大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工管控可視化系統(tǒng)研究

任萬鵬，潘本金

（陜西路橋集團有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

隨著智能制造重點專項“智能橋梁”為主題的“中國橋梁2025”科技計劃的推行[1]，加之國家相關(guān)政策的高度扶持，橋梁施工管控技術(shù)迎來新的發(fā)展機遇。

國內(nèi)外學者圍繞施工控制系統(tǒng)開展了相關(guān)研究：Son 等[2]通過對橋梁建設項目管理進行研究，提出協(xié)同管理在項目進行中的重要性，總結(jié)出一個內(nèi)部協(xié)作演化模型進行模擬，以此為基礎(chǔ)提出項目的成功是需要不同個人之間的協(xié)作實踐。Anumba CJ等[3]將項目協(xié)同工作的范圍由設計延伸到施工階段，建立了有效的方法來進行設計及施工信息的管理，開發(fā)了基于web 的項目信息管理系統(tǒng)。同濟大學袁帥華[4-5]以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，使用高速網(wǎng)絡實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的實時監(jiān)控，并使用專家決策功能輔助工程控制。西南交通大學李喬[6]等人基于自適應控制法，開發(fā)了適用超大跨徑橋梁的施工控制系統(tǒng)，包含控制制造、工況評估、參數(shù)是被修正、狀態(tài)預測、控制決策等六大模塊。

但是，目前的橋梁建設過程仍具有參與方多、信息復雜、協(xié)同管理困難等諸多問題，信息化建設普遍性不足，缺乏面向橋梁建設項目多主體的協(xié)同化、集成化管理的深入研究[6-10]。因此，施工控制軟件需要從單一功能、靜態(tài)演示、客戶端形式，逐步向多功能、動態(tài)化演示、瀏覽器端形式轉(zhuǎn)變，并結(jié)合多軟件交互等技術(shù)實現(xiàn)軟件的集成化轉(zhuǎn)變[11-15]。

本文針對波形鋼腹板橋梁施工控制精度高、控制難度大的特點，開發(fā)了一套基于B/S（瀏覽器/服務器）架構(gòu)的施工可視化管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將二維平面化信息與三維實體深度融合，通過在三維場景中高度還原真實橋梁施工狀態(tài)，實現(xiàn)信息流的立體化展示。研究結(jié)果可以幫助橋梁施工管理人員更加直觀地獲知現(xiàn)場結(jié)構(gòu)狀態(tài)，提升橋梁施工管控效率。

1 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

波形鋼腹板三維管控可視化信息系統(tǒng)的主要功能為：

（1）對施工過程中的信息進行收集匯總，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與修正，提高施工信息的實時交互能力，以實現(xiàn)對施工過程的實時管控；

（2）建立施工過程動態(tài)展示模型，將設計、施工的關(guān)鍵信息以圖形化方式展示，提高施工過程中的信息溝通效率。本系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

本系統(tǒng)采用微軟公司公司開發(fā)的.NET 開發(fā)平臺進行開發(fā)，該平臺可實現(xiàn)對軟件開發(fā)過程的多層面功能，為WEB 架構(gòu)提供一個便捷的開發(fā)環(huán)境。考慮到目前主流的開發(fā)語言中C# 與該平臺的匹配度最好，便于后期維護，故選用C#為開發(fā)語言。.NET 開發(fā)平臺與傳統(tǒng)的開發(fā)平臺相比，開發(fā)語言多樣，語言包容度更好，在該平臺開發(fā)的應用可以較為方便的進行多系統(tǒng)應用，并且開發(fā)語言遵循共同協(xié)議，提高開發(fā)效率，所以本系統(tǒng)采用.NET 體系作為開發(fā)平臺，并選用VisualStudio.NET 作為系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。

目前軟件開發(fā)主要分為C/S 和B/S 兩種結(jié)構(gòu)形式（見圖2）。C/S 結(jié)構(gòu)稱為客戶/服務器結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，任務在客戶和服務器端分配，通過機器硬件將任務解析，兩端通訊開銷很小，不過多消耗網(wǎng)絡資源，但任務完成水平受限于機器硬件條件，早期軟件開發(fā)多采用這種結(jié)構(gòu)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，以B/S（瀏覽器/服務器）結(jié)構(gòu)設計的系統(tǒng)開始逐步得到發(fā)展，使用這種結(jié)構(gòu)可以減輕客戶端的硬件壓力，避免繁瑣的客戶端升級過程，可直接通過WEB 端運行，降低了硬件要求與運維成本，具有很好的便捷性和適用性，因此，系統(tǒng)開發(fā)選擇采用B/S 軟件架構(gòu)。

圖2 B/S 架構(gòu)和C/S 架構(gòu)體系架構(gòu)圖示

2 主梁線形預測方法

使用C# 語言開發(fā)了Matlab 的接口模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與Matlab 計算模塊的交互，達到對橋梁主梁線形預測的目的。

