一、 概述
1. 背景
自从上个世纪90年代以来，我国经济发展迅猛，在此期间大量建筑平地而起，并且多为砖混结构的住房，使用寿命通常约为30-50年，钢筋混凝土结构，钢结构等高层建筑，这些建筑在一般情况下的设计使用寿命是50年到100年，但是考虑到当时施工质量较低以及施工工艺受限，加上一些业主私自改建、敲墙等违法行为，使用寿命必将有所降低。伴随着时间的推移，我国部分房屋建筑使用年限接近设计期限，建筑结构开始进入老化阶段，结构的健康状况和安全性评估正逐步引起人们的关注。现如今许多房屋的年龄已经陆续达到30-40年。而近些年在时不时的出现住房和高层建筑倒塌的安全事故，造成不少的人员伤亡和财产损失，从而使受影响的人员便难以“安居乐业”了。这些都是说明有些建筑物已经进入了“质量报复周期”。
为了保障人民生命财产安全，住房城乡建设部印发《关于组织开展全国老楼危楼安全排查工作的通知》，要求按照“预防为主、防治结合、确保安全”和“属地管理、条块结合、以块为主”的原则，全面排查各类房屋安全隐患，重点排查建筑年代较长、建设标准低、失修失养严重的房屋。该《通知》为危旧房管理从“治危为主”到“防危为主”的逐步转变，提供了重要的政策支持。因此危旧房屋的自动化监测显得尤为迫切。
2. 房屋安全隐患的几大表现形式
房屋的不均匀沉降和倾斜，造成房屋墙体的开裂和结构的损伤，直接影响到房屋的使用寿命和安全。另外，房屋因材料、环境等原因，在设计使用年限内出现影响安全或使用的劣化、老化迹象。对于混凝土结构，材料因素可能有混凝土骨料中含有MgO等活性成分、水泥中碱含量过高、水泥性不良、拌和水中含过量Cl-等，环境因素可能有化学物质、冻融循环、过量Cl-等，这些因素可能引起混凝土爆裂、钢筋锈蚀、化学侵蚀、碱骨料反应、冻融破坏等劣化、老化迹象，钢结构的主要老化迹象是钢材锈蚀，砌体结构的主要老化迹象是砖墙风化，木结构的主要老化迹象是虫蚀、腐朽。针对种种因素，老旧房屋随时有倒塌可能，丧失结构稳定和承载能力，不能保证居住和使用安全。
3. 危旧房屋的自动化监测的意义
当前，我国对房屋安全的鉴定大多采用传统的人工定期观察和测量的方式。此种方法费时费力，监测精度一般，且监测频率低，很难在第一时间发现危险预警。通过监测技术与物联网技术相结合后，房屋建筑的安全管理与监测的工作效率也得到了显著提升。通过结合危房监测的需求对结构健康自动化监测系统进行设计，实现对房屋地基不均匀沉降、房屋基础结构损坏、结构变形等现象进行长期在线监测，实时掌握老旧房屋的变形和重要结构损坏情况以及变化趋势。
建筑（危房）自动化安全监测的意义主要体现为： 1）房屋建筑结构日常使用过程中若出现变形，其变形幅度通常较为微小，非专业检测手段难以发现，利用自动化监测系统对房屋进行实时监测，高频率和高精度的监测，可以及时查明房屋目前状态，以及是否存在的主要结构变形和危险点。 2）建立建筑监测系统实时了解所监测区域危房的结构变化情况，根据情况，可以对监测过程中发现的结构缺陷进行适当维修加固。提高建筑安全性。若监测到建筑结构发生变化超出预定临界值，则系统会立即通过短信、微信等发出警报。 3）房屋自动化监测预警系统实现房屋安全管理的网络信息化，建立房屋安全自动化监测平台，有助于防止危房坍塌等安全事故的发生。
二、 建筑（危房）自动化监测系统
1. 主要监测参数
序号
名称
型号
1
房屋沉降监测
静力水准仪
2
房屋倾斜监测
智能倾角计
3
房屋裂缝监测
裂缝位移计
4
数据采集
智能采集终端
2. 系统介绍
监测系统安装示意图
北京东方中恒基于物联网的房屋实时变形监测系统的主要功能包括如下：
1) 实现对危旧楼房建筑体重要运行数据的实时采集、传输、计算、分析，包括沉降、倾斜、裂缝，实时掌握建筑物整体运行的安全状态。
2) 直观显示各项监测、监控信息数据的历史变化过程及当前状态，为建筑管理人员提供简单、明了、直观、有效的信息参考。
