凌明磊

（中鐵二十局集團第四工程有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

為了實現(xiàn)“交通強國，鐵路先行”這一戰(zhàn)略目標，我國在高鐵建設方面投入了大量的人力和物力。然而在東北地區(qū)，漫長而又嚴寒的冬季是影響施工進度的重要因素，低溫惡劣的氣候不利于混凝土強度的持續(xù)增長［1，2］，養(yǎng)護措施不當極易引起結(jié)構(gòu)疏松甚至凍漲開裂等問題［3，4］。為了解決上述難題，急需建立一套針對冬期蒸養(yǎng)箱梁質(zhì)量監(jiān)測集成系統(tǒng)，確保高鐵箱梁的施工質(zhì)量。

另一方面，隨著傳感技術(shù)、無線通訊技術(shù)以及云計算技術(shù)的逐漸普及，橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測越來越成為當今土木工程的熱點方向［5］。橋梁健康監(jiān)測的主要目的是，掌握橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)及工作狀態(tài)，并對異常的變化和危險的信號做出預警［6］。利用智能傳感技術(shù)獲取部件的實時狀態(tài)和響應，幫助人們及時發(fā)現(xiàn)故障，并迅速采取相應措施。這對于建設現(xiàn)代化高鐵強國，具有十分重要的意義。

在上述兩個背景下，文中自主研發(fā)一套針對高鐵箱梁蒸養(yǎng)質(zhì)量監(jiān)測智能集成系統(tǒng)。該套監(jiān)測系統(tǒng)的設計思路為：首先，在箱梁的施工階段，以保證箱梁的蒸養(yǎng)質(zhì)量為目的，組建由多種傳感器組成的傳感網(wǎng)絡，賦予箱梁與生俱來的自我感知的能力；其次，通過采集和傳輸系統(tǒng)，將各類傳感器感知的物理信號傳輸至云平臺，在云平臺實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、分類和存儲；最后，用戶登錄與監(jiān)測系統(tǒng)配套的客戶端，遠程對箱梁的蒸養(yǎng)狀態(tài)進行監(jiān)控。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的設計思路

首先，根據(jù)箱梁實際的蒸養(yǎng)狀況，選擇影響箱梁質(zhì)量的關(guān)鍵截面和關(guān)鍵點，然后在關(guān)鍵點上布設相應的傳感器，用來監(jiān)測關(guān)鍵點的物理狀態(tài)。此外養(yǎng)護環(huán)境的物理狀態(tài)是影響箱梁與外界進行物質(zhì)和能量交換的重要因素，因此在對梁體進行監(jiān)測的同時，我們也需要對養(yǎng)護棚的物理狀態(tài)進行監(jiān)測。

其次，在現(xiàn)場布設合適的采集裝置和信號發(fā)射裝置，確保傳感器網(wǎng)感知的信號可以及時地傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行摹?/p>

然后，監(jiān)測系統(tǒng)的信息處理中心可以使用云平臺技術(shù)。在云計算之前的信息處理中心大多為“一事一議”的方式，無論是機房的基礎(chǔ)設施、網(wǎng)絡資源還是計算存儲資源都是采用專業(yè)化的部署管理方式，隨著業(yè)務的發(fā)展，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)處理中心會出線局部資源浪費但是整體結(jié)構(gòu)緊張的局面。因此，監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，選用的是云計算管理平臺，對計算資源進行動態(tài)化的分配管理。

最后，基于云平臺設計一個面向用戶的客戶端，用戶可以通過客戶端遠程監(jiān)控箱梁的蒸養(yǎng)狀態(tài)，進行相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的訪問和歷史數(shù)據(jù)的查詢。監(jiān)測集成系統(tǒng)的設計思路如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的設計思路

2 監(jiān)測系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分

在箱梁的養(yǎng)護階段，梁體內(nèi)部的混凝土會不斷進行水化反應并釋放大量的水化熱，并且箱梁表面也源源不斷地與養(yǎng)護棚進行著熱量和物質(zhì)的交換，這種狀態(tài)下容易引起箱梁內(nèi)部的局部區(qū)域產(chǎn)生較大的溫度，并在產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫差，容易引發(fā)早期開裂。所以，針對養(yǎng)護階段的箱梁，有必要進行箱梁內(nèi)部關(guān)鍵點的溫度監(jiān)測，并確保箱梁表層混凝土與芯部混凝土不產(chǎn)生較大的溫度梯度。因此，監(jiān)測系統(tǒng)選用埋入式光纖光柵類傳感器，對箱梁的幾個關(guān)鍵點進行溫度的監(jiān)測，所選用的傳感器的量程為-40～+120℃，分辨率為0.1℃，中心波長1528～1568nm，反射率≥90%。溫度傳感器的計算式如（1）所示。

