“互联网+”在钢桁梁柔性拱桥施工中的应用
李浩+黎晖+白佳
摘 要：近年来信息网络技术以前所未有的速度渗透发展，本文将“互联网+”技术应用在桥梁施工领域，以沪通长江大桥项目为工程实例构建了桥梁施工监控平台，通过数据自动采集分析、实时三维展示等功能实现了施工数据可视化，为施工管理提供了科学和合理的指导意见。
关键词：互联网+；桥梁施工；钢桁梁柔性拱桥；云计算
中图分类号：TN-9 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0059-02
柔性拱刚性梁结构在铁路或公铁两用桥梁中较为常见，如九江长江大桥、京沪高铁济南黄河大桥、合肥铁路枢纽南环线跨合宁高速特大桥等，均为钢桁梁柔性拱结构。刚性梁柔性拱结构多采用先梁后拱法施工，即先架设主梁再架设拱肋。拱肋安装可采用梁上支架原位拼装或依托扣挂系统悬臂拼装，支架原位拼装应用较多，但施工时由于梁上作业面限制，加上支架高度较高，面临较突出的稳定性问题，悬臂拼装拱肋则面临拼装精度控制难度大等难题，如果能够实时掌握到施工过程中桥梁各个关键构件的状态将为解决这些难题提供帮助。
本文以沪通长江大桥天生港专用航道桥为例，在施工现场安装了先进的智能数据采集与传输设备，利用“互联网+”中的无线通信、云计算、Web服务和物联网技术搭建了B/S互联网平台，实现了桥梁施工信息在项目各参建方之间的协同共享，通过平台关联桥梁三维模型全方位查看桥梁构件上的传感器量测信息，全面掌握桥梁构件状态信息，提高了桥梁施工决策的科学性和合理性。
1 工程概况及技术难点
沪通铁路长江大桥是新建沪通铁路的控制性工程，为四线铁路六车道公路合建桥梁，桥梁全长11.072km。正桥钢梁总长5831.3m，由主航道桥、天生港航道桥、水中非通航孔桥组成。其中天生港专用航道桥采用（1.5+140+336+140+1.5）=619m钢桁梁柔性拱桥方案。主桁采用刚性梁柔性拱的三主桁结构，柔性拱设在336m通航孔。刚桁梁施工采用大型斜拉扣挂系统对称悬拼，柔性拱采用梁上拼装后采用竖转成拱的方案，构件尺寸、重量大，高空多点对位安装对吊装设备和吊装工艺要求高。主梁为双层板桁组合结构，公路和铁路行车面板都采用正交异性板，与主桁连接采用栓焊结合，结构复杂，施工拼装匹配精度要求高。
2 桥梁施工监控系统设计
本系统分三部分进行设计：数据的采集与传输、数据的存储与计算、数据展示平台的搭建。系统设计流程图如图1所示。
2.1 施工数据的采集与传输
2.1.1 智能传感器安装方案
本桥钢梁架设采用从主墩顶开始向中跨和边墩对称架设，先梁后拱，先架设完边跨后中跨合龙。为控制结构内力，辅助以利用吊索塔架斜拉扣挂系统、柔性拱肋架设采用在钢梁上成拱，再利用吊索塔架进行竖向转体。施工监控内容包括钢桁梁悬臂安装关键杆件应力监测、扣塔应力及扣索索力实时监测。关键杆件以及扣塔根部各布置一个传感器，共计132个，柔性拱肋上选择不利杆件布置传感器36个。
2.1.2 施工数据采集
在本系统中，每座桥梁作为一个子系统由若干个数据自动采集系统组成，采用了高精度智能传感器、数据自补偿和预处理调理器设备，桥位处无电源条件下的自供电方式保证了全天实时自动采集，解决了人工采集容易出错并且无法实时采集的问题。
2.1.3 施工数据传输
采集系统得到数据后通过无线发射设备将各种传感器信号通过GSM/GPRS/WIFI的方式传输到云端，在云端收到原始数据的同时进行处理并将处理后数据存储到数据库中。在传输组网方面采用的是低功耗无线、传输距离远、可点对点或一对多组网灵活的Lora节点和智能云盒等传输组网设备，用无线传输方式将实时数据传输并存储到云端，解决了本过程过于依赖人工且数据易出错，易丢失的问题。
2.2 施工数据的存储与计算
