基于大數(shù)據(jù)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

豆旺

四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程管理系 四川 德陽(yáng) 618000

引言

建筑物與人民生活和生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，一些建筑物，比如橋梁、高層建筑、居民房屋等，一旦發(fā)生安全事故，會(huì)造成不可估量的人身安全和財(cái)產(chǎn)損失，事故的原因，相當(dāng)大的部分是因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)受損、健康狀況不理想。建筑物的施工和使用時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自然因素或長(zhǎng)期應(yīng)力損傷，會(huì)給建筑結(jié)構(gòu)造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，需要建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)土木工程的結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、提前預(yù)警。

1 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

基于大數(shù)據(jù)的土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要遵循安全可靠性原則、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)性原則、長(zhǎng)期穩(wěn)定性原則、可擴(kuò)展性原則和用戶(hù)友好性原則，這些原則將有助于確保系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和易用性。

1.1 安全可靠性原則

安全可靠性是基于大數(shù)據(jù)的建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。系統(tǒng)涉及大量敏感數(shù)據(jù)和關(guān)鍵信息，如建筑結(jié)構(gòu)的物理量、環(huán)境參數(shù)、健康狀況等。因此，必須采用一系列技術(shù)手段來(lái)確保系統(tǒng)的信息安全性，比如數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證、訪(fǎng)問(wèn)控制等。此外，對(duì)于傳感器設(shè)備選型、布置和維護(hù)也需要考慮安全問(wèn)題，所以應(yīng)選擇具有穩(wěn)定性和可靠性的傳感器設(shè)備，并采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，以避免惡意攻擊和非法入侵。

1.2 準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)性原則

系統(tǒng)需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供高精度的預(yù)測(cè)和診斷能力，因此，必須對(duì)傳感器設(shè)備選型、布置、維護(hù)和校準(zhǔn)等問(wèn)題進(jìn)行仔細(xì)研究和優(yōu)化，以確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，此外，還需要考慮數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性問(wèn)題，所以應(yīng)使用高速傳輸線(xiàn)路和云計(jì)算技術(shù)，以加快數(shù)據(jù)處理和分析速度，并確保數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫(kù)中。

1.3 長(zhǎng)期穩(wěn)定性原則

由于建筑結(jié)構(gòu)通常具有較長(zhǎng)的使用壽命，因此，該系統(tǒng)需要考慮長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題，為此，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份、遷移和恢復(fù)等方面進(jìn)行規(guī)劃和優(yōu)化，確保系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，此外，對(duì)于硬件設(shè)備的維護(hù)和更新也需要考慮長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題，所以應(yīng)選擇具有可靠性和耐用性的傳感器設(shè)備，并定期進(jìn)行維護(hù)和更換。

1.4 可擴(kuò)展性原則

隨著新的技術(shù)和設(shè)備的引入，該系統(tǒng)需要具備良好的可擴(kuò)展性，以適應(yīng)未來(lái)變化和需求的增加，因此，應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)、開(kāi)放式接口、云計(jì)算等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)，此外，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理也需要考慮可擴(kuò)展性問(wèn)題，所以應(yīng)采用分布式架構(gòu)和云計(jì)算技術(shù)，以適應(yīng)未來(lái)數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)和數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)展。

2 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能和目標(biāo)

基于大數(shù)據(jù)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種綜合性的軟硬件系統(tǒng)，其主要功能目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，異常預(yù)警和診斷，提供可視化監(jiān)測(cè)界面，同時(shí)還需要具備用戶(hù)管理功能和報(bào)表統(tǒng)計(jì)和分析功能，實(shí)現(xiàn)并提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

該系統(tǒng)主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)配備高精度的傳感器設(shè)備，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的物理量、環(huán)境參數(shù)、健康狀況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，采用云計(jì)算等技術(shù)手段，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫(kù)中，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和管理。

2.2 進(jìn)行異常預(yù)警和診斷

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要目標(biāo)是進(jìn)行異常預(yù)警和診斷。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以發(fā)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)的異常變化，如變形、裂縫等，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和診斷，提供相應(yīng)的解決方案和建議。

2.3 可視化監(jiān)測(cè)界面

為了方便用戶(hù)使用和操作，該系統(tǒng)還需要提供可視化監(jiān)測(cè)界面。通過(guò)圖形化界面和交互式設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以直觀(guān)地了解建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、趨勢(shì)和分析結(jié)果，更好地進(jìn)行決策和管理。為了方便用戶(hù)了解建筑結(jié)構(gòu)的狀況，系統(tǒng)需要具備報(bào)表統(tǒng)計(jì)和分析功能，生成各種報(bào)表和圖表，以展現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的結(jié)果和趨勢(shì)。

