結構安全領域的城市安全大腦頂層設計

姜海川 孫 巍 李云鶴 甘 雨 霍振興

(1.吉林省建苑設計集團有限公司，吉林 長春 130011；2.吉林大學中日聯誼醫院，吉林 長春 130000)

1 背景技術

隨著我國城市化發展的不斷深入，勘察設計領域單純采用傳統的結構定性化的包絡設計，經驗推斷的設計分析方式，已逐漸無法滿足我國外來城市化發展需要[4]。5G技術、人工智能、網絡云計算等新興技術的逐步完善，一個全新的城市安全設計頂層設計理念呼之欲出。以上幾個新興技術代表著數據的物—物、人—物信息互聯能力，數據的快速傳輸能力，物體自身的初步自我分析及判斷能力以及數據云端整體分析和計算能力[4，5]。這些技術的相互關聯將會促使我國的城市建筑安全評價及信息接收逐步由單一的模糊化、經驗化、人為被動反饋方式，向由單個構件不同位置的安全數據信息逐級簡單分析、數據匯總、信息整合、數據進一步分析、數據反饋至“城市大腦”中心并由城市大腦進行最頂層的信息處理并將相應信息數據分類推送至各個城市主管部門進行進一步的協調、確認、解決。

由于我國城市近些年的快速發展，結構自身的安全儲備不足、颶風、地震頻發、人為超載現象屢禁不止，造成了我國城市建筑的安全問題不斷、安全事故頻發，如房屋的突然倒塌、橋梁的驟然斷裂、造成了沉重的國家財產損失和個人人身傷亡[5，6]。2008年四川汶川地震、2009年上海“蓮花河畔景苑”13層樓體突然倒塌、2012年江西廣昌大橋坍塌、2018年廣東中山市地下室坍塌事故、2018年山東德州地下室坍塌事故、2020年福建福州橋梁倒塌事故、2020年福建泉州欣佳酒店坍塌事故、2020年浙江省龍港樓房突然坍塌等等。以上這些層出不窮的結構安全問題使得我國人民對結構安全性方面的憂慮越來越嚴重。因此我國建筑體系中急需建立集結構安全監測、評估、反饋于一體的城市結構安全監控平臺。通過對整個城市建筑體的安全監控將對提高城市建筑安全高效運轉、保障我國人民的生命及財產的安全性具有里程碑式的意義。

2 城市結構安全大腦的基本概念及未來發展必要性

城市結構安全大腦(Urban Security Brain)指的是利用城市中各個單體中的不同位置的數據信息傳感器實時采集的結構響應信息，利用5G、人工智能、網絡云計算等方式實時監控并分析出城市中各個區域結構單體的整體安全情況，是否發生了造成結構損傷或是安全儲備下降的變化。

為了解決土木領域長期存在的結構安全隱患及突發自然災害問題，城市安全大腦將會是未來城市土木建筑行業建設發展的一個必然方向。作為土木領域結構安全方面的設計工作者應致力于如何深入挖掘城市結構安全方面的內在規律，匯聚城市建筑各單體的數據信息，利用大數據的模擬、預測、分析復雜的城市建筑群的結構安全性問題。

3 城市結構安全大腦主要組成部分

城市結構安全大腦系統主要通過實時的數據信息采集、數據信息傳輸、損傷識別及安全評價等幾個主要方面組成[4-6]。

1)結構構件層面的自身安全數據信息采集，對于一個結構單體來說其一定是由很多不同的結構構件或是結構單元部分共同組成的，換句話說結構的破壞一定首選是從構成結構單體的某個部分或幾個部分發生損壞，并快速或緩慢的擴展至整個結構體系從而導致結構的最終損壞的。因此目前可以采用比較完善的監測傳感器和相應的數據采集通用平臺對整個城市中的主要被監測單體的各個重要被監測點進行結構安全數據采集。目前國內及國際上有著非常多的成熟數據傳感器，通過采集應被監測位置的電、聲、光、熱能信號來獲取監測位置的基本數據信息。目前常用的數據采集前端(構件層面)的采集平臺可利用Labview，VB，Delphi，VC等軟件平臺。數據傳感器主要有采集混凝土內部應力應變的壓電陶瓷傳感器，測量混凝土構件傾斜角度的傾角傳感器，測量結構構件位移的位移傳感器，測量結構構件外表面應變的應變傳感器，采集結構構件加速度變化的加速度傳感器，采集被測區域應力和溫度的光纖光柵傳感器，測量結構監測位置溫度的溫度傳感器，以及監測測量區域火災安全情況的煙霧傳感器等。

