基于物联网技术的老旧砖房安全在线监测系统

阿拉塔，谭晓晶

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

1 引言

砖砌体结构是我国传统的建筑结构形式。老旧砖房由于使用年代较长，所处环境对建筑物的侵蚀、材料性能的老化、长期的荷载效应及突发荷载，如地震作用下使得原建筑物或结构构件抗力下降，从而在自然灾害甚至正常使用情况下都可能引发灾难性的突发事故【1，2】。因此，在老旧砖房，尤其是潜在危房建筑上安装监测系统以实时在线地监测其工作状态，能及时掌握结构的安全状况，便于及时预警险情，保障住户人身和财产安全。

物联网是基于互联网，通过传感器装置将研究对象与网络相连，使得普通物体实现互联互通的网络。物联网技术是通过信息设备，将与物体有联系的传感器与网络相连接进行信息交换的技术。利用物联网技术对既有建筑物进行在线监测，将传感器装置安装在结构的关键部位或能获取结构安全参数的部位，利用网络实现数据的自动采集与传输，对建筑结构的运行安全状况进行评估，实现对老旧砌体砖房安全实时在线监控。

2 监测内容

建筑安全监测内容主要有：沉降监测、水平位移监测、倾斜监测、应力监测、裂缝监测和挠度监测等【3】。

沉降监测：监测建筑物及其基础在垂直方向上的变形情况。

水平位移监测：测量监测体平面位置随时间的变化情况。

倾斜监测：监测建筑物的墙或柱，在不同高度的点相对于底部基准点的偏离。

应力监测：监测建筑物关键构件的受力变化情况。

裂缝监测：监测由于设计、材料特性、环境变化、地基沉降等原因引起的建筑物的裂缝，并评价是否大于极限值。

挠度监测：监测建筑物关键受力构件的挠曲变形情况。

3 监测系统

利用物联网技术对建筑物进行健康监测，其监测系统主要由构件传感器系统、数据采集与传输系统、数据分析处理系统、结构状态评价系统组成。建筑结构在运行过程中受到外部激励，当监测对象的反应值超过预先设定的限值时触发传感器搜集数据，经过4G 网络将数据传到云端服务器，对数据进行分析处理获得建筑结构的动力响应。上述各系统协同工作流程如图1 所示。

图1 监测系统协同工程流程图

监测系统的数据采集通常依靠基础设施层的各类型采集硬件设备完成，再通过无线传输方式将数据传输到云平台服务器。无线远程数据采集传输系统的优点主要有：（1）综合成本低，省去布线及线缆维护费用；（2）组网灵活，可扩展性好，即插即用；（3）可动态实时传输数据，做出预警提醒；（4）安装远程监控软件就可以监控。客户端采用Web 浏览器或移动App 远程访问云平台，实现数据远程查看和系统控制。监测系统的构成如图2 所示。

4 监测传感器

利用传感器实现对建筑结构性能和周边环境的实时监测，为结构或构件的损伤识别、功能评价等提供信息；从目前传感器发展水平和功能看，建筑结构监测传感器主要采集如下5 个方面的结构或周边环境的信息：

