蔡福海1，王鸣军2，高昂3，黄良斌3，巫越1

（1．大连理工大学，辽宁，大连，116023；

2．常州建筑业安全监督站。江苏，常州，213000；

3．常州益利亚重工机械科技有限公司，江苏，常州，213164）

摘    要：目前中国由于建设项目繁多，在役塔机数量急剧上升，若不加强监管和提升控制手段，安全事故隐患会随着塔机数量的增加而增加。本文对塔机安全事故发生的主要原因进行了分析，介绍了塔机安全监控和评估系统的技术现状，对一种新研发的塔机安全监控与评估系统做了简要阐述。同时通过对试点工程的总结，指出了本塔机安全监控和评估系统的优势，为塔机的安全作业提供了一个新的技术方法。

关键词：塔机；安全监控；评估系统；技术现状

[Abstract]：There are many construction projects currently in China, the number of tower cranes in service increase sharply. If the government doesn’t to strengthen the regulation and improvement of means of control, safety accidents as the tower will increase. The tower crane accidents occurred on the main reasons was analyzed, and the tower crane safety monitoring and evaluation system of the technology status, development of a new tower crane safety monitoring and evaluation system are briefly described. Through a summary of the experimental project, the development trend of points of current tower crane safety monitoring and evaluation system is pointed out. And for the safe operation of tower crane, a new technical method is offered.

[Key words]：Tower Cranes；Surveillance；Evaluation System；Technology Status

0前言

近年来，中国由于建设项目繁多，在役塔机数量急剧上升，尽管建筑安全监督部门不断加大监管力度，但塔机的超载使用、无证操作和野蛮施工等违章行为频现，倒塔伤人的安全事故也经常发生，造成了人民生命财产的重大损失。在以人为本的思想指导下，安全生产是重中之重，安全监控系统的研发与应用必然成为塔机的标准配置之一。同时，它也作为监管部门强有利的监控手段而越来越受到重视。如何降低塔机事故频率，最大限度减少事故损失，成为摆在政府部门和施工企业面前的一道难题。

要解决这个难题，一方面，塔机施工单位和塔机所有者必须按照规定安装安全监控设备，规范自身作业方式，严格按照安全流程办事，淘汰老、旧、残塔机，这是降低安全事故隐患的最直接过程；另一方面，需要监管部门、塔机生产厂家、施工企业联合建立共享信息平台，对在役的塔机进行实时监控、分布管理、分层控制，从而做到提前预防事故的发生，事后提供充分的证据材料。

1事故原因分析

每一次塔机事故，都会造成巨大的财产损失和人员伤亡。图1是各类塔机事故现场的照片。

图1 塔机倾翻和折臂事故现场

塔机事故的成因很多，但主要原因不外乎如下几个方面：

(1)违章操作。因违章操作引起的塔机事故比例最高，约占总数的50%。违章事故具体原因集中体现在：

a)超载作业，操作者在不明吊载物重量的前提下，进行吊载或已知超重仍进行吊载，即使声光已报警，操作者置若罔闻，仍我行我素；

b)在超出设计条件下的环境中作业，尤其是在6级以上大风天气情况下，塔机和吊运的物体被风吹得剧烈晃动，还照常作业。

(2)安全装置不齐全。安全装置不齐全所引起的事故约占所有事故比例的18%。安全装置不齐的主要原因有：

a)安全装置损坏，未及时增设或维修。

b)为图方便和省事，安全装置被故意拆除或破坏。 

c)安全装置出厂时先天不全。

(3)人员无证操作。塔机司机是国家认定的特种作业人员，必须持证上岗。有的工地常雇用一些无特种作业证的人员来操作塔机，经常出现习惯性违章作业，从而事故频发，这种事故约占所有事故比例的10%。

(4)机械状况差。塔机是危险性较大的特种设备，应按国家标准定期对金属结构、运动机构、电气控制等部分进行保养、维修或报废，譬如规程规定，塔机工作15000小时就要求进行大修。目前由于各企业设备管理体系不健全，设备管理人员缺乏，塔机的操作使用时间无人统计，设备到期大修也就根本谈不上。只用不修的现状，导致塔机的整机安全性能下降，一些安全隐患长期存在，最终引发了安全事故。由于机况差而引起的事故约占所有事故比例的11%。

(5)塔机安装、拆卸作业时的安全操作能力不足。在安装、拆卸工况下，协同作业人员人数多，涉及的工种多，对关键岗位的操作人员技术要求高、责任心强、合作沟通能力强，稍有不慎，极易发生重大事故。据统计，塔机安装和拆卸时发生的事故占一次死亡3人以上事故比例的70%以上。

图2 塔机安全事故原因比例                                           图3 塔机安全事故类别

图2是安全事故所占比例图。图3是通过对国外1200例塔机事故分析后得到的塔机安全事故类别。经过上述分析，事故发生最大的原因，来自于人为的疏忽和故意，本身由于塔机自身状况差而导致事故发生的，才占11%。