式中，T為測點混凝土的溫度，℃；λ為溫度傳感器的輸出波長，nm；λ0參考溫度（0℃）下對應的波長，nm；k為溫度傳感器一次項系數(shù)，nm/℃。

蒸養(yǎng)過程中的箱梁，由于自身的水化熱和外界養(yǎng)護環(huán)境的影響，極易導致梁體內(nèi)溫度的不均勻分布，在外界的約束下必然會產(chǎn)生溫度應力，當混凝土的溫度應力大于抗拉強度時，引發(fā)混凝土早期開裂。溫度應力是混凝土早期開裂的直接原因，所以在進行蒸養(yǎng)階段梁體溫度監(jiān)測的同時，有必要進行箱梁內(nèi)關(guān)鍵點溫度應力的監(jiān)測。

文中針對箱梁的溫度應力的監(jiān)測，布設橫向應變傳感器、豎向應變傳感器以及軸向應變傳感器。光纖光柵應變傳感器的量程-1500～3000με，分辨率±1με，線性度為99.9%，應變系數(shù)0.8pm/με，中心波長1528～1568nm，工作溫度范圍-30～+80℃，反射率≥90%。溫度應變傳感器的計算如式（2）所示。

式中，λ為應變傳感器的輸出波長，nm；λ0為應變傳感器的初始波長，nm；λt為溫度補償光纖測量波長，nm；λt0為溫度補償光柵的初始波長，nm；a為溫度補償光柵溫度靈敏度系數(shù)，nm/℃；b為應變光纖溫度系數(shù)，nm/℃；k為應變一次項系數(shù)，nm/℃。

監(jiān)測系統(tǒng)立足于冬期蒸養(yǎng)過程中高鐵箱梁，為了保證箱梁的養(yǎng)護質(zhì)量，必須營造一個適合混凝土成熟硬化的養(yǎng)護環(huán)境。只有在適宜的溫度下，才能保證混凝土水化反應的順利進行，并且在適宜的濕度環(huán)境下，才能保證箱梁不會因為失水太多而發(fā)生開裂。因此，在監(jiān)測系統(tǒng)中，集成了用于測養(yǎng)護環(huán)境溫濕度的傳感器，所選的無線溫濕度變送器將感知的溫施信號傳輸至監(jiān)測主機，監(jiān)測主機通過4G網(wǎng)絡將信號進一步傳輸至云平臺。傳感器系統(tǒng)現(xiàn)場布設情況如圖2所示。

圖2 傳感器系統(tǒng)現(xiàn)場布設情況

現(xiàn)場布設的箱梁內(nèi)部混凝土溫度傳感器、溫度應變傳感器、預應力監(jiān)測傳感器以及環(huán)境溫濕度傳感器組成了傳感器網(wǎng)絡，它們用于時刻感知與箱梁養(yǎng)護質(zhì)量相關(guān)的物理量，感知到的物理量需要進行系統(tǒng)地采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至云平臺。因此在箱梁的養(yǎng)護現(xiàn)場，需要布設與傳感器對應的采集裝置和無線傳輸裝置。針對光纖光柵類的傳感器感知的物理信號，在現(xiàn)場布設了光纖光柵解調(diào)儀進行采集。光纖光柵解調(diào)儀與上述光纖光柵類傳感器分布式、多通道連接，并為傳感器提供入射光信號和收集反射光，解碼光信號。

傳輸層包括DTU無線通訊模塊和移動4G網(wǎng)絡傳輸通道。負責將采集到的各類數(shù)據(jù)通過4G無線信號傳輸至云平臺。其中，DTU無線通訊模塊通過網(wǎng)口與光纖光柵解調(diào)儀相連。DTU將接收到的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為IP數(shù)據(jù)，并通過無線發(fā)送的方式傳輸?shù)皆贫?。其使用靈活通過手機卡可提供網(wǎng)絡，無需網(wǎng)線支撐，成本低廉，保密性好，非常適合現(xiàn)代野外工況下使用。監(jiān)測集成系統(tǒng)現(xiàn)場硬件的布設情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場硬件系統(tǒng)布設情況

2.2 軟件系統(tǒng)

2.2.1 具有用戶管理系統(tǒng)

