物联网(IOT)是指通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。2019年1月17日，国家电网三届四次职代会暨2019年工作会议提出了打造“枢纽型，平台型，共享型”企业，建设运营好“坚强智能电网，泛在电力物联网”，即“三型两网”的发展战略。此战略的提出为电力建设管理的技术升级提供了契机。物联网技术在电网工程建设管理中的应用研究恰逢其时。物联网技术与数字化技术的结合，对推进基建风险自动监测及预警系统的研究、实现项目管理过程中的智能化，推动电力行业的安全技术有着重要的意义。
无论是国家电网公司还是南方电网公司，在电网基建工程施工安全风险防控方面都做了大量的工作，对施工过程中存在风险的各分部工程都作出了明确规定，例如大体积混凝土施工、施工现场临时用电、基坑支护、土方开挖、高支模施工、起重吊装及安装拆卸工程等，并对各相关分部工程进行风险内容细化，明确了风险等级、风险分类、预控措施等，其目的是增强施工人员的安全责任意识，加强施工现场的安全风险管控。
在利用技术手段进行监测方面，国内外也均开展过相关研究工作，例如采用二元比较方法、层次分析法等对高支模工程安全状态进行监测分析，各种数值模拟法如有限单元法(FEM)、有限差分法(FDM)、边界元法(BEM)、离散单元法(DEM)、流形元法(MEM)等进行工程建设安全性分析[1]。在具体实施中，目前也有采用一些监测类设备以及集成化手段辅助工程建设风险防控。
然而，目前的技术手段尚不能完全满足当前社会对输变电工程中高支模、深基坑等重大危险点的全面监测及预警的要求。基于此，本文提出一种基于物联网的智能监测建筑信息模型体系，通过智能化的手段对现场高支模的风险作业面进行信息采集和分析，将“万物联网，凝聚智慧”的思想运用到基建工程风险管控工作中，形成涉及高支模和深基坑监测风险作业面的实时感知、及时传输、智能识别和分析预警的整体解决方案。
1 传统监测方案与基于物联网监测方案对比
1.1 传统监测方案
传统的基建安全监测方案主要依靠测量仪器，通过人工观测，分析了解安全情况[2-4]。在高支模的传统监测方案中主要利用光学仪器，依靠人工每隔一定的时间监测一次高支模关键点或薄弱部分的位移或沉降情况。该方案监测间隔时间较长，且利用人工观察的方式只能了解高支模外围情况，而无法感知其内部安装状态，因此在异常处理上存在响应不及时，容易导致危险时作业人员难以及时安全撤离危险区域的情况。
1.2 基于物联网技术的监测方案
针对上述传统监测方案的不足以及施工过程中的各种风险，如何能做到及时界定，准确发现和处置，并尽量减少人工的参与，把人为的不安全因素降到最低，成为目前智慧监测方案的重点研究方向[5-6]。智慧监测方案主要从以下两个方面进行解决。
1.2.1 关键风险点相关数据的监测
各类风险点监测的关键是相关受力、位移、加速度等数据的采集。以高支模施工为例，其安全事故主要是模板支撑体系承载过大或变形过大诱发系统内钢构件失效，发生模板支撑局部坍塌或整体倾覆，造成作业人员伤亡。而在高支模施工中，由于忽视对其进行周密的技术设计和安全控制，导致支架坍塌、支架变形等现象时有发生。因此，应全面监测支架及模板沉降、立杆轴力、杆件倾斜等实时数据。
1.2.2 无线数据采集和传输
目前输变电工程安全风险过程管控主要依托于传统视频监控、人员安全巡查等方式，通过有线连接传感器进行数据采集，无法解决在特殊场地环境下布线困难的问题[7-8]。无线位移传感器、压力计等都是使用无线连接方式同数据采集仪进行连接，通过多通道数据采集仪进行数据的实时连续自动采集并外接数据传输单元模块，使用2G、3G、4G、5G、WIFI、LoRa、蓝牙、ZigBee等多种网络自动进行实时上传，既解决了现场布线的繁琐，又实现了数据传输的稳定可靠，确保现场监测人员的安全。
1.2.3 建筑信息模型数据关联
智慧基建安全监测系统搭建之前首先需要利用建筑信息模型(BIM)建模，通过现场勘查，确定高支模的监测位置；用准确的数据修正模型。利用BIM进行有限元分析，计算出高支模搭建中最为不利的位置。监测人员在最不利危险点的位置上布置自动化监测装置，实时收集高支模模板沉降、支架变形和立杆轴力等相关节点的数据，对节点数据的持续观测和分析。系统将数据传感器与BIM进行关联，在BIM中具有现场的三维几何信息，监测平台将两者关联显示这样就能够实时、动态、立体地展示出各监测点的状态信息，一旦现场的某一传感器监测值超出预警阈值，平台里BIM对应部位上就会显示预警提示。这样通过大数据的输入，使BIM数据可实现实时更新、实时监控，从而更直观地进行预警提示。
