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论文案例实践-基于物联网的建筑结构安全风险
时间:2021-04-05 14:29:34

  本文首先围绕论文主题进行广泛文献检索和阅读,并对有参考价值的文献进行整理分类,提取当中总结的建筑结构安全影响因素;接下来对所提取因素进行筛选归类,编制影响因素统计表。在此基础上,进行传统结构安全的检测方法的讨论,引出物联网技术监控的重要性。介绍物联网技术,结合案例分析物联网技术在建筑结构安全监测方面的应用。最后进行建筑结构安全物联网监控体系的建设,运用各种传感器进行数据采集监控,对大量数据进行分析,进行标准数据库比对,进行智能安全评判,并提出相应的预防措施并及时反馈,避免事故的发生,减少结构损失,保护人们的生命和财产安全。

  1.1研究背景

  社会的快速进步和科技的高速发展影响着我们的生活方式,共享单车、智能家居、智慧交通等等这些科技逐步更新我们的生活环境,使得物物相连,形成一个巨大的网络,这便是近年来耳熟能详的词汇——物联网[1]。物联网技术越加完善使得其不断被应用到更多的领域,当然建筑行业也不例外,如无线电射频识别RFID技术、无线传感网络、建筑信息模型(BIM)等也被纳入物联网的应用范围[2]。目前,建筑安全方面,由于物联网应用于建筑质量安全监测依然存在不足,建筑质量安全与人们的利益息息相关,为了避免给人民的健康和财产安全以及国家的利益造成严重损失,建筑质量安全的科学鉴定已成为必然[3]。

  众所周知,传统上的建筑工程监测是在建筑施工的过程中发现某一问题,然后再找专业的监测维修团队进行监测或维修,这种传统的方式有其局限性,一方面其监测具有时效方面的滞后性,无法及时处理一些必要的安全隐患;另一方面监测无法全面、完整的进行,如此便无法及时发现建筑安全状况。近年来物联网在建筑行业扮演着越来越重要的角色,若能将物联网技术融入建筑安全监测过程,可以提高效率,节约更多的时间与物资,防止安全事故的发生,避免造成重大损失。

  1.2研究目的以及意义

  为了弥补传统建筑工程监测的缺陷,本文提出利用物联网监测建筑质量。在建筑工程中物联网通过对建筑结构的载荷度、建筑的承载度、建筑的耐久度等各种维度的监测,做出智能判断,并且起到一定的预警效果[4]。

  研究意义主要表现在以下几个方面:

  (一)弥补传统的建筑安全监测的局限

  传统建筑安全监测的两个缺陷,即监测的不及时和处理不及时,影响着建筑过程中的整体效率,将物联网和无线传感技术应用到建筑安全监测方面,可以实时获取建筑过程中的各种信息与数据,利用对数据的分析,判断建筑质量是否安全,避免人员和财产方面的利益损失。

  (二)拓宽物联网的应用范围,使物尽其用

  物联网这一技术虽然已经被广泛使用,但是在建筑结构安全检测这一块还是有很大的空缺,物联网技术所带来的的极大便利,也应该运用到建筑结构安全健康监测中,减少事故的发生,降低损失。

  (三)实现建筑结构信息化

  为了提高建筑结构安全检测的周期管理,主要是基于传感器获取数据和海量数据的分析,在此基础上建立建筑安全监测管理系统来实现。

  1.3国内外研究现状

  1.3.1建筑结构安全监测研究现状

  对结构安全监测的技术最早被运用到一些高科技领域,例如航空航天领域,之后随着技术的普及,工程领域也开始引用这一技术,工程中主要是基于建筑结构的健康程度评估,进行建筑结构安全监测。在上世纪七十年代开始这一研究,八十年代以来,美国开始将传感技术运用到桥梁隧道的建筑施工过程中,评估施工过程中的结构安全监测。我国自1997年开始,在长江大桥、徐浦大桥的建设过程中,布设传感器,用来收集建设过程中的信息与数据,也是数字化监测技术的开端[5,6]。

  近年来,国家大力发展高科技产业,物联网在工程领域的研究取得了突破性的进展。监测建筑结构损伤的技术目前运用了先进的无线传感设备,通过结构的分析以及无线传感网络信息的传输,来监测施工过程中建筑结构的变化。其原理是在建筑物上合理的布设相应的无线网络传感器,通过无线网络传感器所监测到的建筑的信息和数据首先传输到数据采集子系统中,其次传输到数据处理和分析子系统中,最后进入数据管理子系统进行安全评估,起到预警的作用。监测现状如图所示1-1。

  图1-1建筑结构安全监测系统

  目前结构安全监测并未大量被使用,只有一些大型工程运用,物联网与建筑结构安全监测的结合将会为本行业带来更好的发展前景。

  1.3.2物联网在结构安全监测中的研究现状

  物联网自2005年以来,在科技上的地位显著提升,亚洲和欧洲等各个发达国家纷纷推出物联网的发展策略。在这次信息化革命中,我国也将物联网纳入到科技发展领域之中,由此掀起一些学者、研究人员对物联网研究的浪潮,因此互联网也被运用到更多的领域之中。

  按照物联网的发展前景来讲,物联网在建筑工程中的应用是必不可少的,张全升曾在他的论文中提到,结合物联网技术,我们可以建立一个无损检测建筑桥梁安全的健康系统[12]。虽然物联网涉及的领域十分宽泛,但是其用于工程中的建筑结构健康的研究仍然不足。但由于物联网本身的特点,在工程中可以模仿其他技术,从而弥补其在工程研究中的空缺。

  目前,建筑健康结构监测虽然在监测安全方面取得了很多成就,但是也存在一定的问题:

