基于物联网的桥梁支架结构变形全天候监测系统

高树能，栾兴元

（中国中铁八局集团昆明铁路建设有限公司，云南 昆明 650200）

1 概述

随着我国交通事业的迅猛发展，桥梁的建设越来越现代化，其结构也越来越复杂；为了保证桥梁结构施工的安全并提高施工质量，在桥梁施工过程中对桥梁支架结构的监测已成为桥梁施工技术的重要组成部分之一。桥梁的寿命周期分为建设阶段和使用阶段，结构工程师通常比较重视桥梁的使用阶段的安全问题，而容易忽视桥梁在建设阶段所面临的各种相关的结构安全或稳定性问题。实际上，在桥梁的使用年限中，很少会遇到设计中的最大荷载；反而在施工过程中，常因支撑承载力不足而引发意外的倒塌事故。为了保证桥梁结构在施工过程中的安全，必须在整个施工过程中对桥梁支架结构变形进行实时监测。建立全天候监测预警系统，可以随时掌握桥梁支架结构变形情况。当发现施工过程中监测的实际值与理论计算的预测值相差过大时，则不能继续施工，必须进行安全检查和原因分析，否则，将可能出现严重的事故。安全问题不容疏忽，在桥梁施工过程中，对其支架结构的变形监测，是桥梁安全建设的重要保障。因此，桥梁施工过程中对支架变形的监测预警工作具有十分重要的工程意义。

传统的人工监测方法是通过配备简单的仪器，测量铅锤距离地面的高度变化，从而判断桥梁的沉降。但采用人工测量的方式，一方面，测量作业工作量大，测量速度缓慢并且时效性差；另一方面，监测质量受人为因素影响很大，难以保证其检测结果的可靠性和准确性。该方法不仅浪费大量的人力物力，而且还不能满足高精度的测量要求和全天候实时监测的效果。大地测量法广泛应用于桥梁后期的监测和维护，这种技术利用水准仪、电磁测距仪、经纬仪、全站仪等设备对桥梁监控点的三维坐标进行周期性、重复性的测量，以确定桥梁结构的相关几何指标。虽然这种方法具有测量准确性高的优点，但其自动化程度低，测量速度慢，测量工作同样需要耗费大量的人力物力，且测量结果受环境因素的影响比较大；特别是当工作条件较为严苛时，这种方法的适用性就降低了。

综上所述，研发一种全天候实时的桥梁监控系统，可以保障桥梁施工的安全性，有效降低安全事故的发生。通过对传统方法的分析，本文提出并设计了一种基于物联网的桥梁支架结构变形全天候监测系统。首先，通过在系统支架底部安装激光测距模块和基于物联网的无线传输模块，运用激光测距技术和数据解析计算技术，对目标点进行高精度监测，一旦桥梁支架结构变形超过安全阈值即触发警报。通过RS485远距离通信技术，将每跨不同位置的测量数据传输到一个控制柜中，实现对每跨桥梁支架的集成监测和统一管理。最后，运用物联网技术，将设备工作状态、测量点监测数据等通过无线传输技术上传到云服务器，再通过手机APP访问云服务器，实现对桥梁支架结构变形的全天候远程监测。目前，所研发的基于物联网的桥梁支架结构变形全天候监测系统的科研实践属于国内领先水平。经查阅相关文件和报道，未见有类似的应用。本项目在云南省滇中新区机场北高速公路独家节特大桥上跨沪昆铁路桥梁工程的实践属于国内首例。

本项目致力于桥梁施工过程中对支架结构变形的监测预警，解决了传统人为监测过程中精度低、速度慢、时效性差、测量烦琐等诸多问题。通过在支架底部安置激光测距模块和基于物联网的无线传输模块，即实现了形变量超过阈值的预警功能，减少了事故发生的概率，又可以让管理人员更方便直接的对支架结构变形进行远程监测控制。本设计创新点可以总结为以下几点：

（1）运用激光测距技术、数据解析计算技术，对目标点进行高精度监测，一旦桥梁支架结构变形超过安全距离即触发警报，系统响应快速，反应灵敏。

（2）通过RS485远距离通信技术，将每跨不同位置的测量点监测数据传输到一个中央控制单元中，实现对每跨桥梁支架的集成监测，统一管理。

（3）运用物联网技术，对设备工作状态、测量点监测数据等通过无线传输技术上传到云服务器，再通过移动终端APP对云服务器进行访问，实时对桥梁支架结构变形情况进行远程监控。

