防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)在DG水電站起重施工中的應(yīng)用

鄭紅偉，張華軍，張 劍，蔣 理

(1.華電西藏能源有限公司大古水電分公司，西藏 山南 856000；2.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司西藏DG水電站主體工程建設(shè)監(jiān)理部，西藏 山南 856000；3.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611130)

1 防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用背景

起重機(jī)械是大型水電站工地中常見的設(shè)備，能夠在水平和垂直方向搬運(yùn)物料，對節(jié)省人力和加快施工進(jìn)度有著非常重要的意義。但是一方面，水電工程施工場地狹窄，另一方面，施工效率和現(xiàn)場吊裝要求高，將多臺不同類型的起重機(jī)同時(shí)布設(shè)在一個(gè)施工場地施工，及其容易出現(xiàn)交叉作業(yè)(見圖1)。起重機(jī)的作業(yè)空間出現(xiàn)重疊，可能出現(xiàn)干擾和碰撞，為了保證安全生產(chǎn)，需要對現(xiàn)場起重設(shè)備加裝防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 DG水電站施工現(xiàn)場起重機(jī)布置圖

DG水電站施工強(qiáng)度高、現(xiàn)場生產(chǎn)區(qū)域狹窄，同時(shí)起重機(jī)作業(yè)范圍大，施工情況復(fù)雜，配置了4臺MZQ1000門機(jī)、1臺MQ900B塔機(jī)、2臺QTZ200塔機(jī)、1臺QTZ900塔機(jī)、1臺QTZ1200塔機(jī)及1臺套30T固定式纜機(jī)等配合作業(yè)，交叉作業(yè)多，存在較大安全隱患。

針對DG水電站施工起重吊裝作業(yè)情況，防碰撞安全方面存在以下問題：①在起重吊裝吊裝過程中起重機(jī)可能與其他設(shè)備設(shè)施碰撞，造成設(shè)備的損失和安全事故；②起重吊裝設(shè)備指揮人員、司機(jī)在盲吊過程中，關(guān)注點(diǎn)不同且存在操作盲區(qū)，造成指揮的失誤，因而導(dǎo)致安全事故；③由于缺乏起重設(shè)備運(yùn)行記錄，部分設(shè)備的保養(yǎng)和維修只能根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，比較容易出現(xiàn)安全隱患；④由于沒有設(shè)備運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，只能通過發(fā)生事故以后的結(jié)果和目擊證人來分析推斷，對不安全事件和事故難以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治雠袛唷＿@就是防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)亟待解決的部分問題。

2 防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)基本內(nèi)容

DG水電站目前采用的防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)是通過增加吊鉤高度傳感器和角度傳感器實(shí)現(xiàn)檢測吊鉤的高度(X/Y軸的空間范圍)；通過監(jiān)測吊鉤高度和臂桿角度和回轉(zhuǎn)范圍，限制吊鉤在XYZ軸三維空間的安全工作區(qū)域；在門機(jī)與塔機(jī)、纜機(jī)的重要部位安裝毫米波雷達(dá)或者接近報(bào)警探頭，防止設(shè)備與起重吊裝設(shè)備間碰撞。該系統(tǒng)利用起重吊裝設(shè)備力矩系統(tǒng)內(nèi)的吊臂角度/幅度參數(shù)；建立多臺設(shè)備的組網(wǎng)，互相通訊。起重吊裝設(shè)備空間限位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、力矩系統(tǒng)帶設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，而且可以利用外接移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，導(dǎo)出相應(yīng)運(yùn)行的軌跡圖和相關(guān)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)視頻，為分析和判斷提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)整體框架如圖2所示，系統(tǒng)利用起重吊裝設(shè)備力矩系統(tǒng)內(nèi)的吊臂角度/幅度參數(shù)；建立多臺設(shè)備的組網(wǎng)，互相通訊。起重吊裝設(shè)備空間限位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、力矩系統(tǒng)帶設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，而且可以利用外接移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，導(dǎo)出相應(yīng)運(yùn)行的軌跡圖和相關(guān)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)視頻，為分析和判斷提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖2 門機(jī)防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

3 防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容包括：①防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)采用三種不同技術(shù)融合組成，比單一技術(shù)更保險(xiǎn)；②防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示預(yù)警功能，提前警示操作人員，預(yù)防可發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；③實(shí)時(shí)記錄起重設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，事故發(fā)生后，為開展事故調(diào)查、追責(zé)以及復(fù)盤總結(jié)，避免同類事故再次發(fā)生提供依據(jù)。在保障現(xiàn)場生產(chǎn)的前提下，為現(xiàn)場各部門安全管理工作提供數(shù)據(jù)支撐，讓起重設(shè)備的安全管理工作更精細(xì)、更高效。

防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)包括：主動(dòng)防碰撞、被動(dòng)防碰撞和輔助防碰撞三個(gè)方面(見圖3)。

圖3 塔機(jī)防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)部分硬件圖

3.1 被動(dòng)防碰撞系統(tǒng)

