基于大數(shù)據(jù)的建筑結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計

豆旺

四川建筑職業(yè)技術學院 工程管理系 四川 德陽 618000

引言

建筑物與人民生活和生命財產(chǎn)安全息息相關，一些建筑物，比如橋梁、高層建筑、居民房屋等，一旦發(fā)生安全事故，會造成不可估量的人身安全和財產(chǎn)損失，事故的原因，相當大的部分是因為建筑結構受損、健康狀況不理想。建筑物的施工和使用時間長、結構復雜，自然因素或長期應力損傷，會給建筑結構造成不可逆轉的破壞，需要建筑結構監(jiān)測技術對土木工程的結構進行監(jiān)測、提前預警。

1 建筑結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計的原則

基于大數(shù)據(jù)的土木工程結構監(jiān)測系統(tǒng)設計需要遵循安全可靠性原則、準確和實時性原則、長期穩(wěn)定性原則、可擴展性原則和用戶友好性原則，這些原則將有助于確保系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和易用性。

1.1 安全可靠性原則

安全可靠性是基于大數(shù)據(jù)的建筑結構監(jiān)測系統(tǒng)設計的一個重要原則。系統(tǒng)涉及大量敏感數(shù)據(jù)和關鍵信息，如建筑結構的物理量、環(huán)境參數(shù)、健康狀況等。因此，必須采用一系列技術手段來確保系統(tǒng)的信息安全性，比如數(shù)據(jù)加密、身份認證、訪問控制等。此外，對于傳感器設備選型、布置和維護也需要考慮安全問題，所以應選擇具有穩(wěn)定性和可靠性的傳感器設備，并采取適當?shù)姆雷o措施，以避免惡意攻擊和非法入侵。

1.2 準確和實時性原則

系統(tǒng)需要對建筑結構進行實時監(jiān)測，并提供高精度的預測和診斷能力，因此，必須對傳感器設備選型、布置、維護和校準等問題進行仔細研究和優(yōu)化，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和實時性，此外，還需要考慮數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性問題，所以應使用高速傳輸線路和云計算技術，以加快數(shù)據(jù)處理和分析速度，并確保數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫中。

1.3 長期穩(wěn)定性原則

由于建筑結構通常具有較長的使用壽命，因此，該系統(tǒng)需要考慮長期穩(wěn)定性問題，為此，應對數(shù)據(jù)存儲、備份、遷移和恢復等方面進行規(guī)劃和優(yōu)化，確保系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運行，此外，對于硬件設備的維護和更新也需要考慮長期穩(wěn)定性問題，所以應選擇具有可靠性和耐用性的傳感器設備，并定期進行維護和更換。

1.4 可擴展性原則

隨著新的技術和設備的引入，該系統(tǒng)需要具備良好的可擴展性，以適應未來變化和需求的增加，因此，應采用模塊化設計、開放式接口、云計算等技術手段，實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展和升級，此外，對于數(shù)據(jù)存儲和管理也需要考慮可擴展性問題，所以應采用分布式架構和云計算技術，以適應未來數(shù)據(jù)量的增長和數(shù)據(jù)中心的擴展。

2 建筑結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計的功能和目標

基于大數(shù)據(jù)的建筑結構健康監(jiān)測系統(tǒng)是一種綜合性的軟硬件系統(tǒng)，其主要功能目標是實現(xiàn)對建筑結構的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)的存儲和管理，異常預警和診斷，提供可視化監(jiān)測界面，同時還需要具備用戶管理功能和報表統(tǒng)計和分析功能，實現(xiàn)并提高建筑結構的安全性和可靠性。

2.1 實時監(jiān)測

該系統(tǒng)主要目標是實現(xiàn)對建筑結構的實時監(jiān)測。通過配備高精度的傳感器設備，對建筑結構的物理量、環(huán)境參數(shù)、健康狀況等進行實時監(jiān)測。同時，采用云計算等技術手段，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫中，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲和管理。

2.2 進行異常預警和診斷

系統(tǒng)設計的另一個重要目標是進行異常預警和診斷。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和處理，可以發(fā)現(xiàn)土木工程結構的異常變化，如變形、裂縫等，及時進行預警和診斷，提供相應的解決方案和建議。

2.3 可視化監(jiān)測界面

為了方便用戶使用和操作，該系統(tǒng)還需要提供可視化監(jiān)測界面。通過圖形化界面和交互式設計，用戶可以直觀地了解建筑結構的監(jiān)測數(shù)據(jù)、趨勢和分析結果，更好地進行決策和管理。為了方便用戶了解建筑結構的狀況，系統(tǒng)需要具備報表統(tǒng)計和分析功能，生成各種報表和圖表，以展現(xiàn)建筑結構監(jiān)測的結果和趨勢。

