裝配式混凝土房屋建筑全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)

付長浩

（北京禾目祥瑞注冊安全工程師事務(wù)所有限公司，北京 102600）

0 引言

區(qū)別于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土建造模式，目前廣泛應(yīng)用的裝配式混凝土建筑模式，需要通過預(yù)制工廠，生產(chǎn)房屋建筑施工所需的構(gòu)件，再根據(jù)裝配式混凝土房屋建筑進(jìn)度，將施工所需的構(gòu)件運(yùn)送到現(xiàn)場拼裝，模擬搭積木的方式建造房屋建筑，使建筑施工時(shí)間得到大幅度節(jié)省。但是，由于裝配式建筑實(shí)際施工過程中，需要多方面配合協(xié)作，目前國內(nèi)對裝配式建筑認(rèn)知不足，施工過程中極易出現(xiàn)構(gòu)件碰撞、建造誤差等問題，為了保證裝配式混凝土房屋建筑順利施工，需要針對建筑全生命周期進(jìn)行監(jiān)控，匯總每個(gè)階段的監(jiān)控信息，合理規(guī)劃項(xiàng)目的施工進(jìn)度。

現(xiàn)有的全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)，大多采用有線通信方式，傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，極易受到外界因素干擾，造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延較大。該文以解決這一問題為核心，提出以無線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)。從系統(tǒng)測試結(jié)果來看，文中所提出的監(jiān)控系統(tǒng)，不但達(dá)到全生命周期監(jiān)控結(jié)果展示的基礎(chǔ)目標(biāo)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延也大幅度降低，保證了監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1 裝配式混凝土房屋建筑全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)處理器設(shè)計(jì)

為了更好地處理全生命周期監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，文中以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)包括電源管理、網(wǎng)絡(luò)接口、時(shí)鐘電路以及ROM、RAM輸入輸出模塊等多個(gè)組成部分的數(shù)據(jù)處理器。為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理的靈活性和穩(wěn)定性，選取51系列的單片機(jī)，針對全生命周期監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，直接進(jìn)行邏輯運(yùn)算，滿足數(shù)據(jù)處理高性能和低功耗要求。

1.2 核心控制器設(shè)計(jì)

由于建筑全生命周期監(jiān)控，所涉及的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來源于多方面，為了更好地控制數(shù)據(jù)傳輸，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中，針對核心控制器進(jìn)行研究，建立以 STM23F704ZGT5芯片為基礎(chǔ)的核心控制器，該芯片的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 微控制芯片的技術(shù)參數(shù)

數(shù)據(jù)處理器與核心控制器設(shè)計(jì)完成后，基本完成了建筑全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)軟件設(shè)計(jì)。

2 裝配式混凝土房屋建筑全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 全生命周期數(shù)據(jù)采集與傳輸

裝配式混凝土房屋建筑的監(jiān)控，需要以真實(shí)的數(shù)據(jù)為支撐，深入分析建筑全生命周期組成結(jié)構(gòu)，針對規(guī)劃階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營階段四個(gè)階段，分別設(shè)置PMU裝置，采集不同數(shù)據(jù)信息，并將采集的建筑全生命周期數(shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)基站。區(qū)別于有線數(shù)據(jù)傳輸方式，文中在數(shù)據(jù)采集和傳輸環(huán)節(jié)，運(yùn)用GPRS無線模塊，連接監(jiān)控終端和通信網(wǎng)絡(luò)，形成無線收發(fā)裝置，再連接核心控制器，實(shí)現(xiàn)終端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的有序傳輸。全生命周期監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過發(fā)送分組數(shù)據(jù)協(xié)議激活通信網(wǎng)絡(luò)，再利用網(wǎng)關(guān) GPRS支持節(jié)點(diǎn)匹配外部網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)IP，實(shí)現(xiàn)PMU裝置采集數(shù)據(jù)向移動(dòng)基站發(fā)送。同時(shí)，移動(dòng)基站所下發(fā)的控制指令，也需要通過上述無線模塊，傳輸至監(jiān)控終端。這種無線數(shù)據(jù)傳輸方式，避免了外部干擾因素對數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的影響，確保采集數(shù)據(jù)的高效傳輸。

