建筑結構強震動監控平臺設計及應用

劉影 王飛 閻婷 康現棟

引言

建筑結構地震反應觀測記錄是抗震設計、震害評估、健康診斷、震后加固與重建、地震報警、烈度速報等多項相關研究的基礎資料。

隨著網絡技術飛速發展，建筑結構地震反應觀測臺陣朝著智能化、多功能化、精細化方向發展。例如，迪拜世貿中心結構整體安全監測系統和快速評估系統可通過臺陣的實時監控獲取建筑物在遭遇破壞性地震后的實際損失情況、健康狀況，并提供可視化報道，用于地震損失評估和應急響應規劃。日本歐姆龍股份有限公司布設的結構臺陣可實時監測建筑物剛度變化，地震時可通過ITK專用軟件分析監測數據，通過郵件或網站發送分析結果及應急方案等資料，用戶可據此采取避難或補救措施。目前，我國現有建筑結構觀測系統僅用于強震觀測，需研究并建立結構健康監測與地震報警相結合的多功能結構臺陣觀測系統，以滿足地震損失評估和應急響應規劃的需要。

目前國內對大型橋梁健康狀態在線監測研究較多。廣東省地震局建成的大型橋梁地震安全性在線監測與評估系統“實現了橋梁強震監測數據實時采集、傳輸、分析、診斷、仿真和評估一體化”。西安建筑科技大學根據土建工程的實際需求,構建了一套結構實時監測系統，實現了結構遠程監測、數據實時處理和結構統一管理，在某跨河大橋施工監測中取得良好效果。國內建筑結構的實時監測應用很少，主要是對一些特殊建筑進行結構健康監測。浙江大學研究、開發的建筑安全監測平臺“可以實現基礎數據管理、監測的配置管理、基礎數據管理和預警管理”。常見的國內建筑結構安全監測平臺主要是用北斗、靜力水準儀、傾角儀等進行形變監測，沒有整合建筑結構地震反應觀測需要的加速度傳感器監測數據，滿足不了地震損失評估和應急響應規劃的需要。

為了建立結構健康監測與地震報警相結合的多功能觀測臺陣系統，基于北京市防震減災中心結構強震動觀測臺陣，增加了輔助觀測手段，采用成熟穩定的開源軟件、利用北斗授時與定位、大數據存儲與管理等技術將數據整合入庫，搭建了北京市建筑結構強震動監控平臺。該平臺以加速度傳感器監測為主，輔以北斗、靜力水準儀、傾角儀和視頻等變形監測手段，實現了實時監測、報警、處置、分析、模擬演示等功能。

監控平臺系統總體技術框架

（一）系統概述

系統設計運用信息系統工程的思想方法，遵循先進性、實用性、規范性、安全性、可維護性、可擴展性的設計原則。

優先采用國家或行業已有標準、成熟技術和成熟穩定的開源軟件構建平臺基礎，并充分考慮城市安全監測的長遠發展目標，采用先進的設計思想和開發手段，全面支持各種應用功能的擴展。從標準和技術上保障系統的可擴充性、易維護性、開放性和統一性，為今后整個軟件系統功能的完善、更新提供條件。

系統支持多用戶在線、多事務并發等規?；瘧媚Ｊ剑С侄嘤脩?多系統調用。系統的運行采用B/S（瀏覽器/服務器模式）結構，用戶只要使用IE瀏覽器便可登錄使用本系統，對于部分復雜的圖形處理功能則采用B/S加載插件模式運行，減少了客戶端系統的維護工作。

（二）監控平臺系統架構

1.監控平臺的系統框架

北京市建筑結構強震動監控平臺由前端系統、數據采集處理系統、綜合展示系統、數據庫支撐系統組成。其硬件系統按照數據處理層級，可分為前端測點層、后端處理層、終端應用層三層架構，邏輯示意圖如圖1所示。

圖1 監控平臺硬件系統框架

監控平臺的功能模塊層級架構如圖2所示。終端系統包含傳感器等前端測點層，后端處理層包含數據采集傳輸系統及數據庫管理系統，終端應用層則包含綜合展示系統、數據庫管理系統相關的用戶接口部分。

圖2 監控平臺功能模塊層級架構

監控平臺有實時數據監測、數據查詢、數據分析、事件報警、報警處置、事件演示、日常報表等功能，平臺的功能實現框架邏輯關系如圖3所示。

圖3 監控平臺功能邏輯框架

2.監控平臺功能的實現

采用以Java為主的成熟穩定的開源軟件構建開發框架，用于數據采集與接收、數據存儲、服務技術架構及數據展示。用穩定且免費虛擬機軟件Centos（版本為Centos6）在Linux系統上搭建平臺，利用北斗授時與定位、大數據存儲與管理等技術將數據整合入庫。

