建设工程智能监测监管预警云平台的研发

李 均，章丹峰，王建强，陈海南

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500；2、广东质安建设工程技术有限公司 广州510660；3、中山大学 广州510275）

1 概述

1.1 本平台开发的意义和目的

自然灾害和施工不当而引发的工程事件屡见不鲜，使得工程安全预警监测手段成为社会的迫切需要。由于被监控量测对象之间的关系越来越复杂，人们对监测数据的采集和处理的时效性以及监测数据信息共享的要求越来越高。传统监测工作为劳动密集型，由人工监测完成，存在数据采集不规范、不及时、存在人为误差、人员投入多、监测成本高以及安全生产风险大等问题，传统监测行业越来越不适应信息化时代的要求，转型是必然趋势。

在电子技术、自动化技术、计算机、5G、嵌入式技术和人工智能等技术高速发展的推动下，物联网技术正处于高速发展期，正在不断渗透到建筑物结构安全监测领域，如传感技术、数据传输技术、信号处理技术、计算机技术在建设工程中的应用，解决了诸多传统监测方法中比较棘手的问题。如何把物联网技术和传统监测方法完美结合起来，是当前建筑物结构安全监测信息化发展急需解决的课题。因此借助物联网技术，开发出“建设工程监测监管预警云平台”来实现真实、及时、准确、连续、可量化的功能作用，便捷地了解建筑物的实时变形情况，规范现场作业行为、自动生成报告信息、监测大数据整理、减轻技术人员的劳动强度，具有重大的社会效益和经济价值。

本项目旨在面向建筑工程监测的重大需求，针对建筑工程监测工作不规范、真实性不及时、技术人员投入多、监测实施成本高等突出问题，整合各类资源，开发关键技术，将物联网、服务器云等技术引入到监测工作中，构建集中整合的数据平台，研制出一种新型建筑工程安全信息化监测云平台。平台能兼容人工监测、自动化监测2 种方式，实现数据在线解析、报告自动生成、三维可视化程度强、具有综合预警等多项功能，成为一套针对建设工程监测数据的信息预警体系，为工程建设保驾护航。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

区别于国外单一监测监管平台，国内在单一监测监管平台之外相对搭建了简单平台。胡友健等人［1］研究建立了基坑监测数据库管理系统，主要实现基坑监测信息的导入功能，能够分析不同格式的监测数据，判定基坑监测目标的安全状态。谢伟等人［2］介绍了基于Web 的基坑监测信息管理平台，改变了传统C/S 架构模式，可以在Web 端进行监测数据的处理，实现了监测数据的共享。该系统主要用来管理监测数据，进行图像绘制。张建文［3］研究建立了深基坑监测预测报警系统，主要实现基坑监测数据存储功能，对数据库数据利用灰色模型进行预测，采用若干指标判定基坑项目的安全状态。张通等人［4］分别在山东滨州黄河公路大桥、山东东营黄河公路大桥、天津永和桥及哈尔滨四方台松花江大桥上布设了实时在线监测系统，对系统设计及远程网络监测技术、损伤识别、模型修正及安全评定等方面进行了大量的研究。梁桂兰等人［5］采用Visual Basic 编程语言和SQL 数据库管理系统，运用可视化技术，在VB 和GIS 的基础上研制了应用于边坡工程监测信息管理的可视化分析系统。吴玉财等人［6］研发了能满足监测数据有效管理、监测数据可视化查询、根据监测数据对边坡稳定性进行分析和分析后进行变形预测预警等功能的“边坡监测信息分析系统”。

