基于智能手机的多参数监测技术及地震应急响应研究

摘要

土木工程结构的健康监测对保证人民生命和财产安全具有十分重要的意义，且已经取得了较为完善的发展。但大多数的结构健康监测系统造价高、构成复杂、专业性强，目前很难做到大规模的普及应用。尤其地震作用下结构响应的监测主要依赖于建筑结构本身既有的监测系统，属于“守株待兔”式的被动式监测，无法开展主动式监测，普通群众自身更不可能参与到防灾减灾中来并及时了解结构性态。为了更好的完善结构健康监测系统，加强公众参与力度，实现大规模的集群监测，本文利用集传感、计算、网络、存储于一体的且是普通大众最为常见的工具——智能手机，在挖掘智能手机传感技术及地震应急响应方面主要进行了以下工作:
　　(1)从智能手机内置传感器出发，研究了智能手机多参数监测技术。对智能手机内置传感器性能进行了综合性论述，包括CPU、加速度传感器、陀螺仪、摄像头、数据传输性能及数据存储功能。重点对智能手机加速度传感技术、倾角传感技术和外接板传感技术进行了更进一步的研究。通过实验室实验验证了智能手机内置加速度传感器、陀螺仪及外接板在振动数据采集的可行性。并分析了不同版本手机数据采集的稳定性。
　　(2)开发了智能手机监测系统。首先是单机版监测软件“猎户座云细胞(Orion-CC)”，该软件将数据采集、数据存储与计算、数据上传集成。可以实现用户登录，加速度、倾角、图片、GPS位置信息采集，频谱分析、参数输入与索力计算、数据同步上传。并建立了大数据共享网站www.cloudshm.com，用于收集Orion-CC上传的数据，使形成监测大数据成为可能。通过在实验室和实际桥梁的测试验证了该方法的高效、便捷和实用性。然后开发了网络连接下采集系统和控制系统协同工作的智能手机实时监测系统，主要包括控制端、采集端及服务器。并通过跨海大桥的吊装监测应用中验证了该系统的指令控制、数据采集、实时监控及阈值报警功能。
　　(3)基于当前地震结构响应监测与安全评定的现状，探索了智能手机监测方法在地震作用下结构响应监测中的应用。开展振动台实验，对三种工况的框架结构在地震波输入下的加速度和层间位移进行联合监测，重点研究了基于智能手机和激光投射技术的框架结构层间位移监测方法。对比监测结果发现，智能手机传感技术在地震作用下的加速度和位移响应监测是可行的。相比传统的监测仪器，该方法更方便、快捷，适合普通大众使用。
　　(4)对地震作用下框架结构的加速度和位移响应进行了分析，通过小波包能量法对加速度数据处理获取了损伤特征，并通过位移曲线获得了残余位移，证明了智能手机监测数据在结构损伤特征提取中的可行性。针对加速度和位移数据融合，采用频域积分加速度的方法得到层间位移，研究了基于监测数据、一阶振动模态和高-低频截止频率的积分位移修正方法，降低了不确定的截止频率带来的积分误差。
　　(5)针对灾害下运营商网络可能中断的情况以及常规耗时费力的震害调查方式，提出了基于智能手机的紧急通讯方式与灾害快速调查方式。开发了相应APP——E-Explorer，利用iOS平台的多点连接功能，实现无网络下的紧急通讯、信息传输与共享。并提出基于图片采集、问卷调查的震后灾害快速调查与烈度快速评定方法。建立相关网站www.e-explorer.cn收集与发布人员信息，提供救援指导，并收集灾害信息实现烈度快速评定。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 结构健康监测的意义

