塔吊運行狀態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

周泉吉 陳峰軍 郭 振 朱小磊

1. 上海建工集團工程研究總院 上海 201114；2. 浙江上嘉建設(shè)有限公司 浙江 嘉興 314001；3. 合肥宇科電子科技有限公司 安徽 合肥 230041

塔式起重機簡稱塔吊，作為建筑工程項目應(yīng)用最為廣泛的垂直吊運設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、使用的特殊性以及安全管理水平的相對落后，具有較大的安全風(fēng)險。塔吊側(cè)傾、倒塌、碰撞等事故頻發(fā)，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，2010ü 2019年，我國至少發(fā)生了382例塔吊生產(chǎn)安全事故，其中塔吊運行階段事故占比達54.2%[1]，研究如何提升塔吊運行階段的安全管理水平，具有重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)的塔吊安全輔助控制更依賴于機械設(shè)備自身安裝限制器來對過限操作的強制制動，從而避免如超載、回轉(zhuǎn)超限相關(guān)的事故發(fā)生。近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧工地建設(shè)的不斷發(fā)展，使得借助附加傳感器采集塔吊安全狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進行即時通信、即時分析、即時預(yù)警，可以大幅提高塔吊安全監(jiān)控的準(zhǔn)確性[2]。同時隨著傳感器多樣化發(fā)展以及檢測性能的不斷提升，基于物聯(lián)網(wǎng)的實時智能在線監(jiān)控不斷步入深化應(yīng)用階段，使得塔吊安全管理逐步向標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化和精細化的方向發(fā)展。

本文充分結(jié)合規(guī)范要求，利用一些穩(wěn)定可靠的傳感設(shè)備進行集成研發(fā)，構(gòu)建塔吊運行狀態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對塔吊運行狀態(tài)參數(shù)的實時獲取、實時展示，為塔吊司機提供更直觀有效的塔吊運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)多塔吊實時交互的群塔吊防碰撞模塊，最終對各項狀態(tài)參數(shù)進行實時判定，完成智能預(yù)警。同時，根據(jù)項目應(yīng)用現(xiàn)場施工管理人員的實際需求，搭建塔吊安全信息化安全管控平臺，施工安全管理人員可在任意地點同步獲取整個施工場地內(nèi)的塔機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)安全風(fēng)險的多重、多方監(jiān)管，進一步降低塔吊安全事故的發(fā)生概率。

1 塔吊安全狀態(tài)參數(shù)及其監(jiān)測方法

根據(jù)JGJ 59ü 2011《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)塔吊施工規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容和規(guī)定要求，塔吊運行安全狀態(tài)參數(shù)主要包括吊重、幅度、回轉(zhuǎn)、風(fēng)速、傾角等。

通過對塔吊加裝相應(yīng)監(jiān)測設(shè)備實行塔吊運行全狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。設(shè)備及其對應(yīng)安裝位置如圖1所示。

圖1 塔吊安全監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備及其安裝位置

其中，采用重力傳感器測取調(diào)運材料的重力和參數(shù)，其原理在于，安裝過程中預(yù)施加一定作用力使得滑輪將鋼絲繩拉偏形成160e ～170e 的夾角，此時滑輪所受壓力與鋼絲繩所受拉力成比例，因而將重力傳感器安裝在動滑輪轉(zhuǎn)動軸位置測得滑輪所受壓力，最后安排塔吊起吊給定質(zhì)量的材料，對重力傳感器讀數(shù)與實際測重進行標(biāo)定，即可投入使用。經(jīng)驗表明，該方法測重誤差在5%左右，滿足使用要求；幅度監(jiān)測和高度監(jiān)測的原理類似，都是通過對卷揚機加裝同軸器，直接根據(jù)電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)換算得出。力矩可以通過重力測值與幅度測值的乘積得出?；剞D(zhuǎn)傳感器安裝于塔吊轉(zhuǎn)盤裙邊位置，通過齒輪咬合獲取塔吊大臂的當(dāng)前回轉(zhuǎn)角度，一般不應(yīng)超過720e ，防止對塔身電纜產(chǎn)生拉扯作用。

GB 5144ü 2006《塔式起重機安全規(guī)程》規(guī)定，塔吊運行必須低于6級風(fēng)（＜10.8 m/s），安裝風(fēng)速傳感器可以實時精確監(jiān)測當(dāng)前風(fēng)速是否超限，從而避免強行逆風(fēng)工作引起塔吊斷裂倒塌。

JGJ 196ü 2010《建筑施工塔式起重機安裝、使用、拆卸安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，塔吊安裝過程中空載且風(fēng)速不超過3 m/s條件下，垂直度偏差不得超過0.4%。而在使用過程中，在塔身安裝傾斜傳感器，用于監(jiān)測塔身的實際傾斜角度，防止吊裝過程中傾斜角度過大引起塔吊側(cè)傾事故的發(fā)生。

