宋世軍1 張 躍1 田福興2 劉雨哲1
1 山東建築大學 濟南 250000 2 中國電建集團核電工程公司 濟南 250000
摘 要：塔式起重機加減標準節的過程是事故多發階段，對其進行遠程監控是降低安全事故率的有效途徑之一。通過對塔式起重機加減標準節過程特點的分析，文中提出了基於OSA-CBM 的塔式起重機加減標準節過程的遠程伺服器監控系統方案，將CBM 的開放架構及類庫與塔機加減標準節監控特點相結合，將獲取的塔身頂端位移、頂升高度、人工操作指令碼、風速等特徵參數數據按照一定數據結構存儲於資料庫中，利用算法來判斷特徵參數的數據，其意義在於充分利用大數據和專家知識，為進一步提高加減節過程管理水平、保障安全打下基礎。
關鍵詞：塔式起重機；標準節；維護；狀態監測；遠程監控
中圖分類號：TH213.3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）09-0069-05
0 引言
塔式起重機（以下簡稱塔機）具有工作效率高、適用範圍廣、迴轉半徑大、起升高度高、工作幅度大、操作簡單、安裝與拆卸方便等特點，是建築施工中各種建築材料、物件、裝配工具等在較大空間內升降和搬運的主要施工機械，也是完成垂直運輸效率最高的起重設備[1 － 6]。隨著塔機使用普及率的不斷提高，人員傷亡等安全事故亦屢有發生。據統計，2017 年8 月全國發生了15 起塔機事故，其中由加減標準節引起的事故有4 起。塔機的加減標準節過程目前處於安全隱患極高的狀態，分析其原因得出：一是由塔機加減標準節過程的特點決定，塔機加減標準節時，其結構強度處於較脆弱的狀態，極易發生危險；二是塔機加減標準節過程的機械化、智能化程度較低，基本都是靠人來協作完成的，且操作過程的可靠性對實際經驗的依賴性較大；三是塔機加減標準節過程缺少安全智能監控，無法對該過程的隱患進行實時記錄和報警。
塔機安全事故引起了國內學者和行業內人士的密切關注並進行了相關研究。例如：山東建築大學的宋連玉基於視頻監測技術提出一種基於位圖模型的背景建模算法，能夠達到快速分割識別特徵圖像，實時監控塔機加減標準節的目的[7]；哈爾濱工業大學的楊亮基於QTZ800 設計了一個採用了可展開活動腹杆的頂升套架；建立了該頂升套架的Ansys 模型，利用Ansys 軟體分析了塔機在頂升過程中遇到某方向突發風載荷時所能承受的安全頂升風載荷，以及打開可展示腹杆後，在停止頂升的前提下仍能保證安全的風荷載大小，繪製了QTZ800 安全頂升風速矢量表[8]；大連理工大學的王真在總結動臂塔機頂升作業事故案例基礎上，從安全角度考慮設計了液壓頂升系統，並通過對頂升故障原因的探究，建立了液壓頂升系統可靠性框圖和故障樹[9]；王東彬等人針對自升塔機液壓頂升系統進行了油液汙染、液壓衝擊、油液發熱等方面進行研究，提出了相應的預防措施[10]；楊象鴻針對塔機應用作為廣泛的側面頂升套架結構和工作特性進行分析和說明，並為塔機頂升套架的設計提出了建議和意見[11]。
上述成果主要是針對液壓缸、頂升套架結構以及塔機運行狀態監測進行的研究；少數學者關注到了塔機加減標準節的過程監測，僅僅是提出了一些方法，還沒有基於伺服器的遠程監控系統。為此，本文基於OSACBM對塔機加減標準節的安全監控系統進行了研究，設計了遠程安全監控系統，該系統將CBM 的開放架構及類庫與塔機加減標準節監控特點相結合，把獲取的塔身頂端位移、人工操作指令碼、頂升高度、風速等特徵參數數據按照一定數據結構存儲於資料庫中，利用算法對特徵參數的數據進行判斷，實現基於伺服器的多臺塔機加減標準節過程的遠程安全監控。
