塔式起重機是智慧工地中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。 隨著我國塔機產(chǎn)量和保有量的不斷增長，各種安全事故也日益增多。由于塔機是一種需要在施工現(xiàn)場安裝和拆卸的施工機械，工地轉(zhuǎn)移頻繁，整個使用流程中存在較多薄弱的、事故多發(fā)環(huán)節(jié)。根據(jù)事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，塔機使用環(huán)節(jié)普遍存在的超載和違章作業(yè)等現(xiàn)象，是導(dǎo)致塔機事故的直接原因。 在工地塔吊應(yīng)用中，單個塔吊的應(yīng)用場景幾乎不存在，而多塔的布置需要根據(jù)所要建設(shè)的建筑物來確定，那么，實際中往往各塔機之間存在一定的碰撞關(guān)系。 塔吊屬于特種設(shè)備，塔吊司機作業(yè)為高空作業(yè)，一旦發(fā)生塔吊碰撞，會極大危害工地生產(chǎn)安全。本文重點介紹群塔物聯(lián)網(wǎng)關(guān)自組網(wǎng)以及群塔防碰撞功能設(shè)計，所述的系統(tǒng)設(shè)計可解決塔間通信和群塔防碰撞漏報誤報警的問題。

整體設(shè)計 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。塔機上安裝物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間采用LoRa 連接，并與各相關(guān)塔的網(wǎng)關(guān)自組網(wǎng)，形成防碰撞預(yù)警系統(tǒng)。 網(wǎng)關(guān)與NS服務(wù)器采用 3G/4G 連接，將塔機監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺服務(wù)器，最后由 AS 服務(wù)器完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的展示等。

    

     網(wǎng)關(guān)組網(wǎng) 市面上的塔機監(jiān)控系統(tǒng)，塔間通信通常采用傳統(tǒng)的基于FSK 制式的ZigBee 技術(shù)來實現(xiàn)。 在長期使用過程中發(fā)現(xiàn)，FSK在工地應(yīng)用中存在干擾、傳輸距離不穩(wěn)定/過短等問題，造成各塔機之間的實時數(shù)據(jù)交互存在不穩(wěn)定性，以致發(fā)生漏報警。 本文所設(shè)計系統(tǒng)采用基于LoRa 制式的無線傳輸技術(shù)組網(wǎng)。 LoRa 是美國 Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，這種傳輸方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的 折衷考慮方式， 提供一種簡單的能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。

組網(wǎng)方式 工地群塔模型如圖2 所示。 5 臺塔機形成一個防碰撞系統(tǒng)模型，彼此之間在大臂旋轉(zhuǎn)或者小車運動過程中，存在碰撞關(guān)系。 每臺塔機上的監(jiān)控網(wǎng)關(guān)將自身的塔機實時數(shù)據(jù)通過LoRa不斷廣播到其他網(wǎng)關(guān)，同時實時接收其他網(wǎng)關(guān)的實時數(shù)據(jù)。 因塔機之間的數(shù)據(jù)交互要求實時性高，因此各網(wǎng)關(guān)之間采用廣播方式為主、主動請求為輔的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)本塔網(wǎng)關(guān)連續(xù)接收到相關(guān)塔的數(shù)據(jù)時，本塔網(wǎng)關(guān)不主動請求數(shù)據(jù)。 當(dāng)本塔網(wǎng)關(guān)超時未接收到某相關(guān)塔的數(shù)據(jù)時，將主動發(fā)送獲取數(shù)據(jù)請求幀。 實時數(shù)據(jù)主要包括：塔機的設(shè)備編碼、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度值。每臺塔機以自身作為“中心塔”，也稱為“本塔”，其他存在碰撞關(guān)系的塔機稱為“相關(guān)塔”。 如圖 2 中所示，當(dāng)塔機GA作為本塔時，它的相關(guān)塔機為GB和GC。 那么GA在接收數(shù)據(jù)時，根據(jù)設(shè)備ID來剔除GD和GE 塔機的數(shù)據(jù)。

    

LoRa參數(shù)確定 LoRa通信采用擴(kuò)頻技術(shù)實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信， 其擴(kuò)頻因子為6~12， 空曠情況下最遠(yuǎn)通信距離可以達(dá)到 5km 以上。 在本文所述的工地應(yīng)用中，以某一臺塔機和其相關(guān)塔組成的群塔網(wǎng)絡(luò)，直徑應(yīng)該在300m范圍內(nèi)，如果通信距離太遠(yuǎn)，勢必會造成碰撞 概率增大，從而對周圍其他非相關(guān)塔機的數(shù)據(jù)造成干擾。 而通信距離如果太近，又會導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀丟失過多。 因此，結(jié)合實際使用，LoRa 的擴(kuò)頻因子默認(rèn)為8，系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程/本地調(diào)節(jié)的方式，來實現(xiàn)該應(yīng)用中的距離要求。

