装配式混凝土房屋建筑全生命周期监控系统

付长浩

（北京禾目祥瑞注册安全工程师事务所有限公司，北京 102600）

0 引言

区别于传统的现浇混凝土建造模式，目前广泛应用的装配式混凝土建筑模式，需要通过预制工厂，生产房屋建筑施工所需的构件，再根据装配式混凝土房屋建筑进度，将施工所需的构件运送到现场拼装，模拟搭积木的方式建造房屋建筑，使建筑施工时间得到大幅度节省。但是，由于装配式建筑实际施工过程中，需要多方面配合协作，目前国内对装配式建筑认知不足，施工过程中极易出现构件碰撞、建造误差等问题，为了保证装配式混凝土房屋建筑顺利施工，需要针对建筑全生命周期进行监控，汇总每个阶段的监控信息，合理规划项目的施工进度。

现有的全生命周期监控系统，大多采用有线通信方式，传输监控数据，极易受到外界因素干扰，造成数据传输时延较大。该文以解决这一问题为核心，提出以无线通信网络为基础的监控系统。从系统测试结果来看，文中所提出的监控系统，不但达到全生命周期监控结果展示的基础目标，数据传输时延也大幅度降低，保证了监控系统的实时性。

1 装配式混凝土房屋建筑全生命周期监控系统硬件设计

1.1 数据处理器设计

为了更好地处理全生命周期监控数据，文中以单片机为核心，设计包括电源管理、网络接口、时钟电路以及ROM、RAM输入输出模块等多个组成部分的数据处理器。为了加强数据处理的灵活性和稳定性，选取51系列的单片机，针对全生命周期监控数据，直接进行逻辑运算，满足数据处理高性能和低功耗要求。

1.2 核心控制器设计

由于建筑全生命周期监控，所涉及的监控数据来源于多方面，为了更好地控制数据传输，在系统硬件设计过程中，针对核心控制器进行研究，建立以 STM23F704ZGT5芯片为基础的核心控制器，该芯片的主要技术参数见表1。

表1 微控制芯片的技术参数

数据处理器与核心控制器设计完成后，基本完成了建筑全生命周期监控系统硬件设计，在此基础上进行后续软件设计。

2 装配式混凝土房屋建筑全生命周期监控系统软件设计

2.1 全生命周期数据采集与传输

装配式混凝土房屋建筑的监控，需要以真实的数据为支撑，深入分析建筑全生命周期组成结构，针对规划阶段、设计阶段、施工阶段、运营阶段四个阶段，分别设置PMU装置，采集不同数据信息，并将采集的建筑全生命周期数据传输至移动基站。区别于有线数据传输方式，文中在数据采集和传输环节，运用GPRS无线模块，连接监控终端和通信网络，形成无线收发装置，再连接核心控制器，实现终端监控数据的有序传输。全生命周期监控数据传输时，通过发送分组数据协议激活通信网络，再利用网关 GPRS支持节点匹配外部网络与系统IP，实现PMU装置采集数据向移动基站发送。同时，移动基站所下发的控制指令，也需要通过上述无线模块，传输至监控终端。这种无线数据传输方式，避免了外部干扰因素对数据传输时延的影响，确保采集数据的高效传输。

PMU装置作为建筑全生命周期数据采集的主要设备，每个监控节点安装一个PMU装置，可以实现监控数据的全面采集。由于PMU的可观测通道具有约束性，为了获取完整的全生命周期数据，文中在数据采集阶段对PMU配置策略进行优化，针对监控节点的PMU配置进行研究，根据该节点的关联节点数量，定义合理的PMU配置方式，见式（1）。

其中：

式中：为全生命周期数据采集节点，为目标节点的关联节点数量，为PMU配置内数据观测通道数量，为PMU配置方式。

根据公式（1）得出的PMU配置方法进一步分析，引入PMU装置通道数量约束条件，建立节点关联矩阵，并获取矩阵内存在的节点行数，重新定义PMU配置，获取全生命周期数据采集结果。

2.2 建立异构系统数据集成方案

由于装配式混凝土建筑的全生命周期监控，需要从多个异构系统内采集对应数据，使采集数据的架构不同，为了便于监控分析，文中依托于XML技术，建立异构系统数据集成方案，结合全生命周期数据的基本特征，构建以XML中间件为基础的数据集成方法，其主要集成架构如图1所示。

图1 基于XML中间件的数据集成架构

根据图1可知，XML数据集成架构，包括三层主要结构，分别是数据源、中介层和查询处理层，首先将分布在不同异构系统内的全生命周期数据描述为XML文件，并生成对应的包装器，汇总形成集中数据库。以XML中间件为载体，将数据源所包括的信息转移到中介层，进行数据缓存处理和触发选择，再发送至查询处理层，作为后续全生命周期监控系统运行的基础。

