單立柱廣告牌監測系統設計與實現

蔣一杰，相東明，鄧云高

（1.浙江理工大學信息學院；2.浙江理工大學啟新學院浙江杭州 310018）

0 引言

近年來，隨著我國城市化列車駛入快車道，廣告牌作為一種熱門媒體宣傳方式，被廣泛應用于交通要道、經濟開發區等人流量巨大的區域。其中，大型單立柱廣告牌數量尤為眾多，三面單立柱廣告牌甚至已經成為我國特有的戶外廣告牌形式［1］。建成完工的單立柱廣告牌長期處于室外自然環境下，易遭受臺風、地震等自然災害的破壞，容易發生傾斜、倒塌，從而造成財產損失甚至威脅生命安全。因此，實時監測單立柱廣告牌的狀態至關重要，現有企業常采用傳統人工巡檢方式，定期安排工作人員對廣告牌進行肉眼觀察和簡單工具測量［2］，這種方式存在監測周期長、難以及時察覺廣告牌微小狀態變化、主觀性誤差大等問題。然而，目前市場上為單立柱廣告牌提供遠程監測服務的系統相對較少。

在預防廣告牌倒塌方面，戴卓見［3］通過修改廣告牌內套鋼管結構等方式以盡量避免廣告牌結構損傷，但其所做的大多是靜態模擬，沒有實現對廣告牌傾斜程度、振幅等方面的監測。在集成監測系統方面，裘偉敏［4］利用ZigBee與GSM 搭建的無線通信網絡和MMA845 三軸加速度傳感器實現無線鐵塔狀態監測、傳感器多模塊測量和無線數據傳輸，但其對傳感器位置的可視化不足，沒有直觀的3D 模型進行模擬；虞德群等［5］依靠計算機技術對監測數據與理論設計值及以往監測的大數據進行對比分析，對異常狀態進行預警，但其只訓練了風速和塔頂位移的關系模型，只能根據當前風速作出預警，沒有涉及長時間的數據預測操作。

為了實現單立柱廣告牌狀態的遠程智能監控，本文使用Spring Boot 和Vue 框架，設計了一款基于物聯網的單立柱廣告牌監測系統。從技術方面看，本文使用傳感器完成傾角、振幅、沉降等重要信息采集，引入GIS（地理信息系統）和BIM（建筑信息模型）幫助相關企業可視化智能管理。為了提高預警信息的準確性，在數據分析模塊加入Prophet時間預測序列，讓用戶能多角度綜合判斷單立柱廣告牌的健康狀態。從功能方面看，這是一款集實時數據采集、可視化管理于一體的系統，在單立柱廣告牌的運營維護階段提供精準的信息管控，使企業相關部門能夠高效便捷地管理單立柱廣告牌，提供及時的維修服務，降低意外發生概率，更好地維護社會穩定，保障人民生命安全。

1 相關技術

1.1 傳感器采集技術

傳感器采集技術是一種傳統監測技術［6］，從疫情防控中所采用的非接觸式紅外測溫儀，到工業中所應用的溫度、壓力、視覺等各類傳感裝置，傳感器作為數據獲取的唯一功能器件，早已滲透到諸如工業生產、資源開發、生物工程等各場景中。數據顯示，2020 年，全球傳感器市場規模達1 660 億美元，同比增長9.2%［7］。隨著萬物互聯時代的帷幕逐漸拉開，傳感器被廣泛應用到于物聯網基礎建設，它作為物聯網系統數據的重要入口，決定著獲取信息的全面性、準確性和便捷性，是實現萬物互聯的前提和基礎［7］。本文系統使用傳感器采集技術記錄單立柱廣告牌實時數據。

