市政橋梁施工過程實時監控系統設計

徐 自 云

（安徽寶江建設工程有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引言

現如今，我國國民經濟迅猛發展，人們的出行與生活多會使用到汽車，使車輛的使用率增加，例如，一家人旅行會使用到小型汽車；貨物運輸需要使用貨車，以保證貨物運輸的數量與質量[1]。受此背景環境影響，路面上越來越多的車輛造成了較大面積的擁堵，給人們的出行與生活造成了影響。為此，市政橋梁開始投入建設，以緩解日常交通壓力。但是，由于橋梁修建時間較短，且部分車輛行駛在橋梁上時存在超載等現象，造成了市政橋梁經常出現停運維護的狀況，這可能會成為經濟發展的制約因素。

大部分橋梁的損傷與環境、橋梁承重力超載、維護時間不穩定的原因有關。汽車排放的尾氣造成CO2的超量排放，與雨水結合會形成酸性物質，腐蝕市政橋梁的零部件，造成橋梁斷裂的隱患。貨車超載使用會造成橋梁承重力不足，且橋梁長時間受到超載影響，會出現梁板斷裂的現象。橋梁維護是保證橋梁安全使用的重要前提，但是，相關企業對維護橋梁的政策并未認真貫徹，維護時長甚至超過2年，縮短了橋梁的使用壽命。除此之外，市政橋梁在施工過程中容易出現細節不明、施工材料分配不均等現象，是市政橋梁建設亟待解決的問題。文獻[2]提出了一種新型市政路橋施工監控裝置, 屬于監控裝置技術領域。箱體內設有蓄電池，箱體一側設有第一筒體，第一筒體內滑動設置桿體，桿體頂端伸出第一筒體且安裝監控攝像頭，監控攝像頭通過導線與蓄電池電連接,第一筒體上設有桿體固定機構。滑動設置在第一筒體內的桿體及第一筒體上的桿體固定機構，實現了市政路橋施工監控裝置的監控攝像頭高度的調節，但該方法的實時監控系統誤差大。文獻[3]提出基于BIM 的車地傳輸施工監控系統及其工作方法。其中，基于BIM 的車地傳輸施工監控系統包括專家決策模塊，用于接收決策清單，并將其中的待決策項點關聯至BIM 模型中；根據預存決策建議，優先級輸出各決策項的決策點，跟蹤決策項點的實施過程；問題溯源模塊，用于接收問題清單并將其中的問題關聯至BIM 模型中；按發生時間排列問題,再依次分配問題任務，跟蹤問題的解決情況；需求管理模塊，用于獲取需求清單，跟蹤從需求到需求實現的整個過程。但該方法的監控數據傳輸精度低。基于此，本文設計了市政橋梁施工過程的實時監控系統，通過將模擬信號轉換為數據信號的過程，可以保證信號數據的傳輸精準度。利用A/D轉換器將傳感器提取出的運行數據進行數據轉換，采用多個施工數據傳輸的方式，綜合選取最符合實際的數據，保證施工監控質量，進而實現市政橋梁的全過程監測。對人們的出行與生活提供保障。

1 硬件設計

1.1 傳感器

本文設計的實時監控系統中，需要保證數據實時傳輸效果，因此，傳感器的設計至關重要。一般情況下，傳感器的測量值會存在微小的誤差，所能測出的最大范圍取決于系統的噪聲影響強度。而且傳感器的測量頻率范圍是以靈敏度為準，盲目地追求低噪聲很難實現數據的實時傳輸效果[4]。傳感器判斷區間見表1。

表1 傳感器判斷區間

因此，本文設計的傳感器首先針對外形進行改觀，在保證輸出數據量的基礎上，將傳感器的尺寸設計成較小的尺寸形式。本文考慮到市政橋梁施工需要監測的溫度、預警響應、振動響應、信號傳輸等指標，將傳感器的溫度設置成100℃～250℃，在此溫度范圍內可以保證傳感器的正常使用。為了保證數據傳輸實時性，本文將傳感器的內存空間設置為64 GB，低阻抗電壓>5 V，測量頻率保持在45 MHz 左右，最大限度地保證傳感器的正常使用。

