基于物聯網的橋梁支架結構變形全天候監測系統

高樹能，欒興元

（中國中鐵八局集團昆明鐵路建設有限公司，云南 昆明 650200）

1 概述

隨著我國交通事業的迅猛發展，橋梁的建設越來越現代化，其結構也越來越復雜；為了保證橋梁結構施工的安全并提高施工質量，在橋梁施工過程中對橋梁支架結構的監測已成為橋梁施工技術的重要組成部分之一。橋梁的壽命周期分為建設階段和使用階段，結構工程師通常比較重視橋梁的使用階段的安全問題，而容易忽視橋梁在建設階段所面臨的各種相關的結構安全或穩定性問題。實際上，在橋梁的使用年限中，很少會遇到設計中的最大荷載；反而在施工過程中，常因支撐承載力不足而引發意外的倒塌事故。為了保證橋梁結構在施工過程中的安全，必須在整個施工過程中對橋梁支架結構變形進行實時監測。建立全天候監測預警系統，可以隨時掌握橋梁支架結構變形情況。當發現施工過程中監測的實際值與理論計算的預測值相差過大時，則不能繼續施工，必須進行安全檢查和原因分析，否則，將可能出現嚴重的事故。安全問題不容疏忽，在橋梁施工過程中，對其支架結構的變形監測，是橋梁安全建設的重要保障。因此，橋梁施工過程中對支架變形的監測預警工作具有十分重要的工程意義。

傳統的人工監測方法是通過配備簡單的儀器，測量鉛錘距離地面的高度變化，從而判斷橋梁的沉降。但采用人工測量的方式，一方面，測量作業工作量大，測量速度緩慢并且時效性差；另一方面，監測質量受人為因素影響很大，難以保證其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測量要求和全天候實時監測的效果。大地測量法廣泛應用于橋梁后期的監測和維護，這種技術利用水準儀、電磁測距儀、經緯儀、全站儀等設備對橋梁監控點的三維坐標進行周期性、重復性的測量，以確定橋梁結構的相關幾何指標。雖然這種方法具有測量準確性高的優點，但其自動化程度低，測量速度慢，測量工作同樣需要耗費大量的人力物力，且測量結果受環境因素的影響比較大；特別是當工作條件較為嚴苛時，這種方法的適用性就降低了。

綜上所述，研發一種全天候實時的橋梁監控系統，可以保障橋梁施工的安全性，有效降低安全事故的發生。通過對傳統方法的分析，本文提出并設計了一種基于物聯網的橋梁支架結構變形全天候監測系統。首先，通過在系統支架底部安裝激光測距模塊和基于物聯網的無線傳輸模塊，運用激光測距技術和數據解析計算技術，對目標點進行高精度監測，一旦橋梁支架結構變形超過安全閾值即觸發警報。通過RS485遠距離通信技術，將每跨不同位置的測量數據傳輸到一個控制柜中，實現對每跨橋梁支架的集成監測和統一管理。最后，運用物聯網技術，將設備工作狀態、測量點監測數據等通過無線傳輸技術上傳到云服務器，再通過手機APP訪問云服務器，實現對橋梁支架結構變形的全天候遠程監測。目前，所研發的基于物聯網的橋梁支架結構變形全天候監測系統的科研實踐屬于國內領先水平。經查閱相關文件和報道，未見有類似的應用。本項目在云南省滇中新區機場北高速公路獨家節特大橋上跨滬昆鐵路橋梁工程的實踐屬于國內首例。

本項目致力于橋梁施工過程中對支架結構變形的監測預警，解決了傳統人為監測過程中精度低、速度慢、時效性差、測量煩瑣等諸多問題。通過在支架底部安置激光測距模塊和基于物聯網的無線傳輸模塊，即實現了形變量超過閾值的預警功能，減少了事故發生的概率，又可以讓管理人員更方便直接的對支架結構變形進行遠程監測控制。本設計創新點可以總結為以下幾點：

（1）運用激光測距技術、數據解析計算技術，對目標點進行高精度監測，一旦橋梁支架結構變形超過安全距離即觸發警報，系統響應快速，反應靈敏。

（2）通過RS485遠距離通信技術，將每跨不同位置的測量點監測數據傳輸到一個中央控制單元中，實現對每跨橋梁支架的集成監測，統一管理。

（3）運用物聯網技術，對設備工作狀態、測量點監測數據等通過無線傳輸技術上傳到云服務器，再通過移動終端APP對云服務器進行訪問，實時對橋梁支架結構變形情況進行遠程監控。