3) 一旦出现紧急异常情况（如恶劣天气、建筑体裂缝值超过预警值、建筑体沉降位移或位移变化速率超过阈值等），系统能及时发出预警信息（包括声音报警、系统动画闪烁警报、监控大屏幕警报提示、相关管理人员和主管领导手机短信/邮件分级发布等）。
4) 有互联网接入时能实现建筑安全监测系统的远程登录、远程访问、远程管理、远程控制和远程维护。
5) 多级管理平台工作模式，可方便实现对建筑体的安全监测信息多级管理与信息共享。
3. 技术特点
1) 数据采样频率高，数据可自动上报，人工查询，数据全部自动录入数据库，历史数据查询方便；
2) 数据报表简单方便，可根据用户自定义格式进行数据导出；
3) 监测点覆盖面广，且不会有遗漏，可实时了解建筑物的各类监测数据；
4) 数据显示完善，有专业的算法可以给出沉降数据、裂缝数据；
5) 报警功能较完善，一旦沉降量超过阈值会自动触发报警装置进行报警，包括短信报警，声光报警等；
4. 功能特点
l 强大的数据自主处理能力：自动解算成所需数据，计算出其单次变化量、累计变化量及变化速率，并自动生成数据变化曲线图，同时统计报警数据，异常数据，处理结果，负责人信息等。
l 数据导出：可导出任意时间段内的原始数据、计算数据、数据曲线变化图等，同时可导出当天日报；
l 自主的方案示意图：系统展示用户自主上传的监测示意图，并且允许用户自主标注监测点位；
l 监测点任意添加与删除：可根据现场情况随意添加和删除测点而不影响本监测项目任何数据；
5. 参照规范
1) JGJ82017-《建筑变形测量规范》
2) JGJ125-2016-《危险房屋鉴定标准》
3) GBJ7-81-《建筑地基基础设计规范》
4) GB 50023《建筑抗震鉴定标准》
5) GB 50009《建筑结构荷载规范》
6) GB 50003《砌体结构设计规范》
6. 项目的总体架构和技术路线
1) 总体架构
总体架构图
系统的工作流程如上图所示。在危旧建筑体布设各类传感器，包括静力水准仪、倾角计、裂缝计等，可以将物体变化量转换为模拟信号。通过数据采集系统将传感器的模拟信号转换为计算机可以存储的数字信号，传输至数据处理中心。数据采集软件负责将采集到的传感器数据存入数据库，部分数据会进行数据统计处理、数据分析以及多源数据融合。需要注意的是，采用高精度静态定位算法获得监测点的高精度三维位置变化量。最后，在可视化软件平台上，用户可以查看工程以及各监测点的数据变化情况，如果出现异常现象，软件会发出预警信号，以短信、邮件、声光报警器等形式发出。另外，用户可以选择输出报表，便于分析建筑物的各项指标，并对建筑物的健康状况进行诊断。
2) 网络架构
遵循国家信息安全等级保护相关规范以及国家保密管理和密码管理的有关要求，沿用城市大脑平台安全保障体系。
对数据资源“采集、整合、共享、开放”的关键环节进行全流程安全监控。重视数据资源采集、整合、共享、开放的安全风险，完善交互接口的安全防护能力。
3) 技术路线
房屋动态监测管理平台采用 SOA+SaaS 的架构，虚拟化技术，提供更好的服务支撑能力。具备多业务支撑的架构特点，为物联网设备提供平台接入端口，实现不同终端、不同协议、不同身份的统一管理，屏蔽底层的复杂性，进行规制统一的接口调用，提供支持不同业务场景下的统一平台。
业务层面满足各级各类用户从配置管理、运行监控、处置管理和信息查询等方面对危旧房数据进行管理和应用。平台具备在线预警显示、预测分析、数据管理、预警处置、在线派工，支持结果查询与显示等多个功能，业务数据保证能够在项目系统平台中使用。
三、 监测系统设备介绍
1. 静力水准仪
高精度静力水准仪适用于要求较高的垂直位移或沉降变形监测,可精确监测到0.01mm的液位变化。仪器由一系列含有液位传感器的容器组成,多个容器间由充满液体的连通管连接在一起。基准容器位于稳定的基准点上,任何一个容器与基准容器间的高程变化都将引起相应容器内的液位变化。通过测量液位变化即可获取测点的高程变化。本产品采用全球范围内高品质压力敏感元件，静力水准仪采用-20℃ — 60℃整机多点全量程温度补偿工艺，具有测量精度高、无漂移、可靠性强、安装方便等优点。密封的外壳防潮性能好，可在100%相对湿度环境下长期连续工作。