传统监测方案与基于物联网技术的监测方案对比如表1所示。可见，基于物联网的智慧监测方案采用了自动化的监测方式，扩大了系统监测内容，提高了监测频率，大大缩短了异常响应时间，能够显著提高施工现场的安全监测及预警水平。
表1 传统监测方案与基于物联网技术监测方案对比
Table 1 Comparison between traditional monitoring and IOT intelligent monitoring
方案方式设备监测内容监测频率异常响应响应时间传统人工观测光学仪器水平位移、外围沉降20～30 min人工通报大于0.5 h智能自动化传感器水平位移、模板沉降、立杆轴力、水平杆倾角实时现场声光报警秒级响应
2 基于物联网技术的智能安全监控BIM体系研究
2.1 基于物联网监控系统组成
基于物联网监控系统整体结构如图1所示，自上而下分为五层：应用层、平台层、网络层、感知层、感知对象层。这样分层式的体系模式是物联网架构中常见的一种，有利于各个信息结点间的组网，有利于大规模的数据处理，也有利于网络结点间的数据交换。
图1 基于物联网智能监测系统组成
Fig.1 The composition of the intelligent monitoring system based on IOT
应用层通过个人电脑或移动端手机应用软件显示数据分析结果，用户查看数据和操作数据都是在应用层完成的，放在同一层使得监测结果一目了然；平台层是本系统中的核心层，向上为应用层提供支撑，向下对接网络层传输的数据，核心的业务逻辑都在平台层中处理，平台层专门负责数据的存储、计算和分析；网络层为平台层提供可靠的数据支撑，这里管理着数据的传输，包括有线传输和无线传输两种方式，涵盖不同的通讯协议；感知层则是包含所有的传感器，属于基础设施层，每个传感器是系统中的基础，它们简单处理和采集施工现场脚手架、高支模或深基坑支挡等的位移、应力、轴力和倾角等相关数据，是整个智能监控系统的基本单元；感知对象层是智能监控系统需要监测的对象和变量，也是对物联网中的“物”概念的整合，在感知对象层中包含了大部分要监测的对象。
2.2 基于物联网技术的监控内容
高支模监测针对高支模施工，根据其施工结构特点和实际使用情况，监测支架及模板沉降、立杆轴力、杆件倾斜等实时信息，并根据分析的数据判断当前情况以及预估未来一段时间内的沉降和位移，为风险预警提供参考。结合物联网和无线传输技术，开发高支模关键风险点监测管理平台，实现风险作业期间关键风险点的实时预警。
2.3 智慧监测系统开发流程
2.3.1 搭建信息化数字模型
使用BIM软件建立高支模和深基坑的模型，设计杆件的相关参数如编码、厂家、力学属性、材料、库存、价格等；设计预制构件的关键参数如出厂时间、尺寸、材料、力学属性、编码等。
通过高精度的信息化模型，结合有限元分析可以计算出高支模或深基坑搭建中最为不利的位置，然后利用模型的有限元分析结果，在最不利危险点位置布置监测点。
2.3.2 监测点布置及数据采集
根据有限元计算结果确定监测点之后，施工方现场布设传感器，对施工过程中的主要受力部位进行应力监测及位移监测，将监测结果与有限元分析进行对比，验证施工方案的安全性。
2.3.3 监测平台实时监控及预警
通过无线模块，传感器数据周期性自动传输至局域网，监测平台接收传感器采集的数据，对结点数据的持续观测和分析。将数据传感器与模型进行关联，监测平台可以实时显示各监测点的状态信息，一旦超出预警阈值平台会进行报警，向预警推送人发送警告短消息，负责人可以快速、简单地查看当前传感器的数据和现场的支架支撑情况。
智慧基建安全监测系统采用自动化监测装置，实时收集高支模模板沉降、支架变形和立杆轴力等相关数据，其整体工作流程如图2所示。
图2 基于物联网技术的监测系统工作流程
Fig.2 IOT based intelligent monitoring system workflow
