建筑塔機吊裝作業(yè)GNSS精準(zhǔn)定點放樣

周命端，羅德安，丁克良，周樂皆，王 堅

(北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616)

建筑塔機因其具有變幅長、塔身高、吊裝重、全方圓、作業(yè)效率高等特點，在現(xiàn)代化裝配式建筑施工中得到極廣泛應(yīng)用[1]。然而建筑塔機成群在狹小的施工場地高密度布放、重強度作業(yè)、大重量承載、全方圓范圍內(nèi)進(jìn)行吊裝作業(yè)，屬于一種安全事故發(fā)生概率較大的機械設(shè)備[2-3]。為滿足建筑塔機吊裝作業(yè)安全需求，近年來狀態(tài)安全監(jiān)控與預(yù)警已成為保證塔機可靠工作的重要手段和研究熱點[4-5]，對建筑塔機監(jiān)測點位精準(zhǔn)定位及運行狀態(tài)安全性保障提出了更高要求[6]。

GNSS是建筑塔機狀態(tài)安全監(jiān)控與預(yù)警的重要傳感器之一，基于偽距的位置定位因精度低將不適應(yīng)智能化塔機發(fā)展要求[7-8]。然而監(jiān)測點精準(zhǔn)定位是建立塔機狀態(tài)安全監(jiān)控與預(yù)警管控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一[9-12]，GNSS方法又具有先天獨特的優(yōu)勢[13]。針對塔機狀態(tài)安全監(jiān)控與預(yù)警的復(fù)雜工作環(huán)境，為進(jìn)一步提高塔機GNSS定位精度和可靠性，探討一種基于GNSS載波相位觀測值的塔機精準(zhǔn)定位技術(shù)，應(yīng)用于建筑塔機吊裝作業(yè)定點放樣，開發(fā)相應(yīng)的程序模塊，適應(yīng)于智能化塔機發(fā)展需求，對于提高塔機智能安全管理的現(xiàn)代化水平具有重要的促進(jìn)作用。

1 GNSS精準(zhǔn)定點放樣方法

本文基于GNSS載波相位觀測值的精密定位方法，提出一種GNSS精準(zhǔn)定點放樣方法，算法流程如圖1所示。

根據(jù)圖1，具體實施步驟如下[14]：

(1) 步驟S1：根據(jù)所述GNSS流動站自身采集的導(dǎo)航衛(wèi)星觀測值及設(shè)置于地面的GNSS基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)通信鏈發(fā)送的經(jīng)導(dǎo)航衛(wèi)星間差分處理后的綜合誤差改正信號，計算得到所述GNSS流動站的厘米級天線相位中心三維空間坐標(biāo)，計算原理見文獻(xiàn)[1,13]。

(2) 步驟S2：根據(jù)所述GNSS流動站的天線相位中心三維空間坐標(biāo)計算得到所述塔機吊鉤上方的所述動滑輪中心的三維空間坐標(biāo)，所述動滑輪中心的三維空間坐標(biāo)的計算公式為

X=XG+XN，Y=YG+YE，H=HG+HU+f(α1,A)-H1-r

(1)

式中，(X,Y,H)為動滑輪中心的三維空間坐標(biāo)；(XG,YG,HG)為GNSS流動站的天線相位中心的三維空間坐標(biāo)；(XN,YE,HU)為GNSS流動站的天線相位中心與天線幾何中心的偏差，為由GNSS接收機天線校準(zhǔn)機構(gòu)提供的依據(jù)每隔5°衛(wèi)星方位角和每隔5°衛(wèi)星高度角校出的網(wǎng)格天線模型，然后隨導(dǎo)航衛(wèi)星的實際方位角α1及實際高度角A進(jìn)行雙線性內(nèi)插計算獲得插值[15]；H1為GNSS流動站的天線幾何中心到動滑輪中心對應(yīng)的頂部的垂高；r為動滑輪的半徑。

(3) 步驟S3：設(shè)置于吊繩段上的偏擺感應(yīng)測量裝置跟蹤并測量吊繩段的偏擺參數(shù)，偏擺感應(yīng)測量裝置包括激光信號發(fā)射器和水平圓形偏擺測量單元(銦瓦圓條碼數(shù)字水平度盤)，激光信號發(fā)射器設(shè)置于從吊繩段的首端起算長度l處，水平圓形偏擺測量單元的中心與吊繩段的首端連接，水平圓形偏擺測量單元設(shè)置于支撐架的底部，當(dāng)塔機吊鉤發(fā)生擺動時，激光信號發(fā)射器感應(yīng)吊繩段的擺動，并在吊繩段的擺動時垂直向上發(fā)送激光信號至水平圓形偏擺測量單元；水平圓形偏擺測量單元根據(jù)激光信號發(fā)射在水平圓形偏擺測量單元的標(biāo)定點S，自動測量出激光信號發(fā)射器的水平面偏擺角α、水平面偏擺距離R，如圖2所示。水平圓形偏擺測量單元的半徑c與長度l、動滑輪的半徑r滿足如式(2)所示的關(guān)系式

