引言

大型建筑(如橋梁、大壩、樓宇)安全監(jiān)測(cè)實(shí)際上是一個(gè)多參數(shù)(包括溫度、應(yīng)力、位移、動(dòng)力特性等)的監(jiān)測(cè)，主要是利用一些設(shè)置在建筑關(guān)鍵部位的測(cè)試元件、測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試儀器等，實(shí)時(shí)、在線地量測(cè)建筑結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中的各種反應(yīng)，用以分析建筑的結(jié)構(gòu)安全狀況，評(píng)價(jià)其承受靜、動(dòng)態(tài)荷載的能力和結(jié)構(gòu)的安全可靠性，為使用、管理和維護(hù)決策提供依據(jù)叫

大型建筑安全監(jiān)測(cè)技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科交叉領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信號(hào)分析技術(shù)以及人工智能等技術(shù)的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)正向?qū)崟r(shí)化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。目前，包含多項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容、能對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并集成了遠(yuǎn)程通信與評(píng)判控制的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)成為大型建筑的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的前沿。

物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofthings)技術(shù)是在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展的新一代信息技術(shù)，它通過(guò)增加對(duì)源端信息獲取的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以更多地獲取各種物的信息，借助于多種通信手段，從而實(shí)現(xiàn)物物相連。傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心。物聯(lián)網(wǎng)中的物體可以通過(guò)嵌入其中的智能感應(yīng)裝置、射頻識(shí)別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)(GPS)等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)相連，最終形成物與物、人與物之間的自動(dòng)化信息交換與處理的智能網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)可通過(guò)電腦、移動(dòng)終端和手機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

1基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大型建筑安全監(jiān)測(cè)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大型建筑安全遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，主要是利用物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，通過(guò)多種傳感器獲取大型建筑安全特征參數(shù)，利用相關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與傳輸，利用相關(guān)方法和軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，對(duì)大型建筑的安全狀況進(jìn)行評(píng)估,并將評(píng)估結(jié)果通過(guò)多種終端設(shè)備發(fā)送給用戶(hù)，用戶(hù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行的反饋指令也能通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大型建筑安全實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線監(jiān)控。圖1所示為典型的基于物聯(lián)網(wǎng)的安全遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1  基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程安全檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2建筑安全監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和方法

2.1建筑安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容

建筑安全檢測(cè)分為外部觀測(cè)和內(nèi)部檢測(cè)兩種。外部觀測(cè)是對(duì)建筑物外表特征的觀測(cè)，以期檢查建筑物結(jié)構(gòu)變化情況。外部觀測(cè)主要內(nèi)容有沉降觀測(cè)、水平位移觀測(cè)、傾斜觀測(cè)、裂縫觀測(cè)和擾度觀測(cè)等。內(nèi)部檢測(cè)是對(duì)建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料的檢測(cè)，以期檢查建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。內(nèi)部檢測(cè)需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)儀器設(shè)備對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，如激光、紅外、震動(dòng)等。由于內(nèi)部檢測(cè)復(fù)雜，且建筑物內(nèi)部變化通常在外部都能夠有所體現(xiàn),因此本文主要討論外部觀測(cè)，主要包括幾個(gè)方面：

沉降觀測(cè)。觀測(cè)建筑物及其基礎(chǔ)在垂直方向上的變形(也稱(chēng)垂直位移)情況。

水平位移觀測(cè)。觀測(cè)建筑物在水平面內(nèi)的變形情況，其表現(xiàn)形式為在不同時(shí)期平面坐標(biāo)或距離的變化。建筑物水平位移觀測(cè)是測(cè)定建筑物在平面位置上隨時(shí)間變化的移動(dòng)量。

傾斜位移觀測(cè)。傾斜位移是建筑物因?yàn)榈鼗牟痪鶆虺两祷蚱渌蛟斐傻奈灰?。建筑物傾斜位移分為兩類(lèi):一類(lèi)表現(xiàn)為以不均勻的水平位移為主；另一類(lèi)則表現(xiàn)為以不均勻的沉降為主。

裂縫觀測(cè)。建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降，溫度的變化和外界各種荷載的作用，使得建筑物內(nèi)部的應(yīng)力大大超過(guò)了允許的限度，使得建筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