監控平臺支持Windows系統，平臺界面基于B/S結構，通過網頁地址登錄。首頁顯示地圖信息、臺陣信息、臺陣狀態、報警統計、報警詳情，菜單欄有臺陣列表、事件演示、報警處置，如圖4所示。點擊臺陣列表和地圖上臺陣位置均可進入相應結構臺陣的實時監控頁面。

圖4 監控平臺首頁

監控平臺的應用

平臺采用多手段動態監測結構形變，用北斗實測高精度水平位移、垂直位移校準加速度計算位移，利用位移、傾斜、沉降多個檢測變量分析結構形變；當接收到的數據參數超過設定觸發閾值，即發出分級報警處置信息，同時顯示建筑結構變形狀態；通過讀取模擬或者真實數據，經過數據校正、濾波、譜分析后得到結構的自振頻率和阻尼比等自振特性；通過讀取模擬或者真實數據，也可模擬演示建筑的結構變形狀態。

（一）實時監控

通過實時監測可獲得結構和設備的實時狀態。監控平臺首頁實時顯示臺陣狀態、報警信息，臺陣界面顯示監測設備種類、數量、設備在建筑物上的安裝位置及實時數據。北京市防震減災大樓結構臺陣監控界面如圖5所示，選擇加速度計，即顯示加速度傳感器的安裝位置和加速度實時數據。其他輔助監測手段的監測數據如圖6所示，北斗監測終端可顯示樓頂監測點監測到的水平位移和垂直沉降量，傾斜傳感器終端可顯示第1至第7層各監測點東西和南北方向的傾斜量，水準儀終端可顯示地下二層4個監測點的沉降量，視頻攝像機可記錄結構的外觀變化。

圖5 監控界面

圖6 輔助設備監測數據

（二）數據綜合分析

加速度實時記錄可用于結構的動力特性分析，震后可用于結構變形分析；北斗傳感器各監測點的水平位移可用于地震加速度的位移校準；利用北斗和傾斜傳感器監測數據可計算結構的層間位移角并判斷結構的安全狀態，也可用于結構主體的傾斜、變形分析；靜力水準儀監測數據用于結構基礎的沉降、變形分析；各監測設備的累計數據可進行沉降變形的趨勢分析。

（三）報警處置

當記錄參數達到觸發閾值時平臺報警，通過設置不同級別的觸發閾值可實現分級報警功能，報警的同時將地震信息推給維護、管理人員。根據結構安全狀態，將警報等級設為三級，一級“地震觸發，結構安全，無須疏散”，二級“地震觸發，結構破壞，有序疏散”，三級“地震觸發，結構危險，緊急疏散”。報警處置界面如圖7所示，通過該界面可查看報警信息，進行報警處置并生成報告。

圖7 報警處置界面

（四）模擬展示

進入事件演示界面可從數據庫或電腦終端讀取加速度數據、臺陣實時數據、傾角模型數據進行模擬演示。北京市防震減災中心臺陣在強震動作用下結構振動的動態演示界面如圖8所示。

圖8 結構振動的動態演示界面

結語與展望

平臺使用人員可登錄平臺檢查儀器的工作狀態，查看建筑健康狀況；也可登錄平臺讀取、處理實時記錄的加速度數據、分析結構的自振振型，并根據加速度、位移、傾角等的日常監測數據開展結構的健康診斷。一旦有地震、爆炸、碰撞等事件發生，監測設備即時觸發，記錄結構的強震動響應、結構的振動形態、微觀和宏觀變形，直觀顯示結構的破壞情況；同時發出分級報警信息，可實現被監測結構震后準確評估和合理的應急疏散方案制訂。

本平臺開發技術和實現功能為建筑結構健康監測提供了一種參考模式，平臺監控系統開放性強、可擴充、易維護，便于推廣應用，有助于推動我國建筑結構強震動觀測臺陣的多功能化、智能化發展。

目前，報警信息只能在線推送給相關責任人，不同指標綜合判斷還需要人工操作，平臺加速度數據自動處理還僅限于時間域。為解決以上問題，科技人員正在開發頻率域的實時波形展示功能，通過監視結構的自振頻率變化實現建筑物剛度變化的實時監測；后續將拓展基于不同指標的自動綜合判斷功能，進一步擴展建筑結構安全狀態的在線推送功能，并根據用戶需求開展定制服務研發。

隨著監控平臺的完善和數據綜合分析、應用技術的提高，未來區域內如能建成結構類型和數量分布合理的結構臺陣，通過監控平臺實時獲取單體建筑物在破壞性地震發生后的實際損失情況、健康狀況，將能由點及面實現震后準確評估，滿足區域地震損失評估和應急響應規劃的需要。