一种水工厂房结构健康可视化监控系统

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术：1.本发明涉及水工结构健康监测领域，尤其涉及一种水工厂房结构健康可视化监控系统。技术背景：2.各种水工厂房结构，如水电站、泵站、闸室等，其中包含各种水力、机械和电力设备，工程结构型式复杂、运行工况多变。厂房在内部机组的动力荷载作用下，受长期循环应力作用或结构共振影响，结构存在破坏风险，严重威胁运行安全，如某水电站厂房在长期动力荷载作用下，发电机层立柱出现明显裂缝；某泵站由于设计不当，楼板振动强烈引起裂缝出现。由结构动力学理论可知，结构的动力响应特性对损伤敏感并随之发生改变，因此通常在厂房关键部位布设动力响应传感器，采集结构振动信息并进行分析，进而评价结构的健康状况。这对及时发现结构健康隐患，保障厂房长效安全运行具有重要意义。3.目前，水工厂房结构的动力响应健康监测存在以下几个方面的不足：首先，测得振动响应数据后对结构的损伤诊断多为离线分析，结果缺乏时效性；开展结构振动健康分析的间隔一般较长，缺乏对于结构长期运行下健康状态的跟踪监测、分析和数据管理。随着计算机技术的进步，运用可视化系统进行结构的运维管理已成为一种发展趋势，由于能够直观展示结构各方面的状态信息，目前已在厂房运行的诸多方面得到应用，如机组设备状态监测、电气设备绝缘监测、火灾风险防控、地下洞室渗水监控等。因此，建立能够实现结构健康性态跟踪分析的可视化系统已具备成熟的技术条件和应用环境。4.针对目前水工厂房结构健康监测工作的时效性和系统性不足，无法实现结构健康状态的长效跟踪分析，提出了一种水工厂房结构健康可视化监控系统。通过在结构关键部位设置永久性振动测点，对厂房运行过程中的振动信息进行采集和分析，以实时获取结构的动力特性并对结构健康性态进行分析，通过厂房三维场景平台实现各项系统功能的集成、分析成果的展示与结构健康监测成果的管理。技术实现要素：5.本发明的主要目的在于解决现有技术的不足，提供一种水工厂房结构健康可视化监控系统，建立高精度的三维场景模型作为结构相关信息展示及系统操作的平台，并基于厂房振动响应监测数据，运用结构动力特性分析方法，对厂房关键部位的健康状态进行实时分析，实现结构健康隐患的及时预警。6.本发明采用的技术方案是：7.一种水工厂房结构健康可视化监控系统，包括振动监测模块、三维场景信息平台、数据预处理模块、动力特性分析模块和健康状态分析模块。8.所述的振动监测模块用于采集厂房结构振动响应信息，由结构振动传感器、传感器电源、数据连接线、数据采集仪组成。9.所述的加速度传感器，永久性地布设于结构的关键部位；所述的数据采集仪，将采集的振动数据实时传输至信息平台进行展示与处理。10.所述的三维场景信息平台以真实的厂房运行场景为基础，提供其他系统功能模块操作与分析结果展示的平台，用户通过平台进行厂房结构动力监测信息的查询和分析。11.所述的三维场景信息平台采用次时代建模技术建立工程场景模型，提高模型真实感的同时降低了系统运行的资源消耗。12.所述的数据预处理模块用于提高动力响应数据中有效数据的信噪比，主要包括振动响应的去噪及优势频率振动分量的剔除，处理后的振动数据存储在有效数据库中。13.所述的动力特性分析模块运用动力响应数据的频域分析和时域分析方法，对厂房各关键部位结构的动力特性进行识别，作为结构损伤分析的数据基础，并将分析结果存储在动力特性结果数据库中。14.所述的动力响应数据频域分析以傅里叶分析为基础，识别各结构部位的固有模态参数信息；所述的时域分析以时间序列动态建模为基础，通过模型系数反映结构特性变化。15.所述的健康状态分析模块基于结构动力特性参数建立结构损伤指标，对厂房结构健康性态进行跟踪分析和趋势预警。16.本专利的有益效果在于：17.(1)本系统可实现水工厂房结构振动数据自动化地采集与处理，并实时分析厂房结构的健康状态，对厂房振动数据和结构健康分析成果进行管理，结构健康监控的实时性和系统性强；18.(2)本系统运用次时代建模技术实现厂房三维场景的实时渲染，提高了系统三维场景平台的真实感；以厂房的三维场景作为各种系统功能模块的操作平台，对结构振动及动力特性信息进行更为直观的展示。附图说明：19.图1是本发明的系统模块架构图20.图2是本发明的振动监测模块结构图21.图3是本发明的三维场景模型建模流程图22.图4是本发明的数据预处理模块工作流程图23.图5是本发明的动力特性分析模块工作流程图24.图6是本发明的健康状态分析模块工作流程图25.图7是本发明的厂房三维场景效果灰度图26.图8是本发明的结构健康状态分析结果灰度图具体实施方式：27.以下结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式，本发明专利的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。28.本系统的模块架构如图1所示，包括振动监测模块、三维场景信息平台、数据预处理模块、动力特性分析模块和健康状态分析模块。可视化监控系统以三维场景信息平台为核心，控制其他模块进行厂房结构振动响应的测量、数据处理与健康状态分析等，对各模块的测量或分析结果进行直观展示及相关信息的管理，由此实现厂房结构健康状态的实时预警与跟踪分析。