懸浮抱桿組塔無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

黃明祥，唐 波，李楓航

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司建設(shè)分公司，福建 福州 350000；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 引言

隨著電力建設(shè)的快速發(fā)展，高壓輸電線路組塔施工面臨更加復(fù)雜甚至危險的工況。

特別是在大量山區(qū)地形條件下，采用懸浮式內(nèi)拉線抱桿分解組塔方式進行高壓鐵塔組立施工時，由于拉線承力點均在塔身內(nèi)部，傳統(tǒng)人工難以觀測和控制噸量級工件起吊以及數(shù)十米長度的抱桿工作姿態(tài)，造成施工風(fēng)險極為巨大[1]。

因此，亟需尋求一種能實時監(jiān)控抱桿系統(tǒng)受力姿態(tài)以實現(xiàn)危險預(yù)警的施工安全保障系統(tǒng)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前工程中實際上已經(jīng)有了諸多在線監(jiān)測技術(shù)已成功應(yīng)用于輸電線路的運行維護。如文獻[2]采用局部卷積特征法（LCFs），實現(xiàn)了輸電線路覆冰厚度變化的動態(tài)實時監(jiān)測。文獻[3]采用光纖光柵傳感器對鐵塔運行應(yīng)力進行監(jiān)測，以實現(xiàn)鐵塔持續(xù)安全運行。文獻[4]則采用分布式監(jiān)測技術(shù)，依據(jù)各個監(jiān)測點雷擊故障時的工頻分量和行波分量，從而精確判斷雷擊位置以及故障特征。

但在輸電鐵塔組立施工中，信息化智能化程度仍相對較低。雖然很早有就研究認為，抱桿對鐵塔組立施工安全起著決定性影響[5-6]，需要對其施工過程中的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，但實際現(xiàn)場的監(jiān)測手段一直局限于鐵塔組立過程的視頻監(jiān)控[7]。在后續(xù)的研究發(fā)展中，文獻[8]明確拉線系統(tǒng)對抱桿的穩(wěn)定起著決定性作用，并首次采用無線測力儀對拉線的錨樁逐個進行拉力試驗，試驗合格后才投入使用；但該方法顯然無法應(yīng)用于施工過程中的實時監(jiān)測。隨后，文獻[9]采用抱桿傾角測量、拉線受力監(jiān)測和視頻監(jiān)控3種方法，提出了一種外拉線懸浮抱桿的鐵塔組立監(jiān)測系統(tǒng)。但該系統(tǒng)由于針對于外拉線抱桿組塔方式，其受力關(guān)鍵點與內(nèi)拉線抱桿組塔完全不同，特別是系統(tǒng)使用電纜傳輸信號的方式，導(dǎo)致施工現(xiàn)場接線復(fù)雜，阻礙了正常施工，從而無法在實際施工中使用。

為實現(xiàn)懸浮式內(nèi)拉線抱桿分解組塔施工狀態(tài)的智能信息化實時監(jiān)控，基于無線傳感器技術(shù)，提出了一種無線智能信息化監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對鐵塔組立全過程中受力、傾角、距離、高度等實時可視化監(jiān)控。系統(tǒng)基于LoRa技術(shù)組建樹型結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，上位機與傳感器通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)終端進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了抱桿力學(xué)狀態(tài)實時監(jiān)控，危險點臨限預(yù)警和通信故障報警功能，確保了鐵塔組立過程的安全性。

2 無線監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求

2.1 懸浮式抱桿組立技術(shù)流程

懸浮式內(nèi)拉線抱桿分解組塔是指整根抱桿懸浮于鐵塔結(jié)構(gòu)中心，其內(nèi)拉線系統(tǒng)和下承托系統(tǒng)均固定于鐵塔主材上，從而起立塔材的一種鐵塔施工技術(shù)，具有工具簡單，施工占地面積小，所需操作人員少的優(yōu)點。

利用懸浮式內(nèi)拉線抱桿分解組塔方式進行鐵塔組立的主要工藝流程包括抱桿起立、鐵塔底部吊裝、抱桿提升、鐵塔上部吊和抱桿拆除5個步驟，施工過程的器材布置，如圖1所示。

