倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析

中圖分類號：TP391.9；TQ178 文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0175-04

Abstract： By adjusting the mechanical parameters，the collsion analysis between the tower and the surrounding buildings in the tower collapse operation iscompleted，butthe propertiesof the nonlinear elementsareignored，resulting in poor analysis results.In thisregard，areal-time dynamiccolision risk simulation analysis between the tower and the surrounding buildings in the tower collapse operation was proposed. Combined with the mass matrix and displacement matrix，the dynamic modeling of thenonlinear structure was carriedout，and the finite elastic element was introduced to characterize the nonlinear structural properties.Combined with the linear correlation between collisionriskand quantification results，two risk indicators of congestionandproximitywere constructed.Thecollision risk value was solvedby grading thecollsion risk index and mapping it to five diffrent warning levels.The experimental results showed thatthe ideal fiting coeficient of the analysis results was high and the analysis accuracy was relatively good when the real - time dynamic collision risk was simulated and analyzed.

Key words：inverted operational tower；building；collision risk；simulation analysis

在城市地區(qū)，由于土地資源的緊缺和建筑物密集，桿塔與周邊建筑物的安全距離往往受到限制。這種背景下，倒塔作業(yè)成為了常見的施工方式。然而，如何在狹小的空間內(nèi)安全地進行倒塔作業(yè)，避免與周邊建筑物發(fā)生碰撞，成為了亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的施工方法往往依賴于經(jīng)驗判斷和簡單的靜態(tài)分析，難以應(yīng)對復(fù)雜多變的施工環(huán)境。因此，研究倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析，對于提高施工安全性和效率具有重要的實際意義。通過精確模擬和分析桿塔與周邊建筑物的動態(tài)碰撞風(fēng)險，可以為施工團隊提供及時、有效地預(yù)警，有助于避免因盲自施工而導(dǎo)致的安全事故。

近年來，關(guān)于實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析的研究取得了顯著的進展。在理論方面，學(xué)者們深入研究了碰撞動力學(xué)、有限元分析等理論在實時動態(tài)模擬中的應(yīng)用。在技術(shù)實現(xiàn)上，計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的發(fā)展為實時動態(tài)模擬提供了強大的支持。例如，通過灰色評判模型，利用大型船舶會船區(qū)的實際數(shù)據(jù)，對碰撞風(fēng)險進行了評估[1]。通過車輛間的信息交互和協(xié)同控制，實現(xiàn)了對車輛速度的動態(tài)調(diào)整，從而有效降低了碰撞風(fēng)險[2]。采用了一種基于新型替代安全指標(biāo)的方法，對后端碰撞風(fēng)險進行了量化和分析。該方法考慮了多種影響碰撞風(fēng)險的要素，如車輛速度、間距和駕駛員行為等[3]。利用先進的建模技術(shù)，對短期的分段級碰撞風(fēng)險進行了預(yù)測[4]。該研究采用了前瞻性和反應(yīng)性碰撞數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和模型構(gòu)建，實現(xiàn)了對碰撞風(fēng)險的準(zhǔn)確預(yù)測。在研究中，常規(guī)方法通常只能夠針對單一的線性結(jié)構(gòu)或非線性結(jié)構(gòu)進行建模分析，而忽略了線性結(jié)構(gòu)中非線性單元的屬性對于仿真結(jié)果的影響，從而導(dǎo)致分析結(jié)果不夠理想。對此，將實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析引入倒塔作業(yè)中，為施工安全提供了一種全新的技術(shù)手段；通過構(gòu)建精細的三維模型和引入先進的模擬算法，提高了模擬的精度和實時性；，結(jié)合實際施工案例進行實證分析，證明了本方法在提高施工安全性和效率方面的有效性[5]。

1倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析

1.1倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物非線性結(jié)構(gòu)動力方程構(gòu)建

由于倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物的倒塌碰撞問題涉及到高階的非線性結(jié)構(gòu)的分析，因此對碰撞作用下的結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程進行構(gòu)建，并引入有效彈性單元，對作業(yè)桿塔的非線性屬性[。對此，假設(shè) M 和 分別代表質(zhì)量矩陣以及加速度矩陣； K 代表倒塔作業(yè)桿塔的剛度矩陣； F_p（t） 代表碰撞作用的沖擊力矩陣。由此可以構(gòu)建出量化總結(jié)構(gòu)在倒塌作用下的非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程，具體表達式如下所示。

