基于物聯(lián)網(wǎng)的塔式起重機安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

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)備檢驗研究院 福建福州 350008)

0 引言

塔式起重機作為主要物料運輸機械裝備，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。起重機工作時，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)前塔式起重機缺乏有效且簡便的監(jiān)控技術(shù)手段，管理和維護(hù)不足，安全部件失效，個別工作人員甚至違規(guī)進(jìn)行作業(yè)，因而安全事故時有發(fā)生。如何通過高科技手段，提高塔式起重機安全性和可靠性，已成為從業(yè)人員關(guān)注的焦點[2]。

建立有效且簡便的在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測塔式起重機的運行狀態(tài)已事不宜遲。為實現(xiàn)塔式起重機工作時的遠(yuǎn)程安全監(jiān)測,減少人員從業(yè)風(fēng)險，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)，研究智能化的塔式起重機管理和故障監(jiān)測系統(tǒng)，對超載、短接電路、金屬結(jié)構(gòu)腐蝕、超速等安全風(fēng)險進(jìn)行嚴(yán)密有效的監(jiān)控。該系統(tǒng)是進(jìn)行監(jiān)測塔式起重機違規(guī)作業(yè)、事故快速處置、故障及時救援、塔式起重機信息交流及運行狀況統(tǒng)計分析的重要窗口[1-3]。利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，構(gòu)建起重機安全監(jiān)測網(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，研究塔式起重機實時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，建立有效且簡便的系統(tǒng)，有著重要的現(xiàn)實意義和社會價值。

1 系統(tǒng)功能定位

運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立塔式起重機的安全監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)。為實現(xiàn)塔式起重機發(fā)生故障時的實時傳輸和塔式起重機運行時的數(shù)據(jù)采集等功能，主要服務(wù)功能有[3-5]：

(1)實時運行狀態(tài)監(jiān)測：要求系統(tǒng)對塔式起重機安全作業(yè)時的工況數(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，對塔式起重機起重量限制器等安全裝置的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，全面了解塔式起重機運行信息。

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

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

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

(5)日常作業(yè)監(jiān)控：實現(xiàn)對塔式起重機全作業(yè)流程化與信息化管理。基于人工智能技術(shù)對塔式起重機安裝與拆卸作業(yè)不安全行為自動識別和預(yù)警，通過系統(tǒng)可自動識別塔機安裝、拆卸和頂升作業(yè)過程中安全交底地點、交底內(nèi)容廣播、作業(yè)動作、風(fēng)險自動廣播預(yù)警的安拆管理系統(tǒng)，如果發(fā)生違規(guī)操作，系統(tǒng)會發(fā)生告警，可以利用APP的消息推送或短信等方式，實時地告知工作人員對應(yīng)地報警內(nèi)容。

(6)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控平臺：系統(tǒng)安全運行時，基于GIS技術(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控，將塔機運行的實時數(shù)據(jù)等傳送至平臺。

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

(8)統(tǒng)計分析：在系統(tǒng)上查詢統(tǒng)計分析的模塊，或開放數(shù)據(jù)接口；采集塔式起重機工作時的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行分析和統(tǒng)計，推斷塔式起重機運行時常見的故障類型和其發(fā)生的概率，對塔式起重機的性能進(jìn)行測評，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，塔式起重機的監(jiān)測系統(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)，實現(xiàn)高效率的建筑塔機運行狀態(tài)安全監(jiān)控與聲光預(yù)警報警等功能，以及實時動態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程報警和遠(yuǎn)程告知，從技術(shù)手段上保障了對塔機使用過程和行為的及時監(jiān)控、切實預(yù)警、控制設(shè)備運行過程中的危險因素和安全隱患，有效地防范和減少塔機安全生產(chǎn)事故發(fā)生[2]。根據(jù)塔式起重機安全監(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)的塔式起重機安全監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5-6]。

圖1 塔式起重機安全監(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正常運行時的狀態(tài)信息和發(fā)生故障時的狀態(tài)信息，并運用邏輯判斷對塔式起重機的實時工作狀態(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)塔式起重機實時運行時信息，以及對報警信息進(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，和故障報警信息的傳輸，同時在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中存儲相應(yīng)的數(shù)據(jù)。該層主要由有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或運營商的無線及數(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，對物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行計算。其中包括塔式起重機安裝單位系統(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運行狀態(tài)監(jiān)測軟件、移動智能終端、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)議層有個標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，相關(guān)企業(yè)的各個應(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個應(yīng)用：日常監(jiān)管查詢統(tǒng)計、應(yīng)急救援查詢統(tǒng)計、全監(jiān)測抽查、塔式起重機故障查詢統(tǒng)計。通過對決策支持系統(tǒng)等與安全監(jiān)察相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用的評價，監(jiān)管層可以按照規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送，實時讀取各塔式起重機運行時的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用實踐

塔式起重機在橋梁工程、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)性搬運重型機械。當(dāng)塔式起重機運行過程中發(fā)生超載、超速等安全隱患時，基于物聯(lián)網(wǎng)的塔式起重機安全監(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，并根據(jù)不同的等級發(fā)出相應(yīng)的告警。發(fā)生故障時，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)控平臺和監(jiān)測管理機構(gòu)。圖2為在建筑安裝現(xiàn)場的塔式起重機的在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用原理圖。

利用在前端的傳感器，將采集的數(shù)據(jù)信息實時傳輸至平臺，并根據(jù)設(shè)置的響應(yīng)級別，發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警。同時，當(dāng)聚氯塔式起重機發(fā)生異常時，其視頻信息和語音信息將通過物聯(lián)網(wǎng)激素及時傳輸至監(jiān)管機構(gòu)或遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端。在建筑安裝現(xiàn)場的塔式起重機在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用原理圖，如圖2所示。可以看出，系統(tǒng)采用振動等傳感器采集塔機運行時的參數(shù)信息，同時收集異常的工作信息，最后通過遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)管平臺的設(shè)備管理者與維保人員。

圖2 塔式起重機在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實踐[5-7]

利用基于物聯(lián)網(wǎng)的塔式起重機在線監(jiān)測技術(shù)，在現(xiàn)場發(fā)出聲光預(yù)警，或主管部門人員、維護(hù)人員、管理人員的手機會收到預(yù)警信息，對故障進(jìn)行及時的維修。

4 結(jié)語

以塔式起重機對象，從塔式起重機狀態(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)合塔式起重機具體的工作方式及工作條件，對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的塔式起重機無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用探索，實現(xiàn)塔式起重機超載荷、異常振動等運行狀態(tài)實時采集，提高建筑施工的安全管理水平，有效保障現(xiàn)場施工的安全性和可靠性。