基于分布式构架的塔机群碰撞预警系统算法设计

刘昕鑫，范道林

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610213)

0 引 言

近几年国内对群塔作业防碰撞技术的研究已经越来越重视，但防碰撞系统或装置还未能得到普遍应用[1]。随着各类新兴技术的发展和成熟，在算法设计、硬件技术等方面，仍有一定的研究和进步空间[2-3]。

在算法设计方面，分析国内各机构和公司的研究进程发现：有的仅关注于幅度限位、高度限位和角度限位等简单功能集成，防碰撞算法处理较为单一，难以全面、准确地预测碰撞危险；有的侧重于区域限制计算，无法满足像在水电站大坝施工环境下不同类型塔机交叉作业的需要[3]；有的算法设计过于复杂，未考虑到实际工程应用的可行性；还有的存在对不同型号塔机的推广应用兼容性不足的问题。并且，国内市场应用案例很少，现有技术方法大多没有经过实地检验和调试，研究尚停留在初步理论阶段。

瓦托水电站工程转入混凝土大坝浇筑工序后，由于施工场地狭小，工期紧张，工作强度、难度都较高。现场先后安装了2台平臂式塔机和1台动臂式塔机。3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。结合该电站施工现场的实际情况，本文将从系统实用性、可靠性以及系统开发时限等出发，拟设计一种更精简、易推广的算法。

图1 系统分布式构架示意

1 碰撞预警规则制定

1.1 碰撞预警系统构架研究

目前，分布式构架越来越受到计算机工业界的青睐。分布式系统是一个硬件或软件组件分布在不同的网络计算机上，彼此之间仅通过消息传递进行通信和协调的系统[4]。由于瓦托水电站施工现场目前仅涵盖3台用于混凝土浇筑的塔机，且属于塔身底座固定的类型，无需通过GPS技术进行大范围位置定位，因此为了降低系统硬件要求，易于实现模块化，将分布式构架的概念应用于碰撞预警系统中。本课题开发的分布式系统特点如下：

(1)取消作为中心节点的基站，实现设备间依靠无线网络的协同互联。

(2)计划在系统中所有设备的司机室均配备1台平板电脑作为控制主机，各设备根据自身需要来获取信息，仅进行与自身相关的防碰撞计算，信息传输量和计算量得到降低，对硬件配置要求也降低。

(3)在分布式构架之下，各施工设备上的软硬件配置和功能基本相同，易实现模块化，从而便于系统中施工设备数量的增加等后续功能扩展或向同类推广，适应性强。

碰撞预警系统的分布式构架体系见图1，系统涵盖的每台塔机上都形成一个完整而独立的模块，各模块之间借助无线网络进行信息互联。每台塔机上均以控制主机为中心，配备有为自身碰撞预测服务的信息采集、传输和处理设备。同时均编制有功能完备的碰撞预警软件，软件后台进行碰撞预警计算等，前端界面实现现场运动模拟、信息警示等功能。

1.2 塔机群作业防碰撞规则研究

根据塔机群作业的设备特点和环境特点可分析出如下几点：

无论是平臂塔机，还是动臂塔机，其运动状态均由回转、变幅和起升3个方向的复合运动组成。其中，由于回转运动惯性较大、发生较频繁、运动路径范围广，相较之下最易遭遇碰撞事故，因此应当将回转运动作为主运动形式来进行碰撞预警。

塔机作业回转速度一般不超过5°/s，在狭小场地和紧张工期的前提下，塔机之间常常近距离作业，如果过早报警或者漏报误报都会影响工作效率或造成损害。因而，碰撞预警系统需要预测未来多长时间后发生碰撞，制定合理的提前警报时间，并根据时间的长短区分警报级别[2]。

分布式构架之下，各塔机只考虑自身是否会撞到对方，因此当自身塔机产生运动时(包括回转、变幅和起升三方面运动)，才开始相应碰撞预警计算，避免自身与外部碰撞即可。即对每台塔机来说，当需要自己主动避让时，才对自身构成碰撞警报。

