基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的老舊磚房安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

阿拉塔，譚曉晶

（1.云南省地震工程研究院，昆明650041；2.云南省建筑科學(xué)研究院，昆明651223）

1 引言

磚砌體結(jié)構(gòu)是我國傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式。老舊磚房由于使用年代較長，所處環(huán)境對(duì)建筑物的侵蝕、材料性能的老化、長期的荷載效應(yīng)及突發(fā)荷載，如地震作用下使得原建筑物或結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力下降，從而在自然災(zāi)害甚至正常使用情況下都可能引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故【1，2】。因此，在老舊磚房，尤其是潛在危房建筑上安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以實(shí)時(shí)在線地監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)，能及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的安全狀況，便于及時(shí)預(yù)警險(xiǎn)情，保障住戶人身和財(cái)產(chǎn)安全。

物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)，通過傳感器裝置將研究對(duì)象與網(wǎng)絡(luò)相連，使得普通物體實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過信息設(shè)備，將與物體有聯(lián)系的傳感器與網(wǎng)絡(luò)相連接進(jìn)行信息交換的技術(shù)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)既有建筑物進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，將傳感器裝置安裝在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位或能獲取結(jié)構(gòu)安全參數(shù)的部位，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與傳輸，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全狀況進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)老舊砌體磚房安全實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。

2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

建筑安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有：沉降監(jiān)測(cè)、水平位移監(jiān)測(cè)、傾斜監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)和撓度監(jiān)測(cè)等【3】。

沉降監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)建筑物及其基礎(chǔ)在垂直方向上的變形情況。

水平位移監(jiān)測(cè)：測(cè)量監(jiān)測(cè)體平面位置隨時(shí)間的變化情況。

傾斜監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)建筑物的墻或柱，在不同高度的點(diǎn)相對(duì)于底部基準(zhǔn)點(diǎn)的偏離。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)建筑物關(guān)鍵構(gòu)件的受力變化情況。

裂縫監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)由于設(shè)計(jì)、材料特性、環(huán)境變化、地基沉降等原因引起的建筑物的裂縫，并評(píng)價(jià)是否大于極限值。

撓度監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)建筑物關(guān)鍵受力構(gòu)件的撓曲變形情況。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由構(gòu)件傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)組成。建筑結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中受到外部激勵(lì)，當(dāng)監(jiān)測(cè)對(duì)象的反應(yīng)值超過預(yù)先設(shè)定的限值時(shí)觸發(fā)傳感器搜集數(shù)據(jù)，經(jīng)過4G 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳到云端服務(wù)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理獲得建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。上述各系統(tǒng)協(xié)同工作流程如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)協(xié)同工程流程圖

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通常依靠基礎(chǔ)設(shè)施層的各類型采集硬件設(shè)備完成，再通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)服務(wù)器。無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）綜合成本低，省去布線及線纜維護(hù)費(fèi)用；（2）組網(wǎng)靈活，可擴(kuò)展性好，即插即用；（3）可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，做出預(yù)警提醒；（4）安裝遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件就可以監(jiān)控?？蛻舳瞬捎肳eb 瀏覽器或移動(dòng)App 遠(yuǎn)程訪問云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看和系統(tǒng)控制。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2 所示。

4 監(jiān)測(cè)傳感器

利用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)性能和周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷識(shí)別、功能評(píng)價(jià)等提供信息；從目前傳感器發(fā)展水平和功能看，建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)傳感器主要采集如下5 個(gè)方面的結(jié)構(gòu)或周邊環(huán)境的信息：

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成模式

1）監(jiān)測(cè)環(huán)境特性，包括建筑物所在地及周邊環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)；

2）監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)整體性能，包括長期荷載作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)材料特性、靜力狀態(tài)、動(dòng)力特性等；

3）監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)局部性能，包括建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)及連接部位的裂縫、疲勞及破壞機(jī)制；

4）監(jiān)測(cè)地震動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響，包括位移、速度、加速度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)；

5）監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)空間位置變化，包括水平位移、沉降、傾斜等；

根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目功能和目標(biāo)不同，需要結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)選擇傳感器的類型和數(shù)量并優(yōu)化布置，傳感器布設(shè)的原則如下：

1）測(cè)得的數(shù)據(jù)要能精準(zhǔn)反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性；

2）測(cè)得的數(shù)據(jù)要對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的靜力參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)較敏感；

3）要布置在建筑結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件上；

4）盡量布置在結(jié)構(gòu)反應(yīng)最不利處或已損傷處；

5）針對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象對(duì)感興趣的局部進(jìn)行重點(diǎn)布置。

加速度傳感器布置的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：模態(tài)保證準(zhǔn)則；奇異值比、平均模態(tài)動(dòng)能、有效獨(dú)立法、模態(tài)的可視化程度、表征最小二乘法準(zhǔn)則。

環(huán)境監(jiān)測(cè)、幾何監(jiān)測(cè)、外部荷載監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)監(jiān)測(cè)等傳感器可通過有限元分析確定極值或關(guān)鍵控制位置，風(fēng)速儀等特殊類型的傳感器可依其測(cè)量特點(diǎn)進(jìn)行布置。

