一種塔吊傾斜度智能監測系統的設計

張意，陳怡宏

一種塔吊傾斜度智能監測系統的設計

張意，陳怡宏

(重慶建工住宅建設有限公司重慶400015)

塔吊危險性高，如何實時監測塔吊傾斜狀態是很多建筑施工單位重點關注的技術改造內容。本設計在充分研究塔吊垂直度與其安全關系的基礎上，提出基于無線通信技術的塔吊防傾覆智能監測研究，設計出一套具有實時、現場和遠程監控塔吊安全狀態的系統，以構建具有預報和預警功能的建筑用塔吊安全監測機制。測試結果表明，該系統能夠實時高效監測塔吊傾斜度，塔頂檢測儀和地面監控儀能夠有效改善和提高塔吊施工的安全性。

塔吊傾斜度；智能監測；塔頂檢測；地面監控

引言

塔吊的設計、安裝、維修和嚴格的使用管理機制對于塔吊安全至關重要，但人為操作的實時性、檢測精度和生產效率很難達到預期要求，同時對塔吊安全檢測和風險分析需要豐富的經驗和相關知識，這對于多數現場施工操作人員較難實施。

由于無線監控裝置安裝方便、靈活性強、性價比高等特性，使得很多行業的監控系統采用無線監控方式，建立被監控點和監控中心之間的連接。但由于塔吊安全監測場地的特殊性和復雜性，目前還沒有出現采用微電子技術和無線通信技術等技術相結合的塔吊安全監測的具體研究成果。如果能夠將微電子技術、無線通信技術和數據感知、處理技術有效應用到塔吊安全監測中，無疑會顯著提高建筑施工的效率和降低安全事故發生的風險。

1 整體方案設計

本項目主要研究基于傾角傳感器和加速度傳感器的塔吊實時監測系統，用以提高塔吊施工過程的安全性。塔吊實時監測系統結構如圖1所示。

圖1 塔吊實時監測系統結構

傾斜度檢測儀用于分析塔吊在X，Y兩個方向的傾斜程度，為保障測量準確和提高可靠性，采用兩套傳感器以正交位置安裝，各傳感器同時獲取x，y方向的傾斜角度，利用數學算法實現測量傾斜角度冗余數據處理，一方面提高數據可靠性，另一方面用于判斷是否存在傳感器工作異常。

2 傾斜角度測量基本原理

在測量傾斜角度的應用中，通常采用對陀螺儀輸出求解積分獲取角度，該方法雖然簡單，但隨著積分周期的增加，測量誤差會逐步加大；此外，陀螺儀測量的實時性與測量精度在工程中較難處理。針對塔吊傾斜測量的特殊性：響應速度快，測量精度要求高，以確保塔吊在工作時，其傾斜角度必須位于安全范圍內，一旦超出極限值，測量儀必須以最快速度報告現場操作員和監控中心。為此，采用三軸加速度測量方法獲取兩軸傾斜角度。單軸傾斜角度測試基本原理如圖2所示。

圖2 單軸傾斜角度

圖2中，傾斜角度可用式（1）計算得到。

單軸測量穩定性較難處理，為獲取較好測量效果，采用兩軸測量加速度獲取傾斜角度，基本原理與式(1)類似，傾銷角度計算如式（2）所示。

顯然要同時獲取x，y軸兩個方向的傾斜角度，只需同時測量3個方向的加速度即可，計算模型如式（3）所示。

為快速準確獲取塔吊工作中的傾斜狀態，本設計采用2套三軸加速傳感器測量芯片，通過32位的高速ARM處理器快速分析、計算得到結果。

3 傾斜系統硬件設計方案

針對塔吊傾斜檢測，一方面需要通過傳感器實時獲取塔吊傾斜角度并在本地進行顯示和報警管理，另一方面，為提高安全管理水平，需要將塔吊實時傾斜狀態反饋到地面監控中心，因此，系統包括兩大部分：塔頂檢測儀和地面監控儀。

