汪丹丹 張美微

(1. 安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 淮北 235000；2. 安徽理工大學(xué)， 安徽 淮南 232000)

0 前 言

隨著我國基建工程化的飛速發(fā)展，各種大型高層建筑、公路橋梁、水庫大壩以及異形建筑等日益增多。腳手架作為最常用且最主要的施工輔助設(shè)施，其結(jié)構(gòu)體系的監(jiān)測與管理對工程施工安全以及施工人員的安全至關(guān)重要[1-2]。人工巡檢腳手架存在諸多弊端，本次研究對常用腳手架的框架結(jié)構(gòu)進行了分析研究，利用智能感知、無線通信以及遠程視頻監(jiān)控等技術(shù)[3-5]，設(shè)計了一種智能腳手架安全實時健康監(jiān)測系統(tǒng)。

1 腳手架的結(jié)構(gòu)

在監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計前，需對腳手架結(jié)構(gòu)受力的特性進行分析，明確腳手架的事故成因和其構(gòu)件節(jié)點的對象特性，針對性地選擇監(jiān)測要素。

工程所用的扣件式腳手架是將若干桿件通過扣件連結(jié)并與地基整合在一起，以承載荷載的多層臨時空間體系結(jié)構(gòu)設(shè)施[6-7]?？奂侥_手架是區(qū)域性結(jié)構(gòu)裝置，適用高度范圍一般在幾百米以內(nèi)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。腳手架的穩(wěn)定性和安全性受桿件自身強度、搭設(shè)方式、節(jié)點連接、荷載大小等因素的影響。

圖1 扣件式腳手架結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 桿件自身強度

各類桿件的自身強度是保障腳手架框架體系整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。實驗結(jié)果表明，單根立桿的穩(wěn)定承載能力大于整體，腳手架是組合結(jié)構(gòu)，其整體穩(wěn)定承載能力的衡量標準為整體穩(wěn)定系數(shù)。

1.2 搭設(shè)方式

腳手架是依靠保持自身原有的幾何形狀和位置來保持穩(wěn)定承載性的裝置。各構(gòu)件都有其特有的搭設(shè)方式：立桿主要用來承載與傳遞豎向荷載；縱橫水平桿與連接在一起的立桿共同形成縱橫向框架體系，以保證腳手架縱、橫向的穩(wěn)定；剪刀撐用來約束腳手架的縱向水平位移，以保證其縱向幾何不變；橫向斜撐用來約束腳手架的橫向水平位移，以保證其橫向幾何不變。

1.3 節(jié)點的連接

腳手架框架的節(jié)點以扣件的形式連接，其節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度與扣件的松緊程度相關(guān)，節(jié)點連接越緊，腳手架的壓桿和兩端固定的連接形式越接近，立桿的臨界承載力越高。節(jié)點擰緊力要考慮結(jié)構(gòu)材料的承載能力，同時由于腳手架扣件與鋼管的多次周轉(zhuǎn)使用，鋼管會產(chǎn)生不同程度的銹蝕與磨損，這直接影響著腳手架整體的抗失穩(wěn)能力。

1.4 荷載

荷載是影響腳手架穩(wěn)定性的最直接因素，荷載通過受力桿件傳遞到地基和連接墻體，作用于腳手架的荷載分為永久荷載和可變荷載。永久荷載一般包括架體自重以及配件重量；可變荷載包括施工人員、所用器具材料重量以及風(fēng)荷載等。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

在腳手架搭建完成至拆除的整個生命周期中，可選擇在關(guān)鍵的節(jié)點部署不同類型的傳感器，以感知腳手架在不同荷載條件下各參量的變化，通過分析其形變和受力情況提供不同安全等級的劃分與預(yù)警。通過遠程視頻監(jiān)測設(shè)備對腳手架的施工過程進行監(jiān)控，并對施工情況進行實時把控。腳手架實時安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計可劃分為采集監(jiān)控層、匯聚傳輸層、管理應(yīng)用層等3個層次，腳手架健康監(jiān)測系統(tǒng)整體組織架構(gòu)如圖2所示。

