黎 嬈 周 誠 覃文波

(1.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074； 2.武漢數(shù)字建造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，武漢 430074)

引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)高速健康地發(fā)展，石油化工、電力建設(shè)和地鐵工程的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，其單機(jī)設(shè)備也越來越大型化、精密化[1]； 同時(shí)，工廠化預(yù)制的逐漸推行，也出現(xiàn)了體積更大，重量更重的大型模塊[2]。大型、重型起重吊裝設(shè)備對(duì)起重吊裝工藝要求越來越高，需要確保設(shè)備的準(zhǔn)確吊裝與防碰撞，難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的吊裝作業(yè)。傳統(tǒng)的吊裝方式往往需要多個(gè)指揮員協(xié)同完成吊裝作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的嘈雜、多人聯(lián)合作業(yè)都會(huì)使溝通受到影響，同時(shí)依靠指揮人員自身的經(jīng)驗(yàn)和判斷無法保證作業(yè)的精度和一致性，這將對(duì)作業(yè)人員產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響，危及作業(yè)的安全。因此，提高大型結(jié)構(gòu)物吊裝過程中吊裝的精確性、安全性與吊裝行為的可預(yù)測(cè)性具有重大意義。

目前，吊裝安全監(jiān)控領(lǐng)域的研究往往對(duì)起重機(jī)械的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，通過姿態(tài)變化分析可能出現(xiàn)的安全問題。對(duì)于載體姿態(tài)可以采用如地磁、光電碼盤等方式進(jìn)行測(cè)量[3]，但無法獲得載體的三維姿態(tài)； 基于GPS的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)具有高精度、高靈敏度、體積小等特點(diǎn)[4-5]，安裝于起重機(jī)的吊臂上，實(shí)時(shí)提供精確的三維模型，但是井下的衛(wèi)星信號(hào)不穩(wěn)定，使得其姿態(tài)測(cè)量偏差較大； 慣性測(cè)量系統(tǒng)利用角速度的陀螺儀和載體的加速度來獲得實(shí)時(shí)的三維姿態(tài)[6]，但其系統(tǒng)誤差隨時(shí)間而積累[1]。

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，構(gòu)建一種基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式能源站大型設(shè)備吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)是通過各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、紅外線感應(yīng)器、激光掃描器等，實(shí)時(shí)采集監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程的各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，包括RFID、傳感網(wǎng)、端到端(M2M)、信息化和工業(yè)化兩化融合的四大關(guān)鍵領(lǐng)域和感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層技術(shù)架構(gòu)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，以方便識(shí)別、管理和控制[7-9]?；诖思夹g(shù)，該吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)吊裝現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控全局域的可視化，實(shí)現(xiàn)吊裝防碰撞與安全管控的自動(dòng)化、信息化[10]，為一線指揮人員提供準(zhǔn)確、直觀的預(yù)報(bào)警信息，從而向吊裝操作給出統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的吊裝指令，協(xié)助其順利、安全完成吊裝作業(yè)，為大型吊裝作業(yè)提供了安全、實(shí)時(shí)、有效的技術(shù)保障。

1 工程背景

1.1 工程概況

某國際博覽中心分布式能源站項(xiàng)目是天然氣冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目。該項(xiàng)目總投資為2.1億元，建設(shè)規(guī)模為21.5MW，共分兩期建設(shè)完成。項(xiàng)目位于某國際博覽中心洲際酒店停車場(chǎng)地下負(fù)一層，總占地面積約6 800m2。項(xiàng)目建成后，可有效滿足該國際博覽中心二期洲際酒店(含酒店式辦公)、假日酒店、海洋樂園所需的供電、采暖、制冷及生活熱水負(fù)荷室內(nèi)海洋熱源需求。

此次吊裝物體為某國際博覽中心分布式能源站的發(fā)電機(jī)組，其中發(fā)電機(jī)A的規(guī)格尺寸為9900x2400x2900(mm)，重32.9t，發(fā)電機(jī)B的規(guī)格尺寸為4700x2100x2300(mm)，重21.3t。吊裝通過四個(gè)20T倒鏈提起，同時(shí)加裝兩臺(tái)10T倒鏈備用，吊裝井深10m，尺寸為1200x800(mm)，其中可移動(dòng)平臺(tái)為的尺寸為1100x300(mm)，具體吊裝尺寸如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)吊裝尺寸圖