1.2 建筑信息模型與BIMFACE輕量化引擎

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）［8］是對建筑物實體與功能特性的數字表達形式，可以對建筑物所具有的真實信息通過數字信息的方式進行仿真模擬，由Autodesk 公司于2003年引入中國，為“十二五”規劃中的重點研究課題。BIM 能夠使工程建設專業人員獲取相關分析結果及工具，從而更高效地規劃、設計、構建和管理建筑物，是一種有效的建筑成果管理方式［9］。BIM 通過構建之間的互動性和反饋性形成一種三維立體實物圖，并整合了建筑物的物理、工程、進度、運維等關鍵信息，可以支持設計、施工、運維等全生命周期，實現較好的可視化操作［10］。本文系統主要將BIM 模型應用于單立柱廣告牌運維階段，其可有效協調施工單位各專業之間的碰撞問題，分析諸如建筑燈光布局的合理性等細節，并提供協調數據，解決整個項目的全局設計問題。

BIMFACE（廣聯達）是一款國內領先的BIM 輕量化引擎，支持50 多種常見工程圖紙文件，覆蓋建筑、化工、機械、能源等行業。BIMFACE 通過真實感渲染，給模型增加真實的光影效果，提高模型的顏值；通過線框和SSAO 效果，極大程度地提升模型的立體感和顯示效果。BIMFACE使用者可以將實現構建好的BIM 模型上傳到平臺上，并在BIMFACE 平臺申請臨時的訪問憑證viewToken，以確保模型數據的安全性，調用平臺提供的js 接口，即可將原本在專業軟件中才能查看的模型完好地展示在網頁界面，極大降低CPU、內存、顯卡開銷。本文使用BIMFACE 輕量化引擎，將BIM 模型集成到前端頁面。

1.3 地理信息系統與高德地圖

地理信息系統（Geographic Information System，GIS）［11］是一種以采集、儲存、管理、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層）與空間和地理分布有關數據的空間信息系統［12］。GIS 主要研究計算機技術與空間地理分布數據的結合，通過一系列空間操作和分析方法，為各行各業提供對規劃、管理、決策和運營有用的信息，回答用戶提出的有關問題，成為現代企業和各級政府管理部門制定科學經營和管理的重要手段，它的作用正在深入各行各業，目前已形成諸如資源與環境、災害監測和防治農林牧副漁、工商企業管理、城市管理、運行和規劃、工礦生產管理及各部門辦公室的GIS 等［13］。本文依托高德地圖API 實現GIS 制作，實現單立柱廣告牌空間位置信息管理。

高德地圖擁有優質的2D/3D 電子地圖庫，并且已滲透到各行各業，游戲、社交、電商等都有相關合作案例［14］。高德定位SDK 通過GPS+基站（含5G 基站）+WIFI 的混合定位模式進行定位，無論是高樓林立的城市峽谷，還是相對封閉的室內環境，都可以實現精準定位［15］。高德地圖基于全面的路網信息，結合精準的實時路況，可以在多端為用戶提供準確的導航服務。本文調用高德地圖提供服務API將單立柱廣告牌在地圖上進行標注定位，同時實現了前往廣告牌的路線規劃，為數據監測員的站點信息查詢、工作人員的實地巡檢提供便捷可靠的幫助。

1.4 時間預測模型與Prophet時間序列預測

時間預測模型是根據研究變量本身的觀察值及其變動模式推測其未來數值變化的模型，依次執行樣本數據、預測算法、訓練模型、模型應用4 個過程。目前，常用的時間預測模型有ARMA 平穩序列擬合模型、RNN 循環神經網絡、LSTM 長短期記憶算法、Prophet 時間序列預測等，本文選用Prophet時間序列預測。

Prophet 是Facebook 公司在2017 年開源的一個專門用于大規模時間序列分析的模型，將時間序列P（t）分為趨勢項g（t）、季節項s（t）、假期因素h（t）［16］，表示形式如下：

其中，g（t）是趨勢增長項，它表示時間序列中非周期部分的波動情況；s（t）代表年、月、日這種周期變化的量，給出它們的變化規律；h（t）是該時間預測算法中具有創新的一項，代表節假日等特殊事件對事件序列的影響；εt代表誤差項，表示模型所不能適應的特殊變化。Prophet 還采用一種獨特的策略，在保證需要時能夠完全自動化整個流程的前提下，允許數據分析學家通過一組關鍵的模型參數和選項在預測中加入自己的判斷。

