基于云平台的高铁箱梁蒸养制造环境监测技术研究

张仁宏

(中铁二十局集团第四工程有限公司 山东青岛 266061)

1 引言

2020年8月，我国国家铁路集团正式发布了《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，力争全面建成更高水平的现代化铁路强国。在这一背景下，开展高质量的高铁箱梁施工和制造成为不可或缺的重要环节[1-3]。然而，黑龙江省的冬季长达6个月之久，低温恶劣的气候不利于混凝土强度的持续增长[4-6]，养护措施不当极易引起结构疏松甚至冻胀开裂等问题[7-8]。面对上述冬期施工所面对的难题，采取科学合理的蒸汽养护措施成为亟待攻克的技术难题。因此，需要提出一种与箱梁蒸汽养护相配套的环境监测技术，通过对养护环境的实时监测，确保可以准确及时地得到养护质量的相关信息，并及时采取调整措施。

鉴于新时代交通强国铁路先行的发展蓝图与冬期施工所面临的技术难题，本文针对严寒气候下铁路大型箱梁蒸养制造健康监测与质量控制重大需求，基于云平台，设计了一套高铁箱梁蒸养制造远程监控系统。将这套监测系统应用于箱梁的施工现场，并经过系统测试，证实了其可行性，为混凝土构件的质量监测，提供了重要的参考意义。

2 项目背景

本项目的梁场位于小兴安岭与三江平原的过渡地带，为山前丘陵区，地势较平坦，地面高程151.0～154.9 m，当地气候为中温带大陆湿润性气候区，属严寒地区，土壤最大冻结深度为2.4 m。因此针对冬季的低温施工，必须采取相关措施，确保箱梁的养护成型的质量。

刚浇筑完的混凝土处于水化反应不断进行，力学性能逐渐变化的过程。混凝土属于导热性能较差的混合材料，这样势必导致混凝土内部聚集大量的水化热。此外，混凝土表面不断与外界发生热量交换，尤其在低温环境下，表面的换热速度会明显加快，这必然会产生较大的内外温差，容易引发开裂。因此在冬季施工中，需要严格控制养护环境的温度，只有在一定程度上减缓混凝土表面的换热速度，才能保证不发生开裂。

所以在冬季生产箱梁的过程中，必须采取相关措施来保证养护环境的温湿度，从而确保箱梁的生产质量符合要求。本项目的冬期施工措施有以下几个方面:在制梁台上箱梁的养护，需要用100mm厚保温板将模板全部封闭，梁端棉篷布覆盖，养护罩通蒸汽养护，直至初张强度。在存梁区箱梁养护用棉篷布分别将梁体端头、两侧、顶板全面覆盖，按规范要求往里通蒸汽进行蒸汽养护，保证箱梁的养护质量。

总体上来说，本项目的箱梁制造采用暖棚覆盖的方式，以此来确保冬期施工的质量符合标准。养护棚是一个半开放系统，它实时地与外界进行着物质和能量的交换，处于一个不断变化的状态，并且养护棚的状态将直接影响到箱梁养护的质量。所以在冬季施工的情况下，精细化监测养护环境的状态是保证箱梁质量的关键步骤。其中，温度是保证混凝土水化反应顺利进行的重要参数，湿度是保证混凝土不发生干缩开裂的关键措施，因此本文选择对养护棚环境温湿度这两个参数进行远程监测。

3 监测系统的组成和结构

针对本梁场蒸养系统所设计开发的环境温湿度监测系统，是互联网技术的扩展与物体设备功能的应用。本文所使用的监测系统有以下特点:第一，用户信息参数全面感知，实现信息的全面感知主要依赖于传感器技术，本系统使用了无线电温湿度变送器和环境监控主机来进行环境温湿度的监测。第二，数据传输高速可靠，使用先进的现代通信技术是保证采集设备与终端设备通畅连接的必要条件。第三，云端数据海量存储，大量传感器的使用是保证环境温湿度精细化监测的必要条件，但是大量传感器的长期工作势必会产生海量的数据，海量数据的存储和管理是保证监测系统正常运行的关键。基于这一特点，本监测系统将环境温湿度监测与云平台技术相结合，开发了箱梁蒸养制造环节温湿度监测系统。本套监测系统首先由布设在现场的下机位采集数据，然后通过无线传输的方式传输至云平台，最后用户可以在客户端进行远程监控。具体的组成结构如图1所示。

图1 监测系统结构

3.1 下机位

下机位是本系统的关键部分，其功能和灵敏度直接影响环境监测的好坏，其主要任务是实时采集环境数据，并且维持现场设备顺利运转。针对高铁箱梁养护环境的监测，本文使用的监测系统的下机位，主要由环境温湿度变送器和设备主机组成，二者之间通过GPRS无线信号进行连接。

3.2 云平台

云平台首先将许多计算机组合在一起，构成一个大的计算机集群，然后利用管理技术，并根据用户的实时需求，将计算机的软硬件资源进行动态分配[9]。本文中的云平台是环境监测的中间部分，起到下机位和客户端的桥梁作用，在云平台上搭建环境监测系统后台服务，根据系统的设置定时向下机位传输指令，并且能够响应来自客户端的请求。

