基于分布式構(gòu)架的塔機群碰撞預(yù)警算法設(shè)計

劉 昕 鑫， 范 道 林

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

近幾年，國內(nèi)對群塔作業(yè)防碰撞技術(shù)的研究已經(jīng)越來越重視，但防碰撞系統(tǒng)或裝置仍未能得到普遍應(yīng)用。隨著各類新興技術(shù)的發(fā)展和成熟，在算法設(shè)計、硬件技術(shù)等方面仍有一定的研究和進(jìn)步空間[1,2]。

在算法設(shè)計方面，筆者通過分析國內(nèi)各機構(gòu)和我公司的研究進(jìn)程發(fā)現(xiàn)：有的僅關(guān)注于幅度限位、高度限位和角度限位等簡單功能集成，所采用的防碰撞算法處理較為單一，難以全面、準(zhǔn)確地預(yù)測碰撞危險；有的側(cè)重于區(qū)域限制計算，無法滿足諸如水電站大壩施工環(huán)境下不同類型塔機交叉作業(yè)的需要；有的算法設(shè)計過于復(fù)雜，未考慮到實際工程應(yīng)用的可行性；還有的算法存在對不同型號塔機的推廣應(yīng)用兼容性不足的問題。[3]

筆者所設(shè)計的碰撞預(yù)警算法已應(yīng)用于瓦托水電站工程。該工程施工場地狹小，工期緊張，工作強度高。三臺設(shè)備的活動區(qū)域在施工現(xiàn)場互有交錯，設(shè)備運行過程中交叉施工干擾極大，安全隱患突出(圖1)。筆者結(jié)合瓦托水電站施工現(xiàn)場的實際情況，從系統(tǒng)實用性、可靠性及系統(tǒng)開發(fā)時限等出發(fā)，設(shè)計出一種更為精簡、易推廣的算法。

圖1 瓦托水電站施工現(xiàn)場

2 碰撞預(yù)警規(guī)則的制定

2.1 碰撞預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)架的研究

目前，分布式構(gòu)架越來越受到計算機界的青睞，對分布式系統(tǒng)的定義如下：分布式系統(tǒng)是一個硬件或軟件組件分布在不同的網(wǎng)絡(luò)計算機上，彼此之間僅僅通過消息傳遞進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。[4]由于瓦托水電站施工現(xiàn)場僅有三臺用于混凝土澆筑的塔機，且其屬于塔身底座固定類型，無需通過GPS技術(shù)進(jìn)行大范圍位置定位，因此，為了降低系統(tǒng)硬件要求、實現(xiàn)模塊化，技術(shù)人員將分布式構(gòu)架的概念應(yīng)用于碰撞預(yù)警系統(tǒng)中。

本課題開發(fā)出的分布式系統(tǒng)的特點為：

(1)取消作為中心節(jié)點的基站，實現(xiàn)設(shè)備間依靠無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同互聯(lián)。

(2)在系統(tǒng)中所有設(shè)備的司機室配備一臺平板電腦作為控制主機，各設(shè)備根據(jù)自身需要獲取信息，僅進(jìn)行與自身相關(guān)的防碰撞計算，從而使信息傳輸量和計算量得到降低，對硬件配置要求亦隨之降低。

(3)在分布式構(gòu)架之下，各施工設(shè)備上的軟硬件配置和功能基本相同，易實現(xiàn)模塊化，從而便于系統(tǒng)中施工設(shè)備數(shù)量的增加等后續(xù)功能擴展或向同類推廣，適應(yīng)性強。

圖2為碰撞預(yù)警系統(tǒng)的分布式構(gòu)架體系，系統(tǒng)涵蓋的每臺塔機上都形成一個完整而獨立的模塊，各模塊之間借助無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息互聯(lián)。每臺塔機上均以控制主機為中心，配備有為自身碰撞預(yù)測服務(wù)的信息采集、傳輸和處理設(shè)備。同時，均編制有功能完備的碰撞預(yù)警軟件，軟件的后臺進(jìn)行碰撞預(yù)警計算，前端界面實現(xiàn)現(xiàn)場運動模擬、信息警示等功能。

