金智獻，王正肖,彭 濤

(1.浙江大學(xué) 機械工程學(xué)院，杭州 310027; 2.上海市經(jīng)濟和信息化委員會，上海 200125)

0 引言

21世紀以來，建筑安全事故給人民生命安全和經(jīng)濟社會發(fā)展帶來重大影響。加強建筑關(guān)鍵部位的安全監(jiān)測，從社會效應(yīng)和經(jīng)濟效應(yīng)等方面都具有重要意義[1]。建筑安全監(jiān)測已經(jīng)成為安全生產(chǎn)、生活的保護傘。建筑安全監(jiān)測主要通過分析建筑的指標測量數(shù)據(jù)，定期分析建筑安全狀態(tài)[2-3]。但采用人工定期測量的傳統(tǒng)做法，具有較多局限性。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，建筑安全監(jiān)測平臺逐步向信息化和智能化方向發(fā)展[4]。據(jù)有關(guān)方面預(yù)測，整個建筑安全監(jiān)測市場可達千億級規(guī)模。隨著市場規(guī)模不斷擴大，滿足面向用戶可配置、面向建筑可擴展需求的安全監(jiān)測平臺成為發(fā)展重點方向。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑安全監(jiān)測平臺

1.1 建筑安全監(jiān)測平臺的典型框架和應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑安全監(jiān)測平臺，主要是搭建終端物聯(lián)傳感器集群，實時采集建筑監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過5G等無線通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。平臺按照設(shè)定的數(shù)據(jù)處理模型，對建筑安全狀態(tài)進行評估，并對評估結(jié)果進行響應(yīng)。響應(yīng)主要包括三類：1)安全可控，系統(tǒng)定期發(fā)送評估結(jié)果，并形成監(jiān)測日志；2)安全可控但有傾向性風(fēng)險發(fā)生可能，系統(tǒng)發(fā)布維護提示，建議進行系統(tǒng)性檢修，做好風(fēng)險防范；3)風(fēng)險極大增加，影響建筑內(nèi)的生命財產(chǎn)安全，立即預(yù)警并提示緊急轉(zhuǎn)移。圖1所示為典型的基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑安全監(jiān)測平臺架構(gòu)圖。

圖1 典型的基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑安全監(jiān)測平臺架構(gòu)圖

文獻[5]開發(fā)設(shè)計了一套專門針對橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，形成了監(jiān)測橋梁安全的硬件組合思路。文獻[6]開發(fā)了面向鋼構(gòu)建筑的安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對鋼構(gòu)建筑的多種安全數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動采集、處理和預(yù)警等，為建筑安全可控提供了解決方案。

同時，專家分別針對不同應(yīng)用行業(yè)研究了定制化方案。文獻[7]設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的樓宇健康監(jiān)測系統(tǒng)，為樓宇的全生命周期預(yù)警維護提供了依據(jù)。文獻[8]結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計出一套具備實時采集樓宇現(xiàn)場數(shù)據(jù)能力的無線監(jiān)控系統(tǒng)。文獻[9]提出以人為中心的參與式智能感知計算，通過利用移動智能設(shè)備中的傳感器、個人設(shè)備等進行自主式采集、傳輸和分析，為解決傳感網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署成本高的問題提供了新方法。文獻[10]針對水質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域，進行基于SOA架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計。文獻[11]針對橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域，進行了系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。文獻[12]基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的建筑安全反饋平臺，建立了以數(shù)據(jù)采集、儲存、處理和反饋四模塊化的建筑安全監(jiān)測平臺。文獻[13]研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)和傳感基礎(chǔ)設(shè)施的智慧健康系統(tǒng)，為建筑安全從云端到邊緣的系統(tǒng)框架設(shè)計提供了有益借鑒。

整體來看，許多專家圍繞特定場景，設(shè)計開發(fā)了定制化的安全監(jiān)測平臺。分別開展了關(guān)鍵技術(shù)的研究，如傳感物聯(lián)技術(shù)、數(shù)據(jù)實時傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)、智能監(jiān)測技術(shù)等，搭建了行業(yè)共性技術(shù)研發(fā)測試平臺，還逐步從預(yù)警監(jiān)測拓展到樓宇全面健康綜合評估[14]。但主要共同點是都只針對某一特定建筑的安全監(jiān)測研究。

