宋雪飛

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

建筑施工過程中，垂直運(yùn)輸是影響工程進(jìn)度和施工現(xiàn)場安全的重要因素。垂直運(yùn)輸過程中存在高處作業(yè)、交叉作業(yè)、碰撞、高空墜物、電氣事故、機(jī)械故障、工人操作不當(dāng)、不文明施工等多種風(fēng)險(xiǎn)隱患，上述原因引起的安全事故約占建筑業(yè)事故總數(shù)的85%左右。目前建筑業(yè)垂直運(yùn)輸作業(yè)的主要設(shè)備是塔吊，對塔吊進(jìn)行有效的安全監(jiān)控，可降低建筑施工事故率。以往的管控手段以現(xiàn)場教育培訓(xùn)和監(jiān)督檢查為主，無法實(shí)現(xiàn)異地精準(zhǔn)管控，極易發(fā)生監(jiān)管不到位。隨著物聯(lián)網(wǎng)和BIM等技術(shù)的發(fā)展，建立數(shù)字化安全監(jiān)控平臺成為對塔吊開展遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)安全管控的先進(jìn)手段。

1 監(jiān)控平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式

1.1 C/S結(jié)構(gòu)

應(yīng)用最早、技術(shù)最成熟的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是C/S結(jié)構(gòu)，即Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)。C/S結(jié)構(gòu)通常采取2層結(jié)構(gòu)，客戶端通過局域網(wǎng)與服務(wù)器相連，接受用戶的請求，并通過網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器提出請求，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。但是，在塔吊數(shù)字化監(jiān)控中，對多地協(xié)同遠(yuǎn)程操作及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高。C/S結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、數(shù)據(jù)傳輸效率、客戶端和服務(wù)器軟硬件維護(hù)等要求較高。

1.2 B/S結(jié)構(gòu)

B/S結(jié)構(gòu)，即Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，是隨著Web技術(shù)的發(fā)展，對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶界面僅需要通過瀏覽器界面即可打開使用，瀏覽器通過Web服務(wù)器同數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以滿足當(dāng)前的全球網(wǎng)絡(luò)開放、互聯(lián)、信息隨處可見和信息共享的新要求。采用B/S結(jié)構(gòu)，只要使用具備網(wǎng)頁瀏覽功能的設(shè)備，在權(quán)限足夠的情況下，均可訪問、讀取數(shù)據(jù)，編輯和控制監(jiān)控集成平臺。

1.3 C/S結(jié)構(gòu)與B/S結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比[1]如表1所示。

2 塔吊監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

塔吊監(jiān)測數(shù)據(jù)的采用，可在塔吊各測點(diǎn)嵌入專用的傳感器，傳感器采集指定數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器。市場上已有成熟的傳感器產(chǎn)品，可采集各種物理量數(shù)據(jù)，如應(yīng)變測量傳感器、液壓伺服器頂升位移與液壓的監(jiān)測傳感器、混凝土溫度監(jiān)測傳感器（圖1）。這些傳感器采集的數(shù)據(jù)信號通過特制的無線通信裝置（圖2）實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器，供監(jiān)控平臺調(diào)用和分析。

表1 C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

圖1 各類傳感器

圖2 傳感器數(shù)據(jù)無線傳輸設(shè)備

3 塔吊狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸

由于塔吊工作時(shí)存在起重臂俯仰變幅、小車變幅、回轉(zhuǎn)、自升、爬升等運(yùn)動(dòng)形式，現(xiàn)場監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)無法采用有線方式進(jìn)行傳輸?？刹捎没谶h(yuǎn)距離無線（Long Range Radio，LoRa）通信的方式，通過采集器和無線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。采集器可連接多個(gè)傳感器，采集器通過LoRa通信方式將傳感器數(shù)據(jù)向無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行發(fā)送。每個(gè)無線網(wǎng)關(guān)可連接多個(gè)采集器，組成星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)（圖3），將采集器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。但是，這種基于LoRa通信的星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)因其傳輸原理容易發(fā)生通信沖突，造成數(shù)據(jù)的收發(fā)錯(cuò)誤，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性。特別是在測點(diǎn)多、工程覆蓋范圍大的情況下，需要以犧牲傳輸速率來擴(kuò)大覆蓋范圍。這樣會導(dǎo)致通信時(shí)長增加，使得通信沖突發(fā)生概率更高[2]。此外，無線傳輸必須采用電池供電，且因監(jiān)測設(shè)備布置數(shù)量多，設(shè)備將隨塔吊爬升而升高，電池更換較困難，如通信功耗過大，將對數(shù)據(jù)采集頻率和監(jiān)測壽命造成影響。因此，數(shù)據(jù)傳輸必須解決以下問題：