近年来，由于动态设计及信息化施工技术的提出，国内外学者对建筑工程监测技术进行了更深入的研究，具体表现在2方面：

⑴监测方法及仪器本身快速发展［7］。随着测量技术和传感器及自动控制技术的发展，监测技术亦不断向自动化和高精度的方向发展［8］。在测量监测领域，如果是在开阔的地区且测点密度不是很大，静态已经可以满足变形监测要求。而深基坑施工监测时监测点一般较多，则可使用新一代高精度智能全站仪，对多个测点进行自动定时监测，得到测点的实时三维变形数据。另外，传感器制造技术也在不断发展，新一代的传感器将更坚固、可靠、稳定和高精度。围护墙的深部位移可以使用固定倾斜传感器，安装于测斜管内，进行墙体深部的水平位移自动监测，而支撑轴力、上压力、孔隙水压力测试通常采用的振弦式测力传感器己经是较为成熟的产品，通过电缆线将这些传感器接入控制模块便可实现自动控制。在国外，支撑轴力的测力传感器甚至直接和加力设备合二为一，在主控机上可以直接看到支撑实时的受力情况并可以随时调整其受力情况［9］。同时，地下水位和土体分层沉降测试等监测项目也可以采用带相应传感器探头的自动测控仪器。当然，自动监测技术的实施还离不开自动控制技术，需要强大的网络通讯系统及控制软件做后盾，还需要有优秀的切合现场需要的数据分析软件。

⑵监测内容不断完善，分析方法不断提高。监测内容现已包括围护墙坡顶水平位移、围护墙坡顶竖向位移、围护墙体深层水平位移、围护墙体内力、支撑内力或变形、立柱位移、锚杆拉力、坑底隆起、土层分层竖向位移、围护墙前后土压力、孔隙水压力、地下水位、基坑周边地表竖向位移、周边建构筑物变形以及地下管线变形等［10］。分析方法也提出了神经网络预测预报方法、实时建模时序分析预测预报法、模糊数学预测预报分析法及灰色系统预测预报法等多种建筑基坑预测预报分析方法［11～16］。

1.2.2 国外研究现状

随着建设事业的蓬勃发展，一些超大型建设工程的相继建成，人们对这些大型建设工程的安全性与正常使用功能日渐关注和重视，监测系统和智能控制技术相继运用到这些大型项目中，并得到了迅速发展，这项课题日益成为国内外建设工程学术界和工程界的研究热点，对于不同类型的建设工程建立了各种规模的监测监管平台。

韩国首尔地铁项目通过结合GIS和人工神经网络技术，开发了IT-TURISK 地铁施工风险评估系统，主要实现对地面塌陷、建筑物损害地铁评估系统以及地下水补给的模拟。意大利某公司基于B/S 架构模式，研发出一套解决施工安全管理的软件系统GDMS（Geo Data Master System），该系统可以自动采集、管理、显示施工监测数据，借助可视化技术，用户可以在地图上直观查看监测信息及图像，当预警值超过设定的阔值时，系统会及时地通过发送短信或者邮件告知相关负责人。法国开发了PANDA 大坝监测信息管理系统，该系统通过internet 传输数据，可以实现对大坝监测数据的分层管理。日本则研发出一套实时监控管理系统BRIMOS（见图1）。

国外建立监测监管平台的典型还有英国的Flint⁃shire、美国的Sun-shine Skyway Bridge 以及加拿大的Confed-eratio Bridge。这些监测监管的功能与数据往往局限于单个系统，无法实现数据与其他监测系统的比较分析，无法体现监测监管平台的优越性。

1.3 开发目标和主要内容

图1 桥梁结构安全监测监管系统结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Structure of the Bridge Structure Safety Monitoring and Supervision System

1.3.1 开发目标

1.3.1.1 为监管及生产单位提供基础技术服务

⑴及时推送监测结果报告。监测监管云平台通过互联网将监测结果报告及时推送给相关单位管理人员和技术人员，使其及时掌握工程安全信息。

⑵远程控制监测监管云平台。平台具备远程管理功能，实现对异地项目的远程监督及管理。实现监管部门对工程项目的实时监控。

⑶数据自动处理、报告/报表自动生成。通过云平台服务器实现工程各类信息分类展现、监测数据自动处理、报告/报表自动生成及审核，呈现多种分门分类展示功能。

⑷平台实现所有信息快速搜索。平台内所有数据进行分类，通过数据类型、数据时间、报警信息等各种搜索引擎及工具快速查找。

1.3.1.2 为监管单位提供管理服务

⑴平台可以全面掌握监管单位监测片区内的所有监测数据，通过对海量数据进行处理与分析，全天显示和分析安全状况，达到预警值报警，为重大隐患提供预报警，为监管单位区域内突发事件的预测、预警工作提供决策依据。

