塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

徐 杰/XU Jie

（常州建筑業(yè)安全監(jiān)督站，江蘇 常州 213000）

近年來(lái)，中國(guó)由于建設(shè)項(xiàng)目繁多，在役塔機(jī)數(shù)量急劇上升，盡管建筑安全監(jiān)督部門(mén)不斷加大監(jiān)管力度，但塔機(jī)的超載使用、無(wú)證操作和野蠻施工等違章行為頻現(xiàn)，倒塔傷人的安全事故也經(jīng)常發(fā)生，造成了人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。如何降低塔機(jī)事故頻率，最大限度減少事故損失，成為擺在政府部門(mén)和施工企業(yè)面前的一道難題。

1 塔機(jī)安全系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)

1）大多數(shù)塔機(jī)安全控制裝置簡(jiǎn)陋 目前，很多塔機(jī)上安裝了相應(yīng)的保護(hù)裝置，如高度限制器、力矩限制器等裝置，但是由于大多數(shù)塔機(jī)本身的價(jià)值相對(duì)移動(dòng)式起重機(jī)來(lái)講不是很高，因此塔機(jī)的安全保護(hù)裝置也非常簡(jiǎn)單。很多塔機(jī)的安全裝置就一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，替代力矩限制器使用，精度很差，導(dǎo)致測(cè)量的載荷同實(shí)際的載荷相差太多，很容易導(dǎo)致事故的發(fā)生。一旦事故發(fā)生，也無(wú)法清晰認(rèn)定責(zé)任，故這種簡(jiǎn)易型安全裝置將逐步被淘汰。

2）安全監(jiān)控裝置從單機(jī)化、本地化向集群化、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 從2005年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)開(kāi)始流行專門(mén)針對(duì)塔機(jī)單機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)，如黑匣子記錄儀（圖1）、起重量限制器和力矩限制器，但是只是針對(duì)塔機(jī)單機(jī)安全控制的應(yīng)用，主要目的是用戶與施工方單臺(tái)起重機(jī)的自我監(jiān)控。

從2006年開(kāi)始，在部分規(guī)模較大的施工單位和塔機(jī)使用方中，開(kāi)始應(yīng)用塔機(jī)集群化管理系統(tǒng)，如塔機(jī)群防碰撞保護(hù)功能的應(yīng)用（圖2）。但是推廣范圍還比較窄，只適用于塔機(jī)較多的單個(gè)工地。

圖1 塔機(jī)黑匣子

圖2 塔機(jī)群防碰撞系統(tǒng)

從2008年開(kāi)始，遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開(kāi)始應(yīng)用于塔機(jī)。通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，施工方、主機(jī)廠等各個(gè)單位都可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔機(jī)的工作狀況。施工方的目的在于工地監(jiān)控、防盜、監(jiān)控操作等功能，主機(jī)廠用于定位跟蹤、硬件鎖車等功能，雙方可以通過(guò)不同的使用權(quán)限來(lái)行使各自權(quán)利。

3）政府監(jiān)管部門(mén)缺乏合適監(jiān)控手段與工具目前還沒(méi)有出現(xiàn)專門(mén)針對(duì)政府監(jiān)管部門(mén)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，也沒(méi)有從政府統(tǒng)一宏觀監(jiān)管的高度，建立一個(gè)共享的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將監(jiān)管部門(mén)、施工方、主機(jī)廠都能納入其中。但隨著技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，加強(qiáng)政府部門(mén)宏觀監(jiān)督勢(shì)在必行。

4）融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)市場(chǎng)初現(xiàn)隨著塔機(jī)數(shù)量的增加和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的塔機(jī)安全監(jiān)控裝置和遠(yuǎn)程接入手段應(yīng)運(yùn)而生。目前采用GPRS的通訊方式是比較流行的。它可以將塔機(jī)上取得的各類傳感器信號(hào)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到固定的服務(wù)器上，并進(jìn)行儲(chǔ)存，用戶只要登錄互聯(lián)網(wǎng)，即可以查詢到所有的塔機(jī)信息。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 基于GPRS的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

1.2 塔機(jī)安全評(píng)估系統(tǒng)

1）人工檢測(cè)手段落后 塔機(jī)的安全評(píng)估重點(diǎn)在金屬結(jié)構(gòu)，如對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕、磨損、裂紋程度等物理量的評(píng)估，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)傳感器的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，都需要通過(guò)人工的檢測(cè)來(lái)記錄，效率較低，誤差較大，人為干擾因素較多。

2）評(píng)估計(jì)算方法與實(shí)際檢測(cè)難度較大 針對(duì)塔機(jī)正常工作年限和安全壽命的評(píng)估，目前各地尚不統(tǒng)一，檢測(cè)的方法和側(cè)重點(diǎn)有所不同，對(duì)塔機(jī)的報(bào)廢和降級(jí)使用的要求也各不相同。

