1 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，橋梁建設(shè)越來(lái)越現(xiàn)代化，但在山區(qū)建設(shè)高速公路時(shí)由于受地形地貌限制， 橋梁所占的比例較高， 而絕大多數(shù)橋梁建設(shè)時(shí)均采用架橋機(jī)設(shè)備進(jìn)行T梁架設(shè)施工[1]。 在架設(shè)T 梁時(shí)要先進(jìn)行安裝定位，目前T 梁的安裝定位基本是依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)和觀察，加之T 梁體積大、質(zhì)量大等因素，在架設(shè)時(shí)不易控制，若不采取有效的組織體系和檢測(cè)方法對(duì)T 梁架設(shè)進(jìn)行全面監(jiān)控， 易造成較大時(shí)間成本的浪費(fèi)和增加發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何確保T 梁的架設(shè)質(zhì)量和速度， 同時(shí)保證架橋機(jī)的安全使用是提高高速公路橋梁工程質(zhì)量和縮短完成時(shí)間的關(guān)鍵問(wèn)題。

傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)人眼觀察控制架橋機(jī)的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)T 梁的安裝架設(shè)， 工人通過(guò)觀察預(yù)先澆灌好的墊石位置與T 梁的距離，從而判斷T 梁的沉降和擺動(dòng)。但采用人工測(cè)量的傳統(tǒng)方式，一方面測(cè)量作業(yè)工作量大，測(cè)量速度緩慢并且時(shí)效性差；另一方面監(jiān)測(cè)質(zhì)量受人為因素影響很大，難以保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。 該方法不僅浪費(fèi)大量的人力物力，而且還不能滿足高精度的安裝要求，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)T 梁安裝數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的激光測(cè)距方法是一種隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展提出的具有高精度和高實(shí)時(shí)性的測(cè)距方法， 通過(guò)嵌入式技術(shù)將測(cè)量的各參數(shù)通過(guò)GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀測(cè)，解決了測(cè)量時(shí)存在的各類問(wèn)題。因此，本文基于NB-IoT 技術(shù)提出一種全自動(dòng)T 梁架設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以提高T 梁架設(shè)的效率，保障施工的安全性和降低施工時(shí)安全事故的發(fā)生概率[2-3]。

2 全自動(dòng)T梁架設(shè)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

曲靖（麒麟?yún)^(qū)）至師宗段高速公路項(xiàng)目中預(yù)制T 梁1 025片，根據(jù)工程總體概況， 設(shè)計(jì)基于NB-IoT 的全自動(dòng)T 梁架設(shè)系統(tǒng)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)為星型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。 系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、基站控制子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)4 部分。

圖1 系統(tǒng)組成基本工作原理

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由激光測(cè)距傳感器、電量采集傳感器、架橋機(jī)數(shù)據(jù)傳感器、架橋機(jī)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器等多種傳感器組成。激光測(cè)距傳感器采集T 梁架設(shè)時(shí)距離目標(biāo)墊石的橫縱向距離； 電量采集傳感器采集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基站控制系統(tǒng)的電池電量；架橋機(jī)數(shù)據(jù)采集器采集架橋機(jī)垂直度等信息；架橋機(jī)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器采集風(fēng)速、溫度等信息。 激光測(cè)距傳感器選用的是SK80 激光測(cè)距模塊，量程為45 m，測(cè)量精度分辨率為1 mm。 基站控制子系統(tǒng)由STM32 單片機(jī)核心板、G510 網(wǎng)絡(luò)模塊和繼電器模塊組成，如圖2 所示。 核心板處理來(lái)自數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，G510 網(wǎng)絡(luò)模塊是與云平臺(tái)通信使用[4]，控制外部元件。 其主要模塊在控制板上均設(shè)計(jì)為可插拔式，方便維修更換，降低成本。

圖2 基站控制子系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)由架橋機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。 架橋機(jī)控制器接收來(lái)自云平臺(tái)的指令和自身驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的反饋信息，處理后給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按照控制器指令控制T 梁運(yùn)動(dòng)。

監(jiān)測(cè)控制子系統(tǒng)由App 客戶端、 云平臺(tái)和PC 電腦端3部分組成。 App 客戶端包括測(cè)量數(shù)據(jù)顯示區(qū)、管理員設(shè)置參數(shù)顯示區(qū)、傳感器狀態(tài)顯示區(qū)，如圖3 所示。

