摘要:以超高层建筑为研究对象，主要基于物联网技术针对风荷载、环境温湿度、地震、内外筒竖向变形差、结构顶部水平变形和竖向变形、层间位移、关键构件和节点的应力应变、结构振动等因素进行动态化、智能化监测，构建超高层建筑运营阶段健康监测原型系统，对类似项目具有参考意义。
关键词:超高层建筑;传感器;结构健康监测;原型系统;物联网技术
0引言
结构健康监测是一门新兴的交叉学科，它涉及物联网、通信、信息、计算机、材料、结构等学科知识。其定义为:用现场监测方式从营运状态的结构中获取其内部信息并处理数据，来判断和评估结构因损伤或退化导致的主要性能指标改变的有效方法。结构健康监测是近十几年来国内外研究热点，其主要应用于大跨度桥梁、大跨空间结构、核电站及超高层建筑［1］，本文以超高层建筑为主要研究对象。超高层建筑结构在使用阶段将不可避免地遭受荷载作用、环境侵蚀、材料老化、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用，导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而使抵抗自然灾害、正常环境作用的能力下降，极端情况下可能引发灾难性的突发事故，因此需要通过监测及时发现存在的问题，将危险因素消灭在萌芽阶段，减少损失，防止恶劣事件发生。超高层建筑结构健康监测俗称“建筑医生”［2］，主要基于物联网技术针对风荷载、环境温湿度、地震、内外筒竖向变形差、结构顶部水平变形和竖向变形、层间位移、关键构件和节点的应力应变、结构振动等因素进行动态化、智能化监测，从而诊断建筑的健康情况［3－4］。
1健康监测系统设计原则
系统设计应遵循如下原则:1)先进性:采用技术应具有先进性和前瞻性;2)兼容性:各种传感器、数据采集通信设备、数据存储设备以及对附属设备和软件系统可协调工作和无缝衔接;3)可靠性:系统的各监测设备应处于在正常工作状态，无过载超负荷等现象发生，并考虑一定的富裕度和冗余贮备，即使个别设备出现故障，系统仍能正常工作;4)安全性:系统应充分考虑安全性，包括物理安全、逻辑安全和管理安全;5)可扩展性:系统应采用开放的架构，可以满足未来新的发展和需求;6)经济性:在保障系统的可靠性等各项要求的前提下，应适当考虑经济性，节约投资。
2健康监测系统设计
健康监测系统整体设计如图1所示。
2.1传感器子系统
传感器子系统的搭建需要进行监测内容的确定、传感器的购置和传感器的布置3个方面的工作。监测内容包括环境监测、荷载监测、动力响应监测、静力响应监测等(监测类型见表1);传感器的选型需要保证可靠性和耐久性，并且与其他系统兼容，不影响结构的外观;传感器的布置需要结合建筑结构特点，选定位置需要与设计单位进行确认。传感器子系统将各荷载信息和结构响应信息转换为电信号、光信号或数字信号。
2.2数据采集与传输子系统
数据釆集与传输子系统(如图2所示)是结构健康监测系统的中心枢纽，主要功能是数据采集、传输的设置和控制，将传感器信号转换为目标测试量，一端与传感器子系统相连，完成传感器信号的调理、模数转换;另一端通过网络与数据处理和管理子系统(监测中心)相连，完成数据的远程传输。1)数据采集数据采集需针对动态信号、静态信号、数字信号、光信号、GNSS卫星信号进行针对性处理。①动态信号加速度传感器、强震仪的信号为动态信号，应考虑抗混叠滤波、高速采样和采样时钟同步。分辨率不应影响加速度传感器的测量精度，可采用24位的AD转换器，采样频率可达到100KSPS。②静态信号模拟静态信号主要为工业标准的0—5V和4—20mA和频率信号，可能涉及的传感器包括螺旋桨风速仪、温湿度仪、太阳能辐射传感器、静力水准仪、振弦式应变计等，4—20mA电流信号可通过测量精密电阻两端的电压获得，可选用250Ω的精密电阻。③数字信号部分传感器直接输出RS485数字信号，包括三向超声风速仪、倾斜仪等。RS485串口数字信号可直接接入数据采集设备的串口中，然后对传感器输出的数据格式进行解析后，按标准传输协议传送至上位机。④光信号FBG传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射布拉格波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度的测量。光纤光栅应变计和温度计就是此类传感器，需采用专用的光学解调仪器进行数据采集和转换。⑤GNSS卫星信号GNSS卫星信号包括测距码信号、导航电文和载波信号，需通过专用的解码装置(接收机)进行数据解析。2)数据传输数据采集传输系统自动获取传感器的数据，通过有线或无线网络直接将数据传输到中心服务器，数据传输可采用工业以太网方案，考虑到实时性和可靠性的要求，应采用冗余环网。中心服务器接收数据后，对数据进行判断及预处理，并存入数据处理与管理系统。对存入数据管理系统的数据进行分析，与设计结果及目标值进行比较、判定，并及时根据偏差情况，发出当前或下一步工作的指令。
