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    依托北斗,构建全国建筑安全监测服务平台
    时间:2015-12-03 08:51 来源:中国智慧结构网 作者:管理员 点击:
石毓号    饶    杰
(北京中科精图信息技术有限公司,北京 100094) 
 
摘  要:建筑安全一直受到政府、企业、民众的高度关注,随着我国北斗卫星导航系统的不断发展完善,已经能满足建筑安全监测的需要,其高精度、连续性、实时性等特点更将创新以往的监测技术。北京中科精图信息技术有限公司承担的住建部主管的北斗卫星导航产业重大应用示范专项项目暨“基于北斗高精度定位的建筑安全监测应用服务平台”将系统实现“北斗+建筑安监”的数据获取、处理、分析、预警、上报、管理等诸多行业价值,为建筑健康提供更好地服务。


一、 我国建筑安全监测的现状和面临的问题
       (一)我国的建筑数量庞大且迅速增长
        随着经济的发展和城镇化建设进程的加快,我国的建筑数量迅速增加,据统计资料,目前,全国甲乙类建筑总量超过1000万栋,且每年以50万栋的速度增加,中国公路桥梁超过70万座,市政桥梁也有几十万座,各大中城市地铁里程规划超过1万公里,全国每年新增的建筑面积超过1000万平方米,2014年全国建筑业的总产值达到176713.40亿元。数据表明,不管是从存量还是增量上看,我国都是名副其实的建筑大国。

       (二)我国存在大量的建筑安全隐患
        近年来,城市中出现了大量的超高层建筑和超限大跨的建(构)筑物,城市大量工地开挖、地下管廊、地下隧道的不断开凿建设,导致城市地下空间发生巨大变化,一些城市地下水干涸导致一些区域整体发生沉降,我国大量建于上世纪80年代末至90年代的建筑进入维护期,很多建筑变成危房甚至垮塌,城市中大量地铁兴建且下穿老城区,施工中大量使用超高塔吊等大型、重型机械设备;同时,我国还是一个自然灾害频发的国家,深受地震、火灾、水灾、风灾、爆炸、冰雪灾害等影响,这些都构成了城市的建筑安全隐患,有些直接导致了严重的建筑安全事故,这些安全隐患的存在以及建筑安全事故的发生,给城市居民带来了严重影响,也给城市管理特别是城市安全管理带来了巨大挑战。大量建筑安全事故的发生以及建筑安全隐患的普遍存在,已引起各级政府与建筑安全管理部门、建设施工与运维企业的高度重视,也引起了广大居民的关注与关心,对这些有安全隐患的建筑,特别是在地震断裂带、沉降带地区的重点建筑以及上世纪80 到90年代的高层建筑进行全覆盖并实时监测变得非常迫切。
 2015年前三季度建筑安全统计表
 
        (三)建筑安全的形势呼唤建筑安全监测技术水平提升
       长期以来,我们对既有建筑在使用中的安全监测不够重视,绝大部分建筑在竣工后,经过短时间的沉降观测,沉降稳定后一般就不进行任何监测了,导致这种情况的原因一是有关法律法规滞后,对使用中的建筑安全监测没有强制性的要求。另一个更重要的原因是目前建筑安全监测手段基本是靠人工监测,不能够及时发现建筑隐患并进行预警,更难以保证全面覆盖城市中所有的隐患建筑。
       由于建筑也有生命周期,我国一些高密度、高速度、超出环境负荷能力的建成区将进入隐患高发时点,同时地震断裂带上、沉降严重地区的建筑安全隐患较多,迫切需要采用连续实时广域的监测手段对这些建筑进行监测。因此建筑安全监测的技术手段的创新与升级迫在眉睫。

二、北斗技术的发展为建筑安全监测技术的提升创造了条件
        (一)北斗技术的发展情况 
         北斗是中国自主研发建设的重点航天工程,与美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)、欧盟的伽利略(Galileo)构成四大全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)。
        目前,北斗系统成功发射17颗卫星,正式提供区域服务。北斗系统ICD文件2.0版正式发布,国际化趋势进一步加速。卫星导航应用理论研究和技术研发发展迅速,芯片、核心模块及终端等关键技术取得重大突破并实现了产品化,“北斗二号”系统在区域内的性能已经可以与GPS抗衡,借助地面站的支持,其定位、授时和测速精度甚至能够超越GPS。
目前,北斗高精度定位能实现的精度是:事后处理静态测量,毫米级;实时动态差分,厘米级;广域双频接收机,分米级。在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后,精度还可以提升到水平1mm,垂直2mm。