趨勢增長項是Prophet 模型的核心部分，體現了時間序列的整體波動趨勢。趨勢項g（t）包含基于邏輯回歸函數的飽和增長模型和基于分段線性函數的模型［17］。邏輯回歸的一般形式如下：

其中，C為承載力，k為增長速度，m為偏移參數。當C=1，k=1，m=0 時形成sigmoid 函數形式［18］。但是實際的時間序列會存在突變點，式（2）中的C、k、m不可能為常數，很有可能隨著時間的遷移而變化，因此將這3 個參數設置為分段邏輯回歸模型，即令C=C（t），k=k（t），m=m（t）。

季節周期項s（t）體現了時間序列隨日、周、月、年等不同時間粒度的周期性變化。使用傅里葉級數模擬時間序列的周期性，表達形式如下：

其中，P表示時間序列的周期，若以年為周期，可以將P=365.25，N設置為10，若以周為周期，P設置為7，N設置為3。這里的參數可以用列向量的形式表示，具體如下：

當以年為周期時，可表示X（t）：

則季節周期項可以表示為：

假期因素h（t）表現節假日對時間序列的影響。由于不同節假日的重要程度、時間長短等不同，它們對時間序列的印象也不相同。因此，設置參數ki表示假期因素的影響范圍，假設由L段假期，具體如下：

2 系統設計

2.1 系統總體架構

本文設計的單立柱廣告牌監測系統，采用B/S 模式，包含信息采集系統、監測數據分析系統及后臺管理系統系統。系統原理是，通過監測分析單立柱廣告牌在一定時間周期內單立柱柱頂的傾角和廣告牌自身的自振周期反映該廣告牌的安全情況，當某一單立柱廣告牌在系統上建立時，系統會根據該廣告牌的實際情況計算模型，通過歷史數值與預測數據對比分析，綜合判斷廣告牌是否處于健康狀態，并對巡檢任務作出規劃，具體如圖1所示。

Fig.1 Single column billboard monitoring system overall architecture圖1 單立柱廣告牌監測系統總體架構

2.2 數據分析模塊

對于信息采集系統收集到的信息，在服務器端存入數據庫之前，本文進行了一系列數據預處理操作。首先對原始數據使用PauTa 法則，剔除超過一定區間的異常值；對于因剔除而缺失的值，使用朗格朗日插值法進行填補；對于采集數據過程中的背景噪聲，使用小波變化去噪法抑制，使數據盡可能地接近真實值。數據分析方面，本文通過ADF 平穩性監測與Mann-Kendall 趨勢檢測，結合無監督算法對異常模式進行識別，實現對監測數據的初步分析。在數據預測環節，針對長短時預測分別對Prophet 模型采用不同的季節性參數、變點參數及趨勢項進行模型搭建，具體如圖2所示。

Fig.2 Main functions of data analysis module圖2 數據分析模塊主要功能

2.3 后臺管理系統

后臺管理系統的服務對象主要是對所有單立柱廣告牌片區數據進行綜合管理的工作人員，該平臺分為數據管理和系統管理兩個板塊，具體如圖3 所示。數據管理包含了以GIS 和BIM 為核心的單立柱廣告牌信息模塊、以Prophet 時間預測序列為核心的監測數據模塊和承接傳統人工巡檢的信息管理模塊。系統管理包含人員管理、賬號管理等常見的企業管理模塊。

