公路施工架橋機遠程監(jiān)管平臺設計與開發(fā)

韋軍

摘要：公路架橋機通常采用多垛堆疊的枕木或者離散的鋼支作為架橋機前橫移軌道梁的支撐，其安全性不可控、隱患大。針對該問題，文章設計研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、嵌入式、數(shù)據(jù)采集和融合、無線傳輸、遠程數(shù)據(jù)通信等技術的架橋機遠程監(jiān)管平臺系統(tǒng)，用于反映起重機械實時、真實和有效的運行狀況。實時監(jiān)控數(shù)據(jù)通過該系統(tǒng)預留的遠程監(jiān)控接口傳輸至信息化平臺，可以實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)、施工進度等的實時監(jiān)控，成為架橋機運行安全、可控的保障。

關鍵詞：架橋機；遠程；監(jiān)管平臺；設計與開發(fā)

中圖分類號：U415.51? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0052-02

0 引言

公路架橋機屬于起重機械的范疇，在我國重大基礎建設中起著非常重要的作用，近五年來，架橋機等起重機械發(fā)生了較多安全事故，如在作業(yè)過程中發(fā)生側翻、解體或傾覆，造成機毀人亡［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計，這類起重機械發(fā)生事故絕大部分是因操作不當、監(jiān)管不到位等人為因素造成的，大量的數(shù)據(jù)表明，起重機械使用安全形勢較為嚴峻。

監(jiān)管沒有落實到位或監(jiān)管手段較為落后，操作人員素質參差不齊，僅憑經(jīng)驗采用目測的方式操作設備，沒有監(jiān)控裝置進行輔助參考，且部分工程項目管理人員對起重機械安全知識培訓不足，未能很好對操作人員的技能培訓和安全教育進行交底，也無實時監(jiān)控、預警的信息化工具進行輔助監(jiān)管，這些都是引發(fā)起重機械事故的主要誘因。綜上，為了提高架橋機等起重機械的安全性和使用效率，本文設計、開發(fā)了一套以計算機應用、通信技術、傳感器技術及云計算相結合的架橋機遠程監(jiān)管平臺系統(tǒng)，通過設備傳感器收集的設備運行實時數(shù)據(jù)及現(xiàn)場視頻影像將設備施工現(xiàn)場畫面?zhèn)骰馗骷壉O(jiān)控中心［2］，監(jiān)管人員實現(xiàn)對現(xiàn)場施工機械設備運行的監(jiān)督和控制，及時發(fā)現(xiàn)、消除設備運行安全隱患，有效控制施工安全風險，保證施工平穩(wěn)開展。

1 平臺設計目標

通過前期對架橋機遠程監(jiān)管功能的調(diào)研，初步確定監(jiān)管平臺系統(tǒng)須滿足如下目標：

（1）系統(tǒng)平臺可對設備運行的關鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控及記錄，包括設備的起升高度、起重量、運行狀態(tài)、風速值等信息，在監(jiān)控數(shù)據(jù)臨近限定值時監(jiān)控主機可以發(fā)出相應預警和報警信息，使操作人員能直觀地了解設備的運行參數(shù)，幫助操作人員做出正確判斷，避免誤操作。

（2）平臺實現(xiàn)現(xiàn)場視頻信息的采集、上傳及對攝像機的控制功能，通過軟件功能切換窗口，能夠直接切換至視頻顯示區(qū)，其中包含現(xiàn)場所有攝像頭拍攝的視頻信息，還應具備在線實時播放、歷史視頻信息回放功能。

（3）平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程實時傳輸功能，架橋機作業(yè)中安全風險源較多，其采集和展示的數(shù)據(jù)必須具有實時性。由于施工現(xiàn)場多數(shù)處于山區(qū)地域，傳輸信號穩(wěn)定性較差，為了保證數(shù)據(jù)及時和準確，傳輸設備除具有良好的抗干擾能力外，還應支持離線數(shù)據(jù)緩存續(xù)發(fā)功能。

（4）平臺具有友好的人機交互界面并有閾值設定功能，超過報警閾值即輸出報警信號提醒現(xiàn)場及遠程監(jiān)管人員。

（5）平臺具備歷史數(shù)據(jù)記錄功能，數(shù)據(jù)主要針對設備運行過程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，其中包括起重量、起升高度、行走、報警、故障、違章等數(shù)據(jù)，方便管理人員對設備作業(yè)狀態(tài)的追溯。

2 平臺總體設計

架橋機遠程監(jiān)管平臺系統(tǒng)包括前端硬件設備和后端遠程監(jiān)控平臺，前端硬件設備主要包括監(jiān)控傳感器和安全監(jiān)控主機，監(jiān)控傳感器分布在架橋機各個位置，負責實時收集架橋機運行參數(shù)，安全監(jiān)控主機置于架橋機電控箱內(nèi)，接受報警信息以及與監(jiān)控中心保持動態(tài)聯(lián)系的設備［3］，通過相應的數(shù)據(jù)采集及WCDMA/LTE無線數(shù)據(jù)輸送設備，將數(shù)據(jù)和影像傳輸至使用單位架設的私有云平臺，通過監(jiān)控軟件進行分類匯總和分析后進行展示、查詢和自動預警，達到遠程監(jiān)管的設計目的，平臺系統(tǒng)構架圖如圖1所示。