擾度觀測(cè)。建筑物垂直面上的各個(gè)不同高程點(diǎn)相對(duì)于底點(diǎn)不同的水平位移，稱(chēng)為擾度，所進(jìn)行的觀測(cè)稱(chēng)為擾度觀測(cè)。

2.2建筑安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法

圍繞建筑安全檢測(cè)的內(nèi)容，其方法主要有以下幾種：

平面測(cè)量方法。包括精密水準(zhǔn)測(cè)量、集合水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量、方向和角度測(cè)量、距離測(cè)量等。精密水準(zhǔn)測(cè)量方法是最常用的、精密的、最能直接獲得準(zhǔn)確沉陷量的一種方法，是其他方法所不能替代的基本的沉陷觀測(cè)方法。

空間測(cè)量技術(shù)。如甚長(zhǎng)基線干涉法測(cè)量(VLBI)、衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR)、全球定位系統(tǒng)(GPS)以及合成孔徑雷達(dá)干涉(InSAR)等。

攝影測(cè)量方法。包括近景攝影測(cè)量，它可以同時(shí)測(cè)量許多觀測(cè)點(diǎn)，可用作大面積的復(fù)測(cè)，尤其適用于動(dòng)態(tài)式的變形觀測(cè)。

專(zhuān)門(mén)測(cè)量手段。這里主要是指各種準(zhǔn)直測(cè)量、傾斜儀監(jiān)測(cè)、應(yīng)變計(jì)測(cè)量以及各類(lèi)專(zhuān)用傳感器技術(shù)。

3建筑安全監(jiān)測(cè)傳感器

所謂傳感器，就是指能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。根據(jù)實(shí)際用途的不同，傳感器可以分為很多種類(lèi)型。典型傳感器結(jié)構(gòu)分為機(jī)械接收和機(jī)電變換兩部分,機(jī)械接收完成對(duì)物理量測(cè)量，機(jī)電變換把物理量變換為電信號(hào)，被計(jì)算機(jī)處理。

建筑物物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中常用的傳感器類(lèi)型有以下幾種：

位移傳感器。位移傳感器又稱(chēng)為線性傳感器，把位移轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，傳感器的作用是把各種被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量。它分為電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器、超聲波式位移傳感器和霍爾式位移傳感器等多種。

傾斜傳感器。傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測(cè)量,從工作原理上可分為固體擺式、液體擺式和氣體擺式三種傾角傳感器。

應(yīng)力傳感器。應(yīng)力傳感器是使用最廣泛的一種傳感器，它是檢測(cè)氣體、液體、固體等所有物質(zhì)間作用力能量的總稱(chēng)，也包括測(cè)量高于大氣壓的壓力計(jì)以及測(cè)量低于大氣壓的真空計(jì)。應(yīng)力傳感器的種類(lèi)甚多，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是利用彈性元件的形變和位移來(lái)表示，但它的體積大、笨重、輸出非線性。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和良好的彈性，研制出半導(dǎo)體力敏傳感器，主要有硅壓阻式和電容式兩種，它們具有體積小、重量輕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此半導(dǎo)體力敏傳感器得到廣泛應(yīng)用。

光纖傳感器。光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待定參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感器一般可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是功能型傳感器，是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，所以又叫傳感型光纖傳感器；另一類(lèi)是非功能型傳感器，利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，因此，也稱(chēng)做傳光型傳感器或混合型傳感器。

加速度傳感器。加速度傳感器用于測(cè)量物體的加速度,包括單方向加速度計(jì)和三向加速度計(jì)。

距離傳感器。距離傳感器是用于測(cè)量物體間距離的傳感器，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量物體之間的距離。

全站儀。全站儀，特別是帶有伺服系統(tǒng)的全站儀，能夠自動(dòng)跟蹤測(cè)量監(jiān)測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)，并通過(guò)相關(guān)方式將坐標(biāo)發(fā)送至服務(wù)器。

GPS。在能夠接收到GPS衛(wèi)星信號(hào)的情況下，實(shí)時(shí)提供監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位置信息。在有差分信號(hào)的情況下，平面精度能達(dá)到1?2cm。

