结构安全领域的城市安全大脑顶层设计

姜海川 孙 巍 李云鹤 甘 雨 霍振兴

(1.吉林省建苑设计集团有限公司，吉林 长春 130011；2.吉林大学中日联谊医院，吉林 长春 130000)

1 背景技术

随着我国城市化发展的不断深入，勘察设计领域单纯采用传统的结构定性化的包络设计，经验推断的设计分析方式，已逐渐无法满足我国外来城市化发展需要[4]。5G技术、人工智能、网络云计算等新兴技术的逐步完善，一个全新的城市安全设计顶层设计理念呼之欲出。以上几个新兴技术代表着数据的物—物、人—物信息互联能力，数据的快速传输能力，物体自身的初步自我分析及判断能力以及数据云端整体分析和计算能力[4，5]。这些技术的相互关联将会促使我国的城市建筑安全评价及信息接收逐步由单一的模糊化、经验化、人为被动反馈方式，向由单个构件不同位置的安全数据信息逐级简单分析、数据汇总、信息整合、数据进一步分析、数据反馈至“城市大脑”中心并由城市大脑进行最顶层的信息处理并将相应信息数据分类推送至各个城市主管部门进行进一步的协调、确认、解决。

由于我国城市近些年的快速发展，结构自身的安全储备不足、飓风、地震频发、人为超载现象屡禁不止，造成了我国城市建筑的安全问题不断、安全事故频发，如房屋的突然倒塌、桥梁的骤然断裂、造成了沉重的国家财产损失和个人人身伤亡[5，6]。2008年四川汶川地震、2009年上海“莲花河畔景苑”13层楼体突然倒塌、2012年江西广昌大桥坍塌、2018年广东中山市地下室坍塌事故、2018年山东德州地下室坍塌事故、2020年福建福州桥梁倒塌事故、2020年福建泉州欣佳酒店坍塌事故、2020年浙江省龙港楼房突然坍塌等等。以上这些层出不穷的结构安全问题使得我国人民对结构安全性方面的忧虑越来越严重。因此我国建筑体系中急需建立集结构安全监测、评估、反馈于一体的城市结构安全监控平台。通过对整个城市建筑体的安全监控将对提高城市建筑安全高效运转、保障我国人民的生命及财产的安全性具有里程碑式的意义。

2 城市结构安全大脑的基本概念及未来发展必要性

城市结构安全大脑(Urban Security Brain)指的是利用城市中各个单体中的不同位置的数据信息传感器实时采集的结构响应信息，利用5G、人工智能、网络云计算等方式实时监控并分析出城市中各个区域结构单体的整体安全情况，是否发生了造成结构损伤或是安全储备下降的变化。

为了解决土木领域长期存在的结构安全隐患及突发自然灾害问题，城市安全大脑将会是未来城市土木建筑行业建设发展的一个必然方向。作为土木领域结构安全方面的设计工作者应致力于如何深入挖掘城市结构安全方面的内在规律，汇聚城市建筑各单体的数据信息，利用大数据的模拟、预测、分析复杂的城市建筑群的结构安全性问题。

3 城市结构安全大脑主要组成部分

城市结构安全大脑系统主要通过实时的数据信息采集、数据信息传输、损伤识别及安全评价等几个主要方面组成[4-6]。

1)结构构件层面的自身安全数据信息采集，对于一个结构单体来说其一定是由很多不同的结构构件或是结构单元部分共同组成的，换句话说结构的破坏一定首选是从构成结构单体的某个部分或几个部分发生损坏，并快速或缓慢的扩展至整个结构体系从而导致结构的最终损坏的。因此目前可以采用比较完善的监测传感器和相应的数据采集通用平台对整个城市中的主要被监测单体的各个重要被监测点进行结构安全数据采集。目前国内及国际上有着非常多的成熟数据传感器，通过采集应被监测位置的电、声、光、热能信号来获取监测位置的基本数据信息。目前常用的数据采集前端(构件层面)的采集平台可利用Labview，VB，Delphi，VC等软件平台。数据传感器主要有采集混凝土内部应力应变的压电陶瓷传感器，测量混凝土构件倾斜角度的倾角传感器，测量结构构件位移的位移传感器，测量结构构件外表面应变的应变传感器，采集结构构件加速度变化的加速度传感器，采集被测区域应力和温度的光纤光栅传感器，测量结构监测位置温度的温度传感器，以及监测测量区域火灾安全情况的烟雾传感器等。

