CN116026414B - 一体化架桥机监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一体化架桥机监测系统，一体化架桥机结构包括主梁、尾部平台、主梁前连接系、主梁后连接系、第一支腿、第二支腿、第三支腿、第四支腿、第五支腿、前天车及后天车，一体化架桥机监测系统包括：安装在一体化架桥机上，用于采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据的传感器组；安装在主梁中部位置，接收应力数据和倾角数据的黑匣子；用于对来自所述黑匣子的应力数据和倾角数据进行数据清洗，并划分数据类型，依照阈值表进行条件判断，判定相应风险的远程服务器。本发明还公开了一体化架桥机监测系统的监测方法。本发明对一体化架桥机结构安全进行远程长期实时监测，提高了数据分析的效率，全面评价了架桥机结构的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁施工监测领域，具体涉及一体化架桥机监测系统及监测方法。
背景技术
架桥机是大量预制装配式桥梁施工不可缺少的机械设备。架桥机在施工过程中如果局部应力过大就会造成其结构断裂，如果弯曲变形过大就会造成其局部失稳和整体失稳，这些问题都将直接影响架桥机整体的安全性。因此为了保证施工安全，避免造成重大人员伤亡，需要对其安全性进行重视，强化对架桥机的安全监测具有非常重要的社会意义和经济意义。
公开号为CN110955209A的中国专利公开了一种特大型架桥机安全控制系统及监控方法，通过传感器自动采集监控数据，利用物联网关将监控数据传输到云服务器，实现了数据的远程、可视化监控，但并未对传感器布设位置的选取原则进行介绍，且侧重于运行姿态及电气系统的监测。公开号为CN210981351U的中国专利公开了一种基于DTU的铁路架桥机无线监测系统，通过DTU无线传输单元连接监控中心及力矩限制器、多功能限位器、风速传感器、高度传感器、水平度传感器、垂直度传感器和摄像头等监测设备，实现了架桥机的防超载、防限位、防倾翻、防风速等功能，但并未对相应指标进行深度分析、预警流程进行详细介绍。
基于上述问题，现采用一体化架桥机监测系统进行架桥机的实时监测工作，获取经结构计算优化后监测点的数据，并提出整个系统的主要工作流程，并提出一体化架桥机监测方法，指导一体化架桥机的施工安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一体化架桥机监测系统及监测方法，能够对一体化架桥机结构安全进行远程长期实时监测，提高了数据分析的效率，全面的评价了架桥机结构的安全性能，具有明显的应用价值。
实现上述目的的技术方案是：
本发明之一的一体化架桥机监测系统，一体化架桥机结构包括主梁、尾部平台、主梁前连接系、主梁后连接系、第一支腿、第二支腿、第三支腿、第四支腿、第五支腿、前天车及后天车，一体化架桥机监测系统包括：
安装在一体化架桥机上，用于采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据的传感器组；
安装在主梁中部位置，接收应力数据和倾角数据的黑匣子；
用于对来自所述黑匣子的应力数据和倾角数据进行数据清洗，并划分数据类型，依照阈值表进行条件判断，判定相应风险的远程服务器；以及
与远程服务器相接，用于实现人机交互控制的人机交互模块。
优选的，所述传感器组包括用于监测主梁正应力的应变传感器组和用于监测第一支腿及主梁关键截面转角的倾角传感器组，
所述应变传感器组包括等距离安装在主梁上的第一应变计、第二应变计、第三应变计和第四应变计；
所述倾角传感器组包括安装在第一支腿上端的第一倾角计，分别安装在主梁一侧的第二倾角计和第三倾角计；
所述第一应变计、所述第二应变计、所述第三应变计、所述第四应变计、所述第一倾角计、所述第二倾角计及所述第三倾角计的监测数据表示为S1、S2、S3、S4、α1、α2及α3。
优选的，所述人机交互模块包括：
用于项目配置的项目配置模块；
用于数据监测的监测数据模块；
用于报警管理的报警管理模块；
用于管理报告信息的报告管理模块；以及
用于管理项目配置模块、监测数据模块、报警管理模块和报告管理模块的系统管理模块；
其中，所述项目配置模块包括：
用于管理项目的项目管理模块；
用于设备配置的设备配置模块；
用于设备管理的设备管理模块；
用于修改参数配置的参数配置模块；
用于管理结构物的结构物管理子项模块；
所述监测数据模块包括：
用于收集应力数据的应变子项模块和用于收集倾角数据的倾角子项模块；
所述报警管理模块包括：
用于存放报警阈值的报警阈值模块和用于管理报警信息的报警信息管理子项模块；
所述报告管理模块包括：
用于下载报表的报表查询下载子项模块。
本发明之二的基于权利要求1所述一体化架桥机监测系统的监测方法，包括：
步骤T1，传感器组采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据；
步骤T2，黑匣子接收从传感器组采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据，并通过网关发送到一体化架桥机监测系统的远程服务器中；
