裝配式混凝土房屋建筑全生命周期監控系統

付長浩

（北京禾目祥瑞注冊安全工程師事務所有限公司，北京 102600）

0 引言

區別于傳統的現澆混凝土建造模式，目前廣泛應用的裝配式混凝土建筑模式，需要通過預制工廠，生產房屋建筑施工所需的構件，再根據裝配式混凝土房屋建筑進度，將施工所需的構件運送到現場拼裝，模擬搭積木的方式建造房屋建筑，使建筑施工時間得到大幅度節省。但是，由于裝配式建筑實際施工過程中，需要多方面配合協作，目前國內對裝配式建筑認知不足，施工過程中極易出現構件碰撞、建造誤差等問題，為了保證裝配式混凝土房屋建筑順利施工，需要針對建筑全生命周期進行監控，匯總每個階段的監控信息，合理規劃項目的施工進度。

現有的全生命周期監控系統，大多采用有線通信方式，傳輸監控數據，極易受到外界因素干擾，造成數據傳輸時延較大。該文以解決這一問題為核心，提出以無線通信網絡為基礎的監控系統。從系統測試結果來看，文中所提出的監控系統，不但達到全生命周期監控結果展示的基礎目標，數據傳輸時延也大幅度降低，保證了監控系統的實時性。

1 裝配式混凝土房屋建筑全生命周期監控系統硬件設計

1.1 數據處理器設計

為了更好地處理全生命周期監控數據，文中以單片機為核心，設計包括電源管理、網絡接口、時鐘電路以及ROM、RAM輸入輸出模塊等多個組成部分的數據處理器。為了加強數據處理的靈活性和穩定性，選取51系列的單片機，針對全生命周期監控數據，直接進行邏輯運算，滿足數據處理高性能和低功耗要求。

1.2 核心控制器設計

由于建筑全生命周期監控，所涉及的監控數據來源于多方面，為了更好地控制數據傳輸，在系統硬件設計過程中，針對核心控制器進行研究，建立以 STM23F704ZGT5芯片為基礎的核心控制器，該芯片的主要技術參數見表1。

表1 微控制芯片的技術參數

數據處理器與核心控制器設計完成后，基本完成了建筑全生命周期監控系統硬件設計，在此基礎上進行后續軟件設計。

2 裝配式混凝土房屋建筑全生命周期監控系統軟件設計

2.1 全生命周期數據采集與傳輸

裝配式混凝土房屋建筑的監控，需要以真實的數據為支撐，深入分析建筑全生命周期組成結構，針對規劃階段、設計階段、施工階段、運營階段四個階段，分別設置PMU裝置，采集不同數據信息，并將采集的建筑全生命周期數據傳輸至移動基站。區別于有線數據傳輸方式，文中在數據采集和傳輸環節，運用GPRS無線模塊，連接監控終端和通信網絡，形成無線收發裝置，再連接核心控制器，實現終端監控數據的有序傳輸。全生命周期監控數據傳輸時，通過發送分組數據協議激活通信網絡，再利用網關 GPRS支持節點匹配外部網絡與系統IP，實現PMU裝置采集數據向移動基站發送。同時，移動基站所下發的控制指令，也需要通過上述無線模塊，傳輸至監控終端。這種無線數據傳輸方式，避免了外部干擾因素對數據傳輸時延的影響，確保采集數據的高效傳輸。

PMU裝置作為建筑全生命周期數據采集的主要設備，每個監控節點安裝一個PMU裝置，可以實現監控數據的全面采集。由于PMU的可觀測通道具有約束性，為了獲取完整的全生命周期數據，文中在數據采集階段對PMU配置策略進行優化，針對監控節點的PMU配置進行研究，根據該節點的關聯節點數量，定義合理的PMU配置方式，見式（1）。

其中：

式中：為全生命周期數據采集節點，為目標節點的關聯節點數量，為PMU配置內數據觀測通道數量，為PMU配置方式。

根據公式（1）得出的PMU配置方法進一步分析，引入PMU裝置通道數量約束條件，建立節點關聯矩陣，并獲取矩陣內存在的節點行數，重新定義PMU配置，獲取全生命周期數據采集結果。

2.2 建立異構系統數據集成方案

由于裝配式混凝土建筑的全生命周期監控，需要從多個異構系統內采集對應數據，使采集數據的架構不同，為了便于監控分析，文中依托于XML技術，建立異構系統數據集成方案，結合全生命周期數據的基本特征，構建以XML中間件為基礎的數據集成方法，其主要集成架構如圖1所示。

圖1 基于XML中間件的數據集成架構

根據圖1可知，XML數據集成架構，包括三層主要結構，分別是數據源、中介層和查詢處理層，首先將分布在不同異構系統內的全生命周期數據描述為XML文件，并生成對應的包裝器，匯總形成集中數據庫。以XML中間件為載體，將數據源所包括的信息轉移到中介層，進行數據緩存處理和觸發選擇，再發送至查詢處理層，作為后續全生命周期監控系統運行的基礎。

