架橋機架橋作業流程安全監測系統

趙挺生，耿光輝，張 偉

（華中科技大學 土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074）

架橋機是一種實現預制梁提升、運送、平穩下放的重型起重機械［1］，具有結構龐大、重心高、作業人員密集、操作步驟多且復雜等特點，一旦發生事故會造成較大的人員傷亡及經濟損失［2］。傳統架橋機施工安全管理主要依靠施工人員的操作經驗與管理人員的直覺判斷。隨著物聯網技術的發展，先進傳感技術誕生，可在架橋機關鍵部位布設傳感器，對架橋作業全過程實時監測，已成為當前的研究熱點［3-4］。

架橋機作業安全監測涉及智能傳感技術、結構安全診斷技術、物聯網技術等領域。陳士通等［5］利用架橋機主梁上測點的撓度影響線曲率曲線，識別架橋機主梁的單點和多點損傷。Anghelache 等［6-8］從動力學角度監測和分析架橋機動態數據，確定機臂在危險工況下應力和撓度變形較大的位置。Li 等［9-10］采用故障樹法分析架橋機傾覆事故，獲得三類事故致因，分別是制造缺陷、人員操作錯誤和管理監督缺失。Dong［11］提出基于數字孿生的橋式起重機結構疲勞壽命實時預測方法，建立了架橋機載荷、強度、缺陷和疲勞壽命的分析模型。Ullo等［12］提出對無線傳感器網絡進行降噪的方法，開發了智能作業環境監控系統。朱明清等［13-15］以分布式系統為基礎，結合數據融合技術和圖像識別技術，構建架橋機安全監控系統。綜上所述，現有對架橋機安全監測系統的研究大多側重于結構安全，對架橋作業的流程安全關注較少。

1 架橋作業流程動態仿真

架橋機架橋作業過程包括過孔作業流程和架梁作業流程，主要涉及的關鍵工序包括支腿起落、支腿縱移、機臂縱移、行車縱移、吊梁落梁、機臂橫移、整機橫移等。參考DJ180 型架橋機結構圖和架橋作業全過程資料，采用3Ds Max軟件創建的三維仿真模型，依據現場作業實際情況和相關技術標準，模擬關鍵工序的操作步驟，分析關鍵工序操作過程中涉及的架橋機組件工作狀態，以及工序操作完成后，架橋機組件達到的安全狀態，見表1。安全狀態條件主要包括各組成結構的銷軸連接狀態、運行速度、運行行程和行車起質量等。

表1 關鍵工序動態仿真Tab.1 Dynamic simulation of key processes

2 架橋作業流程安全監測方案

2.1 監測指標與監測對象

架橋機架橋為室外高處作業，承受風、雨、雪等氣候的侵蝕，這對環境安全提出了較高的要求，主要涉及作業工作面的平整度、金屬結構的應力應變、現場的氣象條件等。結合架橋作業關鍵工序動態仿真結果，將架橋機施工作業流程安全監測指標分為6 類，分別是銷軸連接狀態、起質量、水平度、應力應變、氣象條件、行程與速度。

（1） 銷軸連接狀態的監測對象包括行車與曲梁、曲梁和機臂、支腿伸縮節和走行梁與橫移軌道的連接銷軸。以上監測對象的連接銷軸滑失或斷裂會導致架橋機在運轉過程中支腿失穩。

（2） 起質量監測指標的監測對象是行車。梁片重量出廠時已符合現場作業要求，但是，當吊梁移動過程中，1#和2#行車受力不均時，存在梁片傾覆風險。

（3） 水平度監測指標的監測對象是機臂的縱向水平度和支腿的橫向水平度。在吊梁縱移、機臂橫移、機臂縱移等環節，均存在由于架橋機平衡系統破壞而導致結構傾覆的風險。

（4） 應力應變監測指標的監測對象主要是機臂。移跨過孔中涉及多種工況，不同荷載作用下的機臂受力復雜多變，尤其是架梁流程中機臂中部和過孔流程中機臂最大懸臂段，是應力應變最大的部位。

（5） 氣象條件監測指標包括現場的風速、風向、溫度、濕度和氣壓。惡劣的氣象條件不僅降低了架橋機的結構穩定性，而且影響作業人員的職業健康安全。

（6） 行程與速度監測指標的監測對象包括行車、機臂和支腿。架梁作業過程中，以上監測對象的橫移或縱移動速度過快，如限位保護器同時失效，會導致金屬結構之間的碰撞。過孔作業過程中，支腿或機臂縱移行程過大，會導致機臂前后受力不均，支腿失穩傾覆。

