基于物联网的塔吊工作过程分段监控

梁陆军 张智皓 陆龙耀 郏鸿韬 李 强 毛江鸿

1. 浙江省二建建设集团有限公司 浙江 宁波 315200；2. 重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074；3. 浙大宁波理工学院土木建筑工程学院 浙江 宁波 315100

塔式起重机又称塔吊，是工程机械施工的重要部分之一。随着建筑业的飞速发展，塔吊已在建筑工地中得到越来越广泛的应用。但是由于塔吊的结构以及作业环境的复杂性，其易成为施工过程中危险性较大的设备。相关规范规定，塔吊凡发生倾覆、摔臂、折臂、脱轨、塔帽脱落事故，无论是否有人身伤害及经济损失，必须按重大事故处理[1]。因此，监测塔吊的运行状态显得尤为必要。传统的监测方式主要依靠人工检查相应的节点、构件来确保塔吊的正常运行。然而该方法工作量较大，且不具备实时监测的功能，具有局限性。基于此，为提高工作效率及防止倾覆事故的发生，利用现代信息技术提升塔吊安全管理水平具有重大意义。

随着物联网的发展，其被广泛应用于各个行业，基于物联网的塔吊安全系统也得到了发展。张瑜等[2]研究了一种通过传感器采集数据并具备预警功能的安全监控系统，收集到的数据通过GPRS网络传输到远程端；宋雪飞[3]设计了基于物联网和BIM技术的塔吊实时安全监控平台。虽然学者们在塔吊安全监测系统方面的研究取得了重大进展，但是研究工作主要针对塔吊整体的监测，对塔身各段的位移变化以及倾斜角度却少有研究。基于此，本文以某工地1#上回转式塔吊为例，通过在塔身分段布设传感器获取各段信息，集成一套基于物联网技术的实时监控系统，并结合施工作业记录，实现对塔吊吊装过程的分段实时监控。

1 “塔吊＋物联网”监控系统的搭建

1.1 监控方案

据统计，在众多塔吊事故类型中，塔吊倒塌的占比最高，接近40%[4]。因此，需要对塔身着重进行监测。本文以某工地1#塔吊为研究对象，采用监控系统加以人工记录塔吊作业情况的方式对其进行分段监控和分析。为了分析各段的倾斜变化情况，需要实时测量多段的倾斜量，传感器布置及相邻距离如图1所示。图中编号1610－1616为倾角传感器，编号4601为加速度传感器，X、Y、Z为传感器的初始坐标。1610－1615传感器均布置于图2所示的标准节段内。1616、4601仪器固定放于塔尖。整一套监控系统的监控内容包括各段X、Y、Z轴的倾角以及塔吊的整体加速度。此外，考虑到风载对塔吊的影响，需要在场地内布置小型气象站用以监测场地风速。

图1 仪器布置示意及其坐标系

图2 塔身标准节传感器布置位置

1.2 监测仪器选择

近年来，科技发展的速度越来越快，无线通信、集成电路、传感器和微机电系统（MEMS）以及数字电子学越来越成熟。这一系列的进展使开发低功耗、小体积、低成本和多功能的无线短距离通信传感器模块成为了可能[5]。为方便实时观测塔吊的运行状态，本文选取的倾角、加速度传感器分别为WEMS401-LTL、WEMS401-VIB系列采集器，二者均具有实时上传数据的功能。

倾角传感器测量内容为X、Y、Z轴三轴倾角，上传数据内容为三轴倾角平均值、最大值、最小值，量程为±90°，灵敏度为0.001°，最大误差为0.01°。加速度传感器测量X、Y、Z轴三轴加速度，上传数据内容为周期内的三轴振动平均值、最大值、最小值，量程为±2g，灵敏度为0.07×10－3g。2种仪器均利用抱箍固定在测点，可在恶劣环境下长期监测。为了更直观地观测塔吊运行的状态，将系统收集数据的频率设置为1 min/次。该塔吊监控系统共布设了7个倾角传感器、1个加速度传感器和1个无线网关。另外，场地内安装有1个气象站，安装示意如图3所示。该仪器可实时自动记录场地风速、风向的变化情况并通过网关发送至终端。

图3 气象站及网关安装示意

1.3 监测云平台搭建

图4为无线传感网系统拓扑结构。一个完整的无线传感网络，应包含一个用于采集数据的感知层，一个用于传输数据的传输层以及一个用于数据处理和显示的应用层。本文塔吊系统同样分为3层。感知层由测量倾角和加速度的传感器组成，用于收集塔吊工作时的自身倾角、加速度数据；传输层主要为GPRS网络，用于实现数据的无线传输；应用层由远程监测云平台构成，用于显示实时数据，如图5所示。为实现对塔吊的智能化管理，在上述硬件的基础上，通过设置用户名和密码登录系统，检查传感器的工作状态。同时，该云平台具有存储、下载等功能，不仅可保证数据的安全性，而且可以更加方便地对塔吊进行监控。

图4 无线传感网系统拓扑结构

图5 监测云平台

1.4 塔身垂直度指标

本文对塔吊进行监控的目的是获得塔吊各段偏移的情况，将其与相关技术规范和工程标准给出的控制值进行比较，确定塔吊是否处于安全状态，以确保现场人员安全和设备安全。在监控期间，根据JGJ 33—2012《建筑机械使用安全技术规程》[6]的要求：塔身在无荷载的情况下，塔身垂直度允许偏差应为0.4%。本文研究的上回转式塔吊总高为61 m，即要求在无荷载时塔吊垂直度允许偏差为244 mm。

