何 福 江， 劉 昕 鑫

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

金河瓦托水電站是一座以發(fā)電為主的中型水電樞紐工程，位于西藏昌都市卡若鎮(zhèn)列巴村金河下游約2.5 km處，距離昌都市察雅縣吉塘鎮(zhèn)12.2 km，在金河大壩上游約5 km處。該工程于2016年8月開(kāi)始施工，年底轉(zhuǎn)入混凝土澆筑施工，混凝土總量約26萬(wàn)m3，建筑面積約1.5萬(wàn)m2。由于基坑面積狹小，工期較短，混凝土施工強(qiáng)度高，加之垂直入倉(cāng)手段受限，共安裝了兩臺(tái)塔機(jī)(TC7052、D1400)及一臺(tái)門(mén)機(jī)(MQ600B)。三臺(tái)設(shè)備的活動(dòng)區(qū)域在施工現(xiàn)場(chǎng)互有交錯(cuò)，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中交叉施工干擾極大，安全隱患突出，尤其是在強(qiáng)光刺眼等外界因素影響下，操作人員可視距離短、安全隱患突出。

項(xiàng)目部針對(duì)瓦托水電站大型起重設(shè)備布置現(xiàn)狀，從提高系統(tǒng)實(shí)用性、加快工程進(jìn)度及增強(qiáng)安全作業(yè)能力等方面出發(fā)，研究并采用了基于分布式模塊化構(gòu)架體系的防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)各施工設(shè)備及其相關(guān)部件(如臂架、塔架及吊鉤等)的位置、運(yùn)動(dòng)方向和速度，將采集到的信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給安裝在各施工設(shè)備司機(jī)室內(nèi)的工業(yè)級(jí)平板電腦，通過(guò)實(shí)時(shí)獨(dú)立計(jì)算，分析出各設(shè)備固定及運(yùn)動(dòng)部件(如臂架、塔架及吊鉤等)的相互位置關(guān)系，并利用用于流動(dòng)監(jiān)控的手提電腦等移動(dòng)終端實(shí)時(shí)觀測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)起重設(shè)備各部件的位置以及根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)障礙物實(shí)際高度(大壩壩體上升)進(jìn)行遠(yuǎn)程更新。

2 分布式模塊化防碰撞系統(tǒng)的基本原理

將起重設(shè)備分解為簡(jiǎn)單形體的組合，將設(shè)備碰撞問(wèn)題分解為部件間的碰撞，根據(jù)碰撞現(xiàn)象實(shí)質(zhì)和主動(dòng)設(shè)備避讓原則，將碰撞現(xiàn)象進(jìn)行共性化處理，確定共性碰撞算法并進(jìn)行縮維處理，將三維簡(jiǎn)單形體間的碰撞問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面中點(diǎn)、線之間的距離問(wèn)題[1]。同時(shí)，結(jié)合二叉樹(shù)遍歷遞歸算法，對(duì)所有碰撞現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)以太網(wǎng)相互傳遞信息至相關(guān)設(shè)備。通過(guò)VS(Visual Studio)平臺(tái)利用C#語(yǔ)言進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)的防碰撞軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算與智能分析。根據(jù)各設(shè)備固定及運(yùn)動(dòng)部件(如臂架、塔架及吊鉤等)的相互位置關(guān)系，自動(dòng)判斷設(shè)備可能發(fā)生碰撞部件的距離、可能發(fā)生碰撞設(shè)備相關(guān)部件的運(yùn)動(dòng)速度及方向，并根據(jù)軟件分析結(jié)果及時(shí)發(fā)出警報(bào)[2]。

3 構(gòu)架體系

瓦托水電工程分布式防碰撞系統(tǒng)構(gòu)架體系見(jiàn)圖1。

圖1 瓦托水電工程分布式防碰撞系統(tǒng)構(gòu)架體系圖

4 信息采集方式

對(duì)塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)、起升、變幅機(jī)構(gòu)處均設(shè)置有限位器[3]。利用聯(lián)軸器將限位器輸出軸與編碼器相連，獲取起重機(jī)的回轉(zhuǎn)、起升和變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

對(duì)門(mén)座式起重機(jī)起升、變幅機(jī)構(gòu)安裝限位器，采用齒輪傳動(dòng)將限位器輸出軸與編碼器軸連接以獲取角度信息。對(duì)于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因其不含限位器，遂將編碼器輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器、齒輪軸等零件與小齒輪固接，小齒輪與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的大齒輪相嚙合，編碼器可獲取回轉(zhuǎn)角度。

5 預(yù)警系統(tǒng)的工作流程

5.1 預(yù)警系統(tǒng)

