智能手機結構安全云監(jiān)測系統(tǒng)及其工程應用

趙雪峰 韓瑞 聰喻言 李明楚 歐進萍

摘 要：為了克服傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器昂貴、布線復雜、專業(yè)需求高的缺陷，文中提出了一種基于智能手機的結構安全云監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)了以iPhone為平臺的軟硬件系統(tǒng)，建立了采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)協(xié)同工作的監(jiān)測系統(tǒng)，闡述了該監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控及閾值報警功能。為保障海上吊裝作業(yè)順利安全的實施，將該監(jiān)測系統(tǒng)應用于大連星海灣跨海大橋的現(xiàn)場吊裝中，從而實現(xiàn)了對主梁吊裝過程中姿態(tài)的實時監(jiān)測，同時還論證了該方法的可行性和便捷性。

關鍵詞：智能手機；云監(jiān)測；吊裝監(jiān)測；跨海大橋；實時監(jiān)控

中圖分類號：TU317；TP368.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）07-00-04

0 引 言

在跨海大橋的建設中，因其復雜的特點，每個環(huán)節(jié)都有很大的施工難度，特別是海上的吊裝作業(yè)，被吊裝結構物往往體積大，重量重，再加上起重船漂浮在海上，受海浪影響大，吊裝作業(yè)的施工難度遠遠大于陸地，而吊裝的順利進行對整個項目的工程進度也具有決定性的影響，任何意外事故都會造成巨大的經(jīng)濟損失并影響項目的整體施工進度[1]。所以為保障吊裝作業(yè)的順利進行，對吊裝過程中結構的姿態(tài)和運動情況進行實時監(jiān)測、反饋，并采取相應措施是十分必要的。常見的吊裝監(jiān)測方式主要使用全站儀進行各個角點的定位。但全站儀的使用受地形影響較大，遮擋物使有些地點難以被監(jiān)測到。并且對于海上吊裝，全站儀很難被固定在施工現(xiàn)場。

傳統(tǒng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)已日臻成熟，無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展可能為吊裝監(jiān)測提供一種解決方案，但其需要昂貴的傳感系統(tǒng)、復雜的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及專業(yè)人員的操作。開發(fā)一種適用于普通群眾參與的快捷、方便、簡單、解決現(xiàn)場實際問題的監(jiān)測方式很有必要。智能手機作為最普遍的工具，內置傳感、網(wǎng)絡通訊、計算分析及存儲等功能，為其在結構健康監(jiān)測中的應用提供了可能。本研究團隊開展了一系列基于智能手機的結構健康云監(jiān)測研究[2]，開發(fā)了手機App“Orion-CC”用于橋梁索力監(jiān)測[3-5]，“D-Viewer”用于位移監(jiān)測[6，7]，“E-Explorer”用于地震快速救援及烈度調查[8，9]。

本文提出了一種基于智能手機的結構安全云監(jiān)測系統(tǒng)，建立了iPhone平臺上的監(jiān)測軟件，在內部傳感器的基礎上開發(fā)了控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)，闡述了該監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控及閾值報警功能。將該監(jiān)測系統(tǒng)運用到星海灣跨海大橋現(xiàn)場吊裝中，建立了現(xiàn)場吊裝的實時監(jiān)控系統(tǒng)，通過現(xiàn)場吊裝結果對該方法進行了論證。

1 結構安全云監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)的設計

監(jiān)測系統(tǒng)包括安裝在iPhone上的采集程序和安裝在iPhone上的控制程序，以及用來接收和反饋數(shù)據(jù)的服務器。

控制端發(fā)送指令至采集端，并監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)。采集端接收控制端發(fā)出的指令后，使用手機內置傳感器進行實時監(jiān)測，開始采集數(shù)據(jù)之前，可以對其中的變量進行設置，比如采樣頻率、采樣時間、閾值、文件名等，開始采集時，根據(jù)之前的設置正常工作。采集數(shù)據(jù)每20秒返回至控制端一次。在控制端設定閾值，加速度閾值為10 m/s2，角度閾值為10度。一旦所接收數(shù)據(jù)超過閾值，在控制端會出現(xiàn)報警信息，否則繼續(xù)正常監(jiān)控，該系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。采集端固定在待測物體上，實時監(jiān)測加速度、傾角等信息。

1.2 傳感器子系統(tǒng)