2.4 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理

基于大數(shù)據(jù)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。通過(guò)采用云計(jì)算等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和管理，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)和遷移服務(wù)，以確保數(shù)據(jù)的安全可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2.5 用戶(hù)管理

系統(tǒng)還需要具備用戶(hù)管理功能，包括用戶(hù)注冊(cè)、登錄、權(quán)限控制、數(shù)據(jù)查詢(xún)與下載等。這些功能可以提高系統(tǒng)的安全性和可用性，同時(shí)也方便用戶(hù)使用和操作。

3 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用傳感器、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期、全面、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析，提供精準(zhǔn)預(yù)警和診斷的先進(jìn)系統(tǒng)。其總體設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘、預(yù)警與診斷和用戶(hù)界面與交互等部分，旨在提供精準(zhǔn)、全面、高效的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和管理[1]。

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

在建筑結(jié)構(gòu)上安裝多種類(lèi)型的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如加速度計(jì)、位移傳感器、應(yīng)變計(jì)、沉降傳感器等，采集各種物理量和環(huán)境參數(shù)，并將其傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)，還要考慮傳感器的選型、布局、標(biāo)定和定位等問(wèn)題。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理

為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性，需要建立完善的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等，把采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、整理和存儲(chǔ)，以便后續(xù)的分析和處理。

3.3 數(shù)據(jù)分析與挖掘

使用各種大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，從中提取出有用的信息和特征。常見(jiàn)的技術(shù)包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘等，目前最流行的是采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)構(gòu)建結(jié)構(gòu)健康預(yù)測(cè)、損傷診斷和失效分析模型。

3.4 預(yù)警與診斷

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的健康狀況，根據(jù)預(yù)設(shè)的安全閾值進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警。同時(shí)，通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)的損傷和失效情況進(jìn)行準(zhǔn)確地診斷和預(yù)測(cè)，以提供及時(shí)的維護(hù)和修復(fù)建議。

3.5 用戶(hù)界面與交互

具有友好簡(jiǎn)潔的用戶(hù)界面和交互方式，便于用戶(hù)直觀(guān)地了解建筑結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。為此，可以借助可視化技術(shù)、圖形化界面和交互設(shè)計(jì)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)和操作[2-3]。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件構(gòu)成

4.1 傳感器

傳感器是土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的硬件之一，有位移傳感器、應(yīng)變傳感器、壓力傳感器、加速傳感器、張力傳感器、溫度和濕度傳感器等，需要具備高精度、高靈敏度、低功耗、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，以確保數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確地采集和傳輸，同時(shí)，還要具備防水、防塵、防爆、抗干擾等特性，以適應(yīng)不同的環(huán)境條件和使用場(chǎng)景[4]。這些傳感器負(fù)責(zé)采集建筑結(jié)構(gòu)的各種物理量，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集裝置。

4.2 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集裝置是連接傳感器和通信模塊的重要設(shè)備，用于收集傳感器采集到的數(shù)據(jù)并初步進(jìn)行處理，它需要具備高精度、高速度、低功耗、可靠性等特點(diǎn)，同時(shí)，數(shù)據(jù)采集裝置需要具備多個(gè)輸入通道以連接多個(gè)傳感器，并支持不同類(lèi)型的傳感器接口，例如模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、脈沖信號(hào)等。

4.3 通信模塊

通信模塊是將數(shù)據(jù)采集裝置采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器的重要設(shè)備。通信模塊可以使用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)（例如LTE、NBIoT、LoRaWAN、Wi-Fi等）或有線(xiàn)通信技術(shù)（例如以太網(wǎng)、RS-485、CAN總線(xiàn)等）[5]。通信模塊需要具備高速率、低功耗、可靠性等特點(diǎn)，以確保數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸和處理。

4.4 云端服務(wù)器

云端服務(wù)器是建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的硬件部分之一，它負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)、管理和處理傳感器采集的大量數(shù)據(jù)。云端服務(wù)器需要具備高容量、高可用性、高安全性、高性能等特點(diǎn)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的需求，同時(shí)，還要能支持多種操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)，提供可靠的備份和恢復(fù)機(jī)制。

