基于多空間過程狀態(tài)轉移的塔吊頂升導航系統(tǒng)

趙挺生， 蔣 靈， 馮楚璇， 張 偉

(華中科技大學 土木與水利工程學院， 湖北 武漢 430074)

施工現場的塔吊設備承擔著現場物資豎向和水平運輸的工作，是高層和超高層建筑施工中的重要機械設備[1,2]。塔吊在初始安裝后，隨著建筑物的升高需要多次進行頂升加節(jié)[3]。塔吊頂升工作在高空中進行，通常由多個工作面的作業(yè)人員按照一定操作步驟協(xié)同完成，其工作復雜度高，風險大。

目前，關于塔吊安全風險的研究均表明，人的不安全行為是造成塔吊事故的重要原因之一[4～7]。Shin[8]分析了塔吊安裝、頂升、拆卸階段的事故因素，發(fā)現作業(yè)人員違反工作程序是最常見的事故原因。然而由于塔吊設備的高風險性，作業(yè)人員能力不足時，在實體塔吊上進行培訓的風險較大。Li等[9]開發(fā)了一個3D虛擬塔吊拆卸安全培訓系統(tǒng)，為作業(yè)人員提供有效、安全的培訓環(huán)境，以提高作業(yè)人員的技能水平。然而，即使采用虛擬技術對塔吊組裝作業(yè)人員進行事前培訓，也難以保證作業(yè)人員在實際施工中能準確地進行操作和配合。

為了幫助塔吊組裝作業(yè)人員更安全、有效地完成工作，本研究以塔吊頂升為例，開發(fā)了一個塔吊頂升安全監(jiān)控與導航系統(tǒng)，對塔吊頂升狀態(tài)進行監(jiān)控，并為作業(yè)人員提供操作提示。本研究首先分解了塔吊頂升過程的工作步驟，研究了多個工作面的協(xié)同工作機制，并提出多空間過程狀態(tài)轉移分析方法。然后通過布設傳感器對塔吊頂升機構進行狀態(tài)監(jiān)控實驗，基于物聯網技術開發(fā)了一個塔吊頂升導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效幫助組裝作業(yè)人員判斷塔吊狀態(tài)，輔助多個工作空間的信息溝通，并指導作業(yè)人員完成塔吊頂升工作。

1 塔吊頂升過程分析

1.1 頂升過程

塔吊頂升是當塔吊高度不足以滿足施工要求時，按需要對塔吊進行加節(jié)加高的過程，在高層和超高層施工中十分常見[10]。需要加高的塔吊通常安裝有頂升機構，頂升機構由套架、引進平臺、頂升橫梁、油缸、爬爪組成。塔吊頂升機構3D模型如圖1所示。

圖1 塔吊頂升機構3D模型

頂升時，需要將塔吊頂端與標準節(jié)分離開，然后通過頂升油缸將塔吊頂端及套架頂起。塔吊頂升過程中依靠頂升橫梁和爬爪交替支撐于標準節(jié)踏步上。當頂升橫梁受力時，通過伸長油缸將套架頂起。然后變換為爬爪受力，通過壓縮油缸將頂升橫梁升起。如此反復，當套架頂起空間足夠時，通過引進平臺向套架中引入新的標準節(jié)，將新的標準節(jié)與塔柱塔頂分別連接，完成塔吊頂升。在塔吊頂升過程中，由于塔頂與塔身之間的連接被去掉，僅僅依靠頂升機構支撐，此時的塔吊處于不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦頂升過程出現失誤，就容易造成塔吊倒塌事故[11]。

