基于分布式構(gòu)架的塔機(jī)群碰撞預(yù)警系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

劉昕鑫，范道林

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都610213)

0 引 言

近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)群塔作業(yè)防碰撞技術(shù)的研究已經(jīng)越來(lái)越重視，但防碰撞系統(tǒng)或裝置還未能得到普遍應(yīng)用[1]。隨著各類新興技術(shù)的發(fā)展和成熟，在算法設(shè)計(jì)、硬件技術(shù)等方面，仍有一定的研究和進(jìn)步空間[2-3]。

在算法設(shè)計(jì)方面，分析國(guó)內(nèi)各機(jī)構(gòu)和公司的研究進(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(jiǎn)單功能集成，防碰撞算法處理較為單一，難以全面、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)碰撞危險(xiǎn)；有的側(cè)重于區(qū)域限制計(jì)算，無(wú)法滿足像在水電站大壩施工環(huán)境下不同類型塔機(jī)交叉作業(yè)的需要[3]；有的算法設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，未考慮到實(shí)際工程應(yīng)用的可行性；還有的存在對(duì)不同型號(hào)塔機(jī)的推廣應(yīng)用兼容性不足的問(wèn)題。并且，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用案例很少，現(xiàn)有技術(shù)方法大多沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)地檢驗(yàn)和調(diào)試，研究尚停留在初步理論階段。

瓦托水電站工程轉(zhuǎn)入混凝土大壩澆筑工序后，由于施工場(chǎng)地狹小，工期緊張，工作強(qiáng)度、難度都較高?，F(xiàn)場(chǎng)先后安裝了2臺(tái)平臂式塔機(jī)和1臺(tái)動(dòng)臂式塔機(jī)。3臺(tái)設(shè)備的活動(dòng)區(qū)域在施工現(xiàn)場(chǎng)互有交錯(cuò)，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中交叉施工干擾極大，安全隱患突出。結(jié)合該電站施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，本文將從系統(tǒng)實(shí)用性、可靠性以及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)限等出發(fā)，擬設(shè)計(jì)一種更精簡(jiǎn)、易推廣的算法。

圖1 系統(tǒng)分布式構(gòu)架示意

1 碰撞預(yù)警規(guī)則制定

1.1 碰撞預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)架研究

目前，分布式構(gòu)架越來(lái)越受到計(jì)算機(jī)工業(yè)界的青睞。分布式系統(tǒng)是一個(gè)硬件或軟件組件分布在不同的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)上，彼此之間僅通過(guò)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(chǎng)目前僅涵蓋3臺(tái)用于混凝土澆筑的塔機(jī)，且屬于塔身底座固定的類型，無(wú)需通過(guò)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，易于實(shí)現(xiàn)模塊化，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(kāi)發(fā)的分布式系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

(1)取消作為中心節(jié)點(diǎn)的基站，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間依靠無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同互聯(lián)。

(2)計(jì)劃在系統(tǒng)中所有設(shè)備的司機(jī)室均配備1臺(tái)平板電腦作為控制主機(jī)，各設(shè)備根據(jù)自身需要來(lái)獲取信息，僅進(jìn)行與自身相關(guān)的防碰撞計(jì)算，信息傳輸量和計(jì)算量得到降低，對(duì)硬件配置要求也降低。

(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(shí)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(kuò)展或向同類推廣，適應(yīng)性強(qiáng)。

碰撞預(yù)警系統(tǒng)的分布式構(gòu)架體系見(jiàn)圖1，系統(tǒng)涵蓋的每臺(tái)塔機(jī)上都形成一個(gè)完整而獨(dú)立的模塊，各模塊之間借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息互聯(lián)。每臺(tái)塔機(jī)上均以控制主機(jī)為中心，配備有為自身碰撞預(yù)測(cè)服務(wù)的信息采集、傳輸和處理設(shè)備。同時(shí)均編制有功能完備的碰撞預(yù)警軟件，軟件后臺(tái)進(jìn)行碰撞預(yù)警計(jì)算等，前端界面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)模擬、信息警示等功能。

