支架结构安全无线监测系统的工程应用

刘增华,马春雷,秦术攀,何存富,吴 斌

(北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100124)

支架结构安全无线监测系统的工程应用

刘增华,马春雷,秦术攀,何存富,吴 斌

(北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100124)

为了满足对支架结构健康监测的需求，提出一种以ZigBee技术和GPRS技术为核心的支架结构安全无线监测系统。将安装在支架结构上的应变片和倾角传感器采集的应变和倾角数据通过GPRS技术传输至上位机，可实现对支架结构安全的监测。由于系统比较复杂、辅助设备较多，工程应用周期较长，因此，在实际的工程应用过程中需要考虑众多因素。分析了工程应用要点与施工流程，并将该系统成功地应用于施工现场。对各类安全监测系统的成功应用有着良好的指导意义。

支架结构；无线传感器；ZigBee；GPRS；工程应用

近年来，随着我国经济的迅猛增长，交通事业得到了快速发展，大批横跨河流和公路的高架桥梁应运而生[1]。支架结构作为一种临时性支撑结构，具有拆装灵活、搬运方便、维护简单等特点，在道路桥梁施工中广泛应用[2]。支架结构虽然是临时结构，但同时也是道路桥梁施工中的主要支撑结构，支架的强度、刚度、稳定性及变形直接影响到桥梁的质量及安全性。支架结构作为施工的载体，不仅承受着钢筋混凝土及各种建筑材料和设备的载荷，同时还是施工人员的作业平台。为减少乃至避免因道路桥梁施工支架结构的倒塌事故频发给国家和人民生命财产造成的严重损失[3]，支架的工程安全问题亦得到相关领域专家与工程人员的关注。因此，发展一种能够有效监测支架结构安全的系统具有重要的工程应用价值。目前国内一般采用传统的有线测量的方法对支架结构进行监测，其效率比较低，难以满足实际的工程检测需求。

美国加利福尼亚大学洛杉矶分校研制了无线集成网络传感器[4]。为提高城市灾后搜救工作时信息传递与捕获的效率，OCHOA等[5]提出了一种以人为中心的无线传感器网络的概念。秦术攀[6]基于ZigBee技术和GPRS通信技术研发了用于支架结构安全的无线监测系统。该系统能够对支架结构进行长期在线、远距离的实时健康监测。笔者在此基础上分析了支架结构工程应用要点与施工流程，将秦术攀研制的支架结构安全无线监测系统用于工程实际，实现工程现场支架结构的有效监测。

1 系统总体结构

支架结构安全无线监测系统主要由软件和硬件两大部分组成[7-8]，如图1所示。其中，软件部分主要为上位机监测软件；硬件部分由无线传感器、路由器、协调器、GPRS DTU设备、GSM短信预警设备和手机等组成。图2为协调器、路由器、无线传感器实物图。

图1 支架结构无线监测系统示意

图2 无线监测系统部分硬件

支架结构安全无线监测系统是基于ZigBee和GPRS技术的远程数据传输系统。其中，无线传感器网络将现场无线传感器采集到的应变和倾角数据进行处理并且远程传输到监测室的上位机监测软件[9]；上位机监测软件实现数据的实时显示、存储、查询和数据预警的功能,并将预警短信通过GSM设备发送到手机[10]。

2 工程应用要点

支架结构安全无线监测系统比较复杂、辅助设备较多[11]，需要对每一个监测点的无线传感器、路由器、协调器、DTU和网络系统的初始化和顺序控制等进行全方位的系统管理。因此，支架结构安全无线监测系统的运行应安排合理，以提升监测系统的工作效率。系统的运行需要注意以下几个方面。

(1) 工作电量保证：支架结构安全无线监测系统采用蓄电池为GPRS DTU持续供电。因无线传感器、路由器和协调器具有低功耗的优点，而且为了满足其使用方便的要求，采用干电池为其供电。在系统工作过程中，为避免发生系统监测工作的中断故障，必须保证电量充足。

(2) 定期检测系统单元安全：检查测试设备及仪器，以确保在测试过程中能够正常使用；检查电阻应变片的阻值和接线。

(3) 保证网络稳定：Internet网络是整个支架结构安全无线监测系统的枢纽。无线传感器采集到的数据通过Internet网络发送到上位机监测软件显示并保存。因此，稳定的网络是保证整个监测系统实现实时性的关键，其直接影响到监测人员对现场情况的判断。

(4) 规范设备操作流程：系统启动过程中依次打开现场的GPRS DTU、协调器、路由器、无线传感器。首先打开GPRS DTU设备对整个网络进行初始化，保证数据顺利传输；协调器能够建立以协调器为中心的ZigBee网络，保证路由器和无线传感器能够顺利接入网络。路由器主要起到延长传输距离的作用[12]。

(5) 工程环境调查：设备安装调试过程中要注意施工现场的气象和水文地质情况，做好设备防水防潮准备。

(6) 工期安排：工程工期一般为3～5 m，支架结构监测系统调试运行时间根据常规运行进度安排，占整体工期的5～10 d。

图3 现场支架结构整体监测的流程

3 工程应用实例及施工流程

为了验证支架结构安全无线监测系统的工程实用性，将传感器网络置于浙江省某施工段现场。对支架结构进行监测前，要做好充足的准备工作，如进行测距、布置监测点、打磨监测点、粘贴应变片、安装和调试等。其中，打磨检测点和粘贴应变片的目的是为了采集支架结构受力时的应变数据。最后才可进行现场支架结构的整体监测。整体监测流程如图3所示。