將上述各項傳感設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線、有線方式接入主機，安裝于塔吊駕駛艙，塔吊司機通過顯示屏可以直接查看當(dāng)前塔吊的各項安全運行參數(shù)，同時主機也會通過所監(jiān)測到的各項參數(shù)完成對塔吊安全運行的風(fēng)險評定，并及時發(fā)出語音提示和操作指令。

同時，針對場地內(nèi)有多臺塔吊且形成交叉作業(yè)的情況，通過加裝無線傳輸模塊，結(jié)合GPS衛(wèi)星定位，自動識別周邊存在交叉作業(yè)的塔吊設(shè)備，并自動進行多塔吊防碰撞組網(wǎng)，各塔吊之間互相傳輸坐標(biāo)、幅度、回轉(zhuǎn)角度、高度等位置數(shù)據(jù)，通過主機同步換算并判定此刻是否存在碰撞事故趨勢。并將預(yù)警信息及時分發(fā)給各塔吊司機，提醒塔吊司機及時修正危險操作。

2 塔吊遠程監(jiān)控管理平臺及應(yīng)用

2.1 塔吊遠程監(jiān)控管理平臺

長期以來，由于塔吊駕駛艙處于高空，現(xiàn)場地面的施工管理人員無法實時掌握塔吊當(dāng)前的實際運行狀態(tài)，缺乏對這一重大危險源的直接監(jiān)管手段。為了確保施工管理人員充分行使監(jiān)督管理職責(zé)，必須確保參建各方的監(jiān)管人員能夠?qū)崟r同步獲取現(xiàn)場各個塔機的運行狀態(tài)參數(shù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建塔吊運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。通過對各塔吊的安全監(jiān)控系統(tǒng)加裝無線傳輸模塊，使其動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的判定結(jié)果實時上傳至遠程監(jiān)控管理平臺服務(wù)器，由服務(wù)器提供網(wǎng)頁端登錄查看功能，施工管理人員即可無限制地實時在線查看場內(nèi)各塔吊的運行安全狀態(tài)，實現(xiàn)安全風(fēng)險的多重、多方監(jiān)管，進一步降低塔吊安全事故的發(fā)生概率。

圖2 群塔遠程監(jiān)控管理平臺系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 工程應(yīng)用

某項目一期用地約9.5萬 m2。項目包括多棟1～3層單體建筑以及若干配套建筑等，各棟單體地下均設(shè)1層地下室并局部連通。項目總建筑面積81 110 m2，其中地下建筑面積31 540 m2。項目共配置了6臺塔吊進行施工吊運作業(yè)，每臺塔吊與周邊塔吊均存在一個或多個交叉作業(yè)，塔吊運行作業(yè)環(huán)境復(fù)雜。

首先，為6個塔吊分別加裝安全監(jiān)控系統(tǒng)，使得每個塔吊的司機能夠直觀獲取塔吊當(dāng)前的運行狀態(tài)信息，并接收系統(tǒng)的安全預(yù)警提示，幫助塔吊司機在安全風(fēng)險出現(xiàn)時能夠第一時間做出正確的風(fēng)險規(guī)避動作，從而將事故扼殺在萌發(fā)階段。

其次，現(xiàn)場施工管理人員通過登錄塔吊遠程安全監(jiān)控平臺，上傳并維護設(shè)備的資質(zhì)、檢測、維修、保養(yǎng)等資料，實現(xiàn)塔吊基本信息的統(tǒng)一管理。通過將各塔吊監(jiān)控系統(tǒng)接入平臺，相關(guān)人員可以隨時隨地查看場內(nèi)6臺塔吊各自的狀態(tài)參數(shù)以及操作軌跡。

3 結(jié)語

本文結(jié)合規(guī)范總結(jié)了塔吊安全狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)梳理了目前各關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)的監(jiān)測設(shè)備及工作原理，并對各自的適用情況簡要分析。同時研發(fā)了一套塔吊運行狀態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過結(jié)合GPS衛(wèi)星定位以及無線通信技術(shù)，實現(xiàn)群塔交叉作業(yè)的自動定位、自動識別、自動組網(wǎng)，根據(jù)各塔吊實測的各項位置信息，同步推算判定此刻碰撞發(fā)生的潛在趨勢，實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的群塔防碰撞實施方法。根據(jù)項目應(yīng)用現(xiàn)場施工管理人員的實際需求，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的塔吊運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)安全風(fēng)險的多重、多方監(jiān)管，以期進一步降低塔吊安全事故發(fā)生的概率。