圖2 系統(tǒng)分布式構(gòu)架示意圖

2.2 塔機群作業(yè)防碰撞規(guī)則的研究

筆者根據(jù)塔機群作業(yè)的設(shè)備特點和環(huán)境特點分析出以下幾個問題：無論是平臂塔機，還是動臂塔機，其運動狀態(tài)均由回轉(zhuǎn)、變幅和起升三個方向的復(fù)合運動組成。其中，由于回轉(zhuǎn)運動慣性較大、發(fā)生較頻繁、運動路徑范圍廣，相比較之下最易遭遇碰撞事故，因此，應(yīng)當(dāng)將回轉(zhuǎn)運動作為主運動形式進(jìn)行碰撞預(yù)警。

鑒于塔機作業(yè)的回轉(zhuǎn)速度一般不超過5°/s，在狹小場地和緊張工期的前提下，塔機之間常常近距離作業(yè)，如果過早報警或漏報、誤報都將影響工作效率或造成損害。因此，碰撞預(yù)警系統(tǒng)需要預(yù)測未來多長時間后發(fā)生碰撞并制定出合理的提前報警時間，根據(jù)時間的長短區(qū)分警報級別。

分布式構(gòu)架之下，各塔機只考慮自身是否會撞到對方，因此，當(dāng)自身塔機產(chǎn)生運動時(包括回轉(zhuǎn)、變幅和起升)，才開始進(jìn)行相應(yīng)的碰撞預(yù)警計算，避免自身與外部碰撞。即對每臺塔機來說，當(dāng)需要自己主動避讓時，才對自身構(gòu)成碰撞警報。

3 碰撞預(yù)警算法的設(shè)計思路

碰撞預(yù)警算法針對的對象主要是大壩施工現(xiàn)場的三臺塔機。俯視角度觀察到的瓦托水電站施工現(xiàn)場的三臺塔機的平面布置情況見圖3。圖中左側(cè)、右側(cè)均為平臂式塔機，左右兩個直徑較大的圓圈代表其工作覆蓋范圍；中間為動臂式塔機，中間直徑較小的圓圈代表其工作覆蓋范圍。筆者以左側(cè)、右側(cè)、中間塔機的簡稱指代三臺設(shè)備。塔機布置的剖視情況見圖4。

圖3 塔機平面布置圖

圖4 塔機布置剖視圖

雖然施工設(shè)備的三維形體復(fù)雜，但可將其看作多個簡單形體的組合。對該系統(tǒng)中塔機而言，根據(jù)其運動狀態(tài)，可以將其整體解析為固定不動的塔身部分以及發(fā)生運動的起重臂、平衡臂、懸吊重物的鋼絲繩幾部分，即可將不同設(shè)備間的碰撞問題轉(zhuǎn)化為設(shè)備不同部件間的碰撞問題。在該系統(tǒng)中，設(shè)備部件間存在26種可能發(fā)生的碰撞情況(表1)。

針對分解后的塔機部件間的碰撞現(xiàn)象，起重臂投影為一條線、鋼絲繩投影為一個點、塔身外輪廓投影為圓形或方形，將碰撞問題簡化為平面上點線之間距離的研究，進(jìn)一步降低了算法難度。

此時，算法的繁瑣程度仍然較高。筆者結(jié)合碰撞現(xiàn)象的實質(zhì)以及“主動設(shè)備避讓原則”，對所有碰撞情況進(jìn)行了共性化處理，提取出了點碰線、線碰點、點碰固定障礙物、線碰固定障礙物等4個核心計算函數(shù)，在該系統(tǒng)中，26種碰撞現(xiàn)象在經(jīng)過角度映射等處理后均可歸類到以上4個本質(zhì)計算函數(shù)中去(表1)。

表1 部件間所有可能發(fā)生的碰撞現(xiàn)象表

綜上所述，經(jīng)過部件分解、二叉樹遍歷遞歸算法、三維向二維縮維、共性化處理等步驟，算法得到精簡，易推廣。[5]

