摘 要工地塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)中防碰撞功能是其核心功能之一，市場上大多數(shù)塔機(jī)監(jiān)控產(chǎn)品的群塔防碰撞性能不夠完善和穩(wěn)定。本文采用基于多點(diǎn)位的三維空間群塔防碰撞算法，通過實(shí)時(shí)狀態(tài)更新，系統(tǒng)會自動生成群塔的三維模型，通過計(jì)算水平相關(guān)性、高度相關(guān)性得出防碰撞關(guān)系。實(shí)際操作中，只需要通過相對距離和塔機(jī)參數(shù)設(shè)定，即可完成群塔防碰撞預(yù)警設(shè)置。規(guī)模使用結(jié)果表明，該算法大大提高了工地塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的群塔防碰撞預(yù)警性能。

【關(guān)鍵詞】多點(diǎn)位 塔機(jī) 防碰撞 相關(guān)性

1 區(qū)域防碰撞

塔吊碰撞分為區(qū)域碰撞和塔間碰撞。

區(qū)域防碰：即單臺塔機(jī)在其作業(yè)半徑范圍內(nèi)有障礙物，例如高壓線，樓宇等。

1.1 有限/無限高度禁行區(qū)

禁行區(qū)防碰撞中，存在有限/無限高度的角度禁行區(qū)，比如高樓、電線桿等。無限高度禁行區(qū)，則塔吊大臂不能到達(dá)起始角度-終止角度之間的區(qū)域，設(shè)定右轉(zhuǎn)報(bào)警角度和左轉(zhuǎn)預(yù)警角度，則檢測到塔吊大臂進(jìn)入報(bào)警區(qū)域后，設(shè)備報(bào)警。

1.2 兩點(diǎn)確定的直線禁行區(qū)

實(shí)際工地現(xiàn)場，常出現(xiàn)兩點(diǎn)確定的直線禁行區(qū)，如圖1中禁行區(qū)AB。塔吊大臂為OC，C點(diǎn)為當(dāng)前小車的位置，當(dāng)C點(diǎn)碰到禁行區(qū)AB時(shí)，將發(fā)生預(yù)警。

首先已知塔吊中心點(diǎn)的坐標(biāo)：

禁行區(qū)起始和終止角度：

禁行區(qū)起始和終止幅度：

確定起始點(diǎn)坐標(biāo)：

（1）

同理，確定終點(diǎn)坐標(biāo)：

（2）

最后確定碰點(diǎn)C的坐標(biāo)：

（3）

根據(jù)A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)可以計(jì)算出AB確定的直線：； （4）

計(jì)算碰點(diǎn)C到直線禁行區(qū)AB的距離：，判斷計(jì)算出來的dist與預(yù)警和報(bào)警值的大小，得出是否預(yù)警。

2 塔間防碰撞

塔間防碰撞，即兩臺及兩臺以上塔機(jī)共同使用時(shí)，存在重疊的作業(yè)半徑，使得塔機(jī)與塔機(jī)間發(fā)生碰撞的可能。在符合布塔規(guī)范的情況下，只存在高塔機(jī)的吊鉤碰低塔機(jī)的大臂或平衡臂。

實(shí)際情況下，可能存在布塔不規(guī)范，導(dǎo)致更多碰撞的情況，例如大臂碰大臂，大臂碰塔身等。

主動防碰和非主動防碰的區(qū)別：

非主動防碰撞，即為當(dāng)兩臺塔機(jī)中任何一臺塔機(jī)的大臂進(jìn)入陰影區(qū)域，就開始報(bào)警。這個(gè)實(shí)現(xiàn)方式，可以省去塔機(jī)間的通訊模塊，降低成本，但是存在誤警漏警。

主動防碰，即兩個(gè)大臂靠近到一定角度時(shí)，再根據(jù)小車位置等參數(shù)計(jì)算是否報(bào)警。該方式需要有塔機(jī)通訊模塊。

2.1 群塔坐標(biāo)確定

群塔防碰撞算法，通過本塔和相關(guān)塔的“靜態(tài)參數(shù)”和“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”來計(jì)算。其中，靜態(tài)參數(shù)主要包括：靜態(tài)坐標(biāo)，大臂長度、平衡臂長度、塔身高度、塔頂高度。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括：回轉(zhuǎn)角度、吊鉤高度和幅度。