根據頂升過程中套架和頂升橫梁的高度變化將塔吊分為8個不同的高度狀態(tài)。這8個狀態(tài)的變化由7個步驟組成(圖2)。

圖2 塔吊頂升機構狀態(tài)變化

步驟1：伸長油缸使頂升橫梁就位，連接頂升橫梁與踏步。此過程塔頂與塔柱保持連接，塔吊處于穩(wěn)定狀態(tài)。

步驟2：去掉塔頂與塔柱的連接螺栓，伸長油缸，頂起套架，直至爬爪擱置在下一個踏步上。此過程中塔吊頂部依靠頂升橫梁與踏步的連接支撐受力。

步驟3：去掉頂升橫梁與踏步連接銷軸，然后壓縮油缸，將頂升橫梁提至下一踏步，并安裝連接銷軸。此過程中依靠爬爪擱置于踏步上支撐受力。

步驟4：伸長油缸，使爬爪擱置于下一踏步上，套架高度再次上升。此過程中依靠頂升橫梁與踏步連接支撐受力。

步驟5：重復步驟3，提起頂升橫梁。

步驟6：伸長油缸，使得套架頂起高度足以放入新的塔吊標準節(jié)。然后引入標準節(jié)并完成連接。此過程中依靠頂升橫梁與踏步連接支撐受力。

步驟7：壓縮油缸，降低套架高度，然后連接套架與塔吊立柱，完成一次加節(jié)。此過程中依靠頂升橫梁與踏步的連接支撐受力。

塔吊頂升工作是由作業(yè)人員的協(xié)同操作實現的，并且不同作業(yè)人員位于不同的操作空間。塔吊頂升操作空間包括：頂升橫梁所在一層操作平臺；油缸和爬爪所在二層操作平臺；套架上部三層操作平臺。在現場進行塔吊頂升工作時，三個平臺都有負責各部分操作的作業(yè)人員。一層平臺作業(yè)人員負責控制頂升橫梁銷軸，二層平臺作業(yè)人員負責控制油缸和爬爪，三層平臺作業(yè)人員負責標準節(jié)和套架連接，以及新標準節(jié)的引入。

塔吊頂升過程中不同操作空間的作業(yè)人員動作流程如圖3所示。

圖3 塔吊頂升操作流程

1.2 塔吊頂升監(jiān)控指標

不同層作業(yè)人員控制的塔吊構件不同，將每個構件的狀態(tài)指標用可監(jiān)測的參數表示，分析每個工作空間控制的參數，如表1。

塔吊狀態(tài)向量可表示為X=[S,Bl,Br,Cl,Cr,D1,D2,D3,D4,E1,E2,E3,E4,W]。

表1 不同工作空間控制參數

當塔吊狀態(tài)向量達到指定要求時，表示這一步完成，可以觸發(fā)下一步操作，每一個操作Ai完成時的狀態(tài)向量Xi，也就是Ai+1的觸發(fā)狀態(tài)向量。所有操作的完成狀態(tài)向量構成塔吊頂升過程的狀態(tài)轉移矩陣M=[X0X1…X25]T。

為了更好地分析塔吊頂升標準化流程，展示塔吊頂升過程的狀態(tài)、動作、動作空間、監(jiān)控參數等相互關系，提出了基于狀態(tài)向量轉移的多空間過程分析方法。該方法詳細分析了動作和狀態(tài)轉移之間的邏輯關系，進一步展現了多動作空間的交互作用，并細化了各動作造成的狀態(tài)向量參數變化情況。塔吊頂升過程的多空間過程狀態(tài)轉移分析如圖4。

圖4 塔吊頂升多空間過程狀態(tài)轉移分析

2 塔吊頂升安全監(jiān)控

2.1 實驗塔吊模型

為了保證實驗過程中的安全性，本研究以TC6013型塔吊設備的塔吊頂升裝置部分為基礎進行改裝，建立了塔吊頂升實驗模型，計算機模型如圖5a，實體模型如圖5b。模型包括塔吊基礎、立柱、套架和水箱。其中塔吊立柱包括5個標準節(jié)(不包括頂升后新加的標準節(jié))，標準節(jié)尺寸為1.7 m×1.7 m×2.5 m，標準節(jié)上相鄰踏步之間的距離為1.25 m。塔吊套架尺寸為2.3 m×2.3 m×6.5 m。

圖5 塔吊頂升實驗模型

2.2 傳感器選擇

所有監(jiān)控指標中，除了油缸位移S為連續(xù)型變量，其他均為離散變量，可用0或1表示。因此，選擇開關型傳感器對離散變量進行監(jiān)測，選用位移傳感器對油缸伸出位移進行監(jiān)測。傳感器安裝原則為：不影響結構受力，不影響頂升運行?，F場傳感器安裝如圖6。根據安裝位置構造選擇了不同類型的開關傳感器，包括彈片式(圖6a)、滾輪式(圖6b，6c)和按鈕式(圖6c)。由于每次頂升活動新加標準節(jié)位置都不同，對于標準節(jié)連接狀態(tài)的監(jiān)測使用按鈕式開關置于操作平臺處，當作業(yè)人員完成標準節(jié)與新標準節(jié)的連接后手動觸發(fā)開關。其他傳感器則安裝于套架上可重復使用，施工時由于塔吊狀態(tài)變化可自動觸發(fā)開關。

