韋軍

摘要：公路架橋機(jī)通常采用多垛堆疊的枕木或者離散的鋼支作為架橋機(jī)前橫移軌道梁的支撐，其安全性不可控、隱患大。針對(duì)該問題，文章設(shè)計(jì)研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、嵌入式、數(shù)據(jù)采集和融合、無線傳輸、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信等技術(shù)的架橋機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)，用于反映起重機(jī)械實(shí)時(shí)、真實(shí)和有效的運(yùn)行狀況。實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過該系統(tǒng)預(yù)留的遠(yuǎn)程監(jiān)控接口傳輸至信息化平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、施工進(jìn)度等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，成為架橋機(jī)運(yùn)行安全、可控的保障。

關(guān)鍵詞：架橋機(jī)；遠(yuǎn)程；監(jiān)管平臺(tái)；設(shè)計(jì)與開發(fā)

中圖分類號(hào)：U415.51? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4874（2024）04-0052-02

0 引言

公路架橋機(jī)屬于起重機(jī)械的范疇，在我國重大基礎(chǔ)建設(shè)中起著非常重要的作用，近五年來，架橋機(jī)等起重機(jī)械發(fā)生了較多安全事故，如在作業(yè)過程中發(fā)生側(cè)翻、解體或傾覆，造成機(jī)毀人亡［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這類起重機(jī)械發(fā)生事故絕大部分是因操作不當(dāng)、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(jī)械使用安全形勢(shì)較為嚴(yán)峻。

監(jiān)管沒有落實(shí)到位或監(jiān)管手段較為落后，操作人員素質(zhì)參差不齊，僅憑經(jīng)驗(yàn)采用目測(cè)的方式操作設(shè)備，沒有監(jiān)控裝置進(jìn)行輔助參考，且部分工程項(xiàng)目管理人員對(duì)起重機(jī)械安全知識(shí)培訓(xùn)不足，未能很好對(duì)操作人員的技能培訓(xùn)和安全教育進(jìn)行交底，也無實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警的信息化工具進(jìn)行輔助監(jiān)管，這些都是引發(fā)起重機(jī)械事故的主要誘因。綜上，為了提高架橋機(jī)等起重機(jī)械的安全性和使用效率，本文設(shè)計(jì)、開發(fā)了一套以計(jì)算機(jī)應(yīng)用、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)及云計(jì)算相結(jié)合的架橋機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)，通過設(shè)備傳感器收集的設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)視頻影像將設(shè)備施工現(xiàn)場(chǎng)畫面?zhèn)骰馗骷?jí)監(jiān)控中心［2］，監(jiān)管人員實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)督和控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、消除設(shè)備運(yùn)行安全隱患，有效控制施工安全風(fēng)險(xiǎn)，保證施工平穩(wěn)開展。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過前期對(duì)架橋機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)管功能的調(diào)研，初步確定監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)須滿足如下目標(biāo)：

（1）系統(tǒng)平臺(tái)可對(duì)設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及記錄，包括設(shè)備的起升高度、起重量、運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)速值等信息，在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)臨近限定值時(shí)監(jiān)控主機(jī)可以發(fā)出相應(yīng)預(yù)警和報(bào)警信息，使操作人員能直觀地了解設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，幫助操作人員做出正確判斷，避免誤操作。

（2）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)視頻信息的采集、上傳及對(duì)攝像機(jī)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(chǎng)所有攝像頭拍攝的視頻信息，還應(yīng)具備在線實(shí)時(shí)播放、歷史視頻信息回放功能。

（3）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸功能，架橋機(jī)作業(yè)中安全風(fēng)險(xiǎn)源較多，其采集和展示的數(shù)據(jù)必須具有實(shí)時(shí)性。由于施工現(xiàn)場(chǎng)多數(shù)處于山區(qū)地域，傳輸信號(hào)穩(wěn)定性較差，為了保證數(shù)據(jù)及時(shí)和準(zhǔn)確，傳輸設(shè)備除具有良好的抗干擾能力外，還應(yīng)支持離線數(shù)據(jù)緩存續(xù)發(fā)功能。

（4）平臺(tái)具有友好的人機(jī)交互界面并有閾值設(shè)定功能，超過報(bào)警閾值即輸出報(bào)警信號(hào)提醒現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程監(jiān)管人員。

（5）平臺(tái)具備歷史數(shù)據(jù)記錄功能，數(shù)據(jù)主要針對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，其中包括起重量、起升高度、行走、報(bào)警、故障、違章等數(shù)據(jù)，方便管理人員對(duì)設(shè)備作業(yè)狀態(tài)的追溯。

