余德強(qiáng)，李建強(qiáng)，馬 飛

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隨著世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，交通運(yùn)輸在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用日益重要。隨著洲際之間、陸島之間以及海上交通航線的密集化、船舶建造巨型化和物流運(yùn)輸?shù)亩嘣?，人們迫切需要修建大跨度、特大跨度或超長跨度橋梁來滿足運(yùn)輸要求。懸索橋憑借結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)成為滿足大跨度或特大跨度橋梁需求的優(yōu)先選擇。

纜索系統(tǒng)作為大跨懸索橋的核心構(gòu)成部分，在設(shè)計(jì)施工及運(yùn)營階段，發(fā)揮著非常重要的作用，其工作狀態(tài)是橋梁是否處于安全狀態(tài)的重要標(biāo)志之一，而目前大跨懸索橋纜索系統(tǒng)施工普遍存在施工精度低、信息技術(shù)應(yīng)用薄弱、大臨工程安全監(jiān)控缺失、傳統(tǒng)施工方式制約施工效率等問題。

伴隨全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出信息化、智能化發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)橋梁工程的革新也迎來新的機(jī)遇，周緒紅等[1]指出，在新一輪產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和科技革命的發(fā)展趨勢(shì)下，橋梁工程領(lǐng)域進(jìn)入“第三代橋梁工程”時(shí)代，而“智能橋梁”則是橋梁工程新時(shí)代的首要發(fā)展方向。勾紅葉等[2]對(duì)橋梁工程信息化和智能領(lǐng)域進(jìn)行研究，得出傳統(tǒng)橋梁工程必將迎來深刻變革，未來將圍繞建設(shè)智能化、精細(xì)化橋梁工程方向發(fā)展。為解決傳統(tǒng)生產(chǎn)方式帶來的弊端，推動(dòng)“智能橋梁”工程的產(chǎn)業(yè)化、信息化和智能化發(fā)展，研發(fā)一種懸索橋上構(gòu)結(jié)構(gòu)智能化施工應(yīng)用系統(tǒng)已成必然趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)需要打通懸索橋纜索智能化施工數(shù)據(jù)治理各個(gè)環(huán)節(jié)，平臺(tái)架構(gòu)全景包括物聯(lián)感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)分析處理層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）物聯(lián)感知層：前端涉及系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程的傳感器和前端設(shè)備控制子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集層。例如風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)、索股溫度監(jiān)測(cè)、索塔偏移監(jiān)測(cè)等。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：采用針對(duì)大跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備，主要包括lora通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及NB-IoT窄帶網(wǎng)橋技術(shù)等。

（3）數(shù)據(jù)分析處理層：項(xiàng)目業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心建設(shè)，主要包含施工參數(shù)數(shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫、緩存數(shù)據(jù)庫和消息中間件，還包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)元管理、數(shù)據(jù)交換管理、數(shù)據(jù)分析模型管理和數(shù)據(jù)接口管理等。

（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層：可視化呈現(xiàn)看板，主要包含數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)和自動(dòng)化控制管理兩部分。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包含8大系統(tǒng)功能模塊，系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

（1）實(shí)時(shí)進(jìn)度模塊主要呈現(xiàn)施工進(jìn)度和實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)類的綜合指標(biāo)信息，主要包含當(dāng)前任務(wù)信息、主纜索股總體進(jìn)度（形象進(jìn)度）信息、卷揚(yáng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息、環(huán)境監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警提醒信息、時(shí)間軸大事記信息等。

（2）實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)模塊用于實(shí)現(xiàn)施工作業(yè)場(chǎng)景、關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)可視化監(jiān)控。

（3）智能監(jiān)測(cè)模塊如圖3所示。①監(jiān)控量測(cè)功能包含結(jié)構(gòu)物長期的監(jiān)控測(cè)試和監(jiān)控測(cè)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的安全監(jiān)測(cè)和后續(xù)施工工序基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有力保障。②貓道架設(shè)模塊主要包含左右幅貓道承重索標(biāo)高和錨固拉力的安全監(jiān)測(cè)，從而保障貓道成型后在不同荷載下的安全性和穩(wěn)定性。③主纜架設(shè)模塊主要包含索股溫度監(jiān)測(cè)、索股線形監(jiān)測(cè)和調(diào)整和索股錨跨張力的監(jiān)測(cè)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)主纜架設(shè)過程中索股線型調(diào)整與控制以及索股錨跨張力的監(jiān)測(cè)。④緊纜監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)主纜緊纜過程中的空隙率、不圓度進(jìn)行計(jì)算和監(jiān)測(cè)。⑤主纜成形模塊主要包含主纜成形和成橋狀態(tài)下線形監(jiān)測(cè)以及主纜溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)主纜成形后，對(duì)主纜線形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，保證線形的穩(wěn)定性。

圖3 智能監(jiān)測(cè)功能圖

（4）智能計(jì)算模塊基于層距控制法的調(diào)索原理，達(dá)到快速計(jì)算獲得調(diào)索調(diào)整量信息、輔助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)索施工的目的。

（5）智能設(shè)備模塊包含卷揚(yáng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)、纜載吊機(jī)監(jiān)測(cè)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程中關(guān)鍵設(shè)備的安全監(jiān)測(cè)。預(yù)警信息模塊主要包含預(yù)警信息統(tǒng)計(jì)和分析，以及預(yù)警信息查詢和預(yù)警信息匯總、預(yù)警處理閉合等，保障施工安全。

