胡敬銓 王文龍 張曉曦 陳 潔

(1.永富建工集團(tuán)有限公司 福建福州 350008；2.福建誠(chéng)恒意建設(shè)有限公司 福建廈門 361026；3.福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 福建福州 350008)

0 引言

塔式起重機(jī)作為主要物料運(yùn)輸機(jī)械裝備，在房屋建筑和橋梁施工等工程中得到廣泛應(yīng)用。

近年來，在一些大型橋梁和高層、超高層建筑等大型建筑的建設(shè)中，塔式起重機(jī)在施工中的作用越來越大，并需要不斷地重型化和大型化。起重機(jī)工作時(shí)，容易受到各種環(huán)境因素、起重物和起重力矩等因素的影響，引發(fā)事故的發(fā)生[1]。當(dāng)前塔式起重機(jī)缺乏有效且簡(jiǎn)便的監(jiān)控技術(shù)手段，管理和維護(hù)不足，安全部件失效，個(gè)別工作人員甚至違規(guī)進(jìn)行作業(yè)，因而安全事故時(shí)有發(fā)生。如何通過高科技手段，提高塔式起重機(jī)安全性和可靠性，已成為從業(yè)人員關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

建立有效且簡(jiǎn)便的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)塔式起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)已事不宜遲。為實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)工作時(shí)的遠(yuǎn)程安全監(jiān)測(cè),減少人員從業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究智能化的塔式起重機(jī)管理和故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)超載、短接電路、金屬結(jié)構(gòu)腐蝕、超速等安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行嚴(yán)密有效的監(jiān)控。該系統(tǒng)是進(jìn)行監(jiān)測(cè)塔式起重機(jī)違規(guī)作業(yè)、事故快速處置、故障及時(shí)救援、塔式起重機(jī)信息交流及運(yùn)行狀況統(tǒng)計(jì)分析的重要窗口[1-3]。利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，構(gòu)建起重機(jī)安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可以減少安全隱患，減少事故的發(fā)生，保障人員和設(shè)備的安全。因而，研究塔式起重機(jī)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，建立有效且簡(jiǎn)便的系統(tǒng)，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值。

1 系統(tǒng)功能定位

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立塔式起重機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)。為實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)發(fā)生故障時(shí)的實(shí)時(shí)傳輸和塔式起重機(jī)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)采集等功能，主要服務(wù)功能有[3-5]：

(1)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)：要求系統(tǒng)對(duì)塔式起重機(jī)安全作業(yè)時(shí)的工況數(shù)據(jù)，諸如起升速度、起重力矩、變幅幅度、環(huán)境風(fēng)速和回轉(zhuǎn)角度等進(jìn)行采集，對(duì)塔式起重機(jī)起重量限制器等安全裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，全面了解塔式起重機(jī)運(yùn)行信息。

(2)故障實(shí)時(shí)顯示：以數(shù)值和圖形的方式在顯示屏上，顯示出塔式起重機(jī)當(dāng)前的工作參數(shù)和額定的工作參數(shù)。

(3)故障實(shí)時(shí)報(bào)警：通過測(cè)量值和給定報(bào)警閾值相比較，在臨近額定限值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警和預(yù)警。

(4)故障應(yīng)急處置：當(dāng)塔式起重機(jī)的工作狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)與監(jiān)控中心進(jìn)行聯(lián)系，可以24小時(shí)接聽、指揮、處理與塔式起重機(jī)安全運(yùn)行相關(guān)的咨詢等信息。

(5)日常作業(yè)監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)對(duì)塔式起重機(jī)全作業(yè)流程化與信息化管理?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)對(duì)塔式起重機(jī)安裝與拆卸作業(yè)不安全行為自動(dòng)識(shí)別和預(yù)警，通過系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別塔機(jī)安裝、拆卸和頂升作業(yè)過程中安全交底地點(diǎn)、交底內(nèi)容廣播、作業(yè)動(dòng)作、風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)廣播預(yù)警的安拆管理系統(tǒng)，如果發(fā)生違規(guī)操作，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生告警，可以利用APP的消息推送或短信等方式，實(shí)時(shí)地告知工作人員對(duì)應(yīng)地報(bào)警內(nèi)容。

(6)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控平臺(tái)：系統(tǒng)安全運(yùn)行時(shí)，基于GIS技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控，將塔機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等傳送至平臺(tái)。

(7)數(shù)據(jù)追憶：當(dāng)塔機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可在系統(tǒng)上查詢塔式起重機(jī)事故發(fā)生時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)等信息，有助于調(diào)查事故過程，提供證據(jù)。

(8)統(tǒng)計(jì)分析：在系統(tǒng)上查詢統(tǒng)計(jì)分析的模塊，或開放數(shù)據(jù)接口；采集塔式起重機(jī)工作時(shí)的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，推斷塔式起重機(jī)運(yùn)行時(shí)常見的故障類型和其發(fā)生的概率，對(duì)塔式起重機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)評(píng)，有效預(yù)防故障的發(fā)生。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建