2.1 接口開發(fā)

系統(tǒng)設計模式：B row ser/Sever架構(gòu)（瀏覽器/服務器架構(gòu)）。使用瀏覽器上傳數(shù)據(jù)后，返回服務器計算顯示結(jié)果。

表示層開發(fā)技術(shù)：基于Severde 的神經(jīng)網(wǎng)絡計算，基于C 語言的中間業(yè)務模塊、Matlab 接口模塊，基于.Net的Web 頁。

MEC-BP 算法的實現(xiàn)邏輯：在最底層的MEX 文件中使用Matlab 語法編寫。

計算引擎組件：在已有的環(huán)境和邏輯下，通過開發(fā)接口模塊Matlab Anncom 類（變量包括網(wǎng)絡結(jié)果參數(shù)、工作空間路徑和訓練數(shù)據(jù)），實現(xiàn)對程序的通信控制。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

神經(jīng)網(wǎng)絡構(gòu)造函數(shù)：訓練數(shù)據(jù)的設置使用SetAdapt Matrix 函數(shù)；模擬數(shù)據(jù)的設置使用SetSimulate Matrix 函數(shù)；神經(jīng)網(wǎng)絡的推理使用Ann Simulate函數(shù)。

2.2 線形預測

在線形預測窗口，通過對系統(tǒng)中錄入信息的讀取，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)帶入有限元模型中進行計算，得到預測線形的響應輸出，并通過圖形化界面進行展示。對輸入?yún)?shù)進行錄入，調(diào)用MATLAB 接口實現(xiàn)預測值計算，并通過圖形顯示預測值與實測值的變化規(guī)律。從曲線變化可以看出，線形預測差值與實測差值擬合精度較好，能夠滿足誤差變化規(guī)律，預測結(jié)果可以指導施工。

3 工程應用

3.1 工程背景

梁渠溝大橋位于陜西省旬邑縣湫坡頭鎮(zhèn)車門村南、太村鎮(zhèn)張家村北，是陜西省首座波形鋼腹板預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。主橋全長430 m（75 m+2×140 m+75 m），頂板12.65 m，底板寬6.65 m，跨中梁高3.5 m、墩頂梁高8.5 m，墩頂至跨中梁高以1.8 次拋物線的形式變化。成橋效果見圖4。

圖4 梁渠溝大橋成橋效果圖

3.2 系統(tǒng)主界面

用戶登錄主界面后，可通過上側(cè)導航欄進行不同子系統(tǒng)。在主系統(tǒng)界面，用戶可查看到橋梁的實時動態(tài)展示模型，通過該模型了解到項目的基本信息、施工進度狀態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息等，并且通過該界面可以實現(xiàn)對不同子系統(tǒng)的管理。

主界面系統(tǒng)主要分為4 個區(qū)域：（1）菜單欄，主要用來提供各子系統(tǒng)導航入口；（2）子菜單欄：提供子系統(tǒng)各功能模塊的導航入口；（3）選項卡展示欄，用來方便快捷的打開已有界面；（4）信息窗口，用來展示當前模塊的功能信息。

系統(tǒng)管理界面可對系統(tǒng)的基本信息進行設置，主要功能有：橋梁參數(shù)的定義、用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)菜單與子系統(tǒng)名稱管理和系統(tǒng)日志管理。在橋梁參數(shù)定義模塊中可定義當前工程的基本信息，通過對橋梁基本信息定義實現(xiàn)對施工信息的管理。在人員管理模塊實現(xiàn)對不同登錄賬號的管理，并通過角色管理模塊對不同賬號賦予相應權(quán)限。

3.3 施工過程動態(tài)演示及監(jiān)測子系統(tǒng)

3.3.1 動態(tài)演示模塊

該模塊使用WebG L 技術(shù)實現(xiàn)橋梁施工模型的三維動態(tài)展示，該技術(shù)較好的解決了WEB 平臺交互式三維模型存在依靠外部插件、無法跨平臺展示、兼容性差的缺點。依托該技術(shù)，三維模型可以在瀏覽器平臺實現(xiàn)動態(tài)展示與數(shù)據(jù)交互，無需依靠額外插件并且適用多種平臺。模型僅通過機器顯卡進行3D 渲染解析，方便用戶隨時查看，提高了系統(tǒng)的便利性。

施工模型動態(tài)展示模塊主要功能是進行施工過程模型動態(tài)演示，并查看施工過程中塊段的主要施工信息，見圖5。通過視圖按鈕進行三維模型的不同方向展示，對細部構(gòu)件的細節(jié)展示；通過工況選擇欄查看不同工況下的施工狀態(tài)及施工信息，當鼠標停留在塊段上時，可以查看當前施工階段該塊段的主要信息（施工進度、高程監(jiān)測值、應力監(jiān)測值、人員信息等）。同時該模塊預留模型的外部導入接口，可將高精度激光掃描儀掃描得到的三維模型以及第三方建模軟件建立的模型導入。

