CN112479038A - 塔吊运行可视化监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了塔吊运行可视化监测系统，属于塔吊技术领域。包括：塔吊、数据采集模块、无线网络、监测中心和远程检测平台，数据采集模块包括摄像单元和感知设备单元，摄像单元设于塔吊工作臂的末端，用于进行视频记录；感知设备包括射频无线的转角传感器、高度传感器、风速传感器、幅度传感器、无线倾角传感器和重量传感器；无线网络包括现场基站和协调器，数据采集模块采集塔吊作业场景信息并将该信息通过无线网络传送；监测中心用于接收无线网络传输过来的信号，监测中心中的安全监控模块用于控制塔吊电机工作；远程检测平台通过第一无线通讯模块与监测中心连接。通过技术对多元素连续测量、实时监控塔吊工况。

Description

塔吊运行可视化监测系统

技术领域

本发明涉及塔吊技术领域，特别是塔吊运行可视化监测系统。

背景技术

塔吊是建筑工地上最常用的一种起重设备又名塔式起重机，以一节一节的接长(高)，用来吊施工用的钢筋、木楞、混凝土、钢管等施工的原材料。塔吊是工地上一种必不可少的设备。

在现有技术中，塔吊的功能是承受臂架拉绳及平衡臂拉绳传来的上部荷载，并通过回转塔架、转台、承座等的结构部件式直接通过转台传递给塔身结构，其中，现有技术中的塔吊主要采用人工在高空中的操作间进行操作，对工人的操作技术要求较高，且在高空操作容易疲劳，对操作工人的熟练度以及操作精确度要求较高，这些都需要操作人员的经验来控制,保障性较低。

由于塔吊主要采用人工在高空中的操作间进行操作，对操作工人的熟练度以及操作精确度要求较高，且在高空操作容易疲劳，对这些都需要操作人员的经验来控制，保障性较低，所以，现有技术中的塔吊存在结构设计不合理，操作难度大，操作不方便，搬运效率较低，且安全性和搬运准确性靠人为经验控制得不到保障的技术问题。

为减少塔吊事故发生，除在塔吊司机操作的资质和规范方面有严格的要求和管理外，现有塔吊设备通常通过安装超载限位器、幅度限位器等各种限位开关，在塔吊运行到极限值时，这些开关装置能自动切断相应运行机构的工作电源。然而，这些机构装置仅发挥其机械性保护作用，不仅在紧急刹车情况下对塔吊的冲击较大，而且缺乏塔吊运行状态显示、危险预先报警等功能。因此，仅依靠司机人员素质或安装限位开关装置均不能有效避免塔吊工作的潜在碰撞危险。现有技术塔吊监控系统具有以下缺陷：一是部分产品塔吊安全监控系统功能单一、缺乏整体解决方案，无法完全实现保障塔吊作业的安全性，以及设备远程管理的便捷性；二、是产品功能设计上存在不同程度的缺陷，同时塔吊处复杂工作环境，存在产品可靠性欠缺，错误判断、错误响应较多；三、传统的监控方式已不能满足对运动物体、露天环境塔吊检测的要求，在需要连续检测、实时预警等方面时，缺少有效的手段和设备。如果不及时检测，可能造成施工过程中的设备及人身发生危险。

发明内容

本发明的发明目的是，针对上述问题，提供塔吊运行可视化监测系统，通过技术对多元素连续测量、实时监控塔吊工况。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

塔吊运行可视化监测系统，包括：

塔吊，所述塔吊包括底座、塔架、平衡臂、操作室和工作臂，所述塔架固定在底座上，所述操作室设在塔架上，所述平衡臂和工作臂分别铰接在塔架的两侧，所述塔架的顶端通过多根缆绳分别连接到平衡臂和工作臂的中心和尾端上；

数据采集模块，所述数据采集模块包括摄像单元和感知设备单元，所述摄像单元为PTZ摄像机，所述摄像单元设于塔吊工作臂的末端，用于对工作臂的工作情况进行视频记录；所述感知设备包括射频无线转角传感器、射频无线高度传感器、射频无线风速传感器、射频无线幅度传感器、射频无线倾角传感器和射频无线重量传感器；

