一种智能化脚手架安全实时监测系统设计

2022-02-04汪丹丹张美微

重庆科技学院学报（自然科学版） 2022年6期

汪丹丹张美微

(1. 安徽矿业职业技术学院，安徽淮北 235000；2. 安徽理工大学，安徽淮南 232000)

0 前言

随着我国基建工程化的飞速发展，各种大型高层建筑、公路桥梁、水库大坝以及异形建筑等日益增多。脚手架作为最常用且最主要的施工辅助设施，其结构体系的监测与管理对工程施工安全以及施工人员的安全至关重要[1-2]。人工巡检脚手架存在诸多弊端，本次研究对常用脚手架的框架结构进行了分析研究，利用智能感知、无线通信以及远程视频监控等技术[3-5]，设计了一种智能脚手架安全实时健康监测系统。

1 脚手架的结构

在监测系统方案设计前，需对脚手架结构受力的特性进行分析，明确脚手架的事故成因和其构件节点的对象特性，针对性地选择监测要素。

工程所用的扣件式脚手架是将若干杆件通过扣件连结并与地基整合在一起，以承载荷载的多层临时空间体系结构设施[6-7]。扣件式脚手架是区域性结构装置，适用高度范围一般在几百米以内，其结构示意图如图1所示。脚手架的稳定性和安全性受杆件自身强度、搭设方式、节点连接、荷载大小等因素的影响。

图1 扣件式脚手架结构示意图

1.1 杆件自身强度

各类杆件的自身强度是保障脚手架框架体系整体结构稳定的基础。实验结果表明，单根立杆的稳定承载能力大于整体，脚手架是组合结构，其整体稳定承载能力的衡量标准为整体稳定系数。

1.2 搭设方式

脚手架是依靠保持自身原有的几何形状和位置来保持稳定承载性的装置。各构件都有其特有的搭设方式：立杆主要用来承载与传递竖向荷载；纵横水平杆与连接在一起的立杆共同形成纵横向框架体系，以保证脚手架纵、横向的稳定；剪刀撑用来约束脚手架的纵向水平位移，以保证其纵向几何不变；横向斜撑用来约束脚手架的横向水平位移，以保证其横向几何不变。

1.3 节点的连接

脚手架框架的节点以扣件的形式连接，其节点的转动刚度与扣件的松紧程度相关，节点连接越紧，脚手架的压杆和两端固定的连接形式越接近，立杆的临界承载力越高。节点拧紧力要考虑结构材料的承载能力，同时由于脚手架扣件与钢管的多次周转使用，钢管会产生不同程度的锈蚀与磨损，这直接影响着脚手架整体的抗失稳能力。

1.4 荷载

荷载是影响脚手架稳定性的最直接因素，荷载通过受力杆件传递到地基和连接墙体，作用于脚手架的荷载分为永久荷载和可变荷载。永久荷载一般包括架体自重以及配件重量；可变荷载包括施工人员、所用器具材料重量以及风荷载等。

2 健康监测系统架构

在脚手架搭建完成至拆除的整个生命周期中，可选择在关键的节点部署不同类型的传感器，以感知脚手架在不同荷载条件下各参量的变化，通过分析其形变和受力情况提供不同安全等级的划分与预警。通过远程视频监测设备对脚手架的施工过程进行监控，并对施工情况进行实时把控。脚手架实时安全监测系统的总体设计可划分为采集监控层、汇聚传输层、管理应用层等3个层次，脚手架健康监测系统整体组织架构如图2所示。

图2 脚手架健康监测系统整体组织架构图

2.1 采集监控层

数据采集与监控是整个监测系统的基础需求，也是数据的来源。采集系统通过无线传感器来感知脚手架各类构件部位物理量(压力、荷载、位移、倾斜等)的信号变化，并负责将数据信号通过各种通信协议(GPIB、RS485、RS232、USB等)转换输出。监控系统利用网络摄影机对施工场景进行视频信号的获取。

采集监控层一般需要满足2个功能：一是实现对采集监控硬件节点的控制，对错误信号的侦测与修复；二是兼顾数据通信功能，将采集的监控设备数据传输到汇聚节点。

2.2 汇聚传输层

汇聚传输层是节点汇聚部分，主要负责将普通传感器节点采集到的数据分类汇总并传输至数据管理中心，是监测网络系统的桥梁。汇聚传输层与采集监控层主要通过无线的方式进行通信，与管理应用层一般通过有线或可靠通信质量的无线进行通信。汇聚传输层充当基站管理设备与传感器采集设备之间的通信员，数据传输及设备响应都通过此层，一般需有充足、稳定的固定电源为其供电。

