1.一种房屋裂缝变形实时动态监测预警系统,其特征在于:包括地下水位数据采集模块、裂缝形变监测模块、数据分析模块、裂缝预测与智能预警模块以及智能反馈模块;
地下水位数据采集模块用于实时监测房屋周围地下水位波动情况,获取地下水位相关数据集合H;
裂缝形变监测模块用于获取房屋裂缝相关数据,并进行特征提取,获取裂缝扩张速率,并对房屋安全状态进行初步评估;
数据分析模块用于依据获取的地下水位相关数据集合H,进行汇总计算,获取土壤扩张因子Tr,并依据土壤扩张因子Tr,获取水位变化影响因子Ψ;
裂缝预测与智能预警模块用于构建裂缝变化预测模型,预测未来时间点的裂缝宽度,评估未来房屋的安全状态,并触发预警机制;
智能反馈模块用于实时收集未来一段时间的裂缝变化数据,并反馈给裂缝变化预测模型,优化模型预测结果。
2.根据权利要求1的一种房屋裂缝变形实时动态监测预警系统,其特征在于:地下水位数据采集模块用于收集目标房屋所在区域地质报告,确定目标房屋所在区域的土壤类型,并设定地质监测点,在设定的地质监测点内部署智能传感器组,其中,土壤类型包括软土、砂土和黏土,智能传感器组包括静压式地下水位计、电容式土壤含水率传感器和微型地面位移传感器;
依据地质监测点所部署的智能传感器组,实时收集获取目标房屋所在区域的地下水位相关数据,并构建地下水位相关数据集合H,其中,地下水位相关数据包括地下水位高度W、土壤含水量以及地基沉降量。
3.根据权利要求1的一种房屋裂缝变形实时动态监测预警系统,其特征在于:裂缝形变监测模块包括裂缝数据采集单元和初步评估单元;
裂缝数据采集单元用于在目标房屋内设置数据采集节点,并在数据采集节点安装智能传感器,以获取房屋裂缝相关数据,其中,数据采集节点包括房屋承重墙体、梁柱节点、门窗边缘和房屋软土地基区域,智能传感器包括裂缝深度超声测量仪和激光测距仪,房屋裂缝相关数据包括裂缝宽度和裂缝深度;
依据获取的房屋裂缝相关数据,进行特征提取,获取裂缝扩展速率和裂缝深度变化率,其中,裂缝扩展速率和裂缝深度变化率获取方式为:式中,和分别表示当前数据监测时间点t时房屋的裂缝宽度和裂缝深度,和分别表示上一个数据监测时间点时房屋的裂缝宽度和裂缝深度,表示两次数据监测时间点之间的时间间隔。
4.根据权利要求3的一种房屋裂缝变形实时动态监测预警系统,其特征在于:初步评估单元用于依据裂缝扩展速率和裂缝深度变化率,进行汇总计算,获取裂缝风险指数Lf,其中,裂缝风险指数Lf获取方式为:式中,和分别表示裂缝扩展速率和裂缝深度变化率的权重系数,C表示第一修正常数;
预设裂缝风险阈值Lfyz,将裂缝风险阈值Lfyz和裂缝风险指数Lf进行对比分析,评估当前数据监测时间点t时的房屋安全程度,具体评估内容如下:若裂缝风险指数Lf小于裂缝风险阈值Lfyz,即Lf<Lfyz,则判定此时的房屋安全处于正常范围内,无需进行处理;
若裂缝风险指数Lf大于或等于裂缝风险阈值Lfyz,即Lf≥Lfyz,则判定此时的房屋安全处于危险状态,触发报警系统,自动生成报警信息,并将报警信息发送给房屋主人,进行房屋裂缝紧急加固作业。
5.根据权利要求4的一种房屋裂缝变形实时动态监测预警系统,其特征在于:数据分析模块包括预处理单元和地下水位相关数据分析单元;
预处理单元用于将地下水位相关数据集合H中的数据,进行去噪和数据清洗,并对清洗后的数据进行无量纲处理;
地下水位相关数据分析单元用于在房屋安全处于正常范围内时,依据预处理后的地下水位相关数据集合H,进行特征提取,获取地基材料敏感系数和残余效应因子,其中,地基材料敏感系数获取方式为:式中,表示地基沉降量,表示地下水位变化量,表示土壤含水量;
残余效应因子获取方式为:
式中,表示经验衰减系数,表示第i次数据监测时间点的地下水位变化量,表示第i次数据监测时间点的土壤含水量,n表示数据监测时间点的总数,。
