北斗定位系統(tǒng)在起重機(jī)檢驗(yàn)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用

周世軍

河南省特種設(shè)備安全檢測研究院 鄭州 475000

0 引言

根據(jù)我國相關(guān)法律規(guī)定，3 t 以上的起重機(jī)均為特種設(shè)備，對于其制造、生產(chǎn)、使用、維修和改造，國家均有一整套完整的管理體系。其中涉及設(shè)備性能檢測方面的主要是在不同載荷下，對設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測量，如升降速度、小車運(yùn)行速度、大車運(yùn)行速度、各機(jī)構(gòu)行程、主梁拱度、跨度測量等。傳統(tǒng)的測量方式常采用卷尺、激光測距儀、秒表等工具進(jìn)行測量，但起重機(jī)作為一種大型機(jī)械，僅利用以上這些手工測量設(shè)備人為對起重機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測量，往往不能達(dá)到準(zhǔn)確、安全、智能化的目的，尤其是對于一些大型設(shè)備，如架橋機(jī)、港口造船門式起重機(jī)（以下簡稱門機(jī)）等，由于現(xiàn)場情況的限制，檢測人員很難安全、有效地進(jìn)行人為檢測工作。

基于傳統(tǒng)測量方式的局限性，本文探討一種可以利用北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置，用以實(shí)現(xiàn)對露天情況下使用的起重機(jī)的各機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度、加速度、主梁拱度、跨度等參數(shù)的自動化測量工作。

1 基于北斗定位系統(tǒng)的檢測裝置

1.1 北斗定位系統(tǒng)

中國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段，地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，已初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力。中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照先試驗(yàn)、后區(qū)域、再全球的三步走戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)。經(jīng)過常年發(fā)展，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位原理和過程可簡述為：在一個立體直角坐標(biāo)系中，任何一個點(diǎn)的位置都可以通過3 個坐標(biāo)數(shù)據(jù)X、Y、Z 來得到確定。如果能測得某一點(diǎn)與其他3 點(diǎn)A、B、C 的距離，并確知這3 點(diǎn)的坐標(biāo)，即可建立三元方程組，解出該未知點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而得到該點(diǎn)的確切位置。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的基本原則是開放性，自主性，兼容性和漸進(jìn)性。

1.2 硬件組成

利用北斗定位系統(tǒng)的檢測裝置硬件組成北斗系統(tǒng)和用戶終端。北斗系統(tǒng)由定位裝置，地面主控站和空間衛(wèi)星組成。用戶終端與北斗系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行無線通訊并將北斗系統(tǒng)傳輸出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 以北斗定位系統(tǒng)為核心的檢測裝置組成

根據(jù)圖1 所示流程，檢驗(yàn)人員只需攜帶定位裝置和裝有用戶終端的筆記本電腦即可完成對起重機(jī)相關(guān)參數(shù)的檢驗(yàn)工作?，F(xiàn)場檢驗(yàn)時(shí)，將定位裝置安裝在相應(yīng)位置，如測量起升機(jī)構(gòu)升降速度、加速度、起升高度時(shí)，可將定位裝置安裝在吊鉤或載荷上；測量小車運(yùn)行速度、加速度時(shí)，可將定位裝置安裝在小車機(jī)構(gòu)上。北斗系統(tǒng)實(shí)時(shí)將定位裝置的三維空間坐標(biāo)及與其對應(yīng)的時(shí)間信息，通過通訊傳送給用戶終端，用戶終端通過軟件編程完成對北斗系統(tǒng)傳輸?shù)娜S空間坐標(biāo)及其對應(yīng)時(shí)間信息進(jìn)行處理，從而計(jì)算出各項(xiàng)參數(shù)。

1.3 軟件編程

1.3.1 總體設(shè)計(jì)