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

①數(shù)據(jù)采集模塊。用于采集傳感器運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括振動(dòng)、位移、壓力、濕度等數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理模塊。通過(guò)云端技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并提供數(shù)據(jù)的備份、恢復(fù)和刪除等管理功能。③數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。針對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、濾波、校正等處理，使其更加準(zhǔn)確可靠。④數(shù)據(jù)分析模塊。采用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征參數(shù)，并提供健康評(píng)估和預(yù)警等相關(guān)服務(wù)。⑤數(shù)據(jù)可視化模塊。將數(shù)據(jù)分析結(jié)果以圖表等形式呈現(xiàn)，方便用戶(hù)查看土木結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況，并生成監(jiān)測(cè)報(bào)告。⑥用戶(hù)界面模塊。為用戶(hù)提供友好的操作界面，方便用戶(hù)查詢(xún)、管理、分析數(shù)據(jù)，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)告的生成和導(dǎo)出等相關(guān)操作。

除此之外，還可以加入數(shù)據(jù)安全保護(hù)模塊，以保障敏感數(shù)據(jù)的安全性，這些模塊可以協(xié)同工作，構(gòu)成一個(gè)完整的基于大數(shù)據(jù)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。

6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要的技術(shù)支持

儲(chǔ)存技術(shù)：包括分布式儲(chǔ)存系統(tǒng)（如Hadoop、Ceph）、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（如MySQL、Oracle）和NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)（如MongoDB、Cassandra）。這些技術(shù)可以提供高可靠性、高可擴(kuò)展性和分布式計(jì)算能力，滿(mǎn)足建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存需求。

計(jì)算技術(shù)：對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行計(jì)算和處理，需要使用諸如MapReduce、Spark等分布式計(jì)算框架，以及CUDA并行計(jì)算技術(shù)。這些技術(shù)可以提高計(jì)算效率，快速處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)。

分析技術(shù)：包括機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，用于從海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，如異常檢測(cè)、故障預(yù)測(cè)、質(zhì)量評(píng)估等。

預(yù)警技術(shù)：利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析結(jié)果，建立建筑結(jié)構(gòu)健康模型，通過(guò)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)通知，提示工程師和管理人員采取相應(yīng)的措施，避免事故的發(fā)生。

7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

基于大數(shù)據(jù)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全方位、多層次的安全監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警，有效地保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程如下圖1所示。

圖1 工作流程圖

首先，使用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)Hadoop系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分布式儲(chǔ)存系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。然后，提取有效特征、去除異常數(shù)據(jù)、調(diào)整數(shù)據(jù)格式等預(yù)處理步驟，為后續(xù)的計(jì)算和分析做好準(zhǔn)備。常用的預(yù)處理技術(shù)包括特征選擇、離群點(diǎn)檢測(cè)、數(shù)據(jù)清洗等。隨后，利用分布式計(jì)算框架對(duì)大規(guī)模的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行計(jì)算和處理，如基于時(shí)間序列分析的振動(dòng)頻譜分析、位移分析、應(yīng)變分析等。接著是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分析是基于機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢(shì)。比如通過(guò)聚類(lèi)分析找出相似的結(jié)構(gòu)物，通過(guò)異常檢測(cè)發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題，通過(guò)故障診斷確定具體的故障原因。常用的分析技術(shù)包括聚類(lèi)分析、分類(lèi)分析、回歸分析、異常檢測(cè)等。根據(jù)分析結(jié)果，建立建筑結(jié)構(gòu)健康模型，預(yù)測(cè)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警通知。常用的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)包括機(jī)器學(xué)習(xí)、時(shí)間序列分析、統(tǒng)計(jì)分析等。而后，是將分析結(jié)果以可視化的形式呈現(xiàn)給工程師和管理人員，如圖表、大屏幕等，方便他們進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和決策。常用的可視化技術(shù)包括數(shù)據(jù)可視化、交互式可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等。工程師和管理人員收到預(yù)警信號(hào)后，及時(shí)采取相應(yīng)的措施，避免事故的發(fā)生。常用的措施處理技術(shù)包括故障排除、維修保養(yǎng)、結(jié)構(gòu)加固等。

8 結(jié)束語(yǔ)

基于大數(shù)據(jù)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)很多，可以提高監(jiān)測(cè)精度、實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警、提高監(jiān)測(cè)效率、支持?jǐn)?shù)據(jù)共享和可視化展示數(shù)據(jù)等，還可以通過(guò)不斷地迭代、更新分析算法和模型，不斷提高建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析精度和預(yù)警效果，為保障建筑結(jié)構(gòu)安全提供了有力的技術(shù)支撐。