  (一)信息的封闭

  结构监测只能监测有限个少量的工程结构,没有统一的管理系统进行管理,因此,监测所得到的信息无法共享,并且很难在其之间建立相应的联系。

  (二)无专门化的监测体系

  在工程中没有完整的专门化的监测体系,原因有三个方面,一是由于建筑结构工程本身所导致的,不同的建筑结构工程,其所监测的内容也会有所不同,二是开发专门化的监测体系所需的时间和周期久,三是成本高,耗资巨大。

  (三)无法实时监测

  根据建筑结构的特性,它具有长期使用功能,在现在的监控的研究中,仍然存在着不能实时去监测建筑结构的性能,主要是集中在后期维护运营个过程中,存在很大的缺陷。

  1.4研究内容

  本文以影响建筑结构安全因素为基础,以支持不同类型建筑的监测要求为目标,提出物联网解决影响结构安全的防控措施。

  主要研究内容包括以下三个部分:

  (1)结构安全影响因素分析。针对建筑结构安全在各阶段,可能产生的建筑结构安全因素,进行汇总和分类,包括设计阶段,施工阶段,运营阶段中产生的因素。除此之外,分析在建筑完成之后,环境对建筑结构安全的影响的因素。

  在完成了建筑结构安全影响因素的分析之后,要更加深入去分析这些因素之间的内部联系。对影响因素进行权重分析,找到关键因素。为后期物联网技术提出解决方案奠定基础。

  (2)物联网技术以及应用。在完成了建筑结构安全影响因素的分析之后,通过对物联网技术的来源以及理论简介,引入物联网技术在建筑领域的应用。主要通过一些案例分析去汇总物联网在建筑领域各方面的应用。

  (3)物联网解决安全结构影响因素。在分析物联网应用的基础上,提出物联网在结构安全方面的技术应用。包括详细的监测数据采集、传输以及处理方案。通过对实时监测结果统计分析得到建筑安全评价分析结果,并采取相应的预警方案进行反馈,决定处理方法。

  2结构安全影响因素与传统检测方法研究

  2.1建筑结构安全检测目标及影响因素

  根据1997年Szymborski提出了时间-安全影响曲线,可以得到结论:对建筑结构安全影响最大的是项目的初期设计阶段[21]。本文将对设计阶段对建筑物结构安全影响因素进行重点分析。检测目标包括支撑结构,主体结构,外界环境三大方面。

  1.支撑结构

  基坑支撑结构体系:内支撑有钢撑、钢管撑、钢筋混凝土撑和钢与混凝土的混合支撑等;外拉锚的组成形式是拉锚和土锚。

  根据组成材料,支撑系统又可以分成钢结构支撑体系和现浇钢筋混凝土支撑体系。

  (1)钢结构支撑体系主要以装配式为主,由围檩、角撑、支撑、预应力设备、轴力传感器、支撑体系监测监控装置、立柱桩及其他附属装配式构件组成。特点:施工方便,周转使用;可加预应力,可调轴力;工艺要求高。

  (2)现浇钢筋混凝土支撑体系由围檩(圈梁)、支撑及角撑、立柱和围檩托架等其他附属构件组成。特点:刚度大,安全性高;无支撑暴露时间长,土体位移大;工期较长,具有一次性特点,难拆除。

  表2-1支撑结构建筑结构安全影响因素表

  检测目标影响因素/监测指标原因分析

  围护结构围护桩墙(1)桩墙顶水平

  (2)桩墙深层挠曲

  (3)桩墙内力

  (4)桩墙水土压力当地质体其承载力、压缩性和稳定性不能满足拟建物设计要求时,便会产生不均匀沉降、滑体失稳。

  水平支撑轴力

  圈梁、围檀(1)内力

  (2)水平位移沉降缝位置设置不当,造成不均匀沉降。整体结构刚度不够,也会造成不均匀沉降,造成下层开裂。

  立柱垂直沉降

  坑底土层垂直隆起人工过量采地下水。

  坑内地下水水位

  侧向位移梁的曲率半径在恒载作用下,梁端的径向位移随着曲率半径减小而增大。

  恒载作用弯曲梁的静梁的重心相对于梁的剪切中心是偏心的,并且会存在偏心距离,从而导致横向位移。

  温度变化影响温度变化的影响包括两个条件:日照温度的差异和季节温度的差异。温度变化对弯曲梁横向位移的影响是最重要的因素之一。对于小半径和低横向刚度的弯曲梁尤其如此。当弯曲梁的内壁和外壁的温度变化时,弯曲梁主体的横向位移受到很大影响,并且上板的温度变化相对较小。

  梁的截面形式在外部因素的影响下,梁的横截面形状不同,因此产生的变形也不同。梁的横截面形状主要反映在其横向刚度上。横向刚度越大,外部载荷下的横向位移越小。

  混凝土收缩徐变由于混凝土的收缩和徐变效应,外拱和内拱具有不同的变形。外拱的变形大于内拱的变形,因此弯曲的预应力混凝土梁将随时间横向移动这种变化在不断增加。

  相邻环境相邻地层(1)分层沉降

  (2)水平位移基坑监测项目主要包括支护结构和土壤变形监测,支护结构载荷,应变和地下水动力学。监测项目的选择取决于工程地质,水文地质条件,周围建筑物和地下管道以及施工情况。基坑项目的进度和安全级别对基坑有特定的影响,因此要测试相应的设备。

