0 引言

　　与电阻应变计相比，振弦式应变传感器具有结构坚固耐用、抗外界干扰能力强和测试值稳定可靠等特点，能更方便、准确地进行数据采集，已成为广泛应用于工程中的一种非电量电测的传感器^[1]。

　　在传统的桥梁施工监测系统中，往往需先在测点布置位置将振弦式应变传感器布设好，然后通过屏蔽数据传输线接到集线箱中，并要在每根信号线两端都做标记;在读数据时，工作人员要拿着手持式频率数据仪到集线箱读取数据，将获得的数据根据频率-应变标定曲线进行分析，然后再给出结论。另外，由于桥梁施工现场测试环境复杂，布网易遭受破坏，在施工期间需经常维修，时常会出现传感器失效、测试线受损等窘状。这样，不仅传输距离短、布线复杂、成本高，人力、物力和财力等耗费较大，监测采集的实时性也得不到保证;且数据分析不及时^[2,3]，测试工作受现场条件和天气影响大。

　　为此，本文以新建南广铁路西江特大桥为背景，提出将GPRS无线传输技术应用到桥梁施工应变监测系统，设计1套基于GPRS网络的振弦式应变桥梁施工监测系统，一方面将采集到的监测信息通过GPRS网络传送到远程数据处理中心，另一方面将人机交互前端给出的指令发送至现场控制模块，实现数据信息的双向处理、传输和控制功能，并且实时在线，以得到现场实时应力，及时准确地指导现场施工。

　　1 GPRS遥测网络

　　GPRS(general packet radio service，通用分组无线业务)是一种移动分组数据业务，主要由移动终端、基站系统、服务GPRS节点和网关GPRS节点组成^[4]。在数据传输上，该网络采用2种数据传输协议TCP和UDP，使得用户能在端分组传输模式下发送和接收数据信息。由此，当采集数据信息数目达到预定值时，基于GPRS遥测网络的监测系统将按预先规定格式将所采集数据、目的地址等依次写入发送缓冲器，然后发送出去。按自定义协议，若数据信息成功接收，发送端将会接收到确认帧。

　　2 系统总体架构

　　使用GPRS网络进行桥梁施工监测在国内还不多见。基于GPRS网络的振弦式应变无线实时监测系统是利用现代网络通信技术、计算机技术与传感器技术相结合进行数据信息采集的系统，其整体组成结构如图1所示。将整个监测系统分为3个实施点，即图中最下面所示现场监测端、数据管理中心和远程访问端，3个实施点采用GPRS网络与Internet网络相结合进行数据信息的传递与反馈。

　　图1 系统总体架构示意  

　　该系统将以管理中心为核心，将监测端和访问端进行连接，采用B/S模式(Browser/Server，浏览器/服务器)^[5]，可由联网的任一台访问机进行软件管理等操作，构成主从分布式控制系统，数据管理中心以主站机为载体，主要由数据通信模块、数据库模块和数据浏览(Web Server)模块组成。现场监测端的各监测点分站机和远程访问端的访问机均属于从站，主要由振弦式应变传感器、应变采集子系统、数据传输模块、数据浏览与报表及人机交互模块等组成。

　　现场分站机布置灵活，其数据采集、处理、传输受主站机控制，由于每台分站机都独立工作，数据传输到分站机过程短、干扰因素少，经处理后的模拟数据信号通过网络模块发送，实现了数据信息的准确传输^[2]。同时，减少了有线系统中布线、拆线、线缆保护等繁杂工作，将分站机与传感器系统连接好，放置在受施工或人为干扰因素小的位置，监测人员不必经常到现场监测部位，减少了人力、物力投入，提高了监测系统的可靠性和测试效率。

　　访问端进行数据采集或信息实时控制等指令发送或接收，管理中心根据账户权限做数据信息采集、储存、显示等处理和中央控制;访问机采用分布式设计，可实现多通道信号的同步采集，并可实时将采集数据信息借助GPRS以无线方式传送给主机系统，供主站机处理分析^[6]。将访问机和主站机采用Internet连接起来，将从一端接收发送过来的数据或指令，然后根据设备映射表将此数据或指令转发给与其对应的另一端设备，同时在服务器上记录所传递的数据或指令^[7]。有组织、动态地处理关联数据与信息，并供多台访问机访问，实现数据信息的实时共享和交叉检索^[8]，实现自动采集桥梁的各施工状态参数，并将采集到的数据通过GPRS网络传送到远离桥梁的管理中心，再经过后处理，得到桥梁的施工状况评估、应力分析等结论，避免了人工带来的偶然误差或错误。

　　3 系统操作流程

　　系统操作与命令流程如图2所示。在GPRS,R485等通信协议控制下，信号采集仪根据从GPRS模块接收到的采集指令接通对应的振弦式应变传感器，激振电路使钢弦起振，传感器产生的感应电动势经信号采集仪转换为频率的数字信号，发送给GPRS模块，再通过GPRS的无线传输方式将频率数据发送至桥梁监测中心进行数据后处理和供访问机访问。