无线网络，所述无线网络包括现场基站和协调器，所述现场基站设于在塔吊区域，所述协调器布置在所述现场基站的发射范围内，数据采集模块采集塔吊作业场景信息并将该信息通过无线网络传送；

监测中心，所述监测中心位于操作室内，所述监测中心用于接收无线网络传输过来的信号，所述监测中心包括安全监控模块、数据存储模块、声光报警模块及人机交互模块，其中，所述安全监控模块与数据存储模块、声光报警模块及人机交互模块连接，所述安全监控模块用于控制塔吊电机工作；

远程检测平台，所述远程检测平台通过第一无线通讯模块与所述监测中心连接。

作为优选：所述远程检测平台包括云端媒体服务器、终端服务器、数据库和显示屏，摄像头从空中对现场进行全方位摄像，将收集到的高清全景视频数据通过大带宽通道经基站传回至云端媒体服务器；所述终端服务器经过访问云端媒体服务器地址获取所述视频数据，并在显示屏中显示视频画面。

作为优选：所述塔吊还设有GPS定位模块，所述GPS定位模块设于塔吊操作室，用于检测所述塔吊的位置信息。

作为优选：所述远程检测平台还包括塔吊管理模块，用于对多个塔吊进行编号，并存储相应塔吊信息。

作为优选：所述远程检测平台还包括信息录入模块，用于对塔吊的产品信息、工地的建造信息、维保信息进行手动录入。

作为优选：所述远程检测平台预设各个塔吊工作臂的长度，根据接收到的各塔吊的位置信号、工作臂高度信号、旋转角度信号结合塔吊工作臂的长度进行分析，判断出存在碰撞风险的塔吊，并将报警信号通过无线通信模块发送至对应塔吊；当接收到报警信号时，发送停机信号至对应塔吊，对该塔吊进行停机操作。

作为优选：所述射频无线转角传感器、射频无线高度传感器、射频无线风速传感器、射频无线幅度传感器、射频无线倾角传感器和射频无线重量传感器均采用微型电池集成供电结构。

作为优选：所述平衡臂上设有配重块，所述配重块与平衡臂滑动连接，所述工作臂上设有吊钩组件，所述吊钩组件与工作臂滑动连接。

作为优选：所述塔架上设有滑轨，所述滑轨上设有可沿其长度方向运动的吊篮，所述吊篮的底端设有缓冲层，所述缓冲层由多个弹簧组成，所述吊篮的底端内侧设有海绵垫，所述吊篮的上端左右两侧内壁均设有扶手。

作为优选：所述工作臂的下侧设有安全槽，所述塔架的左侧设有升降座，所述升降座上设有固定壁，所述固定壁的尾端设有定位头，所述定位头与安全槽呈对应设置。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明具有大带宽、低时延、高可靠等优点，将技术用于对工作臂的工作情况进行视频记录，实时回传的超高清画面，实现无差别精准调度。本发明对塔吊运行过程中的旋转角度、提升高度、起重量、吊装幅度、倾斜、风速等的检测采用了可进行24小时不间断地连续检测的传感器，其检测信号通过技术(不需要通信电缆)无线传送至施工现场安全区域的协调器(接收装置)，再通过无线方式将这一系列的检测信号源源不断的发送至监控中心，实现有效地监控与报警，同时也可以通过手机app的将其监控信息与报警信息推送至相关的管理与维护人员，进行及时有效的管控，这种方法可以连续检测，而且其信号不受施工环境(露天、杂乱、高温、强日照、粉尘、阴雨天气等)的影响，提供准确连续的的信号用于塔吊工况及状态的预警预报、监控、定修计划的生成等，保证生产安全。基于物联网技术与无线信号传输技术的无线化高强抗干扰加密信号传输，传输效果好。