對(duì)剩余壽命的評(píng)估，目前采用比較廣泛的是應(yīng)力循環(huán)次數(shù)法[1]。對(duì)于塔機(jī)安全現(xiàn)狀的評(píng)估，卻大多依據(jù)《建筑起重機(jī)械安全評(píng)估技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行級(jí)別評(píng)定[2-3]。由于目前塔機(jī)的載荷記錄設(shè)施并不完善，無(wú)法精確采集塔機(jī)塔機(jī)的以往載荷信息，因此利用循環(huán)應(yīng)力次數(shù)法進(jìn)行安全評(píng)估和剩余壽命的計(jì)算并不精確，實(shí)際檢測(cè)難度較大。

3）傳感融合與理論計(jì)算相結(jié)合的評(píng)估方法成為現(xiàn)實(shí) 由于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，新一代的塔機(jī)逐步具備了載荷記錄功能，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及應(yīng)用為精確記錄循環(huán)次數(shù)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)塔機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的傳感檢測(cè)，如腐蝕、磨損、焊縫裂紋等物理量，建立合適的壽命發(fā)展模型，為精確反映當(dāng)前塔機(jī)的安全工作狀態(tài)和剩余壽命奠定了理論基礎(chǔ)。因此，傳感融合和經(jīng)典理論計(jì)算相結(jié)合，使得更加精確的安全評(píng)估成為現(xiàn)實(shí)。

2 塔機(jī)安全系統(tǒng)的研發(fā)

為防范和減少塔機(jī)安全事故的發(fā)生，新一代“起重機(jī)械安全作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)”產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。這套系統(tǒng)不同于以前一些地區(qū)所采用的功能單一的系統(tǒng)，如力限器、黑匣子等。該監(jiān)控系統(tǒng)是集安全生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)記錄、遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)傳輸、單機(jī)和多機(jī)防撞控制、違規(guī)操作報(bào)警和限制、故障實(shí)時(shí)報(bào)警、惡劣條件報(bào)警和控制、無(wú)證作業(yè)限制、精確定位等諸多功能于一身的系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作流程如圖6所示：采用無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸方式，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

2.1 主要功能特點(diǎn)

該系統(tǒng)分為電子監(jiān)控終端和監(jiān)控中心服務(wù)器兩個(gè)模塊，分別具備不一樣的功能。電子監(jiān)控終端主要提供的是塔機(jī)各類參數(shù)的監(jiān)測(cè)、控制、記錄及傳輸功能，如圖4所示的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)界面。而監(jiān)控中心服務(wù)器主要提供訪問(wèn)、技術(shù)支持和消息管理等功能，如圖5所示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面。

圖4 塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)界面

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面

結(jié)合上述功能的應(yīng)用，第一次為安全監(jiān)管部門(mén)提供了通道，實(shí)現(xiàn)了多種監(jiān)管和評(píng)估功能。

1）防止無(wú)證操作。持有效證件的司機(jī)必須用IC卡在控制裝置上進(jìn)行刷卡確認(rèn)，若信息不一樣，系統(tǒng)將發(fā)出短信通知該工地的項(xiàng)目經(jīng)理，進(jìn)行核查。

2）記錄功能。這套裝置能將實(shí)時(shí)存儲(chǔ)連續(xù)工作30天以上的信息。一旦發(fā)生事故，能很快地讀取存儲(chǔ)的信息，為分析事故原因和責(zé)任劃分提供依據(jù)。同時(shí)也使“一機(jī)一檔”的設(shè)想在這個(gè)平臺(tái)上得以電子化信息化的實(shí)現(xiàn)，塔機(jī)的累計(jì)工作時(shí)間和工作循環(huán)也可精確統(tǒng)計(jì)，為該設(shè)備的中修、大修、報(bào)廢提供依據(jù)。

3）定位功能。該裝置在塔機(jī)安裝完成通電開(kāi)始調(diào)試時(shí)，位置信息就能發(fā)送到主服務(wù)器，通過(guò)與系統(tǒng)中的衛(wèi)星地圖配合，網(wǎng)上便可查詢出該塔機(jī)所地位置、型號(hào)、機(jī)型等信息，使建筑安監(jiān)部門(mén)能跟蹤到該塔機(jī)的流動(dòng)方位和使用時(shí)間。

4）安裝、拆卸的平衡控制。塔機(jī)安裝拆卸時(shí)，維持臂架的平衡是重中之重，若臂架失去平衡就會(huì)引發(fā)“倒塔”等重大安全事故。該裝置能監(jiān)控安裝拆卸過(guò)程中臂架的平衡狀況，如發(fā)現(xiàn)臂架在垂直平面上的擺動(dòng)超過(guò)塔機(jī)說(shuō)明書(shū)的規(guī)定，會(huì)立即報(bào)警，并限制危險(xiǎn)方向動(dòng)作，即停止向上頂升方向的供電。

