任萬(wàn)鵬，潘本金

（陜西路橋集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

隨著智能制造重點(diǎn)專項(xiàng)“智能橋梁”為主題的“中國(guó)橋梁2025”科技計(jì)劃的推行[1]，加之國(guó)家相關(guān)政策的高度扶持，橋梁施工管控技術(shù)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞施工控制系統(tǒng)開展了相關(guān)研究：Son 等[2]通過(guò)對(duì)橋梁建設(shè)項(xiàng)目管理進(jìn)行研究，提出協(xié)同管理在項(xiàng)目進(jìn)行中的重要性，總結(jié)出一個(gè)內(nèi)部協(xié)作演化模型進(jìn)行模擬，以此為基礎(chǔ)提出項(xiàng)目的成功是需要不同個(gè)人之間的協(xié)作實(shí)踐。Anumba CJ等[3]將項(xiàng)目協(xié)同工作的范圍由設(shè)計(jì)延伸到施工階段，建立了有效的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)及施工信息的管理，開發(fā)了基于web 的項(xiàng)目信息管理系統(tǒng)。同濟(jì)大學(xué)袁帥華[4-5]以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，使用高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并使用專家決策功能輔助工程控制。西南交通大學(xué)李喬[6]等人基于自適應(yīng)控制法，開發(fā)了適用超大跨徑橋梁的施工控制系統(tǒng)，包含控制制造、工況評(píng)估、參數(shù)是被修正、狀態(tài)預(yù)測(cè)、控制決策等六大模塊。

但是，目前的橋梁建設(shè)過(guò)程仍具有參與方多、信息復(fù)雜、協(xié)同管理困難等諸多問(wèn)題，信息化建設(shè)普遍性不足，缺乏面向橋梁建設(shè)項(xiàng)目多主體的協(xié)同化、集成化管理的深入研究[6-10]。因此，施工控制軟件需要從單一功能、靜態(tài)演示、客戶端形式，逐步向多功能、動(dòng)態(tài)化演示、瀏覽器端形式轉(zhuǎn)變，并結(jié)合多軟件交互等技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件的集成化轉(zhuǎn)變[11-15]。

本文針對(duì)波形鋼腹板橋梁施工控制精度高、控制難度大的特點(diǎn)，開發(fā)了一套基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)的施工可視化管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將二維平面化信息與三維實(shí)體深度融合，通過(guò)在三維場(chǎng)景中高度還原真實(shí)橋梁施工狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)信息流的立體化展示。研究結(jié)果可以幫助橋梁施工管理人員更加直觀地獲知現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，提升橋梁施工管控效率。

1 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

波形鋼腹板三維管控可視化信息系統(tǒng)的主要功能為：

（1）對(duì)施工過(guò)程中的信息進(jìn)行收集匯總，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與修正，提高施工信息的實(shí)時(shí)交互能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的實(shí)時(shí)管控；

（2）建立施工過(guò)程動(dòng)態(tài)展示模型，將設(shè)計(jì)、施工的關(guān)鍵信息以圖形化方式展示，提高施工過(guò)程中的信息溝通效率。本系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

本系統(tǒng)采用微軟公司公司開發(fā)的.NET 開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件開發(fā)過(guò)程的多層面功能，為WEB 架構(gòu)提供一個(gè)便捷的開發(fā)環(huán)境?？紤]到目前主流的開發(fā)語(yǔ)言中C# 與該平臺(tái)的匹配度最好，便于后期維護(hù)，故選用C#為開發(fā)語(yǔ)言。.NET 開發(fā)平臺(tái)與傳統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)相比，開發(fā)語(yǔ)言多樣，語(yǔ)言包容度更好，在該平臺(tái)開發(fā)的應(yīng)用可以較為方便的進(jìn)行多系統(tǒng)應(yīng)用，并且開發(fā)語(yǔ)言遵循共同協(xié)議，提高開發(fā)效率，所以本系統(tǒng)采用.NET 體系作為開發(fā)平臺(tái)，并選用VisualStudio.NET 作為系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。