步骤T3，对获取的数据进行解析并持续进行数据清洗，通过数据清洗将数据划分为离群数据与非离群数据，若为离群数据，进行步骤T4，若为非离群数据，进行步骤T6；
步骤T4，在离群数据中进行数据分类，若连续3秒的离群数据超出传感器的量程范围时，则判定为异常数据，进行步骤T5，否则判定为非异常数据，进行步骤T6；
步骤T5，则进行设备状况排查，再返回至步骤T3；
步骤T6，将非离群数据与非异常数据进行整合，依照阈值表进行条件判断；
步骤T7，若连续3秒的应变或倾角数值满足阈值表规定的预警值时，则按照相应风险等级采用具体预警形式启动一体化架桥机的预警工作，待现场结构安全风险排除后继续进行桥梁构件安装，若不满足阈值表规定的预警值时，则返回步骤T3；
步骤T8，若应变及倾角数值未达到预警值时，则返回步骤T3，直至一体化架桥机停止工作为止。
优选的，数据清洗方法具体如下：采用箱形图识别方法，即分别将应变监测数据、倾角监测数据的上下界、上下四分位数、中位数、均值展示在箱形图中，超出上下界的监测数据归类为离群数据，上下界获取的方法如下：
Uw＝Uq+k(Uq-Lq)，Lw＝Lq-k(Uq-Lq)；
式中，Uw为监测数据的上界值，Lw为监测数据的下界值，Uq为监测数据的上四分位数，Lq为监测数据的下四分位数，k取1.5～2.0；
所述阈值表中预警值由监测数据、检测数据、算例数据及规范要求四部分综合决定，并依照不断更新的监测及检测数据进行修正。
优选的，所述阈值表中规定了相应风险等级的预警阈值，所述风险等级由低到高分为一至三级；
三级预警下的阈值由规范计算得出，数值表示分别为Ⅲ-α1、Ⅲ-α2、Ⅲ-α3、Ⅲ-S1、Ⅲ-S2、Ⅲ-S3及Ⅲ-S4；
二级预警下的阈值由有限元分析软件按设计荷载计算得出，数值表示分别为Ⅱ-α1、Ⅱ-α2、Ⅱ-α3、Ⅱ-S1、Ⅱ-S2、Ⅱ-S3及Ⅱ-S4；
一级预警下的阈值由实时监测数据及定期检测数据综合评价得出，数值表示分别为Ⅰ-α1、Ⅰ-α2、Ⅰ-α3、Ⅰ-S1、Ⅰ-S2、Ⅰ-S3及Ⅰ-S4。
优选的，所述监测数据由安装在一体化架桥机上的传感器组获取；
所述检测数据通过光电图像测量仪在现场定期采集，利用三脚架固定并远离一体化架桥机远端位置，距离一体化架桥机50m～100m，在架桥机主梁的下弦杆位置等间距粘贴带有灰度特征的靶标纸，在采集界面调整参数后采集一体化架桥机运营期间的主梁挠度，并依据采集数据拟合出架桥机的挠曲线，通过拟合的挠曲线计算得出倾角传感器安装位置所处截面倾角；
所述算例数据由有限元分析软件计算得出，输出数据为各工况下的应变、倾角极值；
所述规范要求是依据对应钢材的强度设计值，强度及变形限值要求推算得出的倾角数值选取。
优选的，依据光电图像测量仪的采集数据拟合出的所述挠曲线表达式如下：
w1(x)＝-2.46×10-12x7+7.36×10-10x6-8.73×10-8x5+5.16×10-6x4-1.54×10-4x3+1.92×10-3x2+1.44×10-3x-0.14；
w2(x)＝-3.53×10-12x7+1.03×10-9x6-1.18×10-7x5+6.71×10-6x4-1.90×10-4x3+2.12×10-3x2+1.44×10-3x-0.18；
w3(x)＝-1.19×10-12x7+3.33×10-10x6-3.60×10-8x5+1.86×10-6x4-4.56×10-5x3+4.24×10-4x2+8.60×10-6x-0.01；
w4(x)＝-1.94×10-12x7+5.26×10-10x6-5.57×10-8x5+2.90×10-6x4-7.65×10-5x3+8.76×10-4x2-4.93×10-4x-0.04；
w5(x)＝-2.47×10-12x7+6.63×10-10x6-6.94×10-8x5+3.58×10-6x4-9.44×10-5x3+1.10×10-3x2-8.92×10-4x-0.05；
w6(x)＝-1.76×10-12x7+4.45×10-10x6-4.13×10-8x5+1.70×10-6x4-3.22×10-5x3+3.03×10-4x2+5.66×10-4x+5.66×10-4；
式中，w1(x)、w2(x)、w3(x)、w4(x)、w5(x)及w6(x)分别为工况一、工况二、工况三、工况四、工况五及工况六作用下主梁的挠度函数，挠度数值向上为正，x为与尾部平台的纵向距离，纵向为天车沿主梁的移动方向，x最小取0m、最大取80m；
依据所述挠曲线推算出主梁的截面转角方程如下：
θ1(x)＝-1.722×10-11x6+4.416×10-9x5-4.365×10-7x4+2.064×10-5x3-4.62×10-4x2+3.84×10-3x+1.44×10-3；
θ2(x)＝-2.471×10-11x6+6.18×10-9x5-5.9×10-7x4+2.684×10-5x3-5.70×10-4x2+4.24×10-3x+1.44×10-3；
θ3(x)＝-8.33×10-12x6+1.998×10-9x5-1.80×10-7x4+7.44×10-6x3-1.368×10-4x2+8.48×10-4x+8.60×10-6；
θ4(x)＝-1.358×10-11x6+3.156×10-9x5-2.785×10-7x4+1.16×10-5x3-2.295×10-4x2+1.752×10-3x-4.93×10-4；
