面向用戶可配置的建筑安全監測平臺設計與實現

金智獻，王正肖,彭 濤

(1.浙江大學 機械工程學院，杭州 310027; 2.上海市經濟和信息化委員會，上海 200125)

0 引言

21世紀以來，建筑安全事故給人民生命安全和經濟社會發展帶來重大影響。加強建筑關鍵部位的安全監測，從社會效應和經濟效應等方面都具有重要意義[1]。建筑安全監測已經成為安全生產、生活的保護傘。建筑安全監測主要通過分析建筑的指標測量數據，定期分析建筑安全狀態[2-3]。但采用人工定期測量的傳統做法，具有較多局限性。隨著物聯網技術的發展，建筑安全監測平臺逐步向信息化和智能化方向發展[4]。據有關方面預測，整個建筑安全監測市場可達千億級規模。隨著市場規模不斷擴大，滿足面向用戶可配置、面向建筑可擴展需求的安全監測平臺成為發展重點方向。

1 基于物聯網的建筑安全監測平臺

1.1 建筑安全監測平臺的典型框架和應用

基于物聯網的建筑安全監測平臺，主要是搭建終端物聯傳感器集群，實時采集建筑監測數據，并通過5G等無線通信網絡，將數據傳輸到數據中心。平臺按照設定的數據處理模型，對建筑安全狀態進行評估，并對評估結果進行響應。響應主要包括三類：1)安全可控，系統定期發送評估結果，并形成監測日志；2)安全可控但有傾向性風險發生可能，系統發布維護提示，建議進行系統性檢修，做好風險防范；3)風險極大增加，影響建筑內的生命財產安全，立即預警并提示緊急轉移。圖1所示為典型的基于物聯網的建筑安全監測平臺架構圖。

圖1 典型的基于物聯網的建筑安全監測平臺架構圖

文獻[5]開發設計了一套專門針對橋梁結構的健康監測系統，形成了監測橋梁安全的硬件組合思路。文獻[6]開發了面向鋼構建筑的安全監測預警系統，對鋼構建筑的多種安全數據實現自動采集、處理和預警等，為建筑安全可控提供了解決方案。

同時，專家分別針對不同應用行業研究了定制化方案。文獻[7]設計了基于物聯網的樓宇健康監測系統，為樓宇的全生命周期預警維護提供了依據。文獻[8]結合無線傳感器網絡技術，設計出一套具備實時采集樓宇現場數據能力的無線監控系統。文獻[9]提出以人為中心的參與式智能感知計算，通過利用移動智能設備中的傳感器、個人設備等進行自主式采集、傳輸和分析，為解決傳感網絡大規模部署成本高的問題提供了新方法。文獻[10]針對水質量監測領域，進行基于SOA架構的系統設計。文獻[11]針對橋梁健康監測領域，進行了系統設計和實現。文獻[12]基于“互聯網+”的建筑安全反饋平臺，建立了以數據采集、儲存、處理和反饋四模塊化的建筑安全監測平臺。文獻[13]研究了基于物聯網的環境感知網絡和傳感基礎設施的智慧健康系統，為建筑安全從云端到邊緣的系統框架設計提供了有益借鑒。

整體來看，許多專家圍繞特定場景，設計開發了定制化的安全監測平臺。分別開展了關鍵技術的研究，如傳感物聯技術、數據實時傳輸技術、數據融合處理技術、智能監測技術等，搭建了行業共性技術研發測試平臺，還逐步從預警監測拓展到樓宇全面健康綜合評估[14]。但主要共同點是都只針對某一特定建筑的安全監測研究。

1.2 現有框架和應用的局限性

目前已經開展了大量的建筑安全系統研究和實踐，為行業發展積累了經驗。但從現有系統研究和框架設計來看，對重點建筑的監測是孤立、封閉和離散的，不具有通用性、柔性和可配置性[15]。通常情況下，一個機構或建筑就獨立擁有一個監測平臺，形成了“信息孤島”和“數據煙囪”，不利于信息融合和系統擴展[16]。比如，上海作為一座超大型城市，擁有8 000多座大樓的安全數據需要監測評估，上海市提出實現“一網統管”，旨在減少管理資源配置浪費，推動社會高效能、精細化治理。同時，從實踐情況來看，現有系統沒有配置界面，需要專業人員在后臺手動配置，提高了系統操作門檻，不利于系統推廣應用。

因此，有必要設計一種面向用戶具有可配置性的安全監測管理平臺。平臺主要滿足通用性和可配置要求，實現對不同建筑、傳感器、客戶定制化需求的配置和管理。實際應用場景如圖2所示。

圖2 多建筑體安全集成監測的應用場景

2 建筑安全監測平臺架構優化和可配置技術研究

2.1 建筑安全監測平臺總體架構設計

可配置的建筑安全監測平臺總體架構如圖3所示，劃分為5個部分：傳感網絡系統、數據緩存中心、數據處理模塊、數據中心和平臺管理層。平臺對外與管理系統進行交互，將處理后的評估結果通過可視化的形式交付給用戶。

