建筑塔機吊裝作業GNSS精準定點放樣

周命端，羅德安，丁克良，周樂皆，王 堅

(北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 102616)

建筑塔機因其具有變幅長、塔身高、吊裝重、全方圓、作業效率高等特點，在現代化裝配式建筑施工中得到極廣泛應用[1]。然而建筑塔機成群在狹小的施工場地高密度布放、重強度作業、大重量承載、全方圓范圍內進行吊裝作業，屬于一種安全事故發生概率較大的機械設備[2-3]。為滿足建筑塔機吊裝作業安全需求，近年來狀態安全監控與預警已成為保證塔機可靠工作的重要手段和研究熱點[4-5]，對建筑塔機監測點位精準定位及運行狀態安全性保障提出了更高要求[6]。

GNSS是建筑塔機狀態安全監控與預警的重要傳感器之一，基于偽距的位置定位因精度低將不適應智能化塔機發展要求[7-8]。然而監測點精準定位是建立塔機狀態安全監控與預警管控系統關鍵技術之一[9-12]，GNSS方法又具有先天獨特的優勢[13]。針對塔機狀態安全監控與預警的復雜工作環境，為進一步提高塔機GNSS定位精度和可靠性，探討一種基于GNSS載波相位觀測值的塔機精準定位技術，應用于建筑塔機吊裝作業定點放樣，開發相應的程序模塊，適應于智能化塔機發展需求，對于提高塔機智能安全管理的現代化水平具有重要的促進作用。

1 GNSS精準定點放樣方法

本文基于GNSS載波相位觀測值的精密定位方法，提出一種GNSS精準定點放樣方法，算法流程如圖1所示。

根據圖1，具體實施步驟如下[14]：

(1) 步驟S1：根據所述GNSS流動站自身采集的導航衛星觀測值及設置于地面的GNSS基準站通過數據通信鏈發送的經導航衛星間差分處理后的綜合誤差改正信號，計算得到所述GNSS流動站的厘米級天線相位中心三維空間坐標，計算原理見文獻[1,13]。

(2) 步驟S2：根據所述GNSS流動站的天線相位中心三維空間坐標計算得到所述塔機吊鉤上方的所述動滑輪中心的三維空間坐標，所述動滑輪中心的三維空間坐標的計算公式為

X=XG+XN，Y=YG+YE，H=HG+HU+f(α1,A)-H1-r

(1)

式中，(X,Y,H)為動滑輪中心的三維空間坐標；(XG,YG,HG)為GNSS流動站的天線相位中心的三維空間坐標；(XN,YE,HU)為GNSS流動站的天線相位中心與天線幾何中心的偏差，為由GNSS接收機天線校準機構提供的依據每隔5°衛星方位角和每隔5°衛星高度角校出的網格天線模型，然后隨導航衛星的實際方位角α1及實際高度角A進行雙線性內插計算獲得插值[15]；H1為GNSS流動站的天線幾何中心到動滑輪中心對應的頂部的垂高；r為動滑輪的半徑。

(3) 步驟S3：設置于吊繩段上的偏擺感應測量裝置跟蹤并測量吊繩段的偏擺參數，偏擺感應測量裝置包括激光信號發射器和水平圓形偏擺測量單元(銦瓦圓條碼數字水平度盤)，激光信號發射器設置于從吊繩段的首端起算長度l處，水平圓形偏擺測量單元的中心與吊繩段的首端連接，水平圓形偏擺測量單元設置于支撐架的底部，當塔機吊鉤發生擺動時，激光信號發射器感應吊繩段的擺動，并在吊繩段的擺動時垂直向上發送激光信號至水平圓形偏擺測量單元；水平圓形偏擺測量單元根據激光信號發射在水平圓形偏擺測量單元的標定點S，自動測量出激光信號發射器的水平面偏擺角α、水平面偏擺距離R，如圖2所示。水平圓形偏擺測量單元的半徑c與長度l、動滑輪的半徑r滿足如式(2)所示的關系式

(2)

式中，L為吊繩段的長度；k為吊繩段的安全系數；k=0.7～1.0。由圖2所示，判斷吊繩段偏擺角度β是否超出預警角度χ，若是，則發出用于提示暫停作業的報警信號。吊繩段偏擺角度β和預警角度χ計算公式為

(3)

式中，R為激光信號發射器的水平面偏擺距離；l為激光信號發射器的位置到吊繩段首端的長度；c為水平圓形偏擺測量單元的半徑。

(4) 步驟S4：根據動滑輪中心的三維空間坐標和吊繩段的偏擺參數，計算得到塔機吊鉤的三維空間坐標,塔機吊鉤的三維空間坐標的計算公式為

(4)

式中，(Xg,Yg,Hg)為塔機吊鉤的三維空間坐標；(X,Y,H)為動滑輪中心的三維空間坐標；L為吊繩段的長度；l為激光信號發射器的位置到吊繩段首端的長度；r為動滑輪的半徑；H2為動滑輪中心對應的底部到水平圓形偏擺測量單元的垂高；α、R分別為激光信號發射器的水平面偏擺角和水平面偏擺距離。

