結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域的城市安全大腦頂層設(shè)計

姜海川 孫 巍 李云鶴 甘 雨 霍振興

(1.吉林省建苑設(shè)計集團有限公司，吉林 長春 130011；2.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院，吉林 長春 130000)

1 背景技術(shù)

隨著我國城市化發(fā)展的不斷深入，勘察設(shè)計領(lǐng)域單純采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)定性化的包絡(luò)設(shè)計，經(jīng)驗推斷的設(shè)計分析方式，已逐漸無法滿足我國外來城市化發(fā)展需要[4]。5G技術(shù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)云計算等新興技術(shù)的逐步完善，一個全新的城市安全設(shè)計頂層設(shè)計理念呼之欲出。以上幾個新興技術(shù)代表著數(shù)據(jù)的物—物、人—物信息互聯(lián)能力，數(shù)據(jù)的快速傳輸能力，物體自身的初步自我分析及判斷能力以及數(shù)據(jù)云端整體分析和計算能力[4，5]。這些技術(shù)的相互關(guān)聯(lián)將會促使我國的城市建筑安全評價及信息接收逐步由單一的模糊化、經(jīng)驗化、人為被動反饋方式，向由單個構(gòu)件不同位置的安全數(shù)據(jù)信息逐級簡單分析、數(shù)據(jù)匯總、信息整合、數(shù)據(jù)進一步分析、數(shù)據(jù)反饋至“城市大腦”中心并由城市大腦進行最頂層的信息處理并將相應(yīng)信息數(shù)據(jù)分類推送至各個城市主管部門進行進一步的協(xié)調(diào)、確認、解決。

由于我國城市近些年的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)自身的安全儲備不足、颶風(fēng)、地震頻發(fā)、人為超載現(xiàn)象屢禁不止，造成了我國城市建筑的安全問題不斷、安全事故頻發(fā)，如房屋的突然倒塌、橋梁的驟然斷裂、造成了沉重的國家財產(chǎn)損失和個人人身傷亡[5，6]。2008年四川汶川地震、2009年上?！吧徎ê优暇霸贰?3層樓體突然倒塌、2012年江西廣昌大橋坍塌、2018年廣東中山市地下室坍塌事故、2018年山東德州地下室坍塌事故、2020年福建福州橋梁倒塌事故、2020年福建泉州欣佳酒店坍塌事故、2020年浙江省龍港樓房突然坍塌等等。以上這些層出不窮的結(jié)構(gòu)安全問題使得我國人民對結(jié)構(gòu)安全性方面的憂慮越來越嚴重。因此我國建筑體系中急需建立集結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、評估、反饋于一體的城市結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控平臺。通過對整個城市建筑體的安全監(jiān)控將對提高城市建筑安全高效運轉(zhuǎn)、保障我國人民的生命及財產(chǎn)的安全性具有里程碑式的意義。

2 城市結(jié)構(gòu)安全大腦的基本概念及未來發(fā)展必要性

城市結(jié)構(gòu)安全大腦(Urban Security Brain)指的是利用城市中各個單體中的不同位置的數(shù)據(jù)信息傳感器實時采集的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息，利用5G、人工智能、網(wǎng)絡(luò)云計算等方式實時監(jiān)控并分析出城市中各個區(qū)域結(jié)構(gòu)單體的整體安全情況，是否發(fā)生了造成結(jié)構(gòu)損傷或是安全儲備下降的變化。

為了解決土木領(lǐng)域長期存在的結(jié)構(gòu)安全隱患及突發(fā)自然災(zāi)害問題，城市安全大腦將會是未來城市土木建筑行業(yè)建設(shè)發(fā)展的一個必然方向。作為土木領(lǐng)域結(jié)構(gòu)安全方面的設(shè)計工作者應(yīng)致力于如何深入挖掘城市結(jié)構(gòu)安全方面的內(nèi)在規(guī)律，匯聚城市建筑各單體的數(shù)據(jù)信息，利用大數(shù)據(jù)的模擬、預(yù)測、分析復(fù)雜的城市建筑群的結(jié)構(gòu)安全性問題。

3 城市結(jié)構(gòu)安全大腦主要組成部分

城市結(jié)構(gòu)安全大腦系統(tǒng)主要通過實時的數(shù)據(jù)信息采集、數(shù)據(jù)信息傳輸、損傷識別及安全評價等幾個主要方面組成[4-6]。

