宋紅旗，劉茂青，楊海軍
(山西六建集團有限公司,山西 太原 030024)
塔式起重機是施工現場最重要的大型起重設備之一,因其作業空間大,工作效率高,在建筑領域得到了廣泛的應用[1]。近年來,隨著以預制建筑為代表的建筑工業化的推進,塔機的應用場景進一步拓寬,其運行效率直接影響施工進度和工程成本,但另一方面塔機的安全運行也得到了越來越多的關注[2-4]。隨著高層建筑不斷涌現,生產自動化程度不斷提高,大型項目多臺塔機協同作業的情況也越來越常見,群塔作業的安全問題也凸顯出來[5]。
互聯網、大數據以及人工智能技術的進步推動了數字經濟的發展。數字化是建筑產業轉型升級的必然趨勢。通過數字化技術,可以實現建筑業的工業化、智能化和綠色化發展,提高建筑業的附加值和競爭力[6]。數字化技術的發展與進步為保障施工過程規范性與安全性提供了新的思路與解決辦法。本文針對施工過程中存在的群塔協同作業碰撞問題,提出了一種基于項目群塔作業的防碰撞方案,通過傳感器和無線網絡獲取塔機信息構建群塔位置信息模型,實現對群塔位置和運行狀態的實時掌控。其次設計了群塔防碰撞的規則和方案,在存在碰撞風險時進行及時的安全隱患提醒、塔機限速和制動。最終實現對塔機位置和狀態信息的監控,并且對碰撞進行及時提醒,讓塔司能夠及時做出反應避免碰撞的發生。同時在碰撞即將發生時,主動進行減速和制動,減少碰撞事故的發生,保障施工作業的安全進行和現場人員的生命財產安全。
塔機群塔防碰撞控制系統需要對塔式起重機的運行參數及狀態進行實時監控,并根據狀態信息和所設計的規則,實現對碰撞風險的及時提示和對塔機的及時控制。群塔防碰撞控制系統的設計方案的整體框架如圖1所示。
本文采用多傳感器融合技術對塔機運行數據進行采集,為了有效避免群塔作業時塔機的碰撞,我們需要知道每個塔機三個機構的實時運行狀態與塔機的相對位置。這里我們在塔機的三個運動機構處安裝了傳感器獲取塔機的起升高度信息、變幅距離信息以及回轉角度信息。
除此之外,為了獲取相鄰塔機的相對位置關系,我們利用了GPS技術,對塔機位置進行了定位。計算出所測量的三維位置信息,實現塔機位置的確定。進一步我們需要實現塔機間的信息交互與共享,我們引用無線通信技術,利用多個網橋構建無線組網,實現塔機之間的點對點的信息交互。整個系統的數據通信結構如圖2所示。
本節將給出項目內群塔作業防碰撞方案的設計。要實現群塔作業的防碰撞,除了技術支持外還需要有相應的規則和方案去確定何時顯示安全提示信息、提示信息的形式以及執行怎樣的控制動作。
群塔方案的設計首先要符合群塔作業的相關規定以及項目作業的習慣。根據《建筑塔式起重機安全規程》等相關政策的規定,處于高位起重機的最低位置的部件與低位起重機中處于最高位置部件之間的垂直距離不得小于2 m;當同一施工地點有2臺以上塔機時,應保持兩塔機間任何接觸部位(包括吊物)距離不得小于2 m;約8成項目規定不得在交叉區域同時作業,2成項目規定可以在交叉區域同時作業,但要做好溝通。
由此可以看出群塔作業過程中,為了避免群塔碰撞已經在群塔設立階段做了相應的規范與要求,有效避免了塔機起重臂之間的碰撞,以及起重臂與塔身之間的碰撞。因此所設計的項目群塔作業防碰撞方案的主要關注場景在于高低塔之間的碰撞,以及在碰撞多發的交叉區域如何避免群塔的碰撞。高低塔之間的碰撞場景多為低塔的起重臂刮蹭高塔的鋼絲繩,且該場景一般發生在交叉區作業過程中。經過分析可知交叉區作為危險區首先需要引起塔司的充分重視,在進入交叉區域時進行安全隱患提醒。具體給出的方案如下:
當交叉區域存在多臺塔機作業,即塔機的吊臂、小車同時進入碰撞區時,進行安全提示并顯示在中控界面上。同時當我方塔機進入到交叉碰撞區,且檢測到交叉區域存在另一臺塔機時,此時會對群防狀態及塔機速度進行限制;安全提示規則如表1所示。