　　图2 系统操作与命令流程  

　　4 数据管理子系统

　　数据管理子系统是整个监测系统的核心之一，无论是现场的监测与控制技术人员，还是项目的管理人员和决策者都需时刻了解桥梁控制部位监测的应变状况，因此系统必须设置方便的客户端和友好的人机交互界面以满足这方面功能需要。

　　本系统采用了B/S模式进行人机交互界面前端操作，并基于图形化编程语言Labview开发。在主站机平台授权后，访问机进入人机交互界面前端操作，根据指令进行振弦式传感器的数据信息的自动采集、传输、显示、存储和测试量自动转换等，数据信息采用文本存储格式，方便进入Excel进行各种分析与处理，其中显示功能有文本显示、数字显示、示波器显示。

　　人机界面主要是能实时动态并准确反映监测对象的状态，包括完成底层传感测量数据的计算处理和测量曲线绘制等。该部分主要实现了5个方面功能:用户信息管理，包括用户属性及用户密码的设置和删除;串口管理，包括串口设置和波特率及校验方式的设置;底层传感器管理，包括底层模块号、节点号和通道号的查询与显示，还包括底层各传感器测量曲线的绘制等，并实现数据连续采集、实时采集、间歇采集等多种模式;应变时程曲线图管理，包括整个系统所有监测点应变时程曲线图的显示和单个监测点应变时程曲线的查询;一个大的数据库支持系统用来保存实时测量数据和历史数据。

　　5 实例验证

　　将研究成果应用于新建南宁—广州铁路西江特大桥两岸锚碇的现场监测工程中，主桥为中承式钢箱拱桥，主跨450m。主桥采用拱肋悬拼施工方法进行成拱，在桥址广州侧与南宁侧分别布设6个锚碇(4个扣塔锚碇和2个缆吊锚碇)。

　　由于两岸边坡坡体的岩性较差，特别是南宁岸边坡的稳定性较差^[9]，而锚碇是拱肋悬臂拼装过程中主要的锚固结构，需提供拉拔荷载大，锚碇总设计荷载为160 000k N，大桥施工中锚碇安全乃本桥施工成败的关键之一。为保证施工过程中锚碇安全稳定，要求采用振弦式应变传感器对锚碇的锚杆压力进行实时连续测试。因此，需构建振弦式应变传感器无线监测数据采集系统，系统采用防水、防雷设计，适用于野外环境下西江特大桥施工期间锚碇锚杆压力的实时连续无线监测。目前国内的应变无线监测系统主要为电阻应变片，在振弦式应变传感器无线监测方面还处于单点测试阶段，每个测试模块仅能接入1支振弦式应变传感器。西江特大桥12个锚碇的振弦式应变传感器测点数量较大，势必会增加测试模块的数量，从而增加成本，因此需构建可接入多支振弦式应变传感器的测试采集模块。

　　利用基于GPRS网络的振弦式应变监测实时系统，在新建南宁—广州铁路西江特大桥两岸锚碇的现场监测结果如图3所示。其中，1个通道对应1个振弦式应变传感器。

　　作为数据信息源头的振弦式应变传感器，在力学上可等效成1个两端固定绷紧的匀质弦，由力学原理可知，钢弦的固有振动频率与弦线所承受的张力或拉力(即传感器所承受的压力)大致呈函数关系^[10]，因此测得钢弦的固有振动频率即可求出待测压力值。由监测中心的计算机根据频率-应变标定曲线计算出相应应力。监测结果显示，除去早期锚碇锚杆力张拉初期的预应力损失外，锚杆力在拱肋悬拼过程中处于稳定状态。基于GPRS网络的振弦式应变传感器无线监测系统的成功构建为西江特大桥钢箱拱肋悬拼的安全施工提供了及时有效的数据参考，保证了拱肋的安全高精度合龙。

　　图3 振弦式应变传感器单通道测试结果 

　　6 结语

　　本文提出的基于GPRS网络的振弦式应变桥梁施工监测系统主要利用了振弦式应变传感器性能稳定、质量可靠和抗干扰能力强等优点，并通过GPRS网络对数据进行远程传输，实现了对应变数据的实时采集。在成本方面，大大降低了资源消耗，克服以有线方式进行数据传输的不足，提高了大型桥梁施工监测的工作效率;同时，在核心平台Labview下，开发出易于交互的采集、分析界面，通过使用GPRS模块的TCP/IP协议的网络传输功能，应力数据可同步传输到计算机终端，从而实现在线监测，从真正意义上实现了在线、动态、实时监测与控制。该系统可结合振弦式应变传感器-数据采集系统来完成针对不同特定对象的远程施工监测，在很多监测领域具有广阔的应用前景。但还需进一步完善监测系统的温度测试，将温度测试结果实时引入应变测试值进行温度修正。