圖3 App 顯示頁(yè)組成部分

測(cè)量數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要顯示T 梁當(dāng)前位置距離目標(biāo)墊石的橫向與縱向距離（見(jiàn)圖4a），顯示范圍是0~30 m，顯示的單位是m。 當(dāng)橫向或者縱向距離到達(dá)管理員設(shè)定的目標(biāo)距離時(shí)，界面就會(huì)彈出“橫向已到設(shè)定位置”或者“縱向已到設(shè)定位置”（見(jiàn)圖4b）。

圖4 T梁架設(shè)時(shí)距離目標(biāo)墊石的橫縱向距離采集

管理員設(shè)置參數(shù)顯示區(qū)顯示T 梁架設(shè)現(xiàn)場(chǎng)管理員設(shè)置的參數(shù)，在未設(shè)置參數(shù)時(shí)會(huì)顯示設(shè)置參數(shù)的名稱，如模式、方向、墊石號(hào)等提示信息（見(jiàn)圖5a），管理員在設(shè)置相應(yīng)參數(shù)后，顯示區(qū)就會(huì)同步云端收到的數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖5b），同時(shí)其他手機(jī)也會(huì)同步管理員設(shè)置的參數(shù)信息。 其中，顯示區(qū)顯示的“單”代表單墊石模式，“雙”代表雙墊石模式；“左”代表墊石的位置位于面向未架設(shè)T 梁方向的左邊；“右” 代表墊石的位置位于面向未架設(shè)T 梁方向的右邊；“3” 代表T 梁將要架設(shè)的墊石位置；“3.561”代表橫向極限位置的距離；“0.615”代表縱向極限位置的距離。

圖5 參數(shù)設(shè)置顯示區(qū)

傳感器狀態(tài)顯示區(qū)會(huì)顯示通過(guò)二維碼（見(jiàn)圖6）獲得設(shè)備列表，該區(qū)域分為“已綁定設(shè)備”和“離線設(shè)備”兩個(gè)部分，在“已綁定設(shè)備”區(qū)域會(huì)顯示當(dāng)前在線的設(shè)備列表，可以在“已綁定設(shè)備” 區(qū)域直觀查看設(shè)備的電量 （圖7 中的百分號(hào)前的數(shù)值）和測(cè)量的距離（圖7 中的百分號(hào)后的數(shù)值）。 在“離線設(shè)備”中，管理員可清晰看見(jiàn)已離線的設(shè)備和設(shè)備號(hào)。 登錄管理中，管理員登陸需要輸入賬戶密碼，控制系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)，輸入管理員參數(shù)，匿名登錄不需要輸入密碼，只可以查看當(dāng)前設(shè)備工作情況，無(wú)控制權(quán)限。

圖6 綁定傳感器的二維碼

圖7 傳感器狀態(tài)顯示

3 系統(tǒng)運(yùn)行方式

3.1 系統(tǒng)的工作原理

在T 梁架設(shè)過(guò)程中， 確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性是實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控和系統(tǒng)自動(dòng)化的關(guān)鍵，因此，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)T 梁距離目標(biāo)墊石的位置。為此自主設(shè)計(jì)T 梁位置檢測(cè)方法，具體分為橫向?qū)R方案和縱向?qū)R方案，具體工作原理如下。

3.1.1 縱向?qū)R方法

如圖8 所示，設(shè)定目標(biāo)T 梁的長(zhǎng)度方向?yàn)榭v向，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的推導(dǎo)可以得到公式Y(jié)2-Y4-Y偏移=Y1-Y3， 經(jīng)過(guò)變換后得公式（1）：

