2018-12-11 15:39

不断刷新纪录的摩天大楼,全靠“它”保证安全

造就第391位讲者 张武雄 

中科院上海微系统与信息技术研究所

上海无线通信研究中心 常务副主任


近几十年,中国的摩天大楼拔地而起,纪录不断被刷新。但是你知道吗?那些高耸入云的大厦每天都在摇晃,建筑物本身都会有一定的变形量。


为了防止出现安全问题,高层建筑都会加上风阻尼器,在遇较大风力时能减小建筑物的摇晃。那么如何全方位保证建筑和工程的安全?如何杜绝豆腐渣工程?来自中科院微系统与信息技术研究所的张武雄将为大家阐释——物联网如何助力工程安全。



大家好,我是来自中国科学院上海微系统所的张武雄。今天为大家介绍一下,我们通过以物联网为代表的信息技术如何来助力工程的安全。


物联网与豆腐渣工程


我们大家都很痛恨豆腐渣工程,但是豆腐渣工程在现在这个阶段还是不可避免的。


我们回顾一下,2007年九江大桥坍塌事故,当时因为有船舶的撞击,桥梁瞬间就垮塌了,这也是当时非常重大的事件。


广东九江大桥(2007)


高速公路也有很多豆腐渣工程,网上的一个豆腐渣工程评级,第一的就是甘肃天定的高速公路,2011年通车,它的建筑工程造价高达一个亿每公里,但是建成以后的几天之内高速公路就裂开,然后马上就不能使用,进入了一个维修期。


甘肃天定高速(2011)


上海莲花河畔也是类似的事件,因为有土的一个挤压,楼房瞬间倒塌。后面这个楼盘它的二手房的价格也并不太低,因为后来大家发现楼房的玻璃结构还是挺好的,只是它的基础没做好。但是这也不能否认它当时也有一些偷工减料的行为。


上海莲花河畔景苑(2009)


物联网可以从建筑的源头开始,从开工建造到运行,再一直到维护,对建筑进行安全防护。我们先看一下什么叫做物联网。2009年,温总理在我们实验室的无锡分中心去参观考察的时候,我们给温总理提供了一个架构图,当时温总理就挑了物联网这个词。




在生活上其实有很多东西已经是物联网了,像摩拜、OFO的一些单车就是物联网技术的很好应用。物联网里面集大成的应用就是智能驾驶或者汽车,每个汽车里面有几百个不同的传感器组成的网络,对车的质量、运行状态进行监测。


下面这个就是上海最近在推行的智能路灯,把电线杆、路灯杆等等集成到一个系统里头,下面可以做充电桩,可以做Wi-Fi,然后在它基础上做一些环境监测,这也是一种对物联网很好应用。



我们回顾一下早期的几个物联网应用。这是2009年我们在太湖做的蓝藻监测,当时太湖流域的水质非常不好。世博的安防系统当时也是很大的单体物联网系统。


上海世博会安防系统


感知太湖物联网系统


我们可以看一下,这个是我们给浦东机场做的物联网的系统,从2006年到现在十几年还在正常工作,并且我们已经抓了十几个在里面要进行破坏的人,但是他还来得及进行破坏。主要原因就是我们有物联网的系统对它进行早期的一些监测,能够提前防范并逮到了这些破坏分子。


浦东机场防入侵系统


全方位监测,从溯源到追踪


回到今天的主题,物联网怎么来助力建筑的安全。我们首先看一下建筑的施工安全,物联网能够做些什么工作。


建筑施工里面有几个很重要的方面,一是施工的人,怎么能保证合适的、有资质的人在合理地做他能够做的一些事。另外一个方面,要保证它的材料,包括它的工艺、保障措施是否达标。


第一,在建筑工地里面有一些物联网系统,我们可以实时地监测管理人员是不是在岗。可以监测是不是真的是电工在操作带电的一些设备。操作这个塔吊的工人是不是也有相应的证书。相应的有一些巡更的系统,也会做一些定位的技术。



第二,对于建筑材料是否合格的问题,我们也可以从早期的每个材料进场对它进行监测。检测完以后把它放在指定的位置,有人去搬这些建筑材料的时候,系统能够保证从它的入库到出库,到领用的整个过程中的追溯,就像我们做食品溯源一样。


