門塔機碰撞預(yù)警方法研究

李永山 劉發(fā)永 周新志

(1.中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066；2.四川大學(xué)，四川 成都 610065)

門座起重機(門機)和塔式起重機(塔機)是水利水電工程中的重要施工設(shè)備，主要用于物料運輸。但是，在建設(shè)施工過程中，狹窄的作業(yè)空間內(nèi)往往布置較多的門塔機運輸設(shè)備，設(shè)備間交叉作業(yè)率高，容易造成運輸設(shè)備之間碰撞。因此，預(yù)防設(shè)備間的碰撞已成為水利水電工程施工中亟待解決的問題。

隨著數(shù)字傳感技術(shù)、嵌入式處理技術(shù)、遠程監(jiān)控技術(shù)等電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化的門塔機群防碰撞系統(tǒng)已逐漸應(yīng)用于水利水電工程運輸設(shè)備上，以解決傳統(tǒng)的信號員指揮或設(shè)備作業(yè)區(qū)域限制[1]的低效率防碰撞問題。針對機群之間的智能防碰撞，令召蘭[2]應(yīng)用多Agent系統(tǒng)理論，建立了實時性和抗干擾性較強的塔機群防碰撞控制系統(tǒng)；朱宏堂[3]采用激光測距技術(shù)，解決塔機的碰撞問題，該方法對應(yīng)用周期較短的塔吊作業(yè)適應(yīng)性較好；徐景波等[4]基于超聲波測距原理，設(shè)計了塔機的防碰撞探測器，能有效避免碰撞事件發(fā)生。在運輸設(shè)備與構(gòu)筑物的防碰撞中，文獻[5]和[6]利用圖形識別等多種技術(shù)解決吊裝物本身與固定或移動目標的碰撞問題。在監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和處理方面，賈永峰等[7]針對塔機起重量采集時存在非線性問題，采用數(shù)據(jù)擬合理論建立軟測量模型，對起重量數(shù)據(jù)監(jiān)測具有一定的應(yīng)用價值；在防碰撞控制算法方面，李達等[8]提出機群防碰撞時等待時間最短算法，既保障了設(shè)備之間不發(fā)生碰撞，又提升了設(shè)備運輸效率。

目前，門塔機的防碰撞方法中，通常以兩種設(shè)備之間的距離作為決策依據(jù)。但是，缺乏對距離數(shù)據(jù)的處理，存在錯誤數(shù)據(jù)點，導(dǎo)致設(shè)備制動介入太晚，造成碰撞。因此，為了能夠提高避碰的有效性，提出了基于時間連續(xù)、狀態(tài)離散的馬爾可夫過程的門塔機機群碰撞預(yù)警方法。該方法根據(jù)門塔機狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移關(guān)系，建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移強度值與門塔機機群間相對位置的聯(lián)系，作出門塔機機群防碰撞的最優(yōu)決策，從而提高避碰系統(tǒng)的魯棒性。

1 碰撞類型與預(yù)警等級劃分

水利水電工程中，門塔機是具有回轉(zhuǎn)機構(gòu)一類的設(shè)備，且大量布置于施工現(xiàn)場，是常見的垂直運輸設(shè)備。施工過程中，設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與構(gòu)筑物時常處于碰撞的危險區(qū)域，因此，需要明晰可能發(fā)生碰撞的情況以及預(yù)警等級。

1.1 碰撞類型

1.1.1 高位門機或塔機吊繩與低位門機或塔機起重臂或平衡臂的碰撞

碰撞如圖1所示，陰影部分為交叉作業(yè)的危險區(qū)域，吊繩位于低位機起重臂或者平衡臂的下側(cè)。對于塔機，lA和lB分別表示高位機和低位機的臂長，而對于門機，lA和lB分別表示高位機和低位機臂長在水平方向的投影。

圖1 高低位垂直運輸設(shè)備碰撞區(qū)域注：TC1:高位機；TC2:低位機；β1：高位機轉(zhuǎn)動夾角；β2：低位機轉(zhuǎn)動夾角；lA：高位機臂長； lB：低位機臂長；P1：高位機大臂頂端在當前時刻的位置；P2：低位機大臂頂端在當前時刻的位置。

高位機的吊繩與低位機的起重臂或平衡臂發(fā)生碰撞時：

a.高位機和低位機具有交叉的作業(yè)區(qū)域，且都在交叉區(qū)域內(nèi)作業(yè)。

b.吊繩與大臂的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

1.1.2 高度相同的門機或塔機與其他具有回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)備起重臂的碰撞

