龔結(jié)龍，吳海建

（1.浙江?？悼萍加邢薰荆憬?杭州 310012；2.中電?？导瘓F(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

塔式起重機(jī)是智慧工地中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。隨著我國塔機(jī)產(chǎn)量和保有量的不斷增長，各種安全事故也日益增多。由于塔機(jī)是一種需要在施工現(xiàn)場安裝和拆卸的施工機(jī)械，工地轉(zhuǎn)移頻繁，整個(gè)使用流程中存在較多薄弱的、事故多發(fā)環(huán)節(jié)。根據(jù)事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，塔機(jī)使用環(huán)節(jié)普遍存在的超載和違章作業(yè)等現(xiàn)象，是導(dǎo)致塔機(jī)事故的直接原因。

在工地塔吊應(yīng)用中，單個(gè)塔吊的應(yīng)用場景幾乎不存在，而多塔的布置需要根據(jù)所要建設(shè)的建筑物來確定，那么，實(shí)際中往往各塔機(jī)之間存在一定的碰撞關(guān)系。塔吊屬于特種設(shè)備，塔吊司機(jī)作業(yè)為高空作業(yè)，一旦發(fā)生塔吊碰撞，會極大危害工地生產(chǎn)安全。本文重點(diǎn)介紹群塔物聯(lián)網(wǎng)關(guān)自組網(wǎng)以及群塔防碰撞功能設(shè)計(jì)，所述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可解決塔間通信和群塔防碰撞漏報(bào)誤報(bào)警的問題。

1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。塔機(jī)上安裝物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間采用LoRa連接，并與各相關(guān)塔的網(wǎng)關(guān)自組網(wǎng)，形成防碰撞預(yù)警系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)與NS服務(wù)器采用3G/4G連接，將塔機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到后臺服務(wù)器，最后由AS服務(wù)器完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的展示等。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)

市面上的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，塔間通信通常采用傳統(tǒng)的基于FSK制式的ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在長期使用過程中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SK在工地應(yīng)用中存在干擾、傳輸距離不穩(wěn)定/過短等問題，造成各塔機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互存在不穩(wěn)定性，以致發(fā)生漏報(bào)警。

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用基于LoRa制式的無線傳輸技術(shù)組網(wǎng)。LoRa是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，這種傳輸方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，提供一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。

2.1 組網(wǎng)方式

工地群塔模型如圖2所示。5臺塔機(jī)形成一個(gè)防碰撞系統(tǒng)模型，彼此之間在大臂旋轉(zhuǎn)或者小車運(yùn)動過程中，存在碰撞關(guān)系。每臺塔機(jī)上的監(jiān)控網(wǎng)關(guān)將自身的塔機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過LoRa不斷廣播到其他網(wǎng)關(guān)，同時(shí)實(shí)時(shí)接收其他網(wǎng)關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

因塔機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互要求實(shí)時(shí)性高，因此各網(wǎng)關(guān)之間采用廣播方式為主、主動請求為輔的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)本塔網(wǎng)關(guān)連續(xù)接收到相關(guān)塔的數(shù)據(jù)時(shí)，本塔網(wǎng)關(guān)不主動請求數(shù)據(jù)。當(dāng)本塔網(wǎng)關(guān)超時(shí)未接收到某相關(guān)塔的數(shù)據(jù)時(shí)，將主動發(fā)送獲取數(shù)據(jù)請求幀。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要包括：塔機(jī)的設(shè)備編碼、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度值。每臺塔機(jī)以自身作為“中心塔”，也稱為“本塔”，其他存在碰撞關(guān)系的塔機(jī)稱為“相關(guān)塔”。如圖2中所示，當(dāng)塔機(jī)GA作為本塔時(shí)，它的相關(guān)塔機(jī)為GB和GC。那么GA在接收數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)設(shè)備ID來剔除GD和GE塔機(jī)的數(shù)據(jù)。

圖2 群塔模型

2.2 LoRa參數(shù)確定

LoRa通信采用擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信，其擴(kuò)頻因子為6～12，空曠情況下最遠(yuǎn)通信距離可以達(dá)到5km以上。在本文所述的工地應(yīng)用中，以某一臺塔機(jī)和其相關(guān)塔組成的群塔網(wǎng)絡(luò)，直徑應(yīng)該在300m范圍內(nèi)，如果通信距離太遠(yuǎn)，勢必會造成碰撞概率增大，從而對周圍其他非相關(guān)塔機(jī)的數(shù)據(jù)造成干擾。而通信距離如果太近，又會導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀丟失過多。因此，結(jié)合實(shí)際使用，LoRa的擴(kuò)頻因子默認(rèn)為8，系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程/本地調(diào)節(jié)的方式，來實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用中的距離要求。

