塔機分布式安全評估輔助決策系統(tǒng)研究

(中國建筑科學(xué)研究院有限公司建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000)

由于塔機在施工中存在著許多不安全因素。所以塔機使用的安全性是工程上迫切需要解決的問題，一方面住建部規(guī)定超過一定服役年限的老舊塔機繼續(xù)使用必須進行安全評估，另一方面我國現(xiàn)存超期服役的塔機保有量龐大且轉(zhuǎn)場工作頻繁，每年需要進行安全評估的塔機數(shù)量與日俱增。因此以更高效的方法進行塔機施工安全風(fēng)險評估，對建筑工地安全生產(chǎn)具有積極的現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)階段塔機安全評估概況

塔機的安全評估一般為評估人員在較為分散的評估現(xiàn)場，依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成檢測。評估時首先進行數(shù)據(jù)收集、測量，然后經(jīng)過計算匯總，分析得出塔機安全評估報告。在此過程中，需要大量手工計算與定性評價工作，評估效率不高。評估結(jié)果有3 種：合格、降級使用和報廢。塔機產(chǎn)權(quán)人在負擔(dān)安全評估費用的同時還要承受塔機報廢結(jié)果，即使評估結(jié)論為降級使用，產(chǎn)權(quán)人也要承擔(dān)降級使用中的風(fēng)險，由此可見安全評估的經(jīng)濟性對塔機安全評估工作有較大影響，所以在保證塔機安全評估可靠性的前提下，降低評估成本、優(yōu)化評估項目采用更先進的設(shè)備和方法完成評估工作顯得尤為重要。

2 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)與評估要求

2.1 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

GB 6067.1-2010《起重機安全規(guī)程 第1 部分：總則》從起重機的整機結(jié)構(gòu)到各機構(gòu)及零部件都制定了詳細的評定標(biāo)準(zhǔn)。

GB 5144-2006《塔式起重機安全規(guī)程》規(guī)定了使用單位應(yīng)為塔機安全評估提供塔機運行狀態(tài)所需資料；同時規(guī)定了塔機結(jié)構(gòu)件的報廢及工作使用年限，為結(jié)構(gòu)件安全檢測評估提供依據(jù)。

GB/T 5031-2019《塔式起重機》為塔機整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)件連接的可靠性評估提供重要依據(jù)。

JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術(shù)規(guī)程》對安全評估進行定義，規(guī)定了塔機需要進行量化評估的項目及安全評估機構(gòu)的準(zhǔn)入資質(zhì)。

2.2 評估要求

GB 6067.1-2010《起重機安全規(guī)程 第1 部分：總則》、JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)對塔機的安全評估項目做出詳細規(guī)定，提出評估要求與量化指標(biāo)。具體評估項目包括：塔機結(jié)構(gòu)件壁厚判別、裂紋檢驗、結(jié)構(gòu)件變形量判定、連接件磨損檢測、應(yīng)力檢驗、結(jié)構(gòu)件連接方式可靠性檢驗等。

塔機分布式安全評估輔助決策系統(tǒng)主要按照J(rèn)GJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術(shù)規(guī)程》的要求，對各項評估項目進行逐項判定，檢測被評估項目是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合格條件，根據(jù)評估分析結(jié)果給出評估結(jié)論供評估人員參考，最終由評估人員根據(jù)現(xiàn)場情況和評估經(jīng)驗對評估結(jié)論進行修改并確認(rèn)無誤后，輔助決策系統(tǒng)按照J(rèn)GJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術(shù)規(guī)程》附錄中列出的格式輸出評估報告。

3 塔機分布式安全評估輔助決策系統(tǒng)架構(gòu)

塔機分布式安全評估輔助決策系統(tǒng)由多個便攜式評估終端和一個服務(wù)器平臺組成（圖1）。其中便攜式評估終端由數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理單元、存儲單元、操作和顯示單元、通信單元組成；服務(wù)器平臺由系統(tǒng)管理模塊、評估分析模塊和數(shù)據(jù)管理模塊組成。便攜式評估終端各組成單元之間通過CAN 總線傳輸數(shù)據(jù)，各組成單元內(nèi)部數(shù)據(jù)交換采用SPI 總線，與服務(wù)器平臺依靠通信單元集成的4G 無線通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

3.1 便攜式評估終端

便攜式評估終端的功能是對評估現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和圖像進行采集、實現(xiàn)人機交互和評估報告輸出。

1）數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理單元 采集應(yīng)力傳感器、超聲波測厚儀、超聲波無損檢測儀、磁粉裂紋檢測儀等外擴傳感器或檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號保存到存儲單元。

2）存儲單元 用于保存便攜式評估終端自身的數(shù)據(jù)、接收到的外部數(shù)據(jù)和圖像，相關(guān)數(shù)據(jù)和文件可通過USB 接口導(dǎo)出。

