建筑塔式起重機(jī)GNSS單歷元安全監(jiān)控系統(tǒng)研制

周命端，姬旭，李博藝，鮑宏偉，馬博泓

（北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616）

0 引言

作為一種廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)可大大提高施工效率的起重機(jī)械特種設(shè)備，塔式起重機(jī)（簡稱塔機(jī)或塔吊）因具有吊裝作業(yè)范圍大、起吊高度高、回轉(zhuǎn)幅度大、設(shè)備布設(shè)密集等特點(diǎn)備受建筑施工單位和安全生產(chǎn)監(jiān)管部門關(guān)注［1-2］。近年來塔機(jī)安全事故頻發(fā)，迫使對塔機(jī)加強(qiáng)精細(xì)化管理、強(qiáng)化安全監(jiān)控顯得極其重要。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對塔機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并對塔機(jī)重要運(yùn)行參數(shù)和工作狀態(tài)進(jìn)行記錄和在線管理技術(shù)也在不斷發(fā)展，塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生［3］。國外有些公司率先在塔機(jī)上運(yùn)用全參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，采用激光或磁場變換器實(shí)現(xiàn)高精度定位，提出多種寬帶接入技術(shù)開發(fā)了無線監(jiān)視系統(tǒng)WMS，開發(fā)了微機(jī)輔助駕駛與保養(yǎng)系統(tǒng)［4-5］；宋宇宙等［6］針對傳統(tǒng)有線塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)的塔機(jī)無線安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)群的在線監(jiān)控和管理，減少了布線帶來的一系列問題［7］；余向陽等［8］為監(jiān)測報警塔機(jī)的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)安全，記錄塔機(jī)運(yùn)行過程中的工況參數(shù)，設(shè)計了基于GPRS 通信模塊、C8051F120 單片機(jī)為主體核心的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，為大范圍的塔機(jī)監(jiān)測提供一種新思路；盧劍鋒等［9］針對塔機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行的安全，研發(fā)一種基于OCS 系統(tǒng)的小型、自動、智能、無線和網(wǎng)絡(luò)化的塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)；李華政等［10］為避免人工監(jiān)管數(shù)據(jù)滯后、數(shù)據(jù)有限、主觀性強(qiáng)等問題，開發(fā)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的塔機(jī)安全監(jiān)管系統(tǒng)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，國內(nèi)比國外起步晚，對于如何提高塔機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)位監(jiān)控精度和可靠性以及實(shí)現(xiàn)塔機(jī)安全運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)控的研究還很少。本文針對當(dāng)前塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)尚未使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global navigation satellite system，GNSS）或僅利用GNSS 偽距觀測量的低精度監(jiān)控服務(wù)技術(shù)，難以滿足塔機(jī)精準(zhǔn)監(jiān)控的需求［11］，探討一種利用GNSS 載波相位觀測量的高精度監(jiān)控服務(wù)技術(shù)，為塔機(jī)精準(zhǔn)監(jiān)控提供一種高精度實(shí)時智能算法，文中所研發(fā)的系統(tǒng)為建筑塔機(jī)安全監(jiān)控提供一種云端在線精細(xì)化管理平臺。

1 GNSS單歷元模型與方法

以全球定位系統(tǒng)（Global positioning system，GPS）為代表的GNSS 系統(tǒng)還包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou satellite navigation system，BDS）、格洛納斯系統(tǒng)（Global navigation satellite system，GLONASS）和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）［12-13］。利用GNSS 高精度載波相位觀測值精準(zhǔn)監(jiān)控塔機(jī)運(yùn)行安全，本文提出一種基于GNSS的塔機(jī)安全監(jiān)控方法，如圖1 所示。其中，1 臺基準(zhǔn)站架設(shè)在視野開闊的施工現(xiàn)場；2 臺監(jiān)控站分別固定安裝于塔機(jī)的塔頂和臂尖，塔頂監(jiān)控站用于動態(tài)監(jiān)控塔機(jī)主體結(jié)構(gòu)的非線性三維位移量和塔機(jī)垂直度，臂尖監(jiān)控站用于動態(tài)監(jiān)控塔機(jī)塔臂在擺臂過程中的垂向位移和水平臂長變化量。