1) 仪器技术参数
静力水准仪
2) 工作原理
利用密闭液体中压力差来监测沉降点高程差变化,当设基准点沉降为零,水准仪随被测点发生沉降变化时,基准点和测量点之间的高程差变化量就是被测点的沉降值,通过基准点和被测点之间的压差表现出来。
影响系统测量精度的因素主要来源于水准仪传感器随温度的漂移、系统液体蒸发等,对于传感器温度漂移,采用多温度点补偿工艺,使传感器在补偿温度范围内符合测量精度指标,达到现场使用要求。
2. 智能倾角计
作为一款高精度单轴倾角传感器，采用RS-485接口输出方式（RS-232/TTL可选），现场连接采用总线方式采集多个传感器并进行数据集中上发。本产品采用最新的MEMS高工艺生产，内部采用高分辨率差分数模转换器，通过内部MCU系统进行二次线性度和温度修正，无需再做二次线性度修正，同时也减小了环境变化对产品精度造成的误差，量程范围内精度可达30＂。同时TCQ02倾角传感器采用动态零位测试补偿技术保证产品快速启动，内置的ARM控制系统，使传感器输出线性度得到二次修正，弥补了模拟型的因为修正不够导致的精度下降，全量程范围精度0.001°，温漂:0.0007°/°C，输出频率高达100Hz（波特率115200）；在非线性、重复性、迟滞、温度漂移和工作温度、抗冲击、振动等性能上表现优越。
1) 仪器技术参数
智能倾角仪
尺寸（cm）
长宽高=863.5
供电电压
12V
测量范围（可定制）
－15° — +15°
绝对精度
0.001°
分辨率
0.0001°
测量轴
单轴/双轴
输出频率
1HZ、2HZ、5HZ、10HZ、100HZ、可设置
数据传输方式
RS485、RS232、TTL、无线传输
使用温度范围
-20 — +60℃
响应时间
0.005S
抗冲击
2000g,3Times/Axis
抗振动
10grms、10～1000Hz
2) 工作原理
智能倾角计采用电容微型摆锤原理。利用地球重力原理，当倾角单元倾斜时，地球重力在相应的摆锤上会产生重力的分量，相应的电容量会变化，通过对电容量处量放大，滤波，转换之后得出倾角。
3. 裂缝位移计
拉绳式裂缝位移计适用于长期在水工建筑物或其它混凝土建筑物表面，测量结构物伸缩缝或周边缝的开合度（变形）。加装配套附件可组成基岩变位计、表面裂缝计等测量变形的仪器。
1) 仪器技术参数
裂缝位移传感器
量程范围
0-1000mm
灵敏度
0.1mm
精度
±1mm
工作温度
-30℃～+80℃
信号传输方式
RS485、RS232、TTL、无线传输
工作电压
DC12V
防护等级
IP54
2) 工作原理
裂缝位移传感器是把机械运动转换成可以计量、记录或传送的电信号。传感器由可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮上再通过连轴器与精密旋转感应器连接在一起，不锈钢绳拉出传感器的位移量发生变化时，传感器内部接入电路中的电阻值也发生变化，引起相应的输出电压发生变化。因为一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变，可以检测到拉绳伸展和收缩，带动精密旋转感应器旋转，输出一个与移动距离成比例的电信号。经过电路采集、分析、MCU、控制、测量输出数字信号，得出相对位移及方向。
4. 智能采集终端
智能采集终端是基于NB-IOT、物联网技术的数据采集设备，可满足各种信号类型的传感器数据采集。智能采集终端将测量、传输、供电等功能集成于一体，具有集成度高、安装便捷、运用灵活、性价比高和较强的现场生存力等特点，适用于传感器分布较为分散、现场无供电、需无线组网、远程上传等恶劣环境使用。
1) 仪器技术参数
智能采集终端