圖2 腳手架健康監(jiān)測系統(tǒng)整體組織架構(gòu)圖

2.1 采集監(jiān)控層

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控是整個監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)需求，也是數(shù)據(jù)的來源。采集系統(tǒng)通過無線傳感器來感知腳手架各類構(gòu)件部位物理量(壓力、荷載、位移、傾斜等)的信號變化，并負責(zé)將數(shù)據(jù)信號通過各種通信協(xié)議(GPIB、RS485、RS232、USB等)轉(zhuǎn)換輸出。監(jiān)控系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)攝影機對施工場景進行視頻信號的獲取。

采集監(jiān)控層一般需要滿足2個功能：一是實現(xiàn)對采集監(jiān)控硬件節(jié)點的控制，對錯誤信號的偵測與修復(fù)；二是兼顧數(shù)據(jù)通信功能，將采集的監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。

2.2 匯聚傳輸層

匯聚傳輸層是節(jié)點匯聚部分，主要負責(zé)將普通傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)分類匯總并傳輸至數(shù)據(jù)管理中心，是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的橋梁。匯聚傳輸層與采集監(jiān)控層主要通過無線的方式進行通信，與管理應(yīng)用層一般通過有線或可靠通信質(zhì)量的無線進行通信。匯聚傳輸層充當(dāng)基站管理設(shè)備與傳感器采集設(shè)備之間的通信員，數(shù)據(jù)傳輸及設(shè)備響應(yīng)都通過此層，一般需有充足、穩(wěn)定的固定電源為其供電。

2.3 管理應(yīng)用層

將來自匯聚傳輸層的實時數(shù)據(jù)接收、存儲并進行訪問、調(diào)度、分析與顯示，根據(jù)不同需求實現(xiàn)安全管理人員關(guān)注信息界面的可視化與可管控化，保障施工工程的安全、透明。管理應(yīng)用層是系統(tǒng)的核心之一，可以為用戶提供一些必備的基礎(chǔ)功能，例如監(jiān)測信息的錄入與編輯、顯示與查詢、監(jiān)測結(jié)果圖表或報告格式的打印與輸出、蜂鳴或廣播形式的預(yù)警提醒。管理應(yīng)用層還包括一些特有的功能，例如無線傳感器節(jié)點的定位，與現(xiàn)場施工或安全監(jiān)管人員的及時通信和互動等。

3 健康監(jiān)測系統(tǒng)主要模塊

管理應(yīng)用層軟件分為數(shù)據(jù)采集模塊、視頻監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和人機交互模塊等4個子功能板塊，管理應(yīng)用層軟件架構(gòu)如圖3所示。每個功能板塊都有不同的功能模塊子項，各模塊子項之間通過網(wǎng)絡(luò)通信或者命令發(fā)送進行信息的傳遞與響應(yīng)，共同保障腳手架安全健康監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖3 管理應(yīng)用層軟件架構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要通過對采集硬件傳感器的管理與控制來獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。在本次設(shè)計的桿件體系的安全監(jiān)測系統(tǒng)中，通過傳感器對數(shù)據(jù)信息進行采集與傳輸[8-9]。在施工過程中，按需采集受力桿件的荷載、傾斜度等數(shù)據(jù)信息和相關(guān)指標。監(jiān)測主機直接與ZigBee協(xié)調(diào)器相連，通過采集模塊程序?qū)igBee終端進行控制。整個采集過程包括設(shè)備通信測試、作業(yè)項目新建、作業(yè)暫停與終止作業(yè)等3部分：

