摘 要：現(xiàn)代建筑工地環(huán)境復雜、規(guī)模龐大、機械化程度日益增高。建筑塔吊的普遍、高密度使用日顯廣泛，塔吊的安全越顯重要。然而在塔吊防碰撞仍主要依靠司機的人工操作，不僅影響了施工效率，更難以保證塔吊的安全運行。針對上述問題，這里研究了塔吊防碰撞的原理，并采用數(shù)字傳感、嵌入式處理、遠程監(jiān)控等技術設計一種塔吊防碰撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠對塔吊之間的碰撞及塔吊與建筑物之間的碰撞進行預警。

關鍵詞：塔吊群；防碰撞；禁行區(qū)；建筑工地

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1605104

Application of Encoder Technique in Anticollision of Tower Crane

PENG Wancang.1，WANG Shuibo.2，WANG Quanzhou.3

(1.Xi′an Construction Engineering Supervisory Center for Quality and Safety，Xi′an，710014，China;

2.Xi′an Zhimin Measurement Control Science Technology Co.Ltd.，Xi′an，710049，China;

3.Nothwest Normal University，Lanzhou，730070，China)

Abstract：The modern construction site is complex，large-scale，and more and more mechanize，tower cranes are universal highdensity used.The safety of the tower crane appears more important.However，it still relies mainly on manual to keep the tower cranes from collision.It not only affected the efficiency of construction，but also difficult to guarantee the safety of tower crane.Aiming at the abovementioned problems，this paper studies the tower cranecollision theory and designs a tower crane anticollision system with digital sensing，embedded processing，such as remote monitoring technology，which can early warning of collision between tower cranes or between tower crane and structures.

Keywords：crane group； anticollision；forbidden area;construction site

1 防碰原理簡介

現(xiàn)代建筑業(yè)施工環(huán)境非常復雜，由此導致了處在這種復雜作業(yè)環(huán)境下的塔吊防碰問題也多樣復雜?？偟膩碚f，塔吊防碰問題有2類，如圖1所示：首先是塔機互碰類。處在同一相互干擾區(qū)的塔吊群有吊臂、小車、吊鉤、塔身的碰撞可能；其次是本機防碰類。當塔吊臨近施工現(xiàn)場存在的各類限制區(qū)和障礙物時有碰撞可能。比如，道路是一個無高度限制的內部禁性區(qū)，塔吊吊臂和小車不能在道路上方運行；樓宇所在區(qū)域是有高度限制的內部禁行區(qū)，當小車高度低于樓宇高度時，不能在樓宇所在區(qū)域運行。施工現(xiàn)場有時還會規(guī)定某個特殊工作區(qū)域，要求塔吊只能在區(qū)域內部工作。此外，即使處在開闊施工環(huán)境，塔吊小車在高速變幅時也有碰撞吊臂頂端和塔吊基座的問題。

下面以最典型的高塔吊小車碰低塔吊吊臂問題為例，簡單介紹防碰算法。

如圖2(a)所示，當2個高低塔吊存在交叉作業(yè)區(qū)（兩塔吊連心距小于兩塔吊吊臂長度之和），并且只有雙方塔吊吊臂都工作在交叉區(qū)的時候才有碰撞可能。

如圖2(b)所示，當同處交叉區(qū)的高塔吊小車垂直高度上接近低塔吊吊臂時（高度差h接近某一預設值）碰撞可能進一步加大。

如圖2(c)所示，這部分是對滿足了圖2(b)條件的吊臂小車做水平面內碰撞可能性分析。由于慣性的存在，處在回轉過程中的吊臂最終停止的角度位置與制動開始位置存在慣性偏移角β，必須在防碰算法中考慮這個慣性偏移角度。也就是說，實際上代入防碰算法中的角度信息是預估的角度信息，只有這樣才能保證最后停止運動的小車吊臂不互相碰撞，這也是風險預估技術的一個體現(xiàn)。出于安全保護的考慮，將塔臂外擴一個半寬r的矩形保護帶（圖中灰色部分），將小車外擴一個半徑r的圓形保護帶(圖中灰色部分)。當小車到塔臂的距離d小于矩形保護帶和圓形保護帶距離之和（R+r）時，即有真正的碰撞可能發(fā)生。

