塔機安全施工可視化監(jiān)控系統(tǒng)

張延年，張學峰，張明展，朱鑫泉，高 維

(1.沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧 沈陽 110168;2.中建七局第一建筑有限公司，遼寧 沈陽 113001)

在一些發(fā)達國家，尤其在德國、美國、意大利、日本以及俄羅斯等國家塔機技術的發(fā)展相對較早[1]。這些國家所生產的塔機性能相對安全可靠，市場份額占比較大，均配置了先進的安全監(jiān)控產品[2]。其中，法國的波坦公司的塔機技術不斷創(chuàng)新，始終處于世界領先地位。比如，所采用輔助的駕駛系統(tǒng)可以提供實時監(jiān)測的記錄數(shù)據，能夠有效監(jiān)測電源供電、塔機運行與制動的相關狀況，并根據所設定的閾值，及時提醒操作人員，必要時發(fā)出預警信息，明確超標項目[3]，另外，美國克瑞集團有限公司所生產的塔機提供全套的無線安全監(jiān)測系統(tǒng)(Wireless Monitoring Solution,WMS)能夠實現(xiàn)短距離無線傳輸[4-6]。法國SMIE公司的AC30塔機防碰撞系統(tǒng)以及德國的采用激光測距和超聲波定位技術塔機監(jiān)控系統(tǒng)[7]。但是從目前來看，國外所研究的塔機監(jiān)控系統(tǒng)主要提供用于安裝在塔機上的監(jiān)控系統(tǒng)，不是真正意義上的遠程監(jiān)測。

近些年來，隨著國內智能化技術的發(fā)展，我國塔機保有量不斷提升，截至2020年，已經超過50萬余臺，且增長的速度較快，每年約增加3萬臺[8]。國內一些企業(yè)，包括西安豐樹電子科技發(fā)展有限公司，杭州品茗安控信息技術股份有限公司以及黑龍江天物科技發(fā)展有限公司等先后開發(fā)了塔機安全監(jiān)測系統(tǒng)[9]。這些塔機安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠對塔機吊重、位移、轉角與風速進行實時監(jiān)測，并設置了可以實時保存數(shù)據的黑匣子。另外，無線監(jiān)測技術也越來越多地被應用于塔機監(jiān)測[10-12]。然而，我國塔機駕駛員普遍操作不規(guī)范，缺乏有效的安全保護設施，往往通過視覺觀測周圍狀況，對塔機的各項參數(shù)存在較大偏差，使塔機事故頻頻發(fā)生，造成了巨大的經濟損失與人員傷亡[13]。

基于上述分析，筆者為實現(xiàn)塔機全過程監(jiān)控，通過駕駛員識別系統(tǒng)、駕駛行為分析系統(tǒng)和疲勞報警系統(tǒng)，建立塔機駕駛分析系統(tǒng)，對駕駛員的行為規(guī)范進行嚴格評分，并根據駕駛員的不同得分情況提出相應的警示，確保塔機安全施工。研究表明：塔機安全施工可視化監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效提高塔機施工效率，并保證塔機運轉安全。

1 塔機安全施工監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)維護模塊

系統(tǒng)維護模塊主要包括操作員權限與定義、參數(shù)設置、數(shù)據備份、恢復備份、修改密碼、更換操作員、退出系統(tǒng)，通過修改系統(tǒng)下方顯示的信息可以進行模塊維護。

1.2 設置模塊

基礎資料設置模塊主要包括單位信息、部門與人員、區(qū)域信息、塔基信息等。系統(tǒng)功能設置模塊主要包括操作人員上機記錄、錯誤人員登記記錄、塔機基礎監(jiān)測記錄、塔基故障申報、塔基維修登記、塔基維保登記、駕駛行為登記、疲勞狀態(tài)登記、設備儀器檢查等。

1.3 數(shù)據分析模塊

數(shù)據分析模塊主要包括駕駛員疲勞分析、駕駛員行為分析、塔基設備故障率分析。數(shù)據分析模塊主要功能對駕駛員工作情況分析，準確記錄操作人員的工作狀況。

2 駕駛行為分析與疲勞警報系統(tǒng)的建立

2.1 塔機安全監(jiān)控報警機理

塔機系統(tǒng)主要由塔機IC卡(Integrated Circuit Card,集成電路卡,簡稱IC卡)管理系統(tǒng)、駕駛員識別系統(tǒng)、駕駛行為分析系統(tǒng)、疲勞報警系統(tǒng)、塔機基礎監(jiān)測系統(tǒng)、吊鉤可視化系統(tǒng)組成(見圖1)。