1.2 現(xiàn)有框架和應(yīng)用的局限性

目前已經(jīng)開展了大量的建筑安全系統(tǒng)研究和實踐，為行業(yè)發(fā)展積累了經(jīng)驗。但從現(xiàn)有系統(tǒng)研究和框架設(shè)計來看，對重點建筑的監(jiān)測是孤立、封閉和離散的，不具有通用性、柔性和可配置性[15]。通常情況下，一個機構(gòu)或建筑就獨立擁有一個監(jiān)測平臺，形成了“信息孤島”和“數(shù)據(jù)煙囪”，不利于信息融合和系統(tǒng)擴展[16]。比如，上海作為一座超大型城市，擁有8 000多座大樓的安全數(shù)據(jù)需要監(jiān)測評估，上海市提出實現(xiàn)“一網(wǎng)統(tǒng)管”，旨在減少管理資源配置浪費，推動社會高效能、精細化治理。同時，從實踐情況來看，現(xiàn)有系統(tǒng)沒有配置界面，需要專業(yè)人員在后臺手動配置，提高了系統(tǒng)操作門檻，不利于系統(tǒng)推廣應(yīng)用。

因此，有必要設(shè)計一種面向用戶具有可配置性的安全監(jiān)測管理平臺。平臺主要滿足通用性和可配置要求，實現(xiàn)對不同建筑、傳感器、客戶定制化需求的配置和管理。實際應(yīng)用場景如圖2所示。

圖2 多建筑體安全集成監(jiān)測的應(yīng)用場景

2 建筑安全監(jiān)測平臺架構(gòu)優(yōu)化和可配置技術(shù)研究

2.1 建筑安全監(jiān)測平臺總體架構(gòu)設(shè)計

可配置的建筑安全監(jiān)測平臺總體架構(gòu)如圖3所示，劃分為5個部分：傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)緩存中心、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)中心和平臺管理層。平臺對外與管理系統(tǒng)進行交互，將處理后的評估結(jié)果通過可視化的形式交付給用戶。

圖3 建筑安全監(jiān)測平臺的總體架構(gòu)

1)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：該模塊負責(zé)采集建筑現(xiàn)場數(shù)據(jù)，是平臺物理支撐。根據(jù)監(jiān)測指標需要，配置不同類型的傳感器。借鑒基于Bezier曲線的多路徑路由算法，實現(xiàn)低能耗綠色計算，提高了網(wǎng)絡(luò)壽命和質(zhì)量[17]。

2)數(shù)據(jù)緩存中心：傳感器將實時監(jiān)測的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過ZigBee技術(shù)傳送到緩存中心[18]。從數(shù)據(jù)安全性、管理便捷性等方面考慮，設(shè)置了多個分布式的數(shù)據(jù)緩存中心，負責(zé)數(shù)據(jù)的分類接收和預(yù)處理工作。

3)數(shù)據(jù)處理模塊：按照傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)定的編碼格式，對數(shù)據(jù)緩存中心的原始數(shù)據(jù)進行解析，并存儲到平臺數(shù)據(jù)庫。

4)數(shù)據(jù)中心：主要存儲了三大類數(shù)據(jù)，分別是：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如監(jiān)測指標、換算工具箱、映射關(guān)系等；監(jiān)測項目數(shù)據(jù)，如建筑基本信息、管理人員等；監(jiān)測數(shù)據(jù)，是指實時接收并預(yù)處理后的傳感器數(shù)據(jù)。

5)平臺管理層：包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、硬件接入和數(shù)據(jù)處理等模塊，支持平臺管理人員對不同監(jiān)測建筑、傳感器、管理員、響應(yīng)機制的實時配置和調(diào)整。

