張方博 閔志華

(1.中鐵一局集團(tuán)橋梁工程有限公司，重慶 401121； 2.上海睿技土木工程咨詢有限公司，上海 200092)

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·機(jī)械與設(shè)備·

分布式纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

張方博1閔志華2

(1.中鐵一局集團(tuán)橋梁工程有限公司，重慶 401121； 2.上海睿技土木工程咨詢有限公司，上海 200092)

針對(duì)纜索起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研發(fā)了分布式纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)短距連接分布式數(shù)據(jù)采集端和傳感器端，將各類模擬量和狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)斤@示控制終端進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，能夠有效地測(cè)量相應(yīng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

纜索起重機(jī)，安全監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集，視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1 概述

纜索起重機(jī)(簡(jiǎn)稱纜機(jī))是一種以柔性鋼索作為大跨距支承構(gòu)件，兼有垂直運(yùn)輸和水平運(yùn)輸功能的特種起重機(jī)械。纜機(jī)在混凝土大壩工程、渡槽架設(shè)、橋梁建筑、碼頭施工、森林工業(yè)、堆料場(chǎng)裝卸、碼頭搬運(yùn)等方面具有廣泛的用途，還可配用抓斗進(jìn)行水下開挖作業(yè)。

纜索起重機(jī)的主要受力構(gòu)件有塔架系統(tǒng)、塔架穩(wěn)定系統(tǒng)、繩索系統(tǒng)、索鞍、起重天車、卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等部分。

纜索吊機(jī)由于其具有載荷多變、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)跨度大等特點(diǎn)，具有安全風(fēng)險(xiǎn)高，管理難度大，并且一旦發(fā)生安全事故，將帶來(lái)極大的損失。

1.1 纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

依據(jù)GB/T 28264—2012起重機(jī)械 安全監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)于纜索起重機(jī)，其安全監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)監(jiān)測(cè)起重量限制器、起升高度限位器/下降深度限位器、運(yùn)行行程限位器、聯(lián)鎖保護(hù)安全裝置、門限位、機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)行聯(lián)鎖、風(fēng)速儀裝置、操作指令、工作時(shí)間、累計(jì)工作時(shí)間、視頻系統(tǒng)等內(nèi)容。

1.2 纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的不足之處

依據(jù)GB/T 28756—2012纜索起重機(jī)的內(nèi)容，對(duì)于纜索起重機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)過(guò)于強(qiáng)調(diào)對(duì)起重機(jī)吊裝過(guò)程的監(jiān)控，對(duì)天車的運(yùn)行高度、行程、重量、風(fēng)速、偏斜等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

但對(duì)于纜索起重機(jī)而言，其關(guān)鍵受力構(gòu)件，還應(yīng)該包括有塔架、纜索系統(tǒng)等的受力情況，尤其是在山區(qū)橋梁修建過(guò)程中的塔架高度較高，其塔架和承重索的受力狀態(tài)也是非常關(guān)鍵的受力構(gòu)件，因此建議增加對(duì)塔架和纜索系統(tǒng)的安全監(jiān)控。

對(duì)于塔架的安全監(jiān)控應(yīng)側(cè)重于對(duì)塔架在空載和負(fù)載下受力、水平位移和垂直位移的監(jiān)測(cè)，考慮到實(shí)際中傳感器的安裝方便的程度，可以采用測(cè)量塔架傾斜角的方式來(lái)進(jìn)行安全監(jiān)控，當(dāng)塔架在空載和負(fù)載情況下時(shí)會(huì)出現(xiàn)傾斜，基于傾斜角的大小來(lái)判斷塔架的安全度。

對(duì)于承重索系統(tǒng)的受力狀態(tài)可以通過(guò)在承重索上安裝起重量傳感器來(lái)測(cè)量承重索的索力，通過(guò)測(cè)量得到的索力的變化來(lái)判別承重索的安全狀態(tài)。

