基于智慧群塔的現(xiàn)場施工安全控制及預警管理

0 引言

寧波市下應南車輛段為軌道交通7號線與8號線合址共建車輛段，規(guī)劃用地面積約 60hm² ，總建筑面積約22萬 m² ，是寧波市規(guī)模最大的車輛基地。車輛段為單層框架結(jié)構(gòu)，其中聯(lián)合檢修庫層高為 13.5m ，其余部位層高為 9.5m 。施工期間起重吊裝設備主要為塔式起重機，塔機平面布置及選型主要依據(jù)作業(yè)范圍及起重吊裝能力確定，布置原則盡可能全覆蓋，減少盲區(qū)，同時減少群塔交叉，盡量降低獨立高度。項目共計部署塔式起重機46臺。在開展下應南車輛段群塔作業(yè)時，標段與相鄰標段群塔相互影響，3臺以上交叉區(qū)域達到15處。另外，結(jié)構(gòu)施工高峰期，各標段汽車起重機與塔機同場作業(yè)，進一步提高群塔作業(yè)碰撞風險。

針對起重吊裝設備多，塔機、汽車起重機同場交叉作業(yè)問題，本文將梳理群塔現(xiàn)場施工的特點與潛在風險，介紹一種智慧群塔管理系統(tǒng)平臺，以有效對現(xiàn)場群塔交叉作業(yè)提前預警、減速和急停等工作。現(xiàn)場管理人員可以全過程參與群塔布置、安裝、使用和拆除，并對交叉作業(yè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度。

1群塔現(xiàn)場施工特點與潛在風險

1.1 施工特點

1.1.1 高效性

要求多臺塔機同時工作，以更快地完成大型工程對水平和垂直運輸作業(yè)的要求，從而提高效率并縮短工期。

1.1.2 復雜性

群塔施工由于塔機數(shù)量多，需要對多臺塔機進行統(tǒng)一管理，施工管理相對復雜，需采取嚴格的安全措施來降低塔機作業(yè)中的風險。

1.1.3 協(xié)同性

塔機在作業(yè)過程中要相互協(xié)調(diào)，需要考慮現(xiàn)場施工場地的空間限制，要求各塔機之間的作業(yè)計劃、信號控制和安全距離必須具有良好的協(xié)同機制。在進行群塔作業(yè)時，要求塔機之間實時共享施工數(shù)據(jù)和資料，以提高施工效率。

1.2潛在風險

綜合分析群塔作業(yè)時發(fā)生的安全事故，可將影響群塔作業(yè)安全的潛在風險分為人員風險、設備風險和管理及環(huán)境風險[]。

1.2.1人員風險

塔機操作員的技能水平和經(jīng)驗將直接影響著群塔作業(yè)的安全，缺乏經(jīng)驗的操作員可能因為操作失誤引發(fā)各類安全事故，例如操作員操作失誤、信號員指揮失誤和安全管理人員的失職等。若操作人員的安全意識淡薄，例如未按規(guī)定佩戴安全帽、安全帶等，也有可能影響群塔作業(yè)的安全[2]。

1.2.2 設備風險

群塔作業(yè)時，每臺塔機設備必須滿足安全運行的要求，塔機設備的穩(wěn)定性將直接影響著作業(yè)的安全。塔機設備老化、零部件磨損、安全裝置失效和構(gòu)配件連接失效等因素都可能增加事故的風險。缺乏定期維護和保養(yǎng)的塔機設備容易出現(xiàn)故障，特別是關鍵部件如鋼絲繩、制動器等的檢查和維護尤為重要。

1.2.3 管理及環(huán)境風險

缺乏完善的安全管理制度，現(xiàn)場監(jiān)管不到位，或者缺乏有效的應急預案都有可能增加安全管理的漏洞，導致事故的發(fā)生或造成更大的損失。環(huán)境因素主要包括自然環(huán)境和現(xiàn)場施工環(huán)境，施工作業(yè)時天氣環(huán)境惡劣（如大風、大雨、大雪等），群塔布置不合理或施工現(xiàn)場總平面布置不合理，都有可能增大塔機碰撞風險[3]。

