高支模低功耗无线监测系统研制

李 跃 郭兴吉,2 赵 欣,3

(1.西南科技大学城市学院 四川绵阳 621000；2.绵阳师范学院 四川绵阳 621000；3.绵阳职业技术学院 四川绵阳 621000)

高大支撑模板系统简称为高支模，是指水平混凝土构件模板支撑系统高度超过8 m或跨度超过18 m、施工总荷载大于10 kN/m2的模板及其支撑系统[1]。模板支撑系统连接构件多，结构复杂，在工程施工期间高支模受力失衡坍塌的现象频发[2]，而且事故通常在工程施工过程中突然发生，从而造成群死群伤的恶性伤亡事故，具有事故突发性和高危性[3]。建筑工程中，模板及安装支护体系坍塌事故也成为了行业内多发的事故领域，造成不良社会影响和严重经济损失[4]。为确保施工人员生命安全和施工工地安全，对高支模实时监测，并提前报警，显得格外重要。传统的高支模监测是在支撑杆件上布设反射片或小棱镜，利用全站仪进行坐标及三角高程监测[5]，该方式存在诸多问题，如：精度不高；无法全天候连续观测；自动化程度低，需要大量人工监测；监测人员需在高支模下操作，具备一定危险性；高支模内部结构较密，人工监测时不具备操作空间，外围支撑通常附带安全网，增加了人工监测难度，其监测结果时效性和有效性也大大降低。为解决上述问题，本文提出了高支模无线监测系统方案，利用电子仪器实时监测高支模的轴向力、位移、倾角和加速度等参数，并将该参数与预设值进行比对，如果超限，则报警，起到实时预警的作用。同时该参数通过无线网络传输至中央控制室存档，以便监测人员实时掌握高支模受力和形变动态信息，为今后设计提供数据支撑。

1 监测原理

根据现场勘查和施工人员介绍，高支模出现垮塌的最主要原因有立杆受力过大而塑性变形、立杆沉降或水平移动距离过大造成整体倾斜、扣件松动导致立杆倾斜，本文重点对上述3种情况进行监测。

立杆塑性变形监测。在支架顶托与模板之间安装压力传感器，压力传感器输出信号至立杆轴向力采集节点，采集节点将压力信号进行处理并通过无线方式发送至中继节点，中继节点将压力信号发送给中央控制室，完成轴向力的采集和传输。

立杆移动监测。在立杆合适位置安装角度可变的三轴光栅滑尺，并寻找不动的三点作为参照，通过钢丝绳将三轴光栅滑尺分别与3个参考点绷紧连接；立杆沉降和水平位移通过光栅滑尺测量立杆与参考点的相对位置变化来表征。3个轴向位移变化信号通过光栅尺反馈，传递给立杆位移采集节点，采集节点将位移信号进行处理并通过无线方式发送至中继节点，中继节点将位移信号发送给中央控制室，完成位移量的采集和传输。设3个轴线的位移的变化分别是ΔL1，ΔL2,ΔL3，以该节点为原点，垂直于被支撑物长度方向为x轴，平行于被支撑物长度方向为y轴，垂直于地面为z轴，建立坐标系，三线与yoz平面的夹角分别是α1,α2,α3，与xoz平面的夹角分别是β1,β2,β3，与xoy平面的夹角为γ1,γ2,γ3。由此可知：

(1)

式中ΔLx为x轴上的变化位移，ΔLy为y轴上的变化位移，ΔLz为z轴上的变化位移，根据ΔLx，ΔLy和ΔLz的符号和大小，即可判断立杆的移动趋势。

立杆倾斜监测。立杆倾斜通过杆件倾角表征。倾角通过安装在杆件上的陀螺仪进行测量。安装完成后初次测得数据标记为初始角度，后定期监测角度变化。

低功耗监测。由于工地现场均为临时线缆，且随时移动，没有稳定的供电来源，因此，监测节点选择电池供电的方式。受电池容量和工地现场条件限制，同时为保证监测的有效性和长期性，采用间隔采集的方式以实现整个系统的低功耗，从而确保该系统长期稳定运行。为了避免在采集间隔时间内各个被监测参数突变而遗漏采集，在监测节点增加加速度传感器，该传感器平时处于低功耗状态，当有突变，立即输出信号唤醒信号采集终端，对各个传感器进行采集，并及时上报。

设节点电池总能量为Eb，休眠时能耗为Ps，检测所需能量为Pd，设突变量的产生服从参数为λc的指数分布，节点生存时间为T，则节点所消耗能量的均值服从

(2)

