CN103957260B - 一种基于物联网的装配式混凝土全程监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于物联网的装配式混凝土全程监控系统，围绕装配式混凝土在制作、运输、安装等环节上存在的质量安全、物流追踪等方面的问题，按照装配式混凝土生产前、生产中、生产后、运行四个阶段的生产全过程，利用传感器、无线射频、无线通信等技术，建立符合装配式混凝土发展的物联网模型，构建装配式混凝土生产、施工过程中的感知结构、建设低成本环保的传输网络、建立装配式混凝土的云计算大数据服务平台以及智能决策、反馈信息系统，以实现生产过程的质量监控、构件的物流跟踪以及吊安装过程的动态监控，实现装配式混凝土从制作到竣工全过程的监控与追溯。

Description

一种基于物联网的装配式混凝土全程监控系统

技术领域

本发明涉及一种装配式混凝土全程监控系统，尤其涉及一种基于物联网的装配式混凝土全程监控系统。

背景技术

装配式混凝土是指预制混凝土构件经工业化生产后，作为为主要构件，经过装配、连接，结合现浇而形成的混凝土结构。它是当代建筑产业工业化的主要方向之一，是近年来国内外均大力提倡和发展的建筑形态，符合近十年来我国所倡导的可持续发展理念，和“低碳经济”政策。与传统的建筑生产方式相比较，装配式混凝土具有施工方便、生产效率高、低污染、资源利用高优势，提高劳动的生产效率、降低成本，在一定程度上有效的解决了劳动力缺失的情况，同时与传统现浇混凝土相比，表面平整尺寸准确，能够与保温隔热、水电管线等多方面布置结合，具有较好的适应性。装配式混凝土对于克服传统建筑生产中的一些弊端有着重要的发展意义。

物联网是一种动态的网络基础设施，它具有自组织能力，在无需人工协助干预的条件下便可实现物与物、人与物、物与人的协同和互动，被称为信息产业的第三次浪潮，在近几十年来得到世界各国的大力发展及推广。我国的物联网技术研发水平处于世界的前列，在各个方面的研究均有所成就，与其他发达国家基本保持步调一致，这无疑为解决装配式混凝土发展过程中存在的问题提供了新的解决方向。物联网在智能建筑、施工现场安全管理、交通物流等方面应用广泛，例如，2010年杭州安监部门开发了一套对混凝土搅拌车超载超速现象进行监控管理的系统，这一系统能够实时监控车辆所处位置、所载混凝土的各方面指标，同时可以控制混凝土车超载，超速等现象的产生，避免发生安全事故；美国Vermont大学建造时，Huston.Fuhr等人在其中一栋大楼的建造过程中利用光纤传感器进行对楼体结构的安全状况监测。

目前，物联网在各个方面的研究均有所成果，但在建筑方面的综合应用还处于初步发展时期，主要应用与建筑产业的单一方面，例如，建筑原材料的管理、室内空气指标的确定、施工现场的安全管理，在装配式混凝土方面还仅局限于对某一方面的管理，没有一套完整的针对装配式混凝土生产施工全过程的物联网应用体系，主要是在对制作装配式混凝土车间、构件吊安装过程的质量监控方面不够完善，在对施工现场各方面管理过程虽然应用了无线射频技术，但没有将信息进行很好的整合汇总，没有真正的实现建筑工业化与智能管理。本文以装配式混凝土为研究对象，利用物联网技术构建模型，实现一种基于感知层、传输层、应用层、用户层四个层面的物联网管理框架，研究探索出一种操作实用可行的物联网模式，为今后的装配式混凝土生产工业化全过程提供参考依据。