从图3可以看出，结构是事故发生的最大部位，由于电气系统或机构损坏导致事故发生的只占很少部分。如何对在役的塔机结构进行安全评估，得到塔机目前的安全工作状态和继续工作年限，具有重大的实用价值和社会意义。

2技术发展现状

2.1塔机安全监控系统技术产品现状

1)大多数塔机安全控制装置简陋

目前，很多塔机上安装了相应的保护装置，如高度限制器、力限制器等装置，但是由于大多数塔机本身的价值相对移动式起重机来讲不是很高，因此塔机的安全保护装置也非常简单。很多塔机的安全装置就一个限位开关，替代力矩限制器使用，精度很差，导致测量的载荷同实际的载荷相差太多，很容易导致事故的发生。一旦事故发生，也无法清晰认定责任，故这种简易型安全装置将逐步被淘汰。

2)安全监控装置从单机化、本地化向集群化、远程化、网络化发展

从2005年开始，国内开始流行专门针对塔机单机的安全监控系统，如黑匣子记录仪、起重量限制器和力矩限制器，但是只是针对塔机单机安全控制的应用，主要目的是用户与施工方单台起重机的自我监控。

从2006年开始，在部分规模较大的施工单位和塔机使用方中，开始应用塔机集群化管理系统，如塔机群防碰撞保护功能的应用。但是推广范围还比较窄，只适用于塔机较多的单个工地。

从2008年开始，远程无线监控网络平台开始应用于塔机。通过这个平台，施工方、主机厂等各个单位都可以实时监测塔机的工作状况。施工方的目的在于工地监控、防盗、监控操作等功能，主机厂用于定位跟踪、硬件锁车等功能，双方可以通过不同的使用权限来行使各自权利。

图4 塔机黑匣子                                                  图5 塔机多机防碰撞系统

3)政府监管部门缺乏合适监控手段与工具

目前还没有出现专门针对政府监管部门的网络平台，也没有从政府统一宏观监管的高度，建立一个共享的网络平台，将监管部门、施工方、主机厂都能纳入其中。但随着技术和市场的发展，加强政府部门宏观监督势在必行。

4)融合物联网技术的塔机监控系统市场初现

随着塔机数量的增加和远程监控技术的发展，融合物联网技术的塔机安全监控装置和远程接入手段应运而生。目前采用GPRS（通用分组无线业务General Packet Radio Service）的通讯方式是比较流行的。它可以将塔机上取得的各类传感器信号通过无线网络发送到固定的服务器上，并进行储存，用户只要登录互联网，即可以查询到所有的塔机信息。系统工作流程如图6所示。

 

图6 基于GPRS的远程无线监控系统工作流程

2.2塔机安全评估系统技术产品现状

1)人工检测手段落后

塔机的安全评估重点在金属结构，如对结构腐蚀、磨损、裂纹程度等物理量的评估，国内还没有实现传感器的自动实时监测。因此，都需要通过人工的检测来记录，效率较低，误差较大，人为干扰因素较多。

2)评估计算方法与实际检测难度较大

针对塔机正常工作年限和安全寿命的评估，目前各地尚不统一，检测的方法和侧重点有所不同，对塔机的报废和降级使用的要求也各不相同。

对剩余寿命的评估，目前采用比较广泛的是应力循环次数法[1]。对于塔机安全现状的评估，却大多依据《建筑起重机械安全评估技术规程》进行级别评定[2-3]。由于目前塔机的载荷记录设施并不完善，无法精确采集塔机塔机的以往载荷信息，因此，利用循环应力次数法进行安全评估和剩余寿命的计算并不精确，实际检测难度较大。

3)传感融合与理论计算相结合的评估方法成为现实

由于物联网的发展，新一代的塔机逐步具备了载荷记录功能，随着物联网的发展及应用为精确记录循环次数奠定了“物质基础”。通过对塔机金属结构的传感检测，如腐蚀、磨损、焊缝裂纹等物理量，建立合适的寿命发展模型，为精确反映当前塔机的安全工作状态和剩余寿命奠定了“理论基础”。因此，传感融合和经典理论计算相结合，使得更加精确的安全评估成为现实。

3系统研发介绍

3.1产品框图

为防范和减少塔机安全事故的发生，新一代“起重机械安全作业监控系统”产品应运而生。这套系统不同于以前一些地区所采用的功能单一的系统，如力限器、黑匣子等。该监控系统是集安全生产状态实时记录、远程通信、数据传输、单机和多机防撞控制、违规操作报警和限制、故障实时报警、恶劣条件报警和控制、无证作业限制、精确定位等诸多功能于一身的系统。该系统工作流程如图6所示：采用无线数据的传输方式，达到远程监控的目的。

3.2主要功能特点

该系统分为电子监控终端和监控中心服务器两个模块，分别具备不一样的功能。电子监控终端主要提供的是塔机各类参数的监测、控制、记录及传输功能，如图7所示的塔机监控系统运行数据界面。而监控中心服务器主要提供访问、技术支持和消息管理等功能，如图8所示的实时数据监测界面。