1.2 塔機(jī)群作業(yè)防碰撞規(guī)則研究

根據(jù)塔機(jī)群作業(yè)的設(shè)備特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)可分析出如下幾點(diǎn)：

無(wú)論是平臂塔機(jī)，還是動(dòng)臂塔機(jī)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均由回轉(zhuǎn)、變幅和起升3個(gè)方向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)組成。其中，由于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)慣性較大、發(fā)生較頻繁、運(yùn)動(dòng)路徑范圍廣，相較之下最易遭遇碰撞事故，因此應(yīng)當(dāng)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作為主運(yùn)動(dòng)形式來(lái)進(jìn)行碰撞預(yù)警。

塔機(jī)作業(yè)回轉(zhuǎn)速度一般不超過(guò)5°/s，在狹小場(chǎng)地和緊張工期的前提下，塔機(jī)之間常常近距離作業(yè)，如果過(guò)早報(bào)警或者漏報(bào)誤報(bào)都會(huì)影響工作效率或造成損害。因而，碰撞預(yù)警系統(tǒng)需要預(yù)測(cè)未來(lái)多長(zhǎng)時(shí)間后發(fā)生碰撞，制定合理的提前警報(bào)時(shí)間，并根據(jù)時(shí)間的長(zhǎng)短區(qū)分警報(bào)級(jí)別[2]。

分布式構(gòu)架之下，各塔機(jī)只考慮自身是否會(huì)撞到對(duì)方，因此當(dāng)自身塔機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)(包括回轉(zhuǎn)、變幅和起升三方面運(yùn)動(dòng))，才開(kāi)始相應(yīng)碰撞預(yù)警計(jì)算，避免自身與外部碰撞即可。即對(duì)每臺(tái)塔機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)需要自己主動(dòng)避讓時(shí)，才對(duì)自身構(gòu)成碰撞警報(bào)。

由上述分析可知，為了便于防碰撞算法編寫(xiě)、提高預(yù)測(cè)精度，首先需對(duì)碰撞預(yù)警規(guī)則進(jìn)行定義，包括各方向運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)范圍確定、最小安全距離定義、主運(yùn)動(dòng)形式確定、制動(dòng)回轉(zhuǎn)角度估算、各級(jí)警示范圍的確定等內(nèi)容。

2 算法設(shè)計(jì)思路

碰撞預(yù)警算法針對(duì)的對(duì)象主要是大壩施工現(xiàn)場(chǎng)的3臺(tái)塔機(jī)。俯視角度觀察，瓦托水電站施工現(xiàn)場(chǎng)的3臺(tái)塔機(jī)的平面布置如圖2a所示。圖上左側(cè)、右側(cè)均為平臂式塔機(jī)，左右兩個(gè)直徑較大的圓圈代表其工作覆蓋范圍；中間是動(dòng)臂式塔機(jī)，中間直徑較小的圓圈代表其工作覆蓋范圍。下文以左側(cè)、右側(cè)、中間塔機(jī)的簡(jiǎn)稱指代3臺(tái)設(shè)備。塔機(jī)布置剖視圖如圖2b所示。

圖2 塔機(jī)布置

施工設(shè)備的三維形體復(fù)雜，但可看作多個(gè)簡(jiǎn)單形體的組合。就本系統(tǒng)中塔機(jī)而言，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可將其整體解析為固定不動(dòng)的塔身部分以及發(fā)生運(yùn)動(dòng)的起重臂、平衡臂、懸吊重物的鋼絲繩這幾部分，然后就能將不同設(shè)備間的碰撞問(wèn)題轉(zhuǎn)化為設(shè)備不同部件間的碰撞問(wèn)題。再結(jié)合已知的現(xiàn)場(chǎng)位置信息和塔機(jī)外形參數(shù)信息，遍歷可得到部件間所有可能的碰撞現(xiàn)象，如在本系統(tǒng)中設(shè)備部件間存在26種可能發(fā)生的碰撞情況。如此避免了對(duì)三維復(fù)雜形體的直接處理，降低了算法難度，同時(shí)也保證了預(yù)測(cè)精度。