  地下准线(1)垂直沉降

  (2)水平位移

  相邻房屋(1)垂直沉降

  (2)倾斜

  (3)裂缝

  坑外地下水(1)水位

  (2)分层水压

  2.主体结构

  主体结构主要是指位于地基之上,承担和传递工程的全部荷载的部分。主体结构主要包括梁、圈梁、柱、构造柱、墙、楼梯、板、屋面板。

  表2-2主体结构建筑结构安全影响因素表

  检测目标影响因素/监测指标原因分析

  关键杆件/节点内力应变结构发生变形,难免会使得局部应力发生变化,使得结构发生应变,对结构安全产生影响。

  结构挠度梁、桁架结构等受弯构件,在一定荷载的作用下必然会弯曲,用挠度用来监测。挠度对结构安全有很重要的影响。

  结构损伤(1)裂缝位置与分布特征

  (2)裂缝方向与形状

  (3)裂缝宽度

  (4)裂缝长度

  (5)裂缝深度

  (6)裂缝开裂时间

  (7)裂缝发展与变化

  混凝土结构的裂缝损伤成因与材料有关的损伤水泥安定性不好或施工养护不充分,裂缝位于表面,短而不规则。

  钢筋阻挡使混凝土成形过程中产生延钢筋的沉陷裂缝。

  对大体积混凝土,应水化热引起混凝土裂缝。

  潮湿场所因骨料含风化岩引起的裂缝

  与施工有关的损伤混凝土浇灌施工缝处理不当出现截面裂缝。

  模板变形引起的构件外形扭曲。

  支撑下沉或拆模过早导致的负弯矩裂缝。

  与使用或环境有关的损伤混凝土墙面横向膨胀受约束引起的八字裂缝。

  混凝土构件受冻胀作用引起的饰面层凸起。

  构件长期受高温作用使混凝土表面产生网状裂缝;

  长期受冻融循环作用,使混凝土起鳞等现象;

  保护层碳化出现的延筋裂缝或保护层剥落;

  酸、盐类化学介质的长期作用,致使保护层剥落,钢筋锈蚀等。

  与结构设计及外力损伤混凝土梁出现的拉弯性质裂缝;

  往复水平荷载作用下出现的剪切性质的交叉斜裂缝;

  局部构造不当,使预应力混凝土锚固区端部出现裂缝;

  由于沉降变形过大,使混凝土板出现酥碎裂缝;

  砖砌体结构的裂缝损伤成因地基不均匀沉降产生的裂缝窗台下的裂缝;

  中部沉降较大时上部结构产生的裂缝

  温度变形产生的裂缝顶层墙体裂缝:特点:两端重中间轻;顶层重往下轻;阳面重阴面轻。

  长度过长在房屋中部产生竖向裂缝;

  支撑混凝土因温度变形引起墙体开裂;

  壁面温差产生墙体外侧单面裂缝;

  砌块砌体干缩引起的裂缝;

  承载力不足产生的裂缝竖向承载力不足;

  水平往复荷载和竖向荷载共同作用下的裂缝;

  抗剪强度不足产生的阶梯型裂缝;

  纵横墙连接不好或被剪断;

  结构自振特性(1)固有频率(或周期);

  (2)振型;

  (3)阻尼(阻尼比)每个结构都有他的自振特性,它是结构自身固有的一种属性。它主要取决于结构的组成形式、刚度、质量分布、材料性质等。不同的外荷载,并不改变结构的自振特性。相反,同样的外荷载,不同的结构自振特性,它的动力反应是不一样的。

  结构疲劳监测(1)抗裂性及开裂荷载。

  (2)裂缝宽度及其发展。

  (3)最大挠度以及变化幅度。

  (4)疲劳极限值。结构工程中主要是一些极限状态和高强材料的应用,导致这些结构处于一种高应力状态。工程中存在很多结构疲劳现象,通过疲劳监测,增加结构寿命,降低不必要损失。

  3.环境条件

  环境条件指的是建筑物所处的外界环境,包括地理环境,人文环境等等,这次研究的内容主要是集中在地理环境之中的。

  表2-3环境条件建筑结构安全影响因素表

  检测目标影响因素/监测指标原因分析

  外界荷载风载/雪载自然环境中,建筑物难免会遭遇风载,雪载等各种荷载的影响,从而危害建筑结构安全。

  火灾表面温度由于自然灾害或者人为因素,产生火灾,而对建筑物结构安全造成影响。

  结构腐蚀程度湿度,建筑使用时间由于自然环境的影响,结构难免发生腐蚀,再加上建筑物使用时长不一样,对建筑腐蚀影响也是不同的。

  2.2传统的建筑结构安全检测方法

  2.2.1混凝土结构的检测

  1、回弹法检测

  回弹法测量混凝土强度时,原理是将某一重锤,挂在弹簧上,施力使其撞击混凝土表面,记录重锤回弹距离,根据回弹来判定混凝土强度。通过这种方法,便可以测得混凝土强度。

  2、钻芯取样法

  钻心取样法相对于回弹法来讲更为直接,它测量混凝土强度的办法是直接钻芯取样。

  3、拉拔法

  拉拔法测墙可分为预埋法和后装法,通过预埋或者后装锚固件来测定混凝土的强度。

  4、超声法测强

  这种方法主要是用来检测混凝土结构的强度、内部结构损伤以及混凝土开裂程度,是一种无破损检测。

  2.2.2砌块结构力学性能的检测

  表2-4砌块结构力学性能检测表

  方法名称测试原理与内容适用范围优点存在问题

  切割法按GBJ192-90标准,直接从墙体上切取标准砌体试件,确定砌体抗剪强度≥M1.0的各种砌体与GBJ129-90标准一致,可作它种方法的校准需专用切割机,局部破坏