6.根据权利要求5的一种房屋裂缝变形实时动态监测预警系统,其特征在于:依据地基材料敏感系数和残余效应因子,结合地下水位相关数据集合H中的地下水位高度W和土壤含水量,进行汇总计算,获取土壤扩张因子Tr,并依据土壤扩张因子Tr,进一步获取水位变化影响因子Ψ,其中,土壤扩张因子Tr获取方式为:式中,表示当前数据监测时间点t时房屋所在区域的地下水位高度,表示上一个数据监测时间点时房屋所在区域的地下水位高度;
水位变化影响因子Ψ获取方式为:
式中,表示在裂缝响应滞后时间段内,地下水位变化对裂缝拓展的累计影响,即水位变化影响因子,表示裂缝滞后响应系数,表示裂缝对地基涨缩的敏感程度,表示积分自变量,。
7.根据权利要求6的一种房屋裂缝变形实时动态监测预警系统,其特征在于:裂缝预测与智能预警模块包括裂缝预测单元和预警单元;
裂缝预测单元用于收集历史地下水位相关数据和房屋裂缝相关数据,并使用线性回归法构建时间序列模型,依据裂缝扩展速率获取方式和水位变化影响因子获取方式,获取过去一段时间内房屋的裂缝扩展速率和水位变化影响因子,并使用时间序列模型,获取未来时间点时的裂缝扩展速率和未来时间点时的水位变化影响因子,其中,未来时间点时的裂缝扩展速率和未来时间点时的水位变化影响因子的获取方式为:式中,和分别表示当前数据监测时间点的裂缝扩展速率和水位变化影响因子,J表示用于线性回归计算的时间窗口大小,j表示历史数据的索引,和表示回归系数,和分别表示过去时间点的裂缝扩展速率变化量和水位变化影响因子变化量;
构建裂缝变化预测模型,预测得到未来时间点的裂缝宽度,其中,未来时间点的裂缝宽度计算公式为:式中,表示当前数据监测时间点t的裂缝宽度,表示未来时间点时的裂缝扩展速率,表示结构负荷影响系数,表示地下水位影响系数,表示未来时间点时的水位变化影响因子,表示异常修正项,K表示预测时间范围内的时间步数量,k表示时间步的索引,,表示预测的未来时间点,表示从当前数据监测时间点到未来预测的时间点之间的任意一个时间点,表示地下水位对裂缝扩展的影响模型,避免地下水影响因子取负值,∈(t,)。
8.根据权利要求7的一种房屋裂缝变形实时动态监测预警系统,其特征在于:预警单元用于预设第一裂缝安全阈值和第二裂缝安全阈值,并将未来时间点的裂缝宽度与第一裂缝安全阈值和第二裂缝安全阈值进行对比分析,评估未来房屋的安全状态,具体评估内容如下:若未来时间点的裂缝宽度小于或等于第一裂缝安全阈值,则判定未来房屋的安全状态处于正常状态,无需进行处理;
若未来时间点的裂缝宽度大于第一裂缝安全阈值,且小于第二裂缝安全阈值,则判定未来房屋的安全状态处于风险状态,此时提升房屋裂缝检测频率从每月一次到每周一次,并检测房屋地基沉降情况,观察地下水位波动,进行地基排水措施;
若未来时间点的裂缝宽度大于或等于第二裂缝安全阈值,则判定未来房屋的安全状态处于危险状态,此时立即通知房屋人员撤离房间,并立即报警,启动紧急响应机制,进行房屋结构加固,其中,房屋结构加固包括使用高强度环氧树脂和聚合物砂浆封堵裂缝、在裂缝集中区域增加钢板和碳纤维增强层,以及进行高压注浆,稳固地基。
9.根据权利要求7的一种房屋裂缝变形实时动态监测预警系统,其特征在于:智能反馈模块用于实时收集未来一段时间的裂缝变化数据,并将收集的裂缝变化数据和预测的未来时间点的裂缝宽度反馈给裂缝变化预测模型,智能调整裂缝变化预测模型,优化裂缝变化预测模型误差。
10.一种房屋裂缝变形实时动态监测预警方法,用于实现权利要求1~9任一项的一种房屋裂缝变形实时动态监测预警系统,其特征在于:包括以下步骤,步骤一、实时监测房屋周围地下水位波动情况,获取地下水位相关数据集合H;
步骤二、获取房屋裂缝相关数据,并进行特征提取,获取裂缝扩张速率,并对房屋安全状态进行初步评估;
步骤三、依据获取的地下水位相关数据集合H,进行汇总计算,获取土壤扩张因子Tr,并依据土壤扩张因子Tr,获取水位变化影响因子Ψ;
步骤四、构建裂缝变化预测模型,预测未来时间点的裂缝宽度,评估未来房屋的安全状态,并触发预警机制;
步骤五、实时收集未来一段时间的裂缝变化数据,并反馈给裂缝变化预测模型,优化模型预测结果。