CN107205285A - 结构健康监测系统、收集装置以及结构健康监测方法 - Google Patents

Abstract

现有的结构健康监测系统将多个传感装置的测量数据收集到1台计算机或中继装置时，由于传感装置的通信距离变长，导致通信时的消耗功率显著增加。而本发明提供一种结构健康监测系统以及结构健康监测方法，所述结构健康监测系统具备多个传感装置、多个收集装置以及数据处理装置，所述多个传感装置针对多个构造物分别各设置至少一个，检测作为对象的构造物的物理量，所述多个收集装置对应分别包含多个构造物中至少一个构造物的各构造物组而设置，分别以无线方式收集作为对象的构造物组中所包含的各构造物中所设置的各传感装置检测出的物理量数据，所述数据处理装置连接到多个收集装置，从多个收集装置接收由多个收集装置收集到的物理量数据。

Description

结构健康监测系统、收集装置以及结构健康监测方法

技术领域

本发明涉及一种结构健康监测系统、收集装置以及结构健康监测方法。

背景技术

结构健康监测系统监测建筑物等构造物的振动，诊断构造物的损伤、年久老化等结构性能。结构健康监测系统例如由包括检测构造物振动的加速度传感器等的传感装置、对传感装置的测量数据进行分析的计算机构成(例如，专利文献1、2)。

这种结构健康监测系统由各传感装置以有线或无线方式发送测量数据，从而由计算机或中继装置收集多个传感装置的测量数据。

专利文献1：日本专利特开2015-111091号公报

专利文献2：日本专利特开2014-174715号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，现有的结构健康监测系统由于作为对象的构造物配置不同，从多个传感装置向1台计算机或中继装置无线发送测量数据时，由于传感装置的通信距离变长，导致通信时的消耗功率显著增加。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的第1实施方式提供一种结构健康监测系统、收集装置以及结构健康监测方法，所述结构健康监测系统具备多个传感装置、多个收集装置以及数据处理装置，所述多个传感装置针对多个构造物分别各设置至少一个，检测作为对象的构造物的物理量，所述多个收集装置对应分别包含多个构造物中至少一个构造物的各构造物组而设置，分别以无线方式收集作为对象的构造物组中所包含的各构造物中所设置的各传感装置检测出的物理量数据，所述数据处理装置连接到多个收集装置，从多个收集装置接收由多个收集装置收集到的物理量数据。

另外，上述发明内容并未列举出本发明的所有特征。并且，这些特征群的次组合(sub-combination)也可成为发明。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的结构健康监测系统的方块图。

图2是表示本实施方式所涉及的结构健康监测系统的动作的流程图。

图3是表示本实施方式所涉及的结构健康监测系统1的设置例的示意图。

图4是表示变形例(1)的结构健康监测系统1的设置例的示意图。

图5是表示变形例(2)的结构健康监测系统1的设置例的示意图。

具体实施方式

以下，通过发明实施方式对本发明进行说明，但以下实施方式并非限定权利要求书所涉及的发明。此外，发明解决方法并不一定需要实施方式中所说明的所有特征组合。

[结构健康监测系统的概要]

图1是表示本实施方式所涉及的结构健康监测系统1的方块图。结构健康监测系统1用于诊断多个构造物101的结构性能，具备多个传感装置2、多个收集装置3、数据处理装置4、诊断服务器5、雨量计6、风向风速计7以及温度计8。另外，雨量计6、风向风速计7、温度计8可以和传感装置2形成为一体。

这里，在本实施方式中，多个构造物101的一例为建筑物。建筑物是指分别出于建筑物即居住、办公楼、店铺、工厂、仓库等目的而使用的、固定在土地上的建造物，具有屋顶及墙壁。该构造物101例如面向道路102(参照图3)而设置。

多个传感装置2针对多个构造物101分别各设置至少一个，优选设置多个，对作为对象的构造物101的物理量，例如构造物由于地震等而产生振动时的加速度以及构造物的倾斜等进行检测。对一个构造物101设置多个传感装置2时，这些传感装置2例如设置在低楼层(例如1层)以及高楼层(例如最高层)，优选进而设置在1层以上的中楼层以及/或者地基及地下等。