  原位剪切法

  测定砌体通缝抗剪强度fv,推断砂浆强度f2墙厚、砌体种类、砂浆种类及强度不限最接近标准法,人为因素影响最小,无须任何修正局部破坏

  取芯法直接从墙体上钻取芯样,进行抗压、抗剪,推定f、fv及f2 240墙,≥M1.0砂浆

  比、法、意、德等国有应用

  局部破坏,芯样制成率对结果影响

  应力波法测定应力波传播特征,电算砌体强度f,分析推断砌筑质量各种砌体、砂浆

  无损,可大范围测定

  须专用设备,技术复杂,干扰因素多

  超声法测定砌体动弹性模量,推算砌体抗压强度f各种砌体

  无损,可大范围测定

  精度差

  原位轴压法用扁千斤顶测定砌体抗压强度f 240、370墙直观须进行强度换算,局部破坏

  回弹法测HT-75回弹值,确定砖抗压强度f1各类粘土砖

  简便、快捷、无损

  粘结法测定单砖与砂浆粘结弯曲抗拉强度fm各种砌体、砂浆

  国外已有标准

  局部破坏

  仪器待仿制

  2.2.3整体结构安全检测方式

  在整个工程建筑过程中,建筑结构的安全监测起着至关重要的作用,监测方式不同,监测的结果与实际所产生的误差不同。目前。监测方式主要有人工监测和互联网监测。

  (1)人工监测方式

  在建筑行业的科学技术较为落后时,这种人工监测的方式有两种,一种是专业团队的监测,所谓专业团队的监测,即建筑施工方聘请专业的监测团队,对建筑结构安全进行专业的评估与检测;另一种是非专业团队检测,也就是建筑方通过一些直观的监测手段,例如倾斜、裂缝、温度、湿度等进行现场检测。

  人工监测有其优点,例如成本低,操作便利;但是要做到对建筑结构安全的准确的监测仍有不足。无论是专业团队监测还是非专业团队的监测,耗时比较长,并且监测只能是针对发现的某一问题进行监测,而对一些潜在的未被发现的风险无法进行预估。在整个建筑施工过程中针对出现的小问题,用人工监测法便会更有优势。

  (2)互联网监测

  互联网监测方法与上述人工监测方法不同,互联网监测方法是运用物联网的原理,在监测过程中使用传感器,通过传感器采集数据,并且上传到数据库,对数据做出处理分析,互联网监测随时都能看到建筑结构的安全状况。

  科技快速发展的背景,互联网监测结合了现代科学技术手段,相比人工监测方式有所进步,一方面在监测的时效方面可以做到实时监测,可以清晰的监测监测工程施工的整个过程,方便在发生事故时及时采取相应的补救措施,将整个建筑损耗尽可能的降低。另一方面监测的结果也将会比传统的人工监测更加准确。

  基于已有的基础理论,本文将着重从物联网在建筑结构安全监测方面发挥的作用着手,通过相关案例阐述其工作原理以及发展前景。

  3物联网技术理论以及应用

  3.1物联网技术理论

  3.1.1物联网技术的起源与发展

  物联网所蕴含的物物相连的思想最早是由比尔·盖茨先生于1995年,在《未来之路》一束中首次提及,但是受限于当时的传感技术,网络接入技术发展并未成熟,在当时并未立即引起足够的重视[35]。

  1998年,EPC系统的物联网构想被美国麻省理工大学提出,这一构想具有很大的创造性,是有很意义的理论基础。后来EPC系统也被称为物联网的雏形,如图3-1所示。

  图3-1 EPC系统的构架图

  1999年,在物品编码、RFID技术和互联网的基础上,美国Auto-ID中心首次提出了物联网这一概念。

  2005年,由国际电信联盟发表的《ITU互联网报告2005:物联网》一文中,宣告我们即将进入物联网时代,在这个时代,世界上的所有物体包括生活用品、建筑结构、交通工具等等都可以通过互联网进行信息的交流和互换,这就是物联网技术。届时传感器技术、射频技术、智能嵌入技术将会和我们生活息息相关。

  2009年在一次“圆桌会议”上,“智慧地球”的概念被IBM首席执行官彭明盛先生首次提出了,当时参会人员有美国总统奥巴马和美国商业领袖。这一概念建议中提到政府应该加大智慧型城市的建设,对此与会人员均表示赞同。

  2009年,温家宝总理在视察无锡时发表了重要讲话,其中就提到一个很重要的战略构想——感知中国。讲话中一再强调,中国要抓住时代发展潮流,大力发展物联网技术。

  全球范围内许多国家,尤其是发达国家都非常重视物联网技术的发展。

  3.1.2物联网技术理论基础

  3.1.2.1物联网的属性以及特点

  物联网理论发展到现在,感知、传输、智能、控制4个重要属性构成了物联网的核心要素。

  全面感知:物联网即将具有全面感知能力的物和人集合起来,是利用REID、传感器、二维码等智感知设备读取有效信息并具有自组织的网络结构,排除了传统网络的主从关系[36]。

  可靠传输:物联网之间的信息交流,离不开互联网以及各种通讯网络。信息交流和准确的传递主要是对数据传输进行编码,制定相应的协议来实现。

  智能处理:对于物联网所获取的数据,主要是通过数据的融和以及云计算处理技术,这样便可以对大量数据进行分析处理,制定相应规则,便可获得有用数据,实现物物相连、监控等功能。

  自动控制:就是结合相应技术对物体实现智能化的控制和利用,达到相应的效果。实现了物体、数字相连的智能社会建造。

  3.1.2.2物联网的关键技术

  RFID技术:射频识别技术(Radio Frequency Identification)的英文缩写是RFID,兴起于上个世纪90年代,最早在欧洲市场使用,随后这种自动识别技术在世界上慢慢被普及。RFID技术主要利用无线射频方式,通过磁场和电磁场传递信号,可以实现无接触双向信息识别和数据交换的系统。非接触式识别是该技术的一大特点。它被称为是当前第三次信息浪潮之一[38]。