通讯速率
1200bps-115200bps
可支持的传感器
振弦式、数字式（RS485）、电压式、电流式、电阻式、差阻式传感器等
采样方式
实时采集、定时采集（支持远程配置及模式切换）
采样间隔
1min~1d连续可调；
工作功耗
通讯状态＜1w;待机状态＜0.288w
通讯方式
有线（RS485、RJ45）、无线上传（GPRS、Zigbee可选）
存储容量
内置存储1W，外接存储最大32G
工作温度
-25℃—75℃
工作电压
DC5-28V
2) 产品特性
l 监测系统专用网络传输器，相应快速、透明传输。
l 支持移动、联通、电信4G高速接入，同时支持移动、联通3G和2G接入。
l 适配多种监测项目场景。
l 支持心跳包功能，远程监控设备运行状态，让系统更安全。
l 该设备具有高速率、低延迟的特点，真正做到监测状态实时获取。
l 可通过远程短信的形式设置设备参数，实现远程调试功能。
l 串口心跳包通知设备处于活跃状态，主动抓取不能主动推送的传感器数据，做到监测数据无死角。
l 适配多种微型变传感器、全站仪、GNSS接收机监测项目使用。
四、 监测管理系统平台
1. 功能设计
根据房屋动态监测采集数据信息和房屋及有可以发生的危险状况进行综合分析计算，实现自动预警功能；平台功能应该由信息监控、预警管理、处置管理、档案管理四部分组成。
2. 分级预警管理模块
通过远程监测设备及日常巡检相结合的方式，优化近端边缘网关的边缘采集和计算能力，通过网关下不同传感器数据的采集、整合、对房屋进行综合计算（含不同传感器指标数据计算模型）实现自动化分级预警功能，通过即时预警和日常任务制预警，形成双重预警保障机制，在最大程度上保证解危排险工作的预见性和及时性。
系统支持分级预警的设定，通过和网关的配置同步，使得分级预警可以通过移动端APP 和网关近端完成线上的推送。
3. 结合分级预警的多级处置管理模块
设立“区-街道-社区”三级突发事件应急抢险体系和应急救助机制，房屋出现预警信息后，通过不同的预警级别启动不同处置流程， 分别通知不同管理部门，实现对房屋的管理，有效落实责任，确保在突发事件来临时，迅速转移居民，保障居民生命财产安全。
4. 支持房屋属性自定义的建筑档案管理模块
当处置功能实施后，由属地街道、社区对事件进行闭合，闭合程序按建筑法等相关规定程序平台上操作，管理员可以通过平台对房屋属性的自定义扩展能力来完善房屋信息，平台具备房屋处置完毕后各项资料（包括预警、处置等资料）存储功能，实现房屋全寿命周期资料展示储存功能。
5. 统计报表模块
通过信息化管理系统，结合监控中心和管理部门日常工作中的业务统计需求，由信息化管理系统自动生成所需的老旧建筑安全统计报表。平台在报表功能设计中，采用报表可配置化设计，从而使得在后续长期使用中可以自行根据需要调整配置，无需技术人员再次开发。
6. 移动手机端APP
平台四项基本管理功能支持通过移动端APP 来完成，功能涉及平台分派日常巡检和临时巡检，支持线下巡检任务、处置管理等功能， 提供巡检线路的规范管理和约束，对巡检任务提供全流程的管理，实现线上和线下数据同步实施功能。
7. 平台设计
管理平台总体功能通过数据中管理人对管理内的在线预警、处置、结果显示进行信息发和管理，在线预警功能得到的信息在传送给处置功能，处置功能信息完成后，传送给结果显示功能，实现对即有房屋的动态综合管理总体功能要求。
8. 决策分析系统
监测管理系统简单易操作，可通过手机端、PC端等查看监测数据、曲线图表。可对图表显示方式进行设置。可在地图上对监测项目位置进行标记。通过专有的远程配置软件，可以将数据导出、设置数据采集时间间隔等。
另提供增值服务，报警设置（设定报警值、发送邮件、发送短信）、数据库管理(云服务器拥有大型网络数据库)、成果输出(日报、数据表、曲线图)等。
9. 第三方对接
危房自动化监测系统具备标准的API接口，可与智慧社区等其他第三方系统快速完成对接。