⑵ 将数据采集、分析与预警完美结合，实现数据监测、视频监控、GIS 定位功能的现代化实时远程监测及预警。平台预警后将结合GIS系统统筹协调区域内的施工工况，快速响应应急救援措施，提供指挥调度、接处警和应急辅助决策分析，为决策者提供应急指挥系统保障，快速响应重大突发事件应急处置工作。

⑶集成多方数据信息，对跨部门、跨行业的事故处理，及时提供科学的决策信息，并可进行高效的应急联动指挥、调度、协调和处理。

⑷在监管单位层面实时掌握辖区内建设工程的实施情况，实现建设工程安全运行监督检查工作。

⑸平台可以实现对各监测单位之间的信息统计、各参建单位的信息交互、网上办公及信誉评价等。

1.3.1.3 为科学研究，管理决策提供服务

⑴对结构行业损伤机理的宏观分析、结构变形及破坏趋势研究、不同类别结构损毁成因等具有指导意义。如结构海面腐蚀、结构繁忙地段损坏、耐久性等分析。不同类型的结构破坏机理研究，可以通过平台监测数据进行归纳演绎，对建设工程的安全管理具有现实意义。

⑵平台可以全面掌握辖区内建设工程的监测数据，通过对数据的演绎归纳，制定出适合于建设工程监测的安全评价标准体系，形成地方性的规程，指导与基坑、边坡、建筑物等相关工程建设、运营、养护等方面工作的开展，为行业提出发展方向。

⑶实现对各被监测物的长期稳定监测，为后期的决策提供依据，避免盲目投入，根据趋势分析甚至可以做到防范于未然，节省不必要的投入。

1.3.2 主要研究内容

目前我国正处于城市基础设施建设蓬勃发展的时期，随着建设施工项目规模的不断扩大、各类重大建设项目的稳步推进，随之面临着施工工艺复杂、施工组织结构多样、并行穿插施工等带来的监管难题与施工安全隐患。本项目基于物联网、传感器、信息与通信技术，对建设工程监测监管预警云平台的建设与应用进行了研究。

⑴项目人员是施工阶段建筑工地最活跃的对象，不规范的行为不仅容易对项目人员自身的健康与安全造成极大的影响，同时也对建筑施工进度造成直接影响，严重者甚至对建筑结构的安全与功能造成无法修复的破坏。将建设施工过程中工人的行为作为独立监控对象，基于多传感器融合研究对施工工人行为的智能监控方法，实现了对施工现场人员行为安全的评估。

⑵针对大型建设工程项目结构形式多、工序繁杂等特点，通过对既有技术与管理资料的全面分析、针对不同结构形式以及结构功能的重要性、分别按不同尺度建立结构单元的数字化模型图库，为结构安全分析提供统一的数据源，对整体工程项目进行节点识别，并进行节点施工风险评估，建立基于BIM 技术的实时动态反馈机制，实现高风险节点工程施工精细化管控与智能决策技术，确保施工安全。实现基于BIM技术的危大工程项目施工结构安全管控系统。

⑶针对建设工程项目监管源多且杂以及信息流并行穿插的监管难点，运用大数据、云计算、信息技术、通信技术等先进的科学技术，研究构建多源异构监测基础设施分布式信息管理平台。针对建设监管过程中的大规模并发数据流的存储与访问，研究构建建设项目属性数据库和空间数据库，融合基础数据库，确保监管数据按照施工组织机构来组织、存储和管理。建立面向建设工程项目监督、管理与预警的云平台，实现基于云计算与大数据分析的建设工程项目智能监督监管。

基于对建设工程项目结构的自主监控，针对建设工程项目监督、管理与预警任务中涉及的工程施工进度管理、人员管理、施工安全监管以及施工环境监管，研究基于云平台的智能化监督与管理。实现对系统权限管理、数据采集管理、数据计算存储管理、预警管理、监督管理、数据查询管理、报告编制管理、信息管理的云端操作与处理，最终实现基于云计算与大数据分析的建设工程项目智能监督监管，并提供多终端（远程手机APP、电脑WEB 以及现场屏幕监控）的访问控制。