防碰決策的依據(jù)是破壞這種臨界碰撞條件，也就是使高度距離h和水平距離d不要在朝危險的方向變化。針對圖2(c)的情況，通過切斷低塔吊右轉，高塔吊小車下繩，小車出運動回路來破壞碰撞條件。

通過分析這種典型的碰撞情況，發(fā)現(xiàn)單獨一個高度、位移、轉角條件的不滿足并不是引起碰撞的充分條件，只有他們組合成某種特定關系的時候才會引起碰撞。本塔吊防碰算法充分注意到高度、位移、轉角之間的內在聯(lián)系，從干涉區(qū)分析開始，一步步逼近臨界碰撞條件，盡可能在碰撞真正即將開始時才進行防碰決策。這樣的設計有效的減少了頻繁誤報警所帶來的電機損耗和施工效率降低。由于考慮了慣性因素，所以本塔吊防碰系統(tǒng)在高效性的同時可靠性也得到了保證。

2 防碰系統(tǒng)實施方案

安裝在每臺塔吊傳動機構上的編碼器和接近開關將本機塔吊塔臂回轉、小車運動、吊鉤提升的絕對位置信息、塔臂回轉及小車運動的位置矯正信息，經(jīng)過輸入采集單元的信號調理、數(shù)字量化、光電隔離，輸入終端控制器。其他塔吊的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)通過無線通信模塊接收，并由RS 232接口輸入至終端控制器。結合由現(xiàn)場施工人員通過終端控制器的鍵盤輸入設定的模型參數(shù)，對本機的12種獨立運動方式進行通斷判定。決策結果通過光電隔離、繼電器控制轉化為控制動作，對串入到電機回路的斷路器進行控制，以完成塔吊群交叉作業(yè)的安全防護工作。同時對塔吊群的實時狀態(tài)信息及終端控制器的執(zhí)行動作在屏幕上進行圖形化顯示，對于臨界碰撞風險及時進行聲光示警。塔吊群的實時狀態(tài)信息通過無線通信模塊輸入到地面控制臺的計算機中，完成塔吊群運轉情況的地面監(jiān)測。地面調度人員也能通過虛擬儀器界面對塔吊群的模型參數(shù)進行設定，以及對塔吊群進行人工調度。如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)采集單元設計

在塔吊的傳動系統(tǒng)中，通過電機帶動齒輪實現(xiàn)塔吊吊臂回轉、小車變幅、吊鉤提升功能。為了采集回轉角度、小車位移、吊鉤高度等參數(shù)，必須要能實時檢測到齒輪的轉向及齒輪轉速與位移角度的關系。在塔吊防碰撞系統(tǒng)中必須實時監(jiān)測塔吊運動狀態(tài)，這使得數(shù)據(jù)采集速度和精度都必須跟上塔吊的高速運動狀態(tài)。

增量式編碼器是一種用于測量電機轉向和轉速的常用傳感器器件，它具有分辨率高、響應速度快和輸出穩(wěn)定等特點。這些特點使它非常適合于塔吊數(shù)據(jù)采集。

增量式編碼器發(fā)出的2路脈沖是正交的，即2路脈沖為相位差為90.o的方波。通過判斷2路脈沖的相位關系，就可以獲得電機的旋轉方向。

編碼器的解碼方法主要有2種：硬件解碼和軟件解碼。前一種是通過專門的解碼芯片來實現(xiàn)，由解碼芯片完成鑒相及計數(shù)，但是大多數(shù)高速解碼芯片價格昂貴，不適合產品使用，后一可以通過一定的解碼算法實現(xiàn)。由圖4增量式光電編碼器輸出波形可以得出如表1，表2所示的轉向狀態(tài)表。

