布下“天眼+天网”伍家岗长江大桥实现悬索桥上构智能化施工控制
大量悬索桥的建造施工表明，悬索桥上部结构施工工艺和技术日益成熟，但仍面临施工精度存在人为差异、大临结构施工缺乏信息化监测手段、机械设备智能化水平不高等问题。
伍家岗长江大桥悬索桥智能化施工控制系统，以物联网为基础，把卷扬机、牵引系统、视频监控等参数集中呈现到智能化监控平台系统内，实现悬索桥上构智能化施工控制的目的。该系统可为同类型长江大桥悬索桥智能化施工控制系统设计和监测提供依据和参考。
打造数据采集与处理平台
宜昌伍家岗长江大桥采用双向六车道，行车速度
80km/h。主桥设4个3.75m大车道,两个3.5m小车道,两侧各设2.0m人行道,吊索锚固区两侧各1.0m,桥面总宽31.5m;主线引桥标准段宽30.0m;匝道桥桥面宽8.0～10.0m。跨江主桥采用单跨双铰钢箱梁悬索桥。主缆跨度布置为(290+1160+402)m,中跨主缆矢跨比为1/9,矢度128.889m。
在牵引系统整体运行过程中，部署有效覆盖项目实施现场的物联网低功耗广域网通讯网络，实时采集各项关键指标数据变化，建设完善的数据采集传输与分析处理平台，提高对机电设施、运行管理、突发事件的快速处理与自动控制能力，为建立和健全项目统一指挥、快速响应、有序协调、高效运转的运行机制带来帮助。该系统在满足整体建设实施需要的同时，为后续无人值守的智能化自动运行提供关键数据支撑。
主桥总体布置如图1，智能化网络拓扑图如图2，平台系统结构图如图3，平台系统界面如图4。
图1 主桥总体布置（单位m）
图2 智能化网络拓扑图
图3 平台系统结构图
图4 平台系统界面图
智能化控制实施
无线通信及组网技术
在悬索桥施工现场环境、信号干扰源和数据采集传输需求调研的基础上，对物联网主要无线传输技术的特点和性能进行对比分析，确定无线传输方案。然后，结合实际工程进行现场组网和传输测试，根据测试结果对组网方案进行优化，对无线传输设备进行改进，形成一套适应大跨度悬索桥现场环境的无线通信及组网技术。
伍家岗长江大桥南岸和北岸各自部署了一套远距离、低功耗LoRa无线通信网络。主塔塔顶安装LoRa网关，卷扬机PLC、风速风向仪、锚索计等设备安装LoRa采集器。数据从LoRa采集器传输至LoRa网关，然后传输至伍家岗长江大桥智能化系统服务器。
拽拉器采用LoRa网络和4G/5G融合的方式，实时传输至云端服务器。
南塔和北塔的视频监控系统，通过无线网桥将视频监控信息定向传输至监控中心。
监控室的数据中心接入了中国电信的光纤主干网，服务器部署采用公有云及本地部署的混合云方式。
缆索牵引卷扬机智能监控技术
在对不同厂家的卷扬机系统进行调研的基础上，建立统一的数据通讯标准，解决不同厂家卷扬机施工参数采集和传输难题。对卷扬机控制系统进行智能化改造，实现对卷扬机的收放缆长度、速率、牵引力、反拽力等关键运行参数进行实时监测控制。
该模块包括搭建与卷扬机PLC的数据交互的OPC服务器，并在服务器中驻留采集控制系统。此系统负责从OPC服务器中采集PLC的设备状态及运行数据，并将数据通过无线定向传输网络传送至数据中心，以便于系统分析调度操作指令。采集控制系统能实时获取远程控制指令及系统自动化控制指令，并将指令传递给卷扬机PLC，以达到对卷扬机的牵引监控目的。
拽拉器牵引力及位移智能监测
RFID无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体，并可同时识别多个电子标签。
拽拉器安装RFID读卡器、无线传输模块；猫道部署100张RFID卡片，RFID卡片编号从1到100。根据卷扬机收缆长度、RFID读卡器读到的卡片编号，可以确定拽拉器位置。