2.1 前端數(shù)據(jù)采集層設計

數(shù)據(jù)采集層硬件主要為架橋機前端監(jiān)控系統(tǒng)及各傳感器、執(zhí)行單元，由各種運行傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、中央處理單元、監(jiān)控顯示單元及視頻采集模塊等部件組成，作用是采集架橋機的各種運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，并向下一級硬件提供相應數(shù)據(jù)。

2.1.1 信息采集單元

信息采集單元主要由重量傳感器、起重高度編碼器、行程限位器、風速儀、偏斜限位器等部件組成，這些傳感器安裝在架橋機各個重要工作部位，最終將采集的信號通過RS485總線傳送實時運行數(shù)據(jù)送入信息處理單元。

2.1.2 信息處理單元

信息處理單元主要負責將接收到的數(shù)據(jù)進行相應的處理，以ARM M3內(nèi)核的APM32F407微處理器為核心，由數(shù)字量I/O、模擬量AD、通信及擴展接口組成，該芯片專為工業(yè)控制設計，具有低功耗高效率、抗干擾能力強、接口豐富、開發(fā)簡單等優(yōu)點，能保證數(shù)據(jù)采集、處理具有高可靠性和實時性。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸層設計

主要為采用WCDMA/LTE無線通信技術的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)網(wǎng)關模塊，作用是將架橋機前端采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送給遠程監(jiān)控中心的后臺服務器，該模塊的穩(wěn)定性將決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，該類模塊預裝有電信運營商的SIM卡，通電后會自動連接附近的通信基站，通過撥號的方式自動登陸WCDMA/LTE網(wǎng)絡，此時數(shù)據(jù)網(wǎng)關是內(nèi)部局域網(wǎng)的設備，通過移動網(wǎng)關來實現(xiàn)與外部Internet公網(wǎng)的通信，就能實現(xiàn)將現(xiàn)場設備及中央處理單元的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或RS485串口方式接入，并依靠自身協(xié)議解析以及數(shù)據(jù)傳輸功能將解析好的數(shù)據(jù)通過WCDMA/LTE網(wǎng)絡傳輸至互聯(lián)網(wǎng)，進而傳輸?shù)胶笈_服務器，并可實現(xiàn)掉線重連、數(shù)據(jù)補發(fā)，保障數(shù)據(jù)的可靠性。

2.3 數(shù)據(jù)平臺設計

系統(tǒng)的后端數(shù)據(jù)平臺涉及的軟件功能模塊采用本地服務器進行部署，采用云服務硬件系統(tǒng)架構以有效減少運營維護成本并保證數(shù)據(jù)安全，同時可以根據(jù)服務器壓力，隨時升級服務器系統(tǒng)，有效地控制系統(tǒng)對硬件的需求成本。

本系統(tǒng)軟件采用的技術框架是以Spring、Struts、Guzz、SpringSecurity、JGroup、Quartz、Activiti、Redis等開源技術為基礎，進行整合、深度加強后形成的，主要技術路線是采取B/S架構，WEB平臺和APP是采取基于SOA架構的企業(yè)應用三層架構，通過WEB方式制作HMI遠程監(jiān)控及二維模型進行可視化展示，結合系統(tǒng)優(yōu)異的數(shù)據(jù)處理架構，最大程度還原設備現(xiàn)場運行狀況，并把需要的參數(shù)存儲起來生成企業(yè)大數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的建模分析，實現(xiàn)設備的智能化運行及智慧化管理。

3 平臺軟件功能設計

平臺軟件界面設計主要考慮對使用者的友好性和操作的便捷性，由登錄界面、基于GIS地圖的架橋機總覽的主界面、設備實時運行監(jiān)控界面、視頻監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)報表查詢界面、系統(tǒng)配置界面等功能界面、功能模塊組成，直接監(jiān)控在用架橋機的總體使用情況，可根據(jù)監(jiān)管需求選擇相應的功能模塊，方便監(jiān)管人員監(jiān)控設備運行狀態(tài)。

3.1 系統(tǒng)總覽界面設計

系統(tǒng)總覽界面中，將設備實時運行數(shù)據(jù)進行可視化大屏展現(xiàn)，左側設置登錄信息及一級菜單列表，其中一級菜單包括設備查看、項目查詢、視頻管理、消息通知、系統(tǒng)管理等按鈕；中部為設備地圖總覽及在線用戶、在線設備、警報數(shù)量等數(shù)據(jù)展示；右部為實時預警分級統(tǒng)計信息展示，從主界面可點選進入下一級菜單或相應功能界面，可實現(xiàn)設備的選擇、查詢設備的運行地區(qū)、圖形化顯示所在地區(qū)的地理信息。