由狀態(tài)表可知，在AB兩相脈沖在一個周期內都有4種狀態(tài)00，01，10，11。將前次位置左移兩位再或上目前位置計算發(fā)現(xiàn)，在一個周期內，如果電機正轉則ABAB合成位置01H；反轉則ABAB合成位置02H。利用這個特點可實現(xiàn)非常簡潔的軟件解碼。該解碼的限制只有采樣率一個，CPU采樣率愈高，編碼器的轉速可愈快。

編碼器的AB相信號經(jīng)過光電隔離直接連接在處理器上相鄰連個I/O口，根據(jù)系統(tǒng)的定時中斷以高于4倍頻的采樣率定期讀取I/O值。這樣的電路設計充分利用了處理器自有功能，無須外擴任何芯片，符合嵌入式系統(tǒng)集成化、體積小的設計要求。

在本系統(tǒng)設計中采樣率為500 Hz，每2 ms產生1個定時中斷。由于操作系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍已經(jīng)設置為1 ms調度1次，為了不使頻繁的定時器中斷影響系統(tǒng)任務的正常調度，故設置相當于2個時鐘節(jié)拍的定時中斷?；谶@個采樣率，系統(tǒng)支持的編碼器線速必須在125 Hz以下。

此外，由于編碼器價格昂貴系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集也可以通過價格較為便宜的接近開關來完成，其數(shù)據(jù)采集原理與編碼器完全一致。接近開關安裝時應保證90°的相位差，并且產生的方波周期應至少8 ms。

整個數(shù)據(jù)采集過程由定時器中斷服務子程序和數(shù)據(jù)采集任務共同完成，如圖5所示。

實時操作系統(tǒng)要求中斷服務程序子程序盡可能的短，因此定時器中斷服務只做到寫計數(shù)器，接著由采集任務讀計數(shù)器值更新采集量。在這里更新的是一個相對增量，所以計數(shù)器讀完之后要清零。中斷與任務共享一個資源，且分別進行讀寫操作，因此必須對這個共享資源進行保護。此外由于該中斷和任務有聯(lián)系，所以還必須采用同步機制。中斷和任務通信，并且需要保護只能采取全局變量的形式。開關中斷是最簡單，最快的共享資源保護方法。在任務里，讀全局變量前先關中斷，保證無中斷服務子程序寫全局變量，清零之后再打開中斷。采集量在通信任務、塔吊防碰計算任務和采集任務中也會被同時訪問或改寫，因此也需要被保護。這里采用互斥信號量來實現(xiàn)。

4 軟件設計分析

本塔吊防碰撞系統(tǒng)采用實時動態(tài)監(jiān)測和風險預估技術。為了實現(xiàn)這項技術，對防碰系統(tǒng)的功能作了詳細的分析，在硬件支持的條件下設計了如圖6所示的應用程序流程圖。

由圖6可知應用程序的操作并沒有一個明確的順序執(zhí)行的結構，這在系統(tǒng)建立通信之后得到最明顯的體現(xiàn)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、防碰計算都是對實時性要求很高的任務。他們之間無法判斷出誰先執(zhí)行，誰后執(zhí)行，而且他們在程序運行過程中必須反復執(zhí)行，要求他們必須是個死循環(huán)函數(shù)。再者，系統(tǒng)的防碰算法非常復雜，尤其當需同時計算多個塔吊，多種類型的防碰算法時，會占用大量的CPU時間。如果它順序執(zhí)行必然嚴重影響其他任務的實時性。因此，傳統(tǒng)的基于前/后臺系統(tǒng)的順序設計程序的方法在這里行不通。系統(tǒng)必須采用由操作系統(tǒng)自動調度的多任務設計方法。

為了使操作員方便的對塔吊防碰系統(tǒng)的操作，系統(tǒng)提供了多個界面用于人機交互。界面功能和說明如表3所示。

本著設計人性化界面原則，對每個界面需要顯示的內容、形式、布局作了充分的考慮。以最典型的參數(shù)菜單設計為例詳細介紹該設計原則。

(1) 塔吊輸入?yún)?shù)種類繁多、數(shù)目巨大，因此考慮將他們分類顯示。菜單式的設計可以充分實現(xiàn)這一點。

(2) 對于屬于某個大類的量多參數(shù)，需要分級顯示，同時告訴操作員參數(shù)數(shù)目，提示進入下級菜單。通過“？”和反色顯示提示操作員此參數(shù)正在被設定，設定完恢復正常顯示。

