基于窄帶物聯網的全自動T梁架設系統設計

1 引言

隨著我國交通事業的迅猛發展，橋梁建設越來越現代化，但在山區建設高速公路時由于受地形地貌限制， 橋梁所占的比例較高， 而絕大多數橋梁建設時均采用架橋機設備進行T梁架設施工[1]。 在架設T 梁時要先進行安裝定位，目前T 梁的安裝定位基本是依靠操作者的經驗和觀察，加之T 梁體積大、質量大等因素，在架設時不易控制，若不采取有效的組織體系和檢測方法對T 梁架設進行全面監控， 易造成較大時間成本的浪費和增加發生安全事故的風險。因此，如何確保T 梁的架設質量和速度， 同時保證架橋機的安全使用是提高高速公路橋梁工程質量和縮短完成時間的關鍵問題。

傳統的人工監測方法是通過人眼觀察控制架橋機的運動以實現T 梁的安裝架設， 工人通過觀察預先澆灌好的墊石位置與T 梁的距離，從而判斷T 梁的沉降和擺動。但采用人工測量的傳統方式，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安裝要求，不能實現對T 梁安裝數據的實時監測。

基于物聯網的激光測距方法是一種隨著物聯網技術發展提出的具有高精度和高實時性的測距方法， 通過嵌入式技術將測量的各參數通過GPRS 數據傳輸模塊實時傳輸到云平臺對設備數據進行遠距離觀測，解決了測量時存在的各類問題。因此，本文基于NB-IoT 技術提出一種全自動T 梁架設系統設計，以提高T 梁架設的效率，保障施工的安全性和降低施工時安全事故的發生概率[2-3]。

2 全自動T梁架設系統的系統組成

曲靖（麒麟區）至師宗段高速公路項目中預制T 梁1 025片，根據工程總體概況， 設計基于NB-IoT 的全自動T 梁架設系統。 系統設計為星型拓撲的網絡結構，如圖1 所示。 系統分為數據采集子系統、基站控制子系統、監測控制子系統、驅動控制子系統4 部分。

圖1 系統組成基本工作原理

數據采集子系統由激光測距傳感器、電量采集傳感器、架橋機數據傳感器、架橋機環境數據傳感器等多種傳感器組成。激光測距傳感器采集T 梁架設時距離目標墊石的橫縱向距離； 電量采集傳感器采集數據采集系統和基站控制系統的電池電量；架橋機數據采集器采集架橋機垂直度等信息；架橋機環境數據傳感器采集風速、溫度等信息。 激光測距傳感器選用的是SK80 激光測距模塊，量程為45 m，測量精度分辨率為1 mm。 基站控制子系統由STM32 單片機核心板、G510 網絡模塊和繼電器模塊組成，如圖2 所示。 核心板處理來自數據采集子系統和云平臺的數據，G510 網絡模塊是與云平臺通信使用[4]，控制外部元件。 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。

圖2 基站控制子系統

驅動控制子系統由架橋機控制器和驅動系統組成。 架橋機控制器接收來自云平臺的指令和自身驅動系統的反饋信息，處理后給驅動系統發送運動指令。 驅動系統按照控制器指令控制T 梁運動。

監測控制子系統由App 客戶端、 云平臺和PC 電腦端3部分組成。 App 客戶端包括測量數據顯示區、管理員設置參數顯示區、傳感器狀態顯示區，如圖3 所示。

圖3 App 顯示頁組成部分

測量數據顯示區主要顯示T 梁當前位置距離目標墊石的橫向與縱向距離（見圖4a），顯示范圍是0~30 m，顯示的單位是m。 當橫向或者縱向距離到達管理員設定的目標距離時，界面就會彈出“橫向已到設定位置”或者“縱向已到設定位置”（見圖4b）。

圖4 T梁架設時距離目標墊石的橫縱向距離采集

管理員設置參數顯示區顯示T 梁架設現場管理員設置的參數，在未設置參數時會顯示設置參數的名稱，如模式、方向、墊石號等提示信息（見圖5a），管理員在設置相應參數后，顯示區就會同步云端收到的數據（見圖5b），同時其他手機也會同步管理員設置的參數信息。 其中，顯示區顯示的“單”代表單墊石模式，“雙”代表雙墊石模式；“左”代表墊石的位置位于面向未架設T 梁方向的左邊；“右” 代表墊石的位置位于面向未架設T 梁方向的右邊；“3” 代表T 梁將要架設的墊石位置；“3.561”代表橫向極限位置的距離；“0.615”代表縱向極限位置的距離。