  传感器技术:在物联网体系中,通过感知层从现实世界获取信息后,这些信息通过网络传给用户端,为用户提供各种服务。传感器的定位技术是物联网的关键技术之一,目前各种定位技术以及被得到广泛的应用。

  云计算技术:云计算是一项里程碑式的技术,它翻开了IT和互联网发展历史上新的一页。云计算是一种会将IT资源、数据通过网络提供给用户的计算模式。云计算作为一种新兴的计算模式,其促进了物联网和互联网的融合,极大提高了计算处理能力。

  3.1.2.3物联网的基础架构

  (1)物联网体系架构-感知层

  物联网整个体系架构的基础是感知层,其主要技术可大致分为两类,一类是能够自动感知外部物理信息的自动感知设备,包括射频识别(RFID)技术、传感器技术,除了最基础的技术之外,对建筑的供配电、面向用户的综合管理系统等也用到了自动感知设备。另一类则是包含智能手机、个人数字助理(PDA)、计算机等的人工生成信息设备。感知层是物联网中是采集信息的来源[35,39]。

  (2)物联网体系架构-传输层

  传输层网络层又称为网络层,其由各种互联网、网络管理系统等组成,包括接入层、汇聚层和核心交换层这三个方面,负责传达从感知层处获取的信息,接入层是将接入层设备与传感器相连接,而后数据分组汇聚于汇聚层中,再通过为物联网提供高速、安全、有效的数据传输。如此结合便构成了物联网体系架构的传输层。

  (3)物联网体系架构-支撑层

  支撑层在整个物联网体系架构中负责信息存储、整合和交换,由云服务平台和数据交换平台构成。是应用系统的基础支撑,扩展资源,维护系统的稳定性,高效开发、集成、管理个性化业务的应用。

  (4)物联网体系架构-应用层

  应用层是物联网和用户的结合,它够存储大量的数据,并且通过对数据的挖掘,计算与处理提供安全管理和智能服务。应用层可以为不同的行业所服务,例如交通行业的智能交通、医疗行业的智能医疗、物流行业的智能物流等。

  3.2物联网技术的应用

  3.2.1国家体育场

  3.2.1.1工程简介

  位于北京奥林匹克公园南部的国家体育馆,是2008年北京奥运会的重点项目,见图3-2。

  图3-2国家体育馆

  国家体育馆是典型的钢混结构,钢筋混凝土剪力墙框架结构与型钢框架钢支撑结构组成了国家体院馆的主体结构,而其屋架系统主要是双向张弦空间网格体系结构[39]。

  图3-3屋盖钢结构

  3.2.1.2健康监测系统的组成

  (1)健康监测仪器

  锚索测力计、连通式竖向位移计和振弦式应变仪组成了国家体育馆永久性健康监测仪器系统。

  1)锚索测力仪主要是读取缆索受力情况,在整个建筑结构安全检测过程中,缆索受力要一直监控。锚索测力仪一般是安装在缆索端头螺母下面的。其构成如图3-4.

  图3-4锚索测力计

  2)连通式竖向位移计是考虑到国家体育馆的双向张弦结构,该结构在布置前,会按照一定的预应力变形进行设计的,这就导致了最终结构受力和预应力受力是不同的,所以要实时监测。连通式竖向位移计主要是布设在比赛馆的上方。

  图3-6竖向位移计

  3)屋架的网格结构上面的上弦、腹杆以及下弦的应变,主要是通过弧焊形振弦式应变仪进行的,该仪器固定在钢结构的表面用来监测钢结构的应变。

  图3-5弧焊形振弦仪

  (2)数据采集系统

  国家体育馆结构健康监测数据的获取主要是引用了澳大利亚DataTaker系列

  数据采集设备,该系列数据传输方式主要有以下三种:1)现场数据的获取主要是通过一个数据端口进行的,称为RS332串口。2)远程数据的传输平台则是通过一个公用的拨号网络进行数据传输,称为PSTN。这种网络获取数据是通过和现场获取到的数据进行拨号连接,传感器接收到拨号信号之后,进行数据的反馈传输。3)远程数据传输过程中就是在PSNT的基础上,通过手机无线网络进行透明传输。这样可以达到操作系统简便,数据传输方便,但其反映出的缺点也是很明显的,比如数据传输不稳定以及不安全。

  (3)数据分析和处理软件

  数据传输完成之后,讲数据存储在数据库中之后,便是对数据进行可靠的分析,从而去判断结构的安全性。同样的国家体育馆也是采用的相应软件进行数据的后期处理,这个处理软件是专门为这个大型工程所开发的,称为DNS-BJNIS。

  这个软件可以实现以下几个主要功能:1)优化了操作人员的操作界面,使得界面更加直观,更加清晰的反映建筑结构安全状况。而且各个界面之间的切换是很方便的。2)该软件实现了远程对建筑结构各参数的实时监测,除此之外,还可以进行设定标准值,剔除异常的实测值。3)该软件可以对监测到的数据直接进行处理,进行直观反映,主要是以图表形式。4)即时处理完的数据,也会放到特定的数据库中,方便后期对数据进行历史查询,用来和新测数据进行比对。

  5)如果软件分析出来的数据存在异常,该软件会在操作界面进行报警,也会提供各种报警措施,方便及时处理报警信息。6)为了保证数据的安全性,该软件还会提供不同的操作员不同的权限,很好的保证了数据的操作界面的安全性。7)除此之外,该软件还会提供维护、修改、扩展等功能,方便由于数据过于庞大,而无法存储的情况,如果系统出现异常,还可以在该软件平台对进行维护。

  3.2.1.3结果分析

  通过对位移的检测,索力的检测,杆件应力的检测,通过图像分析,对比标准值,可以发现所有检测指标都处于安全范围。钢结构变形以及缆索索力都在可控的范围内变化,符合实际情况。

