基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大型建筑安全遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

引言

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

大型建筑安全監(jiān)測技術(shù)涉及多個學(xué)科交叉領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信號分析技術(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)測技術(shù)正向?qū)崟r化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。目前，包含多項檢測內(nèi)容、能對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并集成了遠程通信與評判控制的安全監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)成為大型建筑的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(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)，它通過增加對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)中的物體可以通過嵌入其中的智能感應(yīng)裝置、射頻識別(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、人與物之間的自動化信息交換與處理的智能網(wǎng)絡(luò)，用戶可通過電腦、移動終端和手機等設(shè)備實現(xiàn)對物體的識別、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

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大型建筑安全遠程監(jiān)測，主要是利用物聯(lián)網(wǎng)的特點，通過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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸，利用相關(guān)方法和軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理，對大型建筑的安全狀況進行評估,并將評估結(jié)果通過多種終端設(shè)備發(fā)送給用戶，用戶對評價結(jié)果進行的反饋指令也能通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到傳感器，從而實現(xiàn)對大型建筑安全實現(xiàn)實時、在線監(jiān)控。圖1所示為典型的基于物聯(lián)網(wǎng)的安全遠程檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

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

2建筑安全監(jiān)測的內(nèi)容和方法

2.1建筑安全監(jiān)測內(nèi)容

建筑安全檢測分為外部觀測和內(nèi)部檢測兩種。外部觀測是對建筑物外表特征的觀測，以期檢查建筑物結(jié)構(gòu)變化情況。外部觀測主要內(nèi)容有沉降觀測、水平位移觀測、傾斜觀測、裂縫觀測和擾度觀測等。內(nèi)部檢測是對建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料的檢測，以期檢查建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。內(nèi)部檢測需要通過專門儀器設(shè)備對其進行測量，如激光、紅外、震動等。由于內(nèi)部檢測復(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，主要包括幾個方面：

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

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

傾斜位移觀測。傾斜位移是建筑物因為地基的不均勻沉降或其他原因造成的位移。建筑物傾斜位移分為兩類:一類表現(xiàn)為以不均勻的水平位移為主；另一類則表現(xiàn)為以不均勻的沉降為主。

裂縫觀測。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。建筑物垂直面上的各個不同高程點相對于底點不同的水平位移，稱為擾度，所進行的觀測稱為擾度觀測。

2.2建筑安全監(jiān)測的技術(shù)方法

圍繞建筑安全檢測的內(nèi)容，其方法主要有以下幾種：

平面測量方法。包括精密水準(zhǔn)測量、集合水準(zhǔn)測量、三角高程測量、方向和角度測量、距離測量等。精密水準(zhǔn)測量方法是最常用的、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方法。

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

攝影測量方法。包括近景攝影測量，它可以同時測量許多觀測點，可用作大面積的復(fù)測，尤其適用于動態(tài)式的變形觀測。

專門測量手段。這里主要是指各種準(zhǔn)直測量、傾斜儀監(jiān)測、應(yīng)變計測量以及各類專用傳感器技術(shù)。

3建筑安全監(jiān)測傳感器

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

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

位移傳感器。位移傳感器又稱為線性傳感器，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，它是檢測氣體、液體、固體等所有物質(zhì)間作用力能量的總稱，也包括測量高于大氣壓的壓力計以及測量低于大氣壓的真空計。應(yīng)力傳感器的種類甚多，傳統(tǒng)的測量方法是利用彈性元件的形變和位移來表示，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，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自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待定參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器，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；另一類是非功能型傳感器，利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號，因此，也稱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量物體的加速度,包括單方向加速度計和三向加速度計。

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

全站儀。全站儀，特別是帶有伺服系統(tǒng)的全站儀，能夠自動跟蹤測量監(jiān)測目標(biāo)的坐標(biāo)，并通過相關(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)星信號的情況下，實時提供監(jiān)測目標(biāo)的位置信息。在有差分信號的情況下，平面精度能達到1?2cm。

陀螺儀。陀螺儀能夠測量監(jiān)測目標(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，高精度的大地測量型陀螺儀精度在秒級以上。

傳感器集成技術(shù)。針對目標(biāo)的監(jiān)測往往需要多種類術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接。