圖1 塔機監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

塔機安全監(jiān)控報警系統(tǒng)由塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主機和遠程監(jiān)測管理平臺組成。主機安裝在工地現(xiàn)場塔機上，并連接幅度、高度、回轉、重量、傾角、風速、防碰撞模塊等傳感器。采用無線網絡把主機采集的各種健康參數(shù)實時上傳到遠程監(jiān)測管理平臺。

塔機監(jiān)控系統(tǒng)通過對黑匣子的工作狀態(tài)進行分析，進而判斷駕駛員的行為是否合理合規(guī)。系統(tǒng)時刻監(jiān)控黑匣子相關參數(shù)變化，通過軟件呈現(xiàn)當時運行狀態(tài)黑匣子傳遞參數(shù)(見表1)。通過調取黑匣子轉角傳感器、幅度傳感器、高度傳感器、重量傳感器、風速傳感器、傾角傳感器、防碰撞傳感器等信息對駕駛員的行為及疲勞狀態(tài)進行判斷。通過塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)，掌握吊鉤高度的變化、小車位置變化和塔臂轉角變化。建立駕駛員規(guī)范評分系統(tǒng)，駕駛員可根據評分系統(tǒng)不斷完善駕駛習慣，從而減少事故的發(fā)生[7]。

表1 黑匣子傳遞參數(shù)表

2.2 駕駛員識別系統(tǒng)

為杜絕非專職駕駛員操作塔機，塔機駕駛室內攝像頭能有效進行面部識別，一旦出現(xiàn)專職駕駛員與IC卡不符，立即發(fā)出警報，禁止任何操作。駕駛員識別系統(tǒng)實現(xiàn)了人臉識別，根據人臉明暗程度自動調整曝光的補償量，并實現(xiàn)自動調整人臉影像收放。

在進行駕駛員人臉識別時，進行人像建模，再將駕駛員人像模型與數(shù)據庫中的各個模板進行對比分析，最終通過對比的相似值給出人員清單，保證駕駛的合法與安全性。

2.3 駕駛行為分析系統(tǒng)

在塔機運行期間，相應管理人員可對駕駛員進行附加監(jiān)管，確定是否存在違規(guī)操作行為，進而降低塔機事故風險，并降低塔機維護成本。為預防事故發(fā)生，對操作規(guī)則進行系統(tǒng)規(guī)范，建立塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)，能同時檢測吊鉤高度、塔臂轉角以及小車的位置變化情況，根據檢測參數(shù)建立駕駛規(guī)范評分機制。塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)根據評分的嚴重程度，發(fā)出不同警示，有助于改善駕駛員的駕駛行為，有效減少事故發(fā)生。

2.4 疲勞警報系統(tǒng)建立

為避免疲勞駕駛行為出現(xiàn)，建立駕駛員上下機打卡驗證系統(tǒng)，當駕駛員連續(xù)工作超過某一時長，疲勞警報系統(tǒng)對當班駕駛員及負責人進行相應預警提醒。疲勞警報系統(tǒng)中增設疲勞報警調整模塊，以30 min為標準，駕駛員連續(xù)30 min不起吊重物時，認為駕駛員得到有效休息，否則確認為連續(xù)駕駛；疲勞警報系統(tǒng)設定駕駛員連續(xù)駕駛2 h，終端強行停止塔機工作10 min，上述時長均由目前的最優(yōu)設置時長，但可根據實際情況進行不同驗證，調整連續(xù)駕駛時間和強制停機時間，這樣能有效保護駕駛員并保證塔機功效與安全。

3 塔機基礎監(jiān)測

3.1 塔機基礎監(jiān)測系統(tǒng)

塔機基礎監(jiān)測系統(tǒng)，即黑匣子，是塔機安全監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分，塔機安全的基礎參數(shù)都通過黑匣子進行監(jiān)測。黑匣子包括高度接口、幅度接口、回轉接口、重量接口、風速接口傾角接口、傾角接口、制動傳輸接口、VGA接口等。

塔機安全監(jiān)控電路控制采用公用無線數(shù)據網，考慮使用的成本和塔機數(shù)據大小，選用通用無線分組業(yè)務(General Packet Radio Service，GPRS)實現(xiàn)數(shù)據傳輸功能。塔機監(jiān)控系統(tǒng)隨時對黑匣子數(shù)據進行整合分析，并將數(shù)據傳遞給相應負責人。黑匣子能實現(xiàn)多方實時監(jiān)管、區(qū)域防碰撞、塔群防碰撞、防傾翻、防超載、實時報警、實時數(shù)據無線上傳及記錄，實現(xiàn)精準吊裝、塔機遠程網上備案登記等功能(見圖2)。

