精细化管理的房屋安全在线监测系统的设计与实现

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(中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710199)

随着城市的飞速发展，城市化进程的推进，建成房屋规模越来越大，人民的居住条件得到了极大的改善，但是城市还有大量的房屋服役期过长，由于经济发展的需要和城市规划的整体需求，不能对城市中心区所有危房进行整体拆除，并且老旧房屋仍在一段时间内继续存在，这就造成了近些年来全国多地连续发生既有房屋垮塌或局部倒塌事故。2014年4月，浙江省宁波奉化市锦屏街道居敬小区的砖混结构居民住宅楼西侧房子发生坍塌[1]；同年5月，上海市虹口区新港路一栋三层楼房倒塌[2]；2015年6月，遵义市红花岗区一居民楼发生局部垮[3]；2016年4月，上海松江区佘山镇栖霞路上一栋三层楼房发生垮塌[4]；2016年10月，浙江省温州市鹿城区双屿街道四幢六层楼高房屋发生垮塌[5]。

自2014年至今，住房和城乡建设部连续4次发紧急电文要求开展全国城市老旧建筑的安全排查整治工作[6]。目前我国与房屋使用安全相关的国家层面的法律法规主要包括《城市危险房屋管理规定》(建设部129号令)、《建设工程质量管理条例》(国务院第279号令)、《住宅室内装饰装修管理办法》(建设部110号令)、《物业管理条例》(国务院第504号令)、《建设工程质量检测管理办法》(建设部141号令)等，通过法制建设，逐步建立和完善了城市危险房屋管理法规和规章制度、房屋装修管理和物业管理体系等[7]。然而，单纯依靠制度进行管理难以全面解决房屋安全管理问题，需要从技术手段等方面采取措施多管齐下才能取得良好的管理效果。

当前有大量的房屋建设年代久远，运行时间较长，存在较多安全隐患。针对房屋安全问题，业界多采用人工方式不定期抽查和定期检查来进行管理，无法做到24 h不间断监测，监测密度不够；同时抽查的数据随机性大，代表性不足，不利于后期分析；对监测人员的经验要求较高，监测结果受人为影响较大。在结构健康监测方面，已经结合物联网技术在大型建筑结构、桥梁、隧道等大型结构上进行监测，随着云平台和智能传感器技术的发展，软件成本大幅度下降，使得房屋安全在线监测系统建设成为可能，它能够解决市场房屋监测的迫切需求，落实物联网+行业和国家大数据战略的号召，实现以房屋安全为主的建筑产业智能化、信息化。

1 影响房屋安全因素及监测内容

1.1 房屋安全影响因素

根据危险房屋鉴定标准，房屋危险性分为A、B、C、D 4个级别，其中鉴定为C、D级的危旧住宅房屋需进行解危处理。政府优先对鉴定为D级的房屋进行脱危处置，因不可抗因素无法整体拆除仍需使用的房屋可采用动态监测技术进行实时监测；对于鉴定为C级房屋可以采用加固改造或动态监测方式进行管理。

对房屋安全进行动态监测，首先要确定影响房屋安全的因素。根据房屋倒塌事故研究分析，房屋倒塌由多个因素作用而造成，引起既有房屋损伤的因素分为：

(1) 房屋本体风险因素：建造房屋采用的技术标准低，建造质量存在问题等；同时也包括房屋耐久性问题，如材料的自然老化、设施故障、结构承载力不足等。

(2) 人为使用风险因素：不按装修规范的装修改造，对房屋私自加盖、违章建造，管理疏忽，未进行及时养护、维修等。

(3) 环境风险因素：房屋周围进行地铁、深基坑施工的影响，自然灾害的影响，包括地震、台风、暴雨、大风等极端天气影响。

(4) 管理风险因素：管理制度不够完善，管理水平低下。

受上述4个因素影响，房屋的安全隐患主要表现在墙体变形裂缝、扭曲、位移、房屋倾斜及地基不均匀沉降等。

1.2 监测内容

基于房屋安全隐患的表现确定房屋安全在线监测系统的监测内容包括：

(1) 实时动态倾斜监测：即在危房外立面位置布置倾斜仪，倾斜仪需要墙面保持平行，从而测量这些位置的倾斜角度的变化，结构的倾斜变形是导致楼房失稳倒塌的主要特征，需要重点监控。