1 加減標準節過程特徵參數分析
塔機安全特徵參數是由塔機加減標準節過程特點決定的。加標準節時，通過變幅小車移動砝碼找塔機上部質量平衡，拆除塔身標準節與塔身上部的迴轉機構間的銷軸或螺栓，然後在試頂升和頂升的過程中，藉助套架的支撐，開動液壓泵站工作，使液壓缸中活塞杆伸出，將塔機上部結構頂起，從而從窗口引入一個標準節，然後落頂、裝銷軸或螺栓，實現塔機的升高；下降的過程反之。通過對塔機加減標註節過程的研究分析，對其進行了重大危險源排查，並確定了4 個安全特徵參數。
1）塔身頂端位移
當塔機受力時，塔身頂端（塔機迴轉臺及以上部分）相對其靜止狀態會產生位移（晃動）；實際操作過程中，塔身頂端允許其在合理範圍內晃動，但該位移量超出合理範圍就意味著塔機的加減標準節過程存在較大安全隱患。根據上述特點，通過位移傳感器（剛度儀）獲取塔身頂端某個點在水平面的位移量來評估塔身結構安全性。
2）頂升高度
在塔機加減標準節（試頂升和頂升）過程中，塔身上部質量產生的彎矩由套架上依附於塔身上的滾輪或滑塊來承擔，該過程應保證套架上的滾輪或滑塊與塔身相互接觸。以加標準節為例，頂升過程中頂升的高度過低沒法引入標準節，過高（冒頂）容易使套架上滾輪或滑塊與塔身分離，塔機容易發生傾覆，通過頂升高度傳感器獲取該過程中頂升的實時高度數據，便於安全操作。
3）人工操作指令碼
人工指令碼對應操作手柄有上升、下降和停止3 種狀態。在加減標準節過程中，人工操作手柄有司機室操作手柄和液壓缸操作手柄，通過傾角傳感器獲取操作手柄的操作指令碼（工作狀態），可記錄該過程中人工操作動作。
4）風速
國家標準明確指出：塔機加減標準節過程中的風速必須小於4 級，否則不可進行塔機加減標準節等相關操作。
綜上所述，系統可通過風速信號確定升降節過程風載荷大小，通過人工操作指令碼確定操作節拍和意向，通過頂升高度信號提醒操作人員安全操作，通過塔身頂端位移的時序信號確定升降節過程中塔機結構是否處於安全狀態，從而發現尚存的安全隱患，採取相應管理措施保障升降節安全。
2 加減標準節過程遠程監控系統需求分析
1）塔機編號與特徵參數一一對應當同時加減標準節的塔機數量較大時，所獲取的特徵參數數量較大，需要將這些特徵參數值通過合理的數據結構進行存儲，以實現每臺塔機與獲取的特徵參數一一對應。
2）獲取的特徵參數應同步塔機加減標準節過程中的安全狀態由前述特徵參數共同決定，獲取特徵參數數據的時間必須是同一時刻的，否則其判斷的安全狀態沒有意義。
3）遠程監控系統作用時間應在合理範圍內當塔機處於安全隱患狀態時，從獲取該塔機安全參數開始到發出報警信息的時間間隔就是遠程監控系統作用時間。為了確保有充足的時間實施搶救措施，避免安全事故的發生，應將該時間間隔控制在合理範圍內。
3 OSA-CBM 體系架構
3.1 OSA-CBM 架構
OSA-CBM（Open System Architecture For Condition-based Maintenance）標準是由MIMOSA（MachineryInformation Management Open Standard Alliance）維護的基於狀態的維修系統設計的標準規範[12]。OSA-CBM 標準以國際標準化組織的ISO13374[13,14] 為基礎制定，用於規範基於狀態的維修系統（CBM 系統）設計，以及各CBM 系統之間數據交換的開放標準。採用該標準可有效地節省開發設計費用，提高系統的協作能力，增強產品及企業競爭力。在對ISO13374 標準中定義的各層進行設計上細化的同時，提出了層之間的數據交換接口，規定數據組織及交流方法，為CBM 系統的設計奠定了良好基礎，並提供了很好的指導。
