分布式缆索起重机安全监控系统设计与实施

张方博 闵志华

(1.中铁一局集团桥梁工程有限公司，重庆 401121； 2.上海睿技土木工程咨询有限公司，上海 200092)



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分布式缆索起重机安全监控系统设计与实施

张方博1闵志华2

(1.中铁一局集团桥梁工程有限公司，重庆 401121； 2.上海睿技土木工程咨询有限公司，上海 200092)

针对缆索起重机的结构特点和使用特点，设计并研发了分布式缆索起重机安全监控系统，通过短距连接分布式数据采集端和传感器端，将各类模拟量和状态量转换为数字信号传输到显示控制终端进行显示、存储，能够有效地测量相应的监控数据。

缆索起重机，安全监控系统，数据采集，视频监控系统

1 概述

缆索起重机(简称缆机)是一种以柔性钢索作为大跨距支承构件，兼有垂直运输和水平运输功能的特种起重机械。缆机在混凝土大坝工程、渡槽架设、桥梁建筑、码头施工、森林工业、堆料场装卸、码头搬运等方面具有广泛的用途，还可配用抓斗进行水下开挖作业。

缆索起重机的主要受力构件有塔架系统、塔架稳定系统、绳索系统、索鞍、起重天车、卷扬机系统、锚固系统、电气系统、安全监控系统等部分。

缆索吊机由于其具有载荷多变、机构复杂、结构跨度大等特点，具有安全风险高，管理难度大，并且一旦发生安全事故，将带来极大的损失。

1.1 缆索起重机安全监控系统现状

依据GB/T 28264—2012起重机械 安全监控系统,对于缆索起重机，其安全监控系统主要应监测起重量限制器、起升高度限位器/下降深度限位器、运行行程限位器、联锁保护安全装置、门限位、机构之间的运行联锁、风速仪装置、操作指令、工作时间、累计工作时间、视频系统等内容。

1.2 缆索起重机安全监控系统的不足之处

依据GB/T 28756—2012缆索起重机的内容，对于缆索起重机的安全监控系统过于强调对起重机吊装过程的监控，对天车的运行高度、行程、重量、风速、偏斜等进行了监测。

但对于缆索起重机而言，其关键受力构件，还应该包括有塔架、缆索系统等的受力情况，尤其是在山区桥梁修建过程中的塔架高度较高，其塔架和承重索的受力状态也是非常关键的受力构件，因此建议增加对塔架和缆索系统的安全监控。

对于塔架的安全监控应侧重于对塔架在空载和负载下受力、水平位移和垂直位移的监测，考虑到实际中传感器的安装方便的程度，可以采用测量塔架倾斜角的方式来进行安全监控，当塔架在空载和负载情况下时会出现倾斜，基于倾斜角的大小来判断塔架的安全度。

对于承重索系统的受力状态可以通过在承重索上安装起重量传感器来测量承重索的索力，通过测量得到的索力的变化来判别承重索的安全状态。

2 分布式缆索起重机安全监控系统研发

针对缆索起重机的安全监控系统的实际需求，考虑到缆索起重机具有跨度大，控制机构和工作机构之间距离较远，传统的集中式安全监控系统在现场难以实施等特点，拟采用分布式安全监控系统，实现对缆索起重机运行状态的全方位监测、多种不同危险的预警以及运营作业的信息化管理，能够有效提升起重机的安全水平和运营效率。

分布式起重机安全监测预警系统由安装在起重机上的分布式数据采集系统和视频监控系统、安装在远程管理中心的区域起重机械信息管理平台三部分组成。

分布式数据采集系统由带动态显示的主机、分布式数据采集盒、分布式控制盒以及多种不同类型的传感器(行程传感器、高度传感器、起重量传感器、风速传感器、水平传感器)等组成，能够实时采集并显示起重机的运行状态。

