劉增華,馬春雷,秦術(shù)攀,何存富,吳 斌

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程應(yīng)用

劉增華,馬春雷,秦術(shù)攀,何存富,吳 斌

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

為了滿足對(duì)支架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需求，提出一種以ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)為核心的支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將安裝在支架結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變片和傾角傳感器采集的應(yīng)變和傾角數(shù)據(jù)通過GPRS技術(shù)傳輸至上位機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)支架結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測(cè)。由于系統(tǒng)比較復(fù)雜、輔助設(shè)備較多，工程應(yīng)用周期較長(zhǎng)，因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用過程中需要考慮眾多因素。分析了工程應(yīng)用要點(diǎn)與施工流程，并將該系統(tǒng)成功地應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)各類安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用有著良好的指導(dǎo)意義。

支架結(jié)構(gòu)；無線傳感器；ZigBee；GPRS；工程應(yīng)用

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛增長(zhǎng)，交通事業(yè)得到了快速發(fā)展，大批橫跨河流和公路的高架橋梁應(yīng)運(yùn)而生[1]。支架結(jié)構(gòu)作為一種臨時(shí)性支撐結(jié)構(gòu)，具有拆裝靈活、搬運(yùn)方便、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在道路橋梁施工中廣泛應(yīng)用[2]。支架結(jié)構(gòu)雖然是臨時(shí)結(jié)構(gòu)，但同時(shí)也是道路橋梁施工中的主要支撐結(jié)構(gòu)，支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及變形直接影響到橋梁的質(zhì)量及安全性。支架結(jié)構(gòu)作為施工的載體，不僅承受著鋼筋混凝土及各種建筑材料和設(shè)備的載荷，同時(shí)還是施工人員的作業(yè)平臺(tái)。為減少乃至避免因道路橋梁施工支架結(jié)構(gòu)的倒塌事故頻發(fā)給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成的嚴(yán)重?fù)p失[3]，支架的工程安全問題亦得到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遗c工程人員的關(guān)注。因此，發(fā)展一種能夠有效監(jiān)測(cè)支架結(jié)構(gòu)安全的系統(tǒng)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)一般采用傳統(tǒng)的有線測(cè)量的方法對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其效率比較低，難以滿足實(shí)際的工程檢測(cè)需求。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校研制了無線集成網(wǎng)絡(luò)傳感器[4]。為提高城市災(zāi)后搜救工作時(shí)信息傳遞與捕獲的效率，OCHOA等[5]提出了一種以人為中心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念。秦術(shù)攀[6]基于ZigBee技術(shù)和GPRS通信技術(shù)研發(fā)了用于支架結(jié)構(gòu)安全的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)χЪ芙Y(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期在線、遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)。筆者在此基礎(chǔ)上分析了支架結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用要點(diǎn)與施工流程，將秦術(shù)攀研制的支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于工程實(shí)際，實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)支架結(jié)構(gòu)的有效監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由軟件和硬件兩大部分組成[7-8]，如圖1所示。其中，軟件部分主要為上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件；硬件部分由無線傳感器、路由器、協(xié)調(diào)器、GPRS DTU設(shè)備、GSM短信預(yù)警設(shè)備和手機(jī)等組成。圖2為協(xié)調(diào)器、路由器、無線傳感器實(shí)物圖。

圖1 支架結(jié)構(gòu)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意

圖2 無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分硬件

支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于ZigBee和GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)無線傳感器采集到的應(yīng)變和傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并且遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)室的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件[9]；上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、查詢和數(shù)據(jù)預(yù)警的功能,并將預(yù)警短信通過GSM設(shè)備發(fā)送到手機(jī)[10]。

2 工程應(yīng)用要點(diǎn)

支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比較復(fù)雜、輔助設(shè)備較多[11]，需要對(duì)每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的無線傳感器、路由器、協(xié)調(diào)器、DTU和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始化和順序控制等進(jìn)行全方位的系統(tǒng)管理。因此，支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)安排合理，以提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作效率。系統(tǒng)的運(yùn)行需要注意以下幾個(gè)方面。

(1) 工作電量保證：支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用蓄電池為GPRS DTU持續(xù)供電。因無線傳感器、路由器和協(xié)調(diào)器具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，而且為了滿足其使用方便的要求，采用干電池為其供電。在系統(tǒng)工作過程中，為避免發(fā)生系統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作的中斷故障，必須保證電量充足。