θ5(x)＝-1.729×10-11x6+3.978×10-9x5-3.47×10-7x4+1.432×10-5x3-2.83×10- 4x2+2.20×10-3x-8.92×10-4；
θ6(x)＝-1.232×10-11x6+2.67×10-9x5-2.065×10-7x4+6.80×10-6x3-9.66×10-5x2+6.06×10-4x+5.66×10-4；
式中，θ1(x)、θ2(x)、θ3(x)、θ4(x)、θ5(x)及θ6(x)分别为工况一、工况二、工况三、工况四、工况五及工况六作用下主梁的截面转角函数，x为与尾部平台的纵向距离，纵向为天车沿主梁的移动方向，x最小取0m、最大取80m，根据倾角传感器安装位置处的x值并结合上述转角函数，可求得各工况下倾角测点的数据。
优选的，所述光电图像测量仪带有内置算法，通过处理变形前后架桥机下弦杆表面的数字图像直接获得位移信息。
优选的，
若|α1|≤Ⅰ-α1或|α2|≤Ⅰ-α2或|α3|≤Ⅰ-α3或|S1|≤Ⅰ-S1或|S2|≤Ⅰ-S2或|S3|≤Ⅰ-S3或|S4|≤Ⅰ-S4，则判定一体化架桥机结构处于安全状态，可正常施工；
若Ⅰ-α1＜|α1|≤Ⅱ-α1或Ⅰ-α2＜|α2|≤Ⅱ-α2或Ⅰ-α3＜|α3|≤Ⅱ-α3或Ⅰ-S1＜|S1|≤Ⅱ-S1或Ⅰ-S2＜|S2|≤Ⅱ-S2或Ⅰ-S3＜|S3|≤Ⅱ-S3或Ⅰ-S4＜|S4|≤Ⅱ-S4，则判定一体化架桥机结构处于中风险状态，并启动一级预警机制，通过短信、邮箱等方式提醒施工人员及项目负责人注意调整架桥机的工作状态；
若Ⅱ-α1＜|α1|≤Ⅲ-α1或Ⅱ-α2＜|α2|≤Ⅲ-α2或Ⅱ-α3＜|α3|≤Ⅲ-α3或Ⅱ-S1＜|S1|≤Ⅲ-S1或Ⅱ-S2＜|S2|≤Ⅲ-S2或Ⅱ-S3＜|S3|≤Ⅲ-S3或Ⅱ-S4＜|S4|≤Ⅲ-S4，则判定一体化架桥机结构处于高风险状态，并启动二级预警机制，通过短信、邮箱、现场蜂鸣报警等方式提醒施工人员及项目负责人立即停工，待监测值稳定时对架桥机进行安全检查、排除危险状态；
若|α1|＞Ⅲ-α1或|α2|＞Ⅲ-α2或|α3|＞Ⅲ-α3或|S1|＞Ⅲ-S1或|S2|＞Ⅲ-S2或|S3|＞Ⅲ-S3或|S4|＞Ⅲ-S4，则判定一体化架桥机结构处于极高风险状态，并启动三级预警机制，通过短信、邮箱、现场蜂鸣报警等方式提醒施工人员及项目负责人立即停工，施工人员撤离危险区。
本发明的有益效果是：
本发明通过现场安装的黑匣子实时捕获一体化架桥机在箱梁安装、立柱安装、盖梁安装、架桥机过孔等关键工况下关键截面的应变、倾角等参数，将上述参数发送至一体化架桥机监测系统的远程服务器中，经历监测系统的工作后，将监测数据划分为非离群数据、离群数据，随后又将离群数据分为非异常数据及异常数据，通过将非离群数据、非异常数据与阈值表中规定的数值进行对比，决定是否启动预警，阈值表中的数值依照监测数据、检测数据、算例数据及规范要求综合决定，并随着监测数据、检测数据的更新而修正，监测数据为黑匣子获取的数据，检测数据由非接触式测量方式获得，最终从结构的强度、刚度、稳定性等方面指导一体化架桥机的施工。
本发明采用一定的数据清洗方法，将监测数据进行了科学的分类，并针对相应数据类型提出了解决的方法，提高了数据处理的效率；其次，将接触式远程实时监测手段与非接触式现场检测手段融合，并结合软件计算结果与规范要求提出了架桥机施工的预警指标，并依照数据区间进行相应预警等级的确定，采取不同的处置措施，全面地指导了一体化架桥机地施工安全。
附图说明
图1是本发明的一体化架桥机结构及传感器组布置图；
图2为本发明的一体化架桥机监测系统模块图；
图3为本发明的工况一作用下单侧主梁的支承形式及荷载位置图；
图4为本发明的工况二作用下单侧主梁的支承形式及荷载位置图；
图5为本发明的工况三作用下单侧主梁的支承形式及荷载位置图；
图6为本发明的工况四作用下单侧主梁的支承形式及荷载位置图；
图7为本发明的工况五作用下单侧主梁的支承形式及荷载位置图；
图8为本发明的工况六作用下单侧主梁的支承形式及荷载位置图；
图9为本发明公开的数据清洗方法图；
图10为本发明的一体化架桥机监测系统的监测方法流程图；
图11为本发明的数据清洗前倾角数据监测结果图；
图12为本发明的倾角数据清洗结果图；
图13为本发明的数据清洗前应变数据监测结果图；
图14为本发明的应变数据清洗结果图。
图中：1、主梁；2、尾部平台；3、主梁前连接系；4、主梁后连接系；5、第一支腿；6、第二支腿；7、第三支腿；8、第四支腿；9、第五支腿；10、前天车；11、后天车；12、上弦杆；13、腹板；14、下弦杆；15、第一应变计；16、第二应变计；17、第三应变计；18、第四应变计；19、第一倾角计；20、第二倾角计；21、第三倾角计；22、黑匣子。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一体化架桥机结构包括主梁1、尾部平台2、主梁前连接系3、主梁后连接系4、第一支腿5、第二支腿6、第三支腿7、第四支腿8、第五支腿9、前天车10及后天车11。除主梁1、第四支腿8、第五支腿9的数量为2外，其余结构部分的数量均为1。
实施例一
本发明提供了一体化架桥机监测系统，如图2所示，包括传感器组22、黑匣子23、远程服务器24以及人机交互模块25。