各传感装置2具有例如时钟部20、存储器23、传感部24、数据处理部25以及通信部26，优选还具有独立的电源200。

时钟部20是具有时钟功能的电路，在内部保存时刻数据，并将时钟信号输出到装置内的各部分，例如传感部24、数据处理部25、通信部26等。维持各传感装置2的时钟部20，使各自的时刻数据处于同步状态。

存储器23对用于实现传感装置2的各种功能的程序及数据加以存储。例如，存储器23存储由传感部24检测出的物理量数据。

传感部24对作为对象的构造物101的上述物理量进行检测。例如，传感部24是检测构造物由于地震等而产生振动时的加速度的加速度传感器。作为一例，该传感器可以是在一片硅基板、玻璃基板、有机材料等上集成而成的MEMS设备，进而，也可以是静电电容型传感器。以上的传感部24将检测出的物理量数据供应给数据处理部25。

作为一例，数据处理部25具有微控制器或微处理器，进行各种数据处理。例如，数据处理部25使存储器23存储从传感部24接收到的物理量数据。此外，数据处理部25从存储器23读出物理量数据，并供应给通信部26以便发送到收集装置3。

通信部26与多个收集装置3中相对应的一个收集装置3进行无线通信。例如，通信部26从数据处理部25收取存储器23内的物理量数据，发送给收集装置3。

以上的通信部26可以通过任意通信标准的无线通信方式，与收集装置3进行通信，优选采用近距离无线通信的方式进行通信。近距离无线通信可以采用如下通信方式，例如使用2.5GHz频段的Bluetooth(注册商标)的级别1(通信距离约100m)、级别2(通信距离约10m)或者级别3(通信距离约1m)，使用2.5GHz频段或5GHz频段的Wi-fi(通信距离数十～数百m)，使用红外波段的红外线通信(通信距离约小于1m)，或者使用27MHz频段、150MHz频段、400MHz频段、900MHz频段、920MHz频段、950MHz频段或50GHz频段的简易无线通信等。在本实施方式中，通信部26通过920MHz频段的简易无线通信，与收集装置3进行通信。

电源200利用环境能量发电，储存电力并供应给传感装置2的各部分。作为环境能量，例如可以使用光、风力以及/或者构造物的常時振动等。例如，电源200具有太阳能面板201，接收太阳光等自然光以及/或者照明装置的照明光等光进行发电。该太阳能面板201可以和传感装置2的框体设置为一体，也可以分开设置。

多个收集装置3分别对应包含至少一个构造物101的构造物组1000而设置。例如，多个收集装置3分别对应只包含一个构造物101的构造物组1000而设置，也就是说，与多个构造物101分别一一对应地设置。但是，多个收集装置3也可以分别对应包含中间夹有道路102的两个构造物101的构造物组1000而设置。

多个收集装置3可以分别设置在与对应的构造物组1000中所包含的各构造物101相隔100m以内，优选50m以内。另外，正常情况下构造物组1000彼此之间的最小距离比设置于各个构造物组1000中的各传感装置2和对应该构造物组1000的收集装置3的距离中的最大距离长。也就是说，构造物组1000彼此之间的最小距离比设置于各个构造物组1000中的各传感装置2无线发送物理量数据的最大无线发送距离长。由此，在互相分离的构造物组1000之间共用收集装置3时，能够防止传感装置2的无线通信距离变长，造成传感装置2的电力消耗量增加。此外，还能避免设置于一个构造物组1000中的传感装置2的无线通信和设置于其他构造物组1000中的传感装置2的无线通信发生拥塞。

各收集装置3分别以无线方式收集作为对象的构造物组1000中所包含的各构造物101中所设置的各传感装置2无线发送来的物理量数据，具有时钟部30、时刻接收部31、无线通信部32、存储器33、控制部35以及数据发送部36。

时钟部30是具有时钟功能的电路，在内部保存时刻数据，并将时钟信号输出到装置内的各部分，例如控制部35。另外，如后所述，通过控制部35使时钟部30内的时刻数据与外部基准时刻同步。