近年来，我国各地均在不同程度推进现代建筑产业化的发展，规范和加强装配式混凝土的质量，2011年1月，沈阳获批成为全国第一个国家现代建筑产业化试点城市，以保障性公租房建设为契机，扩大装配式建筑工程项目建设规模。同时为提供强有力的技术支持和人员保障，沈阳市编制和发布实施包括《预制混凝土构件制作与验收规程》、《装配整体式混凝土结构技术规程》等在内的6部省级装配式建筑技术标准。目前，各地装配式混凝土发展规模都在不断扩大，但其中存在一些不足之处，第一，在政策规范方面，缺乏标准化的规范及技术规程，政策引导股沟；第二，在技术方面，装配式混凝土制作工艺技术的发展与规模发展相比较为缓慢，构件形式简单，难以保证各类建筑的需求，与发达国家仍存在一定的差距；第三，在管理方面，现场工人缺乏专业性的知识，管理人员经验较为匮乏，缺乏有效的监督管理模式；第四，在质量进度方面，各类构件到达现场时间的不可控制性，可能会造成窝工，降低效率，增加成本，构件吊安装后，整体质量控制一般依靠人力测试，存在一定的误差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于物联网的装配式混凝土全程监控系统，能够实现装配式混凝土从制作到竣工全过程的监控与追溯。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于物联网的装配式混凝土全程监控系统，其特征在于，所述系统包括感知层、传输层、应用层和用户层；所述感知层包括无线传感器、RFID标签和摄像头，利用无线传感器网络对装配式混凝土构件的质量进行监测，对构件的安装过程进行监控，利用RFID标签和GPS技术对构件进行物流跟踪监控，利用摄像头对构件的制作过程进行监控；所述传输层基于移动信息传输平台，其包括用于传输无线传感器采集数据的质量传感监测网络和构建吊装安全监测网络、用于传输摄像头采集数据的构建制作图像监控网络，以及构件运输物流监控网络；所述应用层包括基于云计算的大数据应用平台的构件四方监控应用中心，分别为建设方、施工方、监理方以及市级监控中心；所述用户层，用于向用户展示监控数据和图像；其中，基于云计算的大数据应用平台包括作为基础平台与支撑技术的云计算、文件存储系统Haystack、NoSQL数据库系统、以及检索与查询系统；所述构件安装过程采用三轴加速度无线传感设备进行实时监测，利用振弦式传感器对整体结构的受力情况进行测定，感知的信息通过无线局域网络反馈到基地的总服务机上，并及时的反馈到管理层，这种实时监控以两种方式实现：一是利用Internet访问系统中心服务器，登录监控系统实施监控；二是当不具备上网条件时，通过移动通讯网络实时短信提醒。

进一步地，所述用户层包括PC机、手机、PDA、电子显示屏。

进一步地，所述系统还包括根据装配式混凝土生产前、生产中、生产后、运行全产业链条，以及大数据的服务平台，制定有利于装配式混凝土各项发展的控制决策系统。

进一步地，所述质量传感监测网络包括：生产基地内传感感知节点的自组织网络、生产车间与施工现场的通信网络和施工现场与政府质量控制中心的通信网络。

本发明的有益效果是：本发明的基于物联网的装配式混凝土全程监控系统，运用传感器、无线射频等物联网技术以及云计算大数据平台技术，预期实现装配式混凝土全产业链条的工业化，提升装配式混凝土构件以及整体结构的质量，提高生产效率，减少劳动力、原材料的投入，降低成本。通过面向四方监控系统的建立，实现实时监控，建立及时有效的反馈系统，能够及时解决工程中出现的各类问题，提高工程的整体质量。运用于装配式混凝土结构的物联网模式，能够在一定程度上解决劳动力缺失、生产效率底下、整体结构质量不足、现场专业施工人员技术不足等方面的各类问题。同时，采用物联网与装配式混凝土产业链条的结合，将带动装配式混凝土更加工业化的进程，解决了一些无法实时控制的情况，推进装配式混凝土的发展。

附图说明

图1是本发明的装配式混凝土全程监控系统总体框图；

图2是本发明的装配式混凝土全程监控系统中质量传感检测网络拓扑结构图；

图3是本发明的装配式混凝土全程监控系统中应用决策系统的结构示意图。

具体实施方式

为清楚说明本发明中的技术方案，下面给出优选的实施例，并结合附图详细说明。

依据目前各类研究的物联网技术架构，以及装配式混凝土在生产前、生产中、生产后、运行四个阶段存在的问题，本发明的基于物联网的装配式混凝土全程监控系统，是一个基于传感感知与无线射频技术网络、无线信息传输技术平台，其能够实时进行观察监控、智能信息传送、全面互联的模型，方便建设方、监理方、施工方、以及市级有关部门的监督管理。

本发明的基于物联网的装配式混凝土全程监控系统，总体设计方案如附图1所示，包括4个层次，分别为感知层、传输层、应用层、用户层。感知层主要是对装配式混凝土各加工施工过程的数据的感知；传输层主要是对感知采集得到的数据进行信息数据传输；应用层主要是进行对传递的数据进行分析、整理，及时进行科学的管理决策。

