區(qū)域塔機(jī)安全系統(tǒng)在高層建筑群中的應(yīng)用

摘要：建筑群施工中塔機(jī)間的交叉作業(yè)現(xiàn)象無法避免，碰撞風(fēng)險(xiǎn)普遍存在。本文介紹了區(qū)域塔機(jī)安全系統(tǒng)的組成、工作原理和基本算法，并根據(jù)系統(tǒng)在項(xiàng)目的使用情況提出了改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞：塔機(jī)群;安全系統(tǒng);遠(yuǎn)程

塔機(jī)是現(xiàn)代高層建筑必備的垂直運(yùn)輸設(shè)備，現(xiàn)代建筑物越來越密集，塔機(jī)間交叉作業(yè)無法避免，塔機(jī)群的工作存在安全風(fēng)險(xiǎn)。本文淺淡區(qū)域塔機(jī)安全系統(tǒng)的原理及在高層建筑群施工中的應(yīng)用。

1.塔機(jī)群的安全風(fēng)險(xiǎn)

塔機(jī)群的安全風(fēng)險(xiǎn)有三個(gè)方面：?jiǎn)闻_(tái)塔機(jī)自身的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn);單臺(tái)塔機(jī)與其他物體的碰撞風(fēng)險(xiǎn);塔機(jī)群交叉作業(yè)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。本文主要針對(duì)后兩種風(fēng)險(xiǎn)來講述區(qū)域塔機(jī)安全系統(tǒng)。

2.區(qū)域塔機(jī)安全系統(tǒng)的組成和功能

區(qū)域塔機(jī)安全系統(tǒng)基于傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，具有監(jiān)測(cè)、預(yù)警、控制三大功能。

系統(tǒng)的核心是塔機(jī)安全監(jiān)測(cè)儀，它能夠?qū)崟r(shí)采集本塔機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并在區(qū)域塔機(jī)間交換共享，通過PLC控制模塊對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定塔機(jī)是否處于風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。施工現(xiàn)場(chǎng)辦公室的塔機(jī)監(jiān)視器也通過局域網(wǎng)通訊模塊接收區(qū)域內(nèi)各臺(tái)塔機(jī)數(shù)據(jù)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有塔機(jī)的單機(jī)狀態(tài)和塔機(jī)群與障礙物的空間位置關(guān)系。塔機(jī)安全監(jiān)測(cè)儀還通過GPRS模塊將塔機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。遠(yuǎn)程管理中心使用塔機(jī)安全管理信息系統(tǒng)從服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多區(qū)域塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的管理。若將安全管理信息系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)地圖技術(shù)結(jié)合起來，就可實(shí)現(xiàn)實(shí)景化監(jiān)控。

圖一：區(qū)域塔機(jī)安全系統(tǒng)組成

3.工作原理及算法

在塔機(jī)運(yùn)行的某個(gè)時(shí)刻，各傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)，同時(shí)局域網(wǎng)通訊模塊使用廣播形式將本機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送給區(qū)域內(nèi)其它各主機(jī)并從其它各主機(jī)接收數(shù)據(jù)傳輸給本主機(jī)，本主機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算塔機(jī)是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，如果達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警水平，則觸發(fā)警報(bào)?；赑LC控制模塊的強(qiáng)大運(yùn)算能力，各主機(jī)以很高頻率不斷重復(fù)以上過程，即實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)的防碰撞算法：首先把塔機(jī)的各部件全部虛擬成三維空間的線段，形狀復(fù)雜的部份如平衡臂、斜拉桿等虛擬成多個(gè)線段的組合，某時(shí)刻的吊繩也可認(rèn)為是固定長(zhǎng)度的線段，障礙物虛擬成三維體并用多線段構(gòu)成三維體的表面。PLC控制下的主機(jī)按以下程序循環(huán)執(zhí)行：

（1）取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);

（2）根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)計(jì)算此刻各線段端點(diǎn)的空間坐標(biāo);

（3）計(jì)算可能發(fā)生碰撞范圍內(nèi)的各條線段間的最小距離d0（所有障礙物線段之間及同一塔機(jī)的各組成線段之間不計(jì)算）;

