門塔機碰撞預警方法研究

李永山 劉發永 周新志

(1.中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066；2.四川大學，四川 成都 610065)

門座起重機(門機)和塔式起重機(塔機)是水利水電工程中的重要施工設備，主要用于物料運輸。但是，在建設施工過程中，狹窄的作業空間內往往布置較多的門塔機運輸設備，設備間交叉作業率高，容易造成運輸設備之間碰撞。因此，預防設備間的碰撞已成為水利水電工程施工中亟待解決的問題。

隨著數字傳感技術、嵌入式處理技術、遠程監控技術等電子信息技術的發展，數字化、智能化的門塔機群防碰撞系統已逐漸應用于水利水電工程運輸設備上，以解決傳統的信號員指揮或設備作業區域限制[1]的低效率防碰撞問題。針對機群之間的智能防碰撞，令召蘭[2]應用多Agent系統理論，建立了實時性和抗干擾性較強的塔機群防碰撞控制系統；朱宏堂[3]采用激光測距技術，解決塔機的碰撞問題，該方法對應用周期較短的塔吊作業適應性較好；徐景波等[4]基于超聲波測距原理，設計了塔機的防碰撞探測器，能有效避免碰撞事件發生。在運輸設備與構筑物的防碰撞中，文獻[5]和[6]利用圖形識別等多種技術解決吊裝物本身與固定或移動目標的碰撞問題。在監測數據采集和處理方面，賈永峰等[7]針對塔機起重量采集時存在非線性問題，采用數據擬合理論建立軟測量模型，對起重量數據監測具有一定的應用價值；在防碰撞控制算法方面，李達等[8]提出機群防碰撞時等待時間最短算法，既保障了設備之間不發生碰撞，又提升了設備運輸效率。

目前，門塔機的防碰撞方法中，通常以兩種設備之間的距離作為決策依據。但是，缺乏對距離數據的處理，存在錯誤數據點，導致設備制動介入太晚，造成碰撞。因此，為了能夠提高避碰的有效性，提出了基于時間連續、狀態離散的馬爾可夫過程的門塔機機群碰撞預警方法。該方法根據門塔機狀態間的轉移關系，建立狀態轉移強度值與門塔機機群間相對位置的聯系，作出門塔機機群防碰撞的最優決策，從而提高避碰系統的魯棒性。

1 碰撞類型與預警等級劃分

水利水電工程中，門塔機是具有回轉機構一類的設備，且大量布置于施工現場，是常見的垂直運輸設備。施工過程中，設備與設備、設備與構筑物時常處于碰撞的危險區域，因此，需要明晰可能發生碰撞的情況以及預警等級。

1.1 碰撞類型

1.1.1 高位門機或塔機吊繩與低位門機或塔機起重臂或平衡臂的碰撞

碰撞如圖1所示，陰影部分為交叉作業的危險區域，吊繩位于低位機起重臂或者平衡臂的下側。對于塔機，lA和lB分別表示高位機和低位機的臂長，而對于門機，lA和lB分別表示高位機和低位機臂長在水平方向的投影。

圖1 高低位垂直運輸設備碰撞區域注：TC1:高位機；TC2:低位機；β1：高位機轉動夾角；β2：低位機轉動夾角；lA：高位機臂長； lB：低位機臂長；P1：高位機大臂頂端在當前時刻的位置；P2：低位機大臂頂端在當前時刻的位置。

高位機的吊繩與低位機的起重臂或平衡臂發生碰撞時：

a.高位機和低位機具有交叉的作業區域，且都在交叉區域內作業。

b.吊繩與大臂的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

1.1.2 高度相同的門機或塔機與其他具有回轉機構的設備起重臂的碰撞

門塔機起重臂之間的碰撞如圖2所示。

圖2 同高度垂直運輸設備碰撞區域

高度相同，發生碰撞時：

a.有交叉作業區域，且兩臺垂直運輸設備同時處在交叉作業區域。

b.設備的起重臂的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

1.1.3 門塔機吊繩與構筑物之間的碰撞

如圖3所示，這種情形碰撞時：

圖3 垂直運輸設備吊繩與構筑物碰撞區域注： l；門塔機大臂長度；l′：門塔機距構筑物的水平距離；s：門塔機吊鉤水平距離；h：門塔機吊鉤高度；h′：構筑物高度；d：吊繩到構筑物的最小距離

a.吊鉤的位置低于構筑物的位置。

b.吊繩到構筑物的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

1.2 預警等級

設備不在交叉區域內作業，最小距離d大于安全距離dSafe，此時不會發生碰撞，相應的設備預警系統不會發出碰撞警告。隨著設備之間的距離縮短，設備采取相應的行為進行碰撞預警，如圖4所示。

