公路施工架桥机远程监管平台设计与开发

韦军

摘要：公路架桥机通常采用多垛堆叠的枕木或者离散的钢支作为架桥机前横移轨道梁的支撑，其安全性不可控、隐患大。针对该问题，文章设计研发了一套基于物联网、云计算、嵌入式、数据采集和融合、无线传输、远程数据通信等技术的架桥机远程监管平台系统，用于反映起重机械实时、真实和有效的运行状况。实时监控数据通过该系统预留的远程监控接口传输至信息化平台，可以实现对设备运行状态、施工进度等的实时监控，成为架桥机运行安全、可控的保障。

关键词：架桥机；远程；监管平台；设计与开发

中图分类号：U415.51   文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）04-0052-02

0 引言

公路架桥机属于起重机械的范畴，在我国重大基础建设中起着非常重要的作用，近五年来，架桥机等起重机械发生了较多安全事故，如在作业过程中发生侧翻、解体或倾覆，造成机毁人亡［1］。据不完全统计，这类起重机械发生事故绝大部分是因操作不当、监管不到位等人为因素造成的，大量的数据表明，起重机械使用安全形势较为严峻。

监管没有落实到位或监管手段较为落后，操作人员素质参差不齐，仅凭经验采用目测的方式操作设备，没有监控装置进行辅助参考，且部分工程项目管理人员对起重机械安全知识培训不足，未能很好对操作人员的技能培训和安全教育进行交底，也无实时监控、预警的信息化工具进行辅助监管，这些都是引发起重机械事故的主要诱因。综上，为了提高架桥机等起重机械的安全性和使用效率，本文设计、开发了一套以计算机应用、通信技术、传感器技术及云计算相结合的架桥机远程监管平台系统，通过设备传感器收集的设备运行实时数据及现场视频影像将设备施工现场画面传回各级监控中心［2］，监管人员实现对现场施工机械设备运行的监督和控制，及时发现、消除设备运行安全隐患，有效控制施工安全风险，保证施工平稳开展。

1 平台设计目标

通过前期对架桥机远程监管功能的调研，初步确定监管平台系统须满足如下目标：

（1）系统平台可对设备运行的关键参数进行实时监控及记录，包括设备的起升高度、起重量、运行状态、风速值等信息，在监控数据临近限定值时监控主机可以发出相应预警和报警信息，使操作人员能直观地了解设备的运行参数，帮助操作人员做出正确判断，避免误操作。

（2）平台实现现场视频信息的采集、上传及对摄像机的控制功能，通过软件功能切换窗口，能够直接切换至视频显示区，其中包含现场所有摄像头拍摄的视频信息，还应具备在线实时播放、历史视频信息回放功能。

（3）平台实现数据远程实时传输功能，架桥机作业中安全风险源较多，其采集和展示的数据必须具有实时性。由于施工现场多数处于山区地域，传输信号稳定性较差，为了保证数据及时和准确，传输设备除具有良好的抗干扰能力外，还应支持离线数据缓存续发功能。

（4）平台具有友好的人机交互界面并有阈值设定功能，超过报警阈值即输出报警信号提醒现场及远程监管人员。

（5）平台具备历史数据记录功能，数据主要针对设备运行过程数据的统计，其中包括起重量、起升高度、行走、报警、故障、违章等数据，方便管理人员对设备作业状态的追溯。

2 平台总体设计

架桥机远程监管平台系统包括前端硬件设备和后端远程监控平台，前端硬件设备主要包括监控传感器和安全监控主机，监控传感器分布在架桥机各个位置，负责实时收集架桥机运行参数，安全监控主机置于架桥机电控箱内，接受报警信息以及与监控中心保持动态联系的设备［3］，通过相应的数据采集及WCDMA/LTE无线数据输送设备，将数据和影像传输至使用单位架设的私有云平台，通过监控软件进行分类汇总和分析后进行展示、查询和自动预警，达到远程监管的设计目的，平台系统构架图如图1所示。

2.1 前端数据采集层设计

数据采集层硬件主要为架桥机前端监控系统及各传感器、执行单元，由各种运行传感器、数据采集单元、中央处理单元、监控显示单元及视频采集模块等部件组成，作用是采集架桥机的各种运行状态数据和视频数据，并向下一级硬件提供相应数据。

2.1.1 信息采集单元

信息采集单元主要由重量传感器、起重高度编码器、行程限位器、风速仪、偏斜限位器等部件组成，这些传感器安装在架桥机各个重要工作部位，最终将采集的信号通过RS485总线传送实时运行数据送入信息处理单元。

2.1.2 信息处理单元

信息处理单元主要负责将接收到的数据进行相应的处理，以ARM M3内核的APM32F407微处理器为核心，由数字量I/O、模拟量AD、通信及扩展接口组成，该芯片专为工业控制设计，具有低功耗高效率、抗干扰能力强、接口丰富、开发简单等优点，能保证数据采集、处理具有高可靠性和实时性。

2.2 数据传输层设计

主要为采用WCDMA/LTE无线通信技术的数据采集数据网关模块，作用是将架桥机前端采集到的数据通过网络发送给远程监控中心的后台服务器，该模块的稳定性将决定系统的稳定性及数据传输的准确性，该类模块预装有电信运营商的SIM卡，通电后会自动连接附近的通信基站，通过拨号的方式自动登陆WCDMA/LTE网络，此时数据网关是内部局域网的设备，通过移动网关来实现与外部Internet公网的通信，就能实现将现场设备及中央处理单元的数据通过以太网或RS485串口方式接入，并依靠自身协议解析以及数据传输功能将解析好的数据通过WCDMA/LTE网络传输至互联网，进而传输到后台服务器，并可实现掉线重连、数据补发，保障数据的可靠性。