式中， c 代表阻尼矩陣； 代表碰撞速度矩陣；u（t） 代表碰撞作用下倒塔作業(yè)桿塔的位移矩陣； 代表與倒塌作用相等的地震力學(xué)矩陣； R_NL（t） 代表倒塔作業(yè)桿塔結(jié)構(gòu)中非線性單元在倒塌方向上的節(jié)點向量總和。 c 可以采用Rayleigh阻尼模型進行求解，具體表達式如下所示。

C=α₀M+α₁K

式中， α₀ 代表質(zhì)量阻尼系數(shù)； α₁ 代表混凝土剛度阻尼系數(shù)。這2個參數(shù)可以結(jié)合非線性結(jié)構(gòu)的自振圓頻率進行求解，具體計算公式如下所示。

式中： ξ₁ 和 ξ₂ 分別代表鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一階阻尼比以及二階阻尼比； ω₁ 和 ω₂ 分別代表一階自振圓頻率以及二階自振圓頻率[7]?？紤]到在作業(yè)桿塔結(jié)構(gòu)中，存在一部分的非線性單元，因此選擇在原有的動力學(xué)方程中增加有限彈性單元，對非線性單元的屬性進行表征，從而由此得到的具體結(jié)構(gòu)建模方程如下所示。

F_e（t）+F_p（t）-R_NL（t）+K_eu（t）

式中： K_e 代表任意非線性單元的有效剛度。

通過步驟即可完成對于倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程的有效構(gòu)建，通過結(jié)合質(zhì)量矩陣以及位移矩陣等對非線性結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)建模，并引入有限彈性單元，對非線性結(jié)構(gòu)屬性進行表征，為后續(xù)的實時動態(tài)碰撞風(fēng)險分析提供可靠幫助[8]

1.2 實時動態(tài)碰撞風(fēng)險指標(biāo)選取

針對構(gòu)建出的非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程，對實時動態(tài)碰撞風(fēng)險的衡量指標(biāo)進行選取，具體包括接近度以及擁擠度，通過判斷動態(tài)碰撞風(fēng)險與建筑物距離以及建筑物集群的擁擠程度之間的線性關(guān)系，對風(fēng)險指標(biāo)進行計算[9]

倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物的碰撞風(fēng)險取決于兩種建筑物之間的距離，根據(jù)線性衰減定律可知，倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物之間的距離越近，其碰撞倒塌風(fēng)險也就越大[10]。當(dāng)周邊建筑物存在多個建筑個體時，碰撞風(fēng)險需要進行疊加。碰撞風(fēng)險與建筑物距離之間的關(guān)系如圖1所示。

接近度可以對倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物之間的距離進行表征，其具體計算公式如下所示。

式中： Δd_actual 代表桿塔與周邊建筑物的實際物理距離； Δd_ideal 代表理論最大距離，其具體含義是在理想情況下，兩物體之間的最大可能距離。而擁擠度代表的是作業(yè)區(qū)域內(nèi)空間沖突的嚴(yán)重程度，該值主要受到周邊建筑物集群中個體建筑物之間的間距以及機械作業(yè)空間等因素的影響[1]。個體建筑物之間的間距越小，產(chǎn)生碰撞的風(fēng)險也就越大。擁擠度的具體計算公式如下所示。

式中： s_actual 代表建筑物之間的實際距離； s_min-ideal 代表保證安全作業(yè)的前提下，建筑物之間應(yīng)保持的最小距離， s_maxideal 代表2個建筑物在理想情況下可以保持的最大間距。公式將擁擠度量化為一個介于0和1之間的數(shù)值，其中0表示最低的擁擠度（即理論最大間距），1表示最高的擁擠度（即實際間距等于理論最小間距）。

對實時動態(tài)碰撞風(fēng)險的指標(biāo)進行選取。通過判斷作業(yè)桿塔與建筑物之間的距離以及建筑物集群中個體建筑物之間的間距，構(gòu)建出碰撞風(fēng)險與量化結(jié)果之間的線性相關(guān)關(guān)系，從而得到擁擠度以及接近度這兩個具體風(fēng)險指標(biāo)[12] O