3 關鍵部分實現

3.1 信息采集系統

信息采集系統主要分為中心處理芯片模塊、傳感器采集模塊、無線通信模塊、供電模塊四大組成成分。本文主要采用以下組件模塊：①中心處理芯片模塊，采用STM32系列單片機處理芯片，減少了采集模塊的體積，總體成本得以降低；②傳感器采集模塊，主要采用MPU-6050 三軸加速度—陀螺儀傳感器和ADXL345 三軸重力加速度傳感器，分別用于監測廣告牌所需的核心數據傾斜程度、振幅；③通信模塊，采用基于ZigBee 協議棧的CC2530 射頻芯片，以較低的成本建立強大的網絡節點；④供電模塊，采用3.7v 聚合物鋰電池，具體如圖4 所示。在具體的大型單立柱廣告牌的監測環境下，可根據實際情況制作相關信息采集系統，包括可以批量生產的高質量監測主機、以較高精度測量傾角、振幅、溫濕度等數據的傳感器，覆蓋4G、5G 網絡的新型通信單元和具有主電源和太陽能電池兩級電池結構的供電模塊。

3.2.1 通信模塊

Fig.3 Main function modules of background management system圖3 后臺管理系統主要功能模塊

本文通過ZigBee 無線組網實現短距離的傳感網絡，并將ZigBee 網絡結構設置為網狀拓撲結構。該拓撲結構包含一個Co-ordinator（協調器）和一系列Router（路由）和End Device（終端），每一個Router 都可以和附近的其他Router 和Co-ordinator 進行通信，使得節點之間可自行組織網和采用多跳方式進行通信，具體如圖5所示。

Fig.4 Main components of information acquisition system圖4 信息采集系統主要構成

Fig.5 Design of ZigBee network topology圖5 ZigBee網絡拓撲設計

3.2 建筑信息模型

本模塊利用BIM 建筑信息模型技術，實現單立柱廣告牌數據信息整合，并在監測系統中顯示三維模型，使用戶可以便捷直觀、多視角地看到廣告牌結構、傳感器位點等信息。

3.2.1 BIM模型制作

本模塊根據單立柱廣告牌的工藝流程及主要尺寸，在Revit 軟件中以族文件的形式創建三維幾何模型。單立柱廣告牌主材為鋼結構柱單元，柱體底部采用混凝土柱單元，柱體上部為由型鋼焊接而成的鋼管梁與表面鐵皮構成的廣告牌面，將廣告牌面的主梁簡化為剛結或鉸結在鋼立柱上的懸臂結構，主梁之間由橫梁及斜撐鉸結形成空間平行組合桁架固定［19］。搭建完單立柱廣告牌的三維模型后，在模型中添加構件的力學參數和荷載信息等詳細信息，力學參數包括彈性模量、泊松比等；荷載包括振幅荷載、風力荷載等。創建后模型的三維視圖如圖6所示。

3.2.2 BIMFACE二次開發BIM

使用Revit 軟件搭建好BIM 模型后，需要利用BIMFACE 輕量化引擎對BIM 模型進行二次開發，將BIM 模塊嵌套至本系統中。在BIMFACE 開發者平臺注冊并創建項目后，將BIM 工程文件上傳到BIMFACE 平臺，等待文件模型狀態變為轉換成功，即可預覽應用模型。

Fig.6 Three-dimensional view of single column billboard structure圖6 單立柱廣告牌結構三維視圖

為了在前端顯示BIM 模型，需要先在頁面的HTML 代碼中新建一個用于顯示模型或圖紙的DOM 元素，代碼如下：

3.2.3 BIM前端展示模塊

隨著光標移入到BIM 模型上，可以調出目錄樹和工具箱。在目錄樹中，可以查看當前單立柱廣告牌上的傳感器，點擊其中的傳感器列表，可以展開傳感器的相關信息，呈現近期的監測數據，同時BIM 模型中的傳感器位點會閃爍，雙擊，即可放大以當前傳感器為焦點的BIM 模型；在工具箱中，有距離測量工具、構件信息查看工具等，可以實現測量BIM 模型中不同位點的距離、查看單立柱廣告牌構件信息、顯示傳感器檢測數據等功能。

3.3 GIS地理信息系統

本模塊利用GIS 地理信息系統，集成了具有視覺化效果的地圖和包含數據庫和統計分析等功能的地理分析模塊，使管理人員能快速、便捷地查找到單立柱廣告牌的地理位置信息及周圍環境情況。

