章 紅 ，梅 健 ，盧 揚(yáng) ，高鈺敏

(1．江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，湖北武漢430056;2．宜昌市微特電子設(shè)備有限責(zé)任公司，湖北宜昌443000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、城鎮(zhèn)一體化進(jìn)程的不斷加快，各式各樣現(xiàn)代建筑層出不窮。塔式起重設(shè)備(以下簡稱塔機(jī))在現(xiàn)代化建筑施工過程中的作用越來越明顯，已經(jīng)成為施工企業(yè)裝備水平的標(biāo)志性重要裝備之一。為了提高工作效率，塔機(jī)日益向大型化、高速化、智能一體化方向發(fā)展［1-2］。但是由于塔機(jī)自身原因和多臺(tái)塔機(jī)協(xié)調(diào)工作問題，易造成安全事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國每年發(fā)生塔機(jī)傾翻碰撞事故近百起，并且近年來重大事故逐年攀升，給國家和人們帶來了重大損失。在許多發(fā)達(dá)國家，塔吊安全防碰撞系統(tǒng)裝置已普遍使用，塔群監(jiān)控管理技術(shù)已經(jīng)較為成熟［3］。在國內(nèi)，塔吊群防碰撞系統(tǒng)日益受到施工單位以及學(xué)術(shù)界的重點(diǎn)關(guān)注。目前從事塔機(jī)防碰撞算法研究的企業(yè)主要是西安建筑科技大學(xué)、中國建筑科學(xué)院、南京航空航天大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)等。這些研究單位提出的設(shè)計(jì)方案主要是基于單臺(tái)塔機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)研究［4］，基于Linux 的塔機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集與無線通信研究［5-6］，浙江工業(yè)大學(xué)提出的塔機(jī)群防避讓算法［7］，武漢大學(xué)利用GPS 定位塔機(jī)，從而得知塔機(jī)的具體工作位置，整個(gè)塔機(jī)群通過無線組網(wǎng)完成信息的收集和處理，進(jìn)而做出避讓控制策略［8］。但是，這些設(shè)計(jì)基本上都是給出了算法設(shè)計(jì)的思路，在算法實(shí)現(xiàn)方面并沒有給出具體設(shè)計(jì)流程。

本次研究以一臺(tái)塔機(jī)終端為核心，采用坐標(biāo)定位思想，通過無線通信方式確定塔機(jī)之間的相互位置關(guān)系，最終確定防碰撞算法設(shè)計(jì)思想并采用模塊化設(shè)計(jì)，塔機(jī)操作人員在監(jiān)控界面上能夠清楚地看到當(dāng)前塔機(jī)的工作狀態(tài)、以及塔機(jī)之間的相對位置狀態(tài)，當(dāng)塔機(jī)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，能及時(shí)給出報(bào)警信息，并緊急制動(dòng)。

1 塔機(jī)防碰撞算法的設(shè)計(jì)思路

以一臺(tái)塔機(jī)為中心，在塔機(jī)工作過程中可能出現(xiàn)的碰撞情況主要有兩大類:一類是塔機(jī)與周圍障礙物之間的碰撞，另一類是塔機(jī)之間的碰撞。所謂障礙物就是指在施工現(xiàn)場周圍的建筑物、街道、高壓電網(wǎng)等。對于塔機(jī)和障礙物之間的碰撞，可以采用區(qū)域設(shè)定的方式，用多邊形表示禁止工作區(qū)間，在塔機(jī)工作過程中禁止其進(jìn)入這些區(qū)域，避免與障礙物發(fā)生碰撞，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失［9-11］。這種設(shè)定在塔機(jī)工作之初，根據(jù)施工現(xiàn)場情況就可以確定，因此在實(shí)時(shí)算法中只需要判定是否超越極限位置就可以避免這種碰撞發(fā)生;塔機(jī)之間的碰撞，就需要根據(jù)塔機(jī)操作的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和分析判斷，最終確定是否有碰撞的趨勢，而給出操作警告。塔機(jī)之間的碰撞可分為塔機(jī)臂之間的碰撞、塔機(jī)臂與吊繩之間的碰撞、塔機(jī)臂與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的碰撞。下面就塔機(jī)之間的防碰撞設(shè)計(jì)做具體闡述。

1．1 塔機(jī)定位的參數(shù)設(shè)定和兩臺(tái)塔機(jī)相對位置分析

防碰撞算法的設(shè)計(jì)從兩臺(tái)塔機(jī)碰撞的情況入手，設(shè)A、B 為兩臺(tái)塔機(jī)，其自身參數(shù)設(shè)置如圖1 所示。

圖1 塔機(jī)自身參數(shù)示意圖

對兩臺(tái)塔機(jī)之間的相對位置從垂直方向分析有如圖2 所示的4 種情況，水平方向分析最終可簡化為圖3 所示的5 種情況。

圖2 兩塔機(jī)相對位置示意圖(以高度分類)

