基于窄带物联网的全自动T梁架设系统设计

1引言
随着我国交通事业的迅猛发展,桥梁建设越来越现代化,
但在山区建设高速公路时由于受地形地貌限制,桥梁所占的比例较高,而绝大多数桥梁建设时均采用架桥机设备进行T
梁架设施工[1]。

在架设T 梁时要先进行安装定位,目前T 梁的安装定位基本是依靠操作者的经验和观察,加之T 梁体积大、质量大等因素,在架设时不易控制,若不采取有效的组织体系和检测方法对T 梁架设进行全面监控,易造成较大时间成本的浪费和增加发生安全事故的风险。

因此,如何确保T 梁的架设质量和速度,同时保证架桥机的安全使用是提高高速公路桥梁工程质量和缩短完成时间的关键问题。

【作者简介】高树能（1979~），男，云南宣威人，高级工程师，从事土木
工程研究。

基于窄带物联网的全自动T 梁架设系统设计
Design of Automatic T-Beam Erection System Based on
Narrow Band Internet of Things
高树能1，李旭2
（1.中铁八局集团昆明铁路建设有限公司，昆明650200；2.昆明理工大学机电工程学院，昆明650500）
GAO Shu-neng 1,LI Xu 2
(1.Kunming Railway Construction Company of China Railway No.8Engineering Group Co.Ltd.,Kunming 650200China;2.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)
【摘要】针对目前建设高速公路桥梁时，T 梁架设完全依赖操作者的经验和观察，容易造成架设时间长，架设质量低的问题，论文
设计了一种基于窄带物联网的全自动T 梁架设系统。

采用窄带物联网（NB-IoT ）通信技术，将传感器，通信模块集成为基站子系统，安装于架桥机上的特定位置，通过自主设计T 梁位置检测方法和云平台数据算法处理实现架桥机的全自动运行和T 梁的自动架设。

与传统方法相比，该监测系统具有测量精度高、时效性好、结构简单的优点。

系统测试结果表明，系统的测距范围为0.045~30m ，测量精度为±2mm ，达到了降低T 梁架设过程的安全风险、提高效率的目的。

【Abstract 】In the current construction of expressway bridges,the erection of T-beams completely depends on the experience and eye
observation of the operator,which may easily lead to the problems of long erection time and low erection quality.In this paper,a fully automatic T-beam erection system based on the narrowband Internet of Things is designed.Sensors and communication modules are integrated into a base station subsystem by using Narrow Band Internet of Things (NB-IoT)communication technology.The base station subsystem is installed at a specific position on the bridge erection machine.And then,the automatic operation of the bridge erection machine and the automatic erection of the T -beam are realized by means of the self-designed T -beam position detection method and the cloud platform pared with the traditional method,the monitoring system designed in this paper possesses the advantages of high measuring accuracy,good timeliness and simple structure.The test results show that the measuring range of the system is from 0.045~30m,and the measuring accuracy is ±2mm.The designed system achieves the purpose of reducing the safety risk and improving the efficiency of the T-beam erection process.
【关键词】T 梁架设；窄带物联网；激光测距；架桥机
【Keywords 】T-beam erection;NB-IoT;laser ranging;bridge erection machine 【中图分类号】U445.4；TP274
【文献标志码】A
【文章编号】1007-9467（2023）07-0146-05
【DOI 】10.13616/ki.gcjsysj.2023.07.042
146
传统的人工监测方法是通过人眼观察控制架桥机的运动以实现T 梁的安装架设,工人通过观察预先浇灌好的垫石位置与T 梁的距离,从而判断T 梁的沉降和摆动。

但采用人工测量的传统方式,一方面测量作业工作量大,测量速度缓慢并且时效性差;另一方面监测质量受人为因素影响很大,难以保证检测结果的可靠性和准确性。

该方法不仅浪费大量的人力物力,而且还不能满足高精度的安装要求,不能实现对T 梁安装数据的实时监测。

基于物联网的激光测距方法是一种随着物联网技术发展提出的具有高精度和高实时性的测距方法,通过嵌入式技术将测量的各参数通过GPRS 数据传输模块实时传输到云平台对设备数据进行远距离观测,解决了测量时存在的各类问题。

