不斷刷新紀錄的摩天大樓，全靠「它」保證安全
造就第391位講者張武雄
中科院上海微系統與信息技術研究所
上海無線通信研究中心
常務副主任
大家好，我是來自中國科學院上海微系統所的張武雄。今天為大家介紹一下，我們通過以物聯網為代表的信息技術如何來助力工程的安全。
物聯網與豆腐渣工程
我們大家都很痛恨豆腐渣工程，但是豆腐渣工程在現在這個階段還是不可避免的。
我們回顧一下，2007年九江大橋坍塌事故，當時因為有船舶的撞擊，橋樑瞬間就垮塌了，這也是當時非常重大的事件。
廣東九江大橋（2007）
高速公路也有很多豆腐渣工程，網上的一個豆腐渣工程評級，第一的就是甘肅天定的高速公路，2011年通車，它的建築工程造價高達一個億每公里，但是建成以後的幾天之內高速公路就裂開，然後馬上就不能使用，進入了一個維修期。
甘肅天定高速（2011）
上海蓮花河畔也是類似的事件，因為有土的一個擠壓，樓房瞬間倒塌。後面這個樓盤它的二手房的價格也並不太低，因為後來大家發現樓房的玻璃這些結構還是挺好的，只是它的基礎沒做好。但是這也不能否認它當時也確實有一些偷工減料的行為。
上海蓮花河畔景苑（2009）
物聯網可以從建築的源頭開始，從開工建造到運行，再一直到維護，對建築進行安全防護。我們先看一下什麼叫做物聯網，物聯網這個詞是2009年溫總理在我們實驗室的無錫分中心去參觀考察的時候，我們給溫總理提供的架構圖，當時溫總理就挑了物聯網這個詞。
在生活上其實有很多東西已經是物聯網了，像摩拜、OFO的一些單車就是物聯網技術的很好應用。物聯網裡面集大成的應用就是智能駕駛或者汽車，每個汽車裡面有幾百個不同的感測器組成的網路，對車的質量、運行狀態進行監測。
下面這個就是上海最近在推行的智能路燈，把電線杆、路燈桿等等集成到一個系統裡頭，下面可以做充電樁，可以做WIFI，然後在它基礎上做一些環境監測，這也是一種對物聯網很好應用。
我們回顧一下早期的幾個物聯網應用。這是2009年我們在太湖做的藍藻監測，當時太湖流域的水質非常不好。世博的安防系統當時也是很大的單體物聯網系統。
上海世博會安防系統
感知太湖物聯網系統
我們可以看一下，這個是我們給浦東機場做的物聯網的系統，從2006年到現在十幾年還在正常工作，並且我們已經抓了十幾個在裡面要進行破壞的人，但是他還來得及進行破壞。主要原因就是我們有物聯網的系統對它進行早期的一些監測，能夠提前防範並逮到了這些破壞分子。
浦東機場防入侵系統
全方位監測，從溯源到追蹤
回到今天的主題，物聯網怎麼來助力建築的安全。我們首先看一下建築的施工安全，物聯網能夠做些什麼工作。
建築施工裡面有幾個很重要的方面，一是施工的人，怎麼能保證合適的、有資質的人在合理地做他能夠做的一些事。另外一個方面，要保證它的材料，包括它的工藝、保障措施是否達標。
第一，在建築工地裡面有一些物聯網系統，我們可以實時地監測管理人員是不是在崗。可以監測是不是真的是電工在操作帶電的一些設備。操作這個塔吊的工人是不是也有相應的證書。相應的有一些巡更的系統，也會做一些定位的技術。
第二，對於建築材料是否合格的問題，我們也可以從早期的每個材料進場對它進行監測，檢測完以後把它放在指定的位置，有人去搬這些建築材料的時候，系統能夠保證從它的入庫到出庫，到領用的整個過程中的追溯，就像我們做食品溯源一樣。
第三個就是我們要保證施工的工藝是不是達標。我們有一些物聯網的手段，包括感測器、視頻監測的手段來探測是不是達標。
另外，我們可以看一下施工的保障措施是不是到位，腳手架是不是穩定可靠，我們在上面也會做一些感測器來監測它的質量。
在這個基礎上我們做了一整套的基於物聯網的解決方案或者是系統。
我們看到底下有各種各樣的感測器，可以對人員、塔吊、鉤機、升降機進行管理。我們還對環境進行管理，包括裡面的排氣、排水等等。另外還有視頻、車輛的進出、稱重等等。
有了這些感測器以後，我們把施工工地的所有的狀況全部通過信息的手段進行掌控，掌控完以後，我們構建了各種各樣的應用系統來對它進行安全監控和分析。
設備監管與應急指揮
