古建筑在线健康监测与预警系统

一、系统概述

古建筑在线监测与预警系统通过利用现代传感器、物联网、数据分析和人工智能等技术，对古建筑的结构安全、环境变化和人为影响进行实时、连续、自动化的监测、分析与预警的系统。其核心目标是“预防性保护”，变“抢救性维修”为“主动式防护”。

二、系统构成与核心技术

通常可以分为四个层级

（1）感知层：传感器

结构安全类：

       • 变形监测：裂缝计、位移传感器（拉线式、激光）、倾斜仪、沉降监测点（GNSS/北斗）。

       • 应力应变：应变片/光纤光栅传感器，监测梁、柱、墙体等关键构件的内力变化。

       • 振动监测：加速度传感器，监测地震、交通、施工等引起的振动影响。

环境气候类：

       • 温湿度传感器：监测室内外温湿度，分析霉变、干缩湿胀风险。

       • 光照/紫外线传感器：监测彩画、壁画的光照损害。

       • 风速风向、降雨量传感器：监测恶劣天气影响。

       • 土壤温湿度/地下水位传感器：监测地基稳定性。

人为活动类：

       • 视频监控：监控人流密度、异常行为（如触摸、攀爬）。

       • 噪声传感器：监测周边环境噪音水平。

（2）传输层：数据传输

采用低功耗广域网技术，如LoRa、NB-IoT，适合古建筑区域布线困难、需无线传输的场景。

在条件允许处，也可使用有线网络或4G/5G。

（3）数据传输单元：动态数据采集仪

动态数据采集仪把前端传感器产生了模拟信号或数字信号，进行读取、初步处理（可能包含模拟信号转数字信号ADC）、存储（局部缓存）并打包这些数据，然后通过网络发送到数据分析和监测平台。主要功能：

       • 信号调理：对传感器输出的信号进行放大、滤波等处理。

       • 模数转换（ADC）： 将模拟电信号转换为数字信号。

       • 数据存储： 在网络不稳定时，能够缓存数据。

       • 通信协议处理：按照约定的通信协议（如 Modbus, CAN, MQTT 等）将数据准备好。

       • 无线/有线通信接口：集成 LoRa、NB-IoT、GPRS、4G/5G 模块，或以太网、RS485 接口。

（4）平台层：数据处理和监测平台软件

数据汇聚与存储：接收并存储海量时序数据。

数据分析与处理：利用算法进行数据清洗、特征提取、趋势分析。

预警模型：设定各级报警阈值（如裂缝宽度日变化量>0.1mm），结合机器学习模型进行智能预警。

可视化大屏：将建筑三维模型（BIM或倾斜摄影模型）与监测数据融合，直观展示健康状态（红、黄、绿）。

生产报告：进行数据分析、报告生成、为维护决策提供依据。

（5）应用层

移动端APP/小程序：供巡查人员现场查看、接收报警信息、进行人工复核。

三、应用价值与优势

       • 从定性到定量：将传统经验判断转化为数据支撑的科学决策。

       • 从被动到主动：在问题刚出现苗头时发出预警，避免小病变大病。

       • 延长建筑寿命：通过精细化维护，显著延长古建筑的健康周期。

       • 优化保护方案：为修缮工程提供精准的数据依据和效果评估。

       • 数字化档案：积累长期连续的健康数据，形成珍贵的“数字病历”。

       • 提升管理效能：实现远程、集中化管理，降低日常巡查的人力成本与盲区。