基于OSA-CBM 的塔式起重机 加减标准节远程监控系统

宋世军1 张 跃1 田福兴2 刘雨哲11 山东建筑大学 济南 250000 2 中国电建集团核电工程公司 济南 250000摘 要：塔式起重机加减标准节的过程是事故多发阶段，对其进行远程监控是降低安全事故率的有效途径之一。通过对塔式起重机加减标准节过程特点的分析，文中提出了基于OSA-CBM 的塔式起重机加减标准节过程的远程服务器监控系统方案，将CBM 的开放架构及类库与塔机加减标准节监控特点相结合，将获取的塔身顶端位移、顶升高度、人工操作指令码、风速等特征参数数据按照一定数据结构存储于数据库中，利用算法来判断特征参数的数据，其意义在于充分利用大数据和专家知识，为进一步提高加减节过程管理水平、保障安全打下基础。关键词：塔式起重机；标准节；维护；状态监测；远程监控中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）09-0069-050 引言塔式起重机（以下简称塔机）具有工作效率高、适用范围广、回转半径大、起升高度高、工作幅度大、操作简单、安装与拆卸方便等特点，是建筑施工中各种建筑材料、物件、装配工具等在较大空间内升降和搬运的主要施工机械，也是完成垂直运输效率最高的起重设备[1 － 6]。随着塔机使用普及率的不断提高，人员伤亡等安全事故亦屡有发生。据统计，2017 年8 月全国发生了15 起塔机事故，其中由加减标准节引起的事故有4 起。塔机的加减标准节过程目前处于安全隐患极高的状态，分析其原因得出：一是由塔机加减标准节过程的特点决定，塔机加减标准节时，其结构强度处于较脆弱的状态，极易发生危险；二是塔机加减标准节过程的机械化、智能化程度较低，基本都是靠人来协作完成的，且操作过程的可靠性对实际经验的依赖性较大；三是塔机加减标准节过程缺少安全智能监控，无法对该过程的隐患进行实时记录和报警。塔机安全事故引起了国内学者和行业内人士的密切关注并进行了相关研究。例如：山东建筑大学的宋连玉基于视频监测技术提出一种基于位图模型的背景建模算法，能够达到快速分割识别特征图像，实时监控塔机加减标准节的目的[7]；哈尔滨工业大学的杨亮基于QTZ800 设计了一个采用了可展开活动腹杆的顶升套架；建立了该顶升套架的Ansys 模型，利用Ansys 软件分析了塔机在顶升过程中遇到某方向突发风载荷时所能承受的安全顶升风载荷，以及打开可展示腹杆后，在停止顶升的前提下仍能保证安全的风荷载大小，绘制了QTZ800 安全顶升风速矢量表[8]；大连理工大学的王真在总结动臂塔机顶升作业事故案例基础上，从安全角度考虑设计了液压顶升系统，并通过对顶升故障原因的探究，建立了液压顶升系统可靠性框图和故障树[9]；王东彬等人针对自升塔机液压顶升系统进行了油液污染、液压冲击、油液发热等方面进行研究，提出了相应的预防措施[10]；杨象鸿针对塔机应用作为广泛的侧面顶升套架结构和工作特性进行分析和说明，并为塔机顶升套架的设计提出了建议和意见[11]。上述成果主要是针对液压缸、顶升套架结构以及塔机运行状态监测进行的研究；少数学者关注到了塔机加减标准节的过程监测，仅仅是提出了一些方法，还没有基于服务器的远程监控系统。为此，本文基于OSACBM对塔机加减标准节的安全监控系统进行了研究，设计了远程安全监控系统，该系统将CBM 的开放架构及类库与塔机加减标准节监控特点相结合，把获取的塔身顶端位移、人工操作指令码、顶升高度、风速等特征参数数据按照一定数据结构存储于数据库中，利用算法对特征参数的数据进行判断，实现基于服务器的多台塔机加减标准节过程的远程安全监控。1 加减标准节过程特征参数分析塔机安全特征参数是由塔机加减标准节过程特点决定的。加标准节时，通过变幅小车移动砝码找塔机上部质量平衡，拆除塔身标准节与塔身上部的回转机构间的销轴或螺栓，然后在试顶升和顶升的过程中，借助套架的支撑，开动液压泵站工作，使液压缸中活塞杆伸出，将塔机上部结构顶起，从而从窗口引入一个标准节，然后落顶、装销轴或螺栓，实现塔机的升高；下降的过程反之。