基于云平臺的高鐵箱梁蒸養(yǎng)制造環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究

張仁宏

(中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司 山東青島 266061)

1 引言

2020年8月，我國國家鐵路集團(tuán)正式發(fā)布了《新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》，力爭全面建成更高水平的現(xiàn)代化鐵路強(qiáng)國。在這一背景下，開展高質(zhì)量的高鐵箱梁施工和制造成為不可或缺的重要環(huán)節(jié)[1-3]。然而，黑龍江省的冬季長達(dá)6個(gè)月之久，低溫惡劣的氣候不利于混凝土強(qiáng)度的持續(xù)增長[4-6]，養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)極易引起結(jié)構(gòu)疏松甚至凍脹開裂等問題[7-8]。面對上述冬期施工所面對的難題，采取科學(xué)合理的蒸汽養(yǎng)護(hù)措施成為亟待攻克的技術(shù)難題。因此，需要提出一種與箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)相配套的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，通過對養(yǎng)護(hù)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保可以準(zhǔn)確及時(shí)地得到養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的相關(guān)信息，并及時(shí)采取調(diào)整措施。

鑒于新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行的發(fā)展藍(lán)圖與冬期施工所面臨的技術(shù)難題，本文針對嚴(yán)寒氣候下鐵路大型箱梁蒸養(yǎng)制造健康監(jiān)測與質(zhì)量控制重大需求，基于云平臺，設(shè)計(jì)了一套高鐵箱梁蒸養(yǎng)制造遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。將這套監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于箱梁的施工現(xiàn)場，并經(jīng)過系統(tǒng)測試，證實(shí)了其可行性，為混凝土構(gòu)件的質(zhì)量監(jiān)測，提供了重要的參考意義。

2 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目的梁場位于小興安嶺與三江平原的過渡地帶，為山前丘陵區(qū)，地勢較平坦，地面高程151.0～154.9 m，當(dāng)?shù)貧夂驗(yàn)橹袦貛Т箨憹駶櫺詺夂騾^(qū)，屬嚴(yán)寒地區(qū)，土壤最大凍結(jié)深度為2.4 m。因此針對冬季的低溫施工，必須采取相關(guān)措施，確保箱梁的養(yǎng)護(hù)成型的質(zhì)量。

剛澆筑完的混凝土處于水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，力學(xué)性能逐漸變化的過程。混凝土屬于導(dǎo)熱性能較差的混合材料，這樣勢必導(dǎo)致混凝土內(nèi)部聚集大量的水化熱。此外，混凝土表面不斷與外界發(fā)生熱量交換，尤其在低溫環(huán)境下，表面的換熱速度會明顯加快，這必然會產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫差，容易引發(fā)開裂。因此在冬季施工中，需要嚴(yán)格控制養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫度，只有在一定程度上減緩混凝土表面的換熱速度，才能保證不發(fā)生開裂。

所以在冬季生產(chǎn)箱梁的過程中，必須采取相關(guān)措施來保證養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫濕度，從而確保箱梁的生產(chǎn)質(zhì)量符合要求。本項(xiàng)目的冬期施工措施有以下幾個(gè)方面:在制梁臺上箱梁的養(yǎng)護(hù)，需要用100mm厚保溫板將模板全部封閉，梁端棉篷布覆蓋，養(yǎng)護(hù)罩通蒸汽養(yǎng)護(hù)，直至初張強(qiáng)度。在存梁區(qū)箱梁養(yǎng)護(hù)用棉篷布分別將梁體端頭、兩側(cè)、頂板全面覆蓋，按規(guī)范要求往里通蒸汽進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，保證箱梁的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

總體上來說，本項(xiàng)目的箱梁制造采用暖棚覆蓋的方式，以此來確保冬期施工的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。養(yǎng)護(hù)棚是一個(gè)半開放系統(tǒng)，它實(shí)時(shí)地與外界進(jìn)行著物質(zhì)和能量的交換，處于一個(gè)不斷變化的狀態(tài)，并且養(yǎng)護(hù)棚的狀態(tài)將直接影響到箱梁養(yǎng)護(hù)的質(zhì)量。所以在冬季施工的情況下，精細(xì)化監(jiān)測養(yǎng)護(hù)環(huán)境的狀態(tài)是保證箱梁質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。其中，溫度是保證混凝土水化反應(yīng)順利進(jìn)行的重要參數(shù)，濕度是保證混凝土不發(fā)生干縮開裂的關(guān)鍵措施，因此本文選擇對養(yǎng)護(hù)棚環(huán)境溫濕度這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