4 具體分析過程

根據(jù)算法設(shè)計思路，筆者對某種具體的碰撞現(xiàn)象的分析過程進(jìn)行了如下說明。

4.1 線碰點計算方法分析

首先，以右側(cè)塔機起重臂碰撞左側(cè)塔機鋼絲繩為例進(jìn)行說明。右側(cè)塔機是主動設(shè)備，左側(cè)塔機為被動設(shè)備。右側(cè)塔機的起重臂垂直投影后可簡化為一條一端固定、另一端軌跡是圓的線段；左側(cè)塔機鋼絲繩垂直投影后則簡化為一個點。此時，碰撞問題實質(zhì)上成為某一高度水平面上移動的線和點是否會相撞的問題。

線碰點在投影平面中的軌跡見圖5，共有四種情形。因為所有的塔機底座固定，兩塔機的塔身中心軸距離為L；左側(cè)設(shè)備經(jīng)過變幅后鋼絲繩所在的豎直軸線與塔身中心軸之間的距離為R1；右側(cè)設(shè)備起重臂投影后對應(yīng)線段的長度為R2，投影平面上起重臂回轉(zhuǎn)時掃過一個半徑為R2的圓形面。由于現(xiàn)實中L、R1、R2之間的關(guān)系不同，導(dǎo)致潛在碰撞點及計算方法不同，通常分為以下四種情形：

(1)R1+L

(2)R1>L+R2(R2極小)；

(3)R1+R2

(4)其他(R1、R2所在兩圓形軌跡有交點)。

圖5 線碰點四種情形示意圖

情形一，當(dāng)R1+L

情形二，當(dāng)R1>L+R2，意味著右側(cè)設(shè)備回轉(zhuǎn)運動掃過的范圍極小，無潛在碰撞點。

情形三，當(dāng)R1+R2

圖6 線碰點R1+L

情形四，其他兩個圓形軌跡有交點的所有情形。如圖7(a)所示，此時潛在碰撞點無法直接確定。假設(shè)左側(cè)設(shè)備(被動設(shè)備)的碰撞部件(鋼絲繩)在所預(yù)測時刻所處的回轉(zhuǎn)角度為β(圖7中未標(biāo)出)，假設(shè)兩設(shè)備圓形軌跡有兩個交點A、B(包含只有一個交點的情況，看作A、B點重合)，A點對應(yīng)角度β1(β1≤180°)，B點對應(yīng)角度360°-β1，β2代表安全裕度(10°)。根據(jù)被動設(shè)備所處位置的不同(β不同)，潛在碰撞點不同。

圖7 線碰點情形四(兩設(shè)備軌跡有交點)危險范圍示意圖

在線碰點的情形四：

若β1+β2<β<360-β1-β2，無潛在碰撞點；

β1<β<β1+β2，潛在碰撞點為A(如圖7(b))；

360-β1-β2<β<360-β1，潛在碰撞點為B(圖7(c))；

若β<β1或β>360-β1，潛在碰撞點為C(線與點圓形軌跡的切點)(圖7(d))。

得出潛在碰撞點后，再確定危險范圍。以潛在碰撞點A為例，點A是左側(cè)設(shè)備圓形運行軌跡上的一點，右側(cè)設(shè)備(主動設(shè)備)在其回轉(zhuǎn)中心以O(shè)為圓心的坐標(biāo)系中，點A對應(yīng)的角度為αA。假設(shè)右側(cè)設(shè)備當(dāng)前所處回轉(zhuǎn)角度為α(圖上未標(biāo)出)，α1代表預(yù)留的安全裕度(10°)，α2代表右側(cè)設(shè)備制動所需預(yù)留的角度。那么，實線和虛線處的α1+α2分別代表右側(cè)設(shè)備逆時針和順時針回轉(zhuǎn)時需要發(fā)出碰撞警報的角度范圍。