針對(duì)分解后的塔機(jī)部件間的碰撞現(xiàn)象，由于部件形狀規(guī)則，對(duì)其進(jìn)行縮維處理，即在進(jìn)行高度輔助判斷之后，將三維形體間的碰撞問(wèn)題投影至俯視圖，例如起重臂投影為一條線、鋼絲繩投影為一個(gè)點(diǎn)、塔身外輪廓投影為圓形或方形，碰撞問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面上點(diǎn)線之間距離的研究，進(jìn)一步降低了算法難度。

此時(shí)算法繁瑣程度仍然較高，結(jié)合碰撞現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)以及“主動(dòng)設(shè)備避讓原則”，對(duì)所有碰撞情況進(jìn)行共性化處理，提取出了點(diǎn)碰線、線碰點(diǎn)、點(diǎn)碰固定障礙物、線碰固定障礙物4個(gè)核心計(jì)算函數(shù)，本系統(tǒng)中26種碰撞現(xiàn)象在經(jīng)過(guò)角度映射等處理后均可歸類到以上4個(gè)本質(zhì)計(jì)算函數(shù)中去。

綜上，經(jīng)過(guò)部件分解、樹(shù)的遍歷、三維向二維縮維、共性化處理等步驟，算法變得精簡(jiǎn)易推廣[5]。

以左側(cè)塔機(jī)為例，左側(cè)塔機(jī)在進(jìn)行防碰撞計(jì)算時(shí)，與其相關(guān)的碰撞現(xiàn)象共有6種，每一輪計(jì)算中它僅對(duì)這6種情況的碰撞可能性依次進(jìn)行篩查判斷，調(diào)用對(duì)應(yīng)的本質(zhì)計(jì)算函數(shù)，一輪計(jì)算過(guò)后保留最高警示級(jí)別輸出。

在這里另外明確一個(gè)主動(dòng)設(shè)備和被動(dòng)設(shè)備的概念，左側(cè)塔機(jī)進(jìn)行自身碰撞危險(xiǎn)預(yù)測(cè)時(shí)，將左側(cè)塔機(jī)稱作主動(dòng)設(shè)備，將有可能被它碰撞的外部物體稱作被動(dòng)設(shè)備。

同理，中間塔機(jī)作為主動(dòng)設(shè)備進(jìn)行防碰撞計(jì)算時(shí)，需要考察的碰撞現(xiàn)象共有10種；右側(cè)塔機(jī)作為主動(dòng)設(shè)備進(jìn)行防碰撞計(jì)算時(shí)，需要考察的碰撞現(xiàn)象共有10種。

3 具體分析過(guò)程舉例

根據(jù)算法設(shè)計(jì)思路，對(duì)某種具體的碰撞現(xiàn)象的分析過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 線碰點(diǎn)計(jì)算方法分析

以右側(cè)塔機(jī)起重臂碰撞左側(cè)塔機(jī)鋼絲繩為例，此時(shí)右側(cè)塔機(jī)是主動(dòng)設(shè)備，左側(cè)塔機(jī)是有可能被右側(cè)塔機(jī)碰撞的被動(dòng)設(shè)備。右側(cè)塔機(jī)的起重臂，垂直投影后可簡(jiǎn)化為一條一端固定、另一端軌跡是圓的線段；左側(cè)塔機(jī)鋼絲繩垂直投影后則簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)存在于一圓形軌跡上。此時(shí)碰撞問(wèn)題實(shí)質(zhì)是某一高度的水平面上移動(dòng)的線和點(diǎn)是否會(huì)相撞的問(wèn)題。

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，線碰點(diǎn)在投影平面的軌跡如圖3所示，共有4種情形。此處右側(cè)設(shè)備是主動(dòng)設(shè)備，左側(cè)設(shè)備是被動(dòng)設(shè)備。因所有塔機(jī)底座固定，兩塔機(jī)的塔身中心軸距離為L(zhǎng)，L為可知常量；左側(cè)設(shè)備經(jīng)過(guò)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，即投影平面上鋼絲繩的運(yùn)行軌跡是個(gè)半徑為R1的圓；右側(cè)設(shè)備起重臂投影后對(duì)應(yīng)線段的長(zhǎng)度為R2，投影平面上起重臂回轉(zhuǎn)時(shí)掃過(guò)一個(gè)半徑為R2的圓形面。