(1) 設(shè)備通信測試。在硬件系統(tǒng)部署前，需要對硬件設(shè)備的可用性、穩(wěn)定性進行測試。在部署完成后、作業(yè)開始前，需要對硬件系統(tǒng)的通信性能進行測試，以保證設(shè)備的流暢運行。設(shè)備連接完成后，通過串口通信測試模塊發(fā)送有效指令至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將指令在ZigBee無線網(wǎng)中進行廣播，發(fā)送指令至每一個終端節(jié)點，看是否有數(shù)據(jù)回傳。該測試只考察采集通信是否暢通，不涉及數(shù)據(jù)存儲，因此傳輸速度很快，一般不存在時延。儀器測試通過后，才可通過作業(yè)新建進入作業(yè)采集過程，儀器通信測試界面如圖4所示。

圖4 儀器通信測試界面

(2) 作業(yè)項目新建。作業(yè)項目新建是正式開始作業(yè)的預(yù)操作，是通訊測試完成后的準備工作。將作業(yè)的項目信息、采集人員信息、采集方式與間隔等信息輸入系統(tǒng)，對采集操作進行配置，并將配置信息存儲到中心數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。同時向各傳感器發(fā)送采集命令，獲取監(jiān)測對象的指標數(shù)據(jù)，并存入工程數(shù)據(jù)庫。作業(yè)項目新建界面如圖5所示。作業(yè)項目實現(xiàn)的功能包括：一是項目信息數(shù)據(jù)庫的存儲與讀取，在程序運行中，2類傳感器發(fā)送命令的時間基本同步，因此要通過多線程操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并發(fā)；二是作業(yè)采集的參數(shù)配置，包括串口通信和數(shù)據(jù)庫存儲，這部分的采集模式為自動發(fā)送應(yīng)答模式，采集間隔人為設(shè)定。

圖5 作業(yè)項目新建界面

(3) 作業(yè)暫停與終止。作業(yè)開始后，傳感器設(shè)備采集響應(yīng)為應(yīng)答模式，程序按時發(fā)送指令、接收數(shù)據(jù)，在需要調(diào)整采集間隔或需要終止作業(yè)時，要對采集進行中斷，主要分為暫停和終止等2種模式：暫停為暫時停止發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)，可根據(jù)作業(yè)需要繼續(xù)發(fā)送采集指令，無需新建作業(yè)；終止為停止當(dāng)期監(jiān)測作業(yè)，如需再次監(jiān)測，需要新建作業(yè)。

3.2 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊是安全管理監(jiān)控中獨立的子系統(tǒng)程序。通過采集、存儲和顯示網(wǎng)絡(luò)攝像機的拍攝圖像，達到遠程監(jiān)控的目的。視頻監(jiān)控在監(jiān)控行業(yè)系統(tǒng)中都有比較成熟的軟件，在購買硬件設(shè)備后，可按需將軟件集成到監(jiān)控板塊，或根據(jù)其硬件的開發(fā)協(xié)議或接口進行個性化功能的開發(fā)或添加。視頻監(jiān)控模塊包括：

(1) 實時圖像監(jiān)控。通過系統(tǒng)監(jiān)控中心，可對施工區(qū)域內(nèi)的視頻信號進行實時接入與顯示，實現(xiàn)監(jiān)控視頻信號的輸出，并可按照一定的格式要求在電視墻或其他設(shè)備進行分屏顯示，且能對各路信號的顯示進行順序排版和自由切換。所有監(jiān)視器可以根據(jù)需求實現(xiàn)全面與多路(8-16面)顯示，界面包含攝像機號、地址、時間等基本信息。系統(tǒng)監(jiān)控中心可對視頻信號進行錄制和圖像抓拍并保存，保存的時間、格式可靈活設(shè)置。當(dāng)外部有報警信號時，中央控制器自動優(yōu)先彈出顯示報警區(qū)域的影像畫面，直到人為調(diào)整或者報警信號解除為止。

