1 引言

隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，橋梁建設越來越現(xiàn)代化，但在山區(qū)建設高速公路時由于受地形地貌限制， 橋梁所占的比例較高， 而絕大多數(shù)橋梁建設時均采用架橋機設備進行T梁架設施工[1]。 在架設T 梁時要先進行安裝定位，目前T 梁的安裝定位基本是依靠操作者的經(jīng)驗和觀察，加之T 梁體積大、質量大等因素，在架設時不易控制，若不采取有效的組織體系和檢測方法對T 梁架設進行全面監(jiān)控， 易造成較大時間成本的浪費和增加發(fā)生安全事故的風險。因此，如何確保T 梁的架設質量和速度， 同時保證架橋機的安全使用是提高高速公路橋梁工程質量和縮短完成時間的關鍵問題。

傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法是通過人眼觀察控制架橋機的運動以實現(xiàn)T 梁的安裝架設， 工人通過觀察預先澆灌好的墊石位置與T 梁的距離，從而判斷T 梁的沉降和擺動。但采用人工測量的傳統(tǒng)方式，一方面測量作業(yè)工作量大，測量速度緩慢并且時效性差；另一方面監(jiān)測質量受人為因素影響很大，難以保證檢測結果的可靠性和準確性。 該方法不僅浪費大量的人力物力，而且還不能滿足高精度的安裝要求，不能實現(xiàn)對T 梁安裝數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

基于物聯(lián)網(wǎng)的激光測距方法是一種隨著物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展提出的具有高精度和高實時性的測距方法， 通過嵌入式技術將測量的各參數(shù)通過GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊實時傳輸?shù)皆破脚_對設備數(shù)據(jù)進行遠距離觀測，解決了測量時存在的各類問題。因此，本文基于NB-IoT 技術提出一種全自動T 梁架設系統(tǒng)設計，以提高T 梁架設的效率，保障施工的安全性和降低施工時安全事故的發(fā)生概率[2-3]。

2 全自動T梁架設系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

曲靖（麒麟?yún)^(qū)）至師宗段高速公路項目中預制T 梁1 025片，根據(jù)工程總體概況， 設計基于NB-IoT 的全自動T 梁架設系統(tǒng)。 系統(tǒng)設計為星型拓撲的網(wǎng)絡結構，如圖1 所示。 系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、基站控制子系統(tǒng)、監(jiān)測控制子系統(tǒng)、驅動控制子系統(tǒng)4 部分。

圖1 系統(tǒng)組成基本工作原理

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由激光測距傳感器、電量采集傳感器、架橋機數(shù)據(jù)傳感器、架橋機環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器等多種傳感器組成。激光測距傳感器采集T 梁架設時距離目標墊石的橫縱向距離； 電量采集傳感器采集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基站控制系統(tǒng)的電池電量；架橋機數(shù)據(jù)采集器采集架橋機垂直度等信息；架橋機環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器采集風速、溫度等信息。 激光測距傳感器選用的是SK80 激光測距模塊，量程為45 m，測量精度分辨率為1 mm。 基站控制子系統(tǒng)由STM32 單片機核心板、G510 網(wǎng)絡模塊和繼電器模塊組成，如圖2 所示。 核心板處理來自數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)，G510 網(wǎng)絡模塊是與云平臺通信使用[4]，控制外部元件。 其主要模塊在控制板上均設計為可插拔式，方便維修更換，降低成本。

圖2 基站控制子系統(tǒng)

驅動控制子系統(tǒng)由架橋機控制器和驅動系統(tǒng)組成。 架橋機控制器接收來自云平臺的指令和自身驅動系統(tǒng)的反饋信息，處理后給驅動系統(tǒng)發(fā)送運動指令。 驅動系統(tǒng)按照控制器指令控制T 梁運動。

監(jiān)測控制子系統(tǒng)由App 客戶端、 云平臺和PC 電腦端3部分組成。 App 客戶端包括測量數(shù)據(jù)顯示區(qū)、管理員設置參數(shù)顯示區(qū)、傳感器狀態(tài)顯示區(qū)，如圖3 所示。

圖3 App 顯示頁組成部分

測量數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要顯示T 梁當前位置距離目標墊石的橫向與縱向距離（見圖4a），顯示范圍是0~30 m，顯示的單位是m。 當橫向或者縱向距離到達管理員設定的目標距離時，界面就會彈出“橫向已到設定位置”或者“縱向已到設定位置”（見圖4b）。

圖4 T梁架設時距離目標墊石的橫縱向距離采集

管理員設置參數(shù)顯示區(qū)顯示T 梁架設現(xiàn)場管理員設置的參數(shù)，在未設置參數(shù)時會顯示設置參數(shù)的名稱，如模式、方向、墊石號等提示信息（見圖5a），管理員在設置相應參數(shù)后，顯示區(qū)就會同步云端收到的數(shù)據(jù)（見圖5b），同時其他手機也會同步管理員設置的參數(shù)信息。 其中，顯示區(qū)顯示的“單”代表單墊石模式，“雙”代表雙墊石模式；“左”代表墊石的位置位于面向未架設T 梁方向的左邊；“右” 代表墊石的位置位于面向未架設T 梁方向的右邊；“3” 代表T 梁將要架設的墊石位置；“3.561”代表橫向極限位置的距離；“0.615”代表縱向極限位置的距離。

圖5 參數(shù)設置顯示區(qū)