陀螺儀。陀螺儀能夠測(cè)量監(jiān)測(cè)目標(biāo)的方向。不同的陀螺儀，精度差別較大，普通的手持式精度在2。左右，高精度的大地測(cè)量型陀螺儀精度在秒級(jí)以上。

傳感器集成技術(shù)。針對(duì)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)往往需要多種類(lèi)術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無(wú)線連接。

型的傳感器，因此需要將這些傳感器集成。構(gòu)建傳感器集成系統(tǒng)需要綜合多方專(zhuān)業(yè)技術(shù)，這些專(zhuān)業(yè)技術(shù)包括集成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，用于信息獲取的傳感器及其他附屬裝置的選擇，用于信息高速傳輸與存儲(chǔ)的技術(shù),圖像處理技術(shù)，軟件系統(tǒng)配置，計(jì)算機(jī)硬件的補(bǔ)充配置,以及必要的光學(xué)、機(jī)械部件的設(shè)計(jì)與制作。集成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)階段應(yīng)在準(zhǔn)確把握市場(chǎng)需要與性能預(yù)期指標(biāo)下進(jìn)行，應(yīng)保證設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)、實(shí)用、可靠和較高的性?xún)r(jià)比。集成系統(tǒng)傳感器的選擇階段，傳感器的適應(yīng)性是重要指標(biāo)，包括它對(duì)作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性、作業(yè)頻率、分辨率、精度、價(jià)格以及聯(lián)機(jī)性能等。

4建筑安全檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

4.1常用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

建筑安全檢測(cè)傳感器需要把檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)通信線路或通信傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器或數(shù)據(jù)處理中心?，F(xiàn)有的傳感器提供的外部通信傳輸部分需要按照傳感器相應(yīng)的接口和協(xié)議分別設(shè)計(jì)。

就目前看，數(shù)據(jù)傳輸分為有線傳輸和無(wú)線傳輸兩

種方式。有線傳輸穩(wěn)定性好，但布置困難，費(fèi)用高，在某些情況下，甚至不能實(shí)現(xiàn)。無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性較弱，但組網(wǎng)簡(jiǎn)便，費(fèi)用低。本系統(tǒng)中主要考慮使用無(wú)線傳輸方式。表1所列是常用的有線傳輸和無(wú)線傳輸協(xié)議。

4.2有線數(shù)據(jù)到無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換

目前，常用的傳感器支持的傳輸協(xié)議以RS232和RS485居多。傳感器的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行無(wú)線傳輸時(shí)，需要相關(guān)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，下面是常見(jiàn)的幾種轉(zhuǎn)換形式：

RS232/484數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無(wú)線電臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。能透明有效地把RS232/485串口信號(hào)利用無(wú)線電臺(tái)雙向無(wú)線傳輸，傳輸距離與信號(hào)發(fā)射功率和環(huán)境相關(guān)。利用此轉(zhuǎn)換模塊,能使用戶(hù)在不用更改已有軟件下就可以完成數(shù)據(jù)無(wú)線通信。

RS232/485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GPRS數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。RS232/485/422轉(zhuǎn)換為GPRS，需要通過(guò)一種轉(zhuǎn)換器(又稱(chēng)無(wú)線數(shù)傳終端、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)卡、工業(yè)手機(jī)、GPRS調(diào)制解調(diào)器)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此設(shè)備一般提供雙向透明數(shù)據(jù)傳輸通道，讓用戶(hù)在不用知道復(fù)雜的GPRS通信原理和TCP/IP協(xié)議、不用更改原有程序情況下，就可以讓工業(yè)RS232/485/422串口設(shè)備的串口通信立即轉(zhuǎn)換為GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

RS232/485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ZigBee數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類(lèi)似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。它是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種介于無(wú)線標(biāo)記技

4.3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)方案

傳感器數(shù)據(jù)需要發(fā)送至服務(wù)器電腦進(jìn)行處理。在建筑物數(shù)據(jù)測(cè)量后，需要根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)輸出接口、輸出信號(hào)類(lèi)型,確定信息傳輸方式，有線無(wú)線均可。相對(duì)來(lái)說(shuō)，無(wú)線方式比較方便，且各種距離都有相應(yīng)的傳輸方案。圖2所示是系統(tǒng)采用的組網(wǎng)方案。

