大壩塔機纜機防碰撞系統研究

張治鈺+++鄧世恒+++張晴

摘 要：根據目前水利水電工程施工中大型施工設備存在易干擾的現狀，采用GNSS-RTK技術對設備關鍵部位進行定位，并根據設備間的相對位置及運動關系，建立機械設備防碰撞模型，該系統能夠準確、有效的預防事故發生，較好的指導機械運行，實現了對施工現場大型機械設備運行的監測及預警。

關鍵詞：GNSS-RTK；防碰撞系統；智能避讓；安全距離

引言

在水利水電施工現場，為了大壩的高效率施工，往往架立多臺塔機、纜機同時施工，由于施工作業空間狹窄，設備作業空間受到干擾，尤其在陰雨、霧霾等能見度不高的環境，操作人員因所處盲區、疲勞的影響而無法精準定位[1]。傳統方法是加強現場管理，限定設備作業空間，但是這樣往往會造成施工效率下降。三峽工程根據超聲波回波測距方法對機械與其他設備之間的距離進行測量，適用于設備單一、機械數量較少的情況[2]。龍灘水電站開發公司研發的防碰撞系統采用GPS定位，能夠實時、有效的獲取施工設備相關部件的位置信息及設備與障礙物之間的距離，但是只適用于同一平面無旋轉運動的設備[3]。龍開口水電站防碰撞系統實時檢測施工設備相關部件的位置信息，比較適用于不同平面的旋轉運動[4-5]。

目前施工中定位精度不能滿足大壩機械準確高效施工的需要，采用GNSS-RTK技術實時監測設備關鍵部位位置信息，定位精度由米級提高至厘米級[6]，以大壩施工中的纜機、塔機運行情況建立防碰撞模型[7]，不僅實時監測設備位置信息，同時指導設備運動，從減少碰撞事故的角度出發，提高系統整體效率。

1 防碰撞系統的工作原理

在大壩施工機械運行中，防碰撞系統實時獲取機械運動部位的位置、速度等信息，并將獲取到的信息傳輸至中央信息系統，信息系統計算出各設備之間的相對位置關系，對可能發生的碰撞反饋給機械操作人員，對可能發生的碰撞做出判斷并分為三個等級，三級安全距離是指設備按照指示操作，并提醒操作人員注意周邊環境；二級安全距離是指在設備間距離較近，采取正常制動可以避免發生碰撞；一級安全距離是指設備必須立刻采取緊急制動才可以避免發生碰撞的距離。操作人員根據預警指示信號和經驗對機械進行指導操作。

2 系統組成

2.1 定位系統

基準站由接收機和發射電臺組成，基準站安置在正確的已知坐標點上，流動站由接收機、數據鏈接收天線等組成，流動站安置于施工機械關鍵部位，將塔機和纜機小車部位作為GNSS流動站。

2.2 信息系統

塔機與纜機之間相對運動關系可分為相向運動、相反運動及追擊運動，可能發生碰撞的情形為纜機吊罐與塔機吊臂、塔機吊鉤與纜機小車之間的碰撞。圖中陰影部分表示塔吊掃掠范圍，A、C為纜機小車運動先后位置點，圖2（a）表示纜機與塔機的相向運動，圖2（b）表示纜機與塔吊追擊運動。

2.3 預警系統

2.3.1 警示級別

不同的安全距離對應不同的警示級別。兩設備處于運行碰撞區時，采用紅色指示燈提醒人員操作，并伴隨語音提示，立即采取緊急制動；兩設備處于運行干擾區，采用黃色指示燈指導操作，注意設備間的運行關系及明確避讓準則；設備間處于運行安全區采用綠色指示燈指導操作，提醒操作人員周圍區域的干擾設備及相對位置關系。

2.3.2 安全距離

當系統發出二級或三級警示指令時，設備可能發生碰撞的相關部件的距離由三部分組成：操作人員聽到指令到進行相應操作的反應時間內設備運行的距離、設備在原本速度下采取制動措施后由于慣性滑行的距離、對于優先級不同的設備，是優先級低的設備制動后的滑行距離加上優先級高的設備在該時間內的運行距離；采取制動后的設備間應預留一定的安全距離，設備間最小安全距離為△S。

3 結束語

基于GNSS-RTK技術的機械設備的防碰撞系統，較好的解決了因復雜施工環境下設備間易發生碰撞的安全隱患，并對設備運行間距予以劃分，分為不同級別的安全距離，設計以C#為基礎的防碰撞算法，為操作人員提供明確的指導信息，采用實時差分技術為整個系統精度提供保障，將信息實時傳輸至客戶端，實現對大壩施工機械的實時監控，對“智能施工”的發展前景有一定的指導意義

參考文獻

[1]肖志懷，胡勇健，陳佳，等.大壩建筑設備防碰撞系統[J].武漢大學學報（工學版），2013，46（6）：815-818.

[2]張志強，吳慶鳴，夏大勇，等.大壩施工設備防碰撞預警系統[J].武漢大學學報（工學版），2007，40（1）：134-137.

[3]張世保，劉星，楊帆.三峽工程施工機械聯合作業防撞測控系統研究[J].中國三峽建設，2002（06）：17-18.

[4]夏大勇，熊雄，朱洪強，等.龍灘水電工程大壩施工設備防碰撞預警系統的開發[J].紅水河，2006（04）：60-63.

[5]李雪鋒，許義群，高春輝，等.龍開口水電站防碰撞系統的設計、開發與應用[J].水力發電，2013，39（2）：57-60.

[6]詹銀虎，鄭勇，張超，等.GNSS-RTK技術在FAST饋源艙測量中的可行性研究[J].測繪通報，2013（S1）：29-33.

[7]黃建文，祝建軍，張婷.基于GPS/RFID組合定位的纜機塔機防碰撞系統研究[J].中國安全生產科學技術，2015（10）：90-95.