传感器组22安装在一体化架桥机上，用于采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据；具体包括应变传感器组及倾角传感器组，传感器的数量及布置方式采用有限元模型计算优化，计算按照特定的模块化的一体化架桥机施工流程进行工况划分及关键工况提取，依据一体化架桥机在运营时的支腿支撑情况简化力学模型以便于架桥机有限元模型中荷载的施加。经计算优化后，选取主梁四个关键截面分别安装第一应变计15、第二应变计16、第三应变计17、第四应变计18，安装位置均在腹板13的上部，用于监测主梁1的正应力。选取一个第一支腿5截面，两个主梁1截面分别安装第一倾角计19、第二倾角计20、第三倾角计21，用于监测第一支腿5及主梁1关键截面的转角，第一倾角计19安装在第一支腿5的上部，第二倾角计20、第三倾角计21安装在主梁选定截面的上弦杆12上。第一应变计15、第二应变计16、第三应变计17、第四应变计18、第一倾角计19、第二倾角计20及第三倾角计21的监测数据表示为S1、S2、S3、S4、α1、α2及α3。
黑匣子23安装在架桥机主梁中部位置，用于接收从传感器组采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据。
一体化架桥机施工流程主要如下：
1)立柱安装
桥面运梁车喂送预制立柱至架桥机尾部，至前天车10能够起吊的位置停止；前天车10吊起立柱的前端，与运梁车同步向前，至后天车11可以起吊的位置停止；后天车11吊起立柱的后端，与前天车10同步向前行走，当前天车10行至第一支腿5与第二支腿6的中间位置时，两天车停止行走；后天车11将立柱底部缓慢下放至立柱接近竖直，将立柱底部落于地面；两天车后移至立柱成竖直状态，后天车11将立柱底部吊具松开；前天车10吊起立柱，将立柱安装到预定位置。
2)箱梁安装
箱梁由运梁车喂送至架桥机尾部，至前天车10能够起吊的位置停止；前天车10吊起梁的前端，与运梁车同步向前，至后天车11可以起吊的位置停止；后天车11吊起梁的后端，与前天车10同步向前，直至箱梁纵向吊运到第二支腿6与第三支腿7之间；前天车10与后天车11同步落梁，离支座一定高度时，通过架桥机的横移将箱梁安装到预定位置。
3)盖梁安装
盖梁由运梁车喂送至架桥机尾部，至前天车10能够起吊的位置停止；前天车10单车起吊盖梁向前运行；前天车将盖梁吊至第一支腿5、第二支腿6跨中时，启动吊具上的电动旋转功能；通过前天车10上的电动旋转吊具将盖梁旋转90度；通过前天车10的纵横移将预制盖梁安装到架好的立柱上方。
4)架桥机过孔
第五支腿9支撑，第四支腿8收起向前挂行到第三支腿7后方重新支撑；第四支腿8顶起，使第三支腿7悬空向前挂行一孔距离，至下一孔的站位位置重新支撑；第二支腿6收起，向前挂行一孔距离，至下一孔的盖梁上方重新支撑；第四支腿8再次收起向前挂行20m后重新支撑；架桥机主梁1在第二支腿6、第三支腿7、第四支腿8反托轮的驱动下，向前送出30m，架桥机一次性过孔到位，锚固各支腿与主梁1的连接。
如图3-图8所示，经简化后单侧主梁1的关键力学模型依据支承形式及荷载位置划分为六类。规定：单根主梁1自重载荷为q’，且为均布荷载；尾部平台2、主梁前连接系3、主梁后连接系4、第一支腿5、第二支腿6、第三支腿7、单根第四支腿8、单根第五支腿9、前天车10及后天车11的自重分别为F1’、F2’、F3’、F4’、F5’、F6’、F7’、F8’、F9’及F10’，均为集中荷载；箱梁、立柱及盖梁自重载荷分别为g1、g2、g3，均为集中荷载。则：
P1＝m×(F1’/2+F3’)，P2＝m×F2’/2，P3＝m×F8’，P4＝m×F7’，F1＝m
×(g1/4+F9’/2)；
F2＝m×F10’/2，F3＝m×(g1/4+F10’/2)，F4＝m×(g2+F9’/2)，F5＝m×(g3+F9’
/2)；
q＝m×q’，F6＝m×F9’/2，P5＝m×F4’/2。
式中，m为动载因数，取1.1～1.3。
下表为工况分类及描述。
远程服务器24用于对来自所述黑匣子的应力数据和倾角数据进行数据清洗，并划分数据类型，依照阈值表进行条件判断，判定相应风险。
人机交互模块25用于实现人机交互控制，具体包括：项目配置模块用于项目配置；监测数据模块用于数据监测；报警管理模块用于报警管理；报告管理模块用于报告管理信息；以及系统管理模块用于管理项目配置模块、监测数据模块、报警管理模块和报告管理模块。
具体地，项目配置模块包括：项目管理模块用于管理项目；设备配置模块用于设备配置；设备管理模块用于设备管理；参数配置模块用于修改参数配置；结构物管理子项模块用于管理结构物。
具体地，监测数据模块包括：应变子项模块用于收集应力数据；倾角子项模块用于收集倾角数据。
具体地，报警管理模块包括：报警阈值模块用于存放报警阈值；报警信息管理子项模块用于管理报警信息。
具体地，报告管理模块包括：报表查询下载子项模块用于下载报表。
实施例二
如图9所示，基于一体化架桥机监测系统的监测方法，包括：
步骤T1，传感器组采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据；
