滬通長(zhǎng)江大橋轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

滬通長(zhǎng)江大橋天生港專用航道橋采用先梁后拱、主梁斜拉扣掛和拱肋梁上豎轉(zhuǎn)的多種組合施工方法，首次實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下鋼桁梁上三肋鋼箱拱的豎向轉(zhuǎn)體施工。滬通長(zhǎng)江大橋轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)三維施工場(chǎng)景為展示環(huán)境，通過(guò)云端讀取實(shí)時(shí)施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，再用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)體過(guò)程中大橋各個(gè)構(gòu)件的實(shí)時(shí)狀態(tài)以三維可視化的方式進(jìn)行展示。

工程概況

滬通長(zhǎng)江大橋是新建滬通鐵路的控制性工程，為四線鐵路六車道公路合建橋梁，橋梁全長(zhǎng)11.072km。正橋鋼梁總長(zhǎng)5831.3m，由主航道橋、天生港航道橋和水中非通航孔橋組成，其中天生港專用航道橋采用（1.5+140+336+140+1.5）=619m鋼桁梁柔性拱橋方案。主桁采用剛性梁柔性拱的華倫式三主桁結(jié)構(gòu)，柔性拱設(shè)在336m通航孔。三主桁的橫向桁間距為2×17.25m，邊桁桁高15.7m，柔性拱矢高60m。

天生港航道橋上部結(jié)構(gòu)總體采用“先梁后拱，主梁上分節(jié)拼裝拱肋，再進(jìn)行拱肋轉(zhuǎn)體”的施工方案。其中，平弦鋼桁梁采用架梁吊機(jī)從主墩往兩側(cè)雙懸臂架設(shè)，柔性拱肋架設(shè)采用在鋼梁上成拱，在主梁上完成拱肋拼裝后，利用扣塔將兩側(cè)拱肋分別進(jìn)行精確豎向轉(zhuǎn)體，待就位后安裝拱肋中間的合龍段。滬通長(zhǎng)江大橋天生港專用航道橋首次采用主跨達(dá)336m的大跨度公鐵兩用三主桁鋼桁梁柔性拱橋結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，其中，硬件系統(tǒng)包含施工數(shù)據(jù)的采集和傳輸兩個(gè)環(huán)節(jié)，軟件系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算和展示環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件工作的穩(wěn)定性直接決定著數(shù)據(jù)的可靠程度，橋梁轉(zhuǎn)體施工是一個(gè)持續(xù)作業(yè)的過(guò)程，如果要時(shí)刻掌握橋梁構(gòu)件實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，首先要保證施工數(shù)據(jù)采集過(guò)程的連續(xù)性，其次要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，二者缺一不可。在該轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集和傳輸這兩個(gè)環(huán)節(jié)是緊密聯(lián)系無(wú)縫對(duì)接的。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

數(shù)據(jù)采集

在該系統(tǒng)中，整座橋梁的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由一定數(shù)量的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)組成，每個(gè)采集系統(tǒng)包括一個(gè)區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集系統(tǒng)中采用了高精度智能傳感器、數(shù)據(jù)自補(bǔ)償和預(yù)處理調(diào)理器設(shè)備以保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。考慮到拱肋上沒(méi)有穩(wěn)定持續(xù)的供電方式，因此在橋位處無(wú)電源條件下采用自供電方式，保證了全天實(shí)時(shí)自動(dòng)采集。在轉(zhuǎn)體之前所有的采集設(shè)備均進(jìn)行了反復(fù)調(diào)試，在現(xiàn)場(chǎng)的安裝和組網(wǎng)也嚴(yán)格按照方案實(shí)施，避免其他不必要因素影響設(shè)備的運(yùn)行。

數(shù)據(jù)傳輸

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸均采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式24小時(shí)無(wú)間斷傳輸?shù)皆贫恕ㄩL(zhǎng)江大橋天生港專用航道橋所處江面較寬，無(wú)線通信信號(hào)較差，如果使用普通的無(wú)線設(shè)備將會(huì)存在數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)傳輸延遲的情況，這都將對(duì)轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控效果產(chǎn)生影響。因此，在無(wú)線傳輸方面采用的是低功耗無(wú)線、傳輸距離遠(yuǎn)、可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一對(duì)多組網(wǎng)靈活的Lora節(jié)點(diǎn)和智能云盒等傳輸組網(wǎng)設(shè)備，用無(wú)線傳輸方式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸并存儲(chǔ)到云端，解決了江面信號(hào)差及需人工采集誤差等問(wèn)題，保證了數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時(shí)性。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施工數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算

該系統(tǒng)中傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率較高，每天都有大量的數(shù)據(jù)由無(wú)線設(shè)備傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行處理，由于橋梁結(jié)構(gòu)中每根桿件上安裝的傳感器位置和理論數(shù)據(jù)都不同，所以需要處理每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中考慮到傳感器的各種狀態(tài)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的若干字段描述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，例如傳感器安裝位置、理論值、閾值和工作狀態(tài)等，同時(shí)安裝在同一區(qū)域的傳感器對(duì)比分析數(shù)據(jù)。所有傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)均由一定的算法計(jì)算后，再存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供展示平臺(tái)進(jìn)行可視化處理，并實(shí)現(xiàn)了橋梁施工狀態(tài)24小時(shí)異常預(yù)警功能。