①数据采集系统软硬件的设计：通过采集客户端与网络技术，实现监测数据与平台的交互。

②监测物理量空间数据的三维实时动态可视化表达。

③根据实时的监测数据和其他相关资料，精确地实现建筑物结构的变形预测预警。

④对各监测单位之间的信息进行统计，实现各参建单位的信息交互、网上办公及信誉评价等。对正在实施监测的项目进行大数据分析，运用多种图表形式实时规定区域内所有监测项目信息的呈现。

⑤从监管单位层面实时掌握辖区内建筑物的实施情况，对异地项目远程监督及管理，全天候显示和分析安全状况，实现数据监测、视频监控、GIS 定位功能的现代化实时远程监测及预警。平台预警后结合GIS 系统统筹协调区域内施工工况，快速响应应急救援措施，提供指挥调度、接处警和应急辅助决策分析。

⑥实时监测建筑物结构的工作状态，处理监测信息，作出建筑物评估。当建筑物工作状态或者承担的运营荷载达到异常界限值时，建设工程监测监管预警云平台通过APP、微信公众号、短信等方式向相关人员及时发送报警信息。

⑦平台对监测数据进行过滤、数据压缩、数据分类，自动完成报告编制，通过互联网按时推送监测报告给各级管理部门的管理者及相应的技术人员，相关人员能通过手机APP 实现随时随地快速完成报告成果审批签名。

⑧平台对所有数据进行分类，实现通过数据类型、数据时间、报警信息等各种搜索引擎及工具快速查找。

⑨借助于建设工程监测监管平台及时获取建筑物结构的受力工作行为信息，设计者可通过这些信息进一步校验原计算理论模型是否符合实际，设计方案是否正确。

⑩监测平台充当“现场实验室”，为实验室调查及理论研究提供实测数据，对结构行业损伤机理的宏观分析、结构变形及破坏趋势研究、不同类别结构损毁成因等具有指导意义。

1.4 平台开发的技术方法路线

监测监管云平台开发技术方法路线如图2所示。

2 平台详细设计

区别于传统监测平台，基于云计算服务中心的监测监管平台，可以容纳上万个基坑、边坡、隧道等结构物，并配备高层次领导专家队伍进行大数据分析，为客户提供基于行业规范或管理需求的多维度有效管控的智能化服务及应用平台。从而实现对工程健康、安全监测信息的及时掌握和评估、设计优化、大数据挖掘，以及为相关监管机构和其他研究者提供基础数据共享服务。

2.1 平台体系结构

2.1.1 平台体系结构设计

工程监测监管云平台主要用于监测各类物体的力变和形变以及外部环境等特征变化。工程监测监管云平台主要由各类传感器构成的现场感知系统、由各类采集仪构成的数据传输系统、由数据计算与分析的云服务器系统、由手机APP、数据上传客户端、网页、指挥系统等构成的应用系统等组成。

2.1.2 平台操作流程设计

平台操作流程设计需按照核心功能的一致性、用户间沟通的可交互性、用户权限的分层分级控制、访问及使用的溯源性、工程信息呈现的全面性、信息推送的及时性、数据结果展示的多面性和三维可视性、数据的可交互和共享性以及保密性、现场监控的实时性、现场采集层的感知性以及其功能的多层次性和扩展性。

2.1.3 平台框架设计

图2 云平台开发技术方法路线Fig.2 Cloud Platform Development Technology Roadmap

平台框架主要由项目管理、报告管理、警报信息、监测机构信息、办公管理、系统管理、数据删除申请、知识库、个人中心、监测超市、数据上传端等模块构成，现场感知系统、数据传输系统和应用系统的功能模块分别嵌入平台主要框架中，现场感知系统和数据传输的功能模块需要考虑设备和传感器的有效性预警、管理、录入，其中数据传输系统的客户端管理需要考虑各种采集设备的调试、参数设置以及预警提示。应用系统需要考虑操作的方便性、及时性、有效性、个性化，同时还需考虑普适性和监测项目信息展示的全面性。

