建筑塔吊群智能防碰撞系統(tǒng)

摘要：利用無(wú)線電技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等科技，對(duì)塔吊群進(jìn)行智能防碰撞系統(tǒng)的研究，可以大幅度減少塔吊之間、塔吊和其他建筑物之間的刮擦、碰撞，減少塔吊倒塌等事故發(fā)生率。

關(guān)鍵詞：建筑；塔吊；智能防碰撞

前言

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，塔吊的使用越來越廣泛。使用密度的增加和操作人員的不規(guī)范操作，在塔吊的使用過程中出現(xiàn)越來越多的意外事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。研究塔吊防碰撞系統(tǒng)迫在眉睫。

1.研究塔吊智能防碰撞系統(tǒng)的必要性

塔吊的使用，不僅節(jié)省人力投入，還大幅度提高工作效率，為建筑行業(yè)帶來了機(jī)械化和自動(dòng)化的變革。但是隨著建筑行業(yè)塔吊使用數(shù)量和密度的增大，塔吊使用過程中，倒塌、碰撞、過載斷臂等事故頻發(fā)，造成工作人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。研究塔吊安全控制系統(tǒng)迫在眉睫：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔吊使用情況，避免違規(guī)操作，防止塔吊交叉使用帶來的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)減少塔吊發(fā)生意外事故具有重要作用。

2.智能防碰撞的技術(shù)要求

2.1初期傳感器技術(shù)

2.1.1距離傳感器

實(shí)時(shí)監(jiān)控塔吊吊臂與其他塔吊和建筑物的距離，是減少事故發(fā)生的基本措施。距離傳感器技術(shù)提供了可能，距離傳感器是通過發(fā)射電磁脈沖，并測(cè)量脈沖信號(hào)從發(fā)射到接收反射的時(shí)間間隔，計(jì)算與障礙物之間的距離，同時(shí)使用限位器及時(shí)控制塔吊遠(yuǎn)端距離，防止塔吊與其他物品發(fā)生碰撞。距離傳感器同時(shí)與旋角傳感器使用，效果會(huì)更好。

2.1.2重量傳感器

塔吊的第二個(gè)基本問題是吊鉤貨物過重，造成塔吊傾斜甚至倒塌。塔吊的吊重系統(tǒng)是利用電動(dòng)機(jī)做動(dòng)力源，通過鋼絲繩在絞盤的纏繞，經(jīng)過滑輪（組）把力放大，進(jìn)行吊重作業(yè)。重量傳感器基本原理是把力的形變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)得到重量值：使用雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)，制成惠斯通電橋并聯(lián)裝置，測(cè)出應(yīng)力形變得到吊重值，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。重量傳感器需要稱重傳感器、連接件、限位器以及接線盒等零部件。如需直接觀察超重信號(hào)，可以使用計(jì)算器原理計(jì)算出數(shù)值，并由液晶顯示器讀出。

安裝重量傳感器特別注意使用環(huán)境，環(huán)境容易對(duì)傳感器的精度產(chǎn)生影響，致使其失去作用。

2.1.3旋角傳感器

旋角傳感器是應(yīng)用在已知塔吊之間、塔吊和其他建筑物之間存在交叉或者碰撞可能的前提下，為防止碰撞事故，塔吊提前設(shè)定好旋轉(zhuǎn)角度，或者塔吊之間進(jìn)行信號(hào)互測(cè)，A塔吊能感應(yīng)到B塔吊所處的狀態(tài)和變幅，判斷A、B塔吊遠(yuǎn)端距離是否達(dá)到警戒值。

旋角傳感器是應(yīng)用絕對(duì)型光電編碼原理，使用內(nèi)部激光開槽技術(shù)，按照規(guī)律在刻度盤不同的位置開槽，利用二極管的發(fā)光原理作為信號(hào)，光電接收二極管測(cè)定光強(qiáng)度。當(dāng)光到達(dá)開槽的位置，根據(jù)光信號(hào)，光電接收二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。再根據(jù)電信號(hào)的解碼過程得到刻度盤上的角度值，最終輸出測(cè)量值。

2.1.4其他傳感器技術(shù)

預(yù)防塔吊的意外事故發(fā)生，除了需要注意塔吊超重，與其他物體發(fā)生碰撞，還要注意風(fēng)力對(duì)塔吊的影響，這就需要利風(fēng)速傳感器。要求駕駛員隨時(shí)注意大風(fēng)天氣，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到6級(jí)，高空作業(yè)都必須停止。風(fēng)速傳感器利用脈沖原理，風(fēng)力使旋轉(zhuǎn)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)通過電路連接的脈沖發(fā)生器，計(jì)算出單位之間的脈沖數(shù)量，即可計(jì)算出風(fēng)速。

