基于云平臺的危房健康監測系統研究

于雪飛

摘? ?要：改革開放以來，伴隨著我國綜合國力的快速提升，人們的生活質量和水平都獲得了長足的進步。活躍的市場經濟也促進了人居環境的改善，城市化進程的加快使得一些使用年限較長，結構穩定性缺乏保障的危房亟待統一管理并采取相應的安全保障措施。基于物聯網技術的24h可視化全程實時監控房屋監測數據能夠為分析房屋結構變化的動態情況提供及時的報警功能。本文結合云平臺危房監測系統的組成結構及各部分功能進行深入的研究與分析。結合實際詳盡地剖析了該危房健康監測系統在實際應用過程中的流程與效果，希望以此為后續危房改造和危房狀態監控的效果提升帶來一定幫助。

關鍵詞：危房監測? 云計算技術? 云平臺? 健康監測系統

中圖分類號：TP274? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0152-03

近年來，快速發展的先進科學技術已經極大程度地改進了人們的日常生活和工作方式。生產和制造技術的突破與升級也推動了先進技術的實踐和應用。各行業的經營與運行模式也向著更加高效的智能化轉變。在時代的更替進程中，城市邊緣的擴張和人口數量的激增都讓傳統老舊住宅的淘汰速度逐漸變快。而在對這些存在一定安全隱患的老舊建筑進行管理、維修和拆除等過程中，為了全面保證過程的安全性應進行妥善的處理和全程安全監測。

1? 老舊危房監測及安全管理現狀分析

目前城市及鄉鎮地區存在的老舊危房大多建成年限較早，建筑主體結構大都由砌筑體和混凝土組合而成。在長期的使用過程中，受到外界自然條件、地質活動和氣候環境的影響，其結構強度往往出現了明顯的衰減。部分破敗嚴重的危房甚至存在明顯的墻體裂縫和傾斜等現象，存在著巨大的安全隱患。老舊危房的監察管理一直以來都靠人工巡查的方式進行，由于危房的分布十分分散，傳統人工走訪巡查的方式不僅效率低，在管理水平和全面性上也存在很大的局限性。現階段，我國大部分中小城市及城鎮鄉村的信息化管理系統建設并不完善，相關的基礎設施大多較為落后，這就為危舊房屋的統一化維護管理帶來了較大困難。近年來，因老舊危房管理不善而倒塌，造成人員傷亡的案例屢屢見諸報端，這也引發了社會公眾的極大關注。老舊危房因建造年限較為久遠，受到當時的建筑施工技術和建筑工藝等方面的影響和制約，其整體的結構強度和耐用度并不穩定，加之當時也沒有一套相對健全的科學管理機制，這就造成了在后續的住房使用和維修過程中，維護、監督與管理的相關措施難以有效開展。另一方面，在眾多中小規模城市中危房較為普及。這很大程度上與當地的經濟狀況和社會發達程度有關。經濟發展的速度會間接影響到城市建筑更新迭代的速度。老舊危房在缺少活力的經濟環境中即便超出了服役年限，也會因為種種客觀原因而不得不繼續居住和使用。

