梁光勝，梁兆楷，楊松，李朝洋

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京， 102206）

0 引言

無論是大中小學(xué)校、居民小區(qū)，還是企事業(yè)單位，其建筑物外墻都布滿了大大小小的空調(diào)室外機(jī)?？照{(diào)室外機(jī)通常安放在支撐件上并由螺桿螺母固定，支撐件一般利用膨脹螺栓固定在承重墻上?？照{(diào)一旦安裝落戶，用戶一般只關(guān)注空調(diào)室內(nèi)使用功能是否正常，很少關(guān)注也很難察覺空調(diào)室外機(jī)安裝的穩(wěn)固性和安全性。空調(diào)室外機(jī)和支撐件風(fēng)吹日曬雨淋，尤其在陰雨天氣頻繁的地區(qū)，空調(diào)支撐件易生銹、老化、壽命短的弊端非常突出。如果政府部門不采取措施，不喚醒公民的安全意識，不及時消除這些安全隱患，這些空調(diào)室外機(jī)必將成為高空“定時炸彈”，成為隱匿于建筑物外墻的“空中殺手”，危及人們的生命安全。

1 空調(diào)室外機(jī)支撐件的種類與安裝要求

空調(diào)室外機(jī)支撐件包括固定于安裝面的垂直構(gòu)件、用于支撐和固定空調(diào)室外機(jī)的水平構(gòu)件。支撐件按照使用鋼材的種類可分為碳鋼支撐件和不銹鋼支撐件；按照防腐方式可分為噴涂、鍍鋅、不銹鋼支撐件；按照形狀可分為三角板懸臂支撐件和三角形支撐件。國內(nèi)使用最多的支撐件為碳鋼鍍鋅或噴涂的三角板懸臂支撐件[1]。

空調(diào)室外機(jī)支撐件的安裝面必須是實心磚、混凝土或與其強(qiáng)度等效的安裝面，應(yīng)堅固結(jié)實并具有足夠的承載能力。安裝支撐件的膨脹螺絲采用直徑不小于M10、長度不小于100 mm的鍍鋅或不銹鋼膨脹螺絲。支撐件應(yīng)在4倍室外機(jī)重量作用下，保持48小時以上不得發(fā)生明顯或影響安全的永久性變形和裂紋[2]。

2 空調(diào)室外機(jī)使用現(xiàn)狀的調(diào)研與分析

■2.1 高?？照{(diào)室外機(jī)支撐件使用現(xiàn)狀的調(diào)研與分析

以華北電力大學(xué)北京校部為例，近幾年新建的13、14、15、16號四棟學(xué)生宿舍樓設(shè)計預(yù)留了專門的空調(diào)室外機(jī)放置位，隱蔽性好，安全美觀。其他12棟宿舍樓都沒有預(yù)留專門的空調(diào)室外機(jī)放置位，安裝的室外機(jī)數(shù)量多，密集分布在樓體前后外墻上，有的安裝在承重墻上，大部分被安裝在宿舍陽臺的非承重墻面。教一樓、教二樓、教三樓沒有預(yù)留室外機(jī)安裝位，教四和教五樓預(yù)留了一些外置的室外機(jī)安裝位（水泥臺支撐件）。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）室外機(jī)安裝位置存在較大安全隱患

學(xué)生宿舍的室外機(jī)大部分被安裝在陽臺的非承重墻面，如圖1所示。教四樓某處空調(diào)室外機(jī)布局如圖2所示，室外機(jī)正下方是一條穿越通行要道，每天人來人往。

圖1 學(xué)生宿舍室外機(jī)布局

圖2 教四樓一人行通道上方室外機(jī)布局

（2）支撐件受腐蝕嚴(yán)重

教四樓C區(qū)建有如圖3所示放置室外機(jī)的水泥平臺，其邊緣外加的鏤空鋼制護(hù)板目前已是銹跡斑斑，存在較大墜落風(fēng)險。教四樓A區(qū)和B區(qū)的空調(diào)外機(jī)需要使用支撐件安裝，如圖4所示的教四樓空調(diào)室外機(jī)支撐件防腐涂層已風(fēng)化脫落，腐蝕生銹嚴(yán)重。