2 分布式纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)

針對(duì)纜索起重機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求，考慮到纜索起重機(jī)具有跨度大，控制機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)之間距離較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的集中式安全監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)難以實(shí)施等特點(diǎn)，擬采用分布式安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)纜索起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全方位監(jiān)測(cè)、多種不同危險(xiǎn)的預(yù)警以及運(yùn)營(yíng)作業(yè)的信息化管理，能夠有效提升起重機(jī)的安全水平和運(yùn)營(yíng)效率。

分布式起重機(jī)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由安裝在起重機(jī)上的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安裝在遠(yuǎn)程管理中心的區(qū)域起重機(jī)械信息管理平臺(tái)三部分組成。

分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由帶動(dòng)態(tài)顯示的主機(jī)、分布式數(shù)據(jù)采集盒、分布式控制盒以及多種不同類型的傳感器(行程傳感器、高度傳感器、起重量傳感器、風(fēng)速傳感器、水平傳感器)等組成，能夠?qū)崟r(shí)采集并顯示起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由分別布設(shè)在起升卷?yè)P(yáng)機(jī)、后錨、吊鉤、運(yùn)行軌道、操作室、塔架處的安裝攝像頭以及操作室的顯示器、操作搖桿構(gòu)成，用于監(jiān)控起重機(jī)的吊重狀態(tài)。

區(qū)域起重機(jī)械信息管理平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)區(qū)域多個(gè)項(xiàng)目工地、多類起重機(jī)運(yùn)營(yíng)信息以及安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)管理，便于實(shí)現(xiàn)區(qū)域起重機(jī)遠(yuǎn)程信息化管理的需求。

2.1 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種模擬量、狀態(tài)量信息的采集、顯示、存儲(chǔ)和報(bào)警等功能。若對(duì)模擬量和狀態(tài)量信號(hào)進(jìn)行集中采集，則必然會(huì)遇到信號(hào)衰減大、易于受到噪聲干擾等問題，因此將分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分為分布式控制端、采集端和傳感端，控制端由分布式控制器構(gòu)成，采集端由分布式采集盒和控制盒構(gòu)成，傳感端由各種不同類型的傳感器所構(gòu)成。

傳感器端和數(shù)據(jù)采集端之間采用屏蔽線纜連接，數(shù)據(jù)采集端和分布式控制端之間采用Zigbee連接、CAN總線或者網(wǎng)絡(luò)信號(hào)連接，能夠有效減少信號(hào)的干擾，提升測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。以2天車?yán)|索起重機(jī)為例，分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接狀態(tài)見表1。

表1 分布式纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)連接表

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效擴(kuò)展操作人員的視野，同時(shí)也能達(dá)到人員檢修不易接觸的區(qū)域，但纜索起重機(jī)存在跨度空間大、距離長(zhǎng)等特點(diǎn)。

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于同軸電纜進(jìn)行連接，線纜需要跨越整個(gè)纜索吊，現(xiàn)場(chǎng)線纜長(zhǎng)度大，布線工作困難，存在信號(hào)衰減、易于受干擾等問題，因此綜合選用高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭+無(wú)線網(wǎng)橋的傳輸解決方案。此方案能夠有效減少施工現(xiàn)場(chǎng)的線纜連接數(shù)，減少外部噪聲對(duì)信號(hào)的干擾，提升視頻監(jiān)控的效果。

2.3 起重機(jī)遠(yuǎn)程信息管理平臺(tái)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的起重機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，同時(shí)也為了能夠遠(yuǎn)程對(duì)區(qū)域內(nèi)的纜索起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，及時(shí)掌握區(qū)域內(nèi)多臺(tái)起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，為此需要建立起重機(jī)械遠(yuǎn)程信息管理平臺(tái)。

起重機(jī)械遠(yuǎn)程信息管理平臺(tái)通過(guò)在管理中心內(nèi)布置服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、路由器、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并基于ASP.net編制了系統(tǒng)管理平臺(tái)軟件。