1.2 A/D 轉換器

A/D 轉換器的設計是本文設計實時監控系統的關鍵，通過將模擬信號轉換為數據信號的過程，可以保證信號數據的傳輸精準度。通過傳感器將市政橋梁施工數據進行傳輸，再通過A/D 轉換器，將信號轉換成系統適用的信號，從而實現數據的實時傳輸功能[5]。本文設計的A/D 轉換器是使用二進制的數碼技術，可以將其他信號轉變成離散型的數字信號。在A/D 轉換器的設計中，每次接收到的信號均可以實時轉化成數據信號，為系統提供真實數據。A/D 轉換器的信號轉換模式是以基本改動為基礎，信號傳輸頻率在4 MHz 左右，均可以達到完整的轉換。為了保證A/D 轉換器的實用效果，本文將A/D轉換器設計成性能高、成本低、體積小、功耗小的硬件。因此，本文使用32 bit 進行轉換，對于市政橋梁施工的過程數據進行實時轉換。由于FPGA 具有加強的編程靈活性，本文利用FPGA 進行A/D 轉換器編程，不僅可以提高A/D 轉換器的數據轉換能力，還可以有效節約成本，為系統提供經濟適用的硬件設計環境。

1.3 ARM 處理器

本文設計的ARM 處理器是為系統監控數據服務，需要同時具有實時性、靈活性，以及高效性。因此，本文選用Linux 進行處理器內核設定，并將ARM1176JZF-S 作為ARM 處理器的運行核心，設定其運行頻率在7 000 MHz 以內，保證市政橋梁施工監控數據的實時處理效果。

為了保證ARM 處理器的邏輯性，本文在處理器中內嵌了EP2C8Q208C8N 處理單元，該處理單元中存在超過8 000 個的邏輯單元，4 kbits+512 bits校驗bits 存在64 個，2 個PLL 鎖相環，總RAM 比特數為17 000 bits。因此，ARM 處理器可以同時處理較多的監控信息數據，進一步保證系統對市政橋梁的監控效果。除此之外，在ARM 處理器中存在210個引腳，I/O 接口200 個，不同的用戶使用該處理器時，均存在不同的權限，保證系統內部數據的安全性。考慮到市政橋梁施工的不穩定因素，本文設計的ARM 處理器具有2 GB 的內存，可以支持SD 卡與Ethernet，因此，其同時具備2 個USB 接口，為HDMI 與RCA 提供數據輸出支持。

2 軟件設計

2.1 建立系統功能性模塊

為了保證市政橋梁的施工過程更具有針對性，需要充分分析周圍地形條件，并將橋梁周圍的環境、車流量、相關設施，以電子圖形的形式進行描述，保證市政橋梁施工前對周圍環境有一個精準的分析。在分析出市政橋梁周圍環境后，需要對周圍快速路進行安全評估，分析出快速路的使用壽命與影響施工因素，作為市政橋梁施工前提[6]。市政橋梁施工需要考慮到正常荷載情況下的車輛應力情況，并對可能出現的突發事件進行安全預防。本文考慮到橋梁相關構件的耐久性與腐蝕性，將重要構件區域進行標注，在每次的市政橋梁維護過程中，更加側重于維護橋梁構件，基本上保證市政橋梁的使用安全性。橋梁施工實時數據采集系統原理如圖1 所示。

