一種智能化腳手架安全實時監測系統設計

汪丹丹 張美微

(1. 安徽礦業職業技術學院， 安徽 淮北 235000；2. 安徽理工大學， 安徽 淮南 232000)

0 前 言

隨著我國基建工程化的飛速發展，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施，其結構體系的監測與管理對工程施工安全以及施工人員的安全至關重要[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構進行了分析研究，利用智能感知、無線通信以及遠程視頻監控等技術[3-5]，設計了一種智能腳手架安全實時健康監測系統。

1 腳手架的結構

在監測系統方案設計前，需對腳手架結構受力的特性進行分析，明確腳手架的事故成因和其構件節點的對象特性，針對性地選擇監測要素。

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

圖1 扣件式腳手架結構示意圖

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構穩定的基礎。實驗結果表明，單根立桿的穩定承載能力大于整體，腳手架是組合結構，其整體穩定承載能力的衡量標準為整體穩定系數。

1.2 搭設方式

腳手架是依靠保持自身原有的幾何形狀和位置來保持穩定承載性的裝置。各構件都有其特有的搭設方式：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 節點的連接

腳手架框架的節點以扣件的形式連接，其節點的轉動剛度與扣件的松緊程度相關，節點連接越緊，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。節點擰緊力要考慮結構材料的承載能力，同時由于腳手架扣件與鋼管的多次周轉使用，鋼管會產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能力。

1.4 荷載

荷載是影響腳手架穩定性的最直接因素，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荷載等。

2 健康監測系統架構

在腳手架搭建完成至拆除的整個生命周期中，可選擇在關鍵的節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警。通過遠程視頻監測設備對腳手架的施工過程進行監控，并對施工情況進行實時把控。腳手架實時安全監測系統的總體設計可劃分為采集監控層、匯聚傳輸層、管理應用層等3個層次，腳手架健康監測系統整體組織架構如圖2所示。

圖2 腳手架健康監測系統整體組織架構圖

2.1 采集監控層

數據采集與監控是整個監測系統的基礎需求，也是數據的來源。采集系統通過無線傳感器來感知腳手架各類構件部位物理量(壓力、荷載、位移、傾斜等)的信號變化，并負責將數據信號通過各種通信協議(GPIB、RS485、RS232、USB等)轉換輸出。監控系統利用網絡攝影機對施工場景進行視頻信號的獲取。

采集監控層一般需要滿足2個功能：一是實現對采集監控硬件節點的控制，對錯誤信號的偵測與修復；二是兼顧數據通信功能，將采集的監控設備數據傳輸到匯聚節點。

2.2 匯聚傳輸層

匯聚傳輸層是節點匯聚部分，主要負責將普通傳感器節點采集到的數據分類匯總并傳輸至數據管理中心，是監測網絡系統的橋梁。匯聚傳輸層與采集監控層主要通過無線的方式進行通信，與管理應用層一般通過有線或可靠通信質量的無線進行通信。匯聚傳輸層充當基站管理設備與傳感器采集設備之間的通信員，數據傳輸及設備響應都通過此層，一般需有充足、穩定的固定電源為其供電。

2.3 管理應用層

將來自匯聚傳輸層的實時數據接收、存儲并進行訪問、調度、分析與顯示，根據不同需求實現安全管理人員關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。管理應用層是系統的核心之一，可以為用戶提供一些必備的基礎功能，例如監測信息的錄入與編輯、顯示與查詢、監測結果圖表或報告格式的打印與輸出、蜂鳴或廣播形式的預警提醒。管理應用層還包括一些特有的功能，例如無線傳感器節點的定位，與現場施工或安全監管人員的及時通信和互動等。

3 健康監測系統主要模塊

管理應用層軟件分為數據采集模塊、視頻監控模塊、數據管理模塊和人機交互模塊等4個子功能板塊，管理應用層軟件架構如圖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絡通信或者命令發送進行信息的傳遞與響應，共同保障腳手架安全健康監測系統的穩定運行。

圖3 管理應用層軟件架構

3.1 數據采集模塊

數據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測數據。在本次設計的桿件體系的安全監測系統中，通過傳感器對數據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、傾斜度等數據信息和相關指標。監測主機直接與ZigBee協調器相連，通過采集模塊程序對ZigBee終端進行控制。整個采集過程包括設備通信測試、作業項目新建、作業暫停與終止作業等3部分：

(1) 設備通信測試。在硬件系統部署前，需要對硬件設備的可用性、穩定性進行測試。在部署完成后、作業開始前，需要對硬件系統的通信性能進行測試，以保證設備的流暢運行。設備連接完成后，通過串口通信測試模塊發送有效指令至協調器，協調器將指令在ZigBee無線網中進行廣播，發送指令至每一個終端節點，看是否有數據回傳。該測試只考察采集通信是否暢通，不涉及數據存儲，因此傳輸速度很快，一般不存在時延。儀器測試通過后，才可通過作業新建進入作業采集過程，儀器通信測試界面如圖4所示。

圖4 儀器通信測試界面

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

圖5 作業項目新建界面

(3) 作業暫停與終止。作業開始后，傳感器設備采集響應為應答模式，程序按時發送指令、接收數據，在需要調整采集間隔或需要終止作業時，要對采集進行中斷，主要分為暫停和終止等2種模式：暫停為暫時停止發送命令和接收數據，可根據作業需要繼續發送采集指令，無需新建作業；終止為停止當期監測作業，如需再次監測，需要新建作業。

