王偉旭 汪斌 陳倉 姚冠華 黃梁

西南交通大學土木工程學院橋梁工程系 長圣重型工程股份有限公司 中鐵十六局集團第四工程有限公司 中鐵上海設計院集團有限公司

摘 要：為分析橋梁施工所用的大型龍門吊結構的抗風性能，以某36 m高龍門吊為對象建立有限元模型，根據《公路橋梁抗風設計規范》考慮橋面風速增大以及施工重現期的風速折減，確定了靜陣風荷載，對大型龍門吊結構受風時的強度、受壓穩定性、抗滑移性與抗傾覆性進行抗風評價。結果表明：在百年一遇風荷載下，龍門吊結構各主要桿件應力、穩定性指標遠小于規范規定值；百年一遇風荷載、施工重現期風荷載下應具備142.7 kN、110.6 kN以上的走行方向抗力以防止滑移；盡管在百年一遇風荷載下，龍門吊自重抗傾覆力矩不足以抵抗風致傾覆效應而存在傾覆的風險，但在施工階段具有足夠的抗傾覆安全性。

關鍵詞：橋梁工程;大型龍門吊;風荷載;抗風性能;

大型龍門吊(也稱為門式起重機)結構直立高聳，風對結構的作用重心較高；同時，吊車迎風面積較大，極容易遭受強風或者突發性陣風的襲擊而發生較為嚴重的安全事故[1]。1979年～1985年期間，齊齊哈爾鐵路分局3臺門式起重機被大風刮倒，7臺門式起重機被大風刮走脫線，直接經濟損失30多萬元[2]。2001年7月，中儲公司天津分公司廊坊倉庫場內兩條線路上的4臺門吊在非工作狀態下被大風刮走，直接經濟損失500多萬元[3]。2020年3月，浙江東部某地區突發超強風，致使該地區發生了1臺額載10 t的門式起重機傾覆的事故[4]。近年來，我國沿海地區由于臺風等一系列的災害天氣影響，發生了起重機被風刮跑、傾覆等多起事故，給工作人員的人身安全和當地的財產安全造成了較大的影響[5]。

龍門吊在大風作用下的安全事故，主要為沿著走行方向的滑移與傾覆。基于此，李明國等[6]提出龍門吊防風預警系統與龍門吊防風裝置，防風預警系統能在龍門吊工作狀態下實時監測風速，當風速超過閾值時發出警報甚至切斷龍門吊電源，能預先防止龍門吊滑移或傾覆；龍門吊防風裝置包括預防性防風裝置和緊急防風裝置。莫輝[5]通過對龍門吊滑動原因研究，探討了龍門吊防風抗滑系統的工作原理；楊立志[7]通過對龍門吊防風制動性能的研究，總結得出《起重機設計規范》中防風抗滑安全性驗算式不完整，推薦了緊急防風制動工況的抗傾覆驗算式；夏文俊[8]通過調研、實驗檢測、理論研究相結合，利用智能算法，融合數值計算與VC++平臺優勢，針對港口門式起重機防風安全性能進行評估。

以上研究的對象均為地面龍門吊結構。在橋梁施工過程中，大型構件的安裝也使用龍門吊結構，但與地面龍門吊狀況不同，橋面通常離開地面或者水面一定高度，使得橋面作業龍門吊結構上的風荷載大于地面條件。同時，橋梁施工階段的抗風安全應滿足橋梁抗風設計規范。本文以某橋梁施工大型龍門吊結構為對象，建立三維空間有限元模型，根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG 3360-01-2018)[9],確定橋面龍門吊百年一遇風荷載與施工重現期折減風荷載，計算大風作用下大型龍門吊腳部支撐反力與支腿構件內力，對龍門吊結構的抗風性能進行了分析與評價。

1 研究對象及有限元模型

某橋梁施工用大型龍門吊為雙主梁門式起重機，整個結構由主梁和支腿兩部分組成。主梁分為上弦、下弦、腹桿與下橫聯4部分，其中腹桿和下弦橫聯通過螺栓與上下弦桿相連。支腿分為主支腿、副支腿、主支腿連接桿、副支腿連接桿與主副腿連接桿5部分，其中主支腿連接桿、副支腿連接桿和主副腿連接桿亦通過螺栓與主、副支腿相連。主梁與支腿構造分別如圖1、圖2所示。