1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件層面的自身安全數(shù)據(jù)信息采集，對于一個結(jié)構(gòu)單體來說其一定是由很多不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或是結(jié)構(gòu)單元部分共同組成的，換句話說結(jié)構(gòu)的破壞一定首選是從構(gòu)成結(jié)構(gòu)單體的某個部分或幾個部分發(fā)生損壞，并快速或緩慢的擴展至整個結(jié)構(gòu)體系從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的最終損壞的。因此目前可以采用比較完善的監(jiān)測傳感器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通用平臺對整個城市中的主要被監(jiān)測單體的各個重要被監(jiān)測點進行結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)采集。目前國內(nèi)及國際上有著非常多的成熟數(shù)據(jù)傳感器，通過采集應(yīng)被監(jiān)測位置的電、聲、光、熱能信號來獲取監(jiān)測位置的基本數(shù)據(jù)信息。目前常用的數(shù)據(jù)采集前端(構(gòu)件層面)的采集平臺可利用Labview，VB，Delphi，VC等軟件平臺。數(shù)據(jù)傳感器主要有采集混凝土內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的壓電陶瓷傳感器，測量混凝土構(gòu)件傾斜角度的傾角傳感器，測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件位移的位移傳感器，測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件外表面應(yīng)變的應(yīng)變傳感器，采集結(jié)構(gòu)構(gòu)件加速度變化的加速度傳感器，采集被測區(qū)域應(yīng)力和溫度的光纖光柵傳感器，測量結(jié)構(gòu)監(jiān)測位置溫度的溫度傳感器，以及監(jiān)測測量區(qū)域火災(zāi)安全情況的煙霧傳感器等。

2)數(shù)據(jù)傳輸，由于判斷一個結(jié)構(gòu)單體或是整個城市的部分區(qū)域的整體結(jié)構(gòu)安全性，需要的是眾多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件層面的數(shù)據(jù)進行整體計算并根據(jù)不同結(jié)構(gòu)位置的結(jié)構(gòu)自身響應(yīng)特征來整體分析其結(jié)構(gòu)損傷程度及相應(yīng)的安全等級，因此需要利用有線與無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，將所采集的數(shù)據(jù)進行匯集、整合、傳輸至相應(yīng)的使用端。目前國內(nèi)及國際上已經(jīng)有非常多的成熟的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，但是目前仍有很多非常有效的技術(shù)沒有被應(yīng)用。目前主流的通信技術(shù)有WiFi(Wireless-Fidelity)技術(shù)、LPWAN通信技術(shù)和ZigBee無線通信技術(shù)等。

3)損傷識別及安全評價，土木領(lǐng)域的工程結(jié)構(gòu)在爆炸、洪水、疲勞、地震、臺風(fēng)、超載、相鄰區(qū)域土質(zhì)約束發(fā)生改變等情況，可能會造成建筑物的承載能力損壞或是正常使用破壞。由于結(jié)構(gòu)在發(fā)生以上損壞過程中會產(chǎn)生相應(yīng)的不同程度的位移、傾角、加速度、應(yīng)變方面的響應(yīng)，因此通過對結(jié)構(gòu)重要位置做相應(yīng)方面的響應(yīng)監(jiān)測，實時將監(jiān)測數(shù)據(jù)與正常健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行比對獲得一個初步的損傷程度及損傷定位。數(shù)據(jù)信息還需要代入至計算分析軟件中(通常采用MATLAB，ANSYS或ABAQUS)進行結(jié)構(gòu)分析和軟件計算，并依據(jù)信息進行修正，同時將模型修正后的分析數(shù)據(jù)與原始健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息進行比對，最終得到準確的測試單體安全評估信息詳細數(shù)據(jù)流程圖見圖1。

4)城市安全大腦系統(tǒng)，為了系統(tǒng)性了解和把控整個城市各個測試單體的結(jié)構(gòu)安全性能，通過數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)將各個安全子系統(tǒng)單元評估數(shù)據(jù)進行匯總與整合，并通過云數(shù)據(jù)分析與計算將處理結(jié)果分類推送至各個城市相應(yīng)的主管部門進行下一步的協(xié)調(diào)、確認、解決。相關(guān)流程詳見圖2。