附图说明

图1是本发明塔吊运行可视化监测系统的原理框图。

图2是本发明塔吊运行可视化监测系统中塔吊的结构示意图。

图3是本发明塔吊运行可视化监测系统中吊篮的结构示意图。

图4是本发明塔吊运行可视化监测系统中监测中心的结构框图。

图5是本发明塔吊运行可视化监测系统中远程检测平台的结构框图。

附图中，11-底座、12-塔架、13-平衡臂、131-配重块、14-操作室、15-工作臂、151-吊钩组件、152-安全槽、16-缆绳、17-吊篮、171-缓冲层、172-海绵垫、173-扶手、181-升降座、182-固定壁、183-定位头、21-摄像单元、211-PTZ摄像机、22-感知设备单元、221-射频无线转角传感器、222-射频无线高度传感器、223-射频无线风速传感器、224-射频无线幅度传感器、225-射频无线倾角传感器、226-射频无线重量传感器、3-无线网络、4-监测中心、41-安全监控模块、42-数据存储模块、43-声光报警模块、44-人机交互模块、5-第一无线通讯模块、6-远程检测平台、61-云端媒体服务器、62-终端服务器、63-数据库、64-显示屏、65-塔吊管理模块、66-信息录入模块、7-第二无线通讯模块、8-GPS定位模块。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。

如图1至图5所示，塔吊运行可视化监测系统，包括：

塔吊，所述塔吊包括底座11、塔架12、平衡臂13、操作室14和工作臂15，所述塔架12固定在底座11上，所述操作室14设在塔架12上，所述平衡臂13和工作臂15分别铰接在塔架12的两侧，所述塔架12的顶端通过多根缆绳16分别连接到平衡臂13和工作臂15的中心和尾端上；

数据采集模块，所述数据采集模块包括摄像单元21和感知设备单元22，所述摄像单元21为PTZ摄像机211，所述PTZ摄像机211设于塔吊工作臂15的末端，用于对工作臂15的工作情况进行视频记录，操作员可清楚的了解塔吊下方的情况，提高操作的安全性。

PTZ(Pan/Tilt/Zoom，云台全方位)摄像机常常需要对待拍摄的物体进行自动聚焦，以使PTZ摄像机中镜头的焦点落在图像传感器上。

PTZ摄像机，包括：

构建模块，用于构建空间物距模型；构建模块包括第一确定子模块、第二确定子模块和计算子模块，第一确定子模块，用于确定所述PTZ摄像机所监控的参考监控平面；第二确定子模块，用于确定所述参考监控平面上至少三个目标点的空间坐标；计算子模块，用于基于各个目标点的空间坐标，计算所述参考监控平面的空间平面方程，以构建所述空间物距模型。

计算模块，用于基于所述构建模块所预先构建的空间物距模型，计算所述PTZ摄像机的镜头到所监控的目标监控平面的目标物距；其中，所述空间物距模型中记录有参考监控平面的空间平面方程；所述参考监控平面为所述目标监控平面的等效平面；

确定模块，用于基于所述目标物距、所述PTZ摄像机的当前倍率和预设关系表，确定所述PTZ摄像机的聚焦马达的位置信息，其中，所述预设关系表中记录有所述PTZ摄像机的镜头的焦点落在所述PTZ摄像机的图像传感器上时，物距、倍率和聚焦马达位置的对应关系；

驱动模块，用于将所述聚焦马达驱动到所述位置信息所对应的位置。

PTZ摄像机的焦距、倍率、光圈、转向、垂度能自动调整，实现对较大范围的场景进行监控。无需塔吊司机采取其他任何操作来辅助调整。通过PTZ摄像机拍摄的画面引导塔吊司机作业，塔吊司机将可以更安全高效的作业。

所述感知设备包括射频无线转角传感器221、射频无线高度传感器222、射频无线风速传感器223、射频无线幅度传感器224、射频无线倾角传感器225和射频无线重量传感器226；