由上述分析可知，为了便于防碰撞算法编写、提高预测精度，首先需对碰撞预警规则进行定义，包括各方向运动速度和运动范围确定、最小安全距离定义、主运动形式确定、制动回转角度估算、各级警示范围的确定等内容。

2 算法设计思路

碰撞预警算法针对的对象主要是大坝施工现场的3台塔机。俯视角度观察，瓦托水电站施工现场的3台塔机的平面布置如图2a所示。图上左侧、右侧均为平臂式塔机，左右两个直径较大的圆圈代表其工作覆盖范围；中间是动臂式塔机，中间直径较小的圆圈代表其工作覆盖范围。下文以左侧、右侧、中间塔机的简称指代3台设备。塔机布置剖视图如图2b所示。

图2 塔机布置

施工设备的三维形体复杂，但可看作多个简单形体的组合。就本系统中塔机而言，根据其运动状态，可将其整体解析为固定不动的塔身部分以及发生运动的起重臂、平衡臂、悬吊重物的钢丝绳这几部分，然后就能将不同设备间的碰撞问题转化为设备不同部件间的碰撞问题。再结合已知的现场位置信息和塔机外形参数信息，遍历可得到部件间所有可能的碰撞现象，如在本系统中设备部件间存在26种可能发生的碰撞情况。如此避免了对三维复杂形体的直接处理，降低了算法难度，同时也保证了预测精度。

针对分解后的塔机部件间的碰撞现象，由于部件形状规则，对其进行缩维处理，即在进行高度辅助判断之后，将三维形体间的碰撞问题投影至俯视图，例如起重臂投影为一条线、钢丝绳投影为一个点、塔身外轮廓投影为圆形或方形，碰撞问题简化为平面上点线之间距离的研究，进一步降低了算法难度。

此时算法繁琐程度仍然较高，结合碰撞现象的实质以及“主动设备避让原则”，对所有碰撞情况进行共性化处理，提取出了点碰线、线碰点、点碰固定障碍物、线碰固定障碍物4个核心计算函数，本系统中26种碰撞现象在经过角度映射等处理后均可归类到以上4个本质计算函数中去。

综上，经过部件分解、树的遍历、三维向二维缩维、共性化处理等步骤，算法变得精简易推广[5]。

以左侧塔机为例，左侧塔机在进行防碰撞计算时，与其相关的碰撞现象共有6种，每一轮计算中它仅对这6种情况的碰撞可能性依次进行筛查判断，调用对应的本质计算函数，一轮计算过后保留最高警示级别输出。

在这里另外明确一个主动设备和被动设备的概念，左侧塔机进行自身碰撞危险预测时，将左侧塔机称作主动设备，将有可能被它碰撞的外部物体称作被动设备。

同理，中间塔机作为主动设备进行防碰撞计算时，需要考察的碰撞现象共有10种；右侧塔机作为主动设备进行防碰撞计算时，需要考察的碰撞现象共有10种。

3 具体分析过程举例

根据算法设计思路，对某种具体的碰撞现象的分析过程进行说明。

3.1 线碰点计算方法分析

以右侧塔机起重臂碰撞左侧塔机钢丝绳为例，此时右侧塔机是主动设备，左侧塔机是有可能被右侧塔机碰撞的被动设备。右侧塔机的起重臂，垂直投影后可简化为一条一端固定、另一端轨迹是圆的线段；左侧塔机钢丝绳垂直投影后则简化为一个点，点存在于一圆形轨迹上。此时碰撞问题实质是某一高度的水平面上移动的线和点是否会相撞的问题。