圖1 內(nèi)拉線懸浮抱桿組立施工簡圖Fig.1 Construction Diagram

圖1中，抱桿懸浮于整個鐵塔結(jié)構(gòu)的中心位置，內(nèi)拉線系統(tǒng)與承托系統(tǒng)分別對抱桿頂部和抱桿底部形成約束，共同固定抱桿。內(nèi)拉線系統(tǒng)一端固定在抱桿頂部的抱桿帽上，另一端固定在已組立鐵塔的4 根鐵塔主材頂端；承托系統(tǒng)一端固定在抱桿底部，另一端穿過各自的平衡滑輪固定在4根鐵塔主材節(jié)點處。懸浮式內(nèi)拉線抱桿分解組塔的起吊原理是利用起吊繩經(jīng)過抱桿頂部的朝天滑車對塔材進行提升。在起吊過程中，起吊繩一端連接著起吊動力系統(tǒng)，另一端連接著塔材，中間由抱桿支撐，整個起吊過程的受力幾乎全部由抱桿承擔(dān)。可見，抱桿是整個鐵塔組立系統(tǒng)中最主要的受力支撐器件。

分析懸浮式內(nèi)拉線抱桿分解組塔技術(shù)的組塔工程，可發(fā)現(xiàn)存在以下2個主要的不安全因素：

（1）鐵塔組立過程中，抱桿系統(tǒng)的受力安全對整個施工過程起著決定性影響作用。但由于施工空間狹窄和繩索系統(tǒng)復(fù)雜，抱桿的受力狀態(tài)難以實時、準確感知，當(dāng)抱桿系統(tǒng)出現(xiàn)受力危險時，施工人員單憑經(jīng)驗難以提前發(fā)現(xiàn)，以至于無法及時作出反應(yīng)而造成安全事故。

（2）施工過程中的實時信息溝通與預(yù)警問題。當(dāng)進行一些塔身較高的鐵塔組立時，由于施工現(xiàn)場情況復(fù)雜，作業(yè)人員視距、聽力均受限，導(dǎo)致塔上作業(yè)人員與地面指揮人員溝通受影響，可能存在某個關(guān)鍵點的溝通或觀測遺漏而產(chǎn)生安全隱患。

2.2 功能需求及其監(jiān)測點設(shè)置

顯然，相對于傳統(tǒng)現(xiàn)場人工監(jiān)測組塔安全施工的方法來說，結(jié)合現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器及無線物聯(lián)的方式更能保證施工過程的安全監(jiān)測。為此，考慮采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決上述抱桿系統(tǒng)受力安全、實時信息溝通與預(yù)警問題。

在整個施工過程中，抱桿系統(tǒng)的受力安全實際上存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞和安全穩(wěn)定性兩個問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞指的是，抱桿拉線以及承托繩直接與抱桿相連，拉線與承托繩只要稍有一根失穩(wěn)或斷裂就會導(dǎo)致抱桿系統(tǒng)失去平衡。因此，需要對抱桿系統(tǒng)中的內(nèi)拉線以及承托繩索均進行拉力監(jiān)測設(shè)計。

安全穩(wěn)定性問題則來源于抱桿自身橫截面相對較桿小、桿身長度相對較長的桿狀結(jié)構(gòu)特點。同時，抱桿作為柔索懸掛結(jié)構(gòu)，整體剛度和阻尼較小，在外部荷載（如風(fēng)荷載）作用下桿身和鋼絲繩極易產(chǎn)生振動，導(dǎo)致抱桿結(jié)構(gòu)的局部桿件和局部區(qū)域失穩(wěn)，從而使結(jié)構(gòu)喪失整體穩(wěn)定。因此，需要對抱桿工作的安全穩(wěn)定狀態(tài)進行監(jiān)測設(shè)計，將抱桿的實時傾斜角度、強度、剛度、穩(wěn)定性以及抱桿所受實時風(fēng)荷載納入監(jiān)測范圍。此外，為解決施工過程緊急情況下的塔上操作人員與塔下監(jiān)測人員溝通受限的問題，需要在施工現(xiàn)場設(shè)置1個可顯示施工中各關(guān)鍵參數(shù)，并可實現(xiàn)超限報警的移動式手持數(shù)據(jù)顯示終端，以及1個超限報警器。同時這兩者均配備無線通話功能，分別配置給塔下監(jiān)測人員和塔上操作人員使用。當(dāng)報警響起時，塔上操作人員與塔下監(jiān)測人員通過各自設(shè)備相互溝通后及時調(diào)整操作，從而解決危險情況時地面人員與塔上人員溝通受限的問題。

3 系統(tǒng)的工作原理與系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)的工作原理

懸浮式抱桿組塔工程中，各危險點應(yīng)時刻保持在施工人員可實時、數(shù)字化監(jiān)控中，以確保證組塔工程的順利穩(wěn)定進行。因此，系統(tǒng)采用LoRa（Long Range Radio）技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[10-11]，對拉線、承托繩和其他可能影響施工安全的因素進行實時監(jiān)測。系統(tǒng)上位機通過運行監(jiān)測軟件，對各測量點數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)采集，并對采集的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)內(nèi)置程序進行自動計算分析與持續(xù)存檔，且在終端上予以顯示。系統(tǒng)設(shè)置超限預(yù)警、超限報警、通信故障報警功能，在發(fā)出聲音及閃光報警的同時，上位機屏幕閃爍顯示相應(yīng)的報警點，提醒施工人員注意，從而確保施工狀態(tài)中的各項參數(shù)均實時處于允許范圍以內(nèi)，保障施工的安全有序開展。

