分布式模块化防碰撞系统在水电工程中的应用研究

何 福 江， 刘 昕 鑫

(中国水利水电第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

金河瓦托水电站是一座以发电为主的中型水电枢纽工程，位于西藏昌都市卡若镇列巴村金河下游约2.5 km处，距离昌都市察雅县吉塘镇12.2 km，在金河大坝上游约5 km处。该工程于2016年8月开始施工，年底转入混凝土浇筑施工，混凝土总量约26万m3，建筑面积约1.5万m2。由于基坑面积狭小，工期较短，混凝土施工强度高，加之垂直入仓手段受限，共安装了两台塔机(TC7052、D1400)及一台门机(MQ600B)。三台设备的活动区域在施工现场互有交错，设备运行过程中交叉施工干扰极大，安全隐患突出，尤其是在强光刺眼等外界因素影响下，操作人员可视距离短、安全隐患突出。

项目部针对瓦托水电站大型起重设备布置现状，从提高系统实用性、加快工程进度及增强安全作业能力等方面出发，研究并采用了基于分布式模块化构架体系的防碰撞预警系统，该系统通过实时自动检测各施工设备及其相关部件(如臂架、塔架及吊钩等)的位置、运动方向和速度，将采集到的信息通过无线网络传输给安装在各施工设备司机室内的工业级平板电脑，通过实时独立计算，分析出各设备固定及运动部件(如臂架、塔架及吊钩等)的相互位置关系，并利用用于流动监控的手提电脑等移动终端实时观测施工现场起重设备各部件的位置以及根据现场障碍物实际高度(大坝坝体上升)进行远程更新。

2 分布式模块化防碰撞系统的基本原理

将起重设备分解为简单形体的组合，将设备碰撞问题分解为部件间的碰撞，根据碰撞现象实质和主动设备避让原则，将碰撞现象进行共性化处理，确定共性碰撞算法并进行缩维处理，将三维简单形体间的碰撞问题简化为平面中点、线之间的距离问题[1]。同时，结合二叉树遍历递归算法，对所有碰撞现象进行预测，通过以太网相互传递信息至相关设备。通过VS(Visual Studio)平台利用C#语言进行编程开发的防碰撞软件进行实时计算与智能分析。根据各设备固定及运动部件(如臂架、塔架及吊钩等)的相互位置关系，自动判断设备可能发生碰撞部件的距离、可能发生碰撞设备相关部件的运动速度及方向，并根据软件分析结果及时发出警报[2]。

3 构架体系

瓦托水电工程分布式防碰撞系统构架体系见图1。

图1 瓦托水电工程分布式防碰撞系统构架体系图

4 信息采集方式

对塔式起重机回转、起升、变幅机构处均设置有限位器[3]。利用联轴器将限位器输出轴与编码器相连，获取起重机的回转、起升和变幅机构运动数据。

对门座式起重机起升、变幅机构安装限位器，采用齿轮传动将限位器输出轴与编码器轴连接以获取角度信息。对于回转机构，因其不含限位器，遂将编码器输入轴通过联轴器、齿轮轴等零件与小齿轮固接，小齿轮与回转机构的大齿轮相啮合，编码器可获取回转角度。

5 预警系统的工作流程

5.1 预警系统

将各设备均置于一个整体坐标体系中，采用布置在各设备上的位置信息检测装置(如绝对值编码器、倾角传感器等)实时检测臂架、塔架和吊钩等运动部件的位置、运动方向及速度[4]，然后通过无线网络将有关信息传送给相应设备；对各设备的工业级平板电脑根据存储的设备本身以及与之有可能发生碰撞的设备的外形轮廓参数应用相应的算法实时计算出各设备固定及运动部件(如塔架、臂架和吊钩等)的相互位置关系，计算出各设备有可能发生碰撞部件的距离，综合考虑设备的制动距离和安全裕度，判定是否需要发出警示及警示的级别；如需发出警示，各设备的平板电脑将通过语音和平面图形提醒设备操作人员采取措施进行避让，最终避免发生碰撞[5]。

5.2 预警判定流程

以右侧塔机起重臂碰撞左侧塔机钢丝绳为例，属于线→点防碰撞算法，如：左侧塔机变幅尺寸极小，R1+L

5.3 预警提示

在起重设备司机室安置平板电脑，实时显示各起重设备当前的角度、回转半径、吊钩长度及现场起重设备之间的大臂位置。当起重设备处于运行安全区时，在平板电脑左上角的指示灯为绿色，无任何提示，司机可观察平板电脑上周边相连起重设备的大臂位置；当起重设备处于运行干扰区时，指示灯为绿色，伴有平淡的语音提示，提醒司机注意设备间的运行关系，明确避让原则；当起重设备处于运行碰撞区时，指示灯由绿色变为红色，伴有刺耳的语音提示，提醒司机采取紧急制动。具体情况如下：

图2 预警判定流程图

(1)正常→三级警示之间，预测当前的碰撞情况以及10 s后的碰撞情况，即0～10 s之间有无碰撞；

(2)三级→二级警示：预测当前的碰撞情况以及2 s后的碰撞情况，即0～2 s之间有无碰撞；

(3)二级→一级警示：预测当前的紧急制动碰撞情况以及2 s后的紧急制动碰撞情况，即0～2 s之间有无必要进行紧急制动。

6 流动监控系统

6.1 无线网络的构建

考虑到瓦托水电站的工作条件及被监测点是一个移动系统，有部分测点处没有供电设施。因此，信息传递设备选用900 MHz数传电台设备并采用调频扩频技术，其数据丢失率可控制在1%以内，可以满足传输距离和可靠性等要求。

6.2 监控系统的使用

(1)在系统配备的便携式计算机上，在网络状况良好的情况下，打开Teamviewer软件，若系统中涵盖的设备(共4台)在线，则前方图标显示为蓝色；不在线时则显示为黑色。

(2)点选想要连接并监控的设备，弹出右侧菜单栏，在菜单栏一列选择第二个“远程控制使用密码”，自动连接指定塔机的设备，该设备运行界面将显示于监控设备桌面上，并可对其进行远程操作(可修改起重设备、障碍物的高度、长度等信息)。

7 结 语

瓦托水电站工程大型起重设备使用的防碰撞系统具有较强的通用性和实用性。将分布式模块化的系统设计理念运用于防碰撞系统具有较高的性价比、较短的开发周期和很强的开拓性，有利于后期进一步将精准定位技术、现场实时模拟、智能设备检测等技术运用到起重设备施工中，促进各类起重设备安全施工技术的发展，提高工程建设安全作业的能力和作业效率，增强企业核心竞争力，实现建设工程机械管理方式的跨越式发展。