无线网络3，所述无线网络3包括现场基站和协调器，所述现场基站设于在塔吊区域，所述协调器布置在所述现场基站的发射范围内，数据采集模块采集塔吊作业场景信息并将该信息通过无线网络3传送；

监测中心4，所述监测中心4位于操作室14内，所述监测中心4用于接收无线网络3传输过来的信号，所述监测中心4包括安全监控模块41、数据存储模块42、声光报警模块43及人机交互模块44，其中，所述安全监控模块41与数据存储模块42、声光报警模块43及人机交互模块44连接，所述安全监控模块41包括状态判断单元和指令发送单元，所述安全监控模块41用于控制塔吊电机工作；所述数据存储模块42包括额定数据存储单元和检测数据存储单元。远程检测平台6，所述远程检测平台6通过第一无线通讯模块5与所述监测中心4连接。

所述远程检测平台6包括云端媒体服务器61、终端服务器62、数据库63和显示屏64，摄像头从空中对现场进行全方位摄像，将收集到的高清全景视频数据通过大带宽通道经基站传回至云端媒体服务器61；所述终端服务器62经过访问云端媒体服务器61地址获取所述视频数据，并在显示屏64中显示视频画面。所述云端流媒体服务器与终端服务器62通过互联网专线进行连接，完成视频数据的接收、存盘、提取和解压。

所述射频无线转角传感器221、射频无线高度传感器222、射频无线风速传感器223、射频无线风速传感器224、射频无线倾角传感器225和射频无线重量传感器226将测得的检测信号传输至所述无线网络3，所述协调器把所述现场基站发来的信号数据进行接收和打包，再通过无线方式将一系列的检测信号发送至监测中心4，监测中心4通过第一无线通讯模块5传输给所述远程检测平台6。

利用射频无线转角传感器221、射频无线提升高度传感器、射频无线重量传感器226、射频无线风速传感器224、射频无线风速传感器223采集相关信号通过无线射频芯片发送，在无线网络3的现场基站接收与转发信号，协调器进行信号接收和打包传输，最后通过嵌入式网关、总线将各种信号传输至监测中心4。

本发明对塔吊运行过程中的旋转角度、提升高度、起重量、吊装幅度、倾斜、风速等的检测采用了可进行24小时不间断地连续检测的传感器，其检测信号通过技术(不需要通信电缆)无线传送至施工现场安全区域的协调器(接收装置)，再通过无线方式将这一系列的检测信号源源不断的发送至监控中心，实现有效地监控与报警，同时也可以通过手机app的将其监控信息与报警信息推送至相关的管理与维护人员，进行及时有效的管控，这种方法可以连续检测，而且其信号不受施工环境(露天、杂乱、高温、强日照、粉尘、阴雨天气等)的影响，提供准确连续的的信号用于塔吊工况及状态的预警预报、监控、定修计划的生成等，保证生产安全。基于物联网技术与无线信号传输技术的无线化高强抗干扰加密信号传输，传输效果好。

所述塔吊还设有GPS定位模块8，所述GPS定位模块8设于塔吊操作室14，用于检测所述塔吊的位置信息。

所述远程检测平台6还包括塔吊管理模块65，用于对多个塔吊进行编号，并存储相应塔吊信息。采用上述技术方案，塔吊群进行编号，能够快速发出指令，使得操作人员快速了解到更精确的信息，进而快速的对塔吊群进行管理，快速应对出现的突发情况。

所述远程检测平台6还包括信息录入模块66，用于对塔吊的产品信息、工地的建造信息、维保信息进行手动录入。能够获取各种信息，包括塔吊的工作范围，作业重量范围，工地实际面积，塔吊磨损度等相关信息，通过工作量布置模块，更加有效快速的完成施工作业，并降低施工费用。

