塔式起重機作為廣泛應用的大型起重設備，其作業(yè)空間大，工作效率高，在建筑領(lǐng)域得到廣泛的應用。但是在施工過程中人員傷亡和設備損毀的事故也屢屢發(fā)生，給社會帶來了重大的損失［1］。塔式起重機在作業(yè)過程中存在的隱患主要有：單臺塔機的安全隱患、單臺塔機與其他物體的碰撞隱患、塔機群交叉作業(yè)互碰撞隱患及無證操作等，塔機各種安全事故如圖

1 所示

     本項目研發(fā)了新一代區(qū)域塔機安全監(jiān)測預警系統(tǒng)，采用最新科技，彌補現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的不足，集成化程度高，提供多種后臺功能，整體地提升了塔機的安全性能。

1 主要研究內(nèi)容

1.1 技術(shù)原理

   塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)路線如圖2 所示。

    在區(qū)域內(nèi)的塔式起重機l 上安裝一安全監(jiān)測儀2，安全監(jiān)測儀2 設有多種傳感器，將起

重機l 的空間運動狀態(tài)數(shù)據(jù)、荷載狀態(tài)數(shù)據(jù)、自身結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及監(jiān)控視頻運行數(shù)據(jù)通過通信模塊發(fā)至現(xiàn)場的監(jiān)測控制平臺5 和遠處的后臺信息管理平臺6 存儲，同時接收該區(qū)域內(nèi)其余塔式起重機l 的數(shù)據(jù)并進行處理，從而拉制自身起重機的運行狀態(tài)，并設有預警模塊。安全監(jiān)測儀2 包括各種傳感器（指紋模塊、傾角傳感器、風速傳感器、重量傳感器、高度傳感器、幅度傳感器、角度傳感器、制動控制器、安全控制器、網(wǎng)絡監(jiān)控器等）、智能數(shù)據(jù)采集分析芯片、視頻攝像頭、通訊模塊和預警模塊，智能數(shù)據(jù)采集分析芯片接收傳感器和視頻攝像頭的各種數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后能通過近距通訊線路（如射頻技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、有線傳輸技術(shù)）傳輸?shù)浆F(xiàn)場的監(jiān)測控制平臺5，也能通過遠距通訊線路（如GPRS、CDMA、3G 等數(shù)字信技術(shù)、Internet /lntranet 網(wǎng)絡技術(shù)）傳輸?shù)竭h處的后臺信息管理平臺6存儲，同時接收現(xiàn)場的監(jiān)測控制平臺5 和遠處的后臺信息管理平臺6 發(fā)來的該區(qū)域中其余塔式起重機1的數(shù)據(jù)，塔式起重機安全監(jiān)測儀基于測量得到的本機數(shù)據(jù)以及接收到的其他塔式起重機的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合智能分析計算實現(xiàn)對塔式起重機自身安全危險、與障礙物（包括有建筑物、高壓線、遒路、限制保護區(qū)、限制作業(yè)邊界等）碰撞危險、與多塔式起重機協(xié)作碰撞危險的監(jiān)測和判別，并能依據(jù)判別結(jié)果采用聲、光、圖像、通訊等方式實現(xiàn)預警，并對塔式起重機的運動狀態(tài)進行控制，從而有效避免事故的發(fā)生。同時能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)實時存儲在塔式起重機安全監(jiān)測儀上，實現(xiàn)黑匣子功能，為掌握塔式起重機運行狀態(tài)及事故認定提供可靠依據(jù)?，F(xiàn)場的監(jiān)測控制平臺5 是一個信息控制中心，其能夠?qū)崿F(xiàn)對局域內(nèi)多臺塔式起重機安全監(jiān)測儀的控制及組網(wǎng)。塔式起重機安全監(jiān)測儀能夠?qū)⑺狡鹬貦C作業(yè)范圍內(nèi)的建筑物、高壓線、道路、限制保護區(qū)、限制作業(yè)邊界等虛擬成不同類型的障礙物，從而能夠避免塔式起重機與障礙物碰撞危險的發(fā)生。現(xiàn)場的監(jiān)測控制平臺5 能夠基于近距通訊線路實現(xiàn)與多臺塔式起重機安全監(jiān)測儀間的數(shù)據(jù)通訊，同時也能基于遠距通訊線路實現(xiàn)與塔式起重機后臺信息管理平臺6 間的數(shù)據(jù)通訊。同時能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)實時存儲在現(xiàn)場的監(jiān)測控制平臺5 上，實現(xiàn)黑匣子功能，為掌握塔式起重機運行狀態(tài)及事故認定提供可靠依據(jù)［2］。塔式起重機后臺信息管理平臺6 以信息技術(shù)、全球定位技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)技術(shù)為基礎，用于對區(qū)域內(nèi)多臺塔式起重機的安全狀態(tài)進行監(jiān)測和記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)對塔式起重機安全監(jiān)測儀的實時監(jiān)控、歷史運行記錄查詢、遠程控制等功能。從而實現(xiàn)更大范圍的對區(qū)域內(nèi)塔式起重機安全狀態(tài)的遠程監(jiān)測。1.2 塔機的防碰撞算法研究本項目采用高安全系數(shù)的塔機防碰撞算法，有效地防止了塔機與周圍固定障礙物的碰撞以及2 座塔機之間的相互碰撞，保障了塔機安全運行作業(yè)。高安全系數(shù)的塔機防碰撞算法主要分為2 類：一種類型是防止塔機與周圍固定障礙物的碰撞，第二種類型是防止2 座塔機之間的相互碰撞。