圖3 教四樓銹蝕的室外機(jī)支撐件前護(hù)板

圖4 教四樓銹蝕的室外機(jī)支撐件

（3）支撐件承重過大

教五樓D區(qū)南側(cè)空調(diào)室外機(jī)水泥支撐臺布局如圖5所示，支撐臺最外側(cè)加了立式水泥擋板，看似比圖3的支撐臺前金屬護(hù)板更安全，但這種結(jié)構(gòu)大大增加了對墻面的拉扯力。一臺室外機(jī)已經(jīng)很有分量了，再加上立式水泥擋板，會大大增加對墻體的牽引力，危險系數(shù)很高。有些水泥支撐臺放置了體積很大的空調(diào)室外機(jī)，更是危機(jī)重重。

圖5 教五樓D區(qū)南側(cè)室外機(jī)水泥支撐臺布局

■2.2 居民小區(qū)空調(diào)室外機(jī)支撐件使用現(xiàn)狀的調(diào)研與分析

圖6為作者所住小區(qū)所在單元門入口上部（左邊）以及物業(yè)樓（右邊）的室外機(jī)布局圖，此小區(qū)是2000年建成使用的，22年的風(fēng)吹日曬雨淋使這些頭頂上的室外機(jī)支撐件變得銹跡斑斑，每天樓內(nèi)居民進(jìn)進(jìn)出出，誰曾想頭頂會隱藏著很大安全隱患。物業(yè)樓一扇窗戶旁邊密集安裝了5臺室外機(jī)。

圖6 小區(qū)單元門入口以及物業(yè)樓的空調(diào)室外機(jī)布局圖

3 空調(diào)室外機(jī)支撐件性能檢測系統(tǒng)設(shè)計

■3.1 系統(tǒng)功能規(guī)劃

本系統(tǒng)用于空調(diào)室外機(jī)支撐件受力狀況在線檢測時，支撐件的選取可分為以下多種情況：（1）不同品牌的支撐件進(jìn)行受力狀況對比檢測；（2）同一品牌但不同型號的支撐件進(jìn)行受力狀況對比檢測；（3）同一品牌型號歷經(jīng)不同使用時長的室外機(jī)支撐件進(jìn)行受力狀況檢測。

■3.2 系統(tǒng)架構(gòu)和硬件電路設(shè)計

支撐件性能檢測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖7所示，其主要包括混凝土試驗墻、空調(diào)室外機(jī)支撐件（包含不同品牌、不同型號、同一品牌型號歷經(jīng)不同使用時長的支撐件）、不同重量的實物塊、應(yīng)力傳感器、拉力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、STM32系列單片機(jī)、LCD顯示屏等。

圖7 支撐件性能檢測系統(tǒng)架構(gòu)

空調(diào)室外機(jī)支撐件的性能檢測系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖8所示。單片機(jī)主控模塊選用具有Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103R6芯片，內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換器。模擬支撐件應(yīng)力傳感器模塊由4路電位器代替，通過改變電位器阻值模擬應(yīng)力傳感器和拉力傳感器的檢測信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號顯示在LCD屏上。顯示模塊采用LM3229LCD液晶屏，LCD模塊可以顯示項目名稱和4個支撐件的受力情況。應(yīng)力報警聲光指示模塊由蜂鳴器和LED燈組成，當(dāng)檢測結(jié)果超出預(yù)設(shè)值時，蜂鳴器發(fā)出警報、LED燈閃爍。