(2) 实时动态裂缝监测：在已产生微小裂缝的关键位置处，布置裂缝计，测量这些裂缝大小变化，大部分混凝土与砌体结构的破坏和倒塌就是由于楼体变形，这些是从裂缝开始发展的。

(3) 实时动态沉降监测：在房屋地基或顶部4个角落和稳定位置，布置静力水准仪，从而监测出房屋的不均匀沉降。

(4) 实时应力应变监测：房屋受到损伤时，构件的应力会重新分布，需要对主要构件进行应力应变监测。

2 系统设计

2.1 系统设计目标

(1) 利用房屋基础资料，结合地图展示和在线监测，及时掌握房屋安全运行状态及分布。

(2) 通过对监测数据进行统计分析，掌握房屋安全整体状况，为安全预测提供依据。

(3) 通过对房屋危险进行分级，根据级别设置隐患阈值，当监测数值超过隐患阈值，触发预警，通过已设置预警方式和接收人，进行房屋安全预警。

(4) 实现房屋安全的精细化管理，提高管理效率，减少社会成本。

2.2 系统框架

房屋安全在线监测系统依托物联网设备实时监测房屋安全运行状态，对房屋危险进行预警，实现房屋安全精细化管理，做到房屋安全问题早发现、早核实、早处理，保证人民生活安康，安居乐业。

房屋安全在线监测系统主要由硬件模块和软件展示模块构成。软件展示模块采用B/S和M/S相结合的方式构建。B/S的房屋安全监测系统负责接收监测设备数据，并对数据进行实时处理、展示、统计分析和预警。M/S的房屋安全监测巡检系统用于对房屋安全日常巡查和对房屋预警警情的核实和处置。监测系统总体架构分为7层，如图1所示。

其中，监测仪器层监测要素数据获取；通过Modbus/RS485协议将监测仪器采集的数据以电信号形式传输到数据采集中心，数据采集层对电信号数据进行解析转换为数字信号，通过GRRS网络(数据传输层)将数字信号数据传输至服务器，在数据存储前对数字信号进行解析，解析后将监测业务数据存储在数据库中，数据存储层通过应用服务层为应用逻辑层提供数据基础，在应用逻辑层实现监测数据的统计分析和预警等管理，业务应用层通过网页和APP的方式展示，负责与用户进行交互处理。

3 系统实现

3.1 硬件实现

房屋安全在线监测系统硬件模块包括3大部分：

(1) 数据采集模块：此模块由传感器和监控主机构成。传感器包括倾斜仪、裂缝计、应变传感器和静力水准仪，传感器安装在监测点与监控主机连接；监控主机给传感器提供电源，通过Modbus/RS485协议采集不同传感器传送的电信号，并进行数据预处理，将电信号转换为数字信号，通过GPRS网络将数据传送至服务器。