塔吊安全監測
施工環境安全監測
舉幾個例子，當我們如果出現一些安全事故的時候，要保證人員在哪裡，設備在哪裡，救援的措施在哪裡，這樣的話有一套系統可以來進行監控。塔吊的安全也是一個非常重要的系統，這個塔吊上的感測器會探測它是不是傾斜，是不是有擺動，等等。
對於環境施工和監測，現在政府要求得也非常嚴。我們同樣可以監測大氣裡面的水是不是被污染了。
所以，物聯網是解決施工安全裡面的一個很重要的手段。
下雨天能靠近玻璃幕牆嗎？
玻璃幕牆是我們在考慮的一個很大的問題，我們國家是從80年代開始大面積興起玻璃幕牆。我們城市的高樓非常密集，整個玻璃幕牆的佔有量達到了全球的85%，是非常高的一個量。
然而玻璃幕牆有一個問題，雖然它比較美觀，施工相對也比較簡單，但是玻璃的壽命其實只有15年，正常使用的話，玻璃的結構膠的壽命只有十年左右。所以不管是玻璃破碎還是結構膠失效都會對它造成很大的影響。
那麼在玻璃幕牆監測這個領域，因為全球最大的玻璃幕牆使用國是中國，國外在這個領域裡面的研究並沒有那麼先進的經驗可以借鑒，所以現在傳統的檢測可能最多。
我們有一些探測的設備，背過來，一塊玻璃一塊玻璃地去探測，也有一些檢測方法，就是用這種橡皮錘去敲擊，看這個玻璃的聲音，是比較原始和落後的。
關於玻璃幕牆的安全隱患有——
1.我們有些建築的材料的壽命，主要是指玻璃，包括結構膠和裡面的一些結構件的壽命還是相對比較短的，不像我們的混凝土結構。
2.外界因素的影響也比較大，颱風對橋樑有很大的影響，颱風對玻璃也是一樣的，它會不斷地衝擊玻璃。
3.每年對玻璃都會有這種清洗，在外牆擦的時候塔吊掉下來，當有風吹的時候它擺動也會撞擊到這個玻璃。
其實前幾年上海中心也是有類似的安全性事件，玻璃整個掉下來，慶幸的是它砸到了車而沒有砸到人。想想幾十層樓掉下來一個雞蛋都可以砸死人，更何況一個玻璃。
我們用物聯網的技術和手段做了一套玻璃幕牆的安全監測系統，這是與交大、同濟等等一些學校共同合作。
我們的前端感測器能夠探測它的震動，包括應力、應變、溫度等等影響玻璃的安全的一些參數。也有一些窄帶物聯網的傳輸技術，能夠非常便捷地把前端玻璃的一些狀態數據採集上來，在採集上來以後可以通過這個平台，有一些人工智慧、大數據和雲計算的手段結合起來。
這樣，我們就能夠提前預警，建立玻璃的幕牆會破碎的一個模型。這樣的話，我們就能夠知道這個風險程度到底是多少。
第二個問題就是，我們雷雨天到底能不能靠近玻璃幕牆。其實，按照我們現在的安全標準，玻璃相對還是有一定的安全性的，但是上了我們這套系統以後，相信未來會更加得安全。
建築安全隱患，小微場所遠高於摩天大樓
物聯網怎麼解決運行中的建築安全呢？左邊這張圖是我們的金貿大廈，我們一想到建築的安全可能首先想到高樓大廈。
其實很危險的一些地方就是這些小微場所，包括這種群租房、家庭作坊，裡面住的人比較多，水電這種消防隱患是非常大的。
就像我們現在這個劇場，如果旁邊著火了，可能人家都已經撤了，但是我們這壓根不知道隔壁著沒著火，等到燒過來的時候可能已經非常晚了。
有沒有一些手段和措施能夠解決，或者說能夠給我們一些提示呢？是有的。
在建築運行過程中我們想了很多種方法，針對很多種不同的應用做了多種物聯網的系統。這個是現在也比較熱門的，叫獨立式的煙感，傳統的煙感可能是由消防局，包括跟噴淋設施是聯繫在一起的。
任何一個建築如果要驗收合格的話，必須有這套設備，現在有些獨立的煙感可以在裡面集成這種窄帶物聯網。因為有這些窄帶的傳輸技術，比方說它有十年以上的壽命，我們把這個布在房間裡頭以後，在上面可以集成語音廣播的信息，隔壁如果著火了，我們這個房間里可能瞬間都知道了。
這個在上海經信委和科委的支持下，我們在楊浦、虹口，東方明珠已經布了將近3萬多個獨立式的煙感。大家以後每個家庭裡面，如果感興趣的話也可以去買這種設備裝在你家裡，可以通過APP監測家裡是不是有著火的情況或隱患。
電梯的安全也是現在很大的一個問題，上海是電梯應用非常廣的地方，有將近有30萬台的電梯的保有量，超期服役15年以上的電梯可能有幾千台，10到15年的也有七八萬台。而電梯的實際使用壽命按照要求來講一般就只有十年。所以怎麼來做好維護也是很大的一個問題。