3.1 监测点选取

在选取监测点之前要对跨段进行横向和纵向的长度测量，以便绘制布点图。选取支架预压和混凝土浇筑期间的危险区域内的点为支架结构安全无线监测系统的监测点。同时根据支架现浇梁安全专项施工方案，选取受力大的区域较多地布置无线传感器。该施工段支架类型主要为门式支架。门式支架结构主要包括：横杆、立杆、横杆加强杆、立杆加强杆、交叉拉杆、销锁、连接棒、可调底座、可调顶托及纵横连接杆等，单个门式支架结构示意与支架现场搭设图片如图4所示。

图4 单个门式支架结构示意与支架现场搭设图片

监测地点选取该施工段某工地任意一跨的两次浇筑阶段。选取的监测点20个，主要分布在支架结构沉降观测点和现浇箱梁腹板处，监测点布置示意如图5所示。其中，圆圈代表距离顶层1.3 m的监测点，三角代表距离地面1.3 m的监测点。顶层的10个无线传感器只监测支架结构角度的变化。由于考虑到力的传递性，底层支架受到的力要大于顶层支架受到的力。因此，在底层支架布置无线传感器进行应变值监测是合理的。

图5 监测点布置示意

3.2 应变片粘贴

应变片安装工艺直接影响系统测量数据的可靠性。在应变片粘贴之前需要对支架结构粘贴点进行打磨和表面处理，保证应变片能够和支架接触良好。为了保证全桥应变片的对称粘贴，需在打磨表面划线标记出对称粘贴点的位置。应变片粘贴步骤如图6所示。在应变片表面涂抹了一层单组份温室固化硅橡胶水，用作防水防潮。最后，用万用表测量应变片的阻值，如果测量值与理论的阻值相差较大，说明应变片在粘贴过程有坏损，需要重新粘贴。

图6 应变片粘贴步骤

3.3 安装调试

待应变片粘贴完成后，对无线传感器、路由器、协调器等设备依次进行安装。图7所示为安装好的无线传感器。

图7 安装好的无线传感器

设备安装完成后要对其进行检查和调试，以确保其能正常工作。现场调试过程中，要建立以协调器为中心的ZigBee无线监测网络。利用GPRS通信技术的远程传输特性，将支架结构安全无线监测系统的上位机监测软件安装在远程服务器上，现场远程监测时以工程项目部的网络作为该系统的监测中心网络。选择一台连接外部网络的笔记本电脑作为服务器，在该计算机上完成GPRS DTU的本地串口配置及端口号的分配，与GPRS设备连接进行现场支架结构的远程监测。

3.4 监测结果 现场支架结构混凝土浇筑分为两个阶段：第一次浇筑，一共持续大约9 h;间隔19 d第二次浇筑,一共持续大约10 h。浇筑期间无线传感器将应变片采集的应变数据和倾角传感器采集的角度变化数据通过路由器或直接传至协调器，协调器通过GPRS和Internet网络将数据传至上位机监测软件。

图8 第一次浇筑阶段上位机软件监测结果

图9 第二次浇筑阶段上位机软件监测结果

在整个监测过程中，当混凝土浇筑到监测点附近时，由于混凝土本身重量和附带的冲击，设备的应变值和倾角值均有明显的相对变化。图8为第一次浇筑阶段上位机软件监测结果。由监测结果可以看出：第一次浇筑过程中混凝土两次浇筑到监测点附近，应变值和倾角值也有两次相对应的变化。图9为第二次浇筑阶段上位机软件监测结果，可看出第二次浇筑过程中混凝土三次浇筑到监测点附近，应变值和倾角值也有三次相对应的变化。变化值越大表明桥梁支架上方浇筑混凝土附带的冲击较大。当浇筑点远离监测点后，应变和倾角值趋于定值，波动幅度减小。系统实现了对支架安全进行监测的目的。

4 结语

提出一种基于ZigBee技术和GPRS通信技术的支架结构安全无线监测系统，能够实现对支架结构进行长期在线、远距离的实时无线监测。分析了其工程应用要点和施工流程，并将该系统成功地应用于某施工现场。应用结果表明：该支架结构安全无线监测系统适用于施工现场临时搭建的支架结构的实时在线远距离监测，具有重要的工程应用前景。

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[3] 李建刚.现浇箱梁碗扣式满堂支架设计与验算[J].公路,2014(9):103-106.

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[5] OCHOA S F, SANTOS R.Human-centric wireless sensor networks to improve information availability during urban search and rescue activities[J]. Information Fusion,2015,22:71-84.

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Engineering Application of Wireless Safety Monitoring of Supporting Structure

LIU Zenghua, MA Chunlei, QIN Shupan, HE Cunfu, WU Bin

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

In order to meet the requirements of the supporting structural health monitoring, a wireless safety monitoring system is proposed based on ZigBee and GPRS technologies. The safety monitoring system of support structure is a wireless communication system based on GPRS and ZigBee. The strain and angle data collected from the strain gauge and the angle sensor installed on the supporting structure are transmitted to the host computer through GPRS technology. Many factors need to be considered in the practical engineering application of the complex system due to multiple auxiliary equipments and the long application cycle. In this paper, the key points of engineering application and construction procedures are analyzed. The system has been successfully applied to some construction sites. It has a good guiding significance for the successful application of all kinds of safety monitoring system.

supporting structure；wireless sensor；ZigBee；GPRS；engineering application

2017-02-03

国家自然科学基金资助项目(51475012,11272021);北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划资助项目(CIT& TCD201304048)

刘增华(1973-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为超声无损检测、结构健康监测、现代测控技术

刘增华， liuzenghua@bjut.edu.cn

10.11973/wsjc201706009

TG115.28；TM933

A

1000-6656(2017)06-0040-04