建筑变形在线监测方法和平台建设技术浅谈

任宗强

安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230000

随着国家的不断发展和城市规模的不断扩大，对城市管理者提出了非常高的要求，能否及时发现工程安全隐患直接关系到人民的生命财产安全，而解决实时监测、预报的方法，就是在线监测，利用物联网技术、计算机技术、工程监测技术和虚拟现实技术等对目标进行全方位、实时和直观的监测和展示。

在线监测系统包括现场传感器的安装、通信方式的设置、监控平台的建设、展示平台的搭建和预报预警机制的建立等工作。

1 研究建筑物在线监测方法的必要性

常规监测受到多种因素的影响，一般无法做到实时上传数据，监测周期无法反映某个时间段的完整变化，发生危险时能得到及时的反应等，这些往往会错过危害发生的第一时间，造成的后果更为严重。

近年来城市建设过程中发生的安全事故屡见不鲜。据不完全统计，在2007～2011年5年间，全国已经有至少17座大型桥梁发生垮塌事故，造成270人死亡。这些事故给无数家庭造成了无法弥补的创伤，也为我们安全施工和城市管理敲响了警钟。合理的监测、准确及时的数据反馈将为工程安全保驾护航。

2 建筑物变形在线监测方法和平台建设浅谈

2.1 监测平台总体设计

建筑物变形在线监测管理平台由数据采集系统、传输系统、数据库管理系统、通信系统、预警与报警系统、地理信息系统，以及综合管理信息平台等部分组成。

2.2 统一管理平台框架（图1）

图1 统一管理平台框架

2.3 平台关键技术应用

2.3.1 数据通信技术

采集器在采集完原始数据后需要传输到子系统中进行处理，处理完的数据需要上传到大平台中展示、报警等，其中，数据传输的高效性和安全性成为整个系统的关键。

经过几种通信模式的对比，总结得出：

（1）Zigbee：对于实时监测来说，可以利用每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为传输对象，也可很方便的与其他设备快速、自由组网，这样不仅保证了数据的稳定性、实时性，而且在更换设备或设备故障时无须担心组网问题和数据断链问题。现场安装的监测设备可配备Zigbee模块，将数据传输到现场子系统或现场数据集合点再上传网络。

（2）Wi-Fi：在监测现场，如果场地开阔、设备较少时可以采用Wi-Fi传输技术，其具有高速、方便和手机等移动设备可以直接通信的特点，可以满足不同用户的需求。

（3）蓝牙技术：在监测项目中利用手机app查询、设置现场监测设备时，利用蓝牙技术更为方便、可靠、易操作。

（4）4G技术：在监测项目中可以直接作为数据传输的方式，为了节省成本，建议在数据上传网络或大距离传输时使用，比如数据上传服务器时，它的优势非常明显。

2.3.2 三维展示技术

三维交互技术指在计算机中创建产品的三维模型，然后通过交互设计软件设定交互程序，使用户可以通过鼠标等交互设备实施人机交互的新兴技术。其中，工作量最大的环境是三维模型的建立，而实现模型交互显示则是这项技术的难点。

（1）三维模型建立。三维模型建立的方式较多，一般来讲，无人机倾斜摄影、三维激光扫描、实地测量建模方法除了数据采集方式不同，后期的精细化建模方法基本相同，而二维平面图三维化可以把设计图制作成三维图，通过把平面图、立面图、剖面图等还原成三维立体模型。精细化建模则需要对现实物体进行实景拍照，并按对应面完成贴图，工作量较大。

（2）模型控件添加。三维模型建立完成后，可以导入到3dmax或unity3d中添加不同的控件，进行不同场景的开发，控件触发时相应不同的事件，比如，展示监测点点名、累计值、最大值，具有控制功能的，则可以实现控制现场的设备开关等工作，从而实现人机交互的功能。

（3）模型功能扩展。在模型中可以添加全景照片，在特定位置可以看到实景照片，或者连接到现场监控视频，这样更为真实、直观。

三维模型制作、开发技术已经在其他领域得到了广泛的应用，将其引进到建筑物变形监测平台中，将增加用户的体验感、真实感，具有很强的可操作性，对于抢险救援等有很好的指导意义，比以往的菜单式管理平台更具亲和力、更加直观。

2.3.3 数据处理分析

变形监测平台中要求数据要实时、准确的反馈，预警报警要及时、可靠。这也是衡量平台健康性的一个重要指标。

（1）数据处理。一般的监测数据处理比较简单，但对于GNSS的静态数据快速解算则需要掌握一定理论知识才能完成，实现数据的实时性，就要求在子系统中完成接收原始的电文数据进行数据转换、基线处理、网处理、网平差等一系列工作，通过调查，一般通用的方法是利用RTKLIB的开源代码进行改造，完成数据解算是比较容易实现的方法。

（2）预测分析能力。平台除了能够生成常规的各种曲线图和表之外，需要对现有数据进行分析和对数据挖掘的结果做出一些前瞻性判断，预测其发展变化趋势，具备预防项目风险的能力。

平台需要引进人工神经网络算法、差异进化算法等一些智能算法，进行工程的动态反馈分析，提高平台对工程建设安全预测的能力。

2.3.4 GIS技术应用

地理信息系统（GIS）具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；具有极强的空间综合分析和动态预测能力。在监测平台中除了提供地图服务之外，对于工程管理、项目分布、统计、定位等，可根据其强大的应用模块完成各种复杂的空间运算，大大节省开发成本，并提高整个平台的应用能力。

结合数据库技术，GIS可以完成海量数据的存储、空间运算，对于构建较大区域内的数据管理优势明显。另外，GIS和BIM的结合可以实现数据的交互，可以将BIM数据导入GIS系统，通过大平台再将其展示，实现设计BIM数据扩展应用。

3 存在的问题

作为工程监测行业，传统的方法已经面临新的挑战，其中的实时性是最无法实现的，所以结合物联网技术+监测传感器的发展，在线监测平台系统应运而生，也必将成为一种不可逆的趋势。但其存在的几个问题：

（1）没有可执行的国家规范、没有统一的监测标准、数据标准也不完善。

（2）政府导向力度不大，缺乏规范，政府无法大区域推行在线监测，只能以科研、测试等来推行。

（3）在线监测平台从设备安装、硬件开发、软件开发、核心算法代码编写、数据模型建立、工程设计分析等环节需要硬件、软件、测绘、GIS、设计、施工等一系列高技术人才，明显靠仪器公司、测绘单位、科研单位是无法实现一个完整的系统。

（4）一些单位急于求成，认为一套软件和几个传感器就是在线监测系统，忽略了系统在数据分析、预测、报警方面的功能，监测数据没有较为可信的方法的比对，监测结果往往无法达到预期效果，造成了一些负面影响。

（5）监测设备和软件开发成本较高。这也是一些项目望而却步的一个重要原因，动辄百万的监测费用和传统监测形成了明显的反差。这就需要我们提高设备研发技术、设计单位和监测单位共同优化监测方案、软件开发优化设计方案从而达到节约成本的目的。

4 结语

实现建筑变形在线监测在智慧城市中意义重大，将为监测行业带来革命性的变化，其中的关键技术和存在的问题也需要解决和克服，系统的延伸应用领域也非常广泛，比如：水文监测、黑臭水体改造监测、海绵城市监测等。