3.2 設備實時運行監(jiān)控界面設計

該界面中，顯示所選擇設備的運行狀態(tài)（包括啟停、故障、在線狀態(tài)）、各種傳感裝置采集的實時數(shù)據(jù)信息、各類曲線圖、設備報警及預警窗口（簡易窗口，僅顯示最近幾條數(shù)據(jù)）、環(huán)境數(shù)據(jù)（包括溫濕度、風速以及風力大?。⒖蓪崿F(xiàn)設備運行二維圖形化仿真展示。

3.3 數(shù)據(jù)報表查詢界面

通過歷史數(shù)據(jù)區(qū)記錄各項數(shù)據(jù)，并有相應的時間與之對應，數(shù)據(jù)保存時間均為30 d，視頻信息的存儲時間≥240 h，并均能根據(jù)選擇時間區(qū)域來查詢對應時間內(nèi)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)數(shù)據(jù)類型劃分不同的版塊，主要包括：

（1）設備狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)，在該查詢區(qū)域中，能夠顯示設備的各項操作及相應類型，按照時間倒序的方式實時排列，數(shù)據(jù)每隔1 min更新一次到存儲中，通過無線網(wǎng)絡實時傳送回監(jiān)控平臺。

（2）報警歷史數(shù)據(jù)查詢，該查詢界面顯示各類設備報警、故障、離線、現(xiàn)場違章操作、非法人員闖入報警等數(shù)據(jù)，顯示內(nèi)容包括數(shù)據(jù)類型、故障發(fā)生時間、故障描述、故障解決指導措施、故障是否處理狀態(tài)選擇。

（3）設備運行歷史數(shù)據(jù)回放、查看，該數(shù)據(jù)主要針對設備運行過程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，其中包括起重量、提升高度、行走狀態(tài)、警告信息、故障代碼、違章等數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的工作階段，可選擇相應階段來實現(xiàn)歷史模擬工作動畫的播放。

（4）歷史數(shù)據(jù)區(qū)除了具備數(shù)據(jù)的查詢功能外，同時還要求能夠實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)詳細信息表格、變化趨勢圖等以書面報表以及XLS格式電子表格的形式導出，從而便于監(jiān)管人員進行數(shù)據(jù)的分析與查看，滿足監(jiān)控數(shù)據(jù)的可追溯性要求。

4 實際應用及效果分析

本系統(tǒng)安裝、調(diào)試工作比較簡單，用時短，可在一般的公路架橋機作業(yè)現(xiàn)場進行改造升級，安裝工作對起重機械的正常[KG（0.1mm]使用基本不造成影響，可以在起重機械運行

間隙完成。該系統(tǒng)在武忻高速公路№2標段、欽北改擴建№1標段的200 t級架橋機安裝并投入使用超過12個月，在架橋機長時間、高濕度及大溫差等復雜工況下運行，設備前端數(shù)據(jù)和視頻回傳穩(wěn)定可靠，后臺監(jiān)控界面顯示完整，后臺監(jiān)管人員通過系統(tǒng)實現(xiàn)遠程無死角監(jiān)管，使設備使用安全隱患得到有效控制。整個系統(tǒng)投入使用以來，共完成架設326片預制梁工作任務，未出現(xiàn)任何故障，各項功能符合設計預期，達到進一步推廣使用的條件。

5 結語

本文以公路架橋機為研究對象，分析了作業(yè)安全監(jiān)管需求，設計了保障架橋機運行安全，結合嵌入式技術、遠程無線通信技術、云端技術的架橋機遠程監(jiān)管平臺。該平臺的主要功能是實時監(jiān)控遠程設備的運行情況，并對異常情況及時報警提醒，督促現(xiàn)場操作、管理人員及時整改問題，消除安全隱患，實現(xiàn)建筑工地管理數(shù)字化、協(xié)同網(wǎng)絡化、管控智能化，為工程項目創(chuàng)建平安工地提供堅實的保障。利用建成使用的遠程監(jiān)管平臺及預留的軟件接口，后期可擴展開發(fā)掛籃施工設備、爬模施工設備、高支模施工、施工現(xiàn)場AI監(jiān)控等同類原理的監(jiān)控系統(tǒng)，進一步提高施工設備、現(xiàn)場安全作業(yè)監(jiān)督效率。

［1］韋大川，蔣昌盛，李 愉.架橋機新型前橫移軌道梁在高速公路建設中的應用［J］.西部交通科技，2023（4）127-129.

［2］溫 鵬，張光明.千噸級分體式架橋機設計研究及應用［J］.機電工程技術，2022，51（1）：171-173.

［3］董 超.機械自控技術在工程建設中的應用［J］.中國設備工程，2020（12）：195-197.

作者簡介：韋 軍（1981—），工程師，主要從事道路、橋梁的施工及機電、設備管理工作。