北斗定位系統在起重機檢驗檢測領域的應用

周世軍

河南省特種設備安全檢測研究院 鄭州 475000

0 引言

根據我國相關法律規定，3 t 以上的起重機均為特種設備，對于其制造、生產、使用、維修和改造，國家均有一整套完整的管理體系。其中涉及設備性能檢測方面的主要是在不同載荷下，對設備的運行參數進行測量，如升降速度、小車運行速度、大車運行速度、各機構行程、主梁拱度、跨度測量等。傳統的測量方式常采用卷尺、激光測距儀、秒表等工具進行測量，但起重機作為一種大型機械，僅利用以上這些手工測量設備人為對起重機各項參數進行測量，往往不能達到準確、安全、智能化的目的，尤其是對于一些大型設備，如架橋機、港口造船門式起重機（以下簡稱門機）等，由于現場情況的限制，檢測人員很難安全、有效地進行人為檢測工作。

基于傳統測量方式的局限性，本文探討一種可以利用北斗定位系統為核心的測量裝置，用以實現對露天情況下使用的起重機的各機構運行速度、加速度、主梁拱度、跨度等參數的自動化測量工作。

1 基于北斗定位系統的檢測裝置

1.1 北斗定位系統

中國北斗衛星系統是中國自行研制的全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統由空間段，地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已初步具備區域導航、定位和授時能力。中國衛星導航系統按照先試驗、后區域、再全球的三步走戰略穩步推進系統建設。經過常年發展，現已被廣泛應用在各個領域。

北斗衛星定位系統的定位原理和過程可簡述為：在一個立體直角坐標系中，任何一個點的位置都可以通過3 個坐標數據X、Y、Z 來得到確定。如果能測得某一點與其他3 點A、B、C 的距離，并確知這3 點的坐標，即可建立三元方程組，解出該未知點的坐標數據，從而得到該點的確切位置。北斗導航系統建設的基本原則是開放性，自主性，兼容性和漸進性。

1.2 硬件組成

利用北斗定位系統的檢測裝置硬件組成北斗系統和用戶終端。北斗系統由定位裝置，地面主控站和空間衛星組成。用戶終端與北斗系統實時進行無線通訊并將北斗系統傳輸出來的數據進行處理從而得到試驗數據。其系統硬件構成如圖1 所示。

圖1 以北斗定位系統為核心的檢測裝置組成

根據圖1 所示流程，檢驗人員只需攜帶定位裝置和裝有用戶終端的筆記本電腦即可完成對起重機相關參數的檢驗工作。現場檢驗時，將定位裝置安裝在相應位置，如測量起升機構升降速度、加速度、起升高度時，可將定位裝置安裝在吊鉤或載荷上；測量小車運行速度、加速度時，可將定位裝置安裝在小車機構上。北斗系統實時將定位裝置的三維空間坐標及與其對應的時間信息，通過通訊傳送給用戶終端，用戶終端通過軟件編程完成對北斗系統傳輸的三維空間坐標及其對應時間信息進行處理，從而計算出各項參數。

1.3 軟件編程

1.3.1 總體設計

用戶終端軟件編程采用Fameview 軟件，通訊方式采用TCP/IP 開放協議。該協議的優勢在于：1）協議標準是完全開放的，可供用戶免費使用，且獨立于特定的計算機硬件與操作系統，具有廣泛的適用性。2）獨立于網絡硬件系統，可運行在廣域網，更適合于互聯網。3）網絡地址統一分配，網絡中每一設備和終端都具有一個唯一地址。4）高層協議標準化，可提供多種多樣可靠網絡服務。數據庫采用SQLserver 數據庫，實現對試驗數據的存儲和讀取。

1.3.2 起升機構測量

起升機構參數測量包括升降速度測量，加速度測量，載荷高度定位。北斗系統通過通訊實時將安裝在載荷或吊鉤上的定位裝置的位置坐標傳輸給用戶終端，用戶終端通過計算得出定位裝置的速度變化和加速度變化。其中速度、加速度的計算為

式中：v 為瞬時速度，S 為位移，t 為時間，a 為加速度。

載荷高度的測量采用標定法進行，即操作起重機使載荷落地，將此時的定位裝置定為零點，此后計算定位裝置實時位置與該零點的高度差。

1.3.3 大、小車運行機構測量

大、小車運行機構參數測量包括運行速度測量、加速度測量、大車跨度測量。北斗系統通過通訊實時將安裝在大、小車運行機構的位置坐標傳輸給用戶終端，用戶終端通過計算得出定位裝置的速度變化和加速度變化。其中速度、加速度按式（1）、式（2）進行計算。

大車跨度的測量采用標定法進行，將定位裝置分別擺在起重機主梁兩端，操作用戶終端記錄下2 個位置的坐標，通過三角函數計算出2 點的直線距離，即為主梁跨度

1.3.4 主梁測量

主梁測量包括撓度測量和上拱度測量，均采用標定法進行。撓度測量時將定位裝置安裝在主梁跨中位置，分別在載荷落地和載荷離地的時候記錄下定位裝置的高度坐標，其變化即為撓度。上拱度測量時，分別將定位裝置安裝在主梁跨中與兩端，記錄下3 點的高度坐標差，即可計算出主梁上拱度。