2.3 管理应用层

将来自汇聚传输层的实时数据接收、存储并进行访问、调度、分析与显示，根据不同需求实现安全管理人员关注信息界面的可视化与可管控化，保障施工工程的安全、透明。管理应用层是系统的核心之一，可以为用户提供一些必备的基础功能，例如监测信息的录入与编辑、显示与查询、监测结果图表或报告格式的打印与输出、蜂鸣或广播形式的预警提醒。管理应用层还包括一些特有的功能，例如无线传感器节点的定位，与现场施工或安全监管人员的及时通信和互动等。

3 健康监测系统主要模块

管理应用层软件分为数据采集模块、视频监控模块、数据管理模块和人机交互模块等4个子功能板块，管理应用层软件架构如图3所示。每个功能板块都有不同的功能模块子项，各模块子项之间通过网络通信或者命令发送进行信息的传递与响应，共同保障脚手架安全健康监测系统的稳定运行。

图3 管理应用层软件架构

3.1 数据采集模块

数据采集模块主要通过对采集硬件传感器的管理与控制来获取监测数据。在本次设计的杆件体系的安全监测系统中，通过传感器对数据信息进行采集与传输[8-9]。在施工过程中，按需采集受力杆件的荷载、倾斜度等数据信息和相关指标。监测主机直接与ZigBee协调器相连，通过采集模块程序对ZigBee终端进行控制。整个采集过程包括设备通信测试、作业项目新建、作业暂停与终止作业等3部分：

(1) 设备通信测试。在硬件系统部署前，需要对硬件设备的可用性、稳定性进行测试。在部署完成后、作业开始前，需要对硬件系统的通信性能进行测试，以保证设备的流畅运行。设备连接完成后，通过串口通信测试模块发送有效指令至协调器，协调器将指令在ZigBee无线网中进行广播，发送指令至每一个终端节点，看是否有数据回传。该测试只考察采集通信是否畅通，不涉及数据存储，因此传输速度很快，一般不存在时延。仪器测试通过后，才可通过作业新建进入作业采集过程，仪器通信测试界面如图4所示。

图4 仪器通信测试界面

(2) 作业项目新建。作业项目新建是正式开始作业的预操作，是通讯测试完成后的准备工作。将作业的项目信息、采集人员信息、采集方式与间隔等信息输入系统，对采集操作进行配置，并将配置信息存储到中心数据库，实现数据管理。同时向各传感器发送采集命令，获取监测对象的指标数据，并存入工程数据库。作业项目新建界面如图5所示。作业项目实现的功能包括：一是项目信息数据库的存储与读取，在程序运行中，2类传感器发送命令的时间基本同步，因此要通过多线程操作实现数据的并发；二是作业采集的参数配置，包括串口通信和数据库存储，这部分的采集模式为自动发送应答模式，采集间隔人为设定。

图5 作业项目新建界面

(3) 作业暂停与终止。作业开始后，传感器设备采集响应为应答模式，程序按时发送指令、接收数据，在需要调整采集间隔或需要终止作业时，要对采集进行中断，主要分为暂停和终止等2种模式：暂停为暂时停止发送命令和接收数据，可根据作业需要继续发送采集指令，无需新建作业；终止为停止当期监测作业，如需再次监测，需要新建作业。

3.2 视频监控模块

视频监控模块是安全管理监控中独立的子系统程序。通过采集、存储和显示网络摄像机的拍摄图像，达到远程监控的目的。视频监控在监控行业系统中都有比较成熟的软件，在购买硬件设备后，可按需将软件集成到监控板块，或根据其硬件的开发协议或接口进行个性化功能的开发或添加。视频监控模块包括：

(1) 实时图像监控。通过系统监控中心，可对施工区域内的视频信号进行实时接入与显示，实现监控视频信号的输出，并可按照一定的格式要求在电视墙或其他设备进行分屏显示，且能对各路信号的显示进行顺序排版和自由切换。所有监视器可以根据需求实现全面与多路(8-16面)显示，界面包含摄像机号、地址、时间等基本信息。系统监控中心可对视频信号进行录制和图像抓拍并保存，保存的时间、格式可灵活设置。当外部有报警信号时，中央控制器自动优先弹出显示报警区域的影像画面，直到人为调整或者报警信号解除为止。

