基于Opensees的農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)預(yù)警處理系統(tǒng)設(shè)計研究

趙吉祥，呂香歸，倪偉茗，孔 潔

1 項目背景

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展成為了中國經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的重點問題，如何提高國內(nèi)農(nóng)民的收入和綜合研發(fā)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點.農(nóng)業(yè)設(shè)施的推廣與安全生產(chǎn)是發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的重要途徑，而且能夠解決廣大農(nóng)民的收入問題.近年來，在國內(nèi)已形成了一定規(guī)模的農(nóng)業(yè)工程，出現(xiàn)了多種不同的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，但絕大部分的設(shè)施結(jié)構(gòu)在惡劣氣候中都會出現(xiàn)垮塌的現(xiàn)象，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大的影響.

不論哪種農(nóng)業(yè)設(shè)施在承受較大的雪荷載或者是風(fēng)荷載時，其結(jié)構(gòu)都會因超載而遭受損壞，甚至因結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不夠而產(chǎn)生大規(guī)模垮塌現(xiàn)象.經(jīng)常年對農(nóng)業(yè)設(shè)施的關(guān)注，絕大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)設(shè)施都會遭到不定時的氣候影響而受到破壞，為預(yù)防惡劣天氣對農(nóng)業(yè)建筑破壞情況的出現(xiàn)，給農(nóng)業(yè)設(shè)施增加預(yù)警處理系統(tǒng)是十分必要的措施.

2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

2.1 結(jié)構(gòu)分析現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對農(nóng)業(yè)設(shè)施模擬受力時的結(jié)構(gòu)變化主要通過Ansys有限元分析進行，其他分析軟件使用相對較少.

2.2 預(yù)警現(xiàn)狀

如今國內(nèi)外在相關(guān)預(yù)警系統(tǒng)方面都已十分發(fā)達，并被廣泛應(yīng)用于生活與生產(chǎn)中，其智能化水平也達到一個很高的水準，能從最大程度降低危害所造成的損失.例如國內(nèi)近年來比較注重的消防預(yù)警，當(dāng)房間中的溫度達到臨界值就會自動預(yù)警并迅速開啟噴淋等滅火系統(tǒng)，預(yù)防大規(guī)模的火災(zāi)發(fā)生.再如科技化水平非常高的美國很早就能對龍卷風(fēng)的產(chǎn)生進行預(yù)警，該預(yù)警系統(tǒng)在龍卷風(fēng)產(chǎn)生前12分鐘進行預(yù)警，并及時的發(fā)送預(yù)警信息到受災(zāi)區(qū)群眾手機上，使群眾能及時的逃生.

然而針對農(nóng)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面的預(yù)警系統(tǒng)的研究仍是十分匱乏，做好農(nóng)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)預(yù)警將是推動農(nóng)業(yè)建筑技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵.

2.3 除雪現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)設(shè)施的除雪仍然存在著諸多問題，很多設(shè)施沒有增加自動除雪的裝置.這種情況之下，在面對農(nóng)業(yè)建筑積雪現(xiàn)象時只能采取人工除雪的方式，而人工除雪的效率較低.在面對大規(guī)模的強降雪時，人工除雪就顯得杯水車薪.人工除雪同時還存在著時間性的問題，當(dāng)出現(xiàn)深夜降雪時，就很難做到及時除雪.

2.4 聯(lián)動現(xiàn)狀

目前農(nóng)業(yè)建筑設(shè)施的發(fā)展還未成熟，其主要特征在于智能化的程度不高，難以實現(xiàn)自動化，在如今科技智能自動化高速發(fā)展的今天，我們有必要將人力解放從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)建筑設(shè)備科學(xué)智能準確的自動化進程.然而國內(nèi)外市場始終未出現(xiàn)從預(yù)警到除雪一體化的農(nóng)業(yè)設(shè)施，因此為填補這一方面的空白，本系統(tǒng)的研究有很大的現(xiàn)實意義與作用.

3 項目內(nèi)容

本項目以2018年全國多地大范圍大雪或暴雪導(dǎo)致大量農(nóng)業(yè)設(shè)施被破壞，造成重大損失為實際背景，創(chuàng)新性的提出一種基于農(nóng)業(yè)種植大棚、雞舍、鴨舍等農(nóng)業(yè)設(shè)施的結(jié)構(gòu)預(yù)警處理系統(tǒng).本文介紹的預(yù)警系統(tǒng)可檢測不同的荷載，包括雪荷載、風(fēng)荷載、地震作用等，也可以針對多種不同的農(nóng)業(yè)設(shè)施進行荷載分析，并聯(lián)動其他裝置進行卸載作用，保護農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.在此，本文將以雪荷載預(yù)警及聯(lián)動除雪裝置為例介紹此套預(yù)警聯(lián)動系統(tǒng).

本自動預(yù)警系統(tǒng)基于Opensees創(chuàng)造性地開發(fā)出Pwsos軟件，并以此軟件為核心進行整套預(yù)警系統(tǒng)的信息采集與實時處理監(jiān)測，自動判斷并發(fā)出預(yù)警信號.PC端的預(yù)警處理信號通過特試的串口將信號傳輸給掃雪控制系統(tǒng)，通過單片機編程自動控制掃雪功能的實現(xiàn)，真正做到預(yù)警與防護的聯(lián)動，形成一整套完善的聯(lián)動系統(tǒng).