圖5 橋梁可視化施工模型

3.3.2 線形及應力控制模塊

為了保證橋梁施工過程中的施工質(zhì)量與結(jié)構(gòu)安全，必須時刻掌握施工中的動態(tài)信息，作為施工控制中重要的控制指標，線形和應力的控制管理更為重要，因此本系統(tǒng)的核心模塊就是線形和應力控制模塊，該模塊主要通過圖形化界面顯示，便于管理者發(fā)現(xiàn)趨勢，及時發(fā)出控制指令，兩個模塊的功能如下：

（1）線形模塊

線形模塊可管理施工過程中不同階段不同塊段的理論高程、實測高程、預拱度信息、掛籃變形量、累計位移等，利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模板對施工控制中的測量結(jié)果進行導入，便于數(shù)據(jù)管理，見圖6，同時將測量數(shù)據(jù)圖形化顯示，對理論值與實測值的變化趨勢進行展示。

圖6 線形控制界面

（2）應力模塊

為保證橋梁施工安全，達到設計要求，對施工過程的主梁和橋墩處關(guān)鍵界面應力應變進行監(jiān)測也是施工管控的主要組成部分。由于受到鋼筋混凝土材料本身的不穩(wěn)定性、模型選取參數(shù)的不準確性、施工工況的復雜性以及計算軟件對實際模擬的不精確等因素的影響，在施工過程中測得的實際應力很難和理論計算所得應力完全一致。因此在開展應力測試時應需對監(jiān)測結(jié)果進行誤差判定、分析和處理，及時調(diào)整，使理論應力與實際應力差值控制在規(guī)范規(guī)定范圍，保證施工安全與結(jié)構(gòu)可靠性。該模塊可管理各施工階段的測點應力信息，包含各應力測點的理論值、實測值、預警值，并通過圖形化方式動態(tài)顯示數(shù)據(jù)變化規(guī)律，通過數(shù)據(jù)對比為管理者提供決策依據(jù)，見圖7。

圖7 應力控制界面

3.3.3 工程數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

因系統(tǒng)將一個工程作為單獨的項目進行管理，故在不同項目下，需要對項目中產(chǎn)生的各種信息進行統(tǒng)一管理匯總，該子系統(tǒng)主要對以下兩方面信息進行管理：

（1）施工進度和計劃：該系統(tǒng)可對施工進度與計劃信息進行管理，通過點選左側(cè)導航欄，進入不同管理項目，在施工進度項目中可填寫不同工序?qū)拈_始和完成日期，最終形成橫道圖。

（2）應力與高程數(shù)據(jù)：該系統(tǒng)對施工中的高程和應力數(shù)據(jù)進行管理，可將E xcel中的數(shù)據(jù)，通過批量復制的方式輸入對應高程測點的設計值、測量值等信息，提高了輸入效率。

3.3.4 成果輸出子系統(tǒng)

為了提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互能力，便于施工管理人員隨時查看項目信息，方便數(shù)據(jù)的傳遞交互，在該系統(tǒng)中設置成果輸出子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)基于云理念，將數(shù)據(jù)存儲于特定服務器中，數(shù)據(jù)交互時無需攜帶存儲設備，僅通過WEB 端即可查看數(shù)據(jù)。因此該子系統(tǒng)可實現(xiàn)對施工過程中產(chǎn)生的各種記錄信息的錄入與導出，如立模指令、施工周報、施工月報等，用戶可將上述文件上傳至數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)云存儲，并可將上述文件導出為常用的軟件格式，方便編輯打印。對項目記錄文件，如周報、月報、立模指令等文件，已經(jīng)施工過程中的影響資料文件均可實現(xiàn)電子化管理，方便數(shù)據(jù)的追溯與查詢，提高了項目的管理效率。

4 結(jié)語

本文通過自主開發(fā)的CSW-PC 連續(xù)剛構(gòu)橋施工管控三維可視化信息系統(tǒng)，對系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)與各模塊功能進行了說明和演示，介紹了施工模型的三維動態(tài)展示與施工數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測的成果，并將之應用于梁渠溝大橋的線形預測中與施工可視化管控中，取得了很好的效果。

（1）該系統(tǒng)實現(xiàn)了施工過程中信息流的高度集合，提高了施工參與各方的管控效率，取得了良好的工程應用效果。

（2）目前施工管控三維可視化系統(tǒng)的許多功能還未完善，后續(xù)在施工信息自動化采集、三維模型實時導入、施工模型動態(tài)演示等方面還有待完善。