淺談楊房溝水電站防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

馬國(guó)師，段昊衡

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

1 工程概況

楊房溝水電站是國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)的EPC水電站施工項(xiàng)目，其擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩,大壩最高處為155 m，壩頂中心線弧長(zhǎng)362.17 m，壩體混凝土總量約86.06萬(wàn)m3，澆筑工作持續(xù)時(shí)間約25個(gè)月。壩址區(qū)為典型的高山峽谷地貌，施工區(qū)域地形狹窄、環(huán)境復(fù)雜。楊房溝水電站壩址區(qū)域起重設(shè)備布置情況如圖1所示。

圖1 楊房溝水電站壩址區(qū)域起重設(shè)備圖

為滿足大壩混凝土澆筑、材料吊運(yùn)及水墊塘邊墻作業(yè)需求，壩址區(qū)域集中分布多臺(tái)大型起重吊裝設(shè)備，具體為3臺(tái)纜機(jī)、1臺(tái)MQ900B門機(jī)（壩后）、1臺(tái)C7050塔機(jī)（壩前）。其中，壩后MQ900B門機(jī)、壩前C7050塔機(jī)與纜機(jī)存在局部交叉運(yùn)行現(xiàn)象，碰撞安全隱患突出，極有可能發(fā)生因人員操作不當(dāng)、設(shè)備故障、環(huán)境因素等導(dǎo)致設(shè)備碰撞生產(chǎn)安全事故，影響大壩混凝土澆筑安全及施工效率。經(jīng)多方研究，一致認(rèn)為將楊房溝水電站壩址區(qū)域大型起重吊裝設(shè)備應(yīng)用到防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)十分有必要。

2 防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

根據(jù)目前技術(shù)條件，結(jié)合水電站現(xiàn)場(chǎng)大型起重設(shè)備碰撞存在的安全隱患，在防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)中，利用起重設(shè)備力矩系統(tǒng)中吊鉤高度和吊臂角度、幅度等參數(shù)，建立多臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)。從主動(dòng)防碰撞、被動(dòng)防碰撞和輔助防碰撞三個(gè)方面進(jìn)一步完善設(shè)備運(yùn)行期間的防碰撞預(yù)警通訊，利用外部接收移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，導(dǎo)出起重設(shè)備運(yùn)行期間防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)的空間限位、視頻監(jiān)控、力矩系統(tǒng)等數(shù)據(jù)記錄、軌跡圖及實(shí)時(shí)視頻等數(shù)據(jù)，便于后期分析。

2.1 防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)組成及安裝

防碰撞系統(tǒng)由起重吊裝設(shè)備位置檢測(cè)、信息交換系統(tǒng)、運(yùn)算處理系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)組成[1]。

通過(guò)在壩前C7050塔機(jī)增加吊鉤高度傳感器、臂桿幅度傳感器和回轉(zhuǎn)傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)吊鉤高度、臂桿水平位置，在壩后MQ900B門機(jī)增加吊鉤高度傳感器、臂桿角度傳感器和回轉(zhuǎn)傳感器，實(shí)現(xiàn)吊鉤高度、臂桿水平位置實(shí)時(shí)檢測(cè)，在纜機(jī)加裝起升編碼器、行走編碼器實(shí)現(xiàn)吊鉤水平位置、大車水平位置實(shí)時(shí)檢測(cè)，有效限制各臺(tái)設(shè)備在三維空間內(nèi)的安全工作區(qū)域、行走區(qū)域。壩前C7050塔機(jī)傳感器安裝位置示意圖如圖2所示。

圖2 壩前C7050塔機(jī)傳感器安裝位置示意圖

在此基礎(chǔ)上，建立上述5臺(tái)設(shè)備的組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)互相通訊。門機(jī)、塔機(jī)臂桿部位安裝毫米波雷達(dá)傳感器，檢測(cè)設(shè)備與山體、建筑物等障礙物距離，防止發(fā)生碰撞。

2.2 防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

楊房溝水電站采用的防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)包括主動(dòng)防碰撞、被動(dòng)防碰撞及輔助防碰撞。主動(dòng)防碰撞主要應(yīng)用于壩前C7050塔機(jī)和壩后MQ900B門機(jī)中。防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖3所示。

在塔機(jī)、門機(jī)臂桿重要部位安裝毫米波雷達(dá)傳感器，探測(cè)水平方向上的山體、建筑物等障礙物，通過(guò)數(shù)據(jù)反饋，監(jiān)測(cè)臂桿水平兩側(cè)的障礙物，實(shí)現(xiàn)防止碰撞。塔機(jī)與纜機(jī)、門機(jī)與纜機(jī)之間采用被動(dòng)防碰撞系統(tǒng)，建立防碰撞關(guān)系組網(wǎng)，交換各個(gè)設(shè)備的位置、運(yùn)行狀態(tài)等信息，通過(guò)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)，獲取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息[2-4]，避免設(shè)備間發(fā)生碰撞。輔助防碰撞主要包括監(jiān)控?cái)z像頭、觸摸屏等。以下將以被動(dòng)防碰撞、主動(dòng)防碰撞及輔助防碰撞三個(gè)方面完善防碰撞預(yù)警通訊。

圖3 防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

2.2.1 被動(dòng)防碰撞

基于三維空間模擬被動(dòng)防碰撞系統(tǒng)，通過(guò)在起重設(shè)備上安裝多個(gè)傳感器，采集設(shè)備運(yùn)行高度、角度、幅度、方位朝向等數(shù)據(jù)[5、6]，配合使用楊房溝水電站壩址區(qū)域測(cè)量空間坐標(biāo)系，在各個(gè)起重設(shè)備上實(shí)時(shí)模擬本機(jī)運(yùn)行時(shí)間空間狀態(tài)，同時(shí)互相檢測(cè)是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 主動(dòng)防碰撞