根據我國現行的危房鑒定相關標準及分類方式來看，C級和D級危房需要采取相應措施進行處理。其中，C級危房需要進行加固維修并在確認其結構強度滿足居住安全的硬性指標基礎上，才可繼續居住和使用。而D級危房則必須強制搬離。以上兩類危房級別的鑒定需要結合實際情況而做綜合考量。在對危房的危險程度進行客觀評定時，需通過房屋傾斜變形的程度和建筑物主體的裂縫分布情況判斷其具體的危房等級。而為了提升危房鑒定過程的準確性和時效性，就必須在前期加強危房的狀態監測與管理。鑒于危房存在著極大的不確定性，何時倒塌及相應的倒塌風險也無法根據現有樣本進行客觀評定。只有通過密切的監察和管控才能夠徹底排除安全隱患。相關部門可派巡查人員定期前往危房周邊進行檢查，并重點關注和記錄其在指定周期內的變化情況，盡量減少監測過程中的局限性。人工方式難以做到24h不間斷的監測，而僅能夠間隔一段時間去對建筑物的主體結構及局部關鍵受力點進行周期性觀察。采取的監測方式，如射線法、沖擊回波法等由于其數據量有限且隨機性較大，也難以代表危房的真實情況。在后期的統計分析和危險級別分類時極易造成較大的誤差，由其導致的項目后期工作量無法確定。同時，傳統方式需要消耗的人力物力等監察成本十分巨大，負責危房監察的人員還必須具備專業的知識和豐富的經驗。人工監察主要依賴于主觀判斷的結果，這期間的人為因素也可能對危房管控的效果造成影響或引發預警不及時等問題。

從世界范圍內來看，建筑結構的健康監測系統常見于橋梁、隧道等大型結構的管理中，而在危房監測領域則十分鮮見。這不僅是因為危房監測專項資金有限，還由于多種智能傳感器技術的應用需要較高的開發成本。而借助物聯網支持下的云平臺則可以降低傳統智能傳感器的使用量，利用先進的數據算法實現傳感信息的高效采集和分析，從而滿足了市場對于危房監測的強烈需求。構建基于云平臺的危房健康監測系統不僅對于建筑業本身有著重要意義，對維護社會穩定和國民的生命財產安全同樣至關重要。

2? 危房健康監測涉及的監控指標

用于衡量和評價房屋危險程度及存在危險因素的物理指標需要根據建筑物的主體結構類型及承重情況進行差異化的確定。一般的危險因素包含了墻體的變形、裂縫、建筑材料的收縮、膨脹以及房屋傾斜程度和因地基不均勻所導致的沉降現象等。具體的危險因素確定方式及判別指標需要聯合房屋所處地理位置及建筑結構安全監測的系統要求進行客觀評定。必要時可借助云平臺的健康監測系統，對危房的多項指標進行同步實時監測。將危房周邊傳感器采集到的數據經互聯網上傳至云端系統后，統計分析得出關于危房危險程度的判定結果。不同傳感器由于類型和功用的不同，可用于健康監測系統的各子模塊中，用于監測危房不同關鍵指標的變化情況。

2.1 傾斜沉降監控

危房等建筑由于長期經受來自地質活動和外界人為因素所造成的干擾，經常出現地基不均勻沉降現象。這種較為普遍的結構變化的產生原因多見于結構年久失修所造成的承載力下降。另外，建筑內外部的荷載出現不平衡時也極易誘發房屋的傾斜和沉降。為此，在房屋鑒定的監控標準中，用于衡量房屋安全等級的傾斜指標是評估房屋危險程度的重要依據。承載力結構的傾斜和變形程度往往直接關聯樓房建筑物失穩倒塌的可能性。一旦主體結構發生嚴重的變形傾斜，建筑物內部的應力也會隨之急劇變化，致使局部承重結構斷裂失效，進而擴大至整座建筑物的其他部分。這種現象的危害十分嚴重并且發展迅速，需要進行重點監控和管理。

2.2 裂縫監控

房屋裂縫的出現十分普遍，并且其形成原因也相對復雜。建筑物的內部和外部因素都能直接引起裂縫的產生。對混凝土和砌筑體建筑物而言，墻體的開裂等結構變形是世界范圍內普遍存在的建筑異常現象。由于混凝土和砌體結構的相互作用關系及穩定性受到破壞，內外部的承載力發生變化或局部受力不均勻等都會導致樓體承載構件產生裂縫，并隨著時間的推移不斷擴展延伸。因此，在危房健康監測過程中關注裂縫的形成及變化規律能夠及時發現建筑物潛在的安全隱患，并為相應補救措施的制定提供依據。

