一种塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法与流程

本发明涉及建筑施工安全监测领域，特别涉及一种塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法。

背景技术：

1、在高层及超高层建筑施工过程中，塔式起重机（简称，塔机）常与附着钢平台、支撑钢平台或作业钢平台形成一体化集成装备，共同承担吊装作业、局部承载和作业支撑等功能。该类集成装备在实际运行过程中，既受到吊运荷载、回转与变幅引起的动力荷载影响，又受到风荷载、平台受力重分布以及连接部位刚度变化等因素影响，其整体受力状态具有显著的耦合性、动态性和不确定性。

2、为了判定该集成装备的安全状态，现有工程实践中的安全监测通常采用单一指标限值报警方式，例如对倾角、风速、力矩、应变或振动等指标设定阈值，当某个指标达到阈值后触发安全报警。此种单一指标限值报警方法虽然能够实现对该集成装备的安全状态判定，但判定方法相对简单，在复杂施工环境工况中存在以下不足：

3、不同工况下同一指标的正常波动范围存在明显差异，容易产生误报或者漏报。例如在较大风速、较大幅度或较高起重力矩条件下，塔机倾角、塔机11与钢平台12耦合连接部应力应变以及振动水平往往高于普通工况，若仍采用固定阈值，容易出现误报；反之，在部分隐患逐渐累积的情况下，又可能因未达到绝对阈值而漏报。

4、现有判别方法仅关注单一指标限值是否超过设定阈值，而塔机与钢平台一体化集成装备的安全风险通常来源于多个指标的共同异常。例如起重力矩升高、塔机11与钢平台12耦合连接部应变增大、塔机振动波动增强和倾角缓慢抬升同时出现时，往往意味着整体安全风险显著上升，此时，单一指标限值无法判断该集成装备的安全状态处于不安全状态。

5、传统方法往往基于瞬时采样值进行判断，难以有效区分瞬时扰动与持续异常。工程现场中常常存在短时冲击、偶发脉动、阵风扰动等情况，仅凭瞬时值判断容易造成误报警，而仅看长周期平均值又可能掩盖短时异常扩大的早期安全征兆。

6、针对塔机与钢平台耦合连接部位这一关键薄弱位置，现有方法对塔机与钢平台耦合连接部受力与变形演化的关注仍不够充分。

技术实现思路

1、本发明的目的是，提供一种塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，以解决现有技术中采用单一指标限值法判定集成装备的安全状态存在不同工况下适应性差、容易产生误报或者漏报，对多指标耦合风险识别不足，对短时波动与持续异常区分能力弱，对塔机与钢平台耦合连接部位的关键薄弱位置关注度不够充分的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供一种塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，包括：

3、数据采集：在装备运行状态下，连续采集塔机倾角、环境风速、塔机起重力矩、塔机与钢平台耦合连接部位的应力、塔机与钢平台耦合连接部位的应变和塔机振动加速度数据作为多源指标；

4、数据预处理：对采集的多源指标进行统一时间戳；

5、监测窗口构建：对统一时间戳后的每一类指标按照设定的窗口长度和窗口步长进行滑动窗口划分构建监测窗口；

6、监测窗口特征提取：在当前监测窗口内分别计算每一类指标的窗口均值和窗口标准差；

7、建立基准窗口：在装备正常状态下，连续采集各类指标作为正常样本并按照监测窗口相同的窗口长度和步长进行滑动窗口划分建立基准窗口，在各基准窗口内计算各类正常样本指标的窗口均值和窗口标准差分别作为装备正常状态下的水平基准和波动基准；

8、计算单指标风险偏离度；在监测窗口内实时计算各个监测指标相对于基准窗口的均值偏离度和标准差偏离度；

9、计算单指标风险值：将均值偏离度与标准差偏离度进行线性组合，得到单指标风险值；

10、多指标加权风险评分：将各单指标风险值按照预设权重进行加权求和，得到装备在当前时刻的整体风险评分；

11、安全状态分级判定：根据整体风险评分与预设分级阈值的关系，将装备安全状态划分为多级。

12、进一步地，本发明提供的塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，还包括：

13、连续窗口触发机制：当某一等级的安全状态在连续多个监测窗口出现时，触发该等级安全状态的判定结果。

14、进一步地，本发明提供的塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，所述数据预处理包括对采集的多源指标进行统一时间戳，使各监测指标在同一时间基准下形成对应采样序列；对统一时间戳后的多源监测指标进行分工况、分时域进行分组，对统一时间戳后的多源监测指标进行缺失值处理、异常值剔除和滤波降噪处理，得到用于统计分析的有效时间序列的多源指标。

