基于Opensees的农业设施结构预警处理系统设计研究

赵吉祥，吕香归，倪伟茗，孔 洁

1 项目背景

中国是一个农业大国，农业经济的发展成为了中国经济稳定发展的重点问题，如何提高国内农民的收入和综合研发农业工程技术是当前农业发展的重点.农业设施的推广与安全生产是发展农业经济的重要途径，而且能够解决广大农民的收入问题.近年来，在国内已形成了一定规模的农业工程，出现了多种不同的农业结构，但绝大部分的设施结构在恶劣气候中都会出现垮塌的现象，这对农业生产造成了巨大的影响.

不论哪种农业设施在承受较大的雪荷载或者是风荷载时，其结构都会因超载而遭受损坏，甚至因结构的稳定性不够而产生大规模垮塌现象.经常年对农业设施的关注，绝大部分地区的农业设施都会遭到不定时的气候影响而受到破坏，为预防恶劣天气对农业建筑破坏情况的出现，给农业设施增加预警处理系统是十分必要的措施.

2 国内外的研究现状

2.1 结构分析现状

目前国内对农业设施模拟受力时的结构变化主要通过Ansys有限元分析进行，其他分析软件使用相对较少.

2.2 预警现状

如今国内外在相关预警系统方面都已十分发达，并被广泛应用于生活与生产中，其智能化水平也达到一个很高的水准，能从最大程度降低危害所造成的损失.例如国内近年来比较注重的消防预警，当房间中的温度达到临界值就会自动预警并迅速开启喷淋等灭火系统，预防大规模的火灾发生.再如科技化水平非常高的美国很早就能对龙卷风的产生进行预警，该预警系统在龙卷风产生前12分钟进行预警，并及时的发送预警信息到受灾区群众手机上，使群众能及时的逃生.

然而针对农业建筑结构稳定方面的预警系统的研究仍是十分匮乏，做好农业建筑结构预警将是推动农业建筑技术创新的关键.

2.3 除雪现状

农业设施的除雪仍然存在着诸多问题，很多设施没有增加自动除雪的装置.这种情况之下，在面对农业建筑积雪现象时只能采取人工除雪的方式，而人工除雪的效率较低.在面对大规模的强降雪时，人工除雪就显得杯水车薪.人工除雪同时还存在着时间性的问题，当出现深夜降雪时，就很难做到及时除雪.

2.4 联动现状

目前农业建筑设施的发展还未成熟，其主要特征在于智能化的程度不高，难以实现自动化，在如今科技智能自动化高速发展的今天，我们有必要将人力解放从而实现农业建筑设备科学智能准确的自动化进程.然而国内外市场始终未出现从预警到除雪一体化的农业设施，因此为填补这一方面的空白，本系统的研究有很大的现实意义与作用.

3 项目内容

本项目以2018年全国多地大范围大雪或暴雪导致大量农业设施被破坏，造成重大损失为实际背景，创新性的提出一种基于农业种植大棚、鸡舍、鸭舍等农业设施的结构预警处理系统.本文介绍的预警系统可检测不同的荷载，包括雪荷载、风荷载、地震作用等，也可以针对多种不同的农业设施进行荷载分析，并联动其他装置进行卸载作用，保护农业设施结构稳定.在此，本文将以雪荷载预警及联动除雪装置为例介绍此套预警联动系统.

本自动预警系统基于Opensees创造性地开发出Pwsos软件，并以此软件为核心进行整套预警系统的信息采集与实时处理监测，自动判断并发出预警信号.PC端的预警处理信号通过特试的串口将信号传输给扫雪控制系统，通过单片机编程自动控制扫雪功能的实现，真正做到预警与防护的联动，形成一整套完善的联动系统.

Pwsos软件作为自主研发的农业设施结构预警功能性软件，其可同时对多个农业设施结构进行预警监测，因此可用于某一地区的农业设施的结构监测，并可实现从数据的采集到预警指令的输出等一系列工作.

本系统首先要确定农业设施形状，选取截面，确定节点作为判断结构位移是否超出阈值的判别依据.然后建立平面直角坐标系，给予每点坐标值，在Opensees软件内建立设施结构模型.并模拟加载，确定其在不同荷载工况组合下的位移值，并取以设施结构破坏时位移最大的值为依据，取安全系数0.85[1]作为系统的阈值.

前处理步骤如下流程图所示，以某一特定尺寸类型的大棚结构为例：

1、确定农业设施的形状：根据选取农业设施的形状绘制出其图形.

2、SPSS进行拟合曲线：利用SPSS软件对农业设施的横向截面曲线进行拟合，得出拟合曲线方程.

3、选取节点：对于选取的农业设施进行横向截面进行选取节点，以选取的大棚图形为例，在大棚图形中选取53个节点，并建立坐标系，确定53个节点坐标集合.

4、Opensees确定阈值：通过Opensees描绘所选取的节点坐标及模拟雪荷载与风荷载两种荷载作用工况下的受力形式，确定预警系统的阈值.

前处理工作确定设施破坏阈值之后，进行整体系统的设计与实现.预警处理系统主要应用流程如下：

1、数据采集：对任意地区的农业设施进行预警处理时，首先通过中国气象网的实时传输气象数据，将采集到的雪荷载，风荷载气象数据通过相应关系量化后转化为荷载值，传输至Pwsos软件.