2 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

架橋機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)包括前端硬件設(shè)備和后端遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，前端硬件設(shè)備主要包括監(jiān)控傳感器和安全監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控傳感器分布在架橋機(jī)各個(gè)位置，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)收集架橋機(jī)運(yùn)行參數(shù)，安全監(jiān)控主機(jī)置于架橋機(jī)電控箱內(nèi)，接受報(bào)警信息以及與監(jiān)控中心保持動(dòng)態(tài)聯(lián)系的設(shè)備［3］，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集及WCDMA/LTE無線數(shù)據(jù)輸送設(shè)備，將數(shù)據(jù)和影像傳輸至使用單位架設(shè)的私有云平臺(tái)，通過監(jiān)控軟件進(jìn)行分類匯總和分析后進(jìn)行展示、查詢和自動(dòng)預(yù)警，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)管的設(shè)計(jì)目的，平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1所示。

2.1 前端數(shù)據(jù)采集層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集層硬件主要為架橋機(jī)前端監(jiān)控系統(tǒng)及各傳感器、執(zhí)行單元，由各種運(yùn)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(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，并向下一級(jí)硬件提供相應(yīng)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(fēng)速儀、偏斜限位器等部件組成，這些傳感器安裝在架橋機(jī)各個(gè)重要工作部位，最終將采集的信號(hào)通過RS485總線傳送實(shí)時(shí)運(yùn)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(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)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(kuò)展接口組成，該芯片專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)，具有低功耗高效率、抗干擾能力強(qiáng)、接口豐富、開發(fā)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能保證數(shù)據(jù)采集、處理具有高可靠性和實(shí)時(shí)性。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計(jì)

主要為采用WCDMA/LTE無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)模塊，作用是將架橋機(jī)前端采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的后臺(tái)服務(wù)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?zhǔn)確性，該類模塊預(yù)裝有電信運(yùn)營商的SIM卡，通電后會(huì)自動(dòng)連接附近的通信基站，通過撥號(hào)的方式自動(dòng)登陸WCDMA/LTE網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)是內(nèi)部局域網(wǎng)的設(shè)備，通過移動(dòng)網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)與外部Internet公網(wǎng)的通信，就能實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(luò)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器，并可實(shí)現(xiàn)掉線重連、數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)，保障數(shù)據(jù)的可靠性。

2.3 數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的后端數(shù)據(jù)平臺(tái)涉及的軟件功能模塊采用本地服務(wù)器進(jìn)行部署，采用云服務(wù)硬件系統(tǒng)架構(gòu)以有效減少運(yùn)營維護(hù)成本并保證數(shù)據(jù)安全，同時(shí)可以根據(jù)服務(wù)器壓力，隨時(shí)升級(jí)服務(wù)器系統(tǒng)，有效地控制系統(tǒng)對(duì)硬件的需求成本。

本系統(tǒng)軟件采用的技術(shù)框架是以Spring、Struts、Guzz、SpringSecurity、JGroup、Quartz、Activiti、Redis等開源技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行整合、深度加強(qiáng)后形成的，主要技術(shù)路線是采取B/S架構(gòu)，WEB平臺(tái)和APP是采取基于SOA架構(gòu)的企業(yè)應(yīng)用三層架構(gòu)，通過WEB方式制作HMI遠(yuǎn)程監(jiān)控及二維模型進(jìn)行可視化展示，結(jié)合系統(tǒng)優(yōu)異的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，最大程度還原設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況，并把需要的參數(shù)存儲(chǔ)起來生成企業(yè)大數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的建模分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化運(yùn)行及智慧化管理。

3 平臺(tái)軟件功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)軟件界面設(shè)計(jì)主要考慮對(duì)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(jī)總覽的主界面、設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控界面、視頻監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)報(bào)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(jī)的總體使用情況，可根據(jù)監(jiān)管需求選擇相應(yīng)的功能模塊，方便監(jiān)管人員監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3.1 系統(tǒng)總覽界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總覽界面中，將設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化大屏展現(xiàn)，左側(cè)設(shè)置登錄信息及一級(jí)菜單列表，其中一級(jí)菜單包括設(shè)備查看、項(xiàng)目查詢、視頻管理、消息通知、系統(tǒng)管理等按鈕；中部為設(shè)備地圖總覽及在線用戶、在線設(shè)備、警報(bào)數(shù)量等數(shù)據(jù)展示；右部為實(shí)時(shí)預(yù)警分級(jí)統(tǒng)計(jì)信息展示，從主界面可點(diǎn)選進(jìn)入下一級(jí)菜單或相應(yīng)功能界面，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的選擇、查詢?cè)O(shè)備的運(yùn)行地區(qū)、圖形化顯示所在地區(qū)的地理信息。