通过对塔机加减标注节过程的研究分析，对其进行了重大危险源排查，并确定了4 个安全特征参数。1）塔身顶端位移当塔机受力时，塔身顶端（塔机回转台及以上部分）相对其静止状态会产生位移（晃动）；实际操作过程中，塔身顶端允许其在合理范围内晃动，但该位移量超出合理范围就意味着塔机的加减标准节过程存在较大安全隐患。根据上述特点，通过位移传感器（刚度仪）获取塔身顶端某个点在水平面的位移量来评估塔身结构安全性。2）顶升高度在塔机加减标准节（试顶升和顶升）过程中，塔身上部质量产生的弯矩由套架上依附于塔身上的滚轮或滑块来承担，该过程应保证套架上的滚轮或滑块与塔身相互接触。以加标准节为例，顶升过程中顶升的高度过低没法引入标准节，过高（冒顶）容易使套架上滚轮或滑块与塔身分离，塔机容易发生倾覆，通过顶升高度传感器获取该过程中顶升的实时高度数据，便于安全操作。3）人工操作指令码人工指令码对应操作手柄有上升、下降和停止3 种状态。在加减标准节过程中，人工操作手柄有司机室操作手柄和液压缸操作手柄，通过倾角传感器获取操作手柄的操作指令码（工作状态），可记录该过程中人工操作动作。4）风速国家标准明确指出：塔机加减标准节过程中的风速必须小于4 级，否则不可进行塔机加减标准节等相关操作。综上所述，系统可通过风速信号确定升降节过程风载荷大小，通过人工操作指令码确定操作节拍和意向，通过顶升高度信号提醒操作人员安全操作，通过塔身顶端位移的时序信号确定升降节过程中塔机结构是否处于安全状态，从而发现尚存的安全隐患，采取相应管理措施保障升降节安全。2 加减标准节过程远程监控系统需求分析1）塔机编号与特征参数一一对应当同时加减标准节的塔机数量较大时，所获取的特征参数数量较大，需要将这些特征参数值通过合理的数据结构进行存储，以实现每台塔机与获取的特征参数一一对应。2）获取的特征参数应同步塔机加减标准节过程中的安全状态由前述特征参数共同决定，获取特征参数数据的时间必须是同一时刻的，否则其判断的安全状态没有意义。3）远程监控系统作用时间应在合理范围内当塔机处于安全隐患状态时，从获取该塔机安全参数开始到发出报警信息的时间间隔就是远程监控系统作用时间。为了确保有充足的时间实施抢救措施，避免安全事故的发生，应将该时间间隔控制在合理范围内。3 OSA-CBM 体系架构3.1 OSA-CBM 架构OSA-CBM（Open System Architecture For Condition-based Maintenance）标准是由MIMOSA（MachineryInformation Management Open Standard Alliance）维护的基于状态的维修系统设计的标准规范[12]。OSA-CBM 标准以国际标准化组织的ISO13374[13,14] 为基础制定，用于规范基于状态的维修系统（CBM 系统）设计，以及各CBM 系统之间数据交换的开放标准。采用该标准可有效地节省开发设计费用，提高系统的协作能力，增强产品及企业竞争力。在对ISO13374 标准中定义的各层进行设计上细化的同时，提出了层之间的数据交换接口，规定数据组织及交流方法，为CBM 系统的设计奠定了良好基础，并提供了很好的指导。ISO13374 是国际标准化组织对于设备（或产品）的状态监控及诊断的规范，其定义状态监控及诊断的信息系统应遵循一般纲领、数据处理方法、通讯要求、展现要求。在数据处理上，ISO13374 规定通过6 个层次（如图1 所示）来处理。1）数据获取层（DA） 收集模拟信号、数字信号以及手工数据，并把所模拟信号转换成数据信号作为输出结果。2）数据处理层（DM） 负责信号处理（如数据过滤、傅里叶转换FFT 等）、同步或非同步平均、执行物理模型、神经网络等算法、提取特征，并最终输出带有时间及质量指示的信息数据。这些数据包括提取的特征、时域到频域的波形图、算法计算的结果、虚拟传感器数据、过滤后数据、时序数据（如采样率）。