2 橋梁支架變形監測系統組成

昆明機場北高速公路項目中最重要的一部分是獨家節特大橋，該大橋為大型轉體橋，上部結構為17×30m+2×75m+21×30m形式，其中2×75m為轉體結構。根據工程總體概況，設計基于物聯網的橋梁支架結構變形全天候監測系統。

如圖1所示，基于物聯網的橋梁支架結構變形全天候監測系統。警報器1通過螺釘固定在控制柜2的頂面。線纜3一端連接在控制柜2底部的線纜插座11上，另一端連接在激光監測設備4側面的航空插頭17上，每套系統配備三臺激光監測設備4及三根線纜3。控制柜2通過天線6與云服務器之間利用GPRS無線連接傳輸數據，同時，云服務器與手機APP 5之間通過GPRS無線連接傳輸數據。

如圖2所示，控制柜2包括固定在其頂面上的天線6、固定在其柜門上的LCD屏幕7、三個按鈕8及控制柜手柄9、固定在其底面的電源插座10及三個線纜插座11、固定在其內部的繼電器12、控制板13及開關電源14。LCD屏幕7為支持中文字庫的12864液晶屏。開關電源14型號為D-200A雙組雙路輸出開關電源，可將交流220V同時轉換為直流5V和直流12V，同時，給控制板13、激光監測設備4及警報器1提供直流穩壓供電。

圖1 監測系統總體組成

圖2 控制柜內各部件組成

圖3 激光雷達傳感器組成

圖4 控制芯片組成

圖5 手機APP組成

如圖3所示，激光監測設備4包括嵌在上頂面的激光雷達傳感器15、粘在其上表面的萬象水平儀16、側面的航空插頭17、底部螺釘上成對的蝶形螺母18、其內部的信號轉換模塊19及電壓轉換模塊20。激光雷達傳感器15選用的是CHT-30激光測距模塊，量程為30米，測量精度標準差為1mm，通過泡沫膠固定在激光監測設備4內部，其上頂面與激光監測設備4平齊。

如圖4所示，控制板13主要包括STM32F407核心板21、G510模塊22、TTL轉RS485模塊23，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。

如圖5所示，手機APP 5在Android 4.0及以上版本系統的智能手機上被支持。手機APP5包括APP引導頁24、登錄管理25、設備列表26、控制按鍵27、狀態顯示區28、閾值設置區29、數值顯示區30。登陸管理25可以選擇“管理員登陸”或“匿名登陸”。管理員登陸需要輸入賬戶密碼，有控制權限，可以控制系統進入初始化狀態或運行狀態等，匿名登陸不需要輸入密碼，只可以查看當前設備工作情況，無控制權限。設備列表26顯示設備在線情況，即設備是否開機。控制按鍵27可以控制系統進入不同工作狀態。狀態顯示區28顯示當前系統工作狀態，分別為“初始化”“監測中”“警報”。閾值設置區29可以設置并顯示設備監測形變量閾值。數值顯示區30可以顯示三臺激光監測設備所測點的初始距離、實時距離和變形量。

在進行橋梁支架結構變形監測前，將三臺激光監測設備4固定在橋梁支架底部地面上相應的監測點，通過萬象水平儀16和蝶形螺母18將激光監測設備4調平，按下控制柜的“開關”按鈕8，啟動系統，激光雷達傳感器15射出紅色激光，然后微調蝶形螺母18，將激光點打在需要監測的位置。

固定好激光監測設備4后，按下控制柜上的“初始化”按鈕8，或點擊手機APP上的“初始化”按鍵27，系統即進入初始化狀態。三臺激光監測設備4分別讀取并記錄初始距離值，將數據通過線纜3按照RS485協議傳到控制柜2中，控制板13對數據進行解析計算后，控制柜2的LCD屏幕7即顯示當前為“初始化”狀態以及三個激光監測設備4的初始化距離值；同時，通過GPRS將數據上傳到云服務器并進一步同步到手機APP 5上。待測量數據穩定后，按下控制柜2上的“運行”按鈕8，或點擊手機APP上的“運行”按鍵27，系統即進入監測狀態；三臺激光監測設備4分別實時讀取當前距離值，并通過線纜3傳到控制柜2中。控制板13對數據進行解析計算后，控制柜2的LCD屏幕7即顯示“監測中”狀態及三個激光監測設備4的初始化距離值和當前實時距離值；同時，通過GPRS將數據上傳到云服務器進而傳到手機APP 27上顯示。監測過程中，控制板13將當前實時距離值與初始化距離值進行比較，當實時距離值與初始化距離值的偏差超過所設閾值時，即觸發警報器1報警，實現了實時監測預警功能；此時，工作狀態變為“警報”，并同時顯示在LCD屏幕7上和手機APP 5上。現場安全員根據LCD屏幕7上或手機APP 5上三臺激光監測設備4的數據判斷出問題后，可按下控制柜2上的“初始化”按鈕8或點擊手機APP5上的“初始化”按鍵27，即可停止警報。通過手機APP 5的閾值設置區29可以修改監測閾值，以適應對不同要求的橋梁支架的監測。