时刻接收部31从外部设备接收时刻数据，并供应给控制部35。作为一例，时刻接收部31可以从GPS(Global Positioning System，全球定位系统)接收GPS电波，从而接收该电波中所包含的时刻数据。

无线通信部32与多个传感装置2的通信部26进行无线通信。例如，无线通信部32从多个传感装置2收集物理量数据，并供应给控制部35。

存储器33对用于实现收集装置3的各种功能的程序及数据加以存储。例如，存储器33存储从多个传感装置2收集到的物理量数据。

作为一例，控制部35具有微控制器或微处理器，对各部分进行控制。例如，控制部35使时钟部30与外部基准时刻同步。作为一例，控制部35使时刻接收部31接收GPS电波，从时刻接收部31接收该电波中所包含的时刻数据并供应给时钟部30，从而使时钟部30内的时刻数据与该时刻数据一致。

此外，控制部35使存储器33存储无线通信部32接收到的物理量数据，并使其与用于识别发送源传感装置2的标识符相关联。继而，控制部35从存储器33读出物理量数据，并将其和标识符一同供应给数据发送部36。

数据发送部36通过有线或无线的方式，将控制部35所供应的物理量数据发送给与收集装置3相连接的数据处理装置4。

数据处理装置4连接到多个收集装置3。该数据处理装置4从多个收集装置3接收由多个收集装置3收集到的物理量数据，对构造物101的物理量数据进行各种处理。例如，数据处理装置4将接收到的物理量数据按构造物101并且按传感装置2进行分类，提供给诊断服务器5。

诊断服务器5针对各个构造物101分析来自数据处理装置4的物理量数据，从而诊断构造物101的结构性能。例如，诊断服务器5可以定期分析由传感装置2检测出的加速度数据，计算构造物101的共振频率，并根据其经年变化，诊断构造物的结构性能。此外，诊断服务器5也可以分析加速度数据，计算多个传感装置2各自所在楼层的位移，并根据其历时变化，诊断构造物的结构性能。更具体而言，诊断服务器5可以根据最大加速度、最大层间位移角(地震时构造物的水平位移除以层高所得值的最大值。例如加速度检测值的二重积分值)、固有振动频率以及模式(以固有振动频率振动时的振幅形状)等的计算结果以及/或者其变化，诊断结构性能(刚度的降低)。另外，诊断服务器5可以显示诊断结果，督促维护人员进行维护，也可以告知构造物101的使用者存在的危险。另外，该诊断服务器5也可以和数据处理装置4形成为一体。

此外，数据处理装置4及诊断服务器5可以将数据分析结果作为记录进行管理，也可以管理传感部24的设定及其记录。进而，数据处理装置4以及诊断服务器5还可以将雨量计6、风向风速计7以及温度计8的测定数据连同这些数据一并加以保存。

这里，雨量计6用于测量构造物组1000所涵盖的地区的降水量。此外，风向风速计7用于测量构造物组1000所涵盖的地区的风向以及风速。另外，温度计8用于测量构造物组1000所涵盖的地区的气温。这些雨量计6、风向风速计7以及温度计8可以始终进行测量，也可以和传感装置2的后述间歇性观测期同步地进行测量。此外，雨量计6、风向风速计7以及温度计8可以将测定数据和测定时的时刻数据关联地发送给诊断服务器5。

[结构健康监测系统的动作]

接下来，对结构健康监测系统1的动作进行说明。图2是表示结构健康监测系统1的动作的流程图。

首先，传感装置2参照时钟部20，判断间歇性观测期是否开始(S100)。例如，间歇性观测期可以为每1个小时观测3分钟等。作为一例，传感装置2在时钟部20所显示的时刻为整点，即每小时0分0秒时，判断为观测期开始。

在S100中判断为观测期开始时(S100：是)，传感部24在观测期持续的期间，持续地对构造物101的物理量进行检测(S102)。此外，传感部24将检测出的物理量供应给数据处理部25。另外，传感部24可以先对模拟物理量数据进行调制、解调以及零点调整等，然后将物理量数据供应给数据处理部25。如上所述，通过在间歇性观测期内进行物理量检测，可以降低电源200的消耗功率。

