礦區(qū)玻璃幕墻安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田 穎，馬夢娜

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

玻璃幕墻對主體結(jié)構(gòu)有一定的位移能力，是一種特殊的支撐結(jié)構(gòu)體系，不僅能夠提高裝飾效果，還不會使結(jié)構(gòu)增加過多的重量?；诓Ａ粔Φ倪@個優(yōu)點(diǎn)，近幾十年得到了飛速的發(fā)展，在飛速發(fā)展的同時，玻璃幕墻的使用也出現(xiàn)了一些問題。因?yàn)樵谀粔κ褂眠^程中，缺乏階段性的檢測和維護(hù)意識，很多幕墻都出現(xiàn)了安全問題，如玻璃自爆、面板陀螺盤以及結(jié)構(gòu)膠老化等問題。如果玻璃幕墻發(fā)生安全事故，不僅會對人身造成威脅，還會造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失，產(chǎn)生負(fù)面的社會影響，可見對玻璃幕墻安全監(jiān)測非常重要。

當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，幕墻監(jiān)測系統(tǒng)逐漸被人開發(fā)出來，也有較多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)問題的研究，但是由于起步較晚，技術(shù)還不夠成熟，監(jiān)測的準(zhǔn)確性較差。同時，監(jiān)測手段較為單一，不能夠及時對礦區(qū)玻璃幕墻安全問題預(yù)測?；诋?dāng)前存在的問題，將現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用到幕墻監(jiān)測中，設(shè)計(jì)一個礦區(qū)玻璃幕墻安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，期望提高安全監(jiān)測的準(zhǔn)確性以及預(yù)警效果，減少并預(yù)防安全事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

礦區(qū)玻璃幕墻安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦區(qū)玻璃幕墻安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of safety monitoring and early warning system for glass curtain wall in mining area

系統(tǒng)硬件部分重點(diǎn)為控制器和各個傳感器，在應(yīng)用時，將加速傳感器安裝在玻璃幕墻上，采集其加速度數(shù)據(jù)，獲得幕墻的模擬量數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器設(shè)計(jì)

設(shè)定DSP控制器，將其作為系統(tǒng)的控制核心，其性能好壞直接對整個系統(tǒng)運(yùn)作產(chǎn)生影響?；诔杀炯皯?yīng)用效果考慮，決定使用TMS320F2812芯片，該芯片的主要指標(biāo)見表1。利用該控制器對傳感器數(shù)據(jù)采集、對系統(tǒng)狀態(tài)檢測，并負(fù)責(zé)監(jiān)控位置的監(jiān)控與反饋。

2.2 加速度測試模塊

在加速度測試模塊中主要采用運(yùn)動傳感器，將ICM系列傳感器應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，型號為ICM-42605。該傳感器內(nèi)部集成速度傳感器[1]，包含模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換芯片的精度較高，為16位模數(shù)。同時，其具有較高的靈敏度，功耗也較低，封裝尺寸也較小，能夠滿足系統(tǒng)低功耗需求，方便于系統(tǒng)集成[2]。除此之外，包括片上16位adc，可編程數(shù)字濾波器，其主要指標(biāo)見表2。

表1 TMS320F2812芯片指標(biāo)Tab.1 TMS320F2812 chip indicators

表2 ICM-42605加速器詳細(xì)參數(shù)Tab.2 Detailed parameters of ICM-42605 accelerator

該加速器支持多種應(yīng)用程序，如智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、控制器以及物聯(lián)網(wǎng)等，適用于此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。

2.3 溫度傳感器

在對礦區(qū)玻璃幕墻安全監(jiān)測中，周圍環(huán)境變化會對系統(tǒng)監(jiān)測效果產(chǎn)生影響，為此采用溫度測試模塊。溫度傳感器采用引線式溫度傳感器[3]，該傳感器采用的是一體化結(jié)構(gòu)，能夠防水防腐，適用于礦區(qū)監(jiān)測中[4]。并且其安裝方便，在遠(yuǎn)距離信號傳輸上具有較好的適用性，能夠與計(jì)算機(jī)和顯示儀表連接。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