圖1 龍門吊主梁構造 下載原圖

圖2 龍門吊支腿構造 下載原圖

龍門吊結構橫向兩主支腿之間的距離為18 m, 走行方向兩主支腿之間的距離為16 m, 豎向高度為36 m。主支腿是橫截面為?426 mm×12 mm的圓管，副支腿是橫截面為?273 mm×7 mm的圓管。走行方向兩主支腿之間設有5道連接桿(中間3道為桁架結構),走行方向兩副支腿之間設有2道連接桿(底部一道為桁架結構),主、副支腿之間設有5道橫聯、3道斜撐。主梁上弦橫截面為22 a型工字鋼，下弦橫截面為16 a型槽鋼，腹桿橫截面為80 mm×80 mm×5 mm型角鋼，下弦橫聯橫截面分別為8型與10型槽鋼。該龍門吊結構的材料均為Q235b鋼，彈性模量為206 GPa, 密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.25。

在風作用下，龍門吊結構會在橫向、豎向以及走行方向等方向發生變形。本研究采用ANSYS建立該龍門吊的空間桿系有限元模型。主梁與支腿通過主支腿托架與副支腿托架相連，主支腿托架橫截面為25 b背口槽鋼，副支腿托架橫截面為25 a背口槽鋼。考慮走行方向風荷載作用時，主梁與副支腿相連結點采用橫向與豎向位移耦合，主梁與主支腿連接點采用橫向、豎向與走行方向位移耦合。龍門吊的邊界條件，即主支腿底部的4個支點均設置為橫向、豎向與走行方向3個方向的線位移約束(可將其視為三維空間鉸結點)。建立的三維空間有限元模型如圖3所示。

圖3 龍門吊整體有限元模型 下載原圖

2 風荷載取值

由《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01—2018)[9]9]可查得橋位處氣象站100年重現期基本風速U10為25.1 m/s。橋位附近地形較為平坦，地表粗糙度可取為B類，地表粗糙度影響系數α0取為0.16。橋梁設計基本風速US10可根據地表類別通過式(1)計算：

US10=kcU10 (1)

式中：kc為基本風速地表類別轉換系數，B類地表取1.0。可得到US10=25.1 m/s。通常假定大氣邊界層內風速沿豎直高度的分布服從冪指數規律，橋位風速剖面可由式(2)確定：

Ud=kf(Z10)α0US10?????????(2)Ud=kf(Ζ10)α0US10?????????(2)

式中：Ud為高度Z處的基準風速，m/s; kf為抗風風險系數，該橋位于R2級抗風風險區域，故取kf為1.02。龍門吊在橋面上作業，橋面距常水位24.46 m。取橋面高度為參考高度，帶入式(2),計算得到橋面百年一遇風速Ud為29.5 m/s。

考慮橋梁施工期較短，風速重現期較百年一遇標準低，根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG 3360-01—2018)[9]9],按照0.88系數進行折減，有橋面施工重現期風速Ud為26.0 m/s。

龍門吊抗風危險事故主要發生在走行方向，風荷載主要考慮順風向阻力作用，并考慮陣風效應。順風向阻力FH采用《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01—2018)[9]9]中計算橋墩、橋塔上的等效靜陣風荷載的公式：

FH=12ρU2gCHD?????????(3)FΗ=12ρUg2CΗD?????????(3)

式中：FH為構件單位長度上的風荷載，N/m; ρ為空氣密度，kg/m3,取1.25 kg/m3;Ug為構件基準高度上的等效靜陣風速，m/s; CH為構件的阻力系數，與構件的截面形式有關；D為構件的截面高度，m。其中，等效靜陣風速Ug表示如下：

Ug=GVUd (4)

式中：GV為等效靜陣風系數。按照《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01-2018)[9]9],B類地表條件下，龍門吊橫梁靜陣風系數取1.35,支腿參照橋塔取1.24。偏保守考慮，靜陣風系數統一取為1.35。龍門吊主要構件單位長度靜陣風荷載見表1。考慮施工重現期，構件單位長度風荷載為33.40～522.76 N/m。在百年一遇標準下，構件單位長度風荷載為43.05～675.06 N/m。