3 防碰撞算法設(shè)計(jì)

群塔防碰撞，即塔機(jī)數(shù)量為2臺及2臺以上時(shí)，存在重疊的作業(yè)區(qū)域，使得塔機(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)的大臂或平衡臂的問題。如圖3所示為塔間碰撞示意。

圖3 塔間碰撞示意

實(shí)際情況下，往往存在布塔不規(guī)范等問題，導(dǎo)致更多的碰撞情況，如大臂碰塔身、大臂碰大臂等。

3.1 坐標(biāo)計(jì)算

每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)算出各相關(guān)塔吊相對于本塔的相對坐標(biāo)。本塔坐標(biāo)均采用默認(rèn)值如（200，200），利用極坐標(biāo)計(jì)算方法，通過回轉(zhuǎn)角度值和各相關(guān)塔到本塔的實(shí)際距離，自動計(jì)算各相關(guān)塔的相對坐標(biāo)。

如圖 4 所示，本塔坐標(biāo)為 CT0（X0，Y0），本塔和相關(guān)塔之間的距離為L1，本塔大臂指向相關(guān)塔時(shí)的回轉(zhuǎn)角度為θ，則相關(guān)塔機(jī)坐標(biāo)為CT1（X0+L1cosθ，Y0+L1sinθ）

圖4 坐標(biāo)計(jì)算

3.2 水平相關(guān)性

水平相關(guān)性是指兩塔在水平面上是否存在碰撞關(guān)系，如圖5所示。

只有當(dāng)兩個(gè)塔機(jī)中心點(diǎn)的距離d＜（R1+R2）時(shí)，兩臺塔機(jī)才具備水平相關(guān)性。其中R1、R2分別為兩臺塔機(jī)的大臂長度，即旋轉(zhuǎn)半徑。

圖5 水平相關(guān)性

3.3 高度相關(guān)性

只有當(dāng)塔機(jī)之間存在水平相關(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。

圖6 高度相關(guān)性示意圖

本塔根據(jù)與相關(guān)塔塔身的高度差來確定碰撞類型。當(dāng)本塔塔身高度大于相關(guān)塔塔頂高度時(shí)，則本塔是高塔機(jī)；如果本塔塔頂高度小于相關(guān)塔塔身高度，則本塔是低塔機(jī)；除此之外，為等高塔機(jī)。

建立模型需確定三點(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)。

如圖6中高度相關(guān)性示意圖定義，本塔的前點(diǎn)My_move_A，后點(diǎn) My_move_B，吊鉤點(diǎn)My_move，相關(guān)塔的前點(diǎn)His_move_A，后點(diǎn)His_move_B，吊鉤點(diǎn)His_move。

3.4 防碰撞計(jì)算

在群塔相互運(yùn)動中，需要實(shí)時(shí)計(jì)算上述三點(diǎn)位的相對位置來計(jì)算碰撞關(guān)系，需從 “碰撞距離”和“碰撞角度”兩個(gè)方面去計(jì)算。如表1、表2、表3所示，分別是本塔為低塔、高塔和等高塔時(shí)的碰撞方式。

表1 本塔為低塔時(shí)碰撞方式

表2 本塔為高塔時(shí)碰撞方式

表3 本塔為等高塔時(shí)碰撞方式

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“本塔為低塔時(shí)，本塔大臂（前點(diǎn)）碰相關(guān)塔吊鉤”為例：

（1）實(shí)時(shí)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)塔吊鉤坐標(biāo)點(diǎn)相對于本塔的角度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。

4 系統(tǒng)實(shí)際使用效果

表4所示是應(yīng)用本算法的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在全國超過50個(gè)工地的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表4 群塔防碰撞測試結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)的塔機(jī)物聯(lián)安全防碰撞系統(tǒng)，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。

5 結(jié) 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，設(shè)計(jì)了基于LoRa傳輸技術(shù)的自組網(wǎng)防碰撞系統(tǒng)。文中所設(shè)計(jì)的防碰撞算法已廣泛應(yīng)用于全國多個(gè)智慧工地的塔機(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)提供了更好的保障。