基于項(xiàng)目群塔作業(yè)防碰撞方案設(shè)計(jì)★

宋紅旗，劉茂青，楊海軍

(山西六建集團(tuán)有限公司,山西 太原 030024)

0 引言

塔式起重機(jī)是施工現(xiàn)場(chǎng)最重要的大型起重設(shè)備之一,因其作業(yè)空間大,工作效率高,在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。近年來(lái),隨著以預(yù)制建筑為代表的建筑工業(yè)化的推進(jìn),塔機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步拓寬,其運(yùn)行效率直接影響施工進(jìn)度和工程成本,但另一方面塔機(jī)的安全運(yùn)行也得到了越來(lái)越多的關(guān)注[2-4]。隨著高層建筑不斷涌現(xiàn),生產(chǎn)自動(dòng)化程度不斷提高,大型項(xiàng)目多臺(tái)塔機(jī)協(xié)同作業(yè)的情況也越來(lái)越常見(jiàn),群塔作業(yè)的安全問(wèn)題也凸顯出來(lái)[5]。

互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。數(shù)字化是建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然趨勢(shì)。通過(guò)數(shù)字化技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的工業(yè)化、智能化和綠色化發(fā)展,提高建筑業(yè)的附加值和競(jìng)爭(zhēng)力[6]。數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步為保障施工過(guò)程規(guī)范性與安全性提供了新的思路與解決辦法。本文針對(duì)施工過(guò)程中存在的群塔協(xié)同作業(yè)碰撞問(wèn)題,提出了一種基于項(xiàng)目群塔作業(yè)的防碰撞方案,通過(guò)傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲取塔機(jī)信息構(gòu)建群塔位置信息模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)群塔位置和運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌控。其次設(shè)計(jì)了群塔防碰撞的規(guī)則和方案,在存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行及時(shí)的安全隱患提醒、塔機(jī)限速和制動(dòng)。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)位置和狀態(tài)信息的監(jiān)控,并且對(duì)碰撞進(jìn)行及時(shí)提醒,讓塔司能夠及時(shí)做出反應(yīng)避免碰撞的發(fā)生。同時(shí)在碰撞即將發(fā)生時(shí),主動(dòng)進(jìn)行減速和制動(dòng),減少碰撞事故的發(fā)生,保障施工作業(yè)的安全進(jìn)行和現(xiàn)場(chǎng)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 群塔防碰撞控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

塔機(jī)群塔防碰撞控制系統(tǒng)需要對(duì)塔式起重機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并根據(jù)狀態(tài)信息和所設(shè)計(jì)的規(guī)則,實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)提示和對(duì)塔機(jī)的及時(shí)控制。群塔防碰撞控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案的整體框架如圖1所示。

本文采用多傳感器融合技術(shù)對(duì)塔機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,為了有效避免群塔作業(yè)時(shí)塔機(jī)的碰撞,我們需要知道每個(gè)塔機(jī)三個(gè)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)與塔機(jī)的相對(duì)位置。這里我們?cè)谒C(jī)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)處安裝了傳感器獲取塔機(jī)的起升高度信息、變幅距離信息以及回轉(zhuǎn)角度信息。

除此之外,為了獲取相鄰塔機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系,我們利用了GPS技術(shù),對(duì)塔機(jī)位置進(jìn)行了定位。計(jì)算出所測(cè)量的三維位置信息,實(shí)現(xiàn)塔機(jī)位置的確定。進(jìn)一步我們需要實(shí)現(xiàn)塔機(jī)間的信息交互與共享,我們引用無(wú)線通信技術(shù),利用多個(gè)網(wǎng)橋構(gòu)建無(wú)線組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)塔機(jī)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息交互。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 群塔作業(yè)防碰撞方案設(shè)計(jì)

本節(jié)將給出項(xiàng)目?jī)?nèi)群塔作業(yè)防碰撞方案的設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)群塔作業(yè)的防碰撞,除了技術(shù)支持外還需要有相應(yīng)的規(guī)則和方案去確定何時(shí)顯示安全提示信息、提示信息的形式以及執(zhí)行怎樣的控制動(dòng)作。

