1、电气与自动化夏顺俊，等基于有限元与现场实测的超高杆塔组立施工安全监控方法基金项目:国网江苏省电力有限公司 500kV 凤城梅里长江大跨越工程超大型组塔双平臂抱杆系统研制及应用科技项目(SGJSJSOOXMJS2000254)第一作者简介:夏顺俊(1976)，男，江苏南京人，高级工程师，研究方向为输电线路施工管理。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301058基于有限元与现场实测的超高杆塔组立施工安全监控方法夏顺俊1，朱姣2，赵俊1，季天程2，张仁强1，李东鑫2，徐怀宇1，林冬阳2(1 江苏省送变电有限公司，江苏 南京 210028;2 国网江苏省电力有限公司，
2、江苏 南京 210003)摘要:以凤城梅里 500kV 线路长江大跨越工程 385m 高塔组立施工为背景，提出一套基于有限元分析与现场实测的超高杆塔组立施工安全监控方法。通过安装力学传感装置和数据传输装置，监控抱杆腰环拉线系统的受力大小;根据关键施工阶段铁塔与抱杆的耦合有限元模型，以现场实测数据为依据，通过计算机视觉计算分析，实现结构整体应力与位移的监测。通过展示吊装前后抱杆位移的视觉识别测量数据和吊装过程平臂工作状态的动态监测数据，验证该安全监控方法的有效性，其监测数据的精度满足技术要求。关键词:高塔;监控;抱杆;有限元;计算机视觉中图分类号:TM75文献标志码:A文章编号:1671-527
3、6(2023)01-0239-05Safety Monitoring Method of Ultrahigh Tower Assembly Construction Based onFinite Element and Field MeasurementXIA Shunjun1，ZHU Jiao2，ZHAO Jun1，JI Tiancheng2，ZHANG enqiang1，LI Dongxin2，XU Huaiyu1，LIN Dongyang2(1 Jiangsu Electric Power Transmission Transformation Corporation，Nanjing 2
4、10028，China;2 State Grid Jiangsu Electric Power Co，Ltd，Nangjing 210003，China)Abstract:Based on the construction of 385 m tall towers in FengchengMeili 500 kV Line Yangtze iver Crossing project，this paperputs forward a set of construction safety monitoring method based on finite element analysis and
5、field measurement With theinstallation of mechanical sensing device and data transmission device，the force of the rod waist ring wire pulling system ismonitored According to the coupled finite element model of the tower and the pole at the critical construction stage，and based onthe field measured d
6、ata，the displacement monitoring of the overall stress of the structure is realized through computer visioncalculation and analysis The effectiveness of the proposed safety monitoring method and the accuracy of the monitoring data areverified by displaying the visual identification measurement data o
7、f the pole displacement before and after lifting and the dynamicmonitoring data of the working state of the flat arm in the lifting processKeywords:tower;monitoring;derrick;finite element;computer vision0引言目前在建的凤城梅里 500kV 线路长江大跨越工程跨越塔全高 385m，建成后将成为世界最高输电铁塔，其组立施工难度大、风险高，给施工监测、安全预警提出了更高的要求1。本文提出了一套基于有
8、限元与现场实测的超高杆塔组立施工安全监控方法，可为大跨越输电高塔施工提供全方位、全过程的安全监控与预警。1安全监控方法介绍针对 385 m 高塔的组立施工专门研制了 T2T1500 双平臂抱杆，如图 1 所示。由于抱杆结构塔身高、吊重大，为保证施工过程中整体结构的安全性与稳定性，需要对输电塔主体结构与抱杆结构自身开展全过程安全监控2。安全监控方法介绍:1)通过安装拉力计实现对腰环拉线的受力检测;2)依赖于抱杆本身集成，实时测量风速、吊重、变幅幅度、力矩等;3)采用计算机视觉分析技术，测量抱杆的位移。主要难点:铁塔与抱杆结构高耸，监测仪器的监测范围难以覆盖结构整体3;铁塔主体和抱杆系统的高度随着
