基于物联网和BIM技术的塔吊实时交互安全监控平台设计

2020-09-25宋雪飞

建筑施工 2020年5期

宋雪飞

上海建工集团股份有限公司上海 200080

建筑施工过程中，垂直运输是影响工程进度和施工现场安全的重要因素。垂直运输过程中存在高处作业、交叉作业、碰撞、高空坠物、电气事故、机械故障、工人操作不当、不文明施工等多种风险隐患，上述原因引起的安全事故约占建筑业事故总数的85%左右。目前建筑业垂直运输作业的主要设备是塔吊，对塔吊进行有效的安全监控，可降低建筑施工事故率。以往的管控手段以现场教育培训和监督检查为主，无法实现异地精准管控，极易发生监管不到位。随着物联网和BIM等技术的发展，建立数字化安全监控平台成为对塔吊开展远程实时安全管控的先进手段。

1 监控平台系统结构模式

1.1 C/S结构

应用最早、技术最成熟的软件系统体系结构是C/S结构，即Client/Server（客户机/服务器）结构。C/S结构通常采取2层结构，客户端通过局域网与服务器相连，接受用户的请求，并通过网络向服务器提出请求，对数据库进行操作。但是，在塔吊数字化监控中，对多地协同远程操作及数据实时性要求较高。C/S结构对网络稳定性、数据传输可靠性、数据传输效率、客户端和服务器软硬件维护等要求较高。

1.2 B/S结构

B/S结构，即Browser/Server（浏览器/服务器）结构，是随着Web技术的发展，对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户界面仅需要通过浏览器界面即可打开使用，浏览器通过Web服务器同数据库进行数据交互，以满足当前的全球网络开放、互联、信息随处可见和信息共享的新要求。采用B/S结构，只要使用具备网页浏览功能的设备，在权限足够的情况下，均可访问、读取数据，编辑和控制监控集成平台。

1.3 C/S结构与B/S结构特点对比

C/S结构和B/S结构特点对比[1]如表1所示。

2 塔吊监测数据采集

塔吊监测数据的采用，可在塔吊各测点嵌入专用的传感器，传感器采集指定数据并上传至服务器。市场上已有成熟的传感器产品，可采集各种物理量数据，如应变测量传感器、液压伺服器顶升位移与液压的监测传感器、混凝土温度监测传感器（图1）。这些传感器采集的数据信号通过特制的无线通信装置（图2）实时上传至云服务器，供监控平台调用和分析。

表1 C/S结构和B/S结构特点对比

图1 各类传感器

图2 传感器数据无线传输设备

3 塔吊状态数据传输

由于塔吊工作时存在起重臂俯仰变幅、小车变幅、回转、自升、爬升等运动形式，现场监控数据无法采用有线方式进行传输。可采用基于远距离无线（Long Range Radio，LoRa）通信的方式，通过采集器和无线网关实现数据的无线远程传输。采集器可连接多个传感器，采集器通过LoRa通信方式将传感器数据向无线网关进行发送。每个无线网关可连接多个采集器，组成星形拓扑网络（图3），将采集器传来的数据进行汇总。但是，这种基于LoRa通信的星形拓扑网络因其传输原理容易发生通信冲突，造成数据的收发错误，影响数据传输的可靠性和准确性。特别是在测点多、工程覆盖范围大的情况下，需要以牺牲传输速率来扩大覆盖范围。这样会导致通信时长增加，使得通信冲突发生概率更高[2]。此外，无线传输必须采用电池供电，且因监测设备布置数量多，设备将随塔吊爬升而升高，电池更换较困难，如通信功耗过大，将对数据采集频率和监测寿命造成影响。因此，数据传输必须解决以下问题：

1）同信道下的网络通信机制问题。

2）多信道下的网络通信机制问题。

3）通信功耗问题。

图3 基于LoRa无线通信的星形拓扑网络示意

3.1 同信道下的网络通信机制

在LoRa方式下，网关和连接的采集器必须在同一信道下，无线通信模块才能正常通信。可采用自动通信时序控制，以保证各LoRa无线通信模块不会在同一时刻发送数据，从而避免无线网络中的通信冲突。采集器与无线网关建立通信连接，在无线网关内按通信连接建立的先后顺序对采集器进行编号，并将编号结果发送给对应的采集器，采集器将按序号顺序依次进行数据发送。

实施方式如下：

设相邻序号2个采集器通信数据发送时间间隔为Δt，无线网关连接的采集器总数为n，则n个采集器发送数据所需的总时间为ttotal＝nΔt。当单个采集器数据采集周期T大于ttotal时，即可保证不发生通信冲突。需要注意的是，此方法对于时间精度要求较高，需要在无线网关和采集器上均运行实时时钟，并在数据采集开始前进行时间校准同步。

