塔机分布式安全评估辅助决策系统研究

(中国建筑科学研究院有限公司建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000)

由于塔机在施工中存在着许多不安全因素。所以塔机使用的安全性是工程上迫切需要解决的问题，一方面住建部规定超过一定服役年限的老旧塔机继续使用必须进行安全评估，另一方面我国现存超期服役的塔机保有量庞大且转场工作频繁，每年需要进行安全评估的塔机数量与日俱增。因此以更高效的方法进行塔机施工安全风险评估，对建筑工地安全生产具有积极的现实意义。

1 现阶段塔机安全评估概况

塔机的安全评估一般为评估人员在较为分散的评估现场，依据现行相关国家和行业标准完成检测。评估时首先进行数据收集、测量，然后经过计算汇总，分析得出塔机安全评估报告。在此过程中，需要大量手工计算与定性评价工作，评估效率不高。评估结果有3 种：合格、降级使用和报废。塔机产权人在负担安全评估费用的同时还要承受塔机报废结果，即使评估结论为降级使用，产权人也要承担降级使用中的风险，由此可见安全评估的经济性对塔机安全评估工作有较大影响，所以在保证塔机安全评估可靠性的前提下，降低评估成本、优化评估项目采用更先进的设备和方法完成评估工作显得尤为重要。

2 标准依据与评估要求

2.1 标准依据

GB 6067.1-2010《起重机安全规程 第1 部分：总则》从起重机的整机结构到各机构及零部件都制定了详细的评定标准。

GB 5144-2006《塔式起重机安全规程》规定了使用单位应为塔机安全评估提供塔机运行状态所需资料；同时规定了塔机结构件的报废及工作使用年限，为结构件安全检测评估提供依据。

GB/T 5031-2019《塔式起重机》为塔机整体稳定性和结构件连接的可靠性评估提供重要依据。

JGJ/T 189-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》对安全评估进行定义，规定了塔机需要进行量化评估的项目及安全评估机构的准入资质。

2.2 评估要求

GB 6067.1-2010《起重机安全规程 第1 部分：总则》、JGJ/T 189-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》等标准对塔机的安全评估项目做出详细规定，提出评估要求与量化指标。具体评估项目包括：塔机结构件壁厚判别、裂纹检验、结构件变形量判定、连接件磨损检测、应力检验、结构件连接方式可靠性检验等。

塔机分布式安全评估辅助决策系统主要按照JGJ/T 189-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》的要求，对各项评估项目进行逐项判定，检测被评估项目是否符合标准规定的合格条件，根据评估分析结果给出评估结论供评估人员参考，最终由评估人员根据现场情况和评估经验对评估结论进行修改并确认无误后，辅助决策系统按照JGJ/T 189-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》附录中列出的格式输出评估报告。

3 塔机分布式安全评估辅助决策系统架构

塔机分布式安全评估辅助决策系统由多个便携式评估终端和一个服务器平台组成（图1）。其中便携式评估终端由数据采集与信号调理单元、存储单元、操作和显示单元、通信单元组成；服务器平台由系统管理模块、评估分析模块和数据管理模块组成。便携式评估终端各组成单元之间通过CAN 总线传输数据，各组成单元内部数据交换采用SPI 总线，与服务器平台依靠通信单元集成的4G 无线通信模块进行数据传输。

图1 系统架构框图

3.1 便携式评估终端

便携式评估终端的功能是对评估现场的数据和图像进行采集、实现人机交互和评估报告输出。

1）数据采集与信号调理单元 采集应力传感器、超声波测厚仪、超声波无损检测仪、磁粉裂纹检测仪等外扩传感器或检测设备的数据信息，将模拟信号转化为数字信号保存到存储单元。

2）存储单元 用于保存便携式评估终端自身的数据、接收到的外部数据和图像，相关数据和文件可通过USB 接口导出。

3）操作和显示单元 用于登录系统、输入数据和操作命令、显示信息并进行人机交互。

4）通信单元 用于携式评估终端与服务器平台以及与其他外部设备通信。

3.2 服务器平台

服务器平台是辅助决策系统的核心部分，具备分析评估、项目管理、数据管理等功能。一方面对采集到的数据进行计算、评估分析，输出评估结果并将评估结果发送至便携式评估终端，另一方面保存、管理评估结果和过程性分析数据。

1）系统管理模块 辅助决策系统的控制和管理部分，实现对便携式评估终端的管理，包含系统登录、系统维护、流程设置、权限设置、项目管理等功能。

2）评估分析模块 接收便携式评估终端输入的数据，通过综合分析算法，综合评价塔机的安全状况，按照JGJ/T 189-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》要求的格式得出综合评估报告，并发送到便携式评估终端。

3）数据管理模块 用于管理已经评估过的或者正在进行评估的项目数据。

4 工作原理与评估流程

4.1 工作原理

便携式评估终端与服务器平台通信并新建评估项目，多个便携式评估终端可同时工作，以应对评估现场分散的问题，服务器平台为每个便携式评估终端新建的评估项目编号，便携式评估终端与服务器信息同步更新，服务器平台对每个新建的评估项目完成评估后将评估信息返回相应的便携式评估终端。

4.2 评估流程

1）打开新建的项目输入评估项目特征信息，内容包括“评估项目管理信息”、“设备基本信息”、“塔机主要技术参数”等。

2）对整机外观、安全装置、防护装置、电气系统等部分进行检查，输入检查数据并上传。

3）通过卡尺、卷尺、超声波测厚仪检测塔机重要结构件经过现场磨损腐蚀后的实际变形量、壁厚和损伤情况，测量连接件磨损量并通过便携式评估终端将测量数据上传服务器平台。评估分析模块在数据库中调用该型号塔机的数据模型结合采集到的其他信息对塔机进行力学分析，根据受力分析的结果将所有需要应力检测的重要结构件安全评估检测点编号并发送到便携式评估终端。

4）根据现场情况对辅助决策系统分析出的安全评估检测点进行筛选，选择必要的测试点，再使用超声波无损检测仪、磁粉裂纹检测仪对测试点进行应力检测、关键结构件焊缝无损探伤。

5）最后对整机进行载荷试验，将检测结果上传服务器平台。服务器端的评估分析模块经过综合评估算法处理，生成评估结论发回终端进行显示，经审核通过后输出评估报告（图2）。

图2 评估流程图

5 技术发展方向

在工程检测领域，大数据技术的使用可对事物之间的关联性信息进行深度挖掘。塔机施工的每个工作循环的监测数据均保存于被评估塔机所使用的“安全监控系统”服务器内，建立“安全监控系统”服务器与“安全评估辅助决策系统”服务器的数据访问机制，优化安全评估算法，使塔机施工全周期安全评估工作更具专业性。

JGJ/T 189-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》的实施对塔机的评估起到了指导作用，但规程未对塔机降级使用的年限做具体规定。“塔机分布式安全评估辅助决策系统研究”的使用能够广泛收集塔机结构件的锈蚀、磨损和变形量的检测数据，应力和裂纹检测数据，载荷试验状况数据等专业性极强的信息，将大量零散的有价值的信息和图像资料进行整合形成数据库，为进一步规范规定塔机降级使用年限提供支撑资料。为安全评估计算机仿真软件的研发积累基础数据。

塔机分布式安全评估辅助决策系统将JGJ/T 189-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》中所要求的检测要素、评估流程和计算过程软件化，优化了安全评估项目，节省人力资源和评估成本，提高了塔机安全评估的时效性、准确性。