目前軟件開發(fā)主要分為C/S 和B/S 兩種結(jié)構(gòu)形式（見圖2）。C/S 結(jié)構(gòu)稱為客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，任務(wù)在客戶和服務(wù)器端分配，通過(guò)機(jī)器硬件將任務(wù)解析，兩端通訊開銷很小，不過(guò)多消耗網(wǎng)絡(luò)資源，但任務(wù)完成水平受限于機(jī)器硬件條件，早期軟件開發(fā)多采用這種結(jié)構(gòu)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，以B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)開始逐步得到發(fā)展，使用這種結(jié)構(gòu)可以減輕客戶端的硬件壓力，避免繁瑣的客戶端升級(jí)過(guò)程，可直接通過(guò)WEB 端運(yùn)行，降低了硬件要求與運(yùn)維成本，具有很好的便捷性和適用性，因此，系統(tǒng)開發(fā)選擇采用B/S 軟件架構(gòu)。

圖2 B/S 架構(gòu)和C/S 架構(gòu)體系架構(gòu)圖示

2 主梁線形預(yù)測(cè)方法

使用C# 語(yǔ)言開發(fā)了Matlab 的接口模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與Matlab 計(jì)算模塊的交互，達(dá)到對(duì)橋梁主梁線形預(yù)測(cè)的目的。

2.1 接口開發(fā)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式：B row ser/Sever架構(gòu)（瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)）。使用瀏覽器上傳數(shù)據(jù)后，返回服務(wù)器計(jì)算顯示結(jié)果。

表示層開發(fā)技術(shù)：基于Severde 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，基于C 語(yǔ)言的中間業(yè)務(wù)模塊、Matlab 接口模塊，基于.Net的Web 頁(yè)。

MEC-BP 算法的實(shí)現(xiàn)邏輯：在最底層的MEX 文件中使用Matlab 語(yǔ)法編寫。

計(jì)算引擎組件：在已有的環(huán)境和邏輯下，通過(guò)開發(fā)接口模塊Matlab Anncom 類（變量包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)果參數(shù)、工作空間路徑和訓(xùn)練數(shù)據(jù)），實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的通信控制。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造函數(shù)：訓(xùn)練數(shù)據(jù)的設(shè)置使用SetAdapt Matrix 函數(shù)；模擬數(shù)據(jù)的設(shè)置使用SetSimulate Matrix 函數(shù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理使用Ann Simulate函數(shù)。

2.2 線形預(yù)測(cè)

在線形預(yù)測(cè)窗口，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中錄入信息的讀取，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)帶入有限元模型中進(jìn)行計(jì)算，得到預(yù)測(cè)線形的響應(yīng)輸出，并通過(guò)圖形化界面進(jìn)行展示。對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行錄入，調(diào)用MATLAB 接口實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)值計(jì)算，并通過(guò)圖形顯示預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律。從曲線變化可以看出，線形預(yù)測(cè)差值與實(shí)測(cè)差值擬合精度較好，能夠滿足誤差變化規(guī)律，預(yù)測(cè)結(jié)果可以指導(dǎo)施工。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

梁渠溝大橋位于陜西省旬邑縣湫坡頭鎮(zhèn)車門村南、太村鎮(zhèn)張家村北，是陜西省首座波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。主橋全長(zhǎng)430 m（75 m+2×140 m+75 m），頂板12.65 m，底板寬6.65 m，跨中梁高3.5 m、墩頂梁高8.5 m，墩頂至跨中梁高以1.8 次拋物線的形式變化。成橋效果見圖4。

圖4 梁渠溝大橋成橋效果圖

3.2 系統(tǒng)主界面

用戶登錄主界面后，可通過(guò)上側(cè)導(dǎo)航欄進(jìn)行不同子系統(tǒng)。在主系統(tǒng)界面，用戶可查看到橋梁的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示模型，通過(guò)該模型了解到項(xiàng)目的基本信息、施工進(jìn)度狀態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息等，并且通過(guò)該界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同子系統(tǒng)的管理。