圖1 基于GNSS的塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

1.1 單歷元安全監(jiān)控數(shù)學(xué)模型

如圖1 所示，假設(shè)基準(zhǔn)站和某一監(jiān)控站m在某一歷元同步觀測的導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)為nk，且以同步觀測的導(dǎo)航衛(wèi)星高度角最大的衛(wèi)星k作為參考導(dǎo)航衛(wèi)星，則針對施工現(xiàn)場短基線情況下可列出nk-1 個雙差載波相位觀測方程，其所對應(yīng)的誤差方程可用矩陣形式表示為：

1.2 單歷元數(shù)據(jù)處理方法及工作流程

根據(jù)第1.1 節(jié)單歷元安全監(jiān)控數(shù)學(xué)模型，以GPS系統(tǒng)雙頻數(shù)據(jù)為例，本文利用雙頻相關(guān)法（Dual frequency correlation method，DUFCOM）與直接計算法（Direct calculation method，DC）組合的快速確定單歷元雙差整周模糊度算法（Fast ambiguity resolution for singleepoch scheme，F(xiàn)ARSE）確定，則本文設(shè)計的單歷元數(shù)據(jù)處理方法流程如圖2 所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

利用本文建立的單歷元安全監(jiān)控數(shù)學(xué)模型以及單歷元數(shù)據(jù)處理方法流程，基于Viusal Studio 2010 平臺，利用C＃編程語言，設(shè)計并開發(fā)了一種基于GNSS 的塔機(jī)安全監(jiān)控裝置與云端系統(tǒng)（GNSS_TCMS）。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

GNSS_TCMS系統(tǒng)設(shè)計主要包括系統(tǒng)硬件裝置和系統(tǒng)軟件開發(fā)，總體思路如下：由1 臺GNSS基準(zhǔn)站和2 臺GNSS監(jiān)控站構(gòu)成GNSS數(shù)據(jù)采集裝置，并由3 個4G無線通信模塊（DTU）構(gòu)成監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸裝置，用于實(shí)時傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)至具有固定IP 的云服務(wù)器Windows平臺系統(tǒng)（本文選用騰訊云CVM），并在云服務(wù)器平臺系統(tǒng)安裝SQL 數(shù)據(jù)庫和安全監(jiān)控軟件系統(tǒng)的服務(wù)器端（TCMS_Server），構(gòu)成數(shù)據(jù)處理單元和安全監(jiān)控分析單元，基于SQL 數(shù)據(jù)庫管理GNSS 監(jiān)控站高精度監(jiān)控服務(wù)信息，包括塔機(jī)塔頂三維位移量和塔機(jī)垂直度以及塔機(jī)臂尖在擺臂過程中的垂向位移和水平臂長變化量，由安全監(jiān)控分析單元提供預(yù)警提示（C級）、預(yù)警告警（B級）、預(yù)警應(yīng)急（A級）等分級預(yù)警指令信息，將有效指令信息實(shí)時播發(fā)至塔機(jī)司機(jī)室客戶端（TCMS_Client），最終實(shí)現(xiàn)建筑塔機(jī)安全監(jiān)控。本系統(tǒng)總體設(shè)計原理如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計原理

本系統(tǒng)總體設(shè)計具有以下特點(diǎn)：

（1）利用GNSS傳感器的高精度載波相位觀測量數(shù)據(jù)單歷元解算建筑塔機(jī)塔頂、臂尖的三維監(jiān)控信息，可提供高精度監(jiān)控服務(wù)；

（2）利用4G 通信模塊進(jìn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)自動、實(shí)時、智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)控；