表1 龍門吊主要構件單位長度靜陣風荷載 導出到EXCEL

在計算出龍門吊構件單位長度風荷載FH之后，需轉化為集中荷載作用于有限元模型的結點之上。對于基準高度相同的構件(如主梁上、下弦與主副支腿橫向連接桿),可將該基準高度上橫橋向風荷載FH乘以構件長度得到作用于單元上的總力。對于基準高度有變化的構件(如主、副支腿與主梁腹桿),等效靜陣風速Ug和基準風速Ud沿豎直高度的分布均服從冪指數規律(指數為地表粗糙度影響系數α0,取為0.16),若采用積分形式求解該構件上的總力，則計算量過于龐大。因此，從簡化計算的角度出發，偏安全地考慮采用等效靜陣風荷載較大值計算，即取構件平均基準高度上的等效靜陣風荷載FH乘以構件長度得到該構件總力。最后，將作用于上述構件單元的風荷載等效分配到兩個結點上。由于模型整體為桁架結構，故忽略等效分配時在結點上產生的固端彎矩。

3 抗風性能評價

由于橋面龍門吊所受的等效靜陣風荷載大于地面龍門吊所受的等效靜陣風荷載，因此從龍門吊結構安全的角度出發評價了龍門吊的構件強度與受壓穩定性。龍門吊在風荷載作用下發生的安全事故主要為沿走行方向的滑移與傾覆，故受風滑移與受風傾覆是龍門吊抗風性能評價中必不可少的兩點。本文依據龍門吊底部支撐反力進行受風滑移、受風傾覆評價。

3.1構件強度

在沿走行方向風荷載作用下，龍門吊背風側支腿承受較大軸壓力，因此需要對其進行強度驗算。構件強度驗算公式采用《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)[10]中的式7.1.1-1,如式(5)所示。

σ=NA≤f?????????(5)σ=ΝA≤f?????????(5)

式中：σ為構件計算截面應力，MPa; N為構件計算截面軸力，kN;A為構件計算截面面積，m2;f為Q235b鋼材的抗壓強度設計值，MPa。主要受壓桿件以及其他關鍵桿件的強度驗算結果見表2。

由于施工重現期構件基準風速Ud是對百年一遇構件基準風速Ud按照0.88系數進行折減而得，所以根據式(3)可知，施工重現期風荷載為百年一遇風荷載的0.77倍。因此，可以推得龍門吊在施工重現期風荷載作用下的構件計算截面軸力，應略小于在百年一遇風荷載作用下的構件計算截面軸力。根據式(5),可得構件計算截面應力也有相應的大小關系。由表2可見，計算結果符合預先推論。且在百年一遇風荷載作用下，最大壓應力出現在迎風側主梁跨中下弦桿處，數值為16.0 MPa; 最小壓應力出現在左副支腿上連接桿處，數值為0.1 MPa。在施工重現期風荷載作用下，最大壓應力出現在背風側右主支腿底部，數值為10.4 MPa, 最小壓應力出現在左副支腿上連接桿處，數值為0.1 MPa。上述數據表明，該龍門吊結構在大風作用下出現最大壓應力的位置，為背風側主支腿底部和迎風側主梁下弦桿跨中，該結果契合結構力學與材料力學的理論；且所有構件應力均遠小于材料的屈服強度。因此，該龍門吊結構的所有構件強度均滿足要求。

表2 主要桿件強度 導出到EXCEL

3.2受壓穩定性

在風荷載作用下，由于龍門吊背風側支腿底部桿件受到風荷載作用參數較大的壓力，同時支腿底部桿件長度較大，故需進行受壓穩定性分析。受壓構件穩定性驗算公式采用《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)[10]中的式7.2.1,如式(6)所示。

NφAf≤1.0?????????(6)ΝφAf≤1.0?????????(6)

式中：N為構件計算截面軸力，kN;φ為軸心受壓構件的穩定系數，根據構件的長細比λ、鋼材屈服強度fy和截面分類，按《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)[10]附錄D采用，A為構件計算截面面積，m2;f為Q235 b鋼材的抗壓強度設計值，Pa。結果見表3。

表3 支腿受壓桿件穩定性 導出到EXCEL

由前述可知，施工重現期風荷載為百年一遇風荷載的0.77倍，龍門吊在施工重現期風荷載作用下的構件計算截面軸力略小于在百年一遇風荷載作用下的構件計算截面軸力，根據式(6)可得穩定性指標也有相應的大小關系。由表3可見，在百年一遇風荷載作用下，最大穩定性指標出現在背風側右主支腿底部，數值為0.058;最小穩定性指標出現在左副支腿頂部，數值為0.013。在施工重現期風荷載作用下，最大穩定性指標出現在背風側右主支腿底部，數值為0.051;最小穩定性指標出現在左副支腿頂部，數值為0.011。上述數據表明，該龍門吊結構在大風作用下受壓穩定性比較薄弱的部位出現在背風側主支腿底部，而背風側主支腿頂部穩定性最好。這是因為背風側主支腿為等截面桿件，但其底部不僅受風作用產生的壓應力，還受自身結構重力作用產生的壓應力。所有穩定性指標均小于規范要求的1.0,因此龍門吊支腿受壓桿件穩定性滿足要求。