2.3 搭建實時監控框架模型

該文采用 RFID技術和4D模型，搭建一個實時監控框架模型。該文根據關鍵路徑法CPM規劃理念，結合3D建模技術和時間維度，提出房屋建筑4D模型。引入BIM理念，將裝配式混凝土房屋建筑所涉及的各個工序，濃縮到4D模型和項目管理目標內。

同時，運用RFID技術對集成處理后的監控數據進行存儲，并按照裝配式混凝土建筑全生命周期劃分規律，將集成數據分解為多個子單元，對每個單元設置RFID標簽。在房屋建筑項目4D模型中對應區域，布置RFID標簽，形成RFID與4D相結合的實時監控框架模型，如圖2所示。

運用圖2所示的RFID+4D實時監控框架模型，進行建筑項目全生命周期數據的動態管理。除此之外，文中采用集中管理理念，在建筑施工區域建立一個現場控制中心，針對控制中心內的計算機，導入上述監控框架模型，實現數據輸入、進度控制、數據查詢等多項功能，對建筑全生命周期進行監控。

圖2 RFID+4D實時監控框架模型

2.4 實現動態監控結果展示

為了使全生命周期監控結果更直觀，在系統軟件設計過程中，添加可視化展示模塊，顯示動態監控結果，從規劃、設計、施工以及運營階段等多個方面入手，形成對應的監控可視化界面。建筑全生命周期監控系統軟件的實現，主要通過B/S框架。采用MySQL工具建立數據庫，融入結構化查詢語言SQL，達到管理監控數據的目的。文中選用了包括Java工具的可擴展開發平臺，作為系統主要開發工具，利用Java語言分離系統的訪問層和邏輯層，并設計一個采集接口，輔助生命周期終端監控數據的交互驗證。最后，通過DHML工具開發客戶端界面，結合HTML、CSS等多種工具，實現建筑全生命周期監控結果的動態展示。

3 系統測試

3.1 項目概述

該測試選定的建筑項目案例介紹的是高預制率的裝配式混凝土建筑，采用很多先進的裝配式建造技術，符合文中設計系統的應用環境要求。該建筑工程包括地上和地下兩部分，地下部分建筑結構為現澆鋼筋混凝土，而地上部分結構體系為裝配式框架和剪力墻，該工程項目施工相關參數見表2。

表2 裝配式混凝土建筑項目相關參數

針對該建筑工程全生命周期階段深入分析，大致劃分為三個組成部分，分別是初期、實施期和運維期，每個周期內包括多項工作任務，具體建筑全生命周期分解結果如圖3所示。

根據圖3所示的裝配式混凝土房屋建筑項目全生命周期分解結果，結合文中提出的硬件設計和軟件設計內容，建立符合實際監控要求的系統。

圖3 建筑項目全生命周期分解圖

3.2 系統開發

基于上述全生命周期工作任務分解結果，針對每項工序設置對應的監控節點，結合RFID技術采集實時監控數據，并對原材料驗收、施工動態控制、建筑結構展示等環節，開發獨立的監控子模塊，將多個監控子系統連接起來，形成完整的建筑全生命周期監控系統，監控系統可視化界面如圖4所示。

圖4 監控系統可視化界面

從圖4所示的可視化可以看出，文中提出的系統具有多項監控功能，可以將裝配式混凝土建筑全生命周期監控數據，直觀展示出來，達到實時監控的效果。

3.3 系統性能分析

系統運行過程中，監控數據的傳輸是核心環節，一旦數據傳輸過程中出現嚴重時延，會直接影響可視化界面顯示的監控結果，從而影響用戶的使用體驗。因此，本次測試從系統數據傳輸時延方面入手，驗證文中提出監控系統的優越性。針對選定的建筑工程項目，分別將該文設計系統、基于貝葉斯網絡的監控系統、基于物聯網的監控系統投入使用，得到全生命周期監控結果。開展數次監控測試，得到三種監控系統的數據傳輸時延對比結果，生成圖5。

圖5 不同系統的數據傳輸時延對比結果

從圖5可以看出，文中提出監控系統的數據傳輸時延明顯更低，保持在0.3s以下，且綜合多次測試結果來看，數據傳輸時延變化幅度較小。而另外兩個全生命周期監控系統的數據傳輸時延，分別為0.95s和1.28s。綜上所述，文中提出的建筑全生命周期監控系統與常規系統相比，數據傳輸時延降低了73.68%、80.47%，確保全生命周期監控數據實時更新，給予用戶更好的應用體驗。

4 結語

在技術水平不斷發展的時代背景下，房屋建筑傳統建造方式無法滿足施工要求，需要進行轉型升級，裝配式混凝土房屋建筑應時而生。但是，由于該建造形式較為復雜，整個施工過程中總是存在因信息管理不及時造成的問題。對此，文中提出建筑全生命周期監控系統，運用了無線通信網絡實現數據的實時采集和傳輸，有效降低了監控系統的數據傳輸時延，確保監控數據得到實時更新，作為后續施工規劃的依據。