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一个在W2T框架下的建筑结构安全的智能监控系统

摘 要： 建筑结构的安全监测系统(SBS)可以为人们提供与建筑中主要支持点相关的重要数据，然后帮助人们作出合理的维修计划。然而,越来越多的数据带来数据管理和数据挖掘面临的挑战。为了迎接这一挑战,智慧网络的框架下的东西(W2T),我们设计了对SBS的一个监控系统通过使用语义和多源数据融合技术。这个系统建立了一个在物理世界(建筑),社会世界(人类)和网络世界(电脑)之间的动态数据周期，并提供了在监测过程中的各种服务来减轻工程师的工作量。此外,世界网络中的所有数据被组织为原始数据,语义信息和多源知识。在这个组织的基础上,我们可以集中精力在时间,空间和多传感器观点上的数据融合。最后,一个由语义平台LarKC运行的原型系统从样品的性能和时间方面进行了消费测试。特别是,嘈杂的数据(例如,检测到不一致、异常或错误数据)通过融合多源知识,和一些基于规则的推理进行提供个性化服务。

1. 简介

今天许多标志性建筑和新建筑技术或新建筑材料已逐渐出现,总是有独特新颖的外观和结构。相对于这些新建筑,很多城市的旧建筑也进入维护阶段。与此同时,大规模的城市建设将影响现有的建筑的安全。在建筑工程领域,在那工作和生活的人的建筑结构的安全(SBS),是结构工程师关心的问题,也是建筑结构健康一个重要的方面。建筑是一个复杂的机械结构系统,是一个空间力系并旨在抵御各种负载。每个建筑都有自己的特点并对一些类型的内部或外部的刺激做出反应。确保SBS的传统方法是安排定期手动测试。根据测试结果,维护和维修建筑可以安排。然而,工程师们通过的测试将会导致一些问题:(1)由于不同的人员经验的工程师,这些测试结果存在差异;(2)测试数据不能获得持续,所以实时预警不能实现;(3)随着时间的流逝，人力成本会更高。

物联网的出现(物联网)使监控建筑结构的实时变化成为可能。各种各样的数据采集仪器(讲台)可以以不同的方式(如、wi - fi、GPRS、3 g)通过互联网相互连接,所以一个巨大的网络形成来收集任何数据的事情和人,关于建筑结构的大数据在一步一步新兴。正如Gross[1](gdp)说,互联网将成为地球上的一个电子“皮肤”,连接数以百万计的嵌入电子测量传感器。这些可以调查和监控城市,濒危物种,大气,舰队的船只,公路,卡车,我们的身体，甚至是我们的梦想。SBS是一种安装在一个建筑中的监测系统的“皮肤”。这个系统中的每个传感器可以感知力量支持的细微的变化点。物联网连接这些分散的传感器有效地形成一个网络,建筑健康可以作为一个整体被监控。

目前,一些里程碑式的摩天大楼或在重要的交通道路的桥梁已经或正在准备被安装在监控系统中。但不同的建筑经常使用不同的监测系统。此外,建筑的机械特性不能只被一种类型的传感器反映。传感器和监控计划的类型也五花八门。一般来说,建筑的监控过程将持续数年,甚至整个建筑物的寿命。这些客观因素导致SBS的监控系统有长时间服务,复杂的监控对象和多样化的数据类型的特点。当这些感觉数据不断地时时刻刻地出来,工程师们必须做很多繁重的工作,例如排序和分类数据,数值分析和异常处理。建筑,电脑和用户是三个分开的部分，整个系统的智能水平仍然相对较低。作为信息化的城市,越来越多的监控系统将被使用,这将加剧工程师的负担。所以传统技术存在一些在传感器管理、数据管理、运营效率和系统的情报的问题。如何集成这些数据,管理这些传感器,融合这些信息,并缓解工程师的负担?所有这些问题出现在我们面前。因此,它需要一个系统化的方法,可使监控系统更加可靠、高效和智能化。

钟山等人提出的智慧网络的概念事情(W2T)代表一个整体的智能方法实现人类的和谐共生,计算机,在智慧城市使用大数据的事情。在智慧城市每一个专业领域的数据与互联网连接在一起,各个领域作为一个建筑的能源管理[3],监控水资源[4],控制交通[5]将形成一个智能节点。所有这些应用程序及其知识不应该被限制在特定的区域内,和共享和互联互通的数据不同，字段应该考虑在城市范围内。W2T是在物联网时代智慧网络的延伸。“智慧”意味着每个事物的物联网能被自己和他人意识到，并在正确的时间和正确的对象提供正确的服务，上下文的基础上多源异构的知识。

