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      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

      2018-05-28 08:38:43
      中國(guó)公路 2018年9期
      關(guān)鍵詞:長(zhǎng)江大橋轉(zhuǎn)體傳輸

      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。

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