圖3 建筑安全監測平臺的總體架構

1)傳感網絡系統：該模塊負責采集建筑現場數據，是平臺物理支撐。根據監測指標需要，配置不同類型的傳感器。借鑒基于Bezier曲線的多路徑路由算法，實現低能耗綠色計算，提高了網絡壽命和質量[17]。

2)數據緩存中心：傳感器將實時監測的現場數據通過ZigBee技術傳送到緩存中心[18]。從數據安全性、管理便捷性等方面考慮，設置了多個分布式的數據緩存中心，負責數據的分類接收和預處理工作。

3)數據處理模塊：按照傳感網絡系統設定的編碼格式，對數據緩存中心的原始數據進行解析，并存儲到平臺數據庫。

4)數據中心：主要存儲了三大類數據，分別是：基礎數據，如監測指標、換算工具箱、映射關系等；監測項目數據，如建筑基本信息、管理人員等；監測數據，是指實時接收并預處理后的傳感器數據。

5)平臺管理層：包括基礎數據、網絡傳輸、硬件接入和數據處理等模塊，支持平臺管理人員對不同監測建筑、傳感器、管理員、響應機制的實時配置和調整。

2.2 可配置技術研究

建筑安全監測平臺的核心功能是可配置技術，通過可配置技術實現對多建筑、多類型傳感器和多用戶定制化管理需求的管理。

2.2.1 支持多建筑的配置

將被監測的建筑安全信息按照監測指標分類，可以分為必須配置的基礎信息、監測指標要求的基礎信息和可選配置的基礎信息。

1)必須配置的基礎信息：用于標記被監測建筑的唯一性，以及鏈接不同建筑實體在系統中的關系。

2)指標要求的基礎信息：為監測某項指標，指標數據處理模型中往往需要建筑的特定信息。如監測建筑的應力值和傾斜度時，需要建筑高度及截面積等基礎信息。

3)可選配置的基礎信息：從需求出發，配置管理者關注的建筑基礎信息。如建筑施工方、運維單位等。

平臺根據預選的監測指標，配置指標的監測方法，并組合出基礎信息配置界面。定制化配置的流程圖如圖4所示。

圖4 信息配置界面定制化流程圖

為實現建筑基礎信息的可擴展配置，本研究采用的是XML數據擴展模型[19]。該模型可在不改變數據庫表結構的情況下實現對字段的擴充，模型擴展數據靈活，并基本適用于各類主流數據庫。通過擴展模型，建筑屬性被記錄在XML中，實現同步添加或修改數據字段的功能，保證了系統柔性、可配置性和可擴展性要求。

2.2.2 支持多類型傳感器的配置

為實現支持不同類型傳感器的配置需求，平臺重點設計了基礎配置模塊和通訊配置模塊。原理圖如圖5所示。

圖5 多類型傳感器配置原理圖

基礎配置模塊負責配置和維護傳感器編號、類型、型號等基礎信息。

通訊配置模塊負責傳感器在數據傳輸網絡中的通訊配置。包括設備、控制器以及控制命令文件、解析文件和檢查文件等配置項[20]。

在實際應用中，客戶還會有對傳感器功能配置變更的需求。主要是傳感器在變更監測對象時，需要保存已有數據的同時，與原監測建筑分離，并與新監測建筑綁定。本文主要通過獨立配置傳感器的物理編號和功能編號來實現。實現原理圖如圖6所示。

圖6 傳感器變更配置原理圖

傳感器變更配置功能通過設置功能編號，與傳感器的物理編號建立“多對一”關系，有效解決歷史數據保留、建立數據和監測對象的對應關系。

2.2.3 支持用戶定制化需求的配置

用戶的定制化配置需求分為三類：監測配置、預警配置和權限配置。

監測配置是指根據用戶需求，對監測指標、傳感器、監測方法等的靜態配置。

預警配置是指明確故障預警聯絡人、預警方式等，對傳感網絡數據傳輸發生的故障進行應急響應。

權限配置是指對管理員的管理范圍、查看、配置、修改等權限進行管理。

平臺將需求提取、歸納成配置特征，設計了多用戶定制化需求配置模塊，映射到底層的數據關系和配置文件。實現原理圖如圖7所示。

圖7 多用戶定制化需求的配置實現原理圖

3 建筑安全監測平臺的實現

本節重點介紹建筑安全監測平臺的三大核心功能——數據采集傳輸、通訊交互設計、可配置功能的實現。

3.1 數據采集傳輸功能的實現

數據采集傳輸通過以下流程實現：

1)啟動實時監聽。數據緩存中心調用socket()建立一個套接字，調用listen()使數據緩存中心保持監聽狀態。

2)建立傳輸聯系。傳感器適時調用connect()和數據緩存中心建立聯系。數據緩存中心調用accept()來接收響應。

3)實現數據傳輸。傳感器和數據緩存中心建立聯系后，傳感器可以訪問數據緩存中心提供的接口，并調用send()和recv()來發送和接收數據。

4)完成數據傳輸。調用closesocket()關閉套接口[21]。實現流程圖如圖8所示。

圖8 數據采集傳輸實現流程圖

3.2 平臺通訊交互功能的實現

平臺通訊交互負責將數據緩存中心的原始數據經轉換處理后，傳輸存儲至數據中心。通過以下流程實現：

1)進行數據轉換處理。數據緩存中心的原始數據通過元數據轉換器，轉換為平臺可識別的元數據，加入到數據隊列中。隨著5G技術發展，信號頻率和數據速率都會提高。需要數模轉換器擁有更高的性能[22]。