圖1 橋梁施工實時數據采集系統原理

根據圖1 得知，橋梁施工實時數據采集系統包括：數據采集、數據傳輸、數據處理和顯示模塊。在橋梁的施工過程中，系統可以使用傳感器將橋梁的運行數據進行實時傳輸，再利用A/D 轉換器將傳感器提取出的運行數據進行數據轉換，使橋梁施工過程的數據可以精準地傳輸，方便系統的全方位監管。在系統接收市政橋梁施工數據時，可以在內部進行信息數據統一處理，在第一時間掌握市政橋梁的施工數據，也可以在發生事故的過程中進行準確的判斷，最大限度地保證橋梁的使用安全性。在進行施工數據監控的過程中，需要提前制定出監控計劃，并將監測指令進行測試，保證系統對市政橋梁的動態監測結果。同時，本文設計的系統以監控為主，需要通過傳感器進行數據采集，A/D 轉換器進行數據轉換，ARM 處理器進行數據處理，為系統實時監控提供保障。

2.2 修正實時監控誤差

市政橋梁在施工過程中會受到施工環境、天氣環境等變量的影響，導致施工測量數據與系統傳輸的數據存在誤差，影響系統的實時監控效果[7]。為了提高系統的實時監控能力，對市政橋梁施工過程中監控誤差進行修正。利用方差公式進行誤差修正：

式（1）中：σ 為修正后的誤差，%；m 為常數，表示系統修正次數；k（x）為傳感器傳輸橋梁施工數據，MB/s；k（x0）為實際橋梁施工數據，MB/s。為了減少相關因素對系統的影響，需要實時辨識施工安全風險，并了解造成誤差的主要來源，從源頭上減少誤差的出現次數。此外，通過系統硬件傳輸回來的數據也不能盲目使用，需要準確分析施工變量的特征，從而提高誤差修正效果。因此，在市政橋梁施工過程中，需要將每個施工階段的施工數據進行多次數據傳輸，從中挑選出更加精準的數據，保證施工監控質量。

2.3 實現市政橋梁的全過程監測

為了實現市政橋梁的全過程監測，本文從傳感器中獲取市政橋梁施工數據，在系統內部可以將每一階段的施工數據進行傳輸，每一個施工步驟均采用多個施工數據傳輸的方式，綜合選取最符合實際的數據，再將此時的數據上傳至監控界面中，保證數據采集與分析效果。為了保證系統的實時監控效果，本文在系統中設計了數據傳輸模塊、數據分析模塊、事故分析模塊、事故預警模塊、監督維護模塊，以及監測匯總模塊。通過分析施工數據，可以得到此時市政橋梁的施工狀態，進而保證施工全過程的管理。事故分析模塊與事故預警模塊是以實景模擬為主的設計形式，通過模擬事故類型，消除市政橋梁可能出現的事故。監督維護模塊是本系統的關鍵，通過監督市政橋梁的各個節點構件，在出現構件老化的現象時，可以快速分析構件老化類型，并安排施工人員進行構件維修或安裝新的構件，保證市政橋梁的安全維護效果，進一步提高系統監控實時性。

3 系統測試

為了驗證本文設計的系統是否具有實用效果，以蘇州市政橋梁為例，對施工材料輸送、分發、人員分配、節點掌控、質量追蹤、協調環境等方面進行實時監控。系統測試過程及結果如下。

3.1 測試過程

本實時應力數據采集系統進行了現場試驗，試驗地點在蘇州市竹園大橋。竹園大橋連接蘇州中心城區和新區，跨京杭運河，主橋為三跨33 m+90 m+30 m 自錨式懸索橋，主橋橋面寬37 m。利用市政橋梁施工過程實時監控系統進行蘇州市市政橋梁監控。在監控過程中，需要通過系統硬件進行監控指令控制，并通過相關硬件，將蘇州市政橋梁的施工信息進行監控。因此，首先對系統硬件進行調試，將傳感器、A/D 轉換器、ARM 處理器按照正常的程序進行安裝。并在ARM 處理器中輸入橋梁不平衡載荷、梁體中線、梁板不平整度、相鄰區域的施工標高與預應力，硬件調試完畢后，本文對系統的軟件進行調試，調試完成后的系統登錄界面見圖2。

