淺談楊房溝水電站防碰撞安全監控系統的應用

馬國師，段昊衡

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

1 工程概況

楊房溝水電站是國內首個百萬千瓦級的EPC水電站施工項目，其擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩,大壩最高處為155 m，壩頂中心線弧長362.17 m，壩體混凝土總量約86.06萬m3，澆筑工作持續時間約25個月。壩址區為典型的高山峽谷地貌，施工區域地形狹窄、環境復雜。楊房溝水電站壩址區域起重設備布置情況如圖1所示。

圖1 楊房溝水電站壩址區域起重設備圖

為滿足大壩混凝土澆筑、材料吊運及水墊塘邊墻作業需求，壩址區域集中分布多臺大型起重吊裝設備，具體為3臺纜機、1臺MQ900B門機（壩后）、1臺C7050塔機（壩前）。其中，壩后MQ900B門機、壩前C7050塔機與纜機存在局部交叉運行現象，碰撞安全隱患突出，極有可能發生因人員操作不當、設備故障、環境因素等導致設備碰撞生產安全事故，影響大壩混凝土澆筑安全及施工效率。經多方研究，一致認為將楊房溝水電站壩址區域大型起重吊裝設備應用到防碰撞安全監控系統十分有必要。

2 防碰撞安全監控系統整體框架

根據目前技術條件，結合水電站現場大型起重設備碰撞存在的安全隱患，在防碰撞安全監控系統中，利用起重設備力矩系統中吊鉤高度和吊臂角度、幅度等參數，建立多臺設備組網。從主動防碰撞、被動防碰撞和輔助防碰撞三個方面進一步完善設備運行期間的防碰撞預警通訊，利用外部接收移動存儲設備，導出起重設備運行期間防碰撞安全監控系統的空間限位、視頻監控、力矩系統等數據記錄、軌跡圖及實時視頻等數據，便于后期分析。

2.1 防碰撞安全監控系統組成及安裝

防碰撞系統由起重吊裝設備位置檢測、信息交換系統、運算處理系統和人機交互系統組成[1]。

通過在壩前C7050塔機增加吊鉤高度傳感器、臂桿幅度傳感器和回轉傳感器實現實時檢測吊鉤高度、臂桿水平位置，在壩后MQ900B門機增加吊鉤高度傳感器、臂桿角度傳感器和回轉傳感器，實現吊鉤高度、臂桿水平位置實時檢測，在纜機加裝起升編碼器、行走編碼器實現吊鉤水平位置、大車水平位置實時檢測，有效限制各臺設備在三維空間內的安全工作區域、行走區域。壩前C7050塔機傳感器安裝位置示意圖如圖2所示。

圖2 壩前C7050塔機傳感器安裝位置示意圖

在此基礎上，建立上述5臺設備的組網，實現互相通訊。門機、塔機臂桿部位安裝毫米波雷達傳感器，檢測設備與山體、建筑物等障礙物距離，防止發生碰撞。

2.2 防碰撞安全監控系統的工作原理

楊房溝水電站采用的防碰撞安全監控系統包括主動防碰撞、被動防碰撞及輔助防碰撞。主動防碰撞主要應用于壩前C7050塔機和壩后MQ900B門機中。防碰撞安全監控系統原理如圖3所示。

在塔機、門機臂桿重要部位安裝毫米波雷達傳感器，探測水平方向上的山體、建筑物等障礙物，通過數據反饋，監測臂桿水平兩側的障礙物，實現防止碰撞。塔機與纜機、門機與纜機之間采用被動防碰撞系統，建立防碰撞關系組網，交換各個設備的位置、運行狀態等信息，通過對應的三維坐標，獲取實時動態信息[2-4]，避免設備間發生碰撞。輔助防碰撞主要包括監控攝像頭、觸摸屏等。以下將以被動防碰撞、主動防碰撞及輔助防碰撞三個方面完善防碰撞預警通訊。

圖3 防碰撞安全監控系統原理框圖

2.2.1 被動防碰撞

基于三維空間模擬被動防碰撞系統，通過在起重設備上安裝多個傳感器，采集設備運行高度、角度、幅度、方位朝向等數據[5、6]，配合使用楊房溝水電站壩址區域測量空間坐標系，在各個起重設備上實時模擬本機運行時間空間狀態，同時互相檢測是否存在碰撞風險。

