而对复杂数据源的实时、离线分析与整合，需要高性能的分析计算架构。本研究成果将依据图4 的模式进行。

    2.2 应用与数据综合的中间件工具
    在计算体系架构中，从数据收集、过滤、分析、可视化到应用和决策支持需要一系列的中间步骤。中间过程以分析流的形式进行，往往经过运算、查询、迭代等步骤，实质上就是知识发现与数据挖掘流程，如图5所示。

    2.3 网格化实时传感器的数学建模
    由于建筑结构的复杂性，表征建筑健康状况的局部或全局变量与一系列局部或全局建筑的传感信息相关联。因此需要基于温度、位移、应力等一系列网络化的传感器信息流建立计算模型。
    3. 致损探测与数据分析研究
    致损探测和数据分析是建筑健康安全监测系统的关键，将由先进的建筑结构健康监测数据分析软件、神经网络损伤探测软件、随机模式识别软件、可靠性与风险分析软件、物理建模与仿真软件等构成。
    三、 创新点及可能获得的成果和知识产权
    1. 具有自主知识产权的软件体系和架构；
    2. 网络化传感系统；
    四、 北京地区已有的研究开发基础及项目（课题）应用的条件
    1. 北京作为国际性大都市，特殊或重要的建筑物繁多，奥运会临近，建筑的健康安全问题必然会提高议事日程上，所有具有广泛的应用条件和需求。
    2. 北京大专院校和科研院所众多，国内外信息灵通，可以为研发提供传感、软件等多个方面的基础和条件。
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