(2) 服务器：系统服务器可以选用云服务器，或有固定IP的服务器。

(3) 终端：终端包括监控大厅的大屏幕、普通PC和移动终端。移动终端用于接收实时监测数据、报警接收和记录警情处理情况等。

3.2 数据组织与数据库

系统中数据存储采用Oracle数据库，数据包括监测数据、业务数据和地图数据。

(1) 测数据包括倾斜仪监测数据、裂缝计监测数据、静力水准仪监测数据和应力应变监测数据，见表1。

(2) 地图数据包括百度地图提供的地图服务、项目范围及位置和房屋位置，见表2。

(3) 业务数据：预警策略中的预警分级、预警阈值范围、设备信息、项目信息、房屋信息、用户信息、角色信息和权限信息、预警信息、系统操作记录等，见表3。

表1 静力水准仪监测

表2 项目地图定位信息

本文系统中监测设备众多、监测频率密集，这样就存在数据存储量大，需要实时高效的存取监测数据，并且系统需要支持高并发的操作，在数据库方面采用Redis服务器。

Redis是一个开源、高级的键值存储和一个适用的解决方案，用于构建高性能、可扩展的Web应用程序。它异常快，每秒可执行大约110 000次的设置操作、81 000次的读取/获取(GET)操作；支持丰富的数据类型；操作具有原子性，确保并发访问能接收更新的值[8]。

3.3 系统功能实现

房屋安全在线监测系统融合物联网传感器技术，以GIS的电子地图为依托，以项目的形式管理房屋安全监测，实现对一栋或多栋房屋的地基、结构和墙体进行远程动态化监测，实现自动、连续、实时的变化数据，并对房屋安全运行状态进行统计分析，为应急决策提供支持，对潜在的安全隐患实时报警处理，结合专业人员的现场巡检，及时核实现场险情，并实时处理和追踪，实现了房屋安全的精细化管理。系统包含以下7大功能。

3.3.1 实时监测

通过设置数据采集频率，系统实现对房屋的地基、结构和墙体的倾斜、位移、不均匀沉降、裂缝和扭曲等要素进行监测，并将房屋的位置和监测数据实时显示在地图上，如图2所示。

3.3.2 监测数据实时上传和处理

通过GPRS网络系统接收监测数据中心采集的数据，并对监测数据进行检核和解析，数字信号采用16进制，通信格式为标识符、数据长度、地址码、命令字、数据域、检验和，校验采用CRC16，按照不同位数代表的含义进行解析，检核后通过运算获取监测值，并将其上传至数据库。

3.3.3 预 警

预警管理中对每类设备设置预警策略，即预警分级，并对每一个分级设定阈值，当监测数据超过预警阈值时，在系统中进行预警。

系统中根据房屋安全隐患的严重程度与事故发生所造成的危害程度进行分级，见表4。预警阈值主要根据相关规范并依照房屋具体情况设定。如：①沉降监测报警值：2 mm/d(连续2 d)或累计沉降30 mm；②倾斜监测报警值：倾斜率增量达到1.0‰；③裂缝监测报警值：砖砌体裂缝增量或新增裂缝达到1 mm。

表4 安全隐患分级

3.3.4 告 警

告警管理用于设置告警手段和告警联系人，即将告警信息发送给指定管理者，采用指定发送方式，包括短信、邮件等，如图3所示。本文系统短信服务采用阿里云的短信服务。

3.3.5 统计分析

实时将监测数据以折线图、柱状图等方式显示，并可以生成监测统计报告，如图4所示。

3.3.6 系统管理

系统管理包括：权限管理、用户管理、项目管理、房屋管理、设备管理等。

3.3.7 巡检管理

记录巡检员的巡检轨迹、巡检任务下达，巡检险情上报、险情处理情况跟踪等，如图5所示。

4 结 语

本文从分析影响房屋安全的因素入手，确定房屋安全监测的内容，利用物联网技术建立房屋安全在线监测系统，该系统可以有效掌握房屋实时变形和承重构件的安全状况，提前感知房屋的安全隐患，为及时处置和应急管理提供精确地数据支撑，从而提高危房管理效率，保障人民群众生命安全。房屋安全管理是一项长期工作，后期可以进一步将LiDAR技术、InSAR遥感技术、红外热像技术、北斗导航定位技术和人工智能技术运用于房屋安全监测中，并对房屋安全隐患进行趋势分析、预测，实现房屋安全的全生命周期管理，从而促进城市房屋安全管理科学化、精细化和智能化，保障城市可持续发展。