3.2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

開發(fā)的懸浮抱桿組塔無線監(jiān)測系統(tǒng)屬于反饋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可分為監(jiān)測部分、傳輸部分和顯示部分3個部分。系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這種反饋結(jié)構(gòu)使信息輸入與輸出之間相互制約，不斷消除偏差以使整個系統(tǒng)保持穩(wěn)定的狀態(tài)，從而確保鐵塔組立施工過程的安全進行。

圖2 系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)運行圖Fig.2 System Feedback Structure Operation Diagram

系統(tǒng)監(jiān)測部分指鐵塔組立工程中各監(jiān)測點在上位機的指令下進行實時監(jiān)測的部分，目的是為系統(tǒng)上位機提供關(guān)鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)。該部分功能主要通過在監(jiān)測點處設(shè)置的無線傳感器實現(xiàn)，主要包括拉力監(jiān)測、傾角監(jiān)測、風(fēng)速監(jiān)測、距離監(jiān)測、高度監(jiān)測和抱桿狀態(tài)監(jiān)測共6類監(jiān)測功能。各傳感器模塊之間相互配合，共同實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的初步處理（轉(zhuǎn)碼、編碼），并發(fā)出數(shù)據(jù)。

傳輸部分指對各傳感器模塊所發(fā)出的數(shù)據(jù)信息或上位機所下達的命令流進行信息收發(fā)的部分，目的是將監(jiān)測部分與上位機進行相互對接，為上位機和監(jiān)測終端提供通信載體。傳輸部分主要包括無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)收發(fā)終端等。

顯示部分指對上傳的數(shù)據(jù)進行分析處理后進行顯示，以及對下級部分下達調(diào)整命令的部分，目的是將監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理成能夠人為識別的信息，并對整個系統(tǒng)進行調(diào)整控制。顯示部分包括計算機、顯示終端設(shè)備等。以一個數(shù)據(jù)端口為例，簡要說明系統(tǒng)數(shù)據(jù)流動過程。首先，端口調(diào)取與自身匹配的子單元地址，發(fā)送地址數(shù)據(jù)以采集監(jiān)測信息，發(fā)送完成后等待數(shù)據(jù)回傳。若數(shù)據(jù)回傳失敗超過3次，則系統(tǒng)提示“通信中斷”并調(diào)取下一個子單元地址，上位機隨即診斷修復(fù)故障；若數(shù)據(jù)回傳成功，則進行數(shù)據(jù)解析、計算并在顯示終端進行數(shù)值顯示。

同時，系統(tǒng)對測量數(shù)值進行判斷，若大于預(yù)警值或報警值，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警或報警提示并記錄數(shù)值；若測量數(shù)值不大于預(yù)警值，則記錄測量數(shù)值的最大值。記錄完成后，立刻開始調(diào)取下一子單元地址。系統(tǒng)數(shù)據(jù)運行流程，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)運行流程圖Fig.3 Operation Flow Chart of a COM Port

3.3 功能模塊設(shè)置依據(jù)

懸浮抱桿組塔無線監(jiān)測系統(tǒng)包含多個執(zhí)行不同功能的模塊。具體有拉力監(jiān)測模塊、傾角監(jiān)測模塊、風(fēng)速監(jiān)測模塊、距離監(jiān)測模塊和后臺計算模塊，計5個模塊。

系統(tǒng)雖然模塊數(shù)量多且各自功能不同，但各模塊之間需要進行相互關(guān)聯(lián)以形成一個整體，包括感應(yīng)、測量、傳輸、集成、計算、整合、顯示等環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，缺一不可，從而保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時收回，以及信息的準確顯示。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Overall Structure Diagram of Monitoring System

3.3.1 拉力監(jiān)測模塊

在懸浮式內(nèi)拉線抱桿分解組塔方式中，由于內(nèi)拉線連接著抱桿與已組塔身，是組塔施工中重要的受力部件，工程上也有由于拉線失穩(wěn)而造成的安全事故。因此內(nèi)拉線作為一個受力危險部件，其拉力監(jiān)測問題是必須考慮的。除內(nèi)拉線外，承托繩作為整個系統(tǒng)最為主要的承托重力的部件，承載了抱桿自重、起吊吊件重量，以及起吊過程中的動荷載等多個受力，也是一個受力危險部件、若其中一根承托繩松動斷裂，將會直接導(dǎo)致承托系統(tǒng)失穩(wěn)，導(dǎo)致抱桿傾倒、塔材掉落等嚴重的安全事故。因此需要對每一根承托繩進行實時受力監(jiān)測，以保證組塔施工的安全穩(wěn)定進行。綜上，拉力監(jiān)測模塊應(yīng)包括內(nèi)拉線拉力監(jiān)測和承托繩拉力監(jiān)測。