5）按照《建筑起重機(jī)械安全評(píng)估技術(shù)規(guī)程》，根據(jù)人工采集和檢測(cè)的結(jié)果輸入軟件后，軟件自動(dòng)生成安全評(píng)估報(bào)告，為監(jiān)管部門(mén)提供評(píng)估報(bào)告。

2.2 系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元與控制單元兩部分構(gòu)成。

數(shù)據(jù)采集單元包括測(cè)力傳感器、幅度傳感器、傾角傳感器與風(fēng)速傳感器，以及數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集單元可以為控制單元提供起重量、小車幅度、傾斜角度、工作環(huán)境風(fēng)速等參數(shù)的精確數(shù)據(jù)，是控制單元進(jìn)行顯示、記錄、報(bào)警與控制的基礎(chǔ)。

控制單元包括控制器、顯示器與存儲(chǔ)器。控制器對(duì)數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)信息與電控柜的操作信息進(jìn)行分析，在滿足條件時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)或控制信號(hào)，是系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)。顯示器用于顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、操作狀態(tài)、報(bào)警信息等，并具有傳感器標(biāo)定、時(shí)間調(diào)整等功能。存儲(chǔ)器可以記錄各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)、操作信息、報(bào)警信息等，用于歷史信息查詢。各個(gè)硬件設(shè)備安裝位置如圖6～圖9所示。

圖6 傳感器安裝位置圖

圖7 主機(jī)安裝位置

圖8 高度限制器安裝位置

圖9 壓式力傳感器安裝位置

2.3 安全評(píng)估系統(tǒng)

塔機(jī)的安全評(píng)估系統(tǒng)是塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有塔機(jī)各個(gè)性能參數(shù)的監(jiān)測(cè)和計(jì)算，對(duì)塔機(jī)的安全作業(yè)狀況有一個(gè)明確的評(píng)估，輸出塔機(jī)目前的安全工作狀態(tài)和需要進(jìn)行整改的下一步工作內(nèi)容，自動(dòng)生成安全評(píng)估報(bào)告，減小人為誤差，提高塔機(jī)安全評(píng)估的精確度。

軟件分為檢測(cè)準(zhǔn)備、資料審核、外觀檢查、金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)、載荷實(shí)驗(yàn)、評(píng)估報(bào)告、軟件管理等七個(gè)功能區(qū)。在這七個(gè)功能區(qū)中，金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)是塔機(jī)安全評(píng)估軟件的最核心部分，是對(duì)塔機(jī)的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，如圖10所示。

圖10 安全評(píng)估系統(tǒng)主界面

3 塔機(jī)安全系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)已在常州某示范工地的塔機(jī)上開(kāi)始試用，試用結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測(cè)量比較精確，對(duì)工地上正常施工的影響也較小，受到各相關(guān)單位的支持。本項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新之處包括如下幾個(gè)方面。

1）將GPRS遠(yuǎn)程通訊引入塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域，建立市一級(jí)塔機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。多個(gè)施工工地的區(qū)域化信息通過(guò)公網(wǎng)傳輸?shù)娇偙O(jiān)控平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)軟件具備實(shí)時(shí)報(bào)警功能，將報(bào)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送給施工單位和監(jiān)管部門(mén)的相關(guān)人員，同時(shí)具備完善的操作規(guī)程分析效果，對(duì)各施工企業(yè)的安全操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。

2）提出安全監(jiān)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)規(guī)范設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全監(jiān)管評(píng)價(jià)。將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的塔機(jī)違章作業(yè)情況作為施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理評(píng)價(jià)和作業(yè)人員行為評(píng)價(jià)的依據(jù)之一，還作為在施工現(xiàn)場(chǎng)安全文明工地創(chuàng)建、特種作業(yè)人員復(fù)審時(shí)的重要參考。

3）為政府監(jiān)管部門(mén)提供了信息共享平臺(tái)，使得政府、塔機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、施工部門(mén)都可以登錄，實(shí)現(xiàn)共管共享的信息交流機(jī)制。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用，建筑安全監(jiān)管部門(mén)和施工企業(yè)能通過(guò)上網(wǎng)和手機(jī)短信迅速掌握施工現(xiàn)場(chǎng)各臺(tái)塔機(jī)的使用情況，建立以政府監(jiān)管部門(mén)、承建單位和作業(yè)單位等為主體的統(tǒng)一的管理平臺(tái)，最大程度地實(shí)現(xiàn)了區(qū)域化的安全管理和信息溝通。同時(shí)為科學(xué)監(jiān)管提供了一種先進(jìn)的手段，減少了安全監(jiān)管的工作量，提高了監(jiān)管效率，在遏制重大事故，大幅度減少一般事故，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全方面發(fā)揮了重要作用。

[1]王鐵柱，侯義東.塔機(jī)正常工作年限評(píng)估方法的探索[J].建筑機(jī)械化，2008,（12)：35-37.

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[3]陸志遠(yuǎn)，殷晨波，劉志剛.超期使用的塔機(jī)檢測(cè)和評(píng)估方法[J].建筑機(jī)械化，2010，(6)：70-73.