圖8 硬件系統(tǒng)電路原理圖

■3.3 STM32檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計與運(yùn)行測試

在Keil軟件環(huán)境下，利用C語言完成程序編寫，將編譯生成的目標(biāo)程序下載到STM32F103R6芯片，系統(tǒng)的運(yùn)行測試情況如圖9所示。LCD同時顯示4路支撐件應(yīng)力信號，當(dāng)支撐件受力超過3500N時系統(tǒng)會報警。支撐件1的受力為3821N，此時LCD顯示紅色警示語“支撐件1受力超過安全值”，對應(yīng)LED燈發(fā)光，蜂鳴器鳴叫。

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行測試情況

4 空調(diào)室外機(jī)支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計

■4.1 系統(tǒng)功能規(guī)劃和架構(gòu)設(shè)計

事前方案：基于房屋有效面積的空調(diào)匹數(shù)選擇建議；空調(diào)安裝位置與安全性評測。

事中方案：所安裝空調(diào)的基本信息存檔記錄；空調(diào)室外機(jī)定期安檢記錄，在空調(diào)室外機(jī)安裝之后，使用人工或圖像識別方式定期對安裝好的室外機(jī)進(jìn)行巡檢。

事后方案：對于存在安全警示的空調(diào)和沒有使用價值的空調(diào)及時拆除、有序回收。

空調(diào)室外機(jī)支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)架構(gòu)如圖10所示。

圖10 空調(diào)室外機(jī)支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)架構(gòu)

■4.2 系統(tǒng)上位機(jī)界面設(shè)計

健康狀態(tài)監(jiān)測與評估平臺上位機(jī)界面分為角色分配模塊、信息展示模塊等。角色分配模塊包括登錄身份驗證、用戶分組模塊，用戶分組由企事業(yè)單位相關(guān)工作主管、居民小區(qū)物業(yè)部門相關(guān)工作主管、城市管理部門相關(guān)工作主管、系統(tǒng)管理人員和系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集維護(hù)人員組成。信息展示模塊由導(dǎo)航菜單、新聞公告、消息提醒和信息展示界面等組成。

系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）開發(fā)模式，應(yīng)用層操作系統(tǒng)采用Windows，軟件開發(fā)環(huán)境選用Visual Studio 2019，程序設(shè)計語言采用C#。WEB服務(wù)程序運(yùn)行于服務(wù)器端并將查詢結(jié)果和數(shù)據(jù)采集端上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時以網(wǎng)頁形式展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)主界面主要由3大模塊組成如圖11所示，事前管理模塊：空調(diào)匹數(shù)與房屋面積關(guān)聯(lián)計算，空調(diào)安裝位置與安全性評測；事中管理模塊：所安裝空調(diào)基本信息，空調(diào)室外機(jī)定期安全檢查記錄；事后管理模塊：廢舊?？照{(diào)拆除，廢舊?？照{(diào)回收。系統(tǒng)導(dǎo)航菜單包括事前管理、事中管理、事后管理、統(tǒng)計分析、報表記錄、系統(tǒng)管理。系統(tǒng)頂部關(guān)鍵菜單項包括首頁、監(jiān)測中心、安裝評測、全生命周期信息管理、安全檢測、系統(tǒng)維護(hù)、聯(lián)系方式、幫助。

圖11 空調(diào)室外機(jī)支撐件的健康狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)主界面

■4.3 事前管理模塊設(shè)計

空調(diào)匹數(shù)與房屋面積關(guān)聯(lián)計算模塊設(shè)計：選擇合適的空調(diào)匹數(shù)不僅能達(dá)到預(yù)期制冷（制熱）效果，而且可以避免電能浪費(fèi)。在空調(diào)匹數(shù)與房屋面積關(guān)聯(lián)計算模塊中輸入房屋面積后，系統(tǒng)會根據(jù)后臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算出合適的空調(diào)匹數(shù)。例如：輸入15m2，系統(tǒng)會提示選擇1匹空調(diào)最佳。

