宋雪飛

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

建筑施工過程中，垂直運輸是影響工程進度和施工現場安全的重要因素。垂直運輸過程中存在高處作業(yè)、交叉作業(yè)、碰撞、高空墜物、電氣事故、機械故障、工人操作不當、不文明施工等多種風險隱患，上述原因引起的安全事故約占建筑業(yè)事故總數的85%左右。目前建筑業(yè)垂直運輸作業(yè)的主要設備是塔吊，對塔吊進行有效的安全監(jiān)控，可降低建筑施工事故率。以往的管控手段以現場教育培訓和監(jiān)督檢查為主，無法實現異地精準管控，極易發(fā)生監(jiān)管不到位。隨著物聯網和BIM等技術的發(fā)展，建立數字化安全監(jiān)控平臺成為對塔吊開展遠程實時安全管控的先進手段。

1 監(jiān)控平臺系統(tǒng)結構模式

1.1 C/S結構

應用最早、技術最成熟的軟件系統(tǒng)體系結構是C/S結構，即Client/Server（客戶機/服務器）結構。C/S結構通常采取2層結構，客戶端通過局域網與服務器相連，接受用戶的請求，并通過網絡向服務器提出請求，對數據庫進行操作。但是，在塔吊數字化監(jiān)控中，對多地協同遠程操作及數據實時性要求較高。C/S結構對網絡穩(wěn)定性、數據傳輸可靠性、數據傳輸效率、客戶端和服務器軟硬件維護等要求較高。

1.2 B/S結構

B/S結構，即Browser/Server（瀏覽器/服務器）結構，是隨著Web技術的發(fā)展，對C/S結構的一種變化或者改進的結構。在這種結構下，用戶界面僅需要通過瀏覽器界面即可打開使用，瀏覽器通過Web服務器同數據庫進行數據交互，以滿足當前的全球網絡開放、互聯、信息隨處可見和信息共享的新要求。采用B/S結構，只要使用具備網頁瀏覽功能的設備，在權限足夠的情況下，均可訪問、讀取數據，編輯和控制監(jiān)控集成平臺。

1.3 C/S結構與B/S結構特點對比

C/S結構和B/S結構特點對比[1]如表1所示。

2 塔吊監(jiān)測數據采集

塔吊監(jiān)測數據的采用，可在塔吊各測點嵌入專用的傳感器，傳感器采集指定數據并上傳至服務器。市場上已有成熟的傳感器產品，可采集各種物理量數據，如應變測量傳感器、液壓伺服器頂升位移與液壓的監(jiān)測傳感器、混凝土溫度監(jiān)測傳感器（圖1）。這些傳感器采集的數據信號通過特制的無線通信裝置（圖2）實時上傳至云服務器，供監(jiān)控平臺調用和分析。

表1 C/S結構和B/S結構特點對比

圖1 各類傳感器

圖2 傳感器數據無線傳輸設備

3 塔吊狀態(tài)數據傳輸

由于塔吊工作時存在起重臂俯仰變幅、小車變幅、回轉、自升、爬升等運動形式，現場監(jiān)控數據無法采用有線方式進行傳輸?？刹捎没谶h距離無線（Long Range Radio，LoRa）通信的方式，通過采集器和無線網關實現數據的無線遠程傳輸。采集器可連接多個傳感器，采集器通過LoRa通信方式將傳感器數據向無線網關進行發(fā)送。每個無線網關可連接多個采集器，組成星形拓撲網絡（圖3），將采集器傳來的數據進行匯總。但是，這種基于LoRa通信的星形拓撲網絡因其傳輸原理容易發(fā)生通信沖突，造成數據的收發(fā)錯誤，影響數據傳輸的可靠性和準確性。特別是在測點多、工程覆蓋范圍大的情況下，需要以犧牲傳輸速率來擴大覆蓋范圍。這樣會導致通信時長增加，使得通信沖突發(fā)生概率更高[2]。此外，無線傳輸必須采用電池供電，且因監(jiān)測設備布置數量多，設備將隨塔吊爬升而升高，電池更換較困難，如通信功耗過大，將對數據采集頻率和監(jiān)測壽命造成影響。因此，數據傳輸必須解決以下問題：

1）同信道下的網絡通信機制問題。

2）多信道下的網絡通信機制問題。

3）通信功耗問題。

圖3 基于LoRa無線通信的星形拓撲網絡示意

3.1 同信道下的網絡通信機制

在LoRa方式下，網關和連接的采集器必須在同一信道下，無線通信模塊才能正常通信?？刹捎米詣油ㄐ艜r序控制，以保證各LoRa無線通信模塊不會在同一時刻發(fā)送數據，從而避免無線網絡中的通信沖突。采集器與無線網關建立通信連接，在無線網關內按通信連接建立的先后順序對采集器進行編號，并將編號結果發(fā)送給對應的采集器，采集器將按序號順序依次進行數據發(fā)送。

實施方式如下：

設相鄰序號2個采集器通信數據發(fā)送時間間隔為Δt，無線網關連接的采集器總數為n，則n個采集器發(fā)送數據所需的總時間為ttotal＝nΔt。當單個采集器數據采集周期T大于ttotal時，即可保證不發(fā)生通信沖突。需要注意的是，此方法對于時間精度要求較高，需要在無線網關和采集器上均運行實時時鐘，并在數據采集開始前進行時間校準同步。