塔頂檢測儀硬件電路主要包括電源處理模塊、傾斜角度測量前端電路模塊、處理器電路模塊和無線通信電路模塊，其組成結構如圖3所示。

圖3 測量儀硬件設計方案

電源處理模塊一方面為傳感器檢測電路提供極低紋波的穩壓電源，確保信號處理電路可靠工作，另一方面需要向處理器電路、無線裝置與報警裝置提供驅動電源。信號處理電路完成信號的濾波、放大和數模轉換，將傳感器信號變換成處理器能夠識別的數字信號。處理器電路主要實現傳感器信號的分析與處理，如分析兩套傳感器測量數據的關聯性，提高測量精度，分析各個傳感器是否正常工作，同時，當某一個傳感器失效或者塔頂傾斜超過設定的安全范圍，通過本地報警裝置發出報警信號，同時以無線通信方式通知地面監控中心。塔頂檢測儀的無線通信裝置主要用于地面監控中心與塔頂實時通信，將地面監控儀設置參數發送到塔頂檢測儀，塔頂檢測儀將實時測量數據已經工作狀態反饋到地面監控儀。

地面監控儀的主要任務是負責設置塔頂檢測儀的相關參數并以無線方式發送到塔頂檢測儀，同時，接收來自塔頂檢測儀發來的實施測量數據和報警信號等。因此，其硬件組成由電源模塊、處理器模塊和無線通信模塊三部分。其組成結構如圖4所示。

圖4 地面監控儀硬件組成結構

地面監控儀在接口上只比塔頂檢測儀少傳感器接口，其主要功能是以無線通信方式實現與塔頂監測儀通信，獲取檢測儀的測量參數或者設置測量報警參數。

4 傾斜系統軟件設計方案

塔頂檢測儀一方面需要實時測量兩軸傾斜數據，通過ARM處理器和數據融合算法，分析測量數據的關聯性，判斷兩個傳感器是否工作正常。當兩個傳感器處于正常工作狀態時，由處理器計算獲取最終各個軸的傾斜角度值，一方面將該數據與設置報警參數比較，判斷是否需要發送報警信號。如果該次測量的傾斜角度數據處于安全值范圍內，則控制器只需將本次測量值以無線通信方式發送到地面監控中心；如果測量的傾斜角度數據超出安全范圍，控制器需要同時發送測量數據并發送報警命令給地面監控中心，并打開本地報警裝置。由于不同施工階段，不同應用場合，塔頂傾斜角度安全范圍有所不同，根據地面監控儀發送的參數修改命令，塔頂檢測儀可以動態修改各個參數。塔頂檢測儀軟件流程如圖5所示。

圖5 塔頂檢測儀軟件流程

地面監控儀其軟件功能相對較小，主要功能是周期性向塔頂檢測儀發送握手命令，確保通信聯絡正常，其次是向測量儀發送參數設置命令和相關參數值。當通信聯絡正常后，監控儀將接收來自檢測儀的測量參數和各個傳感器的健康狀態，并通過顯示屏顯示相關參數與狀態。

5 測試驗證

本次設計的塔頂檢測儀測量精度為0.01度。由于安裝位置本身存在傾斜偏差，因此，測量儀初始角度通常在0.5度左右?？紤]到塔頂監控儀與地面監控儀操作環境和操作人員的不同，塔頂檢測儀沒有參數設置功能，避免操作工人誤操作，系統所有參數設置由地面監控儀完成，并通過無線通信傳輸到塔頂監控儀。塔頂檢測儀與地面監控儀實物如圖6和圖7所示。

其中，圖7中所示的地面監控儀觸摸屏中顯示為白底黑字有兩處“報警參數”和“時間”，代表可以設置報警參數和系統工作時間。X、Y軸報警參數設置范圍為±10度，通過觸摸功能可以按最小步進單位0.1度進行上下限調整。系統默認報警參數為±5度，即X軸正向、X軸反向極限傾斜為5度，同樣Y軸正反向極限傾斜為5度。任何一個方向測量結果超過該參數，塔頂檢測儀和地面監控儀均要報警。