用戶終端軟件編程采用Fameview 軟件，通訊方式采用TCP/IP 開放協(xié)議。該協(xié)議的優(yōu)勢在于：1）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是完全開放的，可供用戶免費(fèi)使用，且獨(dú)立于特定的計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)，具有廣泛的適用性。2）獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)，可運(yùn)行在廣域網(wǎng)，更適合于互聯(lián)網(wǎng)。3）網(wǎng)絡(luò)地址統(tǒng)一分配，網(wǎng)絡(luò)中每一設(shè)備和終端都具有一個唯一地址。4）高層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，可提供多種多樣可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。數(shù)據(jù)庫采用SQLserver 數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀取。

1.3.2 起升機(jī)構(gòu)測量

起升機(jī)構(gòu)參數(shù)測量包括升降速度測量，加速度測量，載荷高度定位。北斗系統(tǒng)通過通訊實(shí)時(shí)將安裝在載荷或吊鉤上的定位裝置的位置坐標(biāo)傳輸給用戶終端，用戶終端通過計(jì)算得出定位裝置的速度變化和加速度變化。其中速度、加速度的計(jì)算為

式中：v 為瞬時(shí)速度，S 為位移，t 為時(shí)間，a 為加速度。

載荷高度的測量采用標(biāo)定法進(jìn)行，即操作起重機(jī)使載荷落地，將此時(shí)的定位裝置定為零點(diǎn)，此后計(jì)算定位裝置實(shí)時(shí)位置與該零點(diǎn)的高度差。

1.3.3 大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)測量

大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)測量包括運(yùn)行速度測量、加速度測量、大車跨度測量。北斗系統(tǒng)通過通訊實(shí)時(shí)將安裝在大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的位置坐標(biāo)傳輸給用戶終端，用戶終端通過計(jì)算得出定位裝置的速度變化和加速度變化。其中速度、加速度按式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算。

大車跨度的測量采用標(biāo)定法進(jìn)行，將定位裝置分別擺在起重機(jī)主梁兩端，操作用戶終端記錄下2 個位置的坐標(biāo)，通過三角函數(shù)計(jì)算出2 點(diǎn)的直線距離，即為主梁跨度

1.3.4 主梁測量

主梁測量包括撓度測量和上拱度測量，均采用標(biāo)定法進(jìn)行。撓度測量時(shí)將定位裝置安裝在主梁跨中位置，分別在載荷落地和載荷離地的時(shí)候記錄下定位裝置的高度坐標(biāo)，其變化即為撓度。上拱度測量時(shí)，分別將定位裝置安裝在主梁跨中與兩端，記錄下3 點(diǎn)的高度坐標(biāo)差，即可計(jì)算出主梁上拱度。

2 應(yīng)用意義與效果

2.1 應(yīng)用意義

北斗定位系統(tǒng)在起重機(jī)檢驗(yàn)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用開啟了北斗系統(tǒng)在該領(lǐng)域應(yīng)用的空白，對起重機(jī)檢驗(yàn)檢測方法的發(fā)展具有重大意義。1）采用以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置對起重機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)檢測工作，相對于傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法，更加簡單、便捷。檢驗(yàn)員只需攜帶定位裝置、無線網(wǎng)卡和裝有客戶終端的筆記本電腦即可對起重機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，有效提高了測量的自動化和智能化。測量時(shí)，只需將定位裝置安裝在被測機(jī)構(gòu)上，就可以在完全安全的地方對起重機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測量。避免了傳統(tǒng)測量方式需要檢驗(yàn)人員在工作狀態(tài)下的起重機(jī)上近距離對被測機(jī)構(gòu)進(jìn)行測量帶來的危險(xiǎn)。2）采用傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行起重機(jī)檢驗(yàn)檢測的過程中，其精度往往只能達(dá)到厘米級或毫米級的測量精度。目前，北斗定位系統(tǒng)的定位精度已經(jīng)達(dá)到0.5 mm 以下，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到每秒千兆，這使得采用北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置比傳統(tǒng)測量方法測量的數(shù)據(jù)（包括位置、速度和加速度數(shù)據(jù)）精確一個以上的數(shù)量級，測量精度大大提升。3）以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置為基礎(chǔ)，未來可建立大型起重機(jī)在用設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，連續(xù)記錄設(shè)備在其全生命周期中各個機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，這將對整個起重機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2.2 應(yīng)用效果