2智慧群塔管理系統(tǒng)平臺

針對下應南車輛段群塔作業(yè)的施工特點和潛在風險，開發(fā)了一種智慧群塔管理系統(tǒng)平臺。該平臺主要由安全駕駛輔助系統(tǒng)和全生命周期塔機管理組成，實現(xiàn)對塔機作業(yè)的全方位智能化管控。

2.1安全駕駛輔助系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)組成

安全輔助駕駛系統(tǒng)具備“黑匣子”功能，可對塔機操作進行人員鑒權，實現(xiàn)可視化信息全面掌控，實時記錄塔機運行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時上傳，實現(xiàn)遠程監(jiān)控管理。安全駕駛輔助系統(tǒng)設備如圖1所示。

該系統(tǒng)能對塔機的碰撞提供實時預警與報警，提示操作人員注意，以保證塔機的安全。其主要功能涵蓋塔司管理、塔機安全運行管理、吊鉤可視化，主要由顯示屏、數(shù)據(jù)通信、傳感器和吊鉤可視化等設備組成。設備性能參數(shù)如表1所示。

2.1.2塔司管理

利用人臉識別核驗功能，保障塔機司機實名上崗并杜絕冒名操作。同時，該系統(tǒng)內(nèi)置AI行為分析算法，實現(xiàn)對塔機司機的實時駕駛行為分析，包括抽煙、打電話、疲勞駕駛等的行為監(jiān)測，杜絕危險駕駛行為，全面保障駕駛安全。

2.1.3塔機安全運營管理

通過傳感器實時采集吊重、幅度、高度、環(huán)境風速等多項安全作業(yè)工況數(shù)據(jù)，監(jiān)控塔機運行狀態(tài)。塔機狀態(tài)實時數(shù)據(jù)如表2所示。

利用三維立體防碰撞算法，將復雜的多機、三維空間、多自由度、復雜運動問題，逐步拆解抽象為多個二維平面問題?；谒坌D(zhuǎn)速度和運行方向的預判，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，進行駕駛輔助，提示并協(xié)助塔司減速制動，避免相鄰塔機發(fā)生碰撞事故。同時限制進入高壓線控制區(qū)等危險區(qū)域，從而提高塔機工作的安全性。塔機監(jiān)測系統(tǒng)工作界面如圖2所示。

2.1.4塔機吊鉤可視化管理

在塔機吊鉤的可視化管理解決方案中，將高精度的攝像頭部署在起重小車上。該攝像頭采用抗風壓、防塵防水設計，以確保在惡劣工況下仍能穩(wěn)定工作。攝像頭搭載高分辨率圖像傳感器與夜視增強功能，實現(xiàn)了全天候、無死角對吊鉤及吊載物進行實時監(jiān)控。塔機遠程監(jiān)控如圖3所示。

整個系統(tǒng)還支持遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理功能，通過無線網(wǎng)絡或有線連接與遠程監(jiān)控中心相連，實現(xiàn)塔機運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄與分析，為塔機的維護保養(yǎng)、安全管理及效率提升提供強有力的數(shù)據(jù)支持。

2.2全生命周期塔機管理

2.2.1 管理流程

全生命周期塔機管理涵蓋從塔機進場至退場的全過程，包括進場、安裝、驗收、運行、維護以及退場等環(huán)節(jié)。全生命周期塔機管理流程如圖4所示。

平臺建設在此管理模式下，注重塔機生命周期內(nèi)的全程監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，以確保其安全、高效運行。同時，通過智能化維護方案延長使用壽命，為工程項目提供全方位的可靠支持。

