無線傳感技術(shù)在橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

劉葉波

摘要：文章介紹了無線傳感技術(shù)的概念、類型和主要架構(gòu)，討論了橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)的具體功能需求，提出了將無線傳感技術(shù)應(yīng)用到橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)想，完成了系統(tǒng)核心架構(gòu)的設(shè)計工作，并以廣西玉林茂江大橋工程為依托，進(jìn)行了施工現(xiàn)場溫度監(jiān)測的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：無線溫度傳感器在橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)中具有較高的采集精度，能夠滿足施工現(xiàn)場的溫度監(jiān)測需要。

關(guān)鍵詞：無線傳感;橋梁施工;監(jiān)測;應(yīng)用

中圖分類號：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.027

文章編號：1673-4874（2019）07-0086-03

0引言

隨著我國橋梁工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，大量先進(jìn)的施工設(shè)備和施工技術(shù)在不斷應(yīng)用，為橋梁工程的質(zhì)量提供了重要保障，并為延長橋梁工程的使用壽命、降低后續(xù)的維護(hù)成本起到了關(guān)鍵性的作用。當(dāng)前，橋梁工程的施工周期在縮短，施工標(biāo)準(zhǔn)在提升，尤其是對一些特大型、高難度的橋梁工程而言，對其施工質(zhì)量具有特殊要求。橋梁工程施工中的環(huán)節(jié)眾多，如何高效、精確地調(diào)配施工現(xiàn)場人員和物資并監(jiān)測施工質(zhì)量已成為工程技術(shù)人員逐漸關(guān)注的問題。無線傳感技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，能夠節(jié)省人力資源并提高工作的效率和準(zhǔn)確性。尤其在部分人員無法到達(dá)的高危作業(yè)區(qū)域，通過無線傳感技術(shù)能夠完成特殊位置的探測和數(shù)據(jù)采集工作，其作用顯而易見。本文將無線傳感技術(shù)應(yīng)用到橋梁的現(xiàn)場施工監(jiān)測中，提出了基于無線傳感技術(shù)的橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)，對于協(xié)調(diào)橋梁施工各個環(huán)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)、保證橋梁施工的質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)工程效益的最大化具有積極作用。‘]。

1無線傳感技術(shù)概述

無線傳感技術(shù)以先進(jìn)的計算機(jī)底層架構(gòu)、高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備和精確的采集量測系統(tǒng)為支撐，根據(jù)工程實(shí)際需要將現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合、分析和處理，為企業(yè)提供有價值的數(shù)據(jù)信息。無線傳感技術(shù)從根本上來說是因無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而興起，隨無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。從最初的互聯(lián)網(wǎng)2G、3G時代到現(xiàn)在的4G時代，無線傳感技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了從局域網(wǎng)（內(nèi)網(wǎng)）到互聯(lián)網(wǎng)（公網(wǎng)）的演變。未來隨著5G網(wǎng)絡(luò)基站及傳輸系統(tǒng)的加速建設(shè)，無線傳感技術(shù)將再次迎來新一輪的變革，例如在諸多建筑工程施工現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用，將實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場與監(jiān)控中心、調(diào)度中心等核心部門的無縫對接，完成高效、優(yōu)質(zhì)的施工和監(jiān)測。無線傳感技術(shù)種類有很多，ZigBee架構(gòu)屬于工業(yè)領(lǐng)域常用的無線傳感技術(shù)，基于ZigBee的無線傳感技術(shù)主要架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，無線傳感技術(shù)主要架構(gòu)由現(xiàn)場的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)（探測點(diǎn)）、簇首節(jié)點(diǎn)（匯集點(diǎn)）、ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成。值得注意的是，ZigBee屬于無線傳感技術(shù)的一個分支，具有近距離、低功耗等諸多特點(diǎn)。除此之外還有433、GPRS以及WlFI等無線傳感技術(shù)，應(yīng)視現(xiàn)場的功能需求以及企業(yè)自身的實(shí)際情況來使用適合的無線傳感技術(shù)嘲。ZigBee與其他類型的無線傳感技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對比分析如表1所示。

2基于無線傳感技術(shù)的橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1功能需求分析

基于無線傳感技術(shù)的橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮以下核心功能：

（1）施工數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?/p>

橋梁施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)包括施工人員、施工設(shè)備以及施工物資等的進(jìn)、出現(xiàn)場情況。這類施工數(shù)據(jù)需在線實(shí)時傳輸，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率有一定要求。優(yōu)質(zhì)、高效的數(shù)據(jù)傳輸為橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)后臺分析和處理提供了保障，并且對現(xiàn)場施工情況的分析結(jié)果具有重要影響。