2.3 應力應變監控

在建筑物的不同時期和物理結構的不同狀態下，房屋各構件的應力數值和方向會發生改變，甚至重新分布。對建筑物各主要構件進行應力和應變的測量與評價，便能夠及時有效地掌握房屋內部的受力變化情況，并由此判斷未來一段時間內房屋可能出現的結構變化，從而有效預防倒塌等危險事故的發生。

2.4 動力學特性監控

從建筑動力學的角度對房屋內部的主體結構建模分析，可通過對物理模型的估計和測算，直觀的模擬出在建筑結構內部存在異常或受損的部位。針對其動力特性，結合基頻、阻尼、模態等指標的變化規律總結出動力特性的異常變化范圍和趨勢。經過理論分析后，再將其與標準數據進行對比，便能從中判斷出建筑物的主體結構是否發生損傷以及損傷的程度如何。

3? 基于云平臺的危房健康監測系統架構及硬件組成

根據危房健康監測系統的實際功能需要和應用環境的要求，其基本系統架構由硬件子模塊和軟件展示模塊兩部分構成。從整體組成結構來看，危房健康監測系統是基于并行分布和無線監測的控制系統。它將利用空中云計算分布式服務網絡，將大量數據的計算和分析任務交付給云端分布式計算機完成。經過高效的運算和處理，整個數據周期的傳輸、交互和結果反饋都在云端實現。這種分散控制的執行方式不僅提升了監測的實時性，也可保證數據傳輸和計算結果的準確性，大幅度降低誤差。用戶無需專門購置計算機系統，只需將現有的硬件設備連同配套的計算機接入云端系統即可快速訪問權限范圍內各節點所對應的監測對象。不同用戶之間還可以進行許可范圍內的互聯和通信，為多部門的協同工作和分散式危房的實時監控管理提供了有力的技術支持。在云平臺完成對傳感器采集數據的整理、分析和計算后，將及時把數據回傳至數據庫存儲，同時對最終的危房判定結果進行顯示，便于專業技術人員進行人工復核與判斷。

在監測系統的分布和安裝方面，每棟作為獨立監測對象的危房均需安裝多個傳感器和一臺監控主機，負責各類物理信息的采集和數據傳輸的工作。其中，傳感器能夠將危房發生的傾斜角度，裂縫寬度及周邊環境的溫度和濕度等基本物理量通過電流、電壓信號的形式，經傳感器內部的轉換機將數字信號發送至云端服務器，進而系統就可以獲得由分散分布的多部監控主機回傳的監測數據，隨后有針對性的完成處理和分析。用戶在獲取相應權限后也可查看和顯示相應范圍的數據，并通過數據分析軟件進行監測信息的瀏覽、查詢等基本操作。

3.1 硬件設備子模塊

（1）傳感器子系統：危房健康監測系統中的傳感器部分是負責采集危房各類物理參數和指標數據的重要媒介。其主要包含用于測量危房傾斜程度和裂縫發生的傳感器，以及動態變化傳感器等。通過在危房的主要構件上及周邊監測點安裝傳感器，并和監控主機進行組網連接實現基本的動態監測功能。其電源由監控主機直接供應，在日常的監測過程中，若監測指標超過設定閾值和范圍時則自動觸發警報。

（2）嵌入式采集儀：用于危房監測的監測系統需要24h不間斷運行，因此在功耗上更傾向于選擇低功耗的整體結構。監測系統中嵌入的低功耗采集模塊可對采集到的電信號進行預編碼及傳輸。可通過無線或有線網絡將數據上傳至遠程云端服務器，進行后續的處理和計算。

（3）監控主機：作為整套危房監測系統的核心控制設備，監控主機內部布局了房屋數據的存儲和傳輸功能，并提供各模塊工作所需的電源。還可經無線網絡輸出并上傳數據，實現危房數據的實時更新和監測結果的及時反饋。