(2) 定期檢測(cè)系統(tǒng)單元安全：檢查測(cè)試設(shè)備及儀器，以確保在測(cè)試過程中能夠正常使用；檢查電阻應(yīng)變片的阻值和接線。

(3) 保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定：Internet網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的樞紐。無線傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件顯示并保存。因此，穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)是保證整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵，其直接影響到監(jiān)測(cè)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的判斷。

(4) 規(guī)范設(shè)備操作流程：系統(tǒng)啟動(dòng)過程中依次打開現(xiàn)場(chǎng)的GPRS DTU、協(xié)調(diào)器、路由器、無線傳感器。首先打開GPRS DTU設(shè)備對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，保證數(shù)據(jù)順利傳輸；協(xié)調(diào)器能夠建立以協(xié)調(diào)器為中心的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，保證路由器和無線傳感器能夠順利接入網(wǎng)絡(luò)。路由器主要起到延長(zhǎng)傳輸距離的作用[12]。

(5) 工程環(huán)境調(diào)查：設(shè)備安裝調(diào)試過程中要注意施工現(xiàn)場(chǎng)的氣象和水文地質(zhì)情況，做好設(shè)備防水防潮準(zhǔn)備。

(6) 工期安排：工程工期一般為3～5 m，支架結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行時(shí)間根據(jù)常規(guī)運(yùn)行進(jìn)度安排，占整體工期的5～10 d。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)支架結(jié)構(gòu)整體監(jiān)測(cè)的流程

3 工程應(yīng)用實(shí)例及施工流程

為了驗(yàn)證支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程實(shí)用性，將傳感器網(wǎng)絡(luò)置于浙江省某施工段現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)前，要做好充足的準(zhǔn)備工作，如進(jìn)行測(cè)距、布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)、打磨監(jiān)測(cè)點(diǎn)、粘貼應(yīng)變片、安裝和調(diào)試等。其中，打磨檢測(cè)點(diǎn)和粘貼應(yīng)變片的目的是為了采集支架結(jié)構(gòu)受力時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。最后才可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)支架結(jié)構(gòu)的整體監(jiān)測(cè)。整體監(jiān)測(cè)流程如圖3所示。

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取

在選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)之前要對(duì)跨段進(jìn)行橫向和縱向的長(zhǎng)度測(cè)量，以便繪制布點(diǎn)圖。選取支架預(yù)壓和混凝土澆筑期間的危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)為支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)支架現(xiàn)澆梁安全專項(xiàng)施工方案，選取受力大的區(qū)域較多地布置無線傳感器。該施工段支架類型主要為門式支架。門式支架結(jié)構(gòu)主要包括：橫桿、立桿、橫桿加強(qiáng)桿、立桿加強(qiáng)桿、交叉拉桿、銷鎖、連接棒、可調(diào)底座、可調(diào)頂托及縱橫連接桿等，單個(gè)門式支架結(jié)構(gòu)示意與支架現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)圖片如圖4所示。

圖4 單個(gè)門式支架結(jié)構(gòu)示意與支架現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)圖片

監(jiān)測(cè)地點(diǎn)選取該施工段某工地任意一跨的兩次澆筑階段。選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)20個(gè)，主要分布在支架結(jié)構(gòu)沉降觀測(cè)點(diǎn)和現(xiàn)澆箱梁腹板處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意如圖5所示。其中，圓圈代表距離頂層1.3 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，三角代表距離地面1.3 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。頂層的10個(gè)無線傳感器只監(jiān)測(cè)支架結(jié)構(gòu)角度的變化。由于考慮到力的傳遞性，底層支架受到的力要大于頂層支架受到的力。因此，在底層支架布置無線傳感器進(jìn)行應(yīng)變值監(jiān)測(cè)是合理的。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

3.2 應(yīng)變片粘貼

應(yīng)變片安裝工藝直接影響系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。在應(yīng)變片粘貼之前需要對(duì)支架結(jié)構(gòu)粘貼點(diǎn)進(jìn)行打磨和表面處理，保證應(yīng)變片能夠和支架接觸良好。為了保證全橋應(yīng)變片的對(duì)稱粘貼，需在打磨表面劃線標(biāo)記出對(duì)稱粘貼點(diǎn)的位置。應(yīng)變片粘貼步驟如圖6所示。在應(yīng)變片表面涂抹了一層單組份溫室固化硅橡膠水，用作防水防潮。最后，用萬用表測(cè)量應(yīng)變片的阻值，如果測(cè)量值與理論的阻值相差較大，說明應(yīng)變片在粘貼過程有壞損，需要重新粘貼。