雖然我們的事故沒有出那麼多，但是物聯網也能為電梯的安全做很多工作。
現在我們在電梯裡面加裝很多的感測器，包括樓層、平層、煙感，可以監控電梯電線的電流等等。它可以通過溫度來判斷這個電梯是不是安全。
做到這個以後，我們把電梯的很多狀態數據採集上來，可以遠程做人工智慧的分析，分析完以後可以做到電梯的合理化維保。
現在電梯正常的維保是由人靠紙質的材料去進行維保，他是不是去了？維保的怎麼樣？大家都不知道。但未來有這套物聯網系統以後，我們可以切實地保障每台電梯的安全性。
還有，我們在大樓裡面會有一些新風、供水、給排水的系統。有了物聯網的技術手段以後，我們可以看一下房間里的空氣質量，溫度是多少，濕度是多少，然後調整到最合適的溫度和濕度。
在給排水，我們可以看一下水量流速是不是合適，裡面是不是有些污染等等，這樣的話能保證大樓的安全。
摩天大樓、南水北調中的物聯網技術
當時我們的合作夥伴在廣州小蠻腰上做了一個項目，在上面有布一些感測器，可以看高樓的一些擺動和震動，判斷它是不是處於一個安全的狀態。
我認為這種東西以後也會在包括上海中心這樣高樓上面進行使用。
另外一塊是我本人持續七八年的一個工作，當時我們是給南水北調中線做的安全防護系統。中線是從當時湖北、河南交界的丹江口水庫引水1432公里到北京和天津，大約每年10億立方米的水。
但是這裡面就會有很多的問題，它這個南水北調相當於從南到北整個是逢山就要鑽隧洞，逢峽谷就要架橋，工程非常複雜，裡面也確實有很多的安全問題。
像上面這種渡槽兩點幾公里長，上面全是水，幾千噸的水對整個基座的壓力是非常之大的。我們在上面有各種各樣的感測器來監測它的位移沉降、滲流滲壓。那麼就相應地構建了工程安全監測系統。
同時我們跟外圍的一些氣象信息，不管是氣象局的信息，還是當地的雨量站的信息相結合。我們還做了一些水量和水質的監測等等，把這些信息匯聚上來對南水北調的整個工程的安全進行防護。
同時我們還構建了防止人入侵的一套系統，就是說如果有人攀爬圍欄，進入渠道，我就能知道，還能順利地把他指出來並找到，這樣的話也能提升工程的安全性。
大家舉一個例子。因為我們這個是人工挖掘的工程，一旦掉到這個渠道裡頭是很難上來的，因為它這個是水泥的邊坡，想爬上來都非常難。所以人的安全也是整個南水北調工程中一個很核心的問題。
感測器，物聯網技術的核心
講了前面的各種物聯網的技術手段，不管是橋樑、大樓，還是高速公路、南水北調，未來的新型感測器是裡面的很核心的一塊。
我們講未來的智能建築裡面，它必然是把建築的建造、運行、更新以及未來的維護的整個過程進行信息化。一方面提升建築的安全水平，另外一方面也是為人們的生活提供一些便利。
但我們國家其實在新型的感測器方面還是有很多的缺陷的，一方面很需要各種新型的感測器，而在這種高端的智能感測器方面，美國、日本和德國它們是比較先進的，佔了全球大概70%，我們國家大概只有10%左右。
同時從生產的角度來說，2萬多種感測器，我們國家大概只有1萬多種，所以這個也是我們很大的短板。
那麼好事在哪裡？就是我們國家的感測器產業由原來的仿造，已逐步地開始往高端拓展，我們國家的一些晶元廠已經開始在逐漸走上高端的路線。給大家舉幾個簡單的例子——
我們的一些高速度加速器，包括陀螺儀，以前在軍工裡頭用得比較不錯，現在也開始在轉民用；我們一些壓力感測器，現在水表氣表裡頭也開始在應用；我們做的一些防爆的感測器，在普通機場做安檢的時候已經在用，我們有一些毫米波的設備、安檢的一些設備也已經在機場里這用了。
所以我相信，就是在未來的3到5年之內，我們很多種高端的感測器是能夠實現突破的。有了這些感測器，我們可以為建築，尤其是未來建築，可以為它的安全提供更加有力的技術和手段，為它的安全保駕護航。
謝謝大家。
文字：王銳
校對：其奇
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