圖6 塔頂檢測儀實物

圖7 地面監控儀實物

6 結論

本系統經過長時間測試，各裝置工作正常，可以進行現場安裝運行。通過該系統的運行，可以方便實現塔吊傾斜預警監測，改善和提高建筑施工現場安全等級，特別是對于無人監管的建筑塔吊的傾斜狀態的監測具有很高的實用價值。項目后期研究任務，將該系統在施工現場進行安裝、測試并改進。

責任編輯：余詠梅

施工經驗

預防現澆板裂縫的“十八字”施工措施

1裂縫現象和產生原因

經過對被投訴的住房進行走訪和查看，現澆板產生裂縫的原因有以下幾個方面：(1)混凝土的水灰比過大，表面產生蜂窩、裂縫，現在普遍使用泵送混凝土，坍落度大，材料中細顆粒偏多，水泥用量大，易引起收縮裂縫。(2)模板支撐系統剛度不足或模板支撐系統拆除過早，引起混凝土下墜，致使構造筋和負筋移位。(3)現澆板鋼筋的混凝土保護層厚度不足，導致其開裂。(4)混凝土養護不當，失水過多。(5)過早施加荷載，在結構施工階段出現施工荷載大于使用荷載的情況。

2“十八字”預防措施

抓材料：不合格材料不得使用?；炷翍x用合理的配合比和外加劑。對于預拌混凝土，注意其坍落度的控制，嚴禁現場加水攪拌。

控位置：保證模板、鋼筋位置準確。模板支撐系統的設置須經過嚴格計算，適當減小立桿間距，減小和控制模板下撓程度，控制模板頂和混凝土頂標高。澆筑時用"十"字形鋼筋構件測量板厚，保證現澆板厚度符合設計要求。嚴格控制板面鋼筋的保護層的厚度，采用鋼筋馬凳和砂漿墊塊來固定鋼筋的位置，墊塊布置應科學合理。

精澆搗：注意混凝土澆搗順序和質量。泵送混凝土應在2～3 m范圍內水平移動布料，錯開每層下料位置，認真計劃澆筑順序，大面積板采取"跳倉"方式澆搗。澆搗時振搗棒應快插慢拔，根據不同的混凝土坍落度和現場溫度正確掌握振搗時間。避免過振或漏振，嚴禁用振搗棒橫拖趕動混凝土拌合物。采用二次振搗和二次抹壓技術，改善骨料界面結構，提高混凝土密實度和強度。

重養護：混凝土澆筑后及時澆水并覆蓋，必要時用塑料薄膜遮蓋養護，保證樓板混凝土的濕潤環境，控制混凝土硬化過程中因干縮而引起的收縮裂縫。

慢上人：嚴格控制新澆混凝土樓板上人和堆載時間。混凝土澆筑后保證3 d的技術間歇時間，嚴禁集中堆載，避免人為破壞產生裂縫。

緩拆模：控制拆模時間。按規定混凝土強度達到設計強度的75%以上才可拆模，為避免施工荷載對現澆樓板的影響，待上層樓板混凝土澆筑并達到一定強度后方可拆除下一層樓板模板。

Designing An Intelligent Monitor System for Tower Crane's Inclination

There are high risks with tower cranes,how to monitor instantaneously inclined state of tower crane is a great concern that is paid attention by all construction technicians.On the basis of a thorough study of the vertical relationship of tower crane and its safety condition,the design of a tower crane anti-overturn monitoring alarm was tried which is conducted on the basis of wireless communication technology.It is a real-time,on-site and remote monitoring tower crane safety state system and its purpose is to build tower crane safety monitoring system with forecasting and early warning function.The results show that the system can monitor instantaneously the inclination of tower crane.What's more,the top of the tower detecting instrument and the ground monitor can effectively be improved and the safety of tower crane construction is accordingly enhanced.

inclined state of tower crane;intelligent monitor;top of the tower detection;ground monitor

TU731文獻標識碼：A

1671-9107（2012）03-0050-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.3.050

2011-11-15

張意（1981-），男，工程師，碩士研究生，主要從事科技質量管理工作。