感知层包括无线传感器、RFID标签和摄像头，利用无线传感器网络对装配式混凝土构件的质量进行监测，对构件的安装过程进行监控，利用RFID标签和GPS技术对构件进行物流跟踪监控，利用摄像头对构件的制作过程进行监控。传输层基于移动信息传输平台，其包括用于传输无线传感器采集数据的质量传感监测网络和构建吊装安全监测网络、用于传输摄像头采集数据的构建制作图像监控网络，以及构件运输物流监控网络。应用层包括基于云计算的大数据应用平台的构件四方监控应用中心，分别为建设方、施工方、监理方以及市级监控中心。用户层，用于向用户展示监控数据和图像。

一、装配式混凝土的数据采集

1.利用无线传感网络(WSN)技术的数据采集

装配式混凝土在生产以及安装过程中都需要对质量进行严格的管理及监督，其中包括对生产过程中混凝土搅拌站的动态，混凝土养护温度、平整度、强度，施工过程中安装构件时对尺寸偏差等方面的监控。传统混凝土的检测主要是在浇筑地点随机抽取试样，对样品进行强度试验，但由于试样的制作养护环境、受力状态与原位混凝土均存在着一定的差异，试验结果往往难以全面准确地反映混凝土的质量状况，所以在装配式混凝土生产过程中部署一些能够适应不良生产环境，具有准确度高、稳定性好等优点的传感器，利用传感器将构件内的信息进行实时传递，方便管理人员及时对其信息进行整理反馈。例如，混凝土搅拌时，利用压力传感器制成的电子计算秤进行各种配料自动称重,实现自动配置骨料,保证混凝土浇筑质量；在混凝土施工时要注意避免温度应力过大，控制温度，利用光纤光栅温度传感器(分辨率±0.1℃，精度±0.3℃)进行温度检测；对混凝土结构的内部应力应变检测利用微弯强度型传感器进行分布式检测，同时方便对损伤位置进行定位；利用偏振光纤传感器对混凝土强度的非破坏行进行测量；利用霍尔式位移传感器检测混凝土结构构件的变化、整体施工后的垂直度等方面,测量范围在±0.5mm，精度0.5％，线性度1％。

2.利用无线射频(RFID)及GPS技术的物流跟踪

根据构件在运输过程中需要实时追踪，以便到达现场后及时施工。在构件上安装具有唯一性的电子代码(EPC)，利用RFID阅读器对信息进行读取，同时每辆车上装有GPS定位仪，通过无线通讯网络，将车辆行驶情况以及车内构件的各项情况实时反映到施工现场的监控基地，以便现场管理人员根据具体情况，确定施工方案，构建一个具备智能服务和实时调控的装配式混凝土物流管理的物联网应用模式。

构件出厂时在其包装箱上附上RFID标签，其中含有EPC编码，编码需要具有唯一性、简单性、安全性。编码如表1：

表1 EPC编码实例

01	0000A89	00016F	000169DC0
				EPC版本号	生产厂家	构件名称	序列号
8位	28位	24位	36位

二、装配式混凝土信息传输网络

根据装配式混凝土在生产前、生产中、生产后、运行四个阶段信息数据传输的需要，将信息传输网络分为两层，包括生产厂商监测网络、施工现场监测网络，两者均包括有质量传感监测网络、视频图像监控网络以及运输物流监控网络，所不同的是施工现场监测网络还包括构件吊安装监控网络。

1.质量传感监测网络

对于生产厂商来说，该网络主要负责生产前原材料、生产过程中及生产完成后构件质量监控的数据传输，同时根据这些传感器感知数据的传输可以判断出构件的制作进度，从而对构件的施工进度信息进行传输。根据网络传输的对象以及覆盖范围，分为生产车间内传感感知节点的自组网络、生产车间与施工现场的通信网络、施工现场与政府质量控制中心的通信网络，网络拓扑如附图2所示。

(1)生产基地内传感感知节点的自组织网络

该网络主要实现生产基地内部、生产基地与现场管理基地中心的信息数据传输，以便生产基地内各车间之间及时进行信息交流，保证构件制作的质量和进度。主要通过无线传感器网络(WSN)，利用部署在构件内的传感器节点，通过无线通信方式将构件包括混凝土的强度、应力应变情况、养护条件等方面的信息内容进行传递，汇总到基地内的自组织网络终端机处，同时可以根据汇总的传感器感知的各类信息得到构件加工完成的数量，之后通过分布在各处的传感器感知节点自组织网络实现生产车间之间的完成数量、质量情况等方面的信息交流。

(2)生产车间与施工现场的通信网络

生产厂商制作构件的各类信息汇总到网络终端机后，通过发射平台，将信息数据发射到施工现场的总控制中心处，实现施工现场管理人员对制作构件过程中的质量监控。对于条件有限的施工现场，需要在现场建立一个小型的信号接收塔，将数据以一定频率发射至接收塔，从而将数据传输到施工现场，再利用局域网络将数据传递给建设方、监理方以及施工方；对于现场条件较好的，具备网络接入设备的，利用互联网将数据传输到施工现场总控制中心，现场各方通过登录总控制中心的信息库获取所需数据信息。

