智能手机结构安全云监测系统及其工程应用

赵雪峰 韩瑞 聪喻言 李明楚 欧进萍

摘 要：为了克服传统监测系统传感器昂贵、布线复杂、专业需求高的缺陷，文中提出了一种基于智能手机的结构安全云监测系统，开发了以iPhone为平台的软硬件系统，建立了采集系统和控制系统协同工作的监测系统，阐述了该监测系统的数据采集、实时监控及阈值报警功能。为保障海上吊装作业顺利安全的实施，将该监测系统应用于大连星海湾跨海大桥的现场吊装中，从而实现了对主梁吊装过程中姿态的实时监测，同时还论证了该方法的可行性和便捷性。

关键词：智能手机；云监测；吊装监测；跨海大桥；实时监控

中图分类号：TU317；TP368.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）07-00-04

0 引 言

在跨海大桥的建设中，因其复杂的特点，每个环节都有很大的施工难度，特别是海上的吊装作业，被吊装结构物往往体积大，重量重，再加上起重船漂浮在海上，受海浪影响大，吊装作业的施工难度远远大于陆地，而吊装的顺利进行对整个项目的工程进度也具有决定性的影响，任何意外事故都会造成巨大的经济损失并影响项目的整体施工进度[1]。所以为保障吊装作业的顺利进行，对吊装过程中结构的姿态和运动情况进行实时监测、反馈，并采取相应措施是十分必要的。常见的吊装监测方式主要使用全站仪进行各个角点的定位。但全站仪的使用受地形影响较大，遮挡物使有些地点难以被监测到。并且对于海上吊装，全站仪很难被固定在施工现场。

传统的健康监测系统已日臻成熟，无线传感网络的发展可能为吊装监测提供一种解决方案，但其需要昂贵的传感系统、复杂的数据传输系统以及专业人员的操作。开发一种适用于普通群众参与的快捷、方便、简单、解决现场实际问题的监测方式很有必要。智能手机作为最普遍的工具，内置传感、网络通讯、计算分析及存储等功能，为其在结构健康监测中的应用提供了可能。本研究团队开展了一系列基于智能手机的结构健康云监测研究[2]，开发了手机App“Orion-CC”用于桥梁索力监测[3-5]，“D-Viewer”用于位移监测[6，7]，“E-Explorer”用于地震快速救援及烈度调查[8，9]。

本文提出了一种基于智能手机的结构安全云监测系统，建立了iPhone平台上的监测软件，在内部传感器的基础上开发了控制系统和采集系统，阐述了该监测系统的数据采集、实时监控及阈值报警功能。将该监测系统运用到星海湾跨海大桥现场吊装中，建立了现场吊装的实时监控系统，通过现场吊装结果对该方法进行了论证。

1 结构安全云监测系统

1.1 监测系统的设计

监测系统包括安装在iPhone上的采集程序和安装在iPhone上的控制程序，以及用来接收和反馈数据的服务器。

控制端发送指令至采集端，并监测采集到的数据。采集端接收控制端发出的指令后，使用手机内置传感器进行实时监测，开始采集数据之前，可以对其中的变量进行设置，比如采样频率、采样时间、阈值、文件名等，开始采集时，根据之前的设置正常工作。采集数据每20秒返回至控制端一次。在控制端设定阈值，加速度阈值为10 m/s2，角度阈值为10度。一旦所接收数据超过阈值，在控制端会出现报警信息，否则继续正常监控，该系统总体框图如图1所示。采集端固定在待测物体上，实时监测加速度、倾角等信息。

1.2 传感器子系统

手机内置加速度传感器与陀螺仪性能参数可参考文献[10]。内置加速度传感器和陀螺仪的基本性能稳定，可以满足实际工程监测的要求。在使用手机进行监测时，加速度方向规定：无论手机如何放置，X坐标轴为从左至右的走向，该方向为正方向；Y坐标轴为手机底端到顶端的方向，该方向为正方向；Z方向走向为面向使用者的方向，垂直于手机平面方向。其方向示意图如图2（a）所示。对于倾角，在测量中会采集到三组数据，分别为pitch、roll、yaw，他们分别围绕x、y、z三个方向转动。在手机上的表示如图2（b）所示。

1.3 控制端介绍

在控制端可以发送的指令有开始采集、终止采集、上传数据。顾名思义，开始采集是对采集端发送开始采集指令，使其开始工作采集数据；终止采集为发送终止指令使其停止工作；上传数据将所采得的数据上传到指定服务器，便于集中管理和分析。最后还有一项，实时监控，从实时监控界面上可以看到采集端每20秒返回来的加速度信息和倾角信息，并设定阈值，如果采集端所采数据超过了所给阈值，界面会变红并报警，由于采集端不一定只有一部手机，在返回的数据中还可以看到当前返回数据的编号。控制端的界面如图3（a）所示，实时监控的界面如图3（b）所示。

1.4 采集端系统介绍

采集端用来采集加速度、倾角及GPS位置信息，当采集端接收控制端指令后开始或停止工作，当然，采集端也有自己独立的开始或停止功能。但是若需要由它向控制端返回数据，则必须与控制端协同工作。当需要与控制端一起工作时，需要打开网络控制按钮。星海湾大桥位置如图4（a）指针所示。采集界面如图4（b）所示。

