如何延長橋樑主纜和索股的使用壽命
西堠門大橋是甬舟高速五座跨海大橋中技術要求最高的特大型跨海橋樑，主橋為兩跨連續半漂浮鋼箱梁懸索橋，主跨1650m，其跨徑在國內懸索橋中名列前茅，其中鋼箱梁全長亦位居世界前列。作為橋樑的生命線，兩根主纜採用預製平行鋼絲索股，成為不可替代關鍵結構（圖1）。每根主纜中，從北錨碇到南錨碇的通長索股有169股，北邊跨另設6 根索股（背索）在北主索鞍上錨固，南邊跨設兩根背索在南主索鞍上錨固。每根索股由127根直徑為5。25mm的高強度鍍鋅鋼絲組成。
圖1 西堠門大橋主纜及索股
南、北錨室內部環境的穩定是確保主纜索股結構健康的重要前提。索股以鋼鐵材質為主，室內溼度太高會加速其生鏽腐蝕，從而降低索股強度，減少使用壽命並引發斷裂，進而影響大橋的結構安全。研究表明當錨室溼度低於45% 時，可以減少對索股的腐蝕，延長索股和主纜使用壽命。
每個錨室中，作為唯一可以調節內部溫溼度的裝置，除溼機組（圖2）對確保錨室內部環境穩定起到重要作用，需要長期執行。由於執行方式較為單一，錨室內部空氣迴圈不暢，機組基本24小時不間斷執行，用電能耗極高且不夠綠色環保。此外，錨室內的溫溼度資料指標主要依靠人工方式採集，隨機性較大，易出現誤差，基礎資料前置感知能力不足，在工作效率和能耗管理方面需要加以改進。
圖2 西堠門大橋錨室除溼機組
核心技術及模式
為解決上述不足，大橋管養單位引進了基於物聯網技術的除溼機遠端監控系統（圖3）。首先，透過大資料分析，技術人員對錨室內部空氣迴圈進行渦流渦場模型演算，科學確定風管最佳路徑和溫溼度感測器佈設位置；其次，建立溼度變化和錨室全域空間乾溼氣體迴圈交換的動態模型，並不斷最佳化除溼機機組執行策略和工況，以達到節能降耗作用；最後透過物聯網技術，為除溼機組增加智慧監控模組，將分佈於不同位置機組進行串聯，實現遠端線上監控其執行，代替傳統人工巡查，不僅節省人力和物力，還能提高工作質量和效率。
圖3 西堠門大橋錨室除溼機遠端監控系統介面
透過引入錨室除溼機遠端智慧監控系統（2。0版本），著重解決了多處痛點，實現了從傳統向現代化、從粗放向精細化、從機械向智慧化、從零星向整合化、從低效向高效化的五大轉變。
此外，該系統的成功應用還可推廣至所有跨海（江）鋼箱梁大橋的除溼機機組智慧化運維管理中，即可直接在原機組上增設智慧監控模組（儀表），對原除溼機改造幅度小，其智慧儀表還支援線上升級和迭代，能夠根據運維管理需求不斷拓展延伸功能。
系統介紹
西堠門大橋錨室除溼機遠端智慧監控系統主要由溫溼度感知元件、工業除溼機組、風管系統、物聯網控制模組、大資料分析系統組成。系統採用基礎感知層、傳輸層和應用層相結合的物聯網三層架構體系，如圖4所示。
圖4 除溼機遠端監控系統架構
基礎感知層：作為系統的基礎，主要包括佈置在前端錨室內的溫溼度感測器、各類通訊模組、控制模組等裝置，實時採集錨室內部基礎資訊，透過傳輸層網路將現場採集的實時資料資訊向上層傳輸，同時可以執行管理中心下發的操作指令。
傳輸層：主要發揮資訊傳遞的作用，該系統透過物聯網模組、4G通訊方式將基礎感知資料匯聚至應用層監控中心，並可傳遞該層所下發的命令。
應用層：作為系統管理層，它一方面在監控中心上位機實時圖形化顯示監測資料、機組執行狀態、耗能狀況的資訊；另一方面建立資料庫管理中心，基於大資料技術深度分析所採集到的基礎資料，對當前錨室環境狀況、變化趨勢做出評價和預警，並根據分析結果做出決策以指導機組執行，對現場裝置和執行機構傳送控制命令。