通过张力传感器对拽拉器张力进行监测，以及卷扬机收缆长度，配合RFID标签及读卡器对拽拉器牵引长度、位移进行实时监测。拽拉器上的无线传输模块将数据传输到智能网关，实现拽拉器牵引力及位移智能监测。
牵引系统是悬索桥上部结构施工的关键系统化设备,它承担着悬索桥主缆施工平台、猫道以及主缆索股的牵引架设任务。系统的工作性能和效率直接关系到悬索桥主缆的施工质量和进度。该系统是由多种机械设备和操作指挥人员共同协作的大型系统，包含了牵引索股所需的动力设备、放索机构，以及各种牵引绳索和辅助系统运转的多种门架导轮组等机具。另外，牵引系统的运转需要各种设备操作人员与系统指挥人员高效协作，在保证人员和设备安全的前提下程序化运行，进而有效克服主缆牵引过程中容易出现的各种质量问题。
根据伍家岗长江大桥上部结构施工组织设计，该桥采用单线往复式牵引系统，在两岸的锚碇之间架设一根牵引索，前端与主牵引卷扬机相连，后端与副牵引卷扬机相连。牵引系统运行时，主卷扬机收绳并提供牵引力，副卷扬机放绳并施加一定的反拉力，确保牵引索的垂度，由拽拉器牵拉索股进行主缆的架设施工。一根主缆索股牵引完毕后，启动副卷扬机收绳提供牵引力，主卷扬机放绳并施加一定的反拉力来确保牵引索的垂度，将拽拉器牵拉回副卷扬机前准备进行下一根索股的牵引架设。
图5 单线往复式牵引系统示意图
牵引系统工作流程依次为：安装主、副牵引卷扬机→牵引索过江→牵引索架设牵引系统初步形成→猫道架设猫道门架系统安装含导轮组安装等主缆牵引系统形成牵引主缆索股。
拽拉器在过门架时，需要严格控制拽拉器低速均匀通过门架滑轮组。通过在牵引系统部署RFID电子标签，对拽拉器位置和速度进行监测，并将数据信息传输到控制卷扬机，控制拽拉器速度。
图6 拽拉器监测示意图
本研究课题对卷扬机控制系统进行集成，实现远程集中控制多机联动，可根据拽拉器反馈的牵引端张力信息自动调整系统张力。当拽拉器运行距门架导轮组10m左右时，可通过位置识别感知技术，减速缓慢通过导轮组，实现系统运行速度的自动控制。在运行过程中，若卷扬机出现通讯故障、电机过载、力矩超载等现象，系统将自动报警；超过极限值时，系统会自动控制停机。
视频监控
基于网络的桥梁施工监控中，施工现场的实际情况(如施工荷载分布情况等)对施工控制分析与控制决策有着重要意义。现场通过布置摄像头，可以实时掌握施工动态，对智能化施工控制起辅助作用。
在南岸主塔和北岸主塔安装视频监控，每座主塔分别监控上下游猫道和索鞍。南岸主塔和北岸主塔各安装一套无线网桥，将视频监控信息定向传输至监控中心。
视频监控模块包括前端监控、传输网络、后端采集处理控制3个层面。使用高清摄像头将现场施工实时影像通过无线网桥定向传输至数据中心，信息处理后与各牵引任务关联，方便后续可以全方位检阅回溯施工任务。
图7 猫道视频监控点图
图8 无线网桥布置点图
系统应用及分析
宜昌伍家岗长江大桥智能化施工控制系统建立了6大模块：牵引任务信息模块、现场实时视频监控模块、牵引任务中心模块、统计分析模块、基础数据模块、配置中心模块，通过前端应用平台可视化集中呈现控制。
牵引任务信息
通过上构员扫描索股二维码，自动启动牵引任务，系统自动生产任务编号关联索股编码，并实时展现此次牵引任务的信息：任务序号、开始时间、牵引耗时、牵引完成长度、牵引速率、完成长度占比。
牵引任务进度可视化区域：通过桥梁的二维模型图结合拽拉器行进位置，直观呈现牵引任务的过程；在拽拉器行进至加减速定位点及锚碇停止区域，指令区会提醒自动化操作指令是否下达及反馈；出现异常将会报警提醒。
