基于物聯網的塔吊工作過程分段監控

梁陸軍 張智皓 陸龍耀 郟鴻韜 李 強 毛江鴻

1. 浙江省二建建設集團有限公司 浙江 寧波 315200；2. 重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074；3. 浙大寧波理工學院土木建筑工程學院 浙江 寧波 315100

塔式起重機又稱塔吊，是工程機械施工的重要部分之一。隨著建筑業的飛速發展，塔吊已在建筑工地中得到越來越廣泛的應用。但是由于塔吊的結構以及作業環境的復雜性，其易成為施工過程中危險性較大的設備。相關規范規定，塔吊凡發生傾覆、摔臂、折臂、脫軌、塔帽脫落事故，無論是否有人身傷害及經濟損失，必須按重大事故處理[1]。因此，監測塔吊的運行狀態顯得尤為必要。傳統的監測方式主要依靠人工檢查相應的節點、構件來確保塔吊的正常運行。然而該方法工作量較大，且不具備實時監測的功能，具有局限性。基于此，為提高工作效率及防止傾覆事故的發生，利用現代信息技術提升塔吊安全管理水平具有重大意義。

隨著物聯網的發展，其被廣泛應用于各個行業，基于物聯網的塔吊安全系統也得到了發展。張瑜等[2]研究了一種通過傳感器采集數據并具備預警功能的安全監控系統，收集到的數據通過GPRS網絡傳輸到遠程端；宋雪飛[3]設計了基于物聯網和BIM技術的塔吊實時安全監控平臺。雖然學者們在塔吊安全監測系統方面的研究取得了重大進展，但是研究工作主要針對塔吊整體的監測，對塔身各段的位移變化以及傾斜角度卻少有研究。基于此，本文以某工地1#上回轉式塔吊為例，通過在塔身分段布設傳感器獲取各段信息，集成一套基于物聯網技術的實時監控系統，并結合施工作業記錄，實現對塔吊吊裝過程的分段實時監控。

1 “塔吊＋物聯網”監控系統的搭建

1.1 監控方案

據統計，在眾多塔吊事故類型中，塔吊倒塌的占比最高，接近40%[4]。因此，需要對塔身著重進行監測。本文以某工地1#塔吊為研究對象，采用監控系統加以人工記錄塔吊作業情況的方式對其進行分段監控和分析。為了分析各段的傾斜變化情況，需要實時測量多段的傾斜量，傳感器布置及相鄰距離如圖1所示。圖中編號1610－1616為傾角傳感器，編號4601為加速度傳感器，X、Y、Z為傳感器的初始坐標。1610－1615傳感器均布置于圖2所示的標準節段內。1616、4601儀器固定放于塔尖。整一套監控系統的監控內容包括各段X、Y、Z軸的傾角以及塔吊的整體加速度。此外，考慮到風載對塔吊的影響，需要在場地內布置小型氣象站用以監測場地風速。

圖1 儀器布置示意及其坐標系

圖2 塔身標準節傳感器布置位置

1.2 監測儀器選擇

近年來，科技發展的速度越來越快，無線通信、集成電路、傳感器和微機電系統（MEMS）以及數字電子學越來越成熟。這一系列的進展使開發低功耗、小體積、低成本和多功能的無線短距離通信傳感器模塊成為了可能[5]。為方便實時觀測塔吊的運行狀態，本文選取的傾角、加速度傳感器分別為WEMS401-LTL、WEMS401-VIB系列采集器，二者均具有實時上傳數據的功能。

