建筑结构强震动监控平台设计及应用
刘影 王飞 阎婷 康现栋
建筑结构地震反应观测记录是抗震设计、震害评估、健康诊断、震后加固与重建、地震报警、烈度速报等多项相关研究的基础资料。
随着网络技术飞速发展，建筑结构地震反应观测台阵朝着智能化、多功能化、精细化方向发展。例如，迪拜世贸中心结构整体安全监测系统和快速评估系统可通过台阵的实时监控获取建筑物在遭遇破坏性地震后的实际损失情况、健康状况，并提供可视化报道，用于地震损失评估和应急响应规划。日本欧姆龙股份有限公司布设的结构台阵可实时监测建筑物刚度变化，地震时可通过ITK专用软件分析监测数据，通过邮件或网站发送分析结果及应急方案等资料，用户可据此采取避难或补救措施。目前，我国现有建筑结构观测系统仅用于强震观测，需研究并建立结构健康监测与地震报警相结合的多功能结构台阵观测系统，以满足地震损失评估和应急响应规划的需要。
目前国内对大型桥梁健康状态在线监测研究较多。广东省地震局建成的大型桥梁地震安全性在线监测与评估系统“实现了桥梁强震监测数据实时采集、传输、分析、诊断、仿真和评估一体化”。西安建筑科技大学根据土建工程的实际需求,构建了一套结构实时监测系统，实现了结构远程监测、数据实时处理和结构统一管理，在某跨河大桥施工监测中取得良好效果。国内建筑结构的实时监测应用很少，主要是对一些特殊建筑进行结构健康监测。浙江大学研究、开发的建筑安全监测平台“可以实现基础数据管理、监测的配置管理、基础数据管理和预警管理”。常见的国内建筑结构安全监测平台主要是用北斗、静力水准仪、倾角仪等进行形变监测，没有整合建筑结构地震反应观测需要的加速度传感器监测数据，满足不了地震损失评估和应急响应规划的需要。
为了建立结构健康监测与地震报警相结合的多功能观测台阵系统，基于北京市防震减灾中心结构强震动观测台阵，增加了辅助观测手段，采用成熟稳定的开源软件、利用北斗授时与定位、大数据存储与管理等技术将数据整合入库，搭建了北京市建筑结构强震动监控平台。该平台以加速度传感器监测为主，辅以北斗、静力水准仪、倾角仪和视频等变形监测手段，实现了实时监测、报警、处置、分析、模拟演示等功能。
（一）系统概述
系统设计运用信息系统工程的思想方法，遵循先进性、实用性、规范性、安全性、可维护性、可扩展性的设计原则。
优先采用国家或行业已有标准、成熟技术和成熟稳定的开源软件构建平台基础，并充分考虑城市安全监测的长远发展目标，采用先进的设计思想和开发手段，全面支持各种应用功能的扩展。从标准和技术上保障系统的可扩充性、易维护性、开放性和统一性，为今后整个软件系统功能的完善、更新提供条件。
系统支持多用户在线、多事务并发等规模化应用模式，支持多用户/多系统调用。系统的运行采用B/S（浏览器/服务器模式）结构，用户只要使用IE浏览器便可登录使用本系统，对于部分复杂的图形处理功能则采用B/S加载插件模式运行，减少了客户端系统的维护工作。
（二）监控平台系统架构
1.监控平台的系统框架
北京市建筑结构强震动监控平台由前端系统、数据采集处理系统、综合展示系统、数据库支撑系统组成。其硬件系统按照数据处理层级，可分为前端测点层、后端处理层、终端应用层三层架构，逻辑示意图如图1所示。
图1 监控平台硬件系统框架
监控平台的功能模块层级架构如图2所示。终端系统包含传感器等前端测点层，后端处理层包含数据采集传输系统及数据库管理系统，终端应用层则包含综合展示系统、数据库管理系统相关的用户接口部分。
图2 监控平台功能模块层级架构
监控平台有实时数据监测、数据查询、数据分析、事件报警、报警处置、事件演示、日常报表等功能，平台的功能实现框架逻辑关系如图3所示。
图3 监控平台功能逻辑框架
2.监控平台功能的实现
采用以Java为主的成熟稳定的开源软件构建开发框架，用于数据采集与接收、数据存储、服务技术架构及数据展示。用稳定且免费虚拟机软件Centos（版本为Centos6）在Linux系统上搭建平台，利用北斗授时与定位、大数据存储与管理等技术将数据整合入库。
