市政桥梁施工过程实时监控系统设计

徐 自 云

（安徽宝江建设工程有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引言

现如今，我国国民经济迅猛发展，人们的出行与生活多会使用到汽车，使车辆的使用率增加，例如，一家人旅行会使用到小型汽车；货物运输需要使用货车，以保证货物运输的数量与质量[1]。受此背景环境影响，路面上越来越多的车辆造成了较大面积的拥堵，给人们的出行与生活造成了影响。为此，市政桥梁开始投入建设，以缓解日常交通压力。但是，由于桥梁修建时间较短，且部分车辆行驶在桥梁上时存在超载等现象，造成了市政桥梁经常出现停运维护的状况，这可能会成为经济发展的制约因素。

大部分桥梁的损伤与环境、桥梁承重力超载、维护时间不稳定的原因有关。汽车排放的尾气造成CO2的超量排放，与雨水结合会形成酸性物质，腐蚀市政桥梁的零部件，造成桥梁断裂的隐患。货车超载使用会造成桥梁承重力不足，且桥梁长时间受到超载影响，会出现梁板断裂的现象。桥梁维护是保证桥梁安全使用的重要前提，但是，相关企业对维护桥梁的政策并未认真贯彻，维护时长甚至超过2年，缩短了桥梁的使用寿命。除此之外，市政桥梁在施工过程中容易出现细节不明、施工材料分配不均等现象，是市政桥梁建设亟待解决的问题。文献[2]提出了一种新型市政路桥施工监控装置, 属于监控装置技术领域。箱体内设有蓄电池，箱体一侧设有第一筒体，第一筒体内滑动设置杆体，杆体顶端伸出第一筒体且安装监控摄像头，监控摄像头通过导线与蓄电池电连接,第一筒体上设有杆体固定机构。滑动设置在第一筒体内的杆体及第一筒体上的杆体固定机构，实现了市政路桥施工监控装置的监控摄像头高度的调节，但该方法的实时监控系统误差大。文献[3]提出基于BIM 的车地传输施工监控系统及其工作方法。其中，基于BIM 的车地传输施工监控系统包括专家决策模块，用于接收决策清单，并将其中的待决策项点关联至BIM 模型中；根据预存决策建议，优先级输出各决策项的决策点，跟踪决策项点的实施过程；问题溯源模块，用于接收问题清单并将其中的问题关联至BIM 模型中；按发生时间排列问题,再依次分配问题任务，跟踪问题的解决情况；需求管理模块，用于获取需求清单，跟踪从需求到需求实现的整个过程。但该方法的监控数据传输精度低。基于此，本文设计了市政桥梁施工过程的实时监控系统，通过将模拟信号转换为数据信号的过程，可以保证信号数据的传输精准度。利用A/D转换器将传感器提取出的运行数据进行数据转换，采用多个施工数据传输的方式，综合选取最符合实际的数据，保证施工监控质量，进而实现市政桥梁的全过程监测。对人们的出行与生活提供保障。

1 硬件设计

1.1 传感器

本文设计的实时监控系统中，需要保证数据实时传输效果，因此，传感器的设计至关重要。一般情况下，传感器的测量值会存在微小的误差，所能测出的最大范围取决于系统的噪声影响强度。而且传感器的测量频率范围是以灵敏度为准，盲目地追求低噪声很难实现数据的实时传输效果[4]。传感器判断区间见表1。

表1 传感器判断区间

因此，本文设计的传感器首先针对外形进行改观，在保证输出数据量的基础上，将传感器的尺寸设计成较小的尺寸形式。本文考虑到市政桥梁施工需要监测的温度、预警响应、振动响应、信号传输等指标，将传感器的温度设置成100℃～250℃，在此温度范围内可以保证传感器的正常使用。为了保证数据传输实时性，本文将传感器的内存空间设置为64 GB，低阻抗电压>5 V，测量频率保持在45 MHz 左右，最大限度地保证传感器的正常使用。

1.2 A/D 转换器

A/D 转换器的设计是本文设计实时监控系统的关键，通过将模拟信号转换为数据信号的过程，可以保证信号数据的传输精准度。通过传感器将市政桥梁施工数据进行传输，再通过A/D 转换器，将信号转换成系统适用的信号，从而实现数据的实时传输功能[5]。本文设计的A/D 转换器是使用二进制的数码技术，可以将其他信号转变成离散型的数字信号。在A/D 转换器的设计中，每次接收到的信号均可以实时转化成数据信号，为系统提供真实数据。A/D 转换器的信号转换模式是以基本改动为基础，信号传输频率在4 MHz 左右，均可以达到完整的转换。为了保证A/D 转换器的实用效果，本文将A/D转换器设计成性能高、成本低、体积小、功耗小的硬件。因此，本文使用32 bit 进行转换，对于市政桥梁施工的过程数据进行实时转换。由于FPGA 具有加强的编程灵活性，本文利用FPGA 进行A/D 转换器编程，不仅可以提高A/D 转换器的数据转换能力，还可以有效节约成本，为系统提供经济适用的硬件设计环境。