所述远程检测平台6预设各个塔吊工作臂15的长度，根据接收到的各塔吊的位置信号、工作臂15高度信号、旋转角度信号结合塔吊工作臂15的长度进行分析，判断出存在碰撞风险的塔吊，并将报警信号通过第二无线通信模块发送至对应塔吊；当接收到报警信号时，发送停机信号至对应塔吊，对该塔吊进行停机操作。远程检测平台6设有报警模块，例如，远程检测平台6当接收到的风力信号大于预设值时，通过报警模块进行报警提示并将报警信号通过第二无线通讯模块7发送至对应塔吊。

所述射频无线转角传感器221、射频无线高度传感器222、射频无线风速传感器223、射频无线风速传感器224、射频无线倾角传感器225和射频无线重量传感器226均采用微型电池集成供电结构。传感器进可行24小时不间断地连续检测。各类传感器均采用微型电池集成供电结构，在恶劣工况下工作寿命不低于10年。将现场基站、协调器、各传感器组网、联通调试。正常工作时，检测信号源源不断的发送至监测中心4，实现有效地监测与报警。

所述平衡臂13上设有配重块131，所述配重块131与平衡臂13滑动连接，所述工作臂15上设有吊钩组件151，所述吊钩组件151与工作臂15滑动连接。

所述塔架12上设有滑轨(图中未示)，所述滑轨上设有可沿其长度方向运动的吊篮17，如图3所示，所述吊篮17的底端设有缓冲层171，所述缓冲层171由多个弹簧组成，所述吊篮17的底端内侧设有海绵垫172，所述吊篮17的上端左右两侧内壁均设有扶手173。使得工作人员坐到吊篮17内，通过滑轨可以从地面到达位于塔架12顶部的操作室14，避免了攀爬支撑架带来的麻烦，省时省力，安全性高。通过吊篮17采用缓冲层171和海绵垫172，可降低吊篮17急速下降冲击力造成的伤害，且提高操作者乘用的舒适度。

所述工作臂15的下侧设有安全槽152，所述塔架12的左侧设有升降座181，所述升降座181上设有固定壁182，所述固定壁182的尾端设有定位头183，所述定位头183与安全槽152呈对应设置。可对工作臂15进行锁定，且在狂风暴雨天气对塔式起重机进行加固保护，避免塔吊工作臂15等机构晃动引发倾倒的危险。

根据建筑塔吊运行的实际情况和设备特点，制定塔吊的安全监测以及无线传感器布置方案。一般的射频无线转角传感器221安在塔吊回转座，用于检测工作臂15旋转角度；射频无线提升高度传感器安在起重小车，高度传感器用于对吊臂的高度进行检测；射频无线重量传感器226安装在起重小车的定滑轮处，重量传感器用于对提取重物重量的一个辅助监测；射频无线风速传感器224装在塔吊起重臂的末端，幅度传感器用于对吊车位置的进行监测；射频无线风速传感器223装在塔吊顶端，风速传感器用于对施工作业过程中的风速进行监测；倾角检测装置用于对塔身的倾斜度进行实时监测。

所述感知设备将获取的与所述塔吊相关的感知数据发送至所述基站，所述基站将所述感知数据发送至所述操作室14，所述操作室14根据所述感知数据，向所述基站下发塔吊控制信号，所述基站将所述塔吊控制信号发送所述塔吊，以控制所述塔吊进行作业。

摄像头从空中对现场进行全方位摄像，摄像头将收集到的高清全景视频数据通过大带宽通道发送至所述基站，一方面所述基站将所述视频数据发送至所述操作室14，所述操作室14根据所述视频数据，向所述基站下发塔吊控制信号，所述基站将所述塔吊控制信号发送所述塔吊，以控制所述塔吊进行作业；另一方面所述基站将所述视频数据上传至云端媒体服务器61；所述终端服务器62经过访问云端媒体服务器61地址获取所述视频数据，并在显示屏64中显示视频画面。所述云端流媒体服务器与终端服务器62通过互联网专线进行连接，完成视频数据的接收、存盘、提取和解压。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.塔吊运行可视化监测系统，其特征在于，包括：