手機內置加速度傳感器與陀螺儀性能參數(shù)可參考文獻[10]。內置加速度傳感器和陀螺儀的基本性能穩(wěn)定，可以滿足實際工程監(jiān)測的要求。在使用手機進行監(jiān)測時，加速度方向規(guī)定：無論手機如何放置，X坐標軸為從左至右的走向，該方向為正方向；Y坐標軸為手機底端到頂端的方向，該方向為正方向；Z方向走向為面向使用者的方向，垂直于手機平面方向。其方向示意圖如圖2（a）所示。對于傾角，在測量中會采集到三組數(shù)據(jù)，分別為pitch、roll、yaw，他們分別圍繞x、y、z三個方向轉動。在手機上的表示如圖2（b）所示。

1.3 控制端介紹

在控制端可以發(fā)送的指令有開始采集、終止采集、上傳數(shù)據(jù)。顧名思義，開始采集是對采集端發(fā)送開始采集指令，使其開始工作采集數(shù)據(jù)；終止采集為發(fā)送終止指令使其停止工作；上傳數(shù)據(jù)將所采得的數(shù)據(jù)上傳到指定服務器，便于集中管理和分析。最后還有一項，實時監(jiān)控，從實時監(jiān)控界面上可以看到采集端每20秒返回來的加速度信息和傾角信息，并設定閾值，如果采集端所采數(shù)據(jù)超過了所給閾值，界面會變紅并報警，由于采集端不一定只有一部手機，在返回的數(shù)據(jù)中還可以看到當前返回數(shù)據(jù)的編號。控制端的界面如圖3（a）所示，實時監(jiān)控的界面如圖3（b）所示。

1.4 采集端系統(tǒng)介紹

采集端用來采集加速度、傾角及GPS位置信息，當采集端接收控制端指令后開始或停止工作，當然，采集端也有自己獨立的開始或停止功能。但是若需要由它向控制端返回數(shù)據(jù)，則必須與控制端協(xié)同工作。當需要與控制端一起工作時，需要打開網(wǎng)絡控制按鈕。星海灣大橋位置如圖4（a）指針所示。采集界面如圖4（b）所示。

2 海上吊裝監(jiān)測介紹

2.1 大連星海灣跨海大橋介紹

大連星海灣大橋坐落在中國遼寧省大連市，是中國東北地區(qū)最長的跨海大橋工程。主橋為雙塔三跨地錨式懸索橋，跨度布置為180+460+180=820 m，加勁梁為鋼桁架結構，兩端設混凝土重力式錨碇，橋塔采用混凝土結構，采用正交異性橋面板，車道雙層布置。主橋兩側的大跨混凝土引橋跨主橋鋼桁加勁梁由主桁架、主橫梁和上、下平聯(lián)組成的主桁架桁高10 m，標準節(jié)段長10 m。共有43個鋼桁梁需要吊裝，桁梁重量從246.18噸到527.19噸不等。邊跨桁梁使用浮吊進行吊裝，主跨桁梁使用橫跨在兩邊主纜上的起重機進行吊裝。吊裝安全是一個需要考慮的重要因素。本文提出的安全監(jiān)測系統(tǒng)對保證吊裝安全、實時監(jiān)控和方便操作具有積極推動作用。圖5所示為主橋立面圖，本文呈現(xiàn)的監(jiān)測為主跨的22號鋼桁梁吊裝。

2.2 現(xiàn)場吊裝介紹

現(xiàn)場吊裝監(jiān)測的實現(xiàn)過程示意圖如圖6所示，在吊裝過程中，數(shù)據(jù)采集端固定于待吊裝桁架梁上，控制端由人操控，在遠離現(xiàn)場的安全地帶，一般在船上或其他地點。控制系統(tǒng)發(fā)送指令后，通過2G、3G或4G網(wǎng)絡對采集系統(tǒng)進行控制，采集系統(tǒng)接收到指令后開始進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡返回控制系統(tǒng)，并由現(xiàn)場人員根據(jù)返回的數(shù)據(jù)進行判斷。

在吊裝過程中，對鋼桁架需要監(jiān)測的參數(shù)分別是豎向加速度、桁架平面內的轉動角度（繞橋梁走向方向的轉角及繞橋梁走向垂直方向的轉角）。豎向加速度考慮的是桁架在吊裝過程中瞬間墜落的情況；桁架平面內轉動考慮的是在吊裝過程中，桁架梁四角吊裝不同步而造成太大的傾斜。對于加速度和傾角的數(shù)據(jù)，使用手機內部的加速度傳感器和陀螺儀來采集。