3.3.2 傾角監(jiān)測模塊

抱桿在輸電鐵塔組立過程中主要作用是為吊件起吊提供受力支撐。在實際施工中，為了方便起吊，通常會將抱桿往起吊側(cè)進行適當(dāng)傾斜，但傾斜角度不宜超過10°，以維持抱桿系統(tǒng)的受力穩(wěn)定[12]。因此，需要確保抱桿傾角處于安全范圍之內(nèi)，以保證抱桿系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。另外，在鐵塔組立施工中，起吊繩傾角是抱桿實時壓力計算、抱桿穩(wěn)定性計算中一個必要參量，起吊繩傾角可用于計算起吊繩與抱桿夾角。因此，還必須對起吊繩與鉛垂線的夾角進行實時監(jiān)測。綜上，傾角監(jiān)測模塊應(yīng)包括抱桿傾角監(jiān)測和起吊繩傾角監(jiān)測。

3.3.3 風(fēng)速監(jiān)測模塊

施工現(xiàn)場風(fēng)力的大小將直接對施工過程中抱桿的懸浮姿態(tài)、起吊構(gòu)件的受力以及塔上作業(yè)人員的安全直接造成影響，還可能影響組塔過程中各索具的穩(wěn)定性。標準[12]中規(guī)定，現(xiàn)場作業(yè)時風(fēng)速不能大于6級。因此，需要對現(xiàn)場的風(fēng)速進行實時監(jiān)測，以確保風(fēng)速不超過6級，同時通過上位機計算，將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為抱桿所受實時風(fēng)荷載，用于監(jiān)測風(fēng)速對抱桿姿態(tài)產(chǎn)生的影響，實時動態(tài)掌控風(fēng)況。

3.3.4 距離監(jiān)測模塊

鐵塔構(gòu)件起吊時，由起吊繩綁定構(gòu)件，從抱桿起吊側(cè)進行塔材提升。為了便于塔上施工人員進行鐵塔安裝，起吊構(gòu)件需靠近已組塔身進行提升。然而，當(dāng)?shù)跫c塔身距離過近時，可能會發(fā)生吊件與塔身發(fā)生碰撞從而對塔身或起吊塔材造成磨損，嚴重時可能會使起吊構(gòu)件從綁繩上脫落，從高處落下而造成安全事故。根據(jù)標準[12]規(guī)定，起吊構(gòu)件與塔身之間的距離應(yīng)保持在（30～50）cm的范圍內(nèi)。因此，有必要對吊件與塔身之間距離進行實時監(jiān)測，以確保塔材起吊過程的安全進行。

3.3.5 后臺計算模塊

工程上，在塔材提升的過程中提升速度應(yīng)穩(wěn)定，當(dāng)塔材接近就位時，提升速度應(yīng)適當(dāng)減小并保持平緩，便于塔上施工人員進行塔材的安裝。然而，傳統(tǒng)的監(jiān)測模式僅靠塔上塔下施工人員的交流，受人為影響較大，若交流不及時將導(dǎo)致就位速度過快或吊件越過就位距離，從而拖延施工時間，甚至造成吊件脫落甚至傷及現(xiàn)場施工人員。因此，在進行吊件起吊時，除了注意吊件與塔身之間的距離外，還應(yīng)通過上位機實時分析吊件就位高度，以實時監(jiān)測吊件的就位情況，這也是保證施工安全的重要手段之一。

鐵塔組立施工中，若因操作失誤或工器具自身缺陷老化等潛在因素而導(dǎo)致抱桿承受意料之外的荷載時，很可能由于抱桿強度不足而造成中部滑移變形過大而產(chǎn)生抱桿脫落，以及中部彎曲程度超過限度而導(dǎo)致抱桿折斷等嚴重安全事故。因此，抱桿應(yīng)具有足夠抵抗材料破壞的強度能力、抵抗變形的剛度能力和保持原有平衡形態(tài)的穩(wěn)定性能力。這樣，設(shè)計時必須考慮對抱桿強度、剛度以及穩(wěn)定性的監(jiān)測。在本系統(tǒng)中，將抱桿的強度、剛度以及穩(wěn)定性監(jiān)測統(tǒng)稱為抱桿狀態(tài)監(jiān)測。