防碰撞算法設(shè)計 群塔防碰撞，即塔機數(shù)量為2臺及2臺以上時，存在重疊的作業(yè)區(qū)域，使得塔機間發(fā)生碰撞的可能。 在符合布塔規(guī)范的情況下，只存在高塔機的吊鉤碰低塔機的大臂或平衡臂的問題。如圖 3 所示 為塔間碰撞示意。

實際情況下， 往往存在布塔不規(guī)范等問題，導(dǎo)致更多的碰撞情況，如大臂碰塔身、大臂碰大臂等。

坐標(biāo)計算 每臺塔吊以自身為本塔，其他塔吊作為相關(guān)塔。 防碰撞關(guān)系的確定，首先要計算出各相關(guān)塔吊相對于本塔的相對坐標(biāo)。本塔坐標(biāo)均采用默認(rèn)值如 200，200），利用極坐標(biāo)計算方法，通過回轉(zhuǎn)角度值和各相關(guān)塔到本塔的實際距離，自動計算各相關(guān)塔的相對坐標(biāo)。 如圖 4 所示，本塔坐標(biāo)為CT0（X0，Y0），本塔和相關(guān)塔之間的距離為L1，本塔大臂指向相關(guān)塔時的回轉(zhuǎn)角度為θ，則相關(guān)塔機坐標(biāo)為CT1（X0+L1cosθ， Y0+L1sinθ）

水平相關(guān)性 水平相關(guān)性是指兩塔在水平面上是否存在碰撞關(guān)系，如圖5 所示。 只有當(dāng)兩個塔機中心點的距離d＜R1+R2）時， 兩臺塔機才具備水平相關(guān)性。 其中 R1、R2 分別為兩臺塔機的大臂長度，即旋轉(zhuǎn)半徑。

高度相關(guān)性 只有當(dāng)塔機之間存在水平相關(guān)性時，才考慮高度相關(guān)性。 高度相關(guān)性是指，塔機之間存在空間上的高度差異，存在碰撞區(qū)域

本塔根據(jù)與相關(guān)塔塔身的高度差來確定碰撞類型。 當(dāng)本塔塔身高度大于相關(guān)塔塔頂高度時，則本塔是高塔機；如果本塔塔頂高度小于相關(guān)塔塔身高度，則本塔是低塔機；除此之外，為等高塔機。 建立模型需確定三點坐標(biāo)：前點、后點和吊鉤坐標(biāo)點。 前點即大臂最前端位置；后點即塔吊平衡臂最尾端點，吊鉤坐標(biāo)點為當(dāng)前吊鉤的位置點。 如圖 6中高度相關(guān)性示意圖定義，本塔的前點My_move_A，后點 My_move_B，吊鉤點My_move，相關(guān)塔的前點His_move_A，后點His_moveB，吊鉤點His_move。

防碰撞計算 在群塔相互運動中，需要實時計算上述三點位的相對位置來計算碰撞關(guān)系， 需從 “碰撞距離”和 “碰撞角度”兩個方面去計算。 如表1、表 2、表 3 所示，分別是本塔為低塔、高塔和等高塔時的碰撞方式。

首先根據(jù)塔吊靜態(tài)參數(shù)和實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定本塔相對于相關(guān)塔的類型。然后分別計算出各碰點的坐標(biāo)，得出對應(yīng)的碰撞角度和距離。以“本塔為低塔時，本塔大臂（前點）碰相關(guān)塔吊鉤”為例：

（1）實時計算本塔中心坐標(biāo)點到相關(guān)塔吊鉤坐標(biāo)點的距離 d1，當(dāng)“d1<本塔大臂長+預(yù)警距離”時，吊鉤進(jìn)入本塔大臂的碰撞范圍；然后分別計算角度預(yù)警和距離預(yù)警；

（2）根據(jù)相關(guān)塔吊鉤坐標(biāo)點相對于本塔的角度 P_angle； 當(dāng) P_angle-本塔實時角度<角度預(yù)警值時，觸發(fā)預(yù)警；

（3）實時計算相關(guān)塔吊鉤到本塔大臂的距離，當(dāng)距離到達(dá)預(yù)警/報警范圍后，發(fā)生預(yù)警/報警。

 4 系統(tǒng)實際使用效果  表4 所示是應(yīng)用本算法的塔機監(jiān)控系統(tǒng)在全國超過 50 個工地的應(yīng)用統(tǒng)計結(jié)果。

 

 

 

 

本文所設(shè)計的塔機物聯(lián)安全防碰撞系統(tǒng)，其應(yīng)用在具體監(jiān)控系統(tǒng)中時，整體系統(tǒng)的性能還取決于回轉(zhuǎn)傳感器以及幅度、高度傳感器的精度，這些數(shù)據(jù)的采集在此不作討論。

結(jié)語：本文針對現(xiàn)有市場上塔吊監(jiān)控產(chǎn)品中群塔防碰撞性能的不足，設(shè)計了基于LoRa 傳輸技術(shù)的自組網(wǎng)防碰撞系統(tǒng)。文中所設(shè)計的防碰撞算法已廣泛應(yīng)用于全國多個智慧工地的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)中，性能穩(wěn)定可靠，為工地塔機安全作業(yè)提