2.2.1 速度測量對比

對某200 t 造船門機(jī)起升速度分別采用以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置和以卷尺、秒表方式進(jìn)行測量，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置為試驗(yàn)組，以卷尺、秒表進(jìn)行測量為對照組，數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 200 t 造船門機(jī)起升速度測量對比 m·min-1

2.2.2 跨度測量對比

對某200 t 造船門機(jī)跨度分別采用以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置和以卷尺或激光測距儀進(jìn)行測量，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置為試驗(yàn)組，以卷尺進(jìn)行測量為對照組1，以激光測距儀進(jìn)行測量為對照組2，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 200 t 造船門機(jī)跨度測量對比

2.2.3 上拱度測量對比

對某200 t 造船門機(jī)上拱度分別采用以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置和以塔尺、水平儀進(jìn)行測量，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置為試驗(yàn)組，以塔尺、水平儀進(jìn)行測量為對照組，數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 200 t 造船門機(jī)上拱度測量對比 m

2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1）在速度測量對比試驗(yàn)中，試驗(yàn)組數(shù)據(jù)的期望為5.4，方差為0.01，對照組數(shù)據(jù)的期望為5.4，方差為0.18。這說明在多次重復(fù)測量的過程中，對于起升速度設(shè)計(jì)值為5.4 m/min 的起重機(jī)來說，以北斗定位系統(tǒng)為核心的檢測裝置和人工測量均能準(zhǔn)確測量出起升速度。但是以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置測量數(shù)據(jù)的方差遠(yuǎn)小于人工測量數(shù)據(jù)的方差，即以北斗定位系統(tǒng)為核心的檢測裝置測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重復(fù)精度遠(yuǎn)高于人工測量得到的數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于起重機(jī)檢驗(yàn)一般對于起升速度的測量不會超過3 次，這就使得人工測量得到的數(shù)據(jù)存在較大誤差，不能準(zhǔn)確反映真值。

2）在跨度測量對比試驗(yàn)中，試驗(yàn)組數(shù)據(jù)期望為101.325，方差為0，對照組1 數(shù)據(jù)期望為101.773，方差為0.35，對照組2 數(shù)據(jù)期望為101.351，方差為0.02。這同樣說明傳統(tǒng)測量方式得到的數(shù)據(jù)具有波動性大，重復(fù)精度低的特點(diǎn)，相對于傳統(tǒng)測量方式，激光測距儀測量法測得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)測量法，而以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置，重復(fù)精度最好。且起重機(jī)跨度設(shè)計(jì)值為101 m，對比3 組數(shù)據(jù)，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置最接近真值，人工測量得到的數(shù)據(jù)誤差最大，且這個誤差基本為正偏差。分析測量原理可知，這是由于測量過程中只能采取分段測量，造成的誤差累積所致。

3）在上拱度測量對比試驗(yàn)中，試驗(yàn)組數(shù)據(jù)期望為121.5，方差為1.27，對照組數(shù)據(jù)期望為121.7，方差為1.77。分析可知，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置測量精度略高于傳統(tǒng)測量方式，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高于傳統(tǒng)測量方式。

3 結(jié)論

綜上所述，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置在起重機(jī)各項(xiàng)參數(shù)測量過程中的重復(fù)測量精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測量方式，且在高速度、長距離、大跨度參數(shù)的測量中測量精度更高。加之其測量方式簡單，自動化、智能化程度高，可以避免檢驗(yàn)人員測量過程中由于接觸起重機(jī)造成的危險(xiǎn)。鑒于以上優(yōu)勢，相信在不久的未來，北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置定能廣泛應(yīng)用于起重機(jī)檢驗(yàn)檢測領(lǐng)域。