ISO13374 是國際標準化組織對於設備（或產品）的狀態監控及診斷的規範，其定義狀態監控及診斷的信息系統應遵循一般綱領、數據處理方法、通訊要求、展現要求。在數據處理上，ISO13374 規定通過6 個層次（如圖1 所示）來處理。
1）數據獲取層（DA） 收集模擬信號、數位訊號以及手工數據，並把所模擬信號轉換成數據信號作為輸出結果。
2）數據處理層（DM） 負責信號處理（如數據過濾、傅立葉轉換FFT 等）、同步或非同步平均、執行物理模型、神經網絡等算法、提取特徵，並最終輸出帶有時間及質量指示的信息數據。這些數據包括提取的特徵、時域到頻域的波形圖、算法計算的結果、虛擬傳感器數據、過濾後數據、時序數據（如採樣率）。
3）狀態監測層（SD） 負責從前兩層收集數據，並將這些數據與標準的基準線數據進行對比，得出各種特徵數據的異常信息，包括是否超過警戒線、嚴重程度如何等。同時，SD 會將特徵數據、特徵數據狀態指示信息、基準線數據等作為輸出數據提供給下一層。
4）健康評估層（HA） 健康評估根據前面各層數據作出故障診斷，評估健康等級，定位故障件，產生維修建議，給出證據及解釋，並輸出結果。
5）故障預測層（PA） 評估將來的健康等級、預測故障或失效、評估剩餘使用時間（RUL）、產生維修或保養任務，並產生證據及解釋。
6）建議決策層（AG） 根據前面各層的輸出信息產生操作維修決策、產生能力評價、產生推薦任務、產生證據及解釋。
圖1 OSA-CBM 的整體框架
3.2 OSA-CBM 標準實現的基本原理
OSA-CBM 標準定義了實現CBM 系統所需的基礎類，包括接口規範和信息規範。信息規範定義了數據交換的數據格式、模塊配置組織形式、基本數據類型，接口規範定義了數據交換的接口類及方法。
1）接口規範 OSA-CBM 為各層間的數據交換方法提供同步訪問、異步訪問、數據服務以及數據時間服務等4 種可選方法。各種訪問方法對應一個訪問接口，各接口通過不同的通訊技術實現相同的業務功能，可根據應用需要實現其中的一個或多個接口。各接口提供的業務功能包括數據事件（數據處理的結果）請求功能、配置信息請求功能、輸入數據請求功能、控制信息請求功能、應用信息請求功能、錯誤信息請求功能、控制變換通知功能、應用變化通知功能。
2）數據交換格式 模塊與模塊或模塊與外部系統間的數據交換通過各模塊提供的接口服務實現。交換的數據內容包括數據事件集合（DataEventSet）、配置信息（Configuration）、輸入數據（Explanation）、控制信息（ControlInfo）、應用信息請求功能（AppInfo）、錯誤信息請求功能（ErrorInfo）等。
數據事件集合包含一個或多個數據事件類型的對象。數據事件是各模塊數據處理的結果，由於各層對應模塊輸出的參數形式內容都不相同，故OSA-CBM 針對各層均對數據事件做了擴展。為了提供數據分析的置信度，各模塊不僅請求上層各模塊的處理結果，還請求用於產生上層各模塊處理結果的參數數據以及條件數據。這些數據的交換通過配置信息、輸入數據、控制信息、應用信息請求功能、錯誤信息請求功能等類型來規範。
3.3 基於OSA-CBM 搭建塔機遠程監控系統的優勢
1）效率高 完善、系統的開放式結構為搭建塔機加減標準節狀態檢測系統搭建了基礎架構，建立了豐富的類庫，提供通用的信號傳輸協議與接口，為了開發者節約了時間，提高了工作效率。