(3)施工现场与政府质量控制中心的通信网络

主要利用网络传输设施，进行施工现场控制中心与政府质量控制中心的数据传输。对于上面所说的现场条件有限的基地，装配式混凝土的生产厂商直接将数据利用有线网络传递到政府的控制中心。

对于施工现场来说，该网络主要是负责对构件安装的整体质量进行数据传输，包括构件安装感知节点与施工管理部门信息网络、构件安装感知节点与政府质量控制中心的信息网络、施工管理部门与政府控制中心的通信网络。

(1)构件安装感知节点与现场管理部门信息网络

该网络负责构件安装时对安装节点传感器数据的采集，并传递到现场管理中心数据库中。主要进行包括施工前利用光纤传感器对混凝土构件进行无损检测、利用光电式传感器检测缝隙及混凝土平整度，施工过程中利用位移传感器对构件水平、垂直尺寸进行检测，利用贯入式砂浆检测仪检测连接节点处砂浆强度，利用CCD光电传感器对建筑施工的垂直度监测等在内的质量监督控制。通过无线局域网(WLAN)连接不同的传感设备以及计算机、手机等通讯设施，实现对构件安装过程中节点感知数据的自动获取，并利用无线网络传输到管理控制中心，管理人员及时对施工过程中存在的问题提出解决方案。

(2)现场构件安装感知节点与政府质量控制中心的信息网络

构件安装过程中节点感知数据通过基地与政府质量控制中心的通信网络实现对施工过程中构件安装的质量监控。对于现场条件较差的，直接将数据利用无线通讯网络传递到政府质检部门；对于条件较为完善，具备有线网络的基地，直接将数据利用互联网传递到政府质检部门。

(3)现场管理部门与政府质量控制中心的通信网络

该网络主要是进行现场汇总的构件安装节点传感感知的数据的传输，主要利用有线或无线网络作为传输媒介，实现汇总数据域政府质量控制中心数据的交换。

2.视频图像监控网络

视频图像网络监控可以帮助生产厂商实时掌握制作流程以及存在的问题，方便现场管理人员及时了解构件质量、制作进度等方面的信息，所以对图像的可分辨率、清晰度、拍摄角度等方面均有所要求。对于具有有线网络接入的施工基地，生产厂商将视频图像数据接入到宽带网络中，直接将视频信息传递到施工现场控制中心和政府质量检测部门；对于不具备有线接入网络条件的基地，建立视频信息数据传输专用通道发射，利用无线微波传输技术将信息传递到施工现场控制中心。

视频图像监控网络可以实现施工现场各方管理人员对装配式混凝土构件制作过程的实时监控，及时解决在制作过程中出现的问题，以节约构件运输到现场发现问题再进行更改的时间，同时各方需要对图像信息进行存档，以便在出现质量问题时及时有效的找出问题所在。

3.运输物流监控网络

施工进度是影响施工造价的因素之一，合理的进行装配式混凝土构件物流跟踪，有利于及时掌握构件运输信息，从而合理的安排施工进度与施工方案。通过采用无线射频技术与GPS定位技术，实现对车辆以及车内构件类型的实时监控，建立专用通道，利用无线微波传输技术将信息传递到施工现场管理人员，有利于管理人员安排之后的施工方案，最大限度的节省时间。

4.构件吊安装监控网络

装配式混凝土由于是在工厂制作好后运送到现场进行施工，所以在施工过程中对安装顺序、安装位置、拼接处质量等方面有严格要求。

采用三轴加速度无线传感设备对吊装过程以及安装构件的倾角进行实际监测。对吊装过程进行不间断地监测，严格注意构件吊装提升过程，当吊装就位后,根据施工方案分时段进行监测,直至整个施工过程完成；在安装构件后。利用振弦式传感器对整体结构的受力情况进行测定，同时在整体结构需要监测的位置上安装反射片，采用徕卡全自动全站仪进行三维坐标测量，定时对多个目标测点进行自动识别、找准、测角和三维坐标，测定结构的变形情况。同时感知的信息通过无线局域网络反馈到基地的总服务机上，并及时的反馈到管理层，这种“实时监控”主要以两种方式实现：一是利用Internet访问系统中心服务器，登录监控系统实施监控；二是当不具备上网条件时，通过移动通讯网络实时短信提醒。在基地总服务机上需要设定一些指标，例如构件安装尺寸误差范围、结构应力变化范围、总体结构倾角角度，当无线传感设备反馈的信息不在指标范围之内时，系统会自动向项目负责人的短信报警，以便进行及时处理。