Pwsos軟件作為自主研發(fā)的農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)預(yù)警功能性軟件，其可同時對多個農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)進行預(yù)警監(jiān)測，因此可用于某一地區(qū)的農(nóng)業(yè)設(shè)施的結(jié)構(gòu)監(jiān)測，并可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)的采集到預(yù)警指令的輸出等一系列工作.

本系統(tǒng)首先要確定農(nóng)業(yè)設(shè)施形狀，選取截面，確定節(jié)點作為判斷結(jié)構(gòu)位移是否超出閾值的判別依據(jù).然后建立平面直角坐標系，給予每點坐標值，在Opensees軟件內(nèi)建立設(shè)施結(jié)構(gòu)模型.并模擬加載，確定其在不同荷載工況組合下的位移值，并取以設(shè)施結(jié)構(gòu)破壞時位移最大的值為依據(jù)，取安全系數(shù)0.85[1]作為系統(tǒng)的閾值.

前處理步驟如下流程圖所示，以某一特定尺寸類型的大棚結(jié)構(gòu)為例：

1、確定農(nóng)業(yè)設(shè)施的形狀：根據(jù)選取農(nóng)業(yè)設(shè)施的形狀繪制出其圖形.

2、SPSS進行擬合曲線：利用SPSS軟件對農(nóng)業(yè)設(shè)施的橫向截面曲線進行擬合，得出擬合曲線方程.

3、選取節(jié)點：對于選取的農(nóng)業(yè)設(shè)施進行橫向截面進行選取節(jié)點，以選取的大棚圖形為例，在大棚圖形中選取53個節(jié)點，并建立坐標系，確定53個節(jié)點坐標集合.

4、Opensees確定閾值：通過Opensees描繪所選取的節(jié)點坐標及模擬雪荷載與風(fēng)荷載兩種荷載作用工況下的受力形式，確定預(yù)警系統(tǒng)的閾值.

前處理工作確定設(shè)施破壞閾值之后，進行整體系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).預(yù)警處理系統(tǒng)主要應(yīng)用流程如下：

1、數(shù)據(jù)采集：對任意地區(qū)的農(nóng)業(yè)設(shè)施進行預(yù)警處理時，首先通過中國氣象網(wǎng)的實時傳輸氣象數(shù)據(jù)，將采集到的雪荷載，風(fēng)荷載氣象數(shù)據(jù)通過相應(yīng)關(guān)系量化后轉(zhuǎn)化為荷載值，傳輸至Pwsos軟件.

2、軟件進行實時監(jiān)測：Pwsos軟件對采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，通過軟件中嵌入的Opensees程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行受力模擬，確定每個節(jié)點在荷載作用過程中的位移變化，判斷農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)是否安全.若某個節(jié)點的位移變化超過設(shè)定閾值，則自動報警，PC端便傳出預(yù)警信號給掃雪裝置，單片機接收信號后指令掃雪機進行掃雪工作.

本系統(tǒng)是主要針對農(nóng)業(yè)設(shè)施，如大棚、雞舍、鴨舍等設(shè)計，將雪荷載預(yù)警和自動除雪功能融為一體，真正實現(xiàn)其聯(lián)動處理，使其同時具備預(yù)警，除雪的功能.

4 創(chuàng)新特色

4.1 數(shù)據(jù)采集

本文直接通過從中國氣象網(wǎng)站獲取天氣信息，經(jīng)過相應(yīng)轉(zhuǎn)化，將其直接轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)所受荷載值傳輸至Pwsos軟件.

4.2 結(jié)構(gòu)受力模擬分析

目前國內(nèi)對于例如大棚，雞舍等農(nóng)業(yè)設(shè)施在不同工況組合下的受力模擬分析主要以Ansys有限元分析為主，而本文利用Opensees軟件建模模擬大棚結(jié)構(gòu)受力作用下的位移變化，更加便捷，準確.

4.3 結(jié)構(gòu)預(yù)警

4.3.1 閾值確定

本系統(tǒng)基于Opensees技術(shù)確定結(jié)構(gòu)破壞閾值，通過對已知結(jié)構(gòu)的基本坐標數(shù)據(jù)輸入，在系統(tǒng)中構(gòu)建出建筑結(jié)構(gòu)模型，并對建筑結(jié)構(gòu)進行受荷載模擬分析，并取0.85的荷載具有很廣泛的適用性，可靠度高.

4.3.2 Pwsos軟件

基于Opensees軟件開發(fā)的Pwsos軟件，是本預(yù)警處理系統(tǒng)的核心，其具有豐富的獨創(chuàng)性與實用性.