（4）如全部d0均大于預(yù)設(shè)值則進(jìn)行步驟6，否測(cè)進(jìn)行步驟5;

（5）比較每對(duì)間距小于預(yù)定值的線段本周期最小距離d0與前周期最小距離d1：

①d0>d1，雙方正在遠(yuǎn)離，不采取措施;

②d0=d1，雙方未移動(dòng)，采取的措施不變;

③d0

（6）刷新數(shù)據(jù)庫(kù)，返回步驟1。

此處需要說明，算法中第3點(diǎn)空間兩線段間的最小距離計(jì)算方法如下：

（1）將兩線段AB和CD延長(zhǎng)成直線L1，L2;

（2）根據(jù)L1，L2的直線方程，求得兩條直線的線性向量（和直線平行的向量），進(jìn)而求得公垂向量，得到兩直線的公垂線L3，分別與L1和L2交于Q1和Q2點(diǎn);

（3）如Q1在線段AB上，則取最近點(diǎn)為Q1，如Q1在線段AB的延長(zhǎng)線上，則取最近點(diǎn)為線段AB與Q1最近的端點(diǎn)（如圖中A點(diǎn)）。同理求得另一最近點(diǎn)Q2;

（4）兩最近點(diǎn)之間的距離（如圖中線段AQ2）為線段AB和CD的最小距離。

圖二：空間兩線段最小距離計(jì)算

4.應(yīng)用案例

貴陽市花果園項(xiàng)目C區(qū)工程共有高層建筑14棟，安裝塔機(jī)14臺(tái)，同時(shí)受山體及電力線路等環(huán)境因素影響，區(qū)域內(nèi)存在較大的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

項(xiàng)目選用了某公司開發(fā)的區(qū)域塔機(jī)安全系統(tǒng)，每臺(tái)塔機(jī)安裝幅度、角度、吊鉤位置三種傳感器用于實(shí)時(shí)采集塔機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)。在工地辦公區(qū)內(nèi)安裝了塔機(jī)監(jiān)視器實(shí)時(shí)監(jiān)視塔機(jī)群的狀態(tài)，系統(tǒng)同時(shí)接入安監(jiān)部門的遠(yuǎn)程塔機(jī)安全管理信息系統(tǒng)。項(xiàng)目機(jī)械管理員每月對(duì)采集的塔機(jī)工作和違章數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，作為操作司機(jī)考評(píng)的重要依據(jù)。

使用該系統(tǒng)前將各塔機(jī)的幾何尺寸、位置坐標(biāo)、基礎(chǔ)標(biāo)高、障礙物、既有和在建建筑物等信息全部輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)設(shè)置兩級(jí)報(bào)警，當(dāng)塔機(jī)及所吊物品或吊繩的任何部位與其它塔機(jī)或物體間距小于5米時(shí)觸發(fā)黃色警報(bào)，警報(bào)器發(fā)出間斷警鈴;當(dāng)間距小于3米時(shí)觸發(fā)紅色警報(bào)，警報(bào)器發(fā)出連續(xù)高分貝警鈴并對(duì)塔機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，操作司機(jī)無法再向風(fēng)險(xiǎn)加劇方向操作塔機(jī)，但能向風(fēng)險(xiǎn)減小方向改出，向無風(fēng)險(xiǎn)方向的操作不受限制。

5.改進(jìn)方向

使用中，發(fā)現(xiàn)該類系統(tǒng)還有不完善的地方，在此提出改進(jìn)思路。

（1）使用低頻率的無線通訊載波信號(hào)以提高障礙物繞過能力，增加發(fā)射功率以適應(yīng)面積較大的項(xiàng)目。

（2）在主機(jī)上集成GPS定位儀和高度計(jì)，自動(dòng)采集塔機(jī)的位置和高度，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)刻處于最新狀態(tài)，避免塔機(jī)升降后數(shù)據(jù)更新不及時(shí)造成的計(jì)算錯(cuò)誤。

（3）對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，引入碰撞避讓算法如等待時(shí)間最短法，縮短塔機(jī)被控時(shí)間，提高塔機(jī)使用效率。

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作者簡(jiǎn)介：唐曉川（1979-），男，四川成都人，學(xué)歷：學(xué)士，研究方向：工程機(jī)械。