主界面系統(tǒng)主要分為4 個(gè)區(qū)域：（1）菜單欄，主要用來(lái)提供各子系統(tǒng)導(dǎo)航入口；（2）子菜單欄：提供子系統(tǒng)各功能模塊的導(dǎo)航入口；（3）選項(xiàng)卡展示欄，用來(lái)方便快捷的打開已有界面；（4）信息窗口，用來(lái)展示當(dāng)前模塊的功能信息。

系統(tǒng)管理界面可對(duì)系統(tǒng)的基本信息進(jìn)行設(shè)置，主要功能有：橋梁參數(shù)的定義、用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)菜單與子系統(tǒng)名稱管理和系統(tǒng)日志管理。在橋梁參數(shù)定義模塊中可定義當(dāng)前工程的基本信息，通過(guò)對(duì)橋梁基本信息定義實(shí)現(xiàn)對(duì)施工信息的管理。在人員管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)不同登錄賬號(hào)的管理，并通過(guò)角色管理模塊對(duì)不同賬號(hào)賦予相應(yīng)權(quán)限。

3.3 施工過(guò)程動(dòng)態(tài)演示及監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

3.3.1 動(dòng)態(tài)演示模塊

該模塊使用WebG L 技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁施工模型的三維動(dòng)態(tài)展示，該技術(shù)較好的解決了WEB 平臺(tái)交互式三維模型存在依靠外部插件、無(wú)法跨平臺(tái)展示、兼容性差的缺點(diǎn)。依托該技術(shù)，三維模型可以在瀏覽器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)展示與數(shù)據(jù)交互，無(wú)需依靠額外插件并且適用多種平臺(tái)。模型僅通過(guò)機(jī)器顯卡進(jìn)行3D 渲染解析，方便用戶隨時(shí)查看，提高了系統(tǒng)的便利性。

施工模型動(dòng)態(tài)展示模塊主要功能是進(jìn)行施工過(guò)程模型動(dòng)態(tài)演示，并查看施工過(guò)程中塊段的主要施工信息，見圖5。通過(guò)視圖按鈕進(jìn)行三維模型的不同方向展示，對(duì)細(xì)部構(gòu)件的細(xì)節(jié)展示；通過(guò)工況選擇欄查看不同工況下的施工狀態(tài)及施工信息，當(dāng)鼠標(biāo)停留在塊段上時(shí)，可以查看當(dāng)前施工階段該塊段的主要信息（施工進(jìn)度、高程監(jiān)測(cè)值、應(yīng)力監(jiān)測(cè)值、人員信息等）。同時(shí)該模塊預(yù)留模型的外部導(dǎo)入接口，可將高精度激光掃描儀掃描得到的三維模型以及第三方建模軟件建立的模型導(dǎo)入。

圖5 橋梁可視化施工模型

3.3.2 線形及應(yīng)力控制模塊

為了保證橋梁施工過(guò)程中的施工質(zhì)量與結(jié)構(gòu)安全，必須時(shí)刻掌握施工中的動(dòng)態(tài)信息，作為施工控制中重要的控制指標(biāo)，線形和應(yīng)力的控制管理更為重要，因此本系統(tǒng)的核心模塊就是線形和應(yīng)力控制模塊，該模塊主要通過(guò)圖形化界面顯示，便于管理者發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)出控制指令，兩個(gè)模塊的功能如下：

（1）線形模塊

線形模塊可管理施工過(guò)程中不同階段不同塊段的理論高程、實(shí)測(cè)高程、預(yù)拱度信息、掛籃變形量、累計(jì)位移等，利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模板對(duì)施工控制中的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)入，便于數(shù)據(jù)管理，見圖6，同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)圖形化顯示，對(duì)理論值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)進(jìn)行展示。