圖5 參數設置顯示區

傳感器狀態顯示區會顯示通過二維碼（見圖6）獲得設備列表，該區域分為“已綁定設備”和“離線設備”兩個部分，在“已綁定設備”區域會顯示當前在線的設備列表，可以在“已綁定設備” 區域直觀查看設備的電量 （圖7 中的百分號前的數值）和測量的距離（圖7 中的百分號后的數值）。 在“離線設備”中，管理員可清晰看見已離線的設備和設備號。 登錄管理中，管理員登陸需要輸入賬戶密碼，控制系統進入初始化狀態，輸入管理員參數，匿名登錄不需要輸入密碼，只可以查看當前設備工作情況，無控制權限。

圖6 綁定傳感器的二維碼

圖7 傳感器狀態顯示

3 系統運行方式

3.1 系統的工作原理

在T 梁架設過程中， 確保數據采集的準確性是實現有效監控和系統自動化的關鍵，因此，需實時監測T 梁距離目標墊石的位置。為此自主設計T 梁位置檢測方法，具體分為橫向對齊方案和縱向對齊方案，具體工作原理如下。

3.1.1 縱向對齊方法

如圖8 所示，設定目標T 梁的長度方向為縱向，經過嚴密的推導可以得到公式Y2-Y4-Y偏移=Y1-Y3， 經過變換后得公式（1）：

圖8 T梁架設檢測系統的縱向局部剖視圖

式中，縱向測距傳感器1 測量其自身至目標墊石的距離，記為Y1；縱向測距傳感器2 測量其自身至目標T 梁端面的距離，記為Y2；目標墊石到橋墩端面的距離，記為Y3；縱向測距傳感器1 和縱向測距傳感器2 的兩個測距面距離， 記為Y4； 其中Y3和Y4為已知數據。目標墊石至目標T 梁端面的距離，記為Y偏移。通過式（1）可以實現T 梁縱向的架設。 具體工作流程是單片機將縱向測距傳感器1 和2 測出的和數據通過4G 模塊將數據傳到云端，云平臺通過式（1）處理云端的數據計算得出Y偏移，再將Y偏移發送到單片機，單片機通過計算得出Y偏移的運動指令，并將該指令發送到前后吊梁小車的驅動控制系統，即可實現目標T 梁在縱向上的運動。

3.1.2 橫向對齊方法

如圖9 所示，目標T 梁的寬度方向即為橫向，從圖9 中可以明顯得出式（2）和式（3）：

圖9 T梁架設檢測系統的橫向局部剖視圖

式中，橫向測距傳感器1 測量其自身至橋墩目標側面的距離，記為X1； 橫向測距傳感器2 測量其自身至架橋機1 號柱底端目標側面的距離，記為X2；橫向測距傳感器3 測量其自身至目標T 梁側面的距離，記為X3；橋墩側面至目標墊石中心的距離記為X4； 橫向測距傳感器3 架橋機輪子的側面的距離記為X5；橫向測距傳感器2 到橫向測距傳感器3 的距離記為X6；L 為T 梁下部的橫向寬度。

其中，橫向測距傳感器1、橫向測距傳感器2 的端面在同一水平面上，X4、X5、X6、L 可根據橋墩 的設計數 據直 接 計 算得出，X4、X5、X6、L 可以作為已知數據；目標墊石至目標T 梁側面的距離記為X偏移；將式（2）和式（3）進行變換得到式（4）：

3.2 系統運行過程

該系統主要由數據采集子系統、基站控制子系統、監測控制子系統、驅動控制子系統4 部分組成。 圖10 為系統總體示意圖，其運行過程如下。

圖10 系統總體示意圖

1）進行橋梁T 梁監測前，先將5 臺裝有激光監測設備，按照自主設計的系統原理中相應的位置固定在架橋機上相應的監測點上， 通過萬象水平儀將激光監測設備調平， 按下電源“開關”按鈕，啟動基站子系統。

2）在開啟全部基站后，數據采集子系統的各傳感器就開始工作。 系統傳感器按照RS485 協議或者串口協議將數據傳入單片機中， 然后由控制單元對測量數據進行解析計算并通過基站子系統將數據采集子系統的數據上傳至云平臺， 或者是將云平臺發來的控制指令發送到數據采集系統和驅動控制子系統。 云平臺通過解析基站數據，結合設計的算法，判斷是否達到T 梁架設的要求， 同時將判斷結果反饋回App 客戶端。 若云平臺接收的數據符合設計的架梁要求， 操作者就在App 客戶端設置的T 梁架設的初始參數（見圖11），云平臺通過處理來基站子系統和App 客戶端設置的參數，計算出T 梁的運動指令，并通過基站子系統發送到驅動控制子系統，使驅動子系統執行運動指令，使T 梁運動到相應的位置。云平臺上接收和計算的一切數據均進行存儲，供管理員查詢。

圖11 App 客戶端控制流程圖

4 結論