如圖3所示，由于現(xiàn)實(shí)中L、R1、R2之間的關(guān)系會(huì)有不同，導(dǎo)致潛在碰撞點(diǎn)及計(jì)算方法不同，分為4種情形：①R1+LL+R2(R2極小)；③R1+R2

圖3 線碰點(diǎn)4種情形示意

圖5 線碰點(diǎn)情形4(兩設(shè)備軌跡有交點(diǎn))危險(xiǎn)范圍示意

(1)情形1，當(dāng)R1+L

圖4 線碰點(diǎn)R1+L

(2)情形2，當(dāng)R1>L+R2，意味著右側(cè)設(shè)備回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)掃過(guò)的范圍極小，無(wú)潛在碰撞點(diǎn)。

(3)情形3，當(dāng)R1+R2

(4)情形4，其他，即包括兩個(gè)圓形軌跡有交點(diǎn)的所有情形。如圖5a所示，此時(shí)潛在碰撞點(diǎn)無(wú)法直接確定。假設(shè)左側(cè)設(shè)備(被動(dòng)設(shè)備)的碰撞部件(鋼絲繩)在所預(yù)測(cè)時(shí)刻的所處回轉(zhuǎn)角度為β，β為0°到360°間任意一值，假設(shè)兩設(shè)備圓形軌跡有兩個(gè)交點(diǎn)A、B(包含只有一個(gè)交點(diǎn)的情況，看作A、B點(diǎn)重合)，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)角度為β1(β1≤180°)，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)角度360°-β1，β2代表安全裕度(10°)。根據(jù)被動(dòng)設(shè)備所處位置的不同(β不同)，對(duì)主動(dòng)設(shè)備而言，潛在碰撞點(diǎn)不同。

在線碰點(diǎn)的情形4中：若β1+β2<β<360-β1-β2，無(wú)潛在碰撞點(diǎn)；若β1<β<β1+β2，潛在碰撞點(diǎn)為A(見(jiàn)圖5b)；若360-β1-β2<β<360-β1，潛在碰撞點(diǎn)為B(見(jiàn)圖5c))；若β<β1或β>360-β1，潛在碰撞點(diǎn)為C(線與點(diǎn)的圓形軌跡的切點(diǎn))(見(jiàn)圖5d)。得出潛在碰撞點(diǎn)后，再確定危險(xiǎn)范圍。

需要注意的是，潛在碰撞點(diǎn)并不代表真實(shí)碰撞點(diǎn)，找到潛在碰撞點(diǎn)是為了確定危險(xiǎn)范圍。碰撞預(yù)警的目的是，在近距離作業(yè)時(shí)提醒設(shè)備操作人員提高警惕，只要主動(dòng)設(shè)備離外部物體距離過(guò)小就應(yīng)該發(fā)出碰撞警報(bào)，所以允許存在設(shè)備進(jìn)入預(yù)警范圍后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間正常運(yùn)行又自己走出預(yù)警范圍的情況。

3.2 線碰點(diǎn)計(jì)算方法總結(jié)

總結(jié)線碰點(diǎn)計(jì)算方法如下：

(1)右側(cè)設(shè)備為主動(dòng)設(shè)備，其碰撞部件經(jīng)過(guò)縮維處理，可簡(jiǎn)化為一條線。

(2)左側(cè)設(shè)備為被動(dòng)設(shè)備，其碰撞部件經(jīng)過(guò)縮維處理，可簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)。