2)数据传输，由于判断一个结构单体或是整个城市的部分区域的整体结构安全性，需要的是众多的结构构件层面的数据进行整体计算并根据不同结构位置的结构自身响应特征来整体分析其结构损伤程度及相应的安全等级，因此需要利用有线与无线传输技术相结合，将所采集的数据进行汇集、整合、传输至相应的使用端。目前国内及国际上已经有非常多的成熟的数据传输技术应用于结构健康监测领域，但是目前仍有很多非常有效的技术没有被应用。目前主流的通信技术有WiFi(Wireless-Fidelity)技术、LPWAN通信技术和ZigBee无线通信技术等。

3)损伤识别及安全评价，土木领域的工程结构在爆炸、洪水、疲劳、地震、台风、超载、相邻区域土质约束发生改变等情况，可能会造成建筑物的承载能力损坏或是正常使用破坏。由于结构在发生以上损坏过程中会产生相应的不同程度的位移、倾角、加速度、应变方面的响应，因此通过对结构重要位置做相应方面的响应监测，实时将监测数据与正常健康状态的数据进行比对获得一个初步的损伤程度及损伤定位。数据信息还需要代入至计算分析软件中(通常采用MATLAB，ANSYS或ABAQUS)进行结构分析和软件计算，并依据信息进行修正，同时将模型修正后的分析数据与原始健康状态的数据信息进行比对，最终得到准确的测试单体安全评估信息详细数据流程图见图1。

4)城市安全大脑系统，为了系统性了解和把控整个城市各个测试单体的结构安全性能，通过数据信息传输系统将各个安全子系统单元评估数据进行汇总与整合，并通过云数据分析与计算将处理结果分类推送至各个城市相应的主管部门进行下一步的协调、确认、解决。相关流程详见图2。

4 城市结构安全大脑系统需要重点注意的关键技术问题

城市结构安全大脑系统(Urban Structural Safety Brain System)由数据信息采集、数据前期采集、数据传输及数据后期处理几部分组成的庞大的系统。如何科学高效的获取不同结构体系在任何时刻的结构安全性信息是目前急需注意的关键性问题。城市结构安全大脑系统大规模应用主要有以下几个关键性的技术性问题[6-8]：

1)数据信息的科学采集。对于不同的结构形式，影响结构安全性的前几个自振周期由几秒至几毫秒。不同结构构件的采集点位置特点及采集信息的多样性也决定了其数据信息的不同频率。应该根据不同需要制定相应的采集频率，如温度信息的采集频率可以保证在0.5 Hz水平；倾角传感器的采集频率可以采用1 Hz；应变传感器每个测试点的采集频率可以取到50 Hz～100 Hz之间；波动理论的应力传感器可以采用单一频率下的数据采集方法，每个发送波段至少需要有10个数据采集点，单次可以采集5个～10个完整波长即可；位移传感器则需要根据整个结构的自振频率特性，要保证其X及Y向平动振型参与质量系数在90%以上的自振周期内有15个数据采集点。

2)数据信息的前期处理。城市结构安全大脑系统目的是将整个城市中的所有特殊设防类(甲类)，重点设防类(乙类)及绝大多数标准设防类(丙类)建筑的结构安全性进行全生命周期的健康监测。因此为了尽量减少安全系统最终的数据信息量，需要根据不同的结构自身特点将绝大多数结构安全信息进行自身的数据前期处理，并最终转化为简单数据信息进行反馈。

3)数据信息的传输。由于采集信息点的多样性，数据传输精度的不同要求，采集空间的多样性特性，需要综合运用无线与有线相结合的数据传输方式。

4)数据信息的处理。通过数据传输方式最终会将城市大脑监控下的每个结构单体的数据安全信息转运至数据终端处理平台。由于数据处理信息量庞大，需要借助云计算技术。在搭建整个数据平台过程中，应根据每个监测单体的结构响应特征，结构安全性能要求，发生不同破坏过程会出现的数据破坏信号等信息输入至相应的云计算平台上。结构工程师还应该将结构的计算模型搭建于云平台中，使其具有自动迭代功能。

5 结语

5G智能时代的到来一方面会对传统产业带来巨大的冲击，另一方面也必然会伴随着空前的机遇期。如何将城市结构单体与整个城市的建筑安全性相互关联，如何通过新的技术手段将复杂的模拟数字信息转化为通俗的结构安全性评估结论是今后一段时间摆在我们勘察设计领域每个人必须要面对的问题。将土木行业的资源重组、权利格局的转变、智能主导权与人的自主决策权的相互影响则需要有关部门更大的决心进行解决。结构安全领域的城市安全大脑是未来我国城市建筑向智能、绿色、高效发展的必然之路。