1.3 ARM 处理器

本文设计的ARM 处理器是为系统监控数据服务，需要同时具有实时性、灵活性，以及高效性。因此，本文选用Linux 进行处理器内核设定，并将ARM1176JZF-S 作为ARM 处理器的运行核心，设定其运行频率在7 000 MHz 以内，保证市政桥梁施工监控数据的实时处理效果。

为了保证ARM 处理器的逻辑性，本文在处理器中内嵌了EP2C8Q208C8N 处理单元，该处理单元中存在超过8 000 个的逻辑单元，4 kbits+512 bits校验bits 存在64 个，2 个PLL 锁相环，总RAM 比特数为17 000 bits。因此，ARM 处理器可以同时处理较多的监控信息数据，进一步保证系统对市政桥梁的监控效果。除此之外，在ARM 处理器中存在210个引脚，I/O 接口200 个，不同的用户使用该处理器时，均存在不同的权限，保证系统内部数据的安全性。考虑到市政桥梁施工的不稳定因素，本文设计的ARM 处理器具有2 GB 的内存，可以支持SD 卡与Ethernet，因此，其同时具备2 个USB 接口，为HDMI 与RCA 提供数据输出支持。

2 软件设计

2.1 建立系统功能性模块

为了保证市政桥梁的施工过程更具有针对性，需要充分分析周围地形条件，并将桥梁周围的环境、车流量、相关设施，以电子图形的形式进行描述，保证市政桥梁施工前对周围环境有一个精准的分析。在分析出市政桥梁周围环境后，需要对周围快速路进行安全评估，分析出快速路的使用寿命与影响施工因素，作为市政桥梁施工前提[6]。市政桥梁施工需要考虑到正常荷载情况下的车辆应力情况，并对可能出现的突发事件进行安全预防。本文考虑到桥梁相关构件的耐久性与腐蚀性，将重要构件区域进行标注，在每次的市政桥梁维护过程中，更加侧重于维护桥梁构件，基本上保证市政桥梁的使用安全性。桥梁施工实时数据采集系统原理如图1 所示。

图1 桥梁施工实时数据采集系统原理

根据图1 得知，桥梁施工实时数据采集系统包括：数据采集、数据传输、数据处理和显示模块。在桥梁的施工过程中，系统可以使用传感器将桥梁的运行数据进行实时传输，再利用A/D 转换器将传感器提取出的运行数据进行数据转换，使桥梁施工过程的数据可以精准地传输，方便系统的全方位监管。在系统接收市政桥梁施工数据时，可以在内部进行信息数据统一处理，在第一时间掌握市政桥梁的施工数据，也可以在发生事故的过程中进行准确的判断，最大限度地保证桥梁的使用安全性。在进行施工数据监控的过程中，需要提前制定出监控计划，并将监测指令进行测试，保证系统对市政桥梁的动态监测结果。同时，本文设计的系统以监控为主，需要通过传感器进行数据采集，A/D 转换器进行数据转换，ARM 处理器进行数据处理，为系统实时监控提供保障。

2.2 修正实时监控误差

市政桥梁在施工过程中会受到施工环境、天气环境等变量的影响，导致施工测量数据与系统传输的数据存在误差，影响系统的实时监控效果[7]。为了提高系统的实时监控能力，对市政桥梁施工过程中监控误差进行修正。利用方差公式进行误差修正：

式（1）中：σ 为修正后的误差，%；m 为常数，表示系统修正次数；k（x）为传感器传输桥梁施工数据，MB/s；k（x0）为实际桥梁施工数据，MB/s。为了减少相关因素对系统的影响，需要实时辨识施工安全风险，并了解造成误差的主要来源，从源头上减少误差的出现次数。此外，通过系统硬件传输回来的数据也不能盲目使用，需要准确分析施工变量的特征，从而提高误差修正效果。因此，在市政桥梁施工过程中，需要将每个施工阶段的施工数据进行多次数据传输，从中挑选出更加精准的数据，保证施工监控质量。

2.3 实现市政桥梁的全过程监测

为了实现市政桥梁的全过程监测，本文从传感器中获取市政桥梁施工数据，在系统内部可以将每一阶段的施工数据进行传输，每一个施工步骤均采用多个施工数据传输的方式，综合选取最符合实际的数据，再将此时的数据上传至监控界面中，保证数据采集与分析效果。为了保证系统的实时监控效果，本文在系统中设计了数据传输模块、数据分析模块、事故分析模块、事故预警模块、监督维护模块，以及监测汇总模块。通过分析施工数据，可以得到此时市政桥梁的施工状态，进而保证施工全过程的管理。事故分析模块与事故预警模块是以实景模拟为主的设计形式，通过模拟事故类型，消除市政桥梁可能出现的事故。监督维护模块是本系统的关键，通过监督市政桥梁的各个节点构件，在出现构件老化的现象时，可以快速分析构件老化类型，并安排施工人员进行构件维修或安装新的构件，保证市政桥梁的安全维护效果，进一步提高系统监控实时性。