3）状态监测层（SD） 负责从前两层收集数据，并将这些数据与标准的基准线数据进行对比，得出各种特征数据的异常信息，包括是否超过警戒线、严重程度如何等。同时，SD 会将特征数据、特征数据状态指示信息、基准线数据等作为输出数据提供给下一层。4）健康评估层（HA） 健康评估根据前面各层数据作出故障诊断，评估健康等级，定位故障件，产生维修建议，给出证据及解释，并输出结果。5）故障预测层（PA） 评估将来的健康等级、预测故障或失效、评估剩余使用时间（RUL）、产生维修或保养任务，并产生证据及解释。6）建议决策层（AG） 根据前面各层的输出信息产生操作维修决策、产生能力评价、产生推荐任务、产生证据及解释。图1 OSA-CBM 的整体框架3.2 OSA-CBM 标准实现的基本原理OSA-CBM 标准定义了实现CBM 系统所需的基础类，包括接口规范和信息规范。信息规范定义了数据交换的数据格式、模块配置组织形式、基本数据类型，接口规范定义了数据交换的接口类及方法。1）接口规范 OSA-CBM 为各层间的数据交换方法提供同步访问、异步访问、数据服务以及数据时间服务等4 种可选方法。各种访问方法对应一个访问接口，各接口通过不同的通讯技术实现相同的业务功能，可根据应用需要实现其中的一个或多个接口。各接口提供的业务功能包括数据事件（数据处理的结果）请求功能、配置信息请求功能、输入数据请求功能、控制信息请求功能、应用信息请求功能、错误信息请求功能、控制变换通知功能、应用变化通知功能。2）数据交换格式 模块与模块或模块与外部系统间的数据交换通过各模块提供的接口服务实现。交换的数据内容包括数据事件集合（DataEventSet）、配置信息（Configuration）、输入数据（Explanation）、控制信息（ControlInfo）、应用信息请求功能（AppInfo）、错误信息请求功能（ErrorInfo）等。数据事件集合包含一个或多个数据事件类型的对象。数据事件是各模块数据处理的结果，由于各层对应模块输出的参数形式内容都不相同，故OSA-CBM 针对各层均对数据事件做了扩展。为了提供数据分析的置信度，各模块不仅请求上层各模块的处理结果，还请求用于产生上层各模块处理结果的参数数据以及条件数据。这些数据的交换通过配置信息、输入数据、控制信息、应用信息请求功能、错误信息请求功能等类型来规范。3.3 基于OSA-CBM 搭建塔机远程监控系统的优势1）效率高 完善、系统的开放式结构为搭建塔机加减标准节状态检测系统搭建了基础架构，建立了丰富的类库，提供通用的信号传输协议与接口，为了开发者节约了时间，提高了工作效率。2）易维护 由于面向对象的特点，该架构具有类的继承的特点，即使改变需要和功能，那么维护也是在局部模块，方便、低成本。3）易扩展 由于继承、封装、多态的特性，该结构是高内聚、低耦合的，当增加新的功能或需求时，通过类的重构，比较容易扩展且成本低。4）易交流 由于OSA-CBM 是一个开放式、标准化的结构，接触过或研究过该框架的人对其他基于该框架的系统识读比较容易，利于业内人士的交流与合作。5）数据的可用性高 该框架结构基于服务器和大数据化的科学、有效支持进行监控状态判断，增加了数据可靠性和可用性。4 塔机加减标准节的远程监控系统架构4.1 监控系统的整体架构塔机加减标准节远程监控系统涵盖监测、评估、预测、维护等，其中每一项的完成都需要通过一个或多个信号共同作用来实现，而整个系统的构建、信号的传输以及信号之间的信息交流与协调配合都需要相关的规范与标准。本文采用开放式架构OSA-CBM，结合实际塔机加减标准节过程远程监控要求构建系统。如图2 所示，塔机加减标准节远程监控系统分为数据获取、数据处理、状态监测、健康评估、故障预测、建议决策等6 层。图2 远程监控系统的整体架构示意图该监控系统将获取的塔身顶端位移、人工操作指令码、顶升高度、风速等特征参数数据按照一定数据结构存储于数据库中，利用算法对特征参数的数据进行判断，实现基于服务器的多台塔机加减标准节过程的远程安全监控。