物聯網技術下的建筑健康監測方法研究

【摘要】本文討論了如何將物聯網技術與高層樓宇相結合以便提前預測出結構的疲勞效應、材料老化等對人類產生巨大影響威脅人類生命安全的災難。

【關鍵詞】物聯網技術；高層建筑；結構健康監測；傳感器；優化布置

近年來建筑物不斷被破壞，除了火災、地震，人類的粗制濫造等結構性健康問題也是其元兇之一，如2008年汶川地震、2010年玉樹地震、中央電視臺電視文化中心發生火災、上海“樓倒倒”等事件都是我們所了解的。建筑物的健康問題給人類施加了巨大的精神壓力，甚至能影響到生命健康安全。樓房因為健康問題發生災難的事件屢見不鮮，給人們造成了巨大的恐慌，影響了人們的幸福生活。因此，為高層樓宇做一套健康監測系統勢在必行，以減少不必要災難的發生，減少國家的建筑損失，保障人民生命財產安全不再受到威脅。

1、高層建筑健康監測

眾所周知，物聯網技術是當今社會信息技術的重要組成部分。物聯網，顧名思義就是物物相連的網絡，是利用局部網絡或互聯網等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯在一起，形成人與物、物與物相聯，實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡，是互聯網的延伸。物聯網技術的載體是無線傳感設備、無線射頻電子標簽、處理器等，依據是一定的傳輸協議和云計算技術，傳輸方式分為有線形式和無線形式，最終的實現結果是根據現實生活中各種各樣的物品與互聯網相互連接，實現先進的智能化監測、識別、通信、定位、跟蹤、管理、監控等功能。物聯網技術應用到樓宇中是現在的熱門話題，這也是隨著社會發展的必然趨勢，因為人們對生活質量的要求不斷提高，對住房安全問題也越來越重視，健康安全的住所已是人們的必需，帶有物聯網結構安全監測系統的樓宇也就成為了人們生命財產安全的保障。物聯網結構安全監測系統在時間上不能再耽擱，應該盡早著手進行研究，以便及早對樓宇健康和一切安全隱患進行實時監測，真正做到讓建筑業“健康”成長。

結構健康監測系統是最近幾年研究出來的一種新無損檢測技術，它根據結構改變部位傳輸的數據對工程結構進行監測識別，包括材料特性的改變、結構體系臨界條件的變化以及結構的老化等，工程結構的改變會影響結構的可靠性。結構的健康監測是根據傳感器對結構信息實時收集來的數據判斷結構的健康狀況。對結構長期進行監測可判斷其是否能夠繼續完成它的“使命”。

結構監測系統檢測的項目主要包括應力性監測、傾斜度監測、溫濕度監測和煙霧濃度監測四個監測項目。

應力性監測主要針對的是主要受力較大的結構部位，應力是指由于受力而產生的形變，如果結構不足以支撐荷載而產生過大形變便是潛在的危險。因為近些年地震頻發以及“豆腐渣”工程逐漸增多，應力性監測便顯得尤其重要。建筑物的傾斜度通常是因為受到了較大的風荷載和地震荷載，但是也不排除盲目施工的樓宇等原因。傾斜度的監測主要是監測建筑的傾斜角，檢查監測結果是否在安全傾斜范圍的標準值內，得出的結果反映給健康評估系統，然后做出樓宇健康評定等級，工作人員根據所評定的等級來采取相應措施。近些年來火災頻發，對室內溫濕度的檢測必不可少。室內溫濕度監測可以準確的顯示出建筑物內的環境環境狀況，對預防火災的發生有重大作用，把監測樓建筑內溫濕度的結果與溫濕度標準值進行比對，然后評定結果傳給健康評估系統，做出評定。煙霧濃度監測與室內溫濕度檢測有相似地方，煙霧濃度監測主要是對發生火災后對室內煙霧和可燃性氣體進行實時監測，然后做出評定，以便疏散處于危險的人員。選擇合理的監測系統來有效的監測建筑當時的工作狀態，如果選擇不合理反而會造成資源的浪費。