2.4 數(shù)據(jù)的存儲和管理

基于大數(shù)據(jù)的建筑結構健康監(jiān)測系統(tǒng)需要實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的存儲和管理。通過采用云計算等技術手段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲和管理，并提供相應的數(shù)據(jù)備份、恢復和遷移服務，以確保數(shù)據(jù)的安全可靠性和長期穩(wěn)定性。

2.5 用戶管理

系統(tǒng)還需要具備用戶管理功能，包括用戶注冊、登錄、權限控制、數(shù)據(jù)查詢與下載等。這些功能可以提高系統(tǒng)的安全性和可用性，同時也方便用戶使用和操作。

3 建筑結構健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

基于大數(shù)據(jù)的建筑結構健康監(jiān)測系統(tǒng)采用傳感器、云計算、大數(shù)據(jù)等技術，對建筑結構進行長期、全面、動態(tài)監(jiān)測和分析，提供精準預警和診斷的先進系統(tǒng)。其總體設計包括數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘、預警與診斷和用戶界面與交互等部分，旨在提供精準、全面、高效的建筑結構健康監(jiān)測和管理[1]。

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

在建筑結構上安裝多種類型的傳感器進行實時監(jiān)測，如加速度計、位移傳感器、應變計、沉降傳感器等，采集各種物理量和環(huán)境參數(shù)，并將其傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫中，同時，還要考慮傳感器的選型、布局、標定和定位等問題。

3.2 數(shù)據(jù)存儲與管理

為了保證數(shù)據(jù)質量和可靠性，需要建立完善的數(shù)據(jù)管理平臺，包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)校驗和數(shù)據(jù)質量控制等，把采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分類、整理和存儲，以便后續(xù)的分析和處理。

3.3 數(shù)據(jù)分析與挖掘

使用各種大數(shù)據(jù)技術對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，從中提取出有用的信息和特征。常見的技術包括機器學習、深度學習、神經(jīng)網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)挖掘等，目前最流行的是采用機器學習技術來構建結構健康預測、損傷診斷和失效分析模型。

3.4 預警與診斷

實時監(jiān)測建筑結構的健康狀況，根據(jù)預設的安全閾值進行預警和報警。同時，通過對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，能夠對建筑結構的損傷和失效情況進行準確地診斷和預測，以提供及時的維護和修復建議。

3.5 用戶界面與交互

具有友好簡潔的用戶界面和交互方式，便于用戶直觀地了解建筑結構的健康狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)。為此，可以借助可視化技術、圖形化界面和交互設計等手段來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)和操作[2-3]。

4 監(jiān)測系統(tǒng)硬件構成

4.1 傳感器

傳感器是土木工程結構監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的硬件之一，有位移傳感器、應變傳感器、壓力傳感器、加速傳感器、張力傳感器、溫度和濕度傳感器等，需要具備高精度、高靈敏度、低功耗、長壽命等特點，以確保數(shù)據(jù)的及時、準確地采集和傳輸，同時，還要具備防水、防塵、防爆、抗干擾等特性，以適應不同的環(huán)境條件和使用場景[4]。這些傳感器負責采集建筑結構的各種物理量，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集裝置。

4.2 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集裝置是連接傳感器和通信模塊的重要設備，用于收集傳感器采集到的數(shù)據(jù)并初步進行處理，它需要具備高精度、高速度、低功耗、可靠性等特點，同時，數(shù)據(jù)采集裝置需要具備多個輸入通道以連接多個傳感器，并支持不同類型的傳感器接口，例如模擬信號、數(shù)字信號、脈沖信號等。

4.3 通信模塊

通信模塊是將數(shù)據(jù)采集裝置采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔掌鞯闹匾O備。通信模塊可以使用無線通信技術（例如LTE、NBIoT、LoRaWAN、Wi-Fi等）或有線通信技術（例如以太網(wǎng)、RS-485、CAN總線等）[5]。通信模塊需要具備高速率、低功耗、可靠性等特點，以確保數(shù)據(jù)的及時、準確地傳輸和處理。

4.4 云端服務器

云端服務器是建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的硬件部分之一，它負責接收、存儲、管理和處理傳感器采集的大量數(shù)據(jù)。云端服務器需要具備高容量、高可用性、高安全性、高性能等特點，以滿足系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)存儲和處理的需求，同時，還要能支持多種操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，提供可靠的備份和恢復機制。