另外，潛在碰撞點并非真實的碰撞點，找到潛在碰撞點的目的是為了確定危險范圍。碰撞預(yù)警的目的是：在近距離作業(yè)時提醒設(shè)備操作人員提高警惕，只要主動設(shè)備離外部物體距離過小就應(yīng)該發(fā)出碰撞警報，因此，允許存在設(shè)備進(jìn)入預(yù)警范圍后經(jīng)過一段時間正常運行又自己走出預(yù)警范圍的情況。

4.2 線碰點計算方法小結(jié)

線碰點計算方法如下：

(1)右側(cè)設(shè)備為主動設(shè)備，其碰撞部件經(jīng)過縮維處理后可簡化為一條線。

(2)左側(cè)設(shè)備為被動設(shè)備，其碰撞部件經(jīng)過縮維處理后可簡化為一個點。

(3)算法輸入?yún)?shù)包括：a.兩設(shè)備底座中心位置及設(shè)備高度等外形輪廓；b.左側(cè)設(shè)備(被動設(shè)備)回轉(zhuǎn)角度、變幅位置和起升高度；c.右側(cè)設(shè)備(主動設(shè)備)回轉(zhuǎn)角度、變幅位置和起升高度；d.右側(cè)設(shè)備(主動設(shè)備)目前的警示級別；e.右側(cè)設(shè)備(主動設(shè)備)正常制動需預(yù)留的回轉(zhuǎn)角度；f.右側(cè)設(shè)備(主動設(shè)備)緊急制動需預(yù)留的回轉(zhuǎn)角度(其中，b、c、d的參數(shù)為實時獲得；a、e、f中的參數(shù)基本固定)。

(4)根據(jù)被動設(shè)備部件的位置、運動方向等，結(jié)合主動設(shè)備自身的運動軌跡確定潛在的碰撞點，再根據(jù)潛在碰撞點的位置以及主動設(shè)備的位置、運動方向等判斷出危險范圍。

(5)對于算法的輸入變量，無論被動設(shè)備或主動設(shè)備，其回轉(zhuǎn)角度、變幅位置和起重高度等運動信息既可以是當(dāng)前的參數(shù)，也可以是10 s/4 s/2 s后的預(yù)測值。

(6)首先判斷設(shè)備是否已處于潛在碰撞點對應(yīng)的危險范圍內(nèi)，若處于該范圍，采用上述方法若能有效適用于所有線碰點一類的現(xiàn)象，必須關(guān)注以下注意事項：

①根據(jù)碰撞預(yù)警規(guī)則，所有回轉(zhuǎn)角度應(yīng)及時處理并保持在0°至360°，從而使數(shù)據(jù)整齊，便于比較和計算。

②碰撞部件縮維后是“線”的情況下，一般需要將縮維后的線段長度作為算法的輸入?yún)?shù)。當(dāng)設(shè)備為平臂式塔機時，該參數(shù)的值是起重臂的全長；設(shè)備為動臂式塔機時，該參數(shù)值為起重臂全長與其變幅傾角余弦值的乘積。

③由于動臂式塔機的起重臂有斜度，而起重臂上只有與平臂式塔機起重臂等高的那一點才可能遭遇碰撞。在這種情況下，動臂式塔機的碰撞部件——起重臂在縮維后可簡化為一個點，因此，這類碰撞現(xiàn)象本質(zhì)的研究對象是點和線。該點對應(yīng)的變幅位置、起升高度、回轉(zhuǎn)角度才應(yīng)該作為算法的輸入?yún)?shù)。

④碰撞現(xiàn)象里主動和被動設(shè)備左右位置互換時的調(diào)用方法：a.所有回轉(zhuǎn)角度α的映射：若α≤180°,令α=180°-α；否則，令α=540°-α。b.所有回轉(zhuǎn)角速度的映射：數(shù)值不變，回轉(zhuǎn)方向相反。c.變幅運動和起升運動無映射變化(例如“中間塔機起重臂碰撞右側(cè)塔機鋼絲繩”之類，其本質(zhì)是線碰點，只不過是其主動設(shè)備在左側(cè)、被動設(shè)備在右側(cè)，意味著此時兩設(shè)備的運行軌跡和危險范圍應(yīng)當(dāng)以平面上的豎直軸線作對稱處理，但其實質(zhì)以及解算步驟完全一致)。