(2) 影像輪巡與回放。能夠滿足安全管理者或監(jiān)察部門對歷史視頻影像的輪巡檢查，巡查模式可分為手動模式和人工模式。若在巡查過程中發(fā)現(xiàn)施工區(qū)域的安全隱患，可對其進行錄制保存。管理者可以通過授權(quán)查詢存儲在系統(tǒng)中的歷史視頻影像數(shù)據(jù)、報警預(yù)錄圖像數(shù)據(jù)等記錄，查詢方式包括時間、地點、攝像機設(shè)備編號等，同時服務(wù)器會根據(jù)用戶的需求和授權(quán)級別自動點播和回放，滿足各級管理人員對監(jiān)控信息的需求。

(3) 語音對講或廣播?？蓪崿F(xiàn)施工人員和管理人員的通信互通，監(jiān)測中心與施工現(xiàn)場的語音雙向?qū)χv或語音廣播。安全管理人員可根據(jù)視頻監(jiān)控情況和采集數(shù)據(jù)的趨勢，對施工工作進行及時溝通和全面調(diào)度，下達統(tǒng)一指令，做到指令暢通。

(4) 預(yù)警響應(yīng)與聯(lián)動。當(dāng)預(yù)報狀態(tài)超過安全閾值的設(shè)定時，監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)預(yù)警機制，自動終止其他所有工作，并進行報警預(yù)錄，用戶可查看預(yù)警前幾分鐘的影像資料。系統(tǒng)具備預(yù)警信息發(fā)布、聯(lián)動控制功能，當(dāng)預(yù)警機制響應(yīng)時，系統(tǒng)可根據(jù)對預(yù)警級別的評估判斷觸發(fā)命令。

3.3 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的核心，可以對采集到的數(shù)據(jù)進行整理、分析，并以圖、表等直觀的形式進行實時輸出顯示。數(shù)據(jù)管理模塊可通過對數(shù)據(jù)的實時評判進行預(yù)警機制的識別與評估、響應(yīng)與聯(lián)動，從而有效地完成監(jiān)測與預(yù)警任務(wù)。數(shù)據(jù)的管理主要包括數(shù)據(jù)庫的讀寫、MFC圖表曲線的顯示等，預(yù)警信息的發(fā)布依賴網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)。數(shù)據(jù)管理模塊的功能設(shè)計包括4個方面：

(1) 當(dāng)前顯示。根據(jù)管理員的要求，可對當(dāng)前默認傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行實時顯示，并且可自定義顯示數(shù)據(jù)的格式、形式。當(dāng)前顯示可根據(jù)需要顯示當(dāng)前傳感器設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，還可加載采集設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，并可根據(jù)拓撲圖對數(shù)據(jù)進行選擇。

(2) 歷史查詢。該功能可根據(jù)時間段、傳感器類型、編號等條件對數(shù)據(jù)、報警、日志等信息進行查詢，且可對查詢和整理的數(shù)據(jù)進行輸出。

(3) 報表生成。系統(tǒng)配置信息、設(shè)備狀態(tài)信息、歷史資料列表、報警信息列表、查詢圖表、用戶操作日志等相關(guān)數(shù)據(jù)均可制成報表和報告，并可導(dǎo)出和打印，方便瀏覽、查詢及備案。

(4) 預(yù)警設(shè)定響應(yīng)。數(shù)據(jù)管理模塊可以在正常采集和監(jiān)控狀態(tài)下設(shè)定預(yù)警閾值。不同的環(huán)境條件下，框架體系的安全狀態(tài)也有所不同。以監(jiān)測對象指標的允許值為基準，管理人員可對不同狀態(tài)下的閾值進行設(shè)定，根據(jù)對實時采集數(shù)據(jù)的判讀，決定是否啟動響應(yīng)預(yù)警機制。若采集的數(shù)據(jù)在預(yù)警范圍內(nèi)，則立即發(fā)送報警信號到異常監(jiān)測點，同時發(fā)送報警信息給安全管理員，管理員可根據(jù)報警信息提供安全的解決措施。

