基于多传感器的楼宇安全监测方法与应用

阿信

基于多传感器的楼宇安全监测方法与应用（一绪论）

摘要

楼宇作为人们赖以生存和工作的基础设施，一旦出现灾难性故障，会严重影响居民的生产生活，确保楼宇安全平稳地运行对推动经济发展、维护社会稳定具有重大意义。为保证楼宇运营期间的安全性与可靠性，避免出现灾难性后果，必须对楼宇结构进行裂缝、火灾、沉降、倾斜与摆动的状态监测，为维护楼宇安全运行提供技术支持。

本文以楼宇基础设施为研究对象，重点研究裂缝损伤的感知、火灾预警以及变形监测方法，具体研究内容如下

：(1)针对裂缝损伤问题，本文提出一种改进 YOLACT 的裂缝检测方法。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，采用 LIOT 曲线结构增强技术对裂缝进行预处理，增强网络对特征的提取能力，提高模型对小目标检测的精确度。为了增加模型的可移植性，对 YOLACT的主干网络和特征金字塔网络进行轻量化处理，来减小硬件资源占用。同时，主干网络 C3 处引入稀疏 Transformer，增强网络提取裂缝目标空间信息的能力，简化模型的计算量，接着将模型中的损失函数替换为 WIOU，改善目标检测中的漏检、误检，提升模型检测性能。实验表明该方法可有效用于墙体表面裂缝检测，改进后的模型检测 mAP 可达 88.16％，构建裂缝损伤波及区域面积也可以反映楼宇结构健康状况。

(2) 针对火灾监测问题，本设计将 STM32C8T6 和机智云分别作为整个系统的逻辑处理中心和远程显示终端，通过 esp8266 无线模块、气体传感器与温湿度传感器对现场的环境参数进行实时监测，OLED 负责现场环境参数显示，机智云远程终端 APP 负责显示采集到的传感器数据，设置环境参数报警阈值以及远程报警提醒，当烟雾浓度或者温度超标时现场也会触发声光报警。

(3) 针对变形监测问题，本文建立以北斗导航接收机为基础的监测布局方案，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，将采集到的楼宇坐标数据代入度量指标算法中进行实例计算，参照建筑行业相关安全标准，进一步分析楼宇当前所处状态的稳定性。

(4) 基于本文提出的监测方法，搭建了一个楼宇安全监测系统。该系统包括了墙体裂缝检测、火灾监测、变形监测等功能。同时对软件功能进行测试，验证了软件可以实现预期的功能。

通过上述研究，本文提出了裂缝损伤面积分割与计算方法，丰富了对裂缝损伤严重程度的评判方法；提出了结合 STM32 与机智云相结合的火灾监测方法，解决了传统报警器报警不及时、监测范围单一的问题；提出了以传感器布局方案为依据，设计度量指标的楼宇变形监测方法，克服了单点监测过于重视局部而忽略整体状态的弊端。

关键词：裂缝检测；损伤面积计算；机智云；火灾监测；变形监测；北斗

第 1 章 绪论

论文以楼宇基础设施为研究对象，在保证其正常运行和不破环楼宇结构的情况下，开展楼宇安全监测方法研究，开发相应软件。

1.1 课题研究背景与意义

楼宇安全监测是指利用各种传感器和监测设备对建筑物的各种参数和状态进行数据获取、计算和分析，以评估建筑物的整体安全状况。通过楼宇安全监测，可以及时发现建筑物存在的问题和隐患，从而采取相应的措施进行维护和修复，确保建筑物的安全性、可靠性和舒适性。高层楼宇建筑是城市现代化发展趋势和体现，在扩展城市板块兴建大厦的同时，社会关注点聚焦在新楼高度和建设进度，往往忽视了建筑物的安全风险。