29.如图2为振动监测模块的结构，该模块用于采集厂房正常运行过程中结构的振动响应，由加速度传感器、传感器电源、数据导线、数据采集仪组成。经测点优化后，加速度传感器布设于水工厂房的关键结构部位；数据采集仪的采样频率范围根据结构振动有效频率进行确定，fs＞2fmax，fmax为结构振动有效频段的上限，采集数据实时传输至三维场景信息平台进行展示与分析。30.三维场景信息平台是实现其他模块功能的载体，以真实的厂房运行场景为基础，对各模块的分析结果进行展示。平台基于windows系统、opengl绘图引擎和数据库技术，利用c++程序设计语言编写而成。三维场景模型采用次时代建模技术建立，高度还原真实场景的同时对系统资源的消耗较少。如图3所示，对于厂房结构三维场景信息平台高精度场景模型的建立包括如下步骤：31.(1)收集相关工程资料与图纸，建立厂房结构及内部设备低精度的基本模型；32.(2)运用zbrush建模软件对基本模型刻画厂房结构及内部设备的细部特征，并烘焙出纹理贴图、法线贴图及环境光遮蔽(ao)贴图；33.(3)对基本模型进行uv展开，建立平面贴图与三维模型上各点的对应关系，将基本模型和平面贴图导入opengl，根据uv坐标将三种平面贴图映射到基本模型上，渲染出厂房的高精度场景模型；34.(4)运用opengl的可编程渲染管线，渲染出厂房内部场景真实的环境、光照、材质及粗糙度等效果。35.数据预处理模块用于提高动力特性分析时有效数据的信噪比，如图4，包括响应数据漂移归零、全频域去噪和强周期项去除三个部分。首先，运用递归数字滤波对传感器测量数据的漂移进行归零，然后通过小波包变换方法进行数据的全频域滤波去噪，最后通过盲源分离算法剔除数据中的强周期项。36.动力特性分析模块由数据频域分析和时域分析两部分组成，如图5，频域分析基于某一个测量时段内的振动数据有效值，首先对数据进行傅里叶分析，得到测点振动的能量谱，然后建立多测点的传递率函数对结构各部位的模态参数进行识别，如固有频率、模态振型等。时域分析基于实时更新的测量数据有效值，建立两个测点振动响应之间的广义线性时变时间序列模型，通过对模型系数进行递推估计，实时跟踪结构特性的变化。37.健康状态分析模块包括厂房结构损伤指标建立和损伤预警两部分功能，如图6，频域分析和时域分析时，分别以振动数据能量谱特征变化的相对熵和时间序列模型系数变化的马氏距离作为结构损伤指标，对损伤指标进行实时计算与显示；设置结构损伤监控指标，当损伤指标的改变量大于该阈值时，认为监测部位出现明显结构损伤，系统发出结构损伤预警。38.实施例：39.本实施例针对某输水泵站工程，提供一种水工厂房结构健康可视化监控系统，包括振动监测模块、三维场景信息平台、数据预处理模块、动力特性分析模块和健康状态分析模块。40.振动监测模块对泵站厂房关键部位如主梁、水泵机墩和立柱等进行加速度响应的实时测量，在以上部位永久性布设一定数量的加速度传感器，传感器量程±10g，数据采集设备的采样频率取200～1000hz。41.如图7所示为本系统三维场景的效果图，三维场景信息平台能够直观展示泵站厂房内部结构及各种设备，如电动机层、水轮机层等厂房结构，电动机组、水泵机组、桥吊等设备，并能够呈现不同时间、场景位置下的真实光影效果，支持三维场景任意的拖动、缩放及漫游，具有较好的真实感和沉浸感；此外，平台作为数字沙盘能够容纳测点位置信息、测点监测信息等，方便用户直接在三维场景信息平台中查询工程的监测和分析结果，如图8。42.数据预处理模块的处理流程如下：43.(1)响应数据漂移归零：采用递归数字滤波对测量数据进行处理，消除因传感器温度变化导致的测量数据漂移，对递归参数进行调整，使得均值归零的收敛速度与精度达到平衡；44.(2)全频域去噪：通过小波包变换进行测量数据的多尺度分解，通过设置软硬阈值对各尺度下的噪声分量进行剔除，随后通过数据重构得到去噪后的振动数据；45.(3)强周期项去除：通过振动数据的频谱特征得到由机组运转产生的周期性分量频率值，然后通过盲源分离算法，剔除数据中的强周期性分量，得到结构的特征振动响应。46.动力特性分析模块包括如下步骤：47.(1)频域分析：选定某一个监测时段的振动数据有效值进行傅里叶变换，建立多测点间响应的传递率函数，构造拟频响函数进行结构模态参数的识别，包括结构的固有频率和模态振型等；48.(2)时域分析：以两个测点的数据为基础，建立广义的带输入自回归模型(garx模型)，考虑模型的时变性，通过带遗忘因子的参数递推估计方法对模型系数进行实时估计，表征结构特征的动态变化。49.健康状态分析模块的工作流程如下：50.(1)损伤指标建立：分别对结构动力特性的频域和时域结果建立结构的损伤指标。以结构在最初状态下的动力特性为基础，以振动数据能量谱特征变化的相对熵作为结构频域的损伤指标，以garx模型系数变化的马氏距离作为结构时域的损伤指标，对损伤指标进行归一化；51.(2)损伤预警：将结构损伤的监控指标取为5％，当损伤指标超过这一监控指标并呈现出明显趋势性时，系统向用户发出结构损伤预警。52.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。









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