群塔作业防碰撞系统通讯技术研究

贺 俊，梁 斌，张俊岭

（西安丰树电子科技发展有限公司，陕西 西安 710000）

塔式起重机（简称塔机）是建筑施工必不可少的起重运输设备。由于工作重心高、起重载荷大、运行速度快，工作过程中频繁启动、制动，产生较大的动载荷，因此，塔机工作中蕴藏较多的安全隐患[1]。随着建筑规模的增大，需要大规模集群化塔机作业，塔机之间的碰撞风险越来越大。为了保证塔机运行的安全，早在20 世纪90年代，欧洲、美国已普遍应用起重机安全监控管理系统和塔群防碰撞系统，并在90 年代末列入强制性法规。我国近年来也开始应用推广群塔作业的防碰撞系统[2]。

1 分布式群塔防碰撞工作原理

考虑施工现场多塔机协同作业的特点，群塔机防碰撞监控采用了分布式控制技术[3]，系统组成如图1 所示。每台塔机上安装一个嵌入式塔机安全监控系统（以下简称监控系统），该监控系统负责监控本塔机的转角、小车变幅、吊重高度以及吊重等运行状态，并利用无线通讯[4]发送本机运行状态，获取相关塔机（根据施工现场的分布以及塔机的类型，我们将存在碰撞可能的塔机称为相关塔机）的当前运行状态。在此基础上，监控系统利用本塔机的状态以及其他塔机的状态进行主动避障的判断与控制。

图1 群塔防碰撞工作原理

2 群塔防碰撞系统的通讯

由于塔机防碰撞的控制算法比较复杂，涵盖了多种类型塔机之间以及塔机与建筑物之间的计算，因此，对群塔防碰撞系统之间无线通讯的速度、通讯的正确率以及通讯的稳定性都提出了较高的要求[5]。目前，常用的无线通讯方式有：无线广域网与无线局域网，但无线广域网一般滞后比较严重，工地现场防碰撞通讯适合用433MHz或2.4GHz 的无线局域网模式[6]。2.4G 的频率传输数据快，但在现场无线信号的绕射能力差，考虑施工现场环境比较复杂，不适合2.4G 的无线通讯。433MHz 频率的无线通讯，信号的绕射能力强，但信号空中数据传输速度低。为了保证塔机防碰撞计算的实时性，一般要求塔机在200ms内完成一次数据的发送，在防碰撞技术中，塔机之间需要传递塔机的编号、转角、幅度以及高度等信息，发送的数据包长度大概15 个字节左右，于是，433MHz 无线通讯的数据传输速率限制了施工现场群塔防碰撞的数量。一般无线通讯的空中数据传输速率越高，通讯距离越近，为了保证群塔无线通讯的效果，根据现场经验设无线通讯空中速率为9 600kbps，在这种情况下，对于15台以上塔机集群作业的项目场景，采用433MHz无线频率组网，将会导致无线数据的空中冲突，无法保证数据输出的有效性，不能满足群塔防碰撞控制的要求[7]。

3 无线通讯的多通道分组技术

为了保证大规模群塔作业的防碰撞通讯的可靠性，本文提出了多频道分组技术，将一个大规模的群塔分为多个组，每个组内采用一个通讯频道，于是，同一个通讯频道的塔机数量减少，避免了无线通讯数据冲突，但每个组不可能完全无关，组间总是存在少量塔机与多个组都有碰撞关系，称为组间的交叉塔机，为了保证交叉塔机在不同组内的通讯，可以在这些组间的交叉塔机上采用多个无线通讯频道，实现在不同组内的塔机间信息传递。

以图2 的16 台群塔作业分布为例，从图中相对位置关系来看，通过碰撞关联关系，16 台塔机不可能完全分离，超过了防碰撞无线通讯的最大数量。利用多频道分组技术，可以从图中的虚线位置将该群塔分为两组，A 组有10 台塔机TC1、TC2、…TC10；B 组有7 台塔机TC11、TC13、…、TC17；两个塔机组之间有TC1、TC4以及TC12，TC17 4 台相互有碰撞的交叉塔机。利用多通道分组技术，在A 组内采用f1的无线通讯频道，B 组内采用f2的频道，因此，两组之间的无线信号不会干扰。对于4 台交叉塔机则同时具有两个通讯频道，负责组间塔机的通讯。比如塔机TC1 上，通讯频率f1负责在A 组中进行信息交互，通讯频率f2负责在B组中进行信息交互。利用上述分组技术后，有12 台塔机利用通讯频道f1进行通讯，有9 台利用通讯频道f2进行通讯，都能满足通讯效率要求，同时，也实现了16 台群塔的防碰撞控制。

图2 群塔多通道分组通讯原理

4 案例描述与分析

西安交大创新港项目为交通大学新校区，位于西咸新区沣西新城曹家滩村西北部，渭河以南。项目建设用地规模约4 376亩，建成为“校区、园区、社区”三位一体的创新体。项目一期占地1 750 亩，主要包括4 个巨构（教学楼），文科楼、理科楼，医学化工板块，学生宿舍、食堂等，共计48 个单体。其中17～22 的6 栋楼需用19 台塔机，如图3 所示。

图3 交大创新港项目某标段施工塔机布局图

利用项目部提供的现场塔机参数以及塔机之间的地理位置关系，可以得到群塔分布如图4 所示。从分布图中可以看出19 台塔机不能完全分离开，采用一个433MHz 的无线通讯频道无法保证塔机之间的通讯效果。根据图4 的塔机分布关系，我们采用了多频道分组技术，将该项目的19 台塔机分为两组，从图中虚线位置处分开，1 组包括塔机TC1～TC8，组2 包括塔机TC9～TC19；两组的交叉塔机有6 台，分别为TC5、TC6、TC8以及TC12、TC18、TC19。在1 组中采用f1的通讯频道，2 组内采用f2的通讯频道，在两组的交叉塔机上配备f1与f2的无线双通道通讯模块。

图4 双频道分组通讯方案

从最终应用效果看，在交大创新港该标段采用双通道分组通讯方案，满足现场群塔防碰撞控制的通讯要求。

5 结语

利用多通道分组通讯技术，解决大规模群塔防碰撞通讯的数据冲突问题，保证了无线通讯的速度、通讯的正确率以及通讯距离，为群塔防碰撞提供了实时、稳定、准确的数据，该技术的应用为大规模群塔作业的防碰撞提供了技术方案。