15、进一步地，本发明提供的塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，在监测窗口构建中，按照设定的窗口长度和窗口步长根据公式1进行滑动窗口划分：

16、  （1）；

17、式中，为滑动窗口，l为窗口长度，为第 i 类监测指标在t时刻的采样值，其中窗口步长设定为一个以上采样间隔。

18、进一步地，本发明提供的塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，在监测窗口特征摄取中，

19、根据公式2计算窗口均值：

20、  （2）；

21、根据公式3计算窗口标准差：

22、  （3）。

23、式中，为第 i 类监测指标在t时刻的窗口均值，用于反映该类监测指标在当前时间段内的总体水平，为第 i 类监测指标在t时刻的窗口标准差，用于反映该类监测指标在当前时间段内的波动程度，为第 i 类监测指标在第k个滑动窗口的值；

24、进一步地，本发明提供的塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，在建立基准窗口中，

25、根据公式4计算第 i 个指标某一工况分组下正常状态下窗口均值序列的平均值：

26、  （4）；

27、根据公式5计算第 i 个指标某一工况分组下正常状态下窗口均值序列的标准差：

28、  （5）；

29、根据公式6计算第 i 个指标某一工况分组下正常状态下窗口标准差序列的平均值：

30、  （6）；

31、根据公式7计算第 i 个指标某一工况分组下正常状态下窗口标准差序列的标准差：

32、  （7）；

33、式中，为第 i 个指标某一工况分组下正常状态下窗口均值序列的平均值，为第 i 个指标某一工况分组下正常状态下窗口均值序列的标准差，为第 i 个指标某一工况分组下正常状态下窗口标准差序列的平均值，为第 i 个指标某一工况分组下正常状态下窗口标准差序列的标准差，n为正常样本窗口数量，为第j个正常样本窗口中第 i个指标的窗口均值； 为第j个正常样本窗口中第i个指标的窗口标准差。

34、进一步地，本发明提供的塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，在计算单指标风险偏离度中，

35、根据公式8计算均值偏离度：

36、  （8）；

37、根据公式9计算标准差偏离度：

38、  （9）；

39、式中，为第i个指标的均值偏离度，为第 i 个指标的标准差偏离度，为防止分母为零而设置的微小正数。

40、进一步地，本发明提供的塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，在计算单指标风险值中，

41、根据公式10计算单指标风险值：

42、  （10）；

43、式中，第i个指标的单指标风险值，和  分别为第i个指标在均值偏离度和标准差偏离度上的内部权重，且满足。

44、进一步地，本发明提供的塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，在构建多指标加权风险评分中，

45、根据公式11计算装备在当前时刻的整体风险评分：

46、  （11）；

47、式中，为装备在当前时刻的整体风险评分，n 为纳入判定的指标数量，为第i个指标对应的外部综合权重，且满足：。

48、进一步地，本发明提供的塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，在安全状态分级判定中，

49、当时，判定为安全状态；

50、当时，判定为关注状态；

51、当时，判定为预警状态；

52、当时，判定为危险状态；

53、其中，、、 为预设评分阈值。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

55、本发明提供的塔机与钢平台一体化集成装备的安全状态判定方法，通过采集塔机倾角、环境风速、塔机起重力矩、塔机与钢平台耦合连接部位应力、塔机与钢平台耦合连接部位应变和塔机振动加速度数据作为核心监测指标，能够同时反映塔机整体姿态、风环境扰动、工作载荷、塔机与钢平台关键连接部件的受力和变形及塔机的动态响应情况；采用滑动窗口统计分析方式，将原始瞬时监测值转化为窗口均值和窗口标准差，有利于同时表征持续偏移和波动增强两类异常状态，从而有效区分瞬时扰动与持续异常，避免了现有技术中仅通过瞬时值判断是否装备安全状态造成的误报警的问题，提高复杂工况下装备在动态过程中的安全状态的识别判断能力；采用均值与标准差形式的单指标风险偏离度计算方法，不仅关注监测指标是否持续偏离正常水平，还关注其波动是否显著增强，从而提高对装备在早期风险征兆的识别能力；将多个关键指标的风险值进行加权融合，形成整体风险评分，相比传统单指标限值预警方法更加能够从整体上反映装备在多源耦合作用下的综合风险状态，减少漏报和误报的问题。