一种塔吊倾斜度智能监测系统的设计

张意，陈怡宏

一种塔吊倾斜度智能监测系统的设计

张意，陈怡宏

(重庆建工住宅建设有限公司重庆400015)

塔吊危险性高，如何实时监测塔吊倾斜状态是很多建筑施工单位重点关注的技术改造内容。本设计在充分研究塔吊垂直度与其安全关系的基础上，提出基于无线通信技术的塔吊防倾覆智能监测研究，设计出一套具有实时、现场和远程监控塔吊安全状态的系统，以构建具有预报和预警功能的建筑用塔吊安全监测机制。测试结果表明，该系统能够实时高效监测塔吊倾斜度，塔顶检测仪和地面监控仪能够有效改善和提高塔吊施工的安全性。

塔吊倾斜度；智能监测；塔顶检测；地面监控

引言

塔吊的设计、安装、维修和严格的使用管理机制对于塔吊安全至关重要，但人为操作的实时性、检测精度和生产效率很难达到预期要求，同时对塔吊安全检测和风险分析需要丰富的经验和相关知识，这对于多数现场施工操作人员较难实施。

由于无线监控装置安装方便、灵活性强、性价比高等特性，使得很多行业的监控系统采用无线监控方式，建立被监控点和监控中心之间的连接。但由于塔吊安全监测场地的特殊性和复杂性，目前还没有出现采用微电子技术和无线通信技术等技术相结合的塔吊安全监测的具体研究成果。如果能够将微电子技术、无线通信技术和数据感知、处理技术有效应用到塔吊安全监测中，无疑会显著提高建筑施工的效率和降低安全事故发生的风险。

1 整体方案设计

本项目主要研究基于倾角传感器和加速度传感器的塔吊实时监测系统，用以提高塔吊施工过程的安全性。塔吊实时监测系统结构如图1所示。

图1 塔吊实时监测系统结构

倾斜度检测仪用于分析塔吊在X，Y两个方向的倾斜程度，为保障测量准确和提高可靠性，采用两套传感器以正交位置安装，各传感器同时获取x，y方向的倾斜角度，利用数学算法实现测量倾斜角度冗余数据处理，一方面提高数据可靠性，另一方面用于判断是否存在传感器工作异常。

2 倾斜角度测量基本原理

在测量倾斜角度的应用中，通常采用对陀螺仪输出求解积分获取角度，该方法虽然简单，但随着积分周期的增加，测量误差会逐步加大；此外，陀螺仪测量的实时性与测量精度在工程中较难处理。针对塔吊倾斜测量的特殊性：响应速度快，测量精度要求高，以确保塔吊在工作时，其倾斜角度必须位于安全范围内，一旦超出极限值，测量仪必须以最快速度报告现场操作员和监控中心。为此，采用三轴加速度测量方法获取两轴倾斜角度。单轴倾斜角度测试基本原理如图2所示。

图2 单轴倾斜角度

图2中，倾斜角度可用式（1）计算得到。

单轴测量稳定性较难处理，为获取较好测量效果，采用两轴测量加速度获取倾斜角度，基本原理与式(1)类似，倾销角度计算如式（2）所示。

显然要同时获取x，y轴两个方向的倾斜角度，只需同时测量3个方向的加速度即可，计算模型如式（3）所示。

为快速准确获取塔吊工作中的倾斜状态，本设计采用2套三轴加速传感器测量芯片，通过32位的高速ARM处理器快速分析、计算得到结果。

3 倾斜系统硬件设计方案

针对塔吊倾斜检测，一方面需要通过传感器实时获取塔吊倾斜角度并在本地进行显示和报警管理，另一方面，为提高安全管理水平，需要将塔吊实时倾斜状态反馈到地面监控中心，因此，系统包括两大部分：塔顶检测仪和地面监控仪。

