基于物聯(lián)網的塔式起重機安全監(jiān)測系統(tǒng)應用研究

胡敬銓 王文龍 張曉曦 陳 潔

(1.永富建工集團有限公司 福建福州 350008；2.福建誠恒意建設有限公司 福建廈門 361026；3.福建省特種設備檢驗研究院 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]。當前塔式起重機缺乏有效且簡便的監(jiān)控技術手段，管理和維護不足，安全部件失效，個別工作人員甚至違規(guī)進行作業(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。為實現塔式起重機工作時的遠程安全監(jiān)測,減少人員從業(yè)風險，應用物聯(lián)網在線監(jiān)測技術，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、金屬結構腐蝕、超速等安全風險進行嚴密有效的監(jiān)控。該系統(tǒng)是進行監(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)網的技術，構建起重機安全監(jiān)測網絡，可以減少安全隱患，減少事故的發(fā)生，保障人員和設備的安全。因而，研究塔式起重機實時網絡監(jiān)控，建立有效且簡便的系統(tǒng)，有著重要的現實意義和社會價值。

1 系統(tǒng)功能定位

運用物聯(lián)網技術，建立塔式起重機的安全監(jiān)控系統(tǒng)服務。為實現塔式起重機發(fā)生故障時的實時傳輸和塔式起重機運行時的數據采集等功能，主要服務功能有[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)時的工況數據，諸如起升速度、起重力矩、變幅幅度、環(huán)境風速和回轉角度等進行采集，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：以數值和圖形的方式在顯示屏上，顯示出塔式起重機當前的工作參數和額定的工作參數。

(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)出聲光報警和預警。

(4)故障應急處置：當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的咨詢等信息。

(5)日常作業(yè)監(jiān)控：實現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、交底內容廣播、作業(yè)動作、風險自動廣播預警的安拆管理系統(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地報警內容。

(6)遠程可視化監(jiān)控平臺：系統(tǒng)安全運行時，基于GIS技術，對系統(tǒng)進行可視化遠程監(jiān)控，將塔機運行的實時數據等傳送至平臺。

(7)數據追憶：當塔機發(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，有助于調查事故過程，提供證據。

(8)統(tǒng)計分析：在系統(tǒng)上查詢統(tǒng)計分析的模塊，或開放數據接口；采集塔式起重機工作時的數據信息并進行分析和統(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行測評，有效預防故障的發(fā)生。

2 系統(tǒng)網絡拓撲結構構建

通過分析以上的功能定位，塔式起重機的監(jiān)測系統(tǒng)是基于無線傳感網絡、數據采集技術、遠程數據通信技術、傳感器技術、數據融合處理和嵌入式技術，實現高效率的建筑塔機運行狀態(tài)安全監(jiān)控與聲光預警報警等功能，以及實時動態(tài)的遠程監(jiān)控、遠程報警和遠程告知，從技術手段上保障了對塔機使用過程和行為的及時監(jiān)控、切實預警、控制設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事故發(fā)生[2]。根據塔式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)功能定位和技術，構建如圖1所示的基于物聯(lián)網的塔式起重機安全監(jiān)測系統(tǒng)網絡拓撲結構[5-6]。

圖1 塔式起重機安全監(jiān)控網絡拓撲結構[5-6]

由圖1可以看出，系統(tǒng)的結構可以分為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)進行判斷，然后發(fā)送當前的狀態(tài)信息等信號到下一層中的服務器。該層主要的設備是數據采集器、監(jiān)控終端和傳感器。

第二層為網絡層。網絡層主要負責塔式起重機實時運行時信息，以及對報警信息進行傳輸，并在數據服務中心中記錄相應的數據信息，和故障報警信息的傳輸，同時在數據中心服務器中存儲相應的數據。該層主要由有線數據網絡或運營商的無線及數據中心服務器組成。

第三層為應用層。主要功能是監(jiān)控和管理，對物聯(lián)網的設備進行計算。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，和部署在數據中心服務器上的軟件中間件等構成。

第四層為協(xié)議層。協(xié)議層有個標準協(xié)議接口，相關企業(yè)的各個應用，可以通過數據協(xié)議，與監(jiān)控層進行數據上的通訊。系統(tǒng)采用開放式的標準數據通訊協(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個應用：日常監(jiān)管查詢統(tǒng)計、應急救援查詢統(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)察相應的業(yè)務應用的評價，監(jiān)管層可以按照規(guī)定的數據傳送，實時讀取各塔式起重機運行時的相關數據。

3 應用實踐

塔式起重機在橋梁工程、房屋建筑、核電建設、市政工程等行業(yè)應用廣泛，屬于一種非連續(xù)性搬運重型機械。當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)網的塔式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)，利用傳感器采集數據信息并傳輸到系統(tǒng)中，設置告警的響應等級，并根據不同的等級發(fā)出相應的告警。發(fā)生故障時，記錄相應的視頻和語音信息，通過物聯(lián)網傳輸到遠程監(jiān)控平臺和監(jiān)測管理機構。圖2為在建筑安裝現場的塔式起重機的在線監(jiān)測系統(tǒng)應用原理圖。

利用在前端的傳感器，將采集的數據信息實時傳輸至平臺，并根據設置的響應級別，發(fā)出相應的預警。同時，當聚氯塔式起重機發(fā)生異常時，其視頻信息和語音信息將通過物聯(lián)網激素及時傳輸至監(jiān)管機構或遠程監(jiān)控客戶端。在建筑安裝現場的塔式起重機在線監(jiān)測系統(tǒng)應用原理圖，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信息，同時收集異常的工作信息，最后通過遠程傳輸至監(jiān)管平臺的設備管理者與維保人員。

圖2 塔式起重機在線監(jiān)測系統(tǒng)應用實踐[5-7]

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

4 結語

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)網技術，結合塔式起重機具體的工作方式及工作條件，對基于物聯(lián)網技術的塔式起重機無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行應用探索，實現塔式起重機超載荷、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，有效保障現場施工的安全性和可靠性。