1、塔式起重機結(jié)構(gòu)損傷形式

1.1變形

變形是機械設(shè)備常見的一種損害，對于塔式起重機而言，變形是最常見的結(jié)構(gòu)損傷形式，主要是由于塔式起重機在長期超負荷運轉(zhuǎn)下，受運輸建材等物體的碰撞久而久之導(dǎo)致局部出現(xiàn)變形。例如在高層建筑施工現(xiàn)場，塔式起重機在運輸鋼材時，受到高空風(fēng)力影響。起吊運輸?shù)匿摬臅矒羲狡鹬貦C的動臂，導(dǎo)致發(fā)生局部變形。當(dāng)然最為嚴重的是塔式起重機長期超負荷使用會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服變形。

1.2斷裂

塔式起重機結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂是一種嚴重的安全事故，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)斷裂的原因是多方面的：

1）超載。相關(guān)資料顯示，超載是造成塔式起重機突然斷裂的主要因素。例如基于工程建設(shè)要求，施工方為了趕進度，缺乏健全的維修保養(yǎng)計劃，在相關(guān)零部件出現(xiàn)松動的情況下仍然超負荷運行，這樣極容易導(dǎo)致塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)因疲勞損傷而出現(xiàn)斷裂。

2）基礎(chǔ)不堅固。塔式起重機一般是通過連接件將塔身固定在地基基礎(chǔ)上，但是如果地基基礎(chǔ)不牢固，塔式起重機在運輸建材設(shè)備時，力矩所產(chǎn)生的沖擊荷載就會導(dǎo)致塔式起重機吊臂斷裂。

3）塔式起重機長期運轉(zhuǎn)，沒有定期更換元器件，導(dǎo)致塔式起重機出現(xiàn)疲勞損傷。例如違章作業(yè)、斜拉重物導(dǎo)致塔身鋼結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)疲勞，吊裝建材設(shè)備時，由于臂架除了受到重力矩之外，還受水平橫向力矩，這樣極容易導(dǎo)致臂架失穩(wěn)彎曲，導(dǎo)致臂架斷裂。

1.3表面銹蝕

眾所周知，塔式起重機運行環(huán)境比較差，尤其是高層建筑施工現(xiàn)場粉塵較多，長期在酸堿等腐蝕性氣體灰塵下作業(yè)，再加上在運輸過程中發(fā)生碰撞，會導(dǎo)致塔式起重機表面漆脫落，失去保護功能；另外由于塔式起重機在高層建筑施工中發(fā)揮著巨大作用，繁重的運輸壓力導(dǎo)致管理方?jīng)]有足夠的時間做好相關(guān)的維護保養(yǎng)工作，這樣極容易導(dǎo)致塔式起重機因表面銹蝕而影響鋼結(jié)構(gòu)強度。

1.4斷紋

雖然斷紋不一定會導(dǎo)致斷裂，但是如果斷紋沒有得到修復(fù)，在長期運行過程中極容易發(fā)生斷裂。一般斷紋主要產(chǎn)生在焊接部位以及應(yīng)力集中的地方，根據(jù)調(diào)查，導(dǎo)致斷紋的原因如下：

1）塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)超出使用壽命年限。一旦超出規(guī)定的使用年限，塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)自身性能就會下降，這樣在外界作用力的影響下，塔式起重機就會出現(xiàn)裂紋。

2）由于不規(guī)范操作導(dǎo)致塔式起重機產(chǎn)生斷紋。塔式起重機在運行過程中如果受到外界作用力的沖擊，會破壞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。例如駕駛?cè)藛T操作塔式起重機時，如果在運輸建材設(shè)備時出現(xiàn)速度過快現(xiàn)象，同時加上高空風(fēng)力的沖擊，會導(dǎo)致塔式起重機瞬間要承受超出其極限的應(yīng)力，導(dǎo)致塔式起重機出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂紋。