2)存儲到邏輯數據庫。平臺業務層的偵聽單元從數據隊列中讀取經處理的元數據，存儲到邏輯數據庫。

3)創建回復信息。將回復信息轉換成元數據格式，加入數據發送隊列，發送到數據緩存中心。平臺通訊交互流程圖如圖9所示。

圖9 平臺通訊交互流程圖

3.3 面向用戶可配置功能的實現

平臺的可配置功能主要包括傳感器新增配置、變更管理、基礎信息定制化配置等內容。本節重點介紹基礎信息定制化配置的實現方式，如圖10所示。

圖10 基礎信息的定制化配置實現流程圖

1)點擊“新建建筑”，調用方法getBuildingInitialView()；回傳新增建筑管理界面的封裝類。

2)填寫信息并保存后，前端對數據內容進行檢查，并封裝數據。數據檢查包括數據類型、格式、限制性條件等。

3)平臺業務層對前端發來的數據進行解析，并調用方法AddBuilding(Building building)，將數據存到數據庫。

4)數據存儲成功后，跳轉到配置界面。填寫配置信息并保存后，前端對數據內容進行檢查。

5)業務層調用數據檢查方法BuildingBasicInfoChecker，檢查所需數據完整性。齊全后，調用SensorAlter方法，將數據存到數據庫。

4 實驗結果與分析

平臺在某院兩棟實驗樓做了試驗性運行，重點測試了數據采集、數據傳輸通訊效率、傳感器配置技術、預警響應技術等，通過遠程監測軟件將數據進行匯總分析，獲取建筑物傾斜、沉降、缺陷變化情況。一般情況下，數據采集每30分鐘采集1次。為檢驗數據預處理和傳輸效率，試驗時按照1秒/次采集設置。測試結果顯示，本平臺通過分布式數據緩存中心預處理，上傳至數據中心的速度明顯快于典型框架的直接上傳寫入數據中心速度。

試驗性運行模擬了傳感器故障、數據緩存中心故障等情形，平臺數據中心能保持接收其他分布式數據緩存中心的數據，不影響其他建筑的連續性監測。同時，平臺能及時預警，反饋故障傳感器和故障數據緩存中心的具體信息。相比典型的監測框架，具有較好的災備能力和調節韌性。

在配置技術測試方面，試驗時增加了第3座實驗樓。通過本平臺，用戶可以配置新的監測建筑、傳感器、指標等，并能成功從端點接收數據。相比典型的監測框架，無法提供可視化配置界面，需要技術人員從后臺配置。本平臺在系統柔性配置、擴展性方面表現較好。

在預警響應功能測試方面，通過對臺風作用下實驗樓的風速、變形以及振動特性監測結果的分析，系統處于正常穩定運行范圍內，實驗樓在臺風作用下及作用后處于安全狀態。試驗還模擬了火災等極端情景，本平臺能及時預警。同時，根據預警閾值設置不同，預警觸發機制也不同，相比典型監測框架，為用戶提供了定制化的預警方案。

作為建筑安全監測平臺的核心功能，實驗重點測試了建筑危險預警的判斷準確度和響應速度。實驗過程中，為模擬實驗樓傾斜倒塌等災難情況，采用仿真數據分時段存入平臺的方式，測試平臺對異常變化的響應效果。共選取20 000組數據，其中10 000組是危險突變數據，10 000組是正常數據。模擬的正常數據誤判率為0.6‰，主要原因是靈敏度太高；模擬的危險突變數據誤判率為0。綜合準確率為99.97%，能滿足緊急情況下的安全預警。系統平均響應速度2 530毫秒/次，具有較好的性能。如表1所示。

表1 性能測試數據

5 結束語

本文研究并實現了面向用戶可配置的建筑安全監測平臺，解決了多建筑體、多類型傳感器的統一配置與聯合分析問題。平臺具有高可配置性、高可擴展性等特點，有效得提升了建筑安全檢測的效率。本文的主要貢獻有：1)研究了建筑監測數據采集和通訊交互技術。采用本地數據緩存中心接收來自建筑傳感器網絡的原始數據。在本地完成數據解析、檢查、重構等任務后，將監控數據轉發到中心化的數據中心。為此，本文設計并實現了高效的數據采集和交互的方案，提升數據采集的效率。2)研究了面向不同監測設備的配置技術。以支持不同建筑、不同類型傳感器以及不同用戶需求為目標，重點設計并實現了設備配置模塊和通訊配置模塊，提高了平臺的可擴展水平。3)研究了面向終端用戶的配置技術，開發了配置頁面，降低了安全監測平臺的配置門檻，提高了平臺的可推廣性。