监测监管云平台分为感知层（采集层）、网络层（处理层）和应用层（用户层）3个层面，如图3所示。

图3 监测监管云平台示意图Fig.3 Schematic Diagram of Monitoring and Supervision Cloud Platform

2.2 平台数据结构

2.2.1 数据采集传输系统

数据采集传输是计算机信息处理的一个重要组成部分，是通过监测传感器等其他外部设备将压力、温度、光照强度、湿度等非电量信号转化为计算机能够识别的电量，将模拟信号转化为数字信号即A/D 转换并将其传输至计算机或服务器，可以轻易地通过外部设备对需要的信号进行数据采集、数据处理、数据控制以及数据管理，进而对现场的各种监测要素进行综合的一体化控制。

2.2.2 数据分析处理系统

监测数据分析处理分析系统是对现场传感器采集传输获取的数据进行对应专业化的计算处理，并及时作出结果、评估、预警和决策响应等工作，包括现场基本情况、现场环境、原始数据、数据处理结果、预警机制及信息、历史相关数据、曲线展示、三维展示、信息交互、权限管理、监测结果报告处理、大数据处理与分析等相关数据处理与分析模块功能集成。

2.2.3 云计算

建设工程监测监管预警云平台云计算采用阿里云服务器，同时亦可采用自建服务器。

3 平台功能介绍

3.1 安全监测研究分析

通过对监测数据进行分析，安全性评价施工期间的安全。根据不同的结构类型科学选点、合理布置传感器；标准化系统搭建，保证结构监测平台及未来集群监测平台的兼容稳定；通过人工采集实时上传和自动化采集数据直接传送至云平台，平台计算之后数据实时传送至现场，对监测结果进行初步评估，数据预警之后直接传达至管理者实现快速反应，监测数据存储与后台专家诊断系统结合，保证监测数据科学有用；做到系统多重、分级预警，并给出应急处置预案，平台具有系统自动分析预警；提供人性化的软件终端管理界面，同时用户通过手机、电脑等终端设备随时查看被监测结构体的运营状况；自动生成报告，可随时下载需要的报告；解决传统检测存在的技术管理弊端，同时节约费用；可以实现人工监测数据实时上传和自动化监测数据自动采集相互兼容。监测监管云平台如图4、图5所示。

图4 监测功能Fig.4 Monitoring Function

图5 人工和自动化兼容作业Fig.5 Manual and Automation Compatible Operation

3.2 安全监测过程监管

3.2.1 对现场监测工作跟踪记录

确保人员、设备、采集时间、采集地点可追踪且可以溯源，如图6所示。

图6 监测工作跟踪Fig6 Monitoring Work Tracking

3.2.2 报警处理过程跟踪记录

报警信息按设定发送到相关各方；各方在回复处理意见（同时可以上传附件）后，平台将自动发送信息提醒相关方。如，监督回复整改意见后，平台自动发送短信给监测、监理、业主、施工、设计，提醒各方监督已发布处理意见；各方回复意见可以是多次交互；最终由监督员确定报警处理完毕。报警处理过程跟踪如图7所示。

图7 监测报警处理Fig.7 Monitoring Alarm Processing

平台不仅可以实现问题结构的远程预警，还可以给出结构出现问题后的应急预案，通过GIS 系统，及时定位结构地理信息，采取人员介入、维修加固等应急处理办法，减少事故发生的可能性。

3.2.3 数据上传跟踪记录

现场初步审查数据结果无误，进行正常上传；数据结果有误或不确定时，放弃计算，存储原始记录和此行为过程记录，但不参与计算，复测数据结果正常，确定上传；对于误报警或数据结果有误或不确定，但已经上传导致误报，申请数据覆盖，监督员决定是否同意修改（消警），如同意修改删除异常记录，记录删除操作。数据上传跟踪如图8所示。