步骤T2，黑匣子接收从传感器组采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据，并通过网关发送到一体化架桥机监测系统的远程服务器中；
步骤T3，对获取的数据进行解析并持续进行数据清洗，通过数据清洗将数据划分为离群数据与非离群数据，若为离群数据，进行步骤T4，若为非离群数据，进行步骤T6；
步骤T4，在离群数据中进行数据分类，若连续3秒的离群数据超出传感器的量程范围时，则判定为异常数据，进行步骤T5，否则判定为非异常数据，进行步骤T6；
步骤T5，应变计的量程为±3000，倾角计的量程为±30°，此时应安排人员现场检查传感器设备运行情况，则进行设备状况排查，如传感器损坏需更换传感器，再返回至步骤T3；
步骤T6，将非离群数据与非异常数据进行整合，依照阈值表进行条件判断；
步骤T7，若连续3秒的应变或倾角数值满足阈值表规定的预警值时，则按照相应风险等级采用具体预警形式启动一体化架桥机的预警工作，待现场结构安全风险排除后继续进行桥梁构件安装，若不满足阈值表规定的预警值时，则返回步骤T3；
步骤T8，若应变及倾角数值未达到预警值时，则返回步骤T3，直至一体化架桥机停止工作为止。
在一个可选的实施例中，数据清洗方法具体如下：采用箱形图识别方法，即分别将应变监测数据、倾角监测数据的上下界、上下四分位数、中位数、均值展示在箱形图中，超出上下界的监测数据归类为离群数据，如图10所示，上下界获取的方法如下：
Uw＝Uq+k(Uq-Lq)，Lw＝Lq-k(Uq-Lq)；
式中，Uw为监测数据的上界值，Lw为监测数据的下界值，Uq为监测数据的上四分位数，Lq为监测数据的下四分位数，k取1.5～2.0。
图11为数据清洗前倾角数据监测结果，图12为倾角数据清洗结果，即过滤离群数据之后的倾角数据；图13为数据清洗前应变数据监测结果，图14为应变数据清洗结果，即过滤离群数据之后的应变数据。由结果可知，清洗后的监测数据为非离群数据，离散化程度较低。
在一个可选的实施例中，阈值表中预警值由监测数据、检测数据、算例数据及规范要求四部分综合决定，并依照不断更新的监测及检测数据进行修正。
在一个可选的实施例中，阈值表中规定了相应风险等级的预警阈值，所述风险等级由低到高分为一至三级；三级预警下的阈值由规范计算得出，数值表示分别为Ⅲ-α1、Ⅲ-α2、Ⅲ-α3、Ⅲ-S1、Ⅲ-S2、Ⅲ-S3及Ⅲ-S4；二级预警下的阈值由有限元分析软件按设计荷载计算得出，数值表示分别为Ⅱ-α1、Ⅱ-α2、Ⅱ-α3、Ⅱ-S1、Ⅱ-S2、Ⅱ-S3及Ⅱ-S4；一级预警下的阈值由实时监测数据及定期检测数据综合评价得出，数值表示分别为Ⅰ-α1、Ⅰ-α2、Ⅰ-α3、Ⅰ-S1、Ⅰ-S2、Ⅰ-S3及Ⅰ-S4。
在一个可选的实施例中，监测数据由安装在一体化架桥机上的传感器组获取；检测数据通过光电图像测量仪在现场定期采集，利用三脚架固定并远离一体化架桥机远端位置，距离一体化架桥机50m～100m，在架桥机主梁的下弦杆位置等间距粘贴带有灰度特征的靶标纸，在采集界面调整参数后采集一体化架桥机运营期间的主梁挠度，并依据采集数据拟合出架桥机的挠曲线，通过拟合的挠曲线计算得出倾角传感器安装位置所处截面倾角；算例数据由有限元分析软件(例如：ABAQUS、MI DAS CIVI L)计算得出，输出数据为各工况下的应变、倾角极值；规范要求是依据对应钢材的强度设计值，强度及变形限值要求推算得出的倾角数值选取。
在一个可选的实施例中，依据光电图像测量仪的采集数据拟合出的所述挠曲线表达式如下：
w1(x)＝-2.46×10-12x7+7.36×10-10x6-8.73×10-8x5+5.16×10-6x4-1.54×10-4x3+1.92×10-3x2+1.44×10-3x-0.14；
w2(x)＝-3.53×10-12x7+1.03×10-9x6-1.18×10-7x5+6.71×10-6x4-1.90×10-4x3+2.12×10-3x2+1.44×10-3x-0.18；
w3(x)＝-1.19×10-12x7+3.33×10-10x6-3.60×10-8x5+1.86×10-6x4-4.56×10-5x3+4.24×10-4x2+8.60×10-6x-0.01；
w4(x)＝-1.94×10-12x7+5.26×10-10x6-5.57×10-8x5+2.90×10-6x4-7.65×10-5x3+8.76×10-4x2-4.93×10-4x-0.04；
w5(x)＝-2.47×10-12x7+6.63×10-10x6-6.94×10-8x5+3.58×10-6x4-9.44×10-5x3+1.10×10-3x2-8.92×10-4x-0.05；
w6(x)＝-1.76×10-12x7+4.45×10-10x6-4.13×10-8x5+1.70×10-6x4-3.22×10-5x3+3.03×10-4x2+5.66×10-4x+5.66×10-4；
式中，w1(x)、w2(x)、w3(x)、w4(x)、w5(x)及w6(x)分别为工况一、工况二、工况三、工况四、工况五及工况六作用下主梁1的挠度函数，挠度数值向上为正，x为与尾部平台2的纵向距离，纵向为天车沿主梁1的移动方向，x最小取0m、最大取80m；
依据所述挠曲线推算出主梁的截面转角方程如下：