PMU裝置作為建筑全生命周期數(shù)據(jù)采集的主要設(shè)備，每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)安裝一個(gè)PMU裝置，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的全面采集。由于PMU的可觀測通道具有約束性，為了獲取完整的全生命周期數(shù)據(jù)，文中在數(shù)據(jù)采集階段對PMU配置策略進(jìn)行優(yōu)化，針對監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的PMU配置進(jìn)行研究，根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，定義合理的PMU配置方式，見式（1）。

其中：

式中：為全生命周期數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，為PMU配置內(nèi)數(shù)據(jù)觀測通道數(shù)量，為PMU配置方式。

根據(jù)公式（1）得出的PMU配置方法進(jìn)一步分析，引入PMU裝置通道數(shù)量約束條件，建立節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣，并獲取矩陣內(nèi)存在的節(jié)點(diǎn)行數(shù)，重新定義PMU配置，獲取全生命周期數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

2.2 建立異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成方案

由于裝配式混凝土建筑的全生命周期監(jiān)控，需要從多個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)采集對應(yīng)數(shù)據(jù)，使采集數(shù)據(jù)的架構(gòu)不同，為了便于監(jiān)控分析，文中依托于XML技術(shù)，建立異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成方案，結(jié)合全生命周期數(shù)據(jù)的基本特征，構(gòu)建以XML中間件為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)集成方法，其主要集成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于XML中間件的數(shù)據(jù)集成架構(gòu)

根據(jù)圖1可知，XML數(shù)據(jù)集成架構(gòu)，包括三層主要結(jié)構(gòu)，分別是數(shù)據(jù)源、中介層和查詢處理層，首先將分布在不同異構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)的全生命周期數(shù)據(jù)描述為XML文件，并生成對應(yīng)的包裝器，匯總形成集中數(shù)據(jù)庫。以XML中間件為載體，將數(shù)據(jù)源所包括的信息轉(zhuǎn)移到中介層，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存處理和觸發(fā)選擇，再發(fā)送至查詢處理層，作為后續(xù)全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2.3 搭建實(shí)時(shí)監(jiān)控框架模型

該文采用 RFID技術(shù)和4D模型，搭建一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控框架模型。該文根據(jù)關(guān)鍵路徑法CPM規(guī)劃理念，結(jié)合3D建模技術(shù)和時(shí)間維度，提出房屋建筑4D模型。引入BIM理念，將裝配式混凝土房屋建筑所涉及的各個(gè)工序，濃縮到4D模型和項(xiàng)目管理目標(biāo)內(nèi)。

同時(shí)，運(yùn)用RFID技術(shù)對集成處理后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并按照裝配式混凝土建筑全生命周期劃分規(guī)律，將集成數(shù)據(jù)分解為多個(gè)子單元，對每個(gè)單元設(shè)置RFID標(biāo)簽。在房屋建筑項(xiàng)目4D模型中對應(yīng)區(qū)域，布置RFID標(biāo)簽，形成RFID與4D相結(jié)合的實(shí)時(shí)監(jiān)控框架模型，如圖2所示。

運(yùn)用圖2所示的RFID+4D實(shí)時(shí)監(jiān)控框架模型，進(jìn)行建筑項(xiàng)目全生命周期數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理。除此之外，文中采用集中管理理念，在建筑施工區(qū)域建立一個(gè)現(xiàn)場控制中心，針對控制中心內(nèi)的計(jì)算機(jī)，導(dǎo)入上述監(jiān)控框架模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、進(jìn)度控制、數(shù)據(jù)查詢等多項(xiàng)功能，對建筑全生命周期進(jìn)行監(jiān)控。