傾角傳感器測量內容為X、Y、Z軸三軸傾角，上傳數據內容為三軸傾角平均值、最大值、最小值，量程為±90°，靈敏度為0.001°，最大誤差為0.01°。加速度傳感器測量X、Y、Z軸三軸加速度，上傳數據內容為周期內的三軸振動平均值、最大值、最小值，量程為±2g，靈敏度為0.07×10－3g。2種儀器均利用抱箍固定在測點，可在惡劣環境下長期監測。為了更直觀地觀測塔吊運行的狀態，將系統收集數據的頻率設置為1 min/次。該塔吊監控系統共布設了7個傾角傳感器、1個加速度傳感器和1個無線網關。另外，場地內安裝有1個氣象站，安裝示意如圖3所示。該儀器可實時自動記錄場地風速、風向的變化情況并通過網關發送至終端。

圖3 氣象站及網關安裝示意

1.3 監測云平臺搭建

圖4為無線傳感網系統拓撲結構。一個完整的無線傳感網絡，應包含一個用于采集數據的感知層，一個用于傳輸數據的傳輸層以及一個用于數據處理和顯示的應用層。本文塔吊系統同樣分為3層。感知層由測量傾角和加速度的傳感器組成，用于收集塔吊工作時的自身傾角、加速度數據；傳輸層主要為GPRS網絡，用于實現數據的無線傳輸；應用層由遠程監測云平臺構成，用于顯示實時數據，如圖5所示。為實現對塔吊的智能化管理，在上述硬件的基礎上，通過設置用戶名和密碼登錄系統，檢查傳感器的工作狀態。同時，該云平臺具有存儲、下載等功能，不僅可保證數據的安全性，而且可以更加方便地對塔吊進行監控。

圖4 無線傳感網系統拓撲結構

圖5 監測云平臺

1.4 塔身垂直度指標

本文對塔吊進行監控的目的是獲得塔吊各段偏移的情況，將其與相關技術規范和工程標準給出的控制值進行比較，確定塔吊是否處于安全狀態，以確保現場人員安全和設備安全。在監控期間，根據JGJ 33—2012《建筑機械使用安全技術規程》[6]的要求：塔身在無荷載的情況下，塔身垂直度允許偏差應為0.4%。本文研究的上回轉式塔吊總高為61 m，即要求在無荷載時塔吊垂直度允許偏差為244 mm。

2 作業過程塔吊的監控數據分析

2.1 監測數據處理

傾角變化如圖6所示，原儀器擺放為X、Y、Z軸形成的空間直角坐標系。由于儀器固定在塔吊上，當塔身產生偏移時，儀器也隨之傾斜，其坐標系變為X＇、Y＇、Z＇軸形成的空間直角坐標系。α為X＇軸與水平地面的夾角，β為Y＇軸與水平地面的夾角，θ為Z＇軸與水平地面的夾角。圖7中OA表示某一段塔身的高度h，通過式（1）計算得到的OA＇，即為其工作時偏移的距離，同時通過式（2）計算可以得到對應的A(x,y,z)坐標。

圖6 傾角變化示意

圖7 塔吊計算簡化模型

2.2 監測數據分析

2.2.1 偏移量分析

以8：00－16：30作為塔吊的一個工作周期。現已通過現場人員記錄了4月14日8：00－16：30的塔吊工作狀態，如圖8所示，1表示塔吊正處于吊裝狀態，0表示塔吊處于空載狀態。

圖8 工作記錄中塔吊的工作狀態

本文以4月14日8：00的塔吊空閑狀態為初始狀態，以17：00即塔吊停止工作后的30 min狀態為結束狀態，通過式（1）計算，可得到塔吊各段偏移量，結果如圖9所示。

