架橋機(jī)架橋作業(yè)流程安全監(jiān)測系統(tǒng)

趙挺生，耿光輝，張 偉

（華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

架橋機(jī)是一種實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁提升、運(yùn)送、平穩(wěn)下放的重型起重機(jī)械［1］，具有結(jié)構(gòu)龐大、重心高、作業(yè)人員密集、操作步驟多且復(fù)雜等特點(diǎn)，一旦發(fā)生事故會造成較大的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失［2］。傳統(tǒng)架橋機(jī)施工安全管理主要依靠施工人員的操作經(jīng)驗(yàn)與管理人員的直覺判斷。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)傳感技術(shù)誕生，可在架橋機(jī)關(guān)鍵部位布設(shè)傳感器，對架橋作業(yè)全過程實(shí)時監(jiān)測，已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)［3-4］。

架橋機(jī)作業(yè)安全監(jiān)測涉及智能傳感技術(shù)、結(jié)構(gòu)安全診斷技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等領(lǐng)域。陳士通等［5］利用架橋機(jī)主梁上測點(diǎn)的撓度影響線曲率曲線，識別架橋機(jī)主梁的單點(diǎn)和多點(diǎn)損傷。Anghelache 等［6-8］從動力學(xué)角度監(jiān)測和分析架橋機(jī)動態(tài)數(shù)據(jù)，確定機(jī)臂在危險工況下應(yīng)力和撓度變形較大的位置。Li 等［9-10］采用故障樹法分析架橋機(jī)傾覆事故，獲得三類事故致因，分別是制造缺陷、人員操作錯誤和管理監(jiān)督缺失。Dong［11］提出基于數(shù)字孿生的橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命實(shí)時預(yù)測方法，建立了架橋機(jī)載荷、強(qiáng)度、缺陷和疲勞壽命的分析模型。Ullo等［12］提出對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行降噪的方法，開發(fā)了智能作業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。朱明清等［13-15］以分布式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)和圖像識別技術(shù)，構(gòu)建架橋機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)。綜上所述，現(xiàn)有對架橋機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究大多側(cè)重于結(jié)構(gòu)安全，對架橋作業(yè)的流程安全關(guān)注較少。

1 架橋作業(yè)流程動態(tài)仿真

架橋機(jī)架橋作業(yè)過程包括過孔作業(yè)流程和架梁作業(yè)流程，主要涉及的關(guān)鍵工序包括支腿起落、支腿縱移、機(jī)臂縱移、行車縱移、吊梁落梁、機(jī)臂橫移、整機(jī)橫移等。參考DJ180 型架橋機(jī)結(jié)構(gòu)圖和架橋作業(yè)全過程資料，采用3Ds Max軟件創(chuàng)建的三維仿真模型，依據(jù)現(xiàn)場作業(yè)實(shí)際情況和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，模擬關(guān)鍵工序的操作步驟，分析關(guān)鍵工序操作過程中涉及的架橋機(jī)組件工作狀態(tài)，以及工序操作完成后，架橋機(jī)組件達(dá)到的安全狀態(tài)，見表1。安全狀態(tài)條件主要包括各組成結(jié)構(gòu)的銷軸連接狀態(tài)、運(yùn)行速度、運(yùn)行行程和行車起質(zhì)量等。

表1 關(guān)鍵工序動態(tài)仿真Tab.1 Dynamic simulation of key processes

2 架橋作業(yè)流程安全監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測指標(biāo)與監(jiān)測對象

架橋機(jī)架橋?yàn)槭彝飧咛幾鳂I(yè)，承受風(fēng)、雨、雪等氣候的侵蝕，這對環(huán)境安全提出了較高的要求，主要涉及作業(yè)工作面的平整度、金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變、現(xiàn)場的氣象條件等。結(jié)合架橋作業(yè)關(guān)鍵工序動態(tài)仿真結(jié)果，將架橋機(jī)施工作業(yè)流程安全監(jiān)測指標(biāo)分為6 類，分別是銷軸連接狀態(tài)、起質(zhì)量、水平度、應(yīng)力應(yīng)變、氣象條件、行程與速度。

（1） 銷軸連接狀態(tài)的監(jiān)測對象包括行車與曲梁、曲梁和機(jī)臂、支腿伸縮節(jié)和走行梁與橫移軌道的連接銷軸。以上監(jiān)測對象的連接銷軸滑失或斷裂會導(dǎo)致架橋機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中支腿失穩(wěn)。