綜上，后臺計算模塊應(yīng)包括吊件高度監(jiān)測和抱桿狀態(tài)監(jiān)測。

4 具體功能模塊的設(shè)計

4.1 拉力監(jiān)測模塊設(shè)計

4.1.1 拉力監(jiān)測傳感器的選型

當(dāng)前市面上拉力傳感器主要包括S型拉力傳感器、柱狀拉力傳感器、板環(huán)式拉力傳感器等類型。S型拉力傳感器是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的拉力傳感器，但由于S 型拉力傳感器需兩端同時受力，若應(yīng)用于拉線和承托繩的拉力監(jiān)測，必須在傳感器兩端加工掛環(huán)，工藝復(fù)雜，且使用時間長后容易脫落，因此不考慮使用。柱狀傳感器由于其內(nèi)側(cè)有螺絲孔，不方便裝掛環(huán)，現(xiàn)場使用困難，同樣不適用于本系統(tǒng)的拉力測量。而板環(huán)式拉力傳感器具有量程大，結(jié)構(gòu)簡單，易于使用等優(yōu)點，在測量系統(tǒng)拉力時只需在傳感器兩端孔洞處使用U型環(huán)與拉線相連接即可，現(xiàn)場使用方便，穩(wěn)定性好。因此，系統(tǒng)拉力測量決定采用板環(huán)式拉力傳感器。

確定拉力傳感器類型之后，需考慮傳感器量程、精度等參數(shù)以確定拉力傳感器型號。

其中，確定拉力傳感器量程需要對抱桿拉線和承托繩進行拉力預(yù)計算，明確施工過程中繩索可能承受的最大拉力，從而根據(jù)工程中最大使用拉力來確定拉力傳感器量程。拉力精度則根據(jù)不同組塔工程具體受力和不同的系統(tǒng)集成而確定，對于常規(guī)的鐵塔組立施工來說，一般設(shè)置為10kg。

4.1.2 拉力監(jiān)測模塊的具體設(shè)計

由于抱桿頂部和抱桿底部分別有4根內(nèi)拉線、4根承托繩與塔身相連，因此需要在每根內(nèi)拉線和承托繩上各安裝1個拉力傳感器以精確監(jiān)測每根繩索的受力，共計8個拉力傳感器。其中4個安裝在抱桿帽與內(nèi)拉線連接處用于測量內(nèi)拉線拉力，另外4個安裝在抱桿底盤與承托繩連接處用于測量承托繩拉力。

為方便傳感器在施工現(xiàn)場進行組裝，降低施工人員操作難度，系統(tǒng)在以往采用電纜和雙絞屏蔽線傳輸傳感器信號[9]方式的基礎(chǔ)上進行改進，所有傳感器采用無線傳感器形式，由電池供電。

與傳統(tǒng)接線形式的傳感器不同，無線傳感器必須依靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)前國內(nèi)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要使用的免費頻段包括433MHz、866MHz、915MHz、2.4G和5G等[13]。結(jié)合鐵塔組立工程現(xiàn)場情況和系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅到y(tǒng)中心頻率決定采用傳輸距離較遠、穿透性較強的433MHz通信頻段，以適應(yīng)鐵塔組立工程場地大、塔身等遮擋物多的特點。

此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要包括星形、環(huán)形、樹形等結(jié)構(gòu)，根據(jù)鐵塔組立工程中監(jiān)測點較多、監(jiān)測類型較復(fù)雜的特點，確定采用同步樹形拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。工作時，每個無線傳感器視為一個節(jié)點，從根節(jié)點開始，與鄰近節(jié)點進行同步，并將根節(jié)點的所有單跳鄰近節(jié)點作為自己的葉子節(jié)點，以此類推將傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點組成樹形結(jié)構(gòu)[14-15]，并最終形成一個中心局對應(yīng)多個端站的樹形結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

拉線拉力傳感器測得數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通信單元傳輸至433MHz樹形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并最終被地面無線數(shù)據(jù)收發(fā)終端接收，運行流程，如圖5所示。

圖5 拉力傳輸模塊原理圖Fig.5 Schematic Diagram of Tension Data Transport Module

4.2 傾角監(jiān)測模塊設(shè)計

4.2.1 傾角監(jiān)測傳感器的選型

當(dāng)前，傾角傳感器類型主要有單軸傾角傳感器和雙軸傾角傳感器兩種。單軸傾角傳感器可測量在某一平面內(nèi)物體的傾斜角度，而雙軸傾角傳感器可以測量相互垂直的兩個平面上物體的傾斜角度。為了使測量更精確，采用雙軸傾角傳感器測量抱桿傾角和起吊繩傾角。由于鐵塔組立時塔材從不同的兩個方向進行起吊，因此傾角傳感器量程選用常規(guī)的±90°雙向測量形式。根據(jù)抱桿允許傾斜的最大值，傾角傳感器的測量精度和顯示分辨率均設(shè)置為0.1°。起吊繩夾角與抱桿傾斜角度差異不大，量程和精度要求也相近，起吊繩傾角傳感器可與抱桿傾角傳感器選用同一型號。傾角傳感器與拉力傳感器同樣使用無線傳感器形式。