（3）利用云計算技術(shù)，對多臺建筑塔機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)控，建立塔機(jī)群的關(guān)聯(lián)和集中管理，進(jìn)一步提升群塔安全管理的智能化水平。

2.2 系統(tǒng)硬件裝置

GNSS_TCMS 系統(tǒng)的硬件裝置主要由GNSS 數(shù)據(jù)采集裝置、監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸裝置、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和用戶終端組成，如圖4 所示。

（1）GNSS數(shù)據(jù)采集裝置，如圖4（a）所示，由安置于基準(zhǔn)站和監(jiān)控站的GNSS 傳感器組成。其中，基準(zhǔn)站可以架設(shè)在地勢較高且導(dǎo)航衛(wèi)星觀測視域開闊的施工現(xiàn)場；監(jiān)控站固定安裝于塔機(jī)塔頂部和塔機(jī)臂尖部。

（2）監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸裝置，如圖4（b）所示，由3 個4G通信模塊組成，同步將基準(zhǔn)站和監(jiān)控站的GNSS 傳感器采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時無線傳輸至具有固定IP 的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，利用SQL 數(shù)據(jù)庫分類管理監(jiān)控數(shù)據(jù)［7-8］。

（3）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，如圖4（c）所示，主要由固定IP的計算機(jī)云服務(wù)器端和SQL數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，為塔機(jī)安全監(jiān)控的數(shù)據(jù)處理單元和安全監(jiān)控分析單元提供云計算平臺。

（4）客戶終端，如圖4（d）所示，由微型計算機(jī)或IPDA構(gòu)成，實(shí)時顯示塔機(jī)安全監(jiān)控參數(shù)，并實(shí)時響應(yīng)預(yù)警提示、預(yù)警告警、預(yù)警應(yīng)急等有效指令信息。

圖4 系統(tǒng)硬件裝置

2.3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

基于GNSS單歷元模型與方法原理以及系統(tǒng)硬件裝置構(gòu)成決定了TCMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與安全監(jiān)控分析軟件開發(fā)包括3 大功能模塊：監(jiān)控數(shù)據(jù)I／O 接口功能模塊、數(shù)據(jù)處理功能模塊和安全監(jiān)控分析功能模塊。TCMS系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計如圖5 所示。

圖5 功能模塊設(shè)計

根據(jù)如圖5 所示的功能模塊設(shè)計思路，設(shè)計并開發(fā)一套基于GNSS 的建筑塔機(jī)安全監(jiān)控軟件系統(tǒng)（簡稱TCMS［17］）。TCMS系統(tǒng)主界面設(shè)計如圖6 所示。

圖6 TCMS系統(tǒng)主界面設(shè)計

TCMS系統(tǒng)主界面設(shè)計包括：主菜單窗口、安全監(jiān)控窗口、精度信息窗口、項(xiàng)目信息窗口。其中，“主菜單窗口”設(shè)置了“開始”菜單項(xiàng)和“設(shè)置”菜單項(xiàng)；“安全監(jiān)控窗口”設(shè)置了“在線地圖”頁面項(xiàng)、“塔機(jī)監(jiān)視”頁面項(xiàng)和“塔機(jī)運(yùn)行”頁面項(xiàng)；“精度信息窗口”設(shè)置了“操作記錄”頁面項(xiàng)、“誤差曲線”頁面項(xiàng)和“中誤差直方圖”頁面項(xiàng)；“項(xiàng)目信息窗口”包括項(xiàng)目、測站和監(jiān)視信息。例如：“中誤差直方圖”頁面項(xiàng)給出了某一監(jiān)控站單歷元監(jiān)控坐標(biāo)參數(shù)中誤差指標(biāo)（見圖7），又名均方根差（Root mean square，RMS），由式（2），RMS 計算公式為：

圖7 中誤差直方圖

式坐中標(biāo)：參σ數(shù)x、中σy誤和差σ，z分別為為載某波一相監(jiān)位控觀站測單值歷的元驗(yàn)監(jiān)后控單三位維權(quán)中誤差，其中：