通過分析以上的功能定位，塔式起重機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)融合處理和嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率的建筑塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)控與聲光預(yù)警報(bào)警等功能，以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警和遠(yuǎn)程告知，從技術(shù)手段上保障了對(duì)塔機(jī)使用過程和行為的及時(shí)監(jiān)控、切實(shí)預(yù)警、控制設(shè)備運(yùn)行過程中的危險(xiǎn)因素和安全隱患，有效地防范和減少塔機(jī)安全生產(chǎn)事故發(fā)生[2]。根據(jù)塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)功能定位和技術(shù)，構(gòu)建如圖1所示的基于物聯(lián)網(wǎng)的塔式起重機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5-6]。

圖1 塔式起重機(jī)安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5-6]

由圖1可以看出，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以分為5層：

第一層為感知層。感知層主要采集塔式起重機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息和發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)信息，并運(yùn)用邏輯判斷對(duì)塔式起重機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，然后發(fā)送當(dāng)前的狀態(tài)信息等信號(hào)到下一層中的服務(wù)器。該層主要的設(shè)備是數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控終端和傳感器。

第二層為網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)塔式起重機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)信息，以及對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行傳輸，并在數(shù)據(jù)服務(wù)中心中記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，和故障報(bào)警信息的傳輸，同時(shí)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。該層主要由有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或運(yùn)營(yíng)商的無線及數(shù)據(jù)中心服務(wù)器組成。

第三層為應(yīng)用層。主要功能是監(jiān)控和管理，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行計(jì)算。其中包括塔式起重機(jī)安裝單位系統(tǒng)、使用單位系統(tǒng)以及應(yīng)急救援系統(tǒng)等。該層主要由塔式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件、移動(dòng)智能終端、客戶端電腦，和部署在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上的軟件中間件等構(gòu)成。

第四層為協(xié)議層。協(xié)議層有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，相關(guān)企業(yè)的各個(gè)應(yīng)用，可以通過數(shù)據(jù)協(xié)議，與監(jiān)控層進(jìn)行數(shù)據(jù)上的通訊。系統(tǒng)采用開放式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，滿足其協(xié)議的廠家均可接入其監(jiān)管層。

第五層為監(jiān)管層。主要包括5個(gè)應(yīng)用：日常監(jiān)管查詢統(tǒng)計(jì)、應(yīng)急救援查詢統(tǒng)計(jì)、全監(jiān)測(cè)抽查、塔式起重機(jī)故障查詢統(tǒng)計(jì)。通過對(duì)決策支持系統(tǒng)等與安全監(jiān)察相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用的評(píng)價(jià)，監(jiān)管層可以按照規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送，實(shí)時(shí)讀取各塔式起重機(jī)運(yùn)行時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用實(shí)踐

塔式起重機(jī)在橋梁工程、房屋建筑、核電建設(shè)、市政工程等行業(yè)應(yīng)用廣泛，屬于一種非連續(xù)性搬運(yùn)重型機(jī)械。當(dāng)塔式起重機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生超載、超速等安全隱患時(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)的塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，利用傳感器采集數(shù)據(jù)信息并傳輸?shù)较到y(tǒng)中，設(shè)置告警的響應(yīng)等級(jí)，并根據(jù)不同的等級(jí)發(fā)出相應(yīng)的告警。發(fā)生故障時(shí)，記錄相應(yīng)的視頻和語音信息，通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)和監(jiān)測(cè)管理機(jī)構(gòu)。圖2為在建筑安裝現(xiàn)場(chǎng)的塔式起重機(jī)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用原理圖。

利用在前端的傳感器，將采集的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸至平臺(tái)，并根據(jù)設(shè)置的響應(yīng)級(jí)別，發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警。同時(shí)，當(dāng)聚氯塔式起重機(jī)發(fā)生異常時(shí)，其視頻信息和語音信息將通過物聯(lián)網(wǎng)激素及時(shí)傳輸至監(jiān)管機(jī)構(gòu)或遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端。在建筑安裝現(xiàn)場(chǎng)的塔式起重機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用原理圖，如圖2所示?？梢钥闯觯到y(tǒng)采用振動(dòng)等傳感器采集塔機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)信息，同時(shí)收集異常的工作信息，最后通過遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)管平臺(tái)的設(shè)備管理者與維保人員。

圖2 塔式起重機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐[5-7]

利用基于物聯(lián)網(wǎng)的塔式起重機(jī)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出聲光預(yù)警，或主管部門人員、維護(hù)人員、管理人員的手機(jī)會(huì)收到預(yù)警信息，對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)的維修。

4 結(jié)語

以塔式起重機(jī)對(duì)象，從塔式起重機(jī)狀態(tài)安全監(jiān)控的功能定位角度出發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合塔式起重機(jī)具體的工作方式及工作條件，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的塔式起重機(jī)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用探索，實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)超載荷、異常振動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)采集，提高建筑施工的安全管理水平，有效保障現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性和可靠性。