3 橋梁支架變形監測運行方式

3.1 監測系統的總體構成及工作原理

該監測系統主要由控制柜、警報器、激光監測模組、手機APP組成，系統總體示意圖見圖6，物聯網通信示意圖見圖7。

圖8為橋梁支架變形系統運行流程圖。激光監測模組通過激光測距將數據按照RS485協議傳輸到控制柜中，然后，由控制單元對測量數據進行解析計算。設備上電開機后，先點擊控制柜上的“復位”按鍵或通過手機APP點擊“初始化”按鈕，激光監測模組讀取初始值，作為原始數據。再點擊“運行”按鈕，激光監測模組實時讀取當前值，并與初始值進行比較，當監測指標超過所設定的安全范圍時，系統自動觸發警報。設備開機后，控制柜中的無限傳輸模塊將工作狀態和數據實時上報到云服務器，手機終端與云服務器建立通信，實現對設備的實時監測與控制。

圖6 基于物聯網的橋梁支架結構變形全天候監測系統總體示意圖

圖7 物聯網通信系統示意圖

3.2 各部分構成及主要功能介紹

圖8 橋梁支架變形監測系統運行流程

圖9 控制柜示內部結構意圖

圖10 控制柜外觀圖

圖11 激光監測模組外觀圖

控制柜內部結構示意圖如圖9所示，主要由開關電源、主控制板、LCD屏幕、無線傳輸模塊等構成，控制柜對數據進行解析、存儲和上傳，對橋梁支架進行監測和預警，是整個測量系統的控制核心。為考慮供電安全，所有線管均從底部走線，并配有過載保護裝置，可提供多重安全保障。控制柜實物圖如圖10所示。

激光監測模組由激光測距模塊、信號轉換模塊、電壓轉換芯片等構成，可提供30m內精確測量，且考慮了防水設計。激光監測模組外觀圖如圖11所示。

每臺手機可以通過掃描二維碼的方式與多臺監測設備綁定，并實時監測每臺設備的工作狀態和各個測量監測點的實際情況。此外，通過手機終端也可以控制設備在不同工作狀態間的切換。

系統不同工作狀態展示見圖12～15。

圖12 初始化

圖13 監測中

圖14 等待

圖15 警報

4 技術創新點

（1）該橋梁支架監測系統采用了激光測距技術，不僅測量精度高，可達毫米級；而且測量范圍最大可至30m，能滿足大多數橋梁支架結構形變的監測。在有效監測范圍內，頂部橋梁支架結構形變量一旦超過所設定的閾值則立即觸發警報，并伴有警燈提示，實現了全天候實時監測預警的功能。此外，在監測系統的電路和軟件部分均采用了優化設計使得系統響應速度快，反應靈敏迅速。

（2）通過融合物聯網技術，使監測控制方式多樣化。安全員既可以通過現場控制柜上的LCD屏幕了解設備工作狀態和每個激光測量點的實時數值和變化情況，又可以通過手機APP隨時隨地進行對多臺設備的遠距離查看，大大解放了安全員的勞動力。

（3）模塊化設計。設計要求每跨橋梁支架需要監測三個點，該系統研發時將每跨三個激光監測點作為一個單元，配一個控制柜和警報器。每個單元可單獨控制，所有單元的數據最終在云端進行整合。通過手機APP還可以對每個單元的設備進行統一化管理。

5 結語

該項目研究了基于物聯網的橋梁支架結構變形全天候監測系統。與傳統的監測手段相比，基于物聯網的橋梁支架結構變形全天候監測系統設計合理，不需要人工干預，能進行全天24小時監測。激光模塊的精度可以達到1mm，比起人工監測準確性大大提高。

對每段橋梁支架結構都進行了監測，監測指標一旦超過安全閾值就會拉響警報，提醒工作人員撤離。監測數據可以實時通過手機APP查看，不會受到地理位置的限制，同時，可以對設備進行控制。對橋梁支架的監測真正做到了全天候、實時性、全段監測。本項目成功開發的基于物聯網的橋梁支架結構變形全天候監測系統在大型橋梁建造行業是首次采用，一方面，達到了降低安全風險、提高施工效率的目的；另一方面，產品質量也得到了業主的高度評價，具有一定的推廣價值。