3.3受風滑移

地面龍門吊受風安全事故主要為龍門吊沿走行方向滑移與龍門吊沿走行方向傾覆，而橋面龍門吊的等效靜陣風速更大，發生沿走行方向滑移與傾覆的概率也更大。龍門吊受風滑移是指，當風對龍門吊走行方向的水平推力大于龍門吊滑輪與軌道之間的靜摩阻力時，龍門吊將沿著軌道發生滑移。龍門吊受風傾覆是指，當風對龍門吊產生的傾覆力矩大于龍門吊自重載荷產生的穩定力矩時，龍門吊以背風側腳部為支撐作用點發生傾覆。因此，可根據龍門吊底部支撐反力數值判定在風荷載作用下龍門吊是否發生受風滑移和受風傾覆。該龍門吊支腿底部支撐反力見表4。

表4 龍門吊支腿支撐反力 導出到EXCEL

在百年一遇風荷載作用下，吊底部4個支腿結點走行方向反力之和為143.6 kN。在偏安全地不考慮龍門吊滑輪與軌道之間摩擦系數的情況下，選用防滑力大于143.6 kN的抗滑移防風裝置可抵抗百年一遇風荷載。在施工重現期風荷載作用下，龍門吊底部4個支腿4個結點走行方向反力之和為110.6 kN。在偏安全地不考慮龍門吊滑輪與軌道之間摩擦系數的情況下，施工階段應選用防滑力大于110.6 kN的抗滑移防風裝置。

3.4受風傾覆

由表4可知，百年一遇風荷載作用下，龍門吊迎風側支腿支撐反力出現負值，可見該龍門吊可能發生傾覆。除去龍門吊自身重力抵抗掉的部分，傾覆彎矩還剩11.4×16=182.4 kN·m, 即應使用防傾覆彎矩大于182.4 kN·m的抗傾覆防風裝置。在施工重現期風荷載作用下，該龍門吊迎風側支腿支撐反力均為正數，可見該龍門吊在施工重現期風荷載作用下并不會發生傾覆；且龍門吊結構在此風荷載與自身重力共同作用下還可抵抗的傾覆彎矩為15.4×16=246.4 kN·m, 即抗傾覆彎矩還剩246.4 kN·m的安全儲備值。

4 結語

本文通過建立有限元分析模型，參考《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01—2018)、《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)以及相關的龍門吊抗風安全研究文獻，對橋梁施工用大型龍門吊的抗風性能進行了分析評價。

(1)橋梁施工龍門吊位于橋面作業，確定龍門吊基準風速大小時應考慮橋面離水面的高度，大于常規龍門吊從地面起算風速。

(2)相比港口、站場龍門吊，橋梁施工龍門吊作業周期較短，與橋梁施工周期相匹配。考慮到施工周期較短，應對橋梁施工用龍門吊風速考慮施工重現期進行折減。

(3)在百年一遇風荷載和施工重現期風荷載的作用下，龍門吊結構各主要桿件的最大應力為16 MPa, 遠小于結構所用材料Q235b鋼材的屈服強度(215 MPa);龍門吊的最大穩定性指標為0.058,遠小于規范規定的數值(1.0)。

(4)在百年一遇風荷載作用下，龍門吊結構在走行方向的支撐反力和為142.7 kN。在施工重現期風荷載作用下，龍門吊結構在走行方向的支撐反力和為110.6 kN。在百年一遇風荷載作用下，迎風側支腿出現負反力，龍門吊自重抗傾覆力矩不足以抵抗風致傾覆效應，有傾覆風險。在施工重現期風荷載作用下，龍門吊自重抗傾覆力矩足以抵抗風致傾覆效應。

參考文獻

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[10] GB 50017—2017 鋼結構設計規范[S].