2）易維護 由於面向對象的特點，該架構具有類的繼承的特點，即使改變需要和功能，那麼維護也是在局部模塊，方便、低成本。
3）易擴展 由於繼承、封裝、多態的特性，該結構是高內聚、低耦合的，當增加新的功能或需求時，通過類的重構，比較容易擴展且成本低。
4）易交流 由於OSA-CBM 是一個開放式、標準化的結構，接觸過或研究過該框架的人對其他基於該框架的系統識讀比較容易，利於業內人士的交流與合作。
5）數據的可用性高 該框架結構基於伺服器和大數據化的科學、有效支持進行監控狀態判斷，增加了數據可靠性和可用性。
4 塔機加減標準節的遠程監控系統架構
4.1 監控系統的整體架構
塔機加減標準節遠程監控系統涵蓋監測、評估、預測、維護等，其中每一項的完成都需要通過一個或多個信號共同作用來實現，而整個系統的構建、信號的傳輸以及信號之間的信息交流與協調配合都需要相關的規範與標準。本文採用開放式架構OSA-CBM，結合實際塔機加減標準節過程遠程監控要求構建系統。如圖2 所示，塔機加減標準節遠程監控系統分為數據獲取、數據處理、狀態監測、健康評估、故障預測、建議決策等6 層。
圖2 遠程監控系統的整體架構示意圖
該監控系統將獲取的塔身頂端位移、人工操作指令碼、頂升高度、風速等特徵參數數據按照一定數據結構存儲於資料庫中，利用算法對特徵參數的數據進行判斷，實現基於伺服器的多臺塔機加減標準節過程的遠程安全監控。流程如圖3 所示。
圖3 塔機遠程監控系統工作流程圖
4.2 面向對象的結構設計
以面向對象為核心對信息數據進行整合，在該開放式架構中構建一個Tower 類，即實際塔機情況描述與Tower 類一一對應，有利於數據信息的規範化管理和統計，同時可實現塔機狀態監測的目的。
Tower 類中包含5 個MonitorID，分別對應5 個傳感器：剛度儀、風速儀、頂升高度傳感器、液壓缸手柄傳感器、司機手柄傳感器；5 個DAWaveForm 對象分別存儲相應的數據；5 個DataEvent 對象記錄了5 個傳感器各自的狀態（正常工作或報警），還有一個DataEvent對象是5 個傳感器通過一定算法共同作用決定塔機的狀態；5 個Function 對象定義了5 個監測信號各自判斷的方法；OsacbmTime 對象是用來記錄每一個記錄的時間。
4.3 基於OSA-CBM 塔機加減標準節狀態監測的關鍵算法
1）圖譜比較法 基於塔機不同損傷種類的圖譜，根據剛度儀獲取的數據形成當前的圖譜，判斷塔機加減標準節過程前、中、後的安全狀態。
2）閾值判定法 閾值判定法即通過將獲取的特徵數據與基準數據進行對比，進而判斷其安全狀態。
3）綜合協調判定法 該方法是指通過2 個或2 個以上特徵參數共同判斷某一時刻塔機加減標準節的安全狀態。例如，當液壓缸手柄的操作狀態為升時，司機手柄的操作狀態應為停止，頂升高度傳感器的數值信號不斷增大，剛度儀的信號在合理範圍內等；否則，塔機的狀態處於危險報警狀態。
5 結論
本文在OSA-CBM 的基礎上，搭建了塔機加減標準節狀態遠程監測的系統；根據塔機加減標準節需求，建立了Tower 類，通過剛度儀、風速儀、頂升高度傳感器等傳感器獲取信號，將這些信號與Tower 對象一一對應，然後通過圖譜判定、閾值、綜合協調判定法等方法進行塔機狀態判斷；初步實現了基於伺服器、大數據的塔機加減標準節遠程監控功能。
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