θ1(x)＝-1.722×10-11x6+4.416×10-9x5-4.365×10-7x4+2.064×10-5x3-4.62
×10-4x2+3.84×10-3x+1.44×10-3；
θ2(x)＝-2.471×10-11x6+6.18×10-9x5-5.9×10-7x4+2.684×10-5x3-5.70×
10-4x2+4.24×10-3x+1.44×10-3；
θ3(x)＝-8.33×10-12x6+1.998×10-9x5-1.80×10-7x4+7.44×10-6x3-1.368×
10-4x2+8.48×10-4x+8.60×10-6；
θ4(x)＝-1.358×10-11x6+3.156×10-9x5-2.785×10-7x4+1.16×10-5x3-2.295
×10-4x2+1.752×10-3x-4.93×10-4；
θ5(x)＝-1.729×10-11x6+3.978×10-9x5-3.47×10-7x4+1.432×10-5x3-2.83×
10-4x2+2.20×10-3x-8.92×10-4；
θ6(x)＝-1.232×10-11x6+2.67×10-9x5-2.065×10-7x4+6.80×10-6x3-9.66×
10-5x2+6.06×10-4x+5.66×10-4；
式中，θ1(x)、θ2(x)、θ3(x)、θ4(x)、θ5(x)及θ6(x)分别为工况一、工况二、工况三、工况四、工况五及工况六作用下主梁的截面转角函数，x为与尾部平台的纵向距离，纵向为天车沿主梁2的移动方向，x最小取0m、最大取80m，根据倾角传感器安装位置处的x值并结合上述转角函数，可求得各工况下倾角测点的数据。
光电图像测量仪带有内置算法，通过处理变形前后架桥机下弦杆14表面的数字图像直接获得位移信息。在一体化架桥机变形前图像中，取某待求点(x，y)为中心的M*N像素大小的矩形参考子区，在变形后的图像中通过一定的搜索方法按预先定义的互相关函数进行相关运算，寻找与变形前图像子区的相关系数为全局极值的以(x’，y’)为中心的变形后图像子区，最终确定参考图像子区的位移，参考图像子区的位移即为架桥机测量点的位移。
依据首轮监测、检测数据，并结合计算结果及规范要求确定的预警阈值，如下表所示。
若|α1|≤Ⅰ-α1或|α2|≤Ⅰ-α2或|α3|≤Ⅰ-α3或|S1|≤Ⅰ-S1或|S2|≤Ⅰ-S2或|S3|≤Ⅰ-S3或|S4|≤Ⅰ-S4，则判定一体化架桥机结构处于安全状态，可正常施工；
若Ⅰ-α1＜|α1|≤Ⅱ-α1或Ⅰ-α2＜|α2|≤Ⅱ-α2或Ⅰ-α3＜|α3|≤Ⅱ-α3或Ⅰ-S1＜|S1|≤Ⅱ-S1或Ⅰ-S2＜|S2|≤Ⅱ-S2或Ⅰ-S3＜|S3|≤Ⅱ-S3或Ⅰ-S4＜|S4|≤Ⅱ-S4，则判定一体化架桥机结构处于中风险状态，并启动一级预警机制，通过短信、邮箱等方式提醒施工人员及项目负责人注意调整架桥机的工作状态；
若Ⅱ-α1＜|α1|≤Ⅲ-α1或Ⅱ-α2＜|α2|≤Ⅲ-α2或Ⅱ-α3＜|α3|≤Ⅲ-α3或Ⅱ-S1＜|S1|≤Ⅲ-S1或Ⅱ-S2＜|S2|≤Ⅲ-S2或Ⅱ-S3＜|S3|≤Ⅲ-S3或Ⅱ-S4＜|S4|≤Ⅲ-S4，则判定一体化架桥机结构处于高风险状态，并启动二级预警机制，通过短信、邮箱、现场蜂鸣报警等方式提醒施工人员及项目负责人立即停工，待监测值稳定时对架桥机进行安全检查、排除危险状态；
若|α1|＞Ⅲ-α1或|α2|＞Ⅲ-α2或|α3|＞Ⅲ-α3或|S1|＞Ⅲ-S1或|S2|＞Ⅲ-S2或|S3|＞Ⅲ-S3或|S4|＞Ⅲ-S4，则判定一体化架桥机结构处于极高风险状态，并启动三级预警机制，通过短信、邮箱、现场蜂鸣报警等方式提醒施工人员及项目负责人立即停工，施工人员撤离危险区。
本发明采用数据清洗方法，将监测数据进行了科学的分类，并针对相应数据类型提出了解决的方法，提高了数据处理的效率；其次，将接触式远程实时监测手段与非接触式现场检测手段融合，并结合软件计算结果与规范要求提出了架桥机施工的预警指标，并依照数据区间进行相应预警等级的确定，采取不同的处置措施，全面地指导了一体化架桥机地施工安全。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。
Claims (6)
1.一体化架桥机监测系统，一体化架桥机结构包括主梁、尾部平台、主梁前连接系、主梁后连接系、第一支腿、第二支腿、第三支腿、第四支腿、第五支腿、前天车及后天车，其特征在于，一体化架桥机监测系统包括：
安装在一体化架桥机上，用于采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据的传感器组；
安装在主梁中部位置，接收应力数据和倾角数据的黑匣子；
用于对来自所述黑匣子的应力数据和倾角数据进行数据清洗，并划分数据类型，依照阈值表进行条件判断，判定相应风险的远程服务器；以及
与远程服务器相接，用于实现人机交互控制的人机交互模块；
所述阈值表中预警值由监测数据、检测数据、算例数据及规范要求四部分综合决定，并依照不断更新的监测及检测数据进行修正；
所述阈值表中规定了相应风险等级的预警阈值，所述风险等级由低到高分为一至三级；
三级预警下的阈值由规范计算得出，数值表示分别为Ⅲ-α1、Ⅲ-α2、Ⅲ-α3、Ⅲ-S1、Ⅲ-S2、Ⅲ-S3及Ⅲ-S4；