宋世軍1 張 躍1 田福興2 劉雨哲1
1 山東建筑大學 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，文中提出了基于OSA-CBM 的塔式起重機加減標準節過程的遠程服務器監控系統方案，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、風速等特征參數數據按照一定數據結構存儲于數據庫中，利用算法來判斷特征參數的數據，其意義在于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、適用范圍廣、回轉半徑大、起升高度高、工作幅度大、操作簡單、安裝與拆卸方便等特點，是建筑施工中各種建筑材料、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于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，其結構強度處于較脆弱的狀態，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并進行了相關研究。例如：山東建筑大學的宋連玉基于視頻監測技術提出一種基于位圖模型的背景建模算法，能夠達到快速分割識別特征圖像，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于QTZ800 設計了一個采用了可展開活動腹桿的頂升套架；建立了該頂升套架的Ansys 模型，利用Ansys 軟件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，以及打開可展示腹桿后，在停止頂升的前提下仍能保證安全的風荷載大小，繪制了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，并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污染、液壓沖擊、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，并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，還沒有基于服務器的遠程監控系統。為此，本文基于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、風速等特征參數數據按照一定數據結構存儲于數據庫中，利用算法對特征參數的數據進行判斷，實現基于服務器的多臺塔機加減標準節過程的遠程安全監控。

1 加減標準節過程特征參數分析
塔機安全特征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回轉機構間的銷軸或螺栓，然后在試頂升和頂升的過程中，借助套架的支撐，開動液壓泵站工作，使液壓缸中活塞桿伸出，將塔機上部結構頂起，從而從窗口引入一個標準節，然后落頂、裝銷軸或螺栓，實現塔機的升高；下降的過程反之。通過對塔機加減標注節過程的研究分析，對其進行了重大危險源排查，并確定了4 個安全特征參數。

1）塔身頂端位移
當塔機受力時，塔身頂端（塔機回轉臺及以上部分）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范圍內晃動，但該位移量超出合理范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于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，便于安全操作。

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于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于安全狀態，從而發現尚存的安全隱患，采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）塔機編號與特征參數一一對應當同時加減標準節的塔機數量較大時，所獲取的特征參數數量較大，需要將這些特征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征參數一一對應。

2）獲取的特征參數應同步塔機加減標準節過程中的安全狀態由前述特征參數共同決定，獲取特征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范圍內當塔機處于安全隱患狀態時，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范圍內。

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）維護的基于狀態的維修系統設計的標準規范[12]。OSA-CBM 標準以國際標準化組織的ISO13374[13,14] 為基礎制定，用于規范基于狀態的維修系統（CBM 系統）設計，以及各CBM 系統之間數據交換的開放標準。采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，并提供了很好的指導。

ISO13374 是國際標準化組織對于設備（或產品）的狀態監控及診斷的規范，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、數字信號以及手工數據，并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、傅里葉轉換FFT 等）、同步或非同步平均、執行物理模型、神經網絡等算法、提取特征，并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征、時域到頻域的波形圖、算法計算的結果、虛擬傳感器數據、過濾后數據、時序數據（如采樣率）。

3）狀態監測層（SD） 負責從前兩層收集數據，并將這些數據與標準的基準線數據進行對比，得出各種特征數據的異常信息，包括是否超過警戒線、嚴重程度如何等。同時，SD 會將特征數據、特征數據狀態指示信息、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，并輸出結果。

5）故障預測層（PA） 評估將來的健康等級、預測故障或失效、評估剩余使用時間（RUL）、產生維修或保養任務，并產生證據及解釋。

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，包括接口規范和信息規范。信息規范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，接口規范定義了數據交換的接口類及方法。

1）接口規范 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，由于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，還請求用于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范。

3.3 基于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 由于面向對象的特點，該架構具有類的繼承的特點，即使改變需要和功能，那么維護也是在局部模塊，方便、低成本。

3）易擴展 由于繼承、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 由于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于該框架的系統識讀比較容易，利于業內人士的交流與合作。

5）數據的可用性高 該框架結構基于服務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范與標準。本文采用開放式架構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、風速等特征參數數據按照一定數據結構存儲于數據庫中，利用算法對特征參數的數據進行判斷，實現基于服務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，有利于數據信息的規范化管理和統計，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 基于OSA-CBM 塔機加減標準節狀態監測的關鍵算法
1）圖譜比較法 基于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、后的安全狀態。
2）閾值判定法 閾值判定法即通過將獲取的特征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 個以上特征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范圍內等；否則，塔機的狀態處于危險報警狀態。

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，然后通過圖譜判定、閾值、綜合協調判定法等方法進行塔機狀態判斷；初步實現了基于服務器、大數據的塔機加減標準節遠程監控功能。

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