3.4 人機交互模塊

人機交互是自動化監(jiān)測系統(tǒng)的必備模塊。通過人機交互模塊，管理者可實時掌控監(jiān)測設(shè)備的參數(shù)以及當(dāng)前監(jiān)測狀態(tài)，遠程進行網(wǎng)絡(luò)攝影機焦距的調(diào)整、錄制角度的變換等[10-11]，并可根據(jù)不同監(jiān)測場景進行監(jiān)測方案的設(shè)計與執(zhí)行，按需配置。在本次監(jiān)測系統(tǒng)中，交互過程包括3個功能：

(1) 采集設(shè)備參數(shù)。本次研究可通過程序獲取當(dāng)前所有可用設(shè)備的參數(shù)信息，并可對具體監(jiān)測節(jié)點屬性信息進行顯示。

(2) 監(jiān)控設(shè)備調(diào)整。當(dāng)遇到緊急情況或者需要管理人員協(xié)助調(diào)度時，管理者可對監(jiān)控設(shè)備進行動態(tài)調(diào)整。

(3) 系統(tǒng)作業(yè)屬性。此功能匯總了當(dāng)前整個監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息，除基本作業(yè)信息外，還包括各種異常情況、人為情況下的終止、暫停監(jiān)測記錄。

4 工程應(yīng)用

將本次設(shè)計的腳手架安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于某施工場地，實時監(jiān)測采集的各項數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場施工的安全情況進行監(jiān)測，腳手架安全監(jiān)測系統(tǒng)運行界面如圖6所示。

圖6 腳手架安全監(jiān)測系統(tǒng)運行界面

4.1 通訊傳輸

通訊傳輸用于校驗監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備在特定實驗環(huán)境中的運行情況?？紤]到施工區(qū)域腳手架體系的結(jié)構(gòu)特點，本次施工布設(shè)主要保留開闊水平距離、開闊垂直距離傳輸以及不同遮擋情況下的距離傳輸，儀器通訊傳輸測試結(jié)果如表1所示。在開闊無障礙的環(huán)境條件下，水平距離150 m、垂直距離50 m范圍內(nèi)的傳感節(jié)點的采集信號均能有效傳輸。數(shù)據(jù)采集范圍超過腳手架體系的高度，同時又考慮了傳感器節(jié)點部署密度。在有遮擋的環(huán)境條件下，50 m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信號幾乎能完全接收，100 m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)只能部分接收。實驗結(jié)果表明，遮擋對通訊傳輸有較大影響，但當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)間隔為30-50 m時，通訊儀器設(shè)備基本能實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)信號的全覆蓋。若部署間隔增大，則需重新選擇無線傳輸模塊。

表1 儀器通訊傳輸測試結(jié)果

4.2 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

實時采集的信息存儲至數(shù)據(jù)庫，也可以曲線圖表、數(shù)據(jù)表格的形式進行顯示。本次設(shè)計的系統(tǒng)以TeeChart控件和消息響應(yīng)機制完成對實時數(shù)據(jù)曲線的繪制，并可對圖表進行定時刷新。傳感器實時數(shù)據(jù)采集曲線如圖7所示。

圖7 傳感器實時數(shù)據(jù)采集曲線

圖7直觀地反映了腳手架荷載和傾斜度的實時變化。當(dāng)前荷載波動幅度較小，腳手架傾斜角度在0.1°以內(nèi)，實時傳感器提供了精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，保障了施工的安全運行。

5 結(jié) 語

本次研究利用當(dāng)前的無線通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及遠程視頻監(jiān)控技術(shù)，根據(jù)腳手架結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)計了腳手架安全實時監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，彌補了人工巡檢腳手架存在的不足，為工程施工與管理提供給了一種實時、自動、高效的監(jiān)測方法，保障了施工安全。現(xiàn)場應(yīng)用表明，本次設(shè)計的腳手架監(jiān)測系統(tǒng)能較好地完成監(jiān)測任務(wù)。