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)需要綜合多方專業(yè)技術(shù)，這些專業(yè)技術(shù)包括集成系統(tǒng)的總體設(shè)計，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的技術(shù),圖像處理技術(shù)，軟件系統(tǒng)配置，計算機硬件的補充配置,以及必要的光學(xué)、機械部件的設(shè)計與制作。集成系統(tǒng)總體設(shè)計階段應(yīng)在準(zhǔn)確把握市場需要與性能預(yù)期指標(biāo)下進行，應(yīng)保證設(shè)計方案的先進、實用、可靠和較高的性價比。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)，包括它對作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性、作業(yè)頻率、分辨率、精度、價格以及聯(lián)機性能等。

4建筑安全檢測數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

4.1常用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

建筑安全檢測傳感器需要把檢測的數(shù)據(jù)通過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。

就目前看，數(shù)據(jù)傳輸分為有線傳輸和無線傳輸兩

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

4.2有線數(shù)據(jù)到無線數(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)需要進行無線傳輸時，需要相關(guān)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，下面是常見的幾種轉(zhuǎn)換形式：

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

RS232/485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GPRS數(shù)據(jù)進行發(fā)送。RS232/485/422轉(zhuǎn)換為GPRS，需要通過一種轉(zhuǎn)換器(又稱無線數(shù)傳終端、工業(yè)無線網(wǎng)卡、工業(yè)手機、GPRS調(diào)制解調(diào)器)來實現(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無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。

RS232/485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ZigBee數(shù)據(jù)進行發(fā)送。ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于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、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種介于無線標(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)器電腦進行處理。在建筑物數(shù)據(jù)測量后，需要根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)輸出接口、輸出信號類型,確定信息傳輸方式，有線無線均可。相對來說，無線方式比較方便，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

建筑安全信息處理系統(tǒng)功能與檢測對象、檢測數(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)管理維護子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理維護主要是對各類傳感器匯聚上來的數(shù)據(jù)進行 管理維護，方便用戶對數(shù)據(jù)的進一步使用。該子系統(tǒng)的主要 功能包括數(shù)據(jù)歸類、數(shù)據(jù)維護和數(shù)據(jù)備份。

數(shù)據(jù)歸類主要是對各類數(shù)據(jù)進行歸類處理，按照不同測量要求存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫表 ；數(shù)據(jù)維護就是根據(jù)用戶需要，由用戶對數(shù)據(jù)進行進一步編輯修改 ；數(shù)據(jù)備份是建立數(shù)據(jù)備份的機制和措施，定時備份數(shù)據(jù)，特別是收集到的原始數(shù)據(jù)，當(dāng)然，隨著使用時間的增長，也可考慮使用增量備份。

5.2 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計主要是為用戶提供建筑安全信息的查詢、報表生成、數(shù)據(jù)顯示等功能，滿足用戶日常管理需要。該子系統(tǒng)主要功能有數(shù)據(jù)的實時顯示、數(shù)據(jù)對比和數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計。

數(shù)據(jù)的實時顯示就是在各類終端上能夠以文字、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)對比則能夠根據(jù)檢測的歷史數(shù)據(jù)對建筑物安全情況進行分析對比，以較為直觀的形式反映給用戶 ；數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計功能可提供多種查詢方式，以對數(shù)據(jù)進行查詢檢索，形成各類統(tǒng)計分析報表。

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)建筑安全防護專家知識，構(gòu)建安全風(fēng)險預(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，需要及時發(fā)出相應(yīng)的報警信息，形成報警記錄。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。

輔助決策則是對收集到的大量數(shù)據(jù)進行分析處理，形成如維護保養(yǎng)預(yù)案等各種方案，為政府部門提供輔助決策支持。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，使民眾可以通過智能手機、智能終端等設(shè)備及時獲取有關(guān)建筑物信息，同時支持民眾對建筑物情況的匯報。

指揮控制的目的是讓管理部門能夠通過智能終端發(fā)送相關(guān)指令給傳感器，并對傳感器進行操作，使安全檢測達到新的水平。

6 結(jié) 語

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對大型建筑安全質(zhì)量進行監(jiān)控管理，是對傳統(tǒng)建筑安全監(jiān)控的拓展，其實時檢測、及時維護以及安全預(yù)防特點，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。

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