群塔方案的設(shè)計(jì)首先要符合群塔作業(yè)的相關(guān)規(guī)定以及項(xiàng)目作業(yè)的習(xí)慣。根據(jù)《建筑塔式起重機(jī)安全規(guī)程》等相關(guān)政策的規(guī)定,處于高位起重機(jī)的最低位置的部件與低位起重機(jī)中處于最高位置部件之間的垂直距離不得小于2 m;當(dāng)同一施工地點(diǎn)有2臺(tái)以上塔機(jī)時(shí),應(yīng)保持兩塔機(jī)間任何接觸部位(包括吊物)距離不得小于2 m;約8成項(xiàng)目規(guī)定不得在交叉區(qū)域同時(shí)作業(yè),2成項(xiàng)目規(guī)定可以在交叉區(qū)域同時(shí)作業(yè),但要做好溝通。

由此可以看出群塔作業(yè)過(guò)程中,為了避免群塔碰撞已經(jīng)在群塔設(shè)立階段做了相應(yīng)的規(guī)范與要求,有效避免了塔機(jī)起重臂之間的碰撞,以及起重臂與塔身之間的碰撞。因此所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目群塔作業(yè)防碰撞方案的主要關(guān)注場(chǎng)景在于高低塔之間的碰撞,以及在碰撞多發(fā)的交叉區(qū)域如何避免群塔的碰撞。高低塔之間的碰撞場(chǎng)景多為低塔的起重臂刮蹭高塔的鋼絲繩,且該場(chǎng)景一般發(fā)生在交叉區(qū)作業(yè)過(guò)程中。經(jīng)過(guò)分析可知交叉區(qū)作為危險(xiǎn)區(qū)首先需要引起塔司的充分重視,在進(jìn)入交叉區(qū)域時(shí)進(jìn)行安全隱患提醒。具體給出的方案如下:

當(dāng)交叉區(qū)域存在多臺(tái)塔機(jī)作業(yè),即塔機(jī)的吊臂、小車(chē)同時(shí)進(jìn)入碰撞區(qū)時(shí),進(jìn)行安全提示并顯示在中控界面上。同時(shí)當(dāng)我方塔機(jī)進(jìn)入到交叉碰撞區(qū),且檢測(cè)到交叉區(qū)域存在另一臺(tái)塔機(jī)時(shí),此時(shí)會(huì)對(duì)群防狀態(tài)及塔機(jī)速度進(jìn)行限制;安全提示規(guī)則如表1所示。

表1 安全提示規(guī)則匯總表

具體的控制規(guī)則如下:

獲取塔機(jī)的運(yùn)行信息,檢測(cè)到交叉區(qū)內(nèi)我方塔機(jī)靠近方向距離D1內(nèi)存在塔機(jī),設(shè)定警戒距離范圍為S1,危險(xiǎn)距離范圍為S2。其中S2為塔機(jī)最高速度下能停止的最短距離,S1>S2。假定我方塔機(jī)為高塔,接近塔機(jī)為低塔,那么我方塔機(jī)距離相鄰塔機(jī)的距離D1的定義為低塔大臂距離高塔鋼絲繩之間的距離。其示意圖如圖3所示。

我們假定高塔的塔機(jī)坐標(biāo)為(xa,ya,za),低塔的塔機(jī)坐標(biāo)為(xb,yb,zb),高塔和低塔的狀態(tài)為(la,θa,ha)和(lb,θb,hb)。其中所應(yīng)用到的符號(hào)如表2所示。

表2 符號(hào)表

那么我們可以獲得高塔吊繩兩端的坐標(biāo)可以表示為式(1)所示的形式。

(1)

低塔塔臂兩端的位置坐標(biāo)可以表示為式(2)所示的形式。

(2)

根據(jù)吊繩和大臂的坐標(biāo)信息結(jié)合線段之間的距離計(jì)算公式我們很容易得到低塔大臂距離高塔鋼絲繩之間的距離D1。

結(jié)合之前的分析我們可以得到整個(gè)控制的流程如圖4所示,首先我們需要根據(jù)所采集到的塔機(jī)位置信息和運(yùn)行狀態(tài)信息獲取高低塔情況下低塔塔臂距離高塔鋼絲繩之間的距離D1,如果所得到的距離小于警戒距離S1說(shuō)明當(dāng)前塔機(jī)沒(méi)有碰撞風(fēng)險(xiǎn),若大于警戒距離則需要進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)提示,提醒塔司需要注意附近的作業(yè)塔機(jī),并對(duì)塔機(jī)的回轉(zhuǎn)、變幅等操作的檔位進(jìn)行限制;若所得到的距離小于S2則需要對(duì)塔機(jī)進(jìn)行制動(dòng),保證塔機(jī)不會(huì)發(fā)生碰撞,造成安全事故。同時(shí)當(dāng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)解除時(shí)應(yīng)當(dāng)恢復(fù)塔機(jī)的駕駛。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