9、施工的进展而增加4，抱杆平臂有起吊、调幅、回转等动作5，因此需要实现铁塔与抱杆结构状态的动态监测;施工过程中塔顶缺乏相对固定和静止的位移测量参考点，塔顶与抱杆顶部位移测量难度大。932电气与自动化夏顺俊，等基于有限元与现场实测的超高杆塔组立施工安全监控方法图 1大跨越输电塔(高 385 m)及双平臂抱杆2腰环拉线受力监测方案21无线拉力采集系统结构系统由前端拉力计传感器、无线拉力采集器、无线数据接收通信终端以及手机或计算机端监控后台等组成。采集器和接收通信终端之间使用 433mHz 无线射频传输数据，接收通信终端使用 GPS 网络与监控后台通信，从而通过两级无线传输方式，实现了现场拉力的实时采
10、集，并定时存储到云端大数据平台，如图 2 所示。图 2无线拉力、张力采集系统结构示意图22无线拉力采集工作原理及技术参数1)工作原理拉力计内置电阻桥式电路，当拉力计受力(量程范围内)时导致电桥桥臂电阻发生变化，桥路失去平衡，此时给电桥输入端施加固定的电压(DC5V 或 DC10V)，在电桥输出端会输出和受力成线性的 mV 电压信号。经出厂标定，可以获得受力和 mV 信号之间的比例系数。采集器内部设计有高精度稳压电压信号(DC10 V)，定时给桥路供电，并采集输出的 mV 信号。可根据前述比例系数换算拉力值，然后通过无线射频信号发送给无线数据接收通信终端。2)技术参数采集精度:05kg;分辨率:
11、1kg;采集范围:030t;采集频率:5min/次;功耗:静态5W;电池使用寿命:1 个月;电池使用温度:40 70;无线传输距离:500m。23无线数据接收通信终端无线数据接收通信终端是现场无线通信、数据接收和上传后台软件的核心设备。1)技术参数管理传感器数为 90 个;显示方式为 LCD 显示，每页 3个数据，3 个电压值;通信接口为 S485;通信协议为MODBUS TU;工作电压为 AC220 V，内置备用 DC5 V 接口，可实现断电自动切换;通信距离500m;支持 TF 卡记录，可定时记录现场数据;支持 GPS 无线传输，每台终端有唯一编码，对应监控后台相应设备。2)编码录入现场传
12、感器的编码需要录入到无线数据接收通信终端(仪表)，才可以正常接收和显示。同一个编码只能录入一个位置，如果录入多个位置，数据只会展现出第一个位置。仪表在接收到传感器发来的数据包时，取包头的 4字节(8 个数字)传感器编码，与仪表内存里的编码比对，若比对成功，就将数据写入相应位置的内存，并在仪表页面相应序号的位置显示数据。24拉力计布置方案抱杆的主腰环绳采用上下双道，防扭腰环绳采用单道，腰环的布置见图 3，拉力计的安装位置见图 4，现场安装照片见图 5。图 3腰环布置示意图042电气与自动化夏顺俊，等基于有限元与现场实测的超高杆塔组立施工安全监控方法图 4拉力计安装位置示意图图 5拉力计及无线拉力
13、采集器25拉力监测结果分析图 6 为 2021 年 9251025 期间 47 层腰环拉索拉力曲线(本刊黑白印刷，相关疑问咨询作者)，其中值为 0 表示由于环境因素影响，塔下设备未接受到拉力计数据。从已有监测数据可以看出，在 9251011 期间，腰环受力基本比较均衡，第 7 层防扭拉线数据最大达到 15t，其余拉力计数据均在 15t 以内，满足设计使用要求。图 69251025 期间 47 层腰环拉索拉力曲线3基于计算机视觉的抱杆位移测量技术31监测设备基于计算机视觉的抱杆位移测量技术，通过沿着输电高塔和抱杆布置的摄像头来实施，施工现场还布置和安装有气象观测仪器、力传感器、应变片等，实时采集
14、周边风气象要素和结构在工作状态或非工作状态下的吊装荷载、平臂姿态、变幅幅度和结构位移响应等结构状态参数6。如图 7 所示，施工安全状态监测内容包括以下项目。1)风速。在塔顶与地面分别布置风速传感器，其中塔顶传感器随着抱杆高度的提升而提升。2)吊重。在平臂两侧吊钩上布置拉力传感器，实时测量吊装重物的质量。3)变幅幅度。实时记录平臂小车至回转中心的距离。4)力矩。根据平臂两侧吊重与吊钩变幅幅度，可以142电气与自动化夏顺俊，等基于有限元与现场实测的超高杆塔组立施工安全监控方法计算两侧力矩与力矩差。5)位移。采用基于计算机视觉的位移测量方法，在平臂末端安装相机实现抱杆位移测量。图 7基于有限元模拟与
15、现场实测的输电高塔组立技术32监测原理在抱杆平臂末端安装有监控摄像头，研发设计了铁塔及抱杆结构位移识别算法，实现了对铁塔抱杆耦合系统位移的远距离、非接触式测量。具体原理与实施方式如下。1)相机标定相机标定采用比例系数法，目的在于得到图像平面坐标到实际空间坐标的变换关系。抱杆与输电塔的所有尺寸可在施工图样中获取，若已知目标点附近某两点实际距离为 d，这两点在图像上的像素距离为 p，则可以计算目标点处的比例系数为Cscale=dp(1)2)目标追踪选用模板匹配法进行目标追踪，首先在第一帧图像中选取钢管构件节点等特征较为明显的区域作为预定义模板，然后将预定义模板逐像素在感兴趣区域(OI)上移动，搜索
16、目标区域，模板与区域间的匹配程度由归一化相关系数，即采用式(2)来计算。c(i，j)=mx=1ny=1(f(x，y)f)rt(x+i，y+i)rtmx=1ny=1(f(x，y)f)12mx=1ny=1rt(x+i，y+i)rt12(2)式中:(i，j)为搜索框左上角点坐标;f(x，y)为预定义模板(x，y)处像素值;rt(x，y)为第 t 帧图像(x，y)处像素值;f为预定义模板的平均像素值;r为被搜索区域的平均像素值;m 与 n 分别为搜索区域宽度和高度。归一化相关系数 c(i，j)取值最大的位置即为目标所在位置。3)抱杆位移计算本工程输电塔塔身为钢管混凝土结构，具有较大的刚度，而抱杆本身截面小、长细比超大，为柔性结构，因此以某高度处输电塔塔身为参考，将抱杆相对输电塔塔身的位移作为待测位移，提出了一种在相机位置可变条件下抱杆相对位移的计算机视觉测量方法。图 8(a)所示为基于计算机视觉的位移测量系统平面图，点 1、2、3、4 分别为施工阶段输电塔顶部截面的 4 个角点，点 5 为抱杆截面待测点。这 5 个点位于同一水平面上，平臂末端的监控摄像头可将所有目标点拍摄在内。图 8(b)为监