為了使駕駛員能準(zhǔn)確判斷吊鉤下降的高度，還需要“起升及變幅傳感器”，用來測(cè)量鋼絲繩的伸展和收縮長(zhǎng)度，判斷吊鉤的升降高度及水平小車的位移。

3.軟件技術(shù)及硬件技術(shù)

3.1軟件技術(shù)

塔吊防碰撞系統(tǒng)軟件部分：主程序、接口程序、通信協(xié)議、算法和內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序。

3.2硬件要求

塔吊防碰撞系統(tǒng)需要多種含現(xiàn)代化技術(shù)的硬件支持：數(shù)據(jù)處理器、無(wú)線通信設(shè)備、輸入輸出設(shè)備、傳感器系統(tǒng)、人機(jī)交互（參數(shù)修改）單元和塔吊被測(cè)對(duì)象。數(shù)據(jù)處理器主要用于數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理，是系統(tǒng)的“大腦”，通過對(duì)既定的模型計(jì)算，控制碰撞的發(fā)生；無(wú)線通信用于發(fā)送、傳輸、接收塔吊群內(nèi)有交集的塔吊，是實(shí)現(xiàn)塔吊群網(wǎng)絡(luò)控制的基礎(chǔ)；輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)了人機(jī)互動(dòng)：收集人的指令，計(jì)算已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)，自主做出決策；傳感器是利用電信號(hào)的改變，感知被測(cè)量對(duì)象的變化，為系統(tǒng)做出決策提供原始的動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)；人機(jī)交互即以人的行為控制系統(tǒng)運(yùn)作，根據(jù)系統(tǒng)外邊環(huán)境的變化進(jìn)行即時(shí)調(diào)整；塔吊被測(cè)對(duì)象是指為防止意外發(fā)生，而進(jìn)行測(cè)量的動(dòng)態(tài)變量：旋轉(zhuǎn)角度、升降高度、水平小車的行進(jìn)距離、吊重重量等。

防碰撞系統(tǒng)的硬件要求是基本要求：硬件設(shè)備的靈敏度、運(yùn)作的穩(wěn)定性、抗干擾性等，都是軟件設(shè)計(jì)得以流暢運(yùn)行的保證。

4.防碰撞系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

防碰撞系統(tǒng)若得以實(shí)現(xiàn)，需要軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備科學(xué)合理的結(jié)合，采用主操作系統(tǒng)固化于數(shù)據(jù)處理器，合理布置驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)傳感器與顯示器的信號(hào)傳輸與顯示，利用無(wú)線通信將多個(gè)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)連接與統(tǒng)一操作，構(gòu)成塔吊防碰撞的硬件系統(tǒng)。各個(gè)分子系統(tǒng)配合軟件驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)塔吊內(nèi)部、塔吊與外部環(huán)境合理的邏輯關(guān)系：區(qū)分塔吊的交叉區(qū)域、禁行區(qū)域合慣性區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防碰撞的控制。

防碰撞系統(tǒng)組網(wǎng)多采用Agent系統(tǒng)，有三種結(jié)構(gòu)：分布式，混合式和集中式，設(shè)置特定環(huán)境后，Agent能自動(dòng)發(fā)揮作用，具有主動(dòng)性和反饋性，塔吊上任何一臺(tái)防碰撞設(shè)備可稱為一個(gè)Agent，如采用集中式設(shè)計(jì)，每個(gè)防碰撞設(shè)備（agent）收集的數(shù)據(jù)都需要傳給總控制器，由總控制器統(tǒng)一整理、計(jì)算，出現(xiàn)碰撞矛盾時(shí)，即產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)行的障礙，總控制器發(fā)出警報(bào)并制動(dòng)。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，防碰撞系統(tǒng)的研究和使用體現(xiàn)了現(xiàn)代工程的科技化和智能化，即提高了生產(chǎn)效率，又減少了意外事故的發(fā)生。而科技的進(jìn)步將不斷為塔吊的智能化操作提供了可能。

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作者簡(jiǎn)介：亞森江·買合木提，男，維吾爾族，籍貫：中國(guó)，學(xué)歷：大學(xué)本科，職稱：助理工程師，研究方向：電梯和起重機(jī)械檢驗(yàn)檢測(cè)以及壓力容器檢驗(yàn)。