門塔機起重臂之間的碰撞如圖2所示。

圖2 同高度垂直運輸設(shè)備碰撞區(qū)域

高度相同，發(fā)生碰撞時：

a.有交叉作業(yè)區(qū)域，且兩臺垂直運輸設(shè)備同時處在交叉作業(yè)區(qū)域。

b.設(shè)備的起重臂的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

1.1.3 門塔機吊繩與構(gòu)筑物之間的碰撞

如圖3所示，這種情形碰撞時：

圖3 垂直運輸設(shè)備吊繩與構(gòu)筑物碰撞區(qū)域注： l；門塔機大臂長度；l′：門塔機距構(gòu)筑物的水平距離；s：門塔機吊鉤水平距離；h：門塔機吊鉤高度；h′：構(gòu)筑物高度；d：吊繩到構(gòu)筑物的最小距離

a.吊鉤的位置低于構(gòu)筑物的位置。

b.吊繩到構(gòu)筑物的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

1.2 預(yù)警等級

設(shè)備不在交叉區(qū)域內(nèi)作業(yè)，最小距離d大于安全距離dSafe，此時不會發(fā)生碰撞，相應(yīng)的設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)不會發(fā)出碰撞警告。隨著設(shè)備之間的距離縮短，設(shè)備采取相應(yīng)的行為進行碰撞預(yù)警，如圖4所示。

圖4 碰撞區(qū)域預(yù)警與評估

其中，dBreaking、dAlarm、dWarning和dSafe為對應(yīng)預(yù)警距離，門塔機防碰撞系統(tǒng)實時獲取設(shè)備間最小距離d，然后根據(jù)d與其他4個位置之間的關(guān)系，將危險等級的劃分如下：

a.當d?dSafe時，設(shè)備間沒有交叉作業(yè)的情況，各設(shè)備間不會產(chǎn)生干擾，因此，設(shè)備處于綠色安全狀態(tài)。

b.當dWarning

c.當dAlarm

d.當dBreaking

e.當d≤dBreaking時，設(shè)備發(fā)生碰撞，造成施工安全事件。

設(shè)備進入了交叉工作區(qū)域，且最小距離到達設(shè)定的預(yù)警距離以后，將采取相應(yīng)措施預(yù)警。因此，保證設(shè)備間的最小距離的正確性對提升防碰撞系統(tǒng)安全性具有重大意義。

2 基于馬爾可夫過程的門塔機碰撞預(yù)警方法

本文利用馬爾可夫過程將最小距離轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的碰撞概率，以保證系統(tǒng)的魯棒性。馬爾科夫過程是一個隨機過程，主要表示了狀態(tài)空間中各種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。該變化過程與前一時刻的狀態(tài)有關(guān)，即使最小距離出現(xiàn)錯誤，設(shè)備也不會因為最小距離的突然改變而使得當前狀態(tài)發(fā)生跳變，只會根據(jù)前一時刻的狀態(tài)向下一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移或者保持當前的狀態(tài)不變，也就是說，從一級預(yù)警跳變?yōu)榘踩珷顟B(tài)等情況不會發(fā)生，這與實際設(shè)備的作業(yè)情況吻合。具體實現(xiàn)如下：

門塔機與其他輔助設(shè)備在進行作業(yè)時，根據(jù)相互之間的位置關(guān)系，通常可以分為四種不同狀態(tài)：安全態(tài)(S)、預(yù)警態(tài)(W)、報警并減速態(tài)(A)和碰撞態(tài)(B)。

交叉作業(yè)時，相距太近，到達了初始設(shè)置的預(yù)警距離，設(shè)備就會從安全態(tài)轉(zhuǎn)為預(yù)警態(tài)，處于預(yù)警態(tài)的設(shè)備離開了預(yù)警距離就會轉(zhuǎn)為安全態(tài)。同理，當設(shè)備進一步靠近了制動距離時，就會進入報警并減速態(tài)，同樣，離開了制動距離，設(shè)備狀態(tài)就會朝著預(yù)警狀轉(zhuǎn)移。若減速不及時或者其他因素干擾可能造成設(shè)備碰撞，此時，處于碰撞的設(shè)備就是碰撞態(tài)，碰撞態(tài)是吸收態(tài)，一旦進入碰撞態(tài)，就會一直處于這個狀態(tài)，不會轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)，實際中，只有通過人工作用，將處于碰撞態(tài)的設(shè)備分開到安全的位置。