2 桥梁支架变形监测系统组成

昆明机场北高速公路项目中最重要的一部分是独家节特大桥，该大桥为大型转体桥，上部结构为17×30m+2×75m+21×30m形式，其中2×75m为转体结构。根据工程总体概况，设计基于物联网的桥梁支架结构变形全天候监测系统。

如图1所示，基于物联网的桥梁支架结构变形全天候监测系统。警报器1通过螺钉固定在控制柜2的顶面。线缆3一端连接在控制柜2底部的线缆插座11上，另一端连接在激光监测设备4侧面的航空插头17上，每套系统配备三台激光监测设备4及三根线缆3。控制柜2通过天线6与云服务器之间利用GPRS无线连接传输数据，同时，云服务器与手机APP 5之间通过GPRS无线连接传输数据。

如图2所示，控制柜2包括固定在其顶面上的天线6、固定在其柜门上的LCD屏幕7、三个按钮8及控制柜手柄9、固定在其底面的电源插座10及三个线缆插座11、固定在其内部的继电器12、控制板13及开关电源14。LCD屏幕7为支持中文字库的12864液晶屏。开关电源14型号为D-200A双组双路输出开关电源，可将交流220V同时转换为直流5V和直流12V，同时，给控制板13、激光监测设备4及警报器1提供直流稳压供电。

图1 监测系统总体组成

图2 控制柜内各部件组成

图3 激光雷达传感器组成

图4 控制芯片组成

图5 手机APP组成

如图3所示，激光监测设备4包括嵌在上顶面的激光雷达传感器15、粘在其上表面的万象水平仪16、侧面的航空插头17、底部螺钉上成对的蝶形螺母18、其内部的信号转换模块19及电压转换模块20。激光雷达传感器15选用的是CHT-30激光测距模块，量程为30米，测量精度标准差为1mm，通过泡沫胶固定在激光监测设备4内部，其上顶面与激光监测设备4平齐。

如图4所示，控制板13主要包括STM32F407核心板21、G510模块22、TTL转RS485模块23，其主要模块在控制板上均设计为可插拔式，方便维修更换，降低成本。

如图5所示，手机APP 5在Android 4.0及以上版本系统的智能手机上被支持。手机APP5包括APP引导页24、登录管理25、设备列表26、控制按键27、状态显示区28、阈值设置区29、数值显示区30。登陆管理25可以选择“管理员登陆”或“匿名登陆”。管理员登陆需要输入账户密码，有控制权限，可以控制系统进入初始化状态或运行状态等，匿名登陆不需要输入密码，只可以查看当前设备工作情况，无控制权限。设备列表26显示设备在线情况，即设备是否开机。控制按键27可以控制系统进入不同工作状态。状态显示区28显示当前系统工作状态，分别为“初始化”“监测中”“警报”。阈值设置区29可以设置并显示设备监测形变量阈值。数值显示区30可以显示三台激光监测设备所测点的初始距离、实时距离和变形量。

在进行桥梁支架结构变形监测前，将三台激光监测设备4固定在桥梁支架底部地面上相应的监测点，通过万象水平仪16和蝶形螺母18将激光监测设备4调平，按下控制柜的“开关”按钮8，启动系统，激光雷达传感器15射出红色激光，然后微调蝶形螺母18，将激光点打在需要监测的位置。

固定好激光监测设备4后，按下控制柜上的“初始化”按钮8，或点击手机APP上的“初始化”按键27，系统即进入初始化状态。三台激光监测设备4分别读取并记录初始距离值，将数据通过线缆3按照RS485协议传到控制柜2中，控制板13对数据进行解析计算后，控制柜2的LCD屏幕7即显示当前为“初始化”状态以及三个激光监测设备4的初始化距离值；同时，通过GPRS将数据上传到云服务器并进一步同步到手机APP 5上。待测量数据稳定后，按下控制柜2上的“运行”按钮8，或点击手机APP上的“运行”按键27，系统即进入监测状态；三台激光监测设备4分别实时读取当前距离值，并通过线缆3传到控制柜2中。控制板13对数据进行解析计算后，控制柜2的LCD屏幕7即显示“监测中”状态及三个激光监测设备4的初始化距离值和当前实时距离值；同时，通过GPRS将数据上传到云服务器进而传到手机APP 27上显示。监测过程中，控制板13将当前实时距离值与初始化距离值进行比较，当实时距离值与初始化距离值的偏差超过所设阈值时，即触发警报器1报警，实现了实时监测预警功能；此时，工作状态变为“警报”，并同时显示在LCD屏幕7上和手机APP 5上。现场安全员根据LCD屏幕7上或手机APP 5上三台激光监测设备4的数据判断出问题后，可按下控制柜2上的“初始化”按钮8或点击手机APP5上的“初始化”按键27，即可停止警报。通过手机APP 5的阈值设置区29可以修改监测阈值，以适应对不同要求的桥梁支架的监测。