每一臺塔吊以自身為本塔，其他塔吊作為相關(guān)塔。防碰撞關(guān)系的確定，首先要計(jì)算出每臺相關(guān)塔吊相對于自身的相對坐標(biāo)。本塔坐標(biāo)都是默認(rèn)值，利用極坐標(biāo)方法，通過回轉(zhuǎn)傳感器測量出來的回轉(zhuǎn)角度和各塔到本塔的間距，自動計(jì)算相關(guān)塔的相對坐標(biāo)。

2.2 水平相關(guān)性

水平相關(guān)性，指的是在水平面上兩塔之間是否具有碰撞關(guān)系。

當(dāng)兩個(gè)塔機(jī)中心點(diǎn)的距離d

2.3 高度相關(guān)性

當(dāng)兩塔具備水平相關(guān)性時(shí)，才考慮高度相關(guān)性。高度相關(guān)性是指，塔機(jī)之間存在空間上的高度差異，存在碰撞區(qū)域。

如果“本塔塔身高度”>“相關(guān)塔塔頂高度”，則本塔是高塔機(jī)；如果“本塔塔頂高度”< “相關(guān)塔塔身高度”，則本塔是低塔機(jī)；除上述條件外，則本塔機(jī)是等高塔機(jī)。

塔吊防碰撞的三維立體模型依賴于三點(diǎn)坐標(biāo)：前點(diǎn)、后點(diǎn)和吊鉤坐標(biāo)點(diǎn)。前點(diǎn)即大臂最前端位置；后點(diǎn)即塔吊平衡臂最尾端點(diǎn)，吊鉤坐標(biāo)點(diǎn)為當(dāng)前吊鉤的位置點(diǎn)。

2.4 防碰撞計(jì)算

在群塔運(yùn)動過程中，各塔機(jī)發(fā)生碰撞時(shí)，只需要從上述三點(diǎn)來計(jì)算碰撞關(guān)系，需要分別從碰撞距離和碰撞角度兩個(gè)方面去計(jì)算。

首先根據(jù)塔吊靜態(tài)參數(shù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定本塔相對于相關(guān)塔的類型。然后分別計(jì)算出各碰點(diǎn)的坐標(biāo)，得出對應(yīng)的碰撞角度和距離。

以“本塔機(jī)為低塔機(jī)時(shí)，本塔機(jī)大臂（前點(diǎn)）碰相關(guān)塔機(jī)吊鉤”為例：

（1）計(jì)算本塔中心坐標(biāo)點(diǎn)到相關(guān)塔吊鉤坐標(biāo)點(diǎn)的距離d1，當(dāng)d1<本塔大臂長+預(yù)警距離時(shí)，吊鉤進(jìn)入本塔機(jī)大臂的碰撞范圍；然后分別計(jì)算角度預(yù)警和距離預(yù)警；

（2）根據(jù)相關(guān)塔機(jī)吊鉤坐標(biāo)點(diǎn)相對于本塔機(jī)的角度P_angle；當(dāng)|P_angle-本塔實(shí)時(shí)角度|< 角度預(yù)警值時(shí)，觸發(fā)預(yù)警；

（3）實(shí)時(shí)計(jì)算相關(guān)塔吊鉤到本塔大臂的距離，當(dāng)距離到達(dá)預(yù)警/報(bào)警范圍后，發(fā)生預(yù)警/報(bào)警。

3 算法實(shí)際使用效果

本文所闡述的防碰撞算法，其應(yīng)用在具體監(jiān)控系統(tǒng)中時(shí)，整體系統(tǒng)的性能還取決于回轉(zhuǎn)傳感器以及幅度、高度傳感器的精度，這些數(shù)據(jù)的采集在此不作討論。

4 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有市場上塔吊監(jiān)控產(chǎn)品中群塔防碰撞性能的不足，提出覆蓋全面的群塔防碰撞算法，實(shí)用性強(qiáng)。已廣泛應(yīng)用于全國多個(gè)工地的塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)中，性能穩(wěn)定可靠，為工地塔機(jī)安全作業(yè)提供更好的保障。

參考文獻(xiàn)

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[3]楊高偉.塔式起重機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].工程技術(shù)（全文版），2016（11）：00251-00251.

作者簡介

龔結(jié)龍（1988-），男，安徽省安慶市人。碩士研究生學(xué)歷、工程師。主要研究領(lǐng)域?yàn)楣さ匕踩O(jiān)控、電梯物聯(lián)安全監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)、智能傳感器技術(shù)等。

作者單位

中國電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所 浙江省杭州市 310012