塔顶检测仪硬件电路主要包括电源处理模块、倾斜角度测量前端电路模块、处理器电路模块和无线通信电路模块，其组成结构如图3所示。

图3 测量仪硬件设计方案

电源处理模块一方面为传感器检测电路提供极低纹波的稳压电源，确保信号处理电路可靠工作，另一方面需要向处理器电路、无线装置与报警装置提供驱动电源。信号处理电路完成信号的滤波、放大和数模转换，将传感器信号变换成处理器能够识别的数字信号。处理器电路主要实现传感器信号的分析与处理，如分析两套传感器测量数据的关联性，提高测量精度，分析各个传感器是否正常工作，同时，当某一个传感器失效或者塔顶倾斜超过设定的安全范围，通过本地报警装置发出报警信号，同时以无线通信方式通知地面监控中心。塔顶检测仪的无线通信装置主要用于地面监控中心与塔顶实时通信，将地面监控仪设置参数发送到塔顶检测仪，塔顶检测仪将实时测量数据已经工作状态反馈到地面监控仪。

地面监控仪的主要任务是负责设置塔顶检测仪的相关参数并以无线方式发送到塔顶检测仪，同时，接收来自塔顶检测仪发来的实施测量数据和报警信号等。因此，其硬件组成由电源模块、处理器模块和无线通信模块三部分。其组成结构如图4所示。

图4 地面监控仪硬件组成结构

地面监控仪在接口上只比塔顶检测仪少传感器接口，其主要功能是以无线通信方式实现与塔顶监测仪通信，获取检测仪的测量参数或者设置测量报警参数。

4 倾斜系统软件设计方案

塔顶检测仪一方面需要实时测量两轴倾斜数据，通过ARM处理器和数据融合算法，分析测量数据的关联性，判断两个传感器是否工作正常。当两个传感器处于正常工作状态时，由处理器计算获取最终各个轴的倾斜角度值，一方面将该数据与设置报警参数比较，判断是否需要发送报警信号。如果该次测量的倾斜角度数据处于安全值范围内，则控制器只需将本次测量值以无线通信方式发送到地面监控中心；如果测量的倾斜角度数据超出安全范围，控制器需要同时发送测量数据并发送报警命令给地面监控中心，并打开本地报警装置。由于不同施工阶段，不同应用场合，塔顶倾斜角度安全范围有所不同，根据地面监控仪发送的参数修改命令，塔顶检测仪可以动态修改各个参数。塔顶检测仪软件流程如图5所示。

图5 塔顶检测仪软件流程

地面监控仪其软件功能相对较小，主要功能是周期性向塔顶检测仪发送握手命令，确保通信联络正常，其次是向测量仪发送参数设置命令和相关参数值。当通信联络正常后，监控仪将接收来自检测仪的测量参数和各个传感器的健康状态，并通过显示屏显示相关参数与状态。

5 测试验证

本次设计的塔顶检测仪测量精度为0.01度。由于安装位置本身存在倾斜偏差，因此，测量仪初始角度通常在0.5度左右。考虑到塔顶监控仪与地面监控仪操作环境和操作人员的不同，塔顶检测仪没有参数设置功能，避免操作工人误操作，系统所有参数设置由地面监控仪完成，并通过无线通信传输到塔顶监控仪。塔顶检测仪与地面监控仪实物如图6和图7所示。

其中，图7中所示的地面监控仪触摸屏中显示为白底黑字有两处“报警参数”和“时间”，代表可以设置报警参数和系统工作时间。X、Y轴报警参数设置范围为±10度，通过触摸功能可以按最小步进单位0.1度进行上下限调整。系统默认报警参数为±5度，即X轴正向、X轴反向极限倾斜为5度，同样Y轴正反向极限倾斜为5度。任何一个方向测量结果超过该参数，塔顶检测仪和地面监控仪均要报警。

