建筑變形在線監(jiān)測(cè)方法和平臺(tái)建設(shè)技術(shù)淺談

任宗強(qiáng)

安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥 230000

隨著國家的不斷發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)城市管理者提出了非常高的要求，能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程安全隱患直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，而解決實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)的方法，就是在線監(jiān)測(cè)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、工程監(jiān)測(cè)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全方位、實(shí)時(shí)和直觀的監(jiān)測(cè)和展示。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)傳感器的安裝、通信方式的設(shè)置、監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)、展示平臺(tái)的搭建和預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制的建立等工作。

1 研究建筑物在線監(jiān)測(cè)方法的必要性

常規(guī)監(jiān)測(cè)受到多種因素的影響，一般無法做到實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)周期無法反映某個(gè)時(shí)間段的完整變化，發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能得到及時(shí)的反應(yīng)等，這些往往會(huì)錯(cuò)過危害發(fā)生的第一時(shí)間，造成的后果更為嚴(yán)重。

近年來城市建設(shè)過程中發(fā)生的安全事故屢見不鮮。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2007～2011年5年間，全國已經(jīng)有至少17座大型橋梁發(fā)生垮塌事故，造成270人死亡。這些事故給無數(shù)家庭造成了無法彌補(bǔ)的創(chuàng)傷，也為我們安全施工和城市管理敲響了警鐘。合理的監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)反饋將為工程安全保駕護(hù)航。

2 建筑物變形在線監(jiān)測(cè)方法和平臺(tái)建設(shè)淺談

2.1 監(jiān)測(cè)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

建筑物變形在線監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、預(yù)警與報(bào)警系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)，以及綜合管理信息平臺(tái)等部分組成。

2.2 統(tǒng)一管理平臺(tái)框架（圖1）

圖1 統(tǒng)一管理平臺(tái)框架

2.3 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 數(shù)據(jù)通信技術(shù)

采集器在采集完原始數(shù)據(jù)后需要傳輸?shù)阶酉到y(tǒng)中進(jìn)行處理，處理完的數(shù)據(jù)需要上傳到大平臺(tái)中展示、報(bào)警等，其中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院桶踩猿蔀檎麄€(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

經(jīng)過幾種通信模式的對(duì)比，總結(jié)得出：

（1）Zigbee：對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來說，可以利用每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為傳輸對(duì)象，也可很方便的與其他設(shè)備快速、自由組網(wǎng)，這樣不僅保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性，而且在更換設(shè)備或設(shè)備故障時(shí)無須擔(dān)心組網(wǎng)問題和數(shù)據(jù)斷鏈問題。現(xiàn)場(chǎng)安裝的監(jiān)測(cè)設(shè)備可配備Zigbee模塊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集合點(diǎn)再上傳網(wǎng)絡(luò)。

（2）Wi-Fi：在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，如果場(chǎng)地開闊、設(shè)備較少時(shí)可以采用Wi-Fi傳輸技術(shù)，其具有高速、方便和手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備可以直接通信的特點(diǎn)，可以滿足不同用戶的需求。

（3）藍(lán)牙技術(shù)：在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中利用手機(jī)app查詢、設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，利用藍(lán)牙技術(shù)更為方便、可靠、易操作。

（4）4G技術(shù)：在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中可以直接作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑瑸榱斯?jié)省成本，建議在數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)或大距離傳輸時(shí)使用，比如數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器時(shí)，它的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

2.3.2 三維展示技術(shù)

三維交互技術(shù)指在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建產(chǎn)品的三維模型，然后通過交互設(shè)計(jì)軟件設(shè)定交互程序，使用戶可以通過鼠標(biāo)等交互設(shè)備實(shí)施人機(jī)交互的新興技術(shù)。其中，工作量最大的環(huán)境是三維模型的建立，而實(shí)現(xiàn)模型交互顯示則是這項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)。

（1）三維模型建立。三維模型建立的方式較多，一般來講，無人機(jī)傾斜攝影、三維激光掃描、實(shí)地測(cè)量建模方法除了數(shù)據(jù)采集方式不同，后期的精細(xì)化建模方法基本相同，而二維平面圖三維化可以把設(shè)計(jì)圖制作成三維圖，通過把平面圖、立面圖、剖面圖等還原成三維立體模型。精細(xì)化建模則需要對(duì)現(xiàn)實(shí)物體進(jìn)行實(shí)景拍照，并按對(duì)應(yīng)面完成貼圖，工作量較大。

（2）模型控件添加。三維模型建立完成后，可以導(dǎo)入到3dmax或unity3d中添加不同的控件，進(jìn)行不同場(chǎng)景的開發(fā)，控件觸發(fā)時(shí)相應(yīng)不同的事件，比如，展示監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)名、累計(jì)值、最大值，具有控制功能的，則可以實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備開關(guān)等工作，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。

（3）模型功能擴(kuò)展。在模型中可以添加全景照片，在特定位置可以看到實(shí)景照片，或者連接到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻，這樣更為真實(shí)、直觀。