圖2 RFID+4D實(shí)時(shí)監(jiān)控框架模型

2.4 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控結(jié)果展示

為了使全生命周期監(jiān)控結(jié)果更直觀，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中，添加可視化展示模塊，顯示動(dòng)態(tài)監(jiān)控結(jié)果，從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營階段等多個(gè)方面入手，形成對應(yīng)的監(jiān)控可視化界面。建筑全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)，主要通過B/S框架。采用MySQL工具建立數(shù)據(jù)庫，融入結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL，達(dá)到管理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的目的。文中選用了包括Java工具的可擴(kuò)展開發(fā)平臺(tái)，作為系統(tǒng)主要開發(fā)工具，利用Java語言分離系統(tǒng)的訪問層和邏輯層，并設(shè)計(jì)一個(gè)采集接口，輔助生命周期終端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的交互驗(yàn)證。最后，通過DHML工具開發(fā)客戶端界面，結(jié)合HTML、CSS等多種工具，實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期監(jiān)控結(jié)果的動(dòng)態(tài)展示。

3 系統(tǒng)測試

3.1 項(xiàng)目概述

該測試選定的建筑項(xiàng)目案例介紹的是高預(yù)制率的裝配式混凝土建筑，采用很多先進(jìn)的裝配式建造技術(shù)，符合文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境要求。該建筑工程包括地上和地下兩部分，地下部分建筑結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，而地上部分結(jié)構(gòu)體系為裝配式框架和剪力墻，該工程項(xiàng)目施工相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 裝配式混凝土建筑項(xiàng)目相關(guān)參數(shù)

針對該建筑工程全生命周期階段深入分析，大致劃分為三個(gè)組成部分，分別是初期、實(shí)施期和運(yùn)維期，每個(gè)周期內(nèi)包括多項(xiàng)工作任務(wù)，具體建筑全生命周期分解結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3所示的裝配式混凝土房屋建筑項(xiàng)目全生命周期分解結(jié)果，結(jié)合文中提出的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容，建立符合實(shí)際監(jiān)控要求的系統(tǒng)。

圖3 建筑項(xiàng)目全生命周期分解圖

3.2 系統(tǒng)開發(fā)

基于上述全生命周期工作任務(wù)分解結(jié)果，針對每項(xiàng)工序設(shè)置對應(yīng)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，結(jié)合RFID技術(shù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并對原材料驗(yàn)收、施工動(dòng)態(tài)控制、建筑結(jié)構(gòu)展示等環(huán)節(jié)，開發(fā)獨(dú)立的監(jiān)控子模塊，將多個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)連接起來，形成完整的建筑全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)可視化界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)可視化界面

從圖4所示的可視化可以看出，文中提出的系統(tǒng)具有多項(xiàng)監(jiān)控功能，可以將裝配式混凝土建筑全生命周期監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，直觀展示出來，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。

3.3 系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸是核心環(huán)節(jié)，一旦數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)嚴(yán)重時(shí)延，會(huì)直接影響可視化界面顯示的監(jiān)控結(jié)果，從而影響用戶的使用體驗(yàn)。因此，本次測試從系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延方面入手，驗(yàn)證文中提出監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)越性。針對選定的建筑工程項(xiàng)目，分別將該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)、基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)投入使用，得到全生命周期監(jiān)控結(jié)果。開展數(shù)次監(jiān)控測試，得到三種監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延對比結(jié)果，生成圖5。

圖5 不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延對比結(jié)果

從圖5可以看出，文中提出監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延明顯更低，保持在0.3s以下，且綜合多次測試結(jié)果來看，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延變化幅度較小。而另外兩個(gè)全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，分別為0.95s和1.28s。綜上所述，文中提出的建筑全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延降低了73.68%、80.47%，確保全生命周期監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，給予用戶更好的應(yīng)用體驗(yàn)。

4 結(jié)語

在技術(shù)水平不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，房屋建筑傳統(tǒng)建造方式無法滿足施工要求，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級，裝配式混凝土房屋建筑應(yīng)時(shí)而生。但是，由于該建造形式較為復(fù)雜，整個(gè)施工過程中總是存在因信息管理不及時(shí)造成的問題。對此，文中提出建筑全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用了無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，有效降低了監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)得到實(shí)時(shí)更新，作為后續(xù)施工規(guī)劃的依據(jù)。