1．1．2 当前结构健康监测研究现状

1．1．3 结构健康监测所面临的挑战

1．2 智能手机的发展以及所带来的机遇

1．2．1 智能手机的发展历程

1．2．2 智能手机操作系统

1．2．3 智能手机的主要特点

1．2．4 智能手机现状分析

1．2．5 智能手机可感知的用户信息

1．2．6 智能手机在生活中的应用领域

1．2．7 智能手机在结构健康监测中的应用

1．2．8 智能手机的发展带来的机遇

1．3 本文主要研究内容

2 智能手机多参数传感技术

2．1 引言

2．2 手机主要传感器

2．2．1 手机传感器综述

2．2．2 CPU介绍

2．2．3 加速度传感器

2．2．4 陀螺仪

2．2．5 摄像头

2．2．6 数据传输性能

2．2．7 数据存储功能

2．3 智能手机加速度传感技术

2．3．1 智能手机加速度采集实现

2．3．2 智能手机加速度振动台对比实验验证

2．3．3 不同型号智能手机加速度传感性能对比

2．3．4 加速度采集稳定性对比

2．4 智能手机倾角传感技术

2．4．1 智能手机倾角采集实现

2．4．2 实验室静态实验验证

2．4．3 实验室动态实验验证

2．5 外接测试模块传感技术

2．5．1 外接板结构设计与实现

2．5．2 外接板传感实验室振动台验证

2．5．3 外接板传感实验室索力实验验证

2．6 本章小结

3 智能手机监测系统

3．1 引言

3．2．1 Orion-CC登陆介绍

3．2．2 主界面介绍

3．2．3 数据采集介绍

3．2．4 数据计算功能

3．3 网站的建立

3．4 实验室索力实验

3．4．1 测试方法对比

3．4．2 智能手机算法验证

3．5 现场应用一

3．5．1 桥梁介绍

3．5．2 测试描述

3．5．3 测试结果

3．6 现场应用二

3．6．1 桥梁简介

3．6．2 三种传感器对比测试

3．6．3 东南13根索监测

3．6．4 边索测试

3．7 协同工作监测系统

3．7．1 监测系统的设计

3．7．2 控制端

3．7．3 采集端

3．8 监测系统在星海湾跨海大桥吊装中的应用

3．8．1 跨海大桥吊装监测的必要性

3．8．2 星海湾跨海大桥吊装监测对象

3．8．3 传感器子系统

3．8．4 现场吊装监测介绍

3．9 边跨主梁吊装姿态监测验证

3．9．1 监测过程介绍

3．9．2 验证流程

3．9．3 监测结果

3．10主缆吊机姿态监测验证

3．10．1 吊装过程简介

3．10．2 验证流程

3．10．3 监测结果

3．11本章小结

4 基于智能手机的框架结构振动台多参数监测实验研究

4．1 引言

4．2 当前地震作用下结构响应监测与评估现状

4．2．1 当前地震响应监测与安全评定研究进展

4．2．2 存在的问题与挑战

4．2．3 智能手机在地震作用下的结构可监测参数

4．3 框架结构多参数监测振动台实验

4．3．1 框架结构模型

4．3．2 采集设备、传感器、振动台综述

4．3．3 传感器子系统

4．3．4 传感器布置

4．4 智能手机与传统传感器结构监测响应对比

4．4．1 监测工况与地震波输入

4．4．2 加速度响应对比

4．4．3 频谱响应对比

4．4．4 层间位移对比

4．5 本章小结

5 地震作用下基于智能手机监测数据的结构安全评定

5．1 引言

5．2 基于小波包能量变化的结构损伤识别

5．2．1 小波包分解简介

5．2．2 结构动力响应的小波包能量特征向量

5．2．3 损伤指标的构建

5．3 框架结构智能手机监测数据处理

5．3．1 小波包能量分布图

5．3．2 残余位移

5．4 基于智能手机监测数据的加速度积分位移方法

5．4．1 加速度积分位移时域积分

5．4．2 加速度积分位移频域积分

5．4．3 基于其中一层监测位移的积分位移修正方法

5．4．4 基于一阶模态频率及截止频率的积分位移修正方法

5．5 本章小结

6 地震极端情况下的紧急通讯与烈度快速评定

6．1 引言

6．2 应用构建

6．3 紧急通讯

6．3．1 实现原理

6．3．2 震后灾区的紧急通讯

6．3．3 通讯连接实验验证

6．3．4 通讯距离实验验证

6．3．5 信息传输实验验证

6．4 烈度快速评定

6．4．1 传统地震损伤调查方法

6．4．2 智能手机震害调查方法

6．4．3 问卷调查

6．4．4 图片采集

6．4．5 烈度评估

6．4．6 网站的建立

6．5 城市振动台

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

7．3 创新点

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介