為了方便用戶不受時間和空間的限制，對蒸養(yǎng)階段的箱梁進行遠程監(jiān)控，開發(fā)了相應的人機交互的客戶端。作為面向用戶的展示界面，首先必須設計相應的用戶管理系統(tǒng)，用戶通過賬號和密碼進行系統(tǒng)的登錄和退出，并在展示界面內(nèi)進行系統(tǒng)管理的設置。展示界面的功能如圖4所示。

圖4 展示界面功能

2.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的便捷訪問

監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的展示界面，用戶可以實時查看箱梁內(nèi)各種傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，可以選擇時間段，進行歷史數(shù)據(jù)的訪問，并且系統(tǒng)會根據(jù)所選的時間段自動生成歷史數(shù)據(jù)的可視化曲線，簡明直觀地進行箱梁蒸養(yǎng)階段監(jiān)測數(shù)據(jù)的查看。

2.2.3 圖文并茂的界面效果

為了全面地將項目內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶，并且讓用戶了解監(jiān)測數(shù)據(jù)的來源。在展示界面上，添加了與監(jiān)測數(shù)據(jù)對應的傳感器布設方案，并且展示了高鐵箱梁整個蒸養(yǎng)過程的核心階段的三維模型展示圖。半且通過圖文并茂的方式可以讓用戶直觀地了解蒸養(yǎng)箱梁的相關(guān)情況，也將監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場傳感器的布設對應起來。

2.2.4 基于云平臺的管理模式

采集設備的通信接口基于TCP/IP協(xié)議，利用4G網(wǎng)絡的通信方式建立與云平臺的聯(lián)系。云平臺是采用兩臺高端交換設備進行虛擬化的核心交換集群，并且在內(nèi)部設有控制節(jié)點、對象存儲網(wǎng)關(guān)節(jié)點、計算和分布式存儲節(jié)點以及對象存儲節(jié)點4個部分。通過網(wǎng)絡方便地訪問數(shù)據(jù)中心可配置的計算資源共享池，同時以最少的管理開銷，完成自動化迅速配置資源。

2.2.5 強大的云計算能力

云平臺的核心交換集群采用的是兩臺高端交換設備進行虛擬化的集群，整個云平臺由控制節(jié)點、對象存儲網(wǎng)關(guān)節(jié)點、計算和分布式存儲節(jié)點以及對象存儲節(jié)點組成。云平臺作為該監(jiān)測集成系統(tǒng)的支撐層，用于處理和計算所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)進行長期存儲管理。

光纖光柵類傳感器感知的物理信息是光波類信號，所以在云平臺首先需要將光波信號處理為相應的混凝土溫度、混凝土溫度應變和預應力筋的張拉力，然后按照數(shù)據(jù)B的類型在云存儲空間中建立相應的存儲池，數(shù)據(jù)按照時間順序進行分類存儲。

3 箱梁蒸養(yǎng)過程監(jiān)測結(jié)果分析

現(xiàn)場試驗的監(jiān)測結(jié)果顯示，距離箱梁端部1.5m處，底板和腹板交界區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化最大?？紤]到文中的篇幅有限，僅選擇該監(jiān)測點作為關(guān)鍵點進行分析。在箱梁的蒸汽養(yǎng)護期間，混凝土經(jīng)歷了快速升溫達到峰值溫度后，溫度緩慢下降的過程。并且升溫階段的增長速率為先增大后減小的趨勢，故溫升曲線呈現(xiàn)“S”狀的變化曲線。箱梁結(jié)束蒸汽養(yǎng)護，轉(zhuǎn)移到存梁臺進入自然養(yǎng)護狀態(tài)，由于自然養(yǎng)護的溫度較低，所以箱梁內(nèi)部的溫度場會受到較大影響，箱梁內(nèi)各點的溫度會快速下降，尤其是表層混凝土的溫度會受到更加明顯的影響，自然養(yǎng)護的初期溫度呈現(xiàn)急劇下降的趨勢。對箱梁內(nèi)各個關(guān)鍵點的溫度場數(shù)據(jù)進行了匯總，匯總結(jié)果如表1所示。該測點的表層混凝土最大溫度為36.5℃，達到峰值溫度的時間為36.5h；芯部混凝土的最大溫度為45.41℃，達到峰值溫度的時間為39.5h。該測點溫度隨時間的變化關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 測點溫度隨時間的變化關(guān)系

表1 溫度場關(guān)鍵數(shù)據(jù)