二级预警下的阈值由有限元分析软件按设计荷载计算得出，数值表示分别为Ⅱ-α1、Ⅱ-α2、Ⅱ-α3、Ⅱ-S1、Ⅱ-S2、Ⅱ-S3及Ⅱ-S4；
一级预警下的阈值由实时监测数据及定期检测数据综合评价得出，数值表示分别为Ⅰ-α1、Ⅰ-α2、Ⅰ-α3、Ⅰ-S1、Ⅰ-S2、Ⅰ-S3及Ⅰ-S4；
所述监测数据由安装在一体化架桥机上的传感器组获取；
所述检测数据通过光电图像测量仪在现场定期采集，利用三脚架固定并远离一体化架桥机远端位置，距离一体化架桥机50m～100m，在架桥机主梁的下弦杆位置等间距粘贴带有灰度特征的靶标纸，在采集界面调整参数后采集一体化架桥机运营期间的主梁挠度，并依据采集数据拟合出架桥机的挠曲线，通过拟合的挠曲线计算得出倾角传感器安装位置所处截面倾角；
所述算例数据由有限元分析软件计算得出，输出数据为各工况下的应变、倾角极值；
所述规范要求是依据对应钢材的强度设计值，强度及变形限值要求推算得出的倾角数值选取；
所述传感器组包括用于监测主梁正应力的应变传感器组和用于监测第一支腿及主梁关键截面转角的倾角传感器组，
所述应变传感器组包括等距离安装在主梁上的第一应变计、第二应变计、第三应变计和第四应变计；
所述倾角传感器组包括安装在第一支腿上端的第一倾角计，分别安装在主梁一侧的第二倾角计和第三倾角计；
所述第一应变计、所述第二应变计、所述第三应变计、所述第四应变计、所述第一倾角计、所述第二倾角计及所述第三倾角计的监测数据表示为S1、S2、S3、S4、α1、α2及α3；
若|α1|≤Ⅰ-α1或|α2|≤Ⅰ-α2或|α3|≤Ⅰ-α3或|S1|≤Ⅰ-S1或|S2|≤Ⅰ-S2或|S3|≤Ⅰ-S3或|S4|≤Ⅰ-S4，则判定一体化架桥机结构处于安全状态，可正常施工；
若Ⅰ-α1＜|α1|≤Ⅱ-α1或Ⅰ-α2＜|α2|≤Ⅱ-α2或Ⅰ-α3＜|α3|≤Ⅱ-α3或Ⅰ-S1＜|S1|≤Ⅱ-S1或Ⅰ-S2＜|S2|≤Ⅱ-S2或Ⅰ-S3＜|S3|≤Ⅱ-S3或Ⅰ-S4＜|S4|≤Ⅱ-S4，则判定一体化架桥机结构处于中风险状态，并启动一级预警机制，通过短信、邮箱方式提醒施工人员及项目负责人注意调整架桥机的工作状态；
若Ⅱ-α1＜|α1|≤Ⅲ-α1或Ⅱ-α2＜|α2|≤Ⅲ-α2或Ⅱ-α3＜|α3|≤Ⅲ-α3或Ⅱ-S1＜|S1|≤Ⅲ-S1或Ⅱ-S2＜|S2|≤Ⅲ-S2或Ⅱ-S3＜|S3|≤Ⅲ-S3或Ⅱ-S4＜|S4|≤Ⅲ-S4，则判定一体化架桥机结构处于高风险状态，并启动二级预警机制，通过短信、邮箱、现场蜂鸣报警方式提醒施工人员及项目负责人立即停工，待监测值稳定时对架桥机进行安全检查、排除危险状态；
若|α1|＞Ⅲ-α1或|α2|＞Ⅲ-α2或|α3|＞Ⅲ-α3或|S1|＞Ⅲ-S1或|S2|＞Ⅲ-S2或|S3|＞Ⅲ-S3或|S4|＞Ⅲ-S4，则判定一体化架桥机结构处于极高风险状态，并启动三级预警机制，通过短信、邮箱、现场蜂鸣报警方式提醒施工人员及项目负责人立即停工，施工人员撤离危险区。
2.根据权利要求1所述的一体化架桥机监测系统，其特征在于，所述人机交互模块包括：
用于项目配置的项目配置模块；
用于数据监测的监测数据模块；
用于报警管理的报警管理模块；
用于管理报告信息的报告管理模块；以及
用于管理项目配置模块、监测数据模块、报警管理模块和报告管理模块的系统管理模块；
其中，所述项目配置模块包括：
用于管理项目的项目管理模块；
用于设备配置的设备配置模块；
用于设备管理的设备管理模块；
用于修改参数配置的参数配置模块；
用于管理结构物的结构物管理子项模块；
所述监测数据模块包括：
用于收集应力数据的应变子项模块和用于收集倾角数据的倾角子项模块；
所述报警管理模块包括：
用于存放报警阈值的报警阈值模块和用于管理报警信息的报警信息管理子项模块；
所述报告管理模块包括：
用于下载报表的报表查询下载子项模块。
3.基于权利要求1所述一体化架桥机监测系统的监测方法，其特征在于，包括：
步骤T1，传感器组采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据；
步骤T2，黑匣子接收从传感器组采集一体化架桥机施工时关键截面的应力数据和倾角数据，并通过网关发送到一体化架桥机监测系统的远程服务器中；
步骤T3，对获取的数据进行解析并持续进行数据清洗，通过数据清洗将数据划分为离群数据与非离群数据，若为离群数据，进行步骤T4，若为非离群数据，进行步骤T6；
步骤T4，在离群数据中进行数据分类，若连续3秒的离群数据超出传感器的量程范围时，则判定为异常数据，进行步骤T5，否则判定为非异常数据，进行步骤T6；
步骤T5，则进行设备状况排查，再返回至步骤T3；
步骤T6，将非离群数据与非异常数据进行整合，依照阈值表进行条件判断；
步骤T7，若连续3秒的应变或倾角数值满足阈值表规定的预警值时，则按照相应风险等级采用具体预警形式启动一体化架桥机的预警工作，待现场结构安全风险排除后继续进行桥梁构件安装，若不满足阈值表规定的预警值时，则返回步骤T3；
步骤T8，若应变及倾角数值未达到预警值时，则返回步骤T3，直至一体化架桥机停止工作为止。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，数据清洗方法具体如下：采用箱形图识别方法，即分别将应变监测数据、倾角监测数据的上下界、上下四分位数、中位数、均值展示在箱形图中，超出上下界的监测数据归类为离群数据，上下界获取的方法如下：