1.2 吊裝步驟

某國際博覽中心分布式能源站的發(fā)電機(jī)組吊裝包括卸車、平移、起吊、結(jié)構(gòu)平臺(tái)移開、設(shè)備下放、駁運(yùn)等步驟，具體步驟如下：

(1)設(shè)備卸車后，將發(fā)電機(jī)六組轉(zhuǎn)向搬運(yùn)坦克車平移到吊裝孔前，用液壓頂起升設(shè)備到合理的高度，在鐵板上面放置型鋼，讓搬運(yùn)坦克在型鋼上面形成鋼軌運(yùn)行模式；

(2)對(duì)吊裝梁和葫蘆進(jìn)行試吊，檢驗(yàn)設(shè)備性能； 設(shè)備放置至可移動(dòng)平臺(tái)時(shí)，通過四個(gè)20t倒鏈提起，同時(shí)加裝兩臺(tái)10t倒鏈備用，防止葫蘆在起升或下放的時(shí)候出現(xiàn)機(jī)械故障，提升高度為300mm，四個(gè)倒鏈掛于天井的吊梁上，并且需要同步上升，不可發(fā)生傾斜，防止受力不均；確定設(shè)備吊起安全后，下方結(jié)構(gòu)平臺(tái)可以移開；

(3)設(shè)備通過倒鏈緩慢入至地下室樓面，下放前需給地面鋪設(shè)鋼板給予保護(hù)，提前放置4個(gè)地坦克準(zhǔn)備下一步搬運(yùn)，下放到最后，留一定的高度，確認(rèn)設(shè)備落位的地點(diǎn)來調(diào)節(jié)設(shè)備搬運(yùn)的方向。

2 吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)分析

通過上述吊裝步驟，可以分析出設(shè)備在吊裝過程中所存在的安全隱患。

(1)吊裝盲區(qū)

根據(jù)吊裝的實(shí)際情況，其盲區(qū)主要是由于下吊過程中，當(dāng)設(shè)備下吊至井下時(shí)，吊裝操作人員無法看清吊裝井下的狀況，設(shè)備與吊裝井的距離以及設(shè)備的姿態(tài)都無法掌握，影響其吊裝動(dòng)作。

(2)吊裝設(shè)備姿態(tài)

在某分布式能源站大型設(shè)備吊裝案例中，由于發(fā)電機(jī)設(shè)備尺寸較大，而井口尺寸有限，發(fā)電機(jī)在設(shè)備的下吊過程中容易與吊裝井壁發(fā)生碰撞； 同時(shí)，由于吊裝采用四個(gè)倒鏈下吊，需要保證設(shè)備在下方過程中同步下放，防止受力不均。

(3)吊裝索具

圖2 吊裝受力示意圖

由于發(fā)電機(jī)設(shè)備重達(dá)32.9t，其所有重量由四條鋼絲繩承擔(dān)，如圖2所示，且吊裝過程如果發(fā)生傾斜，容易導(dǎo)致四條鋼絲繩受力不均，致使發(fā)生鋼絲繩斷裂。

(4)風(fēng)速

發(fā)電機(jī)設(shè)備在下吊過程中，容易受到風(fēng)力的影響，發(fā)生晃動(dòng)，特別是風(fēng)力較大時(shí)，設(shè)備的安全性受到嚴(yán)重的威脅，且遇有六級(jí)大風(fēng)以上的惡劣天氣查，應(yīng)停止施工。

3 分布式能源站大型設(shè)備數(shù)字化吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于上述安全風(fēng)險(xiǎn)分析和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理論及其技術(shù)，構(gòu)建了分布式能源站大型設(shè)備數(shù)字化吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，通過感知層的設(shè)備單元實(shí)現(xiàn)過程定位，并經(jīng)傳輸、分析、控制實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)位置的跟蹤與吊裝安全預(yù)報(bào)警管理，系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架圖

