高鐵箱梁蒸養(yǎng)制造質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)研究

凌明磊

（中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)“交通強(qiáng)國，鐵路先行”這一戰(zhàn)略目標(biāo)，我國在高鐵建設(shè)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(yán)寒的冬季是影響施工進(jìn)度的重要因素，低溫惡劣的氣候不利于混凝土強(qiáng)度的持續(xù)增長［1，2］，養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)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(duì)冬期蒸養(yǎng)箱梁質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(jì)算技術(shù)的逐漸普及，橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)越來越成為當(dāng)今土木工程的熱點(diǎn)方向［5］。橋梁健康監(jiān)測(cè)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(duì)異常的變化和危險(xiǎn)的信號(hào)做出預(yù)警［6］。利用智能傳感技術(shù)獲取部件的實(shí)時(shí)狀態(tài)和響應(yīng)，幫助人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并迅速采取相應(yīng)措施。這對(duì)于建設(shè)現(xiàn)代化高鐵強(qiáng)國，具有十分重要的意義。

在上述兩個(gè)背景下，文中自主研發(fā)一套針對(duì)高鐵箱梁蒸養(yǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)智能集成系統(tǒng)。該套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(luò)，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(hào)傳輸至云平臺(tái)，在云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分類和存儲(chǔ)；最后，用戶登錄與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套的客戶端，遠(yuǎn)程對(duì)箱梁的蒸養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

首先，根據(jù)箱梁實(shí)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(diǎn)，然后在關(guān)鍵點(diǎn)上布設(shè)相應(yīng)的傳感器，用來監(jiān)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)的物理狀態(tài)。此外養(yǎng)護(hù)環(huán)境的物理狀態(tài)是影響箱梁與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的重要因素，因此在對(duì)梁體進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)，我們也需要對(duì)養(yǎng)護(hù)棚的物理狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

其次，在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)合適的采集裝置和信號(hào)發(fā)射裝置，確保傳感器網(wǎng)感知的信號(hào)可以及時(shí)地傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行摹?/p>

然后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息處理中心可以使用云平臺(tái)技術(shù)。在云計(jì)算之前的信息處理中心大多為“一事一議”的方式，無論是機(jī)房的基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)資源還是計(jì)算存儲(chǔ)資源都是采用專業(yè)化的部署管理方式，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)處理中心會(huì)出線局部資源浪費(fèi)但是整體結(jié)構(gòu)緊張的局面。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，選用的是云計(jì)算管理平臺(tái)，對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的分配管理。

最后，基于云平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)面向用戶的客戶端，用戶可以通過客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控箱梁的蒸養(yǎng)狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的訪問和歷史數(shù)據(jù)的查詢。監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分

在箱梁的養(yǎng)護(hù)階段，梁體內(nèi)部的混凝土?xí)粩噙M(jìn)行水化反應(yīng)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(hù)棚進(jìn)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(duì)養(yǎng)護(hù)階段的箱梁，有必要進(jìn)行箱梁內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)的溫度監(jiān)測(cè)，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(cè)系統(tǒng)選用埋入式光纖光柵類傳感器，對(duì)箱梁的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行溫度的監(jiān)測(cè)，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(jì)算式如（1）所示。

式中，T為測(cè)點(diǎn)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(duì)應(yīng)的波長，nm；k為溫度傳感器一次項(xiàng)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(hù)環(huán)境的影響，極易導(dǎo)致梁體內(nèi)溫度的不均勻分布，在外界的約束下必然會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)混凝土的溫度應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，引發(fā)混凝土早期開裂。溫度應(yīng)力是混凝土早期開裂的直接原因，所以在進(jìn)行蒸養(yǎng)階段梁體溫度監(jiān)測(cè)的同時(shí)，有必要進(jìn)行箱梁內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)溫度應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。

文中針對(duì)箱梁的溫度應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，布設(shè)橫向應(yīng)變傳感器、豎向應(yīng)變傳感器以及軸向應(yīng)變傳感器。光纖光柵應(yīng)變傳感器的量程-1500～3000με，分辨率±1με，線性度為99.9%，應(yīng)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(yīng)變傳感器的計(jì)算如式（2）所示。