U w= U q +k（U q- L q ），L w= L q - k（U q- L q ）；
式中，Uw为监测数据的上界值，Lw 为监测数据的下界值，Uq为监测数据的上四分位数，Lq为监测数据的下四分位数，k取1.5～2.0；
所述阈值表中预警值由监测数据、检测数据、算例数据及规范要求四部分综合决定，并依照不断更新的监测及检测数据进行修正。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，依据光电图像测量仪的采集数据拟合出的所述挠曲线表达式如下：
w 1(x)=-2.46×10-12 x 7+7.36×10-10 x 6-8.73×10-8 x 5+5.16×10-6 x 4-1.54×10-4 x 3+1.92×10-3 x 2+1.44×10-3 x-0.14；
w 2(x)=-3.53×10-12 x 7+1.03×10-9 x 6-1.18×10-7 x 5+6.71×10-6 x 4-1.90×10-4 x 3+2.12×10-3 x 2+1.44×10-3 x-0.18；
w 3(x)=-1.19×10-12 x 7+3.33×10-10 x 6-3.60×10-8 x 5+1.86×10-6 x 4-4.56×10-5 x 3+4.24×10-4 x 2+8.60×10-6 x-0.01；
w 4(x)=-1.94×10-12 x 7+5.26×10-10 x 6-5.57×10-8 x 5+2.90×10-6 x 4-7.65×10-5 x 3+8.76×10-4 x 2-4.93×10-4 x-0.04；
w 5(x)=-2.47×10-12 x 7+6.63×10-10 x 6-6.94×10-8 x 5+3.58×10-6 x 4-9.44×10-5 x 3+1.10×10-3 x 2-8.92×10-4 x-0.05；
w 6(x)=-1.76×10-12 x 7+4.45×10-10 x 6-4.13×10-8 x 5+1.70×10-6 x 4-3.22×10-5 x 3+3.03×10-4 x 2+5.66×10-4 x+5.66×10-4；
式中，w 1(x)、w 2(x)、w 3(x)、w 4(x) 、w 5(x) 及w 6(x) 分别为工况一、工况二、工况三、工况四、工况五及工况六作用下主梁的挠度函数，挠度数值向上为正，x为与尾部平台的纵向距离，纵向为天车沿主梁的移动方向，x最小取0m、最大取80m；
依据所述挠曲线推算出主梁的截面转角方程如下：
θ 1(x)=-1.722×10-11 x 6+4.416×10-9 x 5-4.365×10-7 x 4+2.064×10-5 x 3-4.62×10-4 x 2+3.84×10-3 x+1.44×10-3；
θ 2(x)=-2.471×10-11 x 6+6.18×10-9 x 5-5.9×10-7 x 4+2.684×10-5 x 3-5.70×10-4 x 2+4.24×10-3 x+1.44×10-3；
θ 3(x)=-8.33×10-12 x 6+1.998×10-9 x 5-1.80×10-7 x 4+7.44×10-6 x 3-1.368×10-4 x 2+8.48×10-4 x+8.60×10-6；
θ 4(x)=-1.358×10-11 x 6+3.156×10-9 x 5-2.785×10-7 x 4+1.16×10-5 x 3-2.295×10-4 x 2+1.752×10-3 x-4.93×10-4；
θ 5(x)=-1.729×10-11 x 6+3.978×10-9 x 5-3.47×10-7 x 4+1.432×10-5 x 3-2.83×10-4 x 2+2.20×10-3 x-8.92×10-4；
θ 6(x)=-1.232×10-11 x 6+2.67×10-9 x 5-2.065×10-7 x 4+6.80×10-6 x 3-9.66×10-5 x 2+6.06×10-4 x+5.66×10-4；
式中，θ 1(x)、θ 2(x)、θ 3(x)、θ 4(x)、θ 5(x)及θ 6(x)分别为工况一、工况二、工况三、工况四、工况五及工况六作用下主梁的截面转角函数，x为与尾部平台的纵向距离，纵向为天车沿主梁的移动方向，x最小取0m、最大取80m，根据倾角传感器安装位置处的x值并结合上述转角函数，可求得各工况下倾角测点的数据。
6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，所述光电图像测量仪带有内置算法，通过处理变形前后架桥机下弦杆表面的数字图像直接获得位移信息。
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|---|---|---|---|
| CN202310111347.2A CN116026414B (zh) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | 一体化架桥机监测系统及监测方法 |
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