2、基于域自適應(yīng)學(xué)習(xí)的塔式起重機結(jié)構(gòu)損傷診斷模型

結(jié)構(gòu)損傷診斷是檢驗塔式起重機結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)的重要方式，關(guān)于塔式起重機結(jié)構(gòu)損傷的診斷方法比較多，但是存在數(shù)據(jù)集不完備、標簽數(shù)據(jù)少且獲取成本高、損傷監(jiān)測誤判率高的問題。遷移學(xué)習(xí)能夠有效解決傳統(tǒng)塔式起重機結(jié)構(gòu)損傷診斷所存在的問題，因此，采取遷移學(xué)習(xí)中的域自適應(yīng)法構(gòu)建塔式起重機結(jié)構(gòu)損傷診斷模型。域自適應(yīng)學(xué)習(xí)是當(dāng)前機器學(xué)習(xí)的熱點研究領(lǐng)域，主要是通過學(xué)習(xí)源域與目標域之間的差異，將源域的知識遷移到目標域中，從而解決在目標域上數(shù)據(jù)不足或分布不同導(dǎo)致模型性能下降的問題。按照不同學(xué)習(xí)場景，域自適應(yīng)學(xué)習(xí)可分為分類問題、回歸問題和聚類問題。

2.1域自適應(yīng)學(xué)習(xí)模型框架

對于塔式起重機結(jié)構(gòu)損傷診斷模型，在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入域自適應(yīng)學(xué)習(xí)，利用多核最大均值差異將樣本特征映射到RKHS中進行處理，實現(xiàn)不同塔機間數(shù)據(jù)的特征遷移結(jié)構(gòu)損傷智能診斷。按照完好和損傷兩種狀態(tài)進行分類，利用Softmax激活函數(shù)給出數(shù)據(jù)樣本屬于某一健康狀態(tài)的后驗概率，再根據(jù)此概率判斷設(shè)備的健康狀態(tài)。

2.2損傷函數(shù)

損傷函數(shù)主要設(shè)定為分類損失函數(shù)L0和域自適應(yīng)損失函數(shù)Ld：

1）分類損失函數(shù)L₀。將帶標簽的源域數(shù)據(jù)訓(xùn)練獲取分類知識是結(jié)構(gòu)損傷診斷的前提，在保證模型基本分類性能的情況下要盡量減少分類誤差。分類損失函數(shù)越小則表明模型通過帶標簽的源域數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)到了分類特征。

2）域自適應(yīng)損失函數(shù)L_d。根據(jù)相關(guān)理論，域自適應(yīng)學(xué)習(xí)的目的就是減少源域和目標域的分布距離，使得其進入相同的空間對目標數(shù)據(jù)進行特征分類，從而保證數(shù)據(jù)能夠及時準確地被診斷識別。由于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的每層都含有相關(guān)信息特征，因此取卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最后2層提取分類信息的深層特征，用MMD多個核函數(shù)計算，這2層的分布距離為L_d 1、L_d2，即在多個高維空間中計算源域和目標域之間的分布距離。

基于域自適應(yīng)學(xué)習(xí)模型，將塔式起重機采集的相關(guān)標簽數(shù)據(jù)進行特征提取，利用多核MMD找出數(shù)據(jù)分布的不同域之間的聯(lián)系，并且利用隨機梯度下降算法對權(quán)重參數(shù)進行設(shè)定。

2.3數(shù)據(jù)的獲取

為了獲得更為全面的數(shù)據(jù)，在塔式起重機上安裝剛度儀，將采集的原始數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)樣本進行訓(xùn)練，剛度儀安裝位置要與塔式起重機的塔身軸線保持平衡，將采集的信息存儲在計算機設(shè)備上，并且按照完好和損傷兩種狀態(tài)進行分類。

3、實驗測試

為了檢驗塔式起重機結(jié)構(gòu)損失診斷模型的運行效果，進行相關(guān)實驗測試。本次實驗選擇某企業(yè)生產(chǎn)的兩臺塔式起重機作為實驗對象，并且在塔式起重機上安裝相關(guān)的監(jiān)測儀器。基于域自適應(yīng)學(xué)習(xí)模型的測試采取一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具體的設(shè)定參數(shù)如表1所示，包括1層輸入層、2層卷積層、2層池化層以及4層全連接層。激活函數(shù)采用ReLU形式。