基于以上的分析和設(shè)計(jì)我們得到了關(guān)于項(xiàng)目?jī)?nèi)群塔作業(yè)防碰撞技術(shù)方案和安全風(fēng)險(xiǎn)提示與控制規(guī)則,本節(jié)我們將通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的方式驗(yàn)證所提出方案的有效性。

首先我們需要驗(yàn)證所給出的技術(shù)方案和安全風(fēng)險(xiǎn)提示與控制規(guī)則所涉及的場(chǎng)景能夠在實(shí)際的應(yīng)用中生效,因此我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)地為山西六建陽(yáng)曲縣人民醫(yī)院新院區(qū)建設(shè)項(xiàng)目,該項(xiàng)目包含4臺(tái)同時(shí)作業(yè)的塔吊,其位置關(guān)系如圖5所示。從圖5中可得到4臺(tái)塔吊相互之間均存在交叉作業(yè)區(qū),我們將2號(hào)塔機(jī)作為實(shí)驗(yàn)塔機(jī),部署項(xiàng)目?jī)?nèi)群塔作業(yè)防碰撞監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng),以1號(hào)作為驗(yàn)證的低塔,模擬1號(hào)塔位于交叉區(qū)域,2號(hào)塔機(jī)從不同方向接近交叉區(qū)塔機(jī)、2號(hào)塔位于交叉區(qū)域,1號(hào)塔機(jī)從不同方向接近交叉區(qū)塔機(jī)及兩塔機(jī)同時(shí)進(jìn)入交叉區(qū)域或同時(shí)在交叉區(qū)域作業(yè)三種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,分別驗(yàn)證模擬場(chǎng)景下塔機(jī)的報(bào)警顯示是否正常、塔機(jī)減速制動(dòng)情況及風(fēng)險(xiǎn)消失,塔機(jī)恢復(fù)駕駛情況。

設(shè)置S1=20 m,S2=15 m,根據(jù)以上方案進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖6,圖7所示。圖6距離D1=17.283 5 m且2號(hào)塔機(jī)的小車(chē)和1號(hào)塔機(jī)的大臂均在交叉區(qū)內(nèi)。此時(shí)滿足條件S2

為了驗(yàn)證所給出方案的應(yīng)用可行性,我們將采集到的塔機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及安全提示信息,上傳到了項(xiàng)目管理平臺(tái)上,那么我們可以通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)更直觀地看到防碰撞安全風(fēng)險(xiǎn)提示信息和控制生效的次數(shù)以及發(fā)生的吊次。這不僅有利于監(jiān)控防碰撞系統(tǒng)的運(yùn)行情況,還可以在事故發(fā)生時(shí)第一時(shí)間定位事故發(fā)生原因及時(shí)做出調(diào)整。如圖8所示為9月4日至9月10日一周的吊次數(shù)據(jù)與安全提示信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

由以上數(shù)據(jù)可知,在群塔作業(yè)過(guò)程中,一周內(nèi)的安全風(fēng)險(xiǎn)提示次數(shù)占總吊次的37%,單獨(dú)一天的安全風(fēng)險(xiǎn)提示的最高次數(shù)達(dá)到了吊物總次數(shù)的60%。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)我們可以更直觀地了解群塔運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),并做到及時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)提示和控制。從而幫助塔司更快地規(guī)避群塔碰撞風(fēng)險(xiǎn),保障群塔作業(yè)的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

由于吊裝中時(shí)常發(fā)生群塔作業(yè)的場(chǎng)景,本文提出了基于群塔作業(yè)防碰撞方案并開(kāi)發(fā)了群塔防碰撞系統(tǒng),通過(guò)采集和共享塔機(jī)的運(yùn)行信息,設(shè)計(jì)群塔防碰撞規(guī)則,實(shí)現(xiàn)了塔機(jī)在發(fā)生碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的及時(shí)提示、減速和主動(dòng)制動(dòng)。通過(guò)在實(shí)際項(xiàng)目上運(yùn)行的結(jié)果,可看出群塔防碰撞方案規(guī)避群塔碰撞場(chǎng)景的有效性。