流程如图3 所示。图3 塔机远程监控系统工作流程图4.2 面向对象的结构设计以面向对象为核心对信息数据进行整合，在该开放式架构中构建一个Tower 类，即实际塔机情况描述与Tower 类一一对应，有利于数据信息的规范化管理和统计，同时可实现塔机状态监测的目的。Tower 类中包含5 个MonitorID，分别对应5 个传感器：刚度仪、风速仪、顶升高度传感器、液压缸手柄传感器、司机手柄传感器；5 个DAWaveForm 对象分别存储相应的数据；5 个DataEvent 对象记录了5 个传感器各自的状态（正常工作或报警），还有一个DataEvent对象是5 个传感器通过一定算法共同作用决定塔机的状态；5 个Function 对象定义了5 个监测信号各自判断的方法；OsacbmTime 对象是用来记录每一个记录的时间。4.3 基于OSA-CBM 塔机加减标准节状态监测的关键算法1）图谱比较法 基于塔机不同损伤种类的图谱，根据刚度仪获取的数据形成当前的图谱，判断塔机加减标准节过程前、中、后的安全状态。2）阈值判定法 阈值判定法即通过将获取的特征数据与基准数据进行对比，进而判断其安全状态。3）综合协调判定法 该方法是指通过2 个或2 个以上特征参数共同判断某一时刻塔机加减标准节的安全状态。例如，当液压缸手柄的操作状态为升时，司机手柄的操作状态应为停止，顶升高度传感器的数值信号不断增大，刚度仪的信号在合理范围内等；否则，塔机的状态处于危险报警状态。5 结论本文在OSA-CBM 的基础上，搭建了塔机加减标准节状态远程监测的系统；根据塔机加减标准节需求，建立了Tower 类，通过刚度仪、风速仪、顶升高度传感器等传感器获取信号，将这些信号与Tower 对象一一对应，然后通过图谱判定、阈值、综合协调判定法等方法进行塔机状态判断；初步实现了基于服务器、大数据的塔机加减标准节远程监控功能。参考文献[1] 黄志斌，申懋，牛勋强，等. 昆明世纪城群塔作业施工管理[J]. 建筑机械，2007(9)：39-42，63，4.[2] 许福新. 高层建筑施工中塔式起重机的选型与应用[J].建筑机械化，2007(8)：44-46，4.[3] 李志远，宋盛国，张龙. 大型公共建筑群塔安装与作业施工技术[J]. 建筑技术，2007(4)：260-262.[4] 卢毅非.bauma 2007 起重机预览[J]. 建筑机械，2007(7)：18-21，3.[5] 龚怡. 非成熟写字楼整售频仍50 亿境外基金虎视眈眈[J].安家，2006(6)：160，161.[6] 李守林. 我国塔式起重机的现状与发展[J]. 建筑机械化，2000(6)：9-11.[7] 宋连玉. 塔机安装过程中特征目标的分割识别研究[D].济南：山东建筑大学，2012.[8] 杨亮.QTZ800 塔机结构设计及顶升系统安全性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.[9] 王真. 基于故障树的动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真分析[D]. 大连：大连理工大学，2013.[10] 王冬彬，杨奎丰. 自升塔式起重机液压顶升系统故障分析[J]. 中国特种设备安全，2013(6)：57，58.[11] 杨象鸿. 塔式起重机顶升套架设计方法的探讨[J]. 江西建材，2015(11)：298，299.[12] 周圣林.OSA-CBM 标准适用性分析和航空应用探讨[J].航空标准化与质量，2012(3)：38-41.[13]ISO 13374-1：2003 Condition Monitoring and diagnostics of machines-Data 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