因此,本文基于NB-IoT 技术提出一种全自动T 梁架设系统设计,以提高T 梁架设的效率,保障施工的安全性和降低施工时安全事故的发生概率[2-3]。

2全自动T 梁架设系统的系统组成
曲靖(麒麟区)至师宗段高速公路项目中预制T 梁1025片,
根据工程总体概况,设计基于NB-IoT 的全自动T 梁架设系统。

系统设计为星型拓扑的网络结构,如图1所示。

系统分为数据采集子系统、基站控制子系统、监测控制子系统、驱动控制子系统4部分。

图1系统组成基本工作原理
数据采集子系统由激光测距传感器、电量采集传感器、架桥机数据传感器、架桥机环境数据传感器等多种传感器组成。

激光测距传感器采集T 梁架设时距离目标垫石的横纵向距离;电量采集传感器采集数据采集系统和基站控制系统的电池电量;架桥机数据采集器采集架桥机垂直度等信息;架桥机环境数据传感器采集风速、温度等信息。

激光测距传感器选用
的是SK80激光测距模块,量程为45m ,测量精度分辨率为1mm 。

基站控制子系统由STM32单片机核心板、G510网络模块和继电器模块组成,如图2所示。

核心板处理来自数据采集子系统和云平台的数据,G510网络模块是与云平台通信使用[4],控制外部元件。

其主要模块在控制板上均设计为可插拔式,方便维修更换,降低成本。

图2
基站控制子系统
驱动控制子系统由架桥机控制器和驱动系统组成。

架桥机控制器接收来自云平台的指令和自身驱动系统的反馈信息,处理后给驱动系统发送运动指令。

驱动系统按照控制器指令控制T 梁运动。

监测控制子系统由App 客户端、云平台和PC 电脑端3部分组成。

App 客户端包括测量数据显示区、管理员设置参数显示区、传感器状态显示区,如图3所示。

图3
App 显示页组成部分
测量数据显示区主要显示T 梁当前位置距离目标垫石的
147
横向与纵向距离(见图4a ),显示范围是0~30m ,显示的单位是m 。

当横向或者纵向距离到达管理员设定的目标距离时,界面就会弹出“横向已到设定位置”或者“纵向已到设定位置”(见图4b
)。

a T 梁横纵向距离
b T 梁横纵向距离已到位
图4T 梁架设时距离目标垫石的横纵向距离采集
管理员设置参数显示区显示T 梁架设现场管理员设置的参数,在未设置参数时会显示设置参数的名称,如模式、方向、垫石号等提示信息(见图5a ),管理员在设置相应参数后,显示区就会同步云端收到的数据(见图5b ),同时其他手机也会同步管理员设置的参数信息。

其中,显示区显示的“单”代表单垫石模式,“双”代表双垫石模式;“左”代表垫石的位置位于面向未架设T 梁方向的左边;“右”代表垫石的位置位于面向未架设T 梁方向的右边;“3”代表T 梁将要架设的垫石位置;“3.561”代表横向极限位置的距离;“0.615”代表纵向极限位置的距离。

a
参数提示
信息
b
管理设定的参数信息
图5参数设置显示区
传感器状态显示区会显示通过二维码(见图6)获得设备列表,该区域分为“已绑定设备”和“离线设备”两个部分,在“已绑定设备”区域会显示当前在线的设备列表,可以在“已绑定设备”区域直观查看设备的电量(图7中的百分号前的数值)和测量的距离(图7中的百分号后的数值)。

在“离线设备”中,管理员可清晰看见已离线的设备和设备号。

登录管理中,管理员登陆需要输入账户密码,控制系统进入初始化状态,输入管理员参数,匿名登录不需要输入密码,只可以查看当前设
备工作情况,无控制权限。

图6
绑定传感器的二维
码
图7传感器状态显示
3
系统运行方式
3.1
系统的工作原理
在T 梁架设过程中,确保数据采集的准确性是实现有效
监控和系统自动化的关键,因此,需实时监测T 梁距离目标垫石的位置。

为此自主设计T 梁位置检测方法,具体分为横向对齐方案和纵向对齐方案,具体工作原理如下。

3.1.1
纵向对齐方法
如图8所示,设定目标T 梁的长度方向为纵向,经过严密
的推导可以得到公式Y 2-Y 4-Y 偏移
=Y 1-Y 3,经过变换后得公
式(1):
Y
偏移
=Y 2+Y 3-Y 1-Y 4
(1)
式中,纵向测距传感器1测量其自身至目标垫石的距离,记为Y 1;纵向测距传感器2测量其自身至目标T 梁端面的距离,记为Y 2;目标垫石到桥墩端面的距离,记为Y 3;纵向测距传感器1和纵向测距传感器2的两个测距面距离,记为Y 4;其中Y 3和Y 4为已知数据。

目标垫石至目标T 梁端面的距离,记为Y
偏移。

通过式(1)可以实现T 梁纵向的架设。

具体工作流程是单片机
148
将纵向测距传感器1和2测出的和数据通过4G 模块将数据传到云端,云平台通过式(1)处理云端的数据计算得出Y 偏移
,
再将Y
偏移
发送到单片机,单片机通过计算得出Y
偏移
的运动指
令,并将该指令发送到前后吊梁小车的驱动控制系统,即可实现目标T 梁在纵向上的运动。