卷杨机运行监控区域：实时呈现卷扬机的状态、运行监控数据，并呈现卷扬机拉力、速率的趋势变化。结合牵引任务过程，校验定位数据及牵引动作是否正常。
牵引过程实时视频：可同时关注6个视频影像点，也可据牵引过程，依据视频呈现规则，智能变更视频影像，保证拽拉器在牵引过程中不脱离影像监控。
紧急停止、继续任务：指挥中心针对全过程中发生的异常情况，可以暂停拽拉任务。异常处理后，可继续启动自动牵引任务。
现场实时视频监控
该模块包括视频点位分类及名称信息，通过16/9/4宫格展现选择或轮播监控实时视频。
轮播及锁定视频：轮播视频可切换选择，也可锁定视频，达到一直关注该视频点影像的效果。
显示格式切换：既可选择16/9/4宫格显示模式，也可切换至单一视频显示。该系统可以据客户需求定制存储硬件，满足视频最大保留时间。
牵引任务中心
可通过历史任务编号、索股编码、时间区间，查询历史牵引任务数据，并可通过详情页面回溯任务发生过程。
任务汇总据含：施工天数、完成牵引数量、平均速率、均耗时;牵引任务日汇总趋势变化含牵引起始日至今的每日牵引数量、均耗时、平均速率;牵引任务列表信息可通过编码、时间区间查询索股牵引任务,并可查阅任务详情。
统计分析
利用大数据技术，对项目数据进行统计分析，可通过可视化图表直观呈现项目整体数据，包含索道牵引汇总、工作日汇总、预警预报信息汇总、牵引任务日趋势变化四个部分。
索道牵引汇总：上下索道完成比列、完成索股构成、整体完成数、每日完成数量、牵引均速、均耗时、索道每索股完成牵引的时间消耗和平均速率等。
工作日汇总：通过日历展示计划工期区间、区间每日气象、实际工作日、休息日，可以直观查阅休息是否与天气有关。
预警事件统计：按施工日分类型统计各预警事件数量，并可由此判断施工过程中哪类预警事情频繁发生。
基础数据
该模块包括索股数据、RFID卡片数据、RFID卡片猫道设置三个部分。
索股数据：此数据在数据初始化后完成，呈现索道完成情况及索股基本信息，可在系统平台生成打印二维码，须在页面完成二维码的打印及校对。
RFID卡片数据：初始化后即完成所有采购RFID卡片的资料入库工作，呈现卡片的基本信息及使用状态。
RFID卡片猫道设置：维护上下游猫道的卡片序列，平台将会初始化卡片序列。因为此基础数据关系拽拉器定位的准确与否。通过统计卡片漏读次数信息，判断卡片是否存在故障。此界面允许更换故障卡片，并可显示所有卡片及卡片所在位置，方便快速定位RFID卡片。
配置中心
此模块包含人员角色权限分配、登录日志、操作日志、人员角色权限。可展现公司——部门组织架构，以及所选部门对应的人员列表信息，并可直接管理人员角色。
上构智能化施工的前景
伍家岗长江大桥物联网智能系统项目，建立了一个基于物联网的悬索桥上构智能化施工控制系统，该系统能够实现物联数据传输高效化、运行状态监管全面化、关联信息处理系统化、自动控制响应智能化的功能。该系统实现了无人值守的自动化放索，对悬索桥工程上构智能化施工控制系统研究奠定了一定的基础，提升工业4.0发展水平，充分体现了产业“互联网+”创新理念，具有一定的应用前景。
本文刊载 / 《桥梁》杂志
2021年 第1期 总第99期
作者 / 周昌栋 周志兴 代明净
作者单位 / 伍家岗长江大桥项目建设现场指挥部
中交第二航务工程局有限公司
宜昌市城市桥梁建设投资有限公司
编辑 / 王硕
美编 / 赵雯
责编 / 裴小吟
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
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