（2）無線傳感采集的范圍

橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能是對施工現(xiàn)場的質(zhì)量及安全性進(jìn)行全過程、實(shí)時、動態(tài)的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的問題及違章情況，以制定下一步的整改措施來保證橋梁工程施工的質(zhì)量和安全。因此，無線傳感設(shè)備采集的范圍應(yīng)包括施工人員進(jìn)、出現(xiàn)場的考勤情況和機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行工況及使用情況、施工物資的調(diào)配情況等。此外，還應(yīng)包括施工現(xiàn)場的環(huán)境溫度、濕度、土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、液位以及水壓等情況。

（3）監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的工況

橋梁施工現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)保證良好的運(yùn)行工況，能夠持續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行，配有不間斷供電模塊和風(fēng)扇冷卻模塊等。監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分以高效、低功耗產(chǎn)品為宜，且具有開機(jī)自檢功能。操作系統(tǒng)軟件應(yīng)運(yùn)行穩(wěn)定、無安全漏洞，可按需進(jìn)行定期升級和修復(fù)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行故障時能自動發(fā)出報警提醒。另外，監(jiān)測系統(tǒng)大屏應(yīng)具有較高的分辨率。

橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)核心功能需求分析如表2所示。

2.2核心架構(gòu)設(shè)計

橋梁現(xiàn)場施工監(jiān)測系統(tǒng)的核心架構(gòu)為數(shù)據(jù)處理硬件部分，主要包括傳感單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、控制開關(guān)以及微處理和通信模塊等。傳感單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和控制開關(guān)集成在可插拔的擴(kuò)展傳感器板上。傳感單元主要有ADXL335和TMP102微處理器，主要負(fù)責(zé)施工現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)的采集和測量。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊部分設(shè)計有1組（3個）ADS1114轉(zhuǎn)換器，用來對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換?？刂崎_關(guān)設(shè)計為PCA9544防爆型，擴(kuò)展傳感器板通過12C數(shù)據(jù)總線與微處理和通信模塊相連接;ADC為備用接口，可與控制開關(guān)內(nèi)的8個應(yīng)變接口進(jìn)行切換。微處理和通信模塊上分布有一定數(shù)量的IRIS節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號暫存在IRIS分布式節(jié)點(diǎn)中，待完成最后的核驗(yàn)并確認(rèn)無誤后，傳輸?shù)綐蛄菏┕がF(xiàn)場監(jiān)控中心，供技術(shù)人員查看。橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)的核心架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

3工程試驗(yàn)和結(jié)果分析

3.1工程概況

廣西玉林市博白縣茂江大橋于2019年年初動工興建，計劃工期780d。該大橋位于茂江渡口附近，博白縣綠珠鎮(zhèn)與亞山鎮(zhèn)交界處，接025鄉(xiāng)道橫跨南流江，終于亞山鎮(zhèn)南擔(dān)嶺村。大橋全長208.16m，橋梁寬度10m。為保證橋梁施工的整體質(zhì)量，在茂江大橋施工現(xiàn)場部署了大量的傳感器，包括各類型的溫、濕度傳感器和壓力傳感器、液位傳感器等，并通過現(xiàn)場總線系統(tǒng)并行接入到擴(kuò)展傳感器板上，采集各施工環(huán)節(jié)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。以溫度傳感器為例，通過試驗(yàn)對監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行模擬分析、評估，驗(yàn)證本文所提出的基于無線傳感技術(shù)的橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

3.2試驗(yàn)過程

選用TS-03型無線溫度傳感器對現(xiàn)場溫度進(jìn)行采集。采集時間分別為試驗(yàn)當(dāng)天的9：00、11：00、13：00、15：00和17：00。經(jīng)過無線溫度傳感器采集到的溫度值經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊后傳輸?shù)轿⑻幚砗屯ㄐ拍K，生成溫度模擬信號量暫存在IRIS分布式節(jié)點(diǎn)中，通過監(jiān)控中心大屏讀取溫度值并記錄;同時，記錄各時段現(xiàn)場實(shí)測的溫度值，將兩者進(jìn)行對比分析，求出最終的誤差均值，通過誤差均值范圍來判斷無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

3.3系統(tǒng)可靠性評估

將無線溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，具體數(shù)值如表3所示。

由表3可知，最終的誤差均值為0.48%，符合無線溫度傳感器的精度誤差要求（±5%）。這表明本文所設(shè)計的基于無線傳感技術(shù)的橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁施工現(xiàn)場對環(huán)境溫度的準(zhǔn)確監(jiān)測功能。為更加直觀地反映試驗(yàn)過程中溫度傳感器的測量精度，將表3數(shù)據(jù)繪制成溫度一時間折線，如圖3所示。

4結(jié)語

無線傳感技術(shù)在諸多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，本文將該技術(shù)引入到橋梁施工的現(xiàn)場監(jiān)測中，研究內(nèi)容具有一定的創(chuàng)新性。工程試驗(yàn)中以施工現(xiàn)場的溫度采集為例，對本文所提出的基于無線傳感技術(shù)的橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行論證。研究結(jié)果表明，搭載無線溫度傳感器的橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)對施工現(xiàn)場環(huán)境溫度的精確監(jiān)測，試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果。