首先需要通过模型及现场勘查，确定高支模或深基坑的监测位置；在监测点确认之后，调试并安装传感器；然后传感器将采集的数据送入到数据采集模块中进行处理分析，分析结果正常，该结果通过无线传输至物联网平台进行储存，以便后续查验，一旦分析结果不正常，则数据处理系统认为此时高支模或基坑支挡体系可能存在危险，异常数据则直接送入在线监测平台，平台判断该分析结果可能是危险发生信号时，报警系统则自动发生预警并拉响声光报警器。此时施工单位即可在现场紧急停工检修，待检修合格之后重新进行检测并开工。
3 应用案例
江苏中吴500 kV变电站新建工程，变电站围墙内占地面积为3.357 75 hm2，位于常州市东南27 km的武进区雪堰镇，在锡宜高速公路南侧，太滆运河东侧，地处浒庄村。依托该工程，对基于物联网的智能安全监测及预警BIM体系在高支模监测方面做了具体应用，具体应用情况如下：
图3 高支模模型
Fig.3 The model of high-formwork
图4 传感器现场布设
Fig.4 Sensor field arrangement
a—位移传感器；b—振弦式应力计；c—钢筋计；d—姿态传感器。
图5 传感器类型
Fig.5 Sensors type
首先搭建施工BIM高支模的模型(图3)，模型中包含建筑基本的结构以及现场用到的支模模板，建筑用虚化的方式进行展示，支模用实体的水平立杆和竖直立杆展示，这样能够突出内部的支模结构，并且能够更好地对其进行有限元分析，根据模型的有限元分析结果，确定监测点。然后在监测点安装各类传感器，包括位移传感器、振弦式应力计、钢筋计、姿态传感器等，如图4、5所示。传感器安装完毕，利用无线传输将数据周期性传输至智能采集模块，如图6所示，为预警提供数据支撑。监测平台接收到采样数据后进行数据分析，将预警情况结合模型在平台中实时展示出来，最终的监控平台效果如图7所示。本系统采用B/S架构，使用Java语言开发，结合Spring、Mysql、Redis、Shiro等当前流行建站技术搭建，有个人电脑端和手机移动端两种使用方式。不仅降低了用户操作复杂程度，提高了项目可能性，同时也方便用户的使用。系统通过保留原有设施不增新件的方式可以大幅减少成本，提供扩展的接口，为平台的推广和应用打下基础，更加节省金钱、时间成本。
图6 智能采集模块
Fig.6 Intelligent acquisition module
图7 智慧监测平台
Fig.7 Smart monitoring platform
基于物联网技术的安全监测，以高支模监测系统为例，主要实现以下五个功能：
1)高支模模型可视化平台。
建立高支模模型，用三维模型代替传统的计算机辅助设计(CAD)图纸中的文字标注和线条等表现形式，模型中添加好构件的关键参数，设置相应的属性值，实现信息化管理，且平台设计预留接口，方便后续实现施工监测与模型对接。
2)高支模施工过程实时监测。
该功能将高支模模型与施工监测数据相结合，既可以查看整体结构体系重点部位施工监测数据曲线，也可以查看某一部位数据监测数值。在施工阶段对高支模结构薄弱点进行监测，通过与模型对接，形成可视化监测平台。
3)施工监控和预警。
根据有限元计算预设施工限值，当施工监测数据达到限值，系统进行施工预警，并将相关信息发送给指定用户，报告施工预警所在的杆件位置，结合构件的实际监测值和理论分析值对项目的实际施工状态进行把控，保障项目的顺利实施。
4)传感器管理。
监测人员在系统中定义所需传感器的编号及其他信息，并且绑定模型中各个传感器的位置，当需要采集检测数据时工作人员就可以通过类别、编号快速地找到对应的传感器。
5)数据管理。
传感器通过无线网络将采集到的数据上传至平台，平台将自动记录并分析出当前的数据预警情况。不同用户登录平台都可以查看传感器采集的数据，并且能够导出保存以用于监测结果的分析。
4 结束语
通过设计基于物联网的基建安全智能监测及预警BIM体系，利用物联网和无线传输技术实现对高支模或深基坑支护重大危险点的实时监测，从技术上真正起到了降低事故发生率和减轻损失的作用。同时形成基建涉及临时支撑监测风险作业面的实时感知、及时传输、智能识别和分析预警的整体解决方案，有效推动泛在电力物联网概念和输变电工程基建工作的有效融合。
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