基于多传感器的楼宇安全监测方法与应用
基于多传感器的楼宇安全监测方法与应用（二）1.1 研究内容与结构
本文以楼宇基础设施为主要对象，研究其安全监测方法，建立了裂缝检测和损伤面积计算方法，突破了裂缝检测中精度低的问题，丰富了评价裂缝严重程度的参数；结合 STM32 与机智云平台，开发了一套火灾监测系统，解决了传统报警器监测范围小、报警不及时和误报率高等问题；以北斗导航接收机为基础，设计布局方案和度量指标，完成对楼宇倾斜、沉降和摆动状态的监测，避免单个传感器独立监测时，易被局部变化影响从而忽略楼宇整体状态的弊端，为未来预防灾变风险提供技术支持。根据上述主要研究内容，本文共分为七个章节，论文整体结构图如图 1.1
图 1.1 论文结构体系 第 1 章：绪论。本章主要介绍楼宇安全监测的研究背景、目的以及意义，对国内外楼宇监测行业发展历程和技术研究现状进行了总结，并简要介绍了本文的研究内容与章节结构。 第 2 章：楼宇设施典型灾害与感知。本章对楼宇建筑物的主要组成部分和结构类型进行介绍，以及对常见楼宇灾害类型进行成因分析。然后，总结目前楼宇监测所用到的技术方法，结合相关国家标准，最终选取选取裂缝、火灾、变形作为本文楼宇安全监测的主要研究方向。 第 3 章：改进 YOLACT 楼宇裂缝检测与损伤面积计算方法。针对楼宇安全监测中，墙体裂缝存在不易捕获、走势不规则、与背景像素区分度低等问题，提出一种改进 YOLACT 算法，改进内容包括模型轻量化以及添加自注意力机制等增强检测精度的方法，在检测裂缝的之后进行背景像素分割和计算损伤波及区域面积。最后对模型参数进行评价，对比于其他算法有一定的优势。 第 4 章：STM32 与机智云的楼宇火灾监测。本章首先对火灾监测预期的功能总体框架进行介绍，接着进行器件选型、硬件电路设计，对设计好的硬件部分进行控制逻辑实现，同时编写机智云平台远程终端，最后通过无线模块，完成监测端和远程端的数据交互，完成火灾监测系统总体的调试。 第 5 章：高层建筑变形监测方法研究。本章介绍了以北斗导航接收机为基础的监测方案布局设计和度量指标设计，所实现的灾害监测类型包括摆动、倾斜和沉降，同时将采集到的数据进行去噪处理之后，代入度量指标算法中计算，与建筑行业相关国家标准进行对比，判断楼宇状态的稳定程度。 第 6 章：楼宇安全监测系统的设计与实现。首先，论述了利用 MATLAB 构建 GUI 界面的基本原则；其次，根据楼宇研究对象的实际需求，设计了软件的主要功能模块，搭建了软件的基础框架，并结合本文的算法设计了各模块功能的实现流程；最后，完成对楼宇安全监测软件的功能测试。 第 7 章：总结与展望。首先，对本文所做工作进行了全面总结；其次，对研究阶段中尚存的不足之处进行了展望。
楼宇设施典型灾害与成因分析
灾害是指自然或人为因素引起的对人类社会造成严重危害的突发事件或持续性事件。对于楼宇来说，各种灾害类型或多或少都会对楼宇造成一定的损伤，从而影响楼宇的健康状态。在工程实践中，由于楼宇设施具有体积庞大、结构复杂的特点，在对其进行状态感知时，受设备硬件条件和感知对象环境因素的限制，单一类型传感器无法全面地描绘出楼宇结构体的健康参数。因此，在进行楼宇状态感知与安全监测前，需要对楼宇结构的主要灾变风险进行分析，结合目前的实际需求来确定感知内容。根据对楼宇的影响范围来看，灾变类型的诱因可以划分为整体灾害类型与局部灾害类型，评价楼宇安全状态的指标也是由这些灾变类型中的关键参数计算得出。目前，对于楼宇灾变风险的感知主要是通过传感器长期进行数据采集，并利用人工智能的方法对数据进行分析，出现异常值时进行示警，便于工程人员及时地采取应对措施。 2.1 楼宇基础设施常见灾害类型 楼房通常由地基、围护结构和上部承重结构三个主要部分组成。