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

監(jiān)測(cè)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(hù)質(zhì)量，必須營造一個(gè)適合混凝土成熟硬化的養(yǎng)護(hù)環(huán)境。只有在適宜的溫度下，才能保證混凝土水化反應(yīng)的順利進(jìn)行，并且在適宜的濕度環(huán)境下，才能保證箱梁不會(huì)因?yàn)槭喽l(fā)生開裂。因此，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，集成了用于測(cè)養(yǎng)護(hù)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(hào)傳輸至監(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)通過4G網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)進(jìn)一步傳輸至云平臺(tái)。傳感器系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)情況如圖2所示。

圖2 傳感器系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)情況

現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的箱梁內(nèi)部混凝土溫度傳感器、溫度應(yīng)變傳感器、預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器以及環(huán)境溫濕度傳感器組成了傳感器網(wǎng)絡(luò)，它們用于時(shí)刻感知與箱梁養(yǎng)護(hù)質(zhì)量相關(guān)的物理量，感知到的物理量需要進(jìn)行系統(tǒng)地采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)。因此在箱梁的養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，需要布設(shè)與傳感器對(duì)應(yīng)的采集裝置和無線傳輸裝置。針對(duì)光纖光柵類的傳感器感知的物理信號(hào)，在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)了光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)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(hào)和收集反射光，解碼光信號(hào)。

傳輸層包括DTU無線通訊模塊和移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸通道。負(fù)責(zé)將采集到的各類數(shù)據(jù)通過4G無線信號(hào)傳輸至云平臺(tái)。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(jī)卡可提供網(wǎng)絡(luò)，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(cè)集成系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)硬件的布設(shè)情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)硬件系統(tǒng)布設(shè)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(shí)間和空間的限制，對(duì)蒸養(yǎng)階段的箱梁進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，開發(fā)了相應(yīng)的人機(jī)交互的客戶端。作為面向用戶的展示界面，首先必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的用戶管理系統(tǒng)，用戶通過賬號(hào)和密碼進(jìn)行系統(tǒng)的登錄和退出，并在展示界面內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)管理的設(shè)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(cè)數(shù)據(jù)的便捷訪問

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)的展示界面，用戶可以實(shí)時(shí)查看箱梁內(nèi)各種傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。此外，可以選擇時(shí)間段，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的訪問，并且系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所選的時(shí)間段自動(dòng)生成歷史數(shù)據(jù)的可視化曲線，簡(jiǎn)明直觀地進(jìn)行箱梁蒸養(yǎng)階段監(jiān)測(cè)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(xiàng)目?jī)?nèi)容呈現(xiàn)給用戶，并且讓用戶了解監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來源。在展示界面上，添加了與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的傳感器布設(shè)方案，并且展示了高鐵箱梁整個(gè)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(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)傳感器的布設(shè)對(duì)應(yīng)起來。

2.2.4 基于云平臺(tái)的管理模式

采集設(shè)備的通信接口基于TCP/IP協(xié)議，利用4G網(wǎng)絡(luò)的通信方式建立與云平臺(tái)的聯(lián)系。云平臺(tái)是采用兩臺(tái)高端交換設(shè)備進(jìn)行虛擬化的核心交換集群，并且在內(nèi)部設(shè)有控制節(jié)點(diǎn)、對(duì)象存儲(chǔ)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算和分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以及對(duì)象存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)4個(gè)部分。通過網(wǎng)絡(luò)方便地訪問數(shù)據(jù)中心可配置的計(jì)算資源共享池，同時(shí)以最少的管理開銷，完成自動(dòng)化迅速配置資源。

2.2.5 強(qiáng)大的云計(jì)算能力

云平臺(tái)的核心交換集群采用的是兩臺(tái)高端交換設(shè)備進(jìn)行虛擬化的集群，整個(gè)云平臺(tái)由控制節(jié)點(diǎn)、對(duì)象存儲(chǔ)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算和分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以及對(duì)象存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)組成。云平臺(tái)作為該監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)的支撐層，用于處理和計(jì)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(jìn)行長期存儲(chǔ)管理。

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

3 箱梁蒸養(yǎng)過程監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)變化最大?？紤]到文中的篇幅有限，僅選擇該監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析。在箱梁的蒸汽養(yǎng)護(hù)期間，混凝土經(jīng)歷了快速升溫達(dá)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(shì)，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(hù)，轉(zhuǎn)移到存梁臺(tái)進(jìn)入自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)，由于自然養(yǎng)護(hù)的溫度較低，所以箱梁內(nèi)部的溫度場(chǎng)會(huì)受到較大影響，箱梁內(nèi)各點(diǎn)的溫度會(huì)快速下降，尤其是表層混凝土的溫度會(huì)受到更加明顯的影響，自然養(yǎng)護(hù)的初期溫度呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)。對(duì)箱梁內(nèi)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總，匯總結(jié)果如表1所示。該測(cè)點(diǎn)的表層混凝土最大溫度為36.5℃，達(dá)到峰值溫度的時(shí)間為36.5h；芯部混凝土的最大溫度為45.41℃，達(dá)到峰值溫度的時(shí)間為39.5h。該測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

