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。