三維模型制作、開發(fā)技術(shù)已經(jīng)在其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，將其引進(jìn)到建筑物變形監(jiān)測(cè)平臺(tái)中，將增加用戶的體驗(yàn)感、真實(shí)感，具有很強(qiáng)的可操作性，對(duì)于搶險(xiǎn)救援等有很好的指導(dǎo)意義，比以往的菜單式管理平臺(tái)更具親和力、更加直觀。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理分析

變形監(jiān)測(cè)平臺(tái)中要求數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的反饋，預(yù)警報(bào)警要及時(shí)、可靠。這也是衡量平臺(tái)健康性的一個(gè)重要指標(biāo)。

（1）數(shù)據(jù)處理。一般的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理比較簡(jiǎn)單，但對(duì)于GNSS的靜態(tài)數(shù)據(jù)快速解算則需要掌握一定理論知識(shí)才能完成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，就要求在子系統(tǒng)中完成接收原始的電文數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、基線處理、網(wǎng)處理、網(wǎng)平差等一系列工作，通過調(diào)查，一般通用的方法是利用RTKLIB的開源代碼進(jìn)行改造，完成數(shù)據(jù)解算是比較容易實(shí)現(xiàn)的方法。

（2）預(yù)測(cè)分析能力。平臺(tái)除了能夠生成常規(guī)的各種曲線圖和表之外，需要對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果做出一些前瞻性判斷，預(yù)測(cè)其發(fā)展變化趨勢(shì)，具備預(yù)防項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的能力。

平臺(tái)需要引進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、差異進(jìn)化算法等一些智能算法，進(jìn)行工程的動(dòng)態(tài)反饋分析，提高平臺(tái)對(duì)工程建設(shè)安全預(yù)測(cè)的能力。

2.3.4 GIS技術(shù)應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（GIS）具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力；具有極強(qiáng)的空間綜合分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力。在監(jiān)測(cè)平臺(tái)中除了提供地圖服務(wù)之外，對(duì)于工程管理、項(xiàng)目分布、統(tǒng)計(jì)、定位等，可根據(jù)其強(qiáng)大的應(yīng)用模塊完成各種復(fù)雜的空間運(yùn)算，大大節(jié)省開發(fā)成本，并提高整個(gè)平臺(tái)的應(yīng)用能力。

結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，GIS可以完成海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、空間運(yùn)算，對(duì)于構(gòu)建較大區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)管理優(yōu)勢(shì)明顯。另外，GIS和BIM的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，可以將BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)，通過大平臺(tái)再將其展示，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)BIM數(shù)據(jù)擴(kuò)展應(yīng)用。

3 存在的問題

作為工程監(jiān)測(cè)行業(yè)，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)面臨新的挑戰(zhàn)，其中的實(shí)時(shí)性是最無法實(shí)現(xiàn)的，所以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+監(jiān)測(cè)傳感器的發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，也必將成為一種不可逆的趨勢(shì)。但其存在的幾個(gè)問題：

（1）沒有可執(zhí)行的國家規(guī)范、沒有統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)也不完善。

（2）政府導(dǎo)向力度不大，缺乏規(guī)范，政府無法大區(qū)域推行在線監(jiān)測(cè)，只能以科研、測(cè)試等來推行。

（3）在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)從設(shè)備安裝、硬件開發(fā)、軟件開發(fā)、核心算法代碼編寫、數(shù)據(jù)模型建立、工程設(shè)計(jì)分析等環(huán)節(jié)需要硬件、軟件、測(cè)繪、GIS、設(shè)計(jì)、施工等一系列高技術(shù)人才，明顯靠?jī)x器公司、測(cè)繪單位、科研單位是無法實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的系統(tǒng)。

（4）一些單位急于求成，認(rèn)為一套軟件和幾個(gè)傳感器就是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，忽略了系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)、報(bào)警方面的功能，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒有較為可信的方法的比對(duì)，監(jiān)測(cè)結(jié)果往往無法達(dá)到預(yù)期效果，造成了一些負(fù)面影響。

（5）監(jiān)測(cè)設(shè)備和軟件開發(fā)成本較高。這也是一些項(xiàng)目望而卻步的一個(gè)重要原因，動(dòng)輒百萬的監(jiān)測(cè)費(fèi)用和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)形成了明顯的反差。這就需要我們提高設(shè)備研發(fā)技術(shù)、設(shè)計(jì)單位和監(jiān)測(cè)單位共同優(yōu)化監(jiān)測(cè)方案、軟件開發(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。

4 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)建筑變形在線監(jiān)測(cè)在智慧城市中意義重大，將為監(jiān)測(cè)行業(yè)帶來革命性的變化，其中的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問題也需要解決和克服，系統(tǒng)的延伸應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，比如：水文監(jiān)測(cè)、黑臭水體改造監(jiān)測(cè)、海綿城市監(jiān)測(cè)等。