論非集成式新型門塔機(jī)防撞系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及潛在優(yōu)勢

劉 昕 鑫， 劉 斌， 趙 亞， 謝 廷

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

目前，國內(nèi)外比較具有代表性的防碰撞系統(tǒng)采用的都是通過電子器件實(shí)現(xiàn)的被動式防碰撞安全模型，依靠駕駛員或管理者施工前期根據(jù)場地的實(shí)際情況及塔基工作范圍提前確定出工作區(qū)域或禁止界限，并在防碰撞系統(tǒng)內(nèi)將其參數(shù)化或拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)化，再根據(jù)實(shí)際檢測到的塔機(jī)各部分空間位置參數(shù)達(dá)到防碰撞的目的[1]。與分布式模塊化防碰撞系統(tǒng)相比其造價十分昂貴，系統(tǒng)數(shù)據(jù)復(fù)雜且對硬件要求非常高，受到最大限制的情況是：不同型號的門塔機(jī)群不能共同作用，難以在目前的門塔機(jī)領(lǐng)域內(nèi)推廣。西藏金河瓦托水電站在工程建設(shè)期間研究并采用了基于分布式模塊化構(gòu)架體系的防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的防碰撞系統(tǒng)相比，其具有明顯的優(yōu)勢。

2 分布式模塊化防碰撞系統(tǒng)的基本原理

對于塔式起重機(jī)，其回轉(zhuǎn)、起升、變幅機(jī)構(gòu)處均設(shè)置有限位器[2]。利用聯(lián)軸器可以將限位器輸出軸與編碼器相連獲取起重機(jī)的回轉(zhuǎn)、起升和變幅機(jī)構(gòu)的運(yùn)動數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)時地自動檢測各施工設(shè)備及其相關(guān)部件(如臂架、塔架及吊鉤等)的位置、運(yùn)動方向和速度。將采集到的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給各施工設(shè)備，利用專用的智能防碰撞系統(tǒng)軟件實(shí)時計算出各設(shè)備固定及運(yùn)動部件(如臂架、塔架及吊鉤等)的相互位置關(guān)系，計算出各設(shè)備有可能發(fā)生碰撞的部件、距離、運(yùn)動速度及方向。在綜合考慮了運(yùn)動部件制動距離(或角度)和安全裕度等因素后，各設(shè)備配置的平板電腦自動判定是否需要發(fā)出警示。最終通過語音和平面圖形等方式提醒操作人員采取避讓措施，最終可有效避免設(shè)備間發(fā)生相互碰撞，其工作原理見圖1。

圖1 防碰撞系統(tǒng)工作原理圖

3 該系統(tǒng)具有的技術(shù)特點(diǎn)及潛在優(yōu)勢

(1)分布式架構(gòu)體系利于系統(tǒng)擴(kuò)展。該系統(tǒng)采取分布式架構(gòu)體系，克服了集成式架構(gòu)體系固有的各種缺點(diǎn)。系統(tǒng)中設(shè)備位置等信息均獨(dú)立收集，將信息傳輸?shù)礁髯缘闹悄芴幚硐到y(tǒng)內(nèi)分別進(jìn)行分析處理，并通過電臺實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信。通過每臺設(shè)備各自的智能分析模塊分析出結(jié)果并進(jìn)行相應(yīng)預(yù)警。系統(tǒng)通信鏈路數(shù)據(jù)量較小，防碰撞計算相對簡單，對硬件的要求不高，易實(shí)現(xiàn)模塊化，可以無限進(jìn)行擴(kuò)展，利于系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。由于沒有中心基站，無論哪個模塊發(fā)生故障，整個體系仍將有效運(yùn)行，從而有效提高了設(shè)備的運(yùn)行安全。

(2)智能模塊化有助于自動分析。模塊化的設(shè)計理念主要涉及軟件、硬件兩個方面。軟件方面：將復(fù)雜的碰撞問題分解為簡單形體的組合，將三維形體間的碰撞問題簡化為平面中點(diǎn)、線之間的距離問題。硬件方面：每一臺設(shè)備中心處理主板上集成了信息收集、智能分析、信息傳輸?shù)榷喾N功能，每個功能均通過獨(dú)立模塊予以實(shí)現(xiàn)。每臺起重設(shè)備又獨(dú)立成一個模塊，每個模塊可以智能地根據(jù)收集到的自身參數(shù)信息對自身運(yùn)行情況進(jìn)行分析。該模式十分簡潔、高效。

在回學(xué)校的路上，阿孜姑老師悄悄告訴我：“張老師，真的謝謝你！這名學(xué)生前天哭著找我，說想請假回家看病，但我們這里比較落后、保守，她家里更是經(jīng)濟(jì)困難，我擔(dān)心她一個孩子回家也解決不了，怕再出什么問題。我想了很久都沒辦法，只好來找你幫忙。沒想到你能帶我們?nèi)フ以t(yī)生幫她看病，又買藥給她，又買水果給她，還安慰她，減輕了她生病的心理壓力。你對我們這么好，真不知怎么感謝你?！蔽倚χf：“感謝你們對我的信任，如果有什么我可以做的，你們盡管說，我會很高興的。”回到學(xué)校，這位一路沉默不語的女生竟也主動開口，用并不標(biāo)準(zhǔn)的普通話對我說：“謝謝老師！我先把東西拿回宿舍，老師再見?！?/p>