2 GNSS吊裝作業定點放樣系統(GNSS_PLS)

2.1 系統組成

GNSS_PLS系統包括：①GNSS基準站，設置于地面觀測衛星視域較為寬闊的地方。②GNSS流動站，設置于支撐架的頂部。③激光信號發射器，激光信號發射器設置于第二吊繩段上，用于感應第二吊繩段的擺動，并在第二吊繩段的擺動時垂直向上發送激光信號。④偏擺測量裝置，偏擺測量裝置與塔機支撐架的底部連接，偏擺測量裝置用于接收激光信號，并根據激光信號測量并計算激光信號發射器的偏擺參數，偏擺測量裝置包括連接于支撐架底部的銦瓦圓條碼數字水平度盤，銦瓦圓條碼數字水平度盤由激光信號觸發，并根據激光信號發射在銦瓦圓條碼數字水平度盤的標定點S，自動測量出激光信號發射器的水平面偏擺角α和水平面偏擺距離R。⑤數據處理裝置，用于根據GNSS流動站的天線相位中心三維空間坐標計算得到動滑輪中心的三維空間坐標，并根據動滑輪中心的三維空間坐標以及激光信號發射器的偏擺參數，計算得到吊鉤的三維空間坐標。⑥報警裝置，用于根據報警信號發出鳴叫聲的聲音報警器裝置以及用于根據報警信號發出閃爍燈光的燈光報警器裝置。

2.2 開發思路

對于單臺建筑塔機而言，GNSS建筑塔機吊裝作業定點放樣輔助系統(GNSS_PLS)開發思路如圖3所示。

如圖3所示，在施工場地視野開闊地方架設1臺GNSS基準站，同時在塔臂移動車正下方的動滑輪頂部安裝1臺GNSS流動站，地面吊裝員甲、乙各手持1臺高精度GNSS流動站定位的觀測手簿，3臺GNSS流動站實時接收來自GNSS基準站的綜合誤差改正信號，構成“1+3”GNSS RTK定位模式，實現厘米級的高精度定位功能。

2.3 定點放樣元素計算

吊裝定點(P)元素與吊裝放樣(L)元素的計算方法類似[16]。以吊裝定點(P)元素計算為例進行闡述。建筑施工塔吊機在吊裝作業過程中，吊裝定點元素分兩步實施：

第一步，粗定點工作。粗定點元素包括吊鉤實時位置(N,E,U)與吊裝物定點坐標(NP,EP,UP)之間的平面距離元素ΔD和吊鉤實時位置與吊裝物定點坐標之間的垂向高差元素ΔH，計算公式為

(5)

第二步，精定點工作。精定點元素包括吊鉤實時位置(N,E,U)與吊裝物定點坐標(NP,EP,UP)之間的橫向坐標元素ΔE、縱向坐標元素ΔN和垂向高差元素ΔH，計算公式為

(6)

監控平臺實時顯示粗定點工作的平面距離元素ΔD和垂向高差元素ΔH，建筑塔機駕駛員根據平面距離元素ΔD和垂向高差元素ΔH操控塔機實施吊裝粗定點工作。當監控平臺提示粗定點工作的平面距離元素ΔD小于1 m時，監視平臺實時將粗定點元素顯示頁面切換為精定點元素顯示頁面，此時，監控平臺實時顯示精定點工作的橫向坐標元素ΔE、縱向坐標元素ΔN和垂向高差元素ΔH，建筑塔機駕駛員根據橫向坐標元素ΔE、縱向坐標元素ΔN和垂向高差元素ΔH操控塔機實施吊裝精定點工作。

2.4 GNSS_PLS系統實現

將衛星導航定位方法(GNSS)應用于塔機吊裝定點放樣定位中，基于載波相位觀測值的高精度GNSS單歷元技術，利用VS2010開發平臺，運用C#編程語言，設計并實現了一套基于高采樣率(≤1 s)衛星導航定位方法(GNSS)的塔機吊裝定點放樣輔助系統(GNSS_PLS)。GNSS_PLS系統主界面設計視圖分兩種：一種為基于Google Map地圖的界面設計(如圖4所示)；一種為基于人機交互監視的界面設計(如圖5所示)。

3 試驗測試與分析

為測試與分析塔機吊裝作業定點放樣定位系統(GNSS_PLS)的智能指揮功能(定點、放樣)的可行性和有效性，在周口店遺址第1地點(猿人洞)保護建筑工程項目部所使用的某大型塔機開展了試驗測試工作。為分析GNSS_PLS系統的智能指揮(定點、放樣)監控的精度情況，任意選取連續5 min的GNSS流動站(rover_1366)的智能指揮監測數據進行精度分析，如圖6所示。

如圖6所示，對于GNSS流動站(rover_1366)所統計的連續300個歷元里，在N方向的中誤差最小值為0.009 m，最大值為0.015 m，平均值為0.013 m；在E方向的中誤差最小值為0.008 m，最大值為0.014 m，平均值為0.011 m；在U方向的中誤差最小值為0.021 m，最大值為0.036 m，平均值為0.029 m。經數值統計分析表明：GNSS_PLS系統的智能指揮(定點、放樣)監控的精度為厘米級，這說明本文算法可為塔機吊鉤位置精準定位提供一種高精度的實時算法。

4 結 語

針對塔機吊裝作業復雜工作環境，為提高塔機監測點GNSS定位精度和可靠性，本文利用基于GNSS載波相位觀測值的精密定位方法，提出了一種GNSS精準定點放樣方法，應用于建筑塔機精準定位放樣中，并詳細地給出了塔機吊鉤位置精密定位算法思想及公式推導。基于VS2010開發平臺，運用C#編程語言，建立了本文算法的功能模塊，設計、開發了一套基于GNSS的塔機吊裝作業定點放樣輔助系統(簡稱GNSS_PLS)，并在某遺址保護建筑工程所使用的某大型塔機吊裝作業過程中進行了試驗測試與分析，GNSS_PLS系統的智能指揮監控精度為厘米級，驗證了本文算法的正確性和可行性，進而對GNSS_PLS系統在保障塔機智能指揮的精準監控效果方面獲得了初步試驗驗證。