结合上述功能的应用，第一次为安全监管部门提供了通道，实现了多种监管和评估功能：

1)防止无证操作。持有效证件的司机必须用IC卡在控制装置上进行刷卡确认，若信息不一样，系统将发出短信通知该工地的项目经理，进行核查；

2)记录功能。这套装置能将实时存储连续工作30天以上的信息。一旦发生事故，能很快地读取存储的信息，为分析事故原因和责任划分提供依据。同时也使“一机一档”的设想在这个平台上得以电子化信息化的实现，塔机的累计工作时间和工作循环也可精确统计，为该设备的中修、大修、报废提供依据；

3)定位功能。该装置在塔机安装完成通电开始调试时，位置信息就能发送到主服务器，通过与系统中的卫星地图配合，网上便可查询出该塔机所地位置、型号、机型等信息，使建筑安监部门能跟踪到该塔机的流动方位和使用时间；

4)安装、拆卸的平衡控制。塔机安装拆卸时，维持臂架的平衡是重中之重，若臂架失去平衡就会引发“倒塔”等重大安全事故。该装置能监控安装拆卸过程中臂架的平衡状况，如发现臂架的在垂直平面上的摆动超过塔机说明书的规定，会立即报警，并限制危险方向动作，即停止向上顶升方向的供电；

5)按照《建筑起重机械安全评估技术规程》，根据人工采集和检测的结果输入软件后，软件自动生成安全评估报告，为监管部门提供评估报告。

图7 塔机监控系统运行数据界面

图8 实时数据监测界面

3.3系统组成

硬件系统由数据采集单元与控制单元两部分构成。软件采用凯迪恩专用编程语言编写。

数据采集单元包括测力传感器、幅度传感器、倾角传感器与风速传感器，以及数据采集模块。数据采集单元可以为控制单元提供起重量、小车幅度、倾斜角度、工作环境风速等参数的精确数据，是控制单元进行显示、记录、报警与控制的基础。

控制单元包括控制器、显示器与存储器。控制器对数据采集单元的数据信息与电控柜的操作信息进行分析，在满足条件时输出报警信号或控制信号，是系统的核心结构。显示器用于显示实时数据、操作状态、报警信息等，并具有传感器标定、时间调整等功能。存储器可以记录各项参数数据、操作信息、报警信息等，用于历史信息查询。各个硬件设备安装位置如图9-12所示。

图9 传感器安装位置图

图10 主机安装位置

图11 高度限制器安装位置

图12 压式力传感器安装位置

3.4安全评估系统应用

塔机的安全评估系统是塔机安全监控系统的重要组成部分，通过对现有塔机各个性能参数的监测和计算，对塔机的安全作业状况有一个明确的评估，输出塔机目前的安全工作状态和需要进行整改的下一步工作内容，自动生成安全评估报告，减小人为误差，提高塔机安全评估的精确度。

软件分为检测准备、资料审核、外观检查、金属结构检测、载荷实验、评估报告、软件管理等七个功能区。在这七个功能区中，金属结构检测是塔机安全评估软件的最核心部分，是对塔机的主体结构进行检测，如图13所示。

图13 安全评估系统主界面

3.5试点工程

该系统已在常州某示范工地的塔机上开始试用，如图10-图12所示。试用结果表明，该系统运行比较稳定，数据测量比较精确，对工地上正常施工的影响也较小，受到各相关单位的支持。

本项技术的创新之处包括如下几个方面：

(1)首次将GPRS远程通讯引入塔机监控系统领域，建立市一级塔机监控网络平台。多个施工工地的区域化信息通过公网传输到总监控平台，网络软件具备实时报警功能，将报警信息实时发送给施工单位和监管部门的相关人员，同时具备完善的操作规程分析效果，对各施工企业的安全操作标准进行规范；

(2)首次提出了安全监控技术标准与评价规范设计，对现场进行安全监管评价。将监控网络发布的塔机违章作业情况作为施工现场安全管理评价和作业人员行为评价的依据之一，还作为在施工现场安全文明工地创建、特种作业人员复审时的重要参考；

(3)首次为政府监管部门提供了信息共享平台，使得政府、塔机生产企业、施工部门都可以登录，实现共管共享的信息交流机制。

4结语

通过塔机安全监控系统应用，建筑安全监管部门和施工企业能通过上网和手机短信迅速掌握施工现场各台塔机的使用情况，建立以政府监管部门、承建单位和作业单位等为主体的统一的管理平台，最大程度地实现了区域化的安全管理和信息沟通。同时为科学监管提供了一种先进的手段，减少了安全监管的工作量，提高了监管效率，在遏制重大事故，大幅度减少一般事故，保障人民生命财产的安全方面发挥了重要作用。

参考文献

[1]王铁柱，侯义东.塔机正常工作年限评估方法的探索.建筑机械化, 2008（12）：35-37.

[2]包世洪. 塔机的使用寿命和评估.建设机械技术与管理，2008（05）：130-134.

[3]陆志远，殷晨波，刘志刚.超期使用的塔机检测和评估方法. 建筑机械化,2010(06)：70-73.