     防止塔機與周圍固定障礙物的碰撞假設塔機與障礙物位置如圖3 所示。

     將固定建筑物的模型進行一定程度的簡化，在周圍加上一定的裕量后等效為棱柱體結(jié)構(gòu)。圖中的l1，l2，l3，l4 分別為棱柱體的4 個側(cè)面，用方程（1）表示為：

y=a1 x+b1

y=a2 x+b2

y=a3 x+b3

y=a4 x+b4

z=h

    塔機1 在運行過程中，根據(jù)臂架的長度、轉(zhuǎn)角和吊重的位置等信息，計算出塔機1 可能與限制區(qū)域發(fā)生碰撞的最遠點的坐標（x’， y’， z’）。塔機1 可能與限制區(qū)域發(fā)生碰撞的最遠點的坐標是指當塔機起重臂高度低于建筑物高度時起重臂最遠點的坐標，而當塔機起重臂高度高于建筑物高度時則是指吊重的坐標。若可能碰撞的最遠點（x’，y’，z’）滿足下述方程式（2）：

y’＜a1 x’+b1

y’＜a2 x’+b2

y’＜a3 x’+b3

y’＜a4 x’+b4

z’＜ h

    則說明塔機1 進入了干涉區(qū)域，此時應立刻報警，并立刻停止向建筑物靠近方向的運動。具體的軟件實現(xiàn)流程如圖4 所示。防止2 座塔機之間的相互碰撞防止2 座塔機之間的相互碰撞主要包括2 個方面：（1）塔機高度相同時，起重臂之間的碰撞；（2）塔機高度不同時，高位塔機的起升繩、吊鉤與低位塔機起重臂之間的碰撞［3］。本系統(tǒng)采用了一種Zigbee 無線技術(shù)進行組網(wǎng)通信，同一個工作區(qū)域中的塔機按照約定的協(xié)議向網(wǎng)絡中發(fā)送含有自身ID、角度等信息的數(shù)據(jù)，同時接受可能與自身發(fā)生干涉的塔機數(shù)據(jù)，并建立數(shù)學模型。當塔機檢測到自身運行區(qū)域中存在可能發(fā)生干涉的塔機時，立即發(fā)出警報。當塔機運行到干涉區(qū)域，并且檢測到此時該區(qū)域中還有其他塔機時，若2 座塔機高度一致，則停止該方向的運動；若2 座塔機高度不一致，當高位塔機吊重的高度大于低位塔機的臂架高度或者2 座塔機吊重到各自中心距離之和小于2 座塔機回轉(zhuǎn)中心之間距離時，可繼續(xù)運行，否則就停止該方向的運動判斷塔機是否運行到干涉區(qū)域的算法是計算塔機1 臂架前端與塔機2 回轉(zhuǎn)中心的距離。如果這個距離小于塔機2 臂架的長度，則認為塔機1 進入了2 座塔機的干涉區(qū)域。假設2 座塔機位置。

      2 臺塔機回轉(zhuǎn)中心的坐標分別是（0，0）和（a，b），塔機臂架長度分別為L1，L2，塔機臂架端點坐標分別為（x1，y1）和（x2，y2）。如果塔機1 的臂架端點（x1，y1）與塔機2 的回轉(zhuǎn)中心（a，b）滿足以下方程式（3）：姨（x1-a）2+（y1-b）2 ＜L2則說明塔機1 進入了2 座塔機的干涉區(qū)域。同理也可判斷塔機2 是否進入2 座塔機的干涉區(qū)域。這部分軟件實現(xiàn)流程如圖6 所示。

     本項目能夠?qū)崿F(xiàn)對塔機運行狀態(tài)的全方位監(jiān)測及多種不同危險的預警，能夠有效提升塔機的安全水平，減少事故的發(fā)生。其系統(tǒng)特點主要為：

   （1）塔機運行狀態(tài)監(jiān)測、顯示及記錄功能。包括有塔機的幅度、高度、起重量/力矩、回轉(zhuǎn)角、風速及傾角數(shù)據(jù)，對塔機運行過程中的數(shù)據(jù)可以記錄在本地監(jiān)控儀中，同時也可以存儲在遠端的服務器中，滿足塔機安全事故分析及塔機運行規(guī)律分析的要求。

   （2）塔機防碰撞功能。在對塔機幅度位置、高度位置及回轉(zhuǎn)位置實時檢測的同時，通過zigbee 無線組網(wǎng)技術(shù)將同一施工環(huán)境下的多臺塔機組成一個無線監(jiān)控網(wǎng)絡，使不同塔機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)可以在不同的塔機間傳遞。每個塔機可以基于本塔機及其他塔機的數(shù)據(jù)進行防碰撞計算，實現(xiàn)距離預警和高度預警，并基于防碰撞的計算結(jié)果進行語音報警，在緊急情況下切斷不安全方向動作的電源，避免碰撞事故的發(fā)生