論非集成式新型門塔機防撞系統的技術特點及潛在優勢

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，國內外比較具有代表性的防碰撞系統采用的都是通過電子器件實現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場地的實際情況及塔基工作范圍提前確定出工作區域或禁止界限，并在防碰撞系統內將其參數化或拓撲網絡化，再根據實際檢測到的塔機各部分空間位置參數達到防碰撞的目的[1]。與分布式模塊化防碰撞系統相比其造價十分昂貴，系統數據復雜且對硬件要求非常高，受到最大限制的情況是：不同型號的門塔機群不能共同作用，難以在目前的門塔機領域內推廣。西藏金河瓦托水電站在工程建設期間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，與傳統的防碰撞系統相比，其具有明顯的優勢。

2 分布式模塊化防碰撞系統的基本原理

對于塔式起重機，其回轉、起升、變幅機構處均設置有限位器[2]。利用聯軸器可以將限位器輸出軸與編碼器相連獲取起重機的回轉、起升和變幅機構的運動數據，進而實時地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各施工設備，利用專用的智能防碰撞系統軟件實時計算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，計算出各設備有可能發生碰撞的部件、距離、運動速度及方向。在綜合考慮了運動部件制動距離(或角度)和安全裕度等因素后，各設備配置的平板電腦自動判定是否需要發出警示。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，最終可有效避免設備間發生相互碰撞，其工作原理見圖1。

圖1 防碰撞系統工作原理圖

3 該系統具有的技術特點及潛在優勢

(1)分布式架構體系利于系統擴展。該系統采取分布式架構體系，克服了集成式架構體系固有的各種缺點。系統中設備位置等信息均獨立收集，將信息傳輸到各自的智能處理系統內分別進行分析處理，并通過電臺實現設備間的通信。通過每臺設備各自的智能分析模塊分析出結果并進行相應預警。系統通信鏈路數據量較小，防碰撞計算相對簡單，對硬件的要求不高，易實現模塊化，可以無限進行擴展，利于系統的推廣與應用。由于沒有中心基站，無論哪個模塊發生故障，整個體系仍將有效運行，從而有效提高了設備的運行安全。

(2)智能模塊化有助于自動分析。模塊化的設計理念主要涉及軟件、硬件兩個方面。軟件方面：將復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、線之間的距離問題。硬件方面：每一臺設備中心處理主板上集成了信息收集、智能分析、信息傳輸等多種功能，每個功能均通過獨立模塊予以實現。每臺起重設備又獨立成一個模塊，每個模塊可以智能地根據收集到的自身參數信息對自身運行情況進行分析。該模式十分簡潔、高效。

在回學校的路上，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，她家里更是經濟困難，我擔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。沒想到你能帶我們去找援疆醫生幫她看病，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。”我笑著說：“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。”回到學校，這位一路沉默不語的女生竟也主動開口，用并不標準的普通話對我說：“謝謝老師！我先把東西拿回宿舍，老師再見。”

(3)采用二叉樹算法大幅度提高了精度，軟、硬件簡化、適應性強。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，實現了共性化處理，保證了防碰撞系統的防碰撞預測精度，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，降低系統開發的費用。同時，該系統將硬件或軟件組件分布在不同的網絡計算機上，通過信息傳遞進行通信和系統的協調。各設備僅進行與自身相關的防碰撞計算，簡化了算法，降低了硬件要求；各設備的硬件配置基本一致、軟件實現的功能亦基本相同，容易實現模塊化；便于系統增加所涵蓋的施工設備等后期功能擴展和后續的開發及推廣，適應性強。

(4)信息傳遞快速、方便、準確。通過無線網絡流動監控軟硬件系統，在移動的便攜式計算機上實時顯示出各設備的位置、速度、警示、故障等信息，方便對各設備的位置信息(如塔機頂升高度、起重臂長度、吊鉤倍率以及門機塔架的高度等參數變化時)進行更新，避免了增加基站(基站的選址、供電、日常維護等要求較高，且基站與設備間的通信易受到干擾，硬件費用高，位置信息更新不方便)。不同設備間系統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據包，使數據通信距離更遠，抗干擾能力更強。實測在空曠地帶進行，通信速率為1 kb時，通信距離可以達到8 km，丟包率不超過5%。信息傳遞快速、方便、準確，安全可靠。

(5)預警級別明確，有利于起重機械運行安全。當每臺起重設備通過自身的智能分析模塊收集到自身運行的特點后，智能分析模塊可根據關聯設備部件的位置、速度、運動方向并結合自身設備的運動軌跡確定潛在的碰撞點，再根據自身設備的位置、運動速度、方向以及潛在碰撞點位置判斷出危險范圍，結合分析計算結果，及時進行分級預警。

(6)流動性強，適用于遠程監控。所有設備的運行狀態以無線形式傳輸到現場的流動監測站。現場的專業管理人員可以通過平板電腦等移動設備對現場每臺起重設備的運行情況和風險情況進行實時監控，做出判斷分析和應急處置，也可以通過系統中的錄像對運行過程中的情況進行回放。通過網絡和遠程控制軟件，該系統不但可以在現場運行，也可以遠程運行，流動性強，遠程控制圖見圖2。

4 結 語

圖2 遠程控制圖

基于分布式模塊化體系構架的大型起重設備防碰撞系統具有較強的通用性和實用性，與傳統的防碰撞系統相比具有很大的潛在優勢。將這種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，提高工程建設的安全作業能力和作業效率，增強企業的核心競爭力，實現建設工程機械智能化管理方式的跨越式發展。