本系统中传感器的数据采集频率较高，因此每天都有大量的数据由无线设备传输到云端进行处理，由于桥梁结构中每根杆件上安装的传感器位置和理论数据都不同，所以需要针对每个传感器进行数据处理。在数据库中考虑到传感器的各种状态设计了相应的若干字段对其实时数据进行描述，例如传感器安装位置、理论值、阈值和工作状态等，同时安装在同一区域的传感器之间将进行数据对比分析。所有传输到云端的数据均由一定的算法进行计算后再存储到数据库中以供展示平台进行可视化处理。在服务器上还部署了实时数据预警系统，当传感器实时数据超出阈值即出现桥梁杆件受力异常情况时会将该数据详细信息以报警短信的方式发送到指定联系人，实现了桥梁施工状态全天24小时预警功能。
2.3 施工数据展示平台的搭建
（1）三维建模：将目标桥梁的二维图纸文件导入到专业三维建模软件中制作成桥梁初步三维模型，保持其与桥梁实际尺寸比例一致，然后进行贴图和渲染，生成可以与其它三维引擎平台对接的模型文件。
（2）虚拟施工场景搭建：在虚拟现实开发平台中使用地形编辑器根据实际地形情况制作出一个虚拟地形，将桥梁模型文件导入到虚拟地形中，根据监测方案在桥梁模型的制定位置放置一定数量的传感器模型用来展示监测数据。
（3）逻辑编程与数据交互：编写脚本文件使桥梁与传感器模型根据实际监测数据情况产生一定的动态性，同时向服务器发送数据请求，从而与网络数据库产生数据交互，既能读取实时桥梁施工监控数据也能修改数据库中的数值（如桥梁资料、施工进度等）。
（4）客户端发布上线：根据功能需要合理设计各个功能按钮和状态显示栏，按照一定尺寸比例布局在屏幕上，保证整个监测系统所需的功能在屏幕上能够一目了然。最后将设计好UI的虚拟现实桥梁施工场景打包成html文件发布至互联网，用户可以凭借指定的用户名和密码使用任意一台电脑登录监测平台。
3 桥梁施工监控系统应用
本系统在2016年至2017年期间对沪通长江大桥天生港专用航道桥施工过程进行了全程监控，根据系统设计方案和施工监控方案提前将智能传感器安装到相应的关键性桥梁杆件和临时结构上，全天24小时不间断采集施工数据，将温度、应力和倾角等信息通过监控系统提供给各个项目参建方。沪通长江大桥施工监控系统主界面如图2所示。
用户可在系统中以各种角度查看桥梁三维模型中各个传感器的安装位置和实时数据，还可以用三维漫游模式“进入” 桥梁施工虚拟场景，根据需要选择不同的工况检查桥梁结构在各个施工时间段的整体和分部状态，如图3所示。
在数据曲线功能中可以对传感器的实时和历史数据进行分析，以确认每个关键施工工序的正常进行。预警功能在数据异常时也会及时发送警报短信到相关施工管理人员，现场施工人员马上可以了解到问题所在并作出及时调整。
4 结语
在全球新一轮科技革命和产业变革中，互联网已成为各行各业发展的新干线，“互联网+”即互联网与传统行业的深度融合，传统的桥梁工程也需要结合互联网进行转型升级。目前大跨桥梁项目众多且施工难度大，以往的施工数据人工采集和录入方式具有效率低、实时分析效果差等问题，本系統将物联网和云计算等技术应用在桥梁施工领域，构建了桥梁施工实时监控平台，通过数据自动采集分析、用户远程操控和实时三维展示等功能实现了桥梁施工监测信息化，具有采集精度高、实时传输效果好、工作效率高等优点，降低了施工风险和成本，提高了决策的科学性和合理性。
参考文献：
[1]基于物联网的桥梁健康监控系统设计与实现[J]. 祖巧红，张海峰，徐兴玉，尹莹. 图学学报. 2013（05）：7-11.
[2]交互式可视化虚拟施工过程技术研究[J]. 王楠楠，李一婷. 大连民族学院学报. 2015（03）：248-251.
[3]基于WebGL技术的网络三维可视化研究与实现[J]. 刘爱华，韩勇，张小垒，陈戈. 地理空间信息. 2012（05）：79-81.
[4]基于Web的桥梁可视化管理研究[J]. 金栋，李兴田，张丽萍. 兰州交通大学学报. 2012（04）：45-48.
