大跨懸索橋纜索智能化施工應用系統研究

余德強，李建強，馬 飛

1.中交武漢智行國際工程咨詢有限公司，湖北 武漢 430014

2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040

隨著世界經濟建設的迅猛發展，交通運輸在國民經濟中的地位和作用日益重要。隨著洲際之間、陸島之間以及海上交通航線的密集化、船舶建造巨型化和物流運輸的多元化，人們迫切需要修建大跨度、特大跨度或超長跨度橋梁來滿足運輸要求。懸索橋憑借結構優勢成為滿足大跨度或特大跨度橋梁需求的優先選擇。

纜索系統作為大跨懸索橋的核心構成部分，在設計施工及運營階段，發揮著非常重要的作用，其工作狀態是橋梁是否處于安全狀態的重要標志之一，而目前大跨懸索橋纜索系統施工普遍存在施工精度低、信息技術應用薄弱、大臨工程安全監控缺失、傳統施工方式制約施工效率等問題。

伴隨全球科技創新呈現出信息化、智能化發展趨勢，傳統橋梁工程的革新也迎來新的機遇，周緒紅等[1]指出，在新一輪產業轉型和科技革命的發展趨勢下，橋梁工程領域進入“第三代橋梁工程”時代，而“智能橋梁”則是橋梁工程新時代的首要發展方向。勾紅葉等[2]對橋梁工程信息化和智能領域進行研究，得出傳統橋梁工程必將迎來深刻變革，未來將圍繞建設智能化、精細化橋梁工程方向發展。為解決傳統生產方式帶來的弊端，推動“智能橋梁”工程的產業化、信息化和智能化發展，研發一種懸索橋上構結構智能化施工應用系統已成必然趨勢。

1 系統架構及功能設計

1.1 系統架構

系統架構需要打通懸索橋纜索智能化施工數據治理各個環節，平臺架構全景包括物聯感知層、網絡傳輸層、數據分析處理層、業務應用層，系統架構圖如圖1所示。

圖1 系統架構圖

（1）物聯感知層：前端涉及系統業務流程的傳感器和前端設備控制子系統數據的采集層。例如風速風向監測、索股溫度監測、索塔偏移監測等。

（2）網絡傳輸層：采用針對大跨徑橋梁上部結構施工特點的無線通信網絡技術和設備，主要包括lora通信網絡技術、5G網絡通信技術及NB-IoT窄帶網橋技術等。

（3）數據分析處理層：項目業務數據中心建設，主要包含施工參數數據庫、視頻監控數據庫、緩存數據庫和消息中間件，還包含基礎數據元管理、數據交換管理、數據分析模型管理和數據接口管理等。

（4）業務應用層：可視化呈現看板，主要包含數據應用平臺和自動化控制管理兩部分。

1.2 系統功能設計

系統主要包含8大系統功能模塊，系統功能架構圖如圖2所示。

圖2 系統功能架構圖

（1）實時進度模塊主要呈現施工進度和實時監控監測類的綜合指標信息，主要包含當前任務信息、主纜索股總體進度（形象進度）信息、卷揚機運行狀態信息、環境監測信息、預警提醒信息、時間軸大事記信息等。

（2）實時現場模塊用于實現施工作業場景、關鍵設備和關鍵結構可視化監控。

（3）智能監測模塊如圖3所示。①監控量測功能包含結構物長期的監控測試和監控測量，實現結構物的安全監測和后續施工工序基礎數據的有力保障。②貓道架設模塊主要包含左右幅貓道承重索標高和錨固拉力的安全監測，從而保障貓道成型后在不同荷載下的安全性和穩定性。③主纜架設模塊主要包含索股溫度監測、索股線形監測和調整和索股錨跨張力的監測等，實現對主纜架設過程中索股線型調整與控制以及索股錨跨張力的監測。④緊纜監測模塊可實現對主纜緊纜過程中的空隙率、不圓度進行計算和監測。⑤主纜成形模塊主要包含主纜成形和成橋狀態下線形監測以及主纜溫度場的監測，實現主纜成形后，對主纜線形的實時監測和預警，保證線形的穩定性。

圖3 智能監測功能圖

（4）智能計算模塊基于層距控制法的調索原理，達到快速計算獲得調索調整量信息、輔助現場調索施工的目的。

（5）智能設備模塊包含卷揚機運行參數監測、纜載吊機監測等，實現對施工過程中關鍵設備的安全監測。預警信息模塊主要包含預警信息統計和分析，以及預警信息查詢和預警信息匯總、預警處理閉合等，保障施工安全。