起重機(jī)械遠(yuǎn)程信息管理平臺(tái)的主要功能如下：1)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、遠(yuǎn)程地對(duì)起重機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；2)依據(jù)起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)提供起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)區(qū)域監(jiān)督和管理；3)實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)異地監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制；4)系統(tǒng)具有起重機(jī)信息查詢、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警起重機(jī)查詢、運(yùn)營(yíng)報(bào)告管理、系統(tǒng)信息設(shè)置、系統(tǒng)管理等功能。

2.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

基于分布式的纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：

1)通過(guò)減少數(shù)據(jù)采集端和傳感器之間的距離，將多種模擬量和狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，并通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)或者總線網(wǎng)絡(luò)將各傳感器的信號(hào)傳輸?shù)椒植际娇刂平K端進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警燈，實(shí)現(xiàn)了對(duì)起重機(jī)各種運(yùn)動(dòng)量的準(zhǔn)確測(cè)量、記錄，能夠有效減少現(xiàn)場(chǎng)的布線工作量和現(xiàn)場(chǎng)各種噪聲干擾對(duì)信號(hào)的影響；2)通過(guò)分布式采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程信息管理平臺(tái)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)起重機(jī)司機(jī)、項(xiàng)目部、遠(yuǎn)程管理者等三層次的對(duì)纜索起重機(jī)安全狀態(tài)的管理需求，有效提升了起重機(jī)的安全性能和信息化管理效率；3)通過(guò)在塔架等處布置高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)即可以擴(kuò)展司機(jī)的操作視野。

3 工程案例

3.1 夜郎河大橋概況

渝黔鐵路夜郎河雙線特大橋橋梁中心里程為DK136+589.00，橋梁全長(zhǎng)1 120.8 m。主橋采用1-370 m 上承式鋼筋混凝土X 形(提籃)拱橋。引橋及拱上孔跨布置為5-32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T 梁+4-38 m 鋼混連續(xù)結(jié)合梁+3-38 m 鋼混連續(xù)結(jié)合梁+4-38 m鋼混連續(xù)結(jié)合梁+16-32 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T 梁。橋上線路為雙線，線間距為5.0 m，全橋位于直線上,大里程橋端部分位于豎曲線上，其他位于平坡上(見圖1)。

由于夜郎河大橋具有跨度大、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此從結(jié)構(gòu)吊裝的角度選用纜索吊機(jī)系統(tǒng)。本橋設(shè)計(jì)纜索吊機(jī)為4×50 t 纜索吊機(jī)，凈吊重為200 t，采用跨徑組合24.2 m+548.46 m+150.21 m。其結(jié)構(gòu)主要由纜索系統(tǒng)(承重索、牽引索、起重索)、起重小車、錨碇、塔架(含索鞍、承馬)及風(fēng)纜、動(dòng)力系統(tǒng)(牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)、起重卷?yè)P(yáng)機(jī)、橫移機(jī)構(gòu))等五部分組成。

為了保證大橋在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性、安全性，項(xiàng)目指揮部組織相關(guān)廠家設(shè)計(jì)了分布式纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，并于2015年4月開始安裝。

3.2 安全監(jiān)控系統(tǒng)總體解決方案

結(jié)合夜郎河大橋的實(shí)際特點(diǎn)，纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)總體方案如下：

