基于物聯網技術的老舊磚房安全在線監測系統

阿拉塔，譚曉晶

（1.云南省地震工程研究院，昆明650041；2.云南省建筑科學研究院，昆明651223）

1 引言

磚砌體結構是我國傳統的建筑結構形式。老舊磚房由于使用年代較長，所處環境對建筑物的侵蝕、材料性能的老化、長期的荷載效應及突發荷載，如地震作用下使得原建筑物或結構構件抗力下降，從而在自然災害甚至正常使用情況下都可能引發災難性的突發事故【1，2】。因此，在老舊磚房，尤其是潛在危房建筑上安裝監測系統以實時在線地監測其工作狀態，能及時掌握結構的安全狀況，便于及時預警險情，保障住戶人身和財產安全。

物聯網是基于互聯網，通過傳感器裝置將研究對象與網絡相連，使得普通物體實現互聯互通的網絡。物聯網技術是通過信息設備，將與物體有聯系的傳感器與網絡相連接進行信息交換的技術。利用物聯網技術對既有建筑物進行在線監測，將傳感器裝置安裝在結構的關鍵部位或能獲取結構安全參數的部位，利用網絡實現數據的自動采集與傳輸，對建筑結構的運行安全狀況進行評估，實現對老舊砌體磚房安全實時在線監控。

2 監測內容

建筑安全監測內容主要有：沉降監測、水平位移監測、傾斜監測、應力監測、裂縫監測和撓度監測等【3】。

沉降監測：監測建筑物及其基礎在垂直方向上的變形情況。

水平位移監測：測量監測體平面位置隨時間的變化情況。

傾斜監測：監測建筑物的墻或柱，在不同高度的點相對于底部基準點的偏離。

應力監測：監測建筑物關鍵構件的受力變化情況。

裂縫監測：監測由于設計、材料特性、環境變化、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。

撓度監測：監測建筑物關鍵受力構件的撓曲變形情況。

3 監測系統

利用物聯網技術對建筑物進行健康監測，其監測系統主要由構件傳感器系統、數據采集與傳輸系統、數據分析處理系統、結構狀態評價系統組成。建筑結構在運行過程中受到外部激勵，當監測對象的反應值超過預先設定的限值時觸發傳感器搜集數據，經過4G 網絡將數據傳到云端服務器，對數據進行分析處理獲得建筑結構的動力響應。上述各系統協同工作流程如圖1 所示。

圖1 監測系統協同工程流程圖

監測系統的數據采集通常依靠基礎設施層的各類型采集硬件設備完成，再通過無線傳輸方式將數據傳輸到云平臺服務器。無線遠程數據采集傳輸系統的優點主要有：（1）綜合成本低，省去布線及線纜維護費用；（2）組網靈活，可擴展性好，即插即用；（3）可動態實時傳輸數據，做出預警提醒；（4）安裝遠程監控軟件就可以監控。客戶端采用Web 瀏覽器或移動App 遠程訪問云平臺，實現數據遠程查看和系統控制。監測系統的構成如圖2 所示。

4 監測傳感器

利用傳感器實現對建筑結構性能和周邊環境的實時監測，為結構或構件的損傷識別、功能評價等提供信息；從目前傳感器發展水平和功能看，建筑結構監測傳感器主要采集如下5 個方面的結構或周邊環境的信息：

圖2 監測系統構成模式

1）監測環境特性，包括建筑物所在地及周邊環境的溫度、濕度、風速等參數；

2）監測結構整體性能，包括長期荷載作用對建筑結構材料特性、靜力狀態、動力特性等；

3）監測結構局部性能，包括建筑結構的構件、節點及連接部位的裂縫、疲勞及破壞機制；

4）監測地震動對建筑結構的影響，包括位移、速度、加速度等數據的監測；

5）監測建筑結構空間位置變化，包括水平位移、沉降、傾斜等；

根據監測項目功能和目標不同，需要結合實際工程特點選擇傳感器的類型和數量并優化布置，傳感器布設的原則如下：

1）測得的數據要能精準反映結構的動態特性；

2）測得的數據要對實際結構的靜力參數和動力參數較敏感；

3）要布置在建筑結構主要受力構件上；

4）盡量布置在結構反應最不利處或已損傷處；

5）針對監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：模態保證準則；奇異值比、平均模態動能、有效獨立法、模態的可視化程度、表征最小二乘法準則。