針對本梁場蒸養(yǎng)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)開發(fā)的環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的擴(kuò)展與物體設(shè)備功能的應(yīng)用。本文所使用的監(jiān)測系統(tǒng)有以下特點(diǎn):第一，用戶信息參數(shù)全面感知，實(shí)現(xiàn)信息的全面感知主要依賴于傳感器技術(shù)，本系統(tǒng)使用了無線電溫濕度變送器和環(huán)境監(jiān)控主機(jī)來進(jìn)行環(huán)境溫濕度的監(jiān)測。第二，數(shù)據(jù)傳輸高速可靠，使用先進(jìn)的現(xiàn)代通信技術(shù)是保證采集設(shè)備與終端設(shè)備通暢連接的必要條件。第三，云端數(shù)據(jù)海量存儲，大量傳感器的使用是保證環(huán)境溫濕度精細(xì)化監(jiān)測的必要條件，但是大量傳感器的長期工作勢必會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，海量數(shù)據(jù)的存儲和管理是保證監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵?；谶@一特點(diǎn)，本監(jiān)測系統(tǒng)將環(huán)境溫濕度監(jiān)測與云平臺技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了箱梁蒸養(yǎng)制造環(huán)節(jié)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。本套監(jiān)測系統(tǒng)首先由布設(shè)在現(xiàn)場的下機(jī)位采集數(shù)據(jù)，然后通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斨猎破脚_，最后用戶可以在客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。具體的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 下機(jī)位

下機(jī)位是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其功能和靈敏度直接影響環(huán)境監(jiān)測的好壞，其主要任務(wù)是實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并且維持現(xiàn)場設(shè)備順利運(yùn)轉(zhuǎn)。針對高鐵箱梁養(yǎng)護(hù)環(huán)境的監(jiān)測，本文使用的監(jiān)測系統(tǒng)的下機(jī)位，主要由環(huán)境溫濕度變送器和設(shè)備主機(jī)組成，二者之間通過GPRS無線信號進(jìn)行連接。

3.2 云平臺

云平臺首先將許多計(jì)算機(jī)組合在一起，構(gòu)成一個(gè)大的計(jì)算機(jī)集群，然后利用管理技術(shù)，并根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)需求，將計(jì)算機(jī)的軟硬件資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配[9]。本文中的云平臺是環(huán)境監(jiān)測的中間部分，起到下機(jī)位和客戶端的橋梁作用，在云平臺上搭建環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)后臺服務(wù)，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置定時(shí)向下機(jī)位傳輸指令，并且能夠響應(yīng)來自客戶端的請求。

云計(jì)算伴隨業(yè)務(wù)訪問量和對存儲空間、存儲性能的要求，可以對本項(xiàng)目云平臺進(jìn)行水平擴(kuò)展，本次數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)架構(gòu)云的建設(shè)可達(dá)成以下預(yù)期目標(biāo):

(1)具有良好的可擴(kuò)展性

監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，尤其是針對土木行業(yè)的大型監(jiān)測系統(tǒng)，往往需要投入大量的硬件和管理成本。云平臺的出現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)將復(fù)雜的內(nèi)部基礎(chǔ)架構(gòu)部署在云平臺上，用戶若需要添加新的資源，通常只需租賃更多的云空間即可。這樣一來，根據(jù)用戶的需求，可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行升級和擴(kuò)展，降低了系統(tǒng)運(yùn)行和升級的復(fù)雜性。

(2)具有良好的數(shù)據(jù)移動(dòng)性

基于云平臺的監(jiān)測系統(tǒng)，其存儲位置被轉(zhuǎn)移到了云平臺上，用戶只需登陸客戶端便可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。首先在現(xiàn)場布設(shè)好相關(guān)的硬件裝備，并與云平臺監(jiān)測系統(tǒng)做好相應(yīng)的連接，任何得到授權(quán)的用戶，在任何地方便可進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問。這就意味著，基于云平臺的監(jiān)測系統(tǒng)，不受時(shí)間和地域的限制，數(shù)據(jù)監(jiān)控與訪問具有很強(qiáng)的靈活性。

(3)具有較低的成本效益

傳統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控的方式，需要投入大量的軟件和硬件設(shè)備來維持監(jiān)測系統(tǒng)的順利運(yùn)轉(zhuǎn)，此外還需在現(xiàn)場部署相應(yīng)的監(jiān)測空間和人員，這勢必會產(chǎn)生高昂的監(jiān)測費(fèi)用?；谠破脚_的監(jiān)測平臺，通過軟件定義技術(shù)，將多組服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲作為一個(gè)超大集群進(jìn)行管理。用戶根據(jù)自身系統(tǒng)的需求，支付一定的云服務(wù)器的費(fèi)用，這樣大大節(jié)省了購買維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軟硬件設(shè)備費(fèi)用。

3.3 客戶端

客戶端是環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的前端部分，其主要作用是為管理者提供一個(gè)友好的人機(jī)交互并對環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的可視化平臺，用戶可以對高鐵箱梁蒸養(yǎng)制造過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