1)對(duì)纜索吊機(jī)的四個(gè)吊重天車的行程位移、吊鉤高度、起吊重量、環(huán)境風(fēng)速以及起重機(jī)的安全限位、操作指令等信息基于研發(fā)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示終端安裝在重慶側(cè)的操作室內(nèi)，并配備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，將監(jiān)控信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)、項(xiàng)目部、總部等3級(jí)管理模式?，F(xiàn)場(chǎng)各個(gè)傳感器安裝圖見圖2。2)在兩側(cè)錨點(diǎn)、控制室附近均安裝紅外高清槍機(jī)(共3個(gè))，觀察錨點(diǎn)、控制室情況。在索塔頂部布置變焦攝像頭(共2個(gè))、塔架兩側(cè)分別布置360°高清透霧攝像頭(共2個(gè))，對(duì)索鞍橫移及現(xiàn)場(chǎng)吊裝過(guò)程全景進(jìn)行監(jiān)控。分別在操作中心和觀景平臺(tái)布置遙控手柄，通過(guò)布置無(wú)線網(wǎng)橋?qū)①F州側(cè)錨點(diǎn)攝像頭、重慶側(cè)塔架變焦及高清攝像頭等監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控圖像傳輸?shù)娇刂剖遥煽刂剖覀鬏數(shù)讲僮魇易罱K傳輸?shù)接^景平臺(tái)，將貴陽(yáng)側(cè)塔架攝像頭的監(jiān)控圖像直接傳輸?shù)接^景平臺(tái)。3)在貴州側(cè)觀景平臺(tái)處架設(shè)4臺(tái)46寸拼接顯示器，并配備控制手柄，將9畫面攝像資料在總監(jiān)控室實(shí)時(shí)顯示。

3.3 軟件設(shè)計(jì)界面

系統(tǒng)軟件界面可以分為主界面、參數(shù)設(shè)置界面和歷史數(shù)據(jù)界面等不同功能界面。系統(tǒng)主界面能夠直觀顯示纜索起重機(jī)的工作狀態(tài)和各監(jiān)測(cè)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(見圖3)。

4 結(jié)語(yǔ)

為了有效提升纜索起重機(jī)的安全管理水平，同時(shí)結(jié)合纜索起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)了分布式纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，并在夜郎河大橋上成功應(yīng)用，取得良好的應(yīng)用效果，主要結(jié)論如下：

1)分布式安全監(jiān)控系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)施工周期短、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)配置靈活等特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于各類復(fù)雜起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)中；2)實(shí)現(xiàn)了對(duì)纜索起重機(jī)的三層次管理模式，有效的解決了公司后臺(tái)級(jí)管理、項(xiàng)目級(jí)管理及區(qū)域級(jí)管理的不同需求，大大提升了管理效率；3)結(jié)合纜索起重機(jī)的實(shí)際受力特點(diǎn)，擴(kuò)展了纜索起重機(jī)的安全監(jiān)控內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了對(duì)纜索起重機(jī)更為全面的監(jiān)控；4)分布式纜索起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)在夜郎河大橋上獲得成功應(yīng)用，表明該系統(tǒng)具備良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

[1] 王東輝.重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋4200kN纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(9)：33-37.

[2] 王祥宇.米家山大橋纜索吊裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝[J]．中國(guó)西部科技，2011,10(9):39-40.

[3] GB/T 28264—2012，起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)[S].

[4] 楊繼雪，李 麗.門座起重機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2012(10):75-77.

[5] GB/T 28756—2012，纜索起重機(jī)[S].

Design and implementation of safety monitoring system of distribution-style cable crane

Zhang Fangbo1Min Zhihua2

(1.ChinaRailway1stBureauGroupBridgeEngineeringCo.,Ltd,Chongqing401121,China; 2.ShanghaiRuijiCivilEngineeringConsultingCo.,Ltd,Shanghai200092,China)

According to cable crane’s characteristics and uses, design the distributed monitoring system of cable crane. Set up a short connection between data collector and sensors, convert the analogue data and states of the sensors to digital data. Sending the converted data to computer terminal and store them, then we can monitor the cable crane’s working.

cable crane， safety monitoring system, data acquisition, video monitoring system

1009-6825(2016)10-0234-03

2016-01-24

張方博(1979- )，男，工程師； 閔志華(1982- )，男，副教授

TH218

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