区域塔机安全系统在高层建筑群中的应用

摘要：建筑群施工中塔机间的交叉作业现象无法避免，碰撞风险普遍存在。本文介绍了区域塔机安全系统的组成、工作原理和基本算法，并根据系统在项目的使用情况提出了改进方向。

关键词：塔机群;安全系统;远程

塔机是现代高层建筑必备的垂直运输设备，现代建筑物越来越密集，塔机间交叉作业无法避免，塔机群的工作存在安全风险。本文浅淡区域塔机安全系统的原理及在高层建筑群施工中的应用。

1.塔机群的安全风险

塔机群的安全风险有三个方面：单台塔机自身的运行风险;单台塔机与其他物体的碰撞风险;塔机叉作业的碰撞风险。本文主要针对后两种风险来讲述区域塔机安全系统。

2.区域塔机安全系统的组成和功能

区域塔机安全系统基于传感器技术、嵌入式技术、无线通讯技术和自动控制技术，具有监测、预警、控制三大功能。

系统的核心是塔机安全监测仪，它能够实时采集本塔机的运行数据并在区域塔机间交换共享，通过PLC控制模块对共享数据进行计算，确定塔机是否处于风险状态。施工现场办公室的塔机监视器也通过局域网通讯模块接收区域内各台塔机数据，计算区域内所有塔机的单机状态和塔机群与障碍物的空间位置关系。塔机安全监测仪还通过GPRS模块将塔机的数据传输到远程服务器。远程管理中心使用塔机安全管理信息系统从服务器读取数据就能够实现对多区域塔机运行状态的管理。若将安全管理信息系统与动态地图技术结合起来，就可实现实景化监控。

图一：区域塔机安全系统组成

3.工作原理及算法

在塔机运行的某个时刻，各传感器将采集到的数据传输给主机，同时局域网通讯模块使用广播形式将本机数据发送给区域内其它各主机并从其它各主机接收数据传输给本主机，本主机根据预设的数据和接收到的数据计算塔机是否进入危险区域，如果达到预设的报警水平，则触发警报。基于PLC控制模块的强大运算能力，各主机以很高频率不断重复以上过程，即实现实时监测。

系统的防碰撞算法：首先把塔机的各部件全部虚拟成三维空间的线段，形状复杂的部份如平衡臂、斜拉杆等虚拟成多个线段的组合，某时刻的吊绳也可认为是固定长度的线段，障碍物虚拟成三维体并用多线段构成三维体的表面。PLC控制下的主机按以下程序循环执行：

（1）取得实时数据;

（2）根据预设数据和采集数据计算此刻各线段端点的空间坐标;

（3）计算可能发生碰撞范围内的各条线段间的最小距离d0（所有障碍物线段之间及同一塔机的各组成线段之间不计算）;

（4）如全部d0均大于预设值则进行步骤6，否测进行步骤5;

（5）比较每对间距小于预定值的线段本周期最小距离d0与前周期最小距离d1：

①d0>d1，双方正在远离，不采取措施;

②d0=d1，双方未移动，采取的措施不变;

③d0

（6）刷新数据库，返回步骤1。

此处需要说明，算法中第3点空间两线段间的最小距离计算方法如下：

（1）将两线段AB和CD延长成直线L1，L2;

（2）根据L1，L2的直线方程，求得两条直线的线性向量（和直线平行的向量），进而求得公垂向量，得到两直线的公垂线L3，分别与L1和L2交于Q1和Q2点;

（3）如Q1在线段AB上，则取最近点为Q1，如Q1在线段AB的延长线上，则取最近点为线段AB与Q1最近的端点（如图中A点）。同理求得另一最近点Q2;

（4）两最近点之间的距离（如图中线段AQ2）为线段AB和CD的最小距离。

图二：空间两线段最小距离计算

4.应用案例

贵阳市花果园项目C区工程共有高层建筑14栋，安装塔机14台，同时受山体及电力线路等环境因素影响，区域内存在较大的碰撞风险。

项目选用了某公司开发的区域塔机安全系统，每台塔机安装幅度、角度、吊钩位置三种传感器用于实时采集塔机状态数据。在工地办公区内安装了塔机监视器实时监视塔机群的状态，系统同时接入安监部门的远程塔机安全管理信息系统。项目机械管理员每月对采集的塔机工作和违章数据进行分析，作为操作司机考评的重要依据。

使用该系统前将各塔机的几何尺寸、位置坐标、基础标高、障碍物、既有和在建建筑物等信息全部输入系统数据库中。系统设置两级报警，当塔机及所吊物品或吊绳的任何部位与其它塔机或物体间距小于5米时触发黄色警报，警报器发出间断警铃;当间距小于3米时触发红色警报，警报器发出连续高分贝警铃并对塔机进行制动，操作司机无法再向风险加剧方向操作塔机，但能向风险减小方向改出，向无风险方向的操作不受限制。

5.改进方向

使用中，发现该类系统还有不完善的地方，在此提出改进思路。

（1）使用低频率的无线通讯载波信号以提高障碍物绕过能力，增加发射功率以适应面积较大的项目。

（2）在主机上集成GPS定位仪和高度计，自动采集塔机的位置和高度，使系统数据时刻处于最新状态，避免塔机升降后数据更新不及时造成的计算错误。

（3）对算法进行优化，引入碰撞避让算法如等待时间最短法，缩短塔机被控时间，提高塔机使用效率。

参考文献：

[1]关晓.新型群塔防撞自动控制系统研究.起重运输机械，2011，04.

[2]王涛.群塔监控系统设计.建筑机械，2008，13.

[3]马东方.塔机群防碰撞避让算法的研究.机电工程，2011，10.

作者简介：唐晓川（1979-），男，四川成都人，学历：学士，研究方向：工程机械。