       (二)国家对北斗产业的政策
        目前,美国GPS系统占据了全球绝大多数定位市场,中国市场有90%份额都是GPS,包括通信和电力等关乎国计民生的行业,因此在国家安全至上的时代,发展自主可控的北斗成为政府的重中之重。为此,国家为促进北斗产业的发展出台的相关的规划文件和政策。
        《国家卫星导航产业中长期发展规划》指出:到2020年,我国卫星导航产业创新发展格局基本形成,产业应用规模和国际化水平大幅提升,产业规模超过4000亿元,北斗卫星导航系统及其兼容产品在国民经济重要行业和关键领域得到广泛应用,在大众消费市场逐步推广普及,对国内卫星导航应用市场的贡献率达到60%,重要应用领域达到 80%以上,在全球市场具有较强的国际竞争力。
        为推进北斗卫星导航在经济社会重要领域的规模化应用,有效提升行业运行安全和效率,促进我国北斗卫星导航产业发展,住建部、工信部、海关总署、国家林业局、国家电网、航天科工、中交等单位提出了北斗卫星导航产业重大应用示范发展专项实施方案。其中,住建部门将重点支持构建基于北斗高精度定位的建筑变形监测和安全预警系统。在地震断裂带和地面严重沉降地区开展甲乙类建筑高精度位移动态监测示范应用,推进北斗高精度产品在建设行业规模应用。这无疑将推动北斗技术在建筑安全监测领域的普及应用,也将推动建筑安全监测技术的提升和发展。

 
北斗产业发展规划图

三、北斗技术在建筑安全监测领域的应用

       (一)北斗在建筑安全监测领域的应用优势
        北斗技术的发展使得北斗技术在建筑安全监测领域的普及应用成为可能,而且,北斗技术在建筑安全监测领域的应用有其特有的优势:
        1、 能够长期连续进行监测,发现趋势;
        2、 能够自动实时监测,能够及时预警;
        3、 能够大范围、全天候同时观测,能够避免恶劣天气或环境给人工监测带来的影响;
        4、 能够构建多级应用体系,形成大数据分析能力;
        5、 改变因政府管理手段缺乏和企业重利违规而造成的隐患众多、事故频发的现状。

       (二)北斗技术在建筑安全监测领域的应用场景
       
         北斗建筑安全监测应用场景图
 
         1、 建(构)筑物实时动态监测
       我国大型超高限建筑居世界首位,经过十几年人类历史上规模最大的城市化建设,一些高密度、高速度、超出环境负荷能力的建成区,将进入隐患高发时点;各类市政桥梁隧道有相当数量因结构损伤老化、建设质量、车辆超载超限等问题及受地震、地面沉降、台风等影响存在重大安全隐患。
       这些重点建(构)筑物的安全性一直是住建系统所特别关注的,因为这些建(构)筑物具有价值大、隐患多、一旦出事损失巨大的特点,因此从政府监管的角度需要引导建立某种监测系统并实现监测信息汇总发布,业主单位从自身安全管理和维护运营的角度出发,也需要一种实时动态监测系统。
         2、建筑质量和安全监管
        通过高精度移动测量终端的推广,城市住建系统的质检、安监、抗震、房屋鉴定等业务部门,能够以厘米级精度定位待检查部件和事件,并结合终端上的地理信息系统或建筑信息模型实现图纸与工地的对应,还可以非常方便地查询资料和填报检查数据,这些都可以明显地改进工作效率和实现业务处理流程更加合理化、便捷化。
         3、特殊地区的沉降监测
         沉降严重的地区主要有:沿海地面松软区、山地地质灾害易发区、采矿区、地下水开采区、地铁工程周边,需要采用北斗高精度定位产品,构建长期连续观测、实时自动观测的系统 ,能够解决大范围沉降趋势分析与风险隐患预警。
         4、地震断裂带的建筑安全监测
        我国是陆地强震最多的国家,这些地震带近来比较活跃,给国家财产和生命安全带来很大的威胁。
        地震断裂带的建筑安全监测北斗高精度定位产品的主要应用有:房屋抗震性能检验、大区域大量监测点长期观测做地震建筑风险隐患评估以及灾后的房屋鉴定和损失评估。