图8
T 梁架设检测系统的纵向局部剖视图
3.1.2
横向对齐方法
如图9所示,目标T 梁的宽度方向即为横向,从图9中可
以明显得出式(2)和式(3):
X
偏移
+L 2+X 3+X 6=X 1+X 4(2)X 5=X 2-X 6
(3)
式中,横向测距传感器1测量其自身至桥墩目标侧面的距离,记为X 1;横向测距传感器2测量其自身至架桥机1号柱底端目标侧面的距离,记为X 2;横向测距传感器3测量其自身至目标T 梁侧面的距离,记为X 3;桥墩侧面至目标垫石中心的距离记为X 4;横向测距传感器3架桥机轮子的侧面的距离记为X 5;横向测距传感器2到横向测距传感器3的距离记为X 6;L 为T 梁下部的横向宽度。

其中,横向测距传感器1、横向测距传感器2的端面在同一水平面上,X 4、X 5、X 6、L 可根据桥墩的设计数据直接计算得出,X 4、X 5、X 6、L 可以作为已知数据;目标垫石至目标T 梁侧面的距离记为X
偏移
;将式(2)和式(3)进行变换得到式(4):X
偏移
=X 1+X 4+X 5-X 2-X 3-L
2
(4)
3.2系统运行过程
该系统主要由数据采集子系统、基站控制子系统、监测控
制子系统、驱动控制子系统4部分组成。

图10为系统总体示
图9T 梁架设检测系统的横向局部剖视
图
149
意图,其运行过程如下。

1)进行桥梁T 梁监测前,先将5台装有激光监测设备,按照自主设计的系统原理中相应的位置固定在架桥机上相应的监测点上,通过万象水平仪将激光监测设备调平,按下电源“开关”按钮,启动基站子系统。

2)在开启全部基站后,数据采集子系统的各传感器就开始工作。

系统传感器按照RS485协议或者串口协议将数据传入单片机中,然后由控制单元对测量数据进行解析计算并通过基站子系统将数据采集子系统的数据上传至云平台,或者是将云平台发来的控制指令发送到数据采集系统和驱动控制子系统。

云平台通过解析基站数据,结合设计的算法,判断是否达到T 梁架设的要求,同时将判断结果反馈回App 客户端。

若云平台接收的数据符合设计的架梁要求,操作者就在App 客户端设置的T 梁架设的初始参数(见图11),云平台通过处理来基站子系统和App 客户端设置的参数,计算出T 梁的运动指令,并通过基站子系统发送到驱动控制子系统,使驱动子系统执行运动指令,使T 梁运动到相应的位置。

云平台上接收和计算的一切数据均进行存储,供管理员查询。

图10
系统总体示意图
4结论
本项目致力于解决桥梁施工过程中T 梁架设过程中精度
低、速度慢、时效性差、测量烦琐等诸多问题。

通过在架桥机上的特定位置安置传感器模块和基于物联网的无线传输模块,即实现了T 梁自动架设的功能,本文详细介绍了基于NB -IoT 的T 梁自动架设系统的组成原理和软硬件实现方法,并进行了试验研究。

试验结果表明,该系统的测距范围为0.045~30m ,测量精度为依2mm ,达到了降低T 梁架设风险,提高T 梁架设效率的目的。

与传统的T 梁架设方法相比,基于NB -IoT 的T
梁自动架设系统设计合理,不需要人工干预,系统具有架设速度快、安装精度高、安装过程数据实时可视化等优点。

同时,该系统对桥梁施工领域的技术进步具有一定的推动作用,对提高架桥机的智能化水平具有一定的参考价值。

【参考文献】
[1]蒋英杰.架桥机在高速公路架梁施工中的应用分析[C]//中国智慧工程研究会智能学习与创新研究工作委员会.2020万知科学发展论坛论文集（智慧工程一）.西安：中国智慧工程研究会智能学习与创新研究工作委员会,2020:471-479.
[2]杜超,田震,易应宽.架桥机安全监控系统的研究[J].工程建设与设计,2020(18):233-234.
[3]徐朝晖,沈国栋,梁柱.高速公路桥梁健康数据实时采集与综合分析平台[J].中国交通信息化,2020(5):128-130.
[4]王灿.基于云平台的物联网远程监控系统研究[D].武汉:华中科技大学,2015.
【收稿日期】
2022-09-27图11App 客户端控制流程图
150。