地基是楼房的基础，负责将建筑物的重量传递到地面，确保建筑物的稳定性和安全性。从类型来看，地基分为地基板、基梁等浅基础以及桩基、井筒基等深基础地基。围护结构包含屋面、非承重墙、外墙、隔墙、楼板、楼梯和屋顶等，外墙作为建筑物的外部围护结构，负责承受风压和保护建筑内部；隔墙则用于划分室内空间，增强建筑物的结构稳定性；楼板位于楼层之间，承载着人员活动和家具等荷载。楼梯则是连接各个楼层，是人员上下移动的通道。屋顶覆盖在建筑物的顶部，作为构建筑物整体结构的一部分，为楼体提供遮蔽和保护。承重结构连接地基，作为楼房的上部骨架，用于支撑整个建筑物的重量。不同类型的楼房由于地理环境和特定功能需求的原因，在结构设计上存在一定差异，在地震频发的地区，还会采用特殊设计的抗震结构来增加建筑物的稳定性，比如剪力墙体系等。但是从使用材料上来看，上部承重结构主要有砖木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构、钢结构以及框架结构。 砖木结构房屋的主要承重构件由砖、木构成，其中竖向承重构件如墙、柱等采用砖砌，水平承重构件的楼板、屋架等采用木材制作，具体如图 2.1 所示，这种结构形式的房屋数量较少，多用于单层房屋。 图 2.1 砖木结构 砖混结构房屋的墙、柱用砖砌筑，梁、楼板、楼梯、屋顶用钢筋混凝土制作，成为砖-钢筋混凝土结构，具体如图 2.2 所示。因此，砖混结构是以小部分钢筋混凝土和大部分砖墙承重。 图 2.2 砖混结构 钢筋混凝土结构如图 2.3 所示，采用钢筋混凝土制作的梁、楼板、柱、基础组成一个承重框架，也成为框架结构，用砖砌筑的墙起围护作用，此结构用于高层或大跨度房屋建筑中。 图 2.3 钢筋混凝土结构 钢结构房屋的梁、柱、屋架等承重构件用钢材制作，如图 2.4 所示。墙体用砖或其他材料制成，此结构多用于大型工业建筑，适用于超高层建筑，如城市地标、写字楼等。
图 2.4 钢结构 框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，结构体的整体性、刚度较好，同时可以把梁或柱浇成各种需要的截面形状，具体如图 2.5所示 图 2.5 框架结构 根据相关国家标准、行业标准以及目前楼宇服役现状来看，地基基础、上部承重结构和维护结构都会发生一定程度的变形、裂缝、腐蚀、老化与损伤问题，具体如图 2.6所示。 图 2.6 楼宇结构及常见问题 对于腐蚀、老化、损伤的问题，一般采用超声波法获取墙体内部 CT 进行分析，但这些问题的最终结果都是导致楼宇的变形。从楼宇灾变的角度来分析，上述楼宇服役过程中出现的问题，伴随发生部位以及问题的严重程度，会引起楼宇的沉降、倾斜、摆动等整体状态的改变。由于楼宇的变形在成型之初是轻微的，人的感官不易察觉，因此如何发现楼宇变形是预防楼宇灾变和解决楼宇安全问题的重点。
2.2 典型灾害成因分析 由 2.1 节可知，楼宇设施的典型灾害包含整体灾害类型与局部灾害类型，它们彼此之间相互影响，接下来对各灾害类型进行成因分析。 楼宇发生沉降的原因由多种，建筑设计问题、地基问题、土壤地质问题、管道漏水、地下开挖等，其中地基不稳定和结构变形是较为常见的原因。随着时间的推移，房屋不均匀沉降所造成的危害逐渐成为一个越来越需要关注的问题。许多城市的老城镇都有大量破旧的建筑，其使用寿命已经过期。此外，沿海地区也容易发生地面沉降。地震易发地区和山区的房屋容易沉降或移动，造成变形或裂缝，影响房屋和居民的安全。建筑物的沉降变形是在垂直方向上的变形，包括下沉和上升。对整个建筑，它分为均匀变形和不均匀变形。