表1 溫度場(chǎng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)

由應(yīng)變時(shí)程曲線可以看出，箱梁內(nèi)測(cè)點(diǎn)的橫向應(yīng)變，豎向應(yīng)變和軸向應(yīng)變?nèi)叩淖兓厔?shì)基本相同，并且不同點(diǎn)之間的溫度應(yīng)變變化趨勢(shì)也基本相同，均與溫度的變化趨勢(shì)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(yīng)變也低于同時(shí)期的芯部混凝土的應(yīng)變。在養(yǎng)護(hù)60h后，箱梁結(jié)束蒸汽養(yǎng)護(hù)，轉(zhuǎn)移到存梁臺(tái)進(jìn)入自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)，由于自然養(yǎng)護(hù)的溫度較低，所以箱梁內(nèi)部的溫度場(chǎng)會(huì)受到較大影響，尤其是表層混凝土的溫度會(huì)受到更加明顯的影響，自然養(yǎng)護(hù)的初期溫度應(yīng)變呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)。因此在實(shí)際施工過程中，應(yīng)該嚴(yán)格控制蒸養(yǎng)結(jié)束后的降溫速率，并關(guān)注箱梁進(jìn)入自然養(yǎng)護(hù)早期的溫度變化劇烈程度，預(yù)防早期開裂。對(duì)箱梁內(nèi)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總，匯總結(jié)果如表2所示。該測(cè)點(diǎn)混凝土的最大橫向應(yīng)變、最大豎向應(yīng)變和最大軸向應(yīng)變分別為260.83、243.89、277.87με。該測(cè)點(diǎn)溫度應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)溫度應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系

表2 應(yīng)變場(chǎng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

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

（1） 該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從箱梁混凝土開始澆筑便進(jìn)行相關(guān)物理量的采集，實(shí)現(xiàn)了箱梁蒸養(yǎng)制造整個(gè)過程的監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅對(duì)運(yùn)營期的監(jiān)測(cè)。所有該套監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)自主集成了多類傳感器，通過對(duì)箱梁內(nèi)部溫度、溫度應(yīng)力、鋼絞線張拉力以及養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫濕度的監(jiān)測(cè)，全方位地掌握冬期蒸養(yǎng)箱梁的質(zhì)量。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際工程的情況，自主集成多類傳感器，為健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供了良好的思路。

（3） 該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)冬期蒸養(yǎng)的高鐵箱梁，利用智能傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)感知與梁體蒸養(yǎng)質(zhì)量有關(guān)的多種物理量的監(jiān)測(cè)，并利用通訊系統(tǒng)和云平臺(tái)技術(shù)搭建與之對(duì)應(yīng)的蒸養(yǎng)箱梁智能監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)，使監(jiān)測(cè)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(cè)，具有很廣的應(yīng)用前景。

（4） 具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的能力?；谠破脚_(tái)的高鐵箱梁蒸養(yǎng)制造監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)，系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)被部署在云平臺(tái)上。用戶只需要登錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相應(yīng)的客戶端，便可實(shí)現(xiàn)不受空間和時(shí)間限制地訪問監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)越來越成為當(dāng)今土木工程的熱點(diǎn)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(duì)異常的變化和危險(xiǎn)的信號(hào)做出預(yù)警。另一方面，信息技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用到社會(huì)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(wù)部署在云平臺(tái)上以實(shí)現(xiàn)資源的最大利用。開發(fā)該系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)并部署在云平臺(tái)上，將大大提高環(huán)境管理的智能化進(jìn)程。

文中詳細(xì)地介紹了該套監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)硬件部分的組成和功能、數(shù)據(jù)處理中心云平臺(tái)的功能和作用以及展示界面軟件部分的功能。監(jiān)測(cè)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(qiáng)化現(xiàn)代鐵路梁場(chǎng)科技創(chuàng)新的支撐引領(lǐng)能力，為新時(shí)代高質(zhì)量鐵路建設(shè)提供示范。