精細(xì)化管理的房屋安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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(中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199)

隨著城市的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建成房屋規(guī)模越來越大，人民的居住條件得到了極大的改善，但是城市還有大量的房屋服役期過長，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和城市規(guī)劃的整體需求，不能對城市中心區(qū)所有危房進(jìn)行整體拆除，并且老舊房屋仍在一段時間內(nèi)繼續(xù)存在，這就造成了近些年來全國多地連續(xù)發(fā)生既有房屋垮塌或局部倒塌事故。2014年4月，浙江省寧波奉化市錦屏街道居敬小區(qū)的磚混結(jié)構(gòu)居民住宅樓西側(cè)房子發(fā)生坍塌[1]；同年5月，上海市虹口區(qū)新港路一棟三層樓房倒塌[2]；2015年6月，遵義市紅花崗區(qū)一居民樓發(fā)生局部垮[3]；2016年4月，上海松江區(qū)佘山鎮(zhèn)棲霞路上一棟三層樓房發(fā)生垮塌[4]；2016年10月，浙江省溫州市鹿城區(qū)雙嶼街道四幢六層樓高房屋發(fā)生垮塌[5]。

自2014年至今，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部連續(xù)4次發(fā)緊急電文要求開展全國城市老舊建筑的安全排查整治工作[6]。目前我國與房屋使用安全相關(guān)的國家層面的法律法規(guī)主要包括《城市危險房屋管理規(guī)定》(建設(shè)部129號令)、《建設(shè)工程質(zhì)量管理條例》(國務(wù)院第279號令)、《住宅室內(nèi)裝飾裝修管理辦法》(建設(shè)部110號令)、《物業(yè)管理條例》(國務(wù)院第504號令)、《建設(shè)工程質(zhì)量檢測管理辦法》(建設(shè)部141號令)等，通過法制建設(shè)，逐步建立和完善了城市危險房屋管理法規(guī)和規(guī)章制度、房屋裝修管理和物業(yè)管理體系等[7]。然而，單純依靠制度進(jìn)行管理難以全面解決房屋安全管理問題，需要從技術(shù)手段等方面采取措施多管齊下才能取得良好的管理效果。

當(dāng)前有大量的房屋建設(shè)年代久遠(yuǎn)，運(yùn)行時間較長，存在較多安全隱患。針對房屋安全問題，業(yè)界多采用人工方式不定期抽查和定期檢查來進(jìn)行管理，無法做到24 h不間斷監(jiān)測，監(jiān)測密度不夠；同時抽查的數(shù)據(jù)隨機(jī)性大，代表性不足，不利于后期分析；對監(jiān)測人員的經(jīng)驗要求較高，監(jiān)測結(jié)果受人為影響較大。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面，已經(jīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大型建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、隧道等大型結(jié)構(gòu)上進(jìn)行監(jiān)測，隨著云平臺和智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，軟件成本大幅度下降，使得房屋安全在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)成為可能，它能夠解決市場房屋監(jiān)測的迫切需求，落實物聯(lián)網(wǎng)+行業(yè)和國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的號召，實現(xiàn)以房屋安全為主的建筑產(chǎn)業(yè)智能化、信息化。

1 影響房屋安全因素及監(jiān)測內(nèi)容

1.1 房屋安全影響因素

根據(jù)危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)，房屋危險性分為A、B、C、D 4個級別，其中鑒定為C、D級的危舊住宅房屋需進(jìn)行解危處理。政府優(yōu)先對鑒定為D級的房屋進(jìn)行脫危處置，因不可抗因素?zé)o法整體拆除仍需使用的房屋可采用動態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測；對于鑒定為C級房屋可以采用加固改造或動態(tài)監(jiān)測方式進(jìn)行管理。

對房屋安全進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，首先要確定影響房屋安全的因素。根據(jù)房屋倒塌事故研究分析，房屋倒塌由多個因素作用而造成，引起既有房屋損傷的因素分為：

(1) 房屋本體風(fēng)險因素：建造房屋采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低，建造質(zhì)量存在問題等；同時也包括房屋耐久性問題，如材料的自然老化、設(shè)施故障、結(jié)構(gòu)承載力不足等。

(2) 人為使用風(fēng)險因素：不按裝修規(guī)范的裝修改造，對房屋私自加蓋、違章建造，管理疏忽，未進(jìn)行及時養(yǎng)護(hù)、維修等。

(3) 環(huán)境風(fēng)險因素：房屋周圍進(jìn)行地鐵、深基坑施工的影響，自然災(zāi)害的影響，包括地震、臺風(fēng)、暴雨、大風(fēng)等極端天氣影響。