此次研究的系統(tǒng)主要采用無線傳輸方式，采用SX1278型號的無線模塊，該模塊性能優(yōu)越，適用于遠(yuǎn)距離信息傳輸。其內(nèi)部能夠自動擴(kuò)頻計(jì)算和硬件校檢處理。該模塊中包含射頻芯片[5]，具有較好的穩(wěn)定性與抗干擾能力，在使用時將溫度傳感器以及其他傳感器數(shù)據(jù)通過自組網(wǎng)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)中，通過該模塊將這些信息上傳到指揮控制中心，完成采集信息的上傳。

2.5 存儲模塊設(shè)計(jì)

將NAND Flash存儲器應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，該模塊采用NAND結(jié)構(gòu)技術(shù)，不容易丟失數(shù)據(jù)。該存儲器中包含64 B備用容量，通過備用區(qū)能夠?qū)膲K信息以及錯誤編碼更正。具有與頁相同大小的頁寄存器[6]，用來緩存數(shù)據(jù)，擦除操作時間為2 ms/塊，數(shù)據(jù)保存時間超過10年。

3 信號分解及預(yù)警指標(biāo)體系

3.1 信號分解

通過硬件獲得基礎(chǔ)信息，為準(zhǔn)確對礦區(qū)玻璃幕墻安全監(jiān)測，對監(jiān)測信號分解，預(yù)先分析瞬時頻率[7]，將頻率調(diào)制信號[8]表示為：

(1)

式中，λ為信號調(diào)制參數(shù)；m(t)為低頻信號；dt為在時間t內(nèi)相位變化參數(shù);cos()為余弦函數(shù)。

將相位角定義為：

(2)

定義調(diào)制信號的瞬時頻率為：

(3)

為獲得準(zhǔn)確的相位和幅度[9]，引入解析信號[10]，將瞬時頻率描述為：

Z(t)=Zr(t)+cosZi(t)=A(t)ejφ(t)

(4)

式中，Z(t)為復(fù)位信號；Zr(t)為信號實(shí)部；cosZi(t)為被分析的實(shí)信號；ejφ(t)為在時間t內(nèi)信號的相位。

經(jīng)過上述瞬時頻率確定后，對信號分解[11-12]，將其表示為：

(5)

式中，x1(t)、x2(t)分別為對稱函數(shù)。

上述過程完成非線性和非平穩(wěn)信號的處理，完成信號的分解，獲得礦區(qū)玻璃幕墻安全監(jiān)測結(jié)果。

3.2 預(yù)警指標(biāo)體

在上述信號分解的基礎(chǔ)上，建立預(yù)警指標(biāo)體系[13]，將兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)礦區(qū)玻璃幕墻安全預(yù)警。構(gòu)建的指標(biāo)體系[12]見表3。

在計(jì)算時將面板、結(jié)構(gòu)膠、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、開啟窗與密封材料作為一級指標(biāo)[14]，將幾個指標(biāo)的綜合安全值[15]表示為：

S=X1w1+X2w2+X3w3+X4w4+X5w5

(6)

式中，S為既有玻璃幕墻安全值；X為一級指標(biāo)分值；w為一級指標(biāo)的權(quán)重。

表3 礦區(qū)玻璃幕墻預(yù)警指標(biāo)體系Tab.3 Early warning index system of glass curtain wall in mining area

依據(jù)上述過程，獲得各個指標(biāo)的預(yù)警等級進(jìn)行預(yù)警，整個預(yù)警流程如圖2所示。

圖2 預(yù)警流程Fig.2 Early-warning process

之后針對具體部位采用相應(yīng)的措施進(jìn)行解決，以提高礦區(qū)玻璃幕墻的安全性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對比

為驗(yàn)證礦區(qū)玻璃幕墻安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用效果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要分為2部分進(jìn)行：①分析所研究系統(tǒng)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，②分析所研究系統(tǒng)的預(yù)警效果。應(yīng)用現(xiàn)場如圖3所示。

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

在第1部分實(shí)驗(yàn)中，預(yù)先準(zhǔn)備樣品，過程如下。

圖3 應(yīng)用現(xiàn)場Fig.3 Application of the scene

(1)玻璃樣品準(zhǔn)備，在實(shí)驗(yàn)之前預(yù)先對玻璃表面清洗。

(2)將玻璃樣品放置到鋼底框上，采用螺栓固定，實(shí)驗(yàn)時調(diào)節(jié)螺栓的松緊程度，模擬玻璃幕墻結(jié)構(gòu)松緊的情況。簡化裝置模型如圖4所示。

