基于物聯網的塔式起重機安全監測系統應用研究

胡敬銓 王文龍 張曉曦 陳 潔

(1.永富建工集團有限公司 福建福州 350008；2.福建誠恒意建設有限公司 福建廈門 361026；3.福建省特種設備檢驗研究院 福建福州 350008)

0 引言

塔式起重機作為主要物料運輸機械裝備，在房屋建筑和橋梁施工等工程中得到廣泛應用。

近年來，在一些大型橋梁和高層、超高層建筑等大型建筑的建設中，塔式起重機在施工中的作用越來越大，并需要不斷地重型化和大型化。起重機工作時，容易受到各種環境因素、起重物和起重力矩等因素的影響，引發事故的發生[1]。當前塔式起重機缺乏有效且簡便的監控技術手段，管理和維護不足，安全部件失效，個別工作人員甚至違規進行作業，因而安全事故時有發生。如何通過高科技手段，提高塔式起重機安全性和可靠性，已成為從業人員關注的焦點[2]。

建立有效且簡便的在線監測系統，監測塔式起重機的運行狀態已事不宜遲。為實現塔式起重機工作時的遠程安全監測,減少人員從業風險，應用物聯網在線監測技術，研究智能化的塔式起重機管理和故障監測系統，對超載、短接電路、金屬結構腐蝕、超速等安全風險進行嚴密有效的監控。該系統是進行監測塔式起重機違規作業、事故快速處置、故障及時救援、塔式起重機信息交流及運行狀況統計分析的重要窗口[1-3]。利用物聯網的技術，構建起重機安全監測網絡，可以減少安全隱患，減少事故的發生，保障人員和設備的安全。因而，研究塔式起重機實時網絡監控，建立有效且簡便的系統，有著重要的現實意義和社會價值。

1 系統功能定位

運用物聯網技術，建立塔式起重機的安全監控系統服務。為實現塔式起重機發生故障時的實時傳輸和塔式起重機運行時的數據采集等功能，主要服務功能有[3-5]：

(1)實時運行狀態監測：要求系統對塔式起重機安全作業時的工況數據，諸如起升速度、起重力矩、變幅幅度、環境風速和回轉角度等進行采集，對塔式起重機起重量限制器等安全裝置的運行狀態進行監測，全面了解塔式起重機運行信息。

(2)故障實時顯示：以數值和圖形的方式在顯示屏上，顯示出塔式起重機當前的工作參數和額定的工作參數。

(3)故障實時報警：通過測量值和給定報警閾值相比較，在臨近額定限值時，發出聲光報警和預警。

(4)故障應急處置：當塔式起重機的工作狀態發生異常時，系統會自動與監控中心進行聯系，可以24小時接聽、指揮、處理與塔式起重機安全運行相關的咨詢等信息。

(5)日常作業監控：實現對塔式起重機全作業流程化與信息化管理。基于人工智能技術對塔式起重機安裝與拆卸作業不安全行為自動識別和預警，通過系統可自動識別塔機安裝、拆卸和頂升作業過程中安全交底地點、交底內容廣播、作業動作、風險自動廣播預警的安拆管理系統，如果發生違規操作，系統會發生告警，可以利用APP的消息推送或短信等方式，實時地告知工作人員對應地報警內容。

(6)遠程可視化監控平臺：系統安全運行時，基于GIS技術，對系統進行可視化遠程監控，將塔機運行的實時數據等傳送至平臺。

(7)數據追憶：當塔機發生故障時，可在系統上查詢塔式起重機事故發生時的運行狀態等信息，有助于調查事故過程，提供證據。

(8)統計分析：在系統上查詢統計分析的模塊，或開放數據接口；采集塔式起重機工作時的數據信息并進行分析和統計，推斷塔式起重機運行時常見的故障類型和其發生的概率，對塔式起重機的性能進行測評，有效預防故障的發生。