3 實(shí)驗(yàn)測試與分析

為驗(yàn)證GNSS_TCMS系統(tǒng)的安全監(jiān)控性能以及分析GNSS_TCMS系統(tǒng)的安全監(jiān)控精度情況，在某施工現(xiàn)場的某臺塔機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

將1 臺GNSS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，架設(shè)在塔機(jī)附近衛(wèi)星視域開闊的施工現(xiàn)場，2 臺GNSS接收機(jī)作為監(jiān)控站，分別固定安裝于塔機(jī)塔頂部（簡稱塔頂GNSS監(jiān)控站）和塔臂臂尖部（簡稱臂尖GNSS 監(jiān)控站）。3 臺GNSS接收機(jī)的采樣間隔均設(shè)置為1 s，衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°，基準(zhǔn)站與監(jiān)控站之間的高差約在30 m，塔機(jī)塔身高度h＝67.124 m，塔機(jī)塔臂長度l＝66.587 m，塔機(jī)塔基中心平面位置為（N0＝*0 382.281 2 m，E0＝*3 554.464 5 m，“*”表示省略數(shù)字），塔機(jī)為垂頭型。塔機(jī)處于擺臂且微風(fēng)狀態(tài)運(yùn)行情況下進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)GNSS數(shù)據(jù)采集，其中TCMS 系統(tǒng)塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控如圖8 所示。

圖8 TCMS系統(tǒng)塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

為定量評估與分析GNSS_TCMS 系統(tǒng)的安全監(jiān)控性能及精度情況，本文選擇連續(xù)5 min 共300 個監(jiān)控歷元進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計與分析，設(shè)計一種基于歷史歷元位移偏差的安全監(jiān)控參數(shù)分別從塔頂GNSS監(jiān)控站和臂尖GNSS監(jiān)控站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 塔頂GNSS監(jiān)控實(shí)驗(yàn)分析

針對塔機(jī)塔頂GNSS 監(jiān)控站，將第n個監(jiān)控歷元的北向、東向及天頂向坐標(biāo)用（Nn，En，Un）表示。本文在GNSS_TCMS系統(tǒng)里設(shè)計了一種基于歷史歷元位移偏差的塔頂安全監(jiān)控參數(shù)：

式中：ΔNn、ΔEn、ΔUn分別為建筑塔機(jī)塔頂?shù)趎個監(jiān)控歷元（n＞1 且為整數(shù)）在北向、東向及天頂向的單歷元位移偏差量，AvgN、AvgE、AvgU分別為一種基于歷史歷元累積位移的北向、東向及天頂向的算術(shù)平均值，可采用下式計算：

根據(jù)式（6）針對連續(xù)5 min 共300 個監(jiān)控歷元的塔頂GNSS監(jiān)控站的監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計分析。塔頂GNSS監(jiān)控站在北向、東向及天頂向的監(jiān)控中誤差如圖9 所示，對應(yīng)的監(jiān)控參數(shù)時間序列分析如圖10所示。

圖9 塔頂GNSS監(jiān)控站監(jiān)控中誤差

圖10 塔頂GNSS監(jiān)控站監(jiān)控參數(shù)時間序列分析

由圖9 可見，塔頂GNSS 監(jiān)控站在北向的監(jiān)控中誤差在0.9～1.1 cm、東向的監(jiān)控中誤差在0.8～1.6 cm和天頂向的監(jiān)控中誤差在2.1～3.4 cm。這說明，TCMS系統(tǒng)給出的塔頂GNSS 監(jiān)控站的監(jiān)控精度在水平方向優(yōu)于2 cm、高程方向優(yōu)于4 cm。

由圖10 可見，塔頂GNSS 監(jiān)控站在北向、東向的監(jiān)控參數(shù)均在±2 cm 之內(nèi)，天頂向的監(jiān)控參數(shù)在±3 cm之內(nèi)。