  国家体育馆运用物联网技术,对建筑结构安全进行检测,技术先进,稳定可靠。

  4建筑结构安全风险物联网监测体系建设

  4.1结构安全风险监测物联网体系整体框架

  想要去建立一个对于建筑结构安全风险物联网监测的系统,就必须要知道该物联网体系结构,明确物联网体系结构的组成。对于物联网体系而言,它整体包括三个部分,分别是感知层、网络层和应用层。本文所建立的系统将会在这一基本框架结构的基础上进行,将其分为建筑监测对象、无线传感网络、传感监测平台、应用系统以及用户层五个部分进行。

  对于物联网系统三层之间的关系,并不是简单的单向数据进行传输,而是通过数据处理,预警层的处理,将数据再反馈给相应的层次,从而达到双向传递的效果。随着现代信息技术的发展,物联网识别技术已经取得了突飞猛进的进步,这对于系统的完善是很重要的。整体框架图如图4-1所示。

  图4-1基本框架设计图

  4.1.1设计原则

  (1)先进性原则

  建筑物在交付使用的过程中,由于施工和使用过程中,建筑结构安全存在着很多的不确定性,而且对于不同的建筑物,其建筑结构安全风险因素是不尽相同的,侧重点也是不同的,例如钢结构、木结构和混凝土结构其侧重点就是不同的。除此之外,在数据的采集、传输、处理过程也会存在很大的差异,所以对本系统的要求很高,本系统会在尽量考虑各种因素,建立适合各种建筑结构的系统。所以,物联网监测系统会充分考虑各种因素,以及对于未来环境的变化和技术改变做出相应的调整,故必须满足先进性原则[43]。

  (2)可改进和扩展原则

  虽然物联网监测技术已经应用到很多层面,但总体来说,物联网监测仍处于起步阶段。随着经济技术的发展,理论和技术配置方面都会与时俱进。所以在建立该监测系统时必须考虑技术的进步,在建立模块系统时必须考虑可扩展原则,可以去兼容各种新的技术,新的监测参数,新的监测目标等等。随时准备为新技术而稍微改变系统框架。

  (3)安全性原则

  在以往工程中,结构健康安全监测在人为监测阶段,存在很大的安全隐患,尤其是大型建筑工程。物联网技术虽然改变了这一现状,但是物联网技术所采集的数据涉及到结构的安全,一旦数据泄露,可能会对建筑结构安全存在很大安全隐患。针对以上可能存在的情况,防止第一手数据被窃取和篡改,要建立安全防护平台,对数据进行加密传输和打包,而且要在客户端设置访问权限,对不同的数据进行不同层次的层层保护。

  (4)实用经济的原则

  在该系统的开发过程中,由于技术不成熟,难免会走很多的弯路,造成开发系统成本高,浪费严重,造成一定程度的经济损失。除此之外,在系统运行过程中,如果由于一些技术原因,造成维修成本较高,造成高额的费用,这都是我们不愿意看到的。所以,在开发过程中,要充分考虑可能出现的各种情况,尽量避免不必要的损失,这样可以使系统的构建更加经济实用。

  (5)随时维修的原则

  由于该系统包括很多子系统,在后期的运营过程中,肯定会出现各种各样的问题。所以在建立系统的过程中,对于任意一个子系统,都要建立相应的后台管理系统,便于系统出现故障后,管理人员针对问题,进入相应的系统,对其进行维护。

  4.1.2基本的功能

  (1)数据的获取与传输。

  由于建筑结构的复杂多样性,该系统在现场布置传感器获取数据的时候,要去考虑不同的空间结构形式以及所要获取的数据目标,从而会产生不同的布置方式。同时对于收集获取到的数据,将会通过现场布置的网络,对数据进行传输,实现远程运输。

  (2)实现数据的存储和后台管理功能。

  例如同一个传感器获取的数据可能不尽相同,再加上不同的传感器,必然会造成大量的监测数据。对于数据的存储和管理就显得尤其重要。针对大量数据,系统可设置不同的数据分类方式,可以采用数据的一些特征进行分类以及数据的关联性,后面章节详细介绍。通过这种存储方式,使得数据的处理更加简单,异常数据的识别也会便捷。

  (3)实现数据的后期处理和可视化功能

  将数据传输到一个数据库之后,系统需要设置恰当的数据算法,用该算法去对数据进行后台处理。除此之外,系统还需要去完成处理结果与行业标准数据的对比,并将其分析结果以及实测信息展现在用户平台上。主要是通过一些图表的形式进行呈现,从而使用户更加直观的掌握监测目标的性能状态,再进行后期决策。

  根据要实现的功能以及设计原则,该系统的组成很容易得出由以下几个部分组成:用于采集数据的现场传感器和网络,用于传输数据的网络通道,数据存储平台以及数据处理,面向用户的可视化平台,后台维修平台。结构健康安全物联网监测体系总体框架如图4-2所示。

  图4-2物联网系统总体框架图

  4.2数据采集与处理方案

  建筑结构安全监测系统数据库的数据是从传感器中获取的,并且将获取的数据存储入该系统中,由此便完成了数据的采集和传输。流程图如图4-3所示。

  图4-3建筑安全监测信息采集与传输流程图

  信息采集工作主要是通过现场传感器的放置,获取有用可靠的有用的数据。将这些数据通过密码加密进行保护,利用现场的局域网将其信息传输到现场的数据库中。接下来就是对数据的传输,主要是通过远程通讯技术。将这些数据传输到数据处理中心,进行数据处理。进行与标准数据的比较,用图表信息将其反映在客户端上[42]。完整的数据获取和传输进行如下分析设计:

  (1)物联网技术传感器网络部署

  建筑结构安全问题的及时反映,很大程度上取决于无线传感网络的布设方式。考虑到影响建筑结构的因素众多,我们需要采用相应的传感器进行布设,获得精确的数据。但是,就算是同一类型的数据,也很难保证每次采集到的数据都是可靠的,难免会有实测误差值。为了解决这个问题,需要对数据进行多次采集,并对其进行详细分析。对此我们对传感器进行分类,主要根据类别不用,可以分为同一传感器和异类传感器。

  同一传感器主要用来相同类型结构安全监测,但由于监测的局限性,对于整个建筑结构不能很全面的反映数据,为了弥补这一缺点,不同类型的传感器可以更好的对项目进行全面监测,更好的反映项目安全信息。

  (2)数据编辑,现场局域网储存和传输

  根据数据传输的需要,需要在现场布置相应的局域网,用来存储数据以及和外界互联网相连传输数据。数据传输主要考虑两种方案,即有线传输和无线传输。但是有线传输虽然数据传输稳定,但它的缺点也是很明显的,就是布设过程比较复杂,同时造成费用相对较高。相比于有线传输,无线传输技术已经很发达了,而且无线传输很好的弥补了有线传输的缺点,所以主要考虑无线传输的方式。但市面上无线传输方案很多,特对此进行了对比,如表4-1。

  表4-1无线传输数据对比图

  中文名蓝牙紫峰超宽带WiFi近距离无线通信家用射屏

  英文名Bluetooth ZigBee UWB WiFi NFC HomeRF

  优点传输距离小于10m,采用点对点,点对多的网络传输方式,实现方式简单,传输速率快,成本低传输距离一般是5-100m,但可以无限扩展,采用星状、网状片状的网络布局,延时短,成本低传输距离小于10m,实施方式简单,传输速率高依据性能传输距离不同,传输速度快,成本低传输距离一般小于20cm,功耗低,速率较快易操作,安装简便,传输距离一般为50-100m

  缺点通讯距离太短,辐射范围有限通讯速率低通讯传输距离太短,使用办法局限。功耗大,穿透力差,节点少成本高,传输距离太短功耗高,数据安全性低

  是否适用工程不适合适合不适合不适合不适合不适合

  根据表格,对比各种无线传输的优缺点,综合下来ZigBee技术是最划算也是最成熟的,抗干扰能力强,数据传输效率高。所以本体系中选用ZigBee技术进行本地网络的传输。

  (3)远程网络数据传输

  为了进行数据的传输,我们需要将现场存储的数据传输的远程设备的数据处理中心。在传输的过程中,为了保证数据的准确性和完整性,可以选择比较成熟的互联网,接入互联网可以避免在偏远地区的建筑结构信息也能如实反映。但是在接入互联网的过程中,由于局域网和互联网的差异,可能需要转换器进行连接也就是网关。同时考虑到在一个建筑结构现场,传感器会有很多,为了保证传输速率和容量,一般选择光纤接入互联网。这样互联网就很好的完成了远程传输的作用。

  (4)数据编码传输

  为了大量数据的传输而不造成数据的混乱,我们需要对数据编制一套特定的编码,进行加密传输,这样不但可以提高传输速率,而且也提高了数据的安全性。对于数据中心所接受到的数据编码信息,需要对应的协议对数据进行解析,从而获得传感器数据。所以在在数据编码时需要遵循一定的协议,保证了数据的稳定安全传输,获取到的数据通过这种方式便可以存储在数据中心,进行后期的数据分析处理。

  4.3数据处理方案

  4.3.1数据内容

  为了更好的处理数据,对数据内容进行研究。数据获取的范围主要包括两个方面,一方面是结构局部重要不要的监测数据,另一个方面则是对建筑结构的系统全面的监测,每一种监测其侧重点是不同的。局部检测是重点监测,构成了全面监测的一部分,全面监测则是建筑监测系统的组成。

  表4-2监测内容和仪器

  监测内容监测仪器

  位移监测位移传感器、倾斜仪

  结构内部变形和应力监测应变仪、位移传感器

  结构内部受力监测压力环、剪力销

  结构外表监测刻度放大镜

  结构所处环境监测温度传感器、风速传感器,地震传感器

  4.3.2数据状态

  静态数据:根据字面意思,就是长时间稳定的数据。可以分为作业人员信息和建筑结构基本信息。从业人员基本信息包括建筑用户人员使用情况,荷载,相关人员检测周期数据以及物业管理员的相关信息;建筑结构基本信息包括建筑材料使用信息,建筑结构整体结构信息等等。

  动态数据:建筑结构在修建和运行的过程中,所产生的数据都属于动态数据。主要包括:传感器所获得的原始数据,结构所受环境变化所得到的数据以及行业对建筑结构安全标准数据。对于这些大量的数据主要是采用数据融合的方法,进行数据相关性分类,和行业信息进行适当比较,得出结果,进行结构预警。

  4.3.3数据预处理

  (1)异常数据清理

  数据在监测获取过程中,存在很多不确定的因素,例如设备受到人为或者环境的干扰,就会导致出现很明显错误的实测值。对于这些实测值,在监测过程中是避免不了的,我们只能通过一些方法进行剔除。最常见也是实用的方法就是统计学中的3δ准则。3δ准则就是拉依达准则,这种方法无需查表,如果我们监测所获得的数据总体是服从正态分布的,则可以根据正态分布的公式进行判断:p(|x-μ|>3δ)<=0.003。就是超出这个范围的数据统称为异常数据,进行剔除,减少误差,是获得的数据更加正确。所以这种方法就是确定一个可行的正态区间,超出这个区间即为异常数据,进行剔除。