圖3 兩塔機(jī)在水平位置的相對關(guān)系

1．2 塔機(jī)出現(xiàn)碰撞的各種情況分析

本研究根據(jù)圖3 所示的兩塔機(jī)在水平方向的相對位置關(guān)系，將判斷兩塔機(jī)是否會(huì)發(fā)生碰撞的問題轉(zhuǎn)化為判斷兩塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的距離和前后臂長度以及它們組合之間的關(guān)系的大小問題。

水平方向根據(jù)前后臂長組合有以下4 種分類:

兩臺(tái)塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的距離為:

如圖3 所示，圖3(a)顯示兩塔機(jī)分離，屬于不會(huì)出現(xiàn)兩塔機(jī)相碰撞的情況;圖3(b)中兩塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間的距離小于兩塔機(jī)前臂長度之和，但大于兩塔機(jī)前、后臂之和，在這種情況下僅會(huì)出現(xiàn)兩塔機(jī)前臂相碰撞的情況;圖3(c)中兩塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間的距離大于兩后臂長之和，但小于兩塔機(jī)前后臂長之和，因此在這種情況下可能出現(xiàn)兩臺(tái)塔機(jī)前臂之間、前臂與后臂之間碰撞的情況;圖3(d)中兩臺(tái)塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間的距離小于其中一臺(tái)塔機(jī)的前臂長度，且前臂長的塔機(jī)前臂長度小于該塔機(jī)后臂與另一臺(tái)塔機(jī)前臂之和，這時(shí)不僅可能出現(xiàn)圖3(c)的情況，還可能出現(xiàn)長前臂塔機(jī)與另一臺(tái)塔機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)碰撞的情況;圖3(e)中兩臺(tái)塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間的距離小于其中一臺(tái)塔機(jī)的前臂長度，且前臂長的塔機(jī)前臂長度大于該塔機(jī)后臂與另一臺(tái)塔機(jī)前臂之和，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)長前臂的塔機(jī)的前臂與另外一臺(tái)塔機(jī)的前臂或者后臂出現(xiàn)碰撞的情況。

2 塔機(jī)防碰撞算法的軟件實(shí)現(xiàn)

防碰撞算法的軟件設(shè)計(jì)總體流程如圖4 所示。該流程主要包括塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的啟動(dòng)和初始化工作，即主要完成本塔機(jī)相關(guān)參數(shù)的輸入和工作區(qū)域位置信息的獲取等。

圖4 防碰撞算法的軟件設(shè)計(jì)總體流程

在完成上述工作的基礎(chǔ)上重點(diǎn)就是設(shè)計(jì)塔機(jī)的防碰撞算法部分。這部分工作大致可以分為3 個(gè)步驟:第一，判斷是否會(huì)出現(xiàn)碰撞;第二，在有可能出現(xiàn)碰撞的情況下，確定塔機(jī)之間出現(xiàn)碰撞的極限位置;第三，實(shí)時(shí)檢測塔機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)其中一臺(tái)塔機(jī)進(jìn)入極限位置則給出防碰撞預(yù)警信息。其中，防碰撞的判斷依據(jù)是兩臺(tái)塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間的距離與兩塔機(jī)前臂之和的關(guān)系;兩塔機(jī)碰撞極限位置的計(jì)算則是依據(jù)先水平方向后垂直方向的原則進(jìn)行極限位置的計(jì)算;最后通過實(shí)時(shí)監(jiān)測塔機(jī)的位置變化，與極限位置進(jìn)行比較，給出防碰撞預(yù)警信號(hào)。

水平方向碰撞類型判斷與極限位置求取流程和按塔機(jī)高度原則判斷的防碰撞控制流程如圖5、圖6所示。

圖5 水平方向碰撞類型判斷與極限位置求取流程圖

圖6 按塔機(jī)高度原則判斷的防碰撞控制流程

依據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，本研究采用C 語言以模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行防碰撞算法的設(shè)計(jì)，整個(gè)程序主要包括塔機(jī)相對位置判定、塔機(jī)水平方向類型判定，塔機(jī)垂直方向類型判定、塔機(jī)碰撞區(qū)域極限角度的求取、塔機(jī)碰撞情況檢測以及塔機(jī)防碰撞制動(dòng)響應(yīng)等模塊。該設(shè)計(jì)采用一套統(tǒng)一的入口參數(shù)設(shè)置模式，方便其他用戶調(diào)用該算法。

3 防碰撞算法測試實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

程序的測試分兩個(gè)部分，首先在VC 環(huán)境下，對各個(gè)模塊子程序進(jìn)行測試，均能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，然后將防碰撞算法嵌入塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測試。測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，該防碰撞算法可以對兩臺(tái)塔機(jī)之間的可能出現(xiàn)的碰撞情況做出準(zhǔn)確判斷，并能及時(shí)給出預(yù)警和緊急制動(dòng)。

3．1 基于各個(gè)模塊子程序的測試

3．1．1 塔機(jī)群水平類型判定的調(diào)試

程序功能說明:判斷所屬的可能出現(xiàn)的碰撞類型。

輸入:主塔機(jī)A 坐標(biāo)(x1，y1)，從塔機(jī)B 坐標(biāo)(x2，y2);

主塔機(jī)前臂長度或后臂長度，從塔機(jī)前臂長度或后臂長度;