2.2 可配置技術(shù)研究

建筑安全監(jiān)測平臺的核心功能是可配置技術(shù)，通過可配置技術(shù)實現(xiàn)對多建筑、多類型傳感器和多用戶定制化管理需求的管理。

2.2.1 支持多建筑的配置

將被監(jiān)測的建筑安全信息按照監(jiān)測指標分類，可以分為必須配置的基礎(chǔ)信息、監(jiān)測指標要求的基礎(chǔ)信息和可選配置的基礎(chǔ)信息。

1)必須配置的基礎(chǔ)信息：用于標記被監(jiān)測建筑的唯一性，以及鏈接不同建筑實體在系統(tǒng)中的關(guān)系。

2)指標要求的基礎(chǔ)信息：為監(jiān)測某項指標，指標數(shù)據(jù)處理模型中往往需要建筑的特定信息。如監(jiān)測建筑的應(yīng)力值和傾斜度時，需要建筑高度及截面積等基礎(chǔ)信息。

3)可選配置的基礎(chǔ)信息：從需求出發(fā)，配置管理者關(guān)注的建筑基礎(chǔ)信息。如建筑施工方、運維單位等。

平臺根據(jù)預(yù)選的監(jiān)測指標，配置指標的監(jiān)測方法，并組合出基礎(chǔ)信息配置界面。定制化配置的流程圖如圖4所示。

圖4 信息配置界面定制化流程圖

為實現(xiàn)建筑基礎(chǔ)信息的可擴展配置，本研究采用的是XML數(shù)據(jù)擴展模型[19]。該模型可在不改變數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的情況下實現(xiàn)對字段的擴充，模型擴展數(shù)據(jù)靈活，并基本適用于各類主流數(shù)據(jù)庫。通過擴展模型，建筑屬性被記錄在XML中，實現(xiàn)同步添加或修改數(shù)據(jù)字段的功能，保證了系統(tǒng)柔性、可配置性和可擴展性要求。

2.2.2 支持多類型傳感器的配置

為實現(xiàn)支持不同類型傳感器的配置需求，平臺重點設(shè)計了基礎(chǔ)配置模塊和通訊配置模塊。原理圖如圖5所示。

圖5 多類型傳感器配置原理圖

基礎(chǔ)配置模塊負責(zé)配置和維護傳感器編號、類型、型號等基礎(chǔ)信息。

通訊配置模塊負責(zé)傳感器在數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的通訊配置。包括設(shè)備、控制器以及控制命令文件、解析文件和檢查文件等配置項[20]。

在實際應(yīng)用中，客戶還會有對傳感器功能配置變更的需求。主要是傳感器在變更監(jiān)測對象時，需要保存已有數(shù)據(jù)的同時，與原監(jiān)測建筑分離，并與新監(jiān)測建筑綁定。本文主要通過獨立配置傳感器的物理編號和功能編號來實現(xiàn)。實現(xiàn)原理圖如圖6所示。

圖6 傳感器變更配置原理圖

傳感器變更配置功能通過設(shè)置功能編號，與傳感器的物理編號建立“多對一”關(guān)系，有效解決歷史數(shù)據(jù)保留、建立數(shù)據(jù)和監(jiān)測對象的對應(yīng)關(guān)系。

2.2.3 支持用戶定制化需求的配置

用戶的定制化配置需求分為三類：監(jiān)測配置、預(yù)警配置和權(quán)限配置。

監(jiān)測配置是指根據(jù)用戶需求，對監(jiān)測指標、傳感器、監(jiān)測方法等的靜態(tài)配置。

預(yù)警配置是指明確故障預(yù)警聯(lián)絡(luò)人、預(yù)警方式等，對傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生的故障進行應(yīng)急響應(yīng)。

權(quán)限配置是指對管理員的管理范圍、查看、配置、修改等權(quán)限進行管理。

平臺將需求提取、歸納成配置特征，設(shè)計了多用戶定制化需求配置模塊，映射到底層的數(shù)據(jù)關(guān)系和配置文件。實現(xiàn)原理圖如圖7所示。

