基于物联网的塔式起重机安全监测系统应用研究

2021-12-16胡敬铨王文龙张晓曦

福建建筑 2021年11期

胡敬铨王文龙张晓曦陈洁

(1.永富建工集团有限公司福建福州 350008；2.福建诚恒意建设有限公司福建厦门 361026；3.福建省特种设备检验研究院福建福州 350008)

0 引言

塔式起重机作为主要物料运输机械装备，在房屋建筑和桥梁施工等工程中得到广泛应用。

近年来，在一些大型桥梁和高层、超高层建筑等大型建筑的建设中，塔式起重机在施工中的作用越来越大，并需要不断地重型化和大型化。起重机工作时，容易受到各种环境因素、起重物和起重力矩等因素的影响，引发事故的发生[1]。当前塔式起重机缺乏有效且简便的监控技术手段，管理和维护不足，安全部件失效，个别工作人员甚至违规进行作业，因而安全事故时有发生。如何通过高科技手段，提高塔式起重机安全性和可靠性，已成为从业人员关注的焦点[2]。

建立有效且简便的在线监测系统，监测塔式起重机的运行状态已事不宜迟。为实现塔式起重机工作时的远程安全监测,减少人员从业风险，应用物联网在线监测技术，研究智能化的塔式起重机管理和故障监测系统，对超载、短接电路、金属结构腐蚀、超速等安全风险进行严密有效的监控。该系统是进行监测塔式起重机违规作业、事故快速处置、故障及时救援、塔式起重机信息交流及运行状况统计分析的重要窗口[1-3]。利用物联网的技术，构建起重机安全监测网络，可以减少安全隐患，减少事故的发生，保障人员和设备的安全。因而，研究塔式起重机实时网络监控，建立有效且简便的系统，有着重要的现实意义和社会价值。

1 系统功能定位

运用物联网技术，建立塔式起重机的安全监控系统服务。为实现塔式起重机发生故障时的实时传输和塔式起重机运行时的数据采集等功能，主要服务功能有[3-5]：

(1)实时运行状态监测：要求系统对塔式起重机安全作业时的工况数据，诸如起升速度、起重力矩、变幅幅度、环境风速和回转角度等进行采集，对塔式起重机起重量限制器等安全装置的运行状态进行监测，全面了解塔式起重机运行信息。

(2)故障实时显示：以数值和图形的方式在显示屏上，显示出塔式起重机当前的工作参数和额定的工作参数。

(3)故障实时报警：通过测量值和给定报警阈值相比较，在临近额定限值时，发出声光报警和预警。

(4)故障应急处置：当塔式起重机的工作状态发生异常时，系统会自动与监控中心进行联系，可以24小时接听、指挥、处理与塔式起重机安全运行相关的咨询等信息。

(5)日常作业监控：实现对塔式起重机全作业流程化与信息化管理。基于人工智能技术对塔式起重机安装与拆卸作业不安全行为自动识别和预警，通过系统可自动识别塔机安装、拆卸和顶升作业过程中安全交底地点、交底内容广播、作业动作、风险自动广播预警的安拆管理系统，如果发生违规操作，系统会发生告警，可以利用APP的消息推送或短信等方式，实时地告知工作人员对应地报警内容。

(6)远程可视化监控平台：系统安全运行时，基于GIS技术，对系统进行可视化远程监控，将塔机运行的实时数据等传送至平台。

(7)数据追忆：当塔机发生故障时，可在系统上查询塔式起重机事故发生时的运行状态等信息，有助于调查事故过程，提供证据。

(8)统计分析：在系统上查询统计分析的模块，或开放数据接口；采集塔式起重机工作时的数据信息并进行分析和统计，推断塔式起重机运行时常见的故障类型和其发生的概率，对塔式起重机的性能进行测评，有效预防故障的发生。

2 系统网络拓扑结构构建

通过分析以上的功能定位，塔式起重机的监测系统是基于无线传感网络、数据采集技术、远程数据通信技术、传感器技术、数据融合处理和嵌入式技术，实现高效率的建筑塔机运行状态安全监控与声光预警报警等功能，以及实时动态的远程监控、远程报警和远程告知，从技术手段上保障了对塔机使用过程和行为的及时监控、切实预警、控制设备运行过程中的危险因素和安全隐患，有效地防范和减少塔机安全生产事故发生[2]。根据塔式起重机安全监控系统功能定位和技术，构建如图1所示的基于物联网的塔式起重机安全监测系统网络拓扑结构[5-6]。

图1 塔式起重机安全监控网络拓扑结构[5-6]

由图1可以看出，系统的结构可以分为5层：

第一层为感知层。感知层主要采集塔式起重机正常运行时的状态信息和发生故障时的状态信息，并运用逻辑判断对塔式起重机的实时工作状态进行判断，然后发送当前的状态信息等信号到下一层中的服务器。该层主要的设备是数据采集器、监控终端和传感器。

第二层为网络层。网络层主要负责塔式起重机实时运行时信息，以及对报警信息进行传输，并在数据服务中心中记录相应的数据信息，和故障报警信息的传输，同时在数据中心服务器中存储相应的数据。该层主要由有线数据网络或运营商的无线及数据中心服务器组成。

第三层为应用层。主要功能是监控和管理，对物联网的设备进行计算。其中包括塔式起重机安装单位系统、使用单位系统以及应急救援系统等。该层主要由塔式起重机运行状态监测软件、移动智能终端、客户端电脑，和部署在数据中心服务器上的软件中间件等构成。

第四层为协议层。协议层有个标准协议接口，相关企业的各个应用，可以通过数据协议，与监控层进行数据上的通讯。系统采用开放式的标准数据通讯协议，满足其协议的厂家均可接入其监管层。

第五层为监管层。主要包括5个应用：日常监管查询统计、应急救援查询统计、全监测抽查、塔式起重机故障查询统计。通过对决策支持系统等与安全监察相应的业务应用的评价，监管层可以按照规定的数据传送，实时读取各塔式起重机运行时的相关数据。

3 应用实践

塔式起重机在桥梁工程、房屋建筑、核电建设、市政工程等行业应用广泛，属于一种非连续性搬运重型机械。当塔式起重机运行过程中发生超载、超速等安全隐患时，基于物联网的塔式起重机安全监控系统，利用传感器采集数据信息并传输到系统中，设置告警的响应等级，并根据不同的等级发出相应的告警。发生故障时，记录相应的视频和语音信息，通过物联网传输到远程监控平台和监测管理机构。图2为在建筑安装现场的塔式起重机的在线监测系统应用原理图。

利用在前端的传感器，将采集的数据信息实时传输至平台，并根据设置的响应级别，发出相应的预警。同时，当聚氯塔式起重机发生异常时，其视频信息和语音信息将通过物联网激素及时传输至监管机构或远程监控客户端。在建筑安装现场的塔式起重机在线监测系统应用原理图，如图2所示。可以看出，系统采用振动等传感器采集塔机运行时的参数信息，同时收集异常的工作信息，最后通过远程传输至监管平台的设备管理者与维保人员。