圖2 登錄界面

由圖2 可知，如果軟件調試失敗，則不能出現登錄界面，系統將會以白屏的形式呈現，此時需要檢查系統軟件調試結果，并不斷轉換系統內部的各個接線，直至系統出現圖2 的登錄界面為止。將系統硬件與軟件調試完畢后，可以得到圖2 登錄界面，輸入正確的用戶名與密碼后，點擊登錄即可進行市政橋梁施工過程的實時監控。

3.2 測試結果

在上述測試環境下，本文對荷載、中線、不平整度、標高、預應力進行了進行監測，測試結果見表2。

表2 測試結果 mm

由表2 可知，本文以主梁中線水平程度為指標，將其實際值與硬件傳輸值相對比，如果誤差≤1 mm，則證明硬件可以正常運行；如果誤差＞1 mm，則需要繼續調試硬件，直至與實際值相差1 mm 以內。根據上述參數設定，進行實時監控，得到施工過程中的監控數據結果如圖3 所示。

圖3 實時監控系統誤差對比結果

由圖3 可知，本文方法的監控系統誤差值為0.164%，文獻[2]方法的監控系統誤差值為0.189%，文獻[3]方法的監控系統誤差值為0.2%。由此可知，本文方法的監控誤差明顯低于其他2 種方法，能夠有效提高監控效果。測試不同方法對市政橋梁施工過程實時監控系統進行數據傳輸精度對比，得到對比結果如圖4 所示。

由圖4 可知，本文方法的數據傳輸精度為90%，文獻[2]方法的數據傳輸精度為70%，文獻[3]方法的數據傳輸精度為88%。由此可知，本文方法的監控數據傳輸精度明顯高于其他2 種方法，能夠有效提高數據傳輸效果，從而提高實時監控的監控能力。

圖4 實時監控數據傳輸精度

4 系統安裝要求

1）控制臺、機柜（架）安裝位置應符合設計要求，安裝應平穩牢固、施工時便于維護。

2）在多個監測器并行排列的時候，前面板需在同一個平面上同時平行于基準線，前后差距需＜3 mm；2 個監測器中間的縫隙需＜3 mm。對于相互不間隔而排成一列的設備，面板的前后差距需＜5 mm。

3）設備和硬件安裝應加固。

4）采用地槽或者墻槽時，所有電纜需從底部引入，根據電纜所去方向將電纜理直，根據電纜排列次序放入槽內；拐彎處應符合電纜曲率半徑的要求。

5）應采取避光措施。

6）不受到外來光線的直射。如果出現無法避免的直射光時，應增加遮光罩，以此達到遮檔的效果。

7）需要操作面板的設備，應安裝在便于操作的位置。

8）確定監測項目、監測參數,傳感系統測點布置方案。

硬件系統按照上述的安裝要求, 結合統功能性模塊和充分調研比較, 最優化地選擇并安裝了系統硬件設施。

5 結語

近年來，我國使用車輛的人數越來越多，貨車等重型車輛成為貨物運輸的關鍵，交通擁堵現象愈發嚴重。因此，市政橋梁開始修建，緩解了大部分的交通壓力，貨車往返運輸時間縮短，為人們提供了便捷的出行條件。但是，隨著經濟的發展，貨車超載的現象日益加劇，極易引發橋梁上的交通事故，造成較大面積的人員傷亡。基于此，本文設計了市政橋梁施工過程的實時監控系統，通過A/D 轉換器，將信號轉換成系統適用的信號，從而實現數據的實時傳輸功能通過傳感器進行數據采集，A/D 轉換器進行數據轉換，ARM 處理器進行數據處理，為系統實時監控提供保障。通過系統硬件傳輸回來的數據也不能盲目使用，需要準確分析施工變量的特征，從而提高誤差修正效果。實驗結果表明，本文方法的監控系統誤差值為0.164%，數據傳輸精度為90%。由此可知，本文方法能有效提高實時監控的監控能力與效果，可以確保橋梁使用安全，為人們的出行提供保障。