塔吊運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

周泉吉 陳峰軍 郭 振 朱小磊

1. 上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114；2. 浙江上嘉建設(shè)有限公司 浙江 嘉興 314001；3. 合肥宇科電子科技有限公司 安徽 合肥 230041

塔式起重機(jī)簡(jiǎn)稱塔吊，作為建筑工程項(xiàng)目應(yīng)用最為廣泛的垂直吊運(yùn)設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、使用的特殊性以及安全管理水平的相對(duì)落后，具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。塔吊側(cè)傾、倒塌、碰撞等事故頻發(fā)，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2010ü 2019年，我國(guó)至少發(fā)生了382例塔吊生產(chǎn)安全事故，其中塔吊運(yùn)行階段事故占比達(dá)54.2%[1]，研究如何提升塔吊運(yùn)行階段的安全管理水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的塔吊安全輔助控制更依賴于機(jī)械設(shè)備自身安裝限制器來(lái)對(duì)過(guò)限操作的強(qiáng)制制動(dòng)，從而避免如超載、回轉(zhuǎn)超限相關(guān)的事故發(fā)生。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧工地建設(shè)的不斷發(fā)展，使得借助附加傳感器采集塔吊安全狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行即時(shí)通信、即時(shí)分析、即時(shí)預(yù)警，可以大幅提高塔吊安全監(jiān)控的準(zhǔn)確性[2]。同時(shí)隨著傳感器多樣化發(fā)展以及檢測(cè)性能的不斷提升，基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)智能在線監(jiān)控不斷步入深化應(yīng)用階段，使得塔吊安全管理逐步向標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化和精細(xì)化的方向發(fā)展。

本文充分結(jié)合規(guī)范要求，利用一些穩(wěn)定可靠的傳感設(shè)備進(jìn)行集成研發(fā)，構(gòu)建塔吊運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔吊運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取、實(shí)時(shí)展示，為塔吊司機(jī)提供更直觀有效的塔吊運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多塔吊實(shí)時(shí)交互的群塔吊防碰撞模塊，最終對(duì)各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判定，完成智能預(yù)警。同時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員的實(shí)際需求，搭建塔吊安全信息化安全管控平臺(tái)，施工安全管理人員可在任意地點(diǎn)同步獲取整個(gè)施工場(chǎng)地內(nèi)的塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的多重、多方監(jiān)管，進(jìn)一步降低塔吊安全事故的發(fā)生概率。

1 塔吊安全狀態(tài)參數(shù)及其監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)JGJ 59ü 2011《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)塔吊施工規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容和規(guī)定要求，塔吊運(yùn)行安全狀態(tài)參數(shù)主要包括吊重、幅度、回轉(zhuǎn)、風(fēng)速、傾角等。

通過(guò)對(duì)塔吊加裝相應(yīng)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)行塔吊運(yùn)行全狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。設(shè)備及其對(duì)應(yīng)安裝位置如圖1所示。

圖1 塔吊安全監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備及其安裝位置

其中，采用重力傳感器測(cè)取調(diào)運(yùn)材料的重力和參數(shù)，其原理在于，安裝過(guò)程中預(yù)施加一定作用力使得滑輪將鋼絲繩拉偏形成160e ～170e 的夾角，此時(shí)滑輪所受壓力與鋼絲繩所受拉力成比例，因而將重力傳感器安裝在動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置測(cè)得滑輪所受壓力，最后安排塔吊起吊給定質(zhì)量的材料，對(duì)重力傳感器讀數(shù)與實(shí)際測(cè)重進(jìn)行標(biāo)定，即可投入使用。經(jīng)驗(yàn)表明，該方法測(cè)重誤差在5%左右，滿足使用要求；幅度監(jiān)測(cè)和高度監(jiān)測(cè)的原理類似，都是通過(guò)對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)加裝同軸器，直接根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)換算得出。力矩可以通過(guò)重力測(cè)值與幅度測(cè)值的乘積得出。回轉(zhuǎn)傳感器安裝于塔吊轉(zhuǎn)盤裙邊位置，通過(guò)齒輪咬合獲取塔吊大臂的當(dāng)前回轉(zhuǎn)角度，一般不應(yīng)超過(guò)720e ，防止對(duì)塔身電纜產(chǎn)生拉扯作用。

GB 5144ü 2006《塔式起重機(jī)安全規(guī)程》規(guī)定，塔吊運(yùn)行必須低于6級(jí)風(fēng)（＜10.8 m/s），安裝風(fēng)速傳感器可以實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)當(dāng)前風(fēng)速是否超限，從而避免強(qiáng)行逆風(fēng)工作引起塔吊斷裂倒塌。

JGJ 196ü 2010《建筑施工塔式起重機(jī)安裝、使用、拆卸安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，塔吊安裝過(guò)程中空載且風(fēng)速不超過(guò)3 m/s條件下，垂直度偏差不得超過(guò)0.4%。而在使用過(guò)程中，在塔身安裝傾斜傳感器，用于監(jiān)測(cè)塔身的實(shí)際傾斜角度，防止吊裝過(guò)程中傾斜角度過(guò)大引起塔吊側(cè)傾事故的發(fā)生。

