基于LoRa自組網的群塔防碰撞物聯(lián)系統(tǒng)設計

龔結龍，吳海建

（1.浙江海康科技有限公司，浙江 杭州 310012；2.中電?？导瘓F有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

塔式起重機是智慧工地中必不可少的關鍵設備。隨著我國塔機產量和保有量的不斷增長，各種安全事故也日益增多。由于塔機是一種需要在施工現(xiàn)場安裝和拆卸的施工機械，工地轉移頻繁，整個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)計顯示，塔機使用環(huán)節(jié)普遍存在的超載和違章作業(yè)等現(xiàn)象，是導致塔機事故的直接原因。

在工地塔吊應用中，單個塔吊的應用場景幾乎不存在，而多塔的布置需要根據(jù)所要建設的建筑物來確定，那么，實際中往往各塔機之間存在一定的碰撞關系。塔吊屬于特種設備，塔吊司機作業(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安全。本文重點介紹群塔物聯(lián)網關自組網以及群塔防碰撞功能設計，所述的系統(tǒng)設計可解決塔間通信和群塔防碰撞漏報誤報警的問題。

1 整體設計

系統(tǒng)整體結構如圖1所示。塔機上安裝物聯(lián)網關設備，物聯(lián)網關設備之間采用LoRa連接，并與各相關塔的網關自組網，形成防碰撞預警系統(tǒng)。網關與NS服務器采用3G/4G連接，將塔機監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺服務器，最后由AS服務器完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的展示等。

圖1 系統(tǒng)整體結構

2 網關組網

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

本文所設計系統(tǒng)采用基于LoRa制式的無線傳輸技術組網。LoRa是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，這種傳輸方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進而擴展傳感網絡。

2.1 組網方式

工地群塔模型如圖2所示。5臺塔機形成一個防碰撞系統(tǒng)模型，彼此之間在大臂旋轉或者小車運動過程中，存在碰撞關系。每臺塔機上的監(jiān)控網關將自身的塔機實時數(shù)據(jù)通過LoRa不斷廣播到其他網關，同時實時接收其他網關的實時數(shù)據(jù)。

因塔機之間的數(shù)據(jù)交互要求實時性高，因此各網關之間采用廣播方式為主、主動請求為輔的方式進行數(shù)據(jù)交互。當本塔網關連續(xù)接收到相關塔的數(shù)據(jù)時，本塔網關不主動請求數(shù)據(jù)。當本塔網關超時未接收到某相關塔的數(shù)據(jù)時，將主動發(fā)送獲取數(shù)據(jù)請求幀。

實時數(shù)據(jù)主要包括：塔機的設備編碼、幅度、高度、回轉角度值。每臺塔機以自身作為“中心塔”，也稱為“本塔”，其他存在碰撞關系的塔機稱為“相關塔”。如圖2中所示，當塔機GA作為本塔時，它的相關塔機為GB和GC。那么GA在接收數(shù)據(jù)時，根據(jù)設備ID來剔除GD和GE塔機的數(shù)據(jù)。

圖2 群塔模型

2.2 LoRa參數(shù)確定

LoRa通信采用擴頻技術實現(xiàn)超遠距離通信，其擴頻因子為6～12，空曠情況下最遠通信距離可以達到5km以上。在本文所述的工地應用中，以某一臺塔機和其相關塔組成的群塔網絡，直徑應該在300m范圍內，如果通信距離太遠，勢必會造成碰撞概率增大，從而對周圍其他非相關塔機的數(shù)據(jù)造成干擾。而通信距離如果太近，又會導致數(shù)據(jù)幀丟失過多。因此，結合實際使用，LoRa的擴頻因子默認為8，系統(tǒng)可以遠程/本地調節(jié)的方式，來實現(xiàn)該應用中的距離要求。

3 防碰撞算法設計

群塔防碰撞，即塔機數(shù)量為2臺及2臺以上時，存在重疊的作業(yè)區(qū)域，使得塔機間發(fā)生碰撞的可能。在符合布塔規(guī)范的情況下，只存在高塔機的吊鉤碰低塔機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

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

3.1 坐標計算

每臺塔吊以自身為本塔，其他塔吊作為相關塔。防碰撞關系的確定，首先要計算出各相關塔吊相對于本塔的相對坐標。本塔坐標均采用默認值如（200，200），利用極坐標計算方法，通過回轉角度值和各相關塔到本塔的實際距離，自動計算各相關塔的相對坐標。

如圖 4 所示，本塔坐標為 CT0（X0，Y0），本塔和相關塔之間的距離為L1，本塔大臂指向相關塔時的回轉角度為θ，則相關塔機坐標為CT1（X0+L1cosθ，Y0+L1sinθ）

圖4 坐標計算

3.2 水平相關性

水平相關性是指兩塔在水平面上是否存在碰撞關系，如圖5所示。

只有當兩個塔機中心點的距離d＜（R1+R2）時，兩臺塔機才具備水平相關性。其中R1、R2分別為兩臺塔機的大臂長度，即旋轉半徑。

圖5 水平相關性

3.3 高度相關性

只有當塔機之間存在水平相關性時，才考慮高度相關性。高度相關性是指，塔機之間存在空間上的高度差異，存在碰撞區(qū)域。

圖6 高度相關性示意圖

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

建立模型需確定三點坐標：前點、后點和吊鉤坐標點。前點即大臂最前端位置；后點即塔吊平衡臂最尾端點，吊鉤坐標點為當前吊鉤的位置點。

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

3.4 防碰撞計算

在群塔相互運動中，需要實時計算上述三點位的相對位置來計算碰撞關系，需從 “碰撞距離”和“碰撞角度”兩個方面去計算。如表1、表2、表3所示，分別是本塔為低塔、高塔和等高塔時的碰撞方式。

表1 本塔為低塔時碰撞方式

表2 本塔為高塔時碰撞方式

表3 本塔為等高塔時碰撞方式

首先根據(jù)塔吊靜態(tài)參數(shù)和實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定本塔相對于相關塔的類型。然后分別計算出各碰點的坐標，得出對應的碰撞角度和距離。以“本塔為低塔時，本塔大臂（前點）碰相關塔吊鉤”為例：

（1）實時計算本塔中心坐標點到相關塔吊鉤坐標點的距離d1，當“d1<本塔大臂長+預警距離”時，吊鉤進入本塔大臂的碰撞范圍；然后分別計算角度預警和距離預警；

（2）根據(jù)相關塔吊鉤坐標點相對于本塔的角度P_angle；當 |P_angle-本塔實時角度|<角度預警值時，觸發(fā)預警；

（3）實時計算相關塔吊鉤到本塔大臂的距離，當距離到達預警/報警范圍后，發(fā)生預警/報警。

4 系統(tǒng)實際使用效果

表4所示是應用本算法的塔機監(jiān)控系統(tǒng)在全國超過50個工地的應用統(tǒng)計結果。

表4 群塔防碰撞測試結果

本文所設計的塔機物聯(lián)安全防碰撞系統(tǒng)，其應用在具體監(jiān)控系統(tǒng)中時，整體系統(tǒng)的性能還取決于回轉傳感器以及幅度、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 語

本文針對現(xiàn)有市場上塔吊監(jiān)控產品中群塔防碰撞性能的不足，設計了基于LoRa傳輸技術的自組網防碰撞系統(tǒng)。文中所設計的防碰撞算法已廣泛應用于全國多個智慧工地的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)中，性能穩(wěn)定可靠，為工地塔機安全作業(yè)提供了更好的保障。