2 系統網絡拓撲結構構建

通過分析以上的功能定位，塔式起重機的監測系統是基于無線傳感網絡、數據采集技術、遠程數據通信技術、傳感器技術、數據融合處理和嵌入式技術，實現高效率的建筑塔機運行狀態安全監控與聲光預警報警等功能，以及實時動態的遠程監控、遠程報警和遠程告知，從技術手段上保障了對塔機使用過程和行為的及時監控、切實預警、控制設備運行過程中的危險因素和安全隱患，有效地防范和減少塔機安全生產事故發生[2]。根據塔式起重機安全監控系統功能定位和技術，構建如圖1所示的基于物聯網的塔式起重機安全監測系統網絡拓撲結構[5-6]。

圖1 塔式起重機安全監控網絡拓撲結構[5-6]

由圖1可以看出，系統的結構可以分為5層：

第一層為感知層。感知層主要采集塔式起重機正常運行時的狀態信息和發生故障時的狀態信息，并運用邏輯判斷對塔式起重機的實時工作狀態進行判斷，然后發送當前的狀態信息等信號到下一層中的服務器。該層主要的設備是數據采集器、監控終端和傳感器。

第二層為網絡層。網絡層主要負責塔式起重機實時運行時信息，以及對報警信息進行傳輸，并在數據服務中心中記錄相應的數據信息，和故障報警信息的傳輸，同時在數據中心服務器中存儲相應的數據。該層主要由有線數據網絡或運營商的無線及數據中心服務器組成。

第三層為應用層。主要功能是監控和管理，對物聯網的設備進行計算。其中包括塔式起重機安裝單位系統、使用單位系統以及應急救援系統等。該層主要由塔式起重機運行狀態監測軟件、移動智能終端、客戶端電腦，和部署在數據中心服務器上的軟件中間件等構成。

第四層為協議層。協議層有個標準協議接口，相關企業的各個應用，可以通過數據協議，與監控層進行數據上的通訊。系統采用開放式的標準數據通訊協議，滿足其協議的廠家均可接入其監管層。

第五層為監管層。主要包括5個應用：日常監管查詢統計、應急救援查詢統計、全監測抽查、塔式起重機故障查詢統計。通過對決策支持系統等與安全監察相應的業務應用的評價，監管層可以按照規定的數據傳送，實時讀取各塔式起重機運行時的相關數據。

3 應用實踐

塔式起重機在橋梁工程、房屋建筑、核電建設、市政工程等行業應用廣泛，屬于一種非連續性搬運重型機械。當塔式起重機運行過程中發生超載、超速等安全隱患時，基于物聯網的塔式起重機安全監控系統，利用傳感器采集數據信息并傳輸到系統中，設置告警的響應等級，并根據不同的等級發出相應的告警。發生故障時，記錄相應的視頻和語音信息，通過物聯網傳輸到遠程監控平臺和監測管理機構。圖2為在建筑安裝現場的塔式起重機的在線監測系統應用原理圖。

利用在前端的傳感器，將采集的數據信息實時傳輸至平臺，并根據設置的響應級別，發出相應的預警。同時，當聚氯塔式起重機發生異常時，其視頻信息和語音信息將通過物聯網激素及時傳輸至監管機構或遠程監控客戶端。在建筑安裝現場的塔式起重機在線監測系統應用原理圖，如圖2所示。可以看出，系統采用振動等傳感器采集塔機運行時的參數信息，同時收集異常的工作信息，最后通過遠程傳輸至監管平臺的設備管理者與維保人員。

圖2 塔式起重機在線監測系統應用實踐[5-7]

利用基于物聯網的塔式起重機在線監測技術，在現場發出聲光預警，或主管部門人員、維護人員、管理人員的手機會收到預警信息，對故障進行及時的維修。

4 結語

以塔式起重機對象，從塔式起重機狀態安全監控的功能定位角度出發，利用物聯網技術，結合塔式起重機具體的工作方式及工作條件，對基于物聯網技術的塔式起重機無線遠程監控系統進行應用探索，實現塔式起重機超載荷、異常振動等運行狀態實時采集，提高建筑施工的安全管理水平，有效保障現場施工的安全性和可靠性。