將上述各項(xiàng)傳感設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線、有線方式接入主機(jī)，安裝于塔吊駕駛艙，塔吊司機(jī)通過(guò)顯示屏可以直接查看當(dāng)前塔吊的各項(xiàng)安全運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)主機(jī)也會(huì)通過(guò)所監(jiān)測(cè)到的各項(xiàng)參數(shù)完成對(duì)塔吊安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定，并及時(shí)發(fā)出語(yǔ)音提示和操作指令。

同時(shí)，針對(duì)場(chǎng)地內(nèi)有多臺(tái)塔吊且形成交叉作業(yè)的情況，通過(guò)加裝無(wú)線傳輸模塊，結(jié)合GPS衛(wèi)星定位，自動(dòng)識(shí)別周邊存在交叉作業(yè)的塔吊設(shè)備，并自動(dòng)進(jìn)行多塔吊防碰撞組網(wǎng)，各塔吊之間互相傳輸坐標(biāo)、幅度、回轉(zhuǎn)角度、高度等位置數(shù)據(jù)，通過(guò)主機(jī)同步換算并判定此刻是否存在碰撞事故趨勢(shì)。并將預(yù)警信息及時(shí)分發(fā)給各塔吊司機(jī)，提醒塔吊司機(jī)及時(shí)修正危險(xiǎn)操作。

2 塔吊遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)及應(yīng)用

2.1 塔吊遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)

長(zhǎng)期以來(lái)，由于塔吊駕駛艙處于高空，現(xiàn)場(chǎng)地面的施工管理人員無(wú)法實(shí)時(shí)掌握塔吊當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，缺乏對(duì)這一重大危險(xiǎn)源的直接監(jiān)管手段。為了確保施工管理人員充分行使監(jiān)督管理職責(zé)，必須確保參建各方的監(jiān)管人員能夠?qū)崟r(shí)同步獲取現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建塔吊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。通過(guò)對(duì)各塔吊的安全監(jiān)控系統(tǒng)加裝無(wú)線傳輸模塊，使其動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的判定結(jié)果實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)服務(wù)器，由服務(wù)器提供網(wǎng)頁(yè)端登錄查看功能，施工管理人員即可無(wú)限制地實(shí)時(shí)在線查看場(chǎng)內(nèi)各塔吊的運(yùn)行安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的多重、多方監(jiān)管，進(jìn)一步降低塔吊安全事故的發(fā)生概率。

圖2 群塔遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 工程應(yīng)用

某項(xiàng)目一期用地約9.5萬(wàn) m2。項(xiàng)目包括多棟1～3層單體建筑以及若干配套建筑等，各棟單體地下均設(shè)1層地下室并局部連通。項(xiàng)目總建筑面積81 110 m2，其中地下建筑面積31 540 m2。項(xiàng)目共配置了6臺(tái)塔吊進(jìn)行施工吊運(yùn)作業(yè)，每臺(tái)塔吊與周邊塔吊均存在一個(gè)或多個(gè)交叉作業(yè)，塔吊運(yùn)行作業(yè)環(huán)境復(fù)雜。

首先，為6個(gè)塔吊分別加裝安全監(jiān)控系統(tǒng)，使得每個(gè)塔吊的司機(jī)能夠直觀獲取塔吊當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)信息，并接收系統(tǒng)的安全預(yù)警提示，幫助塔吊司機(jī)在安全風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)能夠第一時(shí)間做出正確的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避動(dòng)作，從而將事故扼殺在萌發(fā)階段。

其次，現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員通過(guò)登錄塔吊遠(yuǎn)程安全監(jiān)控平臺(tái)，上傳并維護(hù)設(shè)備的資質(zhì)、檢測(cè)、維修、保養(yǎng)等資料，實(shí)現(xiàn)塔吊基本信息的統(tǒng)一管理。通過(guò)將各塔吊監(jiān)控系統(tǒng)接入平臺(tái)，相關(guān)人員可以隨時(shí)隨地查看場(chǎng)內(nèi)6臺(tái)塔吊各自的狀態(tài)參數(shù)以及操作軌跡。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合規(guī)范總結(jié)了塔吊安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)梳理了目前各關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)的監(jiān)測(cè)設(shè)備及工作原理，并對(duì)各自的適用情況簡(jiǎn)要分析。同時(shí)研發(fā)了一套塔吊運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)結(jié)合GPS衛(wèi)星定位以及無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)群塔交叉作業(yè)的自動(dòng)定位、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)組網(wǎng)，根據(jù)各塔吊實(shí)測(cè)的各項(xiàng)位置信息，同步推算判定此刻碰撞發(fā)生的潛在趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的群塔防碰撞實(shí)施方法。根據(jù)項(xiàng)目應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員的實(shí)際需求，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的塔吊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的多重、多方監(jiān)管，以期進(jìn)一步降低塔吊安全事故發(fā)生的概率。