云计算伴随业务访问量和对存储空间、存储性能的要求，可以对本项目云平台进行水平扩展，本次数据中心的基础架构云的建设可达成以下预期目标:

(1)具有良好的可扩展性

监测系统的内部结构通常较为复杂，尤其是针对土木行业的大型监测系统，往往需要投入大量的硬件和管理成本。云平台的出现可以实现将复杂的内部基础架构部署在云平台上，用户若需要添加新的资源，通常只需租赁更多的云空间即可。这样一来，根据用户的需求，可以实时地进行升级和扩展，降低了系统运行和升级的复杂性。

(2)具有良好的数据移动性

基于云平台的监测系统，其存储位置被转移到了云平台上，用户只需登陆客户端便可实现远程监控。首先在现场布设好相关的硬件装备，并与云平台监测系统做好相应的连接，任何得到授权的用户，在任何地方便可进行数据的访问。这就意味着，基于云平台的监测系统，不受时间和地域的限制，数据监控与访问具有很强的灵活性。

(3)具有较低的成本效益

传统的现场监控的方式，需要投入大量的软件和硬件设备来维持监测系统的顺利运转，此外还需在现场部署相应的监测空间和人员，这势必会产生高昂的监测费用。基于云平台的监测平台，通过软件定义技术，将多组服务器、网络和存储作为一个超大集群进行管理。用户根据自身系统的需求，支付一定的云服务器的费用，这样大大节省了购买维护系统运转的软硬件设备费用。

3.3 客户端

客户端是环境远程监控系统的前端部分，其主要作用是为管理者提供一个友好的人机交互并对环境进行远程监控的可视化平台，用户可以对高铁箱梁蒸养制造过程进行远程监控。

UI设计和通信设计是客户端设计的两个重要方面，其中UI设计就是操作界面的设计，操作界面力求做到美观、简明、易观察等特点。通信设计为展示界面提供从云平台服务接口获得的各种数据，将数据渲染到展示界面上，任何用户便可直接在平台上查看相应的数据。

3.4 监测系统优点

伴随着信息技术的不断发展，人们对监测数据的采集和处理的时效性以及数据的共享性的要求越来越高[10-11]。传统的人工监测的方式，势必会导致数据采集的不完善，且投入成本较高，利用云平台进行监测是必然发展的趋势[12]。本文所利用的云平台监测技术具有以下特点。

(1)现场设备少。本文使用的高铁箱梁养护环境监测系统，其后台服务部署在了云平台上，所以现场仅需布设采集环境的数据的无线温湿度传感器和无线监测主机，且均为无线传输，现场无需因为布线问题投入人力和物力。

(2)具有远程监控的功能。监测系统的服务器部署在云平台上，现场数据的监测情况首先传输至云端，然后用户仅通过客户端即可实现相应数据的访问。所以监测人员只需远程登陆监测界面，便可及时地了解相应情况。

(3)数据存储和分析较为方便。监测到的环境温湿度数据均被保存至云平台数据库中，通过客户端不仅可以获得实时数据，也可以访问任何时刻的历史数据，数据下载导出，可以对数据进行分析。

(4)价格廉价。这块在3.2节中有讲，不再叙述。

4 传感器布设方案

为了维持冬季施工中的环境条件，通常采用蒸汽养护的方式。每个制梁台位两侧采用10 cm保温板进行封闭，在养护棚的两端，用棉被进行覆盖，保证了养护环境温度和湿度的相对稳定。

为了全面监测箱梁养护环境的状态，本项目共布设了16台温湿度传感器，其中7台布设在养护棚顶棚位置，7台布设于侧棚的位置，2台布设于养护棚之外。本项目采用的温湿度传感器布设方案如图2所示。

图2 传感器布设方案

所测得的养护期间环境的温度变化如图3所示。由图可得，在蒸养期间，养护棚的温度基本高于20℃，最高温度可达到24℃。

图3 温度-时间变化

所测得的养护期间环境的湿度变化如图4所示。由图可得，在蒸养期间，顶棚的湿度基本高于在90%，最高湿度可达到99.9%，侧棚的湿度基本高于80%，顶棚的湿度明显高于侧棚的湿度。

图4 湿度-时间变化

通过在梁场养护棚的现场试验，证实了本文设计开发的环境温湿度监测系统可行性。所以针对严寒地区的大型钢筋混凝土构件的蒸养制造，可以将云平台与冬期蒸养监测技术相结合，设计开发一种精细化，信息化的智能监测系统，对混凝土蒸养制造质量监测具有重要使用价值。

5 总结

社会发展离不开信息的传递，并且从某种角度来看，信息传递的便捷性和有效性是一个社会先进性的标注。在土木工程行业中，监测技术的发展也离不开相应信息技术的进步。云平台技术无疑为监测技术提供了新的思路，由于其具有可扩展性，现场布设简单，通用性强以及价格低廉等优点，受到越来越多人们的使用。

本文正是利用云平台这一优势，将箱梁养护环境的温湿度监测与云平台结合，对严寒气候下高铁箱梁的生产过程进行了精细化的监测，这在一定程度上解决了寒冷地区箱梁蒸养制造的技术难题，强化现代铁路梁场科技创新的支撑引领能力，为新时代高质量铁路建设提供示范！