3 桥梁支架变形监测运行方式

3.1 监测系统的总体构成及工作原理

该监测系统主要由控制柜、警报器、激光监测模组、手机APP组成，系统总体示意图见图6，物联网通信示意图见图7。

图8为桥梁支架变形系统运行流程图。激光监测模组通过激光测距将数据按照RS485协议传输到控制柜中，然后，由控制单元对测量数据进行解析计算。设备上电开机后，先点击控制柜上的“复位”按键或通过手机APP点击“初始化”按钮，激光监测模组读取初始值，作为原始数据。再点击“运行”按钮，激光监测模组实时读取当前值，并与初始值进行比较，当监测指标超过所设定的安全范围时，系统自动触发警报。设备开机后，控制柜中的无限传输模块将工作状态和数据实时上报到云服务器，手机终端与云服务器建立通信，实现对设备的实时监测与控制。

图6 基于物联网的桥梁支架结构变形全天候监测系统总体示意图

图7 物联网通信系统示意图

3.2 各部分构成及主要功能介绍

图8 桥梁支架变形监测系统运行流程

图9 控制柜示内部结构意图

图10 控制柜外观图

图11 激光监测模组外观图

控制柜内部结构示意图如图9所示，主要由开关电源、主控制板、LCD屏幕、无线传输模块等构成，控制柜对数据进行解析、存储和上传，对桥梁支架进行监测和预警，是整个测量系统的控制核心。为考虑供电安全，所有线管均从底部走线，并配有过载保护装置，可提供多重安全保障。控制柜实物图如图10所示。

激光监测模组由激光测距模块、信号转换模块、电压转换芯片等构成，可提供30m内精确测量，且考虑了防水设计。激光监测模组外观图如图11所示。

每台手机可以通过扫描二维码的方式与多台监测设备绑定，并实时监测每台设备的工作状态和各个测量监测点的实际情况。此外，通过手机终端也可以控制设备在不同工作状态间的切换。

系统不同工作状态展示见图12～15。

图12 初始化

图13 监测中

图14 等待

图15 警报

4 技术创新点

（1）该桥梁支架监测系统采用了激光测距技术，不仅测量精度高，可达毫米级；而且测量范围最大可至30m，能满足大多数桥梁支架结构形变的监测。在有效监测范围内，顶部桥梁支架结构形变量一旦超过所设定的阈值则立即触发警报，并伴有警灯提示，实现了全天候实时监测预警的功能。此外，在监测系统的电路和软件部分均采用了优化设计使得系统响应速度快，反应灵敏迅速。

（2）通过融合物联网技术，使监测控制方式多样化。安全员既可以通过现场控制柜上的LCD屏幕了解设备工作状态和每个激光测量点的实时数值和变化情况，又可以通过手机APP随时随地进行对多台设备的远距离查看，大大解放了安全员的劳动力。

（3）模块化设计。设计要求每跨桥梁支架需要监测三个点，该系统研发时将每跨三个激光监测点作为一个单元，配一个控制柜和警报器。每个单元可单独控制，所有单元的数据最终在云端进行整合。通过手机APP还可以对每个单元的设备进行统一化管理。

5 结语

该项目研究了基于物联网的桥梁支架结构变形全天候监测系统。与传统的监测手段相比，基于物联网的桥梁支架结构变形全天候监测系统设计合理，不需要人工干预，能进行全天24小时监测。激光模块的精度可以达到1mm，比起人工监测准确性大大提高。

对每段桥梁支架结构都进行了监测，监测指标一旦超过安全阈值就会拉响警报，提醒工作人员撤离。监测数据可以实时通过手机APP查看，不会受到地理位置的限制，同时，可以对设备进行控制。对桥梁支架的监测真正做到了全天候、实时性、全段监测。本项目成功开发的基于物联网的桥梁支架结构变形全天候监测系统在大型桥梁建造行业是首次采用，一方面，达到了降低安全风险、提高施工效率的目的；另一方面，产品质量也得到了业主的高度评价，具有一定的推广价值。