核電工程群塔智能化防碰撞管理方法探究

周 毅，劉成剛，楊云斐，齊亞賓，樂林紫，原瑞婧

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

塔式起重機又稱塔機、塔吊，是建筑施工中不可缺少的大型機械設(shè)備，主要吊運施工用的設(shè)備、設(shè)施、鋼筋、木楞、混凝土、鋼管等物項，在建筑施工中已被廣泛使用。由于塔式起重機的工作高度高、作業(yè)空間大、底部輪廓小、吊臂長、速度快等特征，一旦發(fā)生事故，后果非常嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計，2016—2020年我國塔機安全生產(chǎn)事故達(dá)605起，其中塔機作業(yè)過程中發(fā)生107起。核電工程建設(shè)中的塔機高峰期約有20多座，而群塔作業(yè)主要通過人工指揮、調(diào)度，群塔之間的統(tǒng)籌協(xié)作亦是通過人為判斷的方式，存在一定的人因失誤風(fēng)險，缺乏科學(xué)的預(yù)警機制。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，尤其是超級物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合智能算法、大數(shù)據(jù)、云計算使得現(xiàn)場作業(yè)、管理期望及安全管理深度融合成為可能。通過智能化方法替代人工指揮調(diào)度方式，減少人因失誤，降低塔機群塔作業(yè)過程風(fēng)險，利用智能化控制方法提升塔機群塔作業(yè)管理安全性，消除人因指揮調(diào)度協(xié)調(diào)不到位而導(dǎo)致的作業(yè)風(fēng)險，實現(xiàn)工程建設(shè)塔機群塔統(tǒng)一智能化調(diào)度控制。

1 建設(shè)工程起重機械政策要求

建設(shè)工程起重機械管理方面，我國建立了一整套法律、法規(guī)、安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系，初步形成了“人大法律、行政法規(guī)、行政規(guī)章、技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)”五個層次的法規(guī)體系結(jié)構(gòu)，目前起重機械標(biāo)準(zhǔn)共有234項，其中國家標(biāo)準(zhǔn)83項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)151項[1]。建設(shè)工程起重機械法律法規(guī)、技術(shù)規(guī)范如表1所示。

表1 建設(shè)工程起重機械法律法規(guī)、技術(shù)規(guī)范表(節(jié)選)

其中，GB/T 5031—2019《塔式起重機》中規(guī)定，塔式起重機必須安裝安全監(jiān)控裝置，進(jìn)行塔機工作數(shù)據(jù)的記錄和警報[2]；GB/T 28264—2017《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》中規(guī)定了起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的構(gòu)成、監(jiān)控、性能要求和檢驗。建設(shè)工程起重機械政策要求對工程建設(shè)行業(yè)提出了塔機監(jiān)控系統(tǒng)功能配置要求和系統(tǒng)平臺需求，需要建設(shè)方結(jié)合工程建設(shè)業(yè)務(wù)需求重點分析。

2 塔機監(jiān)控系統(tǒng)功能配置要求及系統(tǒng)平臺需求

塔機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)省或省級以上行業(yè)專業(yè)機構(gòu)檢驗合格或評估認(rèn)證，系統(tǒng)主要構(gòu)配件經(jīng)專業(yè)檢驗機構(gòu)檢驗合格，且應(yīng)至少具有對塔機的起重量、起重力矩、起升高度、幅度、回轉(zhuǎn)角度、運行行程信息進(jìn)行實時監(jiān)視和數(shù)據(jù)存儲功能。當(dāng)塔機有運行危險趨勢時，塔機控制回路電源應(yīng)能自動切斷。

2.1 系統(tǒng)功能的基本配置要求

系統(tǒng)功能主要包括顯示警示、自檢、超載(力矩)報警和控制、限位報警和控制、風(fēng)速報警、離線狀態(tài)檢測、區(qū)域保護、防碰撞系統(tǒng)等，如表2所示。

表2 系統(tǒng)功能的基本配置要求表

2.2 塔機監(jiān)控系統(tǒng)平臺

塔機監(jiān)控系統(tǒng)平臺包括運行數(shù)據(jù)查詢和存儲、數(shù)據(jù)傳輸下載、數(shù)據(jù)傳輸、故障診斷、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能要求，如表3所示。