表1 安全提示規則匯總表
具體的控制規則如下:
獲取塔機的運行信息,檢測到交叉區內我方塔機靠近方向距離D1內存在塔機,設定警戒距離范圍為S1,危險距離范圍為S2。其中S2為塔機最高速度下能停止的最短距離,S1>S2。假定我方塔機為高塔,接近塔機為低塔,那么我方塔機距離相鄰塔機的距離D1的定義為低塔大臂距離高塔鋼絲繩之間的距離。其示意圖如圖3所示。
我們假定高塔的塔機坐標為(xa,ya,za),低塔的塔機坐標為(xb,yb,zb),高塔和低塔的狀態為(la,θa,ha)和(lb,θb,hb)。其中所應用到的符號如表2所示。
表2 符號表
那么我們可以獲得高塔吊繩兩端的坐標可以表示為式(1)所示的形式。
(1)
低塔塔臂兩端的位置坐標可以表示為式(2)所示的形式。
(2)
根據吊繩和大臂的坐標信息結合線段之間的距離計算公式我們很容易得到低塔大臂距離高塔鋼絲繩之間的距離D1。
結合之前的分析我們可以得到整個控制的流程如圖4所示,首先我們需要根據所采集到的塔機位置信息和運行狀態信息獲取高低塔情況下低塔塔臂距離高塔鋼絲繩之間的距離D1,如果所得到的距離小于警戒距離S1說明當前塔機沒有碰撞風險,若大于警戒距離則需要進行安全風險提示,提醒塔司需要注意附近的作業塔機,并對塔機的回轉、變幅等操作的檔位進行限制;若所得到的距離小于S2則需要對塔機進行制動,保證塔機不會發生碰撞,造成安全事故。同時當碰撞風險解除時應當恢復塔機的駕駛。
基于以上的分析和設計我們得到了關于項目內群塔作業防碰撞技術方案和安全風險提示與控制規則,本節我們將通過現場實驗和應用的方式驗證所提出方案的有效性。
首先我們需要驗證所給出的技術方案和安全風險提示與控制規則所涉及的場景能夠在實際的應用中生效,因此我們設計了相應的驗證實驗方案。驗證實驗的場地為山西六建陽曲縣人民醫院新院區建設項目,該項目包含4臺同時作業的塔吊,其位置關系如圖5所示。從圖5中可得到4臺塔吊相互之間均存在交叉作業區,我們將2號塔機作為實驗塔機,部署項目內群塔作業防碰撞監測與控制系統,以1號作為驗證的低塔,模擬1號塔位于交叉區域,2號塔機從不同方向接近交叉區塔機、2號塔位于交叉區域,1號塔機從不同方向接近交叉區塔機及兩塔機同時進入交叉區域或同時在交叉區域作業三種實驗場景,分別驗證模擬場景下塔機的報警顯示是否正常、塔機減速制動情況及風險消失,塔機恢復駕駛情況。
設置S1=20 m,S2=15 m,根據以上方案進行測試,結果如圖6,圖7所示。圖6距離D1=17.283 5 m且2號塔機的小車和1號塔機的大臂均在交叉區內。此時滿足條件S2 為了驗證所給出方案的應用可行性,我們將采集到的塔機運行數據以及安全提示信息,上傳到了項目管理平臺上,那么我們可以通過后臺數據更直觀地看到防碰撞安全風險提示信息和控制生效的次數以及發生的吊次。這不僅有利于監控防碰撞系統的運行情況,還可以在事故發生時第一時間定位事故發生原因及時做出調整。如圖8所示為9月4日至9月10日一周的吊次數據與安全提示信息數據統計。 由以上數據可知,在群塔作業過程中,一周內的安全風險提示次數占總吊次的37%,單獨一天的安全風險提示的最高次數達到了吊物總次數的60%。根據實際數據我們可以更直觀地了解群塔運行風險,并做到及時的安全風險提示和控制。從而幫助塔司更快地規避群塔碰撞風險,保障群塔作業的安全。 由于吊裝中時常發生群塔作業的場景,本文提出了基于群塔作業防碰撞方案并開發了群塔防碰撞系統,通過采集和共享塔機的運行信息,設計群塔防碰撞規則,實現了塔機在發生碰撞風險時的及時提示、減速和主動制動。通過在實際項目上運行的結果,可看出群塔防碰撞方案規避群塔碰撞場景的有效性。