四、建设北斗建筑安全监测服务平台
       (一)各行业北斗平台的应用价值
        对于北斗行业的应用,除了需要安装相应的北斗监测设备外,还需要建立相应的核心数据系统或接入一个统一的服务平台,对数据进行收集、解算、整理和分析,从而进行相应的管理。平台将会给行业的管理带来相应的应用价值。比如:
        1、交通运输平台:车辆远程管理可以通过卫星实时监控车辆车况、维修状况、行驶路线及时间、驾驶员等信息,当有不安全因素如车辆超速、偏离路线等情况出现时,系统会自动报警提醒司机。
        2、海洋渔业平台:渔业是北斗应用的重要领域,基于北斗系统的海洋渔业综合信息服务平台,可以提供船位监控、紧急求援、信息发布、渔船出入港管理等服务。
        3、防灾减灾平台:通过北斗系统的导航、通信功能,可以实现灾害预警速报、救灾指挥调度、快速应急通信等,极大地提高灾害应急救援反应速度和决策能力。
       
       (二)北斗建筑安全监测平台的建设目标与应用价值
        建筑安全监测服务平台以北斗监测设备、计算机硬件与网络通信平台为依托,以统一运行管理、信息安全及规范为保障,以数据中心为枢纽,以北斗高精度定位、软件系统、数据仓库等技术为支撑,为建筑安全监测领域内的各应用提供服务的系统总体集成。实现建筑安全监测的设备接入、数据解算和存储、安全监测、数据查询和挖掘等功能。
        建筑安全监测服务平台的建设目标是建立全国标准的北斗建筑安全监测解算等服务体系和全国统一联网的建筑安全监测服务平台。
        建筑安全监测服务平台应用价值:实现对重点建筑的实时监测,建筑安全的预警,辅助政府对建筑安全的监管,建筑安全会商等功能。

        (三)北斗建筑安全监测服务平台扩展
        1、利用物联网技术构建建筑健康大数据中心
        建(构)筑物除了安装北斗设备外,还可以安装其他传感器,这些持久运行的传感器构成对建筑的连续、自动、实时监测,获取建筑的变形数据、应力数据、环境数据及安防数据等各种数据,这些数据接入北斗建筑安全监测服务平台,实现记录健康档案、风险隐患预警、辅助运管维护、辅助加固决策、辅助抗震特性鉴定、辅助事故责任鉴定(建筑黑匣子)等功能,成为建筑智能化的组成部分,服务于政府的建筑安全监管、建筑运维管理、建筑施工管理和广大居民居住安全与适宜要求。
        同时,随着数据积累,平台将可以为每一栋建筑建立全生命周期的动态的数据中心,为建筑的使用、维护、修理变得非常重要提供数据支撑。 
        2、建筑安全监测服务平台支撑建筑业互联网+
        在2015年的两会上,中国政府总理李克强在其政府报告中提出了“互联网+”行动计划,互联网+成为众多传统行业升级的一个方向。建筑行业是最需要被互联网变革的行业,因为这是最大的大数据行业,却也是当前最缺少数据的行业,由此引发的行业管理和企业管理问题长期无法解决。建筑行业会被互联网变革,但很难被单纯的互联网变革,这与其他行业有很的不同。随着信息化技术和水平的提升,BIM、大数据、物联网、移动技术、云计算等,都可以打破原来的传统发展模式。而这些技术手段都是通过“互联网+”实现的,作用于建筑行业,提高行业信息化水平,降低成本,提高效率。
        建筑安全监测服务平台,凭借与各种物联网传感器的接入,构建建筑健康、建筑绿色和环境宜居大数据中心。通过BIM、CAD、GIS等技术的深度融合,革新对建筑结构健康信息的管理方式,实行建筑业深度信息化,为建筑互联网+提供支撑!

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