圖4 簡化實(shí)驗(yàn)裝置模型Fig.4 Simplified experimental device model

(3)將螺栓擰到緊固狀態(tài)，然后逐漸松動螺栓，每松動1次，玻璃緊固力就會下降1次，從而得到玻璃振動固有頻率與其邊界夾緊力的關(guān)系圖。

(4)在松緊實(shí)驗(yàn)后，分析不同脫膠比率下玻璃頻率的變化情況。

將上述獲得的實(shí)際頻譜數(shù)據(jù)與所提出的系統(tǒng)獲得的值對比，分析所研究的系統(tǒng)的有效性。在第2部分實(shí)驗(yàn)中，幕墻采用全隱框式玻璃幕墻形式，由于長時間使用，部分幕墻玻璃存在一些問題，風(fēng)險(xiǎn)因素見表4。

4.2 緊固狀況下玻璃幕墻振動頻譜分析

所研究系統(tǒng)緊固狀況下玻璃幕墻振動頻譜如圖5所示。

由圖5可知，在緊固狀況下，玻璃幕墻振動頻譜

表4 實(shí)驗(yàn)2玻璃幕墻主要風(fēng)險(xiǎn)因素Tab.4 Main risk factors of glass curtain wall in experiment 2

圖5 緊固狀況下玻璃幕墻振動頻譜分析Fig.5 Vibration spectrum analysis of glass curtain wall under tight condition

與實(shí)際頻譜值差距較小，說明所研究系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確分析出玻璃幕墻的振動情況。

4.3 松動狀況下玻璃幕墻振動頻譜分析

松動狀況下玻璃幕墻振動頻譜如圖6所示。

圖6 松動狀況下玻璃幕墻振動頻譜分析Fig.6 Vibration spectrum analysis of glass curtain wall under loose condition

分析圖6可知，在松動狀況下，所研究系統(tǒng)也能夠獲得較高的分析準(zhǔn)確性;相對于緊固狀態(tài)下，松動下的頻譜峰值曲線明顯向左移動，說明在四邊支撐松動后固有頻率會下降。

4.4 不同脫膠比率下玻璃固有頻率分析

所研究系統(tǒng)不同脫膠比率下玻璃固有頻率的分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同脫膠比率下玻璃固有頻率分析Fig.7 Natural frequency analysis of glass at different degumming ratios

分析圖7可知，在不同脫膠比率下，所研究系統(tǒng)獲得的玻璃固有頻率分析結(jié)果與實(shí)際頻率相差較小，說明所研究的系統(tǒng)在不同脫膠比率下也能對玻璃固有頻率進(jìn)行分析。

4.5 預(yù)警時間分析

分析所研究系統(tǒng)的預(yù)警時間，各指標(biāo)的預(yù)警時間見表5。

表5 預(yù)警時間分析Tab.5 Analysis of early warning time

分析表5可知，在幾個指標(biāo)的預(yù)警上，所提出的系統(tǒng)在較短時間內(nèi)就能夠完成指標(biāo)的預(yù)警，具有較快的預(yù)警速度。原因是所研究系統(tǒng)建立了預(yù)警指標(biāo)體系，在預(yù)警過程中，在信號分析的基礎(chǔ)上能夠快速找到出現(xiàn)問題的指標(biāo)，從而提高了預(yù)警效率。

5 結(jié)語

綜上，完成礦區(qū)玻璃幕墻安全監(jiān)測與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研究系統(tǒng)能夠有效提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和預(yù)警的效率。所研究系統(tǒng)的創(chuàng)新之處如下：在系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)多個傳感器，在多個傳感器共同作用下獲得準(zhǔn)確的玻璃幕墻振動頻譜；對信號進(jìn)行分析與處理，提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確性；設(shè)置預(yù)警指標(biāo)體系，并對所有指標(biāo)綜合評判，提高了預(yù)警的效率。但是影響玻璃幕墻安全性的因素還有很多，在以后的研究中要進(jìn)一步分析，使系統(tǒng)應(yīng)用更加全面。