（4）云服務器和數據庫：從長期使用的角度考慮，用于危房監測系統的云服務器必須具備成本低、適應性強、擴展性好等特點，并且在后期的日常維護和故障排除等過程中要易于操作。一般的云服務器多以固定IP地址為監測系統提供實時的危房數據處理和狀態判別功能，這一過程的任務可分配給多個操作單元同步進行，以此平衡數據的傳輸和運算速度，全面提升各監測點的反饋效率。經匯總的原始數據經過篩選和初步處理后，可經云平臺進行深度的加工和處理。分析和計算完成后的數據將被直接存儲于數據庫中。另一方面，數據庫需要有足夠的容量和良好的運行穩定性，易于進行數據的遷移和存儲，也能為用戶的信息查詢和讀取提供便捷的渠道。

（5）預警設備：結合傳感器采集到的危房監測數據，可對危房的狀態進行分析判斷。對于超過閾值的指標，監測系統可提供多種預警方式。例如，向用戶手機發送短信或通過聲光報警等對危房的危險狀態作出警示。

3.2 監測系統軟件功能與應用方式

在功能完善的硬件架構支持下，實現主要監測功能的軟件系統開發和數據的顯示傳輸等功能都需要軟件系統具備高效的運轉機制，并能完成數據的快速處理和狀態響應。危房監測軟件常采用B/S構架，可通過集成網頁中不同監測對象所對應的監測數據聯動硬件狀態和系統工作狀態，為用戶給出可供參考的樓房具體情況，并結合地理坐標實現對分散地區多棟危房的同步監測。

得益于GIS地理信息平臺的應用，危房健康監測軟件可顯示所有處于監控范圍內房屋的地理坐標和周邊情況。常見的B/S架構監測系統都采用Java語言開發，并配有MySQL語言編寫的數據庫。這種主流的數據格式可以良好兼容各操作系統的智能手機和移動設備，用戶只需在移動端通過瀏覽器或專用的手機APP即可隨時隨地訪問監測系統，遠程查看和瀏覽被監測房屋的具體情況。在系統登錄后，用戶將被賦予相應的操作權限，系統會根據用戶類別進行劃分，從而讀取監測對象的不同監測指標及具體閾值范圍。還可以借助更加直觀的表格、曲線圖、柱形圖等形式，完成監測數據的可視化展現。控制器將結合外部服務器構筑統一的云端服務平臺，在本地數據庫進行數據存儲和傳輸的基礎上，建立良好的監測結果反饋機制。按照預先設定好的監測指標所對應的閾值范圍作出準確判斷。

3.3 監測報警方式

根據每棟危房的具體情況，危房監測系統都會給出一套相對獨立的判別指標。通過差異化的預警機制和監測范圍，系統能夠滿足用戶的各類實際需要。報警策略的制定需要結合房屋的建造、使用年代及基本建筑類型做具體考慮。對涉及到的監測指標預警等級和關鍵指數的設定要明確其上限和下限。為了避免監測誤差造成誤報率過高等情況，可預先設定容錯范圍，只有當監測指標多次或長期超出允許范圍時才自動觸發警報。報警系統的工作方式可根據房屋的分布密集程度采取集中或分散式的響應方案，各模塊和系統間的信息傳輸和通訊可按照通訊協議建立連接。

4? 結語

在互聯網技術和云平臺技術的支持下，利用傳感器對危房進行全面的安全監測和預警，有效規避房屋倒塌造成的風險是現階段城市房屋安全管理的主流發展趨勢。借助便捷高效的云端平臺給遠程房屋的安全監控創造了更多可能。根據傳感器采集到的實地數據進行客觀的安全評價和高效管理已成為未來一段時期內危房管理的新方式。在時代發展的進程中，各類先進前沿的技術與傳統危房管理過程的結合可在滿足用戶實際需要的基礎上，使危房管理的過程更加智能化和高效化。

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