對于主梁的方向規(guī)定，我們設定其與手機x、 y的方向一致，即在桁架梁平面內，垂直于長邊為x軸，垂直于短邊為y軸，即沿橋梁走向方向為x方向，垂直于橋梁走向方向為y方向。具體如圖7所示。

3 主纜吊機監(jiān)測

3.1 監(jiān)測過程介紹

主纜吊裝過程采用跨欄吊機進行吊裝，卷揚機是使用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條提升或牽引重物的起重設備，在對主梁吊裝時，將四臺卷揚機固定在主纜上，對桁架梁的四角同時起吊，因為是四個卷揚機協(xié)同工作，更要保證同步以確保吊裝安全。現(xiàn)場吊裝情況如圖8（a）所示。

在對跨中主梁進行吊裝過程監(jiān)測時，采用一部手機固定到待測主梁上共同監(jiān)測，控制端同時對兩部手機進行指令發(fā)送和實時監(jiān)控，在控制端接收返回數(shù)據(jù)時，有對應的手機編號?，F(xiàn)場兩部手機在桁架梁上的布置情況如圖8（b）所示，采集端與控制端示意圖如圖8（c）所示。

如圖8所示，主纜吊機監(jiān)測的手機放置方向和規(guī)定的鋼桁架梁方向一致，在實時監(jiān)控中，可以直接按照界面反饋信息對現(xiàn)場吊裝情況進行判斷。

3.2 監(jiān)測結果

人員撤離后，早上8：59開始發(fā)送采集指令，于晚上18點停止采集，整個吊裝過程持續(xù)了9個小時，現(xiàn)場采集時間之長對于任何一種無線監(jiān)測方式都是難以做到的，但是手機只需要一個電源就可以進行全程實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)反饋。豎向加速度的結果如圖9（a）所示，桁架梁平面內的轉動（x軸）如圖9（b）所示，繞y軸轉動如圖9（c）所示。桁架梁左右尺寸為24米，前后尺寸為10米，根據(jù)平面內角度情況，可近似得到卷揚機前后左右的高差，如圖9（d）和9（e）所示。

由時程數(shù)據(jù)可以看出，在本次監(jiān)測中，從8：59開始采集數(shù)據(jù)，11：31起吊，11：31分左右繞x、y方向都發(fā)生了一定的轉角。期間吊機一直在爭取做到兩邊主纜上的卷揚機同步吊裝，所以繞x軸的角度波動一直比繞y軸的大，左右高差變化也較大。16：10其中一個吊桿銷子打入，之后開始改變繞y軸的角度以配合其他三根吊桿的安裝，從圖中可以看出剩余三根吊桿安裝過程中繞y軸的角度一直在改變。當天吊裝結束時，后方高于前方0.7米左右，是為了配合第二天的吊裝梁到位后的連接做準備。在吊裝過程中，控制端能夠接收采集端的數(shù)據(jù)信息，并實時反映出桁架梁在吊裝過程中的加速度和傾角變化，能給操作人員提供兩面纜索吊機的同步協(xié)調信息。桁架梁在吊裝過程中沒有出現(xiàn)意外或吊裝不同步問題。

4 結 語

本文提出了一種基于智能手機的結構安全云監(jiān)測系統(tǒng)，在iPhone平臺上開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)，設計了數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控及閾值報警的功能。并將該監(jiān)測系統(tǒng)應用于大連星海灣跨海大橋的吊裝監(jiān)測中，現(xiàn)場監(jiān)測過程顯示了使用智能手機監(jiān)測的方便和實用性，數(shù)據(jù)采集端可以實時采集加速度和傾角數(shù)據(jù)，控制端在發(fā)送指令和實時監(jiān)控方面也能滿足現(xiàn)場監(jiān)測的需求。雖然在該監(jiān)測項目中并沒有出現(xiàn)太大的轉角和加速度，但是從現(xiàn)場控制端所接收反饋信息的實時性來看，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時給予操作人員指導和預警。該監(jiān)測系統(tǒng)所采用的智能手機是非常常見的工具，安裝方便，數(shù)據(jù)存儲功能強大，是一種可以推廣的監(jiān)測工具，其內置傳感器也可以在監(jiān)測方面提供更多的應用。

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