基于智慧群塔的現(xiàn)場(chǎng)施工安全控制及預(yù)警管理

0 引言

寧波市下應(yīng)南車輛段為軌道交通7號(hào)線與8號(hào)線合址共建車輛段，規(guī)劃用地面積約 60hm² ，總建筑面積約22萬 m² ，是寧波市規(guī)模最大的車輛基地。車輛段為單層框架結(jié)構(gòu)，其中聯(lián)合檢修庫層高為 13.5m ，其余部位層高為 9.5m 。施工期間起重吊裝設(shè)備主要為塔式起重機(jī)，塔機(jī)平面布置及選型主要依據(jù)作業(yè)范圍及起重吊裝能力確定，布置原則盡可能全覆蓋，減少盲區(qū)，同時(shí)減少群塔交叉，盡量降低獨(dú)立高度。項(xiàng)目共計(jì)部署塔式起重機(jī)46臺(tái)。在開展下應(yīng)南車輛段群塔作業(yè)時(shí)，標(biāo)段與相鄰標(biāo)段群塔相互影響，3臺(tái)以上交叉區(qū)域達(dá)到15處。另外，結(jié)構(gòu)施工高峰期，各標(biāo)段汽車起重機(jī)與塔機(jī)同場(chǎng)作業(yè)，進(jìn)一步提高群塔作業(yè)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)起重吊裝設(shè)備多，塔機(jī)、汽車起重機(jī)同場(chǎng)交叉作業(yè)問題，本文將梳理群塔現(xiàn)場(chǎng)施工的特點(diǎn)與潛在風(fēng)險(xiǎn)，介紹一種智慧群塔管理系統(tǒng)平臺(tái)，以有效對(duì)現(xiàn)場(chǎng)群塔交叉作業(yè)提前預(yù)警、減速和急停等工作。現(xiàn)場(chǎng)管理人員可以全過程參與群塔布置、安裝、使用和拆除，并對(duì)交叉作業(yè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度。

1群塔現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)與潛在風(fēng)險(xiǎn)

1.1 施工特點(diǎn)

1.1.1 高效性

要求多臺(tái)塔機(jī)同時(shí)工作，以更快地完成大型工程對(duì)水平和垂直運(yùn)輸作業(yè)的要求，從而提高效率并縮短工期。

1.1.2 復(fù)雜性

群塔施工由于塔機(jī)數(shù)量多，需要對(duì)多臺(tái)塔機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，施工管理相對(duì)復(fù)雜，需采取嚴(yán)格的安全措施來降低塔機(jī)作業(yè)中的風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.3 協(xié)同性

塔機(jī)在作業(yè)過程中要相互協(xié)調(diào)，需要考慮現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地的空間限制，要求各塔機(jī)之間的作業(yè)計(jì)劃、信號(hào)控制和安全距離必須具有良好的協(xié)同機(jī)制。在進(jìn)行群塔作業(yè)時(shí)，要求塔機(jī)之間實(shí)時(shí)共享施工數(shù)據(jù)和資料，以提高施工效率。

1.2潛在風(fēng)險(xiǎn)

綜合分析群塔作業(yè)時(shí)發(fā)生的安全事故，可將影響群塔作業(yè)安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)分為人員風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)和管理及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[]。

1.2.1人員風(fēng)險(xiǎn)

塔機(jī)操作員的技能水平和經(jīng)驗(yàn)將直接影響著群塔作業(yè)的安全，缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作員可能因?yàn)椴僮魇д`引發(fā)各類安全事故，例如操作員操作失誤、信號(hào)員指揮失誤和安全管理人員的失職等。若操作人員的安全意識(shí)淡薄，例如未按規(guī)定佩戴安全帽、安全帶等，也有可能影響群塔作業(yè)的安全[2]。

1.2.2 設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)

群塔作業(yè)時(shí)，每臺(tái)塔機(jī)設(shè)備必須滿足安全運(yùn)行的要求，塔機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定性將直接影響著作業(yè)的安全。塔機(jī)設(shè)備老化、零部件磨損、安全裝置失效和構(gòu)配件連接失效等因素都可能增加事故的風(fēng)險(xiǎn)。缺乏定期維護(hù)和保養(yǎng)的塔機(jī)設(shè)備容易出現(xiàn)故障，特別是關(guān)鍵部件如鋼絲繩、制動(dòng)器等的檢查和維護(hù)尤為重要。