结合施工现场的实际情况，线碰点在投影平面的轨迹如图3所示，共有4种情形。此处右侧设备是主动设备，左侧设备是被动设备。因所有塔机底座固定，两塔机的塔身中心轴距离为L，L为可知常量；左侧设备经过变幅后钢丝绳所在的竖直轴线与塔身中心轴之间的距离为R1，即投影平面上钢丝绳的运行轨迹是个半径为R1的圆；右侧设备起重臂投影后对应线段的长度为R2，投影平面上起重臂回转时扫过一个半径为R2的圆形面。

如图3所示，由于现实中L、R1、R2之间的关系会有不同，导致潜在碰撞点及计算方法不同，分为4种情形：①R1+LL+R2(R2极小)；③R1+R2

图3 线碰点4种情形示意

图5 线碰点情形4(两设备轨迹有交点)危险范围示意

(1)情形1，当R1+L

图4 线碰点R1+L

(2)情形2，当R1>L+R2，意味着右侧设备回转运动扫过的范围极小，无潜在碰撞点。

(3)情形3，当R1+R2

(4)情形4，其他，即包括两个圆形轨迹有交点的所有情形。如图5a所示，此时潜在碰撞点无法直接确定。假设左侧设备(被动设备)的碰撞部件(钢丝绳)在所预测时刻的所处回转角度为β，β为0°到360°间任意一值，假设两设备圆形轨迹有两个交点A、B(包含只有一个交点的情况，看作A、B点重合)，A点对应角度为β1(β1≤180°)，B点对应角度360°-β1，β2代表安全裕度(10°)。根据被动设备所处位置的不同(β不同)，对主动设备而言，潜在碰撞点不同。

在线碰点的情形4中：若β1+β2<β<360-β1-β2，无潜在碰撞点；若β1<β<β1+β2，潜在碰撞点为A(见图5b)；若360-β1-β2<β<360-β1，潜在碰撞点为B(见图5c))；若β<β1或β>360-β1，潜在碰撞点为C(线与点的圆形轨迹的切点)(见图5d)。得出潜在碰撞点后，再确定危险范围。

需要注意的是，潜在碰撞点并不代表真实碰撞点，找到潜在碰撞点是为了确定危险范围。碰撞预警的目的是，在近距离作业时提醒设备操作人员提高警惕，只要主动设备离外部物体距离过小就应该发出碰撞警报，所以允许存在设备进入预警范围后经过一段时间正常运行又自己走出预警范围的情况。

3.2 线碰点计算方法总结

总结线碰点计算方法如下：

(1)右侧设备为主动设备，其碰撞部件经过缩维处理，可简化为一条线。

(2)左侧设备为被动设备，其碰撞部件经过缩维处理，可简化为一个点。

(3)算法输入参数。①两设备底座中心位置及设备高度等外形轮廓；②左侧设备(被动设备)回转角度、变幅位置和起升高度；③右侧设备(主动设备)回转角度、变幅位置和起升高度；④右侧设备(主动设备)目前警示级别；⑤右侧设备(主动设备)正常制动需预留的回转角度；⑥右侧设备(主动设备)紧急制动需预留的回转角度。

(4)具体计算思路。根据被动设备部件的位置、运动方向等，结合主动设备自身的运动轨迹进行分类讨论，确定潜在碰撞点，再根据潜在碰撞点的位置以及主动设备的位置、运动方向等判断出危险范围。

(5)该防碰撞算法既可以判断当前是否存在碰撞危险，也可以用于预测10 s/4 s/2 s后是否存在碰撞危险，即算法的输入变量中，无论被动设备或主动设备，其回转角度、变幅位置和起重高度等运动信息，既可以是当前的参数，也可以是10 s/4 s/2 s后的预测值。

(6)首先判断设备当前状态是否已处于潜在碰撞点对应的危险范围内，若处于，发出一级警示。设备运行一旦进入预测出的10 s后危险范围边界，发出三级警示；设备一旦进入预测出的4 s后危险范围边界，发出二级警示；设备运行一旦进入预测出的2 s后危险范围边界，发出一级警示。对所有状态进行判断后，保留最高级别警示输出。