  (2)噪声数据清理

  大数据离不开数据分析,数据分析离不开数据,但是海量的数据总是出现很多我们需要的数据,以及我们需要的数据存在杂质,需要我们对数据的清洗才能保证数据的可靠性,一般来说,数据中是存在噪音的。噪声数据处理方法分别是分箱法、聚类法、回归法。

  所谓的分箱法,就是将需要处理的数据根据一定的规则放进箱子里,然后进行测试每一个箱子里的数据,并根据数据中的各个箱子的实际情况进行采取方法处理数据。如何分箱呢?我们可以按照记录的行数进行分箱,使得每箱有一个相同的记录数。或者我们把每个箱的区间范围设置一个常数,这样我们就能够根据区间的范围进行分箱。也可以自定义区间进行分箱。这三种方式都是可以的。分好箱号,我们可以求每一个箱的平均值,中位数、或者使用极值来绘制折线图,一般来说,折线图的宽度越大,光滑程度也就越明显。

  回归法就是利用了函数的数据进行绘制图像,然后对图像进行光滑处理。回归法有两种,一种是单线性回归,一种是多线性回归。单线性回归就是找出两个属性的最佳直线,能够从一个属性预测另一个属性。多线性回归就是找到很多个属性,从而将数据拟合到一个多维面,这样就能够消除噪声。

  所谓聚类法就是对抽象的数据进行分组处理,成为不同的集合,找到在集合意外的孤点,这些孤点就是噪声。这样就能够直接发现噪点,然后进行清除即可。

  4.3.4数据处理方案

  由于建筑结构监测仪器不同,获取的数据会有很大的不同,同时,造成事故安全的因素很多。由于各种偶然误差,同一传感器获取的数据也不尽相同,异类传感器的数据就更不相同啦。为了更好的对获取的数据进行处理,故采用数据融合的办法对数据进行处理,满足数据后期的安全评估[44]。数据融合的程序框图如图所示:

  图4-4数据融合图

  基础层融合:所谓的基础层融合,主要是针对同类传感器所获得的数据进行融合,它是对传感器所获得数据进行数据相关性最直接的融合。它的主要优点集中体现在:可以涵盖几乎所有检测数据,数据所体现的结构细节较多。但正是由于这种庞大的数据,它的缺点也很明显,就是对于海量数据的处理需要花费很长的时间,而且效率低下,同时需要很大的平台可以去运行这个数据融合的过程。以温度传感器为例,数据层容融合的流程图如图4-5。

  图4-5基础层融合流程图

  图4-6温度传感器

  特点层融合:该层数据的融合,首先根据获取的数据设置相应的特征,比如结构的位移,结构所受温度,结构内部所受应力等等,然后就是根据数据层所处理的数据,对这些数据进行特点分类存储,从而达到了特点融合的目的。特点层融合的优点是很明显的,它对数据进行很明显的分类管理,查询方便,便于后期对数据的处理。以倾斜度传感器为例,进行特征层融合流程说明,如图4-7.

  图4-7特征层数据融合图

  图4-8位移传感器

  决策分析层融合:决策层数据融合是在特征层融合的基础上,对每一个传感器所获得的数据进行决策分析,并得出相应的结果,并将决策之后的数据传输到决策层进行融合,这样就能直接去反映处每一个传感器所对应的数据需要作出的决策,并对这些决策之间寻找关系,找出最优方案。决策层融合过程中,难免会有很多的数据流失,但数据的可靠性还是很高的。而且,决策层主要是对特点层获取的数据进行决策处理,所以运行平台要求不高,节约了成本。

  图4-9决策分析层数据融合图

  4.3.5数据后处理

  这一部分就是独立于数据处理平台的模块,主要是对处理出来的数据进行优化处理。比如:可以进行数据之间相关性分析以及非线性回归分析等等。通过这一模块可以更好的反映出数据的结果。

  4.4预警平台的建立

  4.4.1建筑结构安全预警平台流程分析

  对于建筑结构安全预警这一块,只需要跟随系统提示,如果数据是正常的,则进行继续监控。如果数据出现异常,则产生预警信号,系统对警报级别进行识别,并按照相应的报警方式将信息进行传递。其相应的流程图如下:

  图4-10预警系统流程图

  建筑结构安全预警模型中,主要包括短信预警、邮件预警、警报预警三种实现方式。主要是结合系统对结构安全风险等级的评定,选择相应的预警方式,可以达到不同的预警方式对应不同的风险等级。

  另一个很关键的方面,就是建筑结构发生异常之后,对数据的反馈处理。这一部分主要是由专门的维护工程师去操作。维护工程师在收到预警信息之后,查看数据报告,找出问题所在,并采取相应的措施,并且要将其反馈给系统,最后,还要对这个数据进行重点关注。

  4.4.2预警系统的实现举例

  为了更好的描述预警系统的实现,本节将通过对应力的监控进行详细的说明。对于结构的应力,主要是通过应力传感器进行实现。应力传感器主要监测内容包括:应变、应力和内力的幅值;应变、应力和内力的波动范围;结构构件局部截面的应变、应力和内力设计值的设计验证[48]。

  通过这些数据的获取,监测系统会绘制应力、应变和内力的柱状图,应变、应力等与温度、风和其他荷载等的相关图。并在这些数据的基础上绘制趋势图,并以图表的形式表现出来,进行风险的预测,其中趋势预测可以利用回归分析方法。如果可能会出现风险,便对其进行初级预警。

  图4-11应力预警系统流程图

  对于邮件预警、短信预警,警报则需要相应的编码去实现,这里不进行详述。但需要说明的是,预警信息不仅发给相应的用户,同时也要给维修工程师一份预警信息,以达到提前维护的效果,避免建筑结构风险的发生。