圖7 多用戶定制化需求的配置實現(xiàn)原理圖

3 建筑安全監(jiān)測平臺的實現(xiàn)

本節(jié)重點介紹建筑安全監(jiān)測平臺的三大核心功能——數(shù)據(jù)采集傳輸、通訊交互設(shè)計、可配置功能的實現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)采集傳輸功能的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集傳輸通過以下流程實現(xiàn)：

1)啟動實時監(jiān)聽。數(shù)據(jù)緩存中心調(diào)用socket()建立一個套接字，調(diào)用listen()使數(shù)據(jù)緩存中心保持監(jiān)聽狀態(tài)。

2)建立傳輸聯(lián)系。傳感器適時調(diào)用connect()和數(shù)據(jù)緩存中心建立聯(lián)系。數(shù)據(jù)緩存中心調(diào)用accept()來接收響應(yīng)。

3)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。傳感器和數(shù)據(jù)緩存中心建立聯(lián)系后，傳感器可以訪問數(shù)據(jù)緩存中心提供的接口，并調(diào)用send()和recv()來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

4)完成數(shù)據(jù)傳輸。調(diào)用closesocket()關(guān)閉套接口[21]。實現(xiàn)流程圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集傳輸實現(xiàn)流程圖

3.2 平臺通訊交互功能的實現(xiàn)

平臺通訊交互負責(zé)將數(shù)據(jù)緩存中心的原始數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后，傳輸存儲至數(shù)據(jù)中心。通過以下流程實現(xiàn)：

1)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。數(shù)據(jù)緩存中心的原始數(shù)據(jù)通過元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為平臺可識別的元數(shù)據(jù)，加入到數(shù)據(jù)隊列中。隨著5G技術(shù)發(fā)展，信號頻率和數(shù)據(jù)速率都會提高。需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器擁有更高的性能[22]。

2)存儲到邏輯數(shù)據(jù)庫。平臺業(yè)務(wù)層的偵聽單元從數(shù)據(jù)隊列中讀取經(jīng)處理的元數(shù)據(jù)，存儲到邏輯數(shù)據(jù)庫。

3)創(chuàng)建回復(fù)信息。將回復(fù)信息轉(zhuǎn)換成元數(shù)據(jù)格式，加入數(shù)據(jù)發(fā)送隊列，發(fā)送到數(shù)據(jù)緩存中心。平臺通訊交互流程圖如圖9所示。

圖9 平臺通訊交互流程圖

3.3 面向用戶可配置功能的實現(xiàn)

平臺的可配置功能主要包括傳感器新增配置、變更管理、基礎(chǔ)信息定制化配置等內(nèi)容。本節(jié)重點介紹基礎(chǔ)信息定制化配置的實現(xiàn)方式，如圖10所示。

圖10 基礎(chǔ)信息的定制化配置實現(xiàn)流程圖

1)點擊“新建建筑”，調(diào)用方法getBuildingInitialView()；回傳新增建筑管理界面的封裝類。

2)填寫信息并保存后，前端對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行檢查，并封裝數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)檢查包括數(shù)據(jù)類型、格式、限制性條件等。

3)平臺業(yè)務(wù)層對前端發(fā)來的數(shù)據(jù)進行解析，并調(diào)用方法AddBuilding(Building building)，將數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫。

4)數(shù)據(jù)存儲成功后，跳轉(zhuǎn)到配置界面。填寫配置信息并保存后，前端對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行檢查。

5)業(yè)務(wù)層調(diào)用數(shù)據(jù)檢查方法BuildingBasicInfoChecker，檢查所需數(shù)據(jù)完整性。齊全后，調(diào)用SensorAlter方法，將數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫。

4 實驗結(jié)果與分析

平臺在某院兩棟實驗樓做了試驗性運行，重點測試了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸通訊效率、傳感器配置技術(shù)、預(yù)警響應(yīng)技術(shù)等，通過遠程監(jiān)測軟件將數(shù)據(jù)進行匯總分析，獲取建筑物傾斜、沉降、缺陷變化情況。一般情況下，數(shù)據(jù)采集每30分鐘采集1次。為檢驗數(shù)據(jù)預(yù)處理和傳輸效率，試驗時按照1秒/次采集設(shè)置。測試結(jié)果顯示，本平臺通過分布式數(shù)據(jù)緩存中心預(yù)處理，上傳至數(shù)據(jù)中心的速度明顯快于典型框架的直接上傳寫入數(shù)據(jù)中心速度。

