分布式模塊化防碰撞系統在水電工程中的應用研究

何 福 江， 劉 昕 鑫

(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

金河瓦托水電站是一座以發電為主的中型水電樞紐工程，位于西藏昌都市卡若鎮列巴村金河下游約2.5 km處，距離昌都市察雅縣吉塘鎮12.2 km，在金河大壩上游約5 km處。該工程于2016年8月開始施工，年底轉入混凝土澆筑施工，混凝土總量約26萬m3，建筑面積約1.5萬m2。由于基坑面積狹小，工期較短，混凝土施工強度高，加之垂直入倉手段受限，共安裝了兩臺塔機(TC7052、D1400)及一臺門機(MQ600B)。三臺設備的活動區域在施工現場互有交錯，設備運行過程中交叉施工干擾極大，安全隱患突出，尤其是在強光刺眼等外界因素影響下，操作人員可視距離短、安全隱患突出。

項目部針對瓦托水電站大型起重設備布置現狀，從提高系統實用性、加快工程進度及增強安全作業能力等方面出發，研究并采用了基于分布式模塊化構架體系的防碰撞預警系統，該系統通過實時自動檢測各施工設備及其相關部件(如臂架、塔架及吊鉤等)的位置、運動方向和速度，將采集到的信息通過無線網絡傳輸給安裝在各施工設備司機室內的工業級平板電腦，通過實時獨立計算，分析出各設備固定及運動部件(如臂架、塔架及吊鉤等)的相互位置關系，并利用用于流動監控的手提電腦等移動終端實時觀測施工現場起重設備各部件的位置以及根據現場障礙物實際高度(大壩壩體上升)進行遠程更新。

2 分布式模塊化防碰撞系統的基本原理

將起重設備分解為簡單形體的組合，將設備碰撞問題分解為部件間的碰撞，根據碰撞現象實質和主動設備避讓原則，將碰撞現象進行共性化處理，確定共性碰撞算法并進行縮維處理，將三維簡單形體間的碰撞問題簡化為平面中點、線之間的距離問題[1]。同時，結合二叉樹遍歷遞歸算法，對所有碰撞現象進行預測，通過以太網相互傳遞信息至相關設備。通過VS(Visual Studio)平臺利用C#語言進行編程開發的防碰撞軟件進行實時計算與智能分析。根據各設備固定及運動部件(如臂架、塔架及吊鉤等)的相互位置關系，自動判斷設備可能發生碰撞部件的距離、可能發生碰撞設備相關部件的運動速度及方向，并根據軟件分析結果及時發出警報[2]。

3 構架體系

瓦托水電工程分布式防碰撞系統構架體系見圖1。

圖1 瓦托水電工程分布式防碰撞系統構架體系圖

4 信息采集方式

對塔式起重機回轉、起升、變幅機構處均設置有限位器[3]。利用聯軸器將限位器輸出軸與編碼器相連，獲取起重機的回轉、起升和變幅機構運動數據。

對門座式起重機起升、變幅機構安裝限位器，采用齒輪傳動將限位器輸出軸與編碼器軸連接以獲取角度信息。對于回轉機構，因其不含限位器，遂將編碼器輸入軸通過聯軸器、齒輪軸等零件與小齒輪固接，小齒輪與回轉機構的大齒輪相嚙合，編碼器可獲取回轉角度。

5 預警系統的工作流程

5.1 預警系統

將各設備均置于一個整體坐標體系中，采用布置在各設備上的位置信息檢測裝置(如絕對值編碼器、傾角傳感器等)實時檢測臂架、塔架和吊鉤等運動部件的位置、運動方向及速度[4]，然后通過無線網絡將有關信息傳送給相應設備；對各設備的工業級平板電腦根據存儲的設備本身以及與之有可能發生碰撞的設備的外形輪廓參數應用相應的算法實時計算出各設備固定及運動部件(如塔架、臂架和吊鉤等)的相互位置關系，計算出各設備有可能發生碰撞部件的距離，綜合考慮設備的制動距離和安全裕度，判定是否需要發出警示及警示的級別；如需發出警示，各設備的平板電腦將通過語音和平面圖形提醒設備操作人員采取措施進行避讓，最終避免發生碰撞[5]。

5.2 預警判定流程

以右側塔機起重臂碰撞左側塔機鋼絲繩為例，屬于線→點防碰撞算法，如：左側塔機變幅尺寸極小，R1+L

5.3 預警提示

在起重設備司機室安置平板電腦，實時顯示各起重設備當前的角度、回轉半徑、吊鉤長度及現場起重設備之間的大臂位置。當起重設備處于運行安全區時，在平板電腦左上角的指示燈為綠色，無任何提示，司機可觀察平板電腦上周邊相連起重設備的大臂位置；當起重設備處于運行干擾區時，指示燈為綠色，伴有平淡的語音提示，提醒司機注意設備間的運行關系，明確避讓原則；當起重設備處于運行碰撞區時，指示燈由綠色變為紅色，伴有刺耳的語音提示，提醒司機采取緊急制動。具體情況如下：

圖2 預警判定流程圖

(1)正?！壘局g，預測當前的碰撞情況以及10 s后的碰撞情況，即0～10 s之間有無碰撞；

(2)三級→二級警示：預測當前的碰撞情況以及2 s后的碰撞情況，即0～2 s之間有無碰撞；

(3)二級→一級警示：預測當前的緊急制動碰撞情況以及2 s后的緊急制動碰撞情況，即0～2 s之間有無必要進行緊急制動。

6 流動監控系統

6.1 無線網絡的構建

考慮到瓦托水電站的工作條件及被監測點是一個移動系統，有部分測點處沒有供電設施。因此，信息傳遞設備選用900 MHz數傳電臺設備并采用調頻擴頻技術，其數據丟失率可控制在1%以內，可以滿足傳輸距離和可靠性等要求。

6.2 監控系統的使用

(1)在系統配備的便攜式計算機上，在網絡狀況良好的情況下，打開Teamviewer軟件，若系統中涵蓋的設備(共4臺)在線，則前方圖標顯示為藍色；不在線時則顯示為黑色。

(2)點選想要連接并監控的設備，彈出右側菜單欄，在菜單欄一列選擇第二個“遠程控制使用密碼”，自動連接指定塔機的設備，該設備運行界面將顯示于監控設備桌面上，并可對其進行遠程操作(可修改起重設備、障礙物的高度、長度等信息)。

7 結 語

瓦托水電站工程大型起重設備使用的防碰撞系統具有較強的通用性和實用性。將分布式模塊化的系統設計理念運用于防碰撞系統具有較高的性價比、較短的開發周期和很強的開拓性，有利于后期進一步將精準定位技術、現場實時模擬、智能設備檢測等技術運用到起重設備施工中，促進各類起重設備安全施工技術的發展，提高工程建設安全作業的能力和作業效率，增強企業核心競爭力，實現建設工程機械管理方式的跨越式發展。