(4) 管理風(fēng)險因素：管理制度不夠完善，管理水平低下。

受上述4個因素影響，房屋的安全隱患主要表現(xiàn)在墻體變形裂縫、扭曲、位移、房屋傾斜及地基不均勻沉降等。

1.2 監(jiān)測內(nèi)容

基于房屋安全隱患的表現(xiàn)確定房屋安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容包括：

(1) 實時動態(tài)傾斜監(jiān)測：即在危房外立面位置布置傾斜儀，傾斜儀需要墻面保持平行，從而測量這些位置的傾斜角度的變化，結(jié)構(gòu)的傾斜變形是導(dǎo)致樓房失穩(wěn)倒塌的主要特征，需要重點(diǎn)監(jiān)控。

(2) 實時動態(tài)裂縫監(jiān)測：在已產(chǎn)生微小裂縫的關(guān)鍵位置處，布置裂縫計，測量這些裂縫大小變化，大部分混凝土與砌體結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌就是由于樓體變形，這些是從裂縫開始發(fā)展的。

(3) 實時動態(tài)沉降監(jiān)測：在房屋地基或頂部4個角落和穩(wěn)定位置，布置靜力水準(zhǔn)儀，從而監(jiān)測出房屋的不均勻沉降。

(4) 實時應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測：房屋受到損傷時，構(gòu)件的應(yīng)力會重新分布，需要對主要構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

(1) 利用房屋基礎(chǔ)資料，結(jié)合地圖展示和在線監(jiān)測，及時掌握房屋安全運(yùn)行狀態(tài)及分布。

(2) 通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，掌握房屋安全整體狀況，為安全預(yù)測提供依據(jù)。

(3) 通過對房屋危險進(jìn)行分級，根據(jù)級別設(shè)置隱患閾值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)值超過隱患閾值，觸發(fā)預(yù)警，通過已設(shè)置預(yù)警方式和接收人，進(jìn)行房屋安全預(yù)警。

(4) 實現(xiàn)房屋安全的精細(xì)化管理，提高管理效率，減少社會成本。

2.2 系統(tǒng)框架

房屋安全在線監(jiān)測系統(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實時監(jiān)測房屋安全運(yùn)行狀態(tài)，對房屋危險進(jìn)行預(yù)警，實現(xiàn)房屋安全精細(xì)化管理，做到房屋安全問題早發(fā)現(xiàn)、早核實、早處理，保證人民生活安康，安居樂業(yè)。

房屋安全在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由硬件模塊和軟件展示模塊構(gòu)成。軟件展示模塊采用B/S和M/S相結(jié)合的方式構(gòu)建。B/S的房屋安全監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理、展示、統(tǒng)計分析和預(yù)警。M/S的房屋安全監(jiān)測巡檢系統(tǒng)用于對房屋安全日常巡查和對房屋預(yù)警警情的核實和處置。監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)分為7層，如圖1所示。

其中，監(jiān)測儀器層監(jiān)測要素數(shù)據(jù)獲取；通過Modbus/RS485協(xié)議將監(jiān)測儀器采集的數(shù)據(jù)以電信號形式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集中心，數(shù)據(jù)采集層對電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行解析轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過GRRS網(wǎng)絡(luò)(數(shù)據(jù)傳輸層)將數(shù)字信號數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，在數(shù)據(jù)存儲前對數(shù)字信號進(jìn)行解析，解析后將監(jiān)測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)存儲層通過應(yīng)用服務(wù)層為應(yīng)用邏輯層提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在應(yīng)用邏輯層實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和預(yù)警等管理，業(yè)務(wù)應(yīng)用層通過網(wǎng)頁和APP的方式展示，負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互處理。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件實現(xiàn)

房屋安全在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件模塊包括3大部分：

(1) 數(shù)據(jù)采集模塊：此模塊由傳感器和監(jiān)控主機(jī)構(gòu)成。傳感器包括傾斜儀、裂縫計、應(yīng)變傳感器和靜力水準(zhǔn)儀，傳感器安裝在監(jiān)測點(diǎn)與監(jiān)控主機(jī)連接；監(jiān)控主機(jī)給傳感器提供電源，通過Modbus/RS485協(xié)議采集不同傳感器傳送的電信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。

(2) 服務(wù)器：系統(tǒng)服務(wù)器可以選用云服務(wù)器，或有固定IP的服務(wù)器。

(3) 終端：終端包括監(jiān)控大廳的大屏幕、普通PC和移動終端。移動終端用于接收實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警接收和記錄警情處理情況等。

3.2 數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲采用Oracle數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)包括監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)。

(1) 測數(shù)據(jù)包括傾斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)、裂縫計監(jiān)測數(shù)據(jù)、靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測數(shù)據(jù)和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表1。

(2) 地圖數(shù)據(jù)包括百度地圖提供的地圖服務(wù)、項目范圍及位置和房屋位置，見表2。

(3) 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：預(yù)警策略中的預(yù)警分級、預(yù)警閾值范圍、設(shè)備信息、項目信息、房屋信息、用戶信息、角色信息和權(quán)限信息、預(yù)警信息、系統(tǒng)操作記錄等，見表3。