视频监控系统由分别布设在起升卷扬机、后锚、吊钩、运行轨道、操作室、塔架处的安装摄像头以及操作室的显示器、操作摇杆构成，用于监控起重机的吊重状态。

区域起重机械信息管理平台能够实现对区域多个项目工地、多类起重机运营信息以及安全状态的实时管理，便于实现区域起重机远程信息化管理的需求。

2.1 分布式数据采集系统

分布式数据采集系统需要实现对现场的各种模拟量、状态量信息的采集、显示、存储和报警等功能。若对模拟量和状态量信号进行集中采集，则必然会遇到信号衰减大、易于受到噪声干扰等问题，因此将分布式数据采集系统可以分为分布式控制端、采集端和传感端，控制端由分布式控制器构成，采集端由分布式采集盒和控制盒构成，传感端由各种不同类型的传感器所构成。

传感器端和数据采集端之间采用屏蔽线缆连接，数据采集端和分布式控制端之间采用Zigbee连接、CAN总线或者网络信号连接，能够有效减少信号的干扰，提升测量数据的准确性。以2天车缆索起重机为例，分布式数据采集系统的连接状态见表1。

表1 分布式缆索起重机安全监控系统连接表

2.2 视频监控系统

视频监控系统能够有效扩展操作人员的视野，同时也能达到人员检修不易接触的区域，但缆索起重机存在跨度空间大、距离长等特点。

传统的视频监控系统主要是基于同轴电缆进行连接，线缆需要跨越整个缆索吊，现场线缆长度大，布线工作困难，存在信号衰减、易于受干扰等问题，因此综合选用高清网络摄像头+无线网桥的传输解决方案。此方案能够有效减少施工现场的线缆连接数，减少外部噪声对信号的干扰，提升视频监控的效果。

2.3 起重机远程信息管理平台

为了能够实现对现场的起重机进行远程管理，同时也为了能够远程对区域内的缆索起重机的运行状态进行实时监控和管理，及时掌握区域内多台起重机的运行状态，为此需要建立起重机械远程信息管理平台。

起重机械远程信息管理平台通过在管理中心内布置服务器、数据库、路由器、防火墙等网络设备，并基于ASP.net编制了系统管理平台软件。

起重机械远程信息管理平台的主要功能如下：1)能够实现实时、动态、远程地对起重机状态进行监测；2)依据起重机的运行状态提供起重机运行状态报表，实现起重机区域监督和管理；3)实现对起重机运行状态异地监控、远程控制；4)系统具有起重机信息查询、监测数据查询、报警起重机查询、运营报告管理、系统信息设置、系统管理等功能。

2.4 系统特点

基于分布式的缆索起重机安全监控系统的主要特点有：

1)通过减少数据采集端和传感器之间的距离，将多种模拟量和状态信号转换为数字量信号，并通过Zigbee网络或者总线网络将各传感器的信号传输到分布式控制终端进行数据显示、存储、报警灯，实现了对起重机各种运动量的准确测量、记录，能够有效减少现场的布线工作量和现场各种噪声干扰对信号的影响；2)通过分布式采集系统和远程信息管理平台系统能够实现起重机司机、项目部、远程管理者等三层次的对缆索起重机安全状态的管理需求，有效提升了起重机的安全性能和信息化管理效率；3)通过在塔架等处布置高清视频监控系统即可以扩展司机的操作视野。

3 工程案例

3.1 夜郎河大桥概况

渝黔铁路夜郎河双线特大桥桥梁中心里程为DK136+589.00，桥梁全长1 120.8 m。主桥采用1-370 m 上承式钢筋混凝土X 形(提篮)拱桥。引桥及拱上孔跨布置为5-32 m预应力混凝土简支T 梁+4-38 m 钢混连续结合梁+3-38 m 钢混连续结合梁+4-38 m钢混连续结合梁+16-32 m 预应力混凝土简支T 梁。桥上线路为双线，线间距为5.0 m，全桥位于直线上,大里程桥端部分位于竖曲线上，其他位于平坡上(见图1)。

由于夜郎河大桥具有跨度大、施工周期长等特点，因此从结构吊装的角度选用缆索吊机系统。本桥设计缆索吊机为4×50 t 缆索吊机，净吊重为200 t，采用跨径组合24.2 m+548.46 m+150.21 m。其结构主要由缆索系统(承重索、牵引索、起重索)、起重小车、锚碇、塔架(含索鞍、承马)及风缆、动力系统(牵引卷扬机、起重卷扬机、横移机构)等五部分组成。