2)數據傳輸，由于判斷一個結構單體或是整個城市的部分區域的整體結構安全性，需要的是眾多的結構構件層面的數據進行整體計算并根據不同結構位置的結構自身響應特征來整體分析其結構損傷程度及相應的安全等級，因此需要利用有線與無線傳輸技術相結合，將所采集的數據進行匯集、整合、傳輸至相應的使用端。目前國內及國際上已經有非常多的成熟的數據傳輸技術應用于結構健康監測領域，但是目前仍有很多非常有效的技術沒有被應用。目前主流的通信技術有WiFi(Wireless-Fidelity)技術、LPWAN通信技術和ZigBee無線通信技術等。

3)損傷識別及安全評價，土木領域的工程結構在爆炸、洪水、疲勞、地震、臺風、超載、相鄰區域土質約束發生改變等情況，可能會造成建筑物的承載能力損壞或是正常使用破壞。由于結構在發生以上損壞過程中會產生相應的不同程度的位移、傾角、加速度、應變方面的響應，因此通過對結構重要位置做相應方面的響應監測，實時將監測數據與正常健康狀態的數據進行比對獲得一個初步的損傷程度及損傷定位。數據信息還需要代入至計算分析軟件中(通常采用MATLAB，ANSYS或ABAQUS)進行結構分析和軟件計算，并依據信息進行修正，同時將模型修正后的分析數據與原始健康狀態的數據信息進行比對，最終得到準確的測試單體安全評估信息詳細數據流程圖見圖1。

4)城市安全大腦系統，為了系統性了解和把控整個城市各個測試單體的結構安全性能，通過數據信息傳輸系統將各個安全子系統單元評估數據進行匯總與整合，并通過云數據分析與計算將處理結果分類推送至各個城市相應的主管部門進行下一步的協調、確認、解決。相關流程詳見圖2。

4 城市結構安全大腦系統需要重點注意的關鍵技術問題

城市結構安全大腦系統(Urban Structural Safety Brain System)由數據信息采集、數據前期采集、數據傳輸及數據后期處理幾部分組成的龐大的系統。如何科學高效的獲取不同結構體系在任何時刻的結構安全性信息是目前急需注意的關鍵性問題。城市結構安全大腦系統大規模應用主要有以下幾個關鍵性的技術性問題[6-8]：

1)數據信息的科學采集。對于不同的結構形式，影響結構安全性的前幾個自振周期由幾秒至幾毫秒。不同結構構件的采集點位置特點及采集信息的多樣性也決定了其數據信息的不同頻率。應該根據不同需要制定相應的采集頻率，如溫度信息的采集頻率可以保證在0.5 Hz水平；傾角傳感器的采集頻率可以采用1 Hz；應變傳感器每個測試點的采集頻率可以取到50 Hz～100 Hz之間；波動理論的應力傳感器可以采用單一頻率下的數據采集方法，每個發送波段至少需要有10個數據采集點，單次可以采集5個～10個完整波長即可；位移傳感器則需要根據整個結構的自振頻率特性，要保證其X及Y向平動振型參與質量系數在90%以上的自振周期內有15個數據采集點。

2)數據信息的前期處理。城市結構安全大腦系統目的是將整個城市中的所有特殊設防類(甲類)，重點設防類(乙類)及絕大多數標準設防類(丙類)建筑的結構安全性進行全生命周期的健康監測。因此為了盡量減少安全系統最終的數據信息量，需要根據不同的結構自身特點將絕大多數結構安全信息進行自身的數據前期處理，并最終轉化為簡單數據信息進行反饋。

3)數據信息的傳輸。由于采集信息點的多樣性，數據傳輸精度的不同要求，采集空間的多樣性特性，需要綜合運用無線與有線相結合的數據傳輸方式。

4)數據信息的處理。通過數據傳輸方式最終會將城市大腦監控下的每個結構單體的數據安全信息轉運至數據終端處理平臺。由于數據處理信息量龐大，需要借助云計算技術。在搭建整個數據平臺過程中，應根據每個監測單體的結構響應特征，結構安全性能要求，發生不同破壞過程會出現的數據破壞信號等信息輸入至相應的云計算平臺上。結構工程師還應該將結構的計算模型搭建于云平臺中，使其具有自動迭代功能。

5 結語

5G智能時代的到來一方面會對傳統產業帶來巨大的沖擊，另一方面也必然會伴隨著空前的機遇期。如何將城市結構單體與整個城市的建筑安全性相互關聯，如何通過新的技術手段將復雜的模擬數字信息轉化為通俗的結構安全性評估結論是今后一段時間擺在我們勘察設計領域每個人必須要面對的問題。將土木行業的資源重組、權利格局的轉變、智能主導權與人的自主決策權的相互影響則需要有關部門更大的決心進行解決。結構安全領域的城市安全大腦是未來我國城市建筑向智能、綠色、高效發展的必然之路。