圖6 傳感器布設

位移傳感器一端安裝在塔吊頂升油缸上部，一端安裝在頂升橫梁上。當油缸處于初始狀態(tài)(油缸伸出長度為0)，位移傳感器具有一定初始伸出長度。油缸伸出長度S可以通過式(1)計算。

S=L-L0

(1)

式中：L為位移傳感器測值；L0為位移傳感器初值，測得L0=118 cm。

根據塔吊尺寸計算和現場實驗，結合圖4的多空間過程狀態(tài)轉移分析，得到塔吊頂升過程中每一個操作動作Ai的完成狀態(tài)向量，以及狀態(tài)轉移矩陣值如表2。表中灰色部分對應圖4中動作的控制參數。其中油缸伸出長度S為連續(xù)變量，具有一定測量誤差和系統(tǒng)誤差，并且部分操作的位移值允許浮動，因此變量S的狀態(tài)值用區(qū)間[min, max]表示，當min≤S≤max時，表示變量S達到當前步驟的完成狀態(tài)。

表2 狀態(tài)轉移矩陣

3 塔吊頂升導航系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構

為了保障塔吊頂升活動順利進行，開發(fā)一個塔吊頂升活動的導航系統(tǒng)。系統(tǒng)通過多源異構傳感器采集塔吊頂升機構的狀態(tài)信息，根據集成數據判斷塔吊頂升機構狀態(tài)，然后發(fā)出下一步操作提示，對塔吊頂升作業(yè)人員進行操作導航，保障塔吊頂升工作有序進行。

塔吊頂升導航系統(tǒng)需要采集和處理多源異構數據，并對數據進行處理和轉化。如果將所有的傳感器連接到同一個設備，對數據進行并行處理，增大了數據處理的難度。并且現場傳感器分布位置分散，有線連接的方式可能造成布線繁瑣，影響塔吊施工作業(yè)。本研究開發(fā)的導航系統(tǒng)采用分布式物聯網系統(tǒng)，不同類型的傳感器對應不同的邊緣智能設備，邊緣智能設備對傳感器采集的數據進行計算和初步處理，再發(fā)送給中心節(jié)點設備。中心節(jié)點設備對所有傳感器處理后的數據進行集成，通過人機界面對作業(yè)人員進行塔吊頂升導航提示。塔吊頂升導航系統(tǒng)架構如圖7所示。

圖7 塔吊頂升導航系統(tǒng)架構

本文研發(fā)的塔吊頂升導航系統(tǒng)中，傳感器監(jiān)測數據的處理工作主要在邊緣智能層完成，不同的邊緣智能處理設備對應不同類型的傳感器，根據數據應用方的需求，邊緣智能設備將傳感器采集的信號轉化為對應變量數據，并通過無線方式發(fā)送給導航軟件。軟件將接收到的數據進行集成，轉化為有效信息并傳遞給用戶。

本研究中邊緣智能設備開發(fā)選用單片機PIC16F873進行編程。位移傳感器邊緣智能設備可連接一個位移傳感器(圖8a)，開關傳感器邊緣智能設備可同時連接8個開關傳感器(圖8b)，每個傳感器的測值分別存放在不同的寄存器中。

圖8 邊緣智能設備

3.2 數據處理

本研究采用組態(tài)王軟件進行導航軟件開發(fā)。由于位移傳感器拉伸量反映的是油缸伸出長度，不能直觀地反應套架和頂升橫梁的高度，為了便于塔吊狀態(tài)展示，對位移值進行計算轉化。

ΔS=St+1-St

(2)

式中：St為t時刻測量的油缸伸出長度；ΔS為兩次測量間隔油缸伸出長度的差值，當ΔS<0時，表明油缸壓縮，當ΔS>0時，表明油缸伸長，當ΔS=0時，說明油缸靜止。

當銷軸處于連接狀態(tài)時，油缸位移帶動套架高度變化。當油缸伸長時，套架高度上升，油缸壓縮時，套架高度下降。套架高度可由式(3)計算。

HA=HA0+∑ΔS′

(3)

式中：HA為套架高度；HA0為套架初始高度；ΔS′為銷軸處開關傳感器測值為1時的位移變化值。

當銷軸處于非連接狀態(tài)時，油缸位移帶動頂升橫梁高度變化。當油缸伸長時，頂升橫梁高度下降，油缸壓縮時，頂升橫梁高度上升。頂升橫梁高度可由式(4)計算。

HB=HB0-∑ΔS″

(4)