其中，建筑的均匀沉降对建筑的影响不大，即使在建筑面积较小的高层建筑中，每年也必然会发生一定数量的沉降。但是，建筑物所在平面的不均匀沉降和相邻基础的沉降会导致建筑物倾斜，从而危及建筑物的安全。建筑物的不均匀沉降导致了建筑物的剪切变形。从外观上看，当剪切变形程度较小时，建筑墙体会开裂。当剪切变形程度较大时，建筑物会遭到严重破坏，甚至造成倒塌。楼宇倾斜原因为：地质因素、结构因素、自然因素、人为因素，其中最主要的是结构因素，上部承重结构因长期支撑受力变形，从而导致楼宇的倾斜。
此外，摆动作为楼宇评价楼宇整体状态的参数之一，摆动幅度超过国家安全标准也会是楼宇处于危险状态。高层建筑发生摆动的原因是多方面的，通常是由外部力量或内部因素引起，如地震、风力影响、结构松动或磨损、地基沉降等。裂缝作为局部评价参数可能会出现在楼宇的各个组成部分中，当楼宇出现裂缝以后，如果没有进行修复处理，裂缝的数量会逐渐增加，另外裂缝的严重程度也会加深，进一步会引发内部钢筋的锈蚀，使得钢筋与混凝土的粘结性退化，从而导致裂缝所在结构的承载力下降，造成楼宇的健康安全问题。根据裂缝产生的原因，大致可分为五类，具体如图 2.7所示。 图 2.7 裂缝的分类 除变形与裂缝以外，火灾也是影响楼宇安全的重要因素，一旦大火形成，人民的生命财产安全会受到巨大威胁，同时钢筋混凝土等建筑材料也会处在高温环境下，导致结构体承载能力下降，建筑物成为危楼。在高楼建筑中发生的火灾，由于建筑高度、人员密集度以及安全疏散难度的增加，往往导致更为严重的后果。近几年来，我国平均每年发生火灾约 30 万起，如何有效地监测和预防高楼火灾成为了当今社会亟待解决的问题。
楼宇火灾监测的研究具有重要的现实意义和应用价值，通过对楼宇火灾监测技术的研究，可以提高火灾的及早发现和报警能力，从而为火灾扑救制造有效的时间窗口。同时，研究楼宇火灾监测技术还可以为相关部门制定火灾安全管理政策和规范提供科学依据，降低楼宇建筑的发生火灾的可能性。此外，楼宇火灾监测技术的研究还可以为消防救援人员提供准确的灾情信息，提高灭火救援的效率和成功率。 楼宇火灾监测的研究具有重要的现实意义和应用价值，通过对楼宇火灾监测技术的研究，可以提高火灾的及早发现和报警能力，从而为火灾扑救制造有效的时间窗口。同时，研究楼宇火灾监测技术还可以为相关部门制定火灾安全管理政策和规范提供科学依据，降低楼宇建筑的发生火灾的可能性。此外，楼宇火灾监测技术的研究还可以为消防救援人员提供准确的灾情信息，提高灭火救援的效率和成功率。 基于上述原因和楼宇对象自身结构以及所处环境的特性，实现对其灾变风险的感知需要运用到图像处理、智能感知技术、环境监测技术、物联网技术与传感器技术，本文对楼宇安全监测的内容包括裂缝、火灾与变形三个方面，具体内容如图2.8所示。
图 2.8 楼宇安全监测内容 在裂缝检测方面，首先通过无人机拍摄采集墙体裂缝图片，建立合适的数据集，根据生活中常见的裂缝情况，数据集包括横向裂缝、纵向裂缝、斜走势裂缝以及网状裂缝。接下来对数据集进行预处理，提高模型的检测精度。为了保证网络模型的可移植性，进行轻量化改进。同时针对模型的结构以及相关损失函数进行优化与改进，进一步提升检测精度。最后，对检测后的裂缝目标作背景像素分割，构件裂缝损伤区域面积，同时计算出面积大小，对于评判裂缝的严重程度具有一定的现实意义。在火灾监测方面，完备的火灾监测由硬件部分与软件部分共同组成。硬件部分首先对主控芯片、烟雾传感器、无线传输模块进行选取，设计蜂鸣器报警电路以及整个硬件板块的 PCB 电路设计。然后，将设计好的 PCB 发送到嘉立创进行打板。接着搭建远程端软件平台，组建功能模块，包含远程开关电源控制、温度显示与阈值设定模块、烟雾浓度显示与阈值设定模块。接着，实现硬件板子的逻辑功能，将代码烧录到芯片中。