三維界面設(shè)計(jì)

使用三維模型可以讓施工細(xì)節(jié)在監(jiān)控系統(tǒng)中反映得更準(zhǔn)確和清晰，通過(guò)對(duì)三維模型的各種操作能夠讓用戶精確定位到需要查看的施工信息，模型數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性也會(huì)讓三維模型產(chǎn)生豐富的動(dòng)態(tài)效果。首先制作出等比例的橋梁三維模型進(jìn)行貼圖和渲染，生成可以與其他三維引擎平臺(tái)對(duì)接的模型文件。再根據(jù)橋梁周邊的環(huán)境特征建立虛擬地形，之后將橋梁模型導(dǎo)入到虛擬地形中，在相應(yīng)位置的施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)上布置傳感器模型后，初步的三維虛擬施工場(chǎng)景則搭建完畢，如圖2所示。

圖2 搭建三維虛擬施工場(chǎng)景

編寫(xiě)腳本文件可使監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互，既能讀取實(shí)時(shí)橋梁施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，也能修改數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)值。獲得這些數(shù)據(jù)后，將其與相應(yīng)的三維模型綁定，這樣所有的傳感器模型都能顯示實(shí)際設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)施工數(shù)據(jù)。

程序客戶端發(fā)布

客戶端的功能直接關(guān)系到監(jiān)控系統(tǒng)的展示效果，上述步驟只是在程序和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的聯(lián)系，還需要建立起使用者和程序之間的交互，例如對(duì)三維模型的各種操作、查看不同位置的傳感器信息、放大或縮小視角等功能，因此根據(jù)橋梁施工方案詳細(xì)設(shè)計(jì)了用戶操作界面，合理設(shè)計(jì)各個(gè)功能按鈕和狀態(tài)顯示欄，按照一定尺寸比例布局在屏幕上，保證整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)所需的功能在屏幕上一目了然。最后將設(shè)計(jì)好所有程序打包成客戶端文件，用戶可以憑借指定的帳號(hào)和密碼使用任意一臺(tái)電腦登錄施工監(jiān)控系統(tǒng)，各個(gè)參建方可協(xié)同共享轉(zhuǎn)體施工的信息。

圖3 橋梁轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)主界面

轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

2017年10月，滬通長(zhǎng)江大橋天生港專用航道橋拱肋成功完成豎向轉(zhuǎn)體，兩側(cè)拱肋完美實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)體對(duì)接，該監(jiān)控系統(tǒng)全過(guò)程監(jiān)控橋梁轉(zhuǎn)體施工，系統(tǒng)主界面如圖3所示。

橋梁轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)主界面主要包括三維界面、曲線欄和數(shù)據(jù)欄等部分，用戶可以查看到轉(zhuǎn)體施工數(shù)據(jù)相關(guān)的信息，例如拱肋轉(zhuǎn)動(dòng)姿態(tài)和角度、測(cè)點(diǎn)布置圖和測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、拱肋之間的高程差曲線等。在主界面中還能對(duì)橋梁模型進(jìn)行一定的操作來(lái)查找制定位置的施工信息，除了在模型上直接顯示數(shù)據(jù)之外還能打開(kāi)所有傳感器的列表信息。監(jiān)控人員可以隨時(shí)在電腦上登錄監(jiān)控系統(tǒng)查看各個(gè)拱肋的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、拱肋間高差值、關(guān)鍵部位受力情況等施工數(shù)據(jù)，根據(jù)這些信息可以隨時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備，讓拱肋轉(zhuǎn)體更加精確可控、減小誤差。在橋梁轉(zhuǎn)體施工完成后，還能通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行回放，選擇任意時(shí)間點(diǎn)對(duì)當(dāng)時(shí)的橋梁整體狀態(tài)進(jìn)行還原。

結(jié)語(yǔ)

滬通長(zhǎng)江大橋天生港專用航道橋轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)在硬件方面使用了高精度智能傳感器和低功耗傳輸能力強(qiáng)的無(wú)線發(fā)射設(shè)備，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在軟件方面以動(dòng)態(tài)三維施工場(chǎng)景為展示環(huán)境，通過(guò)云端讀取實(shí)時(shí)施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，再用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)體過(guò)程中大橋各個(gè)構(gòu)件的實(shí)時(shí)狀態(tài)以三維可視化的方式進(jìn)行展示，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)體過(guò)程中拱肋各個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將各個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程差曲線與數(shù)據(jù)列表、三維模型、橋梁立面視角同時(shí)展現(xiàn)在畫(huà)面中，能夠?qū)崟r(shí)掌握到拱肋的轉(zhuǎn)動(dòng)姿態(tài)和構(gòu)件的受力狀態(tài)、轉(zhuǎn)體施工的進(jìn)度等信息，保證了拱肋的穩(wěn)定同步轉(zhuǎn)體。