建筑塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡玉鳳　李元慶

【摘要】本文介紹了建筑塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)過程。通過設(shè)計(jì)塔吊運(yùn)行中的塔臂旋轉(zhuǎn)角度、塔機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、風(fēng)速、位置等運(yùn)行參數(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路、塔吊間無線通信電路、塔吊與管理方終端GPRS物聯(lián)網(wǎng)無線通信電路、觸摸屏顯示模塊和報(bào)警及警示模塊電路;提出了有效可行的塔吊防碰撞系統(tǒng)算法，并予以硬件實(shí)施，制作出雙塔吊防碰撞系統(tǒng)模型樣機(jī)，并予以系統(tǒng)功能測(cè)試。

【關(guān)鍵詞】塔吊 防碰撞 安全檢測(cè) 無線通信

一、引言

近年來，因樓群密集度的加大，為加快建造進(jìn)度，人們需將多臺(tái)塔吊集中分布在同一施工場(chǎng)地，并在固定區(qū)域內(nèi)同時(shí)交叉工作，這容易導(dǎo)致塔吊間發(fā)生碰撞事故。近十多年來，為滿足多塔吊協(xié)同工作的安全條件及需求，塔吊間的防碰撞問題已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。目前人們利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)、無線通信技術(shù)，提出了一種基于ARM的建筑塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有功能完善、工作性能可靠及塔吊防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)塔吊運(yùn)行狀態(tài)和多種工況信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)潛在的碰撞予以及時(shí)預(yù)警，增強(qiáng)了多塔吊同時(shí)作業(yè)的安全性，并提高了多塔吊設(shè)備管理的遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，他的研發(fā)具有重要的理論技術(shù)及工程操作意義，具有廣泛的應(yīng)用前景。

二、塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

圖一為塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖，通過對(duì)單塔吊自身信息的收集及塔吊間的信息自主交互，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)制定的塔吊間防碰撞算法，最終實(shí)現(xiàn)塔吊間的防碰撞、監(jiān)控及符合安全規(guī)范的雙塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)。

建筑塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)主要工作原理過程為，當(dāng)塔吊啟動(dòng)運(yùn)行后，微處理器根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式控制模塊發(fā)出的控制命令，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的起重臂轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài);同時(shí)，采集單塔吊的定位信息、風(fēng)速信息、起重臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度、電機(jī)狀態(tài)等信息，并將塔吊的起重臂轉(zhuǎn)角、風(fēng)速、電機(jī)狀態(tài)、塔吊狀態(tài)等信息在顯示器上予以顯示;系統(tǒng)通過塔吊與管理方無線通信模塊將塔吊位置、風(fēng)速、起重臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度等信息數(shù)據(jù)傳送到管理方客戶端，最終實(shí)現(xiàn)管理終端對(duì)塔吊的運(yùn)行狀態(tài)及所處環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)于塔吊系統(tǒng)，實(shí)時(shí)塔吊起重臂轉(zhuǎn)角信息通過塔吊間無線通信模塊，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息的自主交互。若雙塔吊系統(tǒng)不存在碰撞危險(xiǎn)，則正常運(yùn)行;若存在碰撞危險(xiǎn)，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警提示、對(duì)塔吊實(shí)施緊急剎車，并在顯示器顯示危險(xiǎn)警示信號(hào)，提示操作人員注意安全操作。在塔吊發(fā)生事故時(shí)，塔吊操作人員可選擇一鍵求救，求救信息包含與事故塔吊相對(duì)應(yīng)的塔吊位置和名稱，塔吊管理方便根據(jù)求救信息快速定位出發(fā)生事故的塔吊，并及時(shí)做出相應(yīng)措施。當(dāng)風(fēng)速超過規(guī)定范圍，塔吊也會(huì)緊急剎車，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

三、塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)所用軟件及算法設(shè)計(jì)

算法設(shè)計(jì)的目的是為了在塔吊可能發(fā)生碰撞危險(xiǎn)時(shí)，能及時(shí)阻止碰撞趨勢(shì)及事故的發(fā)生，特別是在塔吊操作人員未能及時(shí)阻止碰撞趨勢(shì)或緊張等原因而做出錯(cuò)誤操作的情況下，此算法仍可以起到塔吊緊急防碰撞功能。下面以雙塔吊為例，分析塔吊間發(fā)生碰撞的可能性。

①兩塔吊有重疊或交叉的工作區(qū)域，且其處于相同或近似高度，吊臂在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中存在發(fā)生碰撞的可能性分析。