第三个就是我们要保证施工的工艺是不是达标。我们有一些物联网的手段,包括传感器、视频监测的手段来探测是不是达标。


另外,我们可以看一下施工的保障措施是不是到位,脚手架是不是稳定可靠,我们在上面也会做一些传感器来监测它的质量。


在这个基础上我们做了一整套的基于物联网的解决方案或者是系统。



我们看到底下有各种各样的传感器,可以对人员、塔吊、钩机、升降机进行管理。我们还对环境进行管理,包括里面的排气、排水等等。另外还有视频、车辆的进出、称重等等。


有了这些传感器以后,我们把施工工地的所有的状况全部通过信息的手段进行掌控,掌控完以后,我们构建了各种各样的应用系统来对它进行安全监控和分析。


设备监管与应急指挥


塔吊安全监测


施工环境安全监测


举几个例子,当我们如果出现一些安全事故的时候,要保证人员在哪里,设备在哪里,救援的措施在哪里,这样的话有一套系统可以来进行监控。塔吊的安全也是一个非常重要的系统,这个塔吊上的传感器会探测它是不是倾斜,是不是有摆动,等等。


对于环境施工和监测,现在政府要求得也非常严。我们同样可以监测大气里面的水是不是被污染了。


所以,物联网是解决施工安全里面的一个很重要的手段。


下雨天能靠近玻璃幕墙吗?


玻璃幕墙是我们在考虑的一个很大的问题,我们国家是从80年代开始大面积兴起玻璃幕墙。我们城市的高楼非常密集,整个玻璃幕墙的占有量达到了全球的85%,是非常高的一个量。



然而玻璃幕墙有一个问题,虽然它比较美观,施工相对也比较简单,但是玻璃的寿命其实只有15年,正常使用的话,玻璃的结构胶的寿命只有十年左右。所以不管是玻璃破碎还是结构胶失效都会对它造成很大的影响。


那么在玻璃幕墙监测这个领域,因为全球最大的玻璃幕墙使用国是中国,国外在这个领域里面的研究并没有那么先进的经验可以借鉴,所以现在传统的检测可能最多。


我们有一些探测的设备,背过来,一块玻璃一块玻璃地去探测,也有一些检测方法,就是用这种橡皮锤去敲击,看这个玻璃的声音,是比较原始和落后的。



关于玻璃幕墙的安全隐患有——


1.我们有些建筑的材料的寿命,主要是指玻璃,包括结构胶和里面的一些结构件的寿命还是相对比较短的,不像我们的混凝土结构。


2.外界因素的影响也比较大,台风对桥梁有很大的影响,台风对玻璃也是一样的,它会不断地冲击玻璃。


3.每年对玻璃都会有这种清洗,在外墙擦的时候塔吊掉下来,当有风吹的时候它摆动也会撞击到这个玻璃。


其实前几年上海中心也是有类似的安全性事件,玻璃整个掉下来,庆幸的是它砸到了车而没有砸到人。想想几十层楼掉下来一个鸡蛋都可以砸死人,更何况一个玻璃。



我们用物联网的技术和手段做了一套玻璃幕墙的安全监测系统,这是与交大、同济等等一些学校共同合作。


我们的前端传感器能够探测它的震动,包括应力、应变、温度等等影响玻璃的安全的一些参数。也有一些窄带物联网的传输技术,能够非常便捷地把前端玻璃的一些状态数据采集上来,在采集上来以后可以通过这个平台,有一些人工智能、大数据和云计算的手段结合起来。


这样,我们就能够提前预警,建立玻璃的幕墙会破碎的一个模型。这样的话,我们就能够知道这个风险程度到底是多少。


第二个问题就是,我们雷雨天到底能不能靠近玻璃幕墙。其实,按照我们现在的安全标准,玻璃相对还是有一定的安全性的,但是上了我们这套系统以后,相信未来会更加得安全。


建筑安全隐患,小微场所远高于摩天大楼


物联网怎么解决运行中的建筑安全呢?左边这张图是我们的金贸大厦,我们一想到建筑的安全可能首先想到高楼大厦。


其实很危险的一些地方就是这些小微场所,包括这种群租房、家庭作坊,里面住的人比较多,水电这种消防隐患是非常大的。


就像我们现在这个剧场,如果旁边着火了,可能人家都已经撤了,但是我们这压根不知道隔壁着没着火,等到烧过来的时候可能已经非常晚了。



有没有一些手段和措施能够解决,或者说能够给我们一些提示呢?是有的。


在建筑运行过程中我们想了很多种方法,针对很多种不同的应用做了多种物联网的系统。这个是现在也比较热门的,叫独立式的烟感,传统的烟感可能是由消防局,包括跟喷淋设施是联系在一起的。


任何一个建筑如果要验收合格的话,必须有这套设备,现在有些独立的烟感可以在里面集成这种窄带物联网。因为有这些窄带的传输技术,比方说它有十年以上的寿命,我们把这个布在房间里头以后,在上面可以集成语音广播的信息,隔壁如果着火了,我们这个房间里可能瞬间都知道了。