2、软件进行实时监测：Pwsos软件对采集到的数据信息进行处理，通过软件中嵌入的Opensees程序对结构进行受力模拟，确定每个节点在荷载作用过程中的位移变化，判断农业设施结构是否安全.若某个节点的位移变化超过设定阈值，则自动报警，PC端便传出预警信号给扫雪装置，单片机接收信号后指令扫雪机进行扫雪工作.

本系统是主要针对农业设施，如大棚、鸡舍、鸭舍等设计，将雪荷载预警和自动除雪功能融为一体，真正实现其联动处理，使其同时具备预警，除雪的功能.

4 创新特色

4.1 数据采集

本文直接通过从中国气象网站获取天气信息，经过相应转化，将其直接转化为结构所受荷载值传输至Pwsos软件.

4.2 结构受力模拟分析

目前国内对于例如大棚，鸡舍等农业设施在不同工况组合下的受力模拟分析主要以Ansys有限元分析为主，而本文利用Opensees软件建模模拟大棚结构受力作用下的位移变化，更加便捷，准确.

4.3 结构预警

4.3.1 阈值确定

本系统基于Opensees技术确定结构破坏阈值，通过对已知结构的基本坐标数据输入，在系统中构建出建筑结构模型，并对建筑结构进行受荷载模拟分析，并取0.85的荷载具有很广泛的适用性，可靠度高.

4.3.2 Pwsos软件

基于Opensees软件开发的Pwsos软件，是本预警处理系统的核心，其具有丰富的独创性与实用性.

4.3.3 自动预警

本系统通过从中国气象网站实时收集某地区天气情况，其中主要采集雨雪大风天气的数据.通过相应的转换，将雪、风荷载进行量化，转化为具体荷载值.导入PC端Pwsos软件，实现对农业设施结构受力的实时监控.当结构任一部位位移值超过阈值时，启动防护装置，及时对农业设施结构进行保护.本系统集预警处理、分析处理为一体，最大程度上解决不良环境下的监控难度，同时减少人工的实地检查与处理，并在很大程度上可智能化避免农业建筑结构的破坏，以减少经济损失.

4.4 预警与扫雪相结合

本系统基于物联网思维，将PC端预警命令传输给扫雪装置，通过单片机编程，实现自动扫雪装置的启动.从而串联整个系统，达到联动效果，真正实现智能化，现代化.

5 实验分析

为验证本套系统的实际预警能力及其准确性，我们采用制作简易大棚模型进行试验.并以在大棚杆件上放置位移计来实时监测大棚结构在受到不同工况荷载组合作用下的位移变化，并将其与实际系统的位移变化进行对比.结果表明，本农业设施结构预警处理系统能够准确的实时监测杆件位移变化.并经多次实验证明，当农业设施结构所受荷载超过其阈值时，可立即发出指令到防护处理装置，及时做到对荷载的清除，保护大棚等农业设施结构的安全，避免其被破坏.

6 应用

6.1 目前市场在农业设施雪预警及除雪方面还未采取有效的措施，市场对此类系统有很大的需求性.系统可以针对各种不同类型的设施进行使用，有广泛的应用性.同时系统集预警除雪功能于一体，能时时监控设施雪荷载情况，并做到自动除雪，可以从容的应对各种恶劣的大雪天气.能够解决目前多种农业设施所面对的监控困难，除雪困难的现实情况，解决农民对雪天束手无策的状况.同时系统操作简便，可以节省人力和物力，并对农作物的生长起到很好的保护作用，具有很高的经济效率.

6.2 基于该系统所开发的Pwsos软件，具有独创性与实用性.其不仅仅局限于对一个农业设施结构进行监控，可对一定地区，一定数量的农业设施进行实时监测与除雪防护.因此，对于任意地区，均可建立一套此预警处理及防护系统，从而达到方便性，实用性，经济性.更好的实行对农业设施结构安全的监测防护工作，为实现现代化、智能化农业设施建设贡献力量.

6.3 本套系统虽然以农业设施为例进行结构预警及防护处理工作，但是其理论和实现方法可推广至很多方面.对于类似结构的建筑设施，均可进行引用推广，真正体现其实用性与价值.综合考虑，该系统有很强的实用性，值得被广泛推广应用.

7 缺点与改进

本文介绍的以自主研发的Pwsos软件作为整套系统的核心，虽目前已经能够满足基本功能使用要求，但其内容还显得较为单薄.为了更好的推广应用，软件的进一步完善显得尤为重要.我们会具体调研现在农业设施发展针对结构方面的相关需求，以此作为我们完善核心软件的标准.不断完善系统功能，更好服务于农村、农业、农民.

8 结语

（1）该农业设施结构预警处理系统的提出符合国家大力发展农业的指导方针，同时当今时代生态环境遭到破坏，恶劣天气时有发生，对农业设施方面造成的损失巨大，因此，该预警系统具有很广阔的前景与很强的实用性.

（2）该预警系统基于的Opensees软件功能强大，对模拟结构受力形式具有较高的准确性与可靠度.

（3）基于该系统自主研发的Pwsos（pre-warning system of structure）软件，能够稳定准确的对结构实时受力情况进行监测，运行稳定.

（4）将预警系统与扫雪装置联系起来，真正实现其联动作用.在保护结构安全的同时，减少了大量的人力、物力、财力等，真正实现现代化、智能化农业.