4.2.2 傾角監(jiān)測模塊的具體設(shè)計

由于抱桿是一個整體，因此1個傾角傳感器足以測量出抱桿的傾角，但起吊繩由2根繩索組成，為使測量結(jié)果更精確，需在2根起吊繩上各安裝1個傾角傳感器。因此，系統(tǒng)選用3個高精度的傾角傳感器，其中1個用于測量懸浮抱桿的傾角，另2個測量起吊繩的傾角。

由于抱桿在施工時會經(jīng)歷提升、下降等操作，為防止抱桿移動過程中與塔身、腰環(huán)或地面發(fā)生磕碰，抱桿傾角傳感器不能安裝在抱桿頂部、底部或附著在抱桿外側(cè)。因此，將抱桿傾角傳感器安裝在抱桿內(nèi)部，對傳感器起到保護作用。然而抱桿內(nèi)部的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)不便于傳感器的安裝，因此可在抱桿內(nèi)部角鋼上加裝一個小型墊板，在墊板上進行抱桿傾角傳感器的安裝，這樣以保證抱桿在工作時不會因為傾斜抖動而導(dǎo)致傳感器松動或脫落。

同時，抱桿傾角傳感器應(yīng)與抱桿桿身保持垂直，當(dāng)抱桿發(fā)生傾斜時，傳感器所在空間也與水平面形成同一個夾角，此時可測得抱桿傾角。另2個傾角傳感器則安裝在2根起吊繩與起吊構(gòu)件連接處，通過傾角傳感器安裝平面相對于鉛錘面的角度變化，測量獲得起吊繩相對于鉛錘線的傾角。傾角監(jiān)測模塊工作時，電源提供與傾角傳感器運行電壓相適應(yīng)的12V 直流電壓。可采用12B05L-1W 變壓模塊與電源相連，將電源輸出的12V直流電壓轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)通信單元所用的5V直流電壓。傾角傳感器測量數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)碼后，再通過數(shù)據(jù)通信單元發(fā)出，并最終上傳至終端予以顯示，同時上位機將傾角數(shù)據(jù)實時記錄作為計算備用。傾角監(jiān)測部分電路原理圖，如圖6所示。

圖6 傾角監(jiān)測電路原理圖Fig.6 Schematic Diagram of Tilt Monitoring Circuit

4.3 風(fēng)速監(jiān)測模塊設(shè)計

4.3.1 風(fēng)速監(jiān)測傳感器的選型

常見的風(fēng)速傳感器類型可分為螺旋槳式風(fēng)速傳感器、三杯式風(fēng)速傳感器和超聲波風(fēng)速傳感器共3種。螺旋槳式風(fēng)傳感器精度較差，動態(tài)性能不足，通常于海洋環(huán)境或大氣環(huán)境下長期風(fēng)速監(jiān)測，不適用于小型施工風(fēng)速監(jiān)測；超聲波風(fēng)傳感器目前應(yīng)用主要應(yīng)用于氣象環(huán)境監(jiān)測，擁有較高精度但體積龐大、造價高昂，無法應(yīng)用于鐵塔組立施工現(xiàn)場；三杯式風(fēng)速傳感器測量精確、價格低廉、安裝方便，且是當(dāng)前使用最為廣泛的風(fēng)速傳感器類型。因此，采用更適用于鐵塔組立施工現(xiàn)場的三杯式風(fēng)速傳感器。

考慮到鐵塔組立施工中現(xiàn)場風(fēng)力等級不得高于6級，即風(fēng)速不高于13.8m/s，因此選用常用風(fēng)速傳感器即可，量程為（0～30）m/s，測量精度和顯示分辨率設(shè)置為0.1m/s。為了方便現(xiàn)場施工人員使用，風(fēng)速傳感器也采用電池供電的無線傳感器形式，僅在傳感器上預(yù)留一個充電接口供充電使用。

4.3.2 風(fēng)速監(jiān)測模塊的具體設(shè)計

為方便傳感器安裝，減少傳感器分布數(shù)量，風(fēng)速傳感器與抱桿傾角傳感器集成于同一電路板，安裝于抱桿內(nèi)部的同一個墊板上，這樣減少了傳感器的安裝工作量，同時也減輕了抱桿的外加荷載，使整個系統(tǒng)更簡單輕便。由于傳感器所處高度固定，難以獲知不同高度位置的風(fēng)速。因此，設(shè)置不同高度的風(fēng)速轉(zhuǎn)換功能，通過風(fēng)速與高度關(guān)系式即可得到任意位置的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