輸出:水平方向長度類型Length;

參數(shù)值:主塔機(jī)坐標(biāo)A(10 m，20 m)，前臂長L1_A=8，后臂長L2_A=3 m，主塔機(jī)坐標(biāo)B(13 m，29 m)前臂長L1_B=7 m，后臂長L2_B=2 m;

兩臺(tái)塔機(jī)位置關(guān)系滿足圖3(c)，測試結(jié)果顯示符合長度類型為Length=4，與預(yù)期分析結(jié)果一致。

3．1．2 前臂與前臂防碰撞極限角度區(qū)域調(diào)試

程序功能說明:根據(jù)當(dāng)前位置計(jì)算兩塔機(jī)前臂可能出現(xiàn)碰撞的臨界值。

輸入:主塔機(jī)A 坐標(biāo)(x1，y1)，從塔機(jī)B 坐標(biāo)(x2，y2);

主塔機(jī)前臂長度或后臂長度，從塔機(jī)前臂長度或后臂長度;

輸出:全局變量角度極限angle_min_1 和angle_max_1;

參數(shù)值:主塔機(jī)坐標(biāo)A(10 m，20 m)，前臂長L1_A=8 m，后臂長L2_A =3 m，從塔機(jī)坐標(biāo)B(13 m，29 m)，前臂長L1_B=7 m，后臂長L2_B=2 m;

期望值:∠EAD =72°，∠EAC =24°，∠EAH =119°得到的實(shí)際值結(jié)果為:

∠EAC=24．015 09°，∠EAH=119．118 408°

說明實(shí)際值與期望值基本吻合，能達(dá)到預(yù)期效果。

3．1．3 主塔機(jī)(高吊)與從塔機(jī)碰撞判定函數(shù)調(diào)試

程序功能:進(jìn)行防碰撞判斷，并給出碰撞情況標(biāo)記。

輸入:主塔機(jī)A 坐標(biāo)(x1，y1)，從塔機(jī)B 坐標(biāo)(x2，y2);塔機(jī)A 和塔機(jī)B 的高度H1和H2以及塔吊A 下放高度H3;塔吊A 的旋轉(zhuǎn)角度angle;

輸出:碰撞標(biāo)志位flag，∠ABC 以及d;

參數(shù)值:如圖5 所示，主塔機(jī)坐標(biāo)A(10 m，20 m)，前臂長L1_A=8 m，后臂長L2_A=3 m;

主塔機(jī)坐標(biāo)B(13 m，29 m)，

前臂長L1_B=7 m，后臂長L2_B=2 m;

塔機(jī)A 和塔機(jī)B 的高度H1和H2以及塔吊A

下放高度H3:H1=40 m，H2=30m，H3=20m;

塔吊A 的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度angle =45°，A 塔吊小車從標(biāo)準(zhǔn)節(jié)行走的水平距離L3=1．5，程序判斷結(jié)果與實(shí)際情況一致。

3．2 嵌入監(jiān)控系統(tǒng)的測試

該算法設(shè)計(jì)的目的就是希望在塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中能及時(shí)準(zhǔn)確確定塔機(jī)的位置，并通過防碰撞算法及時(shí)給出碰撞預(yù)警信息，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候能對塔機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)避免嚴(yán)重碰撞事故的發(fā)生。防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖7 所示。通過測試證明該算法能對塔機(jī)碰撞情況做出準(zhǔn)確的判斷。

圖7 防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié)束語

該算法是以一臺(tái)塔機(jī)為中心，通過分析其他工作塔機(jī)與它的相對位置關(guān)系來判斷塔機(jī)碰撞出現(xiàn)的可能性，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。在防碰撞算法設(shè)計(jì)過程中，首先全面分析相鄰塔機(jī)與中心塔機(jī)的相對位置關(guān)系，再逐步簡化，最終綜合得到5 種塔機(jī)相對位置關(guān)系，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)算法程序?qū)Ω鞣N碰撞區(qū)域進(jìn)行分析判斷，設(shè)計(jì)監(jiān)控界面方便操作員和遠(yuǎn)程管理者實(shí)時(shí)了解施工現(xiàn)場的塔機(jī)工作情況，為起重設(shè)備的安全工作提供良好的保障。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)的需要，未來的施工現(xiàn)場會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)塔機(jī)協(xié)同工作情況，針對塔機(jī)群體的任務(wù)調(diào)度和群防群控，以及模擬運(yùn)行將是主要的研究方向。本研究為塔機(jī)相對位置關(guān)系的計(jì)算提供了方法，為后期建立塔機(jī)群體的任務(wù)調(diào)度策略提供了依據(jù)，同時(shí)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)為塔機(jī)群體協(xié)調(diào)工作的仿真設(shè)計(jì)做了良好的嘗試，從而奠定了進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。

致 謝

感謝宜昌微特電子設(shè)備責(zé)任有限公司為塔機(jī)防碰撞算法研究提供良好的設(shè)計(jì)與調(diào)試平臺(tái)，并在技術(shù)和現(xiàn)場測試方面給予的大力支持。

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