②塔式起重機(jī)有重疊或交叉的工作區(qū)域，且其處于不同高度，高位塔式起重機(jī)及所吊的重物或吊繩與低位塔式起重機(jī)吊臂存在發(fā)生碰撞的可能性分析。

（1）當(dāng)雙塔吊處于相同或者近似高度的情形分析。圖二是近似高度的雙塔吊系統(tǒng)示意圖（其中|H1-H2|<Δ，Δ為一個(gè)安全余量）。

由圖三可見，圖中的灰色陰影部分即為塔吊發(fā)生相互碰撞的重疊區(qū)域;其中TA、TB分別表示塔吊A和塔吊B的基座中心;P1、P2分別為雙塔吊重疊工作區(qū)域的臨界點(diǎn);C點(diǎn)表示重疊區(qū)域的中心位置，它是線段P1P2和線段TATB的交點(diǎn)之一;RA、RB分別為塔吊A和塔吊B的吊臂長(zhǎng)度。結(jié)合圖三，根據(jù)三角形角度函數(shù)關(guān)系有

因此，當(dāng)確定兩塔吊間的相鄰距離TATB以及兩塔吊的吊臂長(zhǎng)度RA和RB后，便可根據(jù)上述公式計(jì)算出雙塔吊發(fā)生碰撞可能存在的危險(xiǎn)區(qū)域（如圖三中灰色部分）。該危險(xiǎn)區(qū)域在塔吊架設(shè)時(shí)便可計(jì)算獲得。當(dāng)任一塔吊吊臂一旦進(jìn)入該區(qū)域，則啟動(dòng)防碰撞算法計(jì)算。

（2）圖四是塔吊處于不同高度及差異較大的情況下，相鄰兩塔吊的布置示意圖。圖四中，H定義為安全裕度，表示高位塔吊吊纜與低位塔吊起重臂間的一個(gè)最低水平安全距離，當(dāng)高位塔吊吊纜與低位塔吊起重臂間的實(shí)際距離大于裕度H時(shí)，塔吊間不存在相互碰撞可能，因此不需啟動(dòng)塔吊間的防碰撞算法;反之，當(dāng)實(shí)際距離小于裕度H時(shí)，則需啟動(dòng)塔吊間的防碰撞算法。所啟用的防碰撞算法，其關(guān)鍵仍為利用上述公式計(jì)算出塔吊工作的重疊區(qū)域，并判斷吊臂是否進(jìn)入該區(qū)域運(yùn)動(dòng)。

從上述分析可知，當(dāng)兩臺(tái)塔吊吊臂同時(shí)進(jìn)入存在碰撞可能危險(xiǎn)區(qū)域（單塔吊吊臂進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)不會(huì)出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)）時(shí)，可進(jìn)一步根據(jù)兩塔吊起重臂之間的轉(zhuǎn)角裕度進(jìn)行判斷是否存在碰撞可能：若兩機(jī)保持安全角度（即安全距離），則系統(tǒng)正常工作;若出現(xiàn)多塔吊起重臂運(yùn)行危險(xiǎn)接近，則兩者轉(zhuǎn)角裕度低于安全裕度，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒操作員注意安全操作，若低于轉(zhuǎn)角裕度的臨界值，塔吊操作人員沒有做出阻止碰撞的操作或者做了錯(cuò)誤操作，則啟動(dòng)防碰撞指令，塔吊緊急剎車，此時(shí)塔吊系統(tǒng)只能執(zhí)行向非碰撞區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)的操作。

四、建筑塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)塔吊起重臂旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制、風(fēng)速測(cè)量、定位、塔吊間及塔吊與管理方通信，顯示功能和報(bào)警及警示，需對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)予以系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和程序編程。系統(tǒng)主程序運(yùn)作過程如圖五所示。

五、結(jié)論

隨著科技的迅速發(fā)展，為提高建筑施工效率、節(jié)約成本，對(duì)建筑工地智能塔吊組群協(xié)同工作提出了新的要求。如何將先進(jìn)的微處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等融入到建筑領(lǐng)域，解決塔吊自身各部分的安全監(jiān)控及塔吊間的防碰撞問題，是本課題研究設(shè)計(jì)的目的。為此，設(shè)計(jì)了建筑塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)，并研究設(shè)計(jì)了可行、有效的雙塔吊系統(tǒng)防碰撞算法。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件模型的功能測(cè)試結(jié)果不僅表明預(yù)期功能的可行性和有效性，且反映了系統(tǒng)整體工作的可靠性。本設(shè)計(jì)為其他相似的塔吊間防碰撞設(shè)計(jì)及研究提供了參考。