UI設(shè)計(jì)和通信設(shè)計(jì)是客戶端設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要方面，其中UI設(shè)計(jì)就是操作界面的設(shè)計(jì)，操作界面力求做到美觀、簡明、易觀察等特點(diǎn)。通信設(shè)計(jì)為展示界面提供從云平臺服務(wù)接口獲得的各種數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)渲染到展示界面上，任何用戶便可直接在平臺上查看相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.4 監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

伴隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和處理的時(shí)效性以及數(shù)據(jù)的共享性的要求越來越高[10-11]。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測的方式，勢必會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的不完善，且投入成本較高，利用云平臺進(jìn)行監(jiān)測是必然發(fā)展的趨勢[12]。本文所利用的云平臺監(jiān)測技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

(1)現(xiàn)場設(shè)備少。本文使用的高鐵箱梁養(yǎng)護(hù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其后臺服務(wù)部署在了云平臺上，所以現(xiàn)場僅需布設(shè)采集環(huán)境的數(shù)據(jù)的無線溫濕度傳感器和無線監(jiān)測主機(jī)，且均為無線傳輸，現(xiàn)場無需因?yàn)椴季€問題投入人力和物力。

(2)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)器部署在云平臺上，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)測情況首先傳輸至云端，然后用戶僅通過客戶端即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的訪問。所以監(jiān)測人員只需遠(yuǎn)程登陸監(jiān)測界面，便可及時(shí)地了解相應(yīng)情況。

(3)數(shù)據(jù)存儲和分析較為方便。監(jiān)測到的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)均被保存至云平臺數(shù)據(jù)庫中，通過客戶端不僅可以獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可以訪問任何時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載導(dǎo)出，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(4)價(jià)格廉價(jià)。這塊在3.2節(jié)中有講，不再敘述。

4 傳感器布設(shè)方案

為了維持冬季施工中的環(huán)境條件，通常采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式。每個(gè)制梁臺位兩側(cè)采用10 cm保溫板進(jìn)行封閉，在養(yǎng)護(hù)棚的兩端，用棉被進(jìn)行覆蓋，保證了養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度和濕度的相對穩(wěn)定。

為了全面監(jiān)測箱梁養(yǎng)護(hù)環(huán)境的狀態(tài)，本項(xiàng)目共布設(shè)了16臺溫濕度傳感器，其中7臺布設(shè)在養(yǎng)護(hù)棚頂棚位置，7臺布設(shè)于側(cè)棚的位置，2臺布設(shè)于養(yǎng)護(hù)棚之外。本項(xiàng)目采用的溫濕度傳感器布設(shè)方案如圖2所示。

圖2 傳感器布設(shè)方案

所測得的養(yǎng)護(hù)期間環(huán)境的溫度變化如圖3所示。由圖可得，在蒸養(yǎng)期間，養(yǎng)護(hù)棚的溫度基本高于20℃，最高溫度可達(dá)到24℃。

圖3 溫度-時(shí)間變化

所測得的養(yǎng)護(hù)期間環(huán)境的濕度變化如圖4所示。由圖可得，在蒸養(yǎng)期間，頂棚的濕度基本高于在90%，最高濕度可達(dá)到99.9%，側(cè)棚的濕度基本高于80%，頂棚的濕度明顯高于側(cè)棚的濕度。

圖4 濕度-時(shí)間變化

通過在梁場養(yǎng)護(hù)棚的現(xiàn)場試驗(yàn)，證實(shí)了本文設(shè)計(jì)開發(fā)的環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)可行性。所以針對嚴(yán)寒地區(qū)的大型鋼筋混凝土構(gòu)件的蒸養(yǎng)制造，可以將云平臺與冬期蒸養(yǎng)監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)一種精細(xì)化，信息化的智能監(jiān)測系統(tǒng)，對混凝土蒸養(yǎng)制造質(zhì)量監(jiān)測具有重要使用價(jià)值。

5 總結(jié)

社會發(fā)展離不開信息的傳遞，并且從某種角度來看，信息傳遞的便捷性和有效性是一個(gè)社會先進(jìn)性的標(biāo)注。在土木工程行業(yè)中，監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展也離不開相應(yīng)信息技術(shù)的進(jìn)步。云平臺技術(shù)無疑為監(jiān)測技術(shù)提供了新的思路，由于其具有可擴(kuò)展性，現(xiàn)場布設(shè)簡單，通用性強(qiáng)以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多人們的使用。

本文正是利用云平臺這一優(yōu)勢，將箱梁養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫濕度監(jiān)測與云平臺結(jié)合，對嚴(yán)寒氣候下高鐵箱梁的生產(chǎn)過程進(jìn)行了精細(xì)化的監(jiān)測，這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！