1.2.3 管理及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

缺乏完善的安全管理制度，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管不到位，或者缺乏有效的應(yīng)急預(yù)案都有可能增加安全管理的漏洞，導(dǎo)致事故的發(fā)生或造成更大的損失。環(huán)境因素主要包括自然環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，施工作業(yè)時(shí)天氣環(huán)境惡劣（如大風(fēng)、大雨、大雪等），群塔布置不合理或施工現(xiàn)場(chǎng)總平面布置不合理，都有可能增大塔機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)[3]。

2智慧群塔管理系統(tǒng)平臺(tái)

針對(duì)下應(yīng)南車輛段群塔作業(yè)的施工特點(diǎn)和潛在風(fēng)險(xiǎn)，開發(fā)了一種智慧群塔管理系統(tǒng)平臺(tái)。該平臺(tái)主要由安全駕駛輔助系統(tǒng)和全生命周期塔機(jī)管理組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)作業(yè)的全方位智能化管控。

2.1安全駕駛輔助系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)組成

安全輔助駕駛系統(tǒng)具備“黑匣子”功能，可對(duì)塔機(jī)操作進(jìn)行人員鑒權(quán)，實(shí)現(xiàn)可視化信息全面掌控，實(shí)時(shí)記錄塔機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。安全駕駛輔助系統(tǒng)設(shè)備如圖1所示。

該系統(tǒng)能對(duì)塔機(jī)的碰撞提供實(shí)時(shí)預(yù)警與報(bào)警，提示操作人員注意，以保證塔機(jī)的安全。其主要功能涵蓋塔司管理、塔機(jī)安全運(yùn)行管理、吊鉤可視化，主要由顯示屏、數(shù)據(jù)通信、傳感器和吊鉤可視化等設(shè)備組成。設(shè)備性能參數(shù)如表1所示。

2.1.2塔司管理

利用人臉識(shí)別核驗(yàn)功能，保障塔機(jī)司機(jī)實(shí)名上崗并杜絕冒名操作。同時(shí)，該系統(tǒng)內(nèi)置AI行為分析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)司機(jī)的實(shí)時(shí)駕駛行為分析，包括抽煙、打電話、疲勞駕駛等的行為監(jiān)測(cè)，杜絕危險(xiǎn)駕駛行為，全面保障駕駛安全。

2.1.3塔機(jī)安全運(yùn)營管理

通過傳感器實(shí)時(shí)采集吊重、幅度、高度、環(huán)境風(fēng)速等多項(xiàng)安全作業(yè)工況數(shù)據(jù)，監(jiān)控塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。塔機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如表2所示。

利用三維立體防碰撞算法，將復(fù)雜的多機(jī)、三維空間、多自由度、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)問題，逐步拆解抽象為多個(gè)二維平面問題。基于塔臂旋轉(zhuǎn)速度和運(yùn)行方向的預(yù)判，結(jié)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行駕駛輔助，提示并協(xié)助塔司減速制動(dòng)，避免相鄰塔機(jī)發(fā)生碰撞事故。同時(shí)限制進(jìn)入高壓線控制區(qū)等危險(xiǎn)區(qū)域，從而提高塔機(jī)工作的安全性。塔機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作界面如圖2所示。

2.1.4塔機(jī)吊鉤可視化管理

在塔機(jī)吊鉤的可視化管理解決方案中，將高精度的攝像頭部署在起重小車上。該攝像頭采用抗風(fēng)壓、防塵防水設(shè)計(jì)，以確保在惡劣工況下仍能穩(wěn)定工作。攝像頭搭載高分辨率圖像傳感器與夜視增強(qiáng)功能，實(shí)現(xiàn)了全天候、無死角對(duì)吊鉤及吊載物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。塔機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控如圖3所示。

整個(gè)系統(tǒng)還支持遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理功能，通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線連接與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相連，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄與分析，為塔機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)、安全管理及效率提升提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

2.2全生命周期塔機(jī)管理

2.2.1 管理流程

全生命周期塔機(jī)管理涵蓋從塔機(jī)進(jìn)場(chǎng)至退場(chǎng)的全過程，包括進(jìn)場(chǎng)、安裝、驗(yàn)收、運(yùn)行、維護(hù)以及退場(chǎng)等環(huán)節(jié)。全生命周期塔機(jī)管理流程如圖4所示。