圖4 碰撞區域預警與評估

其中，dBreaking、dAlarm、dWarning和dSafe為對應預警距離，門塔機防碰撞系統實時獲取設備間最小距離d，然后根據d與其他4個位置之間的關系，將危險等級的劃分如下：

a.當d?dSafe時，設備間沒有交叉作業的情況，各設備間不會產生干擾，因此，設備處于綠色安全狀態。

b.當dWarning

c.當dAlarm

d.當dBreaking

e.當d≤dBreaking時，設備發生碰撞，造成施工安全事件。

設備進入了交叉工作區域，且最小距離到達設定的預警距離以后，將采取相應措施預警。因此，保證設備間的最小距離的正確性對提升防碰撞系統安全性具有重大意義。

2 基于馬爾可夫過程的門塔機碰撞預警方法

本文利用馬爾可夫過程將最小距離轉換為相應的碰撞概率，以保證系統的魯棒性。馬爾科夫過程是一個隨機過程，主要表示了狀態空間中各種狀態的轉換。該變化過程與前一時刻的狀態有關，即使最小距離出現錯誤，設備也不會因為最小距離的突然改變而使得當前狀態發生跳變，只會根據前一時刻的狀態向下一個狀態轉移或者保持當前的狀態不變，也就是說，從一級預警跳變為安全狀態等情況不會發生，這與實際設備的作業情況吻合。具體實現如下：

門塔機與其他輔助設備在進行作業時，根據相互之間的位置關系，通常可以分為四種不同狀態：安全態(S)、預警態(W)、報警并減速態(A)和碰撞態(B)。

交叉作業時，相距太近，到達了初始設置的預警距離，設備就會從安全態轉為預警態，處于預警態的設備離開了預警距離就會轉為安全態。同理，當設備進一步靠近了制動距離時，就會進入報警并減速態，同樣，離開了制動距離，設備狀態就會朝著預警狀轉移。若減速不及時或者其他因素干擾可能造成設備碰撞，此時，處于碰撞的設備就是碰撞態，碰撞態是吸收態，一旦進入碰撞態，就會一直處于這個狀態，不會轉移到其他狀態，實際中，只有通過人工作用，將處于碰撞態的設備分開到安全的位置。

設備在某一時刻只能處于一種狀態，且狀態的轉移具有馬爾科夫性，其轉移關系如圖5所示，O表示在危險區域外的環境，D表示在危險區的環境。

圖5 垂直運輸設備狀態轉移關系

垂直運輸設備的轉移強度矩陣Q(t)=[qij(t)],i,j∈{S,W,A,B}。

當d>dSafe時，垂直運輸設備處在危險區域外的環境，轉移強度矩陣為

當d≤dSafe時，垂直運輸設備處在危險區域環境，轉移強度矩陣為：

其中，λij為轉移強度，矩陣的每一行滿足：

(1)

若在時刻t的狀態概率向量為P(t)=[pS(t),pW(t),pA(t),pB(t)]T，根據福克普朗克方程，有

(2)

式(2)可以通過下式迭代計算：

(3)

通過記錄兩個位置點的時差和轉移強度矩陣，根據式(3)可以計算當前點的狀態概率向量。時間可以實時記錄，而轉移強度矩陣計算采用距離的線性關系獲得。

對于危險環境，即d≤dSafe，有

(4)

對于危險環境以外的區域，轉移強度設置為相應的基礎轉移強度。

若基礎轉移強度按表1取值，dSafe=100m，且d=30m和d=70m處出現傳感器或通信錯誤，隨著兩個設備的最小距離d增大，狀態概率的變化如圖6所示。

表1 不同環境中的基礎轉移強度

圖6 狀態概率向量的變化(d/m)

從圖6可以看出，當d增大，設備會從碰撞態經過報警并減速態和預警態轉移到安全態。在d=30m和d=70m處，狀態概率出現變化，但是波動范圍較小，設備狀態沒有發生跳變。在報警并減速態和預警態狀態概率曲線的頂點處設置安全態概率閾值，通過檢測安全態概率，根據安全態概率與閾值即可作出相應的決策。基于馬爾可夫過程的門塔機機群智能防碰撞決策流程如圖7所示。

3 防碰撞測試

為了驗證本文提出的基于馬爾可夫過程的門塔機機群防碰撞決策方法的有效性以及可靠性，在岷江犍為航電樞紐發電廠工程中進行了相應的測試。該工程采用門塔機為主、其他設備為輔的布置方式，施工現場由5臺門機和1臺塔機組成。門塔機群防碰決策流程見圖7。測試過程中選擇下游2臺30t高架門機進行了防碰撞的測試，2臺垂直設備的最小距離大于6m時，屬于安全態，小于4m時，處于預警態，小于3m時，處于報警并減速態，從2017年4月5日起，記錄了一個校驗周期內的5組數據，見表2。

圖7 基于馬爾可夫過程的門塔機群防碰撞決策流程

表2 預警狀態測試結果

通過防碰撞試驗結果可知，本文系統能夠根據設備狀態信息作出相應的預警，經過多組測試，預警結果與預期一致，滿足防碰撞智能控制系統的性能要求。

此外，門塔機防碰撞智能控制系統運行2年以來，一級預警次數為15次，未發生一次碰撞事件，大大地提升了施工過程中的安全性。

4 結 語

本文針對水利水電工程門塔機群碰撞問題，提出了基于馬爾可夫過程的門塔機機群碰撞預警方法。該確定為小孔口出流：方法將距離數據進行了相應的處理，且依照預警等級劃分了設備工作的不同運行狀態，依據安全狀態的概率啟動設備的相應預警等級。在實際施工運行過程中，取得了良好的效果。