表1 靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測

表2 項目地圖定位信息

本文系統(tǒng)中監(jiān)測設(shè)備眾多、監(jiān)測頻率密集，這樣就存在數(shù)據(jù)存儲量大，需要實時高效的存取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)需要支持高并發(fā)的操作，在數(shù)據(jù)庫方面采用Redis服務(wù)器。

Redis是一個開源、高級的鍵值存儲和一個適用的解決方案，用于構(gòu)建高性能、可擴(kuò)展的Web應(yīng)用程序。它異常快，每秒可執(zhí)行大約110 000次的設(shè)置操作、81 000次的讀取/獲取(GET)操作；支持豐富的數(shù)據(jù)類型；操作具有原子性，確保并發(fā)訪問能接收更新的值[8]。

3.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

房屋安全在線監(jiān)測系統(tǒng)融合物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)，以GIS的電子地圖為依托，以項目的形式管理房屋安全監(jiān)測，實現(xiàn)對一棟或多棟房屋的地基、結(jié)構(gòu)和墻體進(jìn)行遠(yuǎn)程動態(tài)化監(jiān)測，實現(xiàn)自動、連續(xù)、實時的變化數(shù)據(jù)，并對房屋安全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計分析，為應(yīng)急決策提供支持，對潛在的安全隱患實時報警處理，結(jié)合專業(yè)人員的現(xiàn)場巡檢，及時核實現(xiàn)場險情，并實時處理和追蹤，實現(xiàn)了房屋安全的精細(xì)化管理。系統(tǒng)包含以下7大功能。

3.3.1 實時監(jiān)測

通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率，系統(tǒng)實現(xiàn)對房屋的地基、結(jié)構(gòu)和墻體的傾斜、位移、不均勻沉降、裂縫和扭曲等要素進(jìn)行監(jiān)測，并將房屋的位置和監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示在地圖上，如圖2所示。

3.3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳和處理

通過GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接收監(jiān)測數(shù)據(jù)中心采集的數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核和解析，數(shù)字信號采用16進(jìn)制，通信格式為標(biāo)識符、數(shù)據(jù)長度、地址碼、命令字、數(shù)據(jù)域、檢驗和，校驗采用CRC16，按照不同位數(shù)代表的含義進(jìn)行解析，檢核后通過運(yùn)算獲取監(jiān)測值，并將其上傳至數(shù)據(jù)庫。

3.3.3 預(yù) 警

預(yù)警管理中對每類設(shè)備設(shè)置預(yù)警策略，即預(yù)警分級，并對每一個分級設(shè)定閾值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警閾值時，在系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)警。

系統(tǒng)中根據(jù)房屋安全隱患的嚴(yán)重程度與事故發(fā)生所造成的危害程度進(jìn)行分級，見表4。預(yù)警閾值主要根據(jù)相關(guān)規(guī)范并依照房屋具體情況設(shè)定。如：①沉降監(jiān)測報警值：2 mm/d(連續(xù)2 d)或累計沉降30 mm；②傾斜監(jiān)測報警值：傾斜率增量達(dá)到1.0‰；③裂縫監(jiān)測報警值：磚砌體裂縫增量或新增裂縫達(dá)到1 mm。

表4 安全隱患分級

3.3.4 告 警

告警管理用于設(shè)置告警手段和告警聯(lián)系人，即將告警信息發(fā)送給指定管理者，采用指定發(fā)送方式，包括短信、郵件等，如圖3所示。本文系統(tǒng)短信服務(wù)采用阿里云的短信服務(wù)。

3.3.5 統(tǒng)計分析

實時將監(jiān)測數(shù)據(jù)以折線圖、柱狀圖等方式顯示，并可以生成監(jiān)測統(tǒng)計報告，如圖4所示。

3.3.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理包括：權(quán)限管理、用戶管理、項目管理、房屋管理、設(shè)備管理等。

3.3.7 巡檢管理

記錄巡檢員的巡檢軌跡、巡檢任務(wù)下達(dá)，巡檢險情上報、險情處理情況跟蹤等，如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文從分析影響房屋安全的因素入手，確定房屋安全監(jiān)測的內(nèi)容，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立房屋安全在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效掌握房屋實時變形和承重構(gòu)件的安全狀況，提前感知房屋的安全隱患，為及時處置和應(yīng)急管理提供精確地數(shù)據(jù)支撐，從而提高危房管理效率，保障人民群眾生命安全。房屋安全管理是一項長期工作，后期可以進(jìn)一步將LiDAR技術(shù)、InSAR遙感技術(shù)、紅外熱像技術(shù)、北斗導(dǎo)航定位技術(shù)和人工智能技術(shù)運(yùn)用于房屋安全監(jiān)測中，并對房屋安全隱患進(jìn)行趨勢分析、預(yù)測，實現(xiàn)房屋安全的全生命周期管理，從而促進(jìn)城市房屋安全管理科學(xué)化、精細(xì)化和智能化，保障城市可持續(xù)發(fā)展。