3 塔機可視化監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

運用可視化吊裝系統(tǒng)，以消除塔機作業(yè)人員傳統(tǒng)意義上的視覺盲區(qū)，通過安全監(jiān)控系統(tǒng)從技術(shù)上規(guī)避群塔交叉作業(yè)的碰撞，切實提升施工現(xiàn)場的吊裝作業(yè)安全性、高效性。將塔式起重機群安全監(jiān)控系統(tǒng)與可視化吊裝系統(tǒng)結(jié)合使用，以實現(xiàn)施工單位通過顯示屏實時監(jiān)控所有的吊裝作業(yè)過程，總包、業(yè)主單位通過授權(quán)賬號進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽[4]。

在塔機可視化監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域，國內(nèi)開展了一系列的研究工作。如羅曉慶等提出塔機智能駕駛室的設(shè)計需求層次分析模型，其基于用戶需求和塔機未來發(fā)展趨勢設(shè)計一款集智能監(jiān)控系統(tǒng)、智能交互系統(tǒng)、智能衛(wèi)生系統(tǒng)、智能玻璃界面等功能[5]的塔機智能駕駛室方案，并得以應(yīng)用；又如崔康基運用智能遙控系統(tǒng)，使工作人員可根據(jù)施工現(xiàn)場的狀況，可控地選擇最佳的操作位置，避開視野盲區(qū)，實現(xiàn)物料升降作業(yè)的高效便利，保證工作人員的人身安全[6]；再如楊偉強以傳感器技術(shù)、嵌入式計數(shù)、ZigBee技術(shù)和短消息技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種基于ZigBee/GSM的塔機智能安全預(yù)警系統(tǒng)。對于塔機智能化應(yīng)用研究已然逐步成熟，但是對于群塔智能化管理的研究現(xiàn)有成果較少，特別是基于核安全文化特性和防人因失誤機理的智能化群塔管理系統(tǒng)或方法持續(xù)迭代中。

4 群塔智能化防碰撞管理方法探究

4.1 降低群塔碰撞風(fēng)險的需要

核電工程建設(shè)中的塔機高峰期約有20座，而群塔作業(yè)主要通過人工指揮、調(diào)度，群塔之間的統(tǒng)籌協(xié)作亦是通過人為判斷的方式，存在一定的人因失誤風(fēng)險，缺乏科學(xué)的預(yù)警機制。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，尤其是超級物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合智能算法、大數(shù)據(jù)、云計算使得現(xiàn)場作業(yè)、管理期望及安全管理深度融合成為可能。通過智能化方法替代人工指揮調(diào)度方式，減少人因失誤，降低塔機群塔作業(yè)過程風(fēng)險，利用智能化控制方法提升塔機群塔作業(yè)管理安全性，消除人因指揮調(diào)度協(xié)調(diào)不到位而導(dǎo)致的作業(yè)風(fēng)險，實現(xiàn)工程建設(shè)塔機群塔統(tǒng)一智能化調(diào)度控制。

4.2 群塔作業(yè)智能化管控方式

智能化群塔作業(yè)的管控方式，主要可以分為授權(quán)管理系統(tǒng)、智能交接班管理系統(tǒng)、智能語音清場管理系統(tǒng)、智能檢測管理系統(tǒng)等九大要素，智能化管控方式管理要素如圖1所示。

圖1 智能化管控方法管理要素

4.3 群塔智能化防碰撞功能實現(xiàn)途徑

工作現(xiàn)場塔機群塔智能化作業(yè)方法旨在提高現(xiàn)場智慧化水平，提升多方位檢測能力，加強預(yù)警機制，降低人員失誤帶來的風(fēng)險，讓整個作業(yè)現(xiàn)場風(fēng)險無處遁藏，全方位保障作業(yè)現(xiàn)場順利開展。