(2)

式中，L為吊繩段的長度；k為吊繩段的安全系數(shù)；k=0.7～1.0。由圖2所示，判斷吊繩段偏擺角度β是否超出預(yù)警角度χ，若是，則發(fā)出用于提示暫停作業(yè)的報警信號。吊繩段偏擺角度β和預(yù)警角度χ計算公式為

(3)

式中，R為激光信號發(fā)射器的水平面偏擺距離；l為激光信號發(fā)射器的位置到吊繩段首端的長度；c為水平圓形偏擺測量單元的半徑。

(4) 步驟S4：根據(jù)動滑輪中心的三維空間坐標(biāo)和吊繩段的偏擺參數(shù)，計算得到塔機吊鉤的三維空間坐標(biāo),塔機吊鉤的三維空間坐標(biāo)的計算公式為

(4)

式中，(Xg,Yg,Hg)為塔機吊鉤的三維空間坐標(biāo)；(X,Y,H)為動滑輪中心的三維空間坐標(biāo)；L為吊繩段的長度；l為激光信號發(fā)射器的位置到吊繩段首端的長度；r為動滑輪的半徑；H2為動滑輪中心對應(yīng)的底部到水平圓形偏擺測量單元的垂高；α、R分別為激光信號發(fā)射器的水平面偏擺角和水平面偏擺距離。

2 GNSS吊裝作業(yè)定點放樣系統(tǒng)(GNSS_PLS)

2.1 系統(tǒng)組成

GNSS_PLS系統(tǒng)包括：①GNSS基準(zhǔn)站，設(shè)置于地面觀測衛(wèi)星視域較為寬闊的地方。②GNSS流動站，設(shè)置于支撐架的頂部。③激光信號發(fā)射器，激光信號發(fā)射器設(shè)置于第二吊繩段上，用于感應(yīng)第二吊繩段的擺動，并在第二吊繩段的擺動時垂直向上發(fā)送激光信號。④偏擺測量裝置，偏擺測量裝置與塔機支撐架的底部連接，偏擺測量裝置用于接收激光信號，并根據(jù)激光信號測量并計算激光信號發(fā)射器的偏擺參數(shù)，偏擺測量裝置包括連接于支撐架底部的銦瓦圓條碼數(shù)字水平度盤，銦瓦圓條碼數(shù)字水平度盤由激光信號觸發(fā)，并根據(jù)激光信號發(fā)射在銦瓦圓條碼數(shù)字水平度盤的標(biāo)定點S，自動測量出激光信號發(fā)射器的水平面偏擺角α和水平面偏擺距離R。⑤數(shù)據(jù)處理裝置，用于根據(jù)GNSS流動站的天線相位中心三維空間坐標(biāo)計算得到動滑輪中心的三維空間坐標(biāo)，并根據(jù)動滑輪中心的三維空間坐標(biāo)以及激光信號發(fā)射器的偏擺參數(shù)，計算得到吊鉤的三維空間坐標(biāo)。⑥報警裝置，用于根據(jù)報警信號發(fā)出鳴叫聲的聲音報警器裝置以及用于根據(jù)報警信號發(fā)出閃爍燈光的燈光報警器裝置。

2.2 開發(fā)思路

對于單臺建筑塔機而言，GNSS建筑塔機吊裝作業(yè)定點放樣輔助系統(tǒng)(GNSS_PLS)開發(fā)思路如圖3所示。

如圖3所示，在施工場地視野開闊地方架設(shè)1臺GNSS基準(zhǔn)站，同時在塔臂移動車正下方的動滑輪頂部安裝1臺GNSS流動站，地面吊裝員甲、乙各手持1臺高精度GNSS流動站定位的觀測手簿，3臺GNSS流動站實時接收來自GNSS基準(zhǔn)站的綜合誤差改正信號，構(gòu)成“1+3”GNSS RTK定位模式，實現(xiàn)厘米級的高精度定位功能。

2.3 定點放樣元素計算

吊裝定點(P)元素與吊裝放樣(L)元素的計算方法類似[16]。以吊裝定點(P)元素計算為例進(jìn)行闡述。建筑施工塔吊機在吊裝作業(yè)過程中，吊裝定點元素分兩步實施：