被動(dòng)防碰撞的基于三維空間模擬，通過在起重設(shè)備上安裝多個(gè)傳感器，采集高度、角度、幅度、方位等數(shù)據(jù)，并配以測量的空間坐標(biāo)系，各個(gè)起重設(shè)備上模擬出本機(jī)的實(shí)時(shí)空間狀態(tài)，同時(shí)相互通訊、相互檢測是否存在碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也能預(yù)警起重機(jī)械回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)有可能碰撞山體這類非設(shè)備的危險(xiǎn)。

目前DG水電站使用的塔吊防碰撞系統(tǒng)只是針對塔吊的幅度，高度，相對來說還是比較容易實(shí)現(xiàn)，塔吊的變量只有兩個(gè)參數(shù)，在現(xiàn)場門式起重機(jī)系統(tǒng)上，變量參數(shù)多，如臂桿角度，高度等，在防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)上增加軟件數(shù)據(jù)處理難度。

另外，這種方法要求通信鏈路必須可靠，其中1臺主機(jī)出現(xiàn)問題都有可能導(dǎo)致所有通訊出現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)包丟失，將對起重機(jī)械的安全作業(yè)帶來隱患。所以在無線網(wǎng)絡(luò)上，相鄰吊裝設(shè)備之間必須要無線通訊可靠，目前DG水電站防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)電臺式，但是此類傳輸臺式存在工地現(xiàn)場環(huán)境影響，因而，主動(dòng)防碰撞和輔助防碰撞系統(tǒng)應(yīng)現(xiàn)場需求而產(chǎn)生。

3.2 主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)

鑒于被動(dòng)檢測系統(tǒng)，對于障礙物不能主動(dòng)探測，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，在DG水電站應(yīng)用了一種通用型的方便拆卸的主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)。

克服在空間上存在各類吊裝起重設(shè)備的碰撞問題，為了解決這一問題，類似于汽車倒車?yán)走_(dá)的工業(yè)防碰撞技術(shù)首次在DG電站進(jìn)行應(yīng)用。該技術(shù)的關(guān)鍵硬件是毫米波雷達(dá)傳感器，通常毫米波是指30～300 GHz頻域(波長為1～10 mm)的。其中24 GHz雷達(dá)傳感器、77 Ghz雷達(dá)傳感器主要用于汽車防撞。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。同厘米波雷達(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、激光等光學(xué)傳感器相比，毫米波雷達(dá)穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，具有全天候(大雨天除外)全天時(shí)的特點(diǎn)。針對毫米波雷達(dá)的特性可以很好的用在施工場地惡劣的環(huán)境中(見圖4)。

圖4 毫米波雷達(dá)傳感器圖

主動(dòng)防碰撞基于雷達(dá)測距原理，雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射電磁波，在電磁波遇到目標(biāo)后，將沿著各個(gè)方向產(chǎn)生反射，其中的一部分電磁能量反射回雷達(dá)的方向，被雷達(dá)天線獲取，通過計(jì)算發(fā)出和返回的時(shí)間乘以光速常量就是當(dāng)前物體實(shí)時(shí)距離，在臂桿上由多個(gè)雷達(dá)天線組成的雷達(dá)陣列，能使整條臂桿探測出周圍物體的距離(如鋼絲繩)。

此項(xiàng)技術(shù)能有效的減輕操作人員負(fù)擔(dān)，能24 h不間斷服務(wù)，同時(shí)在夜晚視線不良情況下，能提供與白天一樣的監(jiān)測能力，提高安全可靠度。

3.3 輔助防碰撞系統(tǒng)

輔助防碰撞系統(tǒng)基于安裝在起重機(jī)械其他部分關(guān)鍵部位的攝像頭，通過司機(jī)駕駛室視頻監(jiān)控畫面能實(shí)時(shí)以高清晰圖像向塔吊司機(jī)展現(xiàn)吊鉤及設(shè)備周圍實(shí)時(shí)的視頻圖像，使司機(jī)能夠快速準(zhǔn)確的做出正確的操作和判斷，解決了施工現(xiàn)場塔吊司機(jī)的視覺死角，遠(yuǎn)距離視覺模糊，語音引導(dǎo)易出差錯(cuò)等行業(yè)難題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間更好的交互，提高吊車司機(jī)工作效率(見圖5和圖6)。

圖5 吊鉤小車上攝像頭

圖6 司機(jī)駕駛室視頻監(jiān)控畫面

4 結(jié) 語

本文基于高原DG水電站安全施工的防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)、被動(dòng)防碰撞系統(tǒng)、輔助防碰撞系統(tǒng)解決了施工現(xiàn)場的起重機(jī)之間干擾甚至碰撞、設(shè)備之間無法通訊，人機(jī)之間無法交互等問題。后期可利用遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺分析防碰撞安全監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)，綜合評估施工現(xiàn)場安全狀態(tài)，形成反違章管理閉環(huán)，進(jìn)而建立基于起重機(jī)管理維度、遠(yuǎn)程監(jiān)控維度、施工監(jiān)管維度、項(xiàng)目管理維度等多維度的智慧吊裝生態(tài)系統(tǒng)。