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)測系統(tǒng)以實時在線地監(jiān)測其工作狀態(tài)，能及時掌握結(jié)構(gòu)的安全狀況，便于及時預(yù)警險情，保障住戶人身和財產(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象與網(wǎng)絡(luò)相連，使得普通物體實現(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)相連接進行信息交換的技術(shù)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對既有建筑物進行在線監(jiān)測，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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸，對建筑結(jié)構(gòu)的運行安全狀況進行評估，實現(xiàn)對老舊砌體磚房安全實時在線監(jiān)控。

2 監(jiān)測內(nèi)容

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

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

水平位移監(jiān)測：測量監(jiān)測體平面位置隨時間的變化情況。

傾斜監(jiān)測：監(jiān)測建筑物的墻或柱，在不同高度的點相對于底部基準點的偏離。

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

裂縫監(jiān)測：監(jiān)測由于設(shè)計、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，并評價是否大于極限值。

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

3 監(jiān)測系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對建筑物進行健康監(jiān)測，其監(jiān)測系統(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)評價系統(tǒng)組成。建筑結(jié)構(gòu)在運行過程中受到外部激勵，當(dāng)監(jiān)測對象的反應(yīng)值超過預(yù)先設(shè)定的限值時觸發(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，對數(shù)據(jù)進行分析處理獲得建筑結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。上述各系統(tǒng)協(xié)同工作流程如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)同工程流程圖

監(jiān)測系統(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_服務(wù)器。無線遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點主要有：（1）綜合成本低，省去布線及線纜維護費用；（2）組網(wǎng)靈活，可擴展性好，即插即用；（3）可動態(tài)實時傳輸數(shù)據(jù)，做出預(yù)警提醒；（4）安裝遠程監(jiān)控軟件就可以監(jiān)控?？蛻舳瞬捎肳eb 瀏覽器或移動App 遠程訪問云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程查看和系統(tǒng)控制。監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2 所示。

4 監(jiān)測傳感器

利用傳感器實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)性能和周邊環(huán)境的實時監(jiān)測，為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷識別、功能評價等提供信息；從目前傳感器發(fā)展水平和功能看，建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測傳感器主要采集如下5 個方面的結(jié)構(gòu)或周邊環(huán)境的信息：

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成模式

1）監(jiān)測環(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)測結(jié)構(gòu)整體性能，包括長期荷載作用對建筑結(jié)構(gòu)材料特性、靜力狀態(tài)、動力特性等；

3）監(jiān)測結(jié)構(gòu)局部性能，包括建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、節(jié)點及連接部位的裂縫、疲勞及破壞機制；

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

5）監(jiān)測建筑結(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)測項目功能和目標(biāo)不同，需要結(jié)合實際工程特點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）測得的數(shù)據(jù)要能精準反映結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性；

2）測得的數(shù)據(jù)要對實際結(jié)構(gòu)的靜力參數(shù)和動力參數(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）針對監(jiān)測對象對感興趣的局部進行重點布置。

加速度傳感器布置的評價準則：模態(tài)保證準則；奇異值比、平均模態(tài)動能、有效獨立法、模態(tài)的可視化程度、表征最小二乘法準則。

環(huán)境監(jiān)測、幾何監(jiān)測、外部荷載監(jiān)測和結(jié)構(gòu)反應(yīng)監(jiān)測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量特點進行布置。

5 數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)方案

監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)采用了集中組網(wǎng)方式，由現(xiàn)場前端數(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)控中心或者云平臺服務(wù)器。大型建筑或多工程多任務(wù)項目通常采用分布式組網(wǎng)方式，各監(jiān)測區(qū)域組成局域網(wǎng)，再由局域網(wǎng)的節(jié)點將監(jiān)測信息傳輸至基站，基站采用GPRS 無線通信方式傳輸至服務(wù)器或云平臺?；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)長遠距離的監(jiān)測項目。

6 監(jiān)測云平臺及功能設(shè)計

6.1 云平臺搭建

云平臺架設(shè)各種類型服務(wù)器、小型機、磁盤陣列和網(wǎng)絡(luò)交換機等基礎(chǔ)設(shè)施資源，通過虛擬化技術(shù)將服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)進行虛擬化，提供按需分配的虛擬資源池，從而使得云計算平臺對資源的使用靈活方便。大量數(shù)據(jù)和軟件都存儲在服務(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結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測系統(tǒng)，可大大降低監(jiān)測系統(tǒng)的成本。云平臺主要功能是作為服務(wù)器，部署服務(wù)提供API 給移動端調(diào)用并接收移動端上傳的數(shù)據(jù)，使用MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。為了節(jié)省成本，MySQL 和后臺處理服務(wù)均部署在同一云服務(wù)器上。

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

6.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

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)主要是對各類傳感器匯聚上來的數(shù)據(jù)進行管理維護，方便用戶對數(shù)據(jù)的進一步使用。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)的實現(xiàn)顯示、數(shù)據(jù)對比、數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計。

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)測研究對象。該辦公樓始建于20 世紀70 年代，為磚混結(jié)構(gòu)，無圈梁構(gòu)造柱，材料強度較低。因為該房屋的建設(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。

監(jiān)測系統(tǒng)傳感器設(shè)備：監(jiān)測系統(tǒng)共采用傾角傳感器4 個，用于監(jiān)測建筑物的傾斜和沉降；溫度傳感器4 個，用于監(jiān)測建筑物的環(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。

監(jiān)測系統(tǒng)云平臺：系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲采用云服務(wù)器，客戶端訪問采用基于B/S 架構(gòu)設(shè)計的Web 端和移動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80 年代所建且面廣量大，其居住安全問題日益突出，對群眾生命安全和財產(chǎn)安全有著極大隱患。因此，對老舊磚砌體結(jié)構(gòu)使用安全的監(jiān)測和安全預(yù)警顯得尤為必要。傳統(tǒng)的材料強度和變形檢測已經(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)測系統(tǒng)，是對傳統(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)能夠提供實時準確的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸和查詢都可以通過云平臺查看，可以將老舊磚砌體房進行網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)管理，對房屋險情預(yù)警具有積極作用。