3.2 視頻監控模塊

視頻監控模塊是安全管理監控中獨立的子系統程序。通過采集、存儲和顯示網絡攝像機的拍攝圖像，達到遠程監控的目的。視頻監控在監控行業系統中都有比較成熟的軟件，在購買硬件設備后，可按需將軟件集成到監控板塊，或根據其硬件的開發協議或接口進行個性化功能的開發或添加。視頻監控模塊包括：

(1) 實時圖像監控。通過系統監控中心，可對施工區域內的視頻信號進行實時接入與顯示，實現監控視頻信號的輸出，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。所有監視器可以根據需求實現全面與多路(8-16面)顯示，界面包含攝像機號、地址、時間等基本信息。系統監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、格式可靈活設置。當外部有報警信號時，中央控制器自動優先彈出顯示報警區域的影像畫面，直到人為調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。若在巡查過程中發現施工區域的安全隱患，可對其進行錄制保存。管理者可以通過授權查詢存儲在系統中的歷史視頻影像數據、報警預錄圖像數據等記錄，查詢方式包括時間、地點、攝像機設備編號等，同時服務器會根據用戶的需求和授權級別自動點播和回放，滿足各級管理人員對監控信息的需求。

(3) 語音對講或廣播?？蓪崿F施工人員和管理人員的通信互通，監測中心與施工現場的語音雙向對講或語音廣播。安全管理人員可根據視頻監控情況和采集數據的趨勢，對施工工作進行及時溝通和全面調度，下達統一指令，做到指令暢通。

(4) 預警響應與聯動。當預報狀態超過安全閾值的設定時，監控系統響應預警機制，自動終止其他所有工作，并進行報警預錄，用戶可查看預警前幾分鐘的影像資料。系統具備預警信息發布、聯動控制功能，當預警機制響應時，系統可根據對預警級別的評估判斷觸發命令。

3.3 數據管理模塊

數據管理模塊是監測系統的核心，可以對采集到的數據進行整理、分析，并以圖、表等直觀的形式進行實時輸出顯示。數據管理模塊可通過對數據的實時評判進行預警機制的識別與評估、響應與聯動，從而有效地完成監測與預警任務。數據的管理主要包括數據庫的讀寫、MFC圖表曲線的顯示等，預警信息的發布依賴網絡通信的實現。數據管理模塊的功能設計包括4個方面：

(1) 當前顯示。根據管理員的要求，可對當前默認傳感器所采集的數據進行實時顯示，并且可自定義顯示數據的格式、形式。當前顯示可根據需要顯示當前傳感器設備的歷史數據，還可加載采集設備的網絡拓撲圖，并可根據拓撲圖對數據進行選擇。

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

(3) 報表生成。系統配置信息、設備狀態信息、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數據均可制成報表和報告，并可導出和打印，方便瀏覽、查詢及備案。

(4) 預警設定響應。數據管理模塊可以在正常采集和監控狀態下設定預警閾值。不同的環境條件下，框架體系的安全狀態也有所不同。以監測對象指標的允許值為基準，管理人員可對不同狀態下的閾值進行設定，根據對實時采集數據的判讀，決定是否啟動響應預警機制。若采集的數據在預警范圍內，則立即發送報警信號到異常監測點，同時發送報警信息給安全管理員，管理員可根據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測系統的必備模塊。通過人機交互模塊，管理者可實時掌控監測設備的參數以及當前監測狀態，遠程進行網絡攝影機焦距的調整、錄制角度的變換等[10-11]，并可根據不同監測場景進行監測方案的設計與執行，按需配置。在本次監測系統中，交互過程包括3個功能：

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

(2) 監控設備調整。當遇到緊急情況或者需要管理人員協助調度時，管理者可對監控設備進行動態調整。

(3) 系統作業屬性。此功能匯總了當前整個監測系統的工作狀態信息，除基本作業信息外，還包括各種異常情況、人為情況下的終止、暫停監測記錄。

4 工程應用

將本次設計的腳手架安全監測系統應用于某施工場地，實時監測采集的各項數據，對現場施工的安全情況進行監測，腳手架安全監測系統運行界面如圖6所示。

圖6 腳手架安全監測系統運行界面

4.1 通訊傳輸

通訊傳輸用于校驗監測系統的網絡通信設備在特定實驗環境中的運行情況?？紤]到施工區域腳手架體系的結構特點，本次施工布設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果如表1所示。在開闊無障礙的環境條件下，水平距離150 m、垂直距離50 m范圍內的傳感節點的采集信號均能有效傳輸。數據采集范圍超過腳手架體系的高度，同時又考慮了傳感器節點部署密度。在有遮擋的環境條件下，50 m范圍內的數據信號幾乎能完全接收，100 m范圍內的數據只能部分接收。實驗結果表明，遮擋對通訊傳輸有較大影響，但當監測系統布設間隔為30-50 m時，通訊儀器設備基本能實現接收數據信號的全覆蓋。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果

4.2 實時監測數據分析

實時采集的信息存儲至數據庫，也可以曲線圖表、數據表格的形式進行顯示。本次設計的系統以TeeChart控件和消息響應機制完成對實時數據曲線的繪制，并可對圖表進行定時刷新。傳感器實時數據采集曲線如圖7所示。

圖7 傳感器實時數據采集曲線

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

5 結 語

本次研究利用當前的無線通信技術、無線傳感器網絡技術以及遠程視頻監控技術，根據腳手架結構的特點，設計了腳手架安全實時監測與預警系統，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、高效的監測方法，保障了施工安全?，F場應用表明，本次設計的腳手架監測系統能較好地完成監測任務。