圖2 塔機安全監(jiān)控電路控制圖

3.2 遠程監(jiān)測管理平臺

為實現(xiàn)塔機基礎監(jiān)測系統(tǒng)的可視化管理，建立遠程監(jiān)測管理平臺?？蓪崿F(xiàn)塔機網上申報、建機科經辦審核、建管處審批、監(jiān)控登記、實時監(jiān)控、統(tǒng)計分析等各項功能(見圖3)；可實現(xiàn)工地現(xiàn)場管理部門及安監(jiān)機構對塔機的實時在線監(jiān)管、安全狀況分析、塔機網上備案、登記情況、塔機開工統(tǒng)計、塔機位置顯示和歷史數(shù)據分析等，且管理人員可以通過網絡實時查詢歷史數(shù)據。

圖3 塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)控制圖

4 吊鉤可視化

隨著建筑物的密度越來越高，建筑物往往遮擋駕駛員視線；如依靠引導員指令操作，不僅工作效率低，還會經常出現(xiàn)失誤或通信障礙造成安全事故。因此建立吊鉤可視化系統(tǒng)，采用監(jiān)控技術、圖像顯示技術實現(xiàn)塔機吊鉤自動跟蹤、降低盲吊風險、作業(yè)記錄實時存儲、數(shù)字化工地監(jiān)管等功能。

5 工程實踐

在中建七局沈陽某施工現(xiàn)場(見圖4)，安裝布置RFID驗證、人臉識別、防沉降監(jiān)測器、黑匣子、吊鉤可視化等設備，塔機司機上機實行刷卡驗證制度，刷卡成功后刷臉人驗證是否為本人。另外，通過地面監(jiān)控平臺，實時監(jiān)控塔機司機的工作狀態(tài)，判斷其是否疲勞駕駛，是否有違規(guī)操作。通過吊鉤可視化，塔機司機與地面監(jiān)控平臺均可看到吊鉤所在位置，避免“隔山吊”情況的發(fā)生，防沉降系統(tǒng)實時監(jiān)測塔機位置與地面基準點的距離變化，一旦超出設定范圍將發(fā)出預警。黑匣子實時采集塔機風速、塔機高度、起重質量等各項基礎數(shù)據，且移動端也可實時查詢各類數(shù)據以及現(xiàn)場狀況。

圖4 吊鉤可視化現(xiàn)場監(jiān)測圖

6 結 論

(1)塔機安全施工可視化監(jiān)控系統(tǒng)能準確檢測到塔機高度、重量、傾角、風速、回轉以及防碰撞模塊等數(shù)據，并通過獲取信息有效判斷駕駛員的行為及疲勞狀態(tài)。

(2)駕駛員識別系統(tǒng)能夠對駕駛員進行有效面部識別，一旦出現(xiàn)專職駕駛員與IC卡不符，立即發(fā)出警報，禁止任何操作，有效保證操作規(guī)范與安全。

(3)駕駛行為分析系統(tǒng)通過小車位置、塔臂轉角、起吊重量以及吊鉤高度變化等系列參數(shù)，實現(xiàn)駕駛規(guī)范的綜合評分，有助于改善駕駛員的駕駛行為，有效減少事故發(fā)生。

(4)疲勞警報系統(tǒng)建立疲勞報警調整模塊，設定連續(xù)駕駛計算規(guī)則，確定疲勞駕駛臨界時間，并設置終端強行停止塔機運轉功能，可有效地保護駕駛員并保證塔機功效與安全。

(5)塔機基礎監(jiān)測系統(tǒng)采用公用無線數(shù)據網，實現(xiàn)了多方實時監(jiān)管、區(qū)域防碰撞、塔群防碰撞、防傾翻、防超載、實時報警、實時數(shù)據無線上傳及記錄，可以進行精準吊裝、塔機遠程網上備案登記等功能。

(6)吊鉤可視化系統(tǒng)采用監(jiān)控技術、圖像顯示技術實現(xiàn)塔機吊鉤自動跟蹤、降低盲吊風險、作業(yè)記錄實時存儲、數(shù)字化工地監(jiān)管等功能，實現(xiàn)了自動跟蹤完成引導工作。