圖6 線形控制界面

（2）應(yīng)力模塊

為保證橋梁施工安全，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)施工過(guò)程的主梁和橋墩處關(guān)鍵界面應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)也是施工管控的主要組成部分。由于受到鋼筋混凝土材料本身的不穩(wěn)定性、模型選取參數(shù)的不準(zhǔn)確性、施工工況的復(fù)雜性以及計(jì)算軟件對(duì)實(shí)際模擬的不精確等因素的影響，在施工過(guò)程中測(cè)得的實(shí)際應(yīng)力很難和理論計(jì)算所得應(yīng)力完全一致。因此在開展應(yīng)力測(cè)試時(shí)應(yīng)需對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行誤差判定、分析和處理，及時(shí)調(diào)整，使理論應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力差值控制在規(guī)范規(guī)定范圍，保證施工安全與結(jié)構(gòu)可靠性。該模塊可管理各施工階段的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力信息，包含各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的理論值、實(shí)測(cè)值、預(yù)警值，并通過(guò)圖形化方式動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)變化規(guī)律，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比為管理者提供決策依據(jù)，見圖7。

圖7 應(yīng)力控制界面

3.3.3 工程數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

因系統(tǒng)將一個(gè)工程作為單獨(dú)的項(xiàng)目進(jìn)行管理，故在不同項(xiàng)目下，需要對(duì)項(xiàng)目中產(chǎn)生的各種信息進(jìn)行統(tǒng)一管理匯總，該子系統(tǒng)主要對(duì)以下兩方面信息進(jìn)行管理：

（1）施工進(jìn)度和計(jì)劃：該系統(tǒng)可對(duì)施工進(jìn)度與計(jì)劃信息進(jìn)行管理，通過(guò)點(diǎn)選左側(cè)導(dǎo)航欄，進(jìn)入不同管理項(xiàng)目，在施工進(jìn)度項(xiàng)目中可填寫不同工序?qū)?yīng)的開始和完成日期，最終形成橫道圖。

（2）應(yīng)力與高程數(shù)據(jù)：該系統(tǒng)對(duì)施工中的高程和應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，可將E xcel中的數(shù)據(jù)，通過(guò)批量復(fù)制的方式輸入對(duì)應(yīng)高程測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)值、測(cè)量值等信息，提高了輸入效率。

3.3.4 成果輸出子系統(tǒng)

為了提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互能力，便于施工管理人員隨時(shí)查看項(xiàng)目信息，方便數(shù)據(jù)的傳遞交互，在該系統(tǒng)中設(shè)置成果輸出子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)基于云理念，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于特定服務(wù)器中，數(shù)據(jù)交互時(shí)無(wú)需攜帶存儲(chǔ)設(shè)備，僅通過(guò)WEB 端即可查看數(shù)據(jù)。因此該子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程中產(chǎn)生的各種記錄信息的錄入與導(dǎo)出，如立模指令、施工周報(bào)、施工月報(bào)等，用戶可將上述文件上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)，并可將上述文件導(dǎo)出為常用的軟件格式，方便編輯打印。對(duì)項(xiàng)目記錄文件，如周報(bào)、月報(bào)、立模指令等文件，已經(jīng)施工過(guò)程中的影響資料文件均可實(shí)現(xiàn)電子化管理，方便數(shù)據(jù)的追溯與查詢，提高了項(xiàng)目的管理效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)自主開發(fā)的CSW-PC 連續(xù)剛構(gòu)橋施工管控三維可視化信息系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)與各模塊功能進(jìn)行了說(shuō)明和演示，介紹了施工模型的三維動(dòng)態(tài)展示與施工數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的成果，并將之應(yīng)用于梁渠溝大橋的線形預(yù)測(cè)中與施工可視化管控中，取得了很好的效果。

（1）該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程中信息流的高度集合，提高了施工參與各方的管控效率，取得了良好的工程應(yīng)用效果。

（2）目前施工管控三維可視化系統(tǒng)的許多功能還未完善，后續(xù)在施工信息自動(dòng)化采集、三維模型實(shí)時(shí)導(dǎo)入、施工模型動(dòng)態(tài)演示等方面還有待完善。