圖6 應(yīng)變片粘貼步驟

3.3 安裝調(diào)試

待應(yīng)變片粘貼完成后，對(duì)無線傳感器、路由器、協(xié)調(diào)器等設(shè)備依次進(jìn)行安裝。圖7所示為安裝好的無線傳感器。

圖7 安裝好的無線傳感器

設(shè)備安裝完成后要對(duì)其進(jìn)行檢查和調(diào)試，以確保其能正常工作?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中，要建立以協(xié)調(diào)器為中心的ZigBee無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。利用GPRS通信技術(shù)的遠(yuǎn)程傳輸特性，將支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件安裝在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)以工程項(xiàng)目部的網(wǎng)絡(luò)作為該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中心網(wǎng)絡(luò)。選擇一臺(tái)連接外部網(wǎng)絡(luò)的筆記本電腦作為服務(wù)器，在該計(jì)算機(jī)上完成GPRS DTU的本地串口配置及端口號(hào)的分配，與GPRS設(shè)備連接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)支架結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果 現(xiàn)場(chǎng)支架結(jié)構(gòu)混凝土澆筑分為兩個(gè)階段：第一次澆筑，一共持續(xù)大約9 h;間隔19 d第二次澆筑,一共持續(xù)大約10 h。澆筑期間無線傳感器將應(yīng)變片采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)和傾角傳感器采集的角度變化數(shù)據(jù)通過路由器或直接傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。

圖8 第一次澆筑階段上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖9 第二次澆筑階段上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)結(jié)果

在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中，當(dāng)混凝土澆筑到監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近時(shí)，由于混凝土本身重量和附帶的沖擊，設(shè)備的應(yīng)變值和傾角值均有明顯的相對(duì)變化。圖8為第一次澆筑階段上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)結(jié)果。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出：第一次澆筑過程中混凝土兩次澆筑到監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，應(yīng)變值和傾角值也有兩次相對(duì)應(yīng)的變化。圖9為第二次澆筑階段上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)結(jié)果，可看出第二次澆筑過程中混凝土三次澆筑到監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，應(yīng)變值和傾角值也有三次相對(duì)應(yīng)的變化。變化值越大表明橋梁支架上方澆筑混凝土附帶的沖擊較大。當(dāng)澆筑點(diǎn)遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，應(yīng)變和傾角值趨于定值，波動(dòng)幅度減小。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)支架安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。

4 結(jié)語

提出一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS通信技術(shù)的支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期在線、遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)無線監(jiān)測(cè)。分析了其工程應(yīng)用要點(diǎn)和施工流程，并將該系統(tǒng)成功地應(yīng)用于某施工現(xiàn)場(chǎng)。應(yīng)用結(jié)果表明：該支架結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)搭建的支架結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，具有重要的工程應(yīng)用前景。

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Engineering Application of Wireless Safety Monitoring of Supporting Structure

LIU Zenghua, MA Chunlei, QIN Shupan, HE Cunfu, WU Bin

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

In order to meet the requirements of the supporting structural health monitoring, a wireless safety monitoring system is proposed based on ZigBee and GPRS technologies. The safety monitoring system of support structure is a wireless communication system based on GPRS and ZigBee. The strain and angle data collected from the strain gauge and the angle sensor installed on the supporting structure are transmitted to the host computer through GPRS technology. Many factors need to be considered in the practical engineering application of the complex system due to multiple auxiliary equipments and the long application cycle. In this paper, the key points of engineering application and construction procedures are analyzed. The system has been successfully applied to some construction sites. It has a good guiding significance for the successful application of all kinds of safety monitoring system.

supporting structure；wireless sensor；ZigBee；GPRS；engineering application

2017-02-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475012,11272021);北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(CIT& TCD201304048)

劉增華(1973-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槌暉o損檢測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)

劉增華， liuzenghua@bjut.edu.cn

10.11973/wsjc201706009

TG115.28；TM933

A

1000-6656(2017)06-0040-04