3.3 臂尖GNSS監(jiān)控實(shí)驗(yàn)分析

針對塔機(jī)臂尖GNSS 監(jiān)控站，將第m個監(jiān)控歷元的北向、東向及天頂向坐標(biāo)分別用（Nm，Em，Um）表示，則塔機(jī)塔臂水平向長度可采用下式計算：

式中：lm為第m個監(jiān)測歷元的建筑塔機(jī)塔臂水平向長度；（N0，E0）為塔機(jī)塔基中心平面位置。

本文在GNSS_TCMS 系統(tǒng)里利用天頂向高程Um和塔臂水平向長度lm，設(shè)計了一種基于歷史歷元位移偏差的臂尖垂向位移監(jiān)控參數(shù)和水平臂長變動量參數(shù)：

式中：ΔUm表示塔機(jī)臂尖第m個歷元（m＞1 且為整數(shù)）在天頂向的單歷元垂向位移監(jiān)控參數(shù)；Δlm表示塔機(jī)臂尖第m個歷元（m＞1 且為整數(shù)）在臂水平向的水平臂長變化量參數(shù)；AvgU和Avgl分別為一種基于歷史歷元累積位移的天頂向和臂水平向的算術(shù)平均值，可以采用下式計算：

根據(jù)式（9）針對連續(xù)5min 共300 個監(jiān)控歷元的臂尖GNSS監(jiān)控站的監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計分析。臂尖GNSS監(jiān)控站在天頂向的監(jiān)控中誤差如11 所示，對應(yīng)的監(jiān)控參數(shù)時間序列分析如圖12 所示。

圖12 臂尖GNSS監(jiān)控站監(jiān)控參數(shù)時間序列分析

由圖11 可見，臂尖GNSS監(jiān)控站在天頂向的監(jiān)控中誤差在1.7～2.7 cm 之間、臂水平向的監(jiān)控中誤差在0.9～1.6 cm 之間。這說明，TCMS 系統(tǒng)給出的臂尖GNSS監(jiān)控站的監(jiān)控精度在高程方向優(yōu)于3 cm、臂水平長度方向優(yōu)于2 cm。

圖11 臂尖GNSS監(jiān)控站監(jiān)控中誤差

由圖12 可見，臂尖GNSS監(jiān)控站在天頂向的垂向位移監(jiān)控參數(shù)均在±4 cm之內(nèi)，臂水平向的水平臂長變化量監(jiān)控參數(shù)在±3 cm之內(nèi)。

4 結(jié)語

建筑塔機(jī)是建筑行業(yè)用于提高施工效率的重要起重機(jī)械特種設(shè)備。以GPS 為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）還包括BDS、GLONASS 和Galileo，由于GNSS系統(tǒng)具有全天候、連續(xù)性、高精度、可實(shí)現(xiàn)動態(tài)定位等先天優(yōu)勢，勢必會成為建筑塔機(jī)安全監(jiān)控領(lǐng)域的重要傳感器之一。針對當(dāng)前的建筑塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)尚未使用GNSS傳感器或僅利用GNSS 偽距觀測量的低精度監(jiān)控服務(wù)技術(shù)，難以滿足建筑塔機(jī)精準(zhǔn)監(jiān)控高精度需求，本文提出一種利用GNSS 載波相位觀測量的高精度監(jiān)控服務(wù)技術(shù)，并研發(fā)了一種GNSS 建筑塔機(jī)安全監(jiān)控裝置與云端系統(tǒng)（GNSS_TCMS）。實(shí)驗(yàn)測試與分析結(jié)果表明：TCMS 系統(tǒng)安全監(jiān)控平面精度優(yōu)于2 cm、臂水平長度精度優(yōu)于2 cm、高程精度優(yōu)于4 cm，驗(yàn)證了本文所研發(fā)系統(tǒng)的監(jiān)控性能是可行且有效的，可為建筑塔機(jī)安全監(jiān)控提供一種云端在線精細(xì)化管理平臺。