2.3 数据平台设计

系统的后端数据平台涉及的软件功能模块采用本地服务器进行部署，采用云服务硬件系统架构以有效减少运营维护成本并保证数据安全，同时可以根据服务器压力，随时升级服务器系统，有效地控制系统对硬件的需求成本。

本系统软件采用的技术框架是以Spring、Struts、Guzz、SpringSecurity、JGroup、Quartz、Activiti、Redis等开源技术为基础，进行整合、深度加强后形成的，主要技术路线是采取B/S架构，WEB平台和APP是采取基于SOA架构的企业应用三层架构，通过WEB方式制作HMI远程监控及二维模型进行可视化展示，结合系统优异的数据处理架构，最大程度还原设备现场运行状况，并把需要的参数存储起来生成企业大数据，通过对数据的建模分析，实现设备的智能化运行及智慧化管理。

3 平台软件功能设计

平台软件界面设计主要考虑对使用者的友好性和操作的便捷性，由登录界面、基于GIS地图的架桥机总览的主界面、设备实时运行监控界面、视频监控界面、数据报表查询界面、系统配置界面等功能界面、功能模块组成，直接监控在用架桥机的总体使用情况，可根据监管需求选择相应的功能模块，方便监管人员监控设备运行状态。

3.1 系统总览界面设计

系统总览界面中，将设备实时运行数据进行可视化大屏展现，左侧设置登录信息及一级菜单列表，其中一级菜单包括设备查看、项目查询、视频管理、消息通知、系统管理等按钮；中部为设备地图总览及在线用户、在线设备、警报数量等数据展示；右部为实时预警分级统计信息展示，从主界面可点选进入下一级菜单或相应功能界面，可实现设备的选择、查询设备的运行地区、图形化显示所在地区的地理信息。

3.2 设备实时运行监控界面设计

该界面中，显示所选择设备的运行状态（包括启停、故障、在线状态）、各种传感装置采集的实时数据信息、各类曲线图、设备报警及预警窗口（简易窗口，仅显示最近几条数据）、环境数据（包括温湿度、风速以及风力大小），并可实现设备运行二维图形化仿真展示。

3.3 数据报表查询界面

通过历史数据区记录各项数据，并有相应的时间与之对应，数据保存时间均为30 d，视频信息的存储时间≥240 h，并均能根据选择时间区域来查询对应时间内数据信息，根据数据类型划分不同的版块，主要包括：

（1）设备状态历史数据，在该查询区域中，能够显示设备的各项操作及相应类型，按照时间倒序的方式实时排列，数据每隔1 min更新一次到存储中，通过无线网络实时传送回监控平台。

（2）报警历史数据查询，该查询界面显示各类设备报警、故障、离线、现场违章操作、非法人员闯入报警等数据，显示内容包括数据类型、故障发生时间、故障描述、故障解决指导措施、故障是否处理状态选择。

（3）设备运行历史数据回放、查看，该数据主要针对设备运行过程数据的统计，其中包括起重量、提升高度、行走状态、警告信息、故障代码、违章等数据，根据不同的工作阶段，可选择相应阶段来实现历史模拟工作动画的播放。

（4）历史数据区除了具备数据的查询功能外，同时还要求能够实现各种数据详细信息表格、变化趋势图等以书面报表以及XLS格式电子表格的形式导出，从而便于监管人员进行数据的分析与查看，满足监控数据的可追溯性要求。

4 实际应用及效果分析

本系统安装、调试工作比较简单，用时短，可在一般的公路架桥机作业现场进行改造升级，安装工作对起重机械的正常[KG（0.1mm]使用基本不造成影响，可以在起重机械运行

间隙完成。该系统在武忻高速公路№2标段、钦北改扩建№1标段的200 t级架桥机安装并投入使用超过12个月，在架桥机长时间、高湿度及大温差等复杂工况下运行，设备前端数据和视频回传稳定可靠，后台监控界面显示完整，后台监管人员通过系统实现远程无死角监管，使设备使用安全隐患得到有效控制。整个系统投入使用以来，共完成架设326片预制梁工作任务，未出现任何故障，各项功能符合设计预期，达到进一步推广使用的条件。

5 结语

本文以公路架桥机为研究对象，分析了作业安全监管需求，设计了保障架桥机运行安全，结合嵌入式技术、远程无线通信技术、云端技术的架桥机远程监管平台。该平台的主要功能是实时监控远程设备的运行情况，并对异常情况及时报警提醒，督促现场操作、管理人员及时整改问题，消除安全隐患，实现建筑工地管理数字化、协同网络化、管控智能化，为工程项目创建平安工地提供坚实的保障。利用建成使用的远程监管平台及预留的软件接口，后期可扩展开发挂篮施工设备、爬模施工设备、高支模施工、施工现场AI监控等同类原理的监控系统，进一步提高施工设备、现场安全作业监督效率。

［1］韦大川，蒋昌盛，李 愉.架桥机新型前横移轨道梁在高速公路建设中的应用［J］.西部交通科技，2023（4）127-129.

［2］温 鹏，张光明.千吨级分体式架桥机设计研究及应用［J］.机电工程技术，2022，51（1）：171-173.

［3］董 超.机械自控技术在工程建设中的应用［J］.中国设备工程，2020（12）：195-197.

作者简介：韦 军（1981—），工程师，主要从事道路、桥梁的施工及机电、设备管理工作。