3.2 設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

該界面中，顯示所選擇設(shè)備的運(yùn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息、各類曲線圖、設(shè)備報(bào)警及預(yù)警窗口（簡(jiǎn)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(fēng)速以及風(fēng)力大小），并可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行二維圖形化仿真展示。

3.3 數(shù)據(jù)報(bào)表查詢界面

通過歷史數(shù)據(jù)區(qū)記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并有相應(yīng)的時(shí)間與之對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)保存時(shí)間均為30 d，視頻信息的存儲(chǔ)時(shí)間≥240 h，并均能根據(jù)選擇時(shí)間區(qū)域來查詢對(duì)應(yīng)時(shí)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(shè)備狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)，在該查詢區(qū)域中，能夠顯示設(shè)備的各項(xiàng)操作及相應(yīng)類型，按照時(shí)間倒序的方式實(shí)時(shí)排列，數(shù)據(jù)每隔1 min更新一次到存儲(chǔ)中，通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送回監(jiān)控平臺(tái)。

（2）報(bào)警歷史數(shù)據(jù)查詢，該查詢界面顯示各類設(shè)備報(bào)警、故障、離線、現(xiàn)場(chǎng)違章操作、非法人員闖入報(bào)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(shí)間、故障描述、故障解決指導(dǎo)措施、故障是否處理狀態(tài)選擇。

（3）設(shè)備運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)回放、查看，該數(shù)據(jù)主要針對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，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(yīng)階段來實(shí)現(xiàn)歷史模擬工作動(dòng)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(shí)還要求能夠?qū)崿F(xiàn)各種數(shù)據(jù)詳細(xì)信息表格、變化趨勢(shì)圖等以書面報(bào)表以及XLS格式電子表格的形式導(dǎo)出，從而便于監(jiān)管人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與查看，滿足監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可追溯性要求。

4 實(shí)際應(yīng)用及效果分析

本系統(tǒng)安裝、調(diào)試工作比較簡(jiǎn)單，用時(shí)短，可在一般的公路架橋機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行改造升級(jí)，安裝工作對(duì)起重機(jī)械的正常[KG（0.1mm]使用基本不造成影響，可以在起重機(jī)械運(yùn)行

間隙完成。該系統(tǒng)在武忻高速公路№2標(biāo)段、欽北改擴(kuò)建№1標(biāo)段的200 t級(jí)架橋機(jī)安裝并投入使用超過12個(gè)月，在架橋機(jī)長(zhǎng)時(shí)間、高濕度及大溫差等復(fù)雜工況下運(yùn)行，設(shè)備前端數(shù)據(jù)和視頻回傳穩(wěn)定可靠，后臺(tái)監(jiān)控界面顯示完整，后臺(tái)監(jiān)管人員通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無死角監(jiān)管，使設(shè)備使用安全隱患得到有效控制。整個(gè)系統(tǒng)投入使用以來，共完成架設(shè)326片預(yù)制梁工作任務(wù)，未出現(xiàn)任何故障，各項(xiàng)功能符合設(shè)計(jì)預(yù)期，達(dá)到進(jìn)一步推廣使用的條件。

5 結(jié)語

本文以公路架橋機(jī)為研究對(duì)象，分析了作業(yè)安全監(jiān)管需求，設(shè)計(jì)了保障架橋機(jī)運(yùn)行安全，結(jié)合嵌入式技術(shù)、遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)、云端技術(shù)的架橋機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)。該平臺(tái)的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備的運(yùn)行情況，并對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警提醒，督促現(xiàn)場(chǎng)操作、管理人員及時(shí)整改問題，消除安全隱患，實(shí)現(xiàn)建筑工地管理數(shù)字化、協(xié)同網(wǎng)絡(luò)化、管控智能化，為工程項(xiàng)目創(chuàng)建平安工地提供堅(jiān)實(shí)的保障。利用建成使用的遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)及預(yù)留的軟件接口，后期可擴(kuò)展開發(fā)掛籃施工設(shè)備、爬模施工設(shè)備、高支模施工、施工現(xiàn)場(chǎng)AI監(jiān)控等同類原理的監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步提高施工設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)安全作業(yè)監(jiān)督效率。

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

［2］溫 鵬，張光明.千噸級(jí)分體式架橋機(jī)設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2022，51（1）：171-173.

［3］董 超.機(jī)械自控技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用［J］.中國設(shè)備工程，2020（12）：195-197.

作者簡(jiǎn)介：韋 軍（1981—），工程師，主要從事道路、橋梁的施工及機(jī)電、設(shè)備管理工作。