从(2)式可得到节点生存时间T满足：

(3)

其中，td表示检测持续时间，Nd表示生存期内周期检测次数。当休眠功耗、检测频率及检测所需能量一定时，从(3)式可以看出，节点持续时间主要受参数λc影响，即λc增大时，T将变大，当λc无穷大，即几乎没有突变情况发生时，此时，T可取得的最大值变为

(4)

因此，本文对立杆的主要监测参数为：轴向力、位移、倾角和加速度。

2 监测方案与实现

2.1 系统总方案

为提高系统可靠性，对立杆进行轴向力、位移、倾角和加速度4个量的监测。将被监测立杆视作一个节点，设计如图1所示监测方案。

图1 系统总方案Fig.1 General scheme of the system

每个节点信号利用无线方式传输至其对应中继，中继再统一将数据打包，传输至中央控制器。中央控制器根据人为的设置条件进行判断，如果超过限定值，则进行预警。同时中央控制器可以将数据进行存储及图文显示，方便记录及查阅。

2.2 监测节点

每个节点均需要监测其轴向力、位移、倾角和加速度4个参数，由于工地现场均为临时线缆，没有稳定的供电来源，加上工地现场错综复杂的环境，无法布置有线通信线缆，因此监测节点选择电池供电的方式，信号传输选择蓝牙传输。监测节点结构示意如图2所示。

图2 监测节点结构Fig.2 The structure of monitoring node

由于采用电池供电，工地现场安装、维护和更换都比较麻烦，为保证监测的有效性和长期性，采用低功耗方式进行监测，即采集频率不宜过高。同时为了避免在采集间隔时间内各个被监测参数突变而遗漏采集，在监测节点增加加速度传感器，该传感器平时处于低功耗状态，当有突变，立即输出信号唤醒信号采集终端，对各个传感器进行高密度采集，并及时上报。

2.3 信号采集和处理

由于传感器较多，本文仅以轴向力传感器为对象阐述其信号采集和处理过程。设计了如图3所示信号采集和处理电路。

选择量程为50 kN的轴向力传感器，其参数如表1所示。

表1 轴向力传感器参数Table 1 The parameters of axial force sensor

图3 轴向力采集和处理电路Fig.3 The circuit of axial force acquisition and processing

图3中，该电路的差模-3 dB带宽为：Fdiff=1/2πR1(2C4+C3)=177 Hz：共模-3 dB带宽为：FCM=1/2πR1C3=7.96 kHz；选择ADS8509作为AD采集芯片，最后将信号利用SPI数字输出。

3 工程应用

3.1 传感器布置

本文以某工程桥梁高支模变形监测为例，监测网的布设如图4所示。在同一立杆上安装轴向力、位移、倾角和加速度传感器，本方案采用间隔式安装。监测系统布置完成后，利用中央控制器设置监测节点进行持续周期性自动化观测。通过对节点的持续的周期性观测结果进行计算、储存和比对，从而进行节点安全与稳定性分析，为预警提供数据支撑。

3.2 数据采集与分析

由于整个过程都需要进行周期性监测，数据量大，本文选择其中部分数据进行呈现和分析。数据见表2。

节点1和节点2为平时静止时监测数据，节点3为浇筑施工时监测数据。节点1和节点2所处立杆承受轴力远小于钢材允许应力，位移、倾角和加速度均小于设定报警阈值；节点3数据有较大变动，是因为浇筑施工时外界载荷波动引起的。通过软件设置，在数据变化较大时，各个传感器监测时间间隔减小，从而加大监测力度。节点3轴向力持续增加，位移也增加较大，但倾角数据变化较小，可以得出是由于载荷增加引起高支模整体沉降的结论，加速度数据较大波动是外界突然强加外力所致，当外力消失，加速度几乎没有变化。由于轴向力和位移均处于安全范围，因此节点3所在立杆也安全。但需继续不间断监测，直到轴向力趋于平稳。

图4 监测网的布设Fig.4 Layout of monitoring network

表2 监测数据Table 2 The data of monitoring

4 结论

本文以实际工程为例，通过高支模低功耗无线监测系统，准确测定出该高支模体系在预压状态下仍然处于安全状态。高支模低功耗无线监测系统与以往人工通过光学监测仪器比较，其在监测力度，监测精度和监测的灵活性方面有较大优势。加速度传感器的引入，为低功耗提供了先决条件，低功耗设计为无线传输奠定了坚实基础，利用无线传输使得系统整体安装方便快捷，再加上软件灵活的设置和监测数据全存储、分析、判断及处理，使该系统具有广阔的应用前景。