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

在吊裝現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的布設(shè)中，分析層是整個(gè)系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)吊裝數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)運(yùn)算、預(yù)報(bào)警發(fā)布及應(yīng)急制動(dòng)，因此可以實(shí)現(xiàn)幫助吊裝指揮人員實(shí)時(shí)管控現(xiàn)場(chǎng)吊裝安全形勢(shì)。傳輸層實(shí)現(xiàn)感知層與分析層的數(shù)據(jù)信息的傳遞。

該系統(tǒng)的感知層由吊裝姿態(tài)感知單元、吊裝受力感知單元、吊裝環(huán)境感知單元組成，其中吊裝姿態(tài)感知單元由超聲波測(cè)距傳感器、激光測(cè)距傳感器及角度測(cè)量傳感器組成，吊裝環(huán)境感知單元由拉力傳感器、風(fēng)速計(jì)組成，吊裝環(huán)境感知單元由溫度計(jì)、濕度計(jì)組成。吊裝過程中，超聲波測(cè)距單元將測(cè)量發(fā)電機(jī)與井壁及可移動(dòng)平臺(tái)的距離信息，激光測(cè)距單元是用來反饋發(fā)電機(jī)與井底距離信息，角度測(cè)量單元?jiǎng)t可以實(shí)時(shí)記錄發(fā)電機(jī)的傾角信息，拉力傳感器將監(jiān)測(cè)吊裝鎖具的實(shí)時(shí)應(yīng)力，風(fēng)速計(jì)用于測(cè)量吊裝過程中的實(shí)時(shí)風(fēng)速，溫度濕度計(jì)用于測(cè)量吊裝現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫度及濕度； 系統(tǒng)的傳輸層由中繼及上位機(jī)組成，用以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，并匯聚至分析層，分析層為終端監(jiān)控軟件，用于實(shí)時(shí)顯示上述測(cè)量數(shù)據(jù)，防止發(fā)電機(jī)與井壁和井底發(fā)生碰撞，并對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)景進(jìn)行報(bào)警，可以起到提醒指揮人員的作用，從而及時(shí)向起重機(jī)駕駛員發(fā)布調(diào)整指令，糾正危險(xiǎn)姿態(tài)。

3.3 預(yù)報(bào)警規(guī)則設(shè)計(jì)

為了及時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控預(yù)報(bào)警，制定了詳實(shí)的預(yù)報(bào)警流程。其中，各傳感器單元報(bào)警規(guī)則如表1所示：當(dāng)?shù)跹b設(shè)備與井壁及周邊其他設(shè)備的距離小于50mm時(shí)，發(fā)生二級(jí)報(bào)警，指揮人員對(duì)吊裝人員發(fā)出調(diào)整指令；當(dāng)?shù)跹b設(shè)備與井壁及周邊其他設(shè)備的距離小于30mm時(shí)，發(fā)生一級(jí)報(bào)警，指揮人員對(duì)起重機(jī)駕駛員發(fā)出暫停吊裝指令；當(dāng)?shù)跹b設(shè)備與井底的距離小于50mm時(shí)，發(fā)生二級(jí)報(bào)警，指揮人員對(duì)吊裝人員發(fā)出減速指令；當(dāng)?shù)跹b設(shè)備與井底的距離小于30mm時(shí)，發(fā)生一級(jí)報(bào)警，指揮人員發(fā)出暫停吊裝指令；當(dāng)?shù)跹b設(shè)備角度與設(shè)定角度相差10%時(shí)，發(fā)生二級(jí)報(bào)警，看到此警報(bào)的指揮人員將對(duì)主吊駕駛員發(fā)出調(diào)整指令； 當(dāng)?shù)跹b設(shè)備角度與設(shè)定角度相差20%時(shí)，發(fā)生一級(jí)報(bào)警，此時(shí)指揮人員對(duì)起重機(jī)駕駛員發(fā)出暫停吊裝指令。

表1 預(yù)報(bào)警規(guī)則

3.4 設(shè)備選型及布點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

硬件上，系統(tǒng)主要由超聲波測(cè)距傳感器、激光測(cè)距傳感器、角度測(cè)量傳感器、拉力傳感器、風(fēng)速計(jì)、溫度計(jì)、濕度計(jì)、中繼及上位機(jī)組成。為了方便臨時(shí)構(gòu)建分布式能源站大型設(shè)備數(shù)字化吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)，各傳感器采取小型化設(shè)計(jì)，分別放置于拉桿箱內(nèi)，如圖4所示。

