建筑塔吊防碰撞監控系統的設計

胡玉鳳　李元慶

【摘要】本文介紹了建筑塔吊防碰撞監控系統的設計研發過程。通過設計塔吊運行中的塔臂旋轉角度、塔機旋轉速度、風速、位置等運行參數，設計實時監測電路、塔吊間無線通信電路、塔吊與管理方終端GPRS物聯網無線通信電路、觸摸屏顯示模塊和報警及警示模塊電路;提出了有效可行的塔吊防碰撞系統算法，并予以硬件實施，制作出雙塔吊防碰撞系統模型樣機，并予以系統功能測試。

【關鍵詞】塔吊 防碰撞 安全檢測 無線通信

一、引言

近年來，因樓群密集度的加大，為加快建造進度，人們需將多臺塔吊集中分布在同一施工場地，并在固定區域內同時交叉工作，這容易導致塔吊間發生碰撞事故。近十多年來，為滿足多塔吊協同工作的安全條件及需求，塔吊間的防碰撞問題已經引起了學術界和工業界的高度重視。目前人們利用先進的傳感器技術、微處理器技術、無線通信技術，提出了一種基于ARM的建筑塔吊防碰撞監控系統，該系統具有功能完善、工作性能可靠及塔吊防碰撞安全監控系統，能實現塔吊運行狀態和多種工況信息的實時檢測，對潛在的碰撞予以及時預警，增強了多塔吊同時作業的安全性，并提高了多塔吊設備管理的遠程監控能力，他的研發具有重要的理論技術及工程操作意義，具有廣泛的應用前景。

二、塔吊防碰撞監控系統工作原理

圖一為塔吊防碰撞監控系統設計原理圖，通過對單塔吊自身信息的收集及塔吊間的信息自主交互，實現所設計制定的塔吊間防碰撞算法，最終實現塔吊間的防碰撞、監控及符合安全規范的雙塔吊防碰撞監控系統。

建筑塔吊防碰撞監控系統主要工作原理過程為，當塔吊啟動運行后，微處理器根據電機驅動方式控制模塊發出的控制命令，控制電機實現不同的起重臂轉動狀態;同時，采集單塔吊的定位信息、風速信息、起重臂轉動角度、電機狀態等信息，并將塔吊的起重臂轉角、風速、電機狀態、塔吊狀態等信息在顯示器上予以顯示;系統通過塔吊與管理方無線通信模塊將塔吊位置、風速、起重臂轉動角度等信息數據傳送到管理方客戶端，最終實現管理終端對塔吊的運行狀態及所處環境狀態的實時監控。對于塔吊系統，實時塔吊起重臂轉角信息通過塔吊間無線通信模塊，實時進行信息的自主交互。若雙塔吊系統不存在碰撞危險，則正常運行;若存在碰撞危險，則系統會發出報警提示、對塔吊實施緊急剎車，并在顯示器顯示危險警示信號，提示操作人員注意安全操作。在塔吊發生事故時，塔吊操作人員可選擇一鍵求救，求救信息包含與事故塔吊相對應的塔吊位置和名稱，塔吊管理方便根據求救信息快速定位出發生事故的塔吊，并及時做出相應措施。當風速超過規定范圍，塔吊也會緊急剎車，并發出聲光報警信號。

三、塔吊防碰撞監控系統所用軟件及算法設計

算法設計的目的是為了在塔吊可能發生碰撞危險時，能及時阻止碰撞趨勢及事故的發生，特別是在塔吊操作人員未能及時阻止碰撞趨勢或緊張等原因而做出錯誤操作的情況下，此算法仍可以起到塔吊緊急防碰撞功能。下面以雙塔吊為例，分析塔吊間發生碰撞的可能性。

①兩塔吊有重疊或交叉的工作區域，且其處于相同或近似高度，吊臂在轉動過程中存在發生碰撞的可能性分析。

②塔式起重機有重疊或交叉的工作區域，且其處于不同高度，高位塔式起重機及所吊的重物或吊繩與低位塔式起重機吊臂存在發生碰撞的可能性分析。

（1）當雙塔吊處于相同或者近似高度的情形分析。圖二是近似高度的雙塔吊系統示意圖（其中|H1-H2|<Δ，Δ為一個安全余量）。

由圖三可見，圖中的灰色陰影部分即為塔吊發生相互碰撞的重疊區域;其中TA、TB分別表示塔吊A和塔吊B的基座中心;P1、P2分別為雙塔吊重疊工作區域的臨界點;C點表示重疊區域的中心位置，它是線段P1P2和線段TATB的交點之一;RA、RB分別為塔吊A和塔吊B的吊臂長度。結合圖三，根據三角形角度函數關系有

因此，當確定兩塔吊間的相鄰距離TATB以及兩塔吊的吊臂長度RA和RB后，便可根據上述公式計算出雙塔吊發生碰撞可能存在的危險區域（如圖三中灰色部分）。該危險區域在塔吊架設時便可計算獲得。當任一塔吊吊臂一旦進入該區域，則啟動防碰撞算法計算。

（2）圖四是塔吊處于不同高度及差異較大的情況下，相鄰兩塔吊的布置示意圖。圖四中，H定義為安全裕度，表示高位塔吊吊纜與低位塔吊起重臂間的一個最低水平安全距離，當高位塔吊吊纜與低位塔吊起重臂間的實際距離大于裕度H時，塔吊間不存在相互碰撞可能，因此不需啟動塔吊間的防碰撞算法;反之，當實際距離小于裕度H時，則需啟動塔吊間的防碰撞算法。所啟用的防碰撞算法，其關鍵仍為利用上述公式計算出塔吊工作的重疊區域，并判斷吊臂是否進入該區域運動。

從上述分析可知，當兩臺塔吊吊臂同時進入存在碰撞可能危險區域（單塔吊吊臂進入危險區不會出現碰撞危險）時，可進一步根據兩塔吊起重臂之間的轉角裕度進行判斷是否存在碰撞可能：若兩機保持安全角度（即安全距離），則系統正常工作;若出現多塔吊起重臂運行危險接近，則兩者轉角裕度低于安全裕度，系統會發出報警信號提醒操作員注意安全操作，若低于轉角裕度的臨界值，塔吊操作人員沒有做出阻止碰撞的操作或者做了錯誤操作，則啟動防碰撞指令，塔吊緊急剎車，此時塔吊系統只能執行向非碰撞區域轉動的操作。

四、建筑塔吊防碰撞監控系統的主程序設計

為實現監控系統對塔吊起重臂旋轉角度測量、電機驅動及控制、風速測量、定位、塔吊間及塔吊與管理方通信，顯示功能和報警及警示，需對監控系統予以系統軟件設計和程序編程。系統主程序運作過程如圖五所示。

五、結論

隨著科技的迅速發展，為提高建筑施工效率、節約成本，對建筑工地智能塔吊組群協同工作提出了新的要求。如何將先進的微處理技術、傳感器技術、網絡通信技術等融入到建筑領域，解決塔吊自身各部分的安全監控及塔吊間的防碰撞問題，是本課題研究設計的目的。為此，設計了建筑塔吊防碰撞監控系統，并研究設計了可行、有效的雙塔吊系統防碰撞算法。所設計系統硬件模型的功能測試結果不僅表明預期功能的可行性和有效性，且反映了系統整體工作的可靠性。本設計為其他相似的塔吊間防碰撞設計及研究提供了參考。