1.3實時動態(tài)碰撞風(fēng)險值計算

針對選取的2個碰撞風(fēng)險指標(biāo)，通過構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣，并結(jié)合模糊分布算法，對碰撞風(fēng)險值進行計算。對此，為衡量兩個指標(biāo)對于碰撞風(fēng)險分析結(jié)果的影響程度，對指標(biāo)進行分級處理，針對分析需求，分別將接近度以及擁擠度分成了3個不同的等級，具體等級對應(yīng)情況如表1所示。

針對風(fēng)險指標(biāo)的分級結(jié)果，設(shè)定模糊綜合評價的因素集為 接近度，擁擠度，倒塔作業(yè)桿塔的因素集為 U_p={f₁，f₂} ，周邊建筑物的因素集為U_q={f₁，f₂} 。由此可以構(gòu)建出關(guān)于因素集 U 以及評語集 V 的模糊矩陣 R ，具體表達式如下所示。

式中 ??f₁（w_i） 和 f₂（w_i） 分別代表接近度以及擁擠度對應(yīng)的隸屬程度[13]。由此得到的模糊分布表達式如下所示。

B=W?R

式中： B 代表模糊分布情況，該值也可以對各個分析對象對應(yīng)的碰撞風(fēng)險隸屬度程度進行表征[14]。對此，針對表1中的3種風(fēng)險等級，將其映射為5種不同的預(yù)警級別，并選取不同預(yù)警級別的中位數(shù)對碰撞風(fēng)險進行計算，具體表達式如下所示。

mV₁×B₁+medianV₃×B₂+medianV₅×B₃

式中： V₁，V₃，V₅ 分別代表不同預(yù)警等級對應(yīng)的碰撞風(fēng)險范圍，median V₁ 、median V₃ 、median V_s 代表風(fēng)險范圍中的中位數(shù)； B₁，B₂，B₃ 代表不同模糊等級的特征向量；V代表實時碰撞風(fēng)險值。

通過對碰撞風(fēng)險指標(biāo)進行分級處理，并將其映射為5種不同的預(yù)警等級，選取每個預(yù)警級別中的中位數(shù)對碰撞風(fēng)險進行求解。將本節(jié)內(nèi)容與提到的非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程建模以及碰撞風(fēng)險指標(biāo)選取等相關(guān)內(nèi)容進行結(jié)合，至此，倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析方法設(shè)計完成[15]

2 實驗論證

2.1 實驗說明

本次實驗選取了兩組常規(guī)的實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析方法作為對比對象，分別為基于BIM技術(shù)的實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析方法以及基于計算機視覺的實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析方法。通過構(gòu)建實驗平臺，采用3種分析方法對同一組研究對象進行碰撞仿真分析，對比不同方法的實際分析效果。

2.2 實驗對象

為了進行倒塔作業(yè)桿與周邊建筑物的碰撞風(fēng)險分析，構(gòu)建了一個專用的圖像數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集的構(gòu)建基于多種來源和方式，以確保其真實性和廣泛性。通過高清攝像機和無人機等設(shè)備，本次實驗獲取了大量桿塔與周邊建筑物的多角度照片和視頻。此外，還從公開的建筑項目資料、施工現(xiàn)場照片等途徑收集數(shù)據(jù)。針對采取的數(shù)據(jù)集，結(jié)合Matlab軟件構(gòu)建出仿真環(huán)境，從而實現(xiàn)碰撞風(fēng)險分析，模擬出的倒塔作業(yè)桿塔仿真模型的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為比較出不同方法的實際分析效果，模擬出了不同的空間環(huán)境，分別針對不同的監(jiān)測實體模擬出了對應(yīng)的空間信息，具體如表2所示。

采用方法對監(jiān)測實體進行碰撞仿真風(fēng)險分析時，算法的具體參數(shù)配置如表3所示。

通過采用參數(shù)對算法進行配置，并采用3種方法對碰撞風(fēng)險進行仿真分析。待分析完成后，對比不同方法的實際分析結(jié)果，從而實現(xiàn)方法分析性能的有效對比。