2 海上吊装监测介绍

2.1 大连星海湾跨海大桥介绍

大连星海湾大桥坐落在中国辽宁省大连市，是中国东北地区最长的跨海大桥工程。主桥为双塔三跨地锚式悬索桥，跨度布置为180+460+180=820 m，加劲梁为钢桁架结构，两端设混凝土重力式锚碇，桥塔采用混凝土结构，采用正交异性桥面板，车道双层布置。主桥两侧的大跨混凝土引桥跨主桥钢桁加劲梁由主桁架、主横梁和上、下平联组成的主桁架桁高10 m，标准节段长10 m。共有43个钢桁梁需要吊装，桁梁重量从246.18吨到527.19吨不等。边跨桁梁使用浮吊进行吊装，主跨桁梁使用横跨在两边主缆上的起重机进行吊装。吊装安全是一个需要考虑的重要因素。本文提出的安全监测系统对保证吊装安全、实时监控和方便操作具有积极推动作用。图5所示为主桥立面图，本文呈现的监测为主跨的22号钢桁梁吊装。

2.2 现场吊装介绍

现场吊装监测的实现过程示意图如图6所示，在吊装过程中，数据采集端固定于待吊装桁架梁上，控制端由人操控，在远离现场的安全地带，一般在船上或其他地点。控制系统发送指令后，通过2G、3G或4G网络对采集系统进行控制，采集系统接收到指令后开始进行数据采集，将采集到的数据通过网络返回控制系统，并由现场人员根据返回的数据进行判断。

在吊装过程中，对钢桁架需要监测的参数分别是竖向加速度、桁架平面内的转动角度（绕桥梁走向方向的转角及绕桥梁走向垂直方向的转角）。竖向加速度考虑的是桁架在吊装过程中瞬间坠落的情况；桁架平面内转动考虑的是在吊装过程中，桁架梁四角吊装不同步而造成太大的倾斜。对于加速度和倾角的数据，使用手机内部的加速度传感器和陀螺仪来采集。

对于主梁的方向规定，我们设定其与手机x、 y的方向一致，即在桁架梁平面内，垂直于长边为x轴，垂直于短边为y轴，即沿桥梁走向方向为x方向，垂直于桥梁走向方向为y方向。具体如图7所示。

3 主缆吊机监测

3.1 监测过程介绍

主缆吊装过程采用跨栏吊机进行吊装，卷扬机是使用卷筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的起重设备，在对主梁吊装时，将四台卷扬机固定在主缆上，对桁架梁的四角同时起吊，因为是四个卷扬机协同工作，更要保证同步以确保吊装安全。现场吊装情况如图8（a）所示。

在对跨中主梁进行吊装过程监测时，采用一部手机固定到待测主梁上共同监测，控制端同时对两部手机进行指令发送和实时监控，在控制端接收返回数据时，有对应的手机编号。现场两部手机在桁架梁上的布置情况如图8（b）所示，采集端与控制端示意图如图8（c）所示。

如图8所示，主缆吊机监测的手机放置方向和规定的钢桁架梁方向一致，在实时监控中，可以直接按照界面反馈信息对现场吊装情况进行判断。

3.2 监测结果

人员撤离后，早上8：59开始发送采集指令，于晚上18点停止采集，整个吊装过程持续了9个小时，现场采集时间之长对于任何一种无线监测方式都是难以做到的，但是手机只需要一个电源就可以进行全程实时监测和数据反馈。竖向加速度的结果如图9（a）所示，桁架梁平面内的转动（x轴）如图9（b）所示，绕y轴转动如图9（c）所示。桁架梁左右尺寸为24米，前后尺寸为10米，根据平面内角度情况，可近似得到卷扬机前后左右的高差，如图9（d）和9（e）所示。

由时程数据可以看出，在本次监测中，从8：59开始采集数据，11：31起吊，11：31分左右绕x、y方向都发生了一定的转角。期间吊机一直在争取做到两边主缆上的卷扬机同步吊装，所以绕x轴的角度波动一直比绕y轴的大，左右高差变化也较大。16：10其中一个吊杆销子打入，之后开始改变绕y轴的角度以配合其他三根吊杆的安装，从图中可以看出剩余三根吊杆安装过程中绕y轴的角度一直在改变。当天吊装结束时，后方高于前方0.7米左右，是为了配合第二天的吊装梁到位后的连接做准备。在吊装过程中，控制端能够接收采集端的数据信息，并实时反映出桁架梁在吊装过程中的加速度和倾角变化，能给操作人员提供两面缆索吊机的同步协调信息。桁架梁在吊装过程中没有出现意外或吊装不同步问题。

4 结 语

本文提出了一种基于智能手机的结构安全云监测系统，在iPhone平台上开发了监测系统，设计了数据采集、实时监控及阈值报警的功能。并将该监测系统应用于大连星海湾跨海大桥的吊装监测中，现场监测过程显示了使用智能手机监测的方便和实用性，数据采集端可以实时采集加速度和倾角数据，控制端在发送指令和实时监控方面也能满足现场监测的需求。虽然在该监测项目中并没有出现太大的转角和加速度，但是从现场控制端所接收反馈信息的实时性来看，该监测系统能够及时给予操作人员指导和预警。该监测系统所采用的智能手机是非常常见的工具，安装方便，数据存储功能强大，是一种可以推广的监测工具，其内置传感器也可以在监测方面提供更多的应用。

参考文献

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