為獲知外來風(fēng)對抱桿狀態(tài)的影響，結(jié)合抱桿結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)、風(fēng)壓體型、風(fēng)壓高度等多種影響因素，系統(tǒng)將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為抱桿所受實時風(fēng)荷載，以進行抱桿實時強度、剛度和穩(wěn)定性的計算分析。

4.4 距離監(jiān)測模塊設(shè)計

4.4.1 距離監(jiān)測傳感器的選型

常見的測距傳感器包括超聲波測距傳感器、激光測距傳感器和雷達測距傳感器等。激光測距傳感器以激光器作為光源進行測距，測量距離長、響應(yīng)速度快；但其在工作時以激光柱的形式發(fā)射脈沖信號，可能出現(xiàn)無法觸及塔身的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)從而造成測量誤差過大，而無法適用于鐵塔組立施工。雷達測距傳感器以雷達回波進行測距，測量精度高、范圍廣，但其復(fù)雜的現(xiàn)場操作和數(shù)據(jù)處理需求難以被施工人員掌握。而超聲波測距傳感器利用聲波測距，其發(fā)射出的超聲波以面的形式接觸塔身，避免了測距介質(zhì)與塔身相觸碰的問題，同時其方向性好、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)難度小、信息易處理的特點，可較好地與鐵塔組立工程相適應(yīng)。

由于工程上規(guī)定吊件與塔身之間的距離不得小于30cm，可以此為依據(jù)，將測距傳感器的量程設(shè)置為（0.2～3）m。同時，根據(jù)量程大小將傳感器測距精度與終端顯示分辨率均設(shè)置為0.2m。為方便安裝，測距傳感器同樣采用無線傳感器的形式。

4.4.2 距離監(jiān)測模塊的具體設(shè)計

吊件頂部為吊件距離塔身最近的部分，在起吊過程中應(yīng)時刻確保吊件頂部與塔身距離處于安全范圍之內(nèi)。因此，選用1個超聲波測距傳感器，將其安裝在與吊件頂部相連的起吊繩掛鉤處，并加裝1個墊板方便傳感器進行固定。

工作時測距傳感器發(fā)出超聲波，在觸碰塔身后通過反射回波確定吊件相對塔身的距離。距離數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至無線數(shù)據(jù)收發(fā)終端，上位機接收數(shù)據(jù)后在顯示終端進行顯示，并通過臨限預(yù)警功能，確保起吊構(gòu)件與塔身距離時刻保持在安全范圍內(nèi)。

4.5 高度監(jiān)測模塊設(shè)計

4.5.1 高度監(jiān)測傳感器的選型

當(dāng)前，測量吊件起吊高度通常可以采用2 種方式進行。首先，可以采用測距傳感器測量吊件所處位置與地面的相對距離，從而確定出吊件所處高度；該方法操作簡單，無需校準傳感器，適用于被測物運動規(guī)則，不會產(chǎn)生橫向偏移的情況。然而在實際組立過程中，吊件會因為人員控制緣故而不斷擺動，導(dǎo)致測距傳感器聲波打在塔身而不是地面上，造成吊件起吊高度測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生極大誤差。因此，不建議使用測距傳感器測量吊件相對于地面的起吊高度。而氣壓高度傳感器通過感知氣壓的變化以直接測量物體所處高度，該方法無需通過回波測量，能夠避免障礙物的影響，因此采用氣壓高度傳感器對吊件起吊高度進行測量。

氣壓高度傳感器量程的選型應(yīng)根據(jù)組立的鐵塔高度進行確定，對于常規(guī)的鐵塔組立，一般設(shè)置為（0～100）m。為方便塔上操作人員對就位吊件進行組裝操作，氣壓高度傳感器的精度不應(yīng)過低，通常設(shè)置為0.2m，同時顯示終端的分辨率也設(shè)置為0.2m。

4.5.2 高度監(jiān)測模塊的具體設(shè)計

在起吊過程中，由于吊件頂部高度最高，因此在與吊件頂部相連的起吊繩掛鉤上安裝1個氣壓高度傳感器。為節(jié)省材料和簡化結(jié)構(gòu)，將氣壓高度傳感器與距離傳感器集成安裝于同一位置，以減少數(shù)據(jù)采集工作量。由于塔身是分節(jié)組塔，因此可將各節(jié)塔身從低到高編號為1#、2#、3#，如圖7所示。獲取吊件起吊高度之后，上位機將吊件高度與每節(jié)組塔高度（就位高度）進行比對，當(dāng)?shù)跫叨冉咏鞴?jié)塔身就位高度的90%時，視為吊件即將就位，此時上位機進行報警，同時卷揚機放線速度減緩，讓構(gòu)件能更平緩地就位。為防止吊件在經(jīng)過已組立塔身處的反復(fù)報警，系統(tǒng)設(shè)置低處就位高度數(shù)據(jù)清除功能。