本文提出了SBS的监控系统下W2T框架,它可以有效地感知在城市的各个建筑的结构状态，各种现有的实时感知数据集成知识。这个系统包含一个W2T数据周期,这不是一个简单的社会世界(工程师或业主),物理世界建筑(或传感器),和网络世界(电脑)的组合。数据、服务和行动连接这三个世界。数据是物理世界的缩影,代表了它的变化。服务来自感知数据的融合和知识在社会世界服务于人类。这里的社会并不意味着监控过程需要手动干预。它在这个数据周期有三个贡献:(1)知识的来源;(2)服务的对象;(3)物质世界的影响。最后,人们可以执行一些操作影响建筑,然后将结果再次自动反映。数据循环形成，物质世界(建筑)和社会(人类)是由网络连接在一起的世界(电脑)。

本文的其余部分组织如下。第二节介绍了SBS监测系统的相关工作。第三节提出SBS W2T的框架下的监控系统,分析其整体成分和人类之间的关系,事物,电脑。第四节给出了原始数据的层次的组织，语义信息,源知识。各种各样的实时数据和源知识可以融合提供个性化的智能服务。第五节测试抽样的原型系统性能和查询响应时间并提供了一些规则来检测异常数据,满足用户需求。第六节提供了一些安全注意事项作为一个知识共享节点。第七节给出了结论和未来工作。

1. 相关工作

随着经济发展,SBS的重要性越来越明显和标准，SBS应该增加合理性和经济性[6]。合理解决SBS的争论已持续了很长一段时间[7]。实验数据的基地用于制定和修改标准也是一个建筑健康指示器的一部分[8]。许多监测系统已经部署在不同SBS的建筑。 Moriconi和Naik介绍的计算机监控系统已被使用了一些年[9]。本文中描述的应用程序为混凝土结构,包括一个钢结构暴露在海风的亚得里亚海海岸，在意大利安科纳,马尔凯。系统监控和通过嵌入式电极和发送文件记到计算机中通过记录通信线路的结构和天气。收集到的电脑数据被保存备份文件,分析,最后通过调制解调器发送到监测站来进行进一步处理和传播给建筑师,工程师,和所有者。在这种方式下,结构的早期评估是可能的，因此,可以减少维护成本,提高结构的耐久性和使用寿命。久保等人介绍了一个在日本的监控[10]。他们应用地震早期预警系统和实时强烈运动监控系统的组合进入紧急状态，在东京新宿区对两个高层建筑作出反应。建筑有42个通道的传感器,由servo-type加速度计的抽样率是100 hz,频率范围是0.1到30赫兹,数据测量是0.05到1000加。他们提高这些系统和应急手册，在这些建筑教育人们如何使用这些系统有效。苏等人介绍了一个在上海中心大厦使用的监控系统,由400多个传感器组成，是专为在建筑和在职实时监测摩天大楼[11]。介绍和讨论了初步的监测数据,包括垂直沉降、水平度、水平位移和应变/应力。一年期监测在施工阶段锻炼显示了令人满意的应变传感器和性能数据采集系统。

与此同时,新的传感技术,如无线传感器技术和新的传感技术已被用来提高系统的实用性。张等人展示了基于无线传感器网络的无线个域网技术是用于数据采集,然后在电脑上该软件是用Java编写的来检查通过无线电UART端口的节点传输的消息，被设计为接收无线传感器数据[12]。他们使用MySQL保存这些监控数据。一个基于web的系统开发允许用户使用数据的类型,传感器的位置和时间数据采集这些参数来挖掘数据库。牛等人设计了一种基于结构健康监测系统(SHM)的无线传感器网络[13]。在每个传感器节点加速数据,同步采样,运输到数据处理计算机基础站。为了达到较高的网络吞吐量,一个减少数据包碰撞和能源消耗的时分多址(TDMA)方法被提出。测试结果表明这种方法可以减少信号的碰撞,提高数据吞吐量。陆等人提出传感系统可进行连续监测建筑物结构和生成监测报告[14]。该系统采用无线传感系统，用于持续监控和实验验证新八层隔离钢筋混凝土建筑。本文的重点是程序错误检查和通过连续的系统。因为建筑的不规则结构，智能传感器的位置可以修改。张和李为大跨度空间结构设计了模块化的结构健康监测系统[15]。介绍了无线应力和应变对钢结构测量设备,电缆张力测量技术,薄膜应力测量设备、仪器结构位移、风环境监测设备以及本地和远程监控软件。所有上面提到的模块是相互独立的，根据项目需求彼此可以选择和组合。Goldoni和Gamba 提出了WTREMORS,一种新的分布式数据采集高频无线传感系统[16]。他们开发了一个完整的软件架构将无线传感器网络(WSN)与现有的测量系统集合。他们的原型系统通过振动测试，在一个被控制的环境中进行测试验证方法和识别问题。初步结果表明,他们的解决方案可以有效地监测地震活动提供高可靠性和良好的性能。