将数据采集开始时刻设置为t0，对于序号为k的采集器，其第i次数据发送的时刻为=t0＋（i-1）T＋kΔt。

3.2 多信道下的网络通信机制

不同信道下的设备不能形成通信，但可以实现相互隔离，有效避免通信冲突。因此，可采用多信道LoRa通信方式解决现场网络规模限制问题。实现采集器与无线网关在现场接入网络之前，自动完成现场网络探查。现场的网络探查主要由两部分组成：无线网关主动建立互异信道；采集器自动连入空闲信道。以此实现同一现场多信道的使用。即：无线网关在现场网络条件下启动后，对现场网络情况进行探查，搜索各信道使用情况。根据获得的各信道使用结果，选择未被占用的信道。

3.2.1 无线网关自动跳频建立互异信道工作流程

1）无线网关在现场上电后，对现场网络内各信道逐一探查，在默认频率信道中向网关广播一条问询指令，等待答复。

2）收到消息的无线网关将作出相应回应。发出广播消息的无线网关如果收到回应，则说明当前信道已被占用。此时，无线网关设置LoRa通信模块在当前信道频率的基础上增加1 MHz，跳到新的信道上，并重复以上过程。

3）在规定时间内，若未收到任何网关的回应，则表明在当前信道没有其他网关占用，无线网关即可在当前信道进入正常工作状态。

3.2.2 采集器自动调频连入空闲信道工作流程

1）采集器上电后，对现场网络内各信道逐一探查，在默认频率信道中发送搜索网关指令，等待回复。

2）收到消息的无线网关将作出相应回应，回应消息中包含无线网关当前剩余可连接采集器的数量。

3）当采集器接收到剩余容量大于0时的无线网关回复，搜索结束。

4）若采集器在规定时间内没有收到无线网关回复，或回复消息中网关容量为0时，则采集器设置LoRa通信模块在当前信道频率的基础上增加1 MHz，跳到新的信道上，并重复以上过程。

5）若自动跳频规定次数后，仍未收到网关回复，说明在信号覆盖范围内未能发现正在工作的网关，则自动退出搜索过程。

为了保证连接可靠，当采集器收到无线网关发出剩余容量大于0的消息后，网关将会重复向采集器发送一条确认消息。如果收到采集器准确应答，则自动将采集器添加到无线网关自身的采集器列表中，从而完成无线网关与采集器之间通信链路的建立。

3.3 降低LoRa通信模块功耗

采集器在未上传数据时，LoRa通信模块进入“休眠-监听”状态。在此状态下，LoRa通信模块采用定时监听的方式，监听网络中的唤醒指令。无线网关在向采集器发送通信数据前，首先发送唤醒指令，唤醒采集器的LoRa通信模块。当采集器接收到有效的唤醒指令后，才会设置LoRa通信模块进入正常工作状态，直至整个数据包接收完毕。由于绝大部分时间采集器不发送数据，因此LoRa通信模块在大部分时间处于“休眠-监听”状态，从而有效降低通信功耗[3]。

4 塔吊状态三维轻量化交互

BIM 3D、4D技术可针对工程进度进行三维可视化分析和管理，在检查塔吊覆盖范围合理性、防止塔吊在工作和爬升过程中发生碰撞等方面具有明显优势。将现场采集到的塔吊工作数据导入BIM模型，使BIM技术与物联网技术相互融合已成为未来建筑业发展的一大趋势。因实时监控的数据量巨大且BIM模型对计算机图形处理能力要求较高，为保证塔吊安全监控的流畅性，对传感设备采集到的数据进行快速分析和反馈，摆脱对计算机硬件的依赖，必须对BIM模型进行轻量化处理。

将BIM模型导出为监控平台自有的bms格式，保存原有模型中构件的颜色、材质以及其他所有属性信息，通过转换平台打开、浏览、处理、调用模型，使运行以及显示bms模型的配置要求低于运行及显示原有BIM模型的配置要求。对相同属性构件只保留一个模型属性，其余模型只以编号来调用该构件，使BIM模型进行简化的同时保证较高调用速度和实时渲染性能[4]。

此外，通过ActiveX控件将三维窗口、时间轴、信息树等嵌入到自定义的个性化界面中，实现地理空间、标注、业务等信息的导入、编辑、处理与显示。

传感器实时获取的塔吊转角、吊重、大臂角度等参数，通过4G网络上传至监控集成平台数据库，并与模型进行关联，即可将现场塔吊的实时状态流畅地展现在远程终端[5]。