(3) 各欄大小布局合理，字體選用美觀。

5 遠程監(jiān)控單元設計

塔吊防碰系統(tǒng)遠程監(jiān)控單元主要有2部分功能：

(1) 塔吊參數(shù)遠程設定。塔吊安裝時進行塔吊固定參數(shù)（坐標位置，塔高，橋長等）地面設定并上傳至安裝在塔吊上的終端設備。由于在塔吊安裝初期這類參數(shù)時常變動，操作員頻繁上下塔吊既增加勞動強度也有一定的危險性，所以遠程設定功能大大方便和保護了塔吊操作員。

(2) 塔吊運行狀態(tài)監(jiān)測。操作員可以自由選擇對某塔吊群的全局監(jiān)測和對某一塔吊的個體監(jiān)測。監(jiān)測內容包括：工地塔吊群的布局、各塔吊及小車的實時狀態(tài)，是否有碰撞可能等。通過圖表和數(shù)字的形式直觀再現(xiàn)工地情況，地面監(jiān)測員一目了然，方便進行工地塔吊的人工調度。

6 系統(tǒng)創(chuàng)新設計

本塔吊防碰撞系統(tǒng)充分考慮施工現(xiàn)場的環(huán)境復雜性，從提高系統(tǒng)運行可靠性，可操作性方面實現(xiàn)了以下創(chuàng)新設計。

(1) 故障診斷功能

輸入?yún)?shù)越界錯誤診斷 對于輸入?yún)?shù)的明顯錯誤比如小車位移大于臂長、小車高度大于塔高、塔吊標號大于網(wǎng)內塔吊個數(shù)等判進行判斷，并作出錯誤提示。

通信故障診斷 當連續(xù)1 s接收不到數(shù)據(jù)時即認為網(wǎng)內通信故障，立即切斷所有控制回路，保護塔吊。

非正常關機錯誤診斷 當系統(tǒng)非正常關機（掉電或未按退出鍵）時，系統(tǒng)最后運行參數(shù)沒有保存，下次開機出現(xiàn)參數(shù)保存錯誤提示。

(2) 可靠性設計

定制塔吊群安全模型 為了適用于各種復雜的作業(yè)現(xiàn)場，系統(tǒng)向用戶開放了絕大多數(shù)的系統(tǒng)參數(shù)，關鍵參數(shù)如保護距離等為連續(xù)可調參數(shù)。在塔吊群作業(yè)過程中，用戶可針對實際需求，權衡作業(yè)效率與系統(tǒng)安全的關系，進行各參數(shù)的設置，完成塔吊群安全模型的定制。這種靈活的設置方式保證了塔吊防碰系統(tǒng)貼合實際，運行可靠。

動態(tài)分區(qū)參數(shù)存儲 為了防止多次擦寫存儲芯片某一區(qū)而使芯片損壞，系統(tǒng)根據(jù)存儲時間動態(tài)更換存儲區(qū)，大大降低了芯片損壞概率，保證存儲可靠。

(3) 人性化設計

直觀示警提示 按不同危險級別，聲光電組合的方式方便快捷的通知操作工人進行人為干預。尤其是形象化分布的各自由度控制回路指示燈，讓操作員一目了然塔吊保護狀態(tài)。

多功能鍵盤 鍵盤設計包含數(shù)字鍵，上下翻頁鍵，確認刪除鍵，以及符合塔吊操作要求的一系列功能鍵。鍵位設計合理，方便操作員一鍵式操作。

參 考 文 獻

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作者簡介 彭萬倉 男，1958年出生，陜西岐山人，西安市建設工程質量安全監(jiān)督站安全管理科從事安全管理及研究工作。