2 應用意義與效果

2.1 應用意義

北斗定位系統在起重機檢驗檢測領域的應用開啟了北斗系統在該領域應用的空白，對起重機檢驗檢測方法的發展具有重大意義。1）采用以北斗定位系統為核心的測量裝置對起重機進行檢驗檢測工作，相對于傳統檢驗方法，更加簡單、便捷。檢驗員只需攜帶定位裝置、無線網卡和裝有客戶終端的筆記本電腦即可對起重機相關參數進行測量，有效提高了測量的自動化和智能化。測量時，只需將定位裝置安裝在被測機構上，就可以在完全安全的地方對起重機的各項參數進行測量。避免了傳統測量方式需要檢驗人員在工作狀態下的起重機上近距離對被測機構進行測量帶來的危險。2）采用傳統測量方法進行起重機檢驗檢測的過程中，其精度往往只能達到厘米級或毫米級的測量精度。目前，北斗定位系統的定位精度已經達到0.5 mm 以下，數據傳輸速度可達到每秒千兆，這使得采用北斗定位系統為核心的測量裝置比傳統測量方法測量的數據（包括位置、速度和加速度數據）精確一個以上的數量級，測量精度大大提升。3）以北斗定位系統為核心的測量裝置為基礎，未來可建立大型起重機在用設備運行數據的實時監控，連續記錄設備在其全生命周期中各個機構的運轉情況，這將對整個起重機應用領域產生深遠影響。

2.2 應用效果

2.2.1 速度測量對比

對某200 t 造船門機起升速度分別采用以北斗定位系統為核心的測量裝置和以卷尺、秒表方式進行測量，以北斗定位系統為核心的測量裝置為試驗組，以卷尺、秒表進行測量為對照組，數據如表1 所示。

表1 200 t 造船門機起升速度測量對比 m·min-1

2.2.2 跨度測量對比

對某200 t 造船門機跨度分別采用以北斗定位系統為核心的測量裝置和以卷尺或激光測距儀進行測量，以北斗定位系統為核心的測量裝置為試驗組，以卷尺進行測量為對照組1，以激光測距儀進行測量為對照組2，數據如表2 所示。

表2 200 t 造船門機跨度測量對比

2.2.3 上拱度測量對比

對某200 t 造船門機上拱度分別采用以北斗定位系統為核心的測量裝置和以塔尺、水平儀進行測量，以北斗定位系統為核心的測量裝置為試驗組，以塔尺、水平儀進行測量為對照組，數據如表3 所示。

表3 200 t 造船門機上拱度測量對比 m

2.2.4 試驗數據分析

1）在速度測量對比試驗中，試驗組數據的期望為5.4，方差為0.01，對照組數據的期望為5.4，方差為0.18。這說明在多次重復測量的過程中，對于起升速度設計值為5.4 m/min 的起重機來說，以北斗定位系統為核心的檢測裝置和人工測量均能準確測量出起升速度。但是以北斗定位系統為核心的測量裝置測量數據的方差遠小于人工測量數據的方差，即以北斗定位系統為核心的檢測裝置測量數據的穩定性和重復精度遠高于人工測量得到的數據。同時，由于起重機檢驗一般對于起升速度的測量不會超過3 次，這就使得人工測量得到的數據存在較大誤差，不能準確反映真值。

2）在跨度測量對比試驗中，試驗組數據期望為101.325，方差為0，對照組1 數據期望為101.773，方差為0.35，對照組2 數據期望為101.351，方差為0.02。這同樣說明傳統測量方式得到的數據具有波動性大，重復精度低的特點，相對于傳統測量方式，激光測距儀測量法測得的數據穩定性優于傳統測量法，而以北斗定位系統為核心的測量裝置，重復精度最好。且起重機跨度設計值為101 m，對比3 組數據，以北斗定位系統為核心的測量裝置最接近真值，人工測量得到的數據誤差最大，且這個誤差基本為正偏差。分析測量原理可知，這是由于測量過程中只能采取分段測量，造成的誤差累積所致。

3）在上拱度測量對比試驗中，試驗組數據期望為121.5，方差為1.27，對照組數據期望為121.7，方差為1.77。分析可知，以北斗定位系統為核心的測量裝置測量精度略高于傳統測量方式，數據穩定性高于傳統測量方式。

3 結論

綜上所述，以北斗定位系統為核心的測量裝置在起重機各項參數測量過程中的重復測量精度遠高于傳統測量方式，且在高速度、長距離、大跨度參數的測量中測量精度更高。加之其測量方式簡單，自動化、智能化程度高，可以避免檢驗人員測量過程中由于接觸起重機造成的危險。鑒于以上優勢，相信在不久的未來，北斗定位系統為核心的測量裝置定能廣泛應用于起重機檢驗檢測領域。