(3)采用二叉樹算法大幅度提高了精度，軟、硬件簡化、適應(yīng)性強(qiáng)。智能分析模塊在解決防碰撞問題時，利用二叉樹遍歷遞歸算法，實(shí)現(xiàn)了共性化處理，保證了防碰撞系統(tǒng)的防碰撞預(yù)測精度，有效避免了誤報、漏報，可以降低硬件存儲和計算要求，提高解算精度，降低系統(tǒng)開發(fā)的費(fèi)用。同時，該系統(tǒng)將硬件或軟件組件分布在不同的網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)上，通過信息傳遞進(jìn)行通信和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。各設(shè)備僅進(jìn)行與自身相關(guān)的防碰撞計算，簡化了算法，降低了硬件要求；各設(shè)備的硬件配置基本一致、軟件實(shí)現(xiàn)的功能亦基本相同，容易實(shí)現(xiàn)模塊化；便于系統(tǒng)增加所涵蓋的施工設(shè)備等后期功能擴(kuò)展和后續(xù)的開發(fā)及推廣，適應(yīng)性強(qiáng)。

(4)信息傳遞快速、方便、準(zhǔn)確。通過無線網(wǎng)絡(luò)流動監(jiān)控軟硬件系統(tǒng)，在移動的便攜式計算機(jī)上實(shí)時顯示出各設(shè)備的位置、速度、警示、故障等信息，方便對各設(shè)備的位置信息(如塔機(jī)頂升高度、起重臂長度、吊鉤倍率以及門機(jī)塔架的高度等參數(shù)變化時)進(jìn)行更新，避免了增加基站(基站的選址、供電、日常維護(hù)等要求較高，且基站與設(shè)備間的通信易受到干擾，硬件費(fèi)用高，位置信息更新不方便)。不同設(shè)備間系統(tǒng)信息傳輸所采用的電臺帶有前向糾錯功能，能主動糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，使數(shù)據(jù)通信距離更遠(yuǎn)，抗干擾能力更強(qiáng)。實(shí)測在空曠地帶進(jìn)行，通信速率為1 kb時，通信距離可以達(dá)到8 km，丟包率不超過5%。信息傳遞快速、方便、準(zhǔn)確，安全可靠。

(5)預(yù)警級別明確，有利于起重機(jī)械運(yùn)行安全。當(dāng)每臺起重設(shè)備通過自身的智能分析模塊收集到自身運(yùn)行的特點(diǎn)后，智能分析模塊可根據(jù)關(guān)聯(lián)設(shè)備部件的位置、速度、運(yùn)動方向并結(jié)合自身設(shè)備的運(yùn)動軌跡確定潛在的碰撞點(diǎn)，再根據(jù)自身設(shè)備的位置、運(yùn)動速度、方向以及潛在碰撞點(diǎn)位置判斷出危險范圍，結(jié)合分析計算結(jié)果，及時進(jìn)行分級預(yù)警。

(6)流動性強(qiáng)，適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以無線形式傳輸?shù)浆F(xiàn)場的流動監(jiān)測站?，F(xiàn)場的專業(yè)管理人員可以通過平板電腦等移動設(shè)備對現(xiàn)場每臺起重設(shè)備的運(yùn)行情況和風(fēng)險情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，做出判斷分析和應(yīng)急處置，也可以通過系統(tǒng)中的錄像對運(yùn)行過程中的情況進(jìn)行回放。通過網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制軟件，該系統(tǒng)不但可以在現(xiàn)場運(yùn)行，也可以遠(yuǎn)程運(yùn)行，流動性強(qiáng)，遠(yuǎn)程控制圖見圖2。

4 結(jié) 語

圖2 遠(yuǎn)程控制圖

基于分布式模塊化體系構(gòu)架的大型起重設(shè)備防碰撞系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性，與傳統(tǒng)的防碰撞系統(tǒng)相比具有很大的潛在優(yōu)勢。將這種系統(tǒng)設(shè)計理念運(yùn)用于防碰撞系統(tǒng)具有較高的性價比、較短的開發(fā)周期和很強(qiáng)的開拓性，有利于后期進(jìn)一步將精準(zhǔn)定位技術(shù)、現(xiàn)場實(shí)時模擬、智能設(shè)備檢測等運(yùn)用到起重設(shè)備施工中，促進(jìn)各類起重設(shè)備安全施工技術(shù)的發(fā)展，提高工程建設(shè)的安全作業(yè)能力和作業(yè)效率，增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力，實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程機(jī)械智能化管理方式的跨越式發(fā)展。