(2) 影像轮巡与回放。能够满足安全管理者或监察部门对历史视频影像的轮巡检查，巡查模式可分为手动模式和人工模式。若在巡查过程中发现施工区域的安全隐患，可对其进行录制保存。管理者可以通过授权查询存储在系统中的历史视频影像数据、报警预录图像数据等记录，查询方式包括时间、地点、摄像机设备编号等，同时服务器会根据用户的需求和授权级别自动点播和回放，满足各级管理人员对监控信息的需求。

(3) 语音对讲或广播。可实现施工人员和管理人员的通信互通，监测中心与施工现场的语音双向对讲或语音广播。安全管理人员可根据视频监控情况和采集数据的趋势，对施工工作进行及时沟通和全面调度，下达统一指令，做到指令畅通。

(4) 预警响应与联动。当预报状态超过安全阈值的设定时，监控系统响应预警机制，自动终止其他所有工作，并进行报警预录，用户可查看预警前几分钟的影像资料。系统具备预警信息发布、联动控制功能，当预警机制响应时，系统可根据对预警级别的评估判断触发命令。

3.3 数据管理模块

数据管理模块是监测系统的核心，可以对采集到的数据进行整理、分析，并以图、表等直观的形式进行实时输出显示。数据管理模块可通过对数据的实时评判进行预警机制的识别与评估、响应与联动，从而有效地完成监测与预警任务。数据的管理主要包括数据库的读写、MFC图表曲线的显示等，预警信息的发布依赖网络通信的实现。数据管理模块的功能设计包括4个方面：

(1) 当前显示。根据管理员的要求，可对当前默认传感器所采集的数据进行实时显示，并且可自定义显示数据的格式、形式。当前显示可根据需要显示当前传感器设备的历史数据，还可加载采集设备的网络拓扑图，并可根据拓扑图对数据进行选择。

(2) 历史查询。该功能可根据时间段、传感器类型、编号等条件对数据、报警、日志等信息进行查询，且可对查询和整理的数据进行输出。

(3) 报表生成。系统配置信息、设备状态信息、历史资料列表、报警信息列表、查询图表、用户操作日志等相关数据均可制成报表和报告，并可导出和打印，方便浏览、查询及备案。

(4) 预警设定响应。数据管理模块可以在正常采集和监控状态下设定预警阈值。不同的环境条件下，框架体系的安全状态也有所不同。以监测对象指标的允许值为基准，管理人员可对不同状态下的阈值进行设定，根据对实时采集数据的判读，决定是否启动响应预警机制。若采集的数据在预警范围内，则立即发送报警信号到异常监测点，同时发送报警信息给安全管理员，管理员可根据报警信息提供安全的解决措施。

3.4 人机交互模块

人机交互是自动化监测系统的必备模块。通过人机交互模块，管理者可实时掌控监测设备的参数以及当前监测状态，远程进行网络摄影机焦距的调整、录制角度的变换等[10-11]，并可根据不同监测场景进行监测方案的设计与执行，按需配置。在本次监测系统中，交互过程包括3个功能：

(1) 采集设备参数。本次研究可通过程序获取当前所有可用设备的参数信息，并可对具体监测节点属性信息进行显示。

(2) 监控设备调整。当遇到紧急情况或者需要管理人员协助调度时，管理者可对监控设备进行动态调整。

(3) 系统作业属性。此功能汇总了当前整个监测系统的工作状态信息，除基本作业信息外，还包括各种异常情况、人为情况下的终止、暂停监测记录。

4 工程应用

将本次设计的脚手架安全监测系统应用于某施工场地，实时监测采集的各项数据，对现场施工的安全情况进行监测，脚手架安全监测系统运行界面如图6所示。

图6 脚手架安全监测系统运行界面

4.1 通讯传输

通讯传输用于校验监测系统的网络通信设备在特定实验环境中的运行情况。考虑到施工区域脚手架体系的结构特点，本次施工布设主要保留开阔水平距离、开阔垂直距离传输以及不同遮挡情况下的距离传输，仪器通讯传输测试结果如表1所示。在开阔无障碍的环境条件下，水平距离150 m、垂直距离50 m范围内的传感节点的采集信号均能有效传输。数据采集范围超过脚手架体系的高度，同时又考虑了传感器节点部署密度。在有遮挡的环境条件下，50 m范围内的数据信号几乎能完全接收，100 m范围内的数据只能部分接收。实验结果表明，遮挡对通讯传输有较大影响，但当监测系统布设间隔为30-50 m时，通讯仪器设备基本能实现接收数据信号的全覆盖。若部署间隔增大，则需重新选择无线传输模块。