滬通長江大橋轉體施工監控系統設計與應用

滬通長江大橋天生港專用航道橋采用先梁后拱、主梁斜拉扣掛和拱肋梁上豎轉的多種組合施工方法，首次實現了復雜環境下鋼桁梁上三肋鋼箱拱的豎向轉體施工。滬通長江大橋轉體監控系統以動態三維施工場景為展示環境，通過云端讀取實時施工監控數據，再用數據驅動模型運動，將轉體過程中大橋各個構件的實時狀態以三維可視化的方式進行展示。

工程概況

滬通長江大橋是新建滬通鐵路的控制性工程，為四線鐵路六車道公路合建橋梁，橋梁全長11.072km。正橋鋼梁總長5831.3m，由主航道橋、天生港航道橋和水中非通航孔橋組成，其中天生港專用航道橋采用（1.5+140+336+140+1.5）=619m鋼桁梁柔性拱橋方案。主桁采用剛性梁柔性拱的華倫式三主桁結構，柔性拱設在336m通航孔。三主桁的橫向桁間距為2×17.25m，邊桁桁高15.7m，柔性拱矢高60m。

天生港航道橋上部結構總體采用“先梁后拱，主梁上分節拼裝拱肋，再進行拱肋轉體”的施工方案。其中，平弦鋼桁梁采用架梁吊機從主墩往兩側雙懸臂架設，柔性拱肋架設采用在鋼梁上成拱，在主梁上完成拱肋拼裝后，利用扣塔將兩側拱肋分別進行精確豎向轉體，待就位后安裝拱肋中間的合龍段。滬通長江大橋天生港專用航道橋首次采用主跨達336m的大跨度公鐵兩用三主桁鋼桁梁柔性拱橋結構。

轉體施工監控系統設計

該監控系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成，其中，硬件系統包含施工數據的采集和傳輸兩個環節，軟件系統包含數據的存儲、計算和展示環節，系統設計流程圖如圖1所示。

硬件系統設計

硬件工作的穩定性直接決定著數據的可靠程度，橋梁轉體施工是一個持續作業的過程，如果要時刻掌握橋梁構件實時狀態信息，首先要保證施工數據采集過程的連續性，其次要保證數據傳輸的實時性，二者缺一不可。在該轉體施工監控系統中，數據的采集和傳輸這兩個環節是緊密聯系無縫對接的。

圖1 監控系統設計流程圖

數據采集

在該系統中，整座橋梁的監測網絡由一定數量的數據自動采集系統組成，每個采集系統包括一個區域監測點，采集系統中采用了高精度智能傳感器、數據自補償和預處理調理器設備以保證采集數據的準確性。考慮到拱肋上沒有穩定持續的供電方式，因此在橋位處無電源條件下采用自供電方式，保證了全天實時自動采集。在轉體之前所有的采集設備均進行了反復調試，在現場的安裝和組網也嚴格按照方案實施，避免其他不必要因素影響設備的運行。

數據傳輸

該系統數據傳輸均采用無線網絡方式24小時無間斷傳輸到云端。滬通長江大橋天生港專用航道橋所處江面較寬，無線通信信號較差，如果使用普通的無線設備將會存在數據丟失或數據傳輸延遲的情況，這都將對轉體施工監控效果產生影響。因此，在無線傳輸方面采用的是低功耗無線、傳輸距離遠、可點對點或一對多組網靈活的Lora節點和智能云盒等傳輸組網設備，用無線傳輸方式將實時數據傳輸并存儲到云端，解決了江面信號差及需人工采集誤差等問題，保證了數據的完整性和實時性。