將各設(shè)備均置于一個(gè)整體坐標(biāo)體系中，采用布置在各設(shè)備上的位置信息檢測(cè)裝置(如絕對(duì)值編碼器、傾角傳感器等)實(shí)時(shí)檢測(cè)臂架、塔架和吊鉤等運(yùn)動(dòng)部件的位置、運(yùn)動(dòng)方向及速度[4]，然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將有關(guān)信息傳送給相應(yīng)設(shè)備；對(duì)各設(shè)備的工業(yè)級(jí)平板電腦根據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)備本身以及與之有可能發(fā)生碰撞的設(shè)備的外形輪廓參數(shù)應(yīng)用相應(yīng)的算法實(shí)時(shí)計(jì)算出各設(shè)備固定及運(yùn)動(dòng)部件(如塔架、臂架和吊鉤等)的相互位置關(guān)系，計(jì)算出各設(shè)備有可能發(fā)生碰撞部件的距離，綜合考慮設(shè)備的制動(dòng)距離和安全裕度，判定是否需要發(fā)出警示及警示的級(jí)別；如需發(fā)出警示，各設(shè)備的平板電腦將通過(guò)語(yǔ)音和平面圖形提醒設(shè)備操作人員采取措施進(jìn)行避讓，最終避免發(fā)生碰撞[5]。

5.2 預(yù)警判定流程

以右側(cè)塔機(jī)起重臂碰撞左側(cè)塔機(jī)鋼絲繩為例，屬于線→點(diǎn)防碰撞算法，如：左側(cè)塔機(jī)變幅尺寸極小，R1+L

5.3 預(yù)警提示

在起重設(shè)備司機(jī)室安置平板電腦，實(shí)時(shí)顯示各起重設(shè)備當(dāng)前的角度、回轉(zhuǎn)半徑、吊鉤長(zhǎng)度及現(xiàn)場(chǎng)起重設(shè)備之間的大臂位置。當(dāng)起重設(shè)備處于運(yùn)行安全區(qū)時(shí)，在平板電腦左上角的指示燈為綠色，無(wú)任何提示，司機(jī)可觀察平板電腦上周邊相連起重設(shè)備的大臂位置；當(dāng)起重設(shè)備處于運(yùn)行干擾區(qū)時(shí)，指示燈為綠色，伴有平淡的語(yǔ)音提示，提醒司機(jī)注意設(shè)備間的運(yùn)行關(guān)系，明確避讓原則；當(dāng)起重設(shè)備處于運(yùn)行碰撞區(qū)時(shí)，指示燈由綠色變?yōu)榧t色，伴有刺耳的語(yǔ)音提示，提醒司機(jī)采取緊急制動(dòng)。具體情況如下：

圖2 預(yù)警判定流程圖

(1)正?！?jí)警示之間，預(yù)測(cè)當(dāng)前的碰撞情況以及10 s后的碰撞情況，即0～10 s之間有無(wú)碰撞；

(2)三級(jí)→二級(jí)警示：預(yù)測(cè)當(dāng)前的碰撞情況以及2 s后的碰撞情況，即0～2 s之間有無(wú)碰撞；

(3)二級(jí)→一級(jí)警示：預(yù)測(cè)當(dāng)前的緊急制動(dòng)碰撞情況以及2 s后的緊急制動(dòng)碰撞情況，即0～2 s之間有無(wú)必要進(jìn)行緊急制動(dòng)。

6 流動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

6.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

考慮到瓦托水電站的工作條件及被監(jiān)測(cè)點(diǎn)是一個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)，有部分測(cè)點(diǎn)處沒(méi)有供電設(shè)施。因此，信息傳遞設(shè)備選用900 MHz數(shù)傳電臺(tái)設(shè)備并采用調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)，其數(shù)據(jù)丟失率可控制在1%以內(nèi)，可以滿足傳輸距離和可靠性等要求。

6.2 監(jiān)控系統(tǒng)的使用

(1)在系統(tǒng)配備的便攜式計(jì)算機(jī)上，在網(wǎng)絡(luò)狀況良好的情況下，打開(kāi)Teamviewer軟件，若系統(tǒng)中涵蓋的設(shè)備(共4臺(tái))在線，則前方圖標(biāo)顯示為藍(lán)色；不在線時(shí)則顯示為黑色。

(2)點(diǎn)選想要連接并監(jiān)控的設(shè)備，彈出右側(cè)菜單欄，在菜單欄一列選擇第二個(gè)“遠(yuǎn)程控制使用密碼”，自動(dòng)連接指定塔機(jī)的設(shè)備，該設(shè)備運(yùn)行界面將顯示于監(jiān)控設(shè)備桌面上，并可對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作(可修改起重設(shè)備、障礙物的高度、長(zhǎng)度等信息)。

7 結(jié) 語(yǔ)

瓦托水電站工程大型起重設(shè)備使用的防碰撞系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性。將分布式模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念運(yùn)用于防碰撞系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比、較短的開(kāi)發(fā)周期和很強(qiáng)的開(kāi)拓性，有利于后期進(jìn)一步將精準(zhǔn)定位技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)模擬、智能設(shè)備檢測(cè)等技術(shù)運(yùn)用到起重設(shè)備施工中，促進(jìn)各類起重設(shè)備安全施工技術(shù)的發(fā)展，提高工程建設(shè)安全作業(yè)的能力和作業(yè)效率，增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程機(jī)械管理方式的跨越式發(fā)展。