系統(tǒng)A是通過人臉識別的智能門禁系統(tǒng)控制人員出入授權(quán)，對身體狀態(tài)不適，如發(fā)燒、酗酒的人員禁止其進(jìn)入工作現(xiàn)場，如有問題核對其授權(quán)可靠性。人員進(jìn)入現(xiàn)場后B系統(tǒng)開始作用，該系統(tǒng)可對進(jìn)入工作現(xiàn)場的人員或變更人員進(jìn)行交班檢查，主要如圖2所示，人員完成交接班，啟動機器，I系統(tǒng)作用，使群塔之間互聯(lián)互通。同時D系統(tǒng)投入工作，將現(xiàn)場的設(shè)備、環(huán)境、作業(yè)情況實時通過智能化傳感器傳送至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，根據(jù)提前規(guī)劃好的任務(wù)，此時E系統(tǒng)作用，由D系統(tǒng)傳輸來的信息自動智能化規(guī)劃作業(yè)。根據(jù)D系統(tǒng)的傳輸信息，G系統(tǒng)投運，可提供可視化的3D工作現(xiàn)場及輔助駕駛，減輕操作人員負(fù)擔(dān)，提高安全性及可靠性。從人員進(jìn)入工作現(xiàn)場到工作結(jié)束，均需要F系統(tǒng)作用，為此，F(xiàn)系統(tǒng)的作用將極大提升工作現(xiàn)場的安全性。

圖2 智能化管控設(shè)施配置示意圖

智能化管控主要流程為：系統(tǒng)A可通過人臉識別，控制進(jìn)出人員授權(quán)及狀態(tài)，對身體狀態(tài)不舒服如發(fā)燒、酗酒的人員禁止其進(jìn)入工作現(xiàn)場，如若有問題，需核對其授權(quán)可靠性，而該功能主要由圖2所示12完成。人員進(jìn)入現(xiàn)場后B系統(tǒng)開始作用，該系統(tǒng)可對重新進(jìn)入工作現(xiàn)場的人員或變更人員需要重新進(jìn)行交班檢查，該功能主要由圖2所示4完成。人員完成交接班，啟動機器，I系統(tǒng)作用，使群塔之間互聯(lián)互通，該功能主要由圖2所示3及9設(shè)備完成此項功能。此時D系統(tǒng)也投入工作，將現(xiàn)場的設(shè)備、環(huán)境、作業(yè)情況實時通過智能化傳感器傳送至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，該功能主要由圖2所示1、6、7、8、11等完成。根據(jù)提前規(guī)劃好的任務(wù)，此時E系統(tǒng)作用，根據(jù)D系統(tǒng)傳輸來的信息，自動智能化規(guī)劃作業(yè)，該工作主要在圖2所示的4設(shè)備中完成。根據(jù)D系統(tǒng)的傳輸信息，G系統(tǒng)投運，可提供可視化的3D工作現(xiàn)場及輔助駕駛，減輕操作人員負(fù)擔(dān)，提高安全性及可靠性，該功能主要由圖2所示設(shè)備3、5、4、10相互配合完成。從B、I、D、E系統(tǒng)作業(yè)情況出發(fā)，每個工作環(huán)節(jié)均采用防人因失誤的設(shè)計理念H，確保所有重要環(huán)節(jié)，都能夠?qū)⑷藛T的失誤的因素降至最低或沒有，該項功能主要由設(shè)備4完成。從人員進(jìn)入工作現(xiàn)場到工作結(jié)束，均需要F系統(tǒng)作用，安全是底線，所有工作的開展均以安全為基礎(chǔ)，為此，F(xiàn)系統(tǒng)的作用將極大提升工作現(xiàn)場的安全性。該工作主要由圖2所示設(shè)備1、6、7、8、9、11、12、配合設(shè)備4完成此項工作。

5 結(jié)束語

塔機群塔作業(yè)過程中所面臨的各類問題，可以通過智能化、智慧化、數(shù)字化、可視化的技術(shù)方法得以解決。群塔智能化防誤碰管理方法可以提升多方位檢測能力，加強預(yù)警機制，讓整個作業(yè)現(xiàn)場風(fēng)險無處遁藏，全方位保障作業(yè)現(xiàn)場順利開展。群塔智能化防碰撞管理方法與傳統(tǒng)的塔吊可視化管理相比，更加注重群塔智能化防誤碰，通過新型信息技術(shù)部分替代人工調(diào)度的功能，可以有效降低人因可能帶來的嚴(yán)重后果，使管理人員能夠更加充分地掌控現(xiàn)場進(jìn)度及作業(yè)情況，有效降低安全風(fēng)險和管理成本，助力核電建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展。