（6）任務中心功能模塊主要包含施工總體進度計劃信息（形象進度）、實際施工記錄信息，方便現場根據總體施工進度合理調配資源，保障施工進度。

（7）統計分析模塊通過對項目施工監測數據進行統計分析，以可視化圖表的形式直觀展示項目整體數據，可實現對已完成施工工序的過程回放，方便信息追溯和提升質量管理。

2 關鍵技術

在主纜架設、線形調整及上部結構加勁梁安裝等方面，應用智能裝備、互聯網、云技術及相關智能傳感等手段，整合工藝流程，實現前端智能建造。在提升作業效率與保證質量、安全的同時，將智能設備關鍵數據與BIM模型實時關聯，實現數模協同和互檢。

2.1 全站儀自動化監測

全站儀自動化監測技術以全站儀、傳感器為外部采集設備，實時采集數據傳回服務器，用于監控、分析、預警等。其主要功能為全站儀遠程自動控制、實時數據采集、溫度氣壓傳感器數據自動采集、變形量計算、實時數據過程線展示等。

2.2 懸索橋監控測試

懸索橋施工期的監控測試是一項綜合性技術，具有監測內容多、頻率高、時間長、數據量大等特點，采用人工測量并進行數據處理工作量會很大，搭建一套施工期的監測應用系統成為橋梁行業的發展趨勢。懸索橋施工監測內容包含橋塔應力及溫度、主纜錨跨張力測試、主纜溫度、環境場風速風向等，能夠反饋懸索橋的頻率、索力、溫濕度、風力風向等各方面信息，反映上構結構的安全和穩定性。對監測參數進行后處理并同設置的安全閾值進行對比，對超出設定值的參數發出預警信息，根據預警信息進行橋梁安全狀態的評判并采取相應措施[3]。大跨懸索橋施工應用系統實現傳感硬件通過有線或者其他通信方式與采集模塊建立連接，再通過DTU模塊將數據傳輸到懸索橋施工應用系統中，進行數據的自動采集和相關分析。

該系統結合了互聯網+BIM應用，通過BIM三維模型交互充分了解懸索橋傳感器布置與其對應測點的實時監測數據。在系統運行時，安裝在懸索橋結構上的各監測點對系統發出的指令做出響應并反饋監測數據，通過系統后臺自動進行數據處理，生成監測的數據圖表，模型與布置的測點相關聯，直觀展示各傳感器的空間位置和該測點的監測數據[4]，懸索橋監控體系如圖4所示。

圖4 懸索橋監控體系示意圖

2.3 智能設備集成

通過iframe嵌套方式，把智能設備控制系統集成至懸索橋系統，已預留纜載吊機、緊纜機和纏絲機等設備數據接口。在索股緊纜階段，采用智能緊纜機，相較于傳統緊纜機，智能緊纜機集視頻監控、質量控制傳感器于一體，實現了主纜圓度、空隙率檢測自動化，質量控制指標滿足規范要求后，其反饋給緊纜機控制系統，進入下一個工作循環。纜載吊機系統采用智能傳感、無線通信、自動定位、安全監控等技術，自動獲取主梁安裝參數，利用壓力、位移等傳感器對纜載吊機狀態實時監測，并反饋數據進行自動控制，實現了千斤頂的精確同步提升；可在現場實時顯示纜載吊機和主梁的空間位置，實現了主梁快速精確安裝[5]。智能設備集成可有效提高施工現場的生產管理水平，實現對大型設備運行狀態的動態掌控。

3 結束語

隨著橋梁跨度不斷地增大，施工工期不斷縮短，沿用傳統的施工手段，不僅影響施工進度，同時存在較大的施工安全風險。在5G信息化高速時代，如何采用智能化施工設備、施工工藝、監測技術等替代傳統的施工，同時確保施工安全，顯得尤為緊迫。大跨懸索橋纜索智能化施工應用系統將監控監測信息遠程傳輸至項目部管理人員，方便后場人員便捷地了解施工現場的施工實時信息及歷史信息，集中管控施工現場實際運作情況并依據監測數據、監控記錄進行遠程輔助決策和對資源的合理優化配置與調度，進而保障施工進度和安全，推動懸索橋上構施工向自動化、智能化方向發展。