2.2.2 主動防碰撞

為主動探測山體、建筑物、鋼絲繩等障礙物的碰撞，楊房溝水電站首次應用了專業毫米波雷達傳感器。

通常毫米波波長為1 mm～10 mm，頻域在30 GHz～300 GHz之間。毫米波的波長介于微波與紅外波之間，因此，毫米波兼有兩個波段的特性[7]。同微波雷達相比，毫米波雷達具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點。與攝像頭、紅外、激光等紅外波傳感器相比，毫米波雷達抗干擾能力強，穿透霧、煙、灰塵的能力強，能檢測到復雜環境下的弱目標，受雨、雪天氣影響小，具有全天候（大雨天除外）、全天時工作能力的優勢，不僅可以測距，還能測速、測角[8]。綜合比較，毫米波雷達的特性可以更好地應用于施工現場的復雜惡劣環境中。

基于雷達測距原理，主動防碰撞系統利用雷達發射機產生足夠的電磁能量，經過收發轉換開關傳送給天線，天線將這些電磁能量輻射集中在某一個很窄的方向上形成波束向前傳播，電磁波遇到波束內目標后，被雷達天線獲取，通過電磁波發出、返回時間與光速常量可以計算當前物體實時距離[9]。在起重設備臂桿上安裝多個雷達天線組成的雷達陣列，探測整條臂桿周圍任何物體距離，起到主動預警、防碰撞效果。

毫米波雷達主動防碰撞系統相比傳統的人工觀測防碰撞方式，可有效克服視線差、惡劣天氣環境影響，能夠24 h不間斷運行服務，極大地提高了設備防碰撞效率。

2.2.3 輔助防碰撞

安裝在吊鉤小車上的攝像頭，可實時變焦監控吊鉤位置，防止吊裝過程中出現遮擋盲點影響操作人員觀察視線而無法判斷設備運行狀況。觸摸屏以動畫的形式顯示各防撞設備的位置和工作狀態，設備之間發生碰撞時，顯示屏上有顏色的變化和聲光報警，提示操作人員有可能出現設備碰撞事故。

2.3 防碰撞安全監控系統控制參數

為進一步優化防碰撞系統，針對以下三種情況，設置監控系統的控制參數：

纜機與壩前C7050塔機、壩后MQ900B門機防碰距離范圍30 m時剎車并減速到3檔，20 m時剎車并減速到1 檔，同時發出報警提示，10 m時輸出停機指令，以上參數通過現場情況在儀表參數設置調整。

纜機與壩前C7050塔機、壩后MQ900B門機防碰角度小于30°時發出報警提示，小于20°時輸出停機指令，防碰范圍角度可以通過儀表參數設置現場調整。

塔機、門機安裝的毫米波雷達傳感器在0.5 m到8 m內可以檢測到15 mm的鋼絲繩，0.5 m到40 m內可以檢測到山體、建筑物等大型障礙物，在臂桿接近山體和建筑物10 m時發出報警提示，5 m時輸出停機指令，此參數可以根據現場情況進行設置。

3 防碰撞安全監控系統的應用效果

防碰撞安全監控系統的正常投入使用，極大程度地保證了壩址區域纜機、門機、塔機的運行安全，從原有的全依靠肉眼“主觀指揮、主觀操作”，到當前的“主動保護、被動防護、接近預警、自行制動”，極大地提高了設備防碰撞的保障性[10]。

該系統主要特點為：一是融合應用兩種不同技術，比單一的防碰撞系統技術更保險；二是防碰撞安全監控系統，采用實時檢測顯示預警功能，提前警示設備操作人員，預防可能發生的安全事故；三是能夠實時記錄設備運行數據，為事故發生后的事故調查分析、復盤總結提供數據支撐。在復雜惡劣施工環境下，大型設備防碰撞安全管理中具有較好的實際應用效果，為實現國內首個百萬千瓦級EPC水電站施工項目創優提供了安全保障。

4 結語

本文闡述了楊房溝水電站應用的防碰撞安全監控系統，該系統利用主動防碰撞、被動防碰撞、輔助防碰撞技術解決了施工現場的安全監控、防碰撞預警等問題。后期可利用信息化監控平臺對防碰撞安全監控系統中的數據進行分析，綜合評估施工現場起重設備安全狀況，形成反違章閉合管理，具有較好的實際應用效果。