式中：HB為頂升橫梁高度；HB0為頂升橫梁初始高度；ΔS″為銷軸處開關為0時的位移變化值。

最終，組態(tài)王軟件中變量配置為Var=[HA,HB,B1,Br,C1,Cr,D1,D2,D3,D4,E1,E2,E3,E4,W]，變量對應的設備地址為單片機中設置的設備地址，寄存器地址為變量數據的寄存器地址。數據通訊協(xié)議采用modbus協(xié)議ASCII碼形式。

3.3 界面設計

在組態(tài)王軟件中進行了導航系統(tǒng)的人機界面設計，如圖9所示。主界面包括塔吊狀態(tài)展示區(qū)、導航區(qū)、菜單欄、模擬頂升區(qū)、實時數據顯示區(qū)、報警區(qū)。

圖9 頂升導航系統(tǒng)主界面

經過程序開發(fā)，軟件可以根據傳感器監(jiān)控的數據實時展示塔吊頂升機構狀態(tài)。同時，導航區(qū)以子畫面的形式，繪制塔吊頂升機構細部放大圖，包括爬爪、油缸操作泵、頂升橫梁連接銷軸、引進標準節(jié)、塔柱頂部連接、新標準節(jié)連接六個子畫面。不同動作空間的作業(yè)人員僅接受其對應的導航動作。

模擬頂升區(qū)在非監(jiān)控狀態(tài)下可以通過動作模擬按鈕進行頂升模擬操作，此時塔吊狀態(tài)展示區(qū)展示模擬狀態(tài)，可以利用此方式對塔吊組裝作業(yè)人員進行操作培訓。當開始實體塔吊監(jiān)控時，模擬區(qū)不可用，塔吊狀態(tài)展示區(qū)展示塔吊實時狀態(tài)。

4 現場實驗

研究用TC6013型塔吊進行了塔吊頂升實驗(圖10)，初始狀態(tài)時只有5個標準節(jié)，套架與標準節(jié)處于連接狀態(tài)，油缸未伸出。經過檢查確認初始狀態(tài)無誤后，啟動塔吊頂升導航系統(tǒng)，測試傳感器數據通訊狀態(tài)。經過測試全部變量數據均正常接收(圖11)，開始塔吊頂升實驗。實驗過程中，塔吊動態(tài)展示及時，并在每項動作完成時彈出下一動作提示。實驗人員按照動作提示進行操作，順利完成全部頂升動作，將塔吊標準節(jié)增加為6節(jié)，完成一個回合的塔吊頂升活動。

圖10 現場實驗

圖11 數據通訊測試

從組態(tài)王軟件中導出實驗全過程的部分變量數據如圖12，包括套架高度HA、橫梁高度HB、右側爬爪狀態(tài)Cr、左側橫梁銷軸狀態(tài)Bl四個變量。其中，套架高度和橫梁高度數據由位移傳感器測量并通過邊緣智能設備計算得出。兩側爬爪狀態(tài)數據相近，選用右側開關數據反映爬爪狀態(tài)。兩側橫梁銷軸狀態(tài)數據相近，選用左側開關數據反映橫梁銷軸狀態(tài)。

圖12 實驗數據

套架高度和橫梁高度為當前狀態(tài)與初始狀態(tài)的高度差值，單位為cm。爬爪和橫梁銷軸狀態(tài)值為1時，表示其與頂升踏步處于連接狀態(tài)，數值為0時，表示其未與頂升踏步連接。根據數據規(guī)律可以看出，塔吊頂升活動通過爬爪和頂升橫梁交替受力支撐塔吊套架頂升，為安裝新的標準節(jié)提供工作空間，最終實現塔吊高度上升。在塔吊頂升過程中，當套架與標準節(jié)斷開連接時，塔吊頂升橫梁和爬爪不能同時與踏步斷開連接，否則塔吊缺少受力支點，會引發(fā)事故。因此塔吊頂升過程操作順序的正確性對于塔吊頂升過程安全至關重要。

5 結 論

(1)本文提出了多空間過程狀態(tài)轉移分析方法。該方法可以分析物的狀態(tài)與人員動作間的邏輯關系，并展示多空間的交互作用。同時，該方法分析各動作控制狀態(tài)轉移的參數，為基于物聯網的流程監(jiān)控提供基礎。

(2)研究采用物聯網技術對塔吊頂升過程中的塔吊狀態(tài)進行監(jiān)控，通過對多源異構監(jiān)控數據進行邊緣計算和數據集成，開發(fā)了塔吊頂升安全監(jiān)控與導航系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)能夠實時反映塔吊頂升機構狀態(tài)，并指導作業(yè)人員進行下一步操作，提高塔吊頂升工作的效率和安全性。