(3)算法輸入?yún)?shù)。①兩設(shè)備底座中心位置及設(shè)備高度等外形輪廓；②左側(cè)設(shè)備(被動(dòng)設(shè)備)回轉(zhuǎn)角度、變幅位置和起升高度；③右側(cè)設(shè)備(主動(dòng)設(shè)備)回轉(zhuǎn)角度、變幅位置和起升高度；④右側(cè)設(shè)備(主動(dòng)設(shè)備)目前警示級(jí)別；⑤右側(cè)設(shè)備(主動(dòng)設(shè)備)正常制動(dòng)需預(yù)留的回轉(zhuǎn)角度；⑥右側(cè)設(shè)備(主動(dòng)設(shè)備)緊急制動(dòng)需預(yù)留的回轉(zhuǎn)角度。

(4)具體計(jì)算思路。根據(jù)被動(dòng)設(shè)備部件的位置、運(yùn)動(dòng)方向等，結(jié)合主動(dòng)設(shè)備自身的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分類討論，確定潛在碰撞點(diǎn)，再根據(jù)潛在碰撞點(diǎn)的位置以及主動(dòng)設(shè)備的位置、運(yùn)動(dòng)方向等判斷出危險(xiǎn)范圍。

(5)該防碰撞算法既可以判斷當(dāng)前是否存在碰撞危險(xiǎn)，也可以用于預(yù)測(cè)10 s/4 s/2 s后是否存在碰撞危險(xiǎn)，即算法的輸入變量中，無(wú)論被動(dòng)設(shè)備或主動(dòng)設(shè)備，其回轉(zhuǎn)角度、變幅位置和起重高度等運(yùn)動(dòng)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(cè)值。

(6)首先判斷設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)是否已處于潛在碰撞點(diǎn)對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)范圍內(nèi)，若處于，發(fā)出一級(jí)警示。設(shè)備運(yùn)行一旦進(jìn)入預(yù)測(cè)出的10 s后危險(xiǎn)范圍邊界，發(fā)出三級(jí)警示；設(shè)備一旦進(jìn)入預(yù)測(cè)出的4 s后危險(xiǎn)范圍邊界，發(fā)出二級(jí)警示；設(shè)備運(yùn)行一旦進(jìn)入預(yù)測(cè)出的2 s后危險(xiǎn)范圍邊界，發(fā)出一級(jí)警示。對(duì)所有狀態(tài)進(jìn)行判斷后，保留最高級(jí)別警示輸出。

要使得上述方法能有效適用于所有線碰點(diǎn)一類的現(xiàn)象，需要注意一下幾點(diǎn)：

(1)所有回轉(zhuǎn)角度，根據(jù)碰撞預(yù)警規(guī)則，應(yīng)及時(shí)處理保持在0°到360°，使得數(shù)據(jù)整齊，便于比較和計(jì)算。

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

(3)對(duì)于平臂式塔機(jī)起重臂和動(dòng)臂式塔機(jī)起重臂之間的碰撞現(xiàn)象，由于動(dòng)臂式塔機(jī)的起重臂有斜度，因此它的起重臂上只有與平臂式塔機(jī)起重臂等高的那一點(diǎn)才可能遭遇碰撞。即在這種情況下，動(dòng)臂式塔機(jī)的碰撞部件——起重臂，其在縮維后可簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)，所以這類碰撞現(xiàn)象本質(zhì)的研究對(duì)象也是點(diǎn)和線。這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變幅位置、起升高度、回轉(zhuǎn)角度才應(yīng)作為算法的輸入?yún)?shù)。

(4)碰撞現(xiàn)象里主動(dòng)和被動(dòng)設(shè)備左右位置互換時(shí)的調(diào)用方法——做映射處理。首先，所有回轉(zhuǎn)角度α的映射，若α≤180°，令α=180°-α；否則，令α=540°-α。第二，所有回轉(zhuǎn)角速度的映射，數(shù)值不變，回轉(zhuǎn)方向相反。最后，變幅運(yùn)動(dòng)和起升運(yùn)動(dòng)無(wú)映射變化。(例如“中間塔機(jī)起重臂碰撞右側(cè)塔機(jī)鋼絲繩”之類，本質(zhì)是線碰點(diǎn)，只不過(guò)主動(dòng)設(shè)備在左側(cè)、被動(dòng)設(shè)備在右側(cè)，意味著此時(shí)兩設(shè)備的運(yùn)行軌跡和危險(xiǎn)范圍示意圖應(yīng)當(dāng)關(guān)于平面上的豎直軸線作對(duì)稱處理，但實(shí)質(zhì)以及解算步驟完全一致。)