摘 要：近年来信息网络技术以前所未有的速度渗透发展，本文将“互联网+”技术应用在桥梁施工领域，以沪通长江大桥项目为工程实例构建了桥梁施工监控平台，通过数据自动采集分析、实时三维展示等功能实现了施工数据可视化，为施工管理提供了科学和合理的指导意见。
关键词：互联网+；桥梁施工；钢桁梁柔性拱桥；云计算
中图分类号：TN-9 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0059-02
柔性拱刚性梁结构在铁路或公铁两用桥梁中较为常见，如九江长江大桥、京沪高铁济南黄河大桥、合肥铁路枢纽南环线跨合宁高速特大桥等，均为钢桁梁柔性拱结构。刚性梁柔性拱结构多采用先梁后拱法施工，即先架设主梁再架设拱肋。拱肋安装可采用梁上支架原位拼装或依托扣挂系统悬臂拼装，支架原位拼装应用较多，但施工时由于梁上作业面限制，加上支架高度较高，面临较突出的稳定性问题，悬臂拼装拱肋则面临拼装精度控制难度大等难题，如果能够实时掌握到施工过程中桥梁各个关键构件的状态将为解决这些难题提供帮助。
本文以沪通长江大桥天生港专用航道桥为例，在施工现场安装了先进的智能数据采集与传输设备，利用“互联网+”中的无线通信、云计算、Web服务和物联网技术搭建了B/S互联网平台，实现了桥梁施工信息在项目各参建方之间的协同共享，通过平台关联桥梁三维模型全方位查看桥梁构件上的传感器量测信息，全面掌握桥梁构件状态信息，提高了桥梁施工决策的科学性和合理性。
1 工程概况及技术难点
沪通铁路长江大桥是新建沪通铁路的控制性工程，为四线铁路六车道公路合建桥梁，桥梁全长11.072km。正桥钢梁总长5831.3m，由主航道桥、天生港航道桥、水中非通航孔桥组成。其中天生港专用航道桥采用（1.5+140+336+140+1.5）=619m钢桁梁柔性拱桥方案。主桁采用刚性梁柔性拱的三主桁结构，柔性拱设在336m通航孔。刚桁梁施工采用大型斜拉扣挂系统对称悬拼，柔性拱采用梁上拼装后采用竖转成拱的方案，构件尺寸、重量大，高空多点对位安装对吊装设备和吊装工艺要求高。主梁为双层板桁组合结构，公路和铁路行车面板都采用正交异性板，与主桁连接采用栓焊结合，结构复杂，施工拼装匹配精度要求高。
2 桥梁施工监控系统设计
本系统分三部分进行设计：数据的采集与传输、数据的存储与计算、数据展示平台的搭建。系统设计流程图如图1所示。
2.1 施工数据的采集与传输
2.1.1 智能传感器安装方案
本桥钢梁架设采用从主墩顶开始向中跨和边墩对称架设，先梁后拱，先架设完边跨后中跨合龙。为控制结构内力，辅助以利用吊索塔架斜拉扣挂系统、柔性拱肋架设采用在钢梁上成拱，再利用吊索塔架进行竖向转体。施工监控内容包括钢桁梁悬臂安装关键杆件应力监测、扣塔应力及扣索索力实时监测。关键杆件以及扣塔根部各布置一个传感器，共计132个，柔性拱肋上选择不利杆件布置传感器36个。
2.1.2 施工数据采集
在本系统中，每座桥梁作为一个子系统由若干个数据自动采集系统组成，采用了高精度智能传感器、数据自补偿和预处理调理器设备，桥位处无电源条件下的自供电方式保证了全天实时自动采集，解决了人工采集容易出错并且无法实时采集的问题。
2.1.3 施工数据传输
采集系统得到数据后通过无线发射设备将各种传感器信号通过GSM/GPRS/WIFI的方式传输到云端，在云端收到原始数据的同时进行处理并将处理后数据存储到数据库中。在传输组网方面采用的是低功耗无线、传输距离远、可点对点或一对多组网灵活的Lora节点和智能云盒等传输组网设备，用无线传输方式将实时数据传输并存储到云端，解决了本过程过于依赖人工且数据易出错，易丢失的问题。
2.2 施工数据的存储与计算