精準佈設感測器點位
感測器的作用是給除溼系統提供啟停機組的決策資訊，因為整個錨室空間氣流分佈不勻， 所以若感測器安裝不當會導致除溼系統無法正常工作。本文在對錨室空氣內迴圈進行渦流渦場模型演算，確定風管最佳路徑和乾溼空氣最優迴圈過程中，將溫溼度感測器設置於空氣迴圈相對較弱的點位，同時在主纜索股四周不同位置分別設定感測器，確保索股和整個錨室綜合環境處於同步狀態。
以西堠門大橋南錨東室為例：因為設定除溼系統旨在控制纜束所在空間的溫溼度場，所以對錨室內氣流分析主要針對纜束所處的區域性空間。根據流體的速度場分佈與溫溼度場分佈具有正相關性的特點，可以透過分析纜束附近的流速，推知溫溼度的分佈規律。為此，共設定了5個備選子方案進行對比（如表1所示），用於分析不同送風方案對纜束附近流場的影響（圖5），主要考量其附近的速度分佈和氣流流場的優劣，最後給出溫溼度感測器佈置的建議區域及佈置方法。
圖5 全流場渲染圖及流場流線圖
最終，透過對比送風對整個空間參與流動的流體範圍的影響，確定選用方案 5 。溫溼度感測器應該佈置在控制氣流進入纜束後再離開纜束的下游。總體而言，該方案的乾燥氣流從纜束首部下方、纜尾部上方進入纜束，然後經纜束前段和後段繞回，乾燥氣流掃掠纜束且流速相對較大。此外，將溫溼度感測器佈設於下部控制線的後半段與上部控制線的前半段，距纜束外邊緣約0。5m處，如圖6所示。
圖6 南錨室感測器及新增風管佈置平面圖
動態調節除溼作業
基於上述對錨室內空氣內迴圈進行的渦流渦場模型演算、流場流線分析等內容，可以確定除溼機組通風管道的最佳佈設路徑和乾溼空氣最優迴圈過程。同時，該系統會結合每個錨室13個點位溫溼度感測器採集的精確資料，使錨室內的溫溼度控制和除溼機組的啟停運轉之間達到最佳動態平衡，告別以往機組24h不間斷執行的單一模式，可以大幅度省電，達到實現綠色節能減排的目的。
透過溫溼度感知節點積累的大量基礎資料，結合錨室內溼度變化和除溼機組的啟停狀況，基於大資料分析技術，研究團隊建立溼度變化和錨室全域空間乾溼氣體迴圈交換的動態模型。針對不同的溼度變化情形，找到與之對應的最適機組執行狀況，並生成符合各種天氣和季節狀況的執行策略庫。如陰雨季節錨室內溼度較高，溼度係數增長較快時，需要除溼機組大功率運轉以降低室內溼度；而當溼度係數趨於安全指標範圍時，則降低機組元轉功率或者減少除溼機執行數量，避免不必要的能耗。與此同時，系統還會不斷積累相關資料資訊，並繼續最佳化除溼機機組執行策略和工況，使系統能夠智慧化調整除溼方案，以達到綠色節能降耗的作用。
五大功能強化科學管控
智慧遠端監控系統基於物聯網技術串聯所有錨室除溼機組，具備可觀、可控、可溯、可測和可調五大功能，實現了遠端線上監測控制機組執行，代替傳統人工巡查，節省人力物力投入，提高工作質量和效率。具體表現為以下5個方面：
1。可觀
本系統實現了對前端錨室感知資料、機組執行狀況等資訊的高度整合，並透過監控中心上位機、現場觸控式螢幕進行實時圖形化、視覺化顯示（圖7）。主要內容包括：
圖7 系統上位機監控介面
（1） 觀察機組執行實時狀態。技術人員對除溼機機組執行狀態一目瞭然，對於加壓風機是否啟動、進出風壓是否正常等情況，也均能瞭解清楚。