(5)對(duì)于碰撞部件涉及到平衡臂的碰撞現(xiàn)象，在算法輸入?yún)?shù)里，將起重臂長(zhǎng)度和回轉(zhuǎn)角度位置更換為平衡臂的對(duì)應(yīng)數(shù)值即可。

同理，可以總結(jié)得出另外3個(gè)本質(zhì)碰撞情況——點(diǎn)碰線、點(diǎn)碰固定障礙物、線碰固定障礙物的計(jì)算方法。

4 算法驗(yàn)證

算法初步設(shè)計(jì)完成后，編制了一個(gè)單機(jī)測(cè)試版軟件，用以檢驗(yàn)算法設(shè)計(jì)是否合理、編寫(xiě)是否正確。軟件通過(guò)編譯工具Visual Studio使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)。

單機(jī)測(cè)試版軟件中，施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備位置、塔機(jī)外形參數(shù)等固定信息與實(shí)際情況保持一致，塔機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即回轉(zhuǎn)角度、起升高度、變幅長(zhǎng)度等可由用戶通過(guò)UI界面設(shè)置。用戶可指定主動(dòng)設(shè)備并設(shè)定塔機(jī)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以此來(lái)檢驗(yàn)算法設(shè)計(jì)是否全面有效。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①無(wú)論主動(dòng)設(shè)備是哪一臺(tái)塔機(jī)，均可以調(diào)用相應(yīng)算法、識(shí)別出危險(xiǎn)情況且提前報(bào)警。②從界面中部觀察現(xiàn)場(chǎng)模擬運(yùn)行畫(huà)面，當(dāng)作為主動(dòng)設(shè)備的塔機(jī)有碰撞危險(xiǎn)時(shí)，界面右側(cè)表示相應(yīng)塔機(jī)危險(xiǎn)狀態(tài)的警示燈會(huì)提前由綠轉(zhuǎn)紅，同時(shí)界面左上角通過(guò)文字提示危險(xiǎn)碰撞現(xiàn)象和警報(bào)級(jí)別。③隨著碰撞部件由遠(yuǎn)及近運(yùn)動(dòng)，從初始的無(wú)警報(bào)逐次變?yōu)?級(jí)/2級(jí)/1級(jí)警報(bào)，并發(fā)出警報(bào)聲。在此過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)塔機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變或錯(cuò)過(guò)碰撞位置，即碰撞危險(xiǎn)解除時(shí)，警報(bào)能夠自動(dòng)停止。

5 結(jié) 論

(1)塔機(jī)群碰撞預(yù)警系統(tǒng)采用了分布式系統(tǒng)構(gòu)架，各塔機(jī)之間獨(dú)立進(jìn)行碰撞危險(xiǎn)的計(jì)算，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同互聯(lián)，降低了對(duì)硬件設(shè)備的性能要求，實(shí)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，然后設(shè)計(jì)了一種碰撞預(yù)警算法：將塔機(jī)分解為簡(jiǎn)單形體的組合，通過(guò)遍歷歸納出部件間所有可能的碰撞現(xiàn)象，對(duì)碰撞現(xiàn)象合理縮維，再進(jìn)行共性化處理，提取出4個(gè)核心計(jì)算函數(shù)。實(shí)現(xiàn)了算法的簡(jiǎn)化，同時(shí)仍保障了結(jié)果的精確度。

(3)編制了一個(gè)單機(jī)測(cè)試版軟件檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的算法，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同設(shè)備不同部件間的碰撞危險(xiǎn)均可以有效識(shí)別，預(yù)判和警示功能都得到較好的實(shí)現(xiàn)，充分說(shuō)明設(shè)計(jì)的算法是合理的，可以滿足使用需求。