（6）任務(wù)中心功能模塊主要包含施工總體進(jìn)度計(jì)劃信息（形象進(jìn)度）、實(shí)際施工記錄信息，方便現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)總體施工進(jìn)度合理調(diào)配資源，保障施工進(jìn)度。

（7）統(tǒng)計(jì)分析模塊通過對(duì)項(xiàng)目施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以可視化圖表的形式直觀展示項(xiàng)目整體數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)已完成施工工序的過程回放，方便信息追溯和提升質(zhì)量管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

在主纜架設(shè)、線形調(diào)整及上部結(jié)構(gòu)加勁梁安裝等方面，應(yīng)用智能裝備、互聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)及相關(guān)智能傳感等手段，整合工藝流程，實(shí)現(xiàn)前端智能建造。在提升作業(yè)效率與保證質(zhì)量、安全的同時(shí)，將智能設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)與BIM模型實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)模協(xié)同和互檢。

2.1 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)以全站儀、傳感器為外部采集設(shè)備，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器，用于監(jiān)控、分析、預(yù)警等。其主要功能為全站儀遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、溫度氣壓傳感器數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、變形量計(jì)算、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)過程線展示等。

2.2 懸索橋監(jiān)控測(cè)試

懸索橋施工期的監(jiān)控測(cè)試是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，具有監(jiān)測(cè)內(nèi)容多、頻率高、時(shí)間長、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，采用人工測(cè)量并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作量會(huì)很大，搭建一套施工期的監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)成為橋梁行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。懸索橋施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容包含橋塔應(yīng)力及溫度、主纜錨跨張力測(cè)試、主纜溫度、環(huán)境場(chǎng)風(fēng)速風(fēng)向等，能夠反饋懸索橋的頻率、索力、溫濕度、風(fēng)力風(fēng)向等各方面信息，反映上構(gòu)結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性。對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行后處理并同設(shè)置的安全閾值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)超出設(shè)定值的參數(shù)發(fā)出預(yù)警信息，根據(jù)預(yù)警信息進(jìn)行橋梁安全狀態(tài)的評(píng)判并采取相應(yīng)措施[3]。大跨懸索橋施工應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳感硬件通過有線或者其他通信方式與采集模塊建立連接，再通過DTU模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉宜鳂蚴┕?yīng)用系統(tǒng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和相關(guān)分析。

該系統(tǒng)結(jié)合了互聯(lián)網(wǎng)+BIM應(yīng)用，通過BIM三維模型交互充分了解懸索橋傳感器布置與其對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，安裝在懸索橋結(jié)構(gòu)上的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)發(fā)出的指令做出響應(yīng)并反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)后臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)圖表，模型與布置的測(cè)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，直觀展示各傳感器的空間位置和該測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[4]，懸索橋監(jiān)控體系如圖4所示。

圖4 懸索橋監(jiān)控體系示意圖

2.3 智能設(shè)備集成

通過iframe嵌套方式，把智能設(shè)備控制系統(tǒng)集成至懸索橋系統(tǒng)，已預(yù)留纜載吊機(jī)、緊纜機(jī)和纏絲機(jī)等設(shè)備數(shù)據(jù)接口。在索股緊纜階段，采用智能緊纜機(jī)，相較于傳統(tǒng)緊纜機(jī)，智能緊纜機(jī)集視頻監(jiān)控、質(zhì)量控制傳感器于一體，實(shí)現(xiàn)了主纜圓度、空隙率檢測(cè)自動(dòng)化，質(zhì)量控制指標(biāo)滿足規(guī)范要求后，其反饋給緊纜機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。纜載吊機(jī)系統(tǒng)采用智能傳感、無線通信、自動(dòng)定位、安全監(jiān)控等技術(shù)，自動(dòng)獲取主梁安裝參數(shù)，利用壓力、位移等傳感器對(duì)纜載吊機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了千斤頂?shù)木_同步提升；可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示纜載吊機(jī)和主梁的空間位置，實(shí)現(xiàn)了主梁快速精確安裝[5]。智能設(shè)備集成可有效提高施工現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)管理水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)掌控。

3 結(jié)束語

隨著橋梁跨度不斷地增大，施工工期不斷縮短，沿用傳統(tǒng)的施工手段，不僅影響施工進(jìn)度，同時(shí)存在較大的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。在5G信息化高速時(shí)代，如何采用智能化施工設(shè)備、施工工藝、監(jiān)測(cè)技術(shù)等替代傳統(tǒng)的施工，同時(shí)確保施工安全，顯得尤為緊迫。大跨懸索橋纜索智能化施工應(yīng)用系統(tǒng)將監(jiān)控監(jiān)測(cè)信息遠(yuǎn)程傳輸至項(xiàng)目部管理人員，方便后場(chǎng)人員便捷地了解施工現(xiàn)場(chǎng)的施工實(shí)時(shí)信息及歷史信息，集中管控施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)作情況并依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)控記錄進(jìn)行遠(yuǎn)程輔助決策和對(duì)資源的合理優(yōu)化配置與調(diào)度，進(jìn)而保障施工進(jìn)度和安全，推動(dòng)懸索橋上構(gòu)施工向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。