圖9 各測點偏移量

從圖9可以看出，塔吊在吊裝過程中，各測點的偏移量隨著高度升高而增加，在工作過程中，塔尖部分最大位移達457.12 mm，塔身最大位移達406.9 mm。1610、1611、1612段塔身對塔吊工作時位移響應相比其他各段要小，其他各段受吊機工作影響較大，且會隨著塔吊的吊裝、卸載而變化，與圖8工作基本吻合，不同的是在圖9中的紅色虛線框部分和藍色虛線框部分。紅框部分雖然工作記錄上顯示塔吊處于空閑狀態，但是塔吊整體偏移量較大。根據JG/T 100—1999《塔式起重機操作使用規程》中的相關規定，塔吊在運行前，會進行空載運載作業。因此，雖然工作記錄中前1 h吊車沒有處于吊裝狀態，但在此期間吊鉤加速度、小車距離等問題均會造成偏移量增大。而在圖中藍框內，已知塔吊正處于非工作時間，但圖中塔身各段的位移仍然存在，結合當時所測得的風速可知，平時的風速值在0～1 m/s之間，而11：30有5.08 m/s的大風。因此，在風載的作用下，塔吊各段也會產生位移。另外，由于本項目中各傳感器安裝位置與塔吊中心軸線存在一定距離，當塔吊出現微小的扭轉及存在微小旋轉的情況時，塔身自身會對水平兩軸的測量值以及傾斜度產生影響。因此，由于旋轉角度的不同，塔吊即使吊裝同一物體也會產生一定誤差。

為了觀察塔吊工作1 d后的垂直量變化情況，以4月14日17：00（塔吊停止工作30 min后）空載下的塔吊作為結束狀態。通過計算可知，各測點偏移量如表1所示。從表中可以看出，塔吊最大偏移量為66.3 mm，遠小于本文塔吊最大允許偏差244 mm的范圍，塔吊仍安全。

表1 17：00塔吊各測點偏移量

2.2.2 偏移角度分析

已知可通過式（2）計算塔吊各測點在工作狀態下的坐標(x,y,z)，因此塔身各段偏移角度ω可通過式（3）計算。另外，將XOY坐標系劃分為4個區域，如圖10所示。通過分析X軸傾角α、Y軸傾角β可以確定傾斜發生的區域。

圖10 坐標系劃分區域

當α＜0，β＜0，傾斜發生在第Ⅰ區域；當α＞0，β＜0，傾斜發生在第Ⅱ區域；當α＞0，β＞0，傾斜發生在第Ⅲ區域；當α＜0，β＞0，傾斜發生在第Ⅳ區域。通過式（3）計算及區域判斷，各段偏移角度及區域部分數據見表2，以8：00為起始狀態，可以從表中看出塔身各段的偏移角度及區域在同一時間會有所不同，說明塔身存在一定的扭轉。造成塔吊扭轉有多方面的因素，包括塔吊自轉、風、吊鉤擺動等，需綜合考慮。

表2 各段部分數據

綜上所述，通過此數據，可判斷塔身各段的扭轉程度，為動態監測塔吊工作狀態提供了一定的參考。相關人員可利用實時獲得的數據及時對塔機運行狀態進行調整，從而降低塔吊發生傾斜倒塌的可能性，提高工作效率。

3 結語

為實時研究上回轉式塔吊在工作過程中傾斜量及傾斜角度的變化，本文通過安裝氣象站、傾角及加速度傳感器，建立了基于物聯網的塔吊分段監控系統。

1）運用了可直接測量三軸傾角的儀器，并通過測量數據來判斷塔吊的運行狀態。結果表明，塔吊各段偏移量隨著高度的增加而增加，且經過1個工作周期后，該塔吊垂直度未超過國家規定的安全值，塔吊安全。

2）基于物聯網的監控技術，可實現實時監測，可同時測量3個方向的傾斜，且具有高精度、高可靠性等特點，可有效解決人工監測費時費力的主要難題，為建筑工地安全提供重要的應用價值。

3）可以通過偏移角度和區域，及時調整塔吊的運行狀態，對出現較大扭轉的地方重點監測，為動態監測提供了一定的參考。

4）本文所測的數據需進行計算處理才能反映塔吊的傾斜量及角度。因此，可以通過在系統應用層中加入自動計算、警報等功能來對物聯網系統進一步優化，使系統能夠自動計算塔吊的傾斜量以及傾斜角度，并對超過國家規定安全值的狀態進行預警。