塔吊，所述塔吊包括底座、塔架、平衡臂、操作室和工作臂，所述塔架固定在底座上，所述操作室设在塔架上，所述平衡臂和工作臂分别铰接在塔架的两侧，所述塔架的顶端通过多根缆绳分别连接到平衡臂和工作臂的中心和尾端上；

数据采集模块，所述数据采集模块包括摄像单元和感知设备单元，所述摄像单元为PTZ摄像机，所述摄像单元设于塔吊工作臂的末端，用于对工作臂的工作情况进行视频记录；所述感知设备包括射频无线转角传感器、射频无线高度传感器、射频无线风速传感器、射频无线幅度传感器、射频无线倾角传感器和射频无线重量传感器；

无线网络，所述无线网络包括现场基站和协调器，所述现场基站设于在塔吊区域，所述协调器布置在所述现场基站的发射范围内，数据采集模块采集塔吊作业场景信息并将该信息通过无线网络传送；

监测中心，所述监测中心位于操作室内，所述监测中心用于接收无线网络传输过来的信号，所述监测中心包括安全监控模块、数据存储模块、声光报警模块及人机交互模块，其中，所述安全监控模块与数据存储模块、声光报警模块及人机交互模块连接，所述安全监控模块用于控制塔吊电机工作；

远程检测平台，所述远程检测平台通过第一无线通讯模块与所述监测中心连接。

2.根据权利要求1所述的塔吊运行可视化监测系统，其特征在于：所述远程检测平台包括云端媒体服务器、终端服务器、数据库和显示屏，摄像头从空中对现场进行全方位摄像，将收集到的高清全景视频数据通过大带宽通道经基站传回至云端媒体服务器；所述终端服务器经过访问云端媒体服务器地址获取所述视频数据，并在显示屏中显示视频画面。

3.根据权利要求1所述的塔吊运行可视化监测系统，其特征在于：所述塔吊还设有GPS定位模块，所述GPS定位模块设于塔吊操作室，用于检测所述塔吊的位置信息。

4.根据权利要求3所述的塔吊运行可视化监测系统，其特征在于：所述远程检测平台还包括塔吊管理模块，用于对多个塔吊进行编号，并存储相应塔吊信息。

5.根据权利要求4所述的塔吊运行可视化监测系统，其特征在于：所述远程检测平台还包括信息录入模块，用于对塔吊的产品信息、工地的建造信息、维保信息进行手动录入。

6.根据权利要求5所述的塔吊运行可视化监测系统,其特征在于：所述远程检测平台预设各个塔吊工作臂的长度，根据接收到的各塔吊的位置信号、工作臂高度信号、旋转角度信号结合塔吊工作臂的长度进行分析，判断出存在碰撞风险的塔吊，并将报警信号通过无线通信模块发送至对应塔吊；当接收到报警信号时，发送停机信号至对应塔吊，对该塔吊进行停机操作。

7.根据权利要求1所述的塔吊运行可视化监测系统，其特征在于：所述射频无线转角传感器、射频无线高度传感器、射频无线风速传感器、射频无线幅度传感器、射频无线倾角传感器和射频无线重量传感器均采用微型电池集成供电结构。

8.根据权利要求1所述的塔吊运行可视化监测系统,其特征在于：所述平衡臂上设有配重块，所述配重块与平衡臂滑动连接，所述工作臂上设有吊钩组件，所述吊钩组件与工作臂滑动连接。

9.根据权利要求1所述的塔吊运行可视化监测系统，其特征在于：所述塔架上设有滑轨，所述滑轨上设有可沿其长度方向运动的吊篮，所述吊篮的底端设有缓冲层，所述缓冲层由多个弹簧组成，所述吊篮的底端内侧设有海绵垫，所述吊篮的上端左右两侧内壁均设有扶手。

10.根据权利要求1所述的塔吊运行可视化监测系统，其特征在于：所述工作臂的下侧设有安全槽，所述塔架的左侧设有升降座，所述升降座上设有固定壁，所述固定壁的尾端设有定位头，所述定位头与安全槽呈对应设置。

Images