2.2.2BIM ∣+ 數(shù)字孿生賦能塔機管理

在建筑項目的規(guī)劃與設計階段，借助BIM與數(shù)字孿生技術的深度融合，構(gòu)建起高精度的三維數(shù)字化模型[4]，將塔機集成至建筑生態(tài)系統(tǒng)中。BIM能夠在虛擬環(huán)境中預見性地設計并優(yōu)化每一個細節(jié)，包括塔機的布局、選型及與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)，極大地提升了項目的整體效率與精確性[5]。

數(shù)字孿生技術通過實時捕獲、整合并分析塔機運行過程中的數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間中創(chuàng)造出一個與其實體一一對應的、高度逼真的“孿生體”。這個孿生體可以精準反映塔機的當前狀態(tài)。這一結(jié)合BIM與數(shù)字孿生的管理方案，實現(xiàn)了對實體塔機的全方位、多維度數(shù)字化映射，讓建筑項目的安全管理、運營效率以及維護保養(yǎng)等方面更加智能化、精準化。

BIM⁺ 數(shù)字孿生技術旨在實現(xiàn)對塔機全生命周期的數(shù)字化管理，通過數(shù)據(jù)的實時共享和分析，提高塔機的運行效率、降低維護成本，為建筑工程提供了更加智能、高效的塔機管理解決方案。塔機三維數(shù)字化模型如圖5所示。

2.2.3塔機運行監(jiān)測

全生命周期塔機管理系統(tǒng)從全局維度出發(fā)，對所有的塔機設備運行情況進行統(tǒng)計與分析。系統(tǒng)可直觀反映塔機設備在指定范圍內(nèi)的離線次數(shù)、離線時長、出違章次數(shù)、預警次數(shù)、報警次數(shù)、吊次統(tǒng)計、工作時長。同時，可按周、月輸出塔機健康狀態(tài)報告，提供塔機安全維護依據(jù)。塔機運行情況如圖6所示。

2.2.4塔司駕駛行為分析報告

塔機的“體檢報告系統(tǒng)”構(gòu)建了一套精密的監(jiān)測與評估機制，對塔機操作過程中的“人”與“物”兩大核心要素進行全面審視，旨在從根本上提升塔機作業(yè)的安全標準。系統(tǒng)建立了駕駛行為量化評分體系，將塔司的每一個操作細節(jié)納入考量范疇。

借助先進的身份識別技術，系統(tǒng)能夠準確識別塔司身份，并實時捕捉其駕駛過程中的設備運行數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過智能分析，為每位塔司生成個性化的評分報告，涵蓋周度與月度總結(jié)，清晰展現(xiàn)其操作表現(xiàn)及潛在風險點。對于持續(xù)存在違規(guī)操作行為的塔司，系統(tǒng)將自動觸發(fā)針對性安全教育流程，通過定制化培訓材料、案例分析等形式，深刻剖析違規(guī)行為的危害與后果，引導塔司樹立正確的安全觀念。

3結(jié)束語

本文介紹了寧波市下應南車輛段項目中的智慧群塔管理系統(tǒng)平臺，針對塔機交叉作業(yè)的安全問題，通過安全駕駛輔助系統(tǒng)和全生命周期塔機管理，實現(xiàn)對塔機實時監(jiān)控和預警管理。該系統(tǒng)具備塔司管理、塔機安全運行管理、吊鉤可視化等功能，結(jié)合BIM與數(shù)字孿生技術，提升了管理效率與安全性。同時，該系統(tǒng)平臺通過全面數(shù)據(jù)整合與分析，可有效減少群塔作業(yè)中的碰撞風險，保障施工安全與工期。

參考文獻

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[3]李標.群塔作業(yè)在施工過程中的常見技術問題及解決方案[J].機械管理開發(fā)，2023，38（1）：234-237.

[4]劉琳.傾斜攝影測量結(jié)合BIM技術在群塔碰撞風險管理中的應用研究[D].成都：成都理工大學，2022.

[5]吳斌.BIM技術在大型裝配式項目群體塔機管理中的應用[J].建筑施工，2019，41（9）：1770-1772.