在城市快速扩张和发展阶段，楼宇高度逐年攀升，新增了诸多摩天大厦，如中国第一高楼上海中心大厦高达 623 米，总层数 118 层；深圳地标建筑平安金融中心高 599 米，地下 5 层，地上 118 层；北京中国尊总高528 米，建筑层数为地上 108 层，地下 7 层；武汉绿地中心总高度 475 米，共有100 层。这些城市地标建筑高耸入云，另外居民小区、普通办公楼的高度也不容小觑，如果没有配套的楼宇安全监测与安全运维技术，人民的生命财产安全将难以得到保证。楼宇安全问题的诱因分为外部和内部两种，例如雷雨台风、高温暴晒和地壳活动等无法避免的外部原因，人为装修改造的内部原因，都会加速楼宇的老化和造成或多或少的损伤。

此外，年久失修也是影响楼宇健康安全的重要因素。数据显示，我国城市家庭住房中，88.4%是 1990 年以来所建，68.1%是本世纪所建，由此可见 90 年代是我国房屋建设的高峰时期。随着早期建成楼宇服役年龄的增加，部分结构体趋于老化，发生灾变的可能性与日俱增，现阶段已成为城市安全的重点。未来，楼宇建造的需求虽呈现放缓趋势，但需求量依旧庞大，将会跟整个城镇化的提升保持一定的同步。目前，我国城镇化呈现出比较分化的特征，新一线城市如杭州、苏州等，仍有大量的人口流入，人口净流入常年位居前列。

楼宇安全监测通常包括两个方面的内容：结构监测与环境监测。结构监测包括建筑物结构的变形、裂缝、位移等情况的监测，以及地基沉降情况的监测，用于评估建筑物的结构健康状况。环境监测包括室内外温湿度、空气质量、光照等环境参数的监测，用于评估建筑物的舒适性和室内环境质量。通过楼宇安全监测，建筑物的管理者可以更好地了解建筑物的运行状态，及时发现问题并采取措施，保障建筑物的安全、舒适和可持续运行，楼宇安全监测系统的研究与发展在此需求上应运而生。通过监测建筑物的状态，可以及时发现维护需求，做好预防性的维护工作，延长建筑物的使用寿命，减少维修成本。

同时，楼宇安全监测可以帮助评估建筑物的结构健康状况，及时发现潜在的结构问题和安全隐患，确保建筑物的安全性。楼房经过一段时间的使用会出现疲劳和老化现象，容易出现结构损伤和功能失效。通过对楼房的状态进行监测和评估，可以及时发现并处理问题，延长楼房的使用寿命。综上所述，楼房的状态监测对于保障安全、提高维护效率、延长使用寿命等方面都具有重要意义。通过监测楼房的状态，可以及时发现问题并采取措施，确保楼房的可靠性、安全性和可持续性。

回顾大量楼宇灾难性事故，坍塌多是由于楼宇的结构状态改变所导致，环境因素中的火灾也是城市安全的痛点问题。因此本课题以楼宇基础设施为研究对象，选取裂缝、倾斜、沉降、摆动、火灾为监测内容，实现对楼宇结构以及内部环境真实状态的感知，发现存在的问题，及时对楼宇结构进行增强和维护，营造内部安全环境，提高灾变风险的防范能力，具有重要的学术意义和工程应用价值。

针对近年来楼宇城市基础设施发生的灾变风险和日益严重的实际问题，综合分析国际国内情况，该领域仍存在以下问题：

(1) 在对楼宇墙体裂缝进行检测时，分割网络计算复杂度高，有必要对其进行轻量化改进，同时需要提升检测的精度。而且，裂缝作为常见的损伤，仅检测出裂缝的有无意义不大，需要对裂缝本身的参数作进一步分析。

(2) 楼宇的健康安全包括自身结构安全和服役环境安全，火灾作为对楼宇安全影响最大的环境因素，得到重视程度远远不够。传统的烟雾报警器监测范围小，准确性差，误报率高，有必要开发一款结合现场监测端、远程报警端和控制端的火灾监测系统，维护楼宇的健康安全。

(3) 对于楼宇整体状态的感知，市面上多采用传感器进行单点测量，相比于构建监测网的做法，传感器单点测量容易被局部情况影响，无法准确描述楼宇的整体状态。因此，有必要设计传感器布局方案和度量指标，以此为基础对楼宇的倾斜、沉降、摆动等整体灾害类型进行监测。

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