圖8 T梁架設(shè)檢測(cè)系統(tǒng)的縱向局部剖視圖

式中，縱向測(cè)距傳感器1 測(cè)量其自身至目標(biāo)墊石的距離，記為Y1；縱向測(cè)距傳感器2 測(cè)量其自身至目標(biāo)T 梁端面的距離，記為Y2；目標(biāo)墊石到橋墩端面的距離，記為Y3；縱向測(cè)距傳感器1 和縱向測(cè)距傳感器2 的兩個(gè)測(cè)距面距離， 記為Y4； 其中Y3和Y4為已知數(shù)據(jù)。目標(biāo)墊石至目標(biāo)T 梁端面的距離，記為Y偏移。通過(guò)式（1）可以實(shí)現(xiàn)T 梁縱向的架設(shè)。 具體工作流程是單片機(jī)將縱向測(cè)距傳感器1 和2 測(cè)出的和數(shù)據(jù)通過(guò)4G 模塊將數(shù)據(jù)傳到云端，云平臺(tái)通過(guò)式（1）處理云端的數(shù)據(jù)計(jì)算得出Y偏移，再將Y偏移發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算得出Y偏移的運(yùn)動(dòng)指令，并將該指令發(fā)送到前后吊梁小車的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)T 梁在縱向上的運(yùn)動(dòng)。

3.1.2 橫向?qū)R方法

如圖9 所示，目標(biāo)T 梁的寬度方向即為橫向，從圖9 中可以明顯得出式（2）和式（3）：

圖9 T梁架設(shè)檢測(cè)系統(tǒng)的橫向局部剖視圖

式中，橫向測(cè)距傳感器1 測(cè)量其自身至橋墩目標(biāo)側(cè)面的距離，記為X1； 橫向測(cè)距傳感器2 測(cè)量其自身至架橋機(jī)1 號(hào)柱底端目標(biāo)側(cè)面的距離，記為X2；橫向測(cè)距傳感器3 測(cè)量其自身至目標(biāo)T 梁側(cè)面的距離，記為X3；橋墩側(cè)面至目標(biāo)墊石中心的距離記為X4； 橫向測(cè)距傳感器3 架橋機(jī)輪子的側(cè)面的距離記為X5；橫向測(cè)距傳感器2 到橫向測(cè)距傳感器3 的距離記為X6；L 為T(mén) 梁下部的橫向?qū)挾取?/p>

其中，橫向測(cè)距傳感器1、橫向測(cè)距傳感器2 的端面在同一水平面上，X4、X5、X6、L 可根據(jù)橋墩 的設(shè)計(jì)數(shù) 據(jù)直 接 計(jì) 算得出，X4、X5、X6、L 可以作為已知數(shù)據(jù)；目標(biāo)墊石至目標(biāo)T 梁側(cè)面的距離記為X偏移；將式（2）和式（3）進(jìn)行變換得到式（4）：

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、基站控制子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)4 部分組成。 圖10 為系統(tǒng)總體示意圖，其運(yùn)行過(guò)程如下。

圖10 系統(tǒng)總體示意圖

1）進(jìn)行橋梁T 梁監(jiān)測(cè)前，先將5 臺(tái)裝有激光監(jiān)測(cè)設(shè)備，按照自主設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理中相應(yīng)的位置固定在架橋機(jī)上相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上， 通過(guò)萬(wàn)象水平儀將激光監(jiān)測(cè)設(shè)備調(diào)平， 按下電源“開(kāi)關(guān)”按鈕，啟動(dòng)基站子系統(tǒng)。

2）在開(kāi)啟全部基站后，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的各傳感器就開(kāi)始工作。 系統(tǒng)傳感器按照RS485 協(xié)議或者串口協(xié)議將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)中， 然后由控制單元對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行解析計(jì)算并通過(guò)基站子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)， 或者是將云平臺(tái)發(fā)來(lái)的控制指令發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)。 云平臺(tái)通過(guò)解析基站數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計(jì)的算法，判斷是否達(dá)到T 梁架設(shè)的要求， 同時(shí)將判斷結(jié)果反饋回App 客戶端。 若云平臺(tái)接收的數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)的架梁要求， 操作者就在App 客戶端設(shè)置的T 梁架設(shè)的初始參數(shù)（見(jiàn)圖11），云平臺(tái)通過(guò)處理來(lái)基站子系統(tǒng)和App 客戶端設(shè)置的參數(shù)，計(jì)算出T 梁的運(yùn)動(dòng)指令，并通過(guò)基站子系統(tǒng)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)，使驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令，使T 梁運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置。云平臺(tái)上接收和計(jì)算的一切數(shù)據(jù)均進(jìn)行存儲(chǔ)，供管理員查詢。

圖11 App 客戶端控制流程圖

4 結(jié)論