5建筑安全信息處理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

建筑安全信息處理系統(tǒng)功能與檢測(cè)對(duì)象、檢測(cè)數(shù)據(jù)和管理要求有密切關(guān)系。本系統(tǒng)主要由以下子系統(tǒng)組成。

5.1數(shù)據(jù)管理維護(hù)子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理維護(hù)主要是對(duì)各類(lèi)傳感器匯聚上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行 管理維護(hù)，方便用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步使用。該子系統(tǒng)的主要 功能包括數(shù)據(jù)歸類(lèi)、數(shù)據(jù)維護(hù)和數(shù)據(jù)備份。

數(shù)據(jù)歸類(lèi)主要是對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)處理，按照不同測(cè)量要求存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)表 ；數(shù)據(jù)維護(hù)就是根據(jù)用戶(hù)需要，由用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步編輯修改 ；數(shù)據(jù)備份是建立數(shù)據(jù)備份的機(jī)制和措施，定時(shí)備份數(shù)據(jù)，特別是收集到的原始數(shù)據(jù)，當(dāng)然，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，也可考慮使用增量備份。

5.2 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)主要是為用戶(hù)提供建筑安全信息的查詢(xún)、報(bào)表生成、數(shù)據(jù)顯示等功能，滿足用戶(hù)日常管理需要。該子系統(tǒng)主要功能有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)對(duì)比和數(shù)據(jù)查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)。

數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示就是在各類(lèi)終端上能夠以文字、圖形等形式，直觀地顯示建筑物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括建筑物的沉降、水平位移、傾斜、裂縫和擾度等變化情況及對(duì)比，通常用曲線圖、餅圖、直方圖等形式顯示，也可以采用虛擬仿真技術(shù)顯示建筑物整體變換效果 ；數(shù)據(jù)對(duì)比則能夠根據(jù)檢測(cè)的歷史數(shù)據(jù)對(duì)建筑物安全情況進(jìn)行分析對(duì)比，以較為直觀的形式反映給用戶(hù) ；數(shù)據(jù)查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)功能可提供多種查詢(xún)方式，以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)檢索，形成各類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。

5.3 輔助決策子系統(tǒng)

輔助決策子系統(tǒng)主要為政府管理部門(mén)提供輔助決策支持和有關(guān)建議。該系統(tǒng)主要功能有安全預(yù)警、輔助決策、公共情況發(fā)布和指揮控制。

所謂安全預(yù)警，就是根據(jù)建筑安全防護(hù)專(zhuān)家知識(shí)，構(gòu)建安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系，在系統(tǒng)中正確設(shè)置系統(tǒng)預(yù)警值。當(dāng)系統(tǒng)中收到的傳感器值超出預(yù)警值時(shí)，需要及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息，形成報(bào)警記錄。系統(tǒng)利用多種通信手段，分別向不同人員發(fā)送有關(guān)信息，包括聲音、短信、電話等形式。

輔助決策則是對(duì)收集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成如維護(hù)保養(yǎng)預(yù)案等各種方案，為政府部門(mén)提供輔助決策支持。公共情況發(fā)布就是利用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布建筑安全信息，使民眾可以通過(guò)智能手機(jī)、智能終端等設(shè)備及時(shí)獲取有關(guān)建筑物信息，同時(shí)支持民眾對(duì)建筑物情況的匯報(bào)。

指揮控制的目的是讓管理部門(mén)能夠通過(guò)智能終端發(fā)送相關(guān)指令給傳感器，并對(duì)傳感器進(jìn)行操作，使安全檢測(cè)達(dá)到新的水平。

6 結(jié) 語(yǔ)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)大型建筑安全質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控管理，是對(duì)傳統(tǒng)建筑安全監(jiān)控的拓展，其實(shí)時(shí)檢測(cè)、及時(shí)維護(hù)以及安全預(yù)防特點(diǎn)，有助于確保建筑安全，構(gòu)筑安全的生活環(huán)境。隨著傳感器技術(shù)發(fā)展，未來(lái)可以把更多的信息連接入網(wǎng)，形成全面覆蓋的安全監(jiān)控體系。

20211106_618640ea30356__基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大型建筑安全遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)