空調(diào)安裝位置與安全性評測模塊設(shè)計：空調(diào)安裝位置與安全性評測模塊分為室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)的安裝位置及安全性、高效性評測。室外機(jī)安裝需考慮的因素：是否為承重墻面？室外機(jī)和支撐件是否匹配？過大過重的室外機(jī)應(yīng)采取什么安全措施？室外機(jī)盡量避開人行通道，室外機(jī)在符合安全性的前提下分布盡量整齊美觀。室內(nèi)機(jī)安裝需考慮的因素：不僅要考慮安裝是否方便以及盡量縮短管路，而且還要特別關(guān)注節(jié)能效果與使用效果，即室內(nèi)機(jī)安放位置與能效的關(guān)系。

■4.4 空調(diào)信息管理數(shù)據(jù)庫設(shè)計

基于“全生命周期跟蹤管理”理念設(shè)計空調(diào)信息管理數(shù)據(jù)庫，其應(yīng)包含所安裝空調(diào)的基本信息（如用戶、品牌型號、位置和安裝日期等）、安檢時間和記錄（含預(yù)警信息）、廢舊?？照{(diào)拆除信息、廢舊?？照{(diào)回收信息等。

■4.5 空調(diào)室外機(jī)安檢方式與工作流程

空調(diào)室外機(jī)支撐件安檢方式可分為三種：（1）人工方式。通過肉眼比對便可得到結(jié)果，但其需要大量人力資源，識別效果和速度無法滿足準(zhǔn)確和及時的要求。（2）移動圖像識別方式。通過移動終端將室外機(jī)支撐件拍照上傳，通過后臺數(shù)據(jù)庫對比分析，快速準(zhǔn)確地得到支撐件的健康狀況。（3）無人機(jī)圖像識別方式。對于高樓層室外機(jī)支撐件，無人機(jī)圖像識別可很好地勝任，通過操控?zé)o人機(jī)對支撐件拍照分析。

空調(diào)室外機(jī)支撐件健康狀況圖像識別可以采取就地化和上位機(jī)集中化處理方式，將室外機(jī)支撐件圖像識別結(jié)果與空調(diào)安裝位置、房間進(jìn)行一一對應(yīng)，無生銹腐蝕的支撐件識別結(jié)果為完好，有生銹腐蝕的支撐件根據(jù)生銹腐蝕程度可以分為輕度、中度和重度。圖像識別流程如圖12所示，分為支撐件圖像采集、支撐件分類標(biāo)識、機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練、訓(xùn)練結(jié)果校驗、識別服務(wù)發(fā)布5個階段。

圖12 空調(diào)室外機(jī)支撐件圖像識別工作流程

■4.6 系統(tǒng)運(yùn)行保障機(jī)制

（1）制定安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范支撐件提供商的主體責(zé)任，加大技術(shù)研發(fā)投入，改進(jìn)空調(diào)室外機(jī)支撐件安全風(fēng)險防范措施。

（2）基于“全生命周期”的理念，即空調(diào)的“生產(chǎn)－安裝－維修－拆除－回收”一體化，建立起空調(diào)室外機(jī)支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估的全國性運(yùn)行管理機(jī)制。

（3）建立新空調(diào)安裝與廢舊?？照{(diào)拆除的專業(yè)隊伍，降低安裝和拆除過程中高空作業(yè)的危險系數(shù)。

（4）建立廢舊?？照{(diào)回收專業(yè)隊伍，將舊空調(diào)及時回收規(guī)范處理，統(tǒng)一送到拆解企業(yè)，進(jìn)行分揀和破碎，二次循環(huán)生產(chǎn)再利用。

5 結(jié)語

本文從高校和居民小區(qū)兩方面開展調(diào)研分析，設(shè)計了支撐件性能檢測系統(tǒng)架構(gòu)模型，基于STM32設(shè)計了支撐件性能檢測系統(tǒng)，規(guī)劃構(gòu)建了空調(diào)室外機(jī)支撐件的健康狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)，基于“生產(chǎn)－安裝－維修－拆除－回收”一體化的“全生命周期”理念，建立空調(diào)室外機(jī)支撐件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估的全國性運(yùn)行管理和保障機(jī)制。