2.3 搭建实时监控框架模型

该文采用 RFID技术和4D模型，搭建一个实时监控框架模型。该文根据关键路径法CPM规划理念，结合3D建模技术和时间维度，提出房屋建筑4D模型。引入BIM理念，将装配式混凝土房屋建筑所涉及的各个工序，浓缩到4D模型和项目管理目标内。

同时，运用RFID技术对集成处理后的监控数据进行存储，并按照装配式混凝土建筑全生命周期划分规律，将集成数据分解为多个子单元，对每个单元设置RFID标签。在房屋建筑项目4D模型中对应区域，布置RFID标签，形成RFID与4D相结合的实时监控框架模型，如图2所示。

运用图2所示的RFID+4D实时监控框架模型，进行建筑项目全生命周期数据的动态管理。除此之外，文中采用集中管理理念，在建筑施工区域建立一个现场控制中心，针对控制中心内的计算机，导入上述监控框架模型，实现数据输入、进度控制、数据查询等多项功能，对建筑全生命周期进行监控。

图2 RFID+4D实时监控框架模型

2.4 实现动态监控结果展示

为了使全生命周期监控结果更直观，在系统软件设计过程中，添加可视化展示模块，显示动态监控结果，从规划、设计、施工以及运营阶段等多个方面入手，形成对应的监控可视化界面。建筑全生命周期监控系统软件的实现，主要通过B/S框架。采用MySQL工具建立数据库，融入结构化查询语言SQL，达到管理监控数据的目的。文中选用了包括Java工具的可扩展开发平台，作为系统主要开发工具，利用Java语言分离系统的访问层和逻辑层，并设计一个采集接口，辅助生命周期终端监控数据的交互验证。最后，通过DHML工具开发客户端界面，结合HTML、CSS等多种工具，实现建筑全生命周期监控结果的动态展示。

3 系统测试

3.1 项目概述

该测试选定的建筑项目案例介绍的是高预制率的装配式混凝土建筑，采用很多先进的装配式建造技术，符合文中设计系统的应用环境要求。该建筑工程包括地上和地下两部分，地下部分建筑结构为现浇钢筋混凝土，而地上部分结构体系为装配式框架和剪力墙，该工程项目施工相关参数见表2。

表2 装配式混凝土建筑项目相关参数

针对该建筑工程全生命周期阶段深入分析，大致划分为三个组成部分，分别是初期、实施期和运维期，每个周期内包括多项工作任务，具体建筑全生命周期分解结果如图3所示。

根据图3所示的装配式混凝土房屋建筑项目全生命周期分解结果，结合文中提出的硬件设计和软件设计内容，建立符合实际监控要求的系统。

图3 建筑项目全生命周期分解图

3.2 系统开发

基于上述全生命周期工作任务分解结果，针对每项工序设置对应的监控节点，结合RFID技术采集实时监控数据，并对原材料验收、施工动态控制、建筑结构展示等环节，开发独立的监控子模块，将多个监控子系统连接起来，形成完整的建筑全生命周期监控系统，监控系统可视化界面如图4所示。

图4 监控系统可视化界面

从图4所示的可视化可以看出，文中提出的系统具有多项监控功能，可以将装配式混凝土建筑全生命周期监控数据，直观展示出来，达到实时监控的效果。

3.3 系统性能分析

系统运行过程中，监控数据的传输是核心环节，一旦数据传输过程中出现严重时延，会直接影响可视化界面显示的监控结果，从而影响用户的使用体验。因此，本次测试从系统数据传输时延方面入手，验证文中提出监控系统的优越性。针对选定的建筑工程项目，分别将该文设计系统、基于贝叶斯网络的监控系统、基于物联网的监控系统投入使用，得到全生命周期监控结果。开展数次监控测试，得到三种监控系统的数据传输时延对比结果，生成图5。

图5 不同系统的数据传输时延对比结果

从图5可以看出，文中提出监控系统的数据传输时延明显更低，保持在0.3s以下，且综合多次测试结果来看，数据传输时延变化幅度较小。而另外两个全生命周期监控系统的数据传输时延，分别为0.95s和1.28s。综上所述，文中提出的建筑全生命周期监控系统与常规系统相比，数据传输时延降低了73.68%、80.47%，确保全生命周期监控数据实时更新，给予用户更好的应用体验。

4 结语

在技术水平不断发展的时代背景下，房屋建筑传统建造方式无法满足施工要求，需要进行转型升级，装配式混凝土房屋建筑应时而生。但是，由于该建造形式较为复杂，整个施工过程中总是存在因信息管理不及时造成的问题。对此，文中提出建筑全生命周期监控系统，运用了无线通信网络实现数据的实时采集和传输，有效降低了监控系统的数据传输时延，确保监控数据得到实时更新，作为后续施工规划的依据。