（2） 可直接讀取四個錨室的除溼機機組實時能耗資料。
（3） 觀測感測器實時資料。每個錨室設有13個溫溼度取樣感測器，能夠實時展示每個感測器的監測資料。
（4） 目擊異常事件實時報警。當某個前置溫溼度感測器資料出現異常，系統會在人機互動介面上以紅色字元閃爍模式告警提示。
2。可控
基於物聯網技術，透過監控中心繫統軟體可以對前端除溼機組進行遠端啟停、復位重置等操作，控制機組執行狀況；系統還支援對風管風閥的遠端調節功能，可以最佳化錨室內個別區域空氣的微迴圈。
3。可溯
本系統在上位機搭建有配套的資料庫，可以儲存錨室的溫溼度感知資訊和機組執行狀況等重要歷史資料（圖8）。透過資料庫，可以實現下列幾種查詢功能：
圖8 系統執行狀況歷史變化曲線
（1）支援對四個錨室共 52 個溫溼度感測器歷史資料查詢，可同時生成資料變化曲線，供決策分析。
（2）查詢機組能耗資料，並支援機組任意時間段能耗資料查詢，可同時生成資料變化曲線，供決策分析。
（3）支援系統智慧選定機組執行策略歷史資料查詢。
（4）可查詢任意時間段的機組執行狀態相關歷史資料，可同時生成報表；
（5）支援系統異常事件（故障）歷史資料查詢，並可同時生成報表。
4。可測
主要體現在系統的預測功能上。結合已經積累的歷史資料，經過深度分析、計算後，對系統未來一段時間內的執行狀況進行預測。一方面系統可以預測機組易耗件的更換時間，支援濾網、加熱器、轉輪電機等易耗件的保養及更新時間提示，確保重要零部件及時得到維養；另一方面系統還能夠根據當前採用的執行策略測算未來某個時間段的機組能耗情況（圖9）。
圖9 系統預測功能
5。可調
系統自動適應除溼機組執行策略和啟停溼度指標，並實施智慧化調節。利用大資料探勘和分析技術，高效處理前端採集的溫溼度資料，合理測定機組啟停溼度閾值，生成符合各種天氣和季節狀況的執行策略庫。機組能根據外部環境變化智慧切換調整執行策略，提高機組能量使用效率。此外，基於智慧最佳化調節機組執行策略，系統支援單機組啟停溼度閾值的智慧設定，讓能耗管理更科學、更精準。
科學管控 節能降耗
西堠門大橋錨室除溼機智慧遠端監控系統自執行以來，在綠色節能降耗、工作效率兩方面提升顯著，最終實現科學動態管控錨室全域環境，確保錨室結構物安全，實現管理安全和綠色效益雙豐收。
以2020年1-6月的資料為例，西堠門大橋錨室除溼機組同比減少用電47。1萬度（預計全年減少用電近100萬度），減少碳排放約272噸，節省電費支出共40餘萬元（預計全年節省電費支出近90萬元），總體節能效率接近50%。由於本系統引入了物聯網技術，透過4G無線網路，實現了除溼機組遠端監控完全替代人工巡查模式。據統計，每月節省巡查力量投入20人次，車輛4輛次，全年減少相關費用約30萬元。
此外，該系統自正式啟用至今，四個錨室中共52個溫溼度感測器的監測資料均在規定限值以下，未出現過一次超標記錄。
未來此係統將會不斷最佳化升級，目前2。0版本將推廣應用至舟山跨海大橋桃夭門大橋箱梁除溼機上，並視情況在舟山跨海大橋除溼機全場景使用。同時該套系統可以推廣至有除溼需求的國內外鋼箱梁跨海（江）大橋鋼箱梁、錨室、鞍室、主纜等。
本文刊載 / 《大橋養護與運營》雜誌 2021年 第4期 總第16期
作者 / 戴珂泱 周建峰 朱梁傑等
作者單位 / 浙江交通集團高速公路舟山管理中心