設(shè)備在某一時刻只能處于一種狀態(tài)，且狀態(tài)的轉(zhuǎn)移具有馬爾科夫性，其轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖5所示，O表示在危險區(qū)域外的環(huán)境，D表示在危險區(qū)的環(huán)境。

圖5 垂直運輸設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系

垂直運輸設(shè)備的轉(zhuǎn)移強度矩陣Q(t)=[qij(t)],i,j∈{S,W,A,B}。

當d>dSafe時，垂直運輸設(shè)備處在危險區(qū)域外的環(huán)境，轉(zhuǎn)移強度矩陣為

當d≤dSafe時，垂直運輸設(shè)備處在危險區(qū)域環(huán)境，轉(zhuǎn)移強度矩陣為：

其中，λij為轉(zhuǎn)移強度，矩陣的每一行滿足：

(1)

若在時刻t的狀態(tài)概率向量為P(t)=[pS(t),pW(t),pA(t),pB(t)]T，根據(jù)?？似绽士朔匠蹋?/p>

(2)

式(2)可以通過下式迭代計算：

(3)

通過記錄兩個位置點的時差和轉(zhuǎn)移強度矩陣，根據(jù)式(3)可以計算當前點的狀態(tài)概率向量。時間可以實時記錄，而轉(zhuǎn)移強度矩陣計算采用距離的線性關(guān)系獲得。

對于危險環(huán)境，即d≤dSafe，有

(4)

對于危險環(huán)境以外的區(qū)域，轉(zhuǎn)移強度設(shè)置為相應(yīng)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移強度。

若基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移強度按表1取值，dSafe=100m，且d=30m和d=70m處出現(xiàn)傳感器或通信錯誤，隨著兩個設(shè)備的最小距離d增大，狀態(tài)概率的變化如圖6所示。

表1 不同環(huán)境中的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移強度

圖6 狀態(tài)概率向量的變化(d/m)

從圖6可以看出，當d增大，設(shè)備會從碰撞態(tài)經(jīng)過報警并減速態(tài)和預(yù)警態(tài)轉(zhuǎn)移到安全態(tài)。在d=30m和d=70m處，狀態(tài)概率出現(xiàn)變化，但是波動范圍較小，設(shè)備狀態(tài)沒有發(fā)生跳變。在報警并減速態(tài)和預(yù)警態(tài)狀態(tài)概率曲線的頂點處設(shè)置安全態(tài)概率閾值，通過檢測安全態(tài)概率，根據(jù)安全態(tài)概率與閾值即可作出相應(yīng)的決策?；隈R爾可夫過程的門塔機機群智能防碰撞決策流程如圖7所示。

3 防碰撞測試

為了驗證本文提出的基于馬爾可夫過程的門塔機機群防碰撞決策方法的有效性以及可靠性，在岷江犍為航電樞紐發(fā)電廠工程中進行了相應(yīng)的測試。該工程采用門塔機為主、其他設(shè)備為輔的布置方式，施工現(xiàn)場由5臺門機和1臺塔機組成。門塔機群防碰決策流程見圖7。測試過程中選擇下游2臺30t高架門機進行了防碰撞的測試，2臺垂直設(shè)備的最小距離大于6m時，屬于安全態(tài)，小于4m時，處于預(yù)警態(tài)，小于3m時，處于報警并減速態(tài)，從2017年4月5日起，記錄了一個校驗周期內(nèi)的5組數(shù)據(jù)，見表2。

圖7 基于馬爾可夫過程的門塔機群防碰撞決策流程

表2 預(yù)警狀態(tài)測試結(jié)果

通過防碰撞試驗結(jié)果可知，本文系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息作出相應(yīng)的預(yù)警，經(jīng)過多組測試，預(yù)警結(jié)果與預(yù)期一致，滿足防碰撞智能控制系統(tǒng)的性能要求。

此外，門塔機防碰撞智能控制系統(tǒng)運行2年以來，一級預(yù)警次數(shù)為15次，未發(fā)生一次碰撞事件，大大地提升了施工過程中的安全性。

4 結(jié) 語

本文針對水利水電工程門塔機群碰撞問題，提出了基于馬爾可夫過程的門塔機機群碰撞預(yù)警方法。該確定為小孔口出流：方法將距離數(shù)據(jù)進行了相應(yīng)的處理，且依照預(yù)警等級劃分了設(shè)備工作的不同運行狀態(tài)，依據(jù)安全狀態(tài)的概率啟動設(shè)備的相應(yīng)預(yù)警等級。在實際施工運行過程中，取得了良好的效果。