最后，将现场监测硬件终端与远程软件平台进行互联，对火灾监测内容进行调试，可以及时发现火灾风险并触发警报。 在变形监测方面，主要针对的是对楼宇整体状态的感知，包含倾斜、沉降与摆动三个与楼宇安全息息相关的参数。首先是进行传感器选型，选取符合楼宇监测需求的导航接收机设备，其通信网络与精度要能够满足楼宇监测对象的需求。根据三个监测内容，分别设计与楼宇倾斜量、沉降量、摆动位移相关联的度量指标，用以评价建筑物的健康状况。接着，从度量指标出发，建立以北斗为基础的监测布局方案。将设备得到的实测数据代入度量指标算法当中，得出结果用于分析楼宇现阶段的状态，便于工程人员及时对楼宇进行维护，保障楼宇的健康与安全。 对于火灾监测与变形监测都需要在现场进行传感器布设，传感器的布设位置显得尤为重要。结合建筑行业标准与传感器参数特性，对所监测楼宇结构进行分析，选择满足监测指标设计目的的传感器布设位置。尽可能利用新型传感器技术获得较多的监测信息，加强系统对楼宇状态的感知能力。因此传感器位置的选择和布局本质上不存在最优，能达到获取监测数据，同时数据融合处理的误差较小即为最优。关于传感器的布局总结了如下五个原则，可使监测的效果更好。 (1) 放置原则：从监测指标的设计目的出发，所选择的放置位置能满足成功获取有效数据的需求，同时放置位置要符合建筑结构特性；(2) 无损原则：因研究的多项多为老旧楼宇或无监测方案的高楼，所以实验过程中一定不能对楼宇造成损伤，所有传感器均采用附着式的测量方法；(3) 关键点原则：依据楼宇内部结构，监测点所处的位置要能反应待测项目的各种隐患状态，避免造成资源的浪费；(4) 精度保证原则：GDOP 是衡量定位精度的很重要的一个系数，它代表北斗测距误差造成的接收机与空间卫星间的距离矢量放大因子。GDOP 值是由接收机位置和卫星的位置计算出来的几何关系确定的，GDOP 值低往往能获得更好的精度，用于监测时要保证接收机与卫星之间无障碍物；(5) 可用性原则：要确保监测系统的设计以及数据融合处理等能够实现，且能够具有一定的现实意义。 本章小结 本章首先对楼宇建筑物的主要组成部分进行介绍，即地基、围护结构和上部承重结构。其中上部承重结构连接地基，作为楼房的上部骨架，用于支撑整个建筑物的重量，与楼宇安全状态密不可分。另外，上部承重结构分为砖木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构、钢结构以及框架结构集中不同的类别。在楼宇服役过程中，各组成部分会发生一定程度的变形、裂缝、腐蚀、老化与损伤问题，这些问题根据的发生部位，最终会改变楼宇的状态使其产生变形。同时火灾作为影响楼宇安全的环境因素，在如今的社会背景下时有发生。因此，选取裂缝、火灾、变形作为本文楼宇安全监测的主要研究方向。在裂缝检测部分，采用深度学习的方法，自建数据集，改进网络模型来实现对裂缝的高效检测，对检测后的裂缝进行背景像素分割与损伤面积计算，以做到提前感知风险，修复损伤较为严重的裂缝。在火灾监测方面，设计现场监测硬件终端与远程软件平台，实现对楼宇内温度与烟雾阈值的设定与超阈值情况下的报警功能，对未来楼宇内部的火灾预防来说，具有一定的使用价值。在变形监测方面，设计楼宇倾斜量、沉降量、摆动位移相关连的度量指标与导航接收机布局方案，通过实测数据分析楼宇当下的状态，便于工程人员及时对楼宇进行维护，保障楼宇的健康与安全。最后，总结了关于传感器的布局的五个原则，可提高监测方案的合理性。
未完待续，敬请关注下一期内容：第3章将探讨墙体裂缝检测与损伤面积计算。
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