軟件系統設計

施工數據的存儲與計算

該系統中傳感器的數據采集頻率較高，每天都有大量的數據由無線設備傳輸到云端進行處理，由于橋梁結構中每根桿件上安裝的傳感器位置和理論數據都不同，所以需要處理每個傳感器的數據。在數據庫中考慮到傳感器的各種狀態，設計了相應的若干字段描述實時數據，例如傳感器安裝位置、理論值、閾值和工作狀態等，同時安裝在同一區域的傳感器對比分析數據。所有傳輸到云端的數據均由一定的算法計算后，再存儲到數據庫中，以供展示平臺進行可視化處理，并實現了橋梁施工狀態24小時異常預警功能。

三維界面設計

使用三維模型可以讓施工細節在監控系統中反映得更準確和清晰，通過對三維模型的各種操作能夠讓用戶精確定位到需要查看的施工信息，模型數據的實時性也會讓三維模型產生豐富的動態效果。首先制作出等比例的橋梁三維模型進行貼圖和渲染，生成可以與其他三維引擎平臺對接的模型文件。再根據橋梁周邊的環境特征建立虛擬地形，之后將橋梁模型導入到虛擬地形中，在相應位置的施工監測點上布置傳感器模型后，初步的三維虛擬施工場景則搭建完畢，如圖2所示。

圖2 搭建三維虛擬施工場景

編寫腳本文件可使監控系統與網絡數據庫產生數據交互，既能讀取實時橋梁施工監控數據，也能修改數據庫中的數值。獲得這些數據后，將其與相應的三維模型綁定，這樣所有的傳感器模型都能顯示實際設備采集到的實時施工數據。

程序客戶端發布

客戶端的功能直接關系到監控系統的展示效果，上述步驟只是在程序和數據庫之間的聯系，還需要建立起使用者和程序之間的交互，例如對三維模型的各種操作、查看不同位置的傳感器信息、放大或縮小視角等功能，因此根據橋梁施工方案詳細設計了用戶操作界面，合理設計各個功能按鈕和狀態顯示欄，按照一定尺寸比例布局在屏幕上，保證整個監控系統所需的功能在屏幕上一目了然。最后將設計好所有程序打包成客戶端文件，用戶可以憑借指定的帳號和密碼使用任意一臺電腦登錄施工監控系統，各個參建方可協同共享轉體施工的信息。

圖3 橋梁轉體施工監控系統主界面

轉體施工監控系統應用

2017年10月，滬通長江大橋天生港專用航道橋拱肋成功完成豎向轉體，兩側拱肋完美實現了轉體對接，該監控系統全過程監控橋梁轉體施工，系統主界面如圖3所示。

橋梁轉體施工監控系統主界面主要包括三維界面、曲線欄和數據欄等部分，用戶可以查看到轉體施工數據相關的信息，例如拱肋轉動姿態和角度、測點布置圖和測點數據、拱肋之間的高程差曲線等。在主界面中還能對橋梁模型進行一定的操作來查找制定位置的施工信息，除了在模型上直接顯示數據之外還能打開所有傳感器的列表信息。監控人員可以隨時在電腦上登錄監控系統查看各個拱肋的轉動角度、拱肋間高差值、關鍵部位受力情況等施工數據，根據這些信息可以隨時調整現場施工設備，讓拱肋轉體更加精確可控、減小誤差。在橋梁轉體施工完成后，還能通過監控系統對施工過程進行回放，選擇任意時間點對當時的橋梁整體狀態進行還原。

結語

滬通長江大橋天生港專用航道橋轉體施工監控系統在硬件方面使用了高精度智能傳感器和低功耗傳輸能力強的無線發射設備，保證了數據的準確性和穩定性，在軟件方面以動態三維施工場景為展示環境，通過云端讀取實時施工監控數據，再用數據驅動模型運動，將轉體過程中大橋各個構件的實時狀態以三維可視化的方式進行展示，同時對轉體過程中拱肋各個測點的高程差數據進行分析，將各個測點的高程差曲線與數據列表、三維模型、橋梁立面視角同時展現在畫面中，能夠實時掌握到拱肋的轉動姿態和構件的受力狀態、轉體施工的進度等信息，保證了拱肋的穩定同步轉體。