塔機分布式安全評估輔助決策系統研究

(中國建筑科學研究院有限公司建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000)

由于塔機在施工中存在著許多不安全因素。所以塔機使用的安全性是工程上迫切需要解決的問題，一方面住建部規定超過一定服役年限的老舊塔機繼續使用必須進行安全評估，另一方面我國現存超期服役的塔機保有量龐大且轉場工作頻繁，每年需要進行安全評估的塔機數量與日俱增。因此以更高效的方法進行塔機施工安全風險評估，對建筑工地安全生產具有積極的現實意義。

1 現階段塔機安全評估概況

塔機的安全評估一般為評估人員在較為分散的評估現場，依據現行相關國家和行業標準完成檢測。評估時首先進行數據收集、測量，然后經過計算匯總，分析得出塔機安全評估報告。在此過程中，需要大量手工計算與定性評價工作，評估效率不高。評估結果有3 種：合格、降級使用和報廢。塔機產權人在負擔安全評估費用的同時還要承受塔機報廢結果，即使評估結論為降級使用，產權人也要承擔降級使用中的風險，由此可見安全評估的經濟性對塔機安全評估工作有較大影響，所以在保證塔機安全評估可靠性的前提下，降低評估成本、優化評估項目采用更先進的設備和方法完成評估工作顯得尤為重要。

2 標準依據與評估要求

2.1 標準依據

GB 6067.1-2010《起重機安全規程 第1 部分：總則》從起重機的整機結構到各機構及零部件都制定了詳細的評定標準。

GB 5144-2006《塔式起重機安全規程》規定了使用單位應為塔機安全評估提供塔機運行狀態所需資料；同時規定了塔機結構件的報廢及工作使用年限，為結構件安全檢測評估提供依據。

GB/T 5031-2019《塔式起重機》為塔機整體穩定性和結構件連接的可靠性評估提供重要依據。

JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術規程》對安全評估進行定義，規定了塔機需要進行量化評估的項目及安全評估機構的準入資質。

2.2 評估要求

GB 6067.1-2010《起重機安全規程 第1 部分：總則》、JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術規程》等標準對塔機的安全評估項目做出詳細規定，提出評估要求與量化指標。具體評估項目包括：塔機結構件壁厚判別、裂紋檢驗、結構件變形量判定、連接件磨損檢測、應力檢驗、結構件連接方式可靠性檢驗等。

塔機分布式安全評估輔助決策系統主要按照JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術規程》的要求，對各項評估項目進行逐項判定，檢測被評估項目是否符合標準規定的合格條件，根據評估分析結果給出評估結論供評估人員參考，最終由評估人員根據現場情況和評估經驗對評估結論進行修改并確認無誤后，輔助決策系統按照JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術規程》附錄中列出的格式輸出評估報告。

3 塔機分布式安全評估輔助決策系統架構

塔機分布式安全評估輔助決策系統由多個便攜式評估終端和一個服務器平臺組成（圖1）。其中便攜式評估終端由數據采集與信號調理單元、存儲單元、操作和顯示單元、通信單元組成；服務器平臺由系統管理模塊、評估分析模塊和數據管理模塊組成。便攜式評估終端各組成單元之間通過CAN 總線傳輸數據，各組成單元內部數據交換采用SPI 總線，與服務器平臺依靠通信單元集成的4G 無線通信模塊進行數據傳輸。

圖1 系統架構框圖

3.1 便攜式評估終端

便攜式評估終端的功能是對評估現場的數據和圖像進行采集、實現人機交互和評估報告輸出。

1）數據采集與信號調理單元 采集應力傳感器、超聲波測厚儀、超聲波無損檢測儀、磁粉裂紋檢測儀等外擴傳感器或檢測設備的數據信息，將模擬信號轉化為數字信號保存到存儲單元。