本系统中传感器的数据采集频率较高，因此每天都有大量的数据由无线设备传输到云端进行处理，由于桥梁结构中每根杆件上安装的传感器位置和理论数据都不同，所以需要针对每个传感器进行数据处理。在数据库中考虑到传感器的各种状态设计了相应的若干字段对其实时数据进行描述，例如传感器安装位置、理论值、阈值和工作状态等，同时安装在同一区域的传感器之间将进行数据对比分析。所有传输到云端的数据均由一定的算法进行计算后再存储到数据库中以供展示平台进行可视化处理。在服务器上还部署了实时数据预警系统，当传感器实时数据超出阈值即出现桥梁杆件受力异常情况时会将该数据详细信息以报警短信的方式发送到指定联系人，实现了桥梁施工状态全天24小时预警功能。
2.3 施工数据展示平台的搭建
（1）三维建模：将目标桥梁的二维图纸文件导入到专业三维建模软件中制作成桥梁初步三维模型，保持其与桥梁实际尺寸比例一致，然后进行贴图和渲染，生成可以与其它三维引擎平台对接的模型文件。
（2）虚拟施工场景搭建：在虚拟现实开发平台中使用地形编辑器根据实际地形情况制作出一个虚拟地形，将桥梁模型文件导入到虚拟地形中，根据监测方案在桥梁模型的制定位置放置一定数量的传感器模型用来展示监测数据。
（3）逻辑编程与数据交互：编写脚本文件使桥梁与传感器模型根据实际监测数据情况产生一定的动态性，同时向服务器发送数据请求，从而与网络数据库产生数据交互，既能读取实时桥梁施工监控数据也能修改数据库中的数值（如桥梁资料、施工进度等）。
（4）客户端发布上线：根据功能需要合理设计各个功能按钮和状态显示栏，按照一定尺寸比例布局在屏幕上，保证整个监测系统所需的功能在屏幕上能够一目了然。最后将设计好UI的虚拟现实桥梁施工场景打包成html文件发布至互联网，用户可以凭借指定的用户名和密码使用任意一台电脑登录监测平台。
3 桥梁施工监控系统应用
本系统在2016年至2017年期间对沪通长江大桥天生港专用航道桥施工过程进行了全程监控，根据系统设计方案和施工监控方案提前将智能传感器安装到相应的关键性桥梁杆件和临时结构上，全天24小时不间断采集施工数据，将温度、应力和倾角等信息通过监控系统提供给各个项目参建方。沪通长江大桥施工监控系统主界面如图2所示。
用户可在系统中以各种角度查看桥梁三维模型中各个传感器的安装位置和实时数据，还可以用三维漫游模式“进入” 桥梁施工虚拟场景，根据需要选择不同的工况检查桥梁结构在各个施工时间段的整体和分部状态，如图3所示。
在数据曲线功能中可以对传感器的实时和历史数据进行分析，以确认每个关键施工工序的正常进行。预警功能在数据异常时也会及时发送警报短信到相关施工管理人员，现场施工人员马上可以了解到问题所在并作出及时调整。
4 结语
在全球新一轮科技革命和产业变革中，互联网已成为各行各业发展的新干线，“互联网+”即互联网与传统行业的深度融合，传统的桥梁工程也需要结合互联网进行转型升级。目前大跨桥梁项目众多且施工难度大，以往的施工数据人工采集和录入方式具有效率低、实时分析效果差等问题，本系統将物联网和云计算等技术应用在桥梁施工领域，构建了桥梁施工实时监控平台，通过数据自动采集分析、用户远程操控和实时三维展示等功能实现了桥梁施工监测信息化，具有采集精度高、实时传输效果好、工作效率高等优点，降低了施工风险和成本，提高了决策的科学性和合理性。
参考文献：
[1]基于物联网的桥梁健康监控系统设计与实现[J]. 祖巧红，张海峰，徐兴玉，尹莹. 图学学报. 2013（05）：7-11.
[2]交互式可视化虚拟施工过程技术研究[J]. 王楠楠，李一婷. 大连民族学院学报. 2015（03）：248-251.
[3]基于WebGL技术的网络三维可视化研究与实现[J]. 刘爱华，韩勇，张小垒，陈戈. 地理空间信息. 2012（05）：79-81.
[4]基于Web的桥梁可视化管理研究[J]. 金栋，李兴田，张丽萍. 兰州交通大学学报. 2012（04）：45-48.