5 數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)方案

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組網(wǎng)方式通常有分布式、集中式和混合式。單一小型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了集中組網(wǎng)方式，由現(xiàn)場(chǎng)前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過有線或無線方式將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心或者云平臺(tái)服務(wù)器。大型建筑或多工程多任務(wù)項(xiàng)目通常采用分布式組網(wǎng)方式，各監(jiān)測(cè)區(qū)域組成局域網(wǎng)，再由局域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)信息傳輸至基站，基站采用GPRS 無線通信方式傳輸至服務(wù)器或云平臺(tái)?；旌鲜浇M網(wǎng)使局部采用集中式，多數(shù)采用分布式的混合模式，多用于大型結(jié)構(gòu)長遠(yuǎn)距離的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

6 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)及功能設(shè)計(jì)

6.1 云平臺(tái)搭建

云平臺(tái)架設(shè)各種類型服務(wù)器、小型機(jī)、磁盤陣列和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)施資源，通過虛擬化技術(shù)將服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬化，提供按需分配的虛擬資源池，從而使得云計(jì)算平臺(tái)對(duì)資源的使用靈活方便。大量數(shù)據(jù)和軟件都存儲(chǔ)在服務(wù)器上，用戶通過Web 瀏覽器或其他Web 服務(wù)來共享各種軟硬件資源及應(yīng)用服務(wù)。

本系統(tǒng)采用了公有云方式來搭建整個(gè)結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可大大降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本。云平臺(tái)主要功能是作為服務(wù)器，部署服務(wù)提供API 給移動(dòng)端調(diào)用并接收移動(dòng)端上傳的數(shù)據(jù)，使用MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。為了節(jié)省成本，MySQL 和后臺(tái)處理服務(wù)均部署在同一云服務(wù)器上。

遠(yuǎn)程訪問：本系統(tǒng)客戶終端設(shè)備采用了基于B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用Web 瀏覽器和移動(dòng)App 進(jìn)行服務(wù)器數(shù)據(jù)訪問。

6.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能包括：數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)和輔助決策子系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要是對(duì)各類傳感器匯聚上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理維護(hù)，方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步使用。該子系統(tǒng)的主要功能有：數(shù)據(jù)歸類、數(shù)據(jù)維護(hù)和數(shù)據(jù)備份。

數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要是為用戶提供建筑安全信息的查詢、報(bào)表生產(chǎn)、數(shù)據(jù)顯示等功能，滿足用戶日常管理需要。該子系統(tǒng)主要功能有：數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)顯示、數(shù)據(jù)對(duì)比、數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)。

輔助決策子系統(tǒng)主要為用戶提供決策支持和有關(guān)建議。該系統(tǒng)主要功能有：安全預(yù)警、輔助決策、公共情況發(fā)布和指揮控制。

7 工程應(yīng)用案例

本案例選定了云南省地震局黑龍?zhí)杜f辦公樓作為監(jiān)測(cè)研究對(duì)象。該辦公樓始建于20 世紀(jì)70 年代，為磚混結(jié)構(gòu)，無圈梁構(gòu)造柱，材料強(qiáng)度較低。因?yàn)樵摲课莸慕ㄔO(shè)年代較早，結(jié)構(gòu)服役期間的安全性一直是關(guān)注的重點(diǎn)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器設(shè)備：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共采用傾角傳感器4 個(gè)，用于監(jiān)測(cè)建筑物的傾斜和沉降；溫度傳感器4 個(gè)，用于監(jiān)測(cè)建筑物的環(huán)境溫度。傾角傳感器布設(shè)與屋頂周邊中心部位，溫度傳感器布設(shè)與屋頂中心處。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)方式：所有傳感器采用RS485 通信方式，由數(shù)據(jù)匯集器傳至DTU 無線模塊，再由DTU 無線模塊傳輸至云平臺(tái)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云平臺(tái)：系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用云服務(wù)器，客戶端訪問采用基于B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)的Web 端和移動(dòng)App 端。

8 結(jié)語

目前，國內(nèi)很多老舊磚砌體結(jié)構(gòu)都是20 世紀(jì)80 年代所建且面廣量大，其居住安全問題日益突出，對(duì)群眾生命安全和財(cái)產(chǎn)安全有著極大隱患。因此，對(duì)老舊磚砌體結(jié)構(gòu)使用安全的監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警顯得尤為必要。傳統(tǒng)的材料強(qiáng)度和變形檢測(cè)已經(jīng)不能滿足需求，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建老舊磚房安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是對(duì)傳統(tǒng)建筑安全監(jiān)控的拓展，有助于確保建筑安全，構(gòu)筑安全的生活環(huán)境。該系統(tǒng)能夠提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸和查詢都可以通過云平臺(tái)查看，可以將老舊磚砌體房進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)管理，對(duì)房屋險(xiǎn)情預(yù)警具有積極作用。