圖4 大型設(shè)備吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)工程需要，超聲波測(cè)距傳感器、激光測(cè)距傳感器、角度測(cè)量器、拉力傳感器均為自主開發(fā)研制。系統(tǒng)各層均為無線通信方式，不依賴環(huán)境網(wǎng)絡(luò)，硬件模塊的安裝為無損方式，可部署在發(fā)電機(jī)的任意位置； 硬件模塊測(cè)距單元與無線收發(fā)單元通信距離大于50m，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)中測(cè)距， 測(cè)距單元使用n-cba技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)通信； 同時(shí)，各傳感器單元可通過系統(tǒng)軟件遠(yuǎn)程待機(jī)或停止。各傳感器的參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器具體參數(shù)

根據(jù)吊裝過程的安全分析[11]可知，發(fā)電機(jī)的四周均會(huì)有潛在的碰撞安全隱患，故在發(fā)電機(jī)的前后左右四側(cè)分別布設(shè)2個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，用以測(cè)量發(fā)電機(jī)在井內(nèi)與井壁及可移動(dòng)吊裝平臺(tái)的距離； 同時(shí)，1個(gè)激光傳感器和1個(gè)角度傳感器布設(shè)在發(fā)電機(jī)后側(cè)的底部，用于測(cè)量發(fā)電機(jī)到井底的距離及其角度； 另外，拉力傳感器分別布設(shè)在四個(gè)倒鏈上，在吊裝井的四邊分別布設(shè)風(fēng)力計(jì)及溫度濕度計(jì)。終端監(jiān)控平臺(tái)則放置在吊裝井的附近，方便通信和指揮吊裝操作人員。

3.5 軟件功能設(shè)計(jì)

軟件方面，系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了6個(gè)功能分區(qū)，如圖5所示，通過6個(gè)功能區(qū)的運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、定位管理、歷史回放、系統(tǒng)管理等功能，實(shí)時(shí)掌握吊裝過程中設(shè)備實(shí)時(shí)吊裝姿態(tài)； 主界面左上角為系統(tǒng)參數(shù)區(qū)，其中采樣頻率可以根據(jù)吊裝實(shí)際情況選擇不同的頻率； 下面的傳感器位置設(shè)置區(qū)，用以將傳感器實(shí)際布置位置對(duì)應(yīng)的顯示在系統(tǒng)上； 隨后是系統(tǒng)命令區(qū)，包括系統(tǒng)的激活、啟動(dòng)及關(guān)機(jī)命令，有效地控制各傳感單元； 監(jiān)控回放區(qū)可以通過加載數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)吊裝過程的回放； 電池電壓區(qū)可以實(shí)時(shí)顯示工作狀態(tài)下各單元的電池使用情況，方便傳感器的更換； 面積最大的則是監(jiān)控實(shí)施顯示區(qū)域，吊裝過程中，各傳感單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則會(huì)顯示在該區(qū)域。

圖5 系統(tǒng)界面圖

4 分布式能源站大型設(shè)備數(shù)字化吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施

4.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試

發(fā)電機(jī)卸車后，將各傳感器按照布設(shè)方案分別布設(shè)在相應(yīng)位置上，如圖6所示。同時(shí)，拉力傳感器分別布設(shè)在四個(gè)倒鏈上，在吊裝井的四邊分別布設(shè)風(fēng)力計(jì)及溫度濕度計(jì)，中繼器布設(shè)在在吊裝井井口，上位機(jī)位于終端軟件附近。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝

傳感器安裝完成后，打開各傳感器單元、中繼器、上位機(jī)，打開起重終端軟件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)調(diào)、通訊暢通，解決聯(lián)調(diào)中的軟硬件問題。不能正常工作的傳感器需要及時(shí)更換，并根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用中顯示的傳感器實(shí)時(shí)電壓，及時(shí)更換傳感器電池； 另外，針對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題，及時(shí)調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)，優(yōu)化定位算法，完善系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，通過上述措施確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吊裝進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.2 數(shù)據(jù)采集及分析

登錄系統(tǒng)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，然后進(jìn)行吊裝數(shù)據(jù)采集，具體操作步驟如下：