第一步，粗定點工作。粗定點元素包括吊鉤實時位置(N,E,U)與吊裝物定點坐標(biāo)(NP,EP,UP)之間的平面距離元素ΔD和吊鉤實時位置與吊裝物定點坐標(biāo)之間的垂向高差元素ΔH，計算公式為

(5)

第二步，精定點工作。精定點元素包括吊鉤實時位置(N,E,U)與吊裝物定點坐標(biāo)(NP,EP,UP)之間的橫向坐標(biāo)元素ΔE、縱向坐標(biāo)元素ΔN和垂向高差元素ΔH，計算公式為

(6)

監(jiān)控平臺實時顯示粗定點工作的平面距離元素ΔD和垂向高差元素ΔH，建筑塔機駕駛員根據(jù)平面距離元素ΔD和垂向高差元素ΔH操控塔機實施吊裝粗定點工作。當(dāng)監(jiān)控平臺提示粗定點工作的平面距離元素ΔD小于1 m時，監(jiān)視平臺實時將粗定點元素顯示頁面切換為精定點元素顯示頁面，此時，監(jiān)控平臺實時顯示精定點工作的橫向坐標(biāo)元素ΔE、縱向坐標(biāo)元素ΔN和垂向高差元素ΔH，建筑塔機駕駛員根據(jù)橫向坐標(biāo)元素ΔE、縱向坐標(biāo)元素ΔN和垂向高差元素ΔH操控塔機實施吊裝精定點工作。

2.4 GNSS_PLS系統(tǒng)實現(xiàn)

將衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法(GNSS)應(yīng)用于塔機吊裝定點放樣定位中，基于載波相位觀測值的高精度GNSS單歷元技術(shù)，利用VS2010開發(fā)平臺，運用C#編程語言，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于高采樣率(≤1 s)衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法(GNSS)的塔機吊裝定點放樣輔助系統(tǒng)(GNSS_PLS)。GNSS_PLS系統(tǒng)主界面設(shè)計視圖分兩種：一種為基于Google Map地圖的界面設(shè)計(如圖4所示)；一種為基于人機交互監(jiān)視的界面設(shè)計(如圖5所示)。

3 試驗測試與分析

為測試與分析塔機吊裝作業(yè)定點放樣定位系統(tǒng)(GNSS_PLS)的智能指揮功能(定點、放樣)的可行性和有效性，在周口店遺址第1地點(猿人洞)保護(hù)建筑工程項目部所使用的某大型塔機開展了試驗測試工作。為分析GNSS_PLS系統(tǒng)的智能指揮(定點、放樣)監(jiān)控的精度情況，任意選取連續(xù)5 min的GNSS流動站(rover_1366)的智能指揮監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析，如圖6所示。

如圖6所示，對于GNSS流動站(rover_1366)所統(tǒng)計的連續(xù)300個歷元里，在N方向的中誤差最小值為0.009 m，最大值為0.015 m，平均值為0.013 m；在E方向的中誤差最小值為0.008 m，最大值為0.014 m，平均值為0.011 m；在U方向的中誤差最小值為0.021 m，最大值為0.036 m，平均值為0.029 m。經(jīng)數(shù)值統(tǒng)計分析表明：GNSS_PLS系統(tǒng)的智能指揮(定點、放樣)監(jiān)控的精度為厘米級，這說明本文算法可為塔機吊鉤位置精準(zhǔn)定位提供一種高精度的實時算法。

4 結(jié) 語

針對塔機吊裝作業(yè)復(fù)雜工作環(huán)境，為提高塔機監(jiān)測點GNSS定位精度和可靠性，本文利用基于GNSS載波相位觀測值的精密定位方法，提出了一種GNSS精準(zhǔn)定點放樣方法，應(yīng)用于建筑塔機精準(zhǔn)定位放樣中，并詳細(xì)地給出了塔機吊鉤位置精密定位算法思想及公式推導(dǎo)?；赩S2010開發(fā)平臺，運用C#編程語言，建立了本文算法的功能模塊，設(shè)計、開發(fā)了一套基于GNSS的塔機吊裝作業(yè)定點放樣輔助系統(tǒng)(簡稱GNSS_PLS)，并在某遺址保護(hù)建筑工程所使用的某大型塔機吊裝作業(yè)過程中進(jìn)行了試驗測試與分析，GNSS_PLS系統(tǒng)的智能指揮監(jiān)控精度為厘米級，驗證了本文算法的正確性和可行性，進(jìn)而對GNSS_PLS系統(tǒng)在保障塔機智能指揮的精準(zhǔn)監(jiān)控效果方面獲得了初步試驗驗證。