將數據采集開始時刻設置為t0，對于序號為k的采集器，其第i次數據發(fā)送的時刻為=t0＋（i-1）T＋kΔt。

3.2 多信道下的網絡通信機制

不同信道下的設備不能形成通信，但可以實現相互隔離，有效避免通信沖突。因此，可采用多信道LoRa通信方式解決現場網絡規(guī)模限制問題。實現采集器與無線網關在現場接入網絡之前，自動完成現場網絡探查?，F場的網絡探查主要由兩部分組成：無線網關主動建立互異信道；采集器自動連入空閑信道。以此實現同一現場多信道的使用。即：無線網關在現場網絡條件下啟動后，對現場網絡情況進行探查，搜索各信道使用情況。根據獲得的各信道使用結果，選擇未被占用的信道。

3.2.1 無線網關自動跳頻建立互異信道工作流程

1）無線網關在現場上電后，對現場網絡內各信道逐一探查，在默認頻率信道中向網關廣播一條問詢指令，等待答復。

2）收到消息的無線網關將作出相應回應。發(fā)出廣播消息的無線網關如果收到回應，則說明當前信道已被占用。此時，無線網關設置LoRa通信模塊在當前信道頻率的基礎上增加1 MHz，跳到新的信道上，并重復以上過程。

3）在規(guī)定時間內，若未收到任何網關的回應，則表明在當前信道沒有其他網關占用，無線網關即可在當前信道進入正常工作狀態(tài)。

3.2.2 采集器自動調頻連入空閑信道工作流程

1）采集器上電后，對現場網絡內各信道逐一探查，在默認頻率信道中發(fā)送搜索網關指令，等待回復。

2）收到消息的無線網關將作出相應回應，回應消息中包含無線網關當前剩余可連接采集器的數量。

3）當采集器接收到剩余容量大于0時的無線網關回復，搜索結束。

4）若采集器在規(guī)定時間內沒有收到無線網關回復，或回復消息中網關容量為0時，則采集器設置LoRa通信模塊在當前信道頻率的基礎上增加1 MHz，跳到新的信道上，并重復以上過程。

5）若自動跳頻規(guī)定次數后，仍未收到網關回復，說明在信號覆蓋范圍內未能發(fā)現正在工作的網關，則自動退出搜索過程。

為了保證連接可靠，當采集器收到無線網關發(fā)出剩余容量大于0的消息后，網關將會重復向采集器發(fā)送一條確認消息。如果收到采集器準確應答，則自動將采集器添加到無線網關自身的采集器列表中，從而完成無線網關與采集器之間通信鏈路的建立。

3.3 降低LoRa通信模塊功耗

采集器在未上傳數據時，LoRa通信模塊進入“休眠-監(jiān)聽”狀態(tài)。在此狀態(tài)下，LoRa通信模塊采用定時監(jiān)聽的方式，監(jiān)聽網絡中的喚醒指令。無線網關在向采集器發(fā)送通信數據前，首先發(fā)送喚醒指令，喚醒采集器的LoRa通信模塊。當采集器接收到有效的喚醒指令后，才會設置LoRa通信模塊進入正常工作狀態(tài)，直至整個數據包接收完畢。由于絕大部分時間采集器不發(fā)送數據，因此LoRa通信模塊在大部分時間處于“休眠-監(jiān)聽”狀態(tài)，從而有效降低通信功耗[3]。

4 塔吊狀態(tài)三維輕量化交互

BIM 3D、4D技術可針對工程進度進行三維可視化分析和管理，在檢查塔吊覆蓋范圍合理性、防止塔吊在工作和爬升過程中發(fā)生碰撞等方面具有明顯優(yōu)勢。將現場采集到的塔吊工作數據導入BIM模型，使BIM技術與物聯網技術相互融合已成為未來建筑業(yè)發(fā)展的一大趨勢。因實時監(jiān)控的數據量巨大且BIM模型對計算機圖形處理能力要求較高，為保證塔吊安全監(jiān)控的流暢性，對傳感設備采集到的數據進行快速分析和反饋，擺脫對計算機硬件的依賴，必須對BIM模型進行輕量化處理。

將BIM模型導出為監(jiān)控平臺自有的bms格式，保存原有模型中構件的顏色、材質以及其他所有屬性信息，通過轉換平臺打開、瀏覽、處理、調用模型，使運行以及顯示bms模型的配置要求低于運行及顯示原有BIM模型的配置要求。對相同屬性構件只保留一個模型屬性，其余模型只以編號來調用該構件，使BIM模型進行簡化的同時保證較高調用速度和實時渲染性能[4]。

此外，通過ActiveX控件將三維窗口、時間軸、信息樹等嵌入到自定義的個性化界面中，實現地理空間、標注、業(yè)務等信息的導入、編輯、處理與顯示。

傳感器實時獲取的塔吊轉角、吊重、大臂角度等參數，通過4G網絡上傳至監(jiān)控集成平臺數據庫，并與模型進行關聯，即可將現場塔吊的實時狀態(tài)流暢地展現在遠程終端[5]。

5 結語

1）考慮到塔吊安全監(jiān)控的特點，數字化安全監(jiān)控平臺采用B/S結構相較于C/S結構具有遠程操作適用性強、無需專業(yè)軟件、交互性強、維護方便等優(yōu)勢。

2）利用LoRa的無線通信網絡，通過多信道自動跳頻探查解決通信信道沖突問題。

3）通過LoRa的無線通信模塊“休眠-監(jiān)聽”狀態(tài)和正常工作狀態(tài)之間的自動切換降低通信功耗，可解決塔吊監(jiān)測較大覆蓋范圍的無線遠程數據傳輸供電問題。

4）通過bms格式保存BIM模型，可在保留必要信息的前提下實現塔吊模型的無損壓縮，利用ActiveX控件實現監(jiān)控平臺的數字化交互。