三、装配式混凝土物联网的大数据

大数据应用平台几个层次，分别是作为基础平台与支撑技术的云计算、文件存储系统Haystack、NoSQL数据库系统、检索与查询系统。大数据服务平台需要对每个施工现场构建一个具有唯一性的用户进入通道，构建一套系统完整的已建与正建的装配式混凝土存储系统，提供统一的平台服务。主要功能是将装配式混凝土生产厂商及各个施工现场传递的信息数据进行整理、汇总、分类，形成具有开放性、实用性、稳定性等特性的服务平台，方便政府部门进行实时的监测管理，为今后类似项目的建设提供参考依据，同时对于准备建设的项目可以通过对比分析，拣选出适应本项目的物联网模式，降低成本，实现装配式混凝土物联网数据的共享、交换。

四、四方监控

对装配式混凝土的控制管理需要构件四方监控应用中心，分别为建设方、施工方、监理方以及市级监控中心。

建设方、施工方、监理方主要在现场进行实时监控，利用多组检测系统对生产车间、施工现场的信息进行检测反馈，基地控制中心对各类信息数据进行统一存储、汇总、处理，并利用网络上传至政府管理中心的大数据服务平台上，为市级质检部门的检测提供信息及依据，同时由于大部分现场施工人员对装配式混凝土结构施工的经验不够，在遇到难以解决的问题时，可以请专家进行帮助解答。

政府控制中心将传输过来的各类数据反映到大屏幕显示器上，实现对全市项目的实时监控，及时的对施工项目各项情况进行反馈，有效的将各个项目基地与政府管理部门组成了一个有机的整体。

五、装配式混凝土物联网的应用决策系统

根据装配式混凝土生产前、生产中、生产后、运行全产业链条，以及大数据的服务平台，制定有利于装配式混凝土各项发展的控制决策系统。通过在全产业链条中的控制内容，开发智能的控制系统，实现对全产业链条中各部分的分级管理，对装配式混凝土质量的安全监管，物流运输的及时追踪。该系统主要是面对建设方、施工方、监理方、公众以及政府部门的，为现场指挥的三方提供调控管理、质量监督、进度跟踪；为公众消费者提供所居住建筑的各类施工情况，便于全面了解建筑慨况，面向政府部门，提供各类已建及未建项目的信息，形成联防联控的管理决策系统，如附图3所示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于物联网的装配式混凝土全程监控系统，其特征在于，所述系统包括感知层、传输层、应用层和用户层；所述感知层包括无线传感器、RFID标签和摄像头，利用无线传感器网络对装配式混凝土构件的质量进行监测，对构件的安装过程进行监控，利用RFID标签和GPS技术对构件进行物流跟踪监控，利用摄像头对构件的制作过程进行监控；所述传输层基于移动信息传输平台分为两层：生产厂商监测网络、施工现场监测网络，所述生产厂商监测网络、施工现场监测网络均包括用于传输无线传感器采集数据的质量传感监测网络，用于传输摄像头采集数据的构建制作图像监控网络，以及构件运输物流监控网络，所述施工现场监测网络还包括构建吊装安全监测网络；所述应用层包括基于云计算的大数据应用平台的构件四方监控应用中心，分别为建设方、施工方、监理方以及市级监控中心；所述用户层，用于向用户展示监控数据和图像；其中，基于云计算的大数据应用平台包括作为基础平台与支撑技术的云计算、文件存储系统Haystack、NoSQL数据库系统、以及检索与查询系统；所述构件安装过程采用三轴加速度无线传感设备进行实时监测，利用振弦式传感器对整体结构的受力情况进行测定，感知的信息通过无线局域网络反馈到基地的总服务机上，并及时的反馈到管理层，这种实时监控以两种方式实现：一是利用Internet访问系统中心服务器，登录监控系统实施监控；二是当不具备上网条件时，通过移动通讯网络实时短信提醒；所述系统还包括根据装配式混凝土生产前、生产中、生产后、运行全产业链条，以及大数据的服务平台，制定有利于装配式混凝土各项发展的控制决策系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述用户层包括PC机、手机、PDA、电子显示屏。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述质量传感监测网络包括：生产基地内传感感知节点的自组织网络、生产车间与施工现场的通信网络和施工现场与政府质量控制中心的通信网络。