接着，数据处理部25将物理量数据记录到存储器23中(S104)。例如，数据处理部25可以对从传感部24接收到的模拟物理量数据进行AD转换，然后存储到存储器23中。此外，数据处理部25也可以使存储器23存储从传感部24接收到的物理量数据，并使该物理量数据和从时钟部20接收到的时刻数据相关联。根据以上S102、S104的处理，可以将在各间歇性观测期内检测出的物理量记录到存储器23中。

继而，传感装置2以及收集装置3在彼此之间建立通信(S106、S120)。例如，传感装置2可以参照时钟部20，在由收集装置3预先分配给该传感装置2的时刻，和收集装置3建立通信。

接着，传感装置2将检测出的物理量数据发送给收集装置3(S108)。例如，数据处理部25从存储器23读出物理量数据及时刻数据的组合，连同该传感装置2的标识符一起供应给通信部26。然后，通信部26将所供应的物理量数据等发送给收集装置3。关于收集装置3接收物理量数据之后的处理，将在后文进行说明。

通过以上S106～S108的处理，多个传感装置2分别在与分配给该传感装置2的识别信息相应的时刻，将测定的物理量数据发送到收集装置3。然后，当S108的处理结束时，传感装置2返回上述S100进行处理。

另一方面，在上述S100中，如果判断为观测期没有开始(S100：否)，传感部24对物理量进行检测，以便监测有无发生突发事件(例如地震、台风等灾害、以及交通事故等)(S110)。例如，传感部24可以在一个持续时间(例如10ms)内持续地检测物理量，也可以瞬间检测1次物理量。

接着，传感部24判断有无发生突发事件(S112)。例如，当S110中检测出的物理量大于基准阈值时，传感部24可以判断为发生了突发事件。此外，当检测出的物理量和之前的物理量相比，变化大于基准比例时，传感部24也可以判断为发生了突发事件。

在该S112中，如果判断为未发生突发事件(S112：否)，则传感装置2返回上述S100进行处理。由此，只要观测期没有开始(S110：否)，就会反复地进行S110的处理。这种情况下，可以按照基准间隔(例如每5秒)进行S110的处理。

此外，在S112中，如果判断为发生了突发事件(S112：是)，则传感装置2返回上述S104进行处理。因此，即便在间歇性的观测期之外，也能在S110中进行物理量的检测，在S112中判断为检测出的物理量表明发生了突发事件，并据此将物理量记录到存储器23中。

另外，在上述S100的处理中判断为观测期没有开始时(S100：否)，传感装置2可以不进行S110、S112的处理，而是反复地进行S100的处理。此外，传感装置2也可以不进行上述S100、S112的处理，而是始终进行S102(或者S110)～S108的处理。

这里，如果通过上述S108的处理，从各传感装置2发送物理量数据，则收集装置3分别接收并收集这些物理量数据(S122)。例如，收集装置3的控制部35可以使存储器33存储无线通信部32接收到的物理量数据。此外，从传感装置2相关联地发送物理量数据、时刻数据以及传感装置2的标识符时，控制部35也可以使存储器33存储这些组合。

接着，收集装置3将从多个传感装置2收集到的物理量数据发送给数据处理装置4(S124)。例如，收集装置3的控制部35从存储器33读出物理量、时刻数据以及传感装置2的标识符的组合，并供应给数据发送部36。然后，数据发送部36将所供应的物理量数据等发送给数据处理装置4。

接着，数据处理装置4接收来自多个收集装置3的物理量数据(S130)。例如，数据处理装置4可以使内部存储装置存储从收集装置3接收到的物理量数据。此外，从收集装置3相关联地发送物理量数据、时刻数据以及传感装置2的标识符时，数据处理装置4也可以存储这些组合。

继而，数据处理装置4对接收到的物理量数据进行数据处理(S132)。例如，数据处理装置4将接收到的物理量数据按构造物101并且按传感装置2进行分类，并提供给诊断服务器5。但是，数据处理装置4也可以针对各个传感装置2分析物理量数据，从而诊断构造物101的结构性能。