为了保证大桥在施工过程中的稳定性、安全性，项目指挥部组织相关厂家设计了分布式缆索起重机安全监控系统，并于2015年4月开始安装。

3.2 安全监控系统总体解决方案

结合夜郎河大桥的实际特点，缆索起重机安全监控系统总体方案如下：

1)对缆索吊机的四个吊重天车的行程位移、吊钩高度、起吊重量、环境风速以及起重机的安全限位、操作指令等信息基于研发的无线数据采集系统，该系统数据显示终端安装在重庆侧的操作室内，并配备远程数据传输设备，将监控信息传输到远程监控管理平台上，实现现场、项目部、总部等3级管理模式。现场各个传感器安装图见图2。2)在两侧锚点、控制室附近均安装红外高清枪机(共3个)，观察锚点、控制室情况。在索塔顶部布置变焦摄像头(共2个)、塔架两侧分别布置360°高清透雾摄像头(共2个)，对索鞍横移及现场吊装过程全景进行监控。分别在操作中心和观景平台布置遥控手柄，通过布置无线网桥将贵州侧锚点摄像头、重庆侧塔架变焦及高清摄像头等监控点的监控图像传输到控制室，由控制室传输到操作室最终传输到观景平台，将贵阳侧塔架摄像头的监控图像直接传输到观景平台。3)在贵州侧观景平台处架设4台46寸拼接显示器，并配备控制手柄，将9画面摄像资料在总监控室实时显示。

3.3 软件设计界面

系统软件界面可以分为主界面、参数设置界面和历史数据界面等不同功能界面。系统主界面能够直观显示缆索起重机的工作状态和各监测量的实时监测数据(见图3)。

4 结语

为了有效提升缆索起重机的安全管理水平，同时结合缆索起重机的结构特点，研发了分布式缆索起重机安全监控系统，并在夜郎河大桥上成功应用，取得良好的应用效果，主要结论如下：

1)分布式安全监控系统具有现场施工周期短、抗干扰能力强、系统配置灵活等特点，能够广泛应用于各类复杂起重机安全监控系统中；2)实现了对缆索起重机的三层次管理模式，有效的解决了公司后台级管理、项目级管理及区域级管理的不同需求，大大提升了管理效率；3)结合缆索起重机的实际受力特点，扩展了缆索起重机的安全监控内容，实现了对缆索起重机更为全面的监控；4)分布式缆索起重机安全监控系统在夜郎河大桥上获得成功应用，表明该系统具备良好的实际应用效果。

[1] 王东辉.重庆菜园坝长江大桥4200kN缆索吊机设计[J].铁道标准设计，2008(9)：33-37.

[2] 王祥宇.米家山大桥缆索吊装系统的设计及安装[J]．中国西部科技，2011,10(9):39-40.

[3] GB/T 28264—2012，起重机械安全监控系统[S].

[4] 杨继雪，李 丽.门座起重机网络安全监控管理系统[J].起重运输机械，2012(10):75-77.

[5] GB/T 28756—2012，缆索起重机[S].

Design and implementation of safety monitoring system of distribution-style cable crane

Zhang Fangbo1Min Zhihua2

(1.ChinaRailway1stBureauGroupBridgeEngineeringCo.,Ltd,Chongqing401121,China; 2.ShanghaiRuijiCivilEngineeringConsultingCo.,Ltd,Shanghai200092,China)

According to cable crane’s characteristics and uses, design the distributed monitoring system of cable crane. Set up a short connection between data collector and sensors, convert the analogue data and states of the sensors to digital data. Sending the converted data to computer terminal and store them, then we can monitor the cable crane’s working.

cable crane， safety monitoring system, data acquisition, video monitoring system

1009-6825(2016)10-0234-03

2016-01-24

张方博(1979- )，男，工程师； 闵志华(1982- )，男，副教授

TH218

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