3）操作和顯示單元 用于登錄系統(tǒng)、輸入數(shù)據(jù)和操作命令、顯示信息并進行人機交互。

4）通信單元 用于攜式評估終端與服務(wù)器平臺以及與其他外部設(shè)備通信。

3.2 服務(wù)器平臺

服務(wù)器平臺是輔助決策系統(tǒng)的核心部分，具備分析評估、項目管理、數(shù)據(jù)管理等功能。一方面對采集到的數(shù)據(jù)進行計算、評估分析，輸出評估結(jié)果并將評估結(jié)果發(fā)送至便攜式評估終端，另一方面保存、管理評估結(jié)果和過程性分析數(shù)據(jù)。

1）系統(tǒng)管理模塊 輔助決策系統(tǒng)的控制和管理部分，實現(xiàn)對便攜式評估終端的管理，包含系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)維護、流程設(shè)置、權(quán)限設(shè)置、項目管理等功能。

2）評估分析模塊 接收便攜式評估終端輸入的數(shù)據(jù)，通過綜合分析算法，綜合評價塔機的安全狀況，按照J(rèn)GJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術(shù)規(guī)程》要求的格式得出綜合評估報告，并發(fā)送到便攜式評估終端。

3）數(shù)據(jù)管理模塊 用于管理已經(jīng)評估過的或者正在進行評估的項目數(shù)據(jù)。

4 工作原理與評估流程

4.1 工作原理

便攜式評估終端與服務(wù)器平臺通信并新建評估項目，多個便攜式評估終端可同時工作，以應(yīng)對評估現(xiàn)場分散的問題，服務(wù)器平臺為每個便攜式評估終端新建的評估項目編號，便攜式評估終端與服務(wù)器信息同步更新，服務(wù)器平臺對每個新建的評估項目完成評估后將評估信息返回相應(yīng)的便攜式評估終端。

4.2 評估流程

1）打開新建的項目輸入評估項目特征信息，內(nèi)容包括“評估項目管理信息”、“設(shè)備基本信息”、“塔機主要技術(shù)參數(shù)”等。

2）對整機外觀、安全裝置、防護裝置、電氣系統(tǒng)等部分進行檢查，輸入檢查數(shù)據(jù)并上傳。

3）通過卡尺、卷尺、超聲波測厚儀檢測塔機重要結(jié)構(gòu)件經(jīng)過現(xiàn)場磨損腐蝕后的實際變形量、壁厚和損傷情況，測量連接件磨損量并通過便攜式評估終端將測量數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器平臺。評估分析模塊在數(shù)據(jù)庫中調(diào)用該型號塔機的數(shù)據(jù)模型結(jié)合采集到的其他信息對塔機進行力學(xué)分析，根據(jù)受力分析的結(jié)果將所有需要應(yīng)力檢測的重要結(jié)構(gòu)件安全評估檢測點編號并發(fā)送到便攜式評估終端。

4）根據(jù)現(xiàn)場情況對輔助決策系統(tǒng)分析出的安全評估檢測點進行篩選，選擇必要的測試點，再使用超聲波無損檢測儀、磁粉裂紋檢測儀對測試點進行應(yīng)力檢測、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件焊縫無損探傷。

5）最后對整機進行載荷試驗，將檢測結(jié)果上傳服務(wù)器平臺。服務(wù)器端的評估分析模塊經(jīng)過綜合評估算法處理，生成評估結(jié)論發(fā)回終端進行顯示，經(jīng)審核通過后輸出評估報告（圖2）。

圖2 評估流程圖

5 技術(shù)發(fā)展方向

在工程檢測領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)技術(shù)的使用可對事物之間的關(guān)聯(lián)性信息進行深度挖掘。塔機施工的每個工作循環(huán)的監(jiān)測數(shù)據(jù)均保存于被評估塔機所使用的“安全監(jiān)控系統(tǒng)”服務(wù)器內(nèi)，建立“安全監(jiān)控系統(tǒng)”服務(wù)器與“安全評估輔助決策系統(tǒng)”服務(wù)器的數(shù)據(jù)訪問機制，優(yōu)化安全評估算法，使塔機施工全周期安全評估工作更具專業(yè)性。

JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術(shù)規(guī)程》的實施對塔機的評估起到了指導(dǎo)作用，但規(guī)程未對塔機降級使用的年限做具體規(guī)定?！八C分布式安全評估輔助決策系統(tǒng)研究”的使用能夠廣泛收集塔機結(jié)構(gòu)件的銹蝕、磨損和變形量的檢測數(shù)據(jù)，應(yīng)力和裂紋檢測數(shù)據(jù)，載荷試驗狀況數(shù)據(jù)等專業(yè)性極強的信息，將大量零散的有價值的信息和圖像資料進行整合形成數(shù)據(jù)庫，為進一步規(guī)范規(guī)定塔機降級使用年限提供支撐資料。為安全評估計算機仿真軟件的研發(fā)積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

塔機分布式安全評估輔助決策系統(tǒng)將JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術(shù)規(guī)程》中所要求的檢測要素、評估流程和計算過程軟件化，優(yōu)化了安全評估項目，節(jié)省人力資源和評估成本，提高了塔機安全評估的時效性、準(zhǔn)確性。