桥梁工程中的吊篮安全智能监测系统_陈伟标.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.003作者简介：陈伟标（1968-），男，大学本科，高级工程师，主要从事桥梁建设和工程投资管理工作。E-mail：0引言吊篮作业因其施工成本低、架设方便等特点，被广泛应用于桥梁工程中1。但位于露天高空作业的吊篮设备处于复杂且危险的施工环境，如何保证施工时的安全就成为了不可回避的问题。传统吊篮施工的安全保证主要依靠一些简单的机械装置（如：限位器、限载器、倾斜器、安全锁等），这些装置的可靠性及保护性并不尽如人意，往往在发生事故时不能有效地保护施工人员的安全。从源头发现并解决安全隐患可以有效的保证人员及财产的安全。传统方式通过定时的人工检查和对施工人员的培训可以预防一部分事故的发生，但这些措施不能有效杜绝危险2-4。随着传感技术和智能算法等技术的不断发展，在工程领域中应用物联网技术解决各类问题的工程实例越来越多5。本文基于物联网技术提出了一个桥梁施工吊篮安全智能监测系统，用于实时监控吊篮作业过程中的载重、空中姿态和人员操作等数据，以保证人员和设备的安全。该系统通过监测模块对施工现场的数据进行收集，经过系统处理后对吊篮的状态进行评估。本系统采用两阶段阈值控制，当所收集数据超过第一阈值时被判定为轻微异常，系统控制现场警报器发出预警。当所收集数据超过第二阈值时被判定为安全隐患，系统立刻接管吊篮控制权，操作吊篮停靠于安全位置并控制现场声光报警器发出警报。系统收集数据的同时上传至上位机进行数据的收集和分析。这些数据被用于训练算法和安全检查制度的制定。1桥梁施工中吊篮监控系统的设计与分析1.1吊篮监控系统总体架构设计本文从设备和人员两方面分析了吊篮施工过程中可能出现的安全隐患。结合实际案例和相关法规对桥梁吊篮安全智能监测系统进行设计6-7。吊篮施工中可能发生事故的部分如图1所示。基于物联网技术设计的桥梁吊篮安全智能监测系统由监测、控制和通信3个部分组成，桥梁吊篮安全智能监测系统的工作流程如图2所示。1.1.1监测模块该系统对施工过程中可能出现安全隐患的部分进行监测。其中设备监测包括：配重监测，超载/偏载监测，吊篮姿态监测和钢丝绳监测；人员监测为安全绳监测，监测模块框架如图3所示。1.1.2控制模块桥梁工程中的吊篮安全智能监测系统陈伟标（中铁珠三角投资发展有限公司广州510290）摘要：桥梁吊篮作业具有架设方便、施工成本低等优点，在桥梁工程中得到了广泛的应用。随着吊篮施工方法使用量的增加，吊篮倾覆、钢丝绳断裂、人员违规操作等原因引起的坠落事故时有发生。吊篮作业中存在的各种问题对施工人员的生命安全产生了威胁。基于物联网提出了一个桥梁吊篮安全智能监测系统。其在施工过程中可以实时对易发生问题的部分进行监控，有效避免事故的发生。系统可以通过实时上传的数据快速了解现场情况。收集的数据不仅可以作为调整参数的依据，同时可以进一步优化系统。该系统已在广州某桥梁施工现场进行了小规模实验，证明了它的有效性。关键字：桥梁施工；监测系统；吊篮；物联网；远程监管中图分类号：U445.466文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-009-04An Intelligent Monitoring System for Basket Safety in Bridge EngineeringAn Intelligent Monitoring System for Basket Safety in Bridge EngineeringCHEN Weibiao（China Railway PRD Investment Development Co.，Ltd.Guangzhou 510290，China）AbstractAbstract：Bridge basket operation has the advantages of convenience and low construction cost that has been widely used in bridge engineering.With the increase of the use of hanging basket，falling accidents caused by overturning，breaking of wire rope and illegal operationoften occurs.All kinds of problems exist in the operation of hanging basket threaten the life safety of construction personnel.Proposes an intelligent monitoring system for hanging basket based on the Internet of Things.It can monitor the parts that are prone to problems in realtime，and effectively avoid accidents in the construction process.The system can quickly understand the situation of the field through real-time uploaded data.The collected data can be used not only as a basis for adjusting parameters，but also to further optimize the system.The system has been tested in a bridge construction site in Guangzhou，which proves its effectiveness.Key wordsKey words：bridge construction；monitoring system；hanging basket；internet of things；remote supervision9陈伟标：桥梁工程中的吊篮安全智能监测系统MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期为实现警示和应急功能，本系统在施工现场装置有声光警示器。