傳感器狀態(tài)顯示區(qū)會顯示通過二維碼（見圖6）獲得設備列表，該區(qū)域分為“已綁定設備”和“離線設備”兩個部分，在“已綁定設備”區(qū)域會顯示當前在線的設備列表，可以在“已綁定設備” 區(qū)域直觀查看設備的電量 （圖7 中的百分號前的數(shù)值）和測量的距離（圖7 中的百分號后的數(shù)值）。 在“離線設備”中，管理員可清晰看見已離線的設備和設備號。 登錄管理中，管理員登陸需要輸入賬戶密碼，控制系統(tǒng)進入初始化狀態(tài)，輸入管理員參數(shù)，匿名登錄不需要輸入密碼，只可以查看當前設備工作情況，無控制權限。

圖6 綁定傳感器的二維碼

圖7 傳感器狀態(tài)顯示

3 系統(tǒng)運行方式

3.1 系統(tǒng)的工作原理

在T 梁架設過程中， 確保數(shù)據(jù)采集的準確性是實現(xiàn)有效監(jiān)控和系統(tǒng)自動化的關鍵，因此，需實時監(jiān)測T 梁距離目標墊石的位置。為此自主設計T 梁位置檢測方法，具體分為橫向對齊方案和縱向對齊方案，具體工作原理如下。

3.1.1 縱向對齊方法

如圖8 所示，設定目標T 梁的長度方向為縱向，經(jīng)過嚴密的推導可以得到公式Y2-Y4-Y偏移=Y1-Y3， 經(jīng)過變換后得公式（1）：

圖8 T梁架設檢測系統(tǒng)的縱向局部剖視圖

式中，縱向測距傳感器1 測量其自身至目標墊石的距離，記為Y1；縱向測距傳感器2 測量其自身至目標T 梁端面的距離，記為Y2；目標墊石到橋墩端面的距離，記為Y3；縱向測距傳感器1 和縱向測距傳感器2 的兩個測距面距離， 記為Y4； 其中Y3和Y4為已知數(shù)據(jù)。目標墊石至目標T 梁端面的距離，記為Y偏移。通過式（1）可以實現(xiàn)T 梁縱向的架設。 具體工作流程是單片機將縱向測距傳感器1 和2 測出的和數(shù)據(jù)通過4G 模塊將數(shù)據(jù)傳到云端，云平臺通過式（1）處理云端的數(shù)據(jù)計算得出Y偏移，再將Y偏移發(fā)送到單片機，單片機通過計算得出Y偏移的運動指令，并將該指令發(fā)送到前后吊梁小車的驅動控制系統(tǒng)，即可實現(xiàn)目標T 梁在縱向上的運動。

3.1.2 橫向對齊方法

如圖9 所示，目標T 梁的寬度方向即為橫向，從圖9 中可以明顯得出式（2）和式（3）：

圖9 T梁架設檢測系統(tǒng)的橫向局部剖視圖

式中，橫向測距傳感器1 測量其自身至橋墩目標側面的距離，記為X1； 橫向測距傳感器2 測量其自身至架橋機1 號柱底端目標側面的距離，記為X2；橫向測距傳感器3 測量其自身至目標T 梁側面的距離，記為X3；橋墩側面至目標墊石中心的距離記為X4； 橫向測距傳感器3 架橋機輪子的側面的距離記為X5；橫向測距傳感器2 到橫向測距傳感器3 的距離記為X6；L 為T 梁下部的橫向寬度。

其中，橫向測距傳感器1、橫向測距傳感器2 的端面在同一水平面上，X4、X5、X6、L 可根據(jù)橋墩 的設計數(shù) 據(jù)直 接 計 算得出，X4、X5、X6、L 可以作為已知數(shù)據(jù)；目標墊石至目標T 梁側面的距離記為X偏移；將式（2）和式（3）進行變換得到式（4）：

3.2 系統(tǒng)運行過程

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、基站控制子系統(tǒng)、監(jiān)測控制子系統(tǒng)、驅動控制子系統(tǒng)4 部分組成。 圖10 為系統(tǒng)總體示意圖，其運行過程如下。

圖10 系統(tǒng)總體示意圖

1）進行橋梁T 梁監(jiān)測前，先將5 臺裝有激光監(jiān)測設備，按照自主設計的系統(tǒng)原理中相應的位置固定在架橋機上相應的監(jiān)測點上， 通過萬象水平儀將激光監(jiān)測設備調平， 按下電源“開關”按鈕，啟動基站子系統(tǒng)。

2）在開啟全部基站后，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的各傳感器就開始工作。 系統(tǒng)傳感器按照RS485 協(xié)議或者串口協(xié)議將數(shù)據(jù)傳入單片機中， 然后由控制單元對測量數(shù)據(jù)進行解析計算并通過基站子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳至云平臺， 或者是將云平臺發(fā)來的控制指令發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和驅動控制子系統(tǒng)。 云平臺通過解析基站數(shù)據(jù)，結合設計的算法，判斷是否達到T 梁架設的要求， 同時將判斷結果反饋回App 客戶端。 若云平臺接收的數(shù)據(jù)符合設計的架梁要求， 操作者就在App 客戶端設置的T 梁架設的初始參數(shù)（見圖11），云平臺通過處理來基站子系統(tǒng)和App 客戶端設置的參數(shù)，計算出T 梁的運動指令，并通過基站子系統(tǒng)發(fā)送到驅動控制子系統(tǒng)，使驅動子系統(tǒng)執(zhí)行運動指令，使T 梁運動到相應的位置。云平臺上接收和計算的一切數(shù)據(jù)均進行存儲，供管理員查詢。

圖11 App 客戶端控制流程圖

4 結論