2、傳感器系統及其優化布置

健康監測系統包括傳感器系統、數據采集系統、數據處理和分析系統、監控中心、數據管理系統和健康評估系統。

傳感器系統除與物聯網健康監測系統構架的第一層，是最基礎的設備，所以要合理的采用傳感器的種類和數量。

傳感器系統是相當于監測系統的經絡，由各種測試結構特征和周圍環境的傳感器組成的，可以監測到荷載（地震荷載，風荷載等）、結構的動力靜力特性、結構相應（位移等）和溫度等變化。傳感器系統將收集到的周圍環境的變化傳遞給數據采集系統，然后數據采集系統把這些變化以數據的形式傳遞給數據處理和分析系統，然后對數據進行分析，這些變化是否會對建筑物有所損害，最后把分析的結果傳遞給數據管理系統，得出的結果反映給健康評估系統。如果系統顯示建筑安全，監測系統直接進入下一次的監測，否則將會發出危險警報信號，提示人們危險的到來，如果發出的信號是有安全隱患，那么就需要工作人員定對隱患進行評定以此來消除隱患，結構檢測系統以此種方式來預防災難的發生。

傳感器從根本上講就是一種換能元件，它把監測到的信息轉換為信號傳遞給下一層，所以要正確合理傳感器，防止傳感器應用于不適應其本身功能的環境，浪費不必要的資源。傳感器有振弦傳感器和光纖光柵傳感器。

在結構健康觀測中只是傳感器的種類數量選對了并不能夠準確檢測出“病癥”，還需要選擇正確的位置來布置傳感器即傳感器的優化布置，傳感器布置到位才能有效地監測環境的改變，增強監測可靠性。對于高層建筑為了保證獲取足夠的數據，所以在實際監測中要布置多個測點。傳感器的優化布置原則主要包括識別誤差最小準則、基于能量的準則、可控度/可觀度準則、插值擬合準則、模型縮減準則等。

傳感器是活的結構變化信息的中介，因為傳感器選擇合理、布置合理能夠準確獲得結構變化的數據，這樣可以根據獲得的數據來判斷結構的安全性，這樣可以根據數據來判斷結構的安全性和面對災難采取正確的措施。

國內外建筑發展及健康狀況現狀

二十一世紀以來，無論是國內還是國外房地產業發展達到了空前的高度，所以監測建筑的“健康”有著重要的價值與意義，結構健康監測這項研究得到了技術人員的高度關注。許多業內外專家已經對建筑的健康狀況做過綜合評估，其中就包括建筑的應力性、傾斜度、

溫濕度、煙霧濃度等方面的健康狀況，他們研究的內容大部分來源于工程實踐，研究取得進展反過來應用于實踐，如此反復，才取得了相當好的效果。

幾年來，國外建筑呈現高速發展態勢，根據調查顯示單單是建筑面積就占了地球土地的一半，隨著國外各個國家經濟的發展，他們對住房住房條件不斷提高，建筑規模也不斷擴大，但是任何事物都是有它的兩面性的，這些國家建筑發展迅猛，與之一起來的是能源的不斷消耗，出現了能源危機，對環境造成的污染更是危害了人民的健康。值得思考的是，他們發展起來的建筑沒有先進的健康監測系統作保障根本無法確保建筑的健康。

本文在建筑業大力發展的背景下，提出了利用物聯網技術來監測樓宇“健康”問題，物聯網技術能夠能夠從含有干擾和噪聲的傳感器數據中準確提取樓宇的實時信息以來判斷建筑物是否存在安全隱患，以此最大化的保證人民的生命財產安全，相信隨著社會的發展這一技術早晚會完全應用到建筑物中，以來保證建筑物的“健康”。

參考文獻

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作者簡介：張勁松（1981.5），男 滿族 北京人 重慶大學 結構工程碩士，工程師，從事房屋安全鑒定、加固改造、建筑構筑物健康監測、橋梁檢測行業、單位：中國建筑科學研究院國家建筑工程質量監督檢驗中心。