為主動(dòng)探測(cè)山體、建筑物、鋼絲繩等障礙物的碰撞，楊房溝水電站首次應(yīng)用了專業(yè)毫米波雷達(dá)傳感器。

通常毫米波波長(zhǎng)為1 mm～10 mm，頻域在30 GHz～300 GHz之間。毫米波的波長(zhǎng)介于微波與紅外波之間，因此，毫米波兼有兩個(gè)波段的特性[7]。同微波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點(diǎn)。與攝像頭、紅外、激光等紅外波傳感器相比，毫米波雷達(dá)抗干擾能力強(qiáng)，穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，能檢測(cè)到復(fù)雜環(huán)境下的弱目標(biāo)，受雨、雪天氣影響小，具有全天候（大雨天除外）、全天時(shí)工作能力的優(yōu)勢(shì)，不僅可以測(cè)距，還能測(cè)速、測(cè)角[8]。綜合比較，毫米波雷達(dá)的特性可以更好地應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜惡劣環(huán)境中。

基于雷達(dá)測(cè)距原理，主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)利用雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生足夠的電磁能量，經(jīng)過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)傳送給天線，天線將這些電磁能量輻射集中在某一個(gè)很窄的方向上形成波束向前傳播，電磁波遇到波束內(nèi)目標(biāo)后，被雷達(dá)天線獲取，通過(guò)電磁波發(fā)出、返回時(shí)間與光速常量可以計(jì)算當(dāng)前物體實(shí)時(shí)距離[9]。在起重設(shè)備臂桿上安裝多個(gè)雷達(dá)天線組成的雷達(dá)陣列，探測(cè)整條臂桿周圍任何物體距離，起到主動(dòng)預(yù)警、防碰撞效果。

毫米波雷達(dá)主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的人工觀測(cè)防碰撞方式，可有效克服視線差、惡劣天氣環(huán)境影響，能夠24 h不間斷運(yùn)行服務(wù)，極大地提高了設(shè)備防碰撞效率。

2.2.3 輔助防碰撞

安裝在吊鉤小車上的攝像頭，可實(shí)時(shí)變焦監(jiān)控吊鉤位置，防止吊裝過(guò)程中出現(xiàn)遮擋盲點(diǎn)影響操作人員觀察視線而無(wú)法判斷設(shè)備運(yùn)行狀況。觸摸屏以動(dòng)畫(huà)的形式顯示各防撞設(shè)備的位置和工作狀態(tài)，設(shè)備之間發(fā)生碰撞時(shí)，顯示屏上有顏色的變化和聲光報(bào)警，提示操作人員有可能出現(xiàn)設(shè)備碰撞事故。

2.3 防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)控制參數(shù)

為進(jìn)一步優(yōu)化防碰撞系統(tǒng)，針對(duì)以下三種情況，設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)的控制參數(shù)：

纜機(jī)與壩前C7050塔機(jī)、壩后MQ900B門機(jī)防碰距離范圍30 m時(shí)剎車并減速到3檔，20 m時(shí)剎車并減速到1 檔，同時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，10 m時(shí)輸出停機(jī)指令，以上參數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)情況在儀表參數(shù)設(shè)置調(diào)整。

纜機(jī)與壩前C7050塔機(jī)、壩后MQ900B門機(jī)防碰角度小于30°時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，小于20°時(shí)輸出停機(jī)指令，防碰范圍角度可以通過(guò)儀表參數(shù)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。

塔機(jī)、門機(jī)安裝的毫米波雷達(dá)傳感器在0.5 m到8 m內(nèi)可以檢測(cè)到15 mm的鋼絲繩，0.5 m到40 m內(nèi)可以檢測(cè)到山體、建筑物等大型障礙物，在臂桿接近山體和建筑物10 m時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，5 m時(shí)輸出停機(jī)指令，此參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行設(shè)置。

3 防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果

防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)的正常投入使用，極大程度地保證了壩址區(qū)域纜機(jī)、門機(jī)、塔機(jī)的運(yùn)行安全，從原有的全依靠肉眼“主觀指揮、主觀操作”，到當(dāng)前的“主動(dòng)保護(hù)、被動(dòng)防護(hù)、接近預(yù)警、自行制動(dòng)”，極大地提高了設(shè)備防碰撞的保障性[10]。

該系統(tǒng)主要特點(diǎn)為：一是融合應(yīng)用兩種不同技術(shù)，比單一的防碰撞系統(tǒng)技術(shù)更保險(xiǎn)；二是防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示預(yù)警功能，提前警示設(shè)備操作人員，預(yù)防可能發(fā)生的安全事故；三是能夠?qū)崟r(shí)記錄設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，為事故發(fā)生后的事故調(diào)查分析、復(fù)盤(pán)總結(jié)提供數(shù)據(jù)支撐。在復(fù)雜惡劣施工環(huán)境下，大型設(shè)備防碰撞安全管理中具有較好的實(shí)際應(yīng)用效果，為實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)EPC水電站施工項(xiàng)目創(chuàng)優(yōu)提供了安全保障。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了楊房溝水電站應(yīng)用的防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用主動(dòng)防碰撞、被動(dòng)防碰撞、輔助防碰撞技術(shù)解決了施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控、防碰撞預(yù)警等問(wèn)題。后期可利用信息化監(jiān)控平臺(tái)對(duì)防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，綜合評(píng)估施工現(xiàn)場(chǎng)起重設(shè)備安全狀況，形成反違章閉合管理，具有較好的實(shí)際應(yīng)用效果。