由應變時程曲線可以看出，箱梁內(nèi)測點的橫向應變，豎向應變和軸向應變?nèi)叩淖兓厔莼鞠嗤⑶也煌c之間的溫度應變變化趨勢也基本相同，均與溫度的變化趨勢保持一致。由于表層混凝土的溫度變化一直低于芯部混凝土的溫度變化，所以表層混凝土的溫度應變也低于同時期的芯部混凝土的應變。在養(yǎng)護60h后，箱梁結(jié)束蒸汽養(yǎng)護，轉(zhuǎn)移到存梁臺進入自然養(yǎng)護狀態(tài)，由于自然養(yǎng)護的溫度較低，所以箱梁內(nèi)部的溫度場會受到較大影響，尤其是表層混凝土的溫度會受到更加明顯的影響，自然養(yǎng)護的初期溫度應變呈現(xiàn)急劇下降的趨勢。因此在實際施工過程中，應該嚴格控制蒸養(yǎng)結(jié)束后的降溫速率，并關(guān)注箱梁進入自然養(yǎng)護早期的溫度變化劇烈程度，預防早期開裂。對箱梁內(nèi)各個關(guān)鍵點的應變場數(shù)據(jù)進行了匯總，匯總結(jié)果如表2所示。該測點混凝土的最大橫向應變、最大豎向應變和最大軸向應變分別為260.83、243.89、277.87με。該測點溫度應變隨時間的變化關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 測點溫度應變隨時間的變化關(guān)系

表2 應變場關(guān)鍵數(shù)據(jù)

4 監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點

文中提供的高鐵箱梁蒸養(yǎng)制造質(zhì)量監(jiān)測集成系統(tǒng)，具備實用性，可操作性，易維護和完整性，相比以往的高鐵箱梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)具體有以下優(yōu)點：

（1） 該監(jiān)測系統(tǒng)從箱梁混凝土開始澆筑便進行相關(guān)物理量的采集，實現(xiàn)了箱梁蒸養(yǎng)制造整個過程的監(jiān)測，彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)僅對運營期的監(jiān)測。所有該套監(jiān)測系統(tǒng)可以全階段，多角度地保證高鐵箱梁的安全性。

（2） 該監(jiān)測系統(tǒng)自主集成了多類傳感器，通過對箱梁內(nèi)部溫度、溫度應力、鋼絞線張拉力以及養(yǎng)護環(huán)境溫濕度的監(jiān)測，全方位地掌握冬期蒸養(yǎng)箱梁的質(zhì)量。該監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)實際工程的情況，自主集成多類傳感器，為健康監(jiān)測領(lǐng)域提供了良好的思路。

（3） 該監(jiān)測系統(tǒng)針對冬期蒸養(yǎng)的高鐵箱梁，利用智能傳感器組成傳感網(wǎng)絡，實時感知與梁體蒸養(yǎng)質(zhì)量有關(guān)的多種物理量的監(jiān)測，并利用通訊系統(tǒng)和云平臺技術(shù)搭建與之對應的蒸養(yǎng)箱梁智能監(jiān)測集成系統(tǒng)，使監(jiān)測更加智能，使用更加方便，可以長期用于冬期蒸養(yǎng)箱梁的質(zhì)量的監(jiān)測，具有很廣的應用前景。

（4） 具有遠程監(jiān)控的能力?；谠破脚_的高鐵箱梁蒸養(yǎng)制造監(jiān)測集成系統(tǒng)，系統(tǒng)的后臺服務被部署在云平臺上。用戶只需要登錄監(jiān)測系統(tǒng)相應的客戶端，便可實現(xiàn)不受空間和時間限制地訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測越來越成為當今土木工程的熱點方向。它的目的是幫助人們掌握橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)及工作狀態(tài)，并對異常的變化和危險的信號做出預警。另一方面，信息技術(shù)被越來越廣泛地應用到社會的各行各業(yè)中，越來越多需要信息技術(shù)支持的企業(yè)選擇將自己的服務部署在云平臺上以實現(xiàn)資源的最大利用。開發(fā)該系統(tǒng)的后臺服務并部署在云平臺上，將大大提高環(huán)境管理的智能化進程。

文中詳細地介紹了該套監(jiān)測集成系統(tǒng)的現(xiàn)場硬件部分的組成和功能、數(shù)據(jù)處理中心云平臺的功能和作用以及展示界面軟件部分的功能。監(jiān)測系統(tǒng)在一定程度上解決了寒冷地區(qū)箱梁蒸養(yǎng)制造的技術(shù)難題，強化現(xiàn)代鐵路梁場科技創(chuàng)新的支撐引領(lǐng)能力，為新時代高質(zhì)量鐵路建設提供示范。