1）同信道下的網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制問題。

2）多信道下的網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制問題。

3）通信功耗問題。

圖3 基于LoRa無線通信的星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)示意

3.1 同信道下的網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制

在LoRa方式下，網(wǎng)關(guān)和連接的采集器必須在同一信道下，無線通信模塊才能正常通信?？刹捎米詣?dòng)通信時(shí)序控制，以保證各LoRa無線通信模塊不會在同一時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免無線網(wǎng)絡(luò)中的通信沖突。采集器與無線網(wǎng)關(guān)建立通信連接，在無線網(wǎng)關(guān)內(nèi)按通信連接建立的先后順序?qū)Σ杉鬟M(jìn)行編號，并將編號結(jié)果發(fā)送給對應(yīng)的采集器，采集器將按序號順序依次進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

實(shí)施方式如下：

設(shè)相鄰序號2個(gè)采集器通信數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔為Δt，無線網(wǎng)關(guān)連接的采集器總數(shù)為n，則n個(gè)采集器發(fā)送數(shù)據(jù)所需的總時(shí)間為ttotal＝nΔt。當(dāng)單個(gè)采集器數(shù)據(jù)采集周期T大于ttotal時(shí)，即可保證不發(fā)生通信沖突。需要注意的是，此方法對于時(shí)間精度要求較高，需要在無線網(wǎng)關(guān)和采集器上均運(yùn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并在數(shù)據(jù)采集開始前進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)同步。

將數(shù)據(jù)采集開始時(shí)刻設(shè)置為t0，對于序號為k的采集器，其第i次數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)刻為=t0＋（i-1）T＋kΔt。

3.2 多信道下的網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制

不同信道下的設(shè)備不能形成通信，但可以實(shí)現(xiàn)相互隔離，有效避免通信沖突。因此，可采用多信道LoRa通信方式解決現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)規(guī)模限制問題。實(shí)現(xiàn)采集器與無線網(wǎng)關(guān)在現(xiàn)場接入網(wǎng)絡(luò)之前，自動(dòng)完成現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)探查?，F(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)探查主要由兩部分組成：無線網(wǎng)關(guān)主動(dòng)建立互異信道；采集器自動(dòng)連入空閑信道。以此實(shí)現(xiàn)同一現(xiàn)場多信道的使用。即：無線網(wǎng)關(guān)在現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)條件下啟動(dòng)后，對現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行探查，搜索各信道使用情況。根據(jù)獲得的各信道使用結(jié)果，選擇未被占用的信道。

3.2.1 無線網(wǎng)關(guān)自動(dòng)跳頻建立互異信道工作流程

1）無線網(wǎng)關(guān)在現(xiàn)場上電后，對現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各信道逐一探查，在默認(rèn)頻率信道中向網(wǎng)關(guān)廣播一條問詢指令，等待答復(fù)。

2）收到消息的無線網(wǎng)關(guān)將作出相應(yīng)回應(yīng)。發(fā)出廣播消息的無線網(wǎng)關(guān)如果收到回應(yīng)，則說明當(dāng)前信道已被占用。此時(shí)，無線網(wǎng)關(guān)設(shè)置LoRa通信模塊在當(dāng)前信道頻率的基礎(chǔ)上增加1 MHz，跳到新的信道上，并重復(fù)以上過程。

3）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，若未收到任何網(wǎng)關(guān)的回應(yīng)，則表明在當(dāng)前信道沒有其他網(wǎng)關(guān)占用，無線網(wǎng)關(guān)即可在當(dāng)前信道進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

3.2.2 采集器自動(dòng)調(diào)頻連入空閑信道工作流程

1）采集器上電后，對現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各信道逐一探查，在默認(rèn)頻率信道中發(fā)送搜索網(wǎng)關(guān)指令，等待回復(fù)。

2）收到消息的無線網(wǎng)關(guān)將作出相應(yīng)回應(yīng)，回應(yīng)消息中包含無線網(wǎng)關(guān)當(dāng)前剩余可連接采集器的數(shù)量。

3）當(dāng)采集器接收到剩余容量大于0時(shí)的無線網(wǎng)關(guān)回復(fù)，搜索結(jié)束。

4）若采集器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到無線網(wǎng)關(guān)回復(fù)，或回復(fù)消息中網(wǎng)關(guān)容量為0時(shí)，則采集器設(shè)置LoRa通信模塊在當(dāng)前信道頻率的基礎(chǔ)上增加1 MHz，跳到新的信道上，并重復(fù)以上過程。