2.3 分析性能對比

采用方法得到的實時動態(tài)碰撞風(fēng)險分析結(jié)果如表4所示。

為了提高實驗結(jié)果的可靠性，本次實驗分析結(jié)果的理想擬合系數(shù)作為對比指標(biāo)，用于衡量不同方法的實際分析精度，理想擬合系數(shù)越高，代表方法的分析精度越高，具體實驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在針對相同的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行模擬分析時，不同方法的風(fēng)險分析精度也有所不同。

通過數(shù)值上的對比可以看出，提出的倒塔作業(yè)桿塔與周邊建筑物實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析具備更高的分析精度，其理想擬合系數(shù)明顯高于兩種常規(guī)的風(fēng)險模擬分析方法。

3結(jié)語

通過實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析，我們能夠更精確地評估倒塔作業(yè)中的安全風(fēng)險，為施工團隊提供科學(xué)依據(jù)，降低事故發(fā)生的可能性。這一技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了施工的安全性和效率，也為電力行業(yè)未來的發(fā)展提供了新的思路和方法。

然而，實時動態(tài)碰撞風(fēng)險仿真分析仍面臨一些挑戰(zhàn)，如模型精度、算法實時性等。未來，我們期望通過進一步的研究和技術(shù)創(chuàng)新，不斷完善這一分析方法，以更好地服務(wù)于電力工程建設(shè)，保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

【參考文獻】

[1]徐東星，尹建川，孫斑.大型船舶會船區(qū)碰撞風(fēng)險的灰色評判模型［J].中國航海，2023，46（3）：1-8

[2]王順超，李志斌，曹奇，等.面向智能網(wǎng)聯(lián)車輛碰撞風(fēng)險規(guī)避的互動速度障礙算法［J].交通運輸工程學(xué)報，2023，23（5） ：264-282.

[3]SHANGGUANQ，F(xiàn)UT，WANG J，et al. Quantification ofrear-end crash risk and analysis of its influencing factorsbased on a new surrogate safety measure[J]. Journal ofadvanced transportation，2021，2021：1-15.

[4] DIMITRJEVICB，KHALESSD，ASADIR，etal.Short-term segment-level crash risk prediction using advanceddata modeling with proactive and reactive crash data[J].AppliedSciences，2022，12（2） ：856.

[5]盧飛，陳昊南.基于PID的陸區(qū)航路縱向碰撞風(fēng)險控制［J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2023，33（9）：86-93.

[6]李新宏，付雅倩，劉亞洲，等.基于Copula-BN的海上船舶碰撞風(fēng)險評估方法［J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2023，33（9）：204-213.

[7]張金奮，游斌，蔡明佑，等.AIS數(shù)據(jù)驅(qū)動下的渡船橫越場景識別與碰撞風(fēng)險建模［J].中國航海，2023，46（2） ：46-53.

[8]李航，聶芳藝.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的物流無人機碰撞風(fēng)險評估［J].科學(xué)技術(shù)與工程，2023，23（15）：6700-6706.

[9] 童亮，甘旭升，張宏宏，等.考慮多因素影響的無人機碰撞風(fēng)險評估[J].兵器裝備工程學(xué)報，2023，44（4）：282-289.

[10]范中洲，嚴(yán)嘯，李錦曉.連續(xù)彎曲航道的船舶碰撞風(fēng)險評估方法研究［J].安全與環(huán)境學(xué)報，2023，23（10）：3429-3437.

[11] 劉衛(wèi)，石晟瑋，羅冰顯，等.碰撞風(fēng)險評估中的空間環(huán)境激勵圖方法［J].航天器環(huán)境工程，2022，39（5）：482-488.

[12]劉昆，縱帥，王加夏，等.基于模糊故障樹和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的FPSO碰撞風(fēng)險分析方法研究［J].船舶力學(xué)，2022，26（4）：574-583.

[13]劉釗，陳陽，張明陽.考慮時空緊迫度的船舶碰撞動態(tài)風(fēng)險估計方法[J].交通信息與安全，2021，39（6）：11-18.

[14] 王國霖，吳云龍，公厲智，等.BIM技術(shù)在某裝配式節(jié)能建筑設(shè)計實踐過程中的應(yīng)用研究［J].粘接，2023，50（2）：180-183.

[15]劉亮.基于顯式動力學(xué)理論的新材料乒乓球碰撞動力學(xué)性能分析［J].粘接，2021，46（5）：169-172.（本欄目責(zé)任編輯·蘇慢）