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。

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1 025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45 m，测量精度分辨率为1 mm。 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横向与纵向距离（见图4a），显示范围是0~30 m，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）。

图4 T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。

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Y2-Y4-Y偏移=Y1-Y3， 经过变换后得公式（1）：

图8 T梁架设检测系统的纵向局部剖视图

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Y1；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Y2；目标垫石到桥墩端面的距离，记为Y3；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Y4； 其中Y3和Y4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。

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）：

图9 T梁架设检测系统的横向局部剖视图

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X1； 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X2；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X3；桥墩侧面至目标垫石中心的距离记为X4； 横向测距传感器3 架桥机轮子的侧面的距离记为X5；横向测距传感器2 到横向测距传感器3 的距离记为X6；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，X4、X5、X6、L 可根据桥墩 的设计数 据直 接 计 算得出，X4、X5、X6、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）：

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 为系统总体示意图，其运行过程如下。

图10 系统总体示意图

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11 App 客户端控制流程图

4 结论