平臺(tái)建設(shè)在此管理模式下，注重塔機(jī)生命周期內(nèi)的全程監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，以確保其安全、高效運(yùn)行。同時(shí)，通過智能化維護(hù)方案延長(zhǎng)使用壽命，為工程項(xiàng)目提供全方位的可靠支持。

2.2.2BIM ∣+ 數(shù)字孿生賦能塔機(jī)管理

在建筑項(xiàng)目的規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段，借助BIM與數(shù)字孿生技術(shù)的深度融合，構(gòu)建起高精度的三維數(shù)字化模型[4]，將塔機(jī)集成至建筑生態(tài)系統(tǒng)中。BIM能夠在虛擬環(huán)境中預(yù)見性地設(shè)計(jì)并優(yōu)化每一個(gè)細(xì)節(jié)，包括塔機(jī)的布局、選型及與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)，極大地提升了項(xiàng)目的整體效率與精確性[5]。

數(shù)字孿生技術(shù)通過實(shí)時(shí)捕獲、整合并分析塔機(jī)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間中創(chuàng)造出一個(gè)與其實(shí)體一一對(duì)應(yīng)的、高度逼真的“孿生體”。這個(gè)孿生體可以精準(zhǔn)反映塔機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。這一結(jié)合BIM與數(shù)字孿生的管理方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)體塔機(jī)的全方位、多維度數(shù)字化映射，讓建筑項(xiàng)目的安全管理、運(yùn)營效率以及維護(hù)保養(yǎng)等方面更加智能化、精準(zhǔn)化。

BIM⁺ 數(shù)字孿生技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)全生命周期的數(shù)字化管理，通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和分析，提高塔機(jī)的運(yùn)行效率、降低維護(hù)成本，為建筑工程提供了更加智能、高效的塔機(jī)管理解決方案。塔機(jī)三維數(shù)字化模型如圖5所示。

2.2.3塔機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)

全生命周期塔機(jī)管理系統(tǒng)從全局維度出發(fā)，對(duì)所有的塔機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。系統(tǒng)可直觀反映塔機(jī)設(shè)備在指定范圍內(nèi)的離線次數(shù)、離線時(shí)長(zhǎng)、出違章次數(shù)、預(yù)警次數(shù)、報(bào)警次數(shù)、吊次統(tǒng)計(jì)、工作時(shí)長(zhǎng)。同時(shí)，可按周、月輸出塔機(jī)健康狀態(tài)報(bào)告，提供塔機(jī)安全維護(hù)依據(jù)。塔機(jī)運(yùn)行情況如圖6所示。

2.2.4塔司駕駛行為分析報(bào)告

塔機(jī)的“體檢報(bào)告系統(tǒng)”構(gòu)建了一套精密的監(jiān)測(cè)與評(píng)估機(jī)制，對(duì)塔機(jī)操作過程中的“人”與“物”兩大核心要素進(jìn)行全面審視，旨在從根本上提升塔機(jī)作業(yè)的安全標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)建立了駕駛行為量化評(píng)分體系，將塔司的每一個(gè)操作細(xì)節(jié)納入考量范疇。

借助先進(jìn)的身份識(shí)別技術(shù)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別塔司身份，并實(shí)時(shí)捕捉其駕駛過程中的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過智能分析，為每位塔司生成個(gè)性化的評(píng)分報(bào)告，涵蓋周度與月度總結(jié)，清晰展現(xiàn)其操作表現(xiàn)及潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。對(duì)于持續(xù)存在違規(guī)操作行為的塔司，系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)針對(duì)性安全教育流程，通過定制化培訓(xùn)材料、案例分析等形式，深刻剖析違規(guī)行為的危害與后果，引導(dǎo)塔司樹立正確的安全觀念。

3結(jié)束語

本文介紹了寧波市下應(yīng)南車輛段項(xiàng)目中的智慧群塔管理系統(tǒng)平臺(tái)，針對(duì)塔機(jī)交叉作業(yè)的安全問題，通過安全駕駛輔助系統(tǒng)和全生命周期塔機(jī)管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警管理。該系統(tǒng)具備塔司管理、塔機(jī)安全運(yùn)行管理、吊鉤可視化等功能，結(jié)合BIM與數(shù)字孿生技術(shù)，提升了管理效率與安全性。同時(shí)，該系統(tǒng)平臺(tái)通過全面數(shù)據(jù)整合與分析，可有效減少群塔作業(yè)中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，保障施工安全與工期。

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