图6 塔顶检测仪实物

图7 地面监控仪实物

6 结论

本系统经过长时间测试，各装置工作正常，可以进行现场安装运行。通过该系统的运行，可以方便实现塔吊倾斜预警监测，改善和提高建筑施工现场安全等级，特别是对于无人监管的建筑塔吊的倾斜状态的监测具有很高的实用价值。项目后期研究任务，将该系统在施工现场进行安装、测试并改进。

责任编辑：余咏梅

施工经验

预防现浇板裂缝的“十八字”施工措施

1裂缝现象和产生原因

经过对被投诉的住房进行走访和查看，现浇板产生裂缝的原因有以下几个方面：(1)混凝土的水灰比过大，表面产生蜂窝、裂缝，现在普遍使用泵送混凝土，坍落度大，材料中细颗粒偏多，水泥用量大，易引起收缩裂缝。(2)模板支撑系统刚度不足或模板支撑系统拆除过早，引起混凝土下坠，致使构造筋和负筋移位。(3)现浇板钢筋的混凝土保护层厚度不足，导致其开裂。(4)混凝土养护不当，失水过多。(5)过早施加荷载，在结构施工阶段出现施工荷载大于使用荷载的情况。

2“十八字”预防措施

抓材料：不合格材料不得使用。混凝土应选用合理的配合比和外加剂。对于预拌混凝土，注意其坍落度的控制，严禁现场加水搅拌。

控位置：保证模板、钢筋位置准确。模板支撑系统的设置须经过严格计算，适当减小立杆间距，减小和控制模板下挠程度，控制模板顶和混凝土顶标高。浇筑时用"十"字形钢筋构件测量板厚，保证现浇板厚度符合设计要求。严格控制板面钢筋的保护层的厚度，采用钢筋马凳和砂浆垫块来固定钢筋的位置，垫块布置应科学合理。

精浇捣：注意混凝土浇捣顺序和质量。泵送混凝土应在2～3 m范围内水平移动布料，错开每层下料位置，认真计划浇筑顺序，大面积板采取"跳仓"方式浇捣。浇捣时振捣棒应快插慢拔，根据不同的混凝土坍落度和现场温度正确掌握振捣时间。避免过振或漏振，严禁用振捣棒横拖赶动混凝土拌合物。采用二次振捣和二次抹压技术，改善骨料界面结构，提高混凝土密实度和强度。

重养护：混凝土浇筑后及时浇水并覆盖，必要时用塑料薄膜遮盖养护，保证楼板混凝土的湿润环境，控制混凝土硬化过程中因干缩而引起的收缩裂缝。

慢上人：严格控制新浇混凝土楼板上人和堆载时间。混凝土浇筑后保证3 d的技术间歇时间，严禁集中堆载，避免人为破坏产生裂缝。

缓拆模：控制拆模时间。按规定混凝土强度达到设计强度的75%以上才可拆模，为避免施工荷载对现浇楼板的影响，待上层楼板混凝土浇筑并达到一定强度后方可拆除下一层楼板模板。

Designing An Intelligent Monitor System for Tower Crane's Inclination

There are high risks with tower cranes,how to monitor instantaneously inclined state of tower crane is a great concern that is paid attention by all construction technicians.On the basis of a thorough study of the vertical relationship of tower crane and its safety condition,the design of a tower crane anti-overturn monitoring alarm was tried which is conducted on the basis of wireless communication technology.It is a real-time,on-site and remote monitoring tower crane safety state system and its purpose is to build tower crane safety monitoring system with forecasting and early warning function.The results show that the system can monitor instantaneously the inclination of tower crane.What's more,the top of the tower detecting instrument and the ground monitor can effectively be improved and the safety of tower crane construction is accordingly enhanced.

inclined state of tower crane;intelligent monitor;top of the tower detection;ground monitor

TU731文献标识码：A

1671-9107（2012）03-0050-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.3.050

2011-11-15

张意（1981-），男，工程师，硕士研究生，主要从事科技质量管理工作。