要使得上述方法能有效适用于所有线碰点一类的现象，需要注意一下几点：

(1)所有回转角度，根据碰撞预警规则，应及时处理保持在0°到360°，使得数据整齐，便于比较和计算。

(2)碰撞部件缩维后是“线”的情况下，一般需要缩维后的线段长度作为算法的输入参数。当设备为平臂式塔机时，此参数的值为起重臂的全长；设备为动臂式塔机时，为起重臂全长与其变幅倾角余弦值的乘积。

(3)对于平臂式塔机起重臂和动臂式塔机起重臂之间的碰撞现象，由于动臂式塔机的起重臂有斜度，因此它的起重臂上只有与平臂式塔机起重臂等高的那一点才可能遭遇碰撞。即在这种情况下，动臂式塔机的碰撞部件——起重臂，其在缩维后可简化为一个点，所以这类碰撞现象本质的研究对象也是点和线。这一点对应的变幅位置、起升高度、回转角度才应作为算法的输入参数。

(4)碰撞现象里主动和被动设备左右位置互换时的调用方法——做映射处理。首先，所有回转角度α的映射，若α≤180°，令α=180°-α；否则，令α=540°-α。第二，所有回转角速度的映射，数值不变，回转方向相反。最后，变幅运动和起升运动无映射变化。(例如“中间塔机起重臂碰撞右侧塔机钢丝绳”之类，本质是线碰点，只不过主动设备在左侧、被动设备在右侧，意味着此时两设备的运行轨迹和危险范围示意图应当关于平面上的竖直轴线作对称处理，但实质以及解算步骤完全一致。)

(5)对于碰撞部件涉及到平衡臂的碰撞现象，在算法输入参数里，将起重臂长度和回转角度位置更换为平衡臂的对应数值即可。

同理，可以总结得出另外3个本质碰撞情况——点碰线、点碰固定障碍物、线碰固定障碍物的计算方法。

4 算法验证

算法初步设计完成后，编制了一个单机测试版软件，用以检验算法设计是否合理、编写是否正确。软件通过编译工具Visual Studio使用C#语言编写。

单机测试版软件中，施工现场设备位置、塔机外形参数等固定信息与实际情况保持一致，塔机运动参数，即回转角度、起升高度、变幅长度等可由用户通过UI界面设置。用户可指定主动设备并设定塔机不同的运动状态，以此来检验算法设计是否全面有效。检验发现：①无论主动设备是哪一台塔机，均可以调用相应算法、识别出危险情况且提前报警。②从界面中部观察现场模拟运行画面，当作为主动设备的塔机有碰撞危险时，界面右侧表示相应塔机危险状态的警示灯会提前由绿转红，同时界面左上角通过文字提示危险碰撞现象和警报级别。③随着碰撞部件由远及近运动，从初始的无警报逐次变为3级/2级/1级警报，并发出警报声。在此过程中，当出现塔机运动状态改变或错过碰撞位置，即碰撞危险解除时，警报能够自动停止。

5 结 论

(1)塔机群碰撞预警系统采用了分布式系统构架，各塔机之间独立进行碰撞危险的计算，通过网络协同互联，降低了对硬件设备的性能要求，实现了模块化，有利于系统的拓展和推广。

(2)基于分布式系统构架制定了碰撞预警规则，然后设计了一种碰撞预警算法：将塔机分解为简单形体的组合，通过遍历归纳出部件间所有可能的碰撞现象，对碰撞现象合理缩维，再进行共性化处理，提取出4个核心计算函数。实现了算法的简化，同时仍保障了结果的精确度。

(3)编制了一个单机测试版软件检验所设计的算法，检验发现，对不同设备不同部件间的碰撞危险均可以有效识别，预判和警示功能都得到较好的实现，充分说明设计的算法是合理的，可以满足使用需求。