4 城市結(jié)構(gòu)安全大腦系統(tǒng)需要重點注意的關(guān)鍵技術(shù)問題

城市結(jié)構(gòu)安全大腦系統(tǒng)(Urban Structural Safety Brain System)由數(shù)據(jù)信息采集、數(shù)據(jù)前期采集、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)后期處理幾部分組成的龐大的系統(tǒng)。如何科學(xué)高效的獲取不同結(jié)構(gòu)體系在任何時刻的結(jié)構(gòu)安全性信息是目前急需注意的關(guān)鍵性問題。城市結(jié)構(gòu)安全大腦系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用主要有以下幾個關(guān)鍵性的技術(shù)性問題[6-8]：

1)數(shù)據(jù)信息的科學(xué)采集。對于不同的結(jié)構(gòu)形式，影響結(jié)構(gòu)安全性的前幾個自振周期由幾秒至幾毫秒。不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的采集點位置特點及采集信息的多樣性也決定了其數(shù)據(jù)信息的不同頻率。應(yīng)該根據(jù)不同需要制定相應(yīng)的采集頻率，如溫度信息的采集頻率可以保證在0.5 Hz水平；傾角傳感器的采集頻率可以采用1 Hz；應(yīng)變傳感器每個測試點的采集頻率可以取到50 Hz～100 Hz之間；波動理論的應(yīng)力傳感器可以采用單一頻率下的數(shù)據(jù)采集方法，每個發(fā)送波段至少需要有10個數(shù)據(jù)采集點，單次可以采集5個～10個完整波長即可；位移傳感器則需要根據(jù)整個結(jié)構(gòu)的自振頻率特性，要保證其X及Y向平動振型參與質(zhì)量系數(shù)在90%以上的自振周期內(nèi)有15個數(shù)據(jù)采集點。

2)數(shù)據(jù)信息的前期處理。城市結(jié)構(gòu)安全大腦系統(tǒng)目的是將整個城市中的所有特殊設(shè)防類(甲類)，重點設(shè)防類(乙類)及絕大多數(shù)標準設(shè)防類(丙類)建筑的結(jié)構(gòu)安全性進行全生命周期的健康監(jiān)測。因此為了盡量減少安全系統(tǒng)最終的數(shù)據(jù)信息量，需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)自身特點將絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)安全信息進行自身的數(shù)據(jù)前期處理，并最終轉(zhuǎn)化為簡單數(shù)據(jù)信息進行反饋。

3)數(shù)據(jù)信息的傳輸。由于采集信息點的多樣性，數(shù)據(jù)傳輸精度的不同要求，采集空間的多樣性特性，需要綜合運用無線與有線相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式。

4)數(shù)據(jù)信息的處理。通過數(shù)據(jù)傳輸方式最終會將城市大腦監(jiān)控下的每個結(jié)構(gòu)單體的數(shù)據(jù)安全信息轉(zhuǎn)運至數(shù)據(jù)終端處理平臺。由于數(shù)據(jù)處理信息量龐大，需要借助云計算技術(shù)。在搭建整個數(shù)據(jù)平臺過程中，應(yīng)根據(jù)每個監(jiān)測單體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征，結(jié)構(gòu)安全性能要求，發(fā)生不同破壞過程會出現(xiàn)的數(shù)據(jù)破壞信號等信息輸入至相應(yīng)的云計算平臺上。結(jié)構(gòu)工程師還應(yīng)該將結(jié)構(gòu)的計算模型搭建于云平臺中，使其具有自動迭代功能。

5 結(jié)語

5G智能時代的到來一方面會對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來巨大的沖擊，另一方面也必然會伴隨著空前的機遇期。如何將城市結(jié)構(gòu)單體與整個城市的建筑安全性相互關(guān)聯(lián)，如何通過新的技術(shù)手段將復(fù)雜的模擬數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為通俗的結(jié)構(gòu)安全性評估結(jié)論是今后一段時間擺在我們勘察設(shè)計領(lǐng)域每個人必須要面對的問題。將土木行業(yè)的資源重組、權(quán)利格局的轉(zhuǎn)變、智能主導(dǎo)權(quán)與人的自主決策權(quán)的相互影響則需要有關(guān)部門更大的決心進行解決。結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域的城市安全大腦是未來我國城市建筑向智能、綠色、高效發(fā)展的必然之路。