綜上所述，架橋機架橋作業監測對象共有19類，涉及行車與曲梁連接銷軸、曲梁與機臂連接銷軸、支腿伸縮節連接銷軸、行車起質量和氣象條件等，如圖1所示。

圖1 架橋作業監測對象Fig.1 Monitoring objects of bridging operations

2.2 傳感器布設方案

依據架橋機架橋作業的6 類監測指標、19 類監測對象，選擇6 類34 個傳感器進行數據采集，分別是1 個多參數氣象傳感器、2 個起質量傳感器、2 個振弦應變計、3 個傾角傳感器、13 個開關傳感器、13個位移傳感器。一般情況下，傳感器直接輸出感知量，位移傳感器可同時輸出直接感知的位移和計算的位移速度指標，多參數氣象傳感器的輸出結果有風速、風向、溫度、濕度和氣壓。為了減少傳感器的布設數量，位移傳感器W1 和W2 的監測指標有兩個，行車與曲梁的銷軸連接時，監測內容為兩個支腿之間的相對縱移行程與速度；行車與曲梁的銷軸斷開時，監測內容為支腿與行車的相對縱移行程與速度。從架橋機各機構作業功能的角度考慮，傳感器應布設在支腿、曲梁、行車、橫移軌道、機臂等位置，如圖2所示。

圖2 傳感器布設方案Fig.2 Scheme of sensor deployment

3 架橋機微模型架橋作業模擬分析

3.1 試驗設計

為了驗證架橋作業流程安全監測方案的可行性，以DJ180型架橋機為原型，設計制作了架橋機微模型和架橋作業場景，包括架橋機、橋墩、已架跨橋面、待架跨梁，如圖3 所示。架橋機微模型尺寸為1.2 m×0.4 m×0.3 m，制作加工材料主要是輕質鋁合金，具有重量輕、體積小、可操作的特點，可以實現真實架橋作業的所有功能，包括支腿起落、支腿縱移、機臂縱移、行車縱移、吊梁落梁、機臂橫移等。

圖3 架橋機架橋作業微模型Fig.3 Micro-model of bridge erection operations

依據上述傳感器布設方案，微模型共布設30個傳感器，分別是1 個多參數氣象傳感器、3 個傾角傳感器、13 個位移傳感器、13 個開關傳感器。布設方式如下：① 多參數氣象傳感器布設在通風開闊區域；② 傾角傳感器埋設在架橋機微模型結構內部，避免操作過程中的人為因素干擾；③ 位移傳感器采用激光測距式，布設在微模型支腿上；④ 開關傳感器采用霍爾式，埋設在架橋機結構內部，當螺栓銷軸松開時，開關量信號消失；⑤ 考慮架橋機本質安全性設計的保障，試驗中未監測起質量傳感器和振弦應變計的數據。前端處理器與傳感器組件有線連接，將傳感信號轉化為對應的物理量，并對物理量進行邊緣計算和數據分析得到預處理信號，通過無線傳輸到監測平臺。如圖4所示。

圖4 監測數據傳輸方案Fig.4 Transmission solutions of monitoring data

3.2 試驗過程

架橋機微模型首先在同一水平面進行拼裝，連接監測系統組件，并檢查數據的完整性和準確性，按照過孔作業和架梁作業的標準化流程依次進行操作，傳感器同步進行數據采集，并發送至監測平臺。當上一工序所有安全狀態條件顯示正常后，系統提示進入下一工序，下一工序操作內容及工序操作過程安全條件呈現在界面上，循環往復，依次完成架橋作業過程中的所有工序，如圖5 所示，S1~S15 為過孔作業流程，S16~S29 為架梁作業流程。

圖5 架橋作業標準化操作步驟Fig.5 Standardised operational steps for bridge erection

3.3 試驗結果

本試驗共用時19.75 min，完整實施了架橋作業全過程。結果表明，操作步驟邏輯關系準確，監測內容設計完整，可以實時獲取架橋機架橋作業過程中各機構的安全狀態數據，具體如下：

（1） 多參數氣象傳感器監測值以1次/min的頻率循環顯示，現場作業風速0~1 m/s，風向0~10°，溫度23~25 ℃，濕度38%~42%，氣壓980~1 010 hPa。

（2） 傾角監測數據穩定在0~3‰范圍內，符合相關技術標準的規定。

（3） 13 個開關傳感器的開關量測值呈階梯形變化，銷軸斷開時，開關傳感器監測數據為“0”，銷軸連接時，開關傳感器監測數據為“1”。

（4） 13 個位移傳感器的位移量監測近似線性變化，如圖6 所示。圖中，橫坐標為29 個操作步的完成時間，縱坐標為位移量監測值。

圖6 位移傳感器時程Fig.6 Displacement sensor time and travel diagram

4 結語

基于架橋機架橋作業流程動態仿真分析，提出了架橋作業流程安全的6 類監測指標和19 類監測對象，采用6 類34 個傳感器，對架橋機架橋作業流程安全進行監測。以架橋機鋁合金微模型為試驗對象，布設智能傳感器和前端處理器，按照標準化流程進行架橋機架橋作業，結果表明，監測指標設計完整，監測數據準確，監測方案可行。本文所構建的架橋機架橋作業流程安全監測系統，可以規范操作人員的作業行為，有效地避免施工過程中由于施工順序差錯、工序遺漏、工人違規操作、工序完成不準確等流程安全問題的發生。本文完整分析了架橋作業過程中29 個工序的監測指標，為進一步的多模態融合、感傳控一體化、自動化智能決策等相關技術提供理論依據。