2 作业过程塔吊的监控数据分析

2.1 监测数据处理

倾角变化如图6所示，原仪器摆放为X、Y、Z轴形成的空间直角坐标系。由于仪器固定在塔吊上，当塔身产生偏移时，仪器也随之倾斜，其坐标系变为X＇、Y＇、Z＇轴形成的空间直角坐标系。α为X＇轴与水平地面的夹角，β为Y＇轴与水平地面的夹角，θ为Z＇轴与水平地面的夹角。图7中OA表示某一段塔身的高度h，通过式（1）计算得到的OA＇，即为其工作时偏移的距离，同时通过式（2）计算可以得到对应的A(x,y,z)坐标。

图6 倾角变化示意

图7 塔吊计算简化模型

2.2 监测数据分析

2.2.1 偏移量分析

以8：00－16：30作为塔吊的一个工作周期。现已通过现场人员记录了4月14日8：00－16：30的塔吊工作状态，如图8所示，1表示塔吊正处于吊装状态，0表示塔吊处于空载状态。

图8 工作记录中塔吊的工作状态

本文以4月14日8：00的塔吊空闲状态为初始状态，以17：00即塔吊停止工作后的30 min状态为结束状态，通过式（1）计算，可得到塔吊各段偏移量，结果如图9所示。

图9 各测点偏移量

从图9可以看出，塔吊在吊装过程中，各测点的偏移量随着高度升高而增加，在工作过程中，塔尖部分最大位移达457.12 mm，塔身最大位移达406.9 mm。1610、1611、1612段塔身对塔吊工作时位移响应相比其他各段要小，其他各段受吊机工作影响较大，且会随着塔吊的吊装、卸载而变化，与图8工作基本吻合，不同的是在图9中的红色虚线框部分和蓝色虚线框部分。红框部分虽然工作记录上显示塔吊处于空闲状态，但是塔吊整体偏移量较大。根据JG/T 100—1999《塔式起重机操作使用规程》中的相关规定，塔吊在运行前，会进行空载运载作业。因此，虽然工作记录中前1 h吊车没有处于吊装状态，但在此期间吊钩加速度、小车距离等问题均会造成偏移量增大。而在图中蓝框内，已知塔吊正处于非工作时间，但图中塔身各段的位移仍然存在，结合当时所测得的风速可知，平时的风速值在0～1 m/s之间，而11：30有5.08 m/s的大风。因此，在风载的作用下，塔吊各段也会产生位移。另外，由于本项目中各传感器安装位置与塔吊中心轴线存在一定距离，当塔吊出现微小的扭转及存在微小旋转的情况时，塔身自身会对水平两轴的测量值以及倾斜度产生影响。因此，由于旋转角度的不同，塔吊即使吊装同一物体也会产生一定误差。

为了观察塔吊工作1 d后的垂直量变化情况，以4月14日17：00（塔吊停止工作30 min后）空载下的塔吊作为结束状态。通过计算可知，各测点偏移量如表1所示。从表中可以看出，塔吊最大偏移量为66.3 mm，远小于本文塔吊最大允许偏差244 mm的范围，塔吊仍安全。

表1 17：00塔吊各测点偏移量

2.2.2 偏移角度分析

已知可通过式（2）计算塔吊各测点在工作状态下的坐标(x,y,z)，因此塔身各段偏移角度ω可通过式（3）计算。另外，将XOY坐标系划分为4个区域，如图10所示。通过分析X轴倾角α、Y轴倾角β可以确定倾斜发生的区域。

图10 坐标系划分区域

当α＜0，β＜0，倾斜发生在第Ⅰ区域；当α＞0，β＜0，倾斜发生在第Ⅱ区域；当α＞0，β＞0，倾斜发生在第Ⅲ区域；当α＜0，β＞0，倾斜发生在第Ⅳ区域。通过式（3）计算及区域判断，各段偏移角度及区域部分数据见表2，以8：00为起始状态，可以从表中看出塔身各段的偏移角度及区域在同一时间会有所不同，说明塔身存在一定的扭转。造成塔吊扭转有多方面的因素，包括塔吊自转、风、吊钩摆动等，需综合考虑。

表2 各段部分数据

综上所述，通过此数据，可判断塔身各段的扭转程度，为动态监测塔吊工作状态提供了一定的参考。相关人员可利用实时获得的数据及时对塔机运行状态进行调整，从而降低塔吊发生倾斜倒塌的可能性，提高工作效率。

3 结语

为实时研究上回转式塔吊在工作过程中倾斜量及倾斜角度的变化，本文通过安装气象站、倾角及加速度传感器，建立了基于物联网的塔吊分段监控系统。

1）运用了可直接测量三轴倾角的仪器，并通过测量数据来判断塔吊的运行状态。结果表明，塔吊各段偏移量随着高度的增加而增加，且经过1个工作周期后，该塔吊垂直度未超过国家规定的安全值，塔吊安全。

2）基于物联网的监控技术，可实现实时监测，可同时测量3个方向的倾斜，且具有高精度、高可靠性等特点，可有效解决人工监测费时费力的主要难题，为建筑工地安全提供重要的应用价值。

3）可以通过偏移角度和区域，及时调整塔吊的运行状态，对出现较大扭转的地方重点监测，为动态监测提供了一定的参考。

4）本文所测的数据需进行计算处理才能反映塔吊的倾斜量及角度。因此，可以通过在系统应用层中加入自动计算、警报等功能来对物联网系统进一步优化，使系统能够自动计算塔吊的倾斜量以及倾斜角度，并对超过国家规定安全值的状态进行预警。