（2） 起質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測對象是行車。梁片重量出廠時已符合現(xiàn)場作業(yè)要求，但是，當(dāng)?shù)趿阂苿舆^程中，1#和2#行車受力不均時，存在梁片傾覆風(fēng)險。

（3） 水平度監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測對象是機(jī)臂的縱向水平度和支腿的橫向水平度。在吊梁縱移、機(jī)臂橫移、機(jī)臂縱移等環(huán)節(jié)，均存在由于架橋機(jī)平衡系統(tǒng)破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傾覆的風(fēng)險。

（4） 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測對象主要是機(jī)臂。移跨過孔中涉及多種工況，不同荷載作用下的機(jī)臂受力復(fù)雜多變，尤其是架梁流程中機(jī)臂中部和過孔流程中機(jī)臂最大懸臂段，是應(yīng)力應(yīng)變最大的部位。

（5） 氣象條件監(jiān)測指標(biāo)包括現(xiàn)場的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度和氣壓。惡劣的氣象條件不僅降低了架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且影響作業(yè)人員的職業(yè)健康安全。

（6） 行程與速度監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測對象包括行車、機(jī)臂和支腿。架梁作業(yè)過程中，以上監(jiān)測對象的橫移或縱移動速度過快，如限位保護(hù)器同時失效，會導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)之間的碰撞。過孔作業(yè)過程中，支腿或機(jī)臂縱移行程過大，會導(dǎo)致機(jī)臂前后受力不均，支腿失穩(wěn)傾覆。

綜上所述，架橋機(jī)架橋作業(yè)監(jiān)測對象共有19類，涉及行車與曲梁連接銷軸、曲梁與機(jī)臂連接銷軸、支腿伸縮節(jié)連接銷軸、行車起質(zhì)量和氣象條件等，如圖1所示。

圖1 架橋作業(yè)監(jiān)測對象Fig.1 Monitoring objects of bridging operations

2.2 傳感器布設(shè)方案

依據(jù)架橋機(jī)架橋作業(yè)的6 類監(jiān)測指標(biāo)、19 類監(jiān)測對象，選擇6 類34 個傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別是1 個多參數(shù)氣象傳感器、2 個起質(zhì)量傳感器、2 個振弦應(yīng)變計、3 個傾角傳感器、13 個開關(guān)傳感器、13個位移傳感器。一般情況下，傳感器直接輸出感知量，位移傳感器可同時輸出直接感知的位移和計算的位移速度指標(biāo)，多參數(shù)氣象傳感器的輸出結(jié)果有風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度和氣壓。為了減少傳感器的布設(shè)數(shù)量，位移傳感器W1 和W2 的監(jiān)測指標(biāo)有兩個，行車與曲梁的銷軸連接時，監(jiān)測內(nèi)容為兩個支腿之間的相對縱移行程與速度；行車與曲梁的銷軸斷開時，監(jiān)測內(nèi)容為支腿與行車的相對縱移行程與速度。從架橋機(jī)各機(jī)構(gòu)作業(yè)功能的角度考慮，傳感器應(yīng)布設(shè)在支腿、曲梁、行車、橫移軌道、機(jī)臂等位置，如圖2所示。

圖2 傳感器布設(shè)方案Fig.2 Scheme of sensor deployment

3 架橋機(jī)微模型架橋作業(yè)模擬分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計

為了驗(yàn)證架橋作業(yè)流程安全監(jiān)測方案的可行性，以DJ180型架橋機(jī)為原型，設(shè)計制作了架橋機(jī)微模型和架橋作業(yè)場景，包括架橋機(jī)、橋墩、已架跨橋面、待架跨梁，如圖3 所示。架橋機(jī)微模型尺寸為1.2 m×0.4 m×0.3 m，制作加工材料主要是輕質(zhì)鋁合金，具有重量輕、體積小、可操作的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)架橋作業(yè)的所有功能，包括支腿起落、支腿縱移、機(jī)臂縱移、行車縱移、吊梁落梁、機(jī)臂橫移等。