根据以上的结构健康监测系统1，收集装置3对应分别包含至少一个构造物101的构造物组1000而设置，分别以无线方式收集作为对象的构造物组1000中所包含的各构造物101中所设置的各传感装置2检测出的物理量数据，因此，能够防止传感装置2的通信距离变长导致通信时的消耗功率显著增加。

[结构健康监测系统的设置例]

图3是表示本实施方式所涉及的结构健康监测系统1的设置例的图。如该图所示，本实施方式中的结构健康监测系统1的传感装置2分别设置在高层建筑物即构造物101的低楼层、中楼层以及高楼层上(也有设置在地下的情况)。此外，在能够和这些传感装置2通信的状态下，设置有一个收集装置3。另外，在图3中，一个收集装置3对应包含一个构造物101的构造物组1000，但也可以为一个收集装置3对应包含多个构造物101的构造物组1000。

[结构健康监测系统的设置例的变形例(1)]

图4是表示变形例(1)的结构健康监测系统1的设置例的图。

如该图所示，本变形例(1)的结构健康监测系统1的传感装置2分别设置在多个构造物101中的第1构造物105和第2构造物106中，第2构造物106和第1构造物105位于道路102的相向侧。

这里，第1构造物105及第2构造物106为带有道路的构造物。带有道路的构造物是设置于道路102表面、上方、侧方的构造物，例如信号灯、指示牌、照明设备、护栏等。在本变形例(1)中，第1构造物105及第2构造物106为道路102的照明设备。

传感装置2设置在第1构造物105及第2构造物106的地基部分、支柱上方、照明部附近。另外，对于设置于支柱上方及照明部附近的传感装置2的太阳能面板201，为了使其每天的受光量达到最大，要确保其朝向不仅能接收太阳光，还能接收照明部的照明光照射。

此外，多个收集装置3中的一个收集装置3对应包含这些第1构造物105及第2构造物106的构造物组1000而设置，可以和第1构造物105及第2构造物106的传感装置2进行通信。

[结构健康监测系统的设置例的变形例(2)]

图5是表示变形例(2)的结构健康监测系统1的设置例的图。

如该图所示，本变形例(2)的结构健康监测系统1的传感装置2分别设置在第1构造物107和第2构造物108中，第1构造物107设置于道路102一个方向的车道上，第2构造物108设置于相反方向的车道上、和第1构造物107相对应的位置处。例如，在本变形例中第1构造物107及第2构造物108为带有道路的构造物，其一例为道路指示牌。

此外，多个收集装置3中的一个收集装置3对应这些第1构造物107及第2构造物108而设置，可以和第1构造物107及第2构造物108的传感装置2进行通信。

另外，上述实施方式以及变形例(1)、(2)对构造物101、105～108为建筑物或带道路的构造物进行了说明，但也可以为其他构造物。这里，其他构造物可以是例如由多个材料或构件等构成，由基座等承受重量，按此结构修建而成的构造物。作为一例，构造物可以是机场的控制塔、机场灯塔、高速公路、车站、铁路轨道、铁路信号灯、港口起重机、工厂(石油化学、炼铁)、钢桥、水坝、堤防、填土、斜坡、堤坝等。

以上，利用实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限定于上述实施方式中记载的范围。可以对上述实施方式进行各种变更或改良，这对本领域技术人员而言是显而易见的。根据权利要求书的记载，可以明确做出相关变更或改良后的形态也包含在本发明的技术范围内。

对于权利要求书、说明书及附图中所示的装置、系统、程序以及方法中的动作、过程、步骤及阶段等各处理的执行顺序，应注意的是，只要没有特别明示“比…更靠前”、“在…之前”等，并且不是在后面的处理中使用前面的处理的输出，则可以按照任意顺序来实现。关于权利要求书、说明书及附图中的动作流程，为了方便而使用“首先”、“接着”等进行说明，但这并不意味着必须按照该顺序实施。