2）存儲單元 用于保存便攜式評估終端自身的數據、接收到的外部數據和圖像，相關數據和文件可通過USB 接口導出。

3）操作和顯示單元 用于登錄系統、輸入數據和操作命令、顯示信息并進行人機交互。

4）通信單元 用于攜式評估終端與服務器平臺以及與其他外部設備通信。

3.2 服務器平臺

服務器平臺是輔助決策系統的核心部分，具備分析評估、項目管理、數據管理等功能。一方面對采集到的數據進行計算、評估分析，輸出評估結果并將評估結果發送至便攜式評估終端，另一方面保存、管理評估結果和過程性分析數據。

1）系統管理模塊 輔助決策系統的控制和管理部分，實現對便攜式評估終端的管理，包含系統登錄、系統維護、流程設置、權限設置、項目管理等功能。

2）評估分析模塊 接收便攜式評估終端輸入的數據，通過綜合分析算法，綜合評價塔機的安全狀況，按照JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術規程》要求的格式得出綜合評估報告，并發送到便攜式評估終端。

3）數據管理模塊 用于管理已經評估過的或者正在進行評估的項目數據。

4 工作原理與評估流程

4.1 工作原理

便攜式評估終端與服務器平臺通信并新建評估項目，多個便攜式評估終端可同時工作，以應對評估現場分散的問題，服務器平臺為每個便攜式評估終端新建的評估項目編號，便攜式評估終端與服務器信息同步更新，服務器平臺對每個新建的評估項目完成評估后將評估信息返回相應的便攜式評估終端。

4.2 評估流程

1）打開新建的項目輸入評估項目特征信息，內容包括“評估項目管理信息”、“設備基本信息”、“塔機主要技術參數”等。

2）對整機外觀、安全裝置、防護裝置、電氣系統等部分進行檢查，輸入檢查數據并上傳。

3）通過卡尺、卷尺、超聲波測厚儀檢測塔機重要結構件經過現場磨損腐蝕后的實際變形量、壁厚和損傷情況，測量連接件磨損量并通過便攜式評估終端將測量數據上傳服務器平臺。評估分析模塊在數據庫中調用該型號塔機的數據模型結合采集到的其他信息對塔機進行力學分析，根據受力分析的結果將所有需要應力檢測的重要結構件安全評估檢測點編號并發送到便攜式評估終端。

4）根據現場情況對輔助決策系統分析出的安全評估檢測點進行篩選，選擇必要的測試點，再使用超聲波無損檢測儀、磁粉裂紋檢測儀對測試點進行應力檢測、關鍵結構件焊縫無損探傷。

5）最后對整機進行載荷試驗，將檢測結果上傳服務器平臺。服務器端的評估分析模塊經過綜合評估算法處理，生成評估結論發回終端進行顯示，經審核通過后輸出評估報告（圖2）。

圖2 評估流程圖

5 技術發展方向

在工程檢測領域，大數據技術的使用可對事物之間的關聯性信息進行深度挖掘。塔機施工的每個工作循環的監測數據均保存于被評估塔機所使用的“安全監控系統”服務器內，建立“安全監控系統”服務器與“安全評估輔助決策系統”服務器的數據訪問機制，優化安全評估算法，使塔機施工全周期安全評估工作更具專業性。

JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術規程》的實施對塔機的評估起到了指導作用，但規程未對塔機降級使用的年限做具體規定。“塔機分布式安全評估輔助決策系統研究”的使用能夠廣泛收集塔機結構件的銹蝕、磨損和變形量的檢測數據，應力和裂紋檢測數據，載荷試驗狀況數據等專業性極強的信息，將大量零散的有價值的信息和圖像資料進行整合形成數據庫，為進一步規范規定塔機降級使用年限提供支撐資料。為安全評估計算機仿真軟件的研發積累基礎數據。

塔機分布式安全評估輔助決策系統將JGJ/T 189-2009《建筑起重機械安全評估技術規程》中所要求的檢測要素、評估流程和計算過程軟件化，優化了安全評估項目，節省人力資源和評估成本，提高了塔機安全評估的時效性、準確性。