圖3 架橋機(jī)架橋作業(yè)微模型Fig.3 Micro-model of bridge erection operations

依據(jù)上述傳感器布設(shè)方案，微模型共布設(shè)30個傳感器，分別是1 個多參數(shù)氣象傳感器、3 個傾角傳感器、13 個位移傳感器、13 個開關(guān)傳感器。布設(shè)方式如下：① 多參數(shù)氣象傳感器布設(shè)在通風(fēng)開闊區(qū)域；② 傾角傳感器埋設(shè)在架橋機(jī)微模型結(jié)構(gòu)內(nèi)部，避免操作過程中的人為因素干擾；③ 位移傳感器采用激光測距式，布設(shè)在微模型支腿上；④ 開關(guān)傳感器采用霍爾式，埋設(shè)在架橋機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，當(dāng)螺栓銷軸松開時，開關(guān)量信號消失；⑤ 考慮架橋機(jī)本質(zhì)安全性設(shè)計的保障，試驗(yàn)中未監(jiān)測起質(zhì)量傳感器和振弦應(yīng)變計的數(shù)據(jù)。前端處理器與傳感器組件有線連接，將傳感信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的物理量，并對物理量進(jìn)行邊緣計算和數(shù)據(jù)分析得到預(yù)處理信號，通過無線傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺。如圖4所示。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方案Fig.4 Transmission solutions of monitoring data

3.2 試驗(yàn)過程

架橋機(jī)微模型首先在同一水平面進(jìn)行拼裝，連接監(jiān)測系統(tǒng)組件，并檢查數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，按照過孔作業(yè)和架梁作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化流程依次進(jìn)行操作，傳感器同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送至監(jiān)測平臺。當(dāng)上一工序所有安全狀態(tài)條件顯示正常后，系統(tǒng)提示進(jìn)入下一工序，下一工序操作內(nèi)容及工序操作過程安全條件呈現(xiàn)在界面上，循環(huán)往復(fù)，依次完成架橋作業(yè)過程中的所有工序，如圖5 所示，S1~S15 為過孔作業(yè)流程，S16~S29 為架梁作業(yè)流程。

圖5 架橋作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化操作步驟Fig.5 Standardised operational steps for bridge erection

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)共用時19.75 min，完整實(shí)施了架橋作業(yè)全過程。結(jié)果表明，操作步驟邏輯關(guān)系準(zhǔn)確，監(jiān)測內(nèi)容設(shè)計完整，可以實(shí)時獲取架橋機(jī)架橋作業(yè)過程中各機(jī)構(gòu)的安全狀態(tài)數(shù)據(jù)，具體如下：

（1） 多參數(shù)氣象傳感器監(jiān)測值以1次/min的頻率循環(huán)顯示，現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)速0~1 m/s，風(fēng)向0~10°，溫度23~25 ℃，濕度38%~42%，氣壓980~1 010 hPa。

（2） 傾角監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定在0~3‰范圍內(nèi)，符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（3） 13 個開關(guān)傳感器的開關(guān)量測值呈階梯形變化，銷軸斷開時，開關(guān)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)為“0”，銷軸連接時，開關(guān)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)為“1”。

（4） 13 個位移傳感器的位移量監(jiān)測近似線性變化，如圖6 所示。圖中，橫坐標(biāo)為29 個操作步的完成時間，縱坐標(biāo)為位移量監(jiān)測值。

圖6 位移傳感器時程Fig.6 Displacement sensor time and travel diagram

4 結(jié)語

基于架橋機(jī)架橋作業(yè)流程動態(tài)仿真分析，提出了架橋作業(yè)流程安全的6 類監(jiān)測指標(biāo)和19 類監(jiān)測對象，采用6 類34 個傳感器，對架橋機(jī)架橋作業(yè)流程安全進(jìn)行監(jiān)測。以架橋機(jī)鋁合金微模型為試驗(yàn)對象，布設(shè)智能傳感器和前端處理器，按照標(biāo)準(zhǔn)化流程進(jìn)行架橋機(jī)架橋作業(yè)，結(jié)果表明，監(jiān)測指標(biāo)設(shè)計完整，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，監(jiān)測方案可行。本文所構(gòu)建的架橋機(jī)架橋作業(yè)流程安全監(jiān)測系統(tǒng)，可以規(guī)范操作人員的作業(yè)行為，有效地避免施工過程中由于施工順序差錯、工序遺漏、工人違規(guī)操作、工序完成不準(zhǔn)確等流程安全問題的發(fā)生。本文完整分析了架橋作業(yè)過程中29 個工序的監(jiān)測指標(biāo)，為進(jìn)一步的多模態(tài)融合、感傳控一體化、自動化智能決策等相關(guān)技術(shù)提供理論依據(jù)。