这个在上海经信委和科委的支持下,我们在杨浦、虹口,东方明珠已经布了将近3万多个独立式的烟感。大家以后每个家庭里面,如果感兴趣的话也可以去买这种设备装在你家里,可以通过APP监测家里是不是有着火的情况或隐患。


电梯的安全也是现在很大的一个问题,上海是电梯应用非常广的地方,有将近有30万台的电梯的保有量,超期服役15年以上的电梯可能有几千台,10到15年的也有七八万台。而电梯的实际使用寿命按照要求来讲一般就只有十年。所以怎么来做好维护也是很大的一个问题。



虽然我们的事故没有出那么多,但是物联网也能为电梯的安全做很多工作。


现在我们在电梯里面加装很多的传感器,包括楼层、平层、烟感,可以监控电梯电线的电流等等。它可以通过温度来判断这个电梯是不是安全。


做到这个以后,我们把电梯的很多状态数据采集上来,可以远程做人工智能的分析,分析完以后可以做到电梯的合理化维保。


现在电梯正常的维保是由人靠纸质的材料去进行维保,他是不是去了?维保的怎么样?大家都不知道。但未来有这套物联网系统以后,我们可以切实地保障每台电梯的安全性。


还有,我们在大楼里面会有一些新风、供水、给排水的系统。有了物联网的技术手段以后,我们可以看一下房间里的空气质量,温度是多少,湿度是多少,然后调整到最合适的温度和湿度。


在给排水,我们可以看一下水量流速是不是合适,里面是不是有些污染等等,这样的话能保证大楼的安全。


摩天大楼、南水北调中的物联网技术


当时我们的合作伙伴在广州小蛮腰上做了一个项目,在上面有布一些传感器,可以看高楼的一些摆动和震动,判断它是不是处于一个安全的状态。


我认为这种东西以后也会在包括上海中心这样高楼上面进行使用。



另外一块是我本人持续七八年的一个工作,当时我们是给南水北调中线做的安全防护系统。中线是从当时湖北、河南交界的丹江口水库引水1432公里到北京和天津,大约每年10亿立方米的水。


但是这里面就会有很多的问题,它这个南水北调相当于从南到北整个是逢山就要钻隧洞,逢峡谷就要架桥,工程非常复杂,里面也确实有很多的安全问题。



像上面这种渡槽两点几公里长,上面全是水,几千吨的水对整个基座的压力是非常之大的。我们在上面有各种各样的传感器来监测它的位移沉降、渗流渗压。那么就相应地构建了工程安全监测系统。


同时我们跟外围的一些气象信息,不管是气象局的信息,还是当地的雨量站的信息相结合。我们还做了一些水量和水质的监测等等,把这些信息汇聚上来对南水北调的整个工程的安全进行防护。


同时我们还构建了防止人入侵的一套系统,就是说如果有人攀爬围栏,进入渠道,我就能知道,还能顺利地把他指出来并找到,这样的话也能提升工程的安全性。


给大家举一个例子。因为我们这个是人工挖掘的工程,一旦掉到这个渠道里头是很难上来的,因为它这个是水泥的边坡,想爬上来都非常难。所以人的安全也是整个南水北调工程中一个很核心的问题。


传感器,物联网技术的核心


讲了前面的各种物联网的技术手段,不管是桥梁、大楼,还是高速公路、南水北调,未来的新型传感器是里面的很核心的一块。


我们讲未来的智能建筑里面,它必然是把建筑的建造、运行、更新以及未来的维护的整个过程进行信息化。一方面提升建筑的安全水平,另外一方面也是为人们的生活提供一些便利。



但我们国家其实在新型的传感器方面还是有很多的缺陷的,一方面很需要各种新型的传感器,而在这种高端的智能传感器方面,美国、日本和德国它们是比较先进的,占了全球大概70%,我们国家大概只有10%左右。


同时从生产的角度来说,2万多种传感器,我们国家大概只有1万多种,所以这个也是我们很大的短板。


那么好事在哪里?就是我们国家的传感器产业由原来的仿造,已逐步地开始往高端拓展,我们国家的一些芯片厂已经开始在逐渐走上高端的路线。给大家举几个简单的例子——



我们的一些高速度加速器,包括陀螺仪,以前在军工里头用得比较不错,现在也开始在转民用;我们一些压力传感器,现在水表气表里头也开始在应用;我们做的一些防爆的传感器,在普通机场做安检的时候已经在用,我们有一些毫米波的设备、安检的一些设备也已经在机场里这用了。


所以我相信,就是在未来的3到5年之内,我们很多种高端的传感器是能够实现突破的。有了这些传感器,我们可以为建筑,尤其是未来建筑,可以为它的安全提供更加有力的技术和手段,为它的安全保驾护航。

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