3.3.1 廣告牌位點標注功能和BIM模型綁定

本文首先在高德地圖API 控制臺中自主設計了3D 地圖的樣式，然后通過調用AMap 的Map 函數構造地圖實例，具體參數值如表1 所示。在新建的Map 實例中使用AMap.Marker 函數在地圖上標出已經存在后臺數據庫中的單立柱廣告牌位點。

Table 1 Parameter list for AMap表1 AMap的參數列表

為了將單立柱廣告牌在地圖上的位置信息和BIM 模型相結合，本系統在錄入單立柱廣告牌信息的同時，將位點與BIM 模型一一對應；在Map 標注的位點的同時，給每一個位點加上返回MapsEvent 對象的地圖點擊事件，以實現點擊位點跳轉BIM 模型的目的。

3.3.2 GIS導航系統

如果登錄系統的設備開啟GPS 定位功能，則可以通過GIS 系統的導航功能，規劃出一條前往廣告牌的路線。該模塊具體使用了AMap 中的Driving、Walking 和Riding 接口，分別提供了駕車、步行和騎行的路線規劃。

3.4 Prophet時間序列預測

3.4.1 數據收集與模型訓練

本模塊的數據由單立柱廣告牌監測行業的相關企業提供，包括2020.01.08-2020.04.28的單立柱廣告牌應力、沉降等監測數據。

根據Prophet 時間序列預測模型的理論知識可知，Prophet 通過函數變換將時間序列分解為年、月、日等不同維度，然后通過整合疊加，得到需要預測的數據與總時間的變化趨勢，本文將以單立柱廣告牌沉降數據的時間序列預測過程為例進行講解。本模塊首先確定了構建Prophet模型需要的相關參數，并初始化Prophet 模型，具體參數如表2所示。

Table 2 Prophet model parameter setting表2 Prophet模型參數設置

Prophet 的模型輸入只有日期和單立柱廣告牌的沉降數據，圖7 給出了單立柱廣告牌沉降時間序列的分析結果。從圖中可以看出單立柱廣告牌的沉降總體呈上升趨勢，并在周、日為時間單位的小范圍中有規律波動。

Fig.7 Prophet component of settlement圖7 沉降的Prophet組成部分

在使用均方誤差MSE 對模型進行評價，如圖8 所示。可見14天的短期預測內，模型的MSE 在0.16以下。

Fig.8 MSE renderings of Prophet time prediction sequence圖8 Prophet時間預測序列的MSE效果

3.4.2 Prophet時間序列預測前端展示模塊

在使用Prophet 時間序列預測模型得到預測數據后，調用Echarts圖表庫構建數據駕駛艙，實現預測數據的可視化。該模塊統計了當前監測區域的異常數據，包括傾角、沉降異常次數等數據，使用折線圖的形式給出了通過Prophet 時間序列預測模塊得到的預測數據，包括最高值、最低值等，結合廣告牌的歷史數據，直觀地體現數據的變化趨勢，幫助工作人員對廣告牌的狀態做出準確判斷。

4 結語

單立柱廣告牌是一種特殊的高聳懸臂構筑物，容易受到自然因素的影響，發生傾斜甚至倒塌。本文基于Spring-Boot+Vue 框架構建了一款單立柱廣告牌監測系統，包括信息采集模塊、廣告牌可視化管理和監測數據分析三大方面。該系統應用傳感器監測技術，實現了單立柱廣告牌信息的實時監測；將GIS 地理信息系統和BIM 建筑信息模型相結合，實現了單立柱廣告牌的可視化管理，增強了相關企業團隊之間的協調性，能夠有效地進行控制；將Prophet時間序列預測和數據分析相結合，提高了預警報警的可靠性。該系統實現了單立柱廣告牌的實時監測，降低了意外風險，有利于保障人民的生命財產安全。在完成Web 開發后可以向相關公司推薦，并在社會上予以推廣，以期為相關行業提供技術方案和系統支持。