⑤對于碰撞部件涉及到的平衡臂碰撞現(xiàn)象，在算法輸入?yún)?shù)里，只需將起重臂長度和回轉(zhuǎn)角度位置更換為平衡臂的對應(yīng)數(shù)值即可。

同理，可以總結(jié)出其他碰撞情況(點碰線、點碰固定障礙物、線碰固定障礙物)的計算方法。

5 算法驗證

該算法初步設(shè)計完成后，筆者編制了一個單機測試軟件，用于檢驗算法設(shè)計是否合理、編寫是否正確。該軟件通過編譯工具Visual Studio、使用C#語言編寫。

5.1 算法編寫

筆者對四種本質(zhì)碰撞情況——線碰固定、點碰固定、線碰點、點碰線分別編寫了一個方法。該軟件中包含可能發(fā)生的所有碰撞現(xiàn)象，并對這26種碰撞現(xiàn)象進(jìn)行了編號，每種碰撞現(xiàn)象都可以調(diào)用四個本質(zhì)計算函數(shù)之一判斷出警示級別。

運行時，先對主動設(shè)備進(jìn)行識別，識別后僅調(diào)用與主動設(shè)備相關(guān)的碰撞預(yù)警算法。以中間塔機為例，其需進(jìn)行預(yù)警的現(xiàn)象是1號到10號，那么，調(diào)用中間塔機算法時，依次判斷這十種碰撞現(xiàn)象的警示級別并保留最高級別輸出。

5.2 單機測試版軟件

在單機測試版軟件中，將施工現(xiàn)場的設(shè)備位置、塔機外形參數(shù)等固定信息與實際情況保持一致，塔機的運動參數(shù)——回轉(zhuǎn)角度、起升高度、變幅長度等可由用戶通過UI界面設(shè)置。

檢驗發(fā)現(xiàn)：(1)無論主動設(shè)備是哪一臺塔機，均可以調(diào)用相應(yīng)的算法、識別出危險情況且提前報警。(2)從現(xiàn)場建立的防碰撞系統(tǒng)界面中觀察運行畫面，當(dāng)作為主動設(shè)備的塔機存在碰撞危險時，界面右側(cè)表示相應(yīng)塔機危險狀態(tài)的警示燈會提前由綠轉(zhuǎn)紅，同時，界面左上角通過文字提示危險碰撞現(xiàn)象和警報級別。(3)隨著碰撞部件由遠(yuǎn)及近運動，從初始的無警報逐次變?yōu)?級/2級/1級警報并發(fā)出警報聲。在此過程中，當(dāng)出現(xiàn)塔機運動狀態(tài)改變或錯過碰撞位置即碰撞危險解除時，警報能夠自動停止。

6 結(jié) 語

(1)對塔機群碰撞預(yù)警系統(tǒng)采用了分布式系統(tǒng)構(gòu)架，對各塔機之間獨立進(jìn)行了碰撞危險的計算，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同互聯(lián)，降低了對硬件設(shè)備的性能要求，實現(xiàn)了模塊化，有利于系統(tǒng)的拓展和推廣。

(2)基于分布式系統(tǒng)構(gòu)架制定了碰撞預(yù)警規(guī)則，設(shè)計出一種碰撞預(yù)警算法：將塔機分解為簡單形體的組合，通過遍歷歸納出部件間所有可能的碰撞現(xiàn)象，對碰撞現(xiàn)象合理縮維，再進(jìn)行共性化處理，提取出四個核心計算函數(shù)，實現(xiàn)了算法的簡化，同時仍保障了結(jié)果的精確度。

(3)編制了一個單機測試版軟件用于檢驗所設(shè)計的算法，檢驗發(fā)現(xiàn)：對于不同設(shè)備、不同部件間的碰撞危險均可以有效識別，預(yù)判和警示功能都得到了較好的實現(xiàn)，充分說明所設(shè)計的算法的合理性，可以滿足使用需求。