5）若自動(dòng)跳頻規(guī)定次數(shù)后，仍未收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)，說明在信號覆蓋范圍內(nèi)未能發(fā)現(xiàn)正在工作的網(wǎng)關(guān)，則自動(dòng)退出搜索過程。

為了保證連接可靠，當(dāng)采集器收到無線網(wǎng)關(guān)發(fā)出剩余容量大于0的消息后，網(wǎng)關(guān)將會重復(fù)向采集器發(fā)送一條確認(rèn)消息。如果收到采集器準(zhǔn)確應(yīng)答，則自動(dòng)將采集器添加到無線網(wǎng)關(guān)自身的采集器列表中，從而完成無線網(wǎng)關(guān)與采集器之間通信鏈路的建立。

3.3 降低LoRa通信模塊功耗

采集器在未上傳數(shù)據(jù)時(shí)，LoRa通信模塊進(jìn)入“休眠-監(jiān)聽”狀態(tài)。在此狀態(tài)下，LoRa通信模塊采用定時(shí)監(jiān)聽的方式，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的喚醒指令。無線網(wǎng)關(guān)在向采集器發(fā)送通信數(shù)據(jù)前，首先發(fā)送喚醒指令，喚醒采集器的LoRa通信模塊。當(dāng)采集器接收到有效的喚醒指令后，才會設(shè)置LoRa通信模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)，直至整個(gè)數(shù)據(jù)包接收完畢。由于絕大部分時(shí)間采集器不發(fā)送數(shù)據(jù)，因此LoRa通信模塊在大部分時(shí)間處于“休眠-監(jiān)聽”狀態(tài)，從而有效降低通信功耗[3]。

4 塔吊狀態(tài)三維輕量化交互

BIM 3D、4D技術(shù)可針對工程進(jìn)度進(jìn)行三維可視化分析和管理，在檢查塔吊覆蓋范圍合理性、防止塔吊在工作和爬升過程中發(fā)生碰撞等方面具有明顯優(yōu)勢。將現(xiàn)場采集到的塔吊工作數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM模型，使BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互融合已成為未來建筑業(yè)發(fā)展的一大趨勢。因?qū)崟r(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)量巨大且BIM模型對計(jì)算機(jī)圖形處理能力要求較高，為保證塔吊安全監(jiān)控的流暢性，對傳感設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析和反饋，擺脫對計(jì)算機(jī)硬件的依賴，必須對BIM模型進(jìn)行輕量化處理。

將BIM模型導(dǎo)出為監(jiān)控平臺自有的bms格式，保存原有模型中構(gòu)件的顏色、材質(zhì)以及其他所有屬性信息，通過轉(zhuǎn)換平臺打開、瀏覽、處理、調(diào)用模型，使運(yùn)行以及顯示bms模型的配置要求低于運(yùn)行及顯示原有BIM模型的配置要求。對相同屬性構(gòu)件只保留一個(gè)模型屬性，其余模型只以編號來調(diào)用該構(gòu)件，使BIM模型進(jìn)行簡化的同時(shí)保證較高調(diào)用速度和實(shí)時(shí)渲染性能[4]。

此外，通過ActiveX控件將三維窗口、時(shí)間軸、信息樹等嵌入到自定義的個(gè)性化界面中，實(shí)現(xiàn)地理空間、標(biāo)注、業(yè)務(wù)等信息的導(dǎo)入、編輯、處理與顯示。

傳感器實(shí)時(shí)獲取的塔吊轉(zhuǎn)角、吊重、大臂角度等參數(shù)，通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控集成平臺數(shù)據(jù)庫，并與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即可將現(xiàn)場塔吊的實(shí)時(shí)狀態(tài)流暢地展現(xiàn)在遠(yuǎn)程終端[5]。

5 結(jié)語

1）考慮到塔吊安全監(jiān)控的特點(diǎn)，數(shù)字化安全監(jiān)控平臺采用B/S結(jié)構(gòu)相較于C/S結(jié)構(gòu)具有遠(yuǎn)程操作適用性強(qiáng)、無需專業(yè)軟件、交互性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)勢。

2）利用LoRa的無線通信網(wǎng)絡(luò)，通過多信道自動(dòng)跳頻探查解決通信信道沖突問題。

3）通過LoRa的無線通信模塊“休眠-監(jiān)聽”狀態(tài)和正常工作狀態(tài)之間的自動(dòng)切換降低通信功耗，可解決塔吊監(jiān)測較大覆蓋范圍的無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸供電問題。

4）通過bms格式保存BIM模型，可在保留必要信息的前提下實(shí)現(xiàn)塔吊模型的無損壓縮，利用ActiveX控件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺的數(shù)字化交互。