2.3数据处理与管理子系统
1)数据处理接收数据采集与传输子系统的数据，完成对原始数据的实时接收和预处理，并进行滤波、去噪、统计等二次处理，之后进行展示、存储和管理，供授权用户或程序查询和调用。数据处理与管理子系统是整个系统的“心脏”，管理和控制着系统的硬件和软件以及数据分析结果。数据处理与管理子系统主要功能是评估数据质量、剔除异常值、抽取优良数据、判断传感器和数据采集板卡工作状态，如有异常应给出报警;根据需要对数据进行滤波和重采样，提高数据信噪比，同时降低数据量;针对结构安全预警与综合评估子系统的需要，进行相应的数据分析、提取和变换，包括计算和提取各类特征量、数据统计分析、数据对比分析、数据图形分析、时域变化、频域变换、时频变换等;向结构安全预警与综合评估子系统提交所需数据，它承担着数据处理、存储、调用、查询和管理功能，完成现场设备的管理与控制，分散计算机服务器的工作负荷。具体流程包含数据预处理和数据处理两大部分。对结构健康监测数据进行预处理，预处理内容包括数据清理、数据集成、数据变换、数据归约等。①数据清理。通过填写缺失的值、光滑噪声数据、识别或删除离群点并解决不一致性来“清理”数据，达到格式标准化、异常数据清除、错误纠正、重复数据清除等目标。②数据集成。把不同来源、格式、特点的数据在逻辑上或物理上有机地集中，从而为后续分析提供全面的数据信息。③数据变换。通过平滑聚集、数据概化、规范化等方式将数据转换成适用于数据分析的形式。④数据归约。对时序数据进行适当时间和空间的归约，减少用于分析的数据量，提高数据分析准确率。数据处理的主要内容包括以下3点:①与数据采集服务器进行通信，接收采集数据;②对数据进行处理，包括滤波、提取、转换和统计分析等;③转换成指定的格式用于数据存储。2)数据管理为了有效地进行数据存储与管理，必须设计相应的数据库，系统中心数据库是数据交换、存储、调用和查询的核心。中心数据库应满足以下条件:①保障数据存储安全;②长期不间断稳定工作;③可同时处理结构化及非结构化数据;④可完成数据的高速查询及快速生成;⑤支持网络分布式数据管理，支持Web数据访问，满足开放式数据库协议等。本文设计的中心数据库主要包括实时数据数据库、结构静态信息数据库和统计分析数据库(如图3至图6所示)。数据库设计考虑数据备份和灾难恢复策略。数据库采用SQLServer2012实现。服务器采用双硬盘设计，自动对数据库进行差额备份。同时，利用网络，在其他服务器进行数据备份。利用数据库备份对数据库进行灾难恢复。
2.4结构预警子系统
结构预警子系统是指在系统运行过程中通过监测数据与理论模型计算的结果对比，结合安全评估理论，对结构的安全状态进行评估，对超过警戒的状态随时发出报警信息，提醒管理员及时检查异常情况，迅速对异常状况进行确认，并采取应急措施。警戒值应根据设计值并综合考虑规范允许值进行设定。预警项目应包括下列主要内容:1)强风;2)高温;3)地震;4)3种变形:内外筒竖向不均匀变形、结构顶层水平和竖向变形、层间位移;5)结构应力;6)异常或强烈结构振动。结构安全预警子系统分为以下几个部分:1)优化监控指标对强风、高温、地震、内外筒竖向变形差、结构顶部水平变形和竖向变形、层间位移、关键构件和节点的应力应变等，提出其监控指标———技术警戒值。不断积累实测资料，并且分析优化监控指标，这是一个渐进的过程，逐渐趋近合理的监控指标。2)安全评估安全评估主要是指通过对采集的数据进行分析，从而判断建筑结构是否安全，是否可以正常使用，为管理决策提供依据。3)安全预警当监测值超过预警值，反映建筑物工作状态出现明显异常或险情时，立即向相关部门报告情况，做出技术报警，向各级管理人员发送短信、邮件等。
3系统设计需要注意的一些问题
1)传感器需根据建筑结构特点进行布设及安装，选定位置需设计单位确认，确保监测位置选定的合理性和可靠性。2)传感器统一管理，对各种传感器及其配套设施进行统一编号，为每个传感器建立电子档案资料以记录其具体信息，将传感器及其配套设施的资料按规定的格式录入传感器档案库中以供查询。3)监测系统应按照设计原则进行优化配置，从传感器安装位置到系统主控室之间的电缆埋设走向、电缆沟、电缆保护管的布置应充分考虑对墙体的破坏及美观问题。4)在特定传感器处安装独立的防雷接地系统，并与大楼整体防雷接地相连。
4结束语
本文以超高层建筑为研究对象，介绍了健康监测系统设计原则、系统组成及需要注意的问题，并综合考虑风荷载、环境温湿度、地震、内外筒竖向变形差等多源因素构建超高层建筑运营阶段健康监测原型系统，对类似项目具有参考意义。
作者：王天应 单位：广州市城市规划勘测设计研究院