5 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

①數(shù)據(jù)采集模塊。用于采集傳感器運行狀態(tài)的相關數(shù)據(jù)，包括振動、位移、壓力、濕度等數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)存儲和管理模塊。通過云端技術將采集到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，并提供數(shù)據(jù)的備份、恢復和刪除等管理功能。③數(shù)據(jù)預處理模塊。針對原始數(shù)據(jù)進行去噪、濾波、校正等處理，使其更加準確可靠。④數(shù)據(jù)分析模塊。采用機器學習、人工智能等算法對數(shù)據(jù)進行分析，提取結構健康狀態(tài)的特征參數(shù)，并提供健康評估和預警等相關服務。⑤數(shù)據(jù)可視化模塊。將數(shù)據(jù)分析結果以圖表等形式呈現(xiàn)，方便用戶查看土木結構的運行狀況，并生成監(jiān)測報告。⑥用戶界面模塊。為用戶提供友好的操作界面，方便用戶查詢、管理、分析數(shù)據(jù)，并進行監(jiān)測報告的生成和導出等相關操作。

除此之外，還可以加入數(shù)據(jù)安全保護模塊，以保障敏感數(shù)據(jù)的安全性，這些模塊可以協(xié)同工作，構成一個完整的基于大數(shù)據(jù)的建筑結構健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件。

6 監(jiān)測系統(tǒng)需要的技術支持

儲存技術：包括分布式儲存系統(tǒng)（如Hadoop、Ceph）、關系型數(shù)據(jù)庫（如MySQL、Oracle）和NoSQL數(shù)據(jù)庫（如MongoDB、Cassandra）。這些技術可以提供高可靠性、高可擴展性和分布式計算能力，滿足建筑結構健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的儲存需求。

計算技術：對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行并行計算和處理，需要使用諸如MapReduce、Spark等分布式計算框架，以及CUDA并行計算技術。這些技術可以提高計算效率，快速處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)。

分析技術：包括機器學習、數(shù)據(jù)挖掘、深度學習等技術，用于從海量監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，如異常檢測、故障預測、質量評估等。

預警技術：利用監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算和分析結果，建立建筑結構健康模型，通過預警系統(tǒng)發(fā)出警報通知，提示工程師和管理人員采取相應的措施，避免事故的發(fā)生。

7 監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

基于大數(shù)據(jù)的建筑結構健康監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)全方位、多層次的安全監(jiān)測、自動化的風險預測和實時預警，有效地保障建筑結構的安全性和可靠性，監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如下圖1所示。

圖1 工作流程圖

首先，使用大數(shù)據(jù)處理技術Hadoop系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)存儲在分布式儲存系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫中，保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。然后，提取有效特征、去除異常數(shù)據(jù)、調(diào)整數(shù)據(jù)格式等預處理步驟，為后續(xù)的計算和分析做好準備。常用的預處理技術包括特征選擇、離群點檢測、數(shù)據(jù)清洗等。隨后，利用分布式計算框架對大規(guī)模的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行并行計算和處理，如基于時間序列分析的振動頻譜分析、位移分析、應變分析等。接著是對數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)分析是基于機器學習、數(shù)據(jù)挖掘等技術對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，揭示數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢。比如通過聚類分析找出相似的結構物，通過異常檢測發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，通過故障診斷確定具體的故障原因。常用的分析技術包括聚類分析、分類分析、回歸分析、異常檢測等。根據(jù)分析結果，建立建筑結構健康模型，預測潛在的安全風險，并發(fā)出預警信號。當出現(xiàn)安全風險時及時發(fā)出報警通知。常用的風險預警技術包括機器學習、時間序列分析、統(tǒng)計分析等。而后，是將分析結果以可視化的形式呈現(xiàn)給工程師和管理人員，如圖表、大屏幕等，方便他們進行實時監(jiān)測和決策。常用的可視化技術包括數(shù)據(jù)可視化、交互式可視化、虛擬現(xiàn)實等。工程師和管理人員收到預警信號后，及時采取相應的措施，避免事故的發(fā)生。常用的措施處理技術包括故障排除、維修保養(yǎng)、結構加固等。

8 結束語

基于大數(shù)據(jù)的建筑結構健康監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢很多，可以提高監(jiān)測精度、實現(xiàn)智能預警、提高監(jiān)測效率、支持數(shù)據(jù)共享和可視化展示數(shù)據(jù)等，還可以通過不斷地迭代、更新分析算法和模型，不斷提高建筑結構健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析精度和預警效果，為保障建筑結構安全提供了有力的技術支撐。