图2 监测系统构成模式

1）监测环境特性，包括建筑物所在地及周边环境的温度、湿度、风速等参数；

2）监测结构整体性能，包括长期荷载作用对建筑结构材料特性、静力状态、动力特性等；

3）监测结构局部性能，包括建筑结构的构件、节点及连接部位的裂缝、疲劳及破坏机制；

4）监测地震动对建筑结构的影响，包括位移、速度、加速度等数据的监测；

5）监测建筑结构空间位置变化，包括水平位移、沉降、倾斜等；

根据监测项目功能和目标不同，需要结合实际工程特点选择传感器的类型和数量并优化布置，传感器布设的原则如下：

1）测得的数据要能精准反映结构的动态特性；

2）测得的数据要对实际结构的静力参数和动力参数较敏感；

3）要布置在建筑结构主要受力构件上；

4）尽量布置在结构反应最不利处或已损伤处；

5）针对监测对象对感兴趣的局部进行重点布置。

加速度传感器布置的评价准则：模态保证准则；奇异值比、平均模态动能、有效独立法、模态的可视化程度、表征最小二乘法准则。

环境监测、几何监测、外部荷载监测和结构反应监测等传感器可通过有限元分析确定极值或关键控制位置，风速仪等特殊类型的传感器可依其测量特点进行布置。

5 数据传输组网方案

监测系统的组网方式通常有分布式、集中式和混合式。单一小型监测系统采用了集中组网方式，由现场前端数据采集系统通过有线或无线方式将数据传输至监控中心或者云平台服务器。大型建筑或多工程多任务项目通常采用分布式组网方式，各监测区域组成局域网，再由局域网的节点将监测信息传输至基站，基站采用GPRS 无线通信方式传输至服务器或云平台。混合式组网使局部采用集中式，多数采用分布式的混合模式，多用于大型结构长远距离的监测项目。

6 监测云平台及功能设计

6.1 云平台搭建

云平台架设各种类型服务器、小型机、磁盘阵列和网络交换机等基础设施资源，通过虚拟化技术将服务器、存储、网络进行虚拟化，提供按需分配的虚拟资源池，从而使得云计算平台对资源的使用灵活方便。大量数据和软件都存储在服务器上，用户通过Web 浏览器或其他Web 服务来共享各种软硬件资源及应用服务。

本系统采用了公有云方式来搭建整个结构在线监测系统，可大大降低监测系统的成本。云平台主要功能是作为服务器，部署服务提供API 给移动端调用并接收移动端上传的数据，使用MySQL 数据库存储数据。为了节省成本，MySQL 和后台处理服务均部署在同一云服务器上。

远程访问：本系统客户终端设备采用了基于B/S 架构设计，采用Web 浏览器和移动App 进行服务器数据访问。

6.2 系统功能设计

系统功能包括：数据管理子系统、数据分析子系统和辅助决策子系统。

数据管理子系统主要是对各类传感器汇聚上来的数据进行管理维护，方便用户对数据的进一步使用。该子系统的主要功能有：数据归类、数据维护和数据备份。

数据分析子系统主要是为用户提供建筑安全信息的查询、报表生产、数据显示等功能，满足用户日常管理需要。该子系统主要功能有：数据的实现显示、数据对比、数据查询和统计。

辅助决策子系统主要为用户提供决策支持和有关建议。该系统主要功能有：安全预警、辅助决策、公共情况发布和指挥控制。

7 工程应用案例

本案例选定了云南省地震局黑龙潭旧办公楼作为监测研究对象。该办公楼始建于20 世纪70 年代，为砖混结构，无圈梁构造柱，材料强度较低。因为该房屋的建设年代较早，结构服役期间的安全性一直是关注的重点。

监测系统传感器设备：监测系统共采用倾角传感器4 个，用于监测建筑物的倾斜和沉降；温度传感器4 个，用于监测建筑物的环境温度。倾角传感器布设与屋顶周边中心部位，温度传感器布设与屋顶中心处。

监测系统组网方式：所有传感器采用RS485 通信方式，由数据汇集器传至DTU 无线模块，再由DTU 无线模块传输至云平台。

监测系统云平台：系统数据存储采用云服务器，客户端访问采用基于B/S 架构设计的Web 端和移动App 端。

8 结语

目前，国内很多老旧砖砌体结构都是20 世纪80 年代所建且面广量大，其居住安全问题日益突出，对群众生命安全和财产安全有着极大隐患。因此，对老旧砖砌体结构使用安全的监测和安全预警显得尤为必要。传统的材料强度和变形检测已经不能满足需求，利用物联网技术构建老旧砖房安全监测系统，是对传统建筑安全监控的拓展，有助于确保建筑安全，构筑安全的生活环境。该系统能够提供实时准确的数据，数据传输和查询都可以通过云平台查看，可以将老旧砖砌体房进行网络化系统管理，对房屋险情预警具有积极作用。