监控平台支持Windows系统，平台界面基于B/S结构，通过网页地址登录。首页显示地图信息、台阵信息、台阵状态、报警统计、报警详情，菜单栏有台阵列表、事件演示、报警处置，如图4所示。点击台阵列表和地图上台阵位置均可进入相应结构台阵的实时监控页面。
图4 监控平台首页
平台采用多手段动态监测结构形变，用北斗实测高精度水平位移、垂直位移校准加速度计算位移，利用位移、倾斜、沉降多个检测变量分析结构形变；
当接收到的数据参数超过设定触发阈值，即发出分级报警处置信息，同时显示建筑结构变形状态；
通过读取模拟或者真实数据，经过数据校正、滤波、谱分析后得到结构的自振频率和阻尼比等自振特性；
通过读取模拟或者真实数据，也可模拟演示建筑的结构变形状态。
（一）实时监控
通过实时监测可获得结构和设备的实时状态。监控平台首页实时显示台阵状态、报警信息，台阵界面显示监测设备种类、数量、设备在建筑物上的安装位置及实时数据。北京市防震减灾大楼结构台阵监控界面如图5所示，选择加速度计，即显示加速度传感器的安装位置和加速度实时数据。其他辅助监测手段的监测数据如图6所示，北斗监测终端可显示楼顶监测点监测到的水平位移和垂直沉降量，倾斜传感器终端可显示第1至第7层各监测点东西和南北方向的倾斜量，水准仪终端可显示地下二层4个监测点的沉降量，视频摄像机可记录结构的外观变化。
图5 监控界面
图6 辅助设备监测数据
（二）数据综合分析
加速度实时记录可用于结构的动力特性分析，震后可用于结构变形分析；
北斗传感器各监测点的水平位移可用于地震加速度的位移校准；
利用北斗和倾斜传感器监测数据可计算结构的层间位移角并判断结构的安全状态，也可用于结构主体的倾斜、变形分析；
静力水准仪监测数据用于结构基础的沉降、变形分析；
各监测设备的累计数据可进行沉降变形的趋势分析。
（三）报警处置
当记录参数达到触发阈值时平台报警，通过设置不同级别的触发阈值可实现分级报警功能，报警的同时将地震信息推给维护、管理人员。根据结构安全状态，将警报等级设为三级，一级“地震触发，结构安全，无须疏散”，二级“地震触发，结构破坏，有序疏散”，三级“地震触发，结构危险，紧急疏散”。报警处置界面如图7所示，通过该界面可查看报警信息，进行报警处置并生成报告。
图7 报警处置界面
（四）模拟展示
进入事件演示界面可从数据库或电脑终端读取加速度数据、台阵实时数据、倾角模型数据进行模拟演示。北京市防震减灾中心台阵在强震动作用下结构振动的动态演示界面如图8所示。
图8 结构振动的动态演示界面
平台使用人员可登录平台检查仪器的工作状态，查看建筑健康状况；
也可登录平台读取、处理实时记录的加速度数据、分析结构的自振振型，并根据加速度、位移、倾角等的日常监测数据开展结构的健康诊断。一旦有地震、爆炸、碰撞等事件发生，监测设备即时触发，记录结构的强震动响应、结构的振动形态、微观和宏观变形，直观显示结构的破坏情况；
同时发出分级报警信息，可实现被监测结构震后准确评估和合理的应急疏散方案制订。
本平台开发技术和实现功能为建筑结构健康监测提供了一种参考模式，平台监控系统开放性强、可扩充、易维护，便于推广应用，有助于推动我国建筑结构强震动观测台阵的多功能化、智能化发展。
目前，报警信息只能在线推送给相关责任人，不同指标综合判断还需要人工操作，平台加速度数据自动处理还仅限于时间域。为解决以上问题，科技人员正在开发频率域的实时波形展示功能，通过监视结构的自振频率变化实现建筑物刚度变化的实时监测；
后续将拓展基于不同指标的自动综合判断功能，进一步扩展建筑结构安全状态的在线推送功能，并根据用户需求开展定制服务研发。
随着监控平台的完善和数据综合分析、应用技术的提高，未来区域内如能建成结构类型和数量分布合理的结构台阵，通过监控平台实时获取单体建筑物在破坏性地震发生后的实际损失情况、健康状况，将能由点及面实现震后准确评估，满足区域地震损失评估和应急响应规划的需要。
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