表1 CNN模型的各參數(shù)設(shè)置

本次實驗樣本數(shù)據(jù)主要選擇400個有標簽的數(shù)據(jù)和500個沒有標簽的數(shù)據(jù)。為了更加準確地檢驗域自適應(yīng)模型的準確性，將400個有標簽的數(shù)據(jù)作為源域訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)、500個沒有標簽的數(shù)據(jù)作為目標域訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)。將樣本數(shù)據(jù)按照預(yù)定的程度通過域自適應(yīng)函數(shù)計算，根據(jù)計算結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可以獲悉隨著模型函數(shù)的不斷優(yōu)化，域自適應(yīng)損失函數(shù)值與分類損失函數(shù)值在不斷減小，在預(yù)定區(qū)域平穩(wěn)，由此表明目標域和源域的分布距離MMD都在下降。

為了驗證該模型對于訓(xùn)練樣本的可行性，采取不同的診斷模型對同一塔式起重機結(jié)構(gòu)進行檢測。檢測結(jié)果顯示，沒有采用域自適應(yīng)學(xué)習(xí)模型的診斷率為86.9%，而采用域自適應(yīng)學(xué)習(xí)模型的診斷率達到96.3%，可見其能夠有效診斷出塔式起重機結(jié)構(gòu)損傷故障問題。

4、提升塔式起重機結(jié)構(gòu)損傷診斷效率的具體措施

4.1加強教育培訓(xùn)，提升作業(yè)人員的專業(yè)技能

1）加強安全教育，提升塔式起重機駕駛?cè)藛T的安全意識，時刻將安全教育納入工作體系中。建筑施工企業(yè)在駕駛?cè)藛T進入塔式起重機駕駛室前要開展警示教育，將各種違規(guī)操作或者不安全隱患因素導(dǎo)致的安全事故講解給相關(guān)人員，讓相關(guān)人員認識到安全操作的重要性。

2）加強技能培訓(xùn)，提升作業(yè)人員的專業(yè)技能。利用模型能夠準確識別結(jié)構(gòu)損傷，第一時間將結(jié)構(gòu)損傷程度反饋給安全管理人員。安全管理人員要懂得觀看數(shù)據(jù)反饋信息，并且能夠科學(xué)運用相關(guān)檢測設(shè)備，以便可以及時掌握相關(guān)信息，確保塔式起重機處于安全狀態(tài)運行。

4.2采取防范措施，及時修補結(jié)構(gòu)損傷

1）及時根據(jù)塔式起重機結(jié)構(gòu)損傷程度采取相應(yīng)的措施。若出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷則要第一時間采取相應(yīng)的補救措施。例如塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，則要及時進行焊接補救，焊條要選擇與母材相近的，將母材開裂處進行打磨后再進行焊接。

2）及時更換損傷的零部件，避免塔式起重機“帶病”作業(yè)。塔式起重機結(jié)構(gòu)損傷一般情況下都會有細微的征兆，設(shè)備檢修人員要定期對各零部件進行檢修，發(fā)現(xiàn)存在損傷的零部件要及時更換，避免安全隱患擴大。例如，當(dāng)塔式起重機鋼絲繩出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象后要及時更換，防止發(fā)生安全事故。

4.3加強監(jiān)管，規(guī)范操作流程

有效的監(jiān)管是避免安全事故的重要舉措，建筑施工企業(yè)要加大對塔式起重機的安全監(jiān)管力度。

1）對塔式起重機設(shè)備檔案進行安全管理。在塔式起重機進場前需要檢查相關(guān)手續(xù)，避免“三無產(chǎn)品”進入施工現(xiàn)場，檢查塔式起重機的檢測、維修等記錄，確保塔式起重機處于正常保養(yǎng)狀態(tài)。

2）規(guī)范操作流程，檢測關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。施工企業(yè)要嚴格按照相關(guān)規(guī)范要求檢測塔式起重機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對重要桿件和部位的焊縫進行損傷診斷，如果發(fā)現(xiàn)問題則要及時整改。

5、小結(jié)

綜上所述，塔式起重機是建筑行業(yè)重要的機械設(shè)備之一，防止結(jié)構(gòu)損傷是提升設(shè)備運行效率的關(guān)鍵?；谟蜃赃m應(yīng)學(xué)習(xí)模型的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法能夠快速、精準地診斷結(jié)構(gòu)損傷，為建筑施工提供安全保障。