标号说明

1 结构健康监测系统、2 传感装置、3 收集装置、4 数据处理装置、5 诊断服务器、6 雨量计、7 风向风速计、8 温度计、20 时钟部、23 存储器、24 传感部、25 数据处理部、26通信部、30 时钟部、31 时刻接收部、32 无线通信部、33 存储器、35 控制部、36 数据发送部、101 构造物、102 道路、105 构造物、106 构造物、107 构造物、108 构造物、200 电源、201 太阳能面板、1000 构造物组。

Claims (16)

1.一种结构健康监测系统，具备：

多个传感装置，其针对多个构造物分别各设置至少一个，检测作为对象的构造物的物理量；

多个收集装置，其对应分别包含所述多个构造物中至少一个构造物的各构造物组而设置，分别以无线方式收集作为对象的构造物组中所包含的各构造物中所设置的各传感装置检测出的物理量数据；以及

数据处理装置，其连接到所述多个收集装置，从所述多个收集装置接收由所述多个收集装置收集到的物理量数据。

2.如权利要求1所述的结构健康监测系统，其中，所述多个收集装置分别与所述多个构造物一一对应地设置。

3.如权利要求1所述的结构健康监测系统，其中，所述多个收集装置中的第1收集装置与包含所述多个构造物中的第1构造物以及位于所述第1构造物的相向侧的第2构造物的构造物组相对应地设置。

4.如权利要求1所述的结构健康监测系统，其中，所述多个收集装置中的第1收集装置与所述多个构造物中的第1构造物以及第2构造物相对应地设置，该第1构造物设置于道路的一个方向的车道上，该第2构造物设置于相反方向的车道上与所述第1构造物相对应的位置。

5.如权利要求1至4中任一项所述的结构健康监测系统，其中，所述多个传感装置分别以近距离无线通信的方式，和所述多个收集装置中对应的收集装置进行通信。

6.如权利要求1至5中任一项所述的结构健康监测系统，其中，所述多个收集装置分别设置在与对应的所述构造物组中所包含的各构造物相隔100m以内的位置。

7.如权利要求1至6中任一项所述的结构健康监测系统，其中，所述构造物组彼此之间的最小距离比设置于各个所述构造物组中的各传感装置无线发送物理量数据的最大无线发送距离长。

8.如权利要求1至7中任一项所述的结构健康监测系统，其中，所述多个传感装置分别在间歇性的各观测期内，对所述多个构造物中作为对象的构造物上检测出的物理量加以记录。

9.如权利要求8所述的结构健康监测系统，其中，在所述观测期外，所述多个传感装置也分别根据检测出的物理量表明发生了突发事件这一判断来记录物理量。

10.如权利要求1至9中任一项所述的结构健康监测系统，其中，所述多个收集装置分别接收GPS电波来调准时刻。

11.如权利要求1至10中任一项所述的结构健康监测系统，其中，所述多个传感装置分别独立地具有电源。

12.如权利要求11所述的结构健康监测系统，其中，所述多个传感装置分别利用环境能量发电。

13.如权利要求12所述的结构健康监测系统，其中，所述多个传感装置分别接收光来进行发电。

14.如权利要求1至13中任一项所述的结构健康监测系统，其中，所述多个构造物分别为建筑物或带道路的构造物。

15.一种收集装置，与包含至少一个构造物的构造物组相对应地设置，具备：

无线通信部，其以无线方式从多个传感装置收集检测出的物理量数据，所述多个传感装置针对所述构造物组中所包含的各构造物各设置至少一个，检测作为对象的构造物的物理量；

存储器，其存储收集到的物理量数据；以及

数据发送部，其将存储于所述存储器中的物理量数据向连接到多个所述收集装置的数据处理装置发送。

16.一种结构健康监测方法，具备如下阶段：

利用多个传感装置，分别检测作为对象的构造物的物理量，所述多个传感装置针对多个构造物分别各设置至少一个；

利用多个收集装置，分别以无线方式收集作为对象的构造物组中所包含的各构造物中所设置的各传感装置检测出的物理量数据，所述多个收集装置对应分别包含所述多个构造物中至少一个构造物的各构造物组而设置；以及

利用数据处理装置，从所述多个收集装置接收由所述多个收集装置收集到的物理量数据，所述数据处理装置连接到所述多个收集装置。