區域塔機安全系統在高層建筑群中的應用

摘要：建筑群施工中塔機間的交叉作業現象無法避免，碰撞風險普遍存在。本文介紹了區域塔機安全系統的組成、工作原理和基本算法，并根據系統在項目的使用情況提出了改進方向。

關鍵詞：塔機群;安全系統;遠程

塔機是現代高層建筑必備的垂直運輸設備，現代建筑物越來越密集，塔機間交叉作業無法避免，塔機群的工作存在安全風險。本文淺淡區域塔機安全系統的原理及在高層建筑群施工中的應用。

1.塔機群的安全風險

塔機群的安全風險有三個方面：單臺塔機自身的運行風險;單臺塔機與其他物體的碰撞風險;塔機群交叉作業的碰撞風險。本文主要針對后兩種風險來講述區域塔機安全系統。

2.區域塔機安全系統的組成和功能

區域塔機安全系統基于傳感器技術、嵌入式技術、無線通訊技術和自動控制技術，具有監測、預警、控制三大功能。

系統的核心是塔機安全監測儀，它能夠實時采集本塔機的運行數據并在區域塔機間交換共享，通過PLC控制模塊對共享數據進行計算，確定塔機是否處于風險狀態。施工現場辦公室的塔機監視器也通過局域網通訊模塊接收區域內各臺塔機數據，計算區域內所有塔機的單機狀態和塔機群與障礙物的空間位置關系。塔機安全監測儀還通過GPRS模塊將塔機的數據傳輸到遠程服務器。遠程管理中心使用塔機安全管理信息系統從服務器讀取數據就能夠實現對多區域塔機運行狀態的管理。若將安全管理信息系統與動態地圖技術結合起來，就可實現實景化監控。

圖一：區域塔機安全系統組成

3.工作原理及算法

在塔機運行的某個時刻，各傳感器將采集到的數據傳輸給主機，同時局域網通訊模塊使用廣播形式將本機數據發送給區域內其它各主機并從其它各主機接收數據傳輸給本主機，本主機根據預設的數據和接收到的數據計算塔機是否進入危險區域，如果達到預設的報警水平，則觸發警報?；赑LC控制模塊的強大運算能力，各主機以很高頻率不斷重復以上過程，即實現實時監測。

系統的防碰撞算法：首先把塔機的各部件全部虛擬成三維空間的線段，形狀復雜的部份如平衡臂、斜拉桿等虛擬成多個線段的組合，某時刻的吊繩也可認為是固定長度的線段，障礙物虛擬成三維體并用多線段構成三維體的表面。PLC控制下的主機按以下程序循環執行：

（1）取得實時數據;

（2）根據預設數據和采集數據計算此刻各線段端點的空間坐標;

（3）計算可能發生碰撞范圍內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的各組成線段之間不計算）;

（4）如全部d0均大于預設值則進行步驟6，否測進行步驟5;

（5）比較每對間距小于預定值的線段本周期最小距離d0與前周期最小距離d1：

①d0>d1，雙方正在遠離，不采取措施;

②d0=d1，雙方未移動，采取的措施不變;

③d0

（6）刷新數據庫，返回步驟1。

此處需要說明，算法中第3點空間兩線段間的最小距離計算方法如下：

（1）將兩線段AB和CD延長成直線L1，L2;

（2）根據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;

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

（4）兩最近點之間的距離（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算

4.應用案例

貴陽市花果園項目C區工程共有高層建筑14棟，安裝塔機14臺，同時受山體及電力線路等環境因素影響，區域內存在較大的碰撞風險。

項目選用了某公司開發的區域塔機安全系統，每臺塔機安裝幅度、角度、吊鉤位置三種傳感器用于實時采集塔機狀態數據。在工地辦公區內安裝了塔機監視器實時監視塔機群的狀態，系統同時接入安監部門的遠程塔機安全管理信息系統。項目機械管理員每月對采集的塔機工作和違章數據進行分析，作為操作司機考評的重要依據。

使用該系統前將各塔機的幾何尺寸、位置坐標、基礎標高、障礙物、既有和在建建筑物等信息全部輸入系統數據庫中。系統設置兩級報警，當塔機及所吊物品或吊繩的任何部位與其它塔機或物體間距小于5米時觸發黃色警報，警報器發出間斷警鈴;當間距小于3米時觸發紅色警報，警報器發出連續高分貝警鈴并對塔機進行制動，操作司機無法再向風險加劇方向操作塔機，但能向風險減小方向改出，向無風險方向的操作不受限制。

5.改進方向

使用中，發現該類系統還有不完善的地方，在此提出改進思路。

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

（2）在主機上集成GPS定位儀和高度計，自動采集塔機的位置和高度，使系統數據時刻處于最新狀態，避免塔機升降后數據更新不及時造成的計算錯誤。

（3）對算法進行優化，引入碰撞避讓算法如等待時間最短法，縮短塔機被控時間，提高塔機使用效率。

參考文獻：

[1]關曉.新型群塔防撞自動控制系統研究.起重運輸機械，2011，04.

[2]王濤.群塔監控系統設計.建筑機械，2008，13.

[3]馬東方.塔機群防碰撞避讓算法的研究.機電工程，2011，10.

作者簡介：唐曉川（1979-），男，四川成都人，學歷：學士，研究方向：工程機械。