3.2.4 行为操作跟踪记录

所有用户登陆平台之后，操作行为都会被记录下来。行为操作跟踪如图9所示。

3.2.5 视频监控调用监测监管云平台预留视频监控系统开放性接口，通过远程视频系统实时监控工程项目运营、环境状况，及时反应宏观情况。同时，当平台做出预警后，视频系统可监控应急措施的实施情况，及时调整相应的对策。视频监控调用如图10所示。

图8 数据上传跟踪Fig.8 Data Upload Tracking

图9 行为操作跟踪Fig.9 Behavior Operation Tracking

图10 视频监控调用Fig.10 Video Monitoring Call

3.2.6 对建设工程破坏机理分析

对建设工程破坏机理的宏观分析、结构变形及破坏趋势研究、不同类别结构损毁成因等具有指导意义。可以通过平台监测数据，进行归纳演绎，对建设工程的安全监管具有现实意义。

3.3 平台整体架构

3.3.1 登录设置管理

本监测业务综合管理系统通过设置帐号、密码、验证码的方式登录，并通过加密算法保证监测业务综合管理系统的安全性。系统登陆界面如图11所示。

图11 登陆界面Fig.11 Login Interface

3.3.2 平台总体功能界面

平台登陆后的主界面分为3部分，左侧为菜单栏、中间为GIS 拓扑图、右侧为项目状态统计。左侧的菜单栏负责显示平台的各个功能模块的菜单，选中左边的模块菜单，该模块的详细信息会在右侧部分显示出来。模块的菜单设置包括项目管理、报告管理、警报管理、监测机构管理、平台管理、个人中心等。中间的GIS拓扑图可以显示项目的名称及所处具体地理位置信息，并以红、黄、紫、绿4种颜色分别代表项目所处报警、预警、超控和正常状态。右侧项目状态统计模块主要显示项目类型、数量及状态信息统计。平台总体功能及监测项目功能界面如图12、图13所示。

图12 平台总体功能界面Fig.12 Overall Function Interface of the Platform

图13 平台监测项目功能界面Fig.13 Project Monitoring Function Interface of the Platform

3.3.3 手机APP

手机APP 主要包含9 大模块：项目信息、监测成果、曲线分析、巡检记录、原始记录、报警管理、变形预测、报表统计及企业信息，用户可以随时随地对项目的监测情况进行监管查看。手机APP 功能界面如图14所示。

4 总结

本项目研发的“建设工程智能监测监管预警云平台”主要成果有：

⑴通过对时间、地点、人员、设备、环境、原始数据等多要素的全面实时存储确保监测数据有效溯源，实现了基于行业规范或管理需求的多维度有效管控；同时兼容全自动化采集数据实时上传方式、人工采集+仪器导入即时上传、人工采集+文件上传3 种方式，兼容市场各种传感器，更加切合市场和工程需求，通过网页、手机APP、邮件、短信等多种方式呈现监测成果并及时、有效预警。

图14 手机APP功能界面展示Fig.14 Mobile App Function Interface Display

⑵研发了集采集数据、BIM 技术、数据云计算、预警管理、变形预测、数据查询、报告自动生成及管理、信息管理、工作计划安排、工作量统计、人员及设备管理、监测单位管理、远程监督管理、权限管理等项目管理一体化安全监测系统，并能广泛应用于在建的建筑物主体监测、基坑监测、高支模监测、地灾监测、桥梁监测、隧道监测和和其运营期间的健康监测，适应性强。并在广东、南京、长沙、重庆、北京等地区得到了广泛应用，其中作为多个地方政府监管机构加强深基坑监测信息化管理的官方平台。

“建设工程智能监测监管预警云平台”相比与已有的各种监测监管云平台系统，以大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网、BIM 技术为基础，以兼容各种监测仪器为最终目标，实现监测数据处理自动化，监测数据检校智能化，监测信息实时准确发布，办公管理一体化等内容，实现了具有基于多传感器融合的建设工地工人行为状态的智能监管方法、基于BIM 技术的危大工程项目施工结构安全管控方法、面向建设项目智能监管的多源异构监测设施管理云平台的研究与设计、基于云计算与大数据分析的建设项目智能监管等特点，和关键技术的物联网意义的工程智能监测监管云平台系统。