環境監測、幾何監測、外部荷載監測和結構反應監測等傳感器可通過有限元分析確定極值或關鍵控制位置，風速儀等特殊類型的傳感器可依其測量特點進行布置。

5 數據傳輸組網方案

監測系統的組網方式通常有分布式、集中式和混合式。單一小型監測系統采用了集中組網方式，由現場前端數據采集系統通過有線或無線方式將數據傳輸至監控中心或者云平臺服務器。大型建筑或多工程多任務項目通常采用分布式組網方式，各監測區域組成局域網，再由局域網的節點將監測信息傳輸至基站，基站采用GPRS 無線通信方式傳輸至服務器或云平臺。混合式組網使局部采用集中式，多數采用分布式的混合模式，多用于大型結構長遠距離的監測項目。

6 監測云平臺及功能設計

6.1 云平臺搭建

云平臺架設各種類型服務器、小型機、磁盤陣列和網絡交換機等基礎設施資源，通過虛擬化技術將服務器、存儲、網絡進行虛擬化，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。大量數據和軟件都存儲在服務器上，用戶通過Web 瀏覽器或其他Web 服務來共享各種軟硬件資源及應用服務。

本系統采用了公有云方式來搭建整個結構在線監測系統，可大大降低監測系統的成本。云平臺主要功能是作為服務器，部署服務提供API 給移動端調用并接收移動端上傳的數據，使用MySQL 數據庫存儲數據。為了節省成本，MySQL 和后臺處理服務均部署在同一云服務器上。

遠程訪問：本系統客戶終端設備采用了基于B/S 架構設計，采用Web 瀏覽器和移動App 進行服務器數據訪問。

6.2 系統功能設計

系統功能包括：數據管理子系統、數據分析子系統和輔助決策子系統。

數據管理子系統主要是對各類傳感器匯聚上來的數據進行管理維護，方便用戶對數據的進一步使用。該子系統的主要功能有：數據歸類、數據維護和數據備份。

數據分析子系統主要是為用戶提供建筑安全信息的查詢、報表生產、數據顯示等功能，滿足用戶日常管理需要。該子系統主要功能有：數據的實現顯示、數據對比、數據查詢和統計。

輔助決策子系統主要為用戶提供決策支持和有關建議。該系統主要功能有：安全預警、輔助決策、公共情況發布和指揮控制。

7 工程應用案例

本案例選定了云南省地震局黑龍潭舊辦公樓作為監測研究對象。該辦公樓始建于20 世紀70 年代，為磚混結構，無圈梁構造柱，材料強度較低。因為該房屋的建設年代較早，結構服役期間的安全性一直是關注的重點。

監測系統傳感器設備：監測系統共采用傾角傳感器4 個，用于監測建筑物的傾斜和沉降；溫度傳感器4 個，用于監測建筑物的環境溫度。傾角傳感器布設與屋頂周邊中心部位，溫度傳感器布設與屋頂中心處。

監測系統組網方式：所有傳感器采用RS485 通信方式，由數據匯集器傳至DTU 無線模塊，再由DTU 無線模塊傳輸至云平臺。

監測系統云平臺：系統數據存儲采用云服務器，客戶端訪問采用基于B/S 架構設計的Web 端和移動App 端。

8 結語

目前，國內很多老舊磚砌體結構都是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安全有著極大隱患。因此，對老舊磚砌體結構使用安全的監測和安全預警顯得尤為必要。傳統的材料強度和變形檢測已經不能滿足需求，利用物聯網技術構建老舊磚房安全監測系統，是對傳統建筑安全監控的拓展，有助于確保建筑安全，構筑安全的生活環境。該系統能夠提供實時準確的數據，數據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絡化系統管理，對房屋險情預警具有積極作用。