几乎所有的系统要注意针对特定的应用程序,更准确数据收集、数据传输更快,更有效网络设计等这些方面。SBS数据的快速增长,如何标准化、管理和挖掘这些数据成为了一个大问题。利用语义技术做得好解决物联网设备之间的互操作性的问题[17]。介绍了一些语义标注方法比如这些设备在物联网的描述方法[18]。基于语义的相关性数据,semantic-aware信息可以为用户提供他们的要求[19]。本文为一种充分利用这些数据和语义技术融合多源知识提供定制服务的新方法铺平了道路。

1. W2T框架下的监控系统架构

监控系统架构下的SBS W2T框架是图1所示。我们周围的物质世界是应该感觉到的世界。社会世界是人类行动和思考的地方。计算机网络世界是其他两个世界之间的桥梁。更具体地说,在网络世界的服务可以通过传感器收集来自物理世界的数据和知识创造的人类社会。根据这些服务人类可以行为和影响建设,所以社交世界,物理世界,网络世界是通过数据连接在一起的,服务,行动,和有效的数据周期形成了。

图1. W2T框架下的监控系统

3.1 W2T框架

现有的监测系统对SBS一直专注于数据的收集和转换为工程师提供大量的冗余数据。这导致的结果,工程师必须花那么多时间在检测和处理无效数据。这是一个现象,影响系统的效率和阻碍人类之间的数据交换,电脑,和事物。W2T是整体智能架构,系统设计师认为从视图的数据共享和数据周期。W2T数据循环系统是为了实现这样一个循环,即“从事情的数据、信息、知识、智慧,服务,人和,然后回事情。“这些数据周期不仅关注一些细节,也涵盖了不同用户的需要。W2T是需要提供一个正确的动态服务对动态对象在对动态时间和在动态环境满足动态需求动态变化的超级世界[2]。W2T框架下,这是不够的,在这个系统里的数据和知识梅伊拿这个应用程序的需求。所有的数据和知识应该投入庞大的网络,形成一个资源节点提供专业知识和从其他地方享受着知识。从外部用户的角度来看,网络上的一切都是活着的[20]和获得嵌入式智能[21]。

SBS是一个multifield融合的监控系统项目,包括工程力学、电子技术和软件工程,涉及一系列标准的建设,电子仪器,和探索。这些知识不能来自一个人。W2T提供一个设计理念,我们可以融合工程师在不同领域的知识,形成一个有效的数据周期中这三个世界动态。从服务的角度来看,该系统的设计目标不同用户的要求。

3.2 物理世界

在建筑的范围内,我们开发的监控系统主要由三部分组成:监控中心数据服务器,传感器测量的点,和由中国科学院建设研究的讲台,这是让这些传感器谐波工作的关键。

传感器。不同的监测参数需要不同类型的传感器。传感器的选择应遵循以下步骤:(1)选择正确的类型的传感器监测参数;(2)选择范围的传感器,精度和频率响应在额定范围内提前估计;(3)检查传感器的尺寸和重量是否适合安装位置;(4)考虑与讲台综合数据接口和电源。常用的传感器监测建筑结构如图2所示((a)加速度计、(b)测斜仪,(c)温湿计,和(d)振动金属丝应变传感器)。这些传感器的选择和安装在一些重要的职位决定建筑的结构特点和连接在一起的讲台。

图2. 常用的传感器

数据采集仪器。数据采集仪器(DAI)负责接收命令,执行特定的数据收集,和检测异常情况。DAI应该匹配的传感器监测领域;例如,如果传感器数字总线如UART,SPI,或I2C,DAI必须有相同的;如果传感器输出模拟,DAI应该配备了A / D转换模块，精度和采样率应满足要求。DAI是一个数据服务器和传感器之间的桥梁,DAI必须具有以下特点:(1)访问互联网或局域网通过有线或无线方式;(2)从数据服务器接受的命令;(3)不同的感知数据格式转换成标准的一个。在测点的局域网电缆、有线传输可以选择,但在一些特殊点的结构,没有适当的条件铺设电缆,无线个域网、wi - fi、或3 g可以用于连接这些祭台数据服务器[22]。无线连接的方式克服了缺点,简单,容易安装和调试设备。无线传输协议的选择取决于数据传输的距离和速度,与此同时,系统功耗和无线电干扰来源应考虑。如图3所示,这个DAI(设备类型:BETC-DY)有四个通道,四个压力传感器可以连接，真正的16-bit峰的分辨率可以实现的每个通道1 kHz的采样频率,使其非常适合高分辨率的多路复用应用程序。

图3. 四个频道的无线数据采集仪器

数据服务器。数据服务器的主要功能包括在线传感器识别、DAI参数设置,启动/停止数据采集、异常状态检查,和数据存储、显示和分析。而收集的数据是连续存储在数据服务器上,数据服务器为远程用户或提供个性化服务应用程序通过一个特定的端口,并将成为一个重要的智慧城市服务节点。数据服务器之间的通信的基本过程和讲台

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