3 系统测试

为了验证本文设计的系统是否具有实用效果，以苏州市政桥梁为例，对施工材料输送、分发、人员分配、节点掌控、质量追踪、协调环境等方面进行实时监控。系统测试过程及结果如下。

3.1 测试过程

本实时应力数据采集系统进行了现场试验，试验地点在苏州市竹园大桥。竹园大桥连接苏州中心城区和新区，跨京杭运河，主桥为三跨33 m+90 m+30 m 自锚式悬索桥，主桥桥面宽37 m。利用市政桥梁施工过程实时监控系统进行苏州市市政桥梁监控。在监控过程中，需要通过系统硬件进行监控指令控制，并通过相关硬件，将苏州市政桥梁的施工信息进行监控。因此，首先对系统硬件进行调试，将传感器、A/D 转换器、ARM 处理器按照正常的程序进行安装。并在ARM 处理器中输入桥梁不平衡载荷、梁体中线、梁板不平整度、相邻区域的施工标高与预应力，硬件调试完毕后，本文对系统的软件进行调试，调试完成后的系统登录界面见图2。

图2 登录界面

由图2 可知，如果软件调试失败，则不能出现登录界面，系统将会以白屏的形式呈现，此时需要检查系统软件调试结果，并不断转换系统内部的各个接线，直至系统出现图2 的登录界面为止。将系统硬件与软件调试完毕后，可以得到图2 登录界面，输入正确的用户名与密码后，点击登录即可进行市政桥梁施工过程的实时监控。

3.2 测试结果

在上述测试环境下，本文对荷载、中线、不平整度、标高、预应力进行了进行监测，测试结果见表2。

表2 测试结果 mm

由表2 可知，本文以主梁中线水平程度为指标，将其实际值与硬件传输值相对比，如果误差≤1 mm，则证明硬件可以正常运行；如果误差＞1 mm，则需要继续调试硬件，直至与实际值相差1 mm 以内。根据上述参数设定，进行实时监控，得到施工过程中的监控数据结果如图3 所示。

图3 实时监控系统误差对比结果

由图3 可知，本文方法的监控系统误差值为0.164%，文献[2]方法的监控系统误差值为0.189%，文献[3]方法的监控系统误差值为0.2%。由此可知，本文方法的监控误差明显低于其他2 种方法，能够有效提高监控效果。测试不同方法对市政桥梁施工过程实时监控系统进行数据传输精度对比，得到对比结果如图4 所示。

由图4 可知，本文方法的数据传输精度为90%，文献[2]方法的数据传输精度为70%，文献[3]方法的数据传输精度为88%。由此可知，本文方法的监控数据传输精度明显高于其他2 种方法，能够有效提高数据传输效果，从而提高实时监控的监控能力。

图4 实时监控数据传输精度

4 系统安装要求

1）控制台、机柜（架）安装位置应符合设计要求，安装应平稳牢固、施工时便于维护。

2）在多个监测器并行排列的时候，前面板需在同一个平面上同时平行于基准线，前后差距需＜3 mm；2 个监测器中间的缝隙需＜3 mm。对于相互不间隔而排成一列的设备，面板的前后差距需＜5 mm。

3）设备和硬件安装应加固。

4）采用地槽或者墙槽时，所有电缆需从底部引入，根据电缆所去方向将电缆理直，根据电缆排列次序放入槽内；拐弯处应符合电缆曲率半径的要求。

5）应采取避光措施。

6）不受到外来光线的直射。如果出现无法避免的直射光时，应增加遮光罩，以此达到遮档的效果。

7）需要操作面板的设备，应安装在便于操作的位置。

8）确定监测项目、监测参数,传感系统测点布置方案。

硬件系统按照上述的安装要求, 结合统功能性模块和充分调研比较, 最优化地选择并安装了系统硬件设施。

5 结语

近年来，我国使用车辆的人数越来越多，货车等重型车辆成为货物运输的关键，交通拥堵现象愈发严重。因此，市政桥梁开始修建，缓解了大部分的交通压力，货车往返运输时间缩短，为人们提供了便捷的出行条件。但是，随着经济的发展，货车超载的现象日益加剧，极易引发桥梁上的交通事故，造成较大面积的人员伤亡。基于此，本文设计了市政桥梁施工过程的实时监控系统，通过A/D 转换器，将信号转换成系统适用的信号，从而实现数据的实时传输功能通过传感器进行数据采集，A/D 转换器进行数据转换，ARM 处理器进行数据处理，为系统实时监控提供保障。通过系统硬件传输回来的数据也不能盲目使用，需要准确分析施工变量的特征，从而提高误差修正效果。实验结果表明，本文方法的监控系统误差值为0.164%，数据传输精度为90%。由此可知，本文方法能有效提高实时监控的监控能力与效果，可以确保桥梁使用安全，为人们的出行提供保障。