(1)選定串口號(hào)，并根據(jù)實(shí)際情況選定采樣周期；

(2)根據(jù)監(jiān)控方案設(shè)置傳感器模塊位置；

(3)打開串口，激活系統(tǒng)，并啟動(dòng)，開始吊裝監(jiān)控。

(4)檢查電池電壓，若小于4.5V，則更換電池；

(5)啟動(dòng)系統(tǒng)，開始吊裝監(jiān)控。

本系統(tǒng)于2016年5月2日正式在某國博分布式能源站進(jìn)行使用。提取系統(tǒng)1號(hào)激光(發(fā)電機(jī)底部)及角度傳感器及3(發(fā)電機(jī)前側(cè))、5(發(fā)電機(jī)左側(cè))、7(發(fā)電機(jī)后側(cè))、9號(hào)(發(fā)電機(jī)前側(cè))超聲波傳感器在13:25:00-13:25：20吊裝過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，各傳感單元的變化趨勢(shì)如圖7～8所示。

圖7 發(fā)電機(jī)吊裝實(shí)時(shí)距離數(shù)據(jù)

圖8 發(fā)電機(jī)吊裝實(shí)時(shí)角度數(shù)據(jù)

由圖7可知，在吊裝過程中發(fā)電機(jī)的吊裝的四周距離一直處于安全狀態(tài)，均未有小于50cm需要警報(bào)的情況出現(xiàn)，但可以看到位于左側(cè)的5號(hào)傳感顯示發(fā)電機(jī)的左側(cè)與井壁的距離為在220cm左右，是發(fā)電機(jī)四邊在這段時(shí)間內(nèi)距離井壁最近的一邊，需要引起一定的注意，以免發(fā)生碰撞。由圖8所知，吊裝過程中發(fā)電機(jī)的三個(gè)角度不斷發(fā)生變化，說明發(fā)電機(jī)這段時(shí)間內(nèi)存在擾動(dòng)，處于不斷晃動(dòng)的狀態(tài)，因此需要在吊裝過程中不斷調(diào)整四個(gè)倒鏈，以至發(fā)電機(jī)平穩(wěn)地下吊。在以后的數(shù)據(jù)采集和分析中，還可以結(jié)合倒鏈的拉力傳感器數(shù)據(jù)來分析各角度的變化與不同方位拉力變化的關(guān)系，從而通過檢測(cè)出晃動(dòng)狀態(tài)就能達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)整吊裝倒鏈。

5 結(jié)論

分布式能源站大型設(shè)備吊裝的主要安全風(fēng)險(xiǎn)來源于在設(shè)備體積重量過大，吊裝井口尺寸較小的情況下，設(shè)備在下吊過程中容易發(fā)生碰撞以及鋼絲繩斷裂的安全隱患，因此筆者提出了基于物聯(lián)網(wǎng)理論，利用超聲波測(cè)距傳感器、激光與角度傳感器、拉力傳感器、風(fēng)速計(jì)以及溫度濕度計(jì)進(jìn)行分布式能源站大型設(shè)備吊裝行為的安全管控，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式能源站大型設(shè)備吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)并應(yīng)用于實(shí)際工程中，得到以下主要結(jié)論：

(1)通過分析分布式能源站發(fā)電機(jī)吊裝的步驟及風(fēng)險(xiǎn)，采用超聲波及激光方式對(duì)調(diào)轉(zhuǎn)過程中的安全距離及角度進(jìn)行跟蹤，對(duì)防碰撞預(yù)報(bào)警，對(duì)吊裝索具的拉力以及實(shí)時(shí)的風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)控，并將這些信息集成到物聯(lián)網(wǎng)中，從而構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式能源站大型設(shè)備吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)；

(2)應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠及時(shí)地反映吊裝過程中設(shè)備的實(shí)時(shí)吊裝姿態(tài)，使吊裝過程可視化及數(shù)字化；

(3)限于該系統(tǒng)是第一次應(yīng)用于工程項(xiàng)目，現(xiàn)場(chǎng)傳感器的布設(shè)無法有效地監(jiān)控到全部的安全隱患，對(duì)于傳感器化布設(shè)方法的優(yōu)化，是下一步研究的重點(diǎn)。