圖7 吊件就位系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic Diagram of Hoisting System in Place

4.6 狀態(tài)監(jiān)測模塊設(shè)計

4.6.1 狀態(tài)監(jiān)測算法的確定

抱桿中部截面是整根抱桿的危險截面[16]，因此應(yīng)時刻關(guān)注抱桿中部截面受力情況，分別利用偏心受力構(gòu)件的強度應(yīng)力公式、撓度公式和穩(wěn)定強度應(yīng)力公式[17]計算抱桿中部截面的受力情況。以四大基本強度理論[18]為判別依據(jù)，確保抱桿強度、剛度和穩(wěn)定性滿足設(shè)計值。為體現(xiàn)實時性，上述算法中各參數(shù)采用上位機接收的瞬時值，時刻確保抱桿狀態(tài)安全。

4.6.2 狀態(tài)監(jiān)測模塊的具體設(shè)計

抱桿狀態(tài)監(jiān)測模塊涉及監(jiān)測點及其數(shù)據(jù)較多，為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集實時性、減小數(shù)據(jù)采集負擔(dān)，狀態(tài)監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)采集采用陣列巡檢模式。

數(shù)據(jù)巡檢周期，如圖8所示。抱桿強度、剛度和穩(wěn)定性計算各采用1個終端進行數(shù)據(jù)的收發(fā)與解析處理。首先，抱桿強度監(jiān)測所對應(yīng)的1#終端發(fā)出采集指令，從拉力、傾角、風(fēng)速等諸多監(jiān)測傳感器接收數(shù)據(jù)地址與自身地址相匹配的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收發(fā)等待時間設(shè)置為10ms。數(shù)據(jù)接收成功后，終端對數(shù)據(jù)進行解析處理，再經(jīng)數(shù)據(jù)端口上傳解析數(shù)據(jù)至上位機，并通過預(yù)編公式進行抱桿強度校驗，設(shè)置數(shù)據(jù)解析時間為10ms。1#終端數(shù)據(jù)解析完成后，2#終端立刻開始采集抱桿剛度監(jiān)測的數(shù)據(jù)與參數(shù)，采集等待時間與數(shù)據(jù)解析時間同樣為10ms。以此類推，形成一個采集周期，理論上一個采集周期最大耗時為60ms。

圖8 數(shù)據(jù)巡檢周期示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Data Inspection Cycle

4.7 應(yīng)用情況

懸浮抱桿組塔無線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)在福建500kV福州—燕墩線路建設(shè)中成功應(yīng)用，現(xiàn)場使用照片，如圖9所示。在鐵塔組立施工過程中，系統(tǒng)精確地展示了抱桿系統(tǒng)各部分拉力、傾角、距離、高度等關(guān)鍵參數(shù)，使現(xiàn)場人員對施工危險點信息實時動態(tài)掌控。提高了施工過程的安全水平，縮短了施工周期，使施工效率得到了顯著提高。

圖9 現(xiàn)場施工圖及設(shè)備圖Fig.9 Site Construction Photos and Equipment Photos

以福建500kV福州—燕墩線路中某基塔為例，塔型為5K1-SZC1，抱桿全高28m，其第9段起吊塔材質(zhì)量為754.5kg，索具等重量為125.4kg。現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)和實際計算數(shù)據(jù)對比，如表1所示。

表1 起吊吊件測量數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)比較Tab.1 Comparison of Measured Data and Calculated Data of Lifting Parts

從表1中可以看出，系統(tǒng)測量出的受力值與理論計算得到的受力值匹配度較好，誤差均在10%以內(nèi)，說明懸浮抱桿組塔無線監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用情況較好，能滿足工程要求。

5 結(jié)論

這里針對懸浮式內(nèi)拉線抱桿分解組塔過程中的危險因素，研發(fā)了一套鐵塔組立用懸浮抱桿組塔無線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了施工過程中重要參量的實時感知，提升組塔工程的安全性。同時，系統(tǒng)對施工過程中吊件與塔身距離、吊件就位距離等進行實時監(jiān)測，提高了組塔工程的效率。

鐵塔組立施工與現(xiàn)代智能物聯(lián)相結(jié)合，能夠改變以往只依靠現(xiàn)場施工人員經(jīng)驗進行施工的劣勢，具有較強的實用價值。本文成果可為外拉線或整體組立等其他鐵塔組立施工過程的監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)提供指導(dǎo)與借鑒。