现场收集到的数据传输到监测系统后，由其进行判定。当现场数据超过第一阈值时，系统控制声光警示器发出预警；当数据超过第二阈值时系统控制警示器发出警报并控制电机启停，同时在系统平台主页发出警报，报告位置及安全隐患类型。1.1.3通信模块桥梁吊篮安全智能监测系统具有三层结构，其中包括：内网组建、云端数据传输和终端信息显示，桥梁吊篮安全智能监测系统的通信架构如图4所示。第一层，构造吊篮内网。使用Zigbee通讯技术进行吊篮设备内的数据传输8。第二层，数据传输。桥梁吊篮安全智能监测系统将收集并处理后的数据按预设通讯协议封装，由GPRS发送至云处理器。第三层，终端显示。控制室以及现场施工人员通过互联网实时获取吊篮信息。1.2配重监测配重监测模块用于采集配重块的质量信息。该模块由电源、压力传感器、处理单元、通信模块等组成。需要注意的是压力传感器的安装应避免邻近大功率仪器，以免传感器收到干扰导致读数不准。压力传感器监测配重块质量，通过通信模块将信息传输至系统控制中心以判定配重块是否足量。1.3载重/偏载监测在吊篮两侧安装测重传感器，用于测量吊篮两端的悬吊重量。这两项数据被收集后传输至监测系统进行分析比较，以此确定吊篮载重及偏载情况。其中两项数据相加为吊篮总载重；将两项数据比较可以了解吊篮的偏载情况。为吊篮偏载系数，设定=1.2 为第一阈值，=1.25 为第二阈值。=G1/G2式中：G1表示吊篮重力数据较大一端的数据，G2表示吊篮重力数据小一端的数据。在实际施工中，由于工人的某些操作可能导致侧重传感器的瞬时波动，因此在判断超载/偏载时不应以某一次的测量结果作为判定依据。应使用一定时间间隔的多次测量数据给出综合的判断。图1桥梁吊篮施工中可能出现的安全隐患Fig.1Possible Safety Hazards in The Construction ofBridge Baskets桥梁吊篮安全隐患设备人员配重缺失钢丝绳问题吊篮姿态偏转超载/偏载未佩戴安全绳图2桥梁吊篮安全智能监测系统工作流程Fig.2The Flow Chart of Intelligent Monitoring System for Safety of Bridge Baskets云处理器上传监测数据系统控制中心现场控制器控制室电机启停声光预警计时训练系统调整人员是否超载主界面报警/显示位置及隐患类型是安全绳是否佩戴否是否超载是是否偏载否是否倾斜超限是钢丝绳有无缺陷否是无是是否倾斜超限否有语音提示+吊篮停运否否语音提示+系统控制吊篮是吊篮正常工作计时图3桥梁吊篮安全智能监测系统监测模块Fig.3Monitoring Modules of Intelligent MonitoringSystem for Safety of Bridge Baskets智能监测系统监测模块设备监测人员监测配重监测钢丝绳监测吊篮姿态监测超载/偏载监测安全绳监测图4桥梁吊篮安全智能监测系统通信模块Fig.4Communication Modules of Intelligent MonitoringSystem for Safety of Bridge Baskets云服务器便携移动设备手机路由器数据服务器工地监控中心1#吊篮2#工地GPRSLANInternet4G/5GGPRSLAN2#吊篮LANGPRSLANLANLANLANN#工地3#吊篮1#工地总监控中心10广东土木与建筑MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期1.4吊篮姿态监测吊篮姿态监测主要通过测量吊篮加速度来完成。加速度传感器是一个惯性敏感元件，它对加速度的测量数据是由传感器内部的悬浮惯性块获得的。不同方向的加速度会带动惯性块发生位移，同时导致差分电容极板移动致使电容发生变化，从而获得加速度的数据。了解了物体的瞬时加速度就可以确定其偏转角度，当吊篮发生倾斜时，重力就会在其他方向产生分量。这样的效应反应在加速度传感器上就是重力在X和Y轴上的分量。根据X、Y、Z三轴上的重力及其分量值，结合三角函数，即可计算出吊篮的倾斜角度。该系统使用 ADXL345加速度传感器，其测量精度可以达到感知1.0倾斜角的变化。吊篮两边的提升机的速度存在差异、左右钢丝绳尺寸的细微差距以及吊篮的荷载不均等因素都可能会影响吊篮的姿态，在实际运行中难免会产生倾斜。这些问题通过两边提升机协调控制可以解决。当吊篮运行时，上述监测方式将不间断地测量吊篮的平衡状态。若吊篮在无明显偏载的情况下仍超过倾斜角度的第一阈值则根据当时的状态进行调整，若在规定时间内仍然无法平衡吊篮，系统将发出警报、上报安全隐患并将吊篮停靠到安全位置；若吊篮在无明显偏载的情况下仍超过倾斜角度的第二阈值，系统将直接发出警报、上报安全隐患并将吊篮停靠到安全位置。1.5钢丝绳监测在吊篮施工过程中，由于钢丝绳长时间处于高强度荷载的情况下，同时可能与其他机械发生碰撞，因此钢丝绳容易产生磨损、断丝等缺陷，从而导致其强度的降低。这是一种十分危险的隐患，极易发生重大的安全事故9。钢丝绳的损伤分为两类，分别是局部损伤（LF）和截面积损伤（LMF）。其中局部损伤多为钢丝绳表面断丝，这种情况可以通过肉眼观察发现并且足够引起检修人员的重视。截面积损伤大多表现为截面的损失，即钢丝绳内部锈蚀或因强度降低而引发的钢丝绳内部范围性断丝10。这类钢丝绳缺陷无法通过常规检查发现。目前钢丝绳的截面积损伤检测