4.3.3 自動預(yù)警

本系統(tǒng)通過從中國氣象網(wǎng)站實時收集某地區(qū)天氣情況，其中主要采集雨雪大風(fēng)天氣的數(shù)據(jù).通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，將雪、風(fēng)荷載進行量化，轉(zhuǎn)化為具體荷載值.導(dǎo)入PC端Pwsos軟件，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)受力的實時監(jiān)控.當(dāng)結(jié)構(gòu)任一部位位移值超過閾值時，啟動防護裝置，及時對農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)進行保護.本系統(tǒng)集預(yù)警處理、分析處理為一體，最大程度上解決不良環(huán)境下的監(jiān)控難度，同時減少人工的實地檢查與處理，并在很大程度上可智能化避免農(nóng)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的破壞，以減少經(jīng)濟損失.

4.4 預(yù)警與掃雪相結(jié)合

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)思維，將PC端預(yù)警命令傳輸給掃雪裝置，通過單片機編程，實現(xiàn)自動掃雪裝置的啟動.從而串聯(lián)整個系統(tǒng)，達到聯(lián)動效果，真正實現(xiàn)智能化，現(xiàn)代化.

5 實驗分析

為驗證本套系統(tǒng)的實際預(yù)警能力及其準確性，我們采用制作簡易大棚模型進行試驗.并以在大棚桿件上放置位移計來實時監(jiān)測大棚結(jié)構(gòu)在受到不同工況荷載組合作用下的位移變化，并將其與實際系統(tǒng)的位移變化進行對比.結(jié)果表明，本農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)預(yù)警處理系統(tǒng)能夠準確的實時監(jiān)測桿件位移變化.并經(jīng)多次實驗證明，當(dāng)農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)所受荷載超過其閾值時，可立即發(fā)出指令到防護處理裝置，及時做到對荷載的清除，保護大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)的安全，避免其被破壞.

6 應(yīng)用

6.1 目前市場在農(nóng)業(yè)設(shè)施雪預(yù)警及除雪方面還未采取有效的措施，市場對此類系統(tǒng)有很大的需求性.系統(tǒng)可以針對各種不同類型的設(shè)施進行使用，有廣泛的應(yīng)用性.同時系統(tǒng)集預(yù)警除雪功能于一體，能時時監(jiān)控設(shè)施雪荷載情況，并做到自動除雪，可以從容的應(yīng)對各種惡劣的大雪天氣.能夠解決目前多種農(nóng)業(yè)設(shè)施所面對的監(jiān)控困難，除雪困難的現(xiàn)實情況，解決農(nóng)民對雪天束手無策的狀況.同時系統(tǒng)操作簡便，可以節(jié)省人力和物力，并對農(nóng)作物的生長起到很好的保護作用，具有很高的經(jīng)濟效率.

6.2 基于該系統(tǒng)所開發(fā)的Pwsos軟件，具有獨創(chuàng)性與實用性.其不僅僅局限于對一個農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)進行監(jiān)控，可對一定地區(qū)，一定數(shù)量的農(nóng)業(yè)設(shè)施進行實時監(jiān)測與除雪防護.因此，對于任意地區(qū)，均可建立一套此預(yù)警處理及防護系統(tǒng)，從而達到方便性，實用性，經(jīng)濟性.更好的實行對農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測防護工作，為實現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)貢獻力量.

6.3 本套系統(tǒng)雖然以農(nóng)業(yè)設(shè)施為例進行結(jié)構(gòu)預(yù)警及防護處理工作，但是其理論和實現(xiàn)方法可推廣至很多方面.對于類似結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)施，均可進行引用推廣，真正體現(xiàn)其實用性與價值.綜合考慮，該系統(tǒng)有很強的實用性，值得被廣泛推廣應(yīng)用.

7 缺點與改進

本文介紹的以自主研發(fā)的Pwsos軟件作為整套系統(tǒng)的核心，雖目前已經(jīng)能夠滿足基本功能使用要求，但其內(nèi)容還顯得較為單薄.為了更好的推廣應(yīng)用，軟件的進一步完善顯得尤為重要.我們會具體調(diào)研現(xiàn)在農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)展針對結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)需求，以此作為我們完善核心軟件的標準.不斷完善系統(tǒng)功能，更好服務(wù)于農(nóng)村、農(nóng)業(yè)、農(nóng)民.

8 結(jié)語

（1）該農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)預(yù)警處理系統(tǒng)的提出符合國家大力發(fā)展農(nóng)業(yè)的指導(dǎo)方針，同時當(dāng)今時代生態(tài)環(huán)境遭到破壞，惡劣天氣時有發(fā)生，對農(nóng)業(yè)設(shè)施方面造成的損失巨大，因此，該預(yù)警系統(tǒng)具有很廣闊的前景與很強的實用性.

（2）該預(yù)警系統(tǒng)基于的Opensees軟件功能強大，對模擬結(jié)構(gòu)受力形式具有較高的準確性與可靠度.

（3）基于該系統(tǒng)自主研發(fā)的Pwsos（pre-warning system of structure）軟件，能夠穩(wěn)定準確的對結(jié)構(gòu)實時受力情況進行監(jiān)測，運行穩(wěn)定.

（4）將預(yù)警系統(tǒng)與掃雪裝置聯(lián)系起來，真正實現(xiàn)其聯(lián)動作用.在保護結(jié)構(gòu)安全的同時，減少了大量的人力、物力、財力等，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化農(nóng)業(yè).