試驗性運行模擬了傳感器故障、數(shù)據(jù)緩存中心故障等情形，平臺數(shù)據(jù)中心能保持接收其他分布式數(shù)據(jù)緩存中心的數(shù)據(jù)，不影響其他建筑的連續(xù)性監(jiān)測。同時，平臺能及時預(yù)警，反饋故障傳感器和故障數(shù)據(jù)緩存中心的具體信息。相比典型的監(jiān)測框架，具有較好的災(zāi)備能力和調(diào)節(jié)韌性。

在配置技術(shù)測試方面，試驗時增加了第3座實驗樓。通過本平臺，用戶可以配置新的監(jiān)測建筑、傳感器、指標等，并能成功從端點接收數(shù)據(jù)。相比典型的監(jiān)測框架，無法提供可視化配置界面，需要技術(shù)人員從后臺配置。本平臺在系統(tǒng)柔性配置、擴展性方面表現(xiàn)較好。

在預(yù)警響應(yīng)功能測試方面，通過對臺風(fēng)作用下實驗樓的風(fēng)速、變形以及振動特性監(jiān)測結(jié)果的分析，系統(tǒng)處于正常穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，實驗樓在臺風(fēng)作用下及作用后處于安全狀態(tài)。試驗還模擬了火災(zāi)等極端情景，本平臺能及時預(yù)警。同時，根據(jù)預(yù)警閾值設(shè)置不同，預(yù)警觸發(fā)機制也不同，相比典型監(jiān)測框架，為用戶提供了定制化的預(yù)警方案。

作為建筑安全監(jiān)測平臺的核心功能，實驗重點測試了建筑危險預(yù)警的判斷準確度和響應(yīng)速度。實驗過程中，為模擬實驗樓傾斜倒塌等災(zāi)難情況，采用仿真數(shù)據(jù)分時段存入平臺的方式，測試平臺對異常變化的響應(yīng)效果。共選取20 000組數(shù)據(jù)，其中10 000組是危險突變數(shù)據(jù)，10 000組是正常數(shù)據(jù)。模擬的正常數(shù)據(jù)誤判率為0.6‰，主要原因是靈敏度太高；模擬的危險突變數(shù)據(jù)誤判率為0。綜合準確率為99.97%，能滿足緊急情況下的安全預(yù)警。系統(tǒng)平均響應(yīng)速度2 530毫秒/次，具有較好的性能。如表1所示。

表1 性能測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文研究并實現(xiàn)了面向用戶可配置的建筑安全監(jiān)測平臺，解決了多建筑體、多類型傳感器的統(tǒng)一配置與聯(lián)合分析問題。平臺具有高可配置性、高可擴展性等特點，有效得提升了建筑安全檢測的效率。本文的主要貢獻有：1)研究了建筑監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和通訊交互技術(shù)。采用本地數(shù)據(jù)緩存中心接收來自建筑傳感器網(wǎng)絡(luò)的原始數(shù)據(jù)。在本地完成數(shù)據(jù)解析、檢查、重構(gòu)等任務(wù)后，將監(jiān)控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到中心化的數(shù)據(jù)中心。為此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)采集和交互的方案，提升數(shù)據(jù)采集的效率。2)研究了面向不同監(jiān)測設(shè)備的配置技術(shù)。以支持不同建筑、不同類型傳感器以及不同用